IOP Conference Series: Materials Science and Engineering
PAPER bull; OPEN ACCESS
Design of Water Temperature Control System Based on Single Chip Microcomputer
To cite this article: Hanhong Tan and Qiyan Yan 2017 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 274 012146
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FMSP 2017 |
IOP Publishing |
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IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 274 (2017) 012146 |
doi:10.1088/1757-899X/274/1/012146 |
Design of Water Temperature Control System Based on Single Chip Microcomputer
Hanhong Tan, Qiyan Yan
Guangdong University of Science amp; Technology, Dongguan, 523083, China
Abstract. In this paper, we mainly introduce a multi-function water temperature controller designed with 51 single-chip microcomputer. This controller has automatic and manual water, set the water temperature, real-time display of water and temperature and alarm function, and has a simple structure, high reliability, low cost. The current water temperature controller on the market basically use bimetal temperature control, temperature control accuracy is low, poor reliability, a single function. With the development of microelectronics technology, monolithic microprocessor function is increasing, the price is low, in all aspects of widely used. In the water temperature controller in the application of single-chip, with a simple design, high reliability, easy to expand the advantages of the function. Is based on the appeal background, so this paper focuses on the temperature controller in the intelligent control of the discussion.
1. Introduction
The purpose of 'single-chip course design' is to enable students to complete the design and programming of small system target board based on MCS-51 single-chip multi- resource application and comprehensive function on the basis of theoretical study so that students can not only Classroom knowledge and practical application of the combination of knowledge, but also to electronic circuits, electronic components, printed circuit boards and other aspects of knowledge to further deepen understanding, while software programming, debugging debugging, welding technology, related equipment The use of skills and other aspects of a more comprehensive exercise and improve for the future to be independent of some of the SCM application system development and design work to lay a certain foundation.
2. Overall Design
2.1. Design requirements
The overall design of the program is mainly based on single-chip water temperature controller system design, to achieve automatic heating of water temperature, and to detect the size of the water temperature and temperature display. The specific requirements are divided into the following aspects: the program design is reasonable, simple; self-design detection and related processing circuit; complete single-chip data acquisition and processing hardware circuit design and related software programming; auxiliary circuit and components optional; optional sensor type; Range 20 to 60 degrees celsius.
