温度控制系统

水温自动控制系统
水温自动控制系统
摘要：本文介绍了以AT89C51单片机为核心的水温自动控制系统。

介绍了AT89C51单片机水温控制的硬件电路的设计及软件的编写、调试整个过程。

介绍了本水温控制系统的组成结构，着重介绍了系统中单片机AT89C51的显示控制电路以及受控升温电路的硬件组成。

本文采用分块的模式，对整个系统的硬件设计进行分析，分别给出了系统的总体框图、温度检测电路、显示单元的电路，并对相应电路进行相关的阐述。

调试结果表明以上提到的功能都可以实现。

关键词：水温控制；单片机；显示控制；远程控制
1 引言
随着计算机技术、测量仪器和控制技术的高速发展, 现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，应用了越来越多的先进测量控制技术、设备和方法.在这些众多的先进测量控制技术中,如何对水温进行控制成为焦点课题之一,为越来越多的科研机构所重视。

温度是极为重要而又普遍的热工参数之一，在环境恶劣或温度较高等场下，为了保证生产过程正常安全的进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度和节约能源，及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制,在许多工业场合中都是重要的环节。

由于本设计是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程，因此，应以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。

另外，单片机的使用也为实现水温的智能化控制提供了可能，例如实现自动切断电源，语音提示，自动加热，远程控制等。

1.1 温度控制的现状
目前市场上经销的温度控制系统大多是采用模拟电路及继电器控制，存在电路繁琐,可调节性差，受温度影响大，响应速度慢，有噪音等缺点，针对这些缺点我们对它进行了再次设计。

实现满足题目要求的水温自动控制系统需要解决以下两个方面的问题：一是高精度的水温测量电路及其数据处理的实现，另一个是控制方法及其控制电路实现的研究。

数字控制方法远远优于模拟控制方法。

目前，实现水温的高精度控制常采用数字控制方法，可用的控制算法有开关控制、经典PID控制、模糊控制等。

为了追求控制系统具有最小的稳态误差、最好的动态过程，即具有最小的超调量和最短的稳定时间，人们一直在不断研究各种控制方法的应用。

1.2 水温控制系统介绍
单片机水温控制系统，是用来控制电炉温度，让它的温度始终保持在某一个范围内的恒温值，为此对温度的控制我们可采用很多种方法，以往的水温控制系统都采用开关式控制方式，使用的是模拟式调节仪表，我们可通过一位式模拟控制方案，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。

但是存在着不足之处：系统所得结果的精度不高而且调节动作频率、系统静差大，不稳定。

系统受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，不能用液晶显示，不能用键盘设定。

单片机温控系统多种多样，针对不同的被控对象可以设计出不同的硬件电路。

为了实现高精度的温度控制，我们采用了以AT89C51为控制核心的单片机控制系统，温度实时控制采用的是多次测量取不同的PWM值来触发可控硅从而调节加热丝的有效功率。

并用液晶显示水的实际温度，尤其对温度控制，它可达到模拟控制所达不到的控制效果，并且可实现显示、打印，键盘设定，远程控制，报警等功能，大大提高系统的智能化，也使得系统所测结果精度大大提高。

并且为了保证系统稳定运行,在软硬件方面都采取了一定的措施。

主程序主要处理系统初始化、扫描
键盘、采样温度值和对采样数值进行数字滤波等工作。

系统灵敏度高和抗干能力强，具备较高的测量和控制精度。

该控制系统主要是针对控制水杯中的温度而设计的，它具有检测精度高、使用简单、成本较低和工作稳定可靠等特点，所以具有一定的应用前景。

它也不仅可应用于科研水中的温度检测与控制，也可应用于实际孵蛋房、豆芽菜房等生产工作间恒温控制的场合。

1.3 设计目标
1.基本要求
（1）温度设定范围为40～90℃，最小区分度为1℃，标定温度≤1℃。

（2）环境温度降低时（例如用电风扇降温）温度控制的静态误差≤1℃。

（3）用液晶显示器显示水的实际温度。

（4）采用适当的控制方法，当设定温度突变（由40℃提高到60℃）时，减小系统的调节时间和超调量。

2.发挥部分
（1）具有远程温度数据的准确可靠传输、预置和显示功能，无线传输距离至少20米（空旷地区）；
（2）增加多点温度检测功能（至少8点），并能实现多路数据的定点和巡回检测两种功能；（3）具有温度标定、校准功能；
（4）具有温度传感器失效判断与显示报警功能；
2系统的概述
单片机水温控制系统是以AT89C51单片机为控制核心，温度实时控制采用的是多次测量去不同的PWM值来触发可控硅从而调节加热丝的有效功率。

