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自己设计并制作了一个自动温度控制系统
一、课题任务
设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1升净水，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．基本要求
（1）温度设定范围为40～90℃，最小设定分度为1℃。
（2）具有温度显示功能，分辨率为0.1℃，显示的绝对误差小于1℃。
（3）当温度达到某一设定值并稳定后，水温的波动控制在±2℃以内。要求温度调控达到稳定状态时，必须给出声或光提示信号。
（4）环境温度降低时（例如用电风扇降温）水温的波动控制在±2℃以内。
2．发挥部分
（1）当温度达到某一设定值并稳定后，水温的波动控制在±1℃以内。要求温度调控达到稳定状态时，必须给出声或光提示信号。
（2）采用适当的控制方法，当设定温度突变（由35℃提高到45℃）时，在超调量不超过2℃的前提下，尽量减小系统的调节时间，并要求温度控制的静态误差≤0.5℃。
（3）在设定温度发生突变（由35℃提高到45℃）时，自动打印水温随时间变化的曲线。
（4）其他。
二、 方案比较与选择
根据要求，系统至少有以下功能模块构成：
1. 温度测量模块：
温度测量是本系统的核心问题之一。基于单片机的温度测量，温度传感器毫无疑问是最佳的选择，常见的有数字式温度传感器和模拟温度传感器。
前者以DS18B20为代表。其采用单总线的接口方式与微处理器连接。仅需要一条总线即可实现微处理器的双向通讯。单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络。测量温度范围宽，测量精度高 DS18B20 的测量范围为 -55 ℃ ~+ 125 ℃ ； 在 -10~+ 85°C 范围内，精度为 ± 0.5°C 。持多点组网功能 多个 DS18B20 可以并联在惟一的单线上，实现多点测温。供电方式灵活 ，DS18B20 可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。测量参数可配置 DS18B20 的测量分辨率可通过程序设定 9~12 位。模拟温度传感器，以Pt100为代表。
DS18B20 具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建自己的经济的测温系统，因此也就被设计者们所青睐。
2. 温度显示模块：
由于温度精度以及实时性的要求，需要多位动态显示。常见的显示方式有两种，一种是数码管，另一种是液晶屏幕。动态显示是一种最常见的数码管多位显示方法，应用非常广泛。所有数码管段选都连接在一起的时候，动态显示是多个数码管，交替显示，利用人的视觉暂停作用使人看到多个数码管同时显示的效果。就像我们看的电影是有一帧一帧的画面显示的，当速度够快的时候我们看到它就是动态的。当我们显示数码管的速度够快的时候，也就可以看到它们是同时显示了。
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号的点阵型液晶模块。它是由若干个5x7或者5x11的点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以用显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。
3. 温度设定模块：
轻触开关是一种电子开关，使用时,轻轻按开关按钮就可使开关接通，当松开手时,开关断开。使用3个开关，分别实现，功能转换，设定+，设定-，即可完成所有设定操作。
4. 温度控制模块：
控制核心选择STC89C52。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，指令代码完全兼容传统8051，还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STC89C52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。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。能够满足本系统的需求。
外电路的控制，通过继电器来完成。选用HK4100F型号,额定电压5V的电磁式继电器。其有如下特点。
降温模块，由于本系统打算将加热电路与继电器的常开触点，即一般情况下加热装置继电器以及继电器均断开，因此理论上当温度过高时，继电器断开，完全可以采用自然降温使得温度达到正常。为了使效果更好，可增加风扇或者空调装置进行降温。
5. 声/光报警模块：
选用绿色和红色LED分别作为外温度在设置范围内和之外的信号标志，对于后者可以添加蜂鸣器或者电铃作为报警装置，由于可能会扰民，因此添加开关，可手动控制其是否警报。
三、 电路设计
本系统先在PROTUES上进行电路初步设计以及仿真实验。根据以上分析，设计电路如下。
主要有以下几个部分
