加热器自动温度控制设计分析报告摘要温度是重要的物理量，温度的测量和控制，在工业生产和科研工作中都非常重要。
本文介绍了一种以STC89C52单片机为检测控制中心的数字式水温自动控制系统。
温度测量部分采用单总线集成温度传感器DS18B20，使系统简单可靠，且易于操作。
温度设置部分采用四个独立按键组成，显示部分采用四位共阴数码管显示，使系统变得简便而高效。
温度控制采用PID数字控制算法，通过计算偏差值来控制光耦合和可控硅的通断，从而控制加热器的加热程度。
实际调试表明，采用PID算法能使温度稳定在设定值附近。
前言温度控制已成为工业生产、科研领域中很重要的一个环节, 能否成功地将温度控制在需要的范围内关系到整个工作的成败。
由于控制对象的多样性和复杂性, 导致采用的温控手段也具有多样性。
采用PID 控制原理研制成适合用于小型电加热器的温度控制器。
该控制器能够达到很好的控制效果, 若精心选择PID 的各种参数, 温度控制的精度可以达到±0.05℃。
温度控制的目的就是将电加热器的工作温度以一定的精度稳定在一定的范围内, 这就要求根据电加热器工作时的实际情况(如产热量大小等) 采取一定的措施,来控制电加热器的加热程度。
在温控系统中, 首先将需要控制的被测参数温度由传感器转换成一定的信号后再与预先设定的值进行比较, 把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的控制值, 将控制量送给控制系统进行相应的控制, 不停地进行上述工作, 从而达到自动调节的目的。
当控制对象的精确数学模型难以建立时, 比较成熟且广泛使用的控制方法是采用按差值信号的比例（Proportionality），积分(Integration)和微分(Differentiation)进行计算控制量的方法, 即PID 算法。
1硬件系统设计1.1 系统总体框图系统总体设计思路为：当系统上电后，数码管会显示当前的温度，然后等待按键输入设定值，设定完毕后，系统开始温度自动控制过程，如果当前温度高于设定温度，系统会断开光耦器件及可控硅使水温冷却，如果当前温度低于设定温度，若低于2度以上，系统会采取全加热的方式，如果温差小于2度，则采用PID算法进行控制加热。
定时器0每半秒钟会进行一次温度采样然后与设定值进行比较，比较出来的值将会决定定时器1控制的可控硅器件的通断时间长短，从而实现对温度的精确控制。
系统的总体框图如图1.1所示，具体连接电路如图1.2所示。
1.2 单片机系统随着集成电路技术的发展，单片微型计算机（单片机）的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。
主控制器单片机STC89C52温度显示温度传感器DS18B20 时钟振荡及复位电路 双向可控硅加热器水温设置1.2.1 单片机STC89C52STC89C52是一种高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。
另外STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz，6T/12T 可选。
STC89C52的主要特性如下：1. 增强型8051 单片机，6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051；2. 工作电压：5.5V～3.3V（5V 单片机）/3.8V～2.0V（3V 单片机）；3. 工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051 的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz；4. 用户应用程序空间为8K 字节；5. 片上集成512 字节RAM；6. 通用I/O 口（32 个），复位后为：P1/P2/P3/P4 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻；7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；8. 具有EEPROM 功能；9. 具有看门狗功能；10. 共3 个16 位定时器/计数器。
即定时器T0、T1、T2；11. 外部中断4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；12. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART；13. 工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）。
