基于AT89S52单片机的水温控制系统设计

摘 要：介绍如何应用单片机使温度测控系统中的测量和控制智能化及一种基于AT89S52单片机的温度测控装置。该装置可实现对温度的测量，并能根据设定值对环境温度进行调节，实现控温的目的。重点阐述系统的硬件构成、各部分的主要作用及系统软件的设计过程。并对单片机在温度控制系统中的基本理论和应用技术做了较为全面的介绍。

关键词：AT89S52；温度测控；温度传感器；控制智能化

中图分类号：TP3681 文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)06-156-03

Design of Temperature Control System Based on AT89S52

ZHENG Yunshui DU Lixia2

(1.School of Automation and Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，730070，China；

2.School of Electronic and Information Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，730070，China)

Abstract：The paper introduces intelligent temperature measurement and control system to use single chip.proposes a microcontroller-based AT89S52 temperature measurement and control device.The device can achieve the right temperature measurement，and set value based on the environmental temperature regulation，temperature control to achieve the purpose.This paper focuses on the hardware configuration of the system，the main part of the role and system software design process.The design of the microcontroller temperature control system of the basic theory and application of techniques are more comprehensive presentation.

Keywords：AT89S52；temperature monitoring；temperature sensor；intelligent control

收稿日期：2007-09-25

1 引 言

单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到温度检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样性，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。在科研、生产中，常需要对某些系统进行温度的监测和控制。需检测和控制的温度系统一旦确定，其热惯性大小和散热等各项硬件条件就确定了。下面介绍如何用“单片机模型法”实现系统温度的自动控制。用这种方法控温，使整个系统灵活、可靠性高，系统达到热平衡较快，而且精度也比较高，融合了前面列举方法的优点，而且更加简单方便。此方案优点是电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度 。系统设计总体框图如图1所示。

2 硬件电路的系统组成

2.1 AT89S52单片机系统

选用AT89S52作为主芯片，因为此芯片有8 kB的程序存储器和256 B的数据存储器不用扩展芯片，以降低硬件电路复杂度。

(1) 输入键盘设计

这里采用的键盘是4×4的，其中有0～F，可以在40～90 ℃之间任意设定值。系统要求第一次输入的值要在4～9之间，当小于4或大于9时系统不处理，等待输入正确的值。当系统得到正确的输入值时键盘锁定，随后的输入系统必须复位。键盘是用AT89S52的P0口来控制。

图1 系统的结构框图

(2) 输出显示设计

显示是应用LED来显示的，通过ATF1508设计编码。其实质就是为了程序在一定的条件下更加的合理与简洁。在单片机AT89S52与ATF1508通信是应用到AT89S52的P2口。LED的前4位为实时采样取回的温度，后3位为想要的目标温度。

(3) 与上位机的串口通信

为了实时地对温度的变化更加直观的显示还用上位机的串口通信，用计算机来打印数据。

2.2 传感器和测温电路的设计

本次设计采用18B20对温度进行采样，18B20是全数字的，其分辨率达到0.062 5 ℃，并且他的电路十分简单，工作效率高，在工作的范围-55～125 ℃之间都可以很好的工作。

2.3 电炉功率控制

采用对电炉两端的电压进行通断的方法，用单片机产生PWM波以实现对水加热功率进行控制，不同的占空比对应不同的功率，具体控制中占空比的实时值是根据模糊控制规则自动调节。

(1) 弱电控制强电：用固态继电器，其电路图如图2所示。

图2 固态继电器电路图

(2)PWM波：PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍然是数字信号，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电不是完全有(ON)，就是完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM 进行编码。

2.4 降温控制

PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍然是数字信号，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM 进行编码。

(1) 风扇的控制

风扇是用来降温的，他的工作原理也是应用继电器来控制，在一定的温度范围内，风扇开始工作。

(2) 冰水混合物

应用冰水混合物进行温度标定，标定为0 ℃。

3 软件的模型及设计

3.1 模型建立以及设计思路

本智能温度控制系统是通过控制加热电源的通断来控制温度和改变加热升温速度。加热过程需要考虑的因素主要有：被加热对象的热容量的大小、系统向外界扩散热量的多少以及系统热扩散的速度。快速升温时间t应由t1和t2两部分组成，即：