并用LCD显示水的实际温度。

本设计的基本思路是先由数字型温度传感器检测水温，然后通过传感器的内部电路把模拟量转换为数字量，然后通过数据线传送到单片机，再经过一系列的程序输出PWM波来控制可控硅来控制电炉的。

2.1 系统总体框图
图2-1 系统总体框图
2.2 系统的功能和性能指标
系统的功能：
l 可以通过按键进行温度设定，并自动调节水温到给定温度值；
l 可以实时显示给定温度与水温实测值；
l 可以显示时间、日期；
l 可以通过远程收发模块进行远程控制；
l 当实测温度达到给定温度室会产生报警，具有语音提示功能；系统的性能指标：
l 温度设定范围：40~90℃，最小区分度：1℃；
l 温度控制静态误差：≤+1℃；
l 液晶显示，显示温度范围：0~99℃；
2.3 系统主要组成模块
系统由以下模块组成：
1、CPU模块
2、加热控制模块
3、液晶显示模块
4、时钟芯片模块
5、温度传感器
6、语音芯片模块
7、报警模块
8、无线收发模块
3 系统各模块硬件设计
3.1 CPU核心模块
单片机最小系统由主单片机AT89C51、复位电路和时钟电路组成
图3-1 CPU最小系统
1.AT89C51的特点
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM-Fal shProgrammable an d Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS 8位微处理器。

该器件采用ATM EL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51的指令集和输出管脚相兼容。

该控制器将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，是一种高效微控制器171，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

AT89C51的主要特性如下:
(1)能与MCS-51兼容
(2)有一个4K字节可编程闪烁存储器
(3)使用寿命比较长一般为1000写/擦循环
(4)数据保留时间长般为10年
(5)全静态工作:OHz-24Hz
(6)三级程序存储器锁定
(7) 128*8位内部RAM
(8) 32条可编程I/0线
(9)两个16位定时器/计数器
(10) 5个中断源
(11)可编程串行通道
(12)低功耗的闲置和掉电模式
(13)片内振荡器和时钟电路图3-2 AT89C51的引脚图
2. AT89C51的引脚功能与功能描述
引脚说明：
·V CC：电源电压
·GND:地
·P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，作为输出口用时，每个引脚能驱动8个T TL逻辑门电路。

当对0端口写入1时，可以作为高阻抗输入端使用。

当P0口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可设定成地址数据总线复用的形式。

在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，同时输出指令字节在程序校验时。

程序校验时需要外接上拉电阻。

·P1口：P1口是一带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P1口的输出缓冲能接受或输出4个TTL逻辑门电路。

当对P1口写1时，它们被内部的上拉电阻拉升为高电平，此时可以作为输入端使用。

当作为输入端使用时，P1口因为内部存在上拉电阻，所以当外部被拉低时会输出一个低电流（I IL）。

另外，P1.0和P1.1还可以作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和触发输入（P1.1 /T2EX）,如表1所示。

P1口在程序编写和校验期间同时接收低8位地址。

表3-1
·P2口：P2是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。

P2口的输出缓冲能驱动4个TT L逻辑门电路。

当向P2口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。

作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（I IL）。

P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如MOVX ＠DPTR）时，P2口送出高8位地址数据。

