恒温水箱毕业设计

一、绪论

（一）课题研究的背景

温度是工业上常见的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品加工、机械制造等领域，恒温控制系统被广泛应用于加热炉、热处理炉、反应炉等。在一些温控系统电路中，广泛采用的是通过热电偶、热电阻或PN结测温电路经过相应的信号调理电路，转换成A／D转换器能接收的模拟量，再经过采样／保持电路进行A／D转换，最终送入单片机及其相应的外围电路，完成监控。但是由于传统的信号调理电路实现复杂、易受干扰、不易控制且精度不高。本文介绍单片机通过数字温度传感器检测外部温度对水箱进行恒温控制的设计，通过控制继电器的通断，进而控制电炉的加热来实现恒温控制。因此，本系统采用一种新型的可编程温度传感器（DS18B20），不需复杂的信号处理电路和A／D转换电路就能直接与单片机完成数据采集和处理，实现方便、精度高，可根据不同需要用于各种场合。在日常生活中，也经常用到电烤箱、微波炉、电热水器、烘干箱等需要进行温度检测与控制的家用电器。采用单片机实现温度控制不仅具有控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度地提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量，现以恒温水箱控制系统的设计进行介绍。

（二）国内外恒温控制技术发展现状及趋势

随着计算机控制技术的发展，恒温控制己在工业生产领域中得到了广泛应用，并取得了巨大的经济和社会效益。在不同的领域内，由于控制环境、目标、成本等因素，需要针对具体情况来设计系统结构和功能，以取得最佳的控制效果。其中，恒温环境的自动化控制技术在工业生产、商业运营中是一个重要研究。

1、国外恒温控制的发展现状及趋势

自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外恒温控制系统发展迅速，并在智能化，自适应参数的自整定等方面取得了很大的科技成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表。

目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。虽然温度控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器及技术来讲，其总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。

2、国内恒温控制的发展现状及趋势

我国目前在恒温控制技术这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于

控制滞后、复杂、时变的温度系统控制。在适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表领域内，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。因此，我国在恒温控制等控制仪表行业与国外还有着一定的差距。

从过程量的检测角度出发，温度是最常见的过程变量之一，它是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。而恒温控制技术在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。其温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。尽管恒温控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。

随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。

（三）设计任务

1、设计目的

设计一个恒温水箱自动调节控制系统，水箱内的水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调节，以保持与设定的温度基本不变。

利用单片机STC89C52RC实现水温的智能控制，使水温能够在60℃左右实现恒定温度调节，利用数字温度传感器读出水温，并在此基础上将水温调节到通过键盘设定的温度，并通过LCD液晶显示实现时实当前温度。

2、系统设计技术指标

设计一个恒温水箱控制系统，主要包括主电路和控制电路。以下为该恒温水箱控制系统的技术指标：

（1）预置时显示设定温度，达到定温度时显示实时温度，精确到0.5℃。

（2）恒温箱温度可预置，在误差范围内恒温控制，温度控制误差≤±1℃。

（3）恒温水箱由1KW加热棒加热。

（4）升降温度可以通过键盘控制，其10以内要求控制时间小于5分钟

（5）启动后有运行指示，温度低于预置温度5℃时进行220V全加热。

（6）有较强的抗干扰性能，对升降温过程的线性没有要求。

（7）具有断电保存功能及相应的保护功能。

3、系统功能

（1）可以对温度进行自由设定，但必须在0～100℃内，设定时可以实时显示出设定的温度值。

（2）加热由1台1KW电炉来实现，如果温度不在60℃时，根据设定的温度值与实际检测的温度值之差来采取不同的加热方式。

（3）能够保持实时显示水温，显示位数4位，分别为百位、十位、个位和小数位（但由于规定不超过90度，所以百位也就没有实现，默认的百位是不显示的。）。

二、恒温水箱控制系统总体方案设计

（一）系统方案选择与论证

1、一位式的模拟控制方案

此方案是传统的一位式模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。其特点是电路简单，易于实现，但是系统所地结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静差大，不稳定，受

