基于AT89S52单片机的水温控制系统设计
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基于 AT89S52 单片机的水温控制系统设计
郑云水1 ,杜丽霞2
(1. 兰州交通大学 自动化与电气学院 730070 ;2. 兰州交通大学 电子与信息工程学院 730070)
摘 要 :介绍如何应用单片机使温度测控系统中的测量和控制智能化及一种基于 A T89S52 单片机的温度测控装置。该
装置可实现对温度的测量 ,并能根据设定值对环境温度进行调节 ,实现控温的目的。重点阐述系统的硬件构成、各部分的主
要作用及系统软件的设计过程。并对单片机在温度控制系统中的基本理论和应用技术做了较为全面的介绍。
关键词 :A T89S52 ;温度测控 ;温度传感器 ;控制智能化
中图分类号 : TP36811 文献标识码 :B 文章编号 :10042373X(2008) 062156203
Design of Temperature Control System Based on AT89S52
ZHEN G Yunshui1 ,DU Lixia2
(1. School of Automation and Electrical Engineering ,Lanzhou Jiaotong University ,Lanzhou ,730070 ,China ;
2. School of Electronic and Information Engineering ,Lanzhou Jiaotong University ,Lanzhou ,730070 ,China)
Abstract : The paper introduces intelligent temperature measurement and control system to use single chip. proposes a mi2
crocontroller2based A T89S52 temperature measurement and control device. The device can achieve the right temperature meas2
urement ,and set value based on the environmental temperature regulation ,temperature control to achieve the purpose. This pa2
per focuses on the hardware configuration of the system ,the main part of the role and system software design process. The de2
sign of the microcontroller temperature control system of the basic theory and application of techniques are more comprehen2
sive presentation.
Keywords :A T89S52 ;temperature monitoring ;temperature sensor ;intelligent control
收稿日期 :2007209225
1 引 言
单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛 ,在很多
的电子产品中也用到温度检测和温度控制。随着温度控
制器应用范围的日益广泛和多样性 ,各种适用于不同场合
的智能温度控制器应运而生。在科研、生产中 ,常需要对
某些系统进行温度的监测和控制。需检测和控制的温度
系统一旦确定 ,其热惯性大小和散热等各项硬件条件就确
定了。下面介绍如何用“单片机模型法”实现系统温度的
自动控制。用这种方法控温 ,使整个系统灵活、可靠性高 ,
系统达到热平衡较快 ,而且精度也比较高 ,融合了前面列
举方法的优点 ,而且更加简单方便。此方案优点是电路简
单并且可以满足题目中的各项要求的精度 。系统设计总
体框图如图 1 所示。
2 硬件电路的系统组成
2. 1 A T89S52 单片机系统
选用 A T89S52 作为主芯片 ,因为此芯片有 8 kB 的程
序存储器和 256 B 的数据存储器不用扩展芯片 ,以降低硬
件电路复杂度。
(1) 输入键盘设计
这里采用的键盘是 4 ×4 的 , 其中有 0 ～ F , 可以在
40～90 ℃之间任意设定值。系统要求第一次输入的值要
在 4～9 之间 ,当小于 4 或大于 9 时系统不处理 ,等待输入
正确的值。当系统得到正确的输入值时键盘锁定 ,随后的
输入系统必须复位。键盘是用 A T89S52 的 P0 口来控制。
图 1 系统的结构框图
(2) 输出显示设计
显示是应用 L ED 来显示的 ,通过 A TF1508 设计编
码。其实质就是为了程序在一定的条件下更加的合理与
简洁。在单片机 A T89S52 与 A TF1508 通信是应用到
A T89S52 的 P2 口。L ED 的前 4 位为实时采样取回的温