И

t=t1+t2

其中：t1为为了补偿系统向环境散热而需要加热的时间；t2为系统(实际)温度与设定(目标)温度有差额时需加热的时间。

在温度调节阶段，降温和升温过程交替出现，程序通过图1中的分界点Tr，T1，T2Ю吹鹘谖露鹊纳降，最终使系统达到相对稳定进入恒温保持阶段。根据模型曲线不同阶段的要求，可以通过PID软件自动控制他的加热模式。对一个任务而言，温度加热、调节及恒温保持阶段软件设计流程图。本系统是个多步智能温度控制器，他可以完成预先设置的若干个任务，即每个步骤的温度值及恒温需要保持的时间，每步都重复的程序流程。系统流程如图3所示。

图3 温度控制系统流程图

3.2 模型曲线及控温参量的确定

3.2.1 模型曲线的建立

图4为控温模型曲线。图4中T为系统温度，Ta为设定温度。控温过程共分为3个阶段：快速加热、温度调节和恒温保持。其中第一阶段只有简单的快速升温过程，而其余阶段均由升温和降温过程即温度调节过程组成。根据设计需要针对各阶段要求如下：在快速加热阶段即在达到点Tr之前，加热速度要快，使系统温度T以尽量短的时间达到设定温度Ta。当T达到设定温度Ta时即停止加热，在停止加热后由于热惯性，T将继续升高，使得T会超过Ta而达到最大值A点。在温度调节阶段，以T1，T2点为分界点降温与升温过程重复出现。进入恒温保持阶段，要求系统温度T能稳定在设定温度Ta的附近，并保持够设定的时间直到系统进入到下一个设定的任务为止。曲线上A，B，C…为极大值点，D，E，F…为极小值点；他们的绝对值随时间增加都在逐渐减小，进入恒温保持阶段后在允许误差范围内趋于稳定。

图4 温控模型曲线

3.2.2 模型曲线控制参量的确定

模型曲线中的控制参量是在反复多次的实验的基础上最终确定下来的。图4中的Ta是每个任务预设的温度值，Tr和T2点是系统停止加热的起始点，而T1点则是系统开始加热的起始点。ΔT1=T1-Ta=+2 ℃，ΔT2=T2-Ta=-2 ℃是系统加热和调节过程中的2个门限值，而Tr是系统的一个重要的分界点，具体说明如下：

在快速加热的过程中，当系统温度第一次达到预置的某个阶段的设定温度即达到Tr点时，系统就立即停止加热，之后系统由于热惯性会继续升温到最大值A点，而后开始降温；在降温过程中，T到达T1点即T-Ta=2 ℃时，系统开始预加热，即缓冲系统温度持续下降的幅度；在升温过程中，当达到T2点即T-Ta=-2 ℃时，停止加热，即防止由于热惯性导致温度的极大值过大。由此可见Tr，T1及T2点的温度值是软件设计中需要参考的重要参量。

4 数据测试及分析

数据测试结果如表1所示。

表1 数据结果记录表

从测定结果可以分析出：该系统测量的温度误差保持在0.2 ℃左右，能够达到水温控制系统的要求。

5 结 语

分段变参数温度监控系统，可以方便用户远程控制和监视设备的工作，并具有测温、控温精度高、显示直观、运行可靠、成本低廉、扩展方便、使用简单等优点。本系统测温及控温范围为-50～125 ℃，测温误差不超过±0.2 ℃，控温误差在达到温度平衡后也不超过±0.2 ℃，在温度调节阶段达到平衡温度时间相对较短，在现场的测试及应用中收到了相当好的效果。

参考文献

[1]潘笑，高玉玲，康亚娜.基于模糊PID的AT89C2051单片机智能温度控制系统[J].兵工自动化，2006(5)：65-67.

[2]陈良光，管聪慧.由数字式传感器DS18B20构成的多点测温系统[J].传感器世界，1999(9)：32-35.

作者简介

郑云水 男，1972年出生，硕士研究生，讲师。主要从事自动控制(铁路信号)专业课教学工作。

杜丽霞 女，1968年出生，甘肃定西人，硕士，副教授。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。