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FMSP 2017 |
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IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 274 (2017) 012146 |
doi:10.1088/1757-899X/274/1/012146 |
2.2. Design purposes
The rapid development of modern science and technology, with profound knowledge is the basis of the future ambitious. Experience is also important as knowledge, if not in the practice of students practice hard work, alone classroom learning class, is bound to theory and practice out of touch And the application of the situation out of touch. How easy it is to use a single-chip microcomputer technology, how useful is it, and how easy it is for the students to feel that it is just a pilgrimage to the air, or that you will lose interest in it, or you will feel it Measured no way to start, these circumstances will make the effect of classroom teaching greatly reduced.
3. Design
This paper introduces a multi - function water temperature controller designed with 51 single - chip microcomputer with automatic and manual water supply, set water temperature, real - time display water quantity and temperature and al
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基于单片机的水温控制系统设计
摘要：本文主要介绍一种采用51单片机设计的多功能水温控制器。 该控制器具有自动和手动供水，设定水温，实时显示水温和报警功能，且结构简单，可靠性高，成本低。 目前市场上的水温控制器基本上采用双金属片温度控制，温度控制精度低，可靠性差，功能单一。 随着微电子技术的发展，单片微处理器功能不断增加，价格低廉，在各个方面得到广泛应用。 在水温控制器中应用单片机，具有设计简单，可靠性高，易于扩展等功能的优点。 基于上述背景，所以本文着重讨论温度控制器在智能控制中的作用。
1.介绍
“单片机课程设计”的目的是使学生能够在理论学习的基础上，基于MCS-51单片机多资源应用和综合功能完成小系统目标板的设计和编程，使学生能够不仅课堂知识和实际应用相结合，而且对电子电路，电子元器件，印制电路板等方面的知识进一步加深了解，同时软件编程，调试测试，焊接工艺，相关设备的使用技能等方面较为全面地锻炼和提高，为将来基于一些单片机应用系统的开发和设计工作奠定一定的基础。
2整体设计
2.1设计要求
该方案的总体设计主要是基于单片机水温控制器系统设计，实现水温自动加热，并检测水温和温度显示的大小。 具体要求分为以下几个方面：方案设计合理，简单；自行设计检测及相关处理电路；完成单片数据采集和处理硬件电路设计及相关软件编程；辅助电路和组件可选；可选传感器类型；范围20至60摄氏度。
2.2设计目的
现代科学技术的飞速发展，具有深厚的知识是未来雄心勃勃的基础。经验也是重要的知识，如果不是在实践中学生实践勤奋工作，仅仅是课堂学习，势必将理论与实践脱节并将其应用实际情况脱节。单片机技术的使用是如此的容易，是如此的有用，如果学生们觉得这只是一次空洞的学习过程，或者对它失去兴趣，或者觉得它是没有办法实际开始的，这些客观因素都会使课堂教学的效果大打折扣。
3.设计
本文介绍了一种多功能水温控制器，设计有51单片机，具有自动和手动供水，设定水温，实时显示水量和温度及报警功能，结构简单，可靠性高而且成本低。 目前市场上的水温控制器基本上采用双金属片温度控制，温度控制精度低，可靠性差，功能单一。 随着微电子技术的发展，单片微处理器功能不断增加，价格低廉，在各个方面得到广泛应用。 在水温控制器中应用单片机，具有设计简单，可靠性高，易于扩展等功能的优点。
水温控制器主要是实现对水温的控制，并能满足不同用户的个性化需求。 所以更完整的控制器应具有以下功能：水温测量和显示；水测量和显示；用户设置（如水温设置，时间设置等）；加热管控制功能：一些功能键（如定时自动加水，恒温控制，手动加水，手动加热等）。具体设计方案流程图如图1所示。
图1. 51单片机设计的水温控制系统设计
根据水温控制器的功能要求，结合51系列单片机资源分析，采用该系列主流型号89C51作为电路系统的控制核心。 基本的硬件电路如图2（a）〜（c）所示。在此系统中，P0.0〜P0.3为七段码显示，P2.6控制水锁开关，P2.7控制电热管，P3.3〜P3.5为按键键盘设计，P3 .0〜P3.2为DS18B20通讯水温测量，P2.0〜P2.1为七段码扫描，P2.2〜P2.5 LED指示灯，P3.7控制扬声器报警。
4原理电路
4.1水温测量电路
