摘 要
在能源日益紧张的今天，电热水器，饮水机和电饭煲之类的家用电器在保温时，由于其简单的温控系统，利用温敏电阻来实现温控，因而会造成很大的能源浪费。 但是利用AT89C52 单片机为核心，配合温度传感器，信号处理电路，显示电路， 输出控制电路，故障报警电路等组成的控制系统却能解决这个问题。单片机可将温度传感器检测到的水温模拟量转换成数字量，并显示于LED 数码管上。该系统具有灵活性强，易于操作，可靠性高等优点，将会有更广阔的开发前景。
本文设计了一套全自动的智能化水温控制系统，该系统利用单片机实时监测水温及水位。用水时，若水温达不到设定值，单片机控制电加热器自动补温至设定温度，无须人为控制加热时间；缺水时有光声报警信号，并能自动上水到设定值，不必全部加满。采用外扩EEPROM 对设置的参数具有断电保留功能，断电后，参数无须重新设置。本文所设计的一套全自动的智能化水温控制系统具有使用方便、稳定性高、节能等特点，实用性高。
关键词: 单片机; 控制; 水温控制器; DS18B20
Based on SCM intelligent temperature control system
Student:LIAN Xiao-lan Teacher:CHEN Shou-xue
Abstract : The growing tension in the energy today, electric water heaters, drinking fountains and home appliances like rice cookers in the insulation, due to its simple temperature control system, the use of thermo-sensitive resistors to achieve temperature control, which may cause great waste of energy . However, the use of AT89C52 single-chip microcomputer as the core, with the temperature sensor, signal processing circuit, display circuit, the output control circuit, fault alarm circuitry and other components of the control system can solve this problem. Single-chip temperature sensor can detect temperature analog to digital volume, and display monitors in LED. The system has flexibility, easy operation, high reliability, there will be a broader development prospects.
This paper designs a set of completely intelligent water temperature controller , monolithic integrated circuit real-time monitor water temperature and water level. When we use water, if the water temperature not to be able to achieve the setting value, the monolithic integrated circuit control electric heater makes up automatically heats to the hypothesis temperature, does not need the artificial control heating time; When the water lacks, has the light sound alarm, and can sail upstream automatically the setting value, does not need to add completely fully. Outside uses expands EEPROM to have the power failure retention function to the establishment parameter, after the power failure, the parameter does not need the reset. This article designs a set of completely automatic solar-powered water heater controller has the easy to operate, the stability high, characteristics and so on energy conservation, the usability is high.
Key w ords: single- chip microcomputer; water temperature controller; DS18B20
目 录
摘 要 .................................................................................................................................. I Abstract: ............................................................................................................................. II
1 引言 ................................................................................................................................ 1
1.1 选题背景及意义 .................................................................................. 1
1.2 温度控制系统的研究现状及发展趋势 .............................................. 1
1.3 课题的研究内容 .................................................................................. 2
2 系统总体设计 . ................................................................................................................ 3
2.1 方案设计及其论证 .............................................................................. 3
2.1.1 温度传感器的选取 ......................................................................................................... 3
2.1.2 键盘显示部分 . ................................................................................................................ 3
2.1.3 控制电路部分 . ................................................................................................................ 4
2.2 总体方案原理的理论分析 .................................................................. 4