在这种情况下，P2口使用强大的内部上拉电阻功能当输出1时。

当利用8位地址线访问外部数据存储器时（例MOVX ＠R1）,P2口输出特殊功能寄存器的内容。

当Flash编程或校验时，P2口同时接收高8位地址和一些控制信号。

·P3口：P3是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。

P3口的输出缓冲能驱动4个TT L逻辑门电路。

当向P3口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。

作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（I IL）。

P3口同时具有AT89C51的多种特殊功能，具体如下表3-2所示。

此外，P3口还用于接收一些用于控制Flash编程和校验的控制信号。

表3-2 P3口的第二功能
(外部中断0)
（外部中断1）
（外部数据存储器写选通）
（外部数据存储器都选通）
·RST:复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

·ALE/:当访问外部存储器时，地址锁存允许是一输出脉冲，用以锁存地址的低8位字节。

当在Flash编程时还可以作为编程脉冲输出。

一般情况下，ALE是以晶振频率的1/6输出，可以用作外部时钟或定时目的。

但也要注意，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

如有必要，通过向SFR的8EH单元输入0能使ALE停止工作。

该位置位后只有在MOVX 和MOVC指令下ALE才能工作。

此外，在该引脚被微弱拉高时，如果单片机在执行外部程序模式时，应设置ALE无效位不起作用。

·/V PP:外部访问允许。

为了使单片机能够有效的传送外部数据存储器从0000H到FFFH 单元的指令，必须同GND相连接。

需要主要的是，如果加密位1被编程，复位时EA 端会自动内部锁存。

当执行内部编程指令时，应该接到V CC端。

当处于Flash编程时，该引脚接12V的编程允许电压V PP,当12V的编程电压是允许的情况下。

·XTAL1：振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端。

·XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。

3.2 温度检测电路
温度检测整体电路图如图3-3所示：
图3-3温度检测电路图
温度检测电路主要由数字温度传感器DS18B20组成，由于是数字温度传感器，DS18B20与单片机的接口如上图所示。

数字温度传感器DS18B20[7]
DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。

与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。

可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。

因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

特性：
·独特的单线接口仅需一个端口接口引脚进行通讯
·简单的多点分布应用
·无需要外部器件
·可通过数据线供电
·零待机功耗
·测量范围从-55℃到+125℃，以0.5℃递增。

华氏器件-67℉到257℉，以0.9℉递增·温度以9位数字量读出
·温度数字量转换时间200ms（典型值）
·用户可定义的非易失性的温度报警设置
·报警搜索命令识别并标志超过程序限定（温度报警条件）的器件
·应用包括恒温控制，工业系统，消费类产品，温度计或任何热敏系统
引脚排列：
图3-4 DS18B20 引脚排列
引脚说明：GND 地
DQ 数字输入输出
VDD 可选的VDD
NC 空引脚
DNC 不连接
DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，也可以设定一个报警温度，DS18B20通过一个单线接口发送或接受信息，因此在中央微处理器和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线）。

用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。

因为每个DS18B20都有一个独特的片序列号，所以多只DS18B20可以同时连在一根单线总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。

这一特性在HVAC环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度控制以及工程监测和控制等方面非常有用。

引脚说明
表3-3
图2-2示出了DS18B20的主要部件，DS18B20有三个主要数字部件：1）64位的激光RO M，2）温度传感器，3）非易失性温度报警触发器TH和TL。

DS18B20只需要1个接口引脚就可以实现通信。

控制线上要接一个小的上拉电阻，在这个通信系统中，微处理器识别和标志每个独特的64位代码。

因为每个通道有一个独特的代码，在每个通道上的数据标志实际上是无限的。

所以只需要一个借口就能够实现。

DS18B20的另一个特征就是不需要备份电源，其间用如下方式从单线通讯线上得到能量：在信号线处于高电平期间把能量存储在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给电容充电。

其也可以接外部电源VDD供电。

智能温度控制器DS18B20作为本系统温度采集与A/D转换的元件，它具有精度高、体积小、电压适用范围宽、系统设计灵活、等优点。

该温度采集电路在硬件电路上相当简单的,但是在温度的测量与转换上的精度是比较高的。

测量范围从-55℃到+125℃。

完全满足本设计水温控制的要求。

3.3 时钟模块电路
1. 时钟模块整体电路图如图3-5 所示
图3-5 时钟芯片电路图
2. 时钟芯片DS1302 的结构及工作原理
DS1302是美国DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒，进行计时，且具有闰年补偿功能，工作电压宽达2.5～5.5V。

