基于單片機(jī)技術(shù)的自動定量水溫控制器的設(shè)計

吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系 陳洪軍

吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院信息工程學(xué)院 高國麗

1.方案論證

1.1 液位傳感器的選擇

自制傳感器是利用金屬導(dǎo)體與水本身的導(dǎo)電特性而制成的。它可以認(rèn)為的將它防止任何位置都能采集到數(shù)據(jù)，不存在盲區(qū)的問題，而且非常利于對裝置的擴(kuò)展。并且成本比較低。

1.2 溫度傳感器的選擇

DS18B20是把溫度信號直接轉(zhuǎn)化成串行的數(shù)字信號的一種傳感器，并且它的電源和數(shù)據(jù)線可以直接與單片機(jī)的電源及單片機(jī)的I/O口相連，使用方便，并且成本比較低。

1.3 水泵與電磁閥比較與選擇

對于水泵的選擇，由于裝置容積較小，要求精度較高，所以采用功率相對較低，既可進(jìn)行變壓變速調(diào)節(jié)，又可以實(shí)現(xiàn)微調(diào)的直流水泵。另外，電磁閥的選擇與直流水泵一致，同樣選擇直流控制，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一電源。

1.4 控制方案的比較與選擇

本裝置的調(diào)節(jié)可以采用兩個水泵控制，也可以采用兩個電磁閥的控制。采用前者當(dāng)溫度非常接近預(yù)設(shè)溫度的時候?qū)鏊蜔崴牧髁恳蠓浅５停酶静豢赡苓_(dá)到要求。如果采用后者，由于電磁閥本身的特性只有兩個量(全開和全關(guān))，這樣只能根據(jù)不同的水溫對兩種水的流量比例進(jìn)行計算，很難達(dá)到預(yù)設(shè)水溫的要求，即使達(dá)到了水溫的要求也不達(dá)到水位的要求，對這兩個要求不可能同時滿足。

2.設(shè)計與論證

首先，用戶需要對自己所需液位高度和液體的溫度進(jìn)行設(shè)定。

其次，需要對液位和水溫進(jìn)行測量，通過自制的傳感器和DS18B20可返回與液位和水溫一一對應(yīng)的電壓信號和數(shù)字信號，對液位的測量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換將此電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字電壓信號，傳入到51單片機(jī)中進(jìn)行處理分析。通過對用戶所設(shè)液位和溫度的比較后，由處理器對直流水泵和直流固態(tài)繼電器的控制，繼而控制水泵與電磁閥的工作狀態(tài)。當(dāng)水位和水溫與預(yù)設(shè)的水溫相差很大的時候，可以將水泵和電磁閥全開，當(dāng)水溫快要達(dá)到預(yù)設(shè)的要求時，利用水泵本身的特性，采用可調(diào)的PWM和PID的相互配合，可以實(shí)現(xiàn)快速而且穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，此時，如果水位還未達(dá)到要求的話，可將閥打開，這時水泵就會隨著閥的流量變化也隨之變化，當(dāng)所測的液位和高度達(dá)到用戶的基本要求是裝置自動停止工作。如果還未達(dá)到要求是裝置還會繼續(xù)調(diào)節(jié)，這樣就構(gòu)成了自動調(diào)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)，可使裝置達(dá)到要求的精度。

圖1 液晶電路

3.單元電路設(shè)計

3.1 液晶電路的設(shè)計

液晶的多數(shù)接口均與單片機(jī)連接，接入R9、R10兩個電位器來調(diào)節(jié)液晶顯示器的清晰度，R9、R10的對比度越高，顯示器越清晰。(液晶電路圖如圖1所示)

3.2 按鍵電路的設(shè)計

4只下拉電阻和4只鍵盤連接位選線DIG4-DIG7的4只電阻（以下簡稱位選電阻），應(yīng)遵從一定的比例關(guān)系，下拉電阻應(yīng)大于位選電阻的5倍而小于其50倍，典型值為10倍；下拉電阻的取值范圍是10K-100K，位選電阻的取值范圍是1K-10K。在不影響顯示的前提下，下拉電阻應(yīng)盡可能地取較小的值，這樣可以提高鍵盤部分的抗干擾能力。

8155需要以外接的RC振蕩電路以供系統(tǒng)工作，其典型值分別為R=1.5K，C=15pF。

當(dāng)有鍵按下時，KEY引腳輸出變?yōu)榈碗娖?，此時如果接收到‘讀鍵盤’指令，8155將輸出所按下鍵的代碼。鍵盤代碼的定義，如圖2所示，圖2中的鍵號即鍵盤代碼，途中代碼以10進(jìn)制表示。如果沒有在沒有按鍵的情況下收到‘讀鍵盤’指令，8155將輸出FFH(即255)。

圖2 按鍵電路

圖3 液位連接高度電路

3.3 自制液位傳感器電路的設(shè)計

自制液位傳感器是將電信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后將其傳入單片機(jī)內(nèi)，如果到達(dá)制定的液位時，其單片機(jī)內(nèi)部的累加器的數(shù)值發(fā)生變化，如果未達(dá)到指定的液位是其內(nèi)部的累加器的數(shù)值為0，根據(jù)累加器的變化來判斷是否達(dá)到制定的液位高度，具體設(shè)計液位高度電路連接如圖3所示。

4.軟件設(shè)計

主控制芯片為AT89S51，采用匯編語言編程。軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

5.系統(tǒng)測試

5.1 測試方法與儀器

首先，利用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)溫度計對18B20進(jìn)行校準(zhǔn)。然后在使用該溫度計對混合后的溫度計進(jìn)行測量，并與用戶設(shè)定的溫度進(jìn)行比較。

對于液位的設(shè)定是通過標(biāo)準(zhǔn)的米尺來對高度進(jìn)行設(shè)定，將其傳感器放置在要求的高度，然后觀察是否在預(yù)定的高度水泵和電磁閥能夠停止工作。

5.2 測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)果分析

測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)表

通過數(shù)據(jù)對比，分析結(jié)果表明高度是人為設(shè)定的，并且由于傳感器本身的特性，一旦水到達(dá)所設(shè)定的高度就立即會產(chǎn)生電壓，并且會迅速把信號傳給單片機(jī)，然后產(chǎn)生命令立即停止。所以可以對于高度來說基本上不存在誤差。

由于水溫度的特性，特別是對于大容器的水溫控制，由于對于水的均勻混合更是困難，所以對于水的混和肯定存在誤差。

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