基于单片机的浴缸水位水温控制系统.docx
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基于单片机的浴缸水位水温控制系统
摘要：
本文针对现在浴缸水温经常有过热和过凉的情况，以及水位经常有过高和不足的现状提出了一个基于单片机的浴缸水位温度控制系统。
此系统以单片机作为核心控制，通过DS18B20采集水温，LCD12864显示温度，水位检测电路检测水位，语音进行提示加水或排水，然后将水位控制在适宜的范围，温度和温度上下限的比较进行加热水或者冷水将水温控制在自己设定的温度。
在文中提出了这个水位温度控制系统的整体设计方案，对各个模块的设计方案进行了论证，完成了硬件和软件的设计。
关键词:
89S52单片机，DS18B20传感器，温度控制，水位控制
BathcrockwaterlevelandtemperaturecontrolsystemthatbasedonMCU
Abstract:
Inthispaperaccordingtothesituationthatthebathcrockwatertemperaturethereareoftentoohotandtoocold,waterleveloftentoohighortoolowputforwardthewaterlevelandtemperaturesystemthatbasedonMCU.ThissystemwiththeMCUasthecorecontrol,throughDS18B20collectingtemperatureenvironmentLCD12864displaytemperature,waterleveldetectioncircuitdetectionwaterlevelvoicepromptaddwaterordrainage,controlWaterlevelintheappropriaterange,temperatureandthetemperatureofupperandlowercomparedtoheatwaterorcoldwatertosetthetemperaturecontrolinthepurposeofsettingthetemperatureofthehimself.Inthispaperputsforwardtheoveralldesignschemeofwaterlevelandtemperaturecontrolsystem,demonstratesthedesignofeachmodule,completedthedesignofthehardwareandsoftware.
Keywords:
89s52microcomputer,DS18B20sensors,temperaturecontrol,waterlevelcontrol
第一章绪论
1.1选题的意义与目的
随着这些年的科学技术的发展，在我们的日常生活中，很多的东西都趋向于自动化、智能化，这样子不仅仅易于控制和操作而且可以在非人工的情况下实现，很大程度上减少了人力消耗。
温度控制是我们的平常生活中时常会遇到的控制系统，很多的生产和制造过程都是以温度作为标量。
例如当我们正在公共的澡堂洗澡的时候，经常会突然感觉水特别的凉和热，让人不愿意忍受。
有的人就会很难受，以后就不愿意来，抱怨这家澡堂，所以就会有人很想想出办法来改变这个情况，让自己获得舒服的享受。
温度检测出来的值和对温度控制的准确性会直接的影响到生产速度和生产出来的产品的质量[1]。
在很多的工业设计上，我们有着很高要求的温度精度测量[2]。
在不同要求下的工业设计和产品制造上，我们选择的加热手段，加热燃料，控制手段也会有所改变[3]。
现在的生活中，在饮食、医疗、化学工业制造、家用电器等领域温度控制已经被广泛的采用。
生产出的产品的品质也往往被温度控制的准确性所影响。
