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【摘要】该水温控制系统采用单片机进行温度实时采集与控制。温度信号由数字化温度传感器DS18B20提供，温度传感器将温度信号采集经过A/D转换器转换成数字信号，经过单片机处理，输出信号对加热和报警进行实时控制和显示。水温控制采用继电器控制电热丝进行升温控制，通过自然冷却实现降温。系统具备较高的测量精度和控制精度，能完成升温控制和超温报警。
【关键词】单片机；DS18B20；水温控制
1.引言
由于近年来常规能源的紧缺，开发和利用太阳能这样的绿色能源有着重要的意义，它既是可再生能源，也不会污染环境。太阳能热水器也是其中的一大产业，太阳能热水器时存在的问题：不可缺水，空晒情况下上水会爆炸；春、秋天，水温升高蒸发，造成热能损失；冬天水温不够，须用电等等。现在人们对家用电器的要求越来 趋向数字化、自动化、智能化。采用太阳能热水器水温水位测控系统，能解决上述问题。使用户省心，使用方便，智能操控，用户不必作任何操作。
本系统是针对上述问题设计的温度控制系统，由AT89S52单片机和一些外围设备，充分运用软件和硬件结合的方法实现了当前水箱温度显示，以及当水温变高自动加热和高出设定温度报警的功能。本系统可使用在水池，锅炉，水塔等装置上，当水位下温到一定刻度值且大于设定温度时，报警器响。
2.系统设计要求和方案论证
2.1 系统的设计要求
要求设计一个恒温系统，设计的系统可以实现当前水箱温度和设定温度的显示，可以人工手动控制上设定温度，可根据环境需要由人工自由设置。具体要求如下：
a.技术指标：温度设定范围：30-90℃，最小区分度为0.1℃。
b.控制精度：
温度控制的静态误差≤0.5℃。
c.用十进制数码显示实际水温。
d.超出设定温度时能发出报警。
2.2 系统设计方案论证
方案一：采用半导体逻辑器件构成的控制器，主要应用定时器构成。在此控制方案里，定时器和加减计数器共同构成水温显示器。由于水温的变化具有未知性，在水温检测电路里，利用热敏电阻测量的水温信号是模拟量，需要经过模/数转换成半导体逻辑器件能够识别的数字信号。这类控制电路过于庞大复杂，操作也不方便，成本也较高。
方案二：采用单片机为核心控制器的电路。单片机电路结构简单、成本低廉，可靠性高，便于实现各个控制功能。水温由设置在水箱内的四个浮子式微动开关获得的电信号检测，通过单片机处理送达显示电路显示当前水位。由于实际操作的原因，本设计水温检测用滑动变阻器来代替，通过组织的改变来实现水温的改变。然后把信号输入到单片机，获得当前水位显示。水温检测由单片机根据温度传感器（DS18B20）的操作指令和时序，读取温度，并送达显示电路显示当前水温。本设计用三个按键来控制上水的水量。
从结构、经济、可操作性等方面来看，方案三都是最佳选择。方案三以单片机AT89S52为核心控制器件，结合单线数字温度传感器DS18B20与液晶显示器12864，设计一种太阳能热水器智能控制系统。该系统原理框图如图1所示。
图1 系统原理框图
用户在使用热水器后，当水箱中水温下降到一定刻度值时，可通过人工使用按键方法来控制加热器加热，水温达到的限定刻度也可以由按键设定。当水温下降到设定温度时，单片机接受此信号并开始执行指令，报警电路工作，此时关闭加热器。设置的三个按键也可以实现人工温度调节的功能。
在加热过程中，显示器LCD既可以显示水箱的设定水温值又可显示水箱内水的当前温度，不仅直观方便，而且精确度高，实用性强。此系统解决了热水器加热时需人工守候，达到了省时、环保、节水的目的。加设液晶显示部分，使整个系统更实用，更趋向数字化、智能化。
3.系统硬件电路设计
该系统由主控芯片模块AT89S52、DS18B20温度检测模块、LCD液晶显示模块、键盘控制模块、报警模块和电磁阀开关模块组成，下面分别对各个模块作具体介绍。
3.1 主控芯片AT89S52单片机及接口电路
AT89S52是一个一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52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。
3.2 温度检测模块的设计
传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：
（1）传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；
