1、题目名称：水温控制系统王立君摘要 ： 为了完成水温控制系统的设计，本文介绍了基于 STC89C52 单片机的自动水温控制系统的设计及实现过程。该系统具有实时显示、温度测量、温度设定并能根据设定值对水的温度进行调节和控温的目的以及达到上限温度的报警功能，控制算法是基于数字 PID 算法。关键字 ： PID； SSR 固态继电器；制冷片；DS18B20 温度传感器Abstract ： In order to complete the water temperature control system design, this paper introduces STC89C52 based autom
2、atic temperature control system design and implementation process. The system has real-time display, temperature measurement, temperature setting and can according to value of water temperature regulation and temperature control purposes as well as to limit temperature alarm function, the control al
3、gorithm is based on the digital PID algorithmKeyword ： PID； SSR solid state relay；refrigeration,；DS18B20 temperature sensor一、方案论证与比较1加热系统比较方案一：采用直形加热管。直形加热管的加热效率低，速度慢，且加热不均匀，导致容器内水温的上下温差较大，使温度计测量的温度误差较大，影响实验的准确性。方案二：采用螺旋加热管。可将螺旋加热管固定到容器内部，通电加热时能使水在容器内形成对流，效率相对较高，加热较均匀，使得测量误差较小。故采用方案二。2制冷系统比较方案一：采用压缩
4、机制冷。它从吸气管吸入低温低压的制冷剂气体，通过电机运转带动活塞对其进行压缩后，向排气管排出高温高压的制冷剂气体，为制冷循环提供动力，从而实现压缩冷凝膨胀蒸发（吸热）的制冷循环。其优点是制冷效果好，但成本太高，体积庞大且难控制。方案二：采用制冷片、散热片和风扇进行制冷微调。制冷片分为两面，一面吸热，一面散热，只是起到导热作用，本身不会产生冷。其优点是成本低，容易控制，缺点是制冷效果一般。方案三：采用外部传导方式进行制冷粗调。利用冰（干冰）的融化（升华）吸热，使水的温度快速的降下来。其优点是效率高，制冷迅速，但不易控制。故采用方案二的制冷微调和方案三制冷粗调一起制冷。3加热驱动电路方案一：可采用
5、可控硅控制其导通脚来达到控制加热电流大小的目的，但电路较复杂，稳定性较差，成本也相对较高。方案二：采用 PWM 控制电磁式继电器来达到控制加热电流大小的目的，但由于磁场外泄，故对整体系统干扰较大，且响应时间长，达不到理想的控制效果。方案三：采用 PWM 控制固态继电器来达到控制加热电流大小的目的，对整体系统基本无干扰，响应时间小于 30ms，可以满足系统的需求。故采用方案三。4温度传感器的选择方案一：用 NTC 型热敏电阻采集温度。但由于其需要借助 A/D 对电压进行采集，耗用资源较大，调试较复杂。方案二：采用热电偶采集温度，需要配备专门的芯片进行测温，成本较高，调试较复杂。方案三：采用 DS
6、18B20 温度传感器采集温度，并用单总线与主机进行通信，占用资源较少，灵敏度较高，其分度值可达到 0.0625，可以满足系统需求。故采用方案三。5制冷电源的选择方案一：采用大功率变压器制作制冷电源，但转换效率较低，且存在磁泄漏现象，输出的电压线性不稳定。方案二：采用 PWM 开关电源。PWM 开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通是，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）输出功率大，并且效率高。能满足系统的需求。故采用方案二。6容器的选择方案一：方形搪瓷杯。外型美观，但容器壁较厚，不易加工且成本较高。方案二：塑料饭盒。容器
7、壁薄，传导效果差，但保温效果良好，易加工，但不耐高温，易烧焦。方案三：不锈钢杯。容器壁薄，导热效果良好，保温效果差，易加工，耐高温，取材方便，成本低。7主控芯片的选择方案一：采用凌阳公司的 16 位单片机。它是 16 位控制器，具有体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单具有语音处理、运算速度快等优点，但考虑到我们小组对这个方案采用的微处理器并不熟悉，使用起来并不是很方便，这对于硬件电路的设计和软件编程增加了难度。方案二：采用 STC89C52 单片机作为主控芯片。STC89C52 是一个超低功耗，高性能的51 内核的 CMOS 8 位单片机，片内含 8kB 空间的可反复擦写 1000
