基于单片机的水温控制系统设计论文

Yi bin University

物理与电子工程学院

电子系统设计报告

          题    目       水温控制系统                    

          系    别       物理与电子工程学院              

          专    业       电子信息科学与技术              

          学生姓名   

          班    级                

        指导老师                    

                              2014年5月19日

                     摘要

    随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。本设计论述了一种以STCC52单片机为主控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制系统。该控制系统可以实时存储相关的温度数据并记录当前的时间。系统设计了相关的硬件电路和相关应用程序。硬件电路主要包括STCC52单片机最小系统，测温电路、实时时钟电路、LCD液晶显示电路以及通讯模块电路等。系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，计算温度子程序、按键处理程序、LCD显示程序以及数据存储程序等。

关键字： ATC52  　DS18B20  　水温控制

1. 系统方案选择和论证……………………………………………………………4

1.1 题目要求…………………………………………………………………………………4

1.1.1　基本要求…………………………………………………………………………4

1.1.2　发挥部分…………………………………………………………………………4

1.1.3　说明………………………………………………………………………………4

1.2　系统基本方案……………………………………………………………………………4

1.2.1　各模块电路的方案选择及论证…………………………………………………4

1.2.2　系统各模块的最终方案…………………………………………………………7

2. 硬件设计与实现…………………………………………………………………………7

2.1系统硬件模块关系………………………………………………………………………7

2.2　主要单元电路的设计……………………………………………………………………7

2.2.1　温度采集部分设计………………………………………………………………7

2.2.2　加热控制部分……………………………………………………………………9

2.2.3　键盘、显示、控制器部分………………………………………………………9

3. 系统软件设计……………………………………………………………………………10

3.1 读取DS18B20温度模块子程序…………………………………………………………10

3.2　数据处理子程序………………………………………………………………………10

3.3　键盘扫描子程序………………………………………………………………………11

3.4　主程序流程图…………………………………………………………………………12

4. 系统测试…………………………………………………………………………………13

4.1 静态温度测试……………………………………………………………………………13

4.2动态温控测量……………………………………………………………………………14

4.3结果分析…………………………………………………………………………………14

附录1：产品使用说明…………………………………………………………………………14

附录2：系统PCB图……………………………………………………………………………15

附录3：系统硬件原理图………………………………………………………………………15

附录4：本设计实物图…………………………………………………………………………16

附录5：软件程序清单…………………………………………………………………………17

参考文献…………………………………………………………………………………………23

第一章 系统方案选择和论证

                   1.1  题目要求

    设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1L净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。

1.1.1　基本要求

（1）温度设定范围为40～90℃，最小区分度为1℃，标定温度≤1℃。

（2）环境温度降低时（例如用电风扇降温）温度控制的静态误差≤1℃。

（3）用十进制液晶1602显示水的实际温度。

1.1.2　发挥部分

（1）采用适当的控制方法，当设定温度突变（由40℃提高到60℃）时，减小系统的调节时间和超调量。

（2）温度控制的静态误差≤0.2℃。

（3）在设定温度发生突变（由40℃提高到60℃）时，自动打印水温随时间变化的曲线。

1.1.3　说明

（1）加热器用一千瓦电炉。

（2）如果采用单片机控制，允许使用已有的单片机最小系统板。

（3）数码显示部分可以使用数码显示模块。

（4）测量水温时只要求在容器内任意设置一个测量点。

（5）在设计报告附一篇400字以内的报告摘要。

1.2　系统基本方案

    根据题目要求系统模块分可以划分为：温度测量模块，显示电路模块，加热模块，控制模块，系统的框图如图1.2.1所示。为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。

1.2.1　各模块电路的方案选择及论证

（1）控制器模块

    根据题目要求，控制器主要用于对温度测量信号的接受和处理、控制电热丝和风扇使控制对象满足设计要求、控制显示电路对温度值实时显示以及控制键盘实现对温度值的设定等。对控制器的选择有以下三种方案：

方案一：采用FPGA作为系统控制器。FPGA功能强大，可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。FPGA采用并行的I/O口方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统控制核心。由温度传感器送来的温度信号，经FPGA程序对其进行处理，控制加热装置动作。但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且其成本偏高，引脚较多，硬件电路布线复杂。

方案二：采用模拟运算放大器组成PID控制系统。对于水温控制是足够的。但要附加显示、温度设定等功能，要附加许多电路，稍显麻烦。

方案三：采用STC公司的STCC52作为系统控制器。它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STCC52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STCC52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。基于以上分析拟订方案三，由STCC52作为控制核心，对温度采集和实时显示以及加热装置进行控制。

