基于51单片机的恒温水箱控制系统设计

科技创新与应用

设计创新基于51单片机的恒温水箱控制系统设计李亚辉，冯

俐，尹玉玲，宋今辉，熊浪龙，肖荣峰

（贵州中医药大学，贵州贵阳550025）

摘要：为了实现对恒温水箱水温的精确控制，文章提出了基于51单片机的恒温水箱控制系统设计。系统以51系列STC89C52

单片机为核心，利用数字传感器DS18B20采集水温，并通过数码管进行实时显示，采用经典PID控制算法和PWM控制技术，对被控对象进行实时控制，从而实现对水温的精确调节。实际应用表明：该恒温水箱系统具有成本低廉，可靠性好，控制精度高、实用性强的特点，具有很高的实用价值和应用前景。

关键词：单片机；数字温度传感器；PID控制；恒温水箱

中图分类号院TP273

文献标志码院A

文章编号院2095-2945渊2020冤04-0091-03

Abstract:Inordertorealizetheaccuratecontrolofthewatertemperatureoftheconstanttemperaturewatertank,thispaperputsforwardthedesignoftheconstanttemperaturewatertankcontrolsystembasedon51singlechipmicrocomputer.Thesystemtakes51seriesSTC89C52singlechipmicrocomputerasthecore,usesthedigitalsensorDS18B20tocollectthewatertemperature,andcarriesonthereal-timedisplaythroughthedigitaltube,usestheclassicalPIDcontrolalgorithmandthePWMcontroltechnolo鄄gy,carriesonthereal-timecontroltothecontrolledobject,thusrealizestheaccurateadjustmentofthewatertemperature.Theprac鄄ticalapplicationshowsthattheconstanttemperaturewatertanksystemhasthecharacteristicsoflowcost,goodreliability,highcon鄄trolprecisionandstrongpracticability,andhashighpracticalvalueandapplicationprospect.

Keywords:singlechipmicrocomputer;digitaltemperaturesensor;PIDcontrol;constanttemperaturewatertank

引言

随着社会的进步和科技的发展，智能化已经成为恒温控制系统发展的主流。恒温水箱无论是在工业控制领域，还是在医疗保健、智能家居等领域都有着广泛的应用。例

热水器，如：人们生活中常见的饮水机、工业生产中的大型

恒温水箱加热设备等。不同的应用领域，对水温控制的精度要求也不一样，其中对水温的精确检测和对被控对象的精确控制，直接决定了恒温水箱控制系统性能的好坏。随着对测量精度和控制精度要求的不断提高，一般的恒温水箱很难满足实际应用的需要，所以设计一种高精度、多功能的恒温控制水箱就显得尤为重要[1]。

本文提出了一种基于51单片机的恒温水箱控制系统

采用STC89C52单片机为核心控制器，的设计。该单片机具

片内资源丰富、价格便宜等优有低功耗、数据处理能力强、

点[2]。利用高精度数字温度传感器实时采集水温，通过PID控制算法和PWM控制技术[3-5]，实现对水温的精确控制。

1控制系统工作原理及总体设计

恒温水箱水温控制系统的总体设计框如图1所示。首先，单片机利用数字温度传感器不断的对水温进行实时采集，然后将采集到的水温与预设的温度值进行比较，并利用PID控制算法计算出相应的调控量，最后单片机根据调控量输出PWM控制量，并通过驱动电路对加热元件进行控制，从而实现对水温的精确调节。其中数码管温度显示、加热指示灯和温度参数设置单元，组成了人机交互部分，

用户可以通过外部的控制按键，对水温值进行预设置，单片机将该设定值保存在片内E2PROM中，即使在掉电时，设置的数据仍然存在。当恒温水箱加热时，加热指示灯发光，便于观察系统处于何种工作状态。同时增加了报警单元，当控制系统发生故障时，及时发出报警信息，从而保证了使用的安全性。

图1系统总体框图

2系统硬件电路设计

本文设计的水温控制系统，以STC89C52单片机为核心，包括水温采集电路，温度显示电路、驱动电路和参数设置电路等。

2.1水温采集电路对水温的采集，选用DS18B20数字温度传感器。该温度传感器采用防水密封形式，内部集成了A/D转换，工作

（1985-）计算机与电力电子装备与系统。作者简介：李亚辉，男，博士研究生，助教，研究方向：-91-

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科技创新与应用

2020年4期电压：3~5V/DC，测量温度范围：-55~128益，测量最小分辨率为0.0625益，完全能够达到实际要求，使用起来也比较方便[6]。水温采集电路，如图2所示。

