水温自动控制系统的设计与实现

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[摘 要]系统采用AT89S52作为主控制器，通过集成温度传感器DS18B20采集温度，直接传送到单片机，通过数码管显示温度。用户可以自行设定温度，通过按钮设定温度值，由单片机通过数码管显示出来，最小区分度可达0.01。单片机通过程序判断实际温度和设定温度的大小，并通过控制双向可控硅决定电热丝加热与否，从而达到自动控制温度的要求。

[关键词]温度传感器；单片机；自动控制

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）36-0258-01

1 方案论证与比较

1.1 控制电路的方案选择

方案一：采用运放等模拟电路搭建一个控制器，用模拟方式实现PID控制。可以实现水温控制，但要实现显示、温度设定等功能，电路设计较繁杂[1-2]。同样，使用逻辑电路也可以实现水温控制功能，但电路设计和制作比较烦琐。

方案二：通过FPGA实现控制功能。使用FPGA时，电路设计比较简单，通过相应的编程设计，可以很容易地实现控制和显示、键盘等功能，是一种可选的方案。但与单片机相比，性价比不高[2]。

方案三：采用AT89S52单片机作为核心控制器[3]，将采集到的信息由软件直接处理，可同时完成控制、显示等功能，电路设计和制作较简单，成本较低，所以采用此方案。

1.2 测温方式及电路的选择

方案一：采用热敏电阻作为测温元件。热敏电阻精度高，需要配合电桥使用，此外还需要制作相应的调理电路。电路设计较为繁锁，且稳定性难调试。

方案二：采用模拟集成温度传感器AD590，其具有测量误差小、响应快、传输距离远等特点，但其为电流输出型，须进行放大处理电路或转换成电压处理，且需要数模转换等模块才能实现显示功能。

方案三：采用智能温度传感器DS18B20，其具有精度好、可靠性高，价格适中等特点，利用其单线输出特性，通过串行通信接口可以测量温度，由单片机软件来识别处理[4]。从而使整个电路简单，同时保证了系统的稳定。

1.3 加热方案和功率电路的选择

方案一：采用继电器控制加热器的工作，若温度偏低，则控制继电器吸合，加热器工作，温度偏高则继电器断开，加热器停止加热。由于继电器采用的是机械动作，存在触点，因此对控温精度要求比较高、系统惯性不是特别大时，不宜采用继电器。

方案二：采用可控硅控制加热器的工作，可以通过控制导通的交流周期和导通角两种方式来实现。采用控制导通交流周期的方式时，为了达到控制的精度，需要在一个较多的周期数中控制导通的数目，不适用于动态性能较高的控制。水温控制系统实际上具有较大的惯性，可以考虑这种控制方式。采用导通角的方式时，由于对每个周期的交流电都进行控制，因此响应速度比较高，另外由于导通角连续可调，因此控制的精度比较高。所以最终我们采用此种方案。

2 系统硬件模块的设计

2.1 总体设计模块

整个系统分为以下几个部分：测温电路、主控制电路、功率电路、加热装置和数码管显示模块电路，如图1所示。

2.2 主控及显示电路的设计

主控电路采用AT89S52单片机作为系统核心，将P0.0-P0.3口接三个传感器的单线总线，P0.7口输出温度控制信号给功率电路，实现自动控制加热功能。显示电路由四位共阳数码管构成，通过单片机P1口供其段码输出，P2.0-P2.3控制其位码，直接采用三极管9012作为其驱动电路保证显示的亮度。键盘部分由3个按键开关构成，分别与P3.0-P3.2口相连，通过功能切换、温度加减，实现设定温度功能。

2.3 检测温度电路

检测温度电路我们采用三片智能温度传感器DS18B20作为感温器件，通过与单片机三个I/O口连接构成检测判别电路。其测量范围为-55～+125℃，且输出的数据可进行9～12位的编程，分率力依次为0.5、0.25、0.125、0.0625℃。所以其精度可以通过软件实现，使用方便，灵敏度、精度也较高。

2.4 加热与功率控制电路

通过可控硅实现自动加热功能。具体实现：由单片机判断实时水温状况，P0.7输出脉冲信号，控制三极管的导通，对过三极管控制双向可控硅的导通与否，从而实现电路的加热或保持。工作时，结合设置的温度，当温度高于所设的温度时则可控硅不导通，电热器不加热，温度将会降低，不再升高。反之亦然。

3 系统测试与分析

实验1：将温度计放入加热器皿中，测量实时水温，并与系统测量数据进行比较。系统运行存在一定误差，误差范围小于0.5℃，这主要是由于温度计本身与实际温度就存在一定误差，所以检测显示的数值也就难免有点偏，如表1所示。

实验2：当温度迅速升高或降低时，测试系统运反应情况，采取的方法是观察温度到40℃时，将沸水加入溶器中，观察温度计，到达60℃时，则马上停止，同时观察数码显示情况。由于加水的快慢，水温的均匀程度会直接影响到测量的精度，所在在系统对水温突变测量存在一定的滞后现象，如表2所示。

四、总结

系统采用AT89S52单片机为核心控制元件，结合数码管显示、温度传感器的多点采集、双向可控硅的巧妙运用，使系统具有较好自动检测温度并控制温度变化的功能，同时可以实现水温显示等功能。

参考文献

[1] 全国大学生电子设计竞赛组委会编.《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程》[M].电子工业出版社，2007.5：121-124.

[2] 黄强.《模拟电子技术》[M]. 科技出版社， 2003.1.

[3] 王效华，张永梅 .《单片机原理与应用》[M].北京交通大学出版社，2007.5.

[4] 金发庆.《传感器技术与应用》[M].机械工业出版社，2004.8.