水溫自動控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1、<p>　　水溫自動控制系統(tǒng)的設計與實現(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，通過數(shù)碼管顯示溫度。用戶可以自行設定溫度，通過按鈕設定溫度值，由單片機通過數(shù)碼管顯示出來，最小區(qū)分度可達0.01。單片機通過程序判斷實際溫度和設定溫度的大小，并通過控制雙向可控硅決定電熱絲加熱與否，從而達到自動控制溫度的要求。 </

2、p><p>　　[關鍵詞]溫度傳感器；單片機；自動控制 </p><p>　　中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：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：采用運放等模擬電路搭建

3、一個控制器，用模擬方式實現(xiàn)PID控制。可以實現(xiàn)水溫控制，但要實現(xiàn)顯示、溫度設定等功能，電路設計較繁雜[1-2]。同樣，使用邏輯電路也可以實現(xiàn)水溫控制功能，但電路設計和制作比較煩瑣。 </p><p>　　方案二：通過FPGA實現(xiàn)控制功能。使用FPGA時，電路設計比較簡單，通過相應的編程設計，可以很容易地實現(xiàn)控制和顯示、鍵盤等功能，是一種可選的方案。但與單片機相比，性價比不高[2]。 </p><

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

5、;/p><p>　　方案二：采用模擬集成溫度傳感器AD590，其具有測量誤差小、響應快、傳輸距離遠等特點，但其為電流輸出型，須進行放大處理電路或轉換成電壓處理，且需要數(shù)模轉換等模塊才能實現(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，價格適中等特點，利用其單線輸出特性，通過串行通信接口可以測量溫度，由單片機軟件來識別處理[4]。從而使整個電

6、路簡單，同時保證了系統(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械動作，存在觸點，因此對控溫精度要求比較高、系統(tǒng)慣性不是特別大時，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，可以通過控制導通的交流周期和導通角兩種方式來實現(xiàn)。采用控制導通交流周期的方式時，為了達到控制的精度，需要在一個較多的周期數(shù)中控制導通的數(shù)目，不適用于動態(tài)性能較高的控制。水溫控制系統(tǒng)實際上具有較大的慣性，可以考慮這種控制方式。采用導通角的方式時，由于對每個周期的交流電都進行控制，因此響應速度比較高，另外由于導通角連續(xù)可調，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)硬件模塊的設計 </p><p>　　2.1 總體設計模塊 </p><p>　　整個系統(tǒng)分為以下幾個部分：測溫電路、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計 </p><p>　　主控電路采用AT89S52單片機作為系統(tǒng)核心，將P0.0-P0.3口接三個傳感器

9、的單線總線，P0.7口輸出溫度控制信號給功率電路，實現(xiàn)自動控制加熱功能。顯示電路由四位共陽數(shù)碼管構成，通過單片機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作為其驅動電路保證顯示的亮度。鍵盤部分由3個按鍵開關構成，分別與P3.0-P3.2口相連，通過功能切換、溫度加減，實現(xiàn)設定溫度功能。 </p><p>　　2.3 檢測溫度電路 </p><p>　　檢測溫度

10、電路我們采用三片智能溫度傳感器DS18B20作為感溫器件，通過與單片機三個I/O口連接構成檢測判別電路。其測量范圍為-55～+125℃，且輸出的數(shù)據(jù)可進行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>　　通過可控硅實現(xiàn)自動加熱功能。具

11、體實現(xiàn)：由單片機判斷實時水溫狀況，P0.7輸出脈沖信號，控制三極管的導通，對過三極管控制雙向可控硅的導通與否，從而實現(xiàn)電路的加熱或保持。工作時，結合設置的溫度，當溫度高于所設的溫度時則可控硅不導通，電熱器不加熱，溫度將會降低，不再升高。反之亦然。 </p><p>　　3 系統(tǒng)測試與分析 </p><p>　　實驗1：將溫度計放入加熱器皿中，測量實時水溫，并與系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)進行比較。系統(tǒng)運行

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

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

14、><p>　　[1] 全國大學生電子設計競賽組委會編.《全國大學生電子設計競賽培訓系列教程》[M].電子工業(yè)出版社，2007.5：121-124. </p><p>　　[2] 黃強.《模擬電子技術》[M]. 科技出版社， 2003.1. </p><p>　　[3] 王效華，張永梅 .《單片機原理與應用》[M].北京交通大學出版社，2007.5. </p>