图2水温采集电路

2.2温度显示电路

温度显示电路采用4位共阴极数码管显示，如图3所示。其中a、b、c、d、e、f、g、dp为数码管的段码，s1、s2、s3、s4为数码管的位码，单片机通过同相驱动芯片74LS244来控制段码和位码，并通过动态显示的方式让4个数码管达到同时显示的效果。

有效的控制双向晶闸管的导通触发角，使主功率回路能够按照一定的功率输出，从而间接的控制水箱中水的温度。

2.4参数设置电路

参数设置电路如图5所示。可以通过S1、S2、S3三个按键对温度预设值进行设置。单片机的P2.0引脚接S1按键，P2.1引脚接入S2按键。P2.2引脚接S3按键。当有键按下时，单片机接收到低电平，然后根据端口的电平状态做相应的处理。

（1）S1为温控切换键：从温度显示状态切换到预设温度值设置状态。

（2）S2为温度增加键：当处于设置状态时，按动此按键使预设温度值增加。

（3）S3为温度减少键：当处于设置状态时，按动此按键使预设温度值减少。

图3温度显示电路

1tde(t)2.3驱动电路及加热元件

u(t)Kpe(t)e(t)dtTd

Ti0dt驱动电路及加热元件如图4所示。单片机引脚发出

式中：t为采样序号；u（t）为系统输出；Kp为比例系数；PWM脉冲信号，通过驱动芯片7407连接至光耦的原边，

Td为微分时间常数。当PWM信号为低电平时，光耦原边的发光二极管流过电Ti为积分时间常数；

当系统的输出信号偏离输入给定值时，比例增益环节流，促使光耦副边导通，在220V交流电的作用下，串联在

主回路中的双向晶闸管TRIAC导通，此时220V交流电施立即产生调节作用，使系统偏差快速向减小的趋势变化。

从而实现对加在电热丝上，从而给水进行加热。通过该驱动电路可以积分环节的引入是为了消除系统的稳态误差，

图5参数设置电路

3系统软件设计

恒温水箱系统软件的核心为控制算法，本设计采用PID控制算法，并结合相应的子程序完成对被控对象的控制。

3.1PID控制器的基本原理

PID控制系统主要包括PID控制器和被控对象两大部分。其中PID控制器由比例、积分和微分三个环节构成，如图6所示。（rt）为输入给定量，y（t）为输出量，e（t）为反馈误差，误差通过比例、积分和微分的线性组合求出调节量u（t），从而实现对被控对象的控制。

对于经典的PID控制方法，其控制方程式为：

图4驱动电路及加热元件

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2020年4期TechnologyInnovationandApplication

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设计创新图6PID控制控制原理框图

设定值的无静差跟踪。微分环节的引入，主要是为了改善控制系统反应滞后的情况，通过预见偏差变化的趋势，提高系统3.2反主应程速序度流。

程图

图7主程序流程图

本系统采用闭环的控制方式，主程序的流程图如图7所示。在完成系统初始化之后，单片机对水温进行采集，将采集的结果与预设温度值进行比较，然后根据其偏差量，利PWM用经典PID控制算法计算出调水温的控目制的。

量给外部的驱动电路，从控而达到量，最后控制输被出相控对应象对于水温的读取，首先需要对DS18B20数字温度传感器进行初始化，然后写入相应的控制命令，待DS18B20将温度数据采集后，再将数据读取到单片机，具体流程如图8所示。

4采系统仿真

用MATLAB软件对PID控制控制算法进行仿真，其结果如图9所示。

从图9可以看出，水温初始度为25度左右，在PID控制算法的调节下，水温缓慢上升，最终稳定在预设值60度左右，整个过程超调量小，且控制精度高。通过仿真结果可以看出5，系统的硬件和软件设计是比较合理的。

本文结束语

主要介绍了基于STC89C52单片机的恒温水箱监控系统，包括硬件设计和软件设计。该系统能够对水箱内

图8水温读取子程序

图9恒温水箱温度控制曲线

的水PWM温进行实时监测，利用经典PID控制算法，通过输得恒温控水制箱量内来的水控制温始被控终对能象保，持最在终预实设现的对温水度值温的附调近节。，出

使该系统稳定可靠，响应速度快，且控制精度高，具有很大的应用价值。参考文献院

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控制的恒温水箱温控制系统设计的研何希才山东.工传感器业技术，及其2017应（用14电路）：235.

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