自己设计并制作了一个自己主动温度控制系统

Posted 2020-09-27 blfbuaa

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了自己设计并制作了一个自己主动温度控制系统相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、课题任务

设计并制作一个水温自己主动控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温能够在一定范围内由人工设定，并能在环境温度减少时实现自己主动控制。以保持设定的温度基本不变。

1．基本要求

（1）温度设定范围为40～90℃，最小设定分度为1℃。

（2）具有温度显示功能，分辨率为0.1℃，显示的绝对误差小于1℃。

（3）当温度达到某一设定值并稳定后，水温的波动控制在±2℃以内。要求温度调控达到稳定状态时。必须给出声或光提示信号。

（4）环境温度减少时（比如用电风扇降温）水温的波动控制在±2℃以内。

2．发挥部分

（1）当温度达到某一设定值并稳定后，水温的波动控制在±1℃以内。

要求温度调控达到稳定状态时，必须给出声或光提示信号。

（2）採用适当的控制方法。当设定温度突变（由35℃提高到45℃）时，在超调量不超过2℃的前提下，尽量减小系统的调节时间，并要求温度控制的静态误差≤0.5℃。

（3）在设定温度发生突变（由35℃提高到45℃）时，自己主动打印水温随时间变化的曲线。

（4）其它。

二、方案比較与选择

依据要求。系统至少有下面功能模块构成：

1. 温度測量模块：

温度測量是本系统的核心问题之中的一个。基于单片机的温度測量。温度传感器毫无疑问是最佳的选择。常见的有数字式温度传感器和模拟温度传感器。

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前者以DS18B20为代表。其採用单总线的接口方式与微处理器连接。仅须要一条总线就可以实现微处理器的双向通讯。

单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度測量，使用方便等长处。使用户可轻松地组建传感器网络。測量温度范围宽，測量精度高 DS18B20 的測量范围为 -55 ℃ ~+ 125 ℃ ；在 -10~+ 85°C 范围内，精度为 ± 0.5°C 。

持多点组网功能多个 DS18B20 能够并联在惟一的单线上，实现多点測温。

供电方式灵活，DS18B20 能够通过内部寄生电路从数据线上获取电源。因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，能够不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。

測量參数可配置 DS18B20 的測量分辨率可通过程序设定 9~12 位。

模拟温度传感器。以Pt100为代表。

DS18B20 具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。适合于构建自己的经济的測温系统。因此也就被设计者们所青睐。

2. 温度显示模块：

因为温度精度以及实时性的要求，须要多位动态显示。常见的显示方式有两种，一种是数码管。还有一种是液晶屏幕。动态显示是一种最常见的数码管多位显示方法，应用很广泛。

全部数码管段选都连接在一起的时候，动态显示是多个数码管，交替显示，利用人的视觉暂停作用使人看到多个数码管同一时候显示的效果。就像我们看的电影是有一帧一帧的画面显示的。当速度够快的时候我们看到它就是动态的。当我们显示数码管的速度够快的时候。也就能够看到它们是同一时候显示了。

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1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号的点阵型液晶模块。

它是由若干个5x7或者5x11的点阵字符位组成，每一个点阵字符位都能够用显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔。每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。

3. 温度设定模块：

轻触开关是一种电子开关。使用时,轻轻按开关button就可使开关接通。当松开手时,开关断开。使用3个开关，分别实现。功能转换。设定+，设定-。就可以完毕全部设定操作。

4. 温度控制模块：

控制核心选择STC89C52。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核。指令代码全然兼容传统8051。还做了非常多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有机灵的8 位CPU 和在系统可编程Flash。使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方式。具有下面标准功能： 8k字节Flash。512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路。3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空暇模式下。CPU 停止工作。同意RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止。直到下一个中断或硬件复位为止。

最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

可以满足本系统的需求。

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外电路的控制。通过继电器来完毕。选用HK4100F型号,额定电压5V的电磁式继电器。其有例如以下特点。

降温模块，因为本系统打算将加热电路与继电器的常开触点，即普通情况下加热装置继电器以及继电器均断开。因此理论上当温度过高时，继电器断开，全然能够採用自然降温使得温度达到正常。为了使效果更好，可添加风扇或者空调装置进行降温。

