上饒職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李志宜 帥江華

水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上饒職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李志宜 帥江華

溫控制系統(tǒng)以51單片機(jī)為核心,DS18B20采集溫度的信息,將采集的信息傳送給單片機(jī)處理,最終控制加熱裝置。溫度顯示的范圍為：-20.00℃～99.99℃，5個(gè)數(shù)碼管，兩位小數(shù)顯示，顯示的響應(yīng)時(shí)間小于1s；可人工設(shè)定顯示范圍內(nèi)的任意溫度值，控溫的反應(yīng)時(shí)間小于10分鐘；控溫精度：≦1℃。具有超過設(shè)定溫度±2℃報(bào)警功能。

51單片機(jī)；DS18B20溫度傳感器；水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)

1 工作原理

恒溫部分是一個(gè)動(dòng)態(tài)控制的平衡。當(dāng)當(dāng)前的溫度小于設(shè)定的溫度，直接啟動(dòng)加熱裝置；這個(gè)時(shí)候溫度上升比較的快，為了控制精度，當(dāng)前溫度比設(shè)定溫度小于1度時(shí)，加熱裝置停止加熱，雖然加熱裝置斷電，但是還是有溫度，我們可以利用這個(gè)溫度作為微調(diào)。當(dāng)溫度下降了，再啟動(dòng)加熱，如前所述，最終將溫度控制在指定溫度上。

圖1 電路原理框圖

2 總電路原理圖（圖2）

圖2 總電路原理圖

整個(gè)電路由6部分組成，各部分可以單獨(dú)調(diào)試，最后做總體調(diào)試。各部分如表1所示。

開機(jī)進(jìn)入系統(tǒng)后，處于測(cè)溫狀態(tài)，溫度顯示隨著水溫的變化而變化，數(shù)碼管顯示開始時(shí)水溫的實(shí)際溫度。按確定鍵進(jìn)入人工溫度設(shè)定狀態(tài)，按選擇鍵可選擇輸入數(shù)據(jù)的位置，按輸入鍵可對(duì)相應(yīng)的位輸入數(shù)據(jù)，再次按確定鍵退出，退出后，系統(tǒng)將進(jìn)入動(dòng)態(tài)恒溫狀態(tài)。恒溫狀態(tài)下可按確定鍵再次進(jìn)入人工溫度設(shè)定狀態(tài)，而按輸入鍵則可退出恒溫狀態(tài)，進(jìn)入測(cè)溫狀態(tài)。

3 DS18B20溫度檢測(cè)和過程控制電路設(shè)計(jì)

3.1 工作原理

DS18B20的顯示為數(shù)字式。由3根線組成，構(gòu)成簡(jiǎn)單，以根是地址線，一根是數(shù)據(jù)線，還有一根是信號(hào)線，用于采集溫度。通過這根信號(hào)線與單片機(jī)相連，因?yàn)檫@個(gè)信號(hào)線可以有多個(gè)不同的編碼，所以和單片機(jī)的通訊只要一個(gè)接口則可。多個(gè)地方，不同距離的溫度都可以由一個(gè)接口完成。

DS18B20的溫度值是由二進(jìn)制來完成，一般不用原碼來表示，而是采用補(bǔ)碼，如表2所示。

表2 二進(jìn)制和十六進(jìn)制表示溫度

使用DS18B20時(shí)，先復(fù)位操作。然后再完成讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)的操作。寫入數(shù)據(jù)要有不小于60微秒的時(shí)間，最大120微秒，兩次寫數(shù)據(jù)的時(shí)間不小于1微秒。

圖3 DS18B20溫度傳感器實(shí)驗(yàn)

3.2 元器件清單3.3 溫度校準(zhǔn)

類別 型號(hào) 數(shù)量 單位 說明集成電路AT89C51 1 片DS18B20 1 片74LS245 1 片 雙向驅(qū)動(dòng)器數(shù)碼管 5位 5 位

DS18B20主要用于精度要求不高的地方。如果要達(dá)到比較高的精度，就得通過其他的辦法，硬件不行可以通過軟件來補(bǔ)償，這也是本設(shè)計(jì)的核心點(diǎn)，編寫補(bǔ)償程序可以做到很高的精度，具體如下所示，每個(gè)區(qū)間溫度的補(bǔ)償是不一樣的，溫度小，補(bǔ)償就小，溫度大補(bǔ)償就大，補(bǔ)償溫度和實(shí)際溫度的變化不是線性關(guān)系，補(bǔ)償表格如表3所示。

表3 溫度偏差表

圖4 實(shí)際溫度—偏差溫度曲線

圖4表橫坐標(biāo)為實(shí)際溫度，縱坐標(biāo)為溫度偏差，偏差溫度隨著實(shí)際溫度上升而加大，呈現(xiàn)爬坡曲線，針對(duì)這個(gè)關(guān)系我們初步分三個(gè)階段進(jìn)行補(bǔ)償，具體見表4。3.4 參考程序

表4 溫度補(bǔ)償表

3.5 溫度控制過程

本設(shè)計(jì)的加熱裝置為800w的熱得快，要改變熱得快的實(shí)際功率的辦法有兩種，一種是改變它上面所加的電壓，從而改變它的實(shí)際功率。還有一種是改變它的通電時(shí)間，也可以達(dá)到改變實(shí)際功率的作用。本裝置電路圖如圖5所示，采用固態(tài)繼電器。

3.6 電路原理圖（圖5）3.7 元器件清單

圖5 功率可調(diào)水溫加熱電路圖

類別 型號(hào) 數(shù)量 單位 說明集成電路 555 1 片固態(tài)繼電器 1 只滑動(dòng)變阻器 100K 1 只電阻 10K 2 只二極管 1N4148 2 只電容 4.7μ 1 只0.01μ 1 只

本設(shè)計(jì)介紹了傳感器DS18B20的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和使用要點(diǎn)，結(jié)合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了溫度的精準(zhǔn)控制，通過LCD顯示屏顯示，兼具報(bào)警功能。軟件方面采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，指令執(zhí)行速度快，節(jié)省存儲(chǔ)空間。一個(gè)好的程序可以大大簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)，降低成本。本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單明了，可以應(yīng)用到生活、生產(chǎn)領(lǐng)域。