水温控制系统的设计与实现

2007届优秀毕业论文集140水温控制系统的设计与实现—硬件电路设计史锐鹏信息学院电子信息工程专业指导教师刘云摘要：本论文介绍的水温控制系统以单片机STC89C52为核心，通过半导体传感器采集数据，经放大后，采用电压／频率转换技术，最后由单片机根据频率而计算出温度值。本设计还可以通过通信接口芯片MAX232与微电脑通信，从而实现实时、智能控制管理功能。关健词：89C52；温度检测；电压／频率转换WaterTemperatureControlSystemSHIRui-pengCollegeofInformationElectronicInformationEngineeringFacultyadviserLIUYunAbstract：Thisdissertationintroducesanintelligent,automaticWaterTemperatureRegulatingSystemwhichisabletobeconnectedtoacomputer.TheSTC89C52servesasitscentralcomponent.Thesemi-conductorAD590isusedtocollectdata.Afterwards,thedatawillbemagnifiedtogetherwithavoltage/frequencyexchangetechnique.Finally,thefrequencycouldbecalculatedbySTC89C52andthewatertemperaturecouldbefoundout.Thisdesignisareal-timeandintelligent,automaticcontrollingsystemasitcouldcommunicatewithamicrocomputerthroughICMAX232.KeyWords:STC89C52；temperaturedetecting；voltage/frequencyexchange1前言随着经济的快速发展，资源的消耗越来越大，所以从可持续发展战略和经济效益方面来说，节约能源很有必要。而水温控制系统伴随着我们日常生活和工业生产的过程中，我们生活中的热水器，水烧开了以后有许多时候我们并不知道，结果浪费了许多资源。在工业生产中很多时候都需要在高温中工作，当温度超过一定温度，危害人身体健康时，第一时间发出警告，这样就可以帮助更多人，可以减少事故的发生，更可以节省资源的利用。本论文旨在设计一个灵敏度高，抗干扰强的水温控制系统。2系统的硬件电路设计2.1水温控制系统工作原理及其外围电路的组成史锐鹏：水温控制系统的设计与实现141水温控制系统工作原理主要是：以单片机STC89C52为核心，采用高精度、低价格的半导体温度传感器对水温检测，采用LM331对电压／频率转换和通信接口芯片MAX232，与微电脑相结合，能够实现实时、智能控制管理功能。本系统的工作原理如图1所示。其外围电路有：（1）传感器的选择和测温部分电路设计；（2）放大电路和V/F变换电路设计；（3）强电控制与光电隔离的电路设计；（4）连接PC的串口输出电路；（5）LED数码管的显示电路（调试用）；（6）液晶显示电路；图1水温控制系统的工作原理2.2系统的基础部分传感器测温电路设计传感器电路，左边的是AD590传感器的外观图和底部封装图，右边的是传感器AD590的外围电路，从电路图中可以看出外围电路简单方便，测试的时候主要是根据输出V0的电流，因为当R1与R2的和为1K时，输出温度与热力学温度成正比的关系，其电路图如图2图2传感器电路P0T0TXDRXDP2P3.1V/F转换LM331OP07放大MAX232液晶显示键盘控制加热控制温度检测AD5902007届优秀毕业论文集142AD590集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测：测试的时候主要是根据输出V0的电流，因为当R1与R2的和为1K时，输出温度与热力学温度成正比的关系。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1mA/K。2.3放大电路本放大电路主要是利用差动电桥的电压差，根据Vs1与Vs2的电压差，将电压差接到OP放大电路上，如图3，第一级没有作放大作用，只是作为简单的反相，为下一级的放大调节作准备，第二级是一个反相放大的作用，发大倍数是Rf/Rs，最大可以达到50倍。放大电路图如图3所示：图3放大电路2.4LM331的A/D转换DAC和ADC在数字化仪表、现代测控技术以及微机应用等方面有着十分重要的地位和广泛的用途。在这里主要对现代测试技术中运用越来越多的V/F转换器LM331作较详细分析。V/F转换器是把输入的电压转换为脉冲输出的一种电路。输出脉冲的频率能与输入的电压成线性关系,并可通过测量其输出端的脉冲频率来间接测量输入的电压值。图4是LM331作为基本V/F转换器的连接方法:图4LM331的连接方法史锐鹏：水温控制系统的设计与实现143被测电压由UIN端输入,经V/F转换后从fout端输出。输入端的R1和C1构成滤波环节;如果输入电压UIN波动较大,可适当增大C1容量。当6、7脚的RC时间常数匹配时,输入电压呈阶跃变化,输出频率也随之阶跃变化。输出的频率为:fout=RSUIN/(2.09RLRtCt)(2-1)2.5电源电路在电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电源供电，电源的输入为220V的电网电压，经过电源变压器，整流电路，滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压，其方框图及各电路的输出电压波形如图5所示。图5电源方框图及各电路的输出电压波形3人/机通信子系统单片机应用系统通常需要进行人机对话，其中包括人对应用系统的状态干预与数据输入，应用系统向操作者显示运行状态与运行结果等信息，显示与键盘是单片机应用系统中最常用的人－机交互设备。