足浴器的规划难点在于本钱操控和温度操控体系的规划。近年来，开关电源技能的逐步老练，为小功率电源供电供给了一个高效率且低本钱的计划，摒弃了传统的变压器降压、整流、三端稳压的低效率供电方法。而经过软件算法完善，例如PID算法的运用，可削减部分硬件开支，降低本钱及体系复杂度，进步体系的安稳性。规划结合以上技能，着眼于本钱最小化，功用最大化，完成了LED温度显现，双按键方针温度调理，高精度温控功用。因为主控芯片AT89C2051只需两组共16个IO引脚，2 kB的内存，因而需合理运用IO资源，程序规划简练，合理分配内存空间。
1 体系结构规划
体系由供电、采样、按键、显现及单片机部分组成。
传感器担任收集温度值，传递给MCU，方针值由按键设定，MCU将采样值与方针值进行比较，经过时间PID算法处理，依据每段时间不同的温差值，核算出需求加热的时间，接着经过IO口操控继电器闭合与断开，使加热板作业，一起LED显现实时温度。
2 子模块的规划
（1）供电模块。供电部分选用开关电源技能，选用开关电源能够处理传统变压器所带来的问题，整个规划可变得简练;供电效率高，且安稳;并可削减体系结构体积。因为传统的基极驱动方法会将一般NPN型开关晶体管的安全作业电压限定在BVceo，而选用射极驱动的方法，可将安全作业电压从Vceo扩大到Vcbo，因为BVcbo》BVceo，即可改进NPN型晶体管的安全作业规模，对市电为220 V的电网电压可用一般的NPN型功率开关管。该电路接通沟通220 V经整流桥后，构成直流电压，R2为发动电阻，开关管用NPN管，输出电流及输出电压信号经过光隔U3反应至射极驱动芯片U2，U2依据信号调理操控开关管的占空比，使得输出保持安稳。
（2）采样模块。采样部分选用DS18B20，其为美国Dallas出产的一线可编程数字温度传感器。它不同于传统的模仿温度传感器，其可发生对应温度的数字信号，与主控芯片只需单线通讯，使得体系结构简略牢靠。因为通讯线为双向输入输出的OC门，因而需外加一个上拉电阻到VCC。DS18B20与MCU通讯的时序要求严厉，所以在采样进程中有必要封闭MCU的中止功用，避免外部搅扰导致收集到过错数据。
（3）操控模块。操控部分南同态继电器（SSR）完成弱信号对强电的操控。因为固态继电器内部光耦合器的使用，使其操控信号所需的功率较低，且所需作业电压与TTL，CMOS等常用电平规范兼容，可完成直接衔接。SSR作业时无机械动作，其具有了传统的“线圈-簧片触点式”继电器（MER）所没有的长处，即作业牢靠性高，寿命长，此外，SSR还具有可接受比额定电流高约10倍的浪涌电压的特色。考虑到51系列单片机IO口驱动才干较弱，在原理图规划上需求外加PNP开关管，如图3所示。
（4）算法模块。热电阻丝具有过冲过冷现象，选用软件的PID算法能够补偿硬件部分的缺乏。PID算法是一种份额、积分、微分并联使用广泛的一种含糊操控算法。PID算法的数学模型可用下式表明
其间，Kp为份额系数;TI为积分系数;Td为微分系数;e（t）为采样值与方针值的误差。份额部分由式Kp*e（t）表明。若Kp越大，则过渡进程越快，也易发生振动。因而Kp挑选恰当，才干起到快速过渡且又安稳的作用。积分部分为。从表达式可知，只需存在误差，则积分部分的操控作用就会不断添加，只需在误差部分e（t）=0时，积分表达式才会为一个常数。其间积分时间TI对积分操控的影响较大。TI越大时，积分作用越弱，消除误差需求的时间也越长。TI越小，则积分作用较强，消除误差需求时间也越短，可是简单在消除进程中发生振动。
微分部分表达式为
微分部分的作用为按捺误差改变。Td越大，则按捺才干较强;Td越小，则按捺才干较弱。明显微分部分对体系的安稳性有较大的作用。
因为核算机无法像模仿操控那样接连输出操控量，进行接连操控。所以上式需进行离散化处理。离散化的思路为：以T作为采样周期，将接连时间t分为k个采样周期，即t=kT，将t代入式（1）可得到离散PID表达式
选用增量式PID算法的优势在于可削减核算机的核算使命，而且增量式算法只取决于现在时间，上一时间，上上时间的值，对开端参数不灵敏。
3个系数的取值取决于实践经历，为抵达较好的操控作用，因而在各温度区域由试验测取了最佳PID操控参数值。体系PID算法流程如图4所示。
由图4可知，若输出值为x，则2 s内的需加热时长为x×20 ms，不加热时长为（2 000-x·20）ms。
（5）PCB规划。本着强电和缺点，模仿信号与数字信号需求分隔的准则。在PCB规划时采纳以下办法：
1）因为选用开关电源供电，因而需注意将高频高压部分和低压直流部分隔脱离。
2）体系对噪声较灵敏，因为数字器材，尤其是MCU在开关动作时会引起电流改变，然后导致电压噪声，因而需在走线上用星型走线的拓扑结构，对灵敏器材独自供电。
3）数字地需求进行大面积铺地处理，而且每个器材都要独自接一个0.01μF的高频退藕电容，在大规模数字器材上（例如MCU），需求外加一个47μF的电解电容按捺搅扰。模仿部分和数字部分进行阻隔，即在适宜的当地与数字地单点衔接。
3 试验成果
（1）规划要求。
1）从室温开端加热至40 ℃要求操控在30 min以内。
2）开端PID操控今后，水温的动摇规模需求在方针温度±0.5℃以内。
（2）试验数据。
依据规划要求，方针温度定为47℃，从46.5℃开端依据PID算法操控，安稳后水温改变规模应在±0.5℃之内。
从室温下开端加热，水温上升平稳，每一分钟约上升0.7 ℃，如表1所示。
抵达47℃后，水温被操控在46.5～47.5℃之间，如表2及图5所示。
4 结束语
此足浴器选用廉价的AT89C2051，并充分运用了其所有资源，两组IO引脚的其间11个引脚被用作LED数码管显现温度。剩余5个引脚别离作为继电器操控引脚、复位按键、DS18B20温度收集接口及两个温度调理按键。并用PID算法处理了热电阻过冲过冷的问题，削减了硬件需求，然后降低了本钱。经试验证明，此控温体系运转安稳，且精度较高。