水温测量电路测温元件采用DALLAS单线数字温度传感器DS18B20。DS18B20提供9个温度读数，测量范围-55℃〜125℃，采用独特的1-WIRE总线协议，只需一条端口线即可实现与MCU的双向通信，具有连接简单，精度高，可靠性高等特点。总线提供电源，单片机发出脉冲读取温度值。DS18B20采用3引脚PR-35或8引脚SOIC封装，引脚分配如图2所示。3引脚用于GND，2引脚I / O用于数据输入/输出（即单线总线），1引脚为开路输出，正常状态下为高电平。1号引线是外部 5V电源端口，不用时应接地。NC是空的。DS18B20的内部框图包括寄生电源，温度传感器，64位激光ROM单线接口，用于存储中间数据的高速存储器（包括暂存RAM）以及TH和TL用于存储用户设定温度的上限和下限处理器存储器和控制逻辑，8位循环冗余校验码（CRC）生成器等七个部分。
4.2寄生供电电路
寄生电源由二极管VD1，VD2和寄生电容C组成。电源检测电路用于确定电源模式。 当寄生供电时，VDD引脚接地，设备从单线总线获得电源。 当I/O线为低电平，C上的电压Vc继续为器件供电。 寄生电源有两个优点：一是远程温度检测，无需本地电源；其次，缺乏正常的电源还可以读取ROM。 如果使用外部电源VDD，则通过VD2向器件供电。
4.2.1温度测量原理
DS18B20采用独特的温度测量技术测量温度。DS18B20内部的低温度系数振荡器可以产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器将被测温度转换成频率信号f。当计数门打开时，DS18B20计数f0，计数门导通时间由高温系数振荡器决定。芯片累加器内部有一个斜率，非线性频率需要补偿。测量结果存储在温度寄存器中。一般情况下，温度值应该是9（符号1位），但符号位扩展到8位，所以它被读取16位。
4.2.2高速寄存器
在正常温度测量的情况下，DS18B20的温度分辨率为0.5℃，可以通过以下高分辨率温度测量结果获得：首先用DS18B20读取寄存器指令（BEH）在0.5℃（LSB）下读取测量值结果得到测得的实际温度的整数部分Tz，然后用BEH指令取计数器1的计数残值Cs和每计数值CD。考虑到DS18B20测量的整数部分温度为0.25℃，0.75℃为载流极限的关系，实际温度Ts可用下式计算：Ts =（Tz-0.25℃） （CD-Cs）/ CD。
4.3高温自动报警电路
DS18B20完成温度转换，测量温度与TH，TL进行比较。 如果Tgt; TH或T lt;TL，则设置设备中的报警标志并响应主机发送的报警搜索命令。 因此，可以使用多个DS18B20来测量温度和报警搜索。一旦超过温度限制，主机将使用警报搜索命令来识别正在收到警报的设备并读出其序列号，而不管非警报设备状态。循环冗余校验（CRC）存储在64位ROM的最高有效字节中。 主机根据ROM的前56位计算CRC值，并将其与存储在DS18B20中的CRC值进行比较，以确定主机接收的ROM数据是否正确。 CRC的CRC表达式为：CRC = X8 X5 X3 1。另外，DS18B20需要为暂存器中的数据生成8位CRC，以确保临时数据传输正确。
4.4基本温度水温测量电路
在这个系统中，一个DS18B20温度传感器，三个七段码显示器，四个LED灯，四个功能键和水量设置按钮使用同一组键。 密钥的优先级高于水信号，并且水的高级信号高于低级信号以确保密钥优先。
4.5显示电路和键盘电路
显示电路温度采用两段七段码显示，显示范围0℃〜99℃。带七段显示的水，显示1，2，3，4四档水位。执行温度和水的循环扫描。四个LED用于当前的按键功能设置。 所以在设计过程中，我们需要设置按钮两个，一个“ ”按键，一个“-”按键。
4.6水温和水控制电路
水温和水控制电路如图2所示，单片机通过光电耦合继电器控制，用来切断或打开加热管的电源，关闭或打开水阀，从而达到水温和水温控制。
图2.水温和水控制电路
5系统软件设计
系统软件是用汇编语言编写的。 通过查询实现键盘扫描，泄漏检测等子程序系统，并采用12MHz时钟频率，指令运行时间进行精确的计算和设计，以确保软件的可靠性和稳定性。
5.1键盘和显示器
该系统有四个功能键：常规水，恒温控制，手动水和手动加热：三个七段码显示，带四个LED灯。
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- 按下定时器时的加水按钮，定时器LED亮起，并且当前时间为标准的时间，每24小时自动加水以设定水位；如果这个按钮超过5秒钟，定时器指示灯熄灭，并听到“Duo”声音设置出水，那么每次按下按钮时，水位显示加一个文件，1〜4个文件循环显示，请勿按按钮5秒以上，再次听到“哔”声，关水。系统的计时功能主要由软件完成。
- 按下恒温控制按钮，恒温LED灯亮表示温度控制，然后点击LED熄灭，取消温度控制。 类似于水的设置，请按住温度设置。
- 按下手动加热按钮，加热LED灯，加热到65℃，如水不足，按一次取消加热。
- 按下手动水按钮，加水量设定水量，长按设定水量。在手动添加水的过程中，再次按下取消加水。通常，两个七段码显示当前的水温，另一个显示当前的水位。
5.2水温测量
温度读数通过与DS18B20进行通信完成。DS18B20通信功能是基于时间共享的，并且具有严格的时隙概念。所以DS18B20的各种操作系统必须通过协议来进行。DS18B20是美国DALLAS公司的单线数字温度传感器，它具有小型化，低功耗，高性能，抗干扰能力强，易于处理微处理器等特点，特别适用于形成多点温度测量和控制系统，将温度转换为串行数字信号进行微机处理，并且每个芯片DS18B20都有唯一的产品编号并可以存储在其ROM中，从而构成一个大型温度测量和控制系统到任何数量的DS1820芯片组。从DS18B20读取或写入信息只需要一条接口线，从数据总线读写温度转换，总线本身也可以连接到DS18B20电源，而不需要供电。DS1820提供了9个温度读数，使得配置温度检测系统时无需任何外围硬件。
6结论
课程设计是培养学生综合应用知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要组成部分。这种设计也是学生具体培训和考察过程的实际工作能力。 随着科学技术的飞速发展， MCU在当今的计算机应用中已经成为前所未有的应用，在生活中可以说是无处不在。 所以随着二十一世纪，大学对单片机技术发展的掌握非常重要。
设计之后的一些设计经验：1.在设计过程中，一定要使用单片机的内部结构了解系统，知道芯片的芯片资源是什么，其引脚功能应该了解； 2.设计一种编程语言并不重要，关键是要有清晰的想法和完整的软件流程图。3.在设计过程中，你无法想象整个过程会被设计出来，“重复改变，持续改进”是设计程序的唯一方法； 在设计程序过程中遇到了一个问题正常，但是我们应该每次把问题记录下来，并且分析清楚，以免下次遇到同样的问题。
参考文献
- 华中科技大学电子系编，康华光主编：“电子技术基金会”（模拟部分）（第四版），北京：高等教育出版社，2015.