1. 单片机最小系统
2. 温度显示
3. 加热和继电器电路
4. 温度获取和设置
DS16B20 功能按键
5. 报警和降温
四、 程序设计
五、 测试方案
通过KEIL编译通过，然后在PROTUES进行仿真，测试系统运行效果。为了提高系统稳定性和可靠性，选择在开发板上进行实际测试以及PC上的程序调试。最后硬件平台搭建，通过选择合适规格的零件，焊接从而完成整个系统的预定功能。
六、
系统调试
通过优化单片机与LCD1602的接口选择，解决了之前，由于没有加上拉电阻导致无法显示的问题。调整了函数结构，使得温度实时更新，提高了系统的灵敏度和实时性。仿真效果，如上图所示。
七、 数据测试与处理
为了进一步与实际接近，在普中EM3_V3.0型号开发板上进行了实验。成功实现以下功能：
（1）温度设定范围为0～125℃，最小设定分度为1℃。比要求的40~90℃更宽。
（2）具有温度显示功能，分辨率为0.01℃，显示的绝对误差小于1℃。比要求的0.1℃提升一个数量级，绝对误差小于要求的1℃。
（3）当温度达到某一设定值并稳定后，水温的波动控制在±X℃（X为0-9之间的整数，可调）以内。比要求的±2℃更灵活且更具有实用性。
（4）要求温度调控达到稳定状态时，给出光提示信号。
（5）环境温度不在设定范围内时,，反应及时且快速。温度过高，触发器断开，停止加热，自然降温，并且可以调用风扇进行降温。温度过低，触发器闭合加热，直到其达到指定温度。
没有实现以下功能：
（6）当设定温度突变（由35℃提高到45℃）时，在超调量不超过2℃的前提下，尽量减小系统的调节时间，并要求温度控制的静态误差≤0.5℃。
（7）在设定温度发生突变（由35℃提高到45℃）时，自动打印水温随时间变化的曲线。
八、 总结
本水温自动控制系统，较好地实现了人工设定温度，实时显示温度，自动控制温度的功能，并且结合实际应用，对一些地方进行了改进，例如提高了温度显示的精确度，另外实现了对“最高温度”、“最低温度”，“误差范围”的调节，使测定的范围和波动范围更加灵活，更具有实际运用价值。
但由于时间和能力有限，还有发挥部分一部分功能没有实现。软件仿真上，在PROTUES进行的仿真，效果稳定。硬件上，实现了基于普中EM3_V3开发板的运行和调试，效果稳定，此外还单独搭建了实验装置平台，很不幸在多次努力尝试之后，依然存在一些显示问题，没能比开发板上更好的运行。
九、 参考文献
[1]HK4100F继电器资料
[2]普中EM3_V3开发板资料
[3]51单片机C语言应用开发技术大全(第二版).人民邮电出版社.
十、 附录：
A、设计电路图（原理图、PCB图）
B、程序（要求有文字、注释）
由于相关程序较长，受版面限制，故上传至
C、相关作品图片
#include<reg51.h>
#include<intrins.h>
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
/*LCD1602显示模块*/
/*用于PROTUES仿真
#define LCD1602_DATAPINS P2
sbit LCD1602_RS=P3^0;
sbit LCD1602_RW=P3^1;
sbit LCD1602_E=P3^2; */
#define LCD1602_DATAPINS P0
sbit LCD1602_RS=P2^6;
sbit LCD1602_RW=P2^5;
sbit LCD1602_E=P2^7;
/*按键调节模块*/
sbit k1=P1^1;//功能键
sbit k2=P1^2;//加
sbit k3=P1^3;//减
void keyscan();
void key1_switch();
void key2_add();
void key3_minus();
uchar k_num;
void LCD1602_SetTemp(uchar add,uchar dat);
uchar high=90,low=10,set_t=30,set_d=2;//这里的数据类型可能有问题！！
/*其他模块接口*/
sbit DSPORT=P3^7; //温度传感器单总线端
sbit SPEAKER=P1^5;//蜂鸣器
sbit RELAY=P1^4;//继电器
sbit COOLER=P1^7;//降温装置
/*LCD1602相关函数*/
void Delay1us(uint a);
void LCD1602_WriteCom(uchar com);//LCD1602写入8位命令子函数
void LCD1602_WriteData(uchar dat);
void LCD1602_Init();//LCD1602初始化子程序
void LCD1602_ShowTemp(int temp);
/*DS18B20温度传感器相关函数*/
void Delay15us(uchar aa);
uchar Ds18b20Init();
void Ds18b20WriteByte(uchar dat);
uchar Ds18b20ReadByte();
void Ds18b20SwitchTemp();
