基于單片機的水溫液位自動(dòng)控制系統設計

設計一個(gè)測溫及液位自動(dòng)控制系統，水位和水溫都可以在一定范圍內由人工設定，當液位低于設定下限值時(shí)，系統能自動(dòng)加水，以保持設定液位高度不變。當溫度低于設定值時(shí)，系統能實(shí)現自動(dòng)加熱，以保持設定的溫度基本不變。

系統設計具體要求如下：

(1)液位可在正常工作范圍內任意設定，上、下限之間最大高度差為100mm；

(2)自動(dòng)完成注水(液位偏差小于5mm)，達到設定液位時(shí)要有明顯的聲音提示；

(3)具有液位超下限(可設)自動(dòng)注水功能，自動(dòng)保持設定液位高度，偏差小于2mm；

(4)加熱溫度可在室溫至100℃之間任意設定；

(5)自動(dòng)完成加熱(溫度偏差小于5℃)，達到設定溫度時(shí)要有明顯的、有別于液位的聲音提示；

(6) 具有溫度超下限(可設)自動(dòng)加熱功能，自動(dòng)保持設定溫度，偏差小于1℃；

(7) 通過(guò)手機完成對該裝置工作參數無(wú)線(xiàn)監控。

整個(gè)系統采用單片機作為系統核心控制器，接+5V直流電壓源。按下系統總電源開(kāi)關(guān)后，系統開(kāi)始運行，顯示器顯示系統當前狀態(tài)。用戶(hù)可以通過(guò)藍牙手機遙控預置溫度和液位高度值。接下來(lái)系統會(huì )對容器內的水溫和水位進(jìn)行檢測，判斷溫度和水位是否低于設定值，當低于水位設定值時(shí)，單片機會(huì )通過(guò)控制繼電器的閉合來(lái)啟動(dòng)水泵給容器內上水；若是低于溫度設定值，則單片機會(huì )通過(guò)控制繼電器的閉合來(lái)啟動(dòng)電熱壺進(jìn)行加熱操作。每次完成任務(wù)后系統都會(huì )有相應的語(yǔ)音提示，讓用戶(hù)在操作過(guò)程中擁有良好的聽(tīng)覺(jué)感受，這使整個(gè)系統的設計更加具有人性化。

溫度采集電路

本設計中對容器內溫度的采集在控制系統中占有很重要的一部分，要想得到精準的控制效果，精確的溫度信號是關(guān)鍵所在，因此在本設計中采用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行溫度采集。DS18B20溫度傳感器具有獨特的單線(xiàn)接口，只需1個(gè)接口引腳即可通信，信息通過(guò)單線(xiàn)接口即可送入DS18B20或從DS18B20送出。與單片機電路連接圖如圖所示。

DS18B20與單片機的硬件連接圖

液位檢測電路

本設計中采用了US-100超聲波傳感器來(lái)檢測容器內的水位，由單片機控制超聲波模塊****并進(jìn)行檢波接收，通過(guò)串口RX(P3.0引腳)輸出指令0x55到超聲波的Trig/TX管腳，超聲波傳感器會(huì )驅動(dòng)超聲波****探頭向外****出超聲波，遇到障礙物后****出去的超聲波會(huì )被反射回來(lái)，超聲波傳感器檢測和處理后，結果會(huì )通過(guò)Echo/RX管腳輸出到單片機的P3.1口，共輸出包含兩個(gè)字節的距離值，前一字節代表距離高8位(HDate)，后者代表距離低8位(LData)，計算出(HData*256 +LData)的值即為傳感器距容器內液面的高度，由單片機處理后控制顯示出來(lái)，其硬件連接圖如圖所示。

顯示電路

本設計中顯示模塊采用的是型號為L(cháng)CD12864的液晶，通過(guò)它可以顯示出當前水溫和水位的狀態(tài)，使容器內的水溫水位狀態(tài)有了一個(gè)更為直觀(guān)的顯示。串行連接除電源線(xiàn)接地線(xiàn)外，只連接3個(gè)管腳即可與單片機進(jìn)行通信。液晶的片選信號端CS、數據口SID端以及同步時(shí)鐘端SCLK分別按順序與單片機的P2.0、P2.1、P2.2口相連接，連接電路圖如圖所示。

