【《基于单片机的恒温水箱控制系统设计》8000字（论文）】

基于单片机的恒温水箱控制系统设计TOC\o"1-3"\h\u9163摘要 摘要：随着社会的发展，人类科技的进步。在我们日常生活中需要许多地方要求我设计恒温控制系统。对于STC89C52系列单片机系列低成本开发的系统更是有着开发的必要，通过DS18B20对水温进行测量，当水温降低的时候能够触发单片机发送信号，使水温升高。当加热到我们所需要的水温之后温度检测让单片机发送信号使加热装置停止加热。如果出现水温过高情况被温度检测到还可以让单片机发出降温信号，通过这种反复的调节，使得水温一直很稳的维持在恒温状态。除此之外本设计在原有的恒温水箱基础上还添加了利用ZP4510浮球水位开关检测水位高低，并根据所设置的高低水位的上下限进行高低水位报警装置。还有，HC-05蓝牙模块可以在手机上显示温度传感器所检测的水温。关键词：DS18B20；STC89C52；恒温水箱控；HC-05蓝牙；ZP4510浮球水位开关引言课题的背景在我国技术迅猛发展的今天，有着许多计算机控制的应用进入我们的生活，尤其恒温控制在行业的方方面面都有着技术上的应用。列如建材、冶炼金属、医疗等领域许多产品的制造和储存都需要一个恒温环境，列如我国生产的新型冠状灭活疫苗的储存和运输就需要低温。并且在制造业中有些工业产品在生产制作过程中对温度的要求较高，一个好的的恒温装置直接影响其质量。而根据国家2025制造业强国的目标，我国将加大对制造业的投入，连带着其他与之相关的产业的发展，这些足以表示恒温装置的发展前景还是比较广阔的。对于传统行业中的恒温模块的应用大多数还停留在通过加热电阻来保持系统恒温，这样会导致不能精确测量以及及时改变。我现在设计的恒温水箱系统将脱离传统的恒温模式，通过测温模块实时测温，使用单片机控制测温模块传输的温度数据实时改变温度完成温度恒定。不过，此种方法实现电路复杂、较易受到干扰、不容易控制、并且精度不是特别高。所以，本设计采用新型的可以编程的温度传感器，不特别复杂的电路就能与单片机连接。国内外发展研究现状从微型计算机迅猛发展到今天智能化行业的崛起，许多针对芯片开发以及模块运用以及在不断发展的探索中日益成熟。对于单片机以及相关电路运用价格成本让本系统设计的恒温控制系统走进我们的生活，对于这方面的研发国外发达国家技术领先国内，尤其是在一些温度控制器以及一些仪器仪表。我国温度控制系统的应用方面主要还是对于农、医疗等方面应用广泛，但与国外的美、日、德等发达国家相比还是有着不小差距。当然，随着改革开放以来，国内的工业化进程迅速，各个科技公司如华为、小米等公司，在推出一些智能家在恒温控制系统方面而且一些生活中用的恒温水箱，列如：电热水壶，小米等公司推出了一款智能热水壶，先将水加热直至100℃然后根据用户所设定的恒定温度，一直冷却到该温度后恒定在此温度。不过这只是一些简单的应用。其实际技术还是上世纪80年代，近些年也没有相关应用产品在技术方面达到突破。在我们使用恒温系统的常见领域里，国内还有不足之处。因此我开发设计的恒温控制系统将在国内得到极好的发展前景。研究目的智能化的发展已经是中国现在产品系统都在追求的发展，对于许多产品依旧没有技术上的革新，影响了工业以及生活中的方方面面不能快速发展。例如在工业生产者我们是不可避免需要一些恒温水箱来作为储备设备，可是很多无智能化设备只是将水加加热，并无保温功能。这样会影响正常使用，导致企业受到巨大损失。同样在家用热水器也是如此，不能调整温度，控制恒温，直接将影响我们日常用水时需要热水时不能出现自己想要的温度，因此我们需要研究一款智能恒温系统，在我们需要什么温度的水时候自动调节。