周洪雁，李惠雙

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

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基于電子技術(shù)的水溫自動控制系統(tǒng)

周洪雁，李惠雙

(大慶師范學(xué)院 機電工程學(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；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。具體實現(xiàn)過程為：首先預(yù)設(shè)溫度，溫度傳感器對水溫進行測量，將測量溫度實時顯示，并通過I/O串口輸送給單片機，單片機把送來的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)溫度數(shù)據(jù)進行比較，如果低于設(shè)定的溫度則啟動功率電路進行加熱，直到設(shè)定值。當(dāng)水溫超出預(yù)設(shè)溫度范圍時報警器報警。還可以根據(jù)需要改變預(yù)設(shè)的溫度值，實現(xiàn)溫度自動調(diào)節(jié)目的。

關(guān)鍵詞：水溫控制系統(tǒng)；溫度傳感器；單片機

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，容易因溫度的延遲性而造成加熱過度，只能靠手啟動或停止具體操作，無法實現(xiàn)水溫實時監(jiān)控和自動調(diào)節(jié)，從而造成水資源及加熱能源的巨大浪費。設(shè)計一套水溫可自動控制的系統(tǒng)，實現(xiàn)預(yù)設(shè)溫度，水溫測量，實時顯示，溫度自動調(diào)節(jié)這一完整過程。當(dāng)水溫超出預(yù)設(shè)溫度范圍時報警器報警。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計

單片機內(nèi)預(yù)設(shè)一定溫度值，溫度傳感器對水溫進行測量，輸送給單片機，單片機把送來的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)溫度數(shù)據(jù)進行比較，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，開始進行加熱，直到溫度達到設(shè)定值；如果高于設(shè)定的溫度則加熱繼電器保持原來斷開狀態(tài)，制冷繼電器啟動，開始進行制冷，直到設(shè)定值。當(dāng)水溫超出預(yù)設(shè)溫度范圍時，報警器報警狀態(tài)被啟動。還可以根據(jù)需要改變預(yù)設(shè)的溫度值，如此來實現(xiàn)溫度自動調(diào)節(jié)目的，系統(tǒng)設(shè)計方案原理圖如圖1。

圖1　設(shè)計原理圖

2硬件設(shè)計

2.1單片機選擇

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

方案一：把C8051單片機作為主控芯片。標準的8051只有7個中斷源，電源電壓是5伏，有待機方式和掉電方式兩種低功耗方式，在掉電時內(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系列的單片機作為主控芯片。STC12C5A60S2系列的單片機把芯片集成在一塊硅半導(dǎo)體上，內(nèi)部結(jié)構(gòu)由：運算器、控制器、存儲器、基本的輸入/輸出電路、串行口電路、中斷和定時等電路組成。STC12C5A60S2系列的單片機的機器周期為1T，與傳統(tǒng)的8051系列單片機相比較，STC12C5A60S2單片機具有運行速度快、消耗功率低、抗干擾能力強等優(yōu)點。

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

2.2電源供電電路

整個系統(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(電源負極)之間。單片機引腳圖如圖2。

電源供電電路如圖2所示。12V電源作為整個系統(tǒng)的電源，12V電壓給驅(qū)動電路和顯示裝置供電，單片機、傳感器供電使用12V電源經(jīng)過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時鐘電路

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

2.4復(fù)位電路

復(fù)位就是讓單片機重新進入工作狀態(tài)，單片機的復(fù)位可以由單片機的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的CPU和整個系統(tǒng)中其他部件回到最初的設(shè)定值。如果程序在運行過程中出現(xiàn)了未知錯誤我們可以通過復(fù)位電路的按鍵讓單片機重新開始工作。掉電復(fù)位比較麻煩，通常采用單片機的RST引腳的復(fù)位信號作為單片機復(fù)位的控制端。當(dāng)按下復(fù)位按鍵時，單片機內(nèi)各個部件進行初始化處理，單片機重新開始執(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)定性和測量時數(shù)據(jù)的可靠性和價格對比選用數(shù)字式溫度傳感器——DS18B20溫度傳感器。