可以精准测量温度和高度精准控制温度的温度控制系统在生产过程中有着举足轻重的地位，但是现在我们国家的很多地区都没有比较优秀的温度控制系统，没有办法实施精准的温度测量与温度控制。
传统的温度控制实时性差，布线繁琐且复杂，温度控制的效果不精准。
随着现代科技的进步，以前的传统温度控制手段已经不适用于需要高精度和速度的工业设计。
传统温度控制的主要不足是温度值的上下浮动比较大，受仪器的自身误差和交流接触器使用寿命的限制，通断频率很低[4]。
在温度控制中，因为温度被控对象的如惯性大，滞后大，非线性等问题，使得控制性能很难提高，所以需要设计一较为理想的温度控制系统。
1.2研究现状与发展趋势
目前温度测控系统正在朝多参数控制的综合系统发展。
现在世界的温度测量控制技术都在迅猛的发展，欧美的有些国家已经基本达到了自动化，正在朝完全性的自动化，无人化方向发展。
我们国家的温度控制也有了很大的发展，现在我们的生活中有着各种各样的温度控制如红外遥控温度控制，GSM温度控制，基于单片机的模糊温度控制，自调整因子的模糊温度控制，高精度的恒温控制等等。
1.红外遥控温度控制
红外遥控温度控制系统由红外控制电路，采集温度电路，液晶显示电路，温度控制电路等等基础的电路组成。
它的控制核心是单片机，通过温度传感器采集温度，液晶显示采集到的温度，采集得到的温度值与系统中自己设定的温度上限和温度下限进行比较，如果测量的温度低于自己设定的温度，进行继电器加热；如果高于自己设定的温度，则通过红外遥控控制电风扇来降温[5]。
2.基于GSM和MSP430单片机的温度控制
这个温度控制系统主要是采用GSM和MSP430单片机来进行温度控制，以单片机为核心，GSM为控制手段，这个系统可以对周围的环境温度进行实时的检测[6]，具有实时性，当检测到的温度不在自己设定的范围时，单片机通过无线通讯发送短信给手机，然后手机主人可以进行报警，也可以使用手机短信进行远程控制电风扇的转速和开关，得以控制周围的温度到自己设定的范围。
GSM进行传送有着比较高的性价比，有着便宜而且方便的特点，所以通过GSM来实施远程的温度控制和报警都是一个很好的选择。
3.基于SOC单片机的模糊温度控制
现在有人提出了一种模糊温度控制的方案，它是基于SOC单片机的。
SOC技术是一种有着很高的集成化的，固件化特点的集成手法。
以SOC作为核心，利用单片机的片内资源，达到完成温度信号采集的功能以及ADC的转换设置与驱动控制的功能。
SOC模糊温度控制网络系统由上位管理系统和一些设计现场的控制的节点来构造。
温度控制节点系统是由温度采集，输出控制，显示模块以及通讯模块组成的。
此设计系统温度控制精度不错，网络通讯比较可靠，安全性也得到保障，具有实时检测，但是调试的时候，会出现误码的问题，需要在可靠性和实时性上做进一步的研究[7]。
4.自调整因子模糊温度控制
自调整因子的模糊温度控制系统是一种调节时间较短，超调量小，温度误差在控制要求内的系统。
传统的控制惯性大，非线性，滞后大，模糊控制系统，动态性能很不错，但是稳态性能不理想。
使用PID控制，稳态的性能很不错，但是动态不尽人意，不理想。
自调整因子模糊温度控制系统是以温度的误差值及误差变化量的值来作为输入量，控制量的值的变化作为输出量。
此控制器比较灵活，可以进行精准迅速并且稳定的控制[8]。
5.高精度恒温控制
在实际生活和科技研究中，我们有很多的实验需要加热器加热，使得温度保持在一个恒定的温度。
在实验过程中，温度的稳定性很多时候要求比较高，需要不间断的调节。
经常用的温度调节手段有多用可控硅调压调温，继电器调温等。
继电器调温因为需要很频繁的调节，而且精度比较低，调节不方便，重量较大。
可控硅的调温，体积小，没有噪音，调节方便而且控制的精度高。
这个设计以单片机作为核心的控制器，电路设计比较简单，控制的效果很好。