5. 声/光报警模块：

选用绿色和红色LED分别作为外温度在设置范围内和之外的信号标志，对于后者能够加入蜂鸣器或者电铃作为报警装置，因为可能会扰民，因此加入开关。可手动控制其是否警报。

三、电路设计

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本系统先在PROTUES上进行电路初步设计以及仿真实验。依据以上分析，设计电路例如以下。

主要有下面几个部分

1. 单片机最小系统

2. 温度显示

3. 加热和继电器电路

4. 温度获取和设置

DS16B20 功能按键

5. 报警和降温

四、程序设计

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五、測试方案

通过KEIL编译通过，然后在PROTUES进行仿真，測试系统执行效果。为了提高系统稳定性和可靠性。选择在开发板上进行实际測试以及PC上的程序调试。最后硬件平台搭建，通过选择合适规格的零件，焊接从而完毕整个系统的预定功能。

六、
系统调试

通过优化单片机与LCD1602的接口选择，攻克了之前。因为没有加上拉电阻导致无法显示的问题。

调整了函数结构，使得温度实时更新。提高了系统的灵敏度和实时性。仿真效果，如上图所看到的。

七、数据測试与处理

为了进一步与实际接近，在普中EM3_V3.0型号开发板上进行了实验。成功实现下面功能：

（1）温度设定范围为0～125℃，最小设定分度为1℃。比要求的40~90℃更宽。

（2）具有温度显示功能。分辨率为0.01℃。显示的绝对误差小于1℃。比要求的0.1℃提升一个数量级。绝对误差小于要求的1℃。

（3）当温度达到某一设定值并稳定后，水温的波动控制在±X℃（X为0-9之间的整数，可调）以内。

比要求的±2℃更灵活且更具有有用性。

（4）要求温度调控达到稳定状态时，给出光提示信号。

（5）环境温度不在设定范围内时,，反应及时且高速。温度过高，触发器断开。停止加热。自然降温。而且能够调用风扇进行降温。

温度过低，触发器闭合加热，直到其达到指定温度。

没有实现下面功能：

（6）当设定温度突变（由35℃提高到45℃）时，在超调量不超过2℃的前提下，尽量减小系统的调节时间，并要求温度控制的静态误差≤0.5℃。

（7）在设定温度发生突变（由35℃提高到45℃）时，自己主动打印水温随时间变化的曲线。

八、总结

本水温自己主动控制系统，较好地实现了人工设定温度，实时显示温度，自己主动控制温度的功能，而且结合实际应用。对一些地方进行了改进，比如提高了温度显示的准确度，另外实现了对“最高温度”、“最低温度”。“误差范围”的调节。使測定的范围和波动范围更加灵活，更具有实际运用价值。

但因为时间和能力有限。还有发挥部分一部分功能没有实现。软件仿真上，在PROTUES进行的仿真，效果稳定。硬件上，实现了基于普中EM3_V3开发板的执行和调试，效果稳定，此外还单独搭建了实验装置平台，非常不幸在多次努力尝试之后，依旧存在一些显示问题。没能比开发板上更好的执行。

九、參考文献

[1]HK4100F继电器资料

[2]普中EM3_V3开发板资料

[3]51单片机C语言应用开发技术大全(第二版).人民邮电出版社.

十、附录：

A、设计电路图（原理图、PCB图）

B、程序（要求有文字、凝视）

因为相关程序较长。受版面限制，故上传至

C、相关作品图片

#include<reg51.h>
#include<intrins.h>
#define uint unsigned int 
#define uchar unsigned char

/*LCD1602显示模块*/
/*用于PROTUES仿真
#define LCD1602_DATAPINS P2	
sbit LCD1602_RS=P3^0;	
sbit LCD1602_RW=P3^1;		 							  
sbit LCD1602_E=P3^2;      */


#define LCD1602_DATAPINS P0
sbit LCD1602_RS=P2^6;
sbit LCD1602_RW=P2^5;		 							  
sbit LCD1602_E=P2^7;

/*按键调节模块*/
sbit k1=P1^1;//功能键
sbit k2=P1^2;//加
sbit k3=P1^3;//减 
void keyscan();
void key1_switch();
void key2_add();
void key3_minus();

uchar k_num;
void LCD1602_SetTemp(uchar add,uchar dat);
uchar high=90,low=10,set_t=30,set_d=2;//这里的数据类型可能有问题！！


/*其它模块接口*/
sbit DSPORT=P3^7; //温度传感器单总线端
sbit SPEAKER=P1^5;//蜂鸣器
sbit RELAY=P1^4;//继电器
sbit COOLER=P1^7;//降温装置

