水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、<p>　　水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　[摘 要]系統(tǒng)采用AT89S52作為主控制器，通過集成溫度傳感器DS18B20采集溫度，直接傳送到單片機(jī)，通過數(shù)碼管顯示溫度。用戶可以自行設(shè)定溫度，通過按鈕設(shè)定溫度值，由單片機(jī)通過數(shù)碼管顯示出來，最小區(qū)分度可達(dá)0.01。單片機(jī)通過程序判斷實(shí)際溫度和設(shè)定溫度的大小，并通過控制雙向可控硅決定電熱絲加熱與否，從而達(dá)到自動(dòng)控制溫度的要求。 </

2、p><p>　　[關(guān)鍵詞]溫度傳感器；單片機(jī)；自動(dòng)控制 </p><p>　　中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）36-0258-01 </p><p>　　1 方案論證與比較 </p><p>　　1.1 控制電路的方案選擇 </p><p>　　方案一：采用運(yùn)放等模擬電路搭建

3、一個(gè)控制器，用模擬方式實(shí)現(xiàn)PID控制。可以實(shí)現(xiàn)水溫控制，但要實(shí)現(xiàn)顯示、溫度設(shè)定等功能，電路設(shè)計(jì)較繁雜[1-2]。同樣，使用邏輯電路也可以實(shí)現(xiàn)水溫控制功能，但電路設(shè)計(jì)和制作比較煩瑣。 </p><p>　　方案二：通過FPGA實(shí)現(xiàn)控制功能。使用FPGA時(shí)，電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，通過相應(yīng)的編程設(shè)計(jì)，可以很容易地實(shí)現(xiàn)控制和顯示、鍵盤等功能，是一種可選的方案。但與單片機(jī)相比，性價(jià)比不高[2]。 </p><

4、;p>　　方案三：采用AT89S52單片機(jī)作為核心控制器[3]，將采集到的信息由軟件直接處理，可同時(shí)完成控制、顯示等功能，電路設(shè)計(jì)和制作較簡(jiǎn)單，成本較低，所以采用此方案。 </p><p>　　1.2 測(cè)溫方式及電路的選擇 </p><p>　　方案一：采用熱敏電阻作為測(cè)溫元件。熱敏電阻精度高，需要配合電橋使用，此外還需要制作相應(yīng)的調(diào)理電路。電路設(shè)計(jì)較為繁鎖，且穩(wěn)定性難調(diào)試。 <

5、;/p><p>　　方案二：采用模擬集成溫度傳感器AD590，其具有測(cè)量誤差小、響應(yīng)快、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，但其為電流輸出型，須進(jìn)行放大處理電路或轉(zhuǎn)換成電壓處理，且需要數(shù)模轉(zhuǎn)換等模塊才能實(shí)現(xiàn)顯示功能。 </p><p>　　方案三：采用智能溫度傳感器DS18B20，其具有精度好、可靠性高，價(jià)格適中等特點(diǎn)，利用其單線輸出特性，通過串行通信接口可以測(cè)量溫度，由單片機(jī)軟件來識(shí)別處理[4]。從而使整個(gè)電

6、路簡(jiǎn)單，同時(shí)保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定。 </p><p>　　1.3 加熱方案和功率電路的選擇 </p><p>　　方案一：采用繼電器控制加熱器的工作，若溫度偏低，則控制繼電器吸合，加熱器工作，溫度偏高則繼電器斷開，加熱器停止加熱。由于繼電器采用的是機(jī)械動(dòng)作，存在觸點(diǎn)，因此對(duì)控溫精度要求比較高、系統(tǒng)慣性不是特別大時(shí)，不宜采用繼電器。 </p><p>　　方案二：采用可控

7、硅控制加熱器的工作，可以通過控制導(dǎo)通的交流周期和導(dǎo)通角兩種方式來實(shí)現(xiàn)。采用控制導(dǎo)通交流周期的方式時(shí)，為了達(dá)到控制的精度，需要在一個(gè)較多的周期數(shù)中控制導(dǎo)通的數(shù)目，不適用于動(dòng)態(tài)性能較高的控制。水溫控制系統(tǒng)實(shí)際上具有較大的慣性，可以考慮這種控制方式。采用導(dǎo)通角的方式時(shí)，由于對(duì)每個(gè)周期的交流電都進(jìn)行控制，因此響應(yīng)速度比較高，另外由于導(dǎo)通角連續(xù)可調(diào)，因此控制的精度比較高。所以最終我們采用此種方案。 </p><p>　　2

