水溫自動控制

水溫自動控制（Temperature Control）是指根據水溫的變化來實現自動控制。以AT89C51單片機為核心的水溫自動控制系統分別給出了系統的總體框圖、溫度檢測電路、顯示單元的電路，並對相應電路進行相關的闡述。調試結果表明以上提到的功能都可以實現。

基本介紹

• 中文名：水溫自動控制
• 外文名：Temperature Control
• 涉及學科：信息科學
• 控制參數：水溫的變化
• 單片機：AT89C51單片機為
• 套用：自動化

引言

隨著計算機技術、測量儀器和控制技術的高速發展, 現代冶金、石油、化工及電力生產過程中，套用了越來越多的先進測量控制技術、設備和方法.在這些眾多的先進測量控制技術中,如何對水溫進行控制成為焦點課題之一,為越來越多的科研機構所重視。

溫度是極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下，為了保證生產過程正常安全的進行，提高產品的質量和數量，以及減輕工人的勞動強度和節約能源，及時準確地得到溫度信息並對其進行適時的控制,在許多工業場合中都是重要的環節。一個典型的檢測、控制型套用系統，它要求系統完成從水溫檢測、信號處理、輸入、運算到輸出控制電爐加熱功率以實現水溫控制的全過程，因此，應以單片微型計算機為核心組成一個專用計算機套用系統，以滿足檢測、控制套用類型的功能要求。另外，單片機的使用也為實現水溫的智慧型化控制提供了可能，例如實現自動切斷電源，語音提示，自動加熱，遠程控制等。

溫度控制的現狀

目前市場上經銷的溫度控制系統大多是採用模擬電路及繼電器控制，存在電路繁瑣,可調節性差，受溫度影響大，回響速度慢，有噪音等缺點，針對這些缺點我們對它進行了再次設計。

實現滿足題目要求的水溫自動控制系統需要解決以下兩個方面的問題：一是高精度的水溫測量電路及其數據處理的實現，另一個是控制方法及其控制電路實現的研究。數字控制方法遠遠優於模擬控制方法。目前，實現水溫的高精度控制常採用數字控制方法，可用的控制算法有開關控制、經典PID控制、模糊控制等。為了追求控制系統具有最小的穩態誤差、最好的動態過程，即具有最小的超調量和最短的穩定時間，人們一直在不斷研究各種控制方法的套用。

水溫控制系統介紹

單片機水溫控制系統，是用來控制電爐溫度，讓它的溫度始終保持在某一個範圍內的恆溫值，為此對溫度的控制我們可採用很多種方法，以往的水溫控制系統都採用開關式控制方式，使用的是模擬式調節儀表，我們可通過一位式模擬控制方案，用電位器設定給定值，反饋的溫度值和設定值比較後，決定加熱或不加熱。其特點是電路簡單，易於實現。

但是存在著不足之處：系統所得結果的精度不高而且調節動作頻率、系統靜差大，不穩定。系統受環境影響大，不能實現複雜的控制算法，不能用液晶顯示，不能用鍵盤設定。單片機溫控系統多種多樣，針對不同的被控對象可以設計出不同的硬體電路。

為了實現高精度的溫度控制，我們採用了以AT89C51為控制核心的單片機控制系統，溫度實時控制採用的是多次測量取不同的PWM值來觸發可控矽從而調節加熱絲的有效功率。並用液晶顯示水的實際溫度，尤其對溫度控制，它可達到模擬控制所達不到的控制效果，並且可實現顯示、列印，鍵盤設定，遠程控制，報警等功能，大大提高系統的智慧型化，也使得系統所測結果精度大大提高。並且為了保證系統穩定運行,在軟硬體方面都採取了一定的措施。主程式主要處理系統初始化、掃描鍵盤、採樣溫度值和對採樣數值進行數字濾波等工作。系統靈敏度高和抗乾能力強，具備較高的測量和控制精度。

該控制系統主要是針對控制水杯中的溫度而設計的，它具有檢測精度高、使用簡單、成本較低和工作穩定可靠等特點，所以具有一定的套用前景。它也不僅可套用於科研水中的溫度檢測與控制，也可套用於實際孵蛋房、豆芽菜房等生產工作間恆溫控制的場合。