/*LCD1602相关函数*/
void Delay1us(uint a);
void LCD1602_WriteCom(uchar com);//LCD1602写入8位命令子函数	
void LCD1602_WriteData(uchar dat);		
void LCD1602_Init();//LCD1602初始化子程序						  
void LCD1602_ShowTemp(int temp);

/*DS18B20温度传感器相关函数*/
void  Delay15us(uchar aa);
uchar Ds18b20Init();
void  Ds18b20WriteByte(uchar dat);
uchar Ds18b20ReadByte();
void  Ds18b20SwitchTemp();
int   Ds18b20ReadTemp();

float temp_max=125.00,temp_min=-55.00;
uchar ii=0,jj=0,kk=0;
uchar words_h[2]={"H="};
uchar words_l[2]={"L="};
uchar words_s[4]={"Set="};
void Sound();
void Temp_control(int temp);
uchar count=0;//用来解决主程序运行太快，按键光标来不及显示的问题

void Temp_control(int temp)
{	
	unsigned int kk=400;
	uchar set_h,set_l;
	set_h=set_t+set_d;
	set_l=set_t-set_d;
	
		if (temp<=set_h&&temp>=set_l) //设定温度范围之内
		{
			  RELAY = 0; //继电器断开
			 COOLER=0;//风扇关闭
		}
		else 
		{	
			TR0=0;
			
			while (kk--)
			{		
			Sound();
			}
			RELAY = 1; //继电器打开，外电路（常开触电）闭合加热
			if (temp>=set_h)//温度过高
			{
				RELAY = 0; //继电器断开
				 COOLER=1;//打开
			}
			TR0=1;
		}
}

/*其它模块相关函数*/
void Sound()//蜂鸣器
{	   
	SPEAKER=1;
	Delay15us(40);
	SPEAKER=0;
	Delay15us(40);
}

void Delay1us(uint a)
{
	uint b,c;
	for(c=a;c>0;c--)
		for(b=110;b>0;b--);
}

void LCD1602_WriteCom(uchar com)	  //写入命令
{
	LCD1602_E=0;
	LCD1602_RS=0;//0就写指令
	LCD1602_RW=0; //0就是写
	LCD1602_DATAPINS=com;
	Delay1us(10);
	LCD1602_E=1;
	Delay1us(10);
	LCD1602_E=0;
}
		   
void LCD1602_WriteData(uchar dat)			//写入数据
{
	LCD1602_E=0;
	LCD1602_RS=1;
	LCD1602_RW=0;
	LCD1602_DATAPINS=dat;
	Delay1us(10);
	LCD1602_E=1;
	Delay1us(10);
	LCD1602_E=0;
}

void LCD1602_Init()			 //LCD初始化子程序
{
//	uint num;
 	LCD1602_WriteCom(0x38);  //开显示
	LCD1602_WriteCom(0x0f);  //开显示不显示光标
	LCD1602_WriteCom(0x06);  //写一个指针加1
	LCD1602_WriteCom(0x01);  //清屏
	LCD1602_WriteCom(0x80);  //设置数据指针起点

	LCD1602_WriteCom(0x80+0x0B);
	for (ii=0;ii<2;ii++)
	{	
			LCD1602_WriteData(words_h[ii]);
	}
	LCD1602_SetTemp(13,high);

	LCD1602_WriteCom(0x80+0x40);
	for (kk=0;kk<4;kk++)
	{	
			LCD1602_WriteData(words_s[kk]);
	}
	LCD1602_SetTemp(4+0x40,set_t);
	LCD1602_WriteCom(0x80+0x47);

	LCD1602_WriteData(0x23);  //显示正负号

	LCD1602_WriteCom(0x80+0x48);
	LCD1602_WriteData(0x30+set_d);
			
	LCD1602_WriteCom(0x80+0x4B);
	for (jj=0;jj<2;jj++)
	{	
	LCD1602_WriteData(words_l[jj]);
	}
	LCD1602_SetTemp(13+0x40,low);

	
	TMOD=0X01;
	TH0=(65536-50000)/256;
	TL0=(65536-50000)%256;
	EA=1;//总中断
	ET0=1;
	TR0=1; 
}

void  Delay15us(uchar aa)
{
	do{
	_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
	_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
	aa--;
	}while(aa);
	