环境影响大，不能实现复杂的控制算法，难以用数码管显示或者LCD液晶显示，难以用键盘设定，其方案一框图如图2-1-1所示。

2、二位式的模拟控制方案

此方案采用单片机系统来实现。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。单片机系统通过温度传感器（ADC590）对水箱内水温进行检测，得到模拟的温度信号，在经过A/D转换成数字信号之后，则可用数码管来显示或者用LCD 液晶显示水温的实际值，还能用键盘输入设定值，也可实现打印功能。本方案还可选用51单片机（内部含有4KB的EEPROM），不需要外扩展存储器可使系统整体结构较为简单。但是它是一种传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制规律，控制方案的修改也比较麻烦，其方案二框图如图2-1-2所示。

图2-1-2 二位式模拟控制方案框图

3、PID算法控制方案

此方案采用单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，它可达到核心的控制作用，并且可方便实现液晶显示、键盘设定及利用PID算法来控制PWM波形的产生，进而控制电炉的加热来实现恒温控制，其所测结果精度也大大的得到了提高，在利用PID算法来控制PWM波形的产生，是有效的控制数字脉冲的输出宽度，使继电器得到有效和有序的逻辑控制，不会使继电器产生误动作。

再加上单片机的软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。它可以通过用数字温度传感器采集到的实际水温温度直接进行LCD液晶显示，还能用键盘输入设定值，并且内部含有4KB的EEPROM,不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单，其方案三框图如图2-1-3所示。

由于方案一和方案二是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制规律，控制方案的修改比较麻烦，而方案三是采用单片机为控制核心的控制系统，利用PID 控制原理和PWM技术实现对水箱内水温控制。基于这样的控制原理和PWM技术的优越性，在对温度控制的系统中，它可达到采用其他控制系统所达不到的控制效果，并且可方便实现LCD液晶实时显示、键盘设定、直接可以驱动继电器，其测量结果的准确性和精度是非

常高的，故经过对三种方案的比较论证，本设计采用方案三，利用单片机按增量式的PID 控制算法对采集的温度数据进行处理，得到控制量，利用增量式的PID控制算法来控制PWM 波形的产生进行控制继电器，从而控制加热棒的进行加热，实现对水箱内水温的恒温控制。（二）恒温水箱控制系统工作原理

根据恒温水箱控制系统的设计任务和要求，确定了系统总体方案之后，现对该方案的具体原理进行详细介绍，它是采用闭环控制结构进行控制的，其具体控制图如图2-2-1所示。

本系统是采用闭环负反馈的控制方式进行控制的，它通过数字温度传感器检测水箱内的水温温度，把采集到的数据直接送到单片机进行处理，由于数字式温度传感器能在极短时间内把采集到的模拟量转换成数字量，这样被它处理的数据直接送到数字PID模块进行调整和控制PWM波形的产生。然后，把检测到的数据与预先设定的温度值进行比较，根据不同的差值去控制控制继电器的通断，以采取不同的加热方式进行加热升温。另外，还设置了温度实时显示的装置，可以同时显示预先设定的温度值和实际检测到的温度值。三、恒温水箱控制系统硬件设计

（一）CPU主控模块设计

1、STC89C52RC单片机简介

STC89C52RC是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。STC89C52RC是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的STC89C52RC是一种高效微控制器，

STC89C52RC 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

2、晶振电路与复位电路的设计

单片机内部带有时钟电路，只需要在片外通过XTAL1、XTAL2引脚接入定时控制单元（晶体振荡和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。复位电路采用按键电平复位，它通过复位端经电阻与+5V 电源实现，只要能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期就可实现复位，其电路如图3-1-1所示。

（二）主电源电路设计

本系统采用双电源输出，分别是+5V 、+12V 输出。+5V 是系统供电电源，12V 是继电器工作供电电源。本装置的直流稳压电源采用通常的桥式全波整流、电容滤波、三端固定输出的集成稳压器件进行设计，并且所有的集成稳压芯片均装有充分裕量的散热片。系统的供电电源电路如图3-2-1所示。