将水温维持在一个稳定范围波动，在需要的时候可以随时取水。设计任务本设计基于单片机的智能化恒温水箱控制系统，目的是将温度检测与单片机控制相互结合。设计目标有：一、数码管显示水温；二、当水温高于上限或低于下限时继电器工作；三、设置的水温的上下限值；四、高水位低水位报警。五、蓝牙模块与手机APP连接，在手机上实时显示水温；总体方案的设计总体方案的设计恒温水箱系统是在STC89C52单片机上开发而来的设计系统将测量温度与显示温度相结合使得我们能有效方便的得到一个恒温箱，从而保证水温度恒定。通过继电器与按键相互结合。拿日常使用的将HC-05蓝牙模块作为通讯部分并将ZP4510浮球水球开关放置于水箱内部。温度传感器在工作中可以检测到水箱内部温度，并且生成相应的电信号，通过与单片机在端口处连接传送数据给单片机，单片机处理完数据后发送指令使得数码管显示传输的温度值。如果温度监测装置检测到温度下降超过了预定设置温度，单片机在接受到此信号的传输后可以让加热装置开始对水温进行加热；如果温度过高则会通过单片机发送信号使减温装置降低温度。通过两种操作使得温度可以维持在我们所需要的温度范围里，即是我们预设定温度。按键模块是为了人机互动时能够手动调试温度设定温度值。其利用型号为ZP4510的浮球开关水位检测,可检测水箱内水位高低,过低发出警报,防止水箱干烧,过高也发出警报防止水位过高是的水沸腾时溅出。蓝牙模块可以通过蓝牙传输将温度传感器所检测到的水温显示在手机上,可实时查看水箱内液体温度。系统总体框图如图2-1所示:图2-1系统总体框图各个模块的选择该系统主要由测量设置温度、高低水位报警、蓝牙连接手机显示水温、系统状态显示这几个我们所常用的单独系统模块组成。选择对比论证各个使用模块。主控制器模块选择方案1：可以允许我们自由编程的逻辑器件CPLD 。CPLD在使用上可以将一些不简单的逻辑功能有效高速实现。芯片本身在极小的体积里进行高集成设计，拓展了我们使用的功能。作为控制系统核心，将双向输送应用于端口，数据可以快速传输于各个端口之间。但本系统在使用上本质为了简单高效，对于芯片要求极低，控制芯片的价格问题是因该首要考虑的。在经济的角度为了更好发展设计系统考虑我们放弃了此方案。方案2：将STC89C52单片机作为整个系统的使用核心，它存在8K存储器，而且作为8位微处理器消耗特别低。STC89C52是宏晶公司采用高密度工艺制造的一种高精度芯片，兼容市场上所有的51系列控制器，而且AT89C52具有CMOS工艺，成本低性价比高，不仅在工业上使用广泛，在我们日常学习中也处处可见，不仅因为它可靠度高，而且编程简单，还具有高处理性能的8位CPU，能给人们甚至工业生提供稳定高效的解决方案。温度传感器的选择方案1：本次测温模块主要选择了型号为DS18B20的温度检测模块，DS18B20可以通过输出的数字信号来判断当前的温度值，所以在使用过程中不需要进行数模的信号转换，在应用过程中，可以实现组建传感器的网络信号，在测试的系统中，可以实现很大的应用功能，所以在测温精度以及转化时间等方面DS18B20作为测温电路的传感器有很大的进步，这也为用户的使用提供很大的方便。方案2：以测温电路的温度传感器为主要温度检测手段，首选是我们经常使用的PT100电阻。在使用原理上此电阻是使温度随电阻变化而改变从而使用，在使用上比第一种稳定性更强可以更好的检测出水温变化值。综合比较之下我选择了方案1。