2.2.1 系统模块 . ........................................................................................................................ 4
2.3 系统的工作原理 .................................................................................. 5
3 系统硬件设计 . ................................................................................................................ 6
3.1 控制模块 . ............................................................................................. 6
3.1.1 AT89S52简介 . ................................................................................................................. 6
3.1.2 主机硬件电路设计 ......................................................................................................... 6
3.2 水位检测电路 ...................................................................................... 7
3.3 水温检测电路 ...................................................................................... 8
3.3.1 DS18B20简介 ................................................................................................................. 8
3.3.2 DS18B20特征 ................................................................................................................. 9
3.3.3 DS18B20的软件编制 ................................................................................................... 10
3.4 数码管温度显示电路 ........................................................................ 10
3.5 按键电路 . ........................................................................................... 11
3.6 隔离电路 . ........................................................................................... 12
3.6.1 加热控制系统 . .............................................................................................................. 13
3.6.2 水泵控制系统 . .............................................................................................................. 13
3.7 水位超限报警电路 ............................................................................ 13
3.8 电源电路 . ........................................................................................... 14
4 系统软件设计 . .............................................................................................................. 15
4.1 主程序流程图 .................................................................................... 15
4.2 按键处理子程序图 ............................................................................ 15
4.3 水位显示流程图 ................................................................................ 15
4.4 温度比较程序流程图 ........................................................................ 15
4.5 系统实现 . ........................................................................................... 15
参考文献 ............................................................................................................................ 16
1 引言
1.1 选题背景及意义
在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度，温度测量是工业对象中主要的被控参数之一。因此，单片机温度测量则是对温度进行有效的测量，并且能够在工业生产中得到了广泛的应用，尤其在电力工程、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中，担负着重要的测量任务。在日常生活中，也可广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合。但温度是一个模拟量，如果采用适当的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量虽不困难，但电路较复杂，成本较高。目前许多温控系统, 温度检测采用热敏电阻作为检测元件, 信号处理采用A /D 转换电路, 电路复杂且成本较高, 计算精度受到限制。在温度控制方面采用简单的闭合回路驱动普通继电器来控制电热管通电与否来达到控制水温的目的, 水温超调较大, 带触点的继电器会频繁接通与断开加热元件回路, 电路谐波干扰较大。基于以上考虑, 本次设计从可靠性及控制效果方面综合考虑, 采用性价比高的AT89S52 单片机作为控制器核心, 配合集成温度传感器DS18B20采集温度变化信号、键盘输入电路、隔离电路、显示电路等来构成智能水温控制器。使用单片机具有编程灵活, 控制简单的优点, 使系统能简单的实现温度的控制及显示, 并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。
此外, 该控制器功能扩展空间大, 可以扩展时钟、日历、闹钟等常用功能, 具有较好的实用价值。
1.2 温度控制系统的研究现状及发展趋势
目前市场上大致有3类温度控制系统分别是：单片机温度控制系统、嵌入式温度控制系统、基于SOPC 的温度控制系统。它们有各自的优点与缺点，我们可以根据具体要求进行选择。
单片机温度自动控制系统中，材料温度由热电阻测量，信号通过放大器放大，毫伏信号放大后由A/D转换成相应的数字量，再通过光电耦合器，进入主机电路。由主机进行数据处理，判断分析，再输出数字控制量，去控制加热功率，从而实现对温度的控制。同时，超过上下限时进行自动报警，控制中自动显示温度值。
