自己設計並製作了一個自動溫度控制系統

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自己設計並製作了一個自動溫度控制系統

一、課題任務

設計並製作一個水溫自動控制系統，控制對象為1升淨水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在一定範圍內由人工設定，並能在環境溫度降低時實現自動控制，以保持設定的溫度基本不變。

1．基本要求 

（1）溫度定義範圍為40～90℃，最小設定分度為1℃。

（2）具有溫度顯示功能，解析度為0.1℃，顯示的絕對誤差小於1℃。

（3）當溫度達到某一設定值並穩定後，水溫的波動控制在±2℃以內。要求溫度調控達到穩定點時，必須給出聲或光提示訊號。

（4）環境溫度降低時（例如用電風扇降溫）水溫的波動控制在±2℃以內。

2．發揮部分

（1）當溫度達到某一設定值並穩定後，水溫的波動控制在±1℃以內。要求溫度調控達到穩定點時，必須給出聲或光提示訊號。

（2）採用適當的控制方法，當設定溫度突變（由35℃提高到45℃）時，在超調量不超過2℃的前提下，盡量減小系統的調節時間，並要求溫度控制的靜態誤差≤0.5℃。 

（3）在設定溫度發生突變（由35℃提高到45℃）時，自動列印水溫隨時間變化的曲線。

（4）其他。

 

二、       方案比較與選擇

根據要求，系統至少有以下功能模組構成：

1.      溫度測量模組：

溫度測量是本系統的核心問題之一。基於單片機的溫度測量，溫度感應器毫無疑問是最佳的選擇，常見的有數字式溫度感應器和類比溫度感應器。

前者以DS18B20為代表。其採用單匯流排的介面方式與微處理器串連。僅需要一條匯流排即可實現微處理器的雙向通訊。單匯流排具有經濟性好，抗幹擾能力強，適合於惡劣環境的現場溫度測量，使用方便等優點，使使用者可輕鬆地組建感應器網路。測量溫度範圍寬，測量精度高 DS18B20 的測量範圍為 -55 ℃ ~+ 125 ℃ ； 在 -10~+ 85°C 範圍內，精度為 ± 0.5°C 。持多點組網功能 多個 DS18B20 可以並聯在惟一的單線上，實現多點測溫。供電方式靈活 ，DS18B20 可以通過內部寄生電路從資料線上擷取電源。因此，當資料線上的時序滿足一定的要求時，可以不接外部電源，從而使系統結構更趨簡單，可靠性更高。測量參數可配置 DS18B20 的測量解析度可通過程式設定 9~12 位。類比溫度感應器，以Pt100為代表。

    DS18B20 具有體積更小、適用電壓更寬、更經濟、可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用範圍，適合於構建自己的經濟的測溫系統，因此也就被設計者們所青睞。

2.      溫度顯示模組：

由於溫度精度以及即時性的要求，需要多位動態顯示。常見的顯示方式有兩種，一種是數位管，另一種是液晶螢幕。動態顯示是一種最常見的數位管多位顯示方法，應用非常廣泛。所有數位管段選都串連在一起的時候，動態顯示是多個數位管，交替顯示，利用人的視覺暫停作用使人看到多個數位管同時顯示的效果。就像我們看的電影是有一幀一幀的畫面顯示的，當速度夠快的時候我們看到它就是動態。當我們顯示數位管的速度夠快的時候，也就可以看到它們是同時顯示了。

1602液晶也叫1602字元型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號的點陣型液晶模組。它是由若干個5x7或者5x11的點陣字元位組成，每個點陣字元位都可以用顯示一個字元，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字元間距和行間距的作用。

 

3.      溫度設定模組：

輕觸開關是一種電子開關，使用時,輕輕按開關按鈕就可使開關接通，當鬆開手時,開關斷開。使用3個開關，分別實現，功能轉換，設定+，設定-，即可完成所有設定操作。

4.      溫度控制模組：

控制核心選擇STC89C52。STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高效能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統可程式化Flash儲存空間。STC89C52使用經典的MCS-51核心，指令代碼完全相容傳統8051，還做了很多的改進使得晶片具有傳統51單片機不具備的功能。在單晶片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統可程式化Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效解決方案。 具有以下標準功能： 8k位元組Flash，512位元組RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內建4KB EEPROM，MAX810複位電路，3個16 位定時器/計數器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（相容傳統51的5向量2級中斷結構），全雙工系統串列口。另外 STC89X52 可降至0Hz 靜態邏輯操作，支援2種軟體可選擇省電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被儲存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬體複位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。能夠滿足本系統的需求。

