鱼缸温度控制系统的设计

摘要:介绍了一种鱼缸温度控制系统的设计方法。系统以89C51单片机为核心,从硬软两方面对温度控制系统做了设计,软件采用PID算法使系统控制温度快捷、稳定。文中给出了实际测出的数据,实现了鱼缸温度控制系统的设计。

关键词:温度控制;PID算法;单片机

中图分类号:TP29文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)09-2216-02

The Design of the Temperature Control System for Aquarium

XIONG Jie, ZHANG Li-yong

(Technology Information, Yangtze University Department of Engineering and Technology, Jingzhou 434020, China)

Abstract: This paper introduces a method about the design of the temperature control system for Aquarium. System takes the 89C51 as a core, discuss the design from not only hardware but also software. Adopted PID control algorithm keeps the temperature precise and stable. This paper gives the actual measured data, realized the Aquarium temperature control system design.

Key words: temperature control; PID algorithm; single chip

温度是一个基本的物理量,也是一个极为普遍又极为重要的热工参数之一,几乎所有的科研和生产过程都和温度密切相关。因而,准确地测量和控制温度,对于获得正确的科研数据和保证产品质量都是十分重要的。

本设计主要是对特定空间内的温度进行精准的控制。在一个密闭的空间里,把温度作为控制目标,无论是在启动或设定值的升降,还是各种干扰因素,我们都希望系统能向快、稳、准这三方面靠近。温控系统的控制电路由单片机控制继电器来调节电热丝和风扇达到加热和制冷目的,一旦温度的超调,控制系统的非线性、时滞性和不确定性等相关因素的出现,一般的控制方式达不到要求。因此,在软件上采用PID算法,在硬件上采用PWM(脉宽调制)控制继电器工作,实现升温和降温的处理。

1 整体框架设计

系统是以单片机为控制核心,其整体结构如图1所示,温度传感器从鱼缸中采集温度送入单片机,通过键盘中输入的设定温度进行比较,采用PID控制算法进行处理,通过控制电路对与刚好进行温度调节最后达到稳定,同时显示屏上进行显示当前温度曲线。

2 硬件电路设计

硬件电路包含键盘显示电路和温度采集控制电路两部分内容:

2.1 键盘显示电路

1)键盘电路:系统键盘由四个按键组成,分别实现“设定初始温度加一”,“初始温度减一”,“开始/原始坐标系”,“放大坐标系”等功能。

“设定初始温度加减一”两个按键可以用来设定鱼缸的预置温度;“开始/原始坐标系”是系统进行初始化后用户用来使系统开始工作;系统采用两种坐标系进行温度曲线的显示,“放大坐标系”可以使坐标放大,即使温度曲线精度更高。初始时系统显示曲线范围是0-40摄氏度,放大坐标放温度范围是30-34摄氏度。

2)显示电路:显示电路LCD液晶显示器TS12864A构成,通过控制单片机的I/O来实现浴缸温度在LCD的实时显示。该显示屏可以通过键盘中的放大坐标按键可以调整坐标的范围,使其更有利于观察温度的变化;并能显示温度从开始到稳定所需要的时间。

2.2 温度采集与控制电路

1) 温度采集电路:温度采集电路采用美国DALLAS公司生产的 DS18B20数字温度采集器组成,该芯片独特的单线接口方式,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,该数字温度传感器接线简单,编程方便,可与单片机直接相连。

2) 温度控制电路:温度控制电路主要是执行鱼缸的制冷与升温操作,其控制命令通过分析采集的数据进行判断处理。

温度控制电路中若采集温度高于设定温度,则P1.3端置0,P1.2置1,继电器开关置右边,处于降温状态,反之则P1.3置1,P1.2置1,处于升温状态;若设定温度与采集温度相等则P1.2置0,使继电器两端的加热丝和电风扇的压降为零处于非工作状态。

3 软件系统设计

该系统硬件部分较简单,主要是软件部分的实现,系统上电复位,首先对各存储单元进行初始化,并对LCD进行初始化,显示开机界面,提示是否进入系统,若开始按键按下,则进入系统,判断放大坐标系是否按下,若按下则以温度为30―34坐标系显示,反之,以0―40坐标系显示;调用温度采集程序采集鱼缸温度,并与设定温度进行判断,调用处理子程序进行控制,该温度控制算法采用PID算法来实现。其流程图如图2所示。

4 系统测试

首先通过软件仿真实现系统的功能,最后通过硬件焊接实现了鱼缸的温度控制系统的设计。其仿真的结果如图3所示。

温度调节时间结果记录如表1:

表1 实际测试结果

分析可知,温差相同时,升温时间比降温时间要快,原因在于升温采用电阻丝加热,而降温采用的是12V普通风扇降温,效率较低。若采用加热致冷芯片来完成升温和降温则温度稳定时间会更少。

5 小结

通过软件仿真,系统实际设计制作,最终完成了系统的设计,该系统简单实用,成本低,可靠性强,安装方便简单,可扩展声光报警等功能。

参考文献:

[1] 徐爱钧.8051单片机实践教程[M].北京:电子工业出版社,2005.

[2] 谭浩强.MCS-51 单片机应用教程[M].北京:清华大学出版社,2004.

[3] 陶永华.新型PID控制及其应用[M].2版.北京:机械工业出版社,2003.