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水温控制系统(论文)

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基于单片机的水温控制系统设计
谢辉
摘要:本水温控制系统以MCS—51单片机为中心控制器件，主要由温度传感模块,A/D转换放大模块，单片机编程模块，显示模块,控制模块等部分组成。温度信号由温度传感器AD590采集，经过放大转化为电压信号进行编码，测温分辨率0.1℃。水温实时控制由继电器电热丝和风扇进行升温和降温。显示部分由“人机交互界面”的12864液晶显示,增加可读性。该系统具备较高的测量精度，能较好的完成设计要求。
关键字：MCS—51单片机 AD590 水温控制

Abstract: The temperature control system ，which is regarded as the central control device of MCS—51 microcontroller, is constructed by the temperature sensing module, A/D converter amplifier module, control module， microcontroller programming module, display module and other components。 Temperature signal is collected byte AD590 temperature sensor which is amplified into a voltage signal is encoded， temperature resolution is 0。1 ℃。 Real-time control temperature can be heated by heating wire and electric fan. Display part is quoted by “man-machine interface" of 12864 LCD to increase the readability。 The system features is of high accuracy， and it can have better complete of the design requirements.文档为个人收集整理，来源于网络文档为个人收集整理，来源于网络
Keywords: MCS-51 microcontroller AD590 temperature control

目录
1。引言…………………………………………………………………………………2
1.1设计任务………………………………………………………………………2
1.2设计要求………………………………………………………………………2
2。系统设计方案………………………………………………………………………2
2。1各模块的电路的方案选择及论证…………………………………………3
2。1.1主机控制模块 ………………………………………………………3
2.1。2温度控制模块 ………………………………………………………3
2。1.3温度采集模块 ………………………………………………………3
2。1.4显示模块 ……………………………………………………………4
2.2系统各模块的最终方案……………………………………………………4
3.功能模块设计和参数计算…………………………………………………………4
3。1温度采集部分………………………………………………………………4
3.2 单片机控制部分 ……………………………………………………………6
3。3 温度控制电路………………………………………………………………6 3.4 键盘及数字显示部分 ………………………………………………………7
4。软件设计 ……………………………………………………………………7
4。1主程序…………………………………………………………………7
4。2 液晶显示模块…………………………………………………………8
4。3 温度读取及加热散热控制……………………………………………9
5。系统测试及结果分析…………………………………………………………9
5.1实用仪器及型号 ………………………………………………………9
5。2。2温度数据采集测试记录 ……………………………………………9
5.2。3水温控制测试………………………………………………………10
5.2。4温度突变测试………………………………………………………10
6。总结 ………………………………………………………………………………11
参考文献……………………………………………………………………………12

1. 引言
在能源日益紧张的今天，电热水器、饮水机、电饭煲之类的家用电器在保温时，由于简单的温度控制系统，因而会造成很大的能源浪费。当前，能源问题是最热门的话题，也是我们急需解决的，因而我们从节省能源，保护环境出发，设计出本系统。
1。1设计任务
设计制作一个水温自动控制系统,控制对象为1升水，容器为搪瓷器皿.
水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制,以保持设定温度保持不变。
1。2设计要求
（1)温度设定范围为40~90℃，最小区分度为1℃,标定温度≤1℃.
(2）环境温度降低时（例如用电风扇降温)温度控制的静态误差≤1℃.
　 (3）用十进制数码管显示水的实际温度.
　 (4）采用适当的控制方法,当设定温度突变（由40℃提高到60℃）时，减小系统的调节时间和超调量。
（5）温度控制的静态误差≤0.2℃。

