基于單片機技術的自動定量水溫控制器的設計

吉林鐵道職業技術學院電氣工程系 陳洪軍

吉林農業科技學院信息工程學院 高國麗

1.方案論證

1.1 液位傳感器的選擇

自制傳感器是利用金屬導體與水本身的導電特性而制成的。它可以認為的將它防止任何位置都能采集到數據，不存在盲區的問題，而且非常利于對裝置的擴展。并且成本比較低。

1.2 溫度傳感器的選擇

DS18B20是把溫度信號直接轉化成串行的數字信號的一種傳感器，并且它的電源和數據線可以直接與單片機的電源及單片機的I/O口相連，使用方便，并且成本比較低。

1.3 水泵與電磁閥比較與選擇

對于水泵的選擇，由于裝置容積較小，要求精度較高，所以采用功率相對較低，既可進行變壓變速調節，又可以實現微調的直流水泵。另外，電磁閥的選擇與直流水泵一致，同樣選擇直流控制，實現了統一電源。

1.4 控制方案的比較與選擇

本裝置的調節可以采用兩個水泵控制，也可以采用兩個電磁閥的控制。采用前者當溫度非常接近預設溫度的時候對涼水和熱水的流量要求非常低，水泵根本不可能達到要求。如果采用后者，由于電磁閥本身的特性只有兩個量(全開和全關)，這樣只能根據不同的水溫對兩種水的流量比例進行計算，很難達到預設水溫的要求，即使達到了水溫的要求也不達到水位的要求，對這兩個要求不可能同時滿足。

2.設計與論證

首先，用戶需要對自己所需液位高度和液體的溫度進行設定。

其次，需要對液位和水溫進行測量，通過自制的傳感器和DS18B20可返回與液位和水溫一一對應的電壓信號和數字信號，對液位的測量經A/D轉換將此電壓信號轉化為數字電壓信號，傳入到51單片機中進行處理分析。通過對用戶所設液位和溫度的比較后，由處理器對直流水泵和直流固態繼電器的控制，繼而控制水泵與電磁閥的工作狀態。當水位和水溫與預設的水溫相差很大的時候，可以將水泵和電磁閥全開，當水溫快要達到預設的要求時，利用水泵本身的特性，采用可調的PWM和PID的相互配合，可以實現快速而且穩定的調節，此時，如果水位還未達到要求的話，可將閥打開，這時水泵就會隨著閥的流量變化也隨之變化，當所測的液位和高度達到用戶的基本要求是裝置自動停止工作。如果還未達到要求是裝置還會繼續調節，這樣就構成了自動調節的閉環系統，可使裝置達到要求的精度。

圖1 液晶電路

3.單元電路設計

3.1 液晶電路的設計

液晶的多數接口均與單片機連接，接入R9、R10兩個電位器來調節液晶顯示器的清晰度，R9、R10的對比度越高，顯示器越清晰。(液晶電路圖如圖1所示)

3.2 按鍵電路的設計

4只下拉電阻和4只鍵盤連接位選線DIG4-DIG7的4只電阻（以下簡稱位選電阻），應遵從一定的比例關系，下拉電阻應大于位選電阻的5倍而小于其50倍，典型值為10倍；下拉電阻的取值范圍是10K-100K，位選電阻的取值范圍是1K-10K。在不影響顯示的前提下，下拉電阻應盡可能地取較小的值，這樣可以提高鍵盤部分的抗干擾能力。

8155需要以外接的RC振蕩電路以供系統工作，其典型值分別為R=1.5K，C=15pF。

當有鍵按下時，KEY引腳輸出變為低電平，此時如果接收到‘讀鍵盤’指令，8155將輸出所按下鍵的代碼。鍵盤代碼的定義，如圖2所示，圖2中的鍵號即鍵盤代碼，途中代碼以10進制表示。如果沒有在沒有按鍵的情況下收到‘讀鍵盤’指令，8155將輸出FFH(即255)。

圖2 按鍵電路

圖3 液位連接高度電路

3.3 自制液位傳感器電路的設計

自制液位傳感器是將電信號轉化成數字信號，然后將其傳入單片機內，如果到達制定的液位時，其單片機內部的累加器的數值發生變化，如果未達到指定的液位是其內部的累加器的數值為0，根據累加器的變化來判斷是否達到制定的液位高度，具體設計液位高度電路連接如圖3所示。

4.軟件設計

主控制芯片為AT89S51，采用匯編語言編程。軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

5.系統測試

5.1 測試方法與儀器

首先，利用標準的工業溫度計對18B20進行校準。然后在使用該溫度計對混合后的溫度計進行測量，并與用戶設定的溫度進行比較。

對于液位的設定是通過標準的米尺來對高度進行設定，將其傳感器放置在要求的高度，然后觀察是否在預定的高度水泵和電磁閥能夠停止工作。

5.2 測試數據及測試結果分析

測試數據如表1所示。

表1 測試數據表

通過數據對比，分析結果表明高度是人為設定的，并且由于傳感器本身的特性，一旦水到達所設定的高度就立即會產生電壓，并且會迅速把信號傳給單片機，然后產生命令立即停止。所以可以對于高度來說基本上不存在誤差。

由于水溫度的特性，特別是對于大容器的水溫控制，由于對于水的均勻混合更是困難，所以對于水的混和肯定存在誤差。

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