单片机的水箱恒温控制系统设计
目录
引言 1
一、水箱恒温控制系统总体方案设计 2
（一）系统方案论证 2
（二）运用单片机实现恒温控制方法 4
二、 水箱恒温控制系统硬件电路设计 4
（一）单片机最小系统的设计 4
（二）电源模块设计方案的选择 6
（三）按键输入模块电路设计 7
（四）水箱恒温控制系统显示电路 7
（五）水箱恒温控制系统测温电路设计 8
（六）热电偶加热电路设计 8
（七）降温控制电路设计 9
（八）单片机ISP程序下载口设计 10
三、 水箱温度控制系统软件设计 10
（一）系统主程序流程图 10
（二）按键输入处理程序流程图 11
（三）温度控制程序流程图 11
四、系统仿真 12
总结 14
致谢 15
参考文献 16
附录A 硬件电路图 17
附录B 软件程序图 18
引言
在工业控制领域里，温度是很常见的被控对象之一。这在一些特殊的行业中比如化工，机械制造，冶金等，温度这个参数显得尤其重要。在一些温度控制的项目中，设计者们会大量地使用热敏电阻，热电偶等作为温度传感器。通过运放组成的信号处理电路把这些传感器的输出信号转换成稳定的电压值输出，然后再通过AD转换器把电压值转换成相应的数字量，然后在可编程控制器内部通过一定的换算关系把这个数字量还原成当前的实际温度值。但在上述方案中，处理电路和信号的采集都是通过纯模拟电路来实现的，模拟电路设计通常比较复杂，而且结果也不准确，每个环节都很容易受到干扰，所以最终的测量精度十分有限。
通过基础的PID算法控制和根据曲线以点来进行控制是最常见的方式，这种方式在一般应用中表现尚可，一旦碰到复杂的带时变的，系统效果就会变得很不理想。所以目前我国的恒温控制技术还不能很好地适应那些要求比较高的控制场合，与某些发达国家还存在着明显的差距。
恒温控制技术在一些工业控制领域中非常重要。因为温度的调节存在很大的惯性，而且控制输出和参数变化之间存在一定的滞后，所以相对来说对调
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/> 通过基础的PID算法控制和根据曲线以点来进行控制是最常见的方式，这种方式在一般应用中表现尚可，一旦碰到复杂的带时变的，系统效果就会变得很不理想。所以目前我国的恒温控制技术还不能很好地适应那些要求比较高的控制场合，与某些发达国家还存在着明显的差距。
恒温控制技术在一些工业控制领域中非常重要。因为温度的调节存在很大的惯性，而且控制输出和参数变化之间存在一定的滞后，所以相对来说对调解器的智能性和稳定性要求较高。如果温度一旦控制不好，往往会带来很严重的后果。轻则影响产品产量和质量，严重的可能会使得整个生产车间瘫痪。随着芯片的制造工艺和集成度的提升，新一代的单片机被制造出来，它极高的性能和极低的价格迅速占领着电子市场。这使我们可以在单片机中通过软件PID来对温度进行控制，在一些特殊的控制场合针对控制对象的特性在软件中进行特殊地处理来进行一些相应的补偿，从而达到理想控制效果。
本设计中选择51单片机来作为整个设计的主控芯片，温度传感器选择美国达拉斯公司的DS18B20数字式的温度传感器。单片机是通过单总线的通讯时序来驱动DS18B20读取当前的温度数据，然后把温度值显示在LCD1602液晶显示器上。在系统中共设计了七个按键，这七个按键用来对保温的温度值进行设定，它们的功能分别为上下左右加减确定。首先在正常界面上按确定后会出现光标，此时按上下左右键可以控制光标的移动。当光标移到需要修改的值上面时就按加减对这个值进行修改，修改完后再次按下确定后光标消失，单片机将新的设定值保存到内部EEPROM中，新的值代替了旧的值。在该方案中，采用PID的控制算法来进行温度的恒定控制。单片机首先会判断实际温度值和设定值之间的差值，如果差值过大就会直接全速加热或降温。当温度接近后开始启动PID进行调节，这样就可以保证系统能在快速调节的前提下做到很好的稳定性和可靠性。
一、水箱恒温控制系统总体方案设计
（一）系统方案论证
1.方案一 FPGA核心器件
方案一系统框图如图1-1所示：
图1-1方案一系统框图