（三）温度采集模块设计

1、DS18B20的特点

（1）单线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现双向通讯。

（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可并联在惟一的三线上，多点测温。

（8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热烧毁，不能正常工作。

2、DS18B20与单片机的接口电路

DS18B20的引脚图及单片机的接口电路如图3-3-1所示。

图3-3-1 DS18B20电路

（四）继电器模块及工作指示模块设计

1、继电器模块

继电器是一种电控制器件。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器电路如图3-4-1所示。

2、工作指示模块

本系统设计四路恒温水箱控制系统，可一路或多路同时使用，为了更明显知道工作状态，设计了工作指示灯。设计电路如图3-4-2所示。

（五）键盘扫描模块设计

键盘模块设计了4*4键盘，使用了9个按键，K1

是设置，K2是左移，K3右移，K4是上移，K5是下移，K6是加1，K7是减1，K8是确认，K9是开/关。键盘功能分布如图3-5-1

图3-4-1 继电器电路 图3-4-2 工作指示电路

图3-5-2 4*4键盘电路

四、恒温水箱控制系统软件设计

（一）工作流程

此次设计的恒温水箱主要用于医疗卫生、科研、大专院校、实验室等领域，它可用于蒸馏、干燥、浓缩及恒温加热化学药品、生物制品检查血渍和生物实验恒温培养进行消毒之用。因此，系统默认预定温度为60℃，设置这个温度值既可以起到杀菌消毒的作用又可以有效减少能源的消耗。

当上电复位后电阻丝先处于停止加热状态，但也可以直接启动运行。运行过程中，系统不断检测当前温度，并送往显示器显示，达到预定值后停止加热；当温度下降到下限（比预定值低5℃）时再启动加热。这样不断地重复上述过程，使温度保持在预定温度范围之内。运行过程中也可以随时改变设定温度，温度设定好后随即生效，系统按新的设定温度运行。

（二）建立数学模型

控制算法即控制器的操作方式，是控制器对过程变量的实测值与设定值之间的误差信号的响应。温度控制在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。因此长期以来国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究，产生了大批温度控制器，如性能成熟应用广泛的PID调节器、智能控制PID 调节器、自适应控制等。此处主要对一些控制器特性进行分析以便选择适合的控制方法应

用于改造。再加上PID控制具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。其调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、…）。它的控制框图如图4-2-1所示。

图4-2-1 PID控制框图

（三）程序模块

1、主程序

主程序完成系统的初始化，调用温度模块程序,对其预置值及其合法性进行检查，预置温度的显示,调用键盘扫描模块等。若正常执行完三个子程序，则返回初始化进入到其它的状态，主程序的流程图见图4.-3-1所示。

图4-3-1 主程序流程图

2、温度传感器驱动子程序

根据DS18B20的通讯协议，单片机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后再发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求单片机将数据线下拉500us，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60us左右，再发出60～240us的存在低脉冲，CPU收到此信号表示复位成功。

本系统对DS18B20进行的操作主要包括两个子过程：

（1）读取DS18B20的序列号。主机首先发一复位脉冲，等收到返回的存在脉冲后，发出搜索器件的序列号命令，读取DS18B20的序列号；

（2）启动DS18B20作温度转换并读取温度值。主机在收到返回的存在脉冲后，发出跳过器件的序列号命令，跟着发出温度

转换命令，再次复位并收到返回的存在脉冲后，发送DS18B20的序列号，读出数据，程序流程如图4-3-2所示。

3、键盘扫描处理程序

键盘模块的处理是通过对按键进行操作的。具体流程图4-3-3所示。

图4-3-3键盘扫描处理流程图

4、温度检测与控制子程序

读取18B20的实时数据与设定值的比较，开始进行加热，在加热的过程中需要进行每2秒一次的跟踪检测，并把检测到的实时数据与设定值比较，根据比较结果进行不同方式的加热，其具体流程如图4-3-4所示。