設計目標

基本要求

（1）溫度設定範圍為40～90℃，最小區分度為1℃，標定溫度≤1℃。

（2）環境溫度降低時（例如用電風扇降溫）溫度控制的靜態誤差≤1℃。

（3）用液晶顯示器顯示水的實際溫度。

（4）採用適當的控制方法，當設定溫度突變（由40℃提高到60℃）時，減小系統的調節時間和超調量。

發揮部分

（1）具有遠程溫度數據的準確可靠傳輸、預置和顯示功能，無線傳輸距離至少20米（空曠地區）；

（2）增加多點溫度檢測功能（至少8點），並能實現多路數據的定點和巡迴檢測兩種功能；

（3）具有溫度標定、校準功能；

（4）具有溫度感測器失效判斷與顯示報警功能；

系統的概述

系統設計目標是實現水溫的自動控制〔整個系統以單片機為控制核心，由上位機與下位機組成〔上位機套用組態王設計SCADA監控界面，下位機檢測機構將實時採集的溫度數據傳入控制器，控制器對執行機構發出控制命令，執行機構通過繼電器通斷電熱絲實現水溫恆定的自動控制、系統採用P舊控制算法來實現水溫的自動控制、該系統可靠性高，操作簡便，套用性強。

單片機水溫控制系統是以AT89C51單片機為控制核心，溫度實時控制採用的是多次測量去不同的PWM值來觸發可控矽從而調節加熱絲的有效功率。並用LCD顯示水的實際溫度。本設計的基本思路是先由數字型溫度感測器檢測水溫，然後通過感測器的內部電路把模擬量轉換為數字量，然後通過數據線傳送到單片機，再經過一系列的程式輸出PWM波來控制可控矽來控制電爐的。

目標

設計的目標是實現可連續精度高的溫度控制系統。水是在生活中不可或缺的，實現水的溫度控制可以很大地提升生產效率，節約能源，提高生活品質。在水資源稀缺的當代，設計便攜的水溫控制系統對於社會的可持續發展，有著非常大的意義。

硬體系統設計

單片機最小系統電路

所謂單片機最小系統電路，是指能使單片機正常工作的最小硬體單元電路，也叫單片機最小系統時鐘電路。最小系統時鐘電路包括時鐘電路，另外還包括復位電路，還有電源電路供電。

繼電器控制電路

控制溫度，需要控制通斷電熱絲，電熱絲是大功率大電流器件，而單片機是弱電器件，其I/O口無法作為直接驅動，必須通過使用繼電器來加以控制，系統使用固態繼電器(SSR)。三級管的作用一個是放大作用，一個是開關作用。這裡三級管主要作用是開關作用，電流放大作用是次要的。

DS18B20溫度測量電路

DS18B20溫度測量電路簡單，不過需要注意的關鍵一點是，要對DS18B20的數據I /O引腳接一個上拉電阻。其中DS18B20是單線通信，接收和傳送都是通信腳DQ進行的。當它接收的時候為高電阻輸入，當其傳送的時候是開漏輸出，即為輸出0時通過三極體下拉為低電平，而輸出1時，為高阻，需要外接上拉電阻將它拉為高電平。因此，需要外接上拉電阻，否則無法輸出1。本設計測量水的溫度，採用不鏽鋼封裝的DS18B20感測器。

數碼管顯示電路

本設計採用三位共陰數碼管，單片機傳送高電平時點亮數碼管，傳送低電平時熄滅數碼管。電路圖中74HC138解碼器用

水溫自動控制電路

如圖，t1、t2是兩隻可調式電接點玻璃水銀溫度計，因為人體適宜的洗浴溫度為37℃～40℃之間，所以把t2設定為37℃，t1設定為40℃。閉合電源開關SW，220V。

市電經變壓器降壓，QL全波整流，電容C1、C2濾波，lC7812穩壓後，輸出+12V供給控制電路。開始，因浴池水溫較低，電磁閥DF通電打開閥門，鍋爐蒸汽通過管道源源不斷沖入浴池中，使水溫上升。t1、t2水銀柱也隨著水溫的上升而上升。

當水溫上升到40℃以上時，t1水銀接點接通，功率開關積體電路IC2(TWH8751)的②腳呈現低電平，其輸出端④腳低電平，繼電器J1通電吸合。其常開觸點J1—1閉合，IC3(TWH8751②腳呈低電平，繼電器J2通電吸合併自鎖。同時其常閉觸點J2—1，J2—2斷開電磁閥DF電源，DF關閉閥門停止送汽；t1斷路，TWH8751②腳呈現高電平，④腳高電平，J1釋放。隨著水溫逐漸下降到37℃以下時，t2斷路，IC3TWH8751②腳呈現高電平，④腳高電平，J2釋放，常閉觸點J2—1，J2—2復位，電磁閥DF通電打開，輸送蒸氣使浴池水溫上升……如此循環，保持在水溫40℃-37℃之間。

t1、t2選擇WXG-11tO～50℃.功率開關積體電路IC2、IC3選擇TWH8751(3A)繼電器J1、J2選擇JQX-4F 12V 20 μA。電磁閥DF根據蒸汽管道直徑選擇BQY22D防爆，防水二位二通汽液電控閥(220V)。其餘元件按圖上標註參數選擇。