}

/*DS18B20温度传感器相关函数*/
uchar Ds18b20Init()
{
	uchar flag;
	DSPORT=0;	  //总线拉低
	Delay15us(40);//延时480~960us
	DSPORT=1;
	Delay15us(2);
	flag=DSPORT;
	Delay15us(6);//Ds18b20发出应答信号。延时60~240us
	Delay15us(25);
	return 	flag;
} 


uchar Ds18b20ReadByte()
{
	uchar byte,bi; 
	uint i;
	for (i=0;i<8;i++)
	{
		DSPORT=0;
		_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); //保持低电平至少1us,但不能低于15us
		DSPORT=1;
		bi=	DSPORT;//读取一位数据,循环8次为一个字节
		byte = (byte >> 1) | (bi << 7);//将byte左移一位，然后与上右移7位后的bi,8次合成一个字节
		Delay15us(4);

	}
	return 	byte;
} 

void  Ds18b20WriteByte(uchar dat)
{
	 uint i;
	 for (i=0;i<8;i++)
	 {
	 	DSPORT=0;_nop_();
		DSPORT=dat&0x01;//一位一位得读，从最低位開始
		Delay15us(5);
		DSPORT=1;_nop_();
		dat>>=1;
	 }
} 
void  Ds18b20SwitchTemp()
{
		Ds18b20Init();
		Delay15us(7);
		Ds18b20WriteByte(0xcc);//跳过ROM指令
		Ds18b20WriteByte(0x44);//启动温度转换指令
} 
int   Ds18b20ReadTemp()
{
	int temp=0;
	uchar temp_h,temp_l;	
	Ds18b20SwitchTemp();
	Ds18b20Init();
	Delay1us(1);
	Ds18b20WriteByte(0xcc);	 //跳过ROM操作命令
	Ds18b20WriteByte(0xbe);	 //发送读取温度命令
	temp_l = Ds18b20ReadByte();		//读取温度值共16位。先读低字节
	temp_h = Ds18b20ReadByte();		
	temp= temp_h;
	temp<<=8;
	temp|= temp_l;
	return temp;
} 

void LCD1602_ShowTemp(int temp)
{
	float tt;
	uchar show[5]={0,0,0,0,0};
	if (temp<0)//温度为负
	{
		LCD1602_WriteCom(0x80);		//写地址 80表示初始地址
	    LCD1602_WriteData('-');  		//显示负
		temp=temp-1;temp=~temp;tt=temp;	temp=tt*0.0625*100;
		
	}
	else//温度为正
	{
		LCD1602_WriteCom(0x80);		//写地址 80表示初始地址
	    LCD1602_WriteData('+');  		//显示正
		tt=temp;			
		temp=tt*0.0625*100;
		
	}
	
	show[0]=temp/10000;
	show[1]=temp%10000/1000;
	show[2]=temp%1000/100;
	show[3]=temp%100/10;
	show[4]=temp%10;

	LCD1602_WriteCom(0x82);
	LCD1602_WriteData('0'+show[0]); //百位 

	LCD1602_WriteCom(0x83);
	LCD1602_WriteData('0'+show[1]); //十位 

	LCD1602_WriteCom(0x84);
	LCD1602_WriteData('0'+show[2]); //个位 

	LCD1602_WriteCom(0x85);
	LCD1602_WriteData('.');

	LCD1602_WriteCom(0x86);
	LCD1602_WriteData('0'+show[3]); //十分位

	LCD1602_WriteCom(0x87);
	LCD1602_WriteData('0'+show[4]); //百分位

	LCD1602_WriteCom(0x88);	
	LCD1602_WriteData(0xdf);

	LCD1602_WriteCom(0x89);	
	LCD1602_WriteData('C');
	LCD1602_WriteCom(0x0C);

	temp=temp/100;
	Temp_control(temp);
	
}
void key1_switch()//功能切换
{
	uchar set_h,set_l;
	set_h=set_t+set_d;
	set_l=set_t-set_d;
	//k1键指令
	if(k1==0)	
	{
		Delay1us(10);//延时消抖
			if(k1==0)
			{	
				k_num++;
				while(!k1);	//按键没有松开

				if(k_num==1)
				{
					TR0=0; //关掉计时器，使得光标得以显示
					LCD1602_WriteCom(0x80+0x46);
					LCD1602_WriteCom(0x0f);	
					Delay15us(6);
				}
				if(k_num==2)
				{
					LCD1602_WriteCom(0x80+0x48);
					LCD1602_WriteCom(0x0f);	
					Delay15us(6);
				}
				if(k_num==3)
				{
					LCD1602_WriteCom(0x80+0x0F);
					LCD1602_WriteCom(0x0f);	
					Delay15us(6);
				}
				if(k_num==4)
				{
					LCD1602_WriteCom(0x80+0x4F);
					LCD1602_WriteCom(0x0f);	
					Delay15us(6);
				}
				if(k_num==5)
				{
					k_num=0;
					
