摘  要： 針對(duì)傳統(tǒng)的水浴恒溫加熱過程溫度過沖大，難以觀察歷史曲線的不足，設(shè)計(jì)了一種開關(guān)量控制的恒溫加熱控制器。該控制器具有溫度控制精確，過沖小，設(shè)定參數(shù)掉電保持，溫度變化趨勢一目了然的特點(diǎn)。詳細(xì)介紹了其硬件與軟件設(shè)計(jì)過程。
關(guān)鍵詞： 水浴恒溫；掉電數(shù)據(jù)保持；TFT液晶曲線顯示

　電加熱水浴恒溫控制具有升溫單向性、大慣性、大滯后、時(shí)變性、依靠環(huán)境自然冷卻降溫的特點(diǎn)，難以用數(shù)學(xué)方法建立精確的模型[1]。傳統(tǒng)的控制方法是溫度低于設(shè)定值時(shí)，持續(xù)加熱；高于設(shè)定值時(shí)，停止加熱。這種方法容易使加熱過程溫度有很大的過沖，在其恒溫過程中，溫度波動(dòng)也較大。
本設(shè)計(jì)采用的溫控方法為：溫度較低時(shí)，持續(xù)加熱；溫度接近時(shí)，斷續(xù)加熱；溫度高于設(shè)定值時(shí)，停止加熱。本控制器設(shè)定參數(shù)具有掉電保持功能，下次開機(jī)不用重新設(shè)定，方便連續(xù)作業(yè)；除了數(shù)字顯示當(dāng)前溫度外，更能顯示溫度曲線，使其變化趨勢一目了然，具有傳統(tǒng)數(shù)碼管顯示無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。溫度傳感器采用數(shù)字溫度傳感器，硬件設(shè)計(jì)簡單，大大減小了由信號(hào)轉(zhuǎn)換引起的誤差。
　本控制器可當(dāng)作“水浴鍋”、“水溫箱”、“煮沸消毒箱”的控制器使用，其溫控效果可用于蒸餾、干燥、濃縮及恒溫加熱、化學(xué)藥品、生物發(fā)酵制品、檢查血清和生化實(shí)驗(yàn)、恒溫培養(yǎng)等。
1 控制器硬件組成
　如圖1所示，控制器由實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)字溫度傳感器、單片機(jī)、TFT液晶屏、輸出繼電器、按鍵等部分組成。
本控制器采用宏晶公司STC89C52RC型單片機(jī)作為核心控制器，其Flash程序存儲(chǔ)器容量為8 KB，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM為512 B，內(nèi)部具有2 KB容量的E2PROM，可用作參數(shù)設(shè)置時(shí)掉電保存參數(shù)用，這樣就不需要設(shè)計(jì)外部存儲(chǔ)器，精減了硬件電路設(shè)計(jì)。該芯片加密性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，功耗低，滿足本控制器設(shè)計(jì)要求。內(nèi)部E2PROM讀寫的3個(gè)基本命令為字節(jié)讀、字節(jié)編程、扇區(qū)擦除。同一個(gè)地址的數(shù)據(jù)可以反復(fù)讀出，但要寫入數(shù)據(jù)，必須先將其擦除，而數(shù)據(jù)擦除是按扇區(qū)（每個(gè)扇區(qū)512 B）進(jìn)行的[2]。

　數(shù)據(jù)顯示部分采用的是1.8英寸TFT液晶屏，型號(hào)為GYTF018LB35B0M，由于沒有自帶漢字字庫，所以需要自行取漢字字模，存入程序存儲(chǔ)空間，通過函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)字符顯示。使用時(shí)需自行設(shè)定字符顯示的大小，針對(duì)不同的顯示要求，本系統(tǒng)使用了32×32、16×16、8×8三種大小字符顯示效果。
　實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片用于顯示當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間和控制溫度均勻采樣。本控制器采用DS1302作為時(shí)鐘控制芯片。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，采用SPI三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年記錄，且具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓寬達(dá)2.5 V~5.5 V，采用雙電源供電（主電源與備用電源）。DS1302能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時(shí)間同時(shí)記錄，因此廣泛用于測量系統(tǒng)中。控制器的時(shí)鐘電路如圖2所示。

