自己设计并制作了一个自己主动温度控制系统

自己设计并制作了一个自己主动温度控制系统

一、课题任务

设计并制作一个水温自己主动控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温能够在一定范围内由人工设定，并能在环境温度减少时实现自己主动控制。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）环境温度减少时（比如用电风扇降温）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）採用适当的控制方法。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，自己主动打印水温随时间变化的曲线。

（4）其它。

二、       方案比較与选择

依据要求。系统至少有下面功能模块构成：

1.      温度測量模块：

温度測量是本系统的核心问题之中的一个。基于单片机的温度測量。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。其採用单总线的接口方式与微处理器连接。仅须要一条总线就可以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測量，使用方便等长处。使用户可轻松地组建传感器网络。測量温度范围宽，測量精度高 DS18B20 的測量范围为 -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 能够并联在惟一的单线上，实现多点測温。

供电方式灵活 ，DS18B20 能够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，能够不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。

測量參数可配置 DS18B20 的測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測温系统。因此也就被设计者们所青睐。

2.      温度显示模块：

因为温度精度以及实时性的要求，须要多位动态显示。常见的显示方式有两种，一种是数码管。还有一种是液晶屏幕。动态显示是一种最常见的数码管多位显示方法，应用很广泛。

全部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一时候显示的效果。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。也就能够看到它们是同一时候显示了。

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，每一个点阵字符位都能够用显示一个字符。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button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-。就可以完毕全部设定操作。

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。指令代码全然兼容传统8051。还做了非常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，拥有机灵的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、超有效的解决方式。 具有下面标准功能： 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。空暇模式下。CPU 停止工作。同意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。

可以满足本系统的需求。

外电路的控制。通过继电器来完毕。选用HK4100F型号,额定电压5V的电磁式继电器。其有例如以下特点。

降温模块，因为本系统打算将加热电路与继电器的常开触点，即普通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，全然能够採用自然降温使得温度达到正常。为了使效果更好，可添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，对于后者能够加入蜂鸣器或者电铃作为报警装置，因为可能会扰民，因此加入开关。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。依据以上分析，设计电路例如以下。

主要有下面几个部分

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、       測试方案

通过KEIL编译通过，然后在PROTUES进行仿真，測试系统执行效果。为了提高系统稳定性和可靠性。选择在开发板上进行实际測试以及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，焊接从而完毕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，攻克了之前。因为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，如上图所看到的。

七、       数据測试与处理

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。成功实现下面功能：

（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℃更灵活且更具有有用性。

（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,，反应及时且高速。温度过高，触发器断开。停止加热。自然降温。而且能够调用风扇进行降温。

温度过低，触发器闭合加热，直到其达到指定温度。

没有实现下面功能：

（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，自己主动打印水温随时间变化的曲线。

八、       总结

本水温自己主动控制系统，较好地实现了人工设定温度，实时显示温度，自己主动控制温度的功能，而且结合实际应用。对一些地方进行了改进，比如提高了温度显示的准确度，另外实现了对“最高温度”、“最低温度”。“误差范围”的调节。使測定的范围和波动范围更加灵活，更具有实际运用价值。

   但因为时间和能力有限。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开发板的执行和调试，效果稳定，此外还单独搭建了实验装置平台，非常不幸在多次努力尝试之后，依旧存在一些显示问题。没能比开发板上更好的执行。

九、       參考文献

[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、凝视）

因为相关程序较长。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！！


/*其它模块接口*/
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;//用来解决主程序运行太快，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;
		}
}

/*其它模块相关函数*/
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，从最低位開始
		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;//计时器又一次打开。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()//按键检測
{
	  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());
		}
}