基于電子技術(shù)的水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)

周洪雁，李惠雙

(大慶師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163712)

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基于電子技術(shù)的水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)

周洪雁，李惠雙

(大慶師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163712)

摘要：水溫控制系統(tǒng)的主控模塊采用的是STC12C5A60S2系列單片機(jī)；溫度采集采用的是控溫精度為0.2℃的DS18B20溫度傳感器；顯示裝置采用液晶顯示模塊。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：首先預(yù)設(shè)溫度，溫度傳感器對(duì)水溫進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量溫度實(shí)時(shí)顯示，并通過(guò)I/O串口輸送給單片機(jī)，單片機(jī)把送來(lái)的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果低于設(shè)定的溫度則啟動(dòng)功率電路進(jìn)行加熱，直到設(shè)定值。當(dāng)水溫超出預(yù)設(shè)溫度范圍時(shí)報(bào)警器報(bào)警。還可以根據(jù)需要改變預(yù)設(shè)的溫度值，實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)目的。

關(guān)鍵詞：水溫控制系統(tǒng)；溫度傳感器；單片機(jī)

傳統(tǒng)的溫控系統(tǒng)大都是用HAI68型溫度控制棒給水加熱，當(dāng)水溫低時(shí)加熱棒工作，由于水溫變化存在很大的滯后性，這樣就難以找到平衡點(diǎn)，容易因溫度的延遲性而造成加熱過(guò)度，只能靠手啟動(dòng)或停止具體操作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)水溫實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而造成水資源及加熱能源的巨大浪費(fèi)。設(shè)計(jì)一套水溫可自動(dòng)控制的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)溫度，水溫測(cè)量，實(shí)時(shí)顯示，溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)這一完整過(guò)程。當(dāng)水溫超出預(yù)設(shè)溫度范圍時(shí)報(bào)警器報(bào)警。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

單片機(jī)內(nèi)預(yù)設(shè)一定溫度值，溫度傳感器對(duì)水溫進(jìn)行測(cè)量，輸送給單片機(jī)，單片機(jī)把送來(lái)的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果低于設(shè)定的溫度則加熱繼電器閉合，功率電路被啟動(dòng)，開始進(jìn)行加熱，直到溫度達(dá)到設(shè)定值；如果高于設(shè)定的溫度則加熱繼電器保持原來(lái)斷開狀態(tài)，制冷繼電器啟動(dòng)，開始進(jìn)行制冷，直到設(shè)定值。當(dāng)水溫超出預(yù)設(shè)溫度范圍時(shí)，報(bào)警器報(bào)警狀態(tài)被啟動(dòng)。還可以根據(jù)需要改變預(yù)設(shè)的溫度值，如此來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)目的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案原理圖如圖1。

圖1　設(shè)計(jì)原理圖

2硬件設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)選擇

本套系統(tǒng)的主控芯片是單片機(jī)，單片機(jī)組成部分包括：中央處理器CPU，多種I/O口，存儲(chǔ)器ROM，存儲(chǔ)器RAM和定時(shí)器，計(jì)時(shí)器以及中斷器集成在電力芯片上的超大規(guī)模完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。常用的有八位單片機(jī)系統(tǒng)，另外目前市場(chǎng)上經(jīng)常出現(xiàn)的單片機(jī)還有：C8051系列，STC12C5A60S2系列，AVR, PIC, MSP430等。

方案一：把C8051單片機(jī)作為主控芯片。標(biāo)準(zhǔn)的8051只有7個(gè)中斷源，電源電壓是5伏，有待機(jī)方式和掉電方式兩種低功耗方式，在掉電時(shí)內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)仍存在。它擁有111條“CISC”的復(fù)位指令集。

方案二：把STC12C5A60S2系列的單片機(jī)作為主控芯片。STC12C5A60S2系列的單片機(jī)把芯片集成在一塊硅半導(dǎo)體上，內(nèi)部結(jié)構(gòu)由：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、基本的輸入/輸出電路、串行口電路、中斷和定時(shí)等電路組成。STC12C5A60S2系列的單片機(jī)的機(jī)器周期為1T，與傳統(tǒng)的8051系列單片機(jī)相比較，STC12C5A60S2單片機(jī)具有運(yùn)行速度快、消耗功率低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

綜上兩種最常用的主控元件各個(gè)方案的比較，根據(jù)STC12C5A60S2單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)選用了STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制電路的處理單元[3]。

2.2電源供電電路

整個(gè)系統(tǒng)采用12V電源供電，STC12C5A60S2采用5V直流電源供電，加在40引腳(電源正極)和20引腳(電源負(fù)極)之間。單片機(jī)引腳圖如圖2。