五、系统调试

（一）硬件调试

1、系统测试环境

（1）环境温度28摄氏度；

（2）测试仪器: 数字万用表；

（3）数字温度计0-100℃；

2、测试方法

（1）在水箱中存放2L净水，放置1KW的加热棒，打开控制电源，系统工程进入准备工作状态。

（2）用温度计标定测温系统，分别使水温稳定在40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃，观察系统测量温度值与实际温度值，校准系统使测量误差在1℃以内。

（3）动态测试：设定温度为60℃，系统由低温开始进入升温状态。开始记录数据，观察超调量、调节时间和稳态误差；系统进入稳态后，用电风扇吹凉，观察系统的抗扰能力。设定温度为90℃系统由低温开始进入升温状态。开始记录数据，观察超调量、调节时间和稳态误差；系统进入稳态后，用电风扇吹凉，观察系统的抗扰动能力。

（4）检验系统的显示、恒温控制、设定等功能。

3、继电器测试

（1）测触点电阻

用万能表的电阻档，测量常闭触点与动点电阻，其阻值应为“0”；而常开触点与动点的阻值就为无穷大。由此可以区别出那个是常闭触点，那个是常开触点。

（2）测线圈电阻

可用万能表R×10Ω档测量继电器线圈的阻值，从而判断该线圈是否存在着开路现象。

（3）测量吸合电压和吸合电流

找来可调稳压电源和电流表，给继电器输入一组电压，且在供电回路中串入电流表进行监测。慢慢调高电源电压，当继电器一闭合导通时，立即记下该吸合电压和吸合电流。为求准确，可以试多几次而求平均值。

（4）测量释放电压和释放电流

也是像上述那样连接测试，当继电器发生吸合后，再逐渐降低供电电压，当继电器一进入断开状态时，记下此时的电压和电流，亦可尝试多几次而取得平均的释放电压和释放电流。一般情况下，继电器的释放电压约在吸合电压的10～50％，如果释放电压太小（小于1/10的吸合电压），则不能正常使用了，这样会对电路的稳定性造成威胁，工作不可靠。

（二）软硬调试

通过对系统的硬件、软件调试，基本上达到了该控制系统原设定的要求，数字温度传感器读温度并进行LCD液晶5110显示。能够在10分钟之内通过控制继电器的通断进行加热达到预定温度值。当温度差大于5℃时，通过PID调整控制数字脉冲的宽度使继电器产生有效的动作，进行220V交流电加热以达到预定温度，如果温度差小于5℃时，则进行PID调整加热达到原预定温度。实验数字如表5-1-1所示、如表5-1-2所示。

表5-1-1实验数字

表5-1-2实验数字

总结

本次设计的新型PID调节恒温水箱，是基于单片机为控制中心的恒温系统，利用温度传感变送器，将采样到的温度信号输入到单片机中，再由单片机作为核心控制器，根据测量温度与设定温度的差值和增量式的PID算法生成控制信号，控制继电器的通电与断电。整个系统结构紧凑、所用芯片少、控制精度高、响应速度快，体积小，成本低。系统在硬件上采用以单片机为中心的结构，充分利用单片机片上及扩展的硬件资源，在满足技术要求的前提下最大限度地减小硬件系统的体积，并具备一定的扩展升级能力。在键盘、显示电路上都采用了串行方式，从而减小了单片机口线的使用，也使使用口线小的单片机成为可能，减小了成本开支。主电源电路采用流行的开关稳压电源，经济实惠，性能稳定。

在软件上，本系统实现了传感器自动识别、故障自动诊断、PID控制参数自整定以及自动调整等高级功能，极大地方便了用户使用，为了全面达到技术要求，设计过程中对软硬件作了大量优化设计。实际应用表明，经过标定的新型PID恒温控制器的控温准确性、重复性以及可靠性均达到了设计指标。并且在此次设计中基于PID算法的温度控制系统采用了经典的增量式PID算法，从某个角度上说这种算法优于传统的控制算法，具有更稳定、控制精度更高等优点，而在控制量的输出上采用了数字式的PWM变换，免去了D/A转换器，减小了成本，且简单易行。在程序的编写过程中特别注意了人机的交互性及各种功能的实现，如键盘控制管理程序和增量式PID运算程序都是经过深思熟虑而精心设计，使系统的操作界面更容易让人理解，同时使用键盘输入控制温度，虽然一定程度上增加了程序的复杂性，但同时也使系统的温度更容易设定。另外，加了EPROM使系统能够在掉电重启动后继续完成加热。