在交流电的周期中，过零点时，延时时间给予出发信号使导通，随着导通时间的变长，负载的有效功率逐步降低[9]，然后对可控对象的温度进行控制。
因为采用了精密的延迟控制导通，可以有效而且精准的控制加热的功率，在运行过一些时间以后，有效的电压基本不变，可以使温度比较长时间内不波动。
温度可以稳定在0.04℃以内，对于温度控制稳定要求高的情况下，是一个很有效的控制手段[10]。
随着我国的电子科技技术水平和微机的进步发展，微机测量精度和控制水平得到了长足的进步，已经普遍使用在社会中。
单片机的数据处理的能力很高，运行速度也非常的快而且它的能量消耗低，应用在温度测量这个领域更有着控制简单，温度测量范围大，测出的温度有高精度的特点[11]。
水温控制经过数十年的发展获得可喜成绩，智能化，形式多样化等特性成为板上钉钉的事实。
计算机进行温度控制时，温度测量有着准确性，及时性，可以被随时的控制[12]。
1.3本文的主要工作
本文研究的目标是浴室温度控制系统，此控制系统主要是能实现以下的几个功能，语音模块进行语音播报“加水”和“排水”。
DS18B20传感器测量水温，然后设置可设置的最高最低值。
在温度控制中，当水体实际温度高于设定温度时，但是没有超过45°时，属于正常的可接受范围；当前温度高于45℃时，加入冷水，直至45℃；当前温度比温度下限值低时，开始加热水，直至水温达到45℃。
设P3.2和P3.3个水位测量点，当水位高于P3.3点时，开始进行温度控制；当水位超过P3.2点时，开始排水。
此设计是基于单片机的浴室温度控制系统，其具体要研究的内容主要有着几个主要的内容，它是采用C语言编写，能够实现语音播报和液晶显示，可以实时的测量水温，实时的检测水位，在水位达到下限，开始控制温度，使温度控制在设定范围内；达到水位上限定值禁止加水，开始排水。
第二章系统方案论证和硬件概述
2.1系统方案设计与论证
本章首先论证了各个模块系统方案的设计。
系统主要模块有温度控制模块，温度测量模块，水位检测模块，液晶显示模块，语音播报模块。
通过比较不同的设计方案的优缺点，选择更合适的设计方案，确定整体的系统设计方案。
其次概述了系统设计方案中使用到的硬件的基本资料。
1温度控制模块
浴室温度的控制，主要是控制温度的加热，综合了以前的一些设计，提出了3种不同的方案。
方案具体如下：
方案一：
采用双向可控硅驱动电加热管加热升温。
通过单片机的电平来控制双向可控硅电加热管的通断，驱动加热管加热，从而达到控制温度的目的。
方案二：
采用继电器驱动电加热管加热升温。
通过单片机的电平控制转换，来控制继电器线圈的通断，从而达到控制温度的目的。
方案三：
使用电动调节阀，通过控制两个电动调节阀的流量变化，使得可以控制释放不同温度的热水，来达到控制水温的目的。
在浴室的温度控制中，方案一和方案二都不太适合，浴室的浴缸不适合用加热管加热，适合通过调节阀来释放不同温度的热水，从而让整体的水温得到提高。
综合了3个方案，个人认为方案三优越于方案一和方案二，故温度控制模块采用方案三。
2温度测量模块
温度的采集有着很多不同的方法，通用的方法有热电阻测量和传感器测量。
综合以前的温度采集设计，提出了以下2种方案。
方案具体如下：
方案一：
采用热电阻采集温度，通过A/D转换，将模拟信号转换成数字信号，传送给单片机。
绝大多数的金属随着温度的上升，这也是金属电阻采集温度的原理，它是具备正系数的。
一般热电阻的测量范围可达-200℃到500℃，测量精度很高，稳定性较高。
方案二：
使用温度传感器DS18B20采集温度数据，然后进行A/D转换，接着把数字信号传送给单片机。
DS18B20的测温范围是下至-55℃，上达125℃，误差为0.5℃。
该传感器
在一个相当小的集成芯片上综合了A/D转换器，半导体的敏感元件等等，从而使得传感器输出的值直接温度信号数值。
方案一中电阻测量虽然精度高，范围广，但是成本相对较高，并且测量方法复杂。
