论文部分内容阅读
摘要：本文主要介绍了电热水暖恒温控制系统的设计方案，硬件和软件的设计，系统调试和数据分析的过程。本系统选用一个AT89S52单片机作为主控部分；温度的采集模块则选用密封防水的温度传感器DS18B20来实现温度的采集；液晶显示屏LCD1602用来观测显示设置的温度和检测的温度。通过按键设置温度与温度传感器检测的温度值比较从而实现单片机对继电器的通路端口的控制。热电管的接线端与继电器的端口相接，由继电器即可实现自动控制环节。本系统初步实现LCD1602显示，温度传感器测温和按键设置温度的功能。
关键词：单片机； LCD1602； DS18B20； 继电器
温度是工业生产领域主要的被控参数之一，与之相关的各种温度控制系统大量的应用于医药、冶金、化工、机械、食品等领域。恒温控制是很多领域生产过程中常用到控制环节，有些生产过程对其温度的控制效果直接影响产品的质量，因此设计一种相对理想的恒温控制系统是有价值的。由于控制环节在工业生产过程中的重要性，特别是在某些方面的迅速发展，（如：微电子技术、计算机技术、自动控制理论、设计方法）加速了国外温度控制系统的迅速发展，并在智能化、参数时变以及自整定等方面取得成果。在智能化控制方面，在世界上以日本、美国、德国、瑞典等国领先，生产了大量的性能特好的温度控制器和仪器仪表，并在广泛的应用于各行业。
1.系统设计方案
本系统是一个电热水暖恒温自动控制系统，主要是通过单片机间接控制热电管的工作来保持水温的恒定。温度传感器采用一个可以检测水温的密封防水探头，直接放入水中检测温度。水温的恒定值是可以通过按键设置，而设置的大小和采集的温度可在显示屏直接读取。继电器可以直接控制热电管是否工作。按键设置的温度值与检测的温度进行比较，当水的温度小于设置的温度时，继电器由常关跳变到常开，热电管工作来加热水温；当达到设置的温度时，继电器重新由回到常关线路，热电管停止加热。如此反复循环，实现该系统的功能。
2.系统的硬件设计
硬件系统是整体系统的的骨架，主要包括单片机最小系统，温度采集，温度设置，加热控制和显示五个部分，每个部分起着不同的作用。最小系统是必不缺少的，每个单片机的工作都离不开最小系统；温度采集和加熱控制是不可分离的两个主要的部分；显示和温度设置是为了实现该系统的可视化与可操作性，方便观测和使用。
温度采集电路：为了满足采集电路的技术指标要求，在传感器的选择上要考虑以下几个方面：
1）温度传感器的温度测量范围应该超过区间0～100℃，这样才能使水温测量准确度有保证。
2）测量精确度应达到不大于0.5℃的参数要求。
3）应考虑传感器放置的位置对测量的精确度的影响及单片机对传感器连接电路的驱动。
显示电路：显示电路采用的是LCD1602与单片机相接来实现显示功能。LCD1602是一种专门用来显示字母、数字和符号的点阵式液晶模块，它的显示的内容为16X2，即可以显示两行显示字母、数字和符号。可以满足本课题的即显示检测的温度又显示设置温度的要求。
温度设置电路：作为单片机系统中的主要输入设备，键盘主要分为编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘通过硬件线路来实现键盘的编码，即每按下一个键，键盘能够自动生成相应的代码并有去抖功能。具有使用方便的特点，但硬件设计较为复杂。而非编码键盘仅用于提供按键开关的状态，由程序来识别键的闭合、消除抖动及产生相应的代码，转入执行该键的功能程序。非编码键盘中按键的使用数量较少，硬件实现简单，在单片机的应用中十分常见。
3.系统的软件设计
软件是功能实现的重要环节，因此好的软件设计可以使整体的灵活性与可操作性提高。本系统的设计方案和步骤为：按照恒温系统的功能和硬件的选取，逐级划分模块；明确模块之间的关系以及数据流动交换方式；确定软件开发环境，选择设计语言，完成模块功能设计，并逐个调试通过。将各个通过调试的模块一起组成一个完整的系统，整体进行调试通过。
本系统主要包括四段程序的设计：温度采集的设计、温度设置、加热控制设计和LCD液晶显示设计。系统接通电源后，系统开始初始化，即各模块恢复到原始状态。温度传感器读取温度同时判断是否需要设置温度，若有则通过按键设置温度的上限值，通过LCD1602一起显示。系统内部判断采集的温度与设定的温度，若采集的温度大于设定的温度则继电器导通常开端，此时热电管开始对水进行加热；反之，继电器导通常闭端，热电管停止加热，LED灯点亮。
4.系统调试与测试
系统的调试环节是本次设计的最后一个环节也是最重要的一个环节。调试包括程序的调试和硬件的调试，前者主要是在仿真电路中检测，而后者是在系统成品后的检测。最后在进行测试的数据分析，验证得出设计是否达到了指定的技术要求。
