作者/李榮茂，南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

基于單片機(jī)電熱水器液位、溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者/李榮茂，南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

隨著科技的不斷發(fā)展，智能家居作為新一代智能化產(chǎn)品受到越來越多人的關(guān)注，而熱水器作為智能家居中的一部分，價(jià)格昂貴，與人們的理想要求還有很大的距離。本文設(shè)計(jì)的熱水器，是以STC89C52單片機(jī)作為主要控制核心，選用DS18B20作為溫度傳感器，能夠?qū)囟葘?shí)時(shí)轉(zhuǎn)換后顯示出來，并且通過設(shè)置KEY1和KEY2兩個(gè)按鍵，能夠?qū)囟冗M(jìn)行調(diào)節(jié)。

熱水器；DS18B20；單片機(jī)；PID；液位溫度檢測(cè)控制

21世紀(jì)是智能家居產(chǎn)品發(fā)展迅速的時(shí)期，人們?cè)谥悄芑a(chǎn)品方面投入甚多都在找尋非常方便智能化的產(chǎn)品，而熱水器作為智能家居的一部分，在人們的生活中占據(jù)非常重要的位置，傳統(tǒng)的很多熱水器也將被淘汰[1]。

1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

以STC89C52單片機(jī)作為控制單元，與其他傳感器等檢測(cè)電路、鍵盤電路、復(fù)位電路、顯示電路和報(bào)警模塊幾部分構(gòu)成，相互配合，最終完成對(duì)熱水器水位和溫度的檢測(cè)和控制作用。利用液位傳感器和溫度傳感器將所檢測(cè)到的液位和溫度信號(hào)，經(jīng)微擾算法處理后分別傳給單片機(jī)進(jìn)行處理，并根據(jù)所接收到的信號(hào)進(jìn)行對(duì)液位和溫度的控制，使液位處于一個(gè)所期望的值。并且單片機(jī)通過定時(shí)器設(shè)置一個(gè)脈沖，通過控制發(fā)出的PWM波的占空比來進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種通過pid的控制方法，使溫度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

液位檢測(cè)模塊選擇XKC—W001—NPN傳感器，檢測(cè)精度高，不受檢測(cè)液位顏色的影響，驅(qū)動(dòng)電流大，供電電壓范圍管穩(wěn)定性比較高，并且可以在—25℃～105℃環(huán)境下工作。

溫度檢測(cè)模塊選用DALLAS半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，測(cè)量溫度范圍為—55℃～+125℃，在—10℃～+80℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃。能夠滿足電熱水器的溫度測(cè)量。

液位檢測(cè)方案應(yīng)用浮子式的液位傳感器放置在熱水器的高低水位區(qū)，當(dāng)檢測(cè)到液位時(shí)候發(fā)出高電平，沒檢測(cè)到的時(shí)候發(fā)出低電平信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)接收到的電平信號(hào)進(jìn)行判斷，從而控制繼電器是否給熱水器加水。

溫度檢測(cè)方案采用DS18B20溫度傳感器，它能夠?qū)y(cè)得的溫度自身能夠進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。并且其測(cè)溫范圍廣，體積小，使用非常方便。

本文以首個(gè)應(yīng)用于臨床的KATP開放劑尼可地爾為研究藥物，構(gòu)建高表達(dá)瑞典突變型淀粉樣前體蛋白的神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞作為AD的體外細(xì)胞模型，研究尼可地爾對(duì)AD細(xì)胞模型氧化應(yīng)激和Aβ生成的影響，并探討PI3K/AKT/GSK-3β通路在尼可地爾參與氧化應(yīng)激、Aβ生成調(diào)節(jié)中的可能分子機(jī)制。

2. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源電路設(shè)置

將12V的直流電壓通過7805芯片降壓后直接獲得，采用7805穩(wěn)壓模塊，再加上4個(gè)電容的濾波和穩(wěn)壓作用，最終將12V的DC轉(zhuǎn)換成5V的電壓供整個(gè)系統(tǒng)工作。

2.2 顯示部分電路

本文采用共陰數(shù)碼管來對(duì)獲取的溫度進(jìn)行顯示，通過兩個(gè)74HC573鎖存器作為驅(qū)動(dòng)，其連接方式為A—Q0，B—Q1，C—Q6，D—Q7，E—Q4，F(xiàn)—Q5，G—Q2，DP—Q3。

2.3 報(bào)警部分電路設(shè)置

報(bào)警部分電路由PNP型的三極管，二極管電阻和蜂鳴器構(gòu)成，其中二極管D8是起保護(hù)作用，因?yàn)榉澍Q器一般是電感元件,當(dāng)電感元件突然斷電會(huì)產(chǎn)生很大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),造成對(duì)電子元件的損傷，而加上二極管后能夠旁路掉此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),起到保護(hù)的作用。當(dāng)溫度低于或者高于設(shè)定的最低值和最高值時(shí)候，單片機(jī)發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào)給三極管的基極是三極管導(dǎo)通，蜂鳴器響。

當(dāng)液位低于低水位區(qū)的時(shí)候，單片機(jī)發(fā)出低電平信號(hào)給三極管的基極，使三極管導(dǎo)通，蜂鳴器響，黃燈亮報(bào)。

