一种开关量控制的水浴恒温控制器设计

　电加热水浴恒温控制具有升温单向性、大惯性、大滞后、时变性、依靠环境自然冷却降温的特点，难以用数学方法建立精确的模型[1]。传统的控制方法是温度低于设定值时，持续加热；高于设定值时，停止加热。这种方法容易使加热过程温度有很大的过冲，在其恒温过程中，温度波动也较大。
本设计采用的温控方法为：温度较低时，持续加热；温度接近时，断续加热；温度高于设定值时，停止加热。本控制器设定参数具有掉电保持功能，下次开机不用重新设定，方便连续作业；除了数字显示当前温度外，更能显示温度曲线，使其变化趋势一目了然，具有传统数码管显示无法比拟的优点。温度传感器采用数字温度传感器，硬件设计简单，大大减小了由信号转换引起的误差。
　本控制器可当作“水浴锅”、“水温箱”、“煮沸消毒箱”的控制器使用，其温控效果可用于蒸馏、干燥、浓缩及恒温加热、化学药品、生物发酵制品、检查血清和生化实验、恒温培养等。
1 控制器硬件组成
　如图1所示，控制器由实时时钟、数字温度传感器、单片机、TFT液晶屏、输出继电器、按键等部分组成。
本控制器采用宏晶公司STC89C52RC型单片机作为核心控制器，其Flash程序存储器容量为8 KB，数据存储器RAM为512 B，内部具有2 KB容量的E2PROM，可用作参数设置时掉电保存参数用，这样就不需要设计外部存储器，精减了硬件电路设计。该芯片加密性强，抗干扰能力强，功耗低，满足本控制器设计要求。内部E2PROM读写的3个基本命令为字节读、字节编程、扇区擦除。同一个地址的数据可以反复读出，但要写入数据，必须先将其擦除，而数据擦除是按扇区（每个扇区512 B）进行的[2]。

　数据显示部分采用的是1.8英寸TFT液晶屏，型号为GYTF018LB35B0M，由于没有自带汉字字库，所以需要自行取汉字字模，存入程序存储空间，通过函数调用实现字符显示。使用时需自行设定字符显示的大小，针对不同的显示要求，本系统使用了32×32、16×16、8×8三种大小字符显示效果。
　实时时钟芯片用于显示当前系统运行时间和控制温度均匀采样。本控制器采用DS1302作为时钟控制芯片。DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，可采用突发方式一次传送多个字节的数据。实时时钟提供秒、分、时、日、星期、月和年记录，且具有闰年补偿功能，工作电压宽达2.5 V~5.5 V，采用双电源供电（主电源与备用电源）。DS1302能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛用于测量系统中。控制器的时钟电路如图2所示。

2.1 初始化模块
　初始化模块由以下函数组成：（1）读取上一次存储在E2PROM中的两个设定值，即设定温度值，时间间隔值；（2）配置数字温度传感器18B20；（3）配置LCD，清屏LCD为黑色，并显示一些在整个控制过程中不变的字符和曲线，如“g”、“℃”等。本模块在程序开始运行后，只执行一次。

2.4 获取当前时钟模块
　通过函数Read_RTC（unsigned char *pdate_r），将DS1302当前时钟数据读入到date_r[7]数组中，调用方式为：Read_RTC（date_r）。其中date_r[7]数组中每位依次表示为秒、分、时、日、月、年、周，且均为BCD码。所以date_r[0]代表了当前的秒数，date_r[3]位表示了当前代表的天数。获取了当前的时钟信息后，通过函数date2string（unsigned char *pdate_dispstr）转换为相应的字符串，然后调用字符串显示函数在液晶屏上显示。本系统为了方便记录当前系统已运行的时间，需设置相应按键，用于时钟清零[4]。
2.5 温度曲线显示模块
　温度曲线显示模块是本控制器编程的难点之一。本文选择的液晶屏点数为128×160，真正显示曲线部分如图6所示。由图6可知，可显示的横坐标点共121个点。若在while循环中，每次循环都在液晶屏上显示一个点，则121个横坐标表示的点只能覆盖很短的时间。若能实现每隔1 s读取一次温度值，则整个屏幕可以覆盖2 min内的数据，也就是说足可以显示2 min内的温度变化的趋势。本文实现的方法如下：
　cur_sec=date_r[0]； //读出当前的秒数，为BCD码
if （cur_sec!=last_sec）
//当前的秒数与上一次不相等，则过了1 s了
       {
       ……//此部分代码1 s执行一次
       last_sec=cur_sec；
       count++；//用于控制断续加热
       }