2.5.2DS18B20的特點

1.可以測量范圍在-55℃～+125℃的溫度

2.可以用在多點分布式溫度測量中

3.每個器件有唯一的64位的序列號存儲在內(nèi)部存儲器中

4.世界上第一片“一線總線”接口方式，僅僅需要一個端口引腳即可通訊

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

2.5.3DS18B20實現(xiàn)測溫

高溫度系數(shù)的振蕩器為DS18B20確定了一個門周期，內(nèi)部計數(shù)器在這個門周期內(nèi)對一個定溫度系數(shù)的振蕩器發(fā)出的脈沖進行計數(shù)從而得到溫度值。把-55攝氏度對應(yīng)的一個值預(yù)置給計數(shù)器，同樣把-55攝氏度對應(yīng)的一個值預(yù)置給寄存器。若在門周期結(jié)束前計數(shù)器到達0，則溫度寄存器的值增加，說明所測溫度是大于-55攝氏度的。同時計數(shù)器被復(fù)位到一個值，這個值由斜坡式累加電路確定，斜坡式累加電路用來補償感溫振蕩器的拋物線特性。然后計數(shù)器又開始計數(shù)直到0，如果門周期仍未結(jié)束，將重復(fù)這一過程。斜坡式累加器用來不長感溫振蕩器的非線性，以期在測溫時獲得比較高的分辨率。這是通過改變計數(shù)器對溫度每增加一度所需計數(shù)的數(shù)值來實現(xiàn)的。因此必須同時知道在給定溫度下計數(shù)器的值和每一度的計數(shù)值，才能獲得所需的分辨率。測溫電路如圖4

圖4　DS18B20測量電路方框圖

3軟件設(shè)計

3.1程序流程圖

程序流程圖如圖5所示。首先，對系統(tǒng)進行初始化處理，單片機時刻接收檢測電路的信號判斷輸入的信號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，單片機持續(xù)檢測信號。如果滿足開啟加熱裝置的要求，單片機輸出信號使繼電器常開觸點閉合，加熱裝置開啟。然后，延時一段時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，單片機輸出信號使繼電器斷開，停止加熱。最后，單片機持續(xù)對信號進行檢測，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)計及調(diào)試

根據(jù)設(shè)計流程圖運用單片機指令編寫能實現(xiàn)流程圖規(guī)定功能的程序，然后進行調(diào)試。調(diào)試過程中，要綜合考慮實際情況可能出現(xiàn)的問題，使用調(diào)試方式有單步運行和斷點運行兩種可以選擇，在仿真軟件中給定符合程序運行的入口條件，檢查程序的執(zhí)行結(jié)果是不是和自己設(shè)計的要求一致，看看程序有沒有循環(huán)上的錯誤。系統(tǒng)硬件錯誤和軟件上的算法錯誤都能夠通過對程序調(diào)試檢查，在對程序進行調(diào)試完成并確認無誤后把程序下載到單片機中，進行硬件組裝測試。檢查硬件有沒有錯誤，確認硬件沒有錯誤后，進行調(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個參數(shù)點)，測試傳感器和加熱裝置的靈敏度，調(diào)節(jié)到一個合適的靈敏度值。然后，通過模仿外界溫度變化，最終確定各個電路是否正常工作。最后，檢測軟件和硬件系統(tǒng)是否能夠完美地結(jié)合，對程序進行細節(jié)上的微調(diào)。讓軟、硬件結(jié)合起來最后把所寫的程序下載到主控芯片中。

4結(jié)語

本智能溫控系統(tǒng)比常用的溫控系統(tǒng)更具有針對性創(chuàng)新，不需要人的接觸就能實現(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單片機作為本設(shè)計的主控芯片，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。實現(xiàn)了溫度的設(shè)定，并對溫度進行實時采集和超線報警。

[參考文獻]

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

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

[3] 譚浩強. C語言程序設(shè)計[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：TN911

文獻標識碼：A

文章編號：2095-0063(2016)03-0005-04

收稿日期：2015-11-23

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