[科普中国]-水温自动控制

引言

随着计算机技术、测量仪器和控制技术的高速发展, 现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，应用了越来越多的先进测量控制技术、设备和方法.在这些众多的先进测量控制技术中,如何对水温进行控制成为焦点课题之一,为越来越多的科研机构所重视。

温度是极为重要而又普遍的热工参数之一，在环境恶劣或温度较高等场下，为了保证生产过程正常安全的进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度和节约能源，及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制,在许多工业场合中都是重要的环节。一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程，因此，应以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。另外，单片机的使用也为实现水温的智能化控制提供了可能，例如实现自动切断电源，语音提示，自动加热，远程控制等。

温度控制的现状目前市场上经销的温度控制系统大多是采用模拟电路及继电器控制，存在电路繁琐,可调节性差，受温度影响大，响应速度慢，有噪音等缺点，针对这些缺点我们对它进行了再次设计。

实现满足题目要求的水温自动控制系统需要解决以下两个方面的问题：一是高精度的水温测量电路及其数据处理的实现，另一个是控制方法及其控制电路实现的研究。数字控制方法远远优于模拟控制方法。目前，实现水温的高精度控制常采用数字控制方法，可用的控制算法有开关控制、经典PID控制、模糊控制等。为了追求控制系统具有最小的稳态误差、最好的动态过程，即具有最小的超调量和最短的稳定时间，人们一直在不断研究各种控制方法的应用。

水温控制系统介绍单片机水温控制系统，是用来控制电炉温度，让它的温度始终保持在某一个范围内的恒温值，为此对温度的控制我们可采用很多种方法，以往的水温控制系统都采用开关式控制方式，使用的是模拟式调节仪表，我们可通过一位式模拟控制方案，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。

但是存在着不足之处：系统所得结果的精度不高而且调节动作频率、系统静差大，不稳定。系统受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，不能用液晶显示，不能用键盘设定。单片机温控系统多种多样，针对不同的被控对象可以设计出不同的硬件电路。

为了实现高精度的温度控制，我们采用了以AT89C51为控制核心的单片机控制系统，温度实时控制采用的是多次测量取不同的PWM值来触发可控硅从而调节加热丝的有效功率。并用液晶显示水的实际温度，尤其对温度控制，它可达到模拟控制所达不到的控制效果，并且可实现显示、打印，键盘设定，远程控制，报警等功能，大大提高系统的智能化，也使得系统所测结果精度大大提高。并且为了保证系统稳定运行,在软硬件方面都采取了一定的措施。主程序主要处理系统初始化、扫描键盘、采样温度值和对采样数值进行数字滤波等工作。系统灵敏度高和抗干能力强，具备较高的测量和控制精度。1

该控制系统主要是针对控制水杯中的温度而设计的，它具有检测精度高、使用简单、成本较低和工作稳定可靠等特点，所以具有一定的应用前景。它也不仅可应用于科研水中的温度检测与控制，也可应用于实际孵蛋房、豆芽菜房等生产工作间恒温控制的场合。

设计目标基本要求（1）温度设定范围为40～90℃，最小区分度为1℃，标定温度≤1℃。

（2）环境温度降低时（例如用电风扇降温）温度控制的静态误差≤1℃。

（3）用液晶显示器显示水的实际温度。

（4）采用适当的控制方法，当设定温度突变（由40℃提高到60℃）时，减小系统的调节时间和超调量。

发挥部分（1）具有远程温度数据的准确可靠传输、预置和显示功能，无线传输距离至少20米（空旷地区）；

（2）增加多点温度检测功能（至少8点），并能实现多路数据的定点和巡回检测两种功能；

（3）具有温度标定、校准功能；

（4）具有温度传感器失效判断与显示报警功能；

系统的概述系统设计目标是实现水温的自动控制〔整个系统以单片机为控制核心，由上位机与下位机组成〔上位机应用组态王设计SCADA监控界面，下位机检测机构将实时采集的温度数据传入控制器，控制器对执行机构发出控制命令，执行机构通过继电器通断电热丝实现水温恒定的自动控制、系统采用P旧控制算法来实现水温的自动控制、该系统可靠性高，操作简便，应用性强。

