恒溫系統的設計

中北大學信息與通信工程學院 徐龍飛

中北大學儀器與電子學院 李永紅

北方自動控制技術研究所 程秀芹

國網能源新疆準東煤電有限公司 岳掌寬

1.引言

由于近年來常規能源的緊缺，開發和利用太陽能這樣的綠色能源有著重要的意義，它既是可再生能源，也不會污染環境。太陽能熱水器也是其中的一大產業，太陽能熱水器時存在的問題：不可缺水，空曬情況下上水會爆炸；春、秋天，水溫升高蒸發，造成熱能損失；冬天水溫不夠，須用電等等。現在人們對家用電器的要求越來 趨向數字化、自動化、智能化。采用太陽能熱水器水溫水位測控系統，能解決上述問題。使用戶省心，使用方便，智能操控，用戶不必作任何操作。

本系統是針對上述問題設計的溫度控制系統，由AT89S52單片機和一些外圍設備，充分運用軟件和硬件結合的方法實現了當前水箱溫度顯示，以及當水溫變高自動加熱和高出設定溫度報警的功能。本系統可使用在水池，鍋爐，水塔等裝置上，當水位下溫到一定刻度值且大于設定溫度時，報警器響。

2.系統設計要求和方案論證

2.1 系統的設計要求

要求設計一個恒溫系統，設計的系統可以實現當前水箱溫度和設定溫度的顯示，可以人工手動控制上設定溫度，可根據環境需要由人工自由設置。具體要求如下：

a.技術指標：溫度設定范圍：30-90℃，最小區分度為0.1℃。

b.控制精度：

溫度控制的靜態誤差≤0.5℃。

c.用十進制數碼顯示實際水溫。

d.超出設定溫度時能發出報警。

2.2 系統設計方案論證

方案一：采用半導體邏輯器件構成的控制器，主要應用定時器構成。在此控制方案里，定時器和加減計數器共同構成水溫顯示器。由于水溫的變化具有未知性，在水溫檢測電路里，利用熱敏電阻測量的水溫信號是模擬量，需要經過模/數轉換成半導體邏輯器件能夠識別的數字信號。這類控制電路過于龐大復雜，操作也不方便，成本也較高。

方案二：采用單片機為核心控制器的電路。單片機電路結構簡單、成本低廉，可靠性高，便于實現各個控制功能。水溫由設置在水箱內的四個浮子式微動開關獲得的電信號檢測，通過單片機處理送達顯示電路顯示當前水位。由于實際操作的原因，本設計水溫檢測用滑動變阻器來代替，通過組織的改變來實現水溫的改變。然后把信號輸入到單片機，獲得當前水位顯示。水溫檢測由單片機根據溫度傳感器(DS18B20)的操作指令和時序，讀取溫度，并送達顯示電路顯示當前水溫。本設計用三個按鍵來控制上水的水量。

從結構、經濟、可操作性等方面來看，方案三都是最佳選擇。方案三以單片機AT89S52為核心控制器件，結合單線數字溫度傳感器DS18B20與液晶顯示器12864，設計一種太陽能熱水器智能控制系統。該系統原理框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

用戶在使用熱水器后，當水箱中水溫下降到一定刻度值時，可通過人工使用按鍵方法來控制加熱器加熱，水溫達到的限定刻度也可以由按鍵設定。當水溫下降到設定溫度時，單片機接受此信號并開始執行指令，報警電路工作，此時關閉加熱器。設置的三個按鍵也可以實現人工溫度調節的功能。

在加熱過程中，顯示器LCD既可以顯示水箱的設定水溫值又可顯示水箱內水的當前溫度，不僅直觀方便，而且精確度高，實用性強。此系統解決了熱水器加熱時需人工守候，達到了省時、環保、節水的目的。加設液晶顯示部分，使整個系統更實用，更趨向數字化、智能化。

3.系統硬件電路設計

該系統由主控芯片模塊AT89S52、DS18B20溫度檢測模塊、LCD液晶顯示模塊、鍵盤控制模塊、報警模塊和電磁閥開關模塊組成，下面分別對各個模塊作具體介紹。

3.1 主控芯片AT89S52單片機及接口電路

AT89S52是一個一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。

3.2 溫度檢測模塊的設計

傳感器屬于信息技術的前沿尖端產品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農業生產、科學研究和生活等領域，數量高居各種傳感器之首。近百年來，溫度傳感器的發展大致經歷了以下三個階段：

