基于51单片机的恒温水箱控制系统设计

李亚辉 冯俐 尹玉玲 宋今辉 熊浪龙 肖荣峰

摘  要：为了实现对恒温水箱水温的精确控制，文章提出了基于51单片机的恒温水箱控制系统设计。系统以51系列STC89C52单片机为核心，利用数字传感器DS18B20采集水温，并通过数码管进行实时显示，采用经典PID控制算法和PWM控制技术，对被控对象进行实时控制，从而实现对水温的精确调节。实际应用表明：该恒温水箱系统具有成本低廉，可靠性好，控制精度高、实用性强的特点，具有很高的实用价值和应用前景。

关键词：单片机;数字温度传感器;PID控制;恒温水箱

中图分类号：TP273         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）04-0091-03

Abstract： In order to realize the accurate control of the water temperature of the constant temperature water tank， this paper puts forward the design of the constant temperature water tank control system based on 51 single chip microcomputer. The system takes 51 series STC89C52 single chip microcomputer as the core， uses the digital sensor DS18B20 to collect the water temperature， and carries on the real-time display through the digital tube， uses the classical PID control algorithm and the PWM control technology， carries on the real-time control to the controlled object， thus realizes the accurate adjustment of the water temperature. The practical application shows that the constant temperature water tank system has the characteristics of low cost， good reliability， high control precision and strong practicability， and has high practical value and application prospect.

Keywords： single chip microcomputer; digital temperature sensor; PID control; constant temperature water tank

引言

隨着社会的进步和科技的发展，智能化已经成为恒温控制系统发展的主流。恒温水箱无论是在工业控制领域，还是在医疗保健、智能家居等领域都有着广泛的应用。例如：人们生活中常见的饮水机、热水器，工业生产中的大型恒温水箱加热设备等。不同的应用领域，对水温控制的精度要求也不一样，其中对水温的精确检测和对被控对象的精确控制，直接决定了恒温水箱控制系统性能的好坏。随着对测量精度和控制精度要求的不断提高，一般的恒温水箱很难满足实际应用的需要，所以设计一种高精度、多功能的恒温控制水箱就显得尤为重要[1]。

本文提出了一种基于51单片机的恒温水箱控制系统的设计。采用STC89C52单片机为核心控制器，该单片机具有低功耗、数据处理能力强、片内资源丰富、价格便宜等优点[2]。利用高精度数字温度传感器实时采集水温，通过PID控制算法和PWM控制技术[3-5]，实现对水温的精确控制。

1 控制系统工作原理及总体设计

恒温水箱水温控制系统的总体设计框如图1所示。首先，单片机利用数字温度传感器不断的对水温进行实时采集，然后将采集到的水温与预设的温度值进行比较，并利用PID控制算法计算出相应的调控量，最后单片机根据调控量输出PWM控制量，并通过驱动电路对加热元件进行控制，从而实现对水温的精确调节。其中数码管温度显示、加热指示灯和温度参数设置单元，组成了人机交互部分，用户可以通过外部的控制按键，对水温值进行预设置，单片机将该设定值保存在片内E2PROM中，即使在掉电时，设置的数据仍然存在。当恒温水箱加热时，加热指示灯发光，便于观察系统处于何种工作状态。同时增加了报警单元，当控制系统发生故障时，及时发出报警信息，从而保证了使用的安全性。

2 系统硬件电路设计

本文设计的水温控制系统，以STC89C52单片机为核心，包括水温采集电路，温度显示电路、驱动电路和参数设置电路等。

2.1 水温采集电路

对水温的采集，选用DS18B20数字温度传感器。该温度传感器采用防水密封形式，内部集成了A/D转换，工作电压：3～5V/DC，测量温度范围：-55～128℃，测量最小分辨率为0.0625℃，完全能够达到实际要求，使用起来也比较方便[6]。水温采集电路，如图2所示。

2.2 温度显示电路

温度显示电路采用4位共阴极数码管显示，如图3所示。其中a、b、c、d、e、f、g、dp为数码管的段码，s1、s2、s3、s4为数码管的位码，单片机通过同相驱动芯片74LS244来控制段码和位码，并通过动态显示的方式让4个数码管达到同时显示的效果。