1、自動水溫加熱器設(shè)計(jì)一測控大作業(yè)要求自動水溫加熱器設(shè)計(jì)加熱體：交流電阻絲500W測溫傳感器：熱電偶要求：能夠檢測水的溫度，控制水溫為設(shè)定值，允許少量偏差，比如溫度45攝氏度設(shè)計(jì)步驟；傳感器的信號輸出，信號放大，濾波，電平偏移，A/D， PID 控制，顯示等。二設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)一個基于單片機(jī)的加熱器的溫度控制系統(tǒng)，以 AT89C51單片機(jī)為控 制核心，以傳感器 AD590采集溫度信號，放大后經(jīng)ADC0809等模擬信號轉(zhuǎn)換 為數(shù)字信號，送入單片機(jī) AT89C51通過軟件編程AT89C51可以驅(qū)動各個管 腳連接的功能模塊實(shí)現(xiàn)各個功能，如溫度采集、溫度設(shè)定、顯示、示警等。該系統(tǒng)可以實(shí)時檢測加熱器水箱的水溫，

2、并且可以通過數(shù)碼管顯示加熱器水箱水溫度數(shù)，可以通過鍵盤或開關(guān)選擇制冷或加熱，可以人為設(shè)置水的溫度的上下限，如加熱，當(dāng)溫度在設(shè)定的范圍內(nèi)時正常工作，當(dāng)?shù)陀谒疁叵孪迺r控制加熱器加熱；如制冷，當(dāng)溫度高于水溫上限時控制壓縮機(jī)制冷，溫度檢測范圍095，精度±1，當(dāng)溫度超過設(shè)定值時具有示警功能。三方案總設(shè)計(jì)以單片機(jī)系統(tǒng)為核心的控制方案，其原理框圖如圖1 所示。本方案通過溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換為電流信號，信號放大后，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器， A/D轉(zhuǎn)換器將進(jìn)來的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后送到單片機(jī)處理，并將采集 的溫度值與鍵盤設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果，單片機(jī)輸出相應(yīng) 的信號來控制外部設(shè)施

3、，達(dá)到控制加熱器加熱或壓縮機(jī)制冷的目的。還具有顯示、報(bào)警等功能圖1方案原理框四.電路設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示，由主控器AT89C51時鐘電路和復(fù) 位電路三部分組成。單片機(jī)AT89C51 乍為核心控制器控制著整個系統(tǒng)的工 作，而時鐘電路負(fù)責(zé)產(chǎn)生單片機(jī)工作所必需的時鐘信號，復(fù)位電路使得單片機(jī)能夠正常、有序、穩(wěn)定地工作。AT89C51XIX2vcc|20PRI 4IkRSTCl20PY1 C 5MHE圖2單片機(jī)最小系統(tǒng)4.1.1 單片機(jī)選擇AT89C51片機(jī)是ATME公司的AT89系列單片機(jī)的其中一種，該系列是當(dāng)今世界上最新型的電擦寫八位單片機(jī)之一，和 51系列完

4、全兼容，低電壓、低電流、低功耗，價格低廉，很受用戶歡迎。其管腳圖如圖3所示。INTI 1 NTDT1TOEaTVPXI xaRESETWR145百-7111 1H9u?圖3 AT89C51管腳圖4.1.2 時鐘電路時鐘電路用于產(chǎn)生 AT89C51單片機(jī)工作時所必需的時鐘信號。雖然 AT89C5侑內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外接元件。外接晶體以及 X1 和X2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。晶體的振蕩的頻率的范圍通常是在 1.2MA至ij 12MH z之間。晶體的頻率越高，則系統(tǒng)的時鐘頻率就越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也 就越快。AT89C51單片機(jī)常選擇振蕩頻率6MH或12MH的石英晶體，考慮到 本設(shè)計(jì)所用的

5、各種器件對時鐘頻率的要求及整體電路的簡潔性，本設(shè)計(jì)選用的是振蕩頻率為6MH的石英晶體。4.1.3 復(fù)位電路AT89C51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。常用的復(fù)位電路有四種 方式：（1）上電復(fù)位電路（2）按鍵復(fù)位電路（3）脈沖復(fù)位電路（4）兼有 上電復(fù)位與按鍵復(fù)位的電路。由于考慮到結(jié)構(gòu)和成本等原因，在很多設(shè)計(jì)里 面，復(fù)位電路通常采用上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種。根據(jù)本系統(tǒng)的特性，決定 選用最簡單的上電復(fù)位電路。上電復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。只要Vcc的上升時間不超過10ms就可以實(shí)現(xiàn)自動上電復(fù)位。當(dāng)時鐘頻率選用 6MH,電容C先 用22懺，電阻礎(chǔ)用1KK該復(fù)位電路工作原理為：在通電

6、瞬間，在 RC6路 充電過程中，RS琳出現(xiàn)正脈沖，保證RSTH腳出現(xiàn)10 m以上穩(wěn)定的高電平， 從而使單片機(jī)復(fù)位。4.2 溫度采集電路設(shè)計(jì)根據(jù)加熱器的特性及本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)的溫度采集電路分為兩路， 其中一路是采集一個水箱熱水的溫度，另一路是采集另一個水箱涼水的溫 度，因?yàn)閮陕范际菍訜崞魉錅囟鹊牟杉虼耍咴骷半娐愤B接是一樣的。這部分電路主要器件有：溫度傳感器、電位器、運(yùn)算放大器、電阻等。它的主要功能是把采集到的溫度轉(zhuǎn)換成電壓，然后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。溫度傳感器選用 AD590運(yùn)算放大器用LM741溫度彳感器AD590的溫 度檢測范圍在-55C+150C,而且精度很高，非線性誤