采用三线接口与CPU 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。

DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM 寄器DS1302 是DS1202 的升级产品，与DS1202 兼容，但增加了主电源／后背电源双电源引脚，时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。

芯片引脚图见附录，引脚功能如下：
表3-4 引脚功能
1）DS1302 的控制字节说明
控制字节的最高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到DS1302 中位6 如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1 表示存取RAM数据;位5至位1 指示操
作单元的地址;最低有效位（位0）如为0 表示要进行写操作，为1 表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。

通过把复位输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。

输入有两种功能：首先，复位接通控制逻辑，允许地址／命令序列送入移位寄存器；其次，复位提供了终止单字节或多字节数据的传送手段。

当置为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。

如果在传送过程中置为低电平，则会终止此次数据传送，并且I/O 引脚变为高阻态。

上电运行时，在Vcc≥2.5V 之前，必须保持低电平。

只有在SCLK 为低电平时，才能将RST 置为高电平。

2）DS1302程序流程图：
图3-6 主程序部分框图
3）DS1302 的寄存器
DS1302 共有12 个寄存器，其中有7 个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD 码形式。

其日历、时间寄存器及其控制字见表。

表3-5
此外，DS1302 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。

时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。

DS1 302 与RAM 相关的寄存器分为两类，一类是单个RAM单元，共31 个，每个单元组态为一个8 位的字节，其命令控制字为COH~FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM 寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM 的31 个字节，命令控制字为FEH（写）、FFH（读）。

图3-6 数据读写时序
4）DS1302的优点：
采用DS1302 作为记录测控系统中的数据记录，其软硬件设计简单，时间记录准确，既避免了连续记录的大工作量，又避免了定时记录的盲目性，给连续长时间的测量、控制系统的正常运行及检查都来了很大的方便，可广泛应用于长时间连续的测控系统中。

3.4 无线收发模块
采用无线收发模块可以在远处对水温进行温度的传输和预置，可以起到方便的作用。

图3-7 无线发射模块电路图
图3-8无线接受模块电路图
3.5 语音芯片模块电路
本系统采用ISD1420作为录/放音模块，ISD1420为美国ISD公司出品的优质单片语音录放电路，由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。

一个最小的录放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按钮、一个电源、少数电阻电容组成。

录音内容存入永久存储单元，提供零功率信息存储，这个独一无二的方法是借助于美国ISD公司的专利--直接模拟存储技术（DAST TM）实现的。

利用它，语音和音频信号被直接存储，以其原本的模拟形式进入EEPROM存储器。

直接模拟存储允许使用一种单片固体电路方法完成其原本语音的再现。

不仅语音质量优胜，而且断电语音保护。

本设计语音模块的主要应用：当设置温度低于四十度时，会出现语音报警提示“温度太低请重设”当设置温度高于九十度时，会出现语音报警提示“温度太高请重设”。

图3-9 语音模块电路图
语音芯片ISD1420
1．特点：
◎使用方便的单片录放系统,外部元件最少
◎重现优质原声，没有常见的背景噪音
◎放音可由边沿或电平触发
◎无耗电信息存储,省掉备用电池
◎信息可保存100年,可反复录放10万次
◎无需专用编程或开发系统
◎较强的分段选址能力可处理多达160段信息
◎具有自动节电模式
◎录或放后立即进入维持状态,仅需0.5μA电流
◎单一5伏电源供电
◎工作电压：5V
◎静态电流：典型值0.5μA，最大值2μA
◎工作电流：典型值15mA，最大值30mA（16欧姆）
2．电路外形图引出端功能说明：
各管脚功能如下，芯片引脚图见附录
图3-10 ISD1420芯片各引脚功能
3．操作模式：
地址输入有双重功能,根据地址中的A6,A7的电平状态决定A0～A7的功能。

