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1、目目 录录 1 1 水温自动控制系统概述水温自动控制系统概述-1 1 2 2 设计任务与要求设计任务与要求-2 2 2.12.1 设计任务设计任务-2 2 2.22.2 设计要求设计要求-2 2 3 3 系统设计原理系统设计原理 -2 2 4 4 方案论证方案论证 -2 2 4.14.1 总体方案论证与比较总体方案论证与比较-3 3 4.24.2 各部分电路方案论证各部分电路方案论证-3 3 5 5 硬件电路设计与计算硬件电路设计与计算 -4 4 5.15.1 温度采样和转换电路温度采样和转换电路 -5 5 5.25.2 温度控制电路温度控制电路 -6 6 5.35.3 单片机控制部分单片机控
2、制部分 -7 7 5.45.4 键盘及数字显示部分键盘及数字显示部分-7 7 6 6 参考文献参考文献-8 8 1 水温自动控制系统设计水温自动控制系统设计 1 1 水温自动控制系统概述水温自动控制系统概述 温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要 的作用，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水 资源的巨大浪费。特别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下，我们更应该掌 握好对水温的控制，把身边的水资源好好地利用起来。 在现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，温度是极为重要而又普遍的 热工参数之一。在环境恶劣或温度较高等场合下，为了保证生产过程正常安全
3、地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求 对加热炉炉温进行测、显示、控制，使之达到工艺标准，以单片机为核心设计 的炉温控制系统，可以同时采集多个数据，并将数据通过通讯口送至上位机进 行显示和控制。那么无论是哪种控制，我们都希望水温控制系统能够有很高的 精确度（起码是在满足我们要求的范围内） ，帮助我们实现我们想要的控制，解 决身边的问题。 在计算机没有发明之前，这些控制都是我们难以想象的。而当今，随着电 子行业的迅猛发展，计算机技术和传感器技术的不断改进，而且计算机和传感 器的价格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技术来实现水温控制并提高控 制的精确度不仅是可以达到
4、的而且是容易实现的。用高新技术来解决工业生产 问题， 排除生活用水问题实施对水温的控制已成为我们电子行业的任务，以此来加强 工业化建设，提高人民的生活水平。 2 2 设计任务与要求设计任务与要求 2.1 设计任务设计任务 设计一个能对水温进行自动调节的自动控制系统。 2.2 设计要求设计要求 （1）通过设计，能独立地查找资料，广泛阅读有关参考文献； （2）设计并制作一个水温自动控制系统，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由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动 2 控制，以保持设定的温度基本不变； （3）温度设定范围为 3585，最小区分度为 1，标定温度1，环 境
5、温度降低时（例如用电风扇降温）温度控制的静态误差1； （4）软件调试：要求操作方便，调试成功并且可靠性高。 3 3 系统设计原理系统设计原理 传感器 电炉 信号放大 功率放大 A / D 键盘 显示 键盘单片机基本系统 微型打 印机 图 2-1 单片机控制系统原理框图 该水温控制系统主要由 AT89C51 单片机控制系统、前向通道（温度采样转 换电路） 、后向通道（温度控制电路） 、键盘显示电路等四部分组成，其总体设 计框图如上图所示。 4 4 方案论证方案论证 4.14.1 总体方案论证与比较总体方案论证与比较 本题目是设计制作一个水温控制系统，对象为一升净水，加热器为 1KW 的 电炉。
6、要求能在 35-95范围内设定控制水温，并具有较好的快速性和较 小的超调，以及十进制数码管显示等功能。 根据题目的要求，我们提出了以下的两种方案： 方案 1：此方案是采用传统的二位模拟控制方法，选用模拟电路，用电位 器设定给定值，采用上下限比较电路将反馈的温度值与给定的温度值比较后， 决定加热或者不加热。由于采用模拟控制方式，系统受环境的影响大，不能实 现复杂的控制算法使控制精度做得教高，而且不能用数码显示和键盘设定。 3 方案 2：采用单片机 AT89C51 为核心。采用了温度传感器 AD590 采集温度 变化信号，A/D 采样芯片 ADC0804 将其转换成数字信号并通过单片机处理后去 控
7、制温度，使其达到稳定。使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系 统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使 系统还具有控制精度高的特点。比较上述两种方案，方案 2 明显的改善了方案 1 的不足及缺点，并具有控制简单、控制温度精度高的特点，因此本设计电路 采用方案 2。 4.24.2 各部分电路方案论证各部分电路方案论证 本电路以单片机为基础核心，系统由前向通道模块、后向控制模块、系统 主模块及键盘显示摸块等四大模块组成。现将各部分主要元件及电路做以下的 论证： （1）温度采样部分 方案 1：采用热敏电阻，可满足 35-95的测量范围，但热敏电阻精度、 重复性和可靠
8、性都比较差，对于检测精度小于 1的温度信号是不适用的。 方案 2：采用温度传感器 AD590。：AD590 具有体积小、质量轻、线形度好、 性能稳定等优点。其测量范围在-50- +150，满刻度范围误差为0.3， 当电源电压在 510V 之间，稳定度为 1时，误差只有0.01，其各方面特 性都满足此系统的设计要求。此外 AD590 是温度-电流传感器，对于提高系统抗 干扰能力有很大的帮助。 经上述比较，方案 2 明显优于方案 1，故选用方案 2。 （2）键盘显示部分 控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分，所以此部分电路设 计的好坏直接影响到电路的好坏。 方案 1：采用可编程控制器 8
9、279 与数码管及地址译码器 74LS138 组成，可 编程/显示器件 8279 实现对按键的扫描、消除抖动、提供 LED 的显示信号，并 对 LED 显示控制。用 8279 和键盘组成的人机控制平台，能够方便的进行控制单 片机的输出。 方案 2：采用单片机 AT2051 与地址译码器 74LS138 组成控制和扫描系统， 并用 2051 的串口对主电路的单片机进行通信，这种方案既能很好的控制键盘及 显示，又为主单片机大大的减少了程序的复杂性，而且具有体积小，价格便宜 的特点。 对比两种方案可知，方案 1 虽然也能很好的实现电路的要求，但考虑到电 路设计的成本和电路整体的性能，我们采用方案 2
10、。 （3）控制电路部分 4 方案 1：采用 8031 芯片，其内部没有程序存储器，需要进行外部扩展，这 给电路增加了复杂度。 方案 2：本方案的 CPU 模块采用 2051 芯片，其内部有 2KB 单元的程序存储 器，不需外部扩展程序存储器。但由于系统用到较多的 I/O 口，因此此芯片资 源不够用。 方案 3：采用 AT89C51 单片机，其内部有 8KB 单元的程序存储器，不需外 部扩展程序存储器，而且它的 I/O 口也足够本次设计的要求。 比较这 3 种方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用方案 3。设计电路图如图 2-2 所示： 图 2-2 AT89C51 单片机原理图 5
11、5 硬件电路设计与计算硬件电路设计与计算 本电路总体设计包括四部分：主机控制部分（89C51） 、前向通道（温度采 样和转换电路） 、后向通道（温度控制电路） 、键盘显示部分。 5.15.1 温度采样和转换电路温度采样和转换电路 系统的信号采样和转换电路主要由温度传感器 AD590、基准电压 7812、运 算放大器 OP-07 及 A/D 转换电路 ADC0804 四部分组成。设计电路图如图 3-1 所 示： 5 图 3-1 温度采样和转换电路原理图 （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 510V 之间，稳定度为 1时，误差只有0.01
12、 。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 05V 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 05v，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 中三端稳压 7812 作为基准 电压,由运放虚短虚断可知运放