而本系统中的温度传感器是在水中使用，首先需要考虑密封防腐的问题。
要防止引脚直接与水发生接触从而导致短路，使仪器破损，还要防止水腐蚀传感器外壳。
相对而言DS18B20温度传感器更符合以上条件，而且其还无需进行A/D转换，测量方法简单，成本又低，还符合本系统的测量精度与范围的要求。
所以选择方案二。
3水位检测模块
在浴缸中我们的水位测量也是有着相当重要的地位，水位过低时的温度控制，会使人要等很久才能洗浴，水位过高可能导致水溢出。
在我们的洗浴过程中，要将水位控制在一个相对合适的范围之内。
为了控制水位，综合了以前的一些设计提出了2种不同的方案。
方案具体如下：
方案一：
采用水位传感器。
水位传感器使用简单，精度高，反应快。
方案二：
采用水位检测电路，在三极管的基极与电源接出导线，通过控制PNP三极管的导通，来判定水位是处在一个什么范围之内。
比较方案一与方案二在浴室中，我们使用水位控制系统就能很好的完成任务，水位传感器的价格比较高，在浴室水位控制中性价比不如水位检测，所以水位检测选择方案二。
4显示模块
要显示当前温度以及温度下限和工作状态，显示模块必不可少，综合以前的设计，提出了3种设计方案。
方案具体如下：
方案一：
采用LCD12864液晶显示器。
可以显示数字、字母和各种符号外还可以显示汉字等图形。
方案二：
采用LED数码管显示器。
有8位LED数码管，8个发光二极管组成了LED的内部，能显示数字0-9和部分字母。
方案三：
采用LCD1602液晶显示器。
它可以实现数字，字母等图形。
比较方案一与方案二，优缺点如下：
LCD12864液晶显示器显示内容多效果好，本系统需要显示的内容较多，有实时温度和设定出的温度下限值，当前的工作状态。
数码管和LCD1602就不能很好地实现这一功能，所以选择方案一。
5语音播报模块
在水位达到水位下限开始加水和水位达到上限开始排水时，语音播报进行提示，有着加深印象的作用。
综合以前的设计提出了2种设计方案。
方案具体如下：
方案一：
采用APR9600系列语音录放芯片，这是一种新型的语音芯片，它的音质优越，有重复录放的功能，在断电之后也可以使用[13]。
它的语音录放可达34-60秒，但是不能通过软件控制语音的播放，不能应用在数字播音。
方案二：
采用ISD1420系列语音芯片，它的音质很好，语音录放在8-20秒，它有2种放音控制和1种录音控制[14]。
它的每一个采样都被保存在芯片内部，可以保存达百年之久。
ISD1420语音播放的设计电路很简单，最小的录放音系统，仅仅需要喇叭、麦克风、若干按键、电源和很少的电容以及电阻就可以实现。
浴室水温温度控制系统的语音播报是在通电的情况下实现，而且也需要软件部分，综合了方案一及方案二，方案二更具性价比和优势，故选择方案二。
2.2AT89S52单片机概述
单片机是一个集成芯片，具备一些特殊的功能，其功能需要我们使用者自己输入编程来
完成。
编程的目标即是控制这个芯片在不同的时间输出不一样的电平，然后进一步的控制单片机各个引脚相连接的外部电路的情况[15]。
AT89S52是由因特尔公司发明，最早系列有MCS-48，其后发展出了MCS-51，然后因特尔公司将核心技术转让出去，之后发明了许多很多的51兼容系列单片机。
AT89S52具有40个引脚，8KB的片内存储器，1个全双工串行信口，内置看门狗（WDT）电路[16]。
2.3DS18B20传感器概述
数字温度传感器DS1820是一根总线接口的温度传感器。
它有着功率消耗低、性能比较高、可组建网络等优点。
新的器件适用电压更宽，体积也大幅度减小，并且经济实惠。
DS18B20的温度测量分辨率高达12位，可以直接把温度信号转换成为单片机需要的串行符号，很经常与单片机组合使用，从单片机中读取到温度数据。
在我们现在的生活中，DS18B20已经广泛的使用在冷冻库、粮仓、电力室。
它测量出温度可以下至-55℃，上达125℃。