8、 系統(tǒng)硬件模塊的設(shè)計(jì) </p><p>　　2.1 總體設(shè)計(jì)模塊 </p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分：測(cè)溫電路、主控制電路、功率電路、加熱裝置和數(shù)碼管顯示模塊電路，如圖1所示。 </p><p>　　2.2 主控及顯示電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　主控電路采用AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)核心，將P0.0-P0.3口接三個(gè)傳感器

9、的單線總線，P0.7口輸出溫度控制信號(hào)給功率電路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制加熱功能。顯示電路由四位共陽數(shù)碼管構(gòu)成，通過單片機(jī)P1口供其段碼輸出，P2.0-P2.3控制其位碼，直接采用三極管9012作為其驅(qū)動(dòng)電路保證顯示的亮度。鍵盤部分由3個(gè)按鍵開關(guān)構(gòu)成，分別與P3.0-P3.2口相連，通過功能切換、溫度加減，實(shí)現(xiàn)設(shè)定溫度功能。 </p><p>　　2.3 檢測(cè)溫度電路 </p><p>　　檢測(cè)溫度

10、電路我們采用三片智能溫度傳感器DS18B20作為感溫器件，通過與單片機(jī)三個(gè)I/O口連接構(gòu)成檢測(cè)判別電路。其測(cè)量范圍為-55～+125℃，且輸出的數(shù)據(jù)可進(jìn)行9～12位的編程，分率力依次為0.5、0.25、0.125、0.0625℃。所以其精度可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，使用方便，靈敏度、精度也較高。 </p><p>　　2.4 加熱與功率控制電路 </p><p>　　通過可控硅實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加熱功能。具

11、體實(shí)現(xiàn)：由單片機(jī)判斷實(shí)時(shí)水溫狀況，P0.7輸出脈沖信號(hào)，控制三極管的導(dǎo)通，對(duì)過三極管控制雙向可控硅的導(dǎo)通與否，從而實(shí)現(xiàn)電路的加熱或保持。工作時(shí)，結(jié)合設(shè)置的溫度，當(dāng)溫度高于所設(shè)的溫度時(shí)則可控硅不導(dǎo)通，電熱器不加熱，溫度將會(huì)降低，不再升高。反之亦然。 </p><p>　　3 系統(tǒng)測(cè)試與分析 </p><p>　　實(shí)驗(yàn)1：將溫度計(jì)放入加熱器皿中，測(cè)量實(shí)時(shí)水溫，并與系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。系統(tǒng)運(yùn)行

12、存在一定誤差，誤差范圍小于0.5℃，這主要是由于溫度計(jì)本身與實(shí)際溫度就存在一定誤差，所以檢測(cè)顯示的數(shù)值也就難免有點(diǎn)偏，如表1所示。 </p><p>　　實(shí)驗(yàn)2：當(dāng)溫度迅速升高或降低時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)反應(yīng)情況，采取的方法是觀察溫度到40℃時(shí)，將沸水加入溶器中，觀察溫度計(jì)，到達(dá)60℃時(shí)，則馬上停止，同時(shí)觀察數(shù)碼顯示情況。由于加水的快慢，水溫的均勻程度會(huì)直接影響到測(cè)量的精度，所在在系統(tǒng)對(duì)水溫突變測(cè)量存在一定的滯后現(xiàn)象，如

13、表2所示。 </p><p><b>　　四、總結(jié) </b></p><p>　　系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)為核心控制元件，結(jié)合數(shù)碼管顯示、溫度傳感器的多點(diǎn)采集、雙向可控硅的巧妙運(yùn)用，使系統(tǒng)具有較好自動(dòng)檢測(cè)溫度并控制溫度變化的功能，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)水溫顯示等功能。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p

14、><p>　　[1] 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì)編.《全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)系列教程》[M].電子工業(yè)出版社，2007.5：121-124. </p><p>　　[2] 黃強(qiáng).《模擬電子技術(shù)》[M]. 科技出版社， 2003.1. </p><p>　　[3] 王效華，張永梅 .《單片機(jī)原理與應(yīng)用》[M].北京交通大學(xué)出版社，2007.5. </p>