（2）模拟集成温度传感器/控制器；
（3）智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成式向智能化、网络化的方向发展。
温度传感器的主要特点是功能单一、测温误差小、价格低廉、响应速度快。传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控制，不需要进行非线性校准，外围电路简单。本设计选用了型号为DS18B20的温度传感器，因为它独特的单线接口，且具有精准度高、抗干扰能力强等优点。
3.3 LCD液晶显示模块
液晶屏显示模块与数码管相比，它显得更为专业、漂亮。液晶显示屏以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、使用方便等诸多优点，在通讯、仪器仪表、电子设备、家用电器等低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，使这些电子设备的人机界面变得越来越直观形象，目前已广泛应用于电子表、计数器、IC卡电话机、液晶电视机、便携式电脑、掌上型电子玩具、复印机、传真机等许多方面。 本实验采用TS12864-3型液晶，这种液晶自带汉字库，可直接显示汉字，采用的驱动电路是ST7290。
液晶显示模块与单片机连接主要考虑以下三点：
（1）单片机若为CMOS芯片，则不用加总线驱动器等电平转换电路；若为TTL芯片则必须配电平转换电路。
（2）模块读/写控制线为单选，对读、写控制线分开的单片机，必须加读、写信号转换电路。
（3）根据对模块确定的编码地址，选择对应的译码电路。
3.4 键盘控制模块
在单片机应用系统中，通常应具有人机对话功能，能随时发出各种控制命令和数据输入以及报告应用系统的运行状态与运行结果。键盘是操作人员可以通过按键输入数据和命令进行功能设置，它是本系统中不可缺少的输入设备。键盘由一组按键开关所组成。按键开关所组成的键盘可以分为两种形式：独立式按键和矩阵式按键。本设计由于按键较少，使用的是独立式按键。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。当功能键不是很多时，采用该种方式比较合适。独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O口线。每根I/O口线的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。
图2 系统整体电路图
本系统设计了有3个键，所用的3个键采用直接式接法。3个按键可设置不同档的水温刻度：按键K1为开始设定水温；按键K2为设定温度+0.1℃，按键K3为设定温度-0.1℃。控制部分由三个按键K1、K2、K3组成，分别对应着三个开关P1.0、P1.1、P1.2的开闭。
3.5 报警电路和加热电路
在单片机应用系统中，要将输出的信号转化成具体的功能电路，水温超过设定温度时，报警部分开始工作，具体电路图如图2所示。水温低于设定温度时，加热部分开始工作。根据以上单元电路，得系统整体电路图如图2所示。
4.系统软件设计
由于AT89S52单片机的速度不高，要尽量提高反馈控制速度就必须要在控制算法、程序结构和代码编写上尽量优化。
使用AT89S52单片机，12MHZ晶振，P1口读入时间值，用LCD液晶管P0口输出段码，P1口扫描，最高位指示通道（0～7）。
系统上电即初始化，首先，单片机片选时钟芯片，然后发出信号启动时钟。此时单片机内部定时器/计数器也开始工作，不断扫描时钟结束端口有无结束信号。若有，即启动信号采集，对时钟芯片的数据输出口送来的数值进行存储处理；若没有，则继续等待。数据处理完之后，利用查表法将时间数值送显示器显示出来并通过蜂鸣器打铃，主程序流程图如图3所示。
图3 主程序流程图
5.结束语
本系统以AT89S52单片机为控制核心，外围电路多以具有串行接口的芯片组成。系统实现了显示驱动，数据存储，蜂鸣器打铃等多种功能。由于采用LCD液晶管，外部中断控制打铃和显示，大大简化了电路，降低了系统成本，提高了系统可靠性。
参考文献
[1]康华光.电子技术基础（模拟部分）（第四版）[M].北京：高等教育出版社，1999.
[2]高吉祥.模拟电子线路设计[M].北京：电子工业出版社，2007.
[3]谢自美.电子线路综合设计[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.
