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。
