基于单片机的水温控制系统
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保定科技职业学院毕业论文（设计）
1 一、系统方案
1.1 水温控制系统的设计任务和要求
该系统为一实验系统，系统设计任务：
设计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调整，以保持设定的温度基本不变。
利用单片机AT89c51实现水温的智能控制，使水温能够在一定温度之间实现控制温度调节。利用仪器读出水温，并在此基础上将水温调节到我们通过键盘输入的温度（其方式是加热或降温），而且能够将温度显示在我们的七段发光二极管板上。
系统设计具体要求：
（1）由键盘设定温度，设定范围为0～99℃，最小区分度为l℃，标定温差＜1。
（2）温度低于设定温度值时加热，温度高于设定值时降温。
（3）实现容器中无水时报警,及溢流控制等。
（4）环境温度降低时(例如用电风扇降温)温度控制约静态误差＜1。
1.2 系统总体方案的选择
（1）方案一 （如图1-1）此方案是传统的一位式模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。其特点是电路简单，易于实现，但是系统所得的结果精度不高并且调节动作频繁，系统静差大，不稳定。系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法，不能用数码管显示，不能用键盘设定。
图1-1 模拟电路一 信号放大
温度预置 比较器 信号放 大
负载 数据采集 固态继电器 保定科技职业学院毕业论文（设计）
2 （2）方案二 （如图1-2）此方案是传统的二位式模拟控制方案，其基本思想与方案一相同，但由于采用上下限比较电路，所以控制精度有所提高。这种方法还是模拟控制方法，因此也不能实现复杂的控制算法使控制温度做的更高。而且仍不能用数码管显示和键盘设定。
图1-2 模拟电路二
（3）方案三 （如图1-3）此方案采用AT89c51单片机系统来实现。单片机软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制【1】。单片机系统可用数码管显示水温的实际值，能用键盘输入设定值等功能。本方案选用了AT89c51芯片，不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单。
图1-3 温度控制系统框图
方案论证 方案一和方案二是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制规律，控制方案的修改也较麻烦。而方案三是采用以AT89c51为控制核心的单片机控制系统，尤其对温度控制，可以达到模拟控制所达不到的控制效果，并且可以实现显示、键盘设定，报警等功能。大大提高的系统的智能化，也使得系统所测结果的精度大大提高了。所以本次设计采用方案三。
单片机
键盘输入
温度传感器
无水检测
电源 数码管显示
加热装置
降温装置
蜂鸣报警
溢流控制 信号采集 信号放大 上限比较
下限比较 信号处理 固态继电器
负载 温度预置 保定科技职业学院毕业论文（设计）
3 二、元器件选型及硬件电路设计
2.1 元器件选型
2.1.1 温度传感器
温度传感器选用可编程温度传感器（DS18B20）芯片。DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。
1）、DS18B20产品的特点
（a）、只要求一个端口即可实现通信。
（b）、在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。
（c）、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。
（d）、测量温度范围在－55。C到＋125。C之间。
（e）、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。
（f）、内部有温度上、下限告警设置
2）、DS18B20的引脚介绍
DS18B20可编程温度传感器有3个管脚。(如图2-1) GND为接地线，DQ为数据输入输出接口，通过一个较弱的上拉电阻与单片机相连。VDD为电源接口，既可由数据线提供电源，又可由外部提供电源，范围3．O～5．5 V【7】。本文使用外部电源供电。
图2-1 DS18B20管脚 保定科技职业学院毕业论文（设计）
4 3）、DS18B20的内部结构