在方案一的设计中，选择FPGA芯片来作为整个系统的主控芯片。FPGA芯片的程序采用的是VHDL语言，因为FPGA的内部是一个个排列好的逻辑门电路，。在我的方案里面，我选择TFT彩屏来实现显示的功能。目前市面上好多高端工控产品都是使用TFT彩屏来显示的，因为TFT彩屏的显示界面非常的细致，而且由于FPGA内部软件是硬件形式存在的，所以系统具有一个非常强大的抗干扰性能。参数的输入使用FPGA内部的PS/2硬件解码接口来进行解码，设定值保存在FPGA内部的存储序列上。温度采集使用模拟式温度传感器，FPGA编程实现了内部AD模块对传感器的输出进行采样。最终的输出控制采用数字式的PID运算模块，然后将计算结果通过继电器进行输出控制。这种方案中所有的处理模块都是在FPGA内部通过VHDL编程来实现的。FPGA对开发人员的整体素质要求非常高，不适合这种小型系统的开发，所以最终我没有选择这个方案。
2. 方案二ARM核心器件
方案二系统框图如图1-2所示：
图1-2 方案二系统框图
在方案二的设计中，选择32位的ARM芯片作为整个系统的主控芯片，ARM芯片天生就是为微型操作系统而设计的。所以，我在ARM芯片中运用ucosII操作系统，把设计中的这些要求统统细分为一个个的任务，人物和任务之间的数据交换和同步通过邮箱或信号量实现。在显示设计中，选择LCD12864液晶，通过调用ucGUI库驱动液晶。这种方式能很好地实现人机界面的控制。温度检测通过4148PN节的温度特性来检测，这样的话成本就会更低，但是就会相对失去一些温度的精度。但是在用了操作系统后内部所有调度都是由系统自主完成的，不用人为设定，程序一旦出现错误，根本就无法进行排查，所以我最终也放弃了这种方案。
3. 方案三单片机核心器件
方案三系统框图如图1-3所示：
图1-3 方案三系统框图
在方案三的设计中，选择市面上比较常见的8位51单片机作为整个系统的主控芯片。这个设计本身就是一个小型的电子系统，不耗费太多资源，而且这种小设计对成本的控制要求比较高。51系列单片机从上市到现在经历了很长时间，已经受足市场的检验。由于各方面技术都很成熟，所以，51单片机的售价非常低廉。网络上也存在很丰富的有关51单片机的资料和示例程序。在这个方案里，我选择一片小型的LCD1602液晶作为显示设备。LCD1602和51单片机一样，也经历了很长时间的市场验证并且售价也不高，网络上就有很多1602液晶的驱动示例代码。在温度检
引言 1
一、水箱恒温控制系统总体方案设计 2
（一）系统方案论证 2
（二）运用单片机实现恒温控制方法 4
二、 水箱恒温控制系统硬件电路设计 4
（一）单片机最小系统的设计 4
（二）电源模块设计方案的选择 6
（三）按键输入模块电路设计 7
（四）水箱恒温控制系统显示电路 7
（五）水箱恒温控制系统测温电路设计 8
（六）热电偶加热电路设计 8
（七）降温控制电路设计 9
（八）单片机ISP程序下载口设计 10
三、 水箱温度控制系统软件设计 10
（一）系统主程序流程图 10
（二）按键输入处理程序流程图 11
（三）温度控制程序流程图 11
四、系统仿真 12
总结 14
致谢 15
参考文献 16
附录A 硬件电路图 17
附录B 软件程序图 18
引言
在工业控制领域里，温度是很常见的被控对象之一。这在一些特殊的行业中比如化工，机械制造，冶金等，温度这个参数显得尤其重要。在一些温度控制的项目中，设计者们会大量地使用热敏电阻，热电偶等作为温度传感器。通过运放组成的信号处理电路把这些传感器的输出信号转换成稳定的电压值输出，然后再通过AD转换器把电压值转换成相应的数字量，然后在可编程控制器内部通过一定的换算关系把这个数字量还原成当前的实际温度值。但在上述方案中，处理电路和信号的采集都是通过纯模拟电路来实现的，模拟电路设计通常比较复杂，而且结果也不准确，每个环节都很容易受到干扰，所以最终的测量精度十分有限。
通过基础的PID算法控制和根据曲线以点来进行控制是最常见的方式，这种方式在一般应用中表现尚可，一旦碰到复杂的带时变的，系统效果就会变得很不理想。所以目前我国的恒温控制技术还不能很好地适应那些要求比较高的控制场合，与某些发达国家还存在着明显的差距。
恒温控制技术在一些工业控制领域中非常重要。因为温度的调节存在很大的惯性，而且控制输出和参数变化之间存在一定的滞后，所以相对来说对调
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
/> 通过基础的PID算法控制和根据曲线以点来进行控制是最常见的方式，这种方式在一般应用中表现尚可，一旦碰到复杂的带时变的，系统效果就会变得很不理想。所以目前我国的恒温控制技术还不能很好地适应那些要求比较高的控制场合，与某些发达国家还存在着明显的差距。