外電路的控制，通過繼電器來完成。選用HK4100F型號,額定電壓5V的電磁式繼電器。其有如下特點。

降溫模組，由於本系統打算將加熱電路與繼電器的常開觸點，即一般情況下加熱裝置繼電器以及繼電器均斷開，因此理論上當溫度過高時，繼電器斷開，完全可以採用自然降溫使得溫度達到正常。為了使效果更好，可增加風扇或者空調裝置進行降溫。

5.      聲/光警示模組：

選用綠色和紅色LED分別作為外溫度在設定範圍內和之外的訊號標誌，對於後者可以添加蜂鳴器或者電鈴作為警示裝置，由於可能會擾民，因此添加開關，可手動控制其是否警報。

三、        電路設計

本系統先在PROTUES上進行電路初步設計以及模擬實驗。根據以上分析，設計電路如下。

主要有以下幾個部分

1.      單片機最小系統

2.      溫度顯示

3.      加熱和繼電器電路

4.      溫度擷取和設定

DS16B20                   功能按鍵

5.      警示和降溫

四、       程式設計

五、       測試方案

通過KEIL編譯通過，然後在PROTUES進行模擬，測試系統運行效果。為了提高系統穩定性和可靠性，選擇在開發板上進行實際測試以及PC上的程式調試。最後硬體平台搭建，通過選擇合適規格的零件，焊接從而完成整個系統的預定功能。

六、       
系統調試

通過最佳化單片機與LCD1602的介面選擇，解決了之前，由於沒有加上拉電阻導致無法顯示的問題。調整了函數結構，使得溫度即時更新，提高了系統的靈敏度和即時性。模擬效果，如所示。

七、       資料測試與處理

為了進一步與實際接近，在普中EM3_V3.0型號開發板上進行了實驗。成功實現以下功能：

（1）溫度定義範圍為0～125℃，最小設定分度為1℃。比要求的40~90℃更寬。

（2）具有溫度顯示功能，解析度為0.01℃，顯示的絕對誤差小於1℃。比要求的0.1℃提升一個數量級，絕對誤差小於要求的1℃。

（3）當溫度達到某一設定值並穩定後，水溫的波動控制在±X℃（X為0-9之間的整數，可調）以內。比要求的±2℃更靈活且更具有實用性。

（4）要求溫度調控達到穩定點時，給出光提示訊號。

（5）環境溫度不在定義範圍內時,，反應及時且快速。溫度過高，觸發器斷開，停止加熱，自然降溫，並且可以調用風扇進行降溫。溫度過低，觸發器閉合加熱，直到其達到指定溫度。

沒有實現以下功能：

（6）當設定溫度突變（由35℃提高到45℃）時，在超調量不超過2℃的前提下，盡量減小系統的調節時間，並要求溫度控制的靜態誤差≤0.5℃。 

（7）在設定溫度發生突變（由35℃提高到45℃）時，自動列印水溫隨時間變化的曲線。

 

八、       總結

本水溫自動控制系統，較好地實現了人工設定溫度，即時顯示溫度，自動控制溫度的功能，並且結合實際應用，對一些地方進行了改進，例如提高了溫度顯示的精確度，另外實現了對“最高溫度”、“最低溫度”，“誤差範圍”的調節，使測定的範圍和波動範圍更加靈活，更具有實際運用價值。

   但由於時間和能力有限，還有發揮部分一部分功能沒有實現。軟體模擬上，在PROTUES進行的模擬，效果穩定。硬體上，實現了基於普中EM3_V3開發板的運行和調試，效果穩定，此外還單獨搭建了實驗裝置平台，很不幸在多次努力嘗試之後，依然存在一些顯示問題，沒能比開發板上更好的運行。

九、       參考文獻

[1]HK4100F繼電器資料

[2]普中EM3_V3開發板資料

[3]51單片機C語言應用開發技術大全(第二版).人民郵電出版社.