- 华中科技大学电子系主编康华光主编：“电子技术基金会”（数字部分）（第四版），北京：高等教育出版社，2010.
- 秦增煌主编：“电机工程”一书，电气技术（第五版），北京：高等教育出版社，2014.
- 秦增煌主编：“电气工程”下的书，电子技术（第五版），北京：高等教育出版社，2013.
- 万福恩 单片机原理系统设计与应用. 中国科学技术大学出版社，2013.
- 宏观水晶技术.STC89CS1RC-RD - 指南.Http://www.stc-mcu.com.cn.2015年.
- 基于Keil CS 1高级语言的TKS系列仿真器使用指南。 广州致远电子有限公司2014.
基于热水箱的智能供水温控系统设计
关键词：热水箱，供水，温控，单片机.
摘要：本文以单片机为控制核心，设计了一种基于热水箱的智能供水温度控制系统，适用于夏季农村和城镇边缘。该系统可以解决供水问题和控制室外水温的问题，具有节能环保明显，运行安全可靠，成本低廉，功能适用的优点。SCM可以从传感器 DS18B20 实时采集水温，并从水位传感器获取水量。根据箱内水温和体积，单片机控制小水泵向箱内供水。用户可以通过键盘设置洗澡时间。时钟芯片DS1302提供日期和时间。电源采用5V和24V太阳能电池板的绿色能源。该设计为农民提供了便利，特别是对于只有小孩和老人的家庭。该系统对农村科技普及具有一定的指导意义。
介绍
在夏季，低成本和便利的热水箱在农村地区很受欢迎。 将热水箱放在屋顶上，并将冷水倒入其中。 强烈的阳光可以加热水浴或洗衣服。 然而，屋顶太高，农村人通过攀爬梯子在箱子里供水，这是危险的，尤其是老人和男孩。另外，中午的箱子里的水太热，倒了很多水后变得太冷了。 所以农民经常在日落后洗澡，这限制了洗澡的时间。有关热水箱的一些相关研究。 提出了一种家用热水锅炉的灰箱模型[1]。 研究家用热水系统，通过与主热水管道并行安装回水管道以及利用单片机来实现自动化，以节约家庭用热水的能源和水资源控制和一定的家用热水供应系统的智能控制[2]。 针对温室内人工控制热水供暖所面临的问题，设计了一种基于单片机的热水温度控制系统[3]。 建立了具有两个进水口和内部热源的热水箱的三维数学模型[4]。 新型水箱太阳能热水系统的热性能：研究表明，平均热损耗系数降低了 1.35-3.42 W /（m ·K），平均日效率提高了 2.37％-4.02％[5]。作者研究了改进的热层结问题，在垂直覆盖的热水箱内放障碍物[6]。以微控制器 STC89C52 为核心，设计了一种基于热水箱的智能供水温度控制系统。该系统可以自动检测水温和水量，并提供冷水自动控制水温。这种设计解决了农村农民沐浴过程中的不便。
整体系统框架
该系统包括微控制器STC89C52，DS1302时钟模块，DS18B20温度传感器，
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