恒温控制技术在一些工业控制领域中非常重要。因为温度的调节存在很大的惯性，而且控制输出和参数变化之间存在一定的滞后，所以相对来说对调解器的智能性和稳定性要求较高。如果温度一旦控制不好，往往会带来很严重的后果。轻则影响产品产量和质量，严重的可能会使得整个生产车间瘫痪。随着芯片的制造工艺和集成度的提升，新一代的单片机被制造出来，它极高的性能和极低的价格迅速占领着电子市场。这使我们可以在单片机中通过软件PID来对温度进行控制，在一些特殊的控制场合针对控制对象的特性在软件中进行特殊地处理来进行一些相应的补偿，从而达到理想控制效果。
本设计中选择51单片机来作为整个设计的主控芯片，温度传感器选择美国达拉斯公司的DS18B20数字式的温度传感器。单片机是通过单总线的通讯时序来驱动DS18B20读取当前的温度数据，然后把温度值显示在LCD1602液晶显示器上。在系统中共设计了七个按键，这七个按键用来对保温的温度值进行设定，它们的功能分别为上下左右加减确定。首先在正常界面上按确定后会出现光标，此时按上下左右键可以控制光标的移动。当光标移到需要修改的值上面时就按加减对这个值进行修改，修改完后再次按下确定后光标消失，单片机将新的设定值保存到内部EEPROM中，新的值代替了旧的值。在该方案中，采用PID的控制算法来进行温度的恒定控制。单片机首先会判断实际温度值和设定值之间的差值，如果差值过大就会直接全速加热或降温。当温度接近后开始启动PID进行调节，这样就可以保证系统能在快速调节的前提下做到很好的稳定性和可靠性。
一、水箱恒温控制系统总体方案设计
（一）系统方案论证
1.方案一 FPGA核心器件
方案一系统框图如图1-1所示：
图1-1方案一系统框图
在方案一的设计中，选择FPGA芯片来作为整个系统的主控芯片。FPGA芯片的程序采用的是VHDL语言，因为FPGA的内部是一个个排列好的逻辑门电路，。在我的方案里面，我选择TFT彩屏来实现显示的功能。目前市面上好多高端工控产品都是使用TFT彩屏来显示的，因为TFT彩屏的显示界面非常的细致，而且由于FPGA内部软件是硬件形式存在的，所以系统具有一个非常强大的抗干扰性能。参数的输入使用FPGA内部的PS/2硬件解码接口来进行解码，设定值保存在FPGA内部的存储序列上。温度采集使用模拟式温度传感器，FPGA编程实现了内部AD模块对传感器的输出进行采样。最终的输出控制采用数字式的PID运算模块，然后将计算结果通过继电器进行输出控制。这种方案中所有的处理模块都是在FPGA内部通过VHDL编程来实现的。FPGA对开发人员的整体素质要求非常高，不适合这种小型系统的开发，所以最终我没有选择这个方案。
2. 方案二ARM核心器件
方案二系统框图如图1-2所示：
图1-2 方案二系统框图
在方案二的设计中，选择32位的ARM芯片作为整个系统的主控芯片，ARM芯片天生就是为微型操作系统而设计的。所以，我在ARM芯片中运用ucosII操作系统，把设计中的这些要求统统细分为一个个的任务，人物和任务之间的数据交换和同步通过邮箱或信号量实现。在显示设计中，选择LCD12864液晶，通过调用ucGUI库驱动液晶。这种方式能很好地实现人机界面的控制。温度检测通过4148PN节的温度特性来检测，这样的话成本就会更低，但是就会相对失去一些温度的精度。但是在用了操作系统后内部所有调度都是由系统自主完成的，不用人为设定，程序一旦出现错误，根本就无法进行排查，所以我最终也放弃了这种方案。
3. 方案三单片机核心器件
方案三系统框图如图1-3所示：
图1-3 方案三系统框图
在方案三的设计中，选择市面上比较常见的8位51单片机作为整个系统的主控芯片。这个设计本身就是一个小型的电子系统，不耗费太多资源，而且这种小设计对成本的控制要求比较高。51系列单片机从上市到现在经历了很长时间，已经受足市场的检验。由于各方面技术都很成熟，所以，51单片机的售价非常低廉。网络上也存在很丰富的有关51单片机的资料和示例程序。在这个方案里，我选择一片小型的LCD1602液晶作为显示设备。LCD1602和51单片机一样，也经历了很长时间的市场验证并且售价也不高，网络上就有很多1602液晶的驱动示例代码。在温度检
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