基于單片機的水溫控制系統設計

于 雷

(閩南理工學院 電子與電氣工程系，福建 石獅 362700)

基于單片機的水溫控制系統設計

于 雷

(閩南理工學院 電子與電氣工程系，福建 石獅 362700)

設計了一種用STC89C52單片機和AD592溫度傳感器為核心的水溫控制系統，給出了具體的設計電路，并詳細敘述了系統的硬件線路設計要點。該水溫控制系統能對水的溫度進行實時監測與控制。

單片機;STC89C52;AD592

0 引言

溫度控制是無論是在工業生產過程中，還是在日常生活中都起著非常重要的作用，過低的溫度或過高的溫度都會使水資源失去應有的作用，從而造成水資源的巨大浪費。特別是在當前全球水資源極度缺乏的情況下，我們更應該掌握好對水溫的控制，把身邊的水資源好好地利用起來。采用單片機來對溫度進行控制，不僅具有控制方便、組態簡單、靈活性高、成本低廉等優點，還可以大幅度提高 被控溫度的技術指標。提出一種基于單片機的水溫自動控制系統，控制對象為不大于100L的水槽，容器為保溫桶，與大氣相通，可以在一定范圍內人工設定水溫并實現自動控制，保證水溫恒定。

1 總體設計方案

控制系統以STC89C52單片機最小系統為核心，由傳感器檢測電路、A/D轉換電路、單片機系統、加熱控制電路、鍵盤電路、顯示電路、電源電路組成。總體結構如圖1所示。

2 各單元電路設計方案

圖1 溫度控制系統框圖

2.1 傳感器檢測電路設計

傳感器檢測電路采用集成溫度傳感器AD592。AD592溫度傳感器具有較高的精度和線性度，非線性為0.8℃(在－50℃到+155℃的范圍內)，重復性優于0.1℃，可在A/D采集后，在程序中對采樣數據進行非線性補償，從而達到±0.1℃的測量精度。

LM336-2.5是一個輸出2.5V電壓的高精度基準電壓源。AD8751是一類具有極低失調電流、漂移電流和偏置電流的軌對軌輸入/輸出運算放大器。由AD592、運算放大器AD8751和帶隙基準電壓源LM336構成的測溫電路如圖2所示。

由于AD592測溫精度為0.3℃，測溫重復性優于0.1℃，因此在程序中使用軟件插值算法進行線性化后，系統測溫精度可達0.1℃.實際標定步驟如下:

(1)0℃點校準:在保溫桶中加入冰水混合物，放入標準溫度計(分度為0.1℃)和傳感器探頭，用高精度數字電壓表測量溫度檢測電路輸出電壓。等溫度檢測電路輸出電壓穩定后，讀標準溫度計刻度。若溫度為0.5℃，則調節溫度檢測電路中的調零電位器RP1，使檢測電路輸出電壓為20mV。

(2)滿度校準:將傳感器探頭放入沸水中，讀標準溫度計刻度。若溫度為95℃，則通過鍵盤輸入當前的溫度值后，按校準按鍵，存儲當前溫度所對應的AD值。

圖2AD592溫度檢測電路

(3)傳感器精度標定:AD592的測溫精度由于其非線性特性，只能達到±0.3℃。若要進一步提高AD592的測溫精度，則必須精確地標定溫度檢測電路在不同溫度下的輸出電壓，將溫度與電壓的對應關系存入表格，在測控程序中采用軟件進行插值補償，獲得±0.1℃的測量精度。

以上校準數據通過程序存儲在STC89C52單片機內EEPROM中，以防掉電后丟失。

2.2 A/D轉換器電路設計

采用TLC1549A/D轉換芯片。TLC1549是10位I2C串行A/D轉換器，其引腳排列如圖3所示。

引腳功能說明如下:

REF+:基準電壓高端，常接+VCC。

REF－:基準電壓低端，常接地。

AIN:模擬電壓輸入端，要求驅動源有大于10mA的電流驅動能力。

CS:片選端，低電平有效。

DOUT:轉換后數據輸出端，片選無效時為高阻態;片選有效時，在時鐘信號作用下數據從高位到低位依次輸出。

CLK:時鐘端，最高頻率達2.1MHZ。

VCC:電源，4.5－5.5V。

GND:數字/模擬地。

當TLC1549基準電壓高端接+5V時，其輸入電壓范圍為0－5V，溫度測量范圍為0－100℃，溫度檢測電路輸出為0－4V。若設定A/D輸入量程為0－5V，則分辨率可達0.122℃，滿足設計要求。

2.3 鍵盤、顯示、控制電路設計

采用動態顯示方式驅動3個七段數碼管，分別顯示溫度的十位、個位和小數位。數碼管采用共陰極，由于AT89C52單片機每個I/O的拉電流只有1－2mA，所以在位碼和段碼都加上了同相驅動器。鍵盤采用按鍵開關，經上拉電阻分別接P1.0、P1.1、P1.2口上，起到控制、上調和下調作用。每按上調、下調鍵，設定溫度值可加1、減1。單片機XTAL2、XTAL1接12MHZ的晶振，提供系統時鐘基值。另外，RESET接復位按鍵。具體電路如圖4所示。

圖3 TLC1549引腳排列

圖4 鍵盤、顯示、控制部分電路

2.4 加熱控制電路設計

加熱采用3000W電熱管式加熱器，使用交流220V電源，單片機系統對加熱功率控制采用MOC3061光電隔離器和晶閘管功率控制電路。功率控制電路如圖5所示。

圖5 功率控制電路

圖中MOC3061是具有雙向晶閘管輸出的光電隔離器，T1是功率雙向晶閘管，RL是負載(3000W電熱管)。在MOC3061內部不僅有發光二極管，而且還有過零檢測電路和一個小功率雙向晶閘管。當單片機的P1.6引腳置1時，MOC3061內部發光管截止，其內部雙向晶閘管關斷，外部大功率晶閘管控制極G沒有觸發電流，T1不導通，加熱器RL斷電。反之，當P1.6引腳置0時，MOC3061內部發光管導通，加熱器開始加熱。

2.5 電源電路設計

為提高電源效率，穩定電路工作，電源電路采用了可調低壓差線性集成穩壓芯片MC33296AJ，具體電路如圖6所示。

圖6 穩壓電源電路

3 結語

限于篇幅，僅提出該系統的硬件設計環節。經調試，實驗數據表明該系統能通過鍵盤輸入設定所需溫度值，并能自動控制加熱器件，使系統達到給定溫度值。最小測量分度可達0.122℃，溫度控制誤差最低可達0.329℃。本系統結構簡單，成本低廉，溫度控制靈活，檢測準確，具有較高的實用價值。

［1］ 邊元春.單片機應用開發實用子程序［M］.北京:人民郵電出版社，2005.

［2］ 張毅坤.單片機微型計算機原理及應用［M］.西安:西安電子科技大學出版社，1998.

［3］ 王兆月.微型計算機接口技術［M］.北京:機械工業出版社，2006.

MCU-based Design for Water Temperature Control System

YU Lei
(Department of Electrical and Electronic Engineering，Minnan University of Science and Technology，Shishi 362700，China)

This article designs a water temperature control system based on STC89C52 microcontroller and AD592 temperature sensor，gives the specific circuits and describes the outline and hardware structure of the system in detail.The temperature control system can conduct real-time monitoring and control for the temperature of the water.

microcontroller;STC89C52;AD592

TP202

A

1009－3907(2011)08－0028－03

2011-06-22

于雷(1982-)，男，吉林遼源人，講師，主要從事電子信息工程技術方面研究。

責任編輯:吳旭云