度 ,后 3 位为想要的目标温度。
(3) 与上位机的串口通信
为了实时地对温度的变化更加直观的显示还用上位
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元器件与应用 郑云水等 :基于 A T89S52 单片机的水温控制系统设计
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机的串口通信 ,用计算机来打印数据。
2. 2 传感器和测温电路的设计
本次设计采用 18B20 对温度进行采样 ,18B20 是全数
字的 ,其分辨率达到 0. 062 5 ℃,并且他的外围电路十分
简单 ,工作效率高 ,在工作的范围 - 55～125 ℃之间都可
以很好的工作。
2. 3 电炉功率控制
采用对电炉两端的电压进行通断的方法 ,用单片机产
生 PWM 波以实现对水加热功率进行控制 ,不同的占空比
对应不同的功率 ,具体控制中占空比的实时值是根据模糊
控制规则自动调节。
(1) 弱电控制强电 :用固态继电器 ,其电路图如图 2
所示。
图 2 固态继电器电路图
(2) PWM 波 :PWM 是一种对模拟信号电平进行数字
编码的方法。通过高分辨率计数器的使用 ,方波的占空比
被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM
信号仍然是数字信号 ,因为在给定的任何时刻 ,满幅值的
直流供电不是完全有 (ON) ,就是完全无 (OFF) 。电压或
电流源是以一种通(ON) 或断(OFF) 的重复脉冲序列被加
到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载
上的时候 ,断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足
够 ,任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。
2. 4 降温控制
PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用 ,方波的占空比被调制用来对
一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍然是
数字信号 ,因为在给定的任何时刻 ,满幅值的直流供电要
么完全有(ON) ,要么完全无 (OFF) 。电压或电流源是以
一种通(ON) 或断(OFF) 的重复脉冲序列被加到模拟负载
上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候 ,断
的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够 ,任何模拟
值都可以使用 PWM 进行编码。
(1) 风扇的控制
风扇是用来降温的 ,他的工作原理也是应用继电器来
控制 ,在一定的温度范围内 ,风扇开始工作。
(2) 冰水混合物
应用冰水混合物进行温度标定 ,标定为 0 ℃。
3 软件的模型及设计
3. 1 模型建立以及设计思路
本智能温度控制系统是通过控制加热电源的通断来
控制温度和改变加热升温速度。加热过程需要考虑的因
素主要有 :被加热对象的热容量的大小、系统向外界扩散
热量的多少以及系统热扩散的速度。快速升温时间 t 应由
t1 和 t2 两部分组成 ,即 :
t = t1 + t2
其中 :t1 为为了补偿系统向环境散热而需要加热的时间 ;
t2 为系统(实际) 温度与设定 (目标) 温度有差额时需加热
的时间。
在温度调节阶段 ,降温和升温过程交替出现 ,程序通
过图 1 中的分界点 T r , T1 , T2 来调节温度的升降 ,最终使
系统达到相对稳定进入恒温保持阶段。根据模型曲线不
同阶段的要求 ,可以通过 PID 软件自动控制他的加热模
式。对一个任务而言 ,温度加热、调节及恒温保持阶段软
件设计流程图。本系统是个多步智能温度控制器 ,他可以
完成预先设置的若干个任务 ,即每个步骤的温度值及恒温
需要保持的时间 ,每步都重复的程序流程。系统流程如
图 3所示。
图 3 温度控制系统流程图
3. 2 模型曲线及控温参量的确定
3. 2. 1 模型曲线的建立
图 4 为控温模型曲线。图 4 中 T 为系统温度 , T a 为设
定温度。控温过程共分为 3 个阶段 :快速加热、温度调节和
恒温保持。其中第一阶段只有简单的快速升温过程 , 而其
余阶段均由升温和降温过程即温度调节过程组成。根据设
计需要针对各阶段要求如下 :在快速加热阶段即在达到点
T r 之前 ,加热速度要快 ,使系统温度 T 以尽量短的时间达
到设定温度 T a 。当 T 达到设定温度 T a 时即停止加热 ,在停
止加热后由于热惯性 , T 将继续升高 ,使得 T 会超过 T a 而
达到最大值 A 点。在温度调节阶段 ,以 T1 , T2 点为分界点
降温与升温过程重复出现。进入恒温保持阶段 , 要求系统
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《现代电子技术》2007 年第 6 期总第 269 期 t 新型元器件 ü