int Ds18b20ReadTemp();
float temp_max=125.00,temp_min=-55.00;
uchar ii=0,jj=0,kk=0;
uchar words_h[2]={"H="};
uchar words_l[2]={"L="};
uchar words_s[4]={"Set="};
void Sound();
void Temp_control(int temp);
uchar count=0;//用来解决主程序执行太快，按键光标来不及显示的问题
void Temp_control(int temp)
{
unsigned int kk=400;
uchar set_h,set_l;
set_h=set_t+set_d;
set_l=set_t-set_d;
if (temp<=set_h&&temp>=set_l) //设定温度范围之内
{
RELAY = 0; //继电器断开
COOLER=0;//风扇关闭
}
else
{
TR0=0;
while (kk--)
{
Sound();
}
RELAY = 1; //继电器打开，外电路（常开触电）闭合加热
if (temp>=set_h)//温度过高
{
RELAY = 0; //继电器断开
COOLER=1;//打开
}
TR0=1;
}
}
/*其他模块相关函数*/
void Sound()//蜂鸣器
{
SPEAKER=1;
Delay15us(40);
SPEAKER=0;
Delay15us(40);
}
void Delay1us(uint a)
{
uint b,c;
for(c=a;c>0;c--)
for(b=110;b>0;b--);
}
void LCD1602_WriteCom(uchar com) //写入命令
{
LCD1602_E=0;
LCD1602_RS=0;//0就写指令
LCD1602_RW=0; //0就是写
LCD1602_DATAPINS=com;
Delay1us(10);
LCD1602_E=1;
Delay1us(10);
LCD1602_E=0;
}
void LCD1602_WriteData(uchar dat) //写入数据
{
LCD1602_E=0;
LCD1602_RS=1;
LCD1602_RW=0;
LCD1602_DATAPINS=dat;
Delay1us(10);
LCD1602_E=1;
Delay1us(10);
LCD1602_E=0;
}
void LCD1602_Init() //LCD初始化子程序
{
// uint num;
LCD1602_WriteCom(0x38); //开显示
LCD1602_WriteCom(0x0f); //开显示不显示光标
LCD1602_WriteCom(0x06); //写一个指针加1
LCD1602_WriteCom(0x01); //清屏
LCD1602_WriteCom(0x80); //设置数据指针起点
LCD1602_WriteCom(0x80+0x0B);
for (ii=0;ii<2;ii++)
{
LCD1602_WriteData(words_h[ii]);
}
LCD1602_SetTemp(13,high);
LCD1602_WriteCom(0x80+0x40);
for (kk=0;kk<4;kk++)
{
LCD1602_WriteData(words_s[kk]);
}
LCD1602_SetTemp(4+0x40,set_t);
LCD1602_WriteCom(0x80+0x47);
LCD1602_WriteData(0x23); //显示正负号
LCD1602_WriteCom(0x80+0x48);
LCD1602_WriteData(0x30+set_d);
LCD1602_WriteCom(0x80+0x4B);
for (jj=0;jj<2;jj++)
{
LCD1602_WriteData(words_l[jj]);
}
LCD1602_SetTemp(13+0x40,low);
TMOD=0X01;
TH0=(65536-50000)/256;
TL0=(65536-50000)%256;
EA=1;//总中断
ET0=1;
TR0=1;
}
void Delay15us(uchar aa)
{
do{
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
aa--;
}while(aa);
}
/*DS18B20温度传感器相关函数*/
uchar Ds18b20Init()
{
uchar flag;
DSPORT=0; //总线拉低
Delay15us(40);//延时480~960us
DSPORT=1;
Delay15us(2);
flag=DSPORT;
Delay15us(6);//Ds18b20发出应答信号，延时60~240us
Delay15us(25);
return flag;
}
uchar Ds18b20ReadByte()
{
uchar byte,bi;
uint i;
