智能水温控制系统的设计

朱小燕

（广东省高级技工学校）

智能水温控制系统的设计

朱小燕

（广东省高级技工学校）

本系统以AT89S52单片机为中心控制器件，主要由温度传感电路，A/D转换放大电路，单片机编程电路，显示电路，控制电路等部分组成。温度信号由温度传感器AD590采集，经过放大转化为电压信号进行编码，测温分辨率0.1℃。水温实时控制由继电器电热丝和风扇进行升温和降温。显示部分由“人机交互界面”的12864液晶显示，增加可读性。该系统具备较高的测量精度，能较好的完成设计要求。

单片机;温度传感器;A/D转换

1 系统组成

系统控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内(40～90℃，最小区分度为1℃)由人工设定。并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变,具有较好的快速性与较小的超调。

该系统以AT89S52单片机为中心控制器件，主要由温度采集电路，A/D转换放大电路，单片机编程电路，显示电路，温度控制电路等部分组成，如图1。

图1 系统组成方框图

图2 单片机控制电路

2 电路硬件设计

2.1 单片机控制核心

本设计采用AT89S52单片机作为控制器，它是电路的核心部分。该单片机具有运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑功能。本身带有定时/计数器，可以用来定时、计数，并且具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。AT89S52内部有8KB单元的程序存储器及256字节的数据存储器。因此系统不必扩展外部程序存储器和数据存储器这样大大的减少了系统硬件部分。电路原理图如图2所示：

2.2 温度采集和转换电路

系统的信号采样和转换电路主要由温度传感器AD590、运算放大器OP-07及A/D转换电路ADC0804等组成。设计电路图如图3所示：

（1） AD590性能描述

测量范围在-50℃--+150℃，满刻度范围误差为±0.3℃，当电源电压在5-10V之间，稳定度为1%时，误差只有±0.01℃ 。AD590为电流型传感器温度每变化1℃其电流变化1uA在35℃和95℃时输出电流分别为308.2uA 和368.2uA。

（2） 基准电压7812提供12V标准电压，它与运算放大器OP-07和电阻组成信号转换与放大电路，将35℃--95℃的温度转换为0—5V的电压信号。

（3） ADC0804性能描述

ADC0804为8位逐次逼近型A/D转换器，其输入电压范围在0-5v，转换速度为100us，转换精度为0.39%，对应误差为0.234℃。

满足系统的要求。

（4）电路原理及参数计算

温度采样电路的基本原理是采用电流型温度传感器AD590将温度的变化量转换成电流量，再通过OP-07将电流量转换成电压量，通过A/D转换器ADC0804将其转换成数值量交由单片机处理。图3.1中输入12V作为基准电压,由运放虚短虚断可知运放OP-07的反向输入端（2脚）的电压为零伏。当输出电压为零伏时(即Uo=0v)，输出电压为=12V，OP-07的2脚处为A点，AD590的转换电流为。列出A点的结点方程如下:

由于系统控制的水温范围为35℃--95℃,所以当输出电压为零伏时AD590的输出电流为246.56uA,因此为了使Ui的电位为零就必须使电流 等于电流等于246.56uA, 输出电压为12v所以由方程(1)得

由(2)取电阻R1=47k,R2=5k的电位器。

又由于ADC0804的输入电压范围为0—5v，为了提高精度所以令水温为95℃时ADC0804的输入电压为5v（即Uo=5v）。此时列出A点的结点方程如下：

当水温为95℃时AD590的输出电流为368.2uA。由方程式（3）得

2.3 温度控制电路

图3 温度采样和转换电路

该系统用电热丝进行加热，控制电热丝的功率即可以控制加热的速度。当水温过高时，关掉电热丝，打开风扇，即可使水温控制在设定的温度范围内。由于加热的功率较大，同时为了简化电路的设计，我直接采用220V交流电源。

采用继电器控制。使用继电器可以很容易地实现通过较高的电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。继电器无需外加光耦，自身即可实现电气隔离。这种电路无法精确实现电热丝功率控制，电热丝只能工作在最大功率或零功率，对控制精度将造成影响。但可以由多路加热丝组成功率控制，由单片机对温差的处理实现分级功率控制提高系统动态性能。

此部分电路主要由继电器控制。采用两个继电器分别控制加热和降温系统：对于加热系统，继电器的两输出端220V的交流电，通过控制继电器的闭合来控制电热丝是否加热；对于降温系统，通过控制继电器的闭合控制+12V直流电机的转与停。继电器的交流耐压值为250V，直流耐压值为36V，均满足要求。在继电器的输入端各接一个反向二极管，起到保护电路的作用。控制部分电路图如图4所示：

2.4 键盘及数字显示电路

在设计键盘/显示电路时，我使用单片机AT89S52作为电路控制的核心，单片机AT89S52具有一个全双工的串行口，利用此串行口能够方便的实现系统的控制和显示功能。键盘部分，为了便于编程，采用独立键盘；显示部分采用更加友好的人机交互界面12864液晶显示。键盘/显示接口电路如图5所示

图4 温度控制电路

图5 键盘及数字显示接口电路

3 软件设计

3.1 主程序流程图

主程序首先对显示模块进行系统初始化，设置系统显示界面。其次就是温度值的读取、显示与控制，并进行按键扫描设置温度预设值，如图6：

图6 主程序流程图

单片机从ADC0804读取温度信息的二进制代码值，并依据电路原理及相关计算公式，将包含温度信息的二进制代码转化成相应的十进制温度值，并和温度预设值比较做出判断来控制继电器是否加热或启动风扇散热。

3.2 液晶显示模块

液晶显示模块主要完成人机交换界面的显示及系统相关的操作指示。能显示当前的温度值、预设值、控制功能（预设值加1、减1图标）。流程如图7。

图7 液晶显示流程图

4 系统测试结果分析

4.1 在本系统中，设置温度的最小区分度为1℃。通过调试，按一下上升键和下降键，预设温度均变化1℃，测试通过。

4.2 温度数据的采集是最重要的部分，数据的准确度将直接影响到系统的可靠性。在测试的时候选用数字温度计2602作为基准温度。测试并记录数据如表一。

表一 温度数据采集测试记录

由上表可知，低温测量的时候实际温度与系统温度的误差在1℃以内。综上所述此测温方法可以满足系统的需要。

4.3 水温控制测试过程中，先预设一个固定温度，通过添加热水、冷水的方式来改变当前值。通过电热丝加热，风扇降温来控制信息，并有不同颜色的发光二极管给出指示信息。测试并记录数据如表二。

表二 水温控制测试

由上表可知，水温控制方面完全满足设计要求，控制灵敏度高。

5 总结

本论文是采用AT89S52单片机来实现水温控制系统的设计，利用液晶作为显示器件，通过AD590温度传感器采集水温信息，并对数据进行AD转换处理分析，实现对水温的恒温控制。具有可控性较好，显示界面更人性化，易于操作，成本低廉的优点。本系统能较好的服务于生活，比如恒温水产， 具有较好的应用前景。

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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