恒温控制系统设计

恒温控制系统设计

摘要：

温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等，常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同，在工业企业中，如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题，开发出性能较好的温度控制系统对于测控技术的发展具有很大的意义。

本系统以水温作为测量媒介，以AT89S52单片机作为核心控制器，以DS18B20数字温度传感器作为采集器，实现温度的采集、调节、控制、传输、显示的功能。系统采用PID算法对电热丝的加热PWM波占空比进行控制，从而达到对水温的控制。

关键字：单片机 DS18B20 PID算法恒温控制

1、恒温控制系统设计

1.1研究背景

随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。然而，用常规的控制方法，潜力是有限的，难以满足较高的性能要求。采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。本系统是以对水温控制为例研究恒温控制。

1.2系统功能概述

本系统是借用单片机采用模块化设计的恒温控制并用LCD12864显示，包括温度设定按钮，温度显示，温度调节，实时温度显示和预定温度显示转换按钮，温度采集等（根据需要也可另设或者多设相关功能）。显示系统除了显示实时的温度还能显示设定的温度，也就是人们想要保持的温度。

1.3系统技术指标

温控范围：30℃～100℃；

控制精度：±0.1℃；

超调量 < 1%；

温度调节步伐：0.5℃

2、系统总体设计方案论证

2.1系统的主要硬件模块方框图如下图所示

单片机AT89S52

时钟电路

按键

液晶显示

温度传感器DS18B20

驱动模块

受控对象

加热控制

2.2温度传感器选择

第一种方案——热电偶，Ｋ型热电偶的输出是毫伏级电压信号，最终要将其转换成数字信号与CPU 通信，传统的温度检测电路采用“传感器－滤波器－放大器－冷端补偿－线性化处理－Ａ/D 转换”模式，转换环节多、电路复杂、精度低。

第二种方案——温度传感器AD590M ，以集成温度传感器AD590M 为采集主体，经过电压跟随器、差分式减法器、电压放大器、反相器等电路作为信号调理，后输入10位A ／D 转换器TLC1549进行模／数转换输入给单片机。

第三种方案——数字温度传感器DS18B20，数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D 转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。

如上所述，选择数字温度传感器DS18B20作为温度传感器。

2.3人机交互模块的选择

一、显示模块选择

方案一：采用LCD12864液晶显示器，可以显示中文显示并且可以作图方便确定PID 算法中的一些参数，1、显示质量高 。由于液晶显示器每一个点在收到

信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不象阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新亮点。因此，液晶显示器画质高而且绝对不会闪烁，把眼睛疲劳降到最低。 2、没有电磁辐射，液晶显示器在防止辐射方面具有优势，因为它根本就不存在辐射。在电磁波的防范方面，液晶显示器也有自己独特的优势，它采用了严格的密封技术将来自驱动电路的少量电磁波封闭在显示器中，而普通显示器为了散发热量的需要，必须尽可能地让内部的电路与空气接触，这样内部电路产生的电磁波也就大量地向外“泄漏”了。

3、可视面积大，对于相同尺寸的显示器来说，液晶显示器的可视面积要更大一些。液晶显示器的可视面积跟它的对角线尺寸相同。阴极射线管显示器显像管前面板四周有一英寸左右的边框不能用于显示。

5、画面效果好，与传统显示器相比，液晶显示器一开始就使用纯平面的玻璃板，其显示效果是平面直角的，让人有一种耳目一新的感觉。而且液晶显示器更容易在小面积屏幕上实现高分辨率，

6、数字式接口，液晶显示器都是数字式的，不像阴极射线管彩显采用模拟接口。也就是说，使用液晶显示器，显卡再也不需要像往常那样把数字信号转化成模拟信号再行输出了。理论上，这会使色彩和定位都更加准确完美。

7、“身材”匀称小巧，传统的阴极射线管显示器，后面总是拖着一个笨重的射线管。液晶显示器突破了这一限制，给人一种全新的感觉。8、功率消耗小，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比传统显示器也要小得多

可以中文显示并且可以作图方便确定PID算法中的一些参数，

方案二：选用数码管显示，具有价格便，、使用寿命长、亮度高、故障少、可视距离远等特点。但只能显示数字，不可以中文显示，也不能作图。

综上所述，所以选择方案一。

二、输入模块的选择

方案一：触摸屏输入，随着信息化社会的发展，触摸屏的应用日趋普及，迄今，触摸屏产品在我国已逐渐形成了产业。触摸屏输入是靠触摸显示器的屏幕来

输入数据的一种新颖输入技术。触摸屏输入完全摒弃了键盘的繁琐输入，使得人机交互仅需手指轻轻一触即可。可以说，所有信息尽在指尖之中。触摸屏输入可用于取代诸如键盘、光笔、操纵杆、滚球、鼠标器及数字转换器一类的数据输入设备，或取代分立开关与薄膜开关之类的面板操作装置。其优点是操作简便直观、图像清晰、坚固耐用及节省空间，它可配用于一切电子显示器，并可与显示器制成一体，人机交互性佳，操作方便，使用灵活，效率高及输入速度快。故触摸屏输入装置将会发展成为未来诸种信息产品的主流技术之一。

方案二：按键输入，价格便宜，结构简单，易于操作。

有本系统仅需三个按键，有按键输入即可完成，所以选择方案二。

通过以上描述易知本系统开发了丰富的人机交互接口，最大程度上简化了操作的复杂度和方便度。设有三个功能按键，分别为：设定温度加O．5℃、设定温度减O．5℃以及主界面和温度曲线界面切换按键。LCD12864液晶显示，包括两个界面分别为主界面（包括设定温度和实时采集温度）和温度曲线界面。

2.4加热模块的确定

由于单片机与加热电路是强-弱电接口，需用电隔离电路以光为煤介传送信号,对输入和输出电路可以进行隔离.因而能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等好处。电路图如下所示

输入信号（来自单片机）

输出

（执行系统）Vc +5V+12V

方案一：采用继电器对电机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的