for (i=0;i<8;i++)
{
DSPORT=0;
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); //保持低电平至少1us,但不能低于15us
DSPORT=1;
bi= DSPORT;//读取一位数据,循环8次为一个字节
byte = (byte >> 1) | (bi << 7);//将byte左移一位，然后与上右移7位后的bi,8次合成一个字节
Delay15us(4);
}
return byte;
}
void Ds18b20WriteByte(uchar dat)
{
uint i;
for (i=0;i<8;i++)
{
DSPORT=0;_nop_();
DSPORT=dat&0x01;//一位一位得读，从最低位开始
Delay15us(5);
DSPORT=1;_nop_();
dat>>=1;
}
}
void Ds18b20SwitchTemp()
{
Ds18b20Init();
Delay15us(7);
Ds18b20WriteByte(0xcc);//跳过ROM指令
Ds18b20WriteByte(0x44);//启动温度转换指令
}
int Ds18b20ReadTemp()
{
int temp=0;
uchar temp_h,temp_l;
Ds18b20SwitchTemp();
Ds18b20Init();
Delay1us(1);
Ds18b20WriteByte(0xcc); //跳过ROM操作命令
Ds18b20WriteByte(0xbe); //发送读取温度命令
temp_l = Ds18b20ReadByte(); //读取温度值共16位，先读低字节
temp_h = Ds18b20ReadByte();
temp= temp_h;
temp<<=8;
temp|= temp_l;
return temp;
}
void LCD1602_ShowTemp(int temp)
{
float tt;
uchar show[5]={0,0,0,0,0};
if (temp<0)//温度为负
{
LCD1602_WriteCom(0x80); //写地址 80表示初始地址
LCD1602_WriteData('-'); //显示负
temp=temp-1;temp=~temp;tt=temp; temp=tt*0.0625*100;
}
else//温度为正
{
LCD1602_WriteCom(0x80); //写地址 80表示初始地址
LCD1602_WriteData('+'); //显示正
tt=temp;
temp=tt*0.0625*100;
}
show[0]=temp/10000;
show[1]=temp%10000/1000;
show[2]=temp%1000/100;
show[3]=temp%100/10;
show[4]=temp%10;
LCD1602_WriteCom(0x82);
LCD1602_WriteData('0'+show[0]); //百位
LCD1602_WriteCom(0x83);
LCD1602_WriteData('0'+show[1]); //十位
LCD1602_WriteCom(0x84);
LCD1602_WriteData('0'+show[2]); //个位
LCD1602_WriteCom(0x85);
LCD1602_WriteData('.');
LCD1602_WriteCom(0x86);
LCD1602_WriteData('0'+show[3]); //十分位
LCD1602_WriteCom(0x87);
LCD1602_WriteData('0'+show[4]); //百分位
LCD1602_WriteCom(0x88);
LCD1602_WriteData(0xdf);
LCD1602_WriteCom(0x89);
LCD1602_WriteData('C');
LCD1602_WriteCom(0x0C);
temp=temp/100;
Temp_control(temp);
}
void key1_switch()//功能切换
{
uchar set_h,set_l;
set_h=set_t+set_d;
set_l=set_t-set_d;
//k1键指令
if(k1==0)
{
Delay1us(10);//延时消抖
if(k1==0)
{
k_num++;
while(!k1); //按键没有松开
if(k_num==1)
{
TR0=0; //关掉计时器，使得光标得以显示
LCD1602_WriteCom(0x80+0x46);
LCD1602_WriteCom(0x0f);
Delay15us(6);
}
if(k_num==2)
{
LCD1602_WriteCom(0x80+0x48);
LCD1602_WriteCom(0x0f);
Delay15us(6);
}
if(k_num==3)
{
LCD1602_WriteCom(0x80+0x0F);
