1、基于單片機水溫控制系統摘要： 隨著微機測量和控制技術的迅速發展與廣泛應用，以單片機為核心的溫度采集與控制系統的研發與應用在很大程度上提高了生產生活中對溫度的控制水平。本設計以保質、節能、安全和方便為基準設計了一套電熱壺水溫控制系統，能實現在4090范圍內設定控制溫度，且95時高溫報警，十進制數碼管顯示溫度，在PC機上顯示溫度曲線等功能，并具有較快響應與較小的超調。整個系統核心為SPCE061A，前向通道包括傳感器及信號放大電路，按鍵輸入電路；后向通道包括三部分：LED顯示電路，上位機通信電路以及控制加熱器的繼電器驅動電路。利用SPCE061A的8路10位精度的A/D轉換器，完成對水溫的實時采樣

2、與模數轉換，通過數字濾波消除系統干擾，并對溫度值進行PID運算處理，以調節加熱功率大小。同時在下位機上通過數碼管顯示當前溫度，通過USB接口傳送信息至上位機，可以直接在PC端觀察溫度的變化曲線，并根據需要進行相應的數據分析和處理，由此完成對水溫的采樣和控制。通過驗證取得了較滿意的結果。關鍵詞：碼分多址、walsh擴頻、pn擴頻、電路設計、程序設計、仿真目錄1 引 言1水溫控制系統概述1本設計任務和主要內容22 基于單片機水溫控制系統設計過程22.1水溫控制系統總體框圖22.2總體方案論證32.3 各部分電路方案論證42.4鍵盤及數字顯示結合52.5溫度設定和傳送電路63 硬件電路設計與計算63

3、.1 溫度采樣和轉換電路63.2 溫度控制電路83.3 單片機控制部分9 鍵盤及數字顯示部分9參考文獻9水溫控制在工業及日常生活中應用廣泛,分類較多,不同水溫控制系統的控制方法也不盡相同,其中以PID控制法最為常見。單片機控制部分采用AT89C51單片機為核心，采用軟件編程，實現用PID算法來控制PWM波的產生，進而控制電爐的加熱來實現溫度控制。然而,單純的PID算法無法適應不同的溫度環境,在某個特定場合運行性能非常良好的溫度控制器,到了新環境往往無法很好勝任,甚至使系統變得不穩定,需要重新改變 PID 調節參數值以取得佳性能。本文首先用PID算法來控制PWM波的產生，進而控制電爐的加熱來實現

4、溫度控制。然后在模型參考自適應算法 MRAC基礎上,用單片機實現了自適應控制,彌補了傳統 PID控制結構在特定場合下性能下降的不足,設計了一套實用的溫度測控系統,使它在不同時間常數下均可以達到技術指標。此外還有效減少了輸出繼電器的開關次數,適用于環境參數經常變化的小型水溫控制系統。1.1水溫控制系統概述溫度控制是無論是在工業生產過程中，還是在日常生活中都起著非常重要的作用，過低的溫度或過高的溫度都會使水資源失去應有的作用，從而造成水資源的巨大浪費。特別是在當前全球水資源極度缺乏的情況下，我們更應該掌握好對水溫的控制，把身邊的水資源好好地利用起來。在現代冶金、石油、化工及電力生產過程中，溫度是極

5、為重要而又普遍的熱工參數之一。在環境惡劣或溫度較高等場合下，為了保證生產過程正常安全地進行，提高產品的質量和數量，以及減輕工人的勞動強度、節約能源，要求對加熱爐爐溫進行測、顯示、控制，使之達到工藝標準，以單片機為核心設計的爐溫控制系統，可以同時采集多個數據，并將數據通過通訊口送至上位機進行顯示和控制。那么無論是哪種控制，我們都希望水溫控制系統能夠有很高的精確度（起碼是在滿足我們要求的范圍內），幫助我們實現我們想要的控制，解決身邊的問題。在計算機沒有發明之前，這些控制都是我們難以想象的。而當今，隨著電 子行業的迅猛發展，計算機技術和傳感器技術的不斷改進，而且計算機和傳感器的價格也日益降低，可靠性

6、逐步提高，用信息技術來實現水溫控制并提高控制的精確度不僅是可以達到的而且是容易實現的。用高新技術來解決工業生產問題， 排除生活用水問題實施對水溫的控制已成為我們電子行業的任務，以此來加強工業化建設，提高人民的生活水平。一升水由1kW的電爐加熱，要求水溫可以在一定范圍內由人工設定，并能在環境溫度降低時實現自動調整，以保持設定的溫度基本不變。 溫度設定范圍：，最小區分度為。 控制精度：溫度控制的靜態誤差。 用十進制數碼顯示實際水溫。 具有通信能力，可接收其他數據設備發來的命令，或將結果傳送到其他數據設備。 采用適當的控制方法實現當設定溫度或環境溫度突變時，減小系統的調節時間和超調量。 溫度控制的靜