在-10℃到85℃这个测量值内，测量出的温度误差更是仅在0.5℃。
由于温度传送是以一线总线的方式传送，使的系统的抗扰力得到了很好的成长。
电压范围也被调整至3.3V-5V，使系统设计更灵巧简便，而且新一代产品更便宜，体积更小。
DS18B20的性能是现代最优秀的产品之一，有着极高的性价比。
选择这类产品是能更符合我们的心意，从而设计出更适合我们当代社会的温度测量控制系统。
2.4其它硬件概述
ISD1420语音芯片是由美国ISD公司所发明的新产品，它有着录音数据永久化，保真度极高，用电很少等特点。
它是合用于同单片机接口等特点的新产品，它的录音时间可长达20秒。
它采用的技术有可以省电的自动待机技术，可以直接存储模拟信号，可编程电擦除只读存储与总线技术。
它的声音很优质，没有背景的噪音，可以兼容很多的系统，录音或者放音之后可以马上进入维持状态，仅仅需要0.5微安电流，可以有着自动省电的模式，而且存储信息时不耗电。
LCD12864它是128*64液晶模块的简称，这是电子界大家通用的简略说法。
它具有STN的显示类型，是透反射/正性的偏振模式，兼容多种单片机，有着串口或8位，4位并口，其工作温度在-20℃至70℃，在储藏的情况下，温度在-30℃到80℃之间，有着1/64DUTY，1/9BIAS的驱动方式，它有着4行8列总计32个16*16点阵的汉字，也可以完成显示图形的功能，他的另外一个显著特点即是需要的电压低，消耗的功率很少。
它的分辨率是128*64，接口很简单，操作简单零落，与同类型的液晶显示模块相比较，在显示程序上或者硬件电路上都有着极其明显的优势，在价格上性价比更是处在领先地位。
第三章系统硬件设计
3.1系统硬件的整体框图
本系统以AT89S52作为控制核心，开始接上晶振电路和复位电路构成一个最小系统。
接着根据带语音播报的浴室温度控制系统的要求，可以把各个功能进行模块化处理。
通过把各个模块地统筹处理，可以构成一个功能完善的系统，系统整体框图如图3-1所示：
图3-1系统整体框图
3.2系统子模块设计
3.2.1温度采集电路
温度采集电路温度采集采用温度传感器DS18B20，它可以采集温度数据，然后温度数据直接进行A/D转换，可以直观且实时的检测当时的周围环境温度。
DSl8B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。
DSl8B20的测量范围从-55℃到125℃，误差为0.5℃，工作电压则是在3-5V，自己设定的温度存储在芯片的内部即EEPROM中[17]。
它有着3个引脚，当我们的设计使用的是外部电源给系统供电时，VCC脚接电源，GND脚接地，DQ脚作为信号端接单片机的P3.4I/O口。
在VCC脚和DQ脚之间我们还需要接1个阻值约莫为4.7K的上拉电阻R16，用来使我们的总线在不使用的时候也能保持高电平。
温度传感器DS18B20将自身采集到的温度信号转换为数字信号存储起来，通过I/O口传送给单片机，单片机从而控制程序驱动LCD12864显示温度，控制整个系统。
温度采集电路原理图如图3-2所示：
图3-2温度采集电路图
3.2.2键盘电路
在键盘电路中我们通常有着独立键盘和矩阵键盘2种方式，当独立键盘与单片机相连时，每一个按键都需要一个单独的I/O口来控制，若我们设计的系统需要很多按键的时候，会导致I/O口不够用。
当我们使用矩阵键盘时，可以将1行的按键连成一个接口，占用1个I/O口。
每一列的按键连成一个接口，占用1个I/O口，这样子我们可以通过扫描I/O口，来确定我们使用的是哪个按键，这样子可以在需要很多I/O口的时候节省很多的I/O口。
因为在本次设计中我们仅仅需要4个按键而已，I/O口比较充足，故使用独立键盘电路。
在单片机设计中，除了复位按键，其他的按键都是采用的开状态和关状态来控制输入与功能的。