					LCD1602_WriteCom(0x0C);//光标不显示					
					if (high<low)  //用来default
					{
						 high=90;
						 low=40;//恢复默认值
					}

					 if(set_h>high||set_l<low)
					 {
					 	 high=90;
						 low=10;//恢复默认值	
					 	  set_t=30;
						  set_d=2;//恢复默认值
					 }
					 TR0=1;//计时器又一次打开。使得屏幕得以刷新
				}
			}

	}
}
void key2_add()//功能加
{
		if(k_num!=0)
		{
			if(k2==0)
			{
				Delay1us(5);
				if(k2==0)
				{
					while(!k2);
					if(k_num==1)
					{
						set_t++;
						if (set_t>=high)
						  set_t=high;
						  LCD1602_SetTemp(4+0x40,set_t);
						  LCD1602_WriteCom(0x80+0x46);										
					}
					if(k_num==2)
					{
						set_d++;
						if (set_d>9)
						  set_d=0;
						LCD1602_WriteCom(0x80+0x48);
						LCD1602_WriteData(0x30+set_d);
						LCD1602_WriteCom(0x80+0x48);										
					}
					if(k_num==3)
					{
						high++;
						if (high>=temp_max)
						  high=0;
						  LCD1602_SetTemp(13,high);
						  LCD1602_WriteCom(0x80+0x0F);
//						  LCD1602_WriteCom(0x80+0x40+8);										
					}
					if(k_num==4)
					{
						low++;
						if (low>=temp_max)
						 low=0;
						  LCD1602_SetTemp(13+0x40,low);
						  LCD1602_WriteCom(0x80+0x4F);
//						  LCD1602_WriteCom(0x80+0x40+13);							
					}
				}
			}
		}
}

void key3_minus()//功能减
{
		if(k_num!=0)
		{
			if(k3==0)
			{
				Delay1us(5);
				if(k3==0)
				{
					while(!k3);
					if(k_num==1)
					{
						if (set_t<=0)
						set_t=high+1;
						set_t--;

						  LCD1602_SetTemp(4+0x40,set_t);
						  LCD1602_WriteCom(0x80+0x46);										
					}
					if(k_num==2)
					{
						if (set_d<=0)
						 set_d=10;
						set_d--;

						LCD1602_WriteCom(0x80+0x48);
						LCD1602_WriteData(0x30+set_d);
						LCD1602_WriteCom(0x80+0x48);										
					}
					if(k_num==3)
					{
						if (high<0)
						 high=temp_max;
						high--;
						  LCD1602_SetTemp(13,high);
						  LCD1602_WriteCom(0x80+0x0F);
//						  LCD1602_WriteCom(0x80+0x40+8);										
					}

					if(k_num==4)
					{
						if (low<=0)
						low=high;
						low--;

						  LCD1602_SetTemp(13+0x40,low);
						  LCD1602_WriteCom(0x80+0x4F);
//						  LCD1602_WriteCom(0x80+0x40+16);							
					}
				}
			}
		}	
}
void keyscan()//按键检測
{
	  key1_switch();
	  key2_add();
	  key3_minus();
}

void LCD1602_SetTemp(uchar add,uchar dat)//数码管制定位置显示
{
	  uchar head,body,end;
	  head=dat/100;
	  body=dat%100/10;
	  end=dat%10;
	  LCD1602_WriteCom(0x80+add);
	  LCD1602_WriteData(0x30+head);
	  LCD1602_WriteData(0x30+body);
	  LCD1602_WriteData(0x30+end);
}


void main()
{

	LCD1602_Init();
	while(1)
	{
	   	keyscan();			   	
	}
}
void timer0() interrupt 1
{
  	TH0=(65536-50000)/256;
	TL0=(65536-50000)%256;
	count++;
		if (count==10)//让温度每0.5s刷新一次
		{
			count=0;
		   	LCD1602_ShowTemp(Ds18b20ReadTemp());
		}
}

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