基于ARM 的测控系统主要由测温器件、ARM 微处理器、键盘及显示单元组成。测
温器件是用作温度的采集。ARM 微处理器是系统的核心部分，它用来控制整个系统的工作流程。整个系统的硬件部分分为五个部分，即电路部分、检测电路部分、控制及显示电路部分以及输出控制。系统工作原理为ARM 微处理器向传感器发出信号，启动温度传感器采集温度数据，温度传感器采集完一次数据后，将模拟量转换为ARM 处理器能识别的数值信号。ARM 微处理器实时扫描进行数据的采集，对采集到的信号进行处理。
基于ARM 的温度控制系统通过合理地搭建ARM 嵌入式平台，采用PID 自整定算法，与常规PID 控制算法比较，使被控对象的温度波动大幅度减小，具有响应时间短、超调量小、控制精度高、稳定性好、智能化等优点。在进行软硬件调试的基础上，应用于热电系数测量仪中，经测试，此控制系统工作稳定可靠，满足了系统温度控制精度要求，具有较高的实用价值。
市场上大多数的温度自动控制系统是基于单片机或ARM 系列芯片来设计的。对比这两种设计，基于SOPC 的温度自动控制系统的集成度更高也更加轻便；比基于单片机的温度自动控制系统稳定度和精度更高，而比基于ARM 系列芯片的温度自动控制设计方式更方便，设计周期更短，成本价更有优势。系统的创新点就是将温度的控制范围设置为可调值，可通过外部信号来改变，使得非专业人员无须通过编程便可调控预想得到的温度。
1.3 课题的研究内容
本次课题选择的是基于单片机的温度自动控制，课题主要研究的内容包括温度控制系统的硬件系统和应用软件的设计测试，其中，硬件系统设计主要包括：
1. 温度传感器的选型和测试；
2. 隔离电路，用于自动或手动加温加水, 保持水温水位恒定；
3. 按钮模块，用于调整和设置；
4. 液晶模块，用于显示数据；
5. 蜂鸣器，用于调试和报警等。
软件设计主要包括：实现数据的读取、存储、显示和报警等应用功能。
课题拟以Altera 公司的AT89S52为核心，采用单片机技术，设计包括温度传感器、控制电路和显示电路等部分的硬件系统；用C 语言编写控制和应用程序，实现测温、显示、报警和控制温度等功能。
2 系统总体设计
2.1 方案设计及其论证
2.1.1 温度传感器的选取
目前市场上温度传感器较多，主要有以下几种方案：
方案1：测温度采用热敏电阻温度传感器，如0C 时电阻为50Ω，100C 时电阻为70Ω左右。先经放大，再经V/F转换后接入单片机T0引脚，作为脉冲计数。
方案2：测温度采用热敏电阻温度传感器，如00C 时电阻为50Ω，1000C 时电阻为70Ω左右。先放大，送入A/D转换器ADC0809，转换值送入单片机进行数据处理转换成温度值。
方案3：采用数字化温度传感器DS18B20. DS18B20是DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO －92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃, 可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出远端引入。此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求。
对方案1来说，用热敏电阻温度不怎么好调节，并且还要经过放大这对测量的准确性也有一定的影响，用脉冲进行计数也是很麻烦的。还有就是电路也比较复杂，调试比较困难等有一系列的问题。此种方法不是很理想，暂不考虑。对2来说，是从1的方案进行了改进，有所改观直接换做用A/D转换器进行数据处理转换，但是还是有热敏电阻所存在的缺点，这个是不可避免的。针对3方案来说，它完全避免了热敏电阻所带来的不足，同时简化了电路，调试也很简单。 00
2.1.2 键盘显示部分
控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分，所以此部分电路设计的好坏直接影响到电路的好坏。本次设计采用可编程控制器8279与数码管及地址译码器74LS138组成，可编程/显示器件8279实现对按键的扫描、消除抖动、提供LED 的显示信号，并对LED 显示控制。用8279和键盘组成的人机控制平台，能够方便的进行控制单片机的输出。
2.1.3 控制电路部分
方案一：采用8031芯片，其内部没有程序存储器，需要进行外部扩展，这给电路增加了复杂度。
方案二：采用2051芯片，其内部有2KB 单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器。但由于系统用到较多的I/O口，因此此芯片资源不够用。
方案三：采用AT89C52单片机。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。其内部有内有8KB 的EPROM 和256B 的RAM ，程序通过串口下载，十分方便。而且在晶振频率为12MHz 的情况下，单指令仅需1us 器，完全满足了本次设计的要求。
比较这三种方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用方案三。
2.2 总体方案原理的理论分析
2.2.1 系统模块
本系统以AT89S52 单片机为核心，实现对水温和水位的实时监测和显示，并实现自动加热和上水的控制。
系统主要包括数码管温度显示电路、水位显示电路、温度检测电路、水位检测电路、按键电路、隔离电路、水位超限报警电路等6部分。具体原理框图如图1所示。
图1 系统结构框图
2.3 系统的工作原理
利用DS18B20传感器对水箱温度进行实时监控，当检测到水温信号后，反馈到单片机上，并用数码管动态扫描方式显示当前的水温和预设的水温。电极方式测量水位，当水没过各个档次的电极时，利用水的弱导电性，电压在3伏左右，经过斯密特触发器后变成了0V ，水位指示灯两端有了电压差而被点亮；反之，没接触水电压在0伏左右，经过斯密特触发器后变成了5V ，水位指示灯两端没有电压差，即没有电流通过，指示灯灭。当出现缺水状态（水位低于20％）时，蜂鸣报警，所有的水位指示灯熄灭。利用隔离电路来对系统进行自动加热和上水，具体的条件由软件程序来控制，从而实现智能性。
3 系统硬件设计
3.1 控制模块
3.1.1 AT89S52简介
Atmel 公司的AT89S52是AT89C51的增强版。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。它的主要功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM 及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR 的接收解码及与主板CPU 通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC （40 脚）和VSS （20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义。而且在单芯片上，它拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash ，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
3.1.2 主机硬件电路设计
根据系统设计的需要，本系统的主机采用AT89S52单片机。AT89C52 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1 和XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体谐振器一起构成自激振荡器，外接12M 石英晶体及电容C1、C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，经考虑本设计选用30PF 。复位电路由电阻、电容和按键开关构成，具有上电复位和手动复位的功能，当单片机系统上电时，电路通过电容C 充电瞬间加给RST 端脚一个高电平脉冲，可使复位有效。P0加上10K 的上拉电阻。P3.0-P3.3连接四个独立按键，P0口接用于水温显示的一位数码管，P2.0-P2.4接水位检测电路的发光二极
管分别显示100％、80％、60％、40％、20％档次的水位。电路连接如图2所示。
图2 主机硬件电路图
3.2 水位检测电路
