CN108733100A - 一种基于单片机的水温控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水温控制技术领域，公开了一种基于单片机的水温控制系统及方法，控制系统包括：单片机、温度采集电路、液晶显示电路和水温控制电路；所述温度采集电路、液晶显示电路和水温控制电路均与单片机连接。本发明主要是选用DS18B20温度传感器、液晶显示和Proteus仿真软件来实现这系统的功能。DS18B20温度传感器是数字温度传感器，出来的是数字信号，能够直接进入单片机，而模拟传感器需要先进入数模转换，转换为数字信号才能进入单片机；当外界温度改变，DS18B20采集传送的温度超过设定的温度范围时，温度升温系统和温度降温系统就开始工作，使水温回到所需的温度范围内。

Description

一种基于单片机的水温控制系统及方法

技术领域

本发明属于水温控制技术领域，尤其涉及一种基于单片机的水温控制系统及方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的:

水温控制系统的应用非常广泛，如在日常生活中所用到的一些电器中就有水温控制系统。

水温控制系统不论在工业生产上还是日常生活中都给我们带里了许多便利，它已经融入了我们的生活，成为了我们生活中不可或缺的一部分。在日常生活中，我们经常会接触到有水温控制系统的电器，如电热水器、全自动饮水机等，在这些电器中都含有水温控制系统。

在工业生产和副业生产中，水温自动控制器也起着不可替代的作用。随着经济的发展，大小工厂随处可见，而在这些工厂的车间里，我必须安装温度控制系统，因为一些产品的生产必须要在一定的温度下才能够进行，而水温控制器相较于其他的温度控制系统有更好的控温效果，同时水温控制系统也用于水产养殖中，如池塘养鱼，就需要一个合适的水温。

温度的过高或过低都会影响水的利用，因此温度控制的精度性就显得非常重要。

综上所述，现有技术存在的问题是：

现有的水温控制系统不随外界温度变化而保持水温稳定性能差；水温控制能自动调节效果差；而且显示水的实际温度准确度差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于单片机的水温控制系统及方法。

本发明基于AT89S52单片机的水温控制器与传统控制器相比较有着操作简便、控制灵活、读取方便、精度性高的优点。本发明是利用AT89S52单片机为核心来设计一个水温控制系统。该系统的主要功能是能够实现水温的自动调节，从而达到控制水温的目的。

本发明是这样实现的，一种基于单片机的水温控制系统，所述基于单片机的水温控制系统包括：

单片机、温度采集电路、液晶显示电路和水温控制电路；所述温度采集电路、液晶显示电路和水温控制电路均与单片机连接。

进一步，温度采集电路设置有多个温度传感器并相互并联；所述温度采集电路由低温系数晶振产生固定频率脉冲信号传送到计数器1；高温度系数晶振振荡产生的信号用于计数器2的脉冲输入，计数器1的对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的值减到0时，温度寄存器的值就开始加1，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，直到计数器2也计数到0时，这时温度寄存器值停止累加，这时候温度寄存器中所显示的数值就是所测到的温度。

进一步，水温控制电路包括时钟电路、复位电路并均与单片机连接；

时钟电路为晶振电路，采用外部时钟方式；

复位电路，包括一个10uF的电容和一个10k的电阻；

进一步，液晶显示电路采用液晶显示器，显示上限温度值、下限温度值和当前温度值。

进一步，水温控制电路还包括按键控制电路、温度调控电路均与单片机连接；

在水温超出设定的上下限温度时通过水温控制电路调节；当单片机p14和p15引脚输出高电平时，经过反相器7404后转换为低电平，温度调控电路的继电器开关断开，升温和降温设备停止工作；当单片机p14和p15引脚输出低电平时，经过反相器转换后为高电平，温度调控电路的继电器开关闭合，启动升温和降温设备。

本发明的另一目的在于提供一种基于单片机的水温控制方法包括：

温度的采集处理；

信号传输和反馈；

按键、液晶的显示处理；

数据存储。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于单片机的水温控制方法的计算机水温控制程序。

本发明的另一目的在于提供一种搭载有所述计算机程序的计算机。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于单片机的水温控制方法。

本发明的优点及积极效果为：

本发明是在基于AT89S52单片机的结构特点的基础上，利用AT89S52单片机来建立水温控制系统。

该水温控制系统主要分两个大的模块：软件部分和硬件部分。软件部分主要是实现一些算法来控制水温，主要采用C语言来编辑程序；硬件模块主要选用AT89S52单片机为基础来设计水温控制系统，而硬件模块中又包括温度采集电路模块，水温控制电路模块，按键控制电路模块和温度显示电路模块。