2。系统设计方案
该系统以MCS-51单片机为中心控制器件，主要由温度传感模块，A/D转换放大模块，单片机编程模块，显示模块，控制模块等部分组成，如图2.1。

MCS-51

指示电路
键盘输入
温度采集
降温电路
显示电路
A/D转换

图2。1 系统基本模块方框图

2。1各模块电路的方案选择及论证
2。1。1主机控制模块
方案一：采用FPGA作为系统控制器。FPGA功能强大，可实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高,它将所有器件集成在一块芯片上，可以减少体积，提高稳定性，并且可用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展,但成本较高.由于本设计对数据的处理速度本不高,FPGA的高速处理优势得不到充分体现，且引脚较多，
方案二:采用模拟放大器组成的PID控制系统。对于水温控制系统是足够的。但要附加显示，温度设置等功能，附加电路较多,且反应速度慢.
方案三：采用STC89C52RC单片机作为控制器。单片机算术运算功能强,软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑功能.本身带有定时/计数器，可以用来定时、计数，并且具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点.
基于以上分析，拟定方案三,由STC89C52RC作为主机控制部分。
2。1.2温度控制模块
根据题目要求，可以用电热丝进行加热，控制电热丝的功率即可以控制加热的速度。当水温过高时，关掉电热丝，打开风扇，即可使水温控制在设定的温度范围内.由于加热的功率较大，同时为了简化电路的设计，我直接采用220V交流电源。对加热控制模块有以下两种方案：
方案一：采用可控硅来控制加热器有效功率。可控硅是一种半控器件，应用于交流电的功率控制有两种形式：控制导通的交流周期数达到控制功率的目的;控制导通角的控制交流功率。由交流过零检测电路输出方波经适当延时控制双向可控硅的导通角，延时时间即移相偏移量由温度误差计算得到.可以实现对交流电单个周期有效值周期性控制，保证系统的动态性能指标。该方案电路稍复杂，需使用光耦合驱动芯片以及变压器等器件。但该方案可以实现功率的连续调节,因此反应速度快，控制精度高.
方案二：采用继电器控制。使用继电器可以很容易地实现通过较高的电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。继电器无需外加光耦，自身即可实现电气隔离.这种电路无法精确实现电热丝功率控制,电热丝只能工作在最大功率或零功率，对控制精度将造成影响.但可以由多路加热丝组成功率控制，由单片机对温差的处理实现分级功率控制提高系统动态性能.
基于以上分析以及现有器件限制选择方案二，采用继电器控制省去光耦和交流过零检测电路，在软件上选用适当的控制算法，同样可以达到较好的效果。
2。1。3温度采集模块
方案一：选用Harris公司生产的采用激光修正的精密集成温度传感器AD590。AD590的岑温范围是—55～+150℃，最大非线性误差为±0。3℃，响应时间仅为20us,重复性误差低至±0.05℃，功耗低,仅为2mW。此外AD590是温度—电流传感器，对于提高系统抗干扰能力有很大的帮助。
方案二：采用热敏电阻.选用此类元件的优点价格便宜，但由于热敏电阻的非线性特性会带来较大的误差.
方案三:使用带有A/D（模数转换）单片集成的DS18B20传感器.DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的即单总线器件，无需其他外加电路，直接输出数字量。可直接与单片机通信，读取测温数据。具有线路简单,性能稳定体积小的特点。但DS18B20的程序较复杂，且时序时间较苛刻,不便于书写程序。
比较以上方案，结合设计精度要求最小区分度为1℃，所以选择方案一。
2。1。4显示模块
方案一：采用三个LED八段数码管分别显示温度的十位、个位和小数位。数码管具有低能耗，低损耗，寿命长,耐老化，对外界环境要求低。但LED八度数码管引脚排列不规则，动态显示时要加驱动电路,硬件电路复杂。
方案二：采用带有字库的12864液晶显示屏.12864液晶显示屏(LCD）具有功耗低、轻薄短小无辐射危险，平面显示及影像稳定，不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强。同时，12864带有字库，编程容易，且具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式，增加可读性，降低功耗.
2。2系统各模块的最终方案
根据以上分析，结合器件和设备等因素,确定如下方案：
1．采用STC89C52 RC单片机作为控制器，分别对温度采集、LCD显示、温度设定、加热装置功率控制。
2．温度测量模块采用AD590,此器件经A/D转换可实现高分辨率测量。
3．电热丝有效功率控制采用继电器控制，实现电路简单实用，加上温度变化缓慢可以满足设计要求。
4．显示用液晶显示屏显示实时温度值，用MOD（模式)、TH（上升）、TL（下降）四个单键实现温度值的设定。
3．功能模块设计和参数计算
3.1温度采集部分
系统的信号采样和转换电路主要由温度传感器AD590、运算放大器OP—07及A/D转换电路ADC0804等组成.设计电路图如图3-1所示:
（1） AD590性能描述
测量范围在—50℃-—+150℃，满刻度范围误差为±0.3℃，当电源电压在5-10V之间，稳定度为1﹪时，误差只有±0.01℃ 。AD590为电流型传感器温度每变化1℃其电流变化1uA在35℃和95℃时输出电流分别为308.2uA 和368。2uA.
(2）基准电压7812提供12V标准电压，它与运算放大器OP—07和电阻组成信号转换与放大电路，将35℃——95℃的温度转换为0-5V的电压信号。
（3）ADC0804性能描述  
ADC0804为8位逐次逼近型A/D转换器,其输入电压范围在0—5v，转换速度为100us，转换精度为0.39﹪，对应误差为0.234℃。
满足系统的要求。 