本次设计共有3个按键，能实现设置，增大，减小，启动4个功能，采用I/O口线构成的单个按键电路，互相不会影响。
键盘的按键K1，K2，K3，K4功能如下表3-1所示。
键盘电路如下图3-3：
表3-1键盘功能图
按键
键名
功能
K1
复位键
使系统复位
K2
设置键
开始设定温度
K3
+1和启动键
设定温度+1，在完成设定后按下设置键后，再按这个键，开始启动
K4
-1键
设定温度-1
图3-3键盘电路图
3.2.3显示电路
本设计主要采用的是LCD12864显示器，可以用来显示汉字与图形，在温度检测与温度设置下限时，可以直接的显示出来。
DB0-DB7接单片机的P2.0至P2.7作为数据的输入输出，GND接地，VDD是电源正极接+5v，V0口接一个电位器来调整液晶显示对比度，RS口接单片机的RS口，作为数据/命令的选择端，R/W端接W/R端来行使读/写输入端的功能，EN端是使能信号，NC脚是空脚不用接，RST端接+5V来行使复位功能，V0UT也是空脚不接，BLA是背光电源正极，所以接+5V电源，BLK端是背光电源负极，所以接地。
液晶显示电路如下图3-4：
图3-4液晶显示电路图
3.2.4水位检测电路
本次设计在Q1和Q2这2个三极管的基极分别接出一根导线，电源处也接出一根导线，分别置以不同的高度，电源处的导线最低，三极管Q1基极接出的导线在三极管Q2基极接出的导线和电源处导线之间。
Q1接出的导线位置标为P3.3，Q2接出的位置标为P3.2。
C2和D2则分别接至单片机的P3.3和P3.2口。
，在水位在初始到P3.3之间时，C1和D1均与接地接通，三极管导通C1和C2以及D1与D2均为低电平。
在水位在P3.3和P3.3之间时，C1与电源的线导通，三极管截止，C2呈现高电平，C1也是高电平，D2和D1则是低电平，单片机则是判断C2和D2的电平来做出判断，开始检测水温，然后来进行是否加水。
当水位达到P3.2之上时，C1和C2均与电源导通，三极管截止，D2出现高电平，D1也是高电平，C1和C2也是高电平。
单片机来判断C2和D2的电平来判断是否排水。
其中的R13和R14有10K的阻值，它的作用上拉电平，加强驱动力。
R11和R12的电阻则是1K，它的作用是用来限流，防止烧毁三极管。
水位检测电路如下图3-5所示：
图3-5水位检测电路图
3.2.5水位控制电路
在我们洗浴的时候，我们需要一定量的水位高度的水，所以设定了2个水位值，一个为水位下限，在低于水位下限的时候，开始加水直至达到水位下限。
一个为水位上限，在水位高于上限时，开始排水，从而将水位控制在自己设定的范围内。
本次设计采用发光二极管来代替执行电路。
L1灯代表释放热水，L2代表释放冷水，L3代表排水。
控制电路如下图3-6所示：
图3-6水位控制电路
3.2.6水温控制电路
本设计采用电动控制门阀来控制水的流量以达到温度控制的功能，它采用的原理主要是热平衡原理。
假设热水为T1，冷水为T2，混合水的温度为T3，易而得之T1＞T3＞T2，由Q吸等于Q放可以得到：
C水*M热水*（T1-T3）=C水*M冷水*（T3-T2）
可以得出T3=（M热水*T1+M冷水*T2）/（M冷水+M热水），令A=M热水/M冷水则T3为（AT1+T2）/（1+A），可以得出这是以A的递增函数，这样子当实际温度小于设定温度值时，可以控制2个电动调节门阀使得A增大，使得温度逐步达到所需要的值。
3.2.7单片机最小系统
时钟电路是用于产生STC89C52单片机正常工作所需的时钟控制信号。
它的产生来自于两种电路形式，内部振荡方式与外部振荡方式。
在引脚ATXL1和ATXL2外接晶振就构成了内部振荡方式。
单片机内部有一个高增益反相放大器，外接晶振以后，构成了自振振荡器来产生时针脉冲，内部振荡信号相对稳定，多数电路设计均采用。
本设计也是采
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