本发明主要是选用DS18B20温度传感器、液晶显示和Proteus仿真软件来实现这系统的功能。

DS18B20温度传感器是数字温度传感器，出来的是数字信号，能够直接进入单片机，而模拟传感器需要先进入数模转换，转换为数字信号才能进入单片机。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于单片机的水温控制系统示意图。

图中：1、单片机；2、温度采集电路；3、液晶显示电路；4、温度控制电路；5、按键控制电路；6、时钟电路；7、复位电路。

图2是本发明实施例提供的单片机AT89S52的内部结构图。

图3是本发明实施例提供的DS18B20内部结构图。

图4是本发明实施例提供的时钟电路图。

图5是本发明实施例提供的复位电路图。

图6是本发明实施例提供的按键控制电路图。

图7是本发明实施例提供的液晶显示电路图。

图8是本发明实施例提供的升温电路图。

图9是本发明实施例提供的降温电路图。

图10是本发明实施例提供的温度采集程序的流程图。

图11是本发明实施例提供的温度控制电路程序图。

图12是本发明实施例提供的温度处于正常时的水温控制系统电路仿真图。

图13是本发明实施例提供的采集到的温度低于下限值水温控制系统电路仿真图。

图14是本发明实施例提供的温度超出上限时的水温控制系统电路仿真图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明水温自动控制系统的设计主要以1升纯净水为控制对象，可以实现人为的控制温度，而且能够不随外界温度变化而变化，从而保持水温的稳定。

温度设定范围为40-60℃。温度降低或升高时，水温控制系统能自动调节。用液晶显示器显示水的实际温度。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

图1，本发明实施例提供的基于单片机的水温控制系统，包括：AT89S52单片机1、DS18B20温度采集电路2、液晶显示电路和继电器。继电器主要用于水温控制电路。

水温控制电路包括时钟电路6、复位电路7并均与单片机连接。

时钟电路为晶振电路，采用外部时钟方式；

复位电路，包括一个10uF的电容和一个10k的电阻；

水温控制电路还包括按键控制电路5、温度调控电路4均与单片机连接；

温控制系统要保证正常工作，除了需要硬件模块同时要需要软件模块的运用，系统是否能够正常运行，功能的是否完善很大取决于软件模块的设计。

软件模块的主要功能：

1.温度的采集处理功能。

2.信号传输和反馈功能。

3.按键、液晶的显示处理功能。

数据存储功能。

下面结合原理分析对本发明作进一步描述。

本发明采用AT89S52单片机来设计水温控制系统。主要设计思路是由按键控制电路设置好所需的温度，由DS18B20数字温度传感器采集温度，DS18B20传出的是数字信号，能够直接进入单片机内，然后经过单片机的处理由液晶显示电路输送到液晶显示器上显示温度，而温度控制电路用来实现水温的恒定。基于AT89S52单片机的水温控制系统具有精度性高、稳定性好、读取方便等优点。

下面结合具体分析对本发明做进一步描述。

1、AT89S52单片机是由ATMEL生产的，具有高性能CMOS8位微控制器、低消耗，可在8K系统编程Flsah存储器。

(一)AT89S52单片机的基本特性：

1.拥有8位CPU、振荡器和时钟电路，工作频率为0～24MHz

2.具有256字节，可以用来作为数据存储器RAM使用

3.含有8K字节作为程序存储器ROM

4.拥有4个8位的并行的输入/输出口(P0、P1、P2、P3)

5.1个全双工串行通讯口

6.拥有3个16位的定时器和计数器(T0、T1、T2)

7.AT89S52单片机有两级中断优先级，同时还可以处理6个中断源。

(二)单片机AT89S52的内部结构框图如图2.

(三)AT89S52单片机各引脚功能：

VCC：电源正端输入，接+5V；

GND：接地端

XTAL1，XTAL2：单片机振荡电路输入和输出端

RESET:单片机的复位端(正脉冲有效)

ROM控制端/电源输入端。

低电平有效，片内无ROM时必须接地；片内有ROM时应当接高电平。

RSEN：为“Program Store Enable”de缩写，这意为着程序存储启用，当8051被设置成为外部程序代码被读取的工作模式时(EA＝0)，能发出这个信号，以获取得这个程序代码，该引脚正常应接到EPROM的OE脚，外部的RAM和EPROM可以分别被AT89S52单片机的PSEN和RD引脚作用，使数据存储器和程序存储器共用64K的定址范围。

P0口：双向I/O口(内置场效应管上拉)，在作为寻址外部程序存储器时用于双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不需要外部存储器时，可以当做8位准双向I/O口使用。

P1口：准双向口的I/O(内置了上拉电阻)，一般情况下输出和往常一样，只有在做为输入口时要先写“1”.