8、次的 Flash 只读存储器，具有 512bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，32 个 IO 口，两个 16 位可编程定时计数器。且该系列的 51 单片机支持串口下载和串口调试。所以我们选择了方案二。8软件算法的选择方案一：采用模糊控制算法。但由于我们的知识层面有限，对这种算法并不熟悉，所以排除了此方案。方案二：采用经典 PID 控制算法和根据实验数据分区间控制的算法，对于温度系统来说，被控对象没有精确的数学模型。用螺旋加热器加热使得水温具有热惯性，采用补氧设备往水里加入空气，使水的上下温差变得非常小，故检测的实时数据基本能完全体现 1L 水的实际温度，所以经典 PID 控制算法中的
9、 P 能满足设计要求，但必须根据实验数据进行调整。故选择方案二。二、硬件的设计对题目进行分析之后，将整个系统分为温度采集电路、加热功率控制电路、制冷控制电路和键盘显示电路四个部分，其系统框图如下：S T C 8 9 C 5 2 R C 8 b i t C P U键盘温度采集液晶显示固态继电器加热管电磁继电器制冷片和风扇串口通信高温报警电机升降图 11温度采集电路采用单总线数字温度传感器 DS18B20，可直接输出数字量，单总线器件和单片机的接口只需一根信号线，所以本设计的硬件电路简单，节省单片机资源，容易实现。能达到0.0625的固有分辨率，使用读取温度暂存寄存器数据处理后能达到 0.1的精度
10、。用 3 个DS18B20 测量相同深度不同位置，反应出同一水平内不同点的温度，减小误差。DS18B20连接电路图如下图所示。G ND1D Q2V DD3D Q1D S1 8 B 2 0G ND1D Q2V DD3D Q3D S1 8 B 2 0G ND1D Q2V DD3D Q2D S1 8 B 2 0R 1 74 . 7 KR 1 84 . 7 KR 1 94 . 7 K+5P2 .0P3 .3P3 .2图 22加热功率控制电路此部分用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制，此处被控对象为加热管，采用对加在加热管两端的电压进行通断的方法进行控制，以实现对水加热功率的调整，从而达到对水温控制的
11、目的。对加热管通断的控制采用 SSR 固态继电器，SSR 是半导体继电器，所以较小的驱动功率即可使 SSR 工作。它的使用非常简单，且响应时间短，对系统干扰小。只要在控制台端加上一个 TTL、CMOS 电平或光耦，即可实现对继电器的开关。其电路图如下所示。+1-2 AC 3AC 4A2器器器器器RELAYR1522 0V60 0W50 HZV222 0V图 33制冷控制电路制冷元件采用半导体制冷片，以风扇作为散热手段，进行小幅度制冷，采用物质吸热原理进行大幅度制冷。控制部分采用光耦控制电磁继电器中断，从而控制制冷片的工作，同时用光耦控制 L298N，使电机有规律的进行正反转，从而达到外部制冷设
12、备的升降，达到快速降低水温的目的。K1RELAY-DPSTSENSE A1 OUT 12OUT 23 +VS4IN 15 EN A6IN 27 GND8+VSS 9IN 310EN B 11IN 4 12OUT 313OUT 4 14SENSE B 15A3L298NVCCD7DIODED8DIODED11DIODED12DIODED6DIODED10DIODED9DIODED5DIODE+12M2M1 COLDA-+MG312V +-MG212706+-MG112706L12345678 91 01 11 21 31 41 51 6A 1T L P 5 2 1 -4+ 5R 24 7 0R
13、34 7 0R 44 7 0R 54 7 0P 2 .3P 2 .4P 2 .5P 2 .6V C CR E L A YR 94 K 7R 1 04 K 7R 1 14 K 7C O L DM 1M 2图 44键盘、显示电路这部分实际上是一个单片机最小系统的基本电路，可选用最常用的 51 系列单片机，足够满足系统的要求。键盘选用七位独立按键。本着简单实用的原则，选择了 7 个按键，分别用作温度设定、方向选择、确定和图形显示按键。在显示方面，选用了常用的 MS12864R 液晶显示模块。通过相应的软件编程，可以实现比较美观和丰富的显示界面。模块连接电路图如下图所示。VSS1 VDD2V03 R
14、S(CS )4R /W (S ID)5 E(SC LK)6DB07 DB18DB29 DB310DB411 DB512DB613 DB714PS B15 NC16/RS T17 NC18LEDA19 LEDK20LS 3MS1 286 4R+5R 1410 K P0 .0P0 .1P0 .2P0 .3P0 .4P0 .5P0 .6P0 .7P1 .0P3 .0P3 .1+5Q2S8 550ebcR 847 0P2 .7S1UPS2SETS3LEFTS4OKS5RIGHTS6WAVS7DOWNP1.1P1.2P1.3P1.4P1.7P1.5P1.6X T1 2 MC 13 0 p FC 23 0