2.1 初始化模塊
　初始化模塊由以下函數(shù)組成：（1）讀取上一次存儲(chǔ)在E2PROM中的兩個(gè)設(shè)定值，即設(shè)定溫度值，時(shí)間間隔值；（2）配置數(shù)字溫度傳感器18B20；（3）配置LCD，清屏LCD為黑色，并顯示一些在整個(gè)控制過程中不變的字符和曲線，如“g”、“℃”等。本模塊在程序開始運(yùn)行后，只執(zhí)行一次。

2.4 獲取當(dāng)前時(shí)鐘模塊

　通過函數(shù)Read_RTC（unsigned char *pdate_r），將DS1302當(dāng)前時(shí)鐘數(shù)據(jù)讀入到date_r[7]數(shù)組中，調(diào)用方式為：Read_RTC（date_r）。其中date_r[7]數(shù)組中每位依次表示為秒、分、時(shí)、日、月、年、周，且均為BCD碼。所以date_r[0]代表了當(dāng)前的秒數(shù)，date_r[3]位表示了當(dāng)前代表的天數(shù)。獲取了當(dāng)前的時(shí)鐘信息后，通過函數(shù)date2string（unsigned char *pdate_dispstr）轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的字符串，然后調(diào)用字符串顯示函數(shù)在液晶屏上顯示。本系統(tǒng)為了方便記錄當(dāng)前系統(tǒng)已運(yùn)行的時(shí)間，需設(shè)置相應(yīng)按鍵，用于時(shí)鐘清零[4]。
2.5 溫度曲線顯示模塊
　溫度曲線顯示模塊是本控制器編程的難點(diǎn)之一。本文選擇的液晶屏點(diǎn)數(shù)為128×160，真正顯示曲線部分如圖6所示。由圖6可知，可顯示的橫坐標(biāo)點(diǎn)共121個(gè)點(diǎn)。若在while循環(huán)中，每次循環(huán)都在液晶屏上顯示一個(gè)點(diǎn)，則121個(gè)橫坐標(biāo)表示的點(diǎn)只能覆蓋很短的時(shí)間。若能實(shí)現(xiàn)每隔1 s讀取一次溫度值，則整個(gè)屏幕可以覆蓋2 min內(nèi)的數(shù)據(jù)，也就是說足可以顯示2 min內(nèi)的溫度變化的趨勢。本文實(shí)現(xiàn)的方法如下：
　cur_sec=date_r[0]； //讀出當(dāng)前的秒數(shù)，為BCD碼
if （cur_sec!=last_sec）
//當(dāng)前的秒數(shù)與上一次不相等，則過了1 s了
       {
       ……//此部分代碼1 s執(zhí)行一次
       last_sec=cur_sec；
       count++；//用于控制斷續(xù)加熱
       }

