王亞娟 郭 丹 董春梅 徐榮夢

(吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，長春 130118)

基于2014年吉林省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽水溫加熱控制系統(tǒng)題目要求，設(shè)計(jì)了基于IAP15F2K61S2智能溫度控制系統(tǒng)，這一系統(tǒng)不僅可幫助學(xué)生應(yīng)用單片機(jī)的理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)，達(dá)到動(dòng)手實(shí)踐的目的，而且，該設(shè)計(jì)可以在實(shí)際生活中有所應(yīng)用，在各種水壺的加熱過程中實(shí)現(xiàn)自己設(shè)定溫度，自行控制及報(bào)警功能．

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1．1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的智能溫度控制系統(tǒng)［1］包括單片機(jī)控制模塊、傳感器模塊、顯示模塊、電源模塊．本設(shè)計(jì)中的溫度控制器采用IAP15F2K61S2單片機(jī)傳感器模塊分為兩個(gè)部分:采集溫度;采集液位容積．顯示模塊采用的是12864LCD液晶顯示屏，電源模塊由兩個(gè)部分組成:①給熱水壺提供的220V電源;②通過USB給單片機(jī)提供的5V電源．系統(tǒng)總體框圖如圖1所示．

1．2 系統(tǒng)的功能

DS18B20［2-3］溫度傳感器檢測到水壺內(nèi)水的溫度，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸入到單片機(jī)，通過LCD12864液晶顯示，將當(dāng)前的水溫顯示出來．通過鍵盤設(shè)定的一個(gè)預(yù)定溫度，當(dāng)水溫低于預(yù)定溫度時(shí)，水壺開始加熱，直到水溫達(dá)到預(yù)定溫度，停止加熱．液位傳感器檢測水壺內(nèi)水的液面高度，LCD12864液晶顯示顯示當(dāng)前液位高度，當(dāng)液位高于或低于鍵盤設(shè)定的預(yù)定液位高度值時(shí)，蜂鳴器開始報(bào)警．

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件模塊

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制模塊、傳感器模塊、顯示模塊、電源模塊組成．本設(shè)計(jì)中的溫度控制系統(tǒng)的原理圖如圖2所示．

圖2 電路原理

(1)單片機(jī)控制模塊． IAP15F2K61S2單片機(jī)是單時(shí)鐘的，速度比普通的8051［4］快8～12倍;61K字節(jié)片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器，片內(nèi)大容量2048字節(jié)的SRAM，大容量的片內(nèi)EEPROM，擦寫次數(shù)在10萬次以上;一共有8道10位高速ADC，速度高達(dá)30萬次/s，3路PWM還可當(dāng)3路DA使用;共有3通道比較單元，內(nèi)部高可靠復(fù)位，8級可選復(fù)位門檻電壓，徹底省掉外部復(fù)位電路;內(nèi)部高精度RC時(shí)鐘，內(nèi)部時(shí)鐘從5MHz～35MHz可選，相當(dāng)于普通8051的60MHz～420MHz;兩組高速異步串行通信端口，可以在5組管腳之間進(jìn)行切換，分時(shí)復(fù)用可當(dāng)5組串口使用;各種接口擴(kuò)展齊全，一根USB線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電、程序下載及通信功能．

(2)測溫模塊． 溫度的采集主要由DS18B20溫度傳感器完成．其體積小，成本低，抗干擾性較強(qiáng)，精度高，有較多的附加功能，且不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換，即可直接以數(shù)字的形式轉(zhuǎn)換及輸出．最高12位的分辨率，精度可達(dá)0．5℃．最大工作周期為750ms．可檢測到的溫度范圍為-55℃ ～125℃．封裝形式較多，能適合不同的硬件系統(tǒng)．有獨(dú)特的單線接口方式，在與微處理器連接時(shí)僅需一條線即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與DS18B20的雙向通訊，其電路較簡單．

(3)液位模塊． 水的液位測量采用超聲波傳感器［5］．超聲波傳感器是根據(jù)超聲波遇到障礙物反射回來的特性進(jìn)行測量．超聲波的傳播速度僅為光波的百萬分之一，并且指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，因此可以直接測量較近目標(biāo)的距離;超聲波對色彩、光照度不敏感，可適用于識(shí)別透明、半透明及漫反射差的物體(如玻璃、拋光體);超聲波對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中;超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費(fèi)用低、信息處理簡單可靠，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制．

(4)顯示模塊． 顯示部分采用12864LCD液晶顯示屏．帶中文字庫的128×64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊;其顯示分辨率為128×64，利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面，可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示．由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊．

3 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)

3．1 基本程序功能及流程

(1)溫度控制器具有數(shù)字顯示功能，以LED方式顯示溫度和液位數(shù)值;

(2)溫度控制器具有溫度測量功能，測溫分辨誤差不大于0．5℃;

(3)具有液位測量功能，液位測量使用液位傳感器，液位測量誤差不大于5mm;

(4)能夠通過按鍵設(shè)置溫度值控制升溫，到達(dá)設(shè)置溫度值時(shí)有聲音提示;

(5)具有液位上限、下限報(bào)警功能，報(bào)警點(diǎn)可以設(shè)置，液位低于下限或高于上限時(shí)，發(fā)出聲音報(bào)警并禁止加熱．

測溫加熱程序流程圖和液位測量程序流程圖如圖3和圖4所示．

圖3 測溫加熱程序流程

圖4 液位測量程序流程

3．2 測試結(jié)果

經(jīng)過多次測試，顯示屏顯示的溫度值、液位和實(shí)際測量的溫度值、液位如表1所示，當(dāng)前的

水溫和設(shè)定的溫度值及實(shí)際測得的加熱時(shí)間如表2所示．

表1 顯示屏數(shù)值和測量值

表2 設(shè)定值和加熱時(shí)間

4 結(jié)語

本次設(shè)計(jì)的溫度控制器具有溫度測量功能，經(jīng)過多次測溫?cái)?shù)據(jù)的對比，測溫分辨誤差不大于0．5℃;液位傳感器能夠測量出液位高度，液位測量誤差不大于5mm;通過按鍵設(shè)置溫度值，自動(dòng)升溫到達(dá)設(shè)定溫度值，其升溫時(shí)間小于5min．

［1］武 力，徐 文，賈艷麗，張冰洋．新型智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．都市家教(下半月)，2011(7):206-207．

［2］姚志樹，朱恩亮．基于DS18B20的智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006(4):46-48．

［3］王秀?。?1單片機(jī)溫度傳感器DS18B20的應(yīng)用［J］．農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2013(2):29-31．

［4］夏曉玲．基于AT89C2051的數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)［J］．鄂州大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(3):38-40．

［5］梁 森，歐陽三泰，王侃夫．自動(dòng)檢測技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:267-287．