7、態誤差。2 基于單片機水溫控制系統設計過程傳感器電爐信號放大功率放大A / D鍵盤顯示鍵盤單片機基本系統微型打印機圖2-1 單片機控制系統原理框圖該水溫控制系統主要由AT89C51單片機控制系統、前向通道（溫度采樣轉換電路）、后向通道（溫度控制電路）、鍵盤顯示電路等四部分組成，其總體設計框圖如上圖所示。（一）、方案論證與比較本題目是設計制作一個水溫控制系統，對象為一升凈水，加熱器為1KW的電爐。 要求能在35-95范圍內設定控制水溫，并具有較好的快速性和較小的超調，以及十進制數碼管顯示等功能。1、總體方案設計及論證根據題目的要求，我們提出了以下的兩種方案：方案1：此方案是采用傳統的二位模擬控制

8、方法，選用模擬電路，用電位器設定給定值，采用上下限比較電路將反饋的溫度值與給定的溫度值比較后，決定加熱或者不加熱。由于采用模擬控制方式，系統受環境的影響大，不能實現復雜的控制算法使控制精度做得教高，而且不能用數碼顯示和鍵盤設定。方案2：采用單片機AT89C51為核心。采用了溫度傳感器AD590采集溫度變化信號，A/D采樣芯片ADC0804將其轉換成數字信號并通過單片機處理后去控制溫度，使其達到穩定。使用單片機具有編程靈活，控制簡單的優點，使系統能簡單的實現溫度的控制及顯示，并且通過軟件編程能實現各種控制算法使系統還具有控制精度高的特點。比較上述兩種方案，方案2明顯的改善了方案缺點，并具有控制簡

9、單、控制溫度精度高的特點，因此本設計電路采用方案2。2.3 各部分電路方案論證本電路以單片機為基礎核心，系統由前向通道模塊、后向控制模塊、系統主模塊及鍵盤顯示摸塊等四大模塊組成。現將各部分主要元件及電路做以下的論證：（1）、溫度采樣部分 方案1：采用熱敏電阻，可滿足35-95的測量范圍，但熱敏電阻精度、重復性和可靠性都比較差，對于檢測精度小于1的溫度信號是不適用的。 方案2：采用溫度傳感器AD590。：AD590具有體積小、質量輕、線形度好、性能穩定等優點。其測量范圍在-50- +150，滿刻度范圍誤差為±，當電源電壓在510V之間，穩定度為1時，誤差只有±，其各方面特性都

10、滿足此系統的設計要求。此外AD590是溫度-電流傳感器，對于提高系統抗干擾能力有很大的幫助。 經上述比較，方案2明顯優于方案1，故選用方案2。（2）、鍵盤顯示部分 控制與顯示電路是反映電路性能、外觀的最直觀部分，所以此部分電路設計的好壞直接影響到電路的好壞。 方案1：采用可編程控制器8279與數碼管及地址譯碼器74LS138組成，可編程/顯示器件8279實現對按鍵的掃描、消除抖動、提供LED的顯示信號，并對LED顯示控制。用8279和鍵盤組成的人機控制平臺，能夠方便的進行控制單片機的輸出。方案2：采用單片機AT2051與地址譯碼器74LS138組成控制和掃描系統，并用2051的串口對主電路的單

11、片機進行通信，這種方案既能很好的控制鍵盤及顯示，又為主單片機大大的減少了程序的復雜性，而且具有體積小，價格便宜的特點。 對比兩種方案可知，方案1雖然也能很好的實現電路的要求，但考慮到電路設計的成本和電路整體的性能，我們采用方案2。（3）、控制電路部分方案1：采用8031芯片，其內部沒有程序存儲器，需要進行外部擴展，這給電路增加了復雜度。方案2：本方案的CPU模塊采用2051芯片，其內部有2KB單元的程序存儲器，不需外部擴展程序存儲器。但由于系統用到較多的I/O口，因此此芯片資源不夠用。 方案3：采用AT89C51單片機，其內部有8KB單元的程序存儲器，不需外部擴展程序存儲器，而且它的I/O口也

12、足夠本次設計的要求。  比較這3種方案，綜合考慮單片機的各部分資源，因此此次設計選用方案3。設計電路圖如圖2-2 所示：圖2-2   AT89C51單片機原理圖2.4、鍵盤及數字顯示結合編一小程序，實現鍵盤及數字顯示結合按鍵盤1數碼管顯示1，按鍵盤2數碼管顯示3，按鍵盤3數碼管顯示3，按鍵盤4數碼管顯示4，按鍵盤5數碼管顯示5，按鍵盤6數碼管顯示6，按鍵盤7數碼管顯示7，按鍵盤8數碼管顯示8，按鍵盤9數碼管顯示9，按鍵盤10數碼管顯示A，按鍵盤11數碼管顯示b，按鍵盤12數碼管顯示C，按鍵盤13數碼管顯示d，按鍵盤14數碼管顯示E，按鍵盤15數