　画点函数与画直线函数原型为：
　void  LCD_draw_point（uchar x，uchar y，uint color）；
　//画点函数
　void  LCD_draw_line（uchar xStart，uchar yStart，uchar xEnd，uchar yEnd， uint color）//画直线函数
在曲线显示时，希望温度曲线始终在屏幕的中间部分显示，以全面反映温度的上下波动。而且画直线时，需要知道上一个温度点的纵坐标和当前温度点的纵坐标。本系统中，曲线显示部分中间那条标尺纵坐标为115，于是计算当前温度点的纵坐标和上一次温度点的纵坐标方法为：
　a=115+（TargetTemSet-Temperature）；
　　　　//温度变化后的Y坐标
　b=115+（TargetTemSet-Temperature_last）；
　　　　//温度变化前的Y坐标
　其中，TargetTemSet为当前设定的温度值，Temperature为当前检测到的温度值，Temperature_last为上一秒检测到的温度值。假设设定温度TargetTemSet=200（即20.0℃），上一次温度Temperature_last=200，当前温度为Temperature=210，则变化后的温度点纵坐标a=105，温度变化前的温度点纵坐标b=115。由此可以画一条竖线，就可以达到设计要求。在使用画直线函数前，还需要将a、b限幅，即{a，b}?奂[75，155]。
在本设计中，共画出了9条标尺，每个标尺间距为10个像素点，代表温度相差1℃。
2.6 温度调节模块
　本控制器要求实现温度值与设定值相差大于3℃时，连续加热；小于3℃时，断续加热；大于设定值时，断开继电器；断续加热时，继电器交替通断。关键代码如下：
if（Temperature<（TargetTemSet-30））
//温度较低，直接加热
{
 if （Temperature!=0）   RELAY=RelayOn；
}
 else if（Temperature<TargetTemSet）
//温度接近设定温度，断续加热
{
  if （count>= TargetTimeInterval）
//读出秒数，需加热时，加热几秒，停几秒
　{ count=0；   RELAY=!RELAY；}
　}
　else   RELAY=RelayOff；//大于设定值， 断电
3 恒温实验效果
　针对本设计进行相关的实验，实验原理图如图10所示。实验中，设定了3个温度档次，即30 ℃、35 ℃、40 ℃分时进行。

　当设定为30℃时，通过实验发现加热过程温度过冲为0.3℃，恒温过程波动为±0.1℃，控制过程运行良好。
当温度设定为35℃时，发现过冲比较大，说明传感器与加热体相隔距离太远，不合理，需要重新调整。但恒温过程比较满意。
　于是调整传感器与加热体的距离（减小），使之更加合理。设定为40℃时，水槽水温上升曲线可知基本上无过冲，恒温效果比较满意。在恒温过程中将时间清零了一次，所以运行时间比加温时间小。
实验中发现：温度是否恒定、过冲是否小与许多因素有关，如：加热体和传感器之间的距离、水槽是否密封、水槽材质散热性等。当温度设定较高时，水槽周边散热较大，同一水槽中，不同位置水的温度不同，水槽中的水温呈一定的梯度分布。要提高恒温效果，除了从控制器本身入手外，还可以进行如下方面的考虑：
　（1）保持加热体与传感器之间处于合适的距离。
　（2）有条件的话，在加热体附近增加一个小的螺旋桨，使水在水槽内温度更加均匀。
　（3）保持水槽密封，根据水槽装水的多少，选择合适功率的加热体。
　（4）增大加热体加热面积，使水槽整体升温，减小局部温度过高的可能。
　本文设计了一种水浴恒温控制器，介绍了其硬件与软件设计过程，并进行了相关实验，结果表明其升温与恒温效果均比较满意。本设计的一大亮点在于通过TFT液晶屏实时显示了当前温度值、设定值、当前运时间等，还能通过彩色曲线显示2 min内温度变化趋势。文中提出的实时时钟编程思想，可在高速微处理器上实现长时间定时，对其他大惯性控制系统的设计具有一定的借鉴意义。
参考文献
[1] 贺艳秋，黄大贵.电阻炉FuZZy_PID温度控制系统[J]. 橡胶工业，2006（53）：109-109.
[2] 宏晶公司.单片机器件手则：STC89C51RC-RD+GUIDE-CHINESE.2006：42-43.
[3] 杜克铭，姚燕，李景涌.基于STC89C52的多路温度传感器标定系统[J].电子技术应用，2009（4）：152-155.
[4] 王节旺.一种基于STC89C52RC单片机的计时系统的设计方案[J].微型机与应用，2011（6）：28-30.