基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于 雷

(閩南理工學(xué)院 電子與電氣工程系，福建 石獅 362700)

基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于 雷

(閩南理工學(xué)院 電子與電氣工程系，福建 石獅 362700)

設(shè)計(jì)了一種用STC89C52單片機(jī)和AD592溫度傳感器為核心的水溫控制系統(tǒng)，給出了具體的設(shè)計(jì)電路，并詳細(xì)敘述了系統(tǒng)的硬件線路設(shè)計(jì)要點(diǎn)。該水溫控制系統(tǒng)能對(duì)水的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。

單片機(jī);STC89C52;AD592

0 引言

溫度控制是無(wú)論是在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，還是在日常生活中都起著非常重要的作用，過(guò)低的溫度或過(guò)高的溫度都會(huì)使水資源失去應(yīng)有的作用，從而造成水資源的巨大浪費(fèi)。特別是在當(dāng)前全球水資源極度缺乏的情況下，我們更應(yīng)該掌握好對(duì)水溫的控制，把身邊的水資源好好地利用起來(lái)。采用單片機(jī)來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單、靈活性高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，還可以大幅度提高 被控溫度的技術(shù)指標(biāo)。提出一種基于單片機(jī)的水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制對(duì)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(nèi)人工設(shè)定水溫并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，保證水溫恒定。

1 總體設(shè)計(jì)方案

控制系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，由傳感器檢測(cè)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)、加熱控制電路、鍵盤電路、顯示電路、電源電路組成。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 各單元電路設(shè)計(jì)方案

圖1 溫度控制系統(tǒng)框圖

2.1 傳感器檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

傳感器檢測(cè)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(nèi))，重復(fù)性優(yōu)于0.1℃，可在A/D采集后，在程序中對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性補(bǔ)償，從而達(dá)到±0.1℃的測(cè)量精度。

LM336-2.5是一個(gè)輸出2.5V電壓的高精度基準(zhǔn)電壓源。AD8751是一類具有極低失調(diào)電流、漂移電流和偏置電流的軌對(duì)軌輸入/輸出運(yùn)算放大器。由AD592、運(yùn)算放大器AD8751和帶隙基準(zhǔn)電壓源LM336構(gòu)成的測(cè)溫電路如圖2所示。

由于AD592測(cè)溫精度為0.3℃，測(cè)溫重復(fù)性優(yōu)于0.1℃，因此在程序中使用軟件插值算法進(jìn)行線性化后，系統(tǒng)測(cè)溫精度可達(dá)0.1℃.實(shí)際標(biāo)定步驟如下:

(1)0℃點(diǎn)校準(zhǔn):在保溫桶中加入冰水混合物，放入標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)(分度為0.1℃)和傳感器探頭，用高精度數(shù)字電壓表測(cè)量溫度檢測(cè)電路輸出電壓。等溫度檢測(cè)電路輸出電壓穩(wěn)定后，讀標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)刻度。若溫度為0.5℃，則調(diào)節(jié)溫度檢測(cè)電路中的調(diào)零電位器RP1，使檢測(cè)電路輸出電壓為20mV。

(2)滿度校準(zhǔn):將傳感器探頭放入沸水中，讀標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)刻度。若溫度為95℃，則通過(guò)鍵盤輸入當(dāng)前的溫度值后，按校準(zhǔn)按鍵，存儲(chǔ)當(dāng)前溫度所對(duì)應(yīng)的AD值。

圖2AD592溫度檢測(cè)電路

(3)傳感器精度標(biāo)定:AD592的測(cè)溫精度由于其非線性特性，只能達(dá)到±0.3℃。若要進(jìn)一步提高AD592的測(cè)溫精度，則必須精確地標(biāo)定溫度檢測(cè)電路在不同溫度下的輸出電壓，將溫度與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系存入表格，在測(cè)控程序中采用軟件進(jìn)行插值補(bǔ)償，獲得±0.1℃的測(cè)量精度。

以上校準(zhǔn)數(shù)據(jù)通過(guò)程序存儲(chǔ)在STC89C52單片機(jī)內(nèi)EEPROM中，以防掉電后丟失。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)

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

引腳功能說(shuō)明如下:

REF+:基準(zhǔn)電壓高端，常接+VCC。

REF－:基準(zhǔn)電壓低端，常接地。

AIN:模擬電壓輸入端，要求驅(qū)動(dòng)源有大于10mA的電流驅(qū)動(dòng)能力。

CS:片選端，低電平有效。

DOUT:轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)輸出端，片選無(wú)效時(shí)為高阻態(tài);片選有效時(shí)，在時(shí)鐘信號(hào)作用下數(shù)據(jù)從高位到低位依次輸出。

CLK:時(shí)鐘端，最高頻率達(dá)2.1MHZ。

VCC:電源，4.5－5.5V。

GND:數(shù)字/模擬地。

當(dāng)TLC1549基準(zhǔn)電壓高端接+5V時(shí)，其輸入電壓范圍為0－5V，溫度測(cè)量范圍為0－100℃，溫度檢測(cè)電路輸出為0－4V。若設(shè)定A/D輸入量程為0－5V，則分辨率可達(dá)0.122℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 鍵盤、顯示、控制電路設(shè)計(jì)

采用動(dòng)態(tài)顯示方式驅(qū)動(dòng)3個(gè)七段數(shù)碼管，分別顯示溫度的十位、個(gè)位和小數(shù)位。數(shù)碼管采用共陰極，由于AT89C52單片機(jī)每個(gè)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(qū)動(dòng)器。鍵盤采用按鍵開(kāi)關(guān)，經(jīng)上拉電阻分別接P1.0、P1.1、P1.2口上，起到控制、上調(diào)和下調(diào)作用。每按上調(diào)、下調(diào)鍵，設(shè)定溫度值可加1、減1。單片機(jī)XTAL2、XTAL1接12MHZ的晶振，提供系統(tǒng)時(shí)鐘基值。另外，RESET接復(fù)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(shè)計(jì)

加熱采用3000W電熱管式加熱器，使用交流220V電源，單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)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(fù)載(3000W電熱管)。在MOC3061內(nèi)部不僅有發(fā)光二極管，而且還有過(guò)零檢測(cè)電路和一個(gè)小功率雙向晶閘管。當(dāng)單片機(jī)的P1.6引腳置1時(shí)，MOC3061內(nèi)部發(fā)光管截止，其內(nèi)部雙向晶閘管關(guān)斷，外部大功率晶閘管控制極G沒(méi)有觸發(fā)電流，T1不導(dǎo)通，加熱器RL斷電。反之，當(dāng)P1.6引腳置0時(shí)，MOC3061內(nèi)部發(fā)光管導(dǎo)通，加熱器開(kāi)始加熱。

2.5 電源電路設(shè)計(jì)

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

圖6 穩(wěn)壓電源電路

3 結(jié)語(yǔ)

限于篇幅，僅提出該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。經(jīng)調(diào)試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)能通過(guò)鍵盤輸入設(shè)定所需溫度值，并能自動(dòng)控制加熱器件，使系統(tǒng)達(dá)到給定溫度值。最小測(cè)量分度可達(dá)0.122℃，溫度控制誤差最低可達(dá)0.329℃。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，溫度控制靈活，檢測(cè)準(zhǔn)確，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

［1］ 邊元春.單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)用子程序［M］.北京:人民郵電出版社，2005.

［2］ 張毅坤.單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1998.

［3］ 王兆月.微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)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(shù)方面研究。

責(zé)任編輯:吳旭云