(1)傳統的分立式溫度傳感器(含敏感元件)；

(2)模擬集成溫度傳感器/控制器；

(3)智能溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數字式、由集成式向智能化、網絡化的方向發展。

溫度傳感器的主要特點是功能單一、測溫誤差小、價格低廉、響應速度快。傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫、控制，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。本設計選用了型號為DS18B20的溫度傳感器，因為它獨特的單線接口，且具有精準度高、抗干擾能力強等優點。

3.3 LCD液晶顯示模塊

液晶屏顯示模塊與數碼管相比，它顯得更為專業、漂亮。液晶顯示屏以其微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧、使用方便等諸多優點，在通訊、儀器儀表、電子設備、家用電器等低功耗應用系統中得到越來越廣泛的應用，使這些電子設備的人機界面變得越來越直觀形象，目前已廣泛應用于電子表、計數器、IC卡電話機、液晶電視機、便攜式電腦、掌上型電子玩具、復印機、傳真機等許多方面。

本實驗采用TS12864-3型液晶，這種液晶自帶漢字庫，可直接顯示漢字，采用的驅動電路是ST7290。

液晶顯示模塊與單片機連接主要考慮以下三點：

(1)單片機若為CMOS芯片，則不用加總線驅動器等電平轉換電路；若為TTL芯片則必須配電平轉換電路。

(2)模塊讀/寫控制線為單選，對讀、寫控制線分開的單片機，必須加讀、寫信號轉換電路。

(3)根據對模塊確定的編碼地址，選擇對應的譯碼電路。

3.4 鍵盤控制模塊

在單片機應用系統中，通常應具有人機對話功能，能隨時發出各種控制命令和數據輸入以及報告應用系統的運行狀態與運行結果。鍵盤是操作人員可以通過按鍵輸入數據和命令進行功能設置，它是本系統中不可缺少的輸入設備。鍵盤由一組按鍵開關所組成。按鍵開關所組成的鍵盤可以分為兩種形式：獨立式按鍵和矩陣式按鍵。本設計由于按鍵較少，使用的是獨立式按鍵。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結構簡單。當功能鍵不是很多時，采用該種方式比較合適。獨立式按鍵是指直接用I/O口線構成的單個按鍵電路。每個獨立式按鍵單獨占有一根I/O口線。每根I/O口線的工作狀態不會影響其他I/O口線的工作狀態。

圖2 系統整體電路圖

本系統設計了有3個鍵，所用的3個鍵采用直接式接法。3個按鍵可設置不同檔的水溫刻度：按鍵K1為開始設定水溫；按鍵K2為設定溫度+0.1℃，按鍵K3為設定溫度-0.1℃。控制部分由三個按鍵K1、K2、K3組成，分別對應著三個開關P1.0、P1.1、P1.2的開閉。

3.5 報警電路和加熱電路

在單片機應用系統中，要將輸出的信號轉化成具體的功能電路，水溫超過設定溫度時，報警部分開始工作，具體電路圖如圖2所示。水溫低于設定溫度時，加熱部分開始工作。根據以上單元電路，得系統整體電路圖如圖2所示。

4.系統軟件設計

由于AT89S52單片機的速度不高，要盡量提高反饋控制速度就必須要在控制算法、程序結構和代碼編寫上盡量優化。

使用AT89S52單片機，12MHZ晶振，P1口讀入時間值，用LCD液晶管P0口輸出段碼，P1口掃描，最高位指示通道(0～7)。

系統上電即初始化，首先，單片機片選時鐘芯片，然后發出信號啟動時鐘。此時單片機內部定時器/計數器也開始工作，不斷掃描時鐘結束端口有無結束信號。若有，即啟動信號采集，對時鐘芯片的數據輸出口送來的數值進行存儲處理；若沒有，則繼續等待。數據處理完之后，利用查表法將時間數值送顯示器顯示出來并通過蜂鳴器打鈴，主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

5.結束語

本系統以AT89S52單片機為控制核心，外圍電路多以具有串行接口的芯片組成。系統實現了顯示驅動，數據存儲，蜂鳴器打鈴等多種功能。由于采用LCD液晶管，外部中斷控制打鈴和顯示，大大簡化了電路，降低了系統成本，提高了系統可靠性。

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