基于STC89C52單片機的智能水溫控制系統設計

1.概述

本設計為基于STC89C52單片機的智能水溫控制系統，控制對象以500mL陶瓷水箱為容器，并使用PID控制算法來調整水箱中500ml純凈水的溫度。 水溫可以在一定范圍內人為設定，并能實現在下限溫度到上限溫度之間對每個點溫度的控制。

主要的功能為：

1.可以通過鍵盤自由設定上限溫度和下限溫度，通過12864液晶顯示，顯示的最小區分為1度

2.可以通過DS18B20溫度傳感器測量水溫并通過12864液晶顯示水的實際溫度，最小區分為0.1度

3.系統應具有在水溫下限到水溫上限全量程內的加熱功能（當水溫低于水溫下限時開始加熱，水溫低于水溫上限時自動斷電停止加熱）

4.使用PID控制算法，調節溫度

5.存儲設定的參數到EEEPROM中，并記錄升溫曲線（程序中使用DS1302，精確設定時間間隔，使用EEPROM記錄升溫曲線）

6.可以記錄3組參數以及對應的3組升溫曲線（每組250個溫度數據）

2.硬件設計

本次設計的硬件電路是由STC89C52單片機為控制核心，通過DS18B20溫度傳感器采集的溫度，傳送給單片機進行PID計算，將結果作為PWM的占空比來驅動加熱棒； 同時，通過LCD12864顯示屏、按鍵和DS1302時鐘芯片，可實現溫度值的顯示和目標溫度的設置。 整體硬件框圖如圖所示：

(1)12V轉5V穩壓電路

由于系統的供電電源采用了4節18650鋰電池供電，需要使用LM2596-ADJ芯片進行穩壓，轉換成12V電壓，作為加熱棒的加熱電源，并通過LM7805-5.0穩壓芯片轉換為5V電壓，作為單片機和其他功能電路的工作電壓。 穩壓芯片的電路可根據芯片技術手冊中的參考電路來搭建，其電路圖如圖：

(2)按鍵電路

本次設置了4個控制按鍵，分別為設置鍵、增加鍵、減少鍵和OK鍵，通過這四個按鍵，可以根據用戶的需求來調整相應的參數。

(3) DS1302時鐘電路

DS1302時鐘電路可以為系統提供實時年、月、日、星期、時、分、秒。

(4)加熱控制電路

加熱電路主要三極管及功率MOS管搭建而成的，3個三極管為MOS管的提供可靠的控制電平。 如圖所示，當單片機引腳為高電平時，三極管T3導通，T2導通，T1截止，從而MOS管的G極接地，MOS管截止； 相反，當單片機引腳為低電平時，三極管T3截止，T2截止，T1導通，從而MOS管的G極接電源，MOS管導通，加熱棒加熱。

其他電路都相對簡單，就不一一解釋了。

(5)總體硬件電路圖

3.軟件設計

系統軟件所需實現的功能主要為：

1.按鍵輸入與設置

2.顯示屏界面顯示

3.PID算法調節

4.時鐘讀取及顯示

由于代碼較多，這里僅列出PID及主函數部分代碼

注：PID算法的難點在于需要根據 具體的環境調試出性能較的PID參數，因此程序用在其他環境上需要調整PID參數。

(1) PID算法調節函數

int16 Proportion  = 64;  // 比例常數 Proportional Const   
int16 Integral    = 0;  // 積分常數 Integral Const   
int16 Derivative  = 54;  // 微分常數 Derivative Const   
float LastError;      // Error[-1]   
float PrevError;      // Error[-2]   
float SumError;        // Sums of Errors

float Now_temp;
float Target_temp;
float Temp_Out;


float PID_Calc(float NextPoint ,float SetPoint)
{
  float D_Error,Error;
  float II;
  Error = SetPoint-NextPoint;      //偏差
  SumError+=Error;          // 積分
  D_Error =LastError-PrevError;    // 當前微分
  PrevError =  LastError;
  LastError =  Error;
  II = Integral*SumError/10000.0;    //積分縮小10000倍
  if(II>30)       //積分飽和限制
  {
    II=30;  
  }
  return (Proportion*Error+II+Derivative*D_Error);
}


void Control_Temp(void)
{
  Now_temp = Temp_numbe;
  Target_temp =  Set_temp;
  if(Now_temp>High_temp)
  {
    PWM_duty = 0;  
  }
  else
  {
    Temp_Out = PID_Calc(Now_temp,Target_temp);  
    if(Temp_Out >= 100)   Temp_Out = 100;
    else if(Temp_Out <=0)  Temp_Out = 0;
    //不同的溫度設置不同的比例補償熱量損失
    //Temp_Out = Temp_Out+Target_temp/80.0*20;     
    PWM_duty = (int)Temp_Out;
  }
}

(2)主函數

void main(void)
{
  int16 temp;             //溫度緩存值
  System_Init();      //系統初始化
  while (1)
  {
    LED2 = 0;
    Ds1302_time();
    real_time = readtime[12]*10+readtime[13];      //從1302中讀取秒值
    real_time = real_time%temp_cycle;  
    Temp_numbe = Temp_collect();               //采集溫度
    if(temp_save_flag == 1 && start_warm_flag == 1)                //按下了存儲按鍵
    {
      if((real_time == start_time)&&(real_time- last_real_time!=0)) //每隔10S記錄一次時間
      {
        temp = (int16)(Temp_numbe*100+0.5);      //將溫度值增大100倍，保留兩位小數
        Write_DATA_EEPROM(temp,Write_add,time);    //將溫度寫入EEPROM中保存
        time++;
        if(time >= 250)                //最多記錄250組的值
        {
          time = 250;
        }
      }

    }
    last_real_time = real_time;
    if(start_warm_flag == 1)
    {
      Control_Temp();                    //溫度控制函數
    }
    else
    {
      PWM_duty = 0;
    }
    //上限報警
    if(Temp_numbe > High_temp)  LED0 = 0;    
    else LED0 = 1;
    //下限報警
    if(Temp_numbe < Low_temp) LED1 = 0;
    else   LED1 = 1;
    Init_LCD12864_Set();                //LCD12864液晶顯示數據的標識
    LCD12864_Show_DATA();                  //LCD12864液晶顯示數據
    UART_Send_temp();                  //將采集溫度并通過串口發送到上位機
    //Uart_Send_time();                  //將DS1302的時間發送給電腦
    UART_Send_PWM();                  //將控制加熱棒的PEM占空比實時發送監控
    UART_SendData('
');

  }      
}