DS18B20内部功能模块如图2-2所示，主要由4部分组成：64位光刻R0M、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。R0M 中的64位序列号是出厂前被光刻好的，他可以看作是该DSISB20的地址序列码，每个DSI8B20的64位序列号均不相同。高低温报警触发器TH 和TL，配置寄存器均由一个字节的E2PROM组成，使用一个存储器功能命令可对 TH，TL或配置寄存器写入。配置寄存器中R1，R0决定温度转换的精度位数：R1R0＝’00’,9位精度，最大转换时间为93.75 ms；R1R0 = ‘01’,10位精度，最大转换时间为187.5 ms；R1R0 = ‘10’,11位精度，最大转换时间为375 ms；R1R0
=’11’,12位精度，最大转换时间为750 ms；未编程时默认为12位精度。
4)、DS18B20的使用方法
由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89c51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。
由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。
DS18B20的复位时序
图2-2 DS18B20的复位时序图
DS18B20的读时序
对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。 保定科技职业学院毕业论文（设计）
5 对于DS18B20的读时序是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20要完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。
图2-3 DS18B20的读时序图
DS18B20的写时序
对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。
对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。
图2-4 DS18B20的写时序图
2.1.2 键盘
键盘选用轻触开关，只用三个键来输入，它们的功能分别为“加一”，“减一”和“确认”三个功能按键，详细电路和程序见后面章节。
2.1.3数码管
1）LED数码管的结构 保定科技职业学院毕业论文（设计）
6 LED数码管是由发光二极管构成的,亦称半导体数码管. 将条状发光二极管按照共阴极(负极)或共阳极(正极)的方法连接,组成"8"字,再把发光二极管另一电极作笔段电极,就构成了LED数码管.若按规定使某些字段上的发光二极管就能显示从0～9的一系列数字。同荧光数码管、辉光数码管(NRT)相比它具有：体积小、功耗低、耐震动、寿命长、亮度高、单色性好、发光响应的时间短，能与TTL,CMOS电路兼容等的数显器件。
2）LED数码管的管脚排列
本次设计采用共阴极的LED数码管，其管脚排列如图2-5所示。
图2-5 共阴极数码管及其管脚排列
2.1.4继电器
本系统利用继电器的吸合与否来控制加热装置和降温装置，实现水温的自动化控制。
本次设计采用型号为JRC-21F的继电器。其特点有：
1）.超小型,低功耗;
2）.触点型式:1H,1Z(1A.AC);
3）.触点负载:2A,120VAC;
4）.外型尺寸:15.7X10.4X11.4
2.2 硬件电路设计
总电路图见附页1，下面重点介绍各个模块的电路图。
2.2.1 温度采集电路
DS18B20为单总线器件，接口电路简单，如下图2-6所示 保定科技职业学院毕业论文（设计）
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图2-6 温度采集电路
2.2.2 键盘电路
本键盘电路采用独立键设计，三个键接到单片机的三个中断源上。当按下时为低电平。其中S2为“确认”键、S3为“减一”键、S4为“加一”键，电路如图2-7所示：
图2-7 键盘电路
2.2.3数码管显示电路
数码管显示电路是使用的串口显示，这种显示最大的优点就是使用口资源比较少，只用P3口的P3.0和P3.1两个端口，四只数码管采用74LS164右移寄存器驱动，显示比较清晰，电路如图2-8所示：
图2-8 数码管显示电路 保定科技职业学院毕业论文（设计）
8 2.2.4输出驱动电路
继电器通过一个三极管来驱动，其中三极管的型号为9015。这里用到两个驱动电路，一个用于驱动加热装置，一个用于降温装置。电路如图2-9所示。其中加热装置可用小功率的电热棒，它可达到加热的目的，又较容易实现对温度的控制。而降温装置可用加入冷水的方法，用一个分流阀实现对冷水加入量的控制，当水的温度过高要进行降温时，降温驱动电路工作，打开分流阀，缓慢注入冷水，动态温度比较，实现对温度的实时控制。同时为了防止加入的水量过多而超出容器，增加了溢流控制装置，达到对容器中水量的控制。
图2-9 输出驱动电路
2.2.5蜂鸣报警电路
蜂鸣器通过一个三极管来驱动，这里选用9015。电路如图2-10所示：
图2-10 蜂鸣报警电路
2.2.6无水检测电路
无水检测电路如图2-11所示：