電源供電電路如圖2所示。12V電源作為整個(gè)系統(tǒng)的電源，12V電壓給驅(qū)動(dòng)電路和顯示裝置供電，單片機(jī)、傳感器供電使用12V電源經(jīng)過(guò)7805穩(wěn)壓芯片輸出5V電壓。供電電路如圖2所示。

圖2　供電電路圖

2.3時(shí)鐘電路

單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)是由時(shí)鐘電路提供的。時(shí)鐘信號(hào)的主要作用是用來(lái)控制單片機(jī)的工作速度，讓單片機(jī)的各個(gè)部件之間處于相互協(xié)調(diào)工作狀態(tài)。單片機(jī)有兩種信號(hào)產(chǎn)生方式：一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式；另一種是外部時(shí)鐘方式。外部時(shí)鐘方式是一個(gè)12M的晶振接到單片機(jī)的18腳和19腳兩個(gè)引腳之間，兩個(gè)30P的電容并聯(lián)到晶振的兩端，這樣就構(gòu)成了單片機(jī)工作的外部時(shí)鐘電路。

2.4復(fù)位電路

復(fù)位就是讓單片機(jī)重新進(jìn)入工作狀態(tài)，單片機(jī)的復(fù)位可以由單片機(jī)的RST引腳控制復(fù)位，也可以掉電復(fù)位。復(fù)位的作用是讓單片機(jī)的CPU和整個(gè)系統(tǒng)中其他部件回到最初的設(shè)定值。如果程序在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了未知錯(cuò)誤我們可以通過(guò)復(fù)位電路的按鍵讓單片機(jī)重新開始工作。掉電復(fù)位比較麻煩，通常采用單片機(jī)的RST引腳的復(fù)位信號(hào)作為單片機(jī)復(fù)位的控制端。當(dāng)按下復(fù)位按鍵時(shí)，單片機(jī)內(nèi)各個(gè)部件進(jìn)行初始化處理，單片機(jī)重新開始執(zhí)行程序。復(fù)位電路如圖3所示。

圖3　復(fù)位電路

2.5溫度數(shù)據(jù)采集電路

2.5.1溫度傳感器的選擇

目前市場(chǎng)上常見的溫度傳感器有：熱敏電阻、鉑電阻溫度傳感器、DS18B20等溫度傳感器。根據(jù)性能的穩(wěn)定性和測(cè)量時(shí)數(shù)據(jù)的可靠性和價(jià)格對(duì)比選用數(shù)字式溫度傳感器——DS18B20溫度傳感器。

2.5.2DS18B20的特點(diǎn)

1.可以測(cè)量范圍在-55℃～+125℃的溫度

2.可以用在多點(diǎn)分布式溫度測(cè)量中

3.每個(gè)器件有唯一的64位的序列號(hào)存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中

4.世界上第一片“一線總線”接口方式，僅僅需要一個(gè)端口引腳即可通訊

5.最多在750ms內(nèi)將溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字

2.5.3DS18B20實(shí)現(xiàn)測(cè)溫

高溫度系數(shù)的振蕩器為DS18B20確定了一個(gè)門周期，內(nèi)部計(jì)數(shù)器在這個(gè)門周期內(nèi)對(duì)一個(gè)定溫度系數(shù)的振蕩器發(fā)出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)從而得到溫度值。把-55攝氏度對(duì)應(yīng)的一個(gè)值預(yù)置給計(jì)數(shù)器，同樣把-55攝氏度對(duì)應(yīng)的一個(gè)值預(yù)置給寄存器。若在門周期結(jié)束前計(jì)數(shù)器到達(dá)0，則溫度寄存器的值增加，說(shuō)明所測(cè)溫度是大于-55攝氏度的。同時(shí)計(jì)數(shù)器被復(fù)位到一個(gè)值，這個(gè)值由斜坡式累加電路確定，斜坡式累加電路用來(lái)補(bǔ)償感溫振蕩器的拋物線特性。然后計(jì)數(shù)器又開始計(jì)數(shù)直到0，如果門周期仍未結(jié)束，將重復(fù)這一過(guò)程。斜坡式累加器用來(lái)不長(zhǎng)感溫振蕩器的非線性，以期在測(cè)溫時(shí)獲得比較高的分辨率。這是通過(guò)改變計(jì)數(shù)器對(duì)溫度每增加一度所需計(jì)數(shù)的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此必須同時(shí)知道在給定溫度下計(jì)數(shù)器的值和每一度的計(jì)數(shù)值，才能獲得所需的分辨率。測(cè)溫電路如圖4

圖4　DS18B20測(cè)量電路方框圖

3軟件設(shè)計(jì)