电路调试中的问题与解决方案：
（1）LCD1602显示的问题
（a）LCD1602不工作
检查电源端连接是否正确，这种情况一般都是电源的正负极接反，重新连接LCD的正负接线端口就可以解决。
（b）LCD1602的指示灯亮但是不显示数字
首先检查LCD1602的引脚是否连接正确，有时是8位数据线与单片机的端口与程序中的不对应，此时重新连接端口或者刚改程序中的端口即可。有时是RS，R/W和E与程序中定义的不同而无法完成数据的指令的传送，但是大多数是出在程序问题中，则需要重新更改程序中有关LCD1602的程序，直至LCD正常显示。
（2）按键问题
（a）按键不能实现加的功能
首先检查按键的一端是否与地相连接，如果没有更改按键的连接方式，若是则检查程序中的调用问题，端口定义是否与图中的相对应。然后进行程序的调试直至按键实现加的功能。
（b）按键不灵敏
按键按下有抖动的过程，在程序中用延时来解决这一问题。按键按下不能加1，主要是延时的问题，重新改写延时的时间即可。
（3）温度采集问题
首先检查DS18B20的电路正确性，若连接错误则更改线路即可，否则检查DS18B20的相应的程序是否正确，若是这部分的错误则需更改程序直到正确为止。
仿真电路无法实现热电管的工作，因此用LED灯代替热电管的工作。继电器的常开端口与黄色的LED灯连接，常闭端口与蓝色的LED灯相接，这里面的黄色灯就是代替实物中的热电管。温度传感器通过加减实现温度的改变。
电路的仿真可以验证电路图与程序是否正确，因此要检测其仿真能实现的功能。主要进行一下三个方面的测试，观测效果。
（a）设置的温度大于检测的温度
（b）设置的温度等于检测的温度
（c）设置的温度小于检测的温度
5.结束语
本设计应用单片机来实现控制功能，温度的采集选用数字式温度传感器DS18B20，自动控制环节选用继电器来实现电路状态的转换，温度的设置选用按键操作，显示电路采用LCD1602液晶显示屏。以上硬件的组合实现了本系统的自动控制水温的功能。
参考文献
[l] 乐建波 编著《温度控制系统》化学工业出版社
[2] 郭炳坤 简单的恒温箱温控电路[J].仪器与未来，1991
[3] 张俊芳，张忠民，刘利民.智能单片机温度控制系统[J].辽宁工程技术大学学报.2004，6（23）：69-71.
[4] 王化祥.传感器原理及应用[M].天津： 天津大学出版社， 1998.
[5] 赵丽娟 邵欣编著《基于单片机的温度监控系统的设计与实现》 机械制造
关键词：单片机； LCD1602； DS18B20； 继电器
温度是工业生产领域主要的被控参数之一，与之相关的各种温度控制系统大量的应用于医药、冶金、化工、机械、食品等领域。恒温控制是很多领域生产过程中常用到控制环节，有些生产过程对其温度的控制效果直接影响产品的质量，因此设计一种相对理想的恒温控制系统是有价值的。由于控制环节在工业生产过程中的重要性，特别是在某些方面的迅速发展，（如：微电子技术、计算机技术、自动控制理论、设计方法）加速了国外温度控制系统的迅速发展，并在智能化、参数时变以及自整定等方面取得成果。在智能化控制方面，在世界上以日本、美国、德国、瑞典等国领先，生产了大量的性能特好的温度控制器和仪器仪表，并在广泛的应用于各行业。
1.系统设计方案
本系统是一个电热水暖恒温自动控制系统，主要是通过单片机间接控制热电管的工作来保持水温的恒定。温度传感器采用一个可以检测水温的密封防水探头，直接放入水中检测温度。水温的恒定值是可以通过按键设置，而设置的大小和采集的温度可在显示屏直接读取。继电器可以直接控制热电管是否工作。按键设置的温度值与检测的温度进行比较，当水的温度小于设置的温度时，继电器由常关跳变到常开，热电管工作来加热水温；当达到设置的温度时，继电器重新由回到常关线路，热电管停止加热。如此反复循环，实现该系统的功能。
2.系统的硬件设计
硬件系统是整体系统的的骨架，主要包括单片机最小系统，温度采集，温度设置，加热控制和显示五个部分，每个部分起着不同的作用。最小系统是必不缺少的，每个单片机的工作都离不开最小系统；温度采集和加熱控制是不可分离的两个主要的部分；显示和温度设置是为了实现该系统的可视化与可操作性，方便观测和使用。
温度采集电路：为了满足采集电路的技术指标要求，在传感器的选择上要考虑以下几个方面：
1）温度传感器的温度测量范围应该超过区间0～100℃，这样才能使水温测量准确度有保证。
2）测量精确度应达到不大于0.5℃的参数要求。