图3.1温度采样和转换电路

(4）电路原理及参数计算   
温度采样电路的基本原理是采用电流型温度传感器AD590将温度的变化量转换成电流量，再通过OP-07将电流量转换成电压量，通过A/D转换器ADC0804将其转换成数值量交由单片机处理.图3.1中输入12V作为基准电压，由运放虚短虚断可知运放OP—07的反向输入端（2脚）的电压为零伏。当输出电压为零伏时(即Uo=0v） ，输出电压为=12V,OP—07的2脚处为A点，AD590的转换电流为列出A点的结点方程如下：
(1)
由于系统控制的水温范围为35℃--95℃，所以当输出电压为零伏时AD590的输出电流为246。56uA,因此为了使Ui的电位为零就必须使电流 等于电流等于246。56uA， 输出电压为12v所以由方程(1)得 
= 12V/246.56uA =48。67k （2）
由(2)取电阻R1=47k , R2=5k的电位器。
又由于ADC0804的输入电压范围为0—5v ，为了提高精度所以令水温为95℃时ADC0804的输入电压为5v（即Uo=5v）.此时列出A点的结点方程如下：
   (3)

当水温为95℃时AD590的输出电流为368.2uA.由方程式（3）得
+=83。33k因此取=75k ,  =10k的电位器.
3。2 单片机控制部分
     此部分是电路的核心部分，系统的控制采用了单片机STC89C52.单片机STC89C52内部有8KB单元的程序存储器及256字节的数据存储器.因此系统不必扩展外部程序存储器和数据存储器这样大大的减少了系统硬件部分.电路原理图如图3。2所示：

图3.2单片机控制电路
3。3 温度控制电路
此部分电路主要由继电器控制。采用两个继电器分别控制加热和降温系统：对于加热系统，继电器的两输出端220V的交流电，通过控制继电器的闭合来控制电热丝是否加热;对于降温系统,通过控制继电器的闭合控制+12V直流电机的转与停.继电器的交流耐压值为250V，直流耐压值为36V，均满足要求.在继电器的输入端各接一个反向二极管，起到保护电路的作用。控制部分电路图如图3.3所示:
3.3 温度控制电路
3.4 键盘及数字显示部分
在设计键盘/显示电路时,我们使用单片机STC89C52作为电路控制的核心，单片机STC89C52具有一个全双工的串行口，利用此串行口能够方便的实现系统的控制和显示功能。键盘部分，为了便于编程，采用独立键盘；显示部分采用更加友好的人机交互界面12864液晶显示.键盘/显示接口电路如图3-4所示

3。4 键盘及数字显示部分
4.软件设计
程序设计采用了模块化思想，有一个主程序,三个应用程序，即温度采集程序、温度控制程序、液晶显示程序.
4.1主程序
主程序首先进行系统初始化,对显示模块进行必要的初始化,设置系统显示界面。其次就是温度值的读取、显示与控制，并进行按键扫描设置温度预设值，如图4。1：
开始
系统界面初始化
温度读取、显示及控制
按键扫描，设置预设温度
当前温度＞预设值+1？
Y

启动降温
N

当前温度＜预设值-1？
Y

N

启动加热
温度保持

图4。1主程序流程图

4.2 液晶显示模块
液晶显示模块主要完成人机交换界面的显示及系统相关的操作指示。具体能显示当前的温度值、预设值、控制功能（预设值加1、减1图标）。流程如图4.2：

液晶驱动函数
写命令函数
写数据函数
液晶管脚宏定义

画图及温度读取显示子函数

图 4.2 液晶显示流程图
4。3 温度读取及加热散热控制
单片机读取ADC0804转换来的温度信息二进制代码值，并依据电路原理及相关计算公式，将包含温度信息的二进制代码转化成相应的十进制温度值，并和温度预设值比较做出判断来控制继电器是否加热或启动风扇散热
5。系统测试及结果分析
5.1实用仪器及型号
温度计: DeltaTRAK 11036温度计（精度±0.5℃ （—10℃-150℃）,防水性能:深入到6 英寸深度水中)
秒表：通用型
5。2测试数据结果
5。2。1温度最小区分度测试
在本系统中，设计要求设置温度的最小区分度为1℃。通过调试,按一下上升键和下降键，预设温度均变化1℃，测试通过。
5。2.2温度数据采集测试记录
在本系统中,温度数据的采集是最重要的部分，数据的准确度将直接影响到系统的可靠性。在测试的时候选用北师大的数字温度计2602作为基准温度。测试并记录数据如表一。