13、碼管顯示F。2.5、溫度設定和傳送電路編一小程序，實現溫度設定和傳送電路以下是雙機串口通訊主程序流程圖：開始運行系統初始化程序通訊標志=1調用查詢方式接收子程序調用查詢方式發送子程序調用鍵盤及顯示子程序圖2-3 雙機串口通訊流程3 硬件電路設計與計算本電路總體設計包括四部分：主機控制部分（89C51）、前向通道（溫度采樣和轉換電路）、后向通道（溫度控制電路）、鍵盤顯示部分。3.1 溫度采樣和轉換電路系統的信號采樣和轉換電路主要由溫度傳感器AD590、基準電壓7812、運算放大器OP-07及A/D轉換電路ADC0804四部分組成。設計電路圖如圖3-1所示：圖3-1  溫度采樣

14、和轉換電路原理圖（1） AD590性能描述測量范圍在-50-+150，滿刻度范圍誤差為±，當電源電壓在510V之間，穩定度為1時，誤差只有± 。AD590為電流型傳感器溫度每變化1其電流變化1uA在35和95 和368.2uA。（2）基準電壓7812提供12V標準電壓，它與運算放大器OP-07和電阻組成信號轉換與放大電路，將35-95的溫度轉換為05V的電壓信號。（3）ADC0804性能描述  ADC0804為8位逐次逼近型A/D轉換器，其輸入電壓范圍在0，對應誤差為。滿足系統的要求。 （4）電路原理及參數計算&#

15、160;   溫度采樣電路的基本原理是采用電流型溫度傳感器AD590將溫度的變化量轉換成電流量，再通過OP-07將電流量轉換成電壓量，通過A/D轉換器ADC0804將其轉換成數值量交由單片機處理。圖4-1中三端穩壓7812作為基準電壓,由運放虛短虛斷可知運放OP-07的反向輸入端（2腳）的電壓為零伏。當輸出電壓為零伏時(即Uo=0v) ，令7812的輸出電壓為=12V，OP-07的2腳處為A點，AD590的轉換電流為。列出A點的結點方程如下: (1)由于系統控制的水溫范圍為35-95,所以當輸出電壓為零伏時AD590的輸出電流為308.2uA,因此為了使Ui的電位

16、為零就必須使電流 等于電流等于308.2uA, 三端穩壓7812的輸出電壓為12v所以由方程(1)得 =   (2)由(2)取電阻R1=30k , R2=20k的電位器。又由于ADC0804的輸入電壓范圍為05v ，為了提高精度所以令水溫為95時ADC0804的輸入電壓為5v（即Uo=5v）。此時列出A點的結點方程如下:   （3）  當水溫為95時AD590的輸出電流為368.2uA。由方程式（3）得+=81k ,  =5k的電位器。3.2、 溫度控制電路 此部分電路主要由

17、光電耦合器MOC3041和雙向可控硅BTA12組成。采用脈寬調制輸出控制電爐與電源的接通和斷開比例，以通斷控制調壓法控制電爐的輸入功率。MOC3041光電耦合器的耐壓值為400v，它的輸出級由過零觸發的雙向可控硅構成，它控制著主電路雙向可控硅的導通和關閉。100電阻與0.01uF電容組成雙向可控硅保護電路。控制部分電路圖如圖3-2所示：圖3-2   溫度控制電路原理圖3.3 單片機控制部分     此部分是電路的核心部分，系統的控制采用了單片機AT89C51。單片機AT89C51內部有8KB單元的程序存儲器及256字節的數據

18、存儲器。因此系統不必擴展外部程序存儲器和數據存儲器這樣大大的減少了系統硬件部分。電路原理圖如圖3-3所示： 圖3-3   單片機控制電路部分原理圖3.4、 鍵盤及數字顯示部分 在設計鍵盤/顯示電路時，我們使用單片機2051作為電路控制的核心，單片機2051具有一個全雙工的串行口采用串口，利用此串行口能夠方便的實現系統的控制和顯示功能。鍵盤/顯示接口電路如圖3-4所示圖3-4  鍵盤/顯示部分電路74L138，譯碼器的輸出端直接接八個數碼管的控制端和鍵盤，鍵盤掃描和顯示器掃描同用端口這樣能大大 的減少單片機的I/O，減少硬件的花費。鍵盤的接法的差別直接影響到硬件和軟件的設計，考慮到單片機2051的端口資源有限，所以我們在設計中將傳統的4*4的鍵盤接成8*2的形式（如圖3-4），鍵盤的掃描除了和顯示共用的8個端外，另外的兩個端直接和2051的P3.2和P3.7相連。圖3-5 譯碼顯示部分如圖3-5的接法已經完全用完了單片機的15個I/O口，有效的利用了單片機的資源。參考文獻1 8051單片機實踐與應用     吳金   清華大學出版社