基于51單片機(jī)的恒溫水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李亞輝 馮俐 尹玉玲 宋今輝 熊浪龍 肖榮峰

摘? 要：為了實(shí)現(xiàn)對恒溫水箱水溫的精確控制，文章提出了基于51單片機(jī)的恒溫水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以51系列STC89C52單片機(jī)為核心，利用數(shù)字傳感器DS18B20采集水溫，并通過數(shù)碼管進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，采用經(jīng)典PID控制算法和PWM控制技術(shù)，對被控對象進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而實(shí)現(xiàn)對水溫的精確調(diào)節(jié)。實(shí)際應(yīng)用表明：該恒溫水箱系統(tǒng)具有成本低廉，可靠性好，控制精度高、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，具有很高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);數(shù)字溫度傳感器;PID控制;恒溫水箱

中圖分類號：TP273? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）04-0091-03

Abstract： In order to realize the accurate control of the water temperature of the constant temperature water tank， this paper puts forward the design of the constant temperature water tank control system based on 51 single chip microcomputer. The system takes 51 series STC89C52 single chip microcomputer as the core， uses the digital sensor DS18B20 to collect the water temperature， and carries on the real-time display through the digital tube， uses the classical PID control algorithm and the PWM control technology， carries on the real-time control to the controlled object， thus realizes the accurate adjustment of the water temperature. The practical application shows that the constant temperature water tank system has the characteristics of low cost， good reliability， high control precision and strong practicability， and has high practical value and application prospect.

Keywords： single chip microcomputer; digital temperature sensor; PID control; constant temperature water tank

引言

隨著社會的進(jìn)步和科技的發(fā)展，智能化已經(jīng)成為恒溫控制系統(tǒng)發(fā)展的主流。恒溫水箱無論是在工業(yè)控制領(lǐng)域，還是在醫(yī)療保健、智能家居等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。例如：人們生活中常見的飲水機(jī)、熱水器，工業(yè)生產(chǎn)中的大型恒溫水箱加熱設(shè)備等。不同的應(yīng)用領(lǐng)域，對水溫控制的精度要求也不一樣，其中對水溫的精確檢測和對被控對象的精確控制，直接決定了恒溫水箱控制系統(tǒng)性能的好壞。隨著對測量精度和控制精度要求的不斷提高，一般的恒溫水箱很難滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，所以設(shè)計(jì)一種高精度、多功能的恒溫控制水箱就顯得尤為重要[1]。

本文提出了一種基于51單片機(jī)的恒溫水箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用STC89C52單片機(jī)為核心控制器，該單片機(jī)具有低功耗、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、片內(nèi)資源豐富、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)[2]。利用高精度數(shù)字溫度傳感器實(shí)時(shí)采集水溫，通過PID控制算法和PWM控制技術(shù)[3-5]，實(shí)現(xiàn)對水溫的精確控制。

1 控制系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計(jì)

恒溫水箱水溫控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框如圖1所示。首先，單片機(jī)利用數(shù)字溫度傳感器不斷的對水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，然后將采集到的水溫與預(yù)設(shè)的溫度值進(jìn)行比較，并利用PID控制算法計(jì)算出相應(yīng)的調(diào)控量，最后單片機(jī)根據(jù)調(diào)控量輸出PWM控制量，并通過驅(qū)動電路對加熱元件進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對水溫的精確調(diào)節(jié)。其中數(shù)碼管溫度顯示、加熱指示燈和溫度參數(shù)設(shè)置單元，組成了人機(jī)交互部分，用戶可以通過外部的控制按鍵，對水溫值進(jìn)行預(yù)設(shè)置，單片機(jī)將該設(shè)定值保存在片內(nèi)E2PROM中，即使在掉電時(shí)，設(shè)置的數(shù)據(jù)仍然存在。當(dāng)恒溫水箱加熱時(shí)，加熱指示燈發(fā)光，便于觀察系統(tǒng)處于何種工作狀態(tài)。同時(shí)增加了報(bào)警單元，當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，從而保證了使用的安全性。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的水溫控制系統(tǒng)，以STC89C52單片機(jī)為核心，包括水溫采集電路，溫度顯示電路、驅(qū)動電路和參數(shù)設(shè)置電路等。

2.1 水溫采集電路

對水溫的采集，選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器。該溫度傳感器采用防水密封形式，內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換，工作電壓：3～5V/DC，測量溫度范圍：-55～128℃，測量最小分辨率為0.0625℃，完全能夠達(dá)到實(shí)際要求，使用起來也比較方便[6]。水溫采集電路，如圖2所示。

2.2 溫度顯示電路

溫度顯示電路采用4位共陰極數(shù)碼管顯示，如圖3所示。其中a、b、c、d、e、f、g、dp為數(shù)碼管的段碼，s1、s2、s3、s4為數(shù)碼管的位碼，單片機(jī)通過同相驅(qū)動芯片74LS244來控制段碼和位碼，并通過動態(tài)顯示的方式讓4個(gè)數(shù)碼管達(dá)到同時(shí)顯示的效果。