散热装置

图1.2.1  系统基本模块方框图

（2）加热装置有效功率控制模块

根据题目，可以使用电热炉进行加热，控制电热炉的功率即可以控制加热的速度。当水温过高时，关掉电热炉进行降温处理，让其自然冷却。在制作中，我们装设一个小电风扇，当水温超高时关闭电炉开启风扇散热，当需要加热时开启电炉关闭风扇。由于加热的功率较大，考虑到简化电路的设计，我们直接采用220V电源。对加热装置控制模块有以下两种方案：

方案一：采用可控硅来控制加热器有效功率。可控硅是一种半控器件，应用于交流电的功率控制有两种形式：控制导通的交流周期数达到控制功率的目的；控制导通角的方式控制交流功率。由交流过零检测电路输出方波经适当延时控制双向可控硅的导通角，延时时间即移相偏移量由温度误差计算得到。可以实现对交流电单个周期有效值周期性控制，保证系统的动态性能指标。该方案电路稍复杂，需使用光耦合驱动芯片以及变压器等器件。但该方案可以实现功率的连续调节，因此响应速度快，控制精度也高。

方案二：采用继电器控制。使用继电器可以很容易实现地通过较高的电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。继电器无需外加光耦，自身即可实现电气隔离，可以由多路加热丝组成功率控制，由单片机对温差的处理实现分级功率控制提高系统动态性能。但这种电路无法精确实现电热丝功率控制，电热丝只能工作在最大功率或零功率，对控制精度将造成影响且反应速度慢。

基于以上分析以及现有器件选择方案一，采用可控硅控制响应速度快，控制精度也高，可以达到较好的效果。

（3）温度采集模块

题目要求温度静态误差小于等于0.2℃，温度信号为模拟信号，本设计要对温度进行控制和显示，所以要把模拟量转换为数字量。该温度采集模块有以下三种方案：

方案一：利用热电阻传感器作为感温元件，热电阻随温度变化而变化，用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值相应的温度值。最常用的的是铂电阻传感器，铂电阻在氧化介质中，甚至在高温的条件下其物理，化学性质不变。由铂电阻阻值的变化经小信号变送器XTR101将铂电阻随温度变化的转换为4～20mA线形变化电路，再将电流信号转化为电压信号，送到A/D转换器——ADC0809.即将模拟信号转换为数字信号。该方案线性度优于0.01％。

方案二：采用温度传感器AD590K。AD590K具有较高精度和重复性，良好的非线性保证±0.1℃的测量精度。加上软件非线性补偿可以实现高精度测量。AD590将温度转化为电流信号，因此要加相应的调理电路，将电流信号转化为电压信号。送入8为A/D转换器，可以获得255级的精度，基本满足题目要求。   

方案三：采用数字温度传感器DS18B20。DS18B20为数字式温度传感器，无需其他外加电路，直接输出数字量。可直接与单片机通信，读取测温数据，电路简单。如图1.2.2 所示 。

图1.2.2  DS18B20测温电路

基于以上分析和现有器件所限，温度采集模块选用方案三。DS18B20与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面带来了令人满意的效果。

（4）键盘与显示模块    

根据题目要求，水温要由人工设定，并能实时显示温度值。对键盘和显示模块有下面两种方案： 

方案一：采用液晶显示屏和通用矩阵键盘。液晶显示屏（LCD）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。

方案二：采用三位LED七段数码管分别显示温度的十位、个位和小数位。按键采用单列3按键进行温度设定。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。然而，其与液晶显示屏相比，体积大而且耗电量大。

根据以上论述，采用方案一。本系统中，采用了液晶显示屏的动态显示，节省单片机的内部资源。

1.2.2　系统各模块的最终方案

根据以上分析，结合器件和设备等因素，确定如下方案： 

1. 采用STCC52单片机作为控制器，分别对温度采集、LCD显示、温度设定、加热装置功率控制。

2. 温度测量模块采用数字温度传感器DS18B20。此器件经软件设置可以实现高分辨率测量。 

3. 电热丝有效功率控制采用可控硅控制，实现开断无涌流，开端速度快。4. 显示用LCD液晶1602显示实时温度值，用ENTER、UP、DOWN三个单键

实现温度值的设定。   

CPU（STCC52）首先写入命令给DS18B20，然后DS18B20开始转换数据，转换后通过STCC52来处理数据。数据处理后的结果就显示到液晶1602上。另外由键盘设定温度值送到单片机，单片机通过数据处理发出温度控制信息到可控硅。DS18B20可以被编程，所以箭头是双向的。