当然,系统同时也存在几处缺点，在选择增量式PID算法时用了速度相对较慢的单片机，而没有采用速度更快的工控机，一定程度上降低了采样频率。采用了STC89C52RC，一方面系统更紧凑但同时系统的可扩展性有所降低。另外采用了经典的增量式PID控制算法，虽然算法简单，但如果采用更先进的算法，如模糊PID，则控制精度会更高。

致谢

经过几个月的毕业设计终于可以画上一个句号了，但是现在回想起来做毕业设计的整个过程，颇有心得，其中有苦也有甜，不过乐趣尽在其中。通过自己动手实现了恒温水箱的温度控制系统的设计，其功能基本符合设计要求。虽然已经完成了此次毕业设计，但是我要感谢在整个毕业设计过程中帮助过我的老师，同学。

首先我要衷心地感谢我的指导老师朱浩亮，他治学严谨，学识渊博，品德高尚，平易近人，在我学习与设计期间不仅传授我做学问的正确态度，还传授我做人的准则，这些都将使我终生受益。无论是在理论学习阶段，还是在论文的选题、资料查询、开题、研究和撰写的每一个环节，我无不得到她的悉心指导和帮助，在她的帮助下我的毕业设计进展顺利。我想借此机会向朱浩亮老师和其他帮助过我的老师表示衷心的感谢，同时也向这三年来帮助过、关心过我的老师、同学们表示衷心感谢！

回顾毕业设计期间的日日夜夜，自己为有机会摆脱生活的烦恼与浮躁，静心钻研，潜心研究，并取得初步研究成果而感到欣慰。欣慰之余，我要向关心和支持我学习的所有领导、同学和朋友们表示真挚的谢意！感谢他们对我的关心和支持！同窗之谊和手足之情，我将终生难忘。师生之情，血浓于水的感情将陪伴我度过一生，这将是我前进、成长的阶梯。

今天的努力必定换来明天的丰收，在未来的学习和研究过程中，我将以更加丰厚的成果来答谢曾经关心、帮助和支持过我的所有领导、老师、同学和朋友。

再一次向所有帮助过我的人们表示最诚挚的谢意，谢谢你们！

参考文献

[1]．李全利.单片机原理及应用技术（第3版）.北京：高等教育出版社， 2008年；

[2]．候玉宝.51系列单片机设计与仿真.北京：电子工业出版社，2008年；

[3]．李群芳.单片机微型计算机与接口技术.北京：电子工业出版社，2007年；

[4]．谢瑞和.串口技术大全.北京：清华大学出版社，2003年；

[5]．孟庆昌等.C语言程序设计.北京：人民邮电出版社，2003年；

[6]. 姚富安．电子电路设计实践[M].济南：山东科学技术出版社，2001年；

[7]. 武卫华. 基于模糊自整定PID的温度系统研究[J]. 电子质量，2003年；

[8]. 汪孝国，王婉丽．高精度PID温度控制器[J].电子与自动化，2000年；

[9]. 催东剑．多点恒温自动控制系统设计[J]．电工技术，2003年；

[10]. 康华光．电子技术基础（第四版）[M].北京：高等教育出版社，1998年；

[11]. 耿长清．单片机应用技术[M].北京：化学工业出版社，2002年；

[12]. 夏红,赏星耀. PID参数自整定方法综述. 浙江科技学院学报， 2003年；

[13]. 陈富安．单片机与可编程应用技术[M]．北京：电子工业出版社，2003年；

[14]. 戴永. 微机控制技术[M]. 湖南:湖南大学出版社，2004年；

[15]. 朱卫华，洪镇南．热处理炉群的温控系统设计[J]．电工技术，2003年；

附录A(系统总路图、PCB 图

)

图A-1 电源模块和继电器模块电路图

图A-2 电源模块和继电器模块PCB 图

图A-3 键盘模块电路图