基于單片機(jī)技術(shù)的自動(dòng)定量水溫控制器的設(shè)計(jì)方案

1.方案的總體設(shè)計(jì)與論證

1.1 液位傳感器的選擇

自制傳感器是利用金屬導(dǎo)體與水本身的導(dǎo)電特性而制成的。它可以認(rèn)為的將它防止任何位置都能采集到數(shù)據(jù)，不存在盲區(qū)的問(wèn)題，而且非常利于對(duì)裝置的擴(kuò)展。并且成本比較低。

1.2 溫度傳感器的選擇

DS18B20是把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)化成串行的數(shù)字信號(hào)的一種傳感器，并且它的電源和數(shù)據(jù)線可以直接與單片機(jī)的電源及單片機(jī)的I/O口相連，使用方便，并且成本比較低。

1.3 水泵與電磁閥比較與選擇

對(duì)于水泵的選擇，由于裝置容積較小，要求精度較高，所以采用功率相對(duì)較低，既可進(jìn)行變壓變速調(diào)節(jié)，又可以實(shí)現(xiàn)微調(diào)的直流水泵。另外，電磁閥的選擇與直流水泵一致，同樣選擇直流控制，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一電源。

1.4 控制方案的比較與選擇

本裝置的調(diào)節(jié)可以采用兩個(gè)水泵控制，也可以采用兩個(gè)電磁閥的控制。采用前者當(dāng)溫度非常接近預(yù)設(shè)溫度的時(shí)候?qū)鏊蜔崴牧髁恳蠓浅５?，水泵根本不可能達(dá)到要求。如果采用后者，由于電磁閥本身的特性只有兩個(gè)量(全開(kāi)和全關(guān))，這樣只能根據(jù)不同的水溫對(duì)兩種水的流量比例進(jìn)行計(jì)算，很難達(dá)到預(yù)設(shè)水溫的要求，即使達(dá)到了水溫的要求也不達(dá)到水位的要求，對(duì)這兩個(gè)要求不可能同時(shí)滿足。

2.設(shè)計(jì)與論證

首先，用戶需要對(duì)自己所需液位高度和液體的溫度進(jìn)行設(shè)定。

其次，需要對(duì)液位和水溫進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)自制的傳感器和DS18B20可返回與液位和水溫一一對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，對(duì)液位的測(cè)量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換將此電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字電壓信號(hào)，傳入到51單片機(jī)中進(jìn)行處理分析。通過(guò)對(duì)用戶所設(shè)液位和溫度的比較后，由處理器對(duì)直流水泵和直流固態(tài)繼電器的控制，繼而控制水泵與電磁閥的工作狀態(tài)。當(dāng)水位和水溫與預(yù)設(shè)的水溫相差很大的時(shí)候，可以將水泵和電磁閥全開(kāi)，當(dāng)水溫快要達(dá)到預(yù)設(shè)的要求時(shí)，利用水泵本身的特性，采用可調(diào)的PWM和PID的相互配合，可以實(shí)現(xiàn)快速而且穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，此時(shí)，如果水位還未達(dá)到要求的話，可將閥打開(kāi)，這時(shí)水泵就會(huì)隨著閥的流量變化也隨之變化，當(dāng)所測(cè)的液位和高度達(dá)到用戶的基本要求是裝置自動(dòng)停止工作。如果還未達(dá)到要求是裝置還會(huì)繼續(xù)調(diào)節(jié)，這樣就構(gòu)成了自動(dòng)調(diào)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)，可使裝置達(dá)到要求的精度。

3.單元電路設(shè)計(jì)

3.1 液晶電路的設(shè)計(jì)

液晶的多數(shù)接口均與單片機(jī)連接，接入R9、R10兩個(gè)電位器來(lái)調(diào)節(jié)液晶顯示器的清晰度，R9、R10的對(duì)比度越高，顯示器越清晰。

液晶電路圖如圖1所示：

3.2 按鍵電路的設(shè)計(jì)

4只下拉電阻和4只鍵盤(pán)連接位選線DIG4-DIG7的4只電阻(以下簡(jiǎn)稱位選電阻)，應(yīng)遵從一定的比例關(guān)系，下拉電阻應(yīng)大于位選電阻的5倍而小于其50倍，典型值為10倍;下拉電阻的取值范圍是10K-100K,位選電阻的取值范圍是1K-10K.在不影響顯示的前提下，下拉電阻應(yīng)盡可能地取較小的值，這樣可以提高鍵盤(pán)部分的抗干擾能力。

8155需要以外接的RC振蕩電路以供系統(tǒng)工作，其典型值分別為R=1.5K,C=15pF.

當(dāng)有鍵按下時(shí)，KEY引腳輸出變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)如果接收到‘讀鍵盤(pán)’指令，8155將輸出所按下鍵的代碼。鍵盤(pán)代碼的定義，如圖2所示，圖2中的鍵號(hào)即鍵盤(pán)代碼，途中代碼以10進(jìn)制表示。如果沒(méi)有在沒(méi)有按鍵的情況下收到‘讀鍵盤(pán)’指令，8155將輸出FFH(即255)。

3.3 自制液位傳感器電路的設(shè)計(jì)

自制液位傳感器是將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后將其傳入單片機(jī)內(nèi)，如果到達(dá)制定的液位時(shí)，其單片機(jī)內(nèi)部的累加器的數(shù)值發(fā)生變化，如果未達(dá)到指定的液位是其內(nèi)部的累加器的數(shù)值為0,根據(jù)累加器的變化來(lái)判斷是否達(dá)到制定的液位高度，具體設(shè)計(jì)液位高度電路連接如圖3所示。

4.軟件設(shè)計(jì)

主控制芯片為AT89S51,采用匯編語(yǔ)言編程。軟件流程如圖4所示。

5.系統(tǒng)測(cè)試

5.1 測(cè)試方法與儀器

首先，利用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)溫度計(jì)對(duì)18B20進(jìn)行校準(zhǔn)。然后在使用該溫度計(jì)對(duì)混合后的溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，并與用戶設(shè)定的溫度進(jìn)行比較。

對(duì)于液位的設(shè)定是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的米尺來(lái)對(duì)高度進(jìn)行設(shè)定，將其傳感器放置在要求的高度，然后觀察是否在預(yù)定的高度水泵和電磁閥能夠停止工作。

5.2 測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，分析結(jié)果表明高度是人為設(shè)定的，并且由于傳感器本身的特性，一旦水到達(dá)所設(shè)定的高度就立即會(huì)產(chǎn)生電壓，并且會(huì)迅速把信號(hào)傳給單片機(jī)，然后產(chǎn)生命令立即停止。所以可以對(duì)于高度來(lái)說(shuō)基本上不存在誤差。

6.結(jié)論

本文所提出的方案中設(shè)計(jì)的自動(dòng)定量水溫控制器以51單片機(jī)為主控制器，通過(guò)DS18B20溫度傳感器和自制的高度傳感器及A/D轉(zhuǎn)換，對(duì)水箱的溫度和水位進(jìn)行采樣，通過(guò)電磁閥和水泵調(diào)解混合水的溫度以及液面高度，構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試結(jié)果分析表明該方案的自動(dòng)定量水溫控制器可以通過(guò)鍵盤(pán)和遠(yuǎn)程遙控設(shè)置混合水的溫度以及液面的高度。