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温度 T 能稳定在设定温度 T a 的附近 , 并保持够设定的时
间直到系统进入到下一个设定的任务为止。曲线上 A ,B ,
C ?为极大值点 ,D ,E ,F ?为极小值点 ;他们的绝对值随时
间增加都在逐渐减小 ,进入恒温保持阶段后在允许误差范
围内趋于稳定。
图 4 温控模型曲线
3. 2. 2 模型曲线控制参量的确定
模型曲线中的控制参量是在反复多次的实验的基础
上最终确定下来的。图 4 中的 T a 是每个任务预设的温度
值 , T r 和 T 2 点是系统停止加热的起始点 ,而 T1 点则是系
统开始加热的起始点。ΔT1 = T1 - T a = + 2 ℃,ΔT2 = T2
- T a = - 2 ℃是系统加热和调节过程中的 2 个门限值 ,而
T r 是系统的一个重要的分界点 ,具体说明如下 :
在快速加热的过程中 ,当系统温度第一次达到预置的
某个阶段的设定温度即达到 Tr 点时 ,系统就立即停止加
热 ,之后系统由于热惯性会继续升温到最大值 A 点 ,而后开
始降温 ;在降温过程中 , T到达 T1 点即 T - Ta = 2 ℃时 ,系
统开始预加热 ,即缓冲系统温度持续下降的幅度;在升温过
程中 ,当达到 T2 点即 T - Ta = - 2 ℃时 ,停止加热 ,即防止
由于热惯性导致温度的极大值过大。由此可见 Tr , T1 及 T2
点的温度值是软件设计中需要参考的重要参量。
4 数据测试及分析
数据测试结果如表 1 所示。
表 1 数据结果记录表
设定温度 / ℃ 稳定时间 稳定下限 / ℃ 稳定上限 / ℃
41. 0° 1 min20 s 40. 6 41. 4
55. 5 1 min50 s 55. 0 55. 9
65. 5 2 min10 s 64. 9 65. 4
77. 7 2 min55 s 77. 2 77. 9
89. 0 3 min20 s 88. 8 89. 2
从测定结果可以分析出 :该系统测量的温度误差保持
在 0. 2 ℃左右 ,能够达到水温控制系统的要求。
5 结 语
分段变参数温度监控系统 ,可以方便用户远程控制和
监视设备的工作 ,并具有测温、控温精度高、显示直观、运
行可靠、成本低廉、扩展方便、使用简单等优点。本系统测
温及控温范围为 - 50～125 ℃,测温误差不超过 ±0. 2 ℃,
控温误差在达到温度平衡后也不超过 ±0. 2 ℃,在温度调
节阶段达到平衡温度时间相对较短 ,在现场的测试及应用
中收到了相当好的效果。
参 考 文 献
[1 ] 潘笑 ,高玉玲 ,康亚娜. 基于模糊 PID 的 A T89C2051 单片机
智能温度控制系统[J ]. 兵工自动化 ,2006 (5) :65267.
[2 ] 陈良光 ,管聪慧. 由数字式传感器 DS18B20 构成的多点测温
系统[J ]. 传感器世界 ,1999 (9) :32235.
作者简介 郑云水 男 ,1972 年出生 ,硕士研究生 ,讲师。主要从事自动控制 (铁路信号) 专业课教学工作。
杜丽霞 女 ,1968 年出生 ,甘肃定西人 ,硕士 ,副教授。
(上接第 155 页)
UART0. Dll (_ FLA TREL EASEDIR) \ UART0. Dll N K
SH
并注释掉 :
;irsir. dll (_FLA TREL EASEDIR) \ irsir. dll N K SH
;irda2440. dll (_ FLA TREL EASEDIR) \ ser2440. dll N K
SH
;ser2440. dll (_ FLA TREL EASEDIR) \ ser2440. dll N K
SH
完成以上修改后 rebuild 就可以实现 UART0 的驱动 ,
然后下载内核到目标板利用串口调试程序测试。
5 结 语
在嵌入式技术飞速发展的今天 ,Windows CE 必将有
广泛的应用前景。编写高效的设备驱动程序也将带动外
围设备的开发。
参 考 文 献
[1 ] 陈向群 ,王雷. Windows CE. NET 系统分析及实验教程
[ M ]. 北京 :机械工业出版社 ,2003.
[2 ] Microsoft. Microsoft Windows CE Device Driver Kit [ M ].
希望电脑公司 ,译. 北京 :希望电子出版社 ,2000.
[3 ] 周毓林 ,宁杨 ,陆贵强 ,等. Windows CE. net 内核定制及应
用开发[ M]. 北京 :电子工业出版社 ,2005.
[4 ] 何宗键. Windows CE 嵌入式系统[ M ]. 北京 :北京航空航天
大学出版社 ,2006.
[5 ] SUMSUN G S3C2440A 用户手册[ Z].
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元器件与应用 郑云水等 :基于 A T89S52 单片机的水温控制系统设计
基于AT89S52单片机的水温控制系统设计