[4]胡乾斌，李光斌等.单片微型计算机原理与应用（第二版）[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.
[5]周立功，夏宇闻.单片机与CPLD综合应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[6]李群芳，张士军，黄建.单片机微型计算机与接口技术（第三版）[M].北京：电子工业出版社，2008.
【关键词】单片机；DS18B20；水温控制
1.引言
由于近年来常规能源的紧缺，开发和利用太阳能这样的绿色能源有着重要的意义，它既是可再生能源，也不会污染环境。太阳能热水器也是其中的一大产业，太阳能热水器时存在的问题：不可缺水，空晒情况下上水会爆炸；春、秋天，水温升高蒸发，造成热能损失；冬天水温不够，须用电等等。现在人们对家用电器的要求越来 趋向数字化、自动化、智能化。采用太阳能热水器水温水位测控系统，能解决上述问题。使用户省心，使用方便，智能操控，用户不必作任何操作。
本系统是针对上述问题设计的温度控制系统，由AT89S52单片机和一些外围设备，充分运用软件和硬件结合的方法实现了当前水箱温度显示，以及当水温变高自动加热和高出设定温度报警的功能。本系统可使用在水池，锅炉，水塔等装置上，当水位下温到一定刻度值且大于设定温度时，报警器响。
2.系统设计要求和方案论证
2.1 系统的设计要求
要求设计一个恒温系统，设计的系统可以实现当前水箱温度和设定温度的显示，可以人工手动控制上设定温度，可根据环境需要由人工自由设置。具体要求如下：
a.技术指标：温度设定范围：30-90℃，最小区分度为0.1℃。
b.控制精度：
温度控制的静态误差≤0.5℃。
c.用十进制数码显示实际水温。
d.超出设定温度时能发出报警。
2.2 系统设计方案论证
方案一：采用半导体逻辑器件构成的控制器，主要应用定时器构成。在此控制方案里，定时器和加减计数器共同构成水温显示器。由于水温的变化具有未知性，在水温检测电路里，利用热敏电阻测量的水温信号是模拟量，需要经过模/数转换成半导体逻辑器件能够识别的数字信号。这类控制电路过于庞大复杂，操作也不方便，成本也较高。
方案二：采用单片机为核心控制器的电路。单片机电路结构简单、成本低廉，可靠性高，便于实现各个控制功能。水温由设置在水箱内的四个浮子式微动开关获得的电信号检测，通过单片机处理送达显示电路显示当前水位。由于实际操作的原因，本设计水温检测用滑动变阻器来代替，通过组织的改变来实现水温的改变。然后把信号输入到单片机，获得当前水位显示。水温检测由单片机根据温度传感器（DS18B20）的操作指令和时序，读取温度，并送达显示电路显示当前水温。本设计用三个按键来控制上水的水量。
从结构、经济、可操作性等方面来看，方案三都是最佳选择。方案三以单片机AT89S52为核心控制器件，结合单线数字温度传感器DS18B20与液晶显示器12864，设计一种太阳能热水器智能控制系统。该系统原理框图如图1所示。
图1 系统原理框图
用户在使用热水器后，当水箱中水温下降到一定刻度值时，可通过人工使用按键方法来控制加热器加热，水温达到的限定刻度也可以由按键设定。当水温下降到设定温度时，单片机接受此信号并开始执行指令，报警电路工作，此时关闭加热器。设置的三个按键也可以实现人工温度调节的功能。
在加热过程中，显示器LCD既可以显示水箱的设定水温值又可显示水箱内水的当前温度，不仅直观方便，而且精确度高，实用性强。此系统解决了热水器加热时需人工守候，达到了省时、环保、节水的目的。加设液晶显示部分，使整个系统更实用，更趋向数字化、智能化。
3.系统硬件电路设计
该系统由主控芯片模块AT89S52、DS18B20温度检测模块、LCD液晶显示模块、键盘控制模块、报警模块和电磁阀开关模块组成，下面分别对各个模块作具体介绍。
3.1 主控芯片AT89S52单片机及接口电路
AT89S52是一个一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52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。
3.2 温度检测模块的设计
传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：
（1）传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；
（2）模拟集成温度传感器/控制器；
（3）智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成式向智能化、网络化的方向发展。