表一 温度数据采集测试记录
2602实测显示值（℃）
系统显示值（℃）
误差(℃）
40。3
40。5
+0.2
52.8
52。9
-0。1
65.2
65.2
0
76.5
76.8
+0。3
86.7
86。6
-0.1
由上表可知，低温测量的时候实际温度与系统温度的误差在1℃以内。综上所述此测温方法可以满足系统的需要。
5。2.3水温控制测试
在本系统的水温控制测试过程中，先预设一个固定温度，通过添加热水、冷水的方式来改变当前值。通过电热丝加热，风扇降温来控制信息，并有不同颜色的发光二极管给出指示信息。测试并记录数据如表二。

表二 水温控制测试
预设温度（℃）
当前温度（℃）
工作状态
测试结果
45。0
35.5
加热
通过
45.0
45。3
保持
通过
45.0
50.4
降温
通过
60。0
52。3
加热
通过
60。0
59。6
保持
通过
60.0
68.9
降温
通过
80。0
74.5
加热
通过
80。0
80。1
保持
通过
80。0
86.4
降温
通过
由上表可知，水温控制方面完全满足设计要求，控制灵敏度高。
5。2.4温度突变测试
当设定温度突变（由40℃提高到60℃）时，系统的调节时间和超调量测试结果如表三。

表三 温度突变测试
当前温度（℃）
突变设置温度（℃)
时间（S）
超调温度（℃）
40。0
60。0
75
0.6
40.0
60。0
72
0.4
40.0
60。0
78
0。7
由上表数据分析可知，当设定温度由40℃突变到60℃时,系统的调节时间较短，超调量也比较小，符合系统设计要求。
6。总结
本论文是采用STC89C52单片机来实现水温控制系统的设计,利用液晶作为显示器件，通过AD590温度传感器采集水温信息,并对数据进行AD转换处理分析，实现对水温的恒温控制。具有可控性较好,显示界面更人性化，易于操作，成本低廉的优点.本系统能较好的服务于生活，比如恒温水产, 具有较好的应用前景。同时，由于时间有限，系统功能还有待于完善,特别是水温由40℃突变到60℃时，通过适当控制反应时间还可以缩短。
在本次系统设计中遇到了很多困难，最后在老师的帮助、队友的配合下，最终得以解决，通过思考，更加深了对单片机的认识和了解。

参考文献
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黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程［M]。北京：电子工业出版社，2005
［4］陈杰,黄鸿.传感器与检测技术［M].北京:高等教育出版社,2008
[5］翟玉文等.电子设计与实践［M].北京:北京中国电力出版社，2005
[6］ 肖忠祥。数据采集原理[M］.西安：西北工业出版社，2002
［7] 余锡存，曹国华.单片机原理及接口技术西安:西安电子科技大学出版社,2004
[8］谭浩强.C程序设计（第三版）[M］。北京：清华大学出版社,2005

附件1：程序设计
#include
#include〈intrins。h>
#define uchar unsigned char
＃define uint unsigned int
uchar temp2=0X00;
uint temp1；
uint temp4;
uchar flag1=0，flag2=0,TEM=35；
uint chang；
sbit LCD_LED=P1^2;
sbit FEN=P2^1;
sbit JI_1=P1^0;
sbit JI_2=P1^1;
sbit ZHEN=P0^4;
#include”DELAY。h”
＃include"dis12864.h”
＃include"key.h"
＃include"DS18B20。h"
//#include"AD0804。h"
void main()
{
JI_1=0;
JI_2=0;
uinit_12864（);
//以下为设定温度显示
/* i=0；
set_pos（2，0）;
while(table［1］[i］！=’\0')
{
write_lcd_dat（table[1]［i]）;
i++;
}
i=0;
set_pos（3，0);
while（table[2][i］!='\0’）
｛
write_lcd_dat(table[2］[i］）;
i
｝＊/
// uinit_12864_2(）；
interface_dis（)；
// ad_uinit（）;
while(1)
{
tem_dis（）；

chang=get_tem();
temp4=chang/10;
if(temp4>(TEM*10+1））
｛
ZHEN=0；
JI_2=1;
JI_1=0;
｝

if(temp4〈（TEM*10—1)）
{
ZHEN=0；
JI_1=1；
JI_2=0;
｝
if（（temp4<（TEM*10+1))＆＆(temp4〉（TEM＊10—1）））
｛
ZHEN=1；
JI_1=0；
JI_2=0；
｝
key_adjust（）；