本系统采用电极的方式来测量水位。根据设计要求有五个档次的水位，所以要给水箱进行五等分，再用五根公共端导线的另一端分别从五个等分的小孔穿入水箱内部成为电极接点。当某个电极浸没在水中，此时与该电极对应的一级水位指示灯将被点亮，反之将熄灭。这种方式测量水位简单直观，成本低廉。同时单片机也采用集水位信息，以便对自动上水的控制。具体的电路图3所示。
图3 水位检测电路
本模块系统采用了有斯密特触发器的6反相器（CD40106BMS ）对水位五个水位信号进行反相触发。当水没过各个档次的电极时，电压在3伏左右，经过斯密特触发器后变成了0V ，水位指示灯两端有了电压差而被点亮；反之，没接触水电压在0伏左右，经过斯密特触发器后变成了5V ，水位指示灯两端没有电压差，即没有电流通过，指示灯灭。斯密特的另一个作用是水位信号转化为TTL 信号给单片机，通过单片机对水位信号进行实时监控和软件程序设计实现自动加水智能性。
3.3 水温检测电路
该模块是用基于DS18B20的温度测量装置来对系统的水温进行检测，如图3－3所示：
图4 水温检测电路
3.3.1 DS18B20简介
温度传感器DS18B20是美国DALLAS 半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。它将被测环境温度转化成带符号的数字信号（以十六位补码形式，占两个字节），传感器可置于离装置150米以内的任何地方。其内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM 、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH 和TL 、配置寄存器。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S 为符号位。12位转化后得到的12位数据，如表
1
表1 12位转化后得到的12位数据
这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM 中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
例如+125℃的数字输出为07D0H ，+25.0625℃的数字输出为0191H ，-25.0625℃的数字输出为FF6FH ，-55℃的数字输出为FC90H 。如表2所示：
表2 温度数字输出表
与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式，可以分别在93.75 ms 和750 ms 内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写, 温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。显示器模块由四位一体的共阴数码管和1个CD4511组成。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
3.3.2 DS18B20特征
（1）独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
（2）在使用中不需要任何外围元件。
（3）可用数据线供电，电压范围：+3.0～+5.5 V。
（4）测温范围：-55～+125 ℃。固有测温分辨率为0.5 ℃。 （5）通过编程可实现9～12位的数字读数方式。 （6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。
（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。 （8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
3.3.3 DS18B20的软件编制
根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM 指令，最后发送RAM 指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU 将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU 收到此信号表示复位成功。系统的工作是在程序控制下，完成对传感器的读写和对温度的显示。
3.4 数码管温度显示电路
本系统采用了一个共阴极数码管来显示设置温度值和当前温度值，数码管组排接有8 个100欧电阻，保护数码管，防止电流过大烧坏数码管。其具体电路如图5所示。
图5 数码管显示电路
采用显示变压器CD4511来驱动共阴极数码管的BCD 码——七段码译码器，具有BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS 电路能提供较大的拉
电流。将所有的数码管并联接在同一个译码器CD451上，再通过专门的数据选择器来实现数码管的逐个轮流受控显示，就可以极大地减少BCD 码的输入线，同时也就节约了对嵌入式处理器I/O端口的使用数量。
CD4511的工作真值表如表3所示。
表3 CD4511真值表
3.5 按键电路
本设计的按键电路用于对水温和水位的设置。从上到下分别不为：第一个是切换按键；第二个是水位调节按键；第三个是加按键（加1度）；第四个是减按键（减1
度）。其具体电路如图6所示。
图6 按键电路图
3.6 隔离电路
本系统的隔离电路主要有加热控制电路和水泵控制电路两个部分。其具体电路如图7、图8所示。
图7 加热控制电路
图8 水泵控制电路
3.6.1 加热控制系统
当在阴雨天，太阳能没有使水温达到设定值时，会自动启动加热控制系统加热到设定值，从而完成自动加热功能。本系统采用光耦进行隔离保护，通过用一个可控硅、一个电阻及一个电容构成一个物理开关，根据单片机的输出信号用来控制自动加热；同时也可以通过一个机械开关来进行手动加热，来满足用户的不同需要。
3.6.2 水泵控制系统
当水位低于预设置时，会自动启动水泵控制系统使水位达到预设水位，从而完成自动加水功能。该过程的实现原理：由单片机控制水位信号，再根据软件程序的编写控制水泵的输入电压，从而现实自动加水功能；也可以直接通过一个开关进行手动加水。
3.7 水位超限报警电路
当水位低于最低水位（20％的水位）时，本设计采用蜂鸣器驱动电路系统。检测缺水状态的那条电极，没接触水时为低电平，经过CD40106反相器变高电平，通过单片机检测就报警。其作用是提醒用户和自能系统水箱处于缺水状态，并手动或自动加水，从而保护系统。其具体电路如图9所示。
图9 蜂鸣器驱动电路
3.8 电源电路
本系统的电源电路对两个部分进行供电，＋12V 给水泵供电，而＋5V 给单片机供电。对于电源的而言，首先最重要的是选择稳压芯片。系统所需要的电源电压大部分都是5V ，但是给水泵系统供电有+12V，所以先用三端固定稳压器7812对电路进行稳压，然后采用了平时经常用到的7805。变压器的副端接到接头J1上，12V 的交流电进入7805的输入端，经7805稳压后形成5V 的稳压电源。选用输出电压的有效值是18V 的变压器，主要是考虑7812的输入电压与输出电压的差值不能小于3V 。我们都知道系统几乎所有的电流都会流过调整管，当7812输入电压于输出电压的差值小于3V 时，它的带负载能力就会很差，而且很大一部分功率浪费在7812的发热上。电源电路如图10所示。
图10 电源电路
4 系统软件设计
为了设计软件程序，必须明确热水器对控制器所提出的控制要求。当阳光充足时，热水器会利用太阳能将蓄水箱内的水加热到一定的温度（可能会高于设定温度），控制器将不启动辅助加热装置；当阳光不足（阴雨天）时, 为了使用户同样能够使用到热水，控制器能够自动启动辅助加热器，借助电能将水箱内的水加热到设定温度。 根据上面的要求，控制器软件设计采用模块化结构，包括主程序、按键处理子程序、数码显示子程序、水位显示子程序等。
4.1 主程序流程图
系统主程序主要完成温度、水位检测及进行当前温度值与设定温度值的比较和一些初始化功能。
4.2 按键处理子程序图 4.3 水位显示流程图 4.4 温度比较程序流程图
4.5 系统实现
经过实物制作和系统调试，系统能正常显示太阳能热水器的实时水温水位状态。当水温水位低于设定值时，能自动加热和上水；热水器处于缺水状态时，系统能自动报警。太阳能热水器控制器的功能基本实现，毕业设计工作基本完成。
参考文献
[1] 蔡可健. 热水器节能控制系统设计[J].电气自动化， 2006，28 (5):60262. [2] 陈尔绍. 电子控制电路实例[M].北京：电子工业出版社，2004.
[3] 薛燕红. 《基于89C51 + DS18B20 的智能温控器的研制》[J].微计算机信息，2007，03S ：1982199.