按键的选择本次设计中运用的是独立按键进行设计，此系统内按键设计占用两个I/O口，每一个按键所对应的端口都可以实现独自的功能。单片机在运行时会对按键进行检测，检测的次数与按键数目相关，因此此电路只适合按键较少的情况，不然会大量占用单片机资源，降低按键按下后系统的反应速度会比矩阵按键更加快速，使得我们按下按钮之后能够快速反应出我们需要的结果。不会需要更多的延时处理，加快系统反应速度。显示模块的选择我的设计是使用数码管进行显示，相比于选用的数码管，OLCD显示从表面上看更加具有优势，能够清晰显示更多内容但是，在这个设计中只需要显示一些简单数字，对于其他内容无明显显示。此时数码管显示就能完成此类任务，同时还拥有较快的显示速度，且由于LCD相对数码管来说价格较贵。而数码管本身显示速度也较快，并且使用起来较为简单，显示效果简洁明了。所以在综合这些情况下我选择用数码管。由于考虑到人不能实时在设备边,和我的设计单一。所以我加了蓝牙连接手机显示实时水温模块。供电模块的选择由于STC89C51的工作电压在4v-5v左右，供电模块我才用三节5号电池，为单片机供电。相比较与其他供电方式，电池供电更为方便硬件实现及单元电路设计主控制模块主控制最系统电路如图3-1所示。对于按键等也是直接与单片机的I/O口相连接，这样连接的优势是在于端口之间电路信号直接传输能够高效。单片机在使用上我们通常施加5V电压连接到电源引脚，接地端如图接地即可使单片机正常通电。图3-1设计复位电路是为了在系统开启之前设定好开始值，在有需要的时候，可以将单片机重新启动。在我们对系统使用复位电路时常常设定有自动与手动两种模式。自动模式是在电源开启之后，复位电路自动触发，将系统恢复成开始状态；手动模式多数适用于可能损害电路中元器件的时候，需要手动将电路系统恢复。还有当单片机程序运行出错（如程序跑飞）或操作失误等情况下。使得系统陷入了“死循环”和“跑飞”状态时，给其RST引脚输入(1)即高电平。使得单片机摆脱那两种状态，重新启动程序，重新运行。如图3-2所示：图3-2时钟电路，我们常称其为单片机系统的晶振电路，11.0592兆赫兹的晶振条件下我们可以得到所需要的时钟信号。单片机内部电路不是单独就可以作用，而是应该使用与其相互配合的晶振产生的时钟信号。此后当时钟频率越高的时候，就可以使单片机运行速度越快。进一步提高了单片机的使用效率。我们在设计使用晶振电路的时候一般设计一个公用即可，如果需要就直接调用此晶振电路。如图3-3所示图3-3显示模块电路恒温水箱在显示设计上使用的是单片机自带的数码管显示屏幕。操作使用过程中先将位选码打开，对我们所要使用设计的位选码之间输送信号，此信号称之为段码。多次重复上述操作，通过人眼形成的视觉残留使得我们看到的数字显示在数码管上。显示电路如图3-4所示。。图3-4数码管显示图3-5驱动电路水温检测模块3.3.1DS18B20简介DS18B20的温度检测模块，DS18B20可以通过输出的数字信号来判断当前的温度值，所以在使用过程中不需要进行数模的信号转换，在应用过程中，可以实现组建传感器的网络信号，在测试的系统中，可以实现很大的应用功能。DS18B20温度传感器具有如下特点：可承受电压范围大概是3V到5.5V；其测温的范围广、精准度高（范围为-55℃到125℃），；其速度快，抗干扰和纠错能力强，非常适合本设计使用。图3-6DS18B20芯片封装温度采集电路如图所示，我们常在使用DS18B20的数据脚，会在电源之间加了一个4.7K的电阻，以保证数据的稳定。图3-7温度传感器电路引脚图。