第二章　硬件设计与实现

2.1系统硬件模块关系

本系统的执行方法是循环查询执行的，键盘扫描也是用循环查询的办法，由于本系统对实时性要求不是很高，所以没有用到中断方式来处理。各模块关系图如图2.1.1所示。

图2.1.1  统硬件模块关系图

2.2　主要单元电路的设计

2.2.1　温度采集部分设计

本系统采用半导体温度传感器作为敏感元件。传感器我们采用了DS18B20单总线可编程温度传感器,来实现对温度的采集和转换，直接输出数字量，可以直接和单片机进行通讯，大大简化了电路的复杂度。DS18B20应用广泛，性能可以满足题目的设计要求。DS18B20的测温电路如图2.2.1所示。

图2.2.1  DS18B20测温电路

（1）DS18B20的测温功能的实现：

其测温电路的实现是依靠单片机软件的编程上。 当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的0，1字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0．062 5℃／LSB形式表示。温度值格式如表2.2.1所示，其中“S”为标志位，对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与 TH做比较，若T>TH或T表2.2.1   DS18B20温度值格式表

初始化 -> ROM操作命令 -> 存储器操作命令-> 处理数据

① 初始化   单总线上的所有处理均从初始化开始

② ROM操作命令　如表2.2.2所示

表2.2.2  ROM操作命令表

表2.2.3  存储器操作命令表

由于DS18B20转换后的代码并不是实际的温度值，所以要进行计算转换。温度高字节（MS Byte）高5位是用来保存温度的正负（标志为S的bit11～bit15），高字节（MS Byte）低3位和低字节来保存温度值（bit0 ~ bit10）。其中低字节（LS Byte）的低4位来保存温度的小数位（bit0 ~ bit 3）。由于本程序采用的是0.0625的精度，小数部分的值，可以用后四位代表的实际数值乘以0.0625，得到真正的数值，数值可能带几个小数位，所以采取小数舍入，保留一位小数即可。也就说，本系统的温度精确到了0.1度。

算法核心：首先程序判断温度是否是零下，如果是，则DS18B20保存的是温度的补码值，需要对其低8位（LS Byte）取反加一变成原码。处理过后把DS18B20的温度Copy到单片机的RAM中，里面已经是温度值的Hex码了，然后转换Hex码到BCD码，分别把小数位，个位，十位的BCD码存入RAM中。

2.2.2　加热控制部分

由于本系统要控制电热丝加热，功率较大，因此要借助功率电路。在器件选择上留足余量，增加安全性。加热部分采用可控硅控制，反应速度快。

当实测温度低于设定值时，由单片机输出高电平信号。三极管9014导通，可控硅开始工作对水加温。为了防止可控硅频繁动作。在软件中对水温测量精确到0.1℃，而在温度设定时只取整数。可以有1℃的余量。

当设定温度低于实测温度时为了加快系统动态响应速度，设置一个小功率电扇，加速水温的降低。使系统整体性能得以提高。电路如图2.2.2所示。

图2.2.2  可控硅控制风扇图

2.2.3　键盘、显示、控制器部分

本设计中采用动态显示方式驱动液晶1602。

键盘采用按键开关经上拉电阻分别接P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口上，起到控制、上调和下调作用。每按上调和下调键，设定温度值增1减1。单片机XTAL2、XTAL1接12M晶振，提供系统时钟基值。另RESET接复位按键。

第三章 系统软件设计

系统的软件设计采用C语言，对单片机进行变成实现各项功能。

主程序对模块进行初始化，而后调用读温度、处理温度、显示、键盘、和可控硅各模块。用的是循环查询方式，来显示和控制温度。

3.1读取DS18B20温度模块子程序

每次对DS18B20操作时多要按照DS18B20工作过程中的协议进行。

初始化-> ROM操作命令-> 存储器操作命令-> 处理数据  程序流程图如图3.1.1所示。

图3.1.1　读取DS18B20温度子程序流程图

3.2　数据处理子程序

由于DS18B20转换后的代码并不是实际的温度值，所以要进行数据处理。由于本程序采用的是0.0625的精度，小数部分的值，可以用后四位代表的实际数值乘以0.0625，得到真正的数值，数值可能带几个小数位，所以采取四舍五入，保留一位小数即可。也就说，本系统的温度精确到了0.1度。