藍牙傳輸電路

智能手機已經(jīng)成為了當代人們必備的信息交流工具，而現在的智能手機都具有藍牙功能，本設計中利用外圍單片機通過(guò)串口對藍牙模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使藍牙模塊和藍牙手機建立連接，實(shí)現藍牙設備與藍牙手機之間的無(wú)線(xiàn)通信，使用者通過(guò)藍牙手機即可對該系統進(jìn)行參數設置，從而實(shí)現用手機完成對裝置工作參數的無(wú)線(xiàn)監控的目的。系統采用型號為HC-06的藍牙模塊，該型號藍牙模塊結構功能簡(jiǎn)單合理，成本低且能滿(mǎn)足需求。

繼電器控制電路

繼電器實(shí)際上是一種用小電流控制大電流的“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”，通常應用在自動(dòng)控制電路中，起著(zhù)安全保護、自動(dòng)調節等作用，是一種電子控制器件。本控制系統利用固態(tài)繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)來(lái)作為接通輔助加熱器和加水裝置的開(kāi)關(guān)。水溫的加熱是通過(guò)電熱壺來(lái)實(shí)現的,對于電熱壺這種大功率交流元件，STC12C5A60S2是不可能通過(guò)自己的引腳來(lái)完成的,而需要通過(guò)功率放大元件利用220V的交流電來(lái)實(shí)現加熱和加水。對繼電器動(dòng)作與否的總控制信號是P1.3口。當CPU向P1.3發(fā)高電平信號時(shí)，進(jìn)入三極管Q2,此時(shí)固態(tài)繼電器導通，同時(shí)D2發(fā)光二極管點(diǎn)亮，指示工作狀態(tài)為正在輔助加熱。

電加熱控制電路

水位的補償則是通過(guò)水泵來(lái)實(shí)現的，水泵是大功率交流元件，STC12C5A60S2無(wú)法通過(guò)自己的引腳來(lái)完成對它的控制，而需要通過(guò)控制繼電器的閉合220V的交流電來(lái)實(shí)現水泵加水，控制電路如圖所示。對繼電器動(dòng)作與否的總控制信號是STC12C5A60S2的P1.4口線(xiàn)。當CPU向P1.4發(fā)高電平信號時(shí)，進(jìn)入三極管Q1，此時(shí)固態(tài)繼電器導通，同時(shí)D1發(fā)光二極管點(diǎn)亮，指示工作狀態(tài)為正在加水。

水泵上水控制電路

主程序設計

主程序是整個(gè)系統軟件中的管理者，它管理著(zhù)程序的走向以及各個(gè)子程序的調用。系統啟動(dòng)時(shí)，程序開(kāi)始運行對各個(gè)I/O口進(jìn)行初始化操作，然后啟動(dòng)超聲波傳感器和DS18B20溫度傳感器對容器內的水溫水位進(jìn)行采集測量，并做出相應的處理。然后將采集到的數據與設定值進(jìn)行比較，通過(guò)計算后根據PWM脈沖控制繼電器的閉合程度，從而控制水泵和電熱壺來(lái)實(shí)現水溫水位的調整。主程序流程圖如圖所示。

溫度控制程序設計

本系統的水溫采集系統是實(shí)時(shí)的，系統初始化時(shí)，將水溫監測模塊對應的DS18B20啟用。DS18B20測出的實(shí)際溫度送入單片機中與目標值相比較，調用PWM脈沖產(chǎn)生子程序對電熱壺所對應的繼電器進(jìn)行控制。溫度控制流圖如圖所示。

水位控制程序設計

首先我們需要對串口進(jìn)行初始化設置好定時(shí)器的工作方式，然后通過(guò)程序驅動(dòng)讓單片機向超聲波傳感器的Trig/TX管腳發(fā)送指令0x55，此時(shí)超聲波會(huì )****8個(gè)40KHZ的超聲波脈沖，檢測到回波信號后，將包含兩個(gè)字節的距離值傳送給單片機，通過(guò)計算得出容器內的液位高度，由單片機控制調用PWM脈沖產(chǎn)生子程序對水泵所對應的繼電器進(jìn)行控制，并將當前水位狀況送到液晶顯示出來(lái)。液位控制流程圖如圖所示。