继电器控制模块继电器硬件装置简介继电器是我们常使用的电控制开关，是当输入信号所产生的点位达到一定要求时，它的输出电路中的控制量由于夹断闭合会产生飞跃变化。在电路设计的使用上同时将控制与被控制融合到同一系统之中。我们通常是利用三极管的放大特性将小信号放大，使用小的电信号控制开关闭合。被当做一种“自动开关”而使用。能够保护电路，使得电路能够更加安全的运行在我们设置的范围里，如果出现不安全也可以自动断开开关，防止器件烧毁。继电器控制电路本系统内部通过继电器连接加热相关电路器件，我们使用三极管进行信号的放大。通过编写程序使得单片机的P2^5口向三极管基级输出低电平，三极管将处于导通状态，放大信号通过发射极电位升高，使得继电器线圈得电吸合。当开关处于闭合时，加热电阻开始加热，同时发光二极管导通指示加热正在进行中。当我们不需要加热装置继续加热，只需要将低电平转化为高电平就会截止打开继电器，降温控制电路与加热控制电路在使用上是一样的原理。电路图如图3-8所示：图3-8继电器加热电路参数设置电路参数设置电路如图5-5所示，我们设计中使用S2、S3、S4三个按键，在单片机的使用中对端口预定设置功能。将单片机引脚与按键相连接。如果检测到有按键按下，单片机接收并作出相应的处理。如图４－５所示S2我设置做为温控切换按键：将平时常用的从温度显示状态切换到设置功能中的预设温度值设置状态。S3为温度增加键：当处于预设置状态时，按动此按键使得预设温度值增加。S4为温度减少键：当处于预设置状态时，按动此按键使得预设温度值减少。图3-9蓝牙显示模块系统功能分析单片机通过加蓝牙模块从而具有通信功能。HC-05是蓝牙模块，使用方法是直接连接到微控制器的端口，使得单片机与在蓝牙设备的连接下与其他设备进行通信功能实施，是对单片机本身模块使用的再次组合。图3-10其主要工作是为单片机添加双向全双工无线功能，HC-05通过TX和RX的引脚，支持使用标准AT命令要设置AT指令必须让AT置高电位，然后连接上蓝牙模块，说明已经进入AT模式。在此模块开始工作后，我们平时可以通过手机等连接上这个设备，在手机可以清晰看到此时水箱内的温度显示是多少，此时设备处于工作正常状态。手机与其通过蓝牙连接通过后，显示数字传感器DS18B20所检测的温度。电路如图3-11所示：图3-11ZP4510高低水位报警模块3.7.1ZP4510硬件工作原理小型浮球开关具体使用原理极其复杂，大体上描述就是液位开关的需要用到漂浮子可以随液位的上升而上升，下降而下降。在磁性浮子的上下变动会使干簧管芯片在传感器内上下更随着变动。从而可以有效地发出接点开(关)转换信号来控制水位变化。我们可以利用此原理，设置多个磁性悬浮子，当水位变化的时候会引起悬浮子的上下移动，从而使得开关不断闭合展开。该非导磁性管内的干簧管经过开关不断闭合与展开，而形成开关动作，从而检验出水位，并向单片机中输出产生高低电平。两个浮球都发送低电平给单片机此时出现低水位情况单片机进行数据处理后发送一系列指令，指令接收模块反应现象。蜂鸣器警报声开始，发光二极管导电。如果都是高电平，蜂鸣器持续输出刺耳警告，发光二极管通电。电路图如图3-12所示图3-12软件设计软件设计分析恒温水箱系统是在STC89C52单片机上开发而来的设计系统将测量温度与显示温度相结合使得我们能有效方便的得到一个恒温箱，从而保证水温度恒定。通过继电器与按键相互结合。拿日常使用的将HC-05蓝牙模块作为通讯部分并将ZP4510浮球水球开关放置于水箱内部。温度传感器在工作中可以检测到水箱内部温度，并且生成相应的电信号，通过与单片机在端口处连接传送数据给单片机，单片机处理完数据后发送指令使得数码管显示传输的温度值。