温度传感器的主要特点是功能单一、测温误差小、价格低廉、响应速度快。传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控制，不需要进行非线性校准，外围电路简单。本设计选用了型号为DS18B20的温度传感器，因为它独特的单线接口，且具有精准度高、抗干扰能力强等优点。
3.3 LCD液晶显示模块
液晶屏显示模块与数码管相比，它显得更为专业、漂亮。液晶显示屏以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、使用方便等诸多优点，在通讯、仪器仪表、电子设备、家用电器等低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，使这些电子设备的人机界面变得越来越直观形象，目前已广泛应用于电子表、计数器、IC卡电话机、液晶电视机、便携式电脑、掌上型电子玩具、复印机、传真机等许多方面。 本实验采用TS12864-3型液晶，这种液晶自带汉字库，可直接显示汉字，采用的驱动电路是ST7290。
液晶显示模块与单片机连接主要考虑以下三点：
（1）单片机若为CMOS芯片，则不用加总线驱动器等电平转换电路；若为TTL芯片则必须配电平转换电路。
（2）模块读/写控制线为单选，对读、写控制线分开的单片机，必须加读、写信号转换电路。
（3）根据对模块确定的编码地址，选择对应的译码电路。
3.4 键盘控制模块
在单片机应用系统中，通常应具有人机对话功能，能随时发出各种控制命令和数据输入以及报告应用系统的运行状态与运行结果。键盘是操作人员可以通过按键输入数据和命令进行功能设置，它是本系统中不可缺少的输入设备。键盘由一组按键开关所组成。按键开关所组成的键盘可以分为两种形式：独立式按键和矩阵式按键。本设计由于按键较少，使用的是独立式按键。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。当功能键不是很多时，采用该种方式比较合适。独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O口线。每根I/O口线的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。
图2 系统整体电路图
本系统设计了有3个键，所用的3个键采用直接式接法。3个按键可设置不同档的水温刻度：按键K1为开始设定水温；按键K2为设定温度+0.1℃，按键K3为设定温度-0.1℃。控制部分由三个按键K1、K2、K3组成，分别对应着三个开关P1.0、P1.1、P1.2的开闭。
3.5 报警电路和加热电路
在单片机应用系统中，要将输出的信号转化成具体的功能电路，水温超过设定温度时，报警部分开始工作，具体电路图如图2所示。水温低于设定温度时，加热部分开始工作。根据以上单元电路，得系统整体电路图如图2所示。
4.系统软件设计
由于AT89S52单片机的速度不高，要尽量提高反馈控制速度就必须要在控制算法、程序结构和代码编写上尽量优化。
使用AT89S52单片机，12MHZ晶振，P1口读入时间值，用LCD液晶管P0口输出段码，P1口扫描，最高位指示通道（0～7）。
系统上电即初始化，首先，单片机片选时钟芯片，然后发出信号启动时钟。此时单片机内部定时器/计数器也开始工作，不断扫描时钟结束端口有无结束信号。若有，即启动信号采集，对时钟芯片的数据输出口送来的数值进行存储处理；若没有，则继续等待。数据处理完之后，利用查表法将时间数值送显示器显示出来并通过蜂鸣器打铃，主程序流程图如图3所示。
图3 主程序流程图
5.结束语
本系统以AT89S52单片机为控制核心，外围电路多以具有串行接口的芯片组成。系统实现了显示驱动，数据存储，蜂鸣器打铃等多种功能。由于采用LCD液晶管，外部中断控制打铃和显示，大大简化了电路，降低了系统成本，提高了系统可靠性。
参考文献
[1]康华光.电子技术基础（模拟部分）（第四版）[M].北京：高等教育出版社，1999.
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[4]胡乾斌，李光斌等.单片微型计算机原理与应用（第二版）[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.
[5]周立功，夏宇闻.单片机与CPLD综合应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[6]李群芳，张士军，黄建.单片机微型计算机与接口技术（第三版）[M].北京：电子工业出版社，2008.