3）应考虑传感器放置的位置对测量的精确度的影响及单片机对传感器连接电路的驱动。
显示电路：显示电路采用的是LCD1602与单片机相接来实现显示功能。LCD1602是一种专门用来显示字母、数字和符号的点阵式液晶模块，它的显示的内容为16X2，即可以显示两行显示字母、数字和符号。可以满足本课题的即显示检测的温度又显示设置温度的要求。
温度设置电路：作为单片机系统中的主要输入设备，键盘主要分为编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘通过硬件线路来实现键盘的编码，即每按下一个键，键盘能够自动生成相应的代码并有去抖功能。具有使用方便的特点，但硬件设计较为复杂。而非编码键盘仅用于提供按键开关的状态，由程序来识别键的闭合、消除抖动及产生相应的代码，转入执行该键的功能程序。非编码键盘中按键的使用数量较少，硬件实现简单，在单片机的应用中十分常见。
3.系统的软件设计
软件是功能实现的重要环节，因此好的软件设计可以使整体的灵活性与可操作性提高。本系统的设计方案和步骤为：按照恒温系统的功能和硬件的选取，逐级划分模块；明确模块之间的关系以及数据流动交换方式；确定软件开发环境，选择设计语言，完成模块功能设计，并逐个调试通过。将各个通过调试的模块一起组成一个完整的系统，整体进行调试通过。
本系统主要包括四段程序的设计：温度采集的设计、温度设置、加热控制设计和LCD液晶显示设计。系统接通电源后，系统开始初始化，即各模块恢复到原始状态。温度传感器读取温度同时判断是否需要设置温度，若有则通过按键设置温度的上限值，通过LCD1602一起显示。系统内部判断采集的温度与设定的温度，若采集的温度大于设定的温度则继电器导通常开端，此时热电管开始对水进行加热；反之，继电器导通常闭端，热电管停止加热，LED灯点亮。
4.系统调试与测试
系统的调试环节是本次设计的最后一个环节也是最重要的一个环节。调试包括程序的调试和硬件的调试，前者主要是在仿真电路中检测，而后者是在系统成品后的检测。最后在进行测试的数据分析，验证得出设计是否达到了指定的技术要求。
电路调试中的问题与解决方案：
（1）LCD1602显示的问题
（a）LCD1602不工作
检查电源端连接是否正确，这种情况一般都是电源的正负极接反，重新连接LCD的正负接线端口就可以解决。
（b）LCD1602的指示灯亮但是不显示数字
首先检查LCD1602的引脚是否连接正确，有时是8位数据线与单片机的端口与程序中的不对应，此时重新连接端口或者刚改程序中的端口即可。有时是RS，R/W和E与程序中定义的不同而无法完成数据的指令的传送，但是大多数是出在程序问题中，则需要重新更改程序中有关LCD1602的程序，直至LCD正常显示。
（2）按键问题
（a）按键不能实现加的功能
首先检查按键的一端是否与地相连接，如果没有更改按键的连接方式，若是则检查程序中的调用问题，端口定义是否与图中的相对应。然后进行程序的调试直至按键实现加的功能。
（b）按键不灵敏
按键按下有抖动的过程，在程序中用延时来解决这一问题。按键按下不能加1，主要是延时的问题，重新改写延时的时间即可。
（3）温度采集问题
首先检查DS18B20的电路正确性，若连接错误则更改线路即可，否则检查DS18B20的相应的程序是否正确，若是这部分的错误则需更改程序直到正确为止。
仿真电路无法实现热电管的工作，因此用LED灯代替热电管的工作。继电器的常开端口与黄色的LED灯连接，常闭端口与蓝色的LED灯相接，这里面的黄色灯就是代替实物中的热电管。温度传感器通过加减实现温度的改变。
电路的仿真可以验证电路图与程序是否正确，因此要检测其仿真能实现的功能。主要进行一下三个方面的测试，观测效果。
（a）设置的温度大于检测的温度
（b）设置的温度等于检测的温度
（c）设置的温度小于检测的温度
5.结束语
本设计应用单片机来实现控制功能，温度的采集选用数字式温度传感器DS18B20，自动控制环节选用继电器来实现电路状态的转换，温度的设置选用按键操作，显示电路采用LCD1602液晶显示屏。以上硬件的组合实现了本系统的自动控制水温的功能。
参考文献
[l] 乐建波 编著《温度控制系统》化学工业出版社
[2] 郭炳坤 简单的恒温箱温控电路[J].仪器与未来，1991
[3] 张俊芳，张忠民，刘利民.智能单片机温度控制系统[J].辽宁工程技术大学学报.2004，6（23）：69-71.
[4] 王化祥.传感器原理及应用[M].天津： 天津大学出版社， 1998.
[5] 赵丽娟 邵欣编著《基于单片机的温度监控系统的设计与实现》 机械制造