15、 p FR 11 0 KC 31 0 u FP1 .01 P1 .12P1 .23 P1 .34P1 .45 P1 .56P1 .67 P1 .78N T11 3 N T01 2T11 5 T01 4EA /VP3 1 X 11 9X 21 8 R ESE T9R D1 7 W R1 6G ND2 0 PS EN2 9 A LE/P 3 0P2 .1 2 2P2 .2 2 3P2 .3 2 4P2 .4 2 5P2 .5 2 6P2 .6 2 7P2 .7 2 8TX D 1 1R XD1 0P2 .0 2 1P0 .73 2P0 .6 3 3P0 .5 3 4P0 .43 5P0 .3 3
16、6P0 .2 3 7P0 .13 8P0 .0 3 9V CC 4 0LS 1ST C8 9 C 5 2 R C+5P1 .1P1 .2P1 .3P1 .4P1 .7P1 .5P1 .6P2 .0P3 .3P3 .2P0 .0P0 .1P0 .2P0 .3P0 .4P0 .5P0 .6P0 .7P3 .0P3 .1P1 .0P2 .7P2 .6P2 .5P2 .4P2 .3P3 .5P3 .6+5图 5 5电路最终方案温度采集电路采用 DS18B20加热功率控制电路采用 SSR 固态继电器制冷控制电路采用半导体制冷片和外部物质吸热原理控制电路采用单片机最小系统的基本电路键盘选用七位独立按键显示
17、电路采用 MS12864R 液晶显示模块三、软件的设计1软件设计流程图本设计为了实现对 1L 水的温度的测量控制并用液晶显示， 并能实现在 1070量程范围内对每一点温度的自动控制，以保持设定的温度基本保持不变。使待测水温的静态误差在 1范围以内。温度设定范围为 1070,最小区分度为 0.1，标定温差 0.2。同时当水温达到设定值时在环境温度降低时温度控制的静态误差 1。主程序流程图如下图所示，实现对范围温度值的设定，执行、显示实时温度。并显示温度随时间变化的曲线。2软件具体设计方案通过 PWM 算法，对加热管的功率进行控制，减小水的温度惯性。将全量程的水温分为两档。当高温档降温时，只采用制
18、冷片制冷，当低温档降温时，采用冰块和制冷片共同制冷。显示波形时，可根据温度范围自动切换量程，当实际值和设定值相差 2.5范围以外时，显示分度值为 1的波形。当相差 2.5范围以内时，显示分度值为 0.1的波形。S E T 键是否按下显示等待画面是否否P I D 调节否开机显示画面传感器采样调温设备O K 键是否按下设定温度W A V 键是否按下液晶显示波形是液晶显示温度按 O K 键返回图 6四、数据测量与分析1仪器设备与测试方法仪器设备：PC 机（BENQ） ，数字万用表(DT9205M） ，精密温度计（沈阳仪器厂，量程是 0-100 ，分度值是 1/5） ，示波器(YB4320F, 江苏绿
19、扬电子仪器厂， ）1 动态温度测量测量方式：将数据线接入控制仪，将容器中装入 1L 室温的水，设定控温温度。记录调节时间、超调温度、稳态温度波动幅度等。测量仪器：精密温度计（沈阳仪器厂，量程是 0-100，分度值是 1/5） ，DS18B20，秒表，自制精密温度控制仪。测量结果：如下表所示设定温度（） 40 45 50 55 60 65超调温度(） 40.2 45.4 50.4 55.3 60.2 65.2变化范围（） 39.840.244.945.449.850.454.855.359.760.264.865.2根据测量结果，控制的最大动态误差2，系统达到稳态的时间8min。2 静态温度测量
20、测量方式：断开电源，往容器里加入 1L 一定温度的水，连接好装置。保持环境温度和其测量条件不变，接通电源，任意设置几组目标温度，利用精密温度计测量水温，与液晶显示的水温进行比较。测量仪器：精密温度计（沈阳仪器厂，量程是 0-100，分度值是 1/5） ，DS18B20，秒表，自制精密温度控制仪。测量结果：如下表所示 目标温度 30时间 t(min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8测量温度（） 30 30.1 30.2 29.8 30.2 30.1 29.9 30.1 29.9误差（） 0 0.1 0.2 0.2 0.2 0.1 0.1 0.1 0.1 目标温度 50时间 t(min) 0
21、1 2 3 4 5 6 7 8测量温度（） 50 50.1 50.3 50.1 49.9 49.6 49.8 50.2 50.1误差（） 0 0.1 0.3 0.1 0.1 0.4 0.2 0.2 0.1误差分析：温度计和 DS18B20 反应的灵敏度不同，且测量的是不同位置的水温。此误差均在1以内，且没有规律性，所以不再软件补偿温度值。系统测量的静态误差1，系统达到稳态的时间为 6min,要远远小于题目要求的15min。MS12864R 显示的波形曲线图如下：2测试结果分析由以上测量可见，系统性能基本上达到了所要求的指标。静态测温的精度主要由DS18B20 决定。DS18B20 的精度比较高