LCD1602_WriteCom(0x0f);
Delay15us(6);
}
if(k_num==4)
{
LCD1602_WriteCom(0x80+0x4F);
LCD1602_WriteCom(0x0f);
Delay15us(6);
}
if(k_num==5)
{
k_num=0;
LCD1602_WriteCom(0x0C);//光标不显示
if (high<low) //用来default
{
high=90;
low=40;//恢复默认值
}
if(set_h>high||set_l<low)
{
high=90;
low=10;//恢复默认值
set_t=30;
set_d=2;//恢复默认值
}
TR0=1;//计时器重新打开，使得屏幕得以刷新
}
}
}
}
void key2_add()//功能加
{
if(k_num!=0)
{
if(k2==0)
{
Delay1us(5);
if(k2==0)
{
while(!k2);
if(k_num==1)
{
set_t++;
if (set_t>=high)
set_t=high;
LCD1602_SetTemp(4+0x40,set_t);
LCD1602_WriteCom(0x80+0x46);
}
if(k_num==2)
{
set_d++;
if (set_d>9)
set_d=0;
LCD1602_WriteCom(0x80+0x48);
LCD1602_WriteData(0x30+set_d);
LCD1602_WriteCom(0x80+0x48);
}
if(k_num==3)
{
high++;
if (high>=temp_max)
high=0;
LCD1602_SetTemp(13,high);
LCD1602_WriteCom(0x80+0x0F);
// LCD1602_WriteCom(0x80+0x40+8);
}
if(k_num==4)
{
low++;
if (low>=temp_max)
low=0;
LCD1602_SetTemp(13+0x40,low);
LCD1602_WriteCom(0x80+0x4F);
// LCD1602_WriteCom(0x80+0x40+13);
}
}
}
}
}
void key3_minus()//功能减
{
if(k_num!=0)
{
if(k3==0)
{
Delay1us(5);
if(k3==0)
{
while(!k3);
if(k_num==1)
{
if (set_t<=0)
set_t=high+1;
set_t--;
LCD1602_SetTemp(4+0x40,set_t);
LCD1602_WriteCom(0x80+0x46);
}
if(k_num==2)
{
if (set_d<=0)
set_d=10;
set_d--;
LCD1602_WriteCom(0x80+0x48);
LCD1602_WriteData(0x30+set_d);
LCD1602_WriteCom(0x80+0x48);
}
if(k_num==3)
{
if (high<0)
high=temp_max;
high--;
LCD1602_SetTemp(13,high);
LCD1602_WriteCom(0x80+0x0F);
// LCD1602_WriteCom(0x80+0x40+8);
}
if(k_num==4)
{
if (low<=0)
low=high;
low--;
LCD1602_SetTemp(13+0x40,low);
LCD1602_WriteCom(0x80+0x4F);
// LCD1602_WriteCom(0x80+0x40+16);
}
}
}
}
}
void keyscan()//按键检测
{
key1_switch();
key2_add();
key3_minus();
}
void LCD1602_SetTemp(uchar add,uchar dat)//数码管制定位置显示
{
uchar head,body,end;
head=dat/100;
body=dat%100/10;
end=dat%10;
LCD1602_WriteCom(0x80+add);
LCD1602_WriteData(0x30+head);
LCD1602_WriteData(0x30+body);
LCD1602_WriteData(0x30+end);
}
void main()
{
LCD1602_Init();
while(1)
{
keyscan();
}
}
void timer0() interrupt 1
{
TH0=(65536-50000)/256;
TL0=(65536-50000)%256;
count++;
if (count==10)//让温度每0.5s刷新一次
{
count=0;
LCD1602_ShowTemp(Ds18b20ReadTemp());
}
}
标签：
原文地址：http://blog.csdn.net/icurious/article/details/51056605