如果温度监测装置检测到温度下降超过了预定设置温度，单片机在接受到此信号的传输后可以让加热装置开始对水温进行加热；如果温度过高则会通过单片机发送信号使减温装置降低温度。通过两种操作使得温度可以维持在我们所需要的温度范围里，即是我们预设定温度。按键模块是为了人机互动时能够手动调试温度设定温度值。其利用型号为ZP4510的浮球水位水位检测,可检测水箱内水位高低,过低发出警报,防止水箱干烧,过高也发出警报防止水位过高时的水沸腾时溅出。蓝牙模块可以通过蓝牙传输将温度传感器所检测到的水温显示在手机上,可实时查看水箱内液体温度系统流程图主程序首先对主要的程序部分进行初始化处理，将各项参数恢复到初始值。接下来开始检测，在设定时计算每秒测温系统会对水温进行一次检测，并将温度数据传回到单片机中，单片机处理数据后发送信号进行下一步处理，并且将实时温度显示到数码管显示上，以方便观测。下一步处理中基本是对加热装置发送指令，如果水温超过设定值就停止加热，未能超过就继续加热。图4-1DS18B20温度流程图DS18B20初始化程序流程图在DS18B20在初始化过程后将直接清屏，接下来收到复位命令后接收到单片机显示的内容，直接显示，流程图如下：发复位命令发复位命令发跳过ROM命令初始化成功结束图4-2初始化程序流程图读温度子程序流程图读温度子程序的主要功能是从DS18B20中读出温度数据，移入温度暂存器保存。其程序流程图如下：发复位命令发复位命令发跳过ROM命令发读取温度命令移入温度暂存器结束图4-3温度子程序流程图蓝牙通信子程序流程图手机端有一个对应的串口应用软件来接受和发送。先用手机搜出名为HC-05的蓝牙型号，将其改为hengwenshuju,输入密码1234.完成配对。蓝牙模块流程图如图4-4所示：图4-4ZP4510高低水位子程序流程图水位检测由传感器ZP4510根据内部塑料浮球上下开关情况读取水位信息，并将其传送给单片机，系统通过程序处理，使得相应指示灯亮起，和蜂鸣器报警。图4-5实物演示效果整体实物展示图5-1水温相关演示效果将数字传感器DS18B20放入水中，传感器将检测到的数据送到单片机中，单片机将温度传感器DS18B20检测到的水温显示到数码管上显示.图5-2加热降温实物演示当水温低于下限时，加热继电器工作图5-3当水温高于上限时，降温继电器工作。图5-4水位监测与报警相关演示效果低水位，两个浮球开关都为低电平是，为低水位，蜂鸣器不断发出刺耳鸣叫，发光二极管发光。如下图所示：图5-5高水位，两个浮球开关都为高电平是，为低水位，蜂鸣器发出尖锐鸣叫，发光二极管发光。如下图所示：图5-6当低水位为高电平，即检测低水位的浮球开关完全浸入水中，高水位浮球检测开关没有浸入水中，无反应。如下图所示：图5-7蓝牙与手机连接显示温度显示效果单片机利用蓝牙HC-50模块与手机中的早已设计好的APP连接，将温度传感器检测到的水位传输到手机中。如图5-8所示图5-8结论恒温水箱系统是在STC89C52单片机上开发而来的设计系统将测量温度与显示温度相结合使得我们能有效方便的得到一个恒温箱，从而保证水温度恒定。通过继电器与按键相互结合。拿日常使用的将HC-05蓝牙模块作为通讯部分并将ZP4510浮球水球开关放置于水箱内部。温度传感器在工作中可以检测到水箱内部温度，并且生成相应的电信号，通过与单片机在端口处连接传送数据给单片机，单片机处理完数据后发送指令使得数码管显示传输的温度值。如果温度监测装置检测到温度下降超过了预定设置温度，单片机在接受到此信号的传输后可以让加热装置开