3.1程序流程圖

程序流程圖如圖5所示。首先，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理，單片機(jī)時(shí)刻接收檢測(cè)電路的信號(hào)判斷輸入的信號(hào)是否符合開啟加熱裝置的要求，如果不滿足加熱裝置開啟要求，單片機(jī)持續(xù)檢測(cè)信號(hào)。如果滿足開啟加熱裝置的要求，單片機(jī)輸出信號(hào)使繼電器常開觸點(diǎn)閉合，加熱裝置開啟。然后，延時(shí)一段時(shí)間后判別是否符合加熱裝置關(guān)閉的條件，如果不滿足關(guān)閉要求，加熱裝置持續(xù)開啟，如果滿足關(guān)閉要求，單片機(jī)輸出信號(hào)使繼電器斷開，停止加熱。最后，單片機(jī)持續(xù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，重新判定是否符合加熱裝置開啟條件。

圖5　軟件流程圖

3.2程序設(shè)計(jì)及調(diào)試

根據(jù)設(shè)計(jì)流程圖運(yùn)用單片機(jī)指令編寫能實(shí)現(xiàn)流程圖規(guī)定功能的程序，然后進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試過(guò)程中，要綜合考慮實(shí)際情況可能出現(xiàn)的問(wèn)題，使用調(diào)試方式有單步運(yùn)行和斷點(diǎn)運(yùn)行兩種可以選擇，在仿真軟件中給定符合程序運(yùn)行的入口條件，檢查程序的執(zhí)行結(jié)果是不是和自己設(shè)計(jì)的要求一致，看看程序有沒有循環(huán)上的錯(cuò)誤。系統(tǒng)硬件錯(cuò)誤和軟件上的算法錯(cuò)誤都能夠通過(guò)對(duì)程序調(diào)試檢查，在對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試完成并確認(rèn)無(wú)誤后把程序下載到單片機(jī)中，進(jìn)行硬件組裝測(cè)試。檢查硬件有沒有錯(cuò)誤，確認(rèn)硬件沒有錯(cuò)誤后，進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試是在室溫下調(diào)試的，首先，設(shè)置初始水溫，給定傳感器不同的參數(shù)(可每次變換3～5個(gè)參數(shù)點(diǎn))，測(cè)試傳感器和加熱裝置的靈敏度，調(diào)節(jié)到一個(gè)合適的靈敏度值。然后，通過(guò)模仿外界溫度變化，最終確定各個(gè)電路是否正常工作。最后，檢測(cè)軟件和硬件系統(tǒng)是否能夠完美地結(jié)合，對(duì)程序進(jìn)行細(xì)節(jié)上的微調(diào)。讓軟、硬件結(jié)合起來(lái)最后把所寫的程序下載到主控芯片中。

4結(jié)語(yǔ)

本智能溫控系統(tǒng)比常用的溫控系統(tǒng)更具有針對(duì)性創(chuàng)新，不需要人的接觸就能實(shí)現(xiàn)其開啟和關(guān)閉，能夠很好地避免由于人參與下的誤差。把STC12C5A60S2單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控芯片，DS18B20溫度傳感器為溫度數(shù)據(jù)采集器，固態(tài)繼電器控制加熱、制冷芯片的動(dòng)作。其中采用DS18B20溫度傳感器線性好，分辨率高；采用固態(tài)繼電器作為功率輸出部分，電路穩(wěn)定性好。實(shí)現(xiàn)了溫度的設(shè)定，并對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和超線報(bào)警。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 鳳娟，付侃，薛雅麗.STC12C5A60S2單片機(jī)高速A/D轉(zhuǎn)換方法[J].煤礦機(jī)械，2010(6):219-221.

[2] 余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[3] 譚浩強(qiáng). C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[責(zé)任編輯：崔海瑛]

Water Temperature Sutomatic Control System Based on Electronic Technology

ZHOU Hong-yan, LI Hui-shuang

(College of mechanical and electrical engineering, Daqing Normal University, Daqing163712, China)

Abstract：The main control module of the water temperature control system is STC12C5A60S2 single chip. Temperature acquisition is used to control the accuracy of 0. 2℃ temperature sensor DS18B20. Display device using liquid crystal display module. Specific implementation process is that, firstly presetting temperature, measuring water temperature with temperature sensor and measuring the temperature in real time. It is to be delivered to the microcontroller with the help of I/O. Single chip microcomputer sent data comparing with the preset temperature data. The set is begin to heat power circuit when the temperature decrease. When the temperature is beyond the preset range, the alarm go off. Automatic temperature adjustment come true.

Key words:water temperature control system; temperature sensor; single chip

作者簡(jiǎn)介：周洪雁(1962-)，男，黑龍江雙城人，副教授，從事電子技術(shù)研究。

中圖分類號(hào)：TN911

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-0063(2016)03-0005-04

收稿日期：2015-11-23

DOI 10.13356/j.cnki.jdnu.2095-0063.2016.03.002