22、，这里采取了读取温度寄存器办法，测温精度能够达到 0.1C，比较符合系统要求。在控温指标中，影响系统性能的因素非常多。最关键的是加热系统本身的物理性质及控制算法。由于传感器必须加上防水设施，因此温度传感器难免会有迟滞，螺旋加热器本身的延迟，水对流传热等因素也会造成测温的延时，这些都会直接影响系统的控制性能。控制算法方面，需反复试验比较，在上升时间和超调量之间作权衡，选出较好的 PID 系数。五、结论整个系统的设计思想是提高静态控温精度，减小调节时间和超调量。整个系统综合有如下几个特点：1 通过 DS18B20 集成温度传感器减少了 A/D 转换电路，简化了电路结构。2 采用 SSR 固态继电器
23、 ，简化了功率控制电路，提高了系统的稳定性。3在电路设计中充分考虑了系统的可靠性和安全性。通过精心调试达到基本功能指标，动态性能也达到较好的要求。六、参考文献1 51 单片机 C 语言教程 ，郭天祥 编著 电子工业出版社，2008.112 全国大学生电子设计竞赛单片机应用技能精解 ，蓝和慧等著，北京：电子工业出版社，2009.43 全国大学生电子设计竞赛系统设计 ，黄智伟编著，北京：北京航空航天大学出版社，2006.124 深入浅出 ARM7LPC213x/214x上册，周立功等著，北京：北京航天航空大学出版社，2006.15 模拟电子技术基础 ，童诗白，华成英著，北京：高等教育出版社，200
24、0.6 数字电子技术基础 ，阎石著，北京：高等教育出版社，2005.七、电路图附录12345678 910111213141516A1TLP521-4+5R2470R3470R4470R5470P2.3P2.4P2.5P2.6VCCRELAYR94K7R104K7R114K7COLDM1M2Vin1GND2+5V 3U1MC7805 C4100uF+12 VCCD3 器D4 器R121KOLDR1310KL+1 -2 AC 3AC 4A2器器器器器RELAYR15220V600W50HZV2220V12345678161514131211109RP110K+5P0.0P0.1P0.2P0.3P
25、0.4P0.5P0.6P0.7S1UPS2SETS3LEFTS4OKS5RIGHTS6WAVS7DOWNP1.1P1.2P1.3P1.4P1.7P1.5P1.6S8 K1S9 K2P3.5P3.6GND1 DQ2VDD3 DQ1DS18B20GND1 DQ2VDD3 DQ3DS18B20GND1 DQ2VDD3 DQ2DS18B20R174.7KR184.7KR194.7K+5P2.0P3.3P3.2VSS1 VDD2V03 RS(CS)4R/W(SID)5 E(SCLK)6DB07 DB18DB29 DB310DB411 DB512DB613 DB714PSB15 NC16/RST17 NC
26、18LEDA19 LEDK20LS3MS12864R+5R1410K P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P1.0P3.0P3.1+5Q2S8550ebcR8470P2.7XT12MC130pFC230pFR110KC310uFP1.01 P1.12P1.23 P1.34P1.45 P1.56P1.67 P1.78NT113 NT012T115 T014EA/VP31 X119X218 RESET9RD17 WR16GND20 PSEN29 ALE/P 30P2.1 22P2.2 23P2.3 24P2.4 25P2.5 26P2.6 27P2.7 28TXD 11
27、RXD 10P2.0 21P0.7 32P0.6 33P0.5 34P0.4 35P0.3 36P0.2 37P0.1 38P0.0 39VCC 40LS1STC89C52RCLS2BPQ1S8550R7470ebc+5+5P1.1P1.2P1.3P1.4P1.7P1.5P1.6P2.0P3.3P3.2P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P3.0P3.1P1.0P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P3.5P3.6+5C1+1 V+2C1-3 C2+4C2-5 V-6T2OUT7 R2IN8 R2OUT 9T2IN 10T1IN 11R1OUT 12R1IN 13
28、T1OUT 14GND 15VCC 16A4MAX232162738495J1DB9+5C9 1uFC71uFC81uFC101uFR16 4.7KR20 4.7KP3.0P3.1D14D13 +5Vin1GND2+5V 3U2MC78051234D1BRIDGE1 C61000uFT1TRANS1220VC5100uF+5 D2LED R6470V150HZK1RELAY-DPSTSENSE A1OUT 12OUT 23+VS4IN 15EN A6IN 27 GND8+VSS 9IN 3 10EN B 11IN 4 12OUT 3 13OUT 4 14SENSE B 15A3L298NVCCD7DIODED8DIODED11DIODED12DIODED6DIODED10DIODED9DIODED5DIODE+12M2M1COLDA-+MG312V +-MG212706+-MG112706L