首先程序判断温度是否是零下，如果是，则DS18B20保存的是温度的补码值，需要对其低8位（LS Byte）取反加一变成原码。处理过后把DS18B20的温度Copy到单片机的RAM中，里面已经是温度值的Hex码了，然后转换Hex码到BCD码，分别把小数位，个位，十位的BCD码存入RAM中。数据处理子程序流程图如图3.2.1所示。

图3.2.1　数据处理子程序流程图

3.3　键盘扫描子程序

按键功能：  1.   P2.0　　　　加键

2.  　P2.1　　　　移位键

3.   P2.2　　　　开始移位键

            4.      P2.3        确定键

键盘子程序流程图如图3.3.1所示。

图3.3.1　键盘子程序流程图

3.4　主程序流程图

总模块流程图如图3.1.1所示。本软件设计采用循环查询来处理各个模块，温度是缓慢变化量所以可以满足性能要求。

图3.1.1所示为系统主程序流程图

图3.1.1　主程序流程图

第四章 系统测试

4.1 静态温度测试

测试方式：由于种种条件的，采用模拟加热方式进行测试。利用可控硅的指示灯来显示可控硅的动作。红灯表示加热，绿灯表示降温。

测量仪器：空调温度显示屏

测试结果如表4.1.1所示：

表4.1.1  测试结果数据

测试方式：加热方式用体温对传感器DS18B20进行加热。设定控制温度，记录超调温度，稳态误差。超调温度与加热的功率有关，这里不再测量。

测量仪器：空调温度显示屏

测量结果如表4.2.1所示：

表4.2.1  测试结果数据

有以上的测量结果可见，系统基本上达到了所要求的指标，静态测温的精度主要由DS18B20来决定。

在控温指标中，影响系统的性能的因素很多。最关键的是加热系统本身的物理性质及控制算法。由于条件的，在本设计中采用体温进行测试。 

附录1： 产品使用说明

本水温控制系统能在0～99℃范围内设定任意温度值，超出此范围将有出错显示888，之后返回到99℃或0℃。通过按ENTER键确认开始温度设定；P1.1的UP键为加1键，每按一次使设定温度值加1℃P1.2的DOWN键为减1键，每按下一次设定温度值减1℃。设置完温度要在按ERTER键确认温度设定完成，之后显示实测温度值。当温度传感器没有接入时也将有出错提示显示888。

附录2： 本设计PCB图

             图附录2.1 光电耦合PCB图

          图附录2.2  主控部分PCB图

附录3 ：    系统硬件原理图    

附录4：本设计实物图

附录5：软件程序清单

/*********************头文件声明****************************/

#include

#include"cry1602.h"

#include"ds18b20.h"

#include"PID.h"

/********************端口定义*******************************/

sbit hot=P1^0;

sbit cold=P1^1;

sbit out1=P1^3;

sbit out2=P1^4;

sbit key1=P2^2;

sbit key2=P2^3;

sbit key3=P2^4;

sbit key4=P2^5;

/********************全局变量声明区***************************/

unsigned char  table0[16]={" set:   30.0C   "};//设置温度的液晶显示数组

unsigned char  table1[16]={"real:   00.0C   "};//实际温度的液晶显示数组

unsigned char zk,timer1=0;//PWM参数控制变量

unsigned char timer0=0;//PWM参数控制变量

float Set_T; //系统设置温度

unsigned int Real_T;//实际检测温度

/************************************************************

函数名称：system_Ini

函数功能：定时器的寄存器进行初始化

输入参数：无

输出参数：无

************************************************************/

void system_Ini()

{

    TMOD|= 0x11;

    //PWM 

    TH0 = (65536-200)/256; //12M

    TL0 = (65536-200)%256;

    TH1 = (65536-200)/256; //12M

    TL1 = (65536-200)%256;

//    TR1  = 1; 

    IE =0x8A;

    hot=0;

    cold=0;    

}

/************************************************************

函数名称：mian

函数功能：实现水温控制系统的主要功能

输入参数：无

输出参数：无

************************************************************/

void main(void)

{

    unsigned char i;//i--循环变量

    unsigned char conut,youbiao;//conut--改变参数数值，youbiao--改变游标位置

    lcd_init();

    init_18b20();

    PID_Initial();

    system_Ini();

    zk=75;

    lcd_pos(0x00);

    for(i=0;i<16;i++)//初始化液晶界面

    {

        lcd_wdat(table0[i]);

        delay(1);