[4] 朱定华. 《单片机原理与接口技术》. 电子工业出版社，2006 [5] 刘瑞新. 《单片机原理及应用教程》. 机械工业出版社，2003 [6] 马建伟，李银伢. 《PID 控制设计理论与方法》. 科学出版社，2008
[7] 何为民. 低功耗单片微机系统设计[M].北京:北京 航空航天大学出版社，1994. [8] Dallas Semiconductor 公司DS1820 技术资料[Z].
[9] DALLAS DS18B20 数据手册[Z].http：//www. Maximic. Com.
[10] 郑云水等. 《基于AT89S52 单片机的水温控制系统设计》. 《现代电子技术》2007 年第6期总第269 期.
[11] 何希才. 新型集成电路及其应用实例[M].北京：科学出版社，2003.
摘 要
在能源日益紧张的今天，电热水器，饮水机和电饭煲之类的家用电器在保温时，由于其简单的温控系统，利用温敏电阻来实现温控，因而会造成很大的能源浪费。 但是利用AT89C52 单片机为核心，配合温度传感器，信号处理电路，显示电路， 输出控制电路，故障报警电路等组成的控制系统却能解决这个问题。单片机可将温度传感器检测到的水温模拟量转换成数字量，并显示于LED 数码管上。该系统具有灵活性强，易于操作，可靠性高等优点，将会有更广阔的开发前景。
本文设计了一套全自动的智能化水温控制系统，该系统利用单片机实时监测水温及水位。用水时，若水温达不到设定值，单片机控制电加热器自动补温至设定温度，无须人为控制加热时间；缺水时有光声报警信号，并能自动上水到设定值，不必全部加满。采用外扩EEPROM 对设置的参数具有断电保留功能，断电后，参数无须重新设置。本文所设计的一套全自动的智能化水温控制系统具有使用方便、稳定性高、节能等特点，实用性高。
关键词: 单片机; 控制; 水温控制器; DS18B20
Based on SCM intelligent temperature control system
Student:LIAN Xiao-lan Teacher:CHEN Shou-xue
Abstract : The growing tension in the energy today, electric water heaters, drinking fountains and home appliances like rice cookers in the insulation, due to its simple temperature control system, the use of thermo-sensitive resistors to achieve temperature control, which may cause great waste of energy . However, the use of AT89C52 single-chip microcomputer as the core, with the temperature sensor, signal processing circuit, display circuit, the output control circuit, fault alarm circuitry and other components of the control system can solve this problem. Single-chip temperature sensor can detect temperature analog to digital volume, and display monitors in LED. The system has flexibility, easy operation, high reliability, there will be a broader development prospects.
This paper designs a set of completely intelligent water temperature controller , monolithic integrated circuit real-time monitor water temperature and water level. When we use water, if the water temperature not to be able to achieve the setting value, the monolithic integrated circuit control electric heater makes up automatically heats to the hypothesis temperature, does not need the artificial control heating time; When the water lacks, has the light sound alarm, and can sail upstream automatically the setting value, does not need to add completely fully. Outside uses expands EEPROM to have the power failure retention function to the establishment parameter, after the power failure, the parameter does not need the reset. This article designs a set of completely automatic solar-powered water heater controller has the easy to operate, the stability high, characteristics and so on energy conservation, the usability is high.
Key w ords: single- chip microcomputer; water temperature controller; DS18B20
目 录
摘 要 .................................................................................................................................. I Abstract: ............................................................................................................................. II
1 引言 ................................................................................................................................ 1
1.1 选题背景及意义 .................................................................................. 1
1.2 温度控制系统的研究现状及发展趋势 .............................................. 1
1.3 课题的研究内容 .................................................................................. 2
2 系统总体设计 . ................................................................................................................ 3
2.1 方案设计及其论证 .............................................................................. 3
2.1.1 温度传感器的选取 ......................................................................................................... 3
2.1.2 键盘显示部分 . ................................................................................................................ 3
