水温控制系统摘要 本系统以TI公司生产的MSP430F149单片机为核心控制元件，运用BT137双向可控硅及光耦组成的电路，对热得快的加热水温进行控制，通过键盘的输入实现不同温度的设定，用LCD液晶显示器显示设定的温度及实测的温度，实测温度通过ACD采样和热电偶实现自制打印机，用两个步进电机分别控制温度的变化和时间的变化，自动打印温度随时间变化的曲线 关键词：MSP430F单片机 BT137双向可控硅 K型热电偶 打印水温变化曲线一、 任务与要求1.任务设计并制作一个水温自动控制系统，控制1L净水，容器为搪瓷容器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控制，以保持设定的温度基本不变2.要求2.1基本要求(1)温度设定范围40℃~90℃，最小区分度为1℃，标定温度小于等于1℃2)环境温度降低时（如用电风扇降温）温度控制的静态误差小于等于1℃3)用十进制数码管显示水的实际温度2.2发挥部分(1)采用适当的控制方法，当设定温度突变(由40℃提高到60℃)时，减少系 统调节时间和超调量2)温度控制的静态误差小于等于0.2℃3)在设定温度发生突变(由40℃提高到60℃)时，自动打印水温随时间变化的曲线。
二、 方案设计与论证根据题目的要求，系统的设计可分为七部分，分别为控制器最小系统、水温控制模块、水温测量模块、电机驱动打印曲线模块、键盘输入模块与LCD液晶显示模块、电源模块以下图1为系统设计的总框架图： 图1 系统设计总框架图 1. 水温控制模块方案一：使用继电器控制加热器的工作继电器采用的是机械动作，存在触点，因此吸合频率不能很高，且不能频繁动作在控温精度要求比较高、系统惯性不是特别大地情况下，不宜采用继电器方案二：采用双向可控硅BT137及光耦组成的电路，对热得快加热的水温进行控制它以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等2. 水温测量模块方案一：采用可编程温度传感器DS18B20进行温度测量其测温范围-55~+125℃，以0.5℃递增但如果采用此方案，发挥部分第二个要求“温度控制的静态误差小于等于0.2℃”则不可实现了方案二：采用热敏电阻，通过有源电桥法的输入转换电路来测量水温由于输出电压V(T)与温度T间不成线性关系式，不便于测量，且误差比较大，故不用此方案。
方案三：采用热电偶，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，输出电压V(T)与温度T间成线性关系式，装配简单，更换方便，测量范围大（－200℃～1300℃,特殊情况下－270℃～2800℃，耐高温可达2800度所以本实验用这种方法实现3.电源模块方案一：整个系统采用同一个电源供电电路连接比较简单，但由于电动机的启动时需要的瞬间电流较大，则给定脉冲驱动信号的电流波动也较大，对系统的稳定性会造成很大的干扰，故不用此方案方案二：采用不同的电源供电将强电加热热得快的交流电（220V）与几个控制模块的电源（直流电）完全分开(其中交流电零线用0欧电阻与保险管和直流电的地相连)控制系统采用自制电源供电，其中电机驱动电源（9V）、小模块供电电源（5V）和单片机的供电电源（3.3V）则可避免各种电气之间的干扰，提高了系统的稳定性三、 硬件设计1.水温控制模块采用双向可控硅BT137来控制热得快加热水温为了避免外界电气信号的干扰，在单片机与双向可控硅2P4M连接之间中采用了TLP521-2光电耦合芯片，通过光信号的传递来实现输入与输出间的电隔离功能，更好地保护了电路图2 水温控制电路2.水温测量模块本系统采用K型热电偶对水的温度进行测量，输出电压V(T)与温度T间为线性关系。
电路图如下INA118为精密仪表放大器，精度高、功耗低，适合对各种微小信号进行放大；两个100K电阻和两个1uF电容构成二阶有源滤波图3 水温测量电路3. 电机驱动模块 要打印水温随时间变化的曲线，采用两个步进电动机分别控制水温的变化和时间的变化其中采用TA8435H芯片来驱动步进电机步进电机的工作原理是：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度首先，让控制时间变化的电机匀速转动，其次，对于控制水温的电机，单片机根据控制要求输出不同的脉冲数，并通过TA8435驱动芯片控制步进电机的正反转，便可实现打印水温随时间变化的曲线为了避免外界电气信号的干扰，在单片机与驱动芯片信号连接之间中采用了TLP521-4光电耦合芯片，通过光信号的传递来实现输入与输出间的电隔离功能，可以更好的保护电路图4 电机驱动电路四、 软件程序实现1. 总程序流程图如右图5所示，为系统总程序流程图2. 水温检测及控制算法水温控制部分，由单片机根据要求控制双向可控硅BT137的关断来控制热得快加热水温当检测到的水温比设定值大，则给其一个低电平，让双向可控硅断开，不加热；否则，让双向可控硅导通，加热水温，并且在检测到的水温与设定值接近时，采用停一段时间再加热一段时间的方法来减小超调量。
水温检测部分，通过热电偶对水的温度进行检测通过不断的检测与加热，反馈比较，最终实现对水温度的控制图5 系统总程序流程图3. 自动打印水温随时间变化算法 自制打印机，用两个步进电机分别控制温度的变化和时间的变化，自动打印温度随时间变化的曲线让控制时间的电机带动卷着的长纸条一直做匀速转动，而控制温度变化的电机根据要求带动齿条移动在控制上，让采样到的当前值与前一时刻的温度值比较，若，则让电机正转；反之，则让其反转；当两者相等时，则齿条停止移动其中，采样频率为200Hz，在程序的实现上，让单片机采集20次温度值，再取其平均值五、 试验结果与分析通过键盘的输入设定水温初值，让热敏电阻检测水温，反馈到单片机上，经过相应的处理，根据不同的要求，控制单向可控硅的关断来控制热得快是否继续加热水其检测结果如下表1所示 表1： 测试结果数值次数 设定值/℃ 最高温度/℃ 最低温度/℃稳定温度/℃ 误差/℃ 超调量/℃ 1 66.6 67.24 65.9266.180.42 0.64 2 67.7 68.5 66.867.610.09 0.8 3 77.7 78.3 77.077.20.5 0.5 4 67.868 67.64 67.50.3 0.2 5 5050.6349.850.30.30.63由检测结果可以看出，误差控制在1℃以内，超调量也小于1℃。
误差分析如下：（1） 加热器通断使电压发生跃变，引起单片机供电电压变化，产生采样误差2） 实测的水温与标定的温度有一定的误差3） 同一时刻，不同检测点的温度差4） 加热时水量多少对超调量有一定影响六、 结语本系统实现了通过键盘的输入可设定水温初值，通过ADC采样和热电偶实时检测水的温度，单片机根据不同的要求，控制双向可控硅的开关来控制加热装置，最终达到实际水温与设定值相等，误差范围小于1℃七、参考资料[1]沈建华.MSP430系列16位超功耗单片机原理与应用[M]. 北京：清华大学出版社，2006.[2]康华光.电子技术基础[M].高等教育出版社，2005.附：主要元器件表名称数量作用MSP430F149单片机最小系统1对系统进行精确检测4×4小键盘1输入设定温度1602液晶显示器1显示水温BT137双向可控硅1控制热得快的关断热光偶1检测水温热得快1加热水温自制直流电源2提供5V/1A和9V/2A电源交流电源1为热得快提供220V电源。