P2口：双向端口(内置上拉电阻)，但在做为寻址外部程序存储器使用时，就要输出高8位地址；在没有接外部存储器时，就作为8位准双向I/O口使用。

P3口：双功能口(内置了上拉电阻)，具有特定的第二功能，但在不使用它的第二功能时它就是普通的准双向I/O口。

2、水温控制系统的温度采集电路：

在众多得温度传感器中，DALLAS(达拉斯)生产的DS18B20以在应用上的高精度性，高可靠性上优于其他产品，它具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高，附加功能强等优点。

DS18B20具有的一些主要特征：

1.DS18B20采用的是单总线的接口方式，只需要一条总线就可以实现微处理器与DS18B20的双向通讯。同时单总线具有以下的优点，如经济性较好，抗干扰能力强，而且能适合于恶劣环境的现场温度的采集和测量，使用非常方便，能够让用户可轻松快捷地组建传感器网络。

2.测量温度范围宽，DS18B20的测量范围一般情况下为-55℃～+125℃；但值得一提的是在-10～+85℃范围内，DS18B20的精度为±0.5℃。

3.使用时不需要添加任何外围元件。

4.多点测温功能，多个DS18B20温度传感器可以并联在一条的单线上，实现多点测温。

5.多种供电方式，DS18B20可以通过寄生电路从数据线上获取电源。所以，在一定情况下，可以不用接外部电源，这样就简便了系统结构，使操作更加简单，可靠性更高。

6.测量参数配置DS18B20的测量分辨率可通过程序来设定。

7.当电源极性接反时，温度计虽不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

8.DS18B20温度传感器内部有EEPROM，能够保证在系统断电后，仍可保存分辨率及报警温度的设定值，便于通电后继续工作。

DS18B20内部结构：如图3.

主要由64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器4部分组成。其中ROM中的64位序列号一开始就是设置好的，每个DS18B20的64位序列号都不会相同的，可以把它看作是这个DS18B20的地址序列码。ROM的功能就是使每一个DS18B20都各不相同，这样一根总线上就可以连接多个DS18B20的功效。

DS18B20管脚排列：

GND为接地端；

DQ为数字信号的输入/输出端；

VDD为大多数情况下做为外部电源的输入端，只有在寄生电源接线方式时候是用于接地的。

DS18B20的工作原理:

DS18B20数字温度传感器中，由低温系数晶振产生固定频率脉冲信号传送到计数器1。高温度系数晶振振荡产生的信号用于计数器2的脉冲输入，计数器1的主要对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的值减到0时，温度寄存器的值就开始加1，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，直到计数器2也计数到0时，这时温度寄存器值停止累加，这时候温度寄存器中所显示的数值就是所测到的温度。

3、水温控制系统的控制电路：

时钟电路、复位电路、单片机和电源组成单片机的最小系统。

如图4，时钟电路也称为晶振电路，而经常用的时钟电路有两种方式：内部时钟和外部时钟。本次发明的时钟电路采用的是外部时钟方式，因为内部时钟方式是由芯片内部振荡形成的，精度不高。

如图5，复位电路类似断电后重新供电，在本次设计中复位电路是默认上电复位的，由一个10uF的电容和一个10k的电阻构成，如果要采用按键复位就要加上一个按键同时要改变电阻。

4、按键控制电路和显示电路：

如图6，按键控制电路在本设计中主要实现的是控制温度的范围，能够使我们得到我们想要的温度。它主要改变温度的上下限，让温度始终处在一定的温度范围内。

如图7，而液晶显示电路是能够直观的了解当前的水温，简洁明了，本设计中采用的是液晶显示器，有3个控制脚和8根数据线。相较与数码管显示器，液晶显示器耗电更低，同时要显示3个温度值：上限温度值、下限温度值和当前温度值。所以使用液晶显示器更加方便。

5、温度调控电路：

温度调控电路是水温控制系统能够实现的重要组成部分，它的主要功能是实现水温的稳定，在水温超出设定的上下限温度时能够及时的调节好水温，使水温不至于过高或过低。如图8和图9所示，当单片机p14和p15引脚输出高电平时，经过反相器7404后转换为低电平，这时候继电器开关断开，升温和降温设备停止工作。当单片机p14和p15引脚输出低电平时，经过反相器转换后为高电平，这时候继电器开关闭合，启动升温和降温设备。

下面结合水温控制系统的软件部分对本发明作进一步描述。

1、水温控制系统的软件部分是整个系统的核心部分，软件部分主要由4个模块构成：按键控制程序、温度采集程序、液晶显示程序和温度处理程序。

软件的主程序：

2、各个模块的程序流程图

温度采集程序的流程图如图10.