2.1.3 控制电路部分 . ................................................................................................................ 4
2.2 总体方案原理的理论分析 .................................................................. 4
2.2.1 系统模块 . ........................................................................................................................ 4
2.3 系统的工作原理 .................................................................................. 5
3 系统硬件设计 . ................................................................................................................ 6
3.1 控制模块 . ............................................................................................. 6
3.1.1 AT89S52简介 . ................................................................................................................. 6
3.1.2 主机硬件电路设计 ......................................................................................................... 6
3.2 水位检测电路 ...................................................................................... 7
3.3 水温检测电路 ...................................................................................... 8
3.3.1 DS18B20简介 ................................................................................................................. 8
3.3.2 DS18B20特征 ................................................................................................................. 9
3.3.3 DS18B20的软件编制 ................................................................................................... 10
3.4 数码管温度显示电路 ........................................................................ 10
3.5 按键电路 . ........................................................................................... 11
3.6 隔离电路 . ........................................................................................... 12
3.6.1 加热控制系统 . .............................................................................................................. 13
3.6.2 水泵控制系统 . .............................................................................................................. 13
3.7 水位超限报警电路 ............................................................................ 13
3.8 电源电路 . ........................................................................................... 14
4 系统软件设计 . .............................................................................................................. 15
4.1 主程序流程图 .................................................................................... 15
4.2 按键处理子程序图 ............................................................................ 15
4.3 水位显示流程图 ................................................................................ 15
4.4 温度比较程序流程图 ........................................................................ 15
4.5 系统实现 . ........................................................................................... 15
参考文献 ............................................................................................................................ 16
1 引言
1.1 选题背景及意义
在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度，温度测量是工业对象中主要的被控参数之一。因此，单片机温度测量则是对温度进行有效的测量，并且能够在工业生产中得到了广泛的应用，尤其在电力工程、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中，担负着重要的测量任务。在日常生活中，也可广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合。但温度是一个模拟量，如果采用适当的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量虽不困难，但电路较复杂，成本较高。目前许多温控系统, 温度检测采用热敏电阻作为检测元件, 信号处理采用A /D 转换电路, 电路复杂且成本较高, 计算精度受到限制。在温度控制方面采用简单的闭合回路驱动普通继电器来控制电热管通电与否来达到控制水温的目的, 水温超调较大, 带触点的继电器会频繁接通与断开加热元件回路, 电路谐波干扰较大。基于以上考虑, 本次设计从可靠性及控制效果方面综合考虑, 采用性价比高的AT89S52 单片机作为控制器核心, 配合集成温度传感器DS18B20采集温度变化信号、键盘输入电路、隔离电路、显示电路等来构成智能水温控制器。使用单片机具有编程灵活, 控制简单的优点, 使系统能简单的实现温度的控制及显示, 并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。