3.1显示电路显示器是最常用的输出设备，与单片机应用系统接口的显示器中主要是LED显示器和LCD显示器。本系统是先采用LED数码显示调试,调试好后,再根另外一个同学负责的液晶显示部分结合.本系统采用的是LED七段数码显示器，其是由8个发光二极管组成的显示字段，根据内部发光二极管的连接形式不同，LED有共阴极和共阳极两种。3.2LED显示器的显示方式所谓显示方式，就是以什么样的形式来显示多个字符，常用的有两种显示方式：静态显示方式和动态显示方式。本系统在调试的时候采用LED动态扫描的显示方式[7]，如图6所示，调试后再接上另外一个同学液晶显示。电源变压器整流电路滤波电路稳压电路2007届优秀毕业论文集144图6显示电路3.3SMC6021液晶显示模块字符型液晶显示模块（LCM）是一类专门用于显示字母、数字、符号等的点阵型液晶显示模块。在显示器件的电极图形设计上，它由若干个5×7或5×10等点阵字符位组成。每一个点阵字符位都可以显示一个字符。点阵字符位之间空有一个点距的间隔起到了字符间距和行距的作用。3.4键盘的控制键盘就是一组按键的集合，它是最常用的输入设备，操作员通过键盘可以输入数据或命令，实现简单的人机通信，本系统将会设计现场小键盘，根据实际需要对水温进行控制。计算机所用的键盘按其结构形式可分为编码键盘式和非编码式键盘两种。3.5加热控制部分的整体设计强电控制与光电隔离对这部分的电路设计，主要应解决的问题是：弱电（89C52）与强电（220V）的隔离，如下图所示，其中MOC3041是具有双向晶管输出的光电隔离器，T是功率双向可控硅，R是负载，在MOC3041内部不仅有发光二极管，而且有过零检测电路和一个小功率双向可控硅。其电路图如图7图7加热控制电路图89C52最小系统电炉电风扇光电隔离和强电控制水传感器史锐鹏：水温控制系统的设计与实现145当89C52的P3。1=1时，MOC3041中的发光二极管发光，因为过零检测的同步作用，内部的双向可控硅在过零后马上导通，T导通，在负载R上有电流流过；当P3。1=0时，发光二极管不发光，内部的双向可控硅不导通，T截止负载R上没有电流流过。强电控制与光电隔离的电路，如图8图8强电控制与光电隔离的电路4制作过程与调试方法4.1焊接先通过用万用版按照电路图的连接把各器件连接起来，在实际中遇到的问题有：（1）焊接時間不宜過久，但要完全熔著，以免造成冷焊（2）焊點完全冷卻前，不可移動。（3）虛焊，假焊，漏焊等导致电路不通，短路，导致电路不能正常工作（4）电容的反接导致电容反向击穿。（5）稳压电路的78系列与79系列接法不同，接错会导致稳压管发热过量而烧坏。（6）电源电容的漏接导致电压脉动过大，从而使OP放大电路不能正常工作。4.2印制电路版在万用版上焊接、调试完成后，经过检测没有错误，再一次使用Protel99，制作电路版。利用已经好绘制的原理图，生成对应的网络表。当然，有些特殊情况下，如电路版比较简单，已经有了网络表等情况下也可以不进行原理图的设计，直接进入PCB设计系统，在PCB设计系统中，可以直接取用零件封装，人工生成网络表。添加完各种元件的封装，检查PCB版线路的连接，没有问题后就交给印制电路版公司把电路版印制出来。电路版出来后，把零件焊接上去，接着就是调试各部分的电路。4.3测温放大电路的调试因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kW时，输出电压VO随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使VO=273.2mV。或2007届优秀毕业论文集146在室温下(25℃)条件下调整电位器,使VO=273.2+25=298.2（mV）。但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。若要有更高的精度调整方法如下：在0℃时调整R2，使输出VO=0，然后在100℃时调整R4使VO=100mV。如此反复调整多次，直至0℃时，VO=0mV，100℃时VO=100mV为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为25℃，那么VO应为25mV。冰水混合物是0℃环境，沸水为100℃环境。4.4A/D转化部分LM331的调试在电路正式应用到现场工作之前,需对电路参数进行调试,在调试中,我们遇到一些问题,如低频线性不好,输出频率过大或过小,输出不稳定等问题。通过分析电路原理,找到了其中的原因并进行调试。4.4.1LM331外围器件调试试验LM331外围电路如图所示,由于LM331的1引脚直接连接到积分器的输入端,所以输出的频率fo与Ri有关,同时2引脚接的是一个反馈放大电路,它的作用是自动调整LM331的增益偏差和由Rt、Ct和Ri引起的偏差,其中R7=511k,R8=20k,R9=117k。3引脚连接的是一个功率放大电路,同时确保输出的脉冲信号电压能够驱动单片机工作,由于6引脚的电压作为LM331内部定时器启动阀门值,其大小与转换精度无关,我们可以随意设定R3、R4的值,一般设定R3=R4=10k,这样影响输出频率fo的参数就只有Ct、Rt、Ri。4.4.2测试v/f转换是否有效写一个中断计数程序为了测试v/f是否正常工作，编写一个在数码管上显示频率的程序。再通过理论值的计算，因为频率与电压成一个正比的关系，通过对电压的测试，乘与LM331的系数，计算出频率的理论值。若跟数码管上显示的频率一样，LM331能正常工作。若不同，检查电路是否连接正确。5结果及总结5.1水温控制系统能够实现的基本功能在添加单片机软件后能够实现温度采集的功能，传感器对温度的检测，经OP放大，A/D转换后，将数据发送到单片机，单片机通过定时器计数器，计算出频率而推算出温度值，最后由显示电路显示实时温度（如图9）。精度可达到0.1℃，而且在-55℃～+150的范围内，误差为为±0.3℃。现场小键盘可以对单片机设定一个预期温度，若检测到的温度