    }

    lcd_pos(0x40);

for(i=0;i<16;i++)

    {

        lcd_wdat(table1[i]);

        delay(1);

    }

    conut=0;//初始化控制液晶参数的变量

    youbiao=0;

    Set_T=300;

    out1=hot;

    out2=cold;

    while(1)

    { 

        if(key1==0)//确定功能设定好参数后开始闭环控制

        {

            delay(10);

            if(key1==0)

            {

                lcd_wcmd(0x0c);

                Set_T=(table0[8]-0x30)*100+(table0[9]-0x30)*10+(table0[11]-0x30)*1;    //获得设定值的具体数值

                conut=0;

                youbiao=0;

                while(!key1);

            }

        }

        if(key2==0)//修改设定需要控制水温参数

        {

            delay(10);

            if(key2==0)

            {

                lcd_pos(0x08);

                lcd_wcmd(0x0f);

                while(!key2);

            }

        }

        if(key3==0)//控制游标的移动便于参数的修改

        {

            delay(10);

            if(key3==0)

            {

                youbiao++;

                if(youbiao>=4)

                    youbiao=0;

                lcd_pos(0x08+youbiao);

                lcd_wcmd(0x0f);

                while(!key3);

            }

        }

        if(key4==0)//修改游标位置所对应的的参数值

        {

            delay(10);

            if(key4==0)

            {

                conut++;//conut为0,1,2,3,4,5,6,7,8,9

                table0[8+youbiao]=0x30;//保证每次改变参数在0x30加count

                if(conut>9)

                {

                    conut=0;

                }

                lcd_pos(0x08+youbiao);

                table0[8+youbiao]=table0[8+youbiao]+conut;//修改游标所在位置的参数值

                lcd_wdat(table0[8+youbiao]);

                while(!key4);

            }

        }

        Real_T=wd_change();//获得温度传感器传回的温度

        lcd_pos(0x48);

        lcd_wdat(Real_T/100+0x30);//在液晶上显示

        lcd_wdat(Real_T%100/10+0x30);

        lcd_wdat('.');

        lcd_wdat(Real_T%100%10+0x30);

        /****************用PID实现闭环控制温度**************************/            

        if(Real_T<(Set_T-30))//当设定温度与实际温度之差大于5度全速加热

        {

            TR0=0;

            TR1=0;

            cold=0;

            hot=1;

        }

        else

        {

            if(Real_T            {

                TR0=1;

                cold=0;

            }

            else

            {

                if(Real_T<(Set_T+30))//当实际温度与设定温度之差小于5度PWM控制冷却

                {

                    zk=75;

                    TR1=1;

                    hot=0;

                }

                else    //当实际温度与设定温度之差大于5度全速冷却

                {

                    TR0=0;

                    TR1=0;

                    hot=0;

                    cold=1;

                }

            }

        }

//        cold=0;

    }

 }

/*************************************

 [ t0 (0.5ms)中断] 中断中做 PWM 输出

  ------------1000/(0.02ms*250)=200Hz

*************************************/

void T0zd(void) interrupt 1    //3 为定时器1的中断号  1 定时器0的中断号 0 外部中断1 2 外部中断2  4 串口中断

{

    TH0 = (65536-200)/256; //12M

    TL0 = (65536-200)%256;

     timer0++;

if(timer0>100) timer0=0;

if(timer0    else hot=0;

}

/*************************************

 [ t1 (0.5ms)中断] 中断中做 PWM 输出

  ------------1000/(0.02ms*250)=200Hz

*************************************/

void T1zd(void) interrupt 3    //3 为定时器1的中断号  1 定时器0的中断号 0 外部中断1 2 外部中断2  4 串口中断

{

    TH1 = (65536-200)/256; //12M

    TL1 = (65536-200)%256;

     timer1++;

if(timer1>100) timer1=0;

if(timer1    else cold=0;

}

参考文献：

[1].             单片机应用开发实用子程序. 边春元等 编著. 人民邮电出版社. 2005

[2].             DS18B20官方英文文档 . DS18B20官方英文站点下载

[3].             全国大学生电子设计大赛培训系列教程. 高吉祥 主编.电子工业出版社.2007

[4].             单片微型计算机原理及应用. 张毅坤等 编著. 西安电子科技大学出版社.1998

[5].             微型计算机接口技术 . 王兆月等 编著. 机械工业出版社 .2006