如果A6, A7有一个是低电平,A0～A7输入全解释为地址位,作为起始地址用。

地址位仅作为输入端,在操作过程中不能输出内部地址信息。

根据PLAYE、PLAYL 或REC 的下降沿信号,地址
输入被锁定。

如果A6,A7同为高电平时,它们即为模式位。

使用操作模式有两点要注意:
(一)所有初始操作都是从0地址开始,0地址是1420存储空间的起始端,以后的操作可根据模式的不同,而从不同的地址开始工作。

当电路中录放音转换或进入省电状态时，地址计数器复位为0。

(二)当变为低电平,同时A6,A7为高电平时,执行对应操作模式。

这种操作模式一直执行到下一个低电平控制输入信号出现为止,这一刻现行的地址/模式信号被取样并执行。

操作模式可以与微控制器一起使用,也可用硬件连线得到所需系统操作。

A0---信息检索( 或only)
不知道每个信息的实际地址,A0可使操作者快速检索每条信息,A0每输入一个低脉冲,可使得内部地址计数器跳到下一个信息。

这种模式仅用于放音,通常与A4操作同时应用。

A1--- 删除标志( only)可使录入的分段信息成为连续的信息,用A1可删除掉每段中间信息后的标志,仅在所有信息后留一个标志。

当这个操作模式完成时,录入的所有信息就作为一个连续的信息放出。

A3--- 循环重放信息( 或only)可使存于存储空间始端的信息自动地连续重放。

一条信息可以完全占满存储空间,那么循环就可以从头至尾进行工作,并由始至终反复重放。

A4--- 连续寻址：在正常操作中, 当一个信息放出, 遇到一个标志时,地址计数器会复位，A4可防止地址计数器复位,使得信息连续不断地放出。

A2、A5--- 未用。

详见图3-11
图3-11 地址功能表
4.随机地址录放音电路的工作原理：
随机地址录放音电路的录放音起始地址可以通过单片机对ISD1200/1400系列语音芯片的A0 -A7进行控制而实现。

随机地址可以选择芯片中任意地址。

单片机的P1口端口和ISD1420 A0—A7对应连接，P3.1和REC的外接开关S的一端相连，P3.0与PLAYL或PLAYE相连。

模拟语音信号从MIC和MICREF两个端口输入，经放大器放大又从ANAOUT端输出，然后通过外接耦合电容输入到ANAIN端，该信号再经适当放大后就可被时钟信号采样存储到EEPROM中。

AGC端一般只接一个RC积分电路即可，它可使存储的语音具有良好的重放效果。

A0-A7端口具有地址编码和逻辑控制双重功能。

录放阴地址都是在有效录放控制命令下降沿时写入片内地锁存器的，因此可以有选择地进行语音的存储录放。

因此，在录音时，在不同地址内录入不同的语音；放音时，在单片机控制下同步放出对应语音。

图3-12 A0-A7端口地址编码和逻辑控制功能说明
5．按键录放模式
ISD1420的按键单段录放电路非常简单。

单段使用时全部地址线接地，按住录音键（RE CORD）不放即录音，手松开键或录满时自动停止，录音期间RECLED灯会持续点亮，录音停止时熄灭。

放音有两种方式，按住PL键不放即放音，松键时停止；点按一下PE键即全段放音。

放音结束时，RECLED灯会快速闪亮一下提示段结束。

3.6 键盘预置与显示电路
1．键盘显示接口电路的选择
键盘输入和显示部分在控制仪器中起着人机交互的作用，显示部分有数码管显示和液晶显示两种，根据系统目标要求，需要显示时间，日期，实际温度和设置温度，我们选择12864L CD来实现系统的显示部分，采用单片机89C51与地址译码器74LS138组成控制和扫描系统，这种方案能很好地控制键盘及显示又为单片机减少了程序的复杂性，而且具有体积小，价格便宜的特点。

图3-13 键盘及显示电路
2. 液晶显示模块介绍
JM12864M[8]汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X 16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。

主要技术参数和显示特性:
电源：VDD 3.3V~+5V(内置升压电路，无需负压)；
显示内容：128列×64行
显示颜色：黄绿
显示角度：6：00钟直视
LCD类型：STN
与MCU接口：8位或4位并行/3位串行。