一种开关量控制的水浴恒温控制器设计

摘 要： 针对传统的水浴恒温加热过程温度过冲大，难以观察历史曲线的不足，设计了一种开关量控制的恒温加热控制器。该控制器具有温度控制精确，过冲小，设定参数掉电保持，温度变化趋势一目了然的特点。详细介绍了其硬件与软件设计过程。
关键词： 水浴恒温；掉电数据保持；TFT液晶曲线显示

　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