基于51單片機的恒溫水箱控制系統設計

李亞輝 馮俐 尹玉玲 宋今輝 熊浪龍 肖榮峰

摘? 要：為了實現對恒溫水箱水溫的精確控制，文章提出了基于51單片機的恒溫水箱控制系統設計。系統以51系列STC89C52單片機為核心，利用數字傳感器DS18B20采集水溫，并通過數碼管進行實時顯示，采用經典PID控制算法和PWM控制技術，對被控對象進行實時控制，從而實現對水溫的精確調節。實際應用表明：該恒溫水箱系統具有成本低廉，可靠性好，控制精度高、實用性強的特點，具有很高的實用價值和應用前景。

關鍵詞：單片機;數字溫度傳感器;PID控制;恒溫水箱

中圖分類號：TP273? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）04-0091-03

Abstract： In order to realize the accurate control of the water temperature of the constant temperature water tank， this paper puts forward the design of the constant temperature water tank control system based on 51 single chip microcomputer. The system takes 51 series STC89C52 single chip microcomputer as the core， uses the digital sensor DS18B20 to collect the water temperature， and carries on the real-time display through the digital tube， uses the classical PID control algorithm and the PWM control technology， carries on the real-time control to the controlled object， thus realizes the accurate adjustment of the water temperature. The practical application shows that the constant temperature water tank system has the characteristics of low cost， good reliability， high control precision and strong practicability， and has high practical value and application prospect.

Keywords： single chip microcomputer; digital temperature sensor; PID control; constant temperature water tank

引言

隨著社會的進步和科技的發展，智能化已經成為恒溫控制系統發展的主流。恒溫水箱無論是在工業控制領域，還是在醫療保健、智能家居等領域都有著廣泛的應用。例如：人們生活中常見的飲水機、熱水器，工業生產中的大型恒溫水箱加熱設備等。不同的應用領域，對水溫控制的精度要求也不一樣，其中對水溫的精確檢測和對被控對象的精確控制，直接決定了恒溫水箱控制系統性能的好壞。隨著對測量精度和控制精度要求的不斷提高，一般的恒溫水箱很難滿足實際應用的需要，所以設計一種高精度、多功能的恒溫控制水箱就顯得尤為重要[1]。

本文提出了一種基于51單片機的恒溫水箱控制系統的設計。采用STC89C52單片機為核心控制器，該單片機具有低功耗、數據處理能力強、片內資源豐富、價格便宜等優點[2]。利用高精度數字溫度傳感器實時采集水溫，通過PID控制算法和PWM控制技術[3-5]，實現對水溫的精確控制。

1 控制系統工作原理及總體設計

恒溫水箱水溫控制系統的總體設計框如圖1所示。首先，單片機利用數字溫度傳感器不斷的對水溫進行實時采集，然后將采集到的水溫與預設的溫度值進行比較，并利用PID控制算法計算出相應的調控量，最后單片機根據調控量輸出PWM控制量，并通過驅動電路對加熱元件進行控制，從而實現對水溫的精確調節。其中數碼管溫度顯示、加熱指示燈和溫度參數設置單元，組成了人機交互部分，用戶可以通過外部的控制按鍵，對水溫值進行預設置，單片機將該設定值保存在片內E2PROM中，即使在掉電時，設置的數據仍然存在。當恒溫水箱加熱時，加熱指示燈發光，便于觀察系統處于何種工作狀態。同時增加了報警單元，當控制系統發生故障時，及時發出報警信息，從而保證了使用的安全性。

2 系統硬件電路設計

本文設計的水溫控制系統，以STC89C52單片機為核心，包括水溫采集電路，溫度顯示電路、驅動電路和參數設置電路等。

2.1 水溫采集電路

對水溫的采集，選用DS18B20數字溫度傳感器。該溫度傳感器采用防水密封形式，內部集成了A/D轉換，工作電壓：3～5V/DC，測量溫度范圍：-55～128℃，測量最小分辨率為0.0625℃，完全能夠達到實際要求，使用起來也比較方便[6]。水溫采集電路，如圖2所示。

2.2 溫度顯示電路

溫度顯示電路采用4位共陰極數碼管顯示，如圖3所示。其中a、b、c、d、e、f、g、dp為數碼管的段碼，s1、s2、s3、s4為數碼管的位碼，單片機通過同相驅動芯片74LS244來控制段碼和位碼，并通過動態顯示的方式讓4個數碼管達到同時顯示的效果。