单片机水温控制系统是以AT89C51单片机为控制核心，温度实时控制采用的是多次测量去不同的PWM值来触发可控硅从而调节加热丝的有效功率。并用LCD显示水的实际温度。本设计的基本思路是先由数字型温度传感器检测水温，然后通过传感器的内部电路把模拟量转换为数字量，然后通过数据线传送到单片机，再经过一系列的程序输出PWM波来控制可控硅来控制电炉的。

目标设计的目标是实现可连续精度高的温度控制系统。水是在生活中不可或缺的，实现水的温度控制可以很大地提升生产效率，节约能源，提高生活品质。在水资源稀缺的当代，设计便携的水温控制系统对于社会的可持续发展，有着非常大的意义。

硬件系统设计单片机最小系统电路

所谓单片机最小系统电路，是指能使单片机正常工作的最小硬件单元电路，也叫单片机最小系统时钟电路。最小系统时钟电路包括时钟电路，另外还包括复位电路，还有电源电路供电。

继电器控制电路

控制温度，需要控制通断电热丝，电热丝是大功率大电流器件，而单片机是弱电器件，其I/O口无法作为直接驱动，必须通过使用继电器来加以控制，系统使用固态继电器(SSR)。三级管的作用一个是放大作用，一个是开关作用。这里三级管主要作用是开关作用，电流放大作用是次要的。2

DS18B20温度测量电路

DS18B20温度测量电路简单，不过需要注意的关键一点是，要对DS18B20的数据I /O引脚接一个上拉电阻。其中DS18B20是单线通信，接收和发送都是通信脚DQ进行的。当它接收的时候为高电阻输入，当其发送的时候是开漏输出，即为输出0时通过三极管下拉为低电平，而输出1时，为高阻，需要外接上拉电阻将它拉为高电平。因此，需要外接上拉电阻，否则无法输出1。本设计测量水的温度，采用不锈钢封装的DS18B20传感器。

数码管显示电路

本设计采用三位共阴数码管，单片机发送高电平时点亮数码管，发送低电平时熄灭数码管。电路图中74HC138译码器用

水温自动控制电路如图，t1、t2是两只可调式电接点玻璃水银温度计，因为人体适宜的洗浴温度为37℃～40℃之间，所以把t2设定为37℃，t1设定为40℃。闭合电源开关SW，220V。

市电经变压器降压，QL全波整流，电容C1、C2滤波，lC7812稳压后，输出+12V供给控制电路。开始，因浴池水温较低，电磁阀DF通电打开阀门，锅炉蒸汽通过管道源源不断冲入浴池中，使水温上升。t1、t2水银柱也随着水温的上升而上升。

当水温上升到40℃以上时，t1水银接点接通，功率开关集成电路IC2(TWH8751)的②脚呈现低电平，其输出端④脚低电平，继电器J1通电吸合。其常开触点J1—1闭合，IC3(TWH8751②脚呈低电平，继电器J2通电吸合并自锁。同时其常闭触点J2—1，J2—2断开电磁阀DF电源，DF关闭阀门停止送汽；t1断路，TWH8751②脚呈现高电平，④脚高电平，J1释放。随着水温逐渐下降到37℃以下时，t2断路，IC3TWH8751②脚呈现高电平，④脚高电平，J2释放，常闭触点J2—1，J2—2复位，电磁阀DF通电打开，输送蒸气使浴池水温上升……如此循环，保持在水温40℃-37℃之间。

t1、t2选择WXG-11tO～50℃.功率开关集成电路IC2、IC3选择TWH8751(3A)继电器J1、J2选择JQX-4F 12V 20 μA。电磁阀DF根据蒸汽管道直径选择BQY22D防爆，防水二位二通汽液电控阀(220V)。其余元件按图上标注参数选择。