此外, 该控制器功能扩展空间大, 可以扩展时钟、日历、闹钟等常用功能, 具有较好的实用价值。
1.2 温度控制系统的研究现状及发展趋势
目前市场上大致有3类温度控制系统分别是：单片机温度控制系统、嵌入式温度控制系统、基于SOPC 的温度控制系统。它们有各自的优点与缺点，我们可以根据具体要求进行选择。
单片机温度自动控制系统中，材料温度由热电阻测量，信号通过放大器放大，毫伏信号放大后由A/D转换成相应的数字量，再通过光电耦合器，进入主机电路。由主机进行数据处理，判断分析，再输出数字控制量，去控制加热功率，从而实现对温度的控制。同时，超过上下限时进行自动报警，控制中自动显示温度值。
基于ARM 的测控系统主要由测温器件、ARM 微处理器、键盘及显示单元组成。测
温器件是用作温度的采集。ARM 微处理器是系统的核心部分，它用来控制整个系统的工作流程。整个系统的硬件部分分为五个部分，即电路部分、检测电路部分、控制及显示电路部分以及输出控制。系统工作原理为ARM 微处理器向传感器发出信号，启动温度传感器采集温度数据，温度传感器采集完一次数据后，将模拟量转换为ARM 处理器能识别的数值信号。ARM 微处理器实时扫描进行数据的采集，对采集到的信号进行处理。
基于ARM 的温度控制系统通过合理地搭建ARM 嵌入式平台，采用PID 自整定算法，与常规PID 控制算法比较，使被控对象的温度波动大幅度减小，具有响应时间短、超调量小、控制精度高、稳定性好、智能化等优点。在进行软硬件调试的基础上，应用于热电系数测量仪中，经测试，此控制系统工作稳定可靠，满足了系统温度控制精度要求，具有较高的实用价值。
市场上大多数的温度自动控制系统是基于单片机或ARM 系列芯片来设计的。对比这两种设计，基于SOPC 的温度自动控制系统的集成度更高也更加轻便；比基于单片机的温度自动控制系统稳定度和精度更高，而比基于ARM 系列芯片的温度自动控制设计方式更方便，设计周期更短，成本价更有优势。系统的创新点就是将温度的控制范围设置为可调值，可通过外部信号来改变，使得非专业人员无须通过编程便可调控预想得到的温度。
1.3 课题的研究内容
本次课题选择的是基于单片机的温度自动控制，课题主要研究的内容包括温度控制系统的硬件系统和应用软件的设计测试，其中，硬件系统设计主要包括：
1. 温度传感器的选型和测试；
2. 隔离电路，用于自动或手动加温加水, 保持水温水位恒定；
3. 按钮模块，用于调整和设置；
4. 液晶模块，用于显示数据；
5. 蜂鸣器，用于调试和报警等。
软件设计主要包括：实现数据的读取、存储、显示和报警等应用功能。
课题拟以Altera 公司的AT89S52为核心，采用单片机技术，设计包括温度传感器、控制电路和显示电路等部分的硬件系统；用C 语言编写控制和应用程序，实现测温、显示、报警和控制温度等功能。
2 系统总体设计
2.1 方案设计及其论证
2.1.1 温度传感器的选取
目前市场上温度传感器较多，主要有以下几种方案：
方案1：测温度采用热敏电阻温度传感器，如0C 时电阻为50Ω，100C 时电阻为70Ω左右。先经放大，再经V/F转换后接入单片机T0引脚，作为脉冲计数。
方案2：测温度采用热敏电阻温度传感器，如00C 时电阻为50Ω，1000C 时电阻为70Ω左右。先放大，送入A/D转换器ADC0809，转换值送入单片机进行数据处理转换成温度值。
方案3：采用数字化温度传感器DS18B20. DS18B20是DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO －92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃, 可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出远端引入。此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求。
对方案1来说，用热敏电阻温度不怎么好调节，并且还要经过放大这对测量的准确性也有一定的影响，用脉冲进行计数也是很麻烦的。还有就是电路也比较复杂，调试比较困难等有一系列的问题。此种方法不是很理想，暂不考虑。对2来说，是从1的方案进行了改进，有所改观直接换做用A/D转换器进行数据处理转换，但是还是有热敏电阻所存在的缺点，这个是不可避免的。针对3方案来说，它完全避免了热敏电阻所带来的不足，同时简化了电路，调试也很简单。 00
2.1.2 键盘显示部分
控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分，所以此部分电路设计的好坏直接影响到电路的好坏。本次设计采用可编程控制器8279与数码管及地址译码器74LS138组成，可编程/显示器件8279实现对按键的扫描、消除抖动、提供LED 的显示信号，并对LED 显示控制。用8279和键盘组成的人机控制平台，能够方便的进行控制单片机的输出。
2.1.3 控制电路部分
方案一：采用8031芯片，其内部没有程序存储器，需要进行外部扩展，这给电路增加了复杂度。
方案二：采用2051芯片，其内部有2KB 单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器。但由于系统用到较多的I/O口，因此此芯片资源不够用。
方案三：采用AT89C52单片机。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。其内部有内有8KB 的EPROM 和256B 的RAM ，程序通过串口下载，十分方便。而且在晶振频率为12MHz 的情况下，单指令仅需1us 器，完全满足了本次设计的要求。
比较这三种方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用方案三。
2.2 总体方案原理的理论分析
2.2.1 系统模块
本系统以AT89S52 单片机为核心，实现对水温和水位的实时监测和显示，并实现自动加热和上水的控制。
系统主要包括数码管温度显示电路、水位显示电路、温度检测电路、水位检测电路、按键电路、隔离电路、水位超限报警电路等6部分。具体原理框图如图1所示。
图1 系统结构框图
2.3 系统的工作原理
利用DS18B20传感器对水箱温度进行实时监控，当检测到水温信号后，反馈到单片机上，并用数码管动态扫描方式显示当前的水温和预设的水温。电极方式测量水位，当水没过各个档次的电极时，利用水的弱导电性，电压在3伏左右，经过斯密特触发器后变成了0V ，水位指示灯两端有了电压差而被点亮；反之，没接触水电压在0伏左右，经过斯密特触发器后变成了5V ，水位指示灯两端没有电压差，即没有电流通过，指示灯灭。当出现缺水状态（水位低于20％）时，蜂鸣报警，所有的水位指示灯熄灭。利用隔离电路来对系统进行自动加热和上水，具体的条件由软件程序来控制，从而实现智能性。
3 系统硬件设计
3.1 控制模块
3.1.1 AT89S52简介
Atmel 公司的AT89S52是AT89C51的增强版。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。它的主要功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM 及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR 的接收解码及与主板CPU 通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC （40 脚）和VSS （20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义。而且在单芯片上，它拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash ，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
3.1.2 主机硬件电路设计
根据系统设计的需要，本系统的主机采用AT89S52单片机。AT89C52 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1 和XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体谐振器一起构成自激振荡器，外接12M 石英晶体及电容C1、C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，经考虑本设计选用30PF 。复位电路由电阻、电容和按键开关构成，具有上电复位和手动复位的功能，当单片机系统上电时，电路通过电容C 充电瞬间加给RST 端脚一个高电平脉冲，可使复位有效。P0加上10K 的上拉电阻。P3.0-P3.3连接四个独立按键，P0口接用于水温显示的一位数码管，P2.0-P2.4接水位检测电路的发光二极