十、       附錄：

A、設計電路圖（原理圖、PCB圖）

B、程式（要求有文字、注釋）

由於相關程式較長，受版面限制，故上傳至

C、相關作品圖片

#include<reg51.h>#include<intrins.h>#define uint unsigned int #define uchar unsigned char/*LCD1602顯示模組*//*用於PROTUES模擬#define LCD1602_DATAPINS P2sbit LCD1602_RS=P3^0;sbit LCD1602_RW=P3^1;   sbit LCD1602_E=P3^2;      */#define LCD1602_DATAPINS P0sbit LCD1602_RS=P2^6;sbit LCD1602_RW=P2^5;   sbit LCD1602_E=P2^7;/*按鍵調節模組*/sbit k1=P1^1;//功能鍵sbit k2=P1^2;//加sbit k3=P1^3;//減 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;//這裡的資料類型可能有問題！！/*其他模組介面*/sbit DSPORT=P3^7; //溫度感應器單匯流排端sbit SPEAKER=P1^5;//蜂鳴器sbit RELAY=P1^4;//繼電器sbit COOLER=P1^7;//降溫裝置/*LCD1602相關函數*/void Delay1us(uint a);void LCD1602_WriteCom(uchar com);//LCD1602寫入8位命令子函數void LCD1602_WriteData(uchar dat);void LCD1602_Init();//LCD1602初始化子程式  void LCD1602_ShowTemp(int temp);/*DS18B20溫度感應器相關函數*/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;//用來解決主程式執行太快，按鍵游標來不及顯示的問題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) //設定溫度範圍之內{  RELAY = 0; //繼電器斷開 COOLER=0;//風扇關閉}else {TR0=0;while (kk--){Sound();}RELAY = 1; //繼電器開啟，外電路（常開觸電）閉合加熱if (temp>=set_h)//溫度過高{RELAY = 0; //繼電器斷開 COOLER=1;//開啟}TR0=1;}}/*其他模組相關函數*/void Sound()//蜂鳴器{   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)  //寫入命令{LCD1602_E=0;LCD1602_RS=0;//0就寫指令LCD1602_RW=0; //0就是寫LCD1602_DATAPINS=com;Delay1us(10);LCD1602_E=1;Delay1us(10);LCD1602_E=0;}   void LCD1602_WriteData(uchar dat)//寫入資料{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初始化子程式{//uint num; LCD1602_WriteCom(0x38);  //開顯示LCD1602_WriteCom(0x0f);  //開顯示不顯示光線標LCD1602_WriteCom(0x06);  //寫一個指標加1LCD1602_WriteCom(0x01);  //清屏LCD1602_WriteCom(0x80);  //設定資料指標起點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);  //顯示加號或減號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;//總中斷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溫度感應器相關函數*/uchar Ds18b20Init(){uchar flag;DSPORT=0;  //匯流排拉低Delay15us(40);//延時480~960usDSPORT=1;Delay15us(2);flag=DSPORT;Delay15us(6);//Ds18b20發出應答訊號，延時60~240usDelay15us(25);return flag;} uchar Ds18b20ReadByte(){uchar byte,bi; uint i;for (i=0;i<8;i++){DSPORT=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); //保持低電平至少1us,但不能低於15usDSPORT=1;bi=DSPORT;//讀取一位元據,迴圈8次為一個位元組byte = (byte >> 1) | (bi << 7);//將byte左移一位，然後與上右移7位後的bi,8次合成一個位元組Delay15us(4);}return byte;} void  Ds18b20WriteByte(uchar dat){ uint i; for (i=0;i<8;i++) { DSPORT=0;_nop_();DSPORT=dat&0x01;//一位一位得讀，從最低位開始Delay15us(5);DSPORT=1;_nop_();dat>>=1; }} void  Ds18b20SwitchTemp(){Ds18b20Init();Delay15us(7);Ds18b20WriteByte(0xcc);//跳過ROM指令Ds18b20WriteByte(0x44);//啟動溫度轉換指令} int   Ds18b20ReadTemp(){int temp=0;uchar temp_h,temp_l;Ds18b20SwitchTemp();Ds18b20Init();Delay1us(1);Ds18b20WriteByte(0xcc); //跳過ROM操作命令Ds18b20WriteByte(0xbe); //發送讀取溫度命令temp_l = Ds18b20ReadByte();//讀取溫度值共16位，先讀低位元組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)//溫度為負{LCD1602_WriteCom(0x80);//寫地址 80表示初始地址    LCD1602_WriteData('-');  //顯示負temp=temp-1;temp=~temp;tt=temp;temp=tt*0.0625*100;}else//溫度為正{LCD1602_WriteCom(0x80);//寫地址 80表示初始地址    LCD1602_WriteData('+');  //顯示正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]); 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自己設計並製作了一個自動溫度控制系統