用于化学工业的水浴加热器的控制系统设计

王海洋， 杨雨青， 牛奕童

（安阳学院航空工程学院， 河南 安阳 455000）

0 引言

温度是影响化学反应的重要因素，某些重要的化学反应必须控制在一个很稳定的温度下才可以发生；某些化学反应可以通过控制温度来提高生产率；某些反应可以通过控制温度来提高反应速率，进而提高生产效率。水浴加热对于温度控制具有很好的效果，稳定性非常好。

随着科技的发展，单片机的使用率越来越高[1]，其优点是体积小、成本低、方便可靠[2]，给单片机应用到化工水浴加热器奠定了基础[3]。本设计是利用单片机来制作一个化工水浴加热器控制系统[4]。使化工水浴加热器智能化，优化了加热过程的温度控制、稳定性和安全性，提高了温度控制的精度、效率和安全性。

1 系统整体设计

本设计由单片机模块、按键模块、时钟模块、电源模块、液晶显示、驱动模块和报警模块[5]和温度传感器构成。按键模块可以设定定时时间、手动控制水浴加热器的开关；时钟模块用来计时；电源模块可以持续提供电能，保证外部断电时可以继续供电；液晶显示模块可以方便时间的设定；驱动模块用来驱动水浴加热器的开关，根据单片机的指令接通或断开；报警模块用来提醒水浴加热器加热完成；温度传感器反馈温度。系统的总体结构框如图1 所示。

图1 系统整体结构

2 硬件设计

系统硬件主要由STC89C51 单片机模块、按键模块、时钟模块、电源模块、液晶显示、驱动模块、温度传感器和报警模块构成。

2.1 单片机模块

单片机模块采用STC89C51 单片机，STC89C51是一种采用CMOS 工艺制造的8 位微控制器，内含8k字节的Flash，512 个字节内存，32 个I/O 端口，可实现全双工的串行通讯传输，且单片机可以在0 Hz 以下进行工作。在节能模式下，可以支持两种不同的软件，在未执行指令工作的状态中，CPU 暂停停止运行，使RAM内存可以被使用，定时器会在电源断开后，通过计数、串行和中断持续工作，在上电中断后，RAM 存储器里的数据可以被保存，单片机的振荡器停止运行，直到复位路进行复位后为止，最大工作频率可达35 MHz。

2.2 按键模块

轻触按键，进行轻按按键便可实现开关的接通。电路的基本原理示意图如图2 所示，S1、S2、S3、S4、S5、S6 分别是：手动开关、延时开关、设置界面切换、设置位选择、加、减，分别与单片机P3.2、P3.3、P3.4、P3.5、P3.6、P3.7 等引脚相连。可以通过按键来设置日期和时间、手动控制水浴加热器的开关。

图2 按键电路

2.3 时钟模块

采用了双电源设置，保证断电后继续计时。单片机可以改变SCLK 引脚的高低电平，对DS1302 进行读写操作。再利用I/O 口进行数据的传输，SCLK、I/O、RST 分别接入单片机P1.3、P1.4、P1.5 管脚。实时时钟电路见图3。

图3 实时时钟电路

2.4 液晶显示

使用LCD162 液晶显示屏，显示32 位字符。并与图中显示的每个位置的地址相对应。表1 为LCD1602各引脚功能。

表1 液晶引脚功能

如图4 所示，第1 引脚与该线路的GND 相连，第2 引脚与该线路的VCC 相连，这两个引脚为该LCD工作供电。第3 引脚接入10 kΩ 滑动变电阻，调整电阻值可以调整液晶显示器的亮度。第4 引脚为LCD的寄存控制器，与单片机P2.7 脚相连，而第5 引脚是读写控制脚，与单片机P2.6 脚相连。第6 引脚是LCD的使能脚。

