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设计题目： 学 校： 专 业： 学生姓名： 指导教师： 设计时间： 水温加热控制系统 吉林建筑大学 电子信息工程 马超、王乐、王金华 呂 卅 2014.09.10－2014.09.14
摘要：本水温控制系统以STC-51单片机为中心控制器件，主要由温度传感模块，单片机编程模块，显示模块，控制模块等部分组成。温度信号由温度传感器DS18B20采集，经过放大转化为电压信号进行编码，测温分辨率0.1℃。水温实时控制由继电器电热丝和风扇进行升温。显示部分由“人机交互界面”的12864液晶显示，增加可读性。该系统具备较高的测量精度，能较好的完成设计要求。 关键字：STC-51单片机 DS18B20 水温控制
Abstract: The temperature control system ，which is regarded as the central control device of STC-51 microcontroller, is constructed by the temperature sensing module, control module, microcontroller programming module, display module and other components. Temperature signal is collected byte DS18B20 temperature sensor which is amplified into a voltage signal is encoded, temperature resolution is 0.1 ℃. Real-time control temperature can be heated by heating wire . Display part is quoted by “man-machine interface” of 12864 LCD to increase the readability. The system features is of high accuracy, and it can have better complete of the design requirements.
Keywords: MCS-51 microcontroller AD590 temperature control
第1章 绪论 1.1设计任务及要求
设计并制作一个水温加热控制系统，使用220VAC电源加热水壶中的水，具有水位测量和水位高、低报警功能。系统框图如下所示：
220VAC 温度 传感器 液位传感器 （自制） 水壶 温度 控制器 水壶 电源线
1.2 设计的作用、目的
1．基本要求
(1) 设计的温度控制器具有数字显示功能，以LED或LCD方式显示温度和液位数值；
(2) 设计制作温度控制器，具有温度测量功能，测温分辨误差不大于0.5℃； (3) 具有液位测量功能，液位测量使用自制液位传感器，液位测量误差不大于5mm；
(4) 能够通过按键设置温度值控制升温，测试时现场指定温度控制值，要求升温时间小于5分钟，到达设置温度值时有声音提示。声音提示之后开始计时，2分钟内控温误差不大于2℃；
(5) 具有液位上限、下限报警功能，报警点可以设置，液位低于下限或高于上限时，发出声音报警并禁止加热。 2．发挥部分
(1) 进一步提高温度测量分辩率，使温度测量的分辨误差不大于0.1℃； (2) 进一步提高液位测量精度，液位测量误差不大于1mm；
(3) 进一步提高温度控制精度，升温时间小于5分钟，温度上升到设定值后，2分钟内控温误差不大于0.5℃；
(4) 具有分段程序控制功能，可分段设置控温值和保温时间，控温值T1、T2、T3现场指定，在室温到90℃之间，控温时间t1、t2、t3现场指定，升温速度不小于10℃/min，控温误差不大于0.5℃。如图所示：
T3 T2 T1 t1 T（℃） t3 t2
t（s） 第2章 系统方案设计
2.1方案设计与论证
2.1.1温度传感器的比较与选择 方案一：
AD590D是一种半导体集成电路，它具有线性好，精度适中，灵敏度高，体积小，使用方便等优点。经过查资料可知，AD590D的输出形式有电流和电压两种形式，要将温度传感器采集的温度值经过AD转换，然后送入单片机进行处理。 方案二：
采用DS18B20数字温度传感器对水温进行采样，无需进行AD转换，将采集值直接送入单片机处理。DS18B20测温范围为测温范围 －55℃～+125℃，固有测温
误差0.5℃。支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只
能并联8个，实现多点测温。
经过比较， AD590D外围电路更复杂而且价格更贵，所以选择方案二。 2.1.2温度控制模块 方案一：
采用可控硅来控制加热器有效功率。可控硅是一种半控器件，应用于交流电的功率控制有两种形式：控制导通的交流周期数达到控制功率的目的；控制导通角的控制交流功率。由交流过零检测电路输出方波经适当延时控制双向可控硅的导通角，延时时间即移相偏移量由温度误差计算得到。可以实现对交流电单个周期有效值周期性控制，保证系统的动态性能指标。该方案电路稍复杂，需使用光耦合驱动芯片以及变压器等器件。但该方案可以实现功率的连续调节，因此反应速度快，控制精度高。 方案二：
采用继电器控制。使用继电器可以很容易地实现通过较高的电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。继电器无需外加光耦，自身即可实现电气隔离。这种电路无法精确实现电热丝功率控制，电热丝只能工作在最大功率或零功率，对控制精度将造成影响。但可以由多路加热丝组成功率控制，由单片机对温差的处理实现分级功率控制提高系统动态性能。
基于以上分析以及现有器件限制选择方案二，采用继电器控制，在软件上选用适当的控制算法，同样可以达到较好的效果。 2.1.3显示模块。
方案一：采用三个LED八段数码管分别显示温度的十位、个位和小数位。数码管具有低能耗，低损耗，寿命长，耐老化，对外界环境要求低。但LED八度数码管引脚排列不规则，动态显示时要加驱动电路，硬件电路复杂。
方案二：采用带有字库的12864液晶显示屏。12864液晶显示屏（LCD）具有功耗低、轻薄短小无辐射危险，平面显示及影像稳定，不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强。同时，12864带有字库，编程容易，且具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式，增加可读性，降低功耗。
影像稳定，不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强。同时，12864带有字库，编程容易，且具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式，增加可读性，降低功耗。
通过以上比较，可以看出采用12864液晶显示屏更适合，所以选择方案二。2.1.4主控模块。 方案一：采用模拟放大器组成的PID控制系统。对于水温控制系统是足够的。但要附加显示，温度设置等功能，附加电路较多，且反应速度慢。
方案二：采用STC89C51单片机作为控制器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑功能。本身带有定时/计数器，可以用来定时、计数，并且具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。
通过以上比较，采用方案二更适合。
2.2功能模块设计和参数计算
2.2.1温度采集部分
1.温度传感器DS18B20的功能描述
(1) 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
(2)、测温范围 －55℃～+125℃，固有测温误差0.5℃。
(3)、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。
(4)、工作电源: 3~5V/DC （可以数据线寄生电源） (5)在使用中不需要任何外围元件。