智能水溫控制系統的設計

朱小燕

（廣東省高級技工學校）

智能水溫控制系統的設計

朱小燕

（廣東省高級技工學校）

本系統以AT89S52單片機為中心控制器件，主要由溫度傳感電路，A/D轉換放大電路，單片機編程電路，顯示電路，控制電路等部分組成。溫度信號由溫度傳感器AD590采集，經過放大轉化為電壓信號進行編碼，測溫分辨率0.1℃。水溫實時控制由繼電器電熱絲和風扇進行升溫和降溫。顯示部分由“人機交互界面”的12864液晶顯示，增加可讀性。該系統具備較高的測量精度，能較好的完成設計要求。

單片機;溫度傳感器;A/D轉換

1 系統組成

系統控制對象為1升凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在一定范圍內(40～90℃，最小區分度為1℃)由人工設定。并能在環境溫度降低時實現自動控制，以保持設定的溫度基本不變,具有較好的快速性與較小的超調。

該系統以AT89S52單片機為中心控制器件，主要由溫度采集電路，A/D轉換放大電路，單片機編程電路，顯示電路，溫度控制電路等部分組成，如圖1。

圖1 系統組成方框圖

圖2 單片機控制電路

2 電路硬件設計

2.1 單片機控制核心

本設計采用AT89S52單片機作為控制器，它是電路的核心部分。該單片機具有運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種算法和邏輯功能。本身帶有定時/計數器，可以用來定時、計數，并且具有功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優點。AT89S52內部有8KB單元的程序存儲器及256字節的數據存儲器。因此系統不必擴展外部程序存儲器和數據存儲器這樣大大的減少了系統硬件部分。電路原理圖如圖2所示：

2.2 溫度采集和轉換電路

系統的信號采樣和轉換電路主要由溫度傳感器AD590、運算放大器OP-07及A/D轉換電路ADC0804等組成。設計電路圖如圖3所示：

（1） AD590性能描述

測量范圍在-50℃--+150℃，滿刻度范圍誤差為±0.3℃，當電源電壓在5-10V之間，穩定度為1%時，誤差只有±0.01℃ 。AD590為電流型傳感器溫度每變化1℃其電流變化1uA在35℃和95℃時輸出電流分別為308.2uA 和368.2uA。

（2） 基準電壓7812提供12V標準電壓，它與運算放大器OP-07和電阻組成信號轉換與放大電路，將35℃--95℃的溫度轉換為0—5V的電壓信號。

（3） ADC0804性能描述

ADC0804為8位逐次逼近型A/D轉換器，其輸入電壓范圍在0-5v，轉換速度為100us，轉換精度為0.39%，對應誤差為0.234℃。

滿足系統的要求。

（4）電路原理及參數計算

溫度采樣電路的基本原理是采用電流型溫度傳感器AD590將溫度的變化量轉換成電流量，再通過OP-07將電流量轉換成電壓量，通過A/D轉換器ADC0804將其轉換成數值量交由單片機處理。圖3.1中輸入12V作為基準電壓,由運放虛短虛斷可知運放OP-07的反向輸入端（2腳）的電壓為零伏。當輸出電壓為零伏時(即Uo=0v)，輸出電壓為=12V，OP-07的2腳處為A點，AD590的轉換電流為。列出A點的結點方程如下:

由于系統控制的水溫范圍為35℃--95℃,所以當輸出電壓為零伏時AD590的輸出電流為246.56uA,因此為了使Ui的電位為零就必須使電流 等于電流等于246.56uA, 輸出電壓為12v所以由方程(1)得

由(2)取電阻R1=47k,R2=5k的電位器。

又由于ADC0804的輸入電壓范圍為0—5v，為了提高精度所以令水溫為95℃時ADC0804的輸入電壓為5v（即Uo=5v）。此時列出A點的結點方程如下：

當水溫為95℃時AD590的輸出電流為368.2uA。由方程式（3）得

2.3 溫度控制電路

圖3 溫度采樣和轉換電路

該系統用電熱絲進行加熱，控制電熱絲的功率即可以控制加熱的速度。當水溫過高時，關掉電熱絲，打開風扇，即可使水溫控制在設定的溫度范圍內。由于加熱的功率較大，同時為了簡化電路的設計，我直接采用220V交流電源。

采用繼電器控制。使用繼電器可以很容易地實現通過較高的電壓和電流，在正常條件下，工作十分可靠。繼電器無需外加光耦，自身即可實現電氣隔離。這種電路無法精確實現電熱絲功率控制，電熱絲只能工作在最大功率或零功率，對控制精度將造成影響。但可以由多路加熱絲組成功率控制，由單片機對溫差的處理實現分級功率控制提高系統動態性能。