1.3数字温度传感器DS18B201.3.1单线数字温度计DSl8B20 介绍DS18B20 数字温度计提供9 位(二进制)温度读数指示器件的温度信息经过单线接口送入DSl8B20 或从 DSl8B20 送出因此从主机CPU 到DSl8B20 仅需一条线(和地线) DSl8B20 的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源因为每一个DSl820 在出厂时已经给定了唯一的序号因此任意多个DSl8B20 可以存放在同一条单线总线上这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件DSl8B20 的测量范围从-55 到+125 增量值为0. 5 可在ls(典型值)内把温度变换成数字每一个DSl8B20 包括一个唯一的64 位长的序号该序号值存放在DSl8B20 内部的ROM(只读存贮器)中开始8 位是产品类型编码(DS l 8B20 编码均为10H ) 接着的48位是每个器件唯一的序号最后8 位是前面56 位的CRC(循环冗余校验)码DSl8B20 中还有用于贮存测得的温度值的两个8 位存贮器RAM 编号为0 号和1 号存贮器存放温度值的符号如果温度为负( )则1 号存贮器8 位全为1 否则全为0 0 号存贮器用于存放温度值的补码 LSB(最低位) 的 1 表示0.5 将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2 就得到被测温度值(-55~ 125度) 。
1.3.2 DSl8B20 工作过程及时序DSl8B20 工作过程中的协议如下 :初始化RoM操作命令存储器操作命令处理数据（1）初始化单总线上的所有处理均从初始化开始（2）ROM操作指令总线主机检测到DSl820 的存在便可以发出ROM操作命令之一指令代码Read ROM (读R OM ) [ 33H]Match ROM (匹配ROM) [55H]Skip ROM (跳过ROM] [CCH]Search ROM( 搜索R OM ) [ F0 H]Alarm search( 告警搜索) [ ECH]（3）存储器操作命令指令代码Write Scratchpad( 写暂存存储器) [ 4EH]Read Scratchpad( 读暂存存储器) [ BEH]Copy Scratchpad( 复制暂存存储器) [ 48H]Convert Temp erature(温度变换) [ 44H]Recall EPROM (重新调出) [ B8H]Read Power supply (读电源) [ B4H]（4）时序主机使用时间隙(tim e slots) 来读写DSl820 的数据位和写命令字的位。
初始化主机总线在开始时刻发送一复位脉冲(最短为480μS 的低电平信号) 接着在下一时刻释放总线并进入接收状态DSl820 在检测到总线的上升沿之后等待15 -6 0u s 接着DS18B20在t2 时刻发出存在脉冲(低电平持续60-240 μS) .1.3.3 DS18B20连接图DS18B20的连接电路如图1.3所示。
1.4 温度显示部分温度显示部分采用4位共阳数码管来显示，位选端采用4个PNP型三极管9012来驱动。
数码管前两位显示温度，后两位显示摄氏度符号。
具体连接电路如图1.4所示：1.5 温度设定部分温度设定部分采用四个独立按键来完成，按键S0负责进入设定部分，S1和S2分别为温度加和温度减，按键S3为切换到显示当前温度。
独立按键的工作原理比较简单，其具体连接图如图1.5所示。
1.6 光电耦合器件1.6.1光电耦合器件简介光电耦合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极管）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电—光和光—电的转换器件。
光电耦合器分为很多种类，常用的有三极管型光电耦合器。
光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种杂讯干扰，使通道上的信号杂讯比大为提高，主要有以下几方面的原因：（1）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105～106Ω。
据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极体发光，从而被抑制掉了。
光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。
(2)光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。
因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。
(3)光电耦合器的回应速度极快，其响应延迟时间只有10μS左右，适于对响应速度要求很高的场合。
1.6.2 光电隔离技术的应用（1）微机介面电路中的光电隔离微机有多个输入端，接收来自远处现场设备传来的状态信号，微机对这些信号处理后，输出各种控制信号去执行相应的操作。
在现场环境较恶劣时，会存在较大的杂讯干扰，若这些干扰随输入信号一起进入微机系统，会使控制准确性降低，产生误动作。
因而，可在微机的输入和输出端，用光耦作介面，对信号及杂讯进行隔离。
（2）功率驱动电路中的光电隔离在微机控制系统中，大量应用的是开关量的控制，这些开关量一般经过微机的I／O输出，而I／O的驱动能力有限，一般不足以驱动一些点磁执行器件，需加接驱动介面电路，为避免微机受到干扰，须采取隔离措施。