图4 LCD1602 电路

2.5 驱动模块

驱动模块用来驱动水浴加热器的开关，根据单片机的指令接通或断开。驱动器模块主要由PNP 型晶体管、继电器和指示灯组成。当P2.1 微控制器输出低电平时，继电器上的指示灯亮起，驱动负载工作。图5为驱动模块电路图。

图5 驱动模块电路

2.6 报警模块

报警模块用来提醒水浴加热器加热完成。报警模块的核心部件是蜂鸣器，蜂鸣器报警模块是由PNP三极管和蜂鸣器组成。当P2.0 微控制器输出低电平时，PNP 三极管管使蜂鸣器开始工作。当P2.0 微控制器输出高电平时，PNP 三极管使蜂鸣器停止。蜂鸣器报警模块电路见图6。

图6 蜂鸣器报警电路

2.7 传感器模块

本设计采用数字传感器DS18B20 作为温度传感器，具有体积小、稳定性好，抗干扰能力强等特点。

3 软件设计

软件程序主要由水浴加热器的主程序、显示模块的显示程序、时钟控制程序等组成。本文重点介绍了主程序、显示模块的显示程序、时钟控制程序。

3.1 主程序设计

整个控制系统中软件包括主程序和显示程序、时钟控制程序。首先系统开始后，系统进行初始化，读取温度信息，读取时钟数据显示实时日期与时间，读取完毕后扫描按键，判断水浴加热器是否手动打开，如果是手动打开，则返回读取温度；如果不是手动打开，则继续扫描按键，判断是否对日期时间进行改变，如果是，则返回读取时钟，否则判断是否到达设置好的打开水浴加热器的时间，如果没有达到时间，则返回读取时钟，如果达到时间则打开水浴加热器，延时一定时间后，读取温度，如果温度达到设定值，则蜂鸣器进行报警提示热水加热达到指定温度，关闭水浴加热器，并进入温度反馈循环，不断地进行温度反馈与读取，直到温度低于设定值，再打开水浴加热器进行加热；如果温度没有达到设定值，则返回，继续加热。延时一段时间后，判断水浴加热器是否是打开状态，若是打开状态，则关闭热水器，若不是打开状态，则返回读取时钟。

3.2 显示程序设计

首先通过控制RS 引脚写入初始化指令，进行对显示屏的初始化。写入指令时将RS 引脚拉低设置为写指令模式，随后将RW 设置为高电平设置为写入模式。在写入之前，先将EN 引脚拉高，之后输入数据，最后将EN 引脚拉低，这样一个8bit 的数据就写入到了显示屏中。显示程序流程如图7 所示。

图7 显示程序流程

3.3 时钟程序设计

DS1302 时钟模块一共有32 个内存处理器，在这里需要的使用的是从秒到年的这些时间单位的寄存器。这些寄存器并不按照时间顺序或者日期的顺序来显示。这也使得时钟的准确性和可靠性变得更高。当时钟的秒寄存器积累到一定数值时，就会从秒位上开始进行逐位累加，在累加时也会自动进位。时钟程序流程如图8 所示。

图8 时钟程序流程

4 系统测试

4.1 准备工作

将设计好的系统在Proteus 软件上进行仿真，结果运行良好。按照电路图安装硬件，再将程序载入系统，给系统通电。

4.2 功能测试

系统接通后，首先测试手动模式，通过多次用按键来控制水浴加热器的开关，观察热水器的开关情况，测试结果为良好，按键能很好的控制开关。

其次测试定时功能，设置好测试日期、定时接通的时间，观察在测试时间水浴加热器开关情况，进行多次定时功能测试，多次测试结果良好。

最后，测试自动保温功能，设定好一个温度，让系统运行，当温度达到设定值时，水浴加热器停止加热，蜂鸣器报警，温度降低后，水浴加热器又开始打开，进行加热。多次测试，功能正常。

5 结语

通过测试，本设计很好的完成了设计目标，实现实现了水浴加热器的自动温度控制、定时温度控制、手动控制功能。本设计体积小、成本低、方便可靠，具有重要的应用价值。