｝
｝
define DAT P3
//＃define delay_us（) _nop_()
sbit LCD_RST= P1^7；
sbit LCD_RS= P1^3；
sbit LCD_RW= P1^4；
sbit LCD_RE =P1^5；
sbit LCD_PSB= P1^6;
sbit BUSY=P3^7;
uchar code imag_1[]=｛0x30,0x00，0x49,0xE0,0x4A，0x00,0x34,0x00，
0x04,0x00,0x04,0x00,0x04，0x00，0x02,0x00,
0x01，0xE0，0x00，0x00};//温度单位符号
uchar code imag_2[]=｛0x00,0x00,0x00,0x00,0x00，0x00，0x00，0x00，
0x00，0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00，0x00,
0x00,0x00，0x00,0x00，0x00，0x00,0x00，0x00,
0x00,0x00,0x00，0x00，0x00，0x00,0x00,0x80，
0x00，0x10,0x00,0x00，0x00，0xC0，0x00，0x00,
0x00，0x80，0x02,0x20,0x00,0x78,0x00,0x78,
0x00，0x00，0x00,0x88,0x01,0x4F，0x09,0x88,
0x07，0xC0,0x00，0x00，0x04，0x98，0x07，0xF0,
0x05，0x68，0x04,0x90，0x00,0x00,0x04,0xA0,
0x38,0x08,0x01，0x08,0x04，0xFC，0x00，0x00,
0x02,0x80,0x07，0xA8，0x20，0xF0，0x07,0x90，
0x00,0x00,0x00,0xFC,0x08,0xA8,0x10，0x00，
0x04，0xE0，0x00,0x00,0x0F，0x04，0x0E，0xA8，
0x04,0x7C,0x08，0x00,0x18，0x00,0x00,0x04,
0x08,0xA8,0x0B，0xD4，0x08,0xF0,0x18，0x00,
0x07,0xE8，0x0E,0xA8，0x09，0x54,0x09,0x20,
0x00，0x00,0x00,0x08，0x08，0x88,0x11,0x58，
0x10,0xC0,0x00，0x00,0x00,0x78，0x08,0x88，
0x37,0xFE,0x10,0xA0,0x18，0x00，0x0F，0x88,
0x01,0x98,0x00，0x00,0x23,0x1E，0x18，0x00，
0x00,0x00，0x00，0x08，0x00,0x00，0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00，0x00，0x00,0x00,0x00，0x00,
0x00,0x00,0x00，0x00,0x00，0x20,0x00,0x00，
0x00,0x0E,0x00，0x00,0x00，0x00，0x00，0xE0,
0x00，0x20，0x07，0x70,0x08，0x30,0x00,0x00,
0x07,0x80，0x08,0x10,0x19，0x10，0x04，0xD0,
0x00,0x00，0x01,0x10，0x08，0x0C,0x02,0x1E,
0x00,0x90,0x00，0x00,0x02,0x20,0x12，0xF0,
0x04，0x72，0x00,0x9C,0x00，0x00，0x07，0xC0,
0x14，0x20,0x03，0xC2，0x0D，0x00，0x00，0x00，
0x01,0x10，0x3C,0x58,0x3D，0x52,0x38，0x70,
0x00,0x00,0x02，0x78,0x0A,0xE4，0x04,0x52，
0x09,0x90,0x18,0x00,0x07，0x80,0x1C，0x50,
0x04,0x52，0x08,0x90，0x18,0x00,0x00,0x90，
0x02,0x50,0x04，0x52，0x0A，0x60，0x00，0x00，
0x04，0x8C，0x0C，0x91，0x04，0x28，0x0C，0x50,
0x00，0x00,0x08,0x84,0x31，0x11，0x0C，0x46,
0x18,0x88,0x18,0x00，0x09，0x80，0x02,0x0E,
0x05，0x82,0x03，0x07，0x18，0x00，0x00,0x80,
0x00，0x00,0x00,0x00,0x00,0x00，0x00，0x00｝；//当前温度
//系统预设：
uchar code imag_3［]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00，0x00，0x00,
0x00，0x00，0x00,0x00,0x00，0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00，0x00，0x00，0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00，0x00，0x00,0x00，0x03，0x00,0x06,0x17，
0x80，0x09，0xFF，0x80,0x03,0x9F，0x80,0x0F,
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0x00,0x99，0x00，0x07，0xFE，0x00，0x00,0x19,
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