开始后，程序判断是否采集了温度数据，如果采集了就传入AT89S52单片机内，经过单片机的一系列处理后送入液晶显示器中显示，然后程序结束；如果没有采集温度数据，程序就直接结束。

温度控制电路程序流程图如图11.

程序开始后首先由DS18B20温度传感器采集温度，然后对所采集到的数据进行判断，判断温度是否超过上限，如果超过，就启动降温设备，降温系统就会对水温进行降温，如果没超过上限，就继续判断，看温度是否超过下限，如果超过就启动升温设备，升温系统就会对水温进行升温，如果没超过，就直接送入液晶显示器中显示，然后程序结束。

下面结合水温控制系统的仿真对本发明作进一步描述。

1、水温控制系统的仿真结果与分析

水温控制系统的仿真结果如图12.温度处于正常时的水温控制系统电路仿真。

从图12可以看出，首先通过按键电路人为的设置好温度的上下限，使温度处于这个范围内，当DS18B20温度传感器采集到的信号通过单片机P3口的13号引脚进入单片机，由单片机对温度进行判断，图中温度传感器采集到的温度为52℃，没有超出温度的上下限，此时单片机就把信号通过P0口输入液晶显示器中显示当前温度值。

从图13中可以看到，开始的时候和图12一样，先设置好温度，然后由温度传感器将信号传入单片机内，单片机对信号进行判断，此时，采集到的温度低于下限值，单片机的p14引脚输出低电平，p15引脚输出高电平，这时候升温电路的继电器闭合，而降温电路的继电器还是处于断开状态，所以启动升温设备，直到温度回到正常范围内，升温电路的继电器就会断开，升温设备关闭.

由图14中可以看出，和前面两张电路仿真图大部分的操作一样，只是这时候采集到的温度超出了温度上限，此时单片机的p14引脚输出高电平，p15引脚输出低电平。通过反相器转换后，降温电路的继电器闭合，升温电路的继电器保持断开状态，这时候就启动降温设备，等温度回到我们设置的温度范围内后，降温电路的继电器就断开，降温设备就停止工作。

从仿真结果中可以看出，可以在按键控制电路中人为的设置我们所需要的温度范围，DS18B20数字温度采集器采集到温度是数字信号，可以直接进入单片机内，当外界温度改变，DS18B20采集传送的温度超过设定的温度范围时，温度升温系统和温度降温系统就开始工作，使水温回到所需的温度范围内。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于单片机的水温控制系统，其特征在于，所述基于单片机的水温控制系统包括：

单片机、温度采集电路、液晶显示电路和水温控制电路；所述温度采集电路、液晶显示电路和水温控制电路均与单片机连接。

2.如权利要求1所述的基于单片机的水温控制系统，其特征在于，温度采集电路设置有多个温度传感器并相互并联；所述温度采集电路由低温系数晶振产生固定频率脉冲信号传送到计数器1；高温度系数晶振振荡产生的信号用于计数器2的脉冲输入，计数器1的对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的值减到0时，温度寄存器的值就开始加1，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，直到计数器2也计数到0时，这时温度寄存器值停止累加，这时候温度寄存器中所显示的数值就是所测到的温度。

3.如权利要求1所述的基于单片机的水温控制系统，其特征在于，水温控制电路包括时钟电路、复位电路并均与单片机连接；

时钟电路为晶振电路，采用外部时钟方式；

复位电路，包括一个10uF的电容和一个10k的电阻。

4.如权利要求1所述的基于单片机的水温控制系统，其特征在于，液晶显示电路采用液晶显示器，显示上限温度值、下限温度值和当前温度值。

5.如权利要求1所述的基于单片机的水温控制系统，其特征在于，

水温控制电路还包括按键控制电路、温度调控电路均与单片机连接；

在水温超出设定的上下限温度时通过水温控制电路调节；当单片机p14和p15引脚输出高电平时，经过反相器7404后转换为低电平，温度调控电路的继电器开关断开，升温和降温设备停止工作；当单片机p14和p15引脚输出低电平时，经过反相器转换后为高电平，温度调控电路的继电器开关闭合，启动升温和降温设备。

6.一种如权利要求1所述的基于单片机的水温控制系统的基于单片机的水温控制方法，其特征在于，所述基于单片机的水温控制方法包括：

温度的采集处理；

信号传输和反馈；

按键、液晶的显示处理；

数据存储。

7.一种实现权利要求6所述基于单片机的水温控制方法的计算机水温控制程序。

8.一种搭载有权利要求7所述计算机程序的计算机。

9.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行权利要求6所述的基于单片机的水温控制方法。