　畫點(diǎn)函數(shù)與畫直線函數(shù)原型為：
　void  LCD_draw_point（uchar x，uchar y，uint color）；
　//畫點(diǎn)函數(shù)
　void  LCD_draw_line（uchar xStart，uchar yStart，uchar xEnd，uchar yEnd， uint color）//畫直線函數(shù)
在曲線顯示時(shí)，希望溫度曲線始終在屏幕的中間部分顯示，以全面反映溫度的上下波動(dòng)。而且畫直線時(shí)，需要知道上一個(gè)溫度點(diǎn)的縱坐標(biāo)和當(dāng)前溫度點(diǎn)的縱坐標(biāo)。本系統(tǒng)中，曲線顯示部分中間那條標(biāo)尺縱坐標(biāo)為115，于是計(jì)算當(dāng)前溫度點(diǎn)的縱坐標(biāo)和上一次溫度點(diǎn)的縱坐標(biāo)方法為：
　a=115+（TargetTemSet-Temperature）；
　　　　//溫度變化后的Y坐標(biāo)
　b=115+（TargetTemSet-Temperature_last）；
　　　　//溫度變化前的Y坐標(biāo)
　其中，TargetTemSet為當(dāng)前設(shè)定的溫度值，Temperature為當(dāng)前檢測到的溫度值，Temperature_last為上一秒檢測到的溫度值。假設(shè)設(shè)定溫度TargetTemSet=200（即20.0℃），上一次溫度Temperature_last=200，當(dāng)前溫度為Temperature=210，則變化后的溫度點(diǎn)縱坐標(biāo)a=105，溫度變化前的溫度點(diǎn)縱坐標(biāo)b=115。由此可以畫一條豎線，就可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在使用畫直線函數(shù)前，還需要將a、b限幅，即{a，b}?奐[75，155]。
在本設(shè)計(jì)中，共畫出了9條標(biāo)尺，每個(gè)標(biāo)尺間距為10個(gè)像素點(diǎn)，代表溫度相差1℃。
2.6 溫度調(diào)節(jié)模塊
　本控制器要求實(shí)現(xiàn)溫度值與設(shè)定值相差大于3℃時(shí)，連續(xù)加熱；小于3℃時(shí)，斷續(xù)加熱；大于設(shè)定值時(shí)，斷開繼電器；斷續(xù)加熱時(shí)，繼電器交替通斷。關(guān)鍵代碼如下：
if（Temperature<（TargetTemSet-30））
//溫度較低，直接加熱
{
 if （Temperature!=0）   RELAY=RelayOn；
}
 else if（Temperature<TargetTemSet）
//溫度接近設(shè)定溫度，斷續(xù)加熱
{
  if （count>= TargetTimeInterval）
//讀出秒數(shù)，需加熱時(shí)，加熱幾秒，停幾秒
　{ count=0；   RELAY=!RELAY；}
　}
　else   RELAY=RelayOff；//大于設(shè)定值， 斷電
3 恒溫實(shí)驗(yàn)效果
　針對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理圖如圖10所示。實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定了3個(gè)溫度檔次，即30 ℃、35 ℃、40 ℃分時(shí)進(jìn)行。

　當(dāng)設(shè)定為30℃時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加熱過程溫度過沖為0.3℃，恒溫過程波動(dòng)為±0.1℃，控制過程運(yùn)行良好。
當(dāng)溫度設(shè)定為35℃時(shí)，發(fā)現(xiàn)過沖比較大，說明傳感器與加熱體相隔距離太遠(yuǎn)，不合理，需要重新調(diào)整。但恒溫過程比較滿意。
　于是調(diào)整傳感器與加熱體的距離（減?。?，使之更加合理。設(shè)定為40℃時(shí)，水槽水溫上升曲線可知基本上無過沖，恒溫效果比較滿意。在恒溫過程中將時(shí)間清零了一次，所以運(yùn)行時(shí)間比加溫時(shí)間小。
實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：溫度是否恒定、過沖是否小與許多因素有關(guān)，如：加熱體和傳感器之間的距離、水槽是否密封、水槽材質(zhì)散熱性等。當(dāng)溫度設(shè)定較高時(shí)，水槽周邊散熱較大，同一水槽中，不同位置水的溫度不同，水槽中的水溫呈一定的梯度分布。要提高恒溫效果，除了從控制器本身入手外，還可以進(jìn)行如下方面的考慮：
?。?）保持加熱體與傳感器之間處于合適的距離。
　（2）有條件的話，在加熱體附近增加一個(gè)小的螺旋槳，使水在水槽內(nèi)溫度更加均勻。
?。?）保持水槽密封，根據(jù)水槽裝水的多少，選擇合適功率的加熱體。
?。?）增大加熱體加熱面積，使水槽整體升溫，減小局部溫度過高的可能。
　本文設(shè)計(jì)了一種水浴恒溫控制器，介紹了其硬件與軟件設(shè)計(jì)過程，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明其升溫與恒溫效果均比較滿意。本設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)在于通過TFT液晶屏實(shí)時(shí)顯示了當(dāng)前溫度值、設(shè)定值、當(dāng)前運(yùn)時(shí)間等，還能通過彩色曲線顯示2 min內(nèi)溫度變化趨勢。文中提出的實(shí)時(shí)時(shí)鐘編程思想，可在高速微處理器上實(shí)現(xiàn)長時(shí)間定時(shí)，對(duì)其他大慣性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。
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