7、差為土0.3 C。達(dá)到本設(shè)計(jì)溫度檢測范圍為 0c95,精度土 1C的設(shè)計(jì)要求。LM741是單 片高性能內(nèi)補(bǔ)償運(yùn)算放大器，具有較寬的共模電壓范圍，它的特性是：不需 外部頻率補(bǔ)償、具有短路保護(hù)、失調(diào)電壓到零的能力、較寬的共模和差 模電壓范圍、功耗低、無阻塞現(xiàn)象。而電位器選用阻值分別為 2K和50K。 其電路圖如圖4所示。圖4溫度采集電路溫度傳感器AD590等溫度信號轉(zhuǎn)換成電流信號，然后經(jīng)過3個由LM741、 電位器和電阻組成的轉(zhuǎn)換電路 OPA1 OPA2 OPA3 OPA住要是將AD590輸 出的電流轉(zhuǎn)換為電壓。而 OPA2是做零位調(diào)整，最后 OPA3等電壓放大。本 設(shè)計(jì)共有兩路采集電路，放大后的

8、電壓也就是輸出電壓，它們分別是 法、 V02, V01、V02分別作為A/D轉(zhuǎn)換器的兩路模擬輸入信號。4.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換部分電路的功能主要是將采集部分采集來的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后輸送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。A/D轉(zhuǎn)換部分電路主要器件有 ADC0809 74LS02、74S74等。ADC0809與AT89C51連接電路如圖5所示。-M=n-圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路士_z_l®一工m一:-:-1A/D轉(zhuǎn)換器ADC080吸有八路模擬輸入端，由于本設(shè)計(jì)溫度采集只有兩 路，因此只用到兩路模擬輸入端，其輸入通道為IN0、IN1。這兩個通道的數(shù)據(jù)分別是溫度采集電路的輸出信號 V

9、01、” 也就是轉(zhuǎn)換為電壓值的加熱 器兩個水箱水的溫度值。選擇這兩個通道需要通過設(shè)置 ADC0809勺ADDAB、 C的值，因?yàn)樗鼘?yīng)的是八路模擬信號，而本系統(tǒng)只有兩路模擬信號輸入， 因此，只需要將低位 ADDA1到AT89C51的P2.2 口，并根據(jù)P2.2 口的電壓 是低電平或高電平來選擇要檢測哪個通道，當(dāng)ADDAS為0時選的是IN0通道，當(dāng)ADDA% 1時選的是IN1 通道。而ADDB ADDCR需接地即可。4.4顯示電路設(shè)計(jì)大多數(shù)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，都要配置輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。本系統(tǒng)的輸 出設(shè)備是顯示器，根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用七段LE躁碼管作為顯示器。而本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求溫度檢測范圍 0

10、c95,精度土 1C。數(shù)碼管只需顯示 兩位即可達(dá)到要求，因此，顯示部分電路采用兩個一位的 LE躁碼管來組成顯示器，沒有要求顯示小數(shù)點(diǎn)，LEDR碼管的dp腳懸空。本設(shè)計(jì)顯示電路的應(yīng)用有兩點(diǎn)，一是實(shí)時顯示加熱器水箱的水溫值，另一個是顯示鍵盤設(shè)定的溫度上、下限值。其電路連接如圖 6所示。圖6顯小部分電路通過一個74LS47連接7個100歐姆的電阻來驅(qū)動數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管 的VCc腳分別連接到兩個三極管的共射極，而三極管的共基極連到一起接到 +5V電源上。共集極分別連接兩個4.7K的電阻接到單片機(jī)AT89C51的P1.4、 P1.5管腳。LED顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中

11、 應(yīng)用非常普遍，通常使用的是七段LED這種顯示器有共陽極和共陰極兩種， 本設(shè)計(jì)選用的是共陽極。共陽極LED顯示器的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，通常此公共陽極接正電壓5V。當(dāng)某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時， 發(fā)光二 極管被點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。4.5鍵盤電路設(shè)計(jì)根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及要求，鍵盤的功能主要是用來設(shè)置溫度上下 限，因此本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立式鍵盤來完成這一功能要求。其電路連接如圖7所示。圖7獨(dú)立式鍵盤與AT89C51連接圖本設(shè)計(jì)，采用四按鍵鍵盤，所以在四個I/O 口上接四個按鍵組成一個四 按鍵的簡易式鍵盤。各線通過電阻接 +5V,當(dāng)鍵盤上沒有鍵閉合時，所有的 線斷開，呈高電平狀態(tài)。當(dāng)鍵盤上某

12、一個鍵閉合時，該鍵所對應(yīng)的線與連接 單片機(jī)的線短路。當(dāng)S1鍵按1下，進(jìn)入加熱或制冷模式后，數(shù)碼管顯示為 00, 00代表溫 度設(shè)置起點(diǎn)溫度。再按下按鍵 S2數(shù)碼管顯示值將逐步從個位數(shù)往上加，直 到想要設(shè)置的溫度值，而按鍵 S3是步進(jìn)減鍵，按鍵每下一次，個位數(shù)減 1。 S4鍵是確定鍵，通過它來確定前面所設(shè)定的數(shù)值。報(bào)警電路主要是由發(fā)光二極管和蜂鳴器組成的，具有聲、光報(bào)警功能的簡單電路，其電路如圖8所示。當(dāng)溫度超過設(shè)置的上、下限時，P2.2 口輸出 高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器工作，發(fā)出聲音。P2.3 口輸出高電平時，發(fā)光 二極管正向?qū)ǎl(fā)光報(bào)警。U1圖8報(bào)警電路4.7控制電路設(shè)計(jì)該電路是由兩個固態(tài)繼電器作為控制開關(guān)，一個繼電器控制加熱裝置， 另一個繼