此部分電路主要由繼電器控制。采用兩個繼電器分別控制加熱和降溫系統：對于加熱系統，繼電器的兩輸出端220V的交流電，通過控制繼電器的閉合來控制電熱絲是否加熱；對于降溫系統，通過控制繼電器的閉合控制+12V直流電機的轉與停。繼電器的交流耐壓值為250V，直流耐壓值為36V，均滿足要求。在繼電器的輸入端各接一個反向二極管，起到保護電路的作用。控制部分電路圖如圖4所示：

2.4 鍵盤及數字顯示電路

在設計鍵盤/顯示電路時，我使用單片機AT89S52作為電路控制的核心，單片機AT89S52具有一個全雙工的串行口，利用此串行口能夠方便的實現系統的控制和顯示功能。鍵盤部分，為了便于編程，采用獨立鍵盤；顯示部分采用更加友好的人機交互界面12864液晶顯示。鍵盤/顯示接口電路如圖5所示

圖4 溫度控制電路

圖5 鍵盤及數字顯示接口電路

3 軟件設計

3.1 主程序流程圖

主程序首先對顯示模塊進行系統初始化，設置系統顯示界面。其次就是溫度值的讀取、顯示與控制，并進行按鍵掃描設置溫度預設值，如圖6：

圖6 主程序流程圖

單片機從ADC0804讀取溫度信息的二進制代碼值，并依據電路原理及相關計算公式，將包含溫度信息的二進制代碼轉化成相應的十進制溫度值，并和溫度預設值比較做出判斷來控制繼電器是否加熱或啟動風扇散熱。

3.2 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊主要完成人機交換界面的顯示及系統相關的操作指示。能顯示當前的溫度值、預設值、控制功能（預設值加1、減1圖標）。流程如圖7。

圖7 液晶顯示流程圖

4 系統測試結果分析

4.1 在本系統中，設置溫度的最小區分度為1℃。通過調試，按一下上升鍵和下降鍵，預設溫度均變化1℃，測試通過。

4.2 溫度數據的采集是最重要的部分，數據的準確度將直接影響到系統的可靠性。在測試的時候選用數字溫度計2602作為基準溫度。測試并記錄數據如表一。

表一 溫度數據采集測試記錄

由上表可知，低溫測量的時候實際溫度與系統溫度的誤差在1℃以內。綜上所述此測溫方法可以滿足系統的需要。

4.3 水溫控制測試過程中，先預設一個固定溫度，通過添加熱水、冷水的方式來改變當前值。通過電熱絲加熱，風扇降溫來控制信息，并有不同顏色的發光二極管給出指示信息。測試并記錄數據如表二。

表二 水溫控制測試

由上表可知，水溫控制方面完全滿足設計要求，控制靈敏度高。

5 總結

本論文是采用AT89S52單片機來實現水溫控制系統的設計，利用液晶作為顯示器件，通過AD590溫度傳感器采集水溫信息，并對數據進行AD轉換處理分析，實現對水溫的恒溫控制。具有可控性較好，顯示界面更人性化，易于操作，成本低廉的優點。本系統能較好的服務于生活，比如恒溫水產， 具有較好的應用前景。

[1] 譚浩強.C程序設計（第三版）[M].北京:清華大學出版社,2005

[2] 黃繼昌、張海貴.實用單元電路及其應用.人民郵電出版社，2002

[3] 胡漢才.單片機原理及其接口技術.清華大學出版社，1996

[4]陳杰,黃鴻.傳感器與檢測技術[M].北京:高等教育出版社,2008

[5] 康華光、陳大欽.電子技術基礎.北京高等教育出版社，2001

[6] 肖忠祥.數據采集原理[M].西安:西北工業出版社，2002

[7] 余錫存，曹國華.單片機原理及接口技術西安：西安電子科技大學出版社，2004

The design of the intelligent temperature control system

Zhu Xiaoyan
(The Senior technical school of Guangdong)

The temperature control system，which is regarded as the central control device of AT89S52 microcontroller,is constructed by the temperature sensing module,A/D converter amplifier module,control module,microcontroller programming module,display module and other components.Temperature signal is collected byte AD590 temperature sensor which is amplified into a voltage signal is encoded,temperature resolution is 0.1 ℃.Real-time control temperature can be heated by heating wire and electric fan.Display part is quoted by“man-machine interface” of 12864 LCD to increase the readability. The system features is of high accuracy,and it can have better complete of the design requirements.

SCM;Temperature sensor;A/D converter