當(dāng)液位高于高水位區(qū)時(shí)候，信號(hào)傳遞給單片機(jī)后，單片機(jī)根據(jù)情況做出反應(yīng)發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào)使三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警，紅燈亮。

PID控制是系統(tǒng)中一種常用的方法，主要通過調(diào)節(jié)三個(gè)控制系數(shù)來使系統(tǒng)達(dá)到一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，主要調(diào)節(jié)參數(shù)有比例放大常數(shù)Kp,積分時(shí)間常數(shù)Ki，微分時(shí)間常數(shù)Kd,比例是為了讓系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差，積分可以減少動(dòng)態(tài)誤差但會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，微分是為了減少動(dòng)態(tài)偏差，它們?nèi)叩慕Y(jié)合，使系統(tǒng)處于一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上電時(shí)候系統(tǒng)進(jìn)入初始化狀態(tài)，按鍵時(shí)候，通掃描鍵盤讀取鍵值實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的設(shè)置，系統(tǒng)通過溫度傳感器DS18B20實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)，并與設(shè)定的值進(jìn)行比較，通過判斷他們之間產(chǎn)生的偏差從而對(duì)溫度進(jìn)行PID控制，使溫度保持在一定的范圍。部分源代碼如下所示。

4. 系統(tǒng)調(diào)試

用一個(gè)杯子裝半杯水，然后將兩個(gè)液位傳感器分別放置在液面之上，此時(shí)看低水位區(qū)的蜂鳴器是否響，黃燈是否亮，繼電器是否吸合。然后將低水位區(qū)的傳感器緩慢放入水中，再看蜂鳴器和燈的情況，此時(shí)應(yīng)該是蜂鳴器停止，黃燈滅。然后將高水位區(qū)的傳感器也放入水中，再看一下蜂鳴器是否響，紅燈是否亮，繼電器是否斷開，如此調(diào)試，檢查對(duì)應(yīng)的程序和硬件電路，最終符合設(shè)計(jì)要求。

將DS18B20放入溫水中，記錄此時(shí)的溫度為30℃，同時(shí)將電熱絲也一并放入，先用按鍵給它設(shè)置一個(gè)溫度為40℃，然后看此時(shí)繼電器是否吸合，繼電器控制電熱絲迅速給水加熱，記錄從30℃～35℃的時(shí)間，同時(shí)記錄35℃到40℃的時(shí)間，通過對(duì)比看PID控制的速率。同時(shí)到40℃時(shí)候看電熱絲是否停止加熱，溫度是否控制在40℃左右。然后如果不按上述要求，檢查程序與硬件部分調(diào)試，最終要完成設(shè)計(jì)要求。

5. 結(jié)論

本課題是以單片機(jī)STC89C52為核心，與其它外圍電路相結(jié)合構(gòu)成的熱水器智能化控制系統(tǒng)，運(yùn)用DS18B20傳感器完成了對(duì)熱水器的溫度測(cè)量，應(yīng)用XKC—W001—NPN液位傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的檢測(cè)，并用數(shù)碼管顯示測(cè)量的溫度，應(yīng)用指示燈來指示液位的高度。本系統(tǒng)中可以做到缺水時(shí)單片機(jī)控制繼電器自動(dòng)上水，還利用按鍵模塊等設(shè)定溫度參數(shù)，水溫超過或者低于設(shè)定溫度值時(shí)報(bào)警并且單片機(jī)控制繼電器加水，應(yīng)用發(fā)出的PWM波所占的占空比的大小來實(shí)現(xiàn)溫度的PID控制，能夠使溫度穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。

＊ [1]廖琪梅,韓彬,楊文昭,屈景輝. 基于單總線器件DS18B20的溫度測(cè)量?jī)x[J].國外電子元器件,2008,No.17202:24—26.

＊ [2]毛曉耘. 基于單片機(jī)的定時(shí)電熱水器控制系統(tǒng)[J]. 中國科技信息,2014,No.488Z1:182—184.

＊ [3] 劉斌等. 基于LAPW算法磁記憶信號(hào)相變特性的研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào). 2016， 35(4)：1238—12542

＊ [4] Liu B, Zhang H, Fernandes H, Maldague X. Quantitative Evaluation of Pulsed Thermography, Lock—in Thermography and Vibrothermography on Foreign Object Defect (FOD) in CFRP[J]. Sensors, 2016, 16(5):743.

＊ [5] Liu Bin, He Luyao, Zhang Hai, Cao Yang, Fernandes Hen—rique. The axial crack testing model for long distance oil—gas pipeline based on magnetic flux leakage internal inspection method[J]. Measurement, 2017,103(1):275—282.

＊ [6] Liu B, He Y Y, Zhang H, Fernandes H, Ying F, Maldague X. Study on characteristics of magnetic memory testing signal based on the stress concentration field[J]. Iet Science Mea—surement & Technology, 2017, 11(1):2—8.

＊ [7] 劉斌，何璐瑤，霍曉莉，王國慶，楊理踐. 基于Kp微擾算法的磁場(chǎng)中MMM信號(hào)特征的研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2017,38(1):151—158.

＊ [8]劉斌，曹陽，王締，何璐瑤，楊理踐.基于LMTO算法磁記憶屈服信號(hào)的定量化分析[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2017,38(6):145—152.