管分别显示100％、80％、60％、40％、20％档次的水位。电路连接如图2所示。
图2 主机硬件电路图
3.2 水位检测电路
本系统采用电极的方式来测量水位。根据设计要求有五个档次的水位，所以要给水箱进行五等分，再用五根公共端导线的另一端分别从五个等分的小孔穿入水箱内部成为电极接点。当某个电极浸没在水中，此时与该电极对应的一级水位指示灯将被点亮，反之将熄灭。这种方式测量水位简单直观，成本低廉。同时单片机也采用集水位信息，以便对自动上水的控制。具体的电路图3所示。
图3 水位检测电路
本模块系统采用了有斯密特触发器的6反相器（CD40106BMS ）对水位五个水位信号进行反相触发。当水没过各个档次的电极时，电压在3伏左右，经过斯密特触发器后变成了0V ，水位指示灯两端有了电压差而被点亮；反之，没接触水电压在0伏左右，经过斯密特触发器后变成了5V ，水位指示灯两端没有电压差，即没有电流通过，指示灯灭。斯密特的另一个作用是水位信号转化为TTL 信号给单片机，通过单片机对水位信号进行实时监控和软件程序设计实现自动加水智能性。
3.3 水温检测电路
该模块是用基于DS18B20的温度测量装置来对系统的水温进行检测，如图3－3所示：
图4 水温检测电路
3.3.1 DS18B20简介
温度传感器DS18B20是美国DALLAS 半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。它将被测环境温度转化成带符号的数字信号（以十六位补码形式，占两个字节），传感器可置于离装置150米以内的任何地方。其内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM 、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH 和TL 、配置寄存器。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S 为符号位。12位转化后得到的12位数据，如表
1
表1 12位转化后得到的12位数据
这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM 中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
例如+125℃的数字输出为07D0H ，+25.0625℃的数字输出为0191H ，-25.0625℃的数字输出为FF6FH ，-55℃的数字输出为FC90H 。如表2所示：
表2 温度数字输出表
与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式，可以分别在93.75 ms 和750 ms 内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写, 温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。显示器模块由四位一体的共阴数码管和1个CD4511组成。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
3.3.2 DS18B20特征
（1）独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
（2）在使用中不需要任何外围元件。
（3）可用数据线供电，电压范围：+3.0～+5.5 V。
（4）测温范围：-55～+125 ℃。固有测温分辨率为0.5 ℃。 （5）通过编程可实现9～12位的数字读数方式。 （6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。
（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。 （8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
3.3.3 DS18B20的软件编制
根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM 指令，最后发送RAM 指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU 将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU 收到此信号表示复位成功。系统的工作是在程序控制下，完成对传感器的读写和对温度的显示。
3.4 数码管温度显示电路
本系统采用了一个共阴极数码管来显示设置温度值和当前温度值，数码管组排接有8 个100欧电阻，保护数码管，防止电流过大烧坏数码管。其具体电路如图5所示。
图5 数码管显示电路
采用显示变压器CD4511来驱动共阴极数码管的BCD 码——七段码译码器，具有BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS 电路能提供较大的拉
电流。将所有的数码管并联接在同一个译码器CD451上，再通过专门的数据选择器来实现数码管的逐个轮流受控显示，就可以极大地减少BCD 码的输入线，同时也就节约了对嵌入式处理器I/O端口的使用数量。
CD4511的工作真值表如表3所示。
表3 CD4511真值表
3.5 按键电路
本设计的按键电路用于对水温和水位的设置。从上到下分别不为：第一个是切换按键；第二个是水位调节按键；第三个是加按键（加1度）；第四个是减按键（减1
度）。其具体电路如图6所示。
图6 按键电路图
3.6 隔离电路
本系统的隔离电路主要有加热控制电路和水泵控制电路两个部分。其具体电路如图7、图8所示。
图7 加热控制电路
图8 水泵控制电路
3.6.1 加热控制系统
当在阴雨天，太阳能没有使水温达到设定值时，会自动启动加热控制系统加热到设定值，从而完成自动加热功能。本系统采用光耦进行隔离保护，通过用一个可控硅、一个电阻及一个电容构成一个物理开关，根据单片机的输出信号用来控制自动加热；同时也可以通过一个机械开关来进行手动加热，来满足用户的不同需要。
3.6.2 水泵控制系统
当水位低于预设置时，会自动启动水泵控制系统使水位达到预设水位，从而完成自动加水功能。该过程的实现原理：由单片机控制水位信号，再根据软件程序的编写控制水泵的输入电压，从而现实自动加水功能；也可以直接通过一个开关进行手动加水。
3.7 水位超限报警电路
当水位低于最低水位（20％的水位）时，本设计采用蜂鸣器驱动电路系统。检测缺水状态的那条电极，没接触水时为低电平，经过CD40106反相器变高电平，通过单片机检测就报警。其作用是提醒用户和自能系统水箱处于缺水状态，并手动或自动加水，从而保护系统。其具体电路如图9所示。
图9 蜂鸣器驱动电路
3.8 电源电路
本系统的电源电路对两个部分进行供电，＋12V 给水泵供电，而＋5V 给单片机供电。对于电源的而言，首先最重要的是选择稳压芯片。系统所需要的电源电压大部分都是5V ，但是给水泵系统供电有+12V，所以先用三端固定稳压器7812对电路进行稳压，然后采用了平时经常用到的7805。变压器的副端接到接头J1上，12V 的交流电进入7805的输入端，经7805稳压后形成5V 的稳压电源。选用输出电压的有效值是18V 的变压器，主要是考虑7812的输入电压与输出电压的差值不能小于3V 。我们都知道系统几乎所有的电流都会流过调整管，当7812输入电压于输出电压的差值小于3V 时，它的带负载能力就会很差，而且很大一部分功率浪费在7812的发热上。电源电路如图10所示。
图10 电源电路
4 系统软件设计
为了设计软件程序，必须明确热水器对控制器所提出的控制要求。当阳光充足时，热水器会利用太阳能将蓄水箱内的水加热到一定的温度（可能会高于设定温度），控制器将不启动辅助加热装置；当阳光不足（阴雨天）时, 为了使用户同样能够使用到热水，控制器能够自动启动辅助加热器，借助电能将水箱内的水加热到设定温度。 根据上面的要求，控制器软件设计采用模块化结构，包括主程序、按键处理子程序、数码显示子程序、水位显示子程序等。
4.1 主程序流程图
系统主程序主要完成温度、水位检测及进行当前温度值与设定温度值的比较和一些初始化功能。
4.2 按键处理子程序图 4.3 水位显示流程图 4.4 温度比较程序流程图
4.5 系统实现
经过实物制作和系统调试，系统能正常显示太阳能热水器的实时水温水位状态。当水温水位低于设定值时，能自动加热和上水；热水器处于缺水状态时，系统能自动报警。太阳能热水器控制器的功能基本实现，毕业设计工作基本完成。
参考文献
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