基于单片机饮水机温度控制新版系统的设计.doc

自动水温加热器设计
一．测控大作业规定
自动水温加热器设计
加热体：交流电阻丝 500W
测温传感器：热电偶
规定：可以检测水温度，控制水温为设定值，容许少量偏差，例如温度45摄氏度
设计环节；
传感器信号输出，信号放大，滤波，电平偏移，A/D，PID控制，显示等。
二．设计目的
设计一种基于单片机加热器温度控制系统，以AT89C51单片机为控制核心，以传感器AD590采集温度信号,放大后经ADC0809将模仿信号转换为数字信号，送入单片机AT89C51，通过软件编程AT89C51可以驱动各个管脚连接功能模块实现各个功能，如温度采集、温度设定、显示、示警等。该系统可以实时检测加热器水箱水温，并且可以通过数码管显示加热器水箱水温度数，可以通过键盘或开关选取制冷或加热，可以人为设立水温度上下限，如加热，当温度在设定范畴内时正常工作，当低于水温下限时控制加热器加热；如制冷，当温度高于水温上限时控制压缩机制冷，温度检测范畴0~95℃，精度±1℃，当温度超过设定值时具备示警功能。
三．方案总设计
以单片机系统为核心控制方案，其原理框图如图1所示。本方案通过温度传感器将温度信号转换为电流信号，信号放大后，经A/D转换器，A/D转换器将进来模仿信号转换成数字信号，然后送到单片机解决，并将采集温度值与键盘设定温度值进行比较，依照比较成果，单片机输出相应信号来控制外部设施，达到控制加热器加热或压缩机制冷目。还具备显示、报警等功能。

受控对象
传感器
显示
继
电
器

单

片

机
信号放大
加热或制冷
A/D转换
示警
键盘

负载

图1方案原理框

四．电路设计
4.1 单片机最小系统设计
本设计单片机最小系统如图2所示，由主控器AT89C51、时钟电路和复位电路三某些构成。单片机AT89C51作为核心控制器控制着整个系统工作，而时钟电路负责产生单片机工作所必须时钟信号，复位电路使得单片机可以正常、有序、稳定地工作。

图2 单片机最小系统
4.1.1 单片机选取
AT89C51单片机是ATMEL公司AT89系列单片机其中一种，该系列是当今世界上最新型电擦写八位单片机之一，和51系列完全兼容，低电压、低电流、低功耗，价格低廉，很受顾客欢迎。其管脚图如图3所示。
图3 AT89C51管脚图
4.1.2 时钟电路
时钟电路用于产生AT89C51单片机工作时所必须时钟信号。虽然AT89C51有内部振荡电路，但要形成时钟，必要外接元件。外接晶体以及X1和X2构成并联谐振电路。晶体振荡频率范畴普通是在1.2MHＺ到12MHＺ之间。晶体频率越高，则系统时钟频率就越高，单片机运营速度也就越快。AT89C51单片机常选取振荡频率6MHＺ或12MHＺ石英晶体，考虑到本设计所用各种器件对时钟频率规定及整体电路简洁性，本设计选用是振荡频率为6MHＺ石英晶体。
4.1.3 复位电路
AT89C51复位是由外部复位电路来实现。惯用复位电路有四种方式：（1）上电复位电路（2）按键复位电路（3）脉冲复位电路（4）兼有上电复位与按键复位电路。由于考虑到构造和成本等因素，在诸多设计里面，复位电路普通采用上电复位和按键复位两种。依照本系统特性，决定选用最简朴上电复位电路。
上电复位是通过外部复位电路电容充电来实现。只要Vcc上升时间不超过10ms，就可以实现自动上电复位。当时钟频率选用6MHＺ，电容C选用22mF，电阻R选用1KW。该复位电路工作原理为：在通电瞬间，在RC电路充电过程中，RST端浮现正脉冲，保证RST引脚浮现10 ms以上稳定高电平，从而使单片机复位。
4.2 温度采集电路设计
依照加热器特性及本设计特点，本设计温度采集电路分为两路，其中一路是采集一种水箱热水温度，另一路是采集另一种水箱凉水温度，由于两路都是对加热器水箱温度采集，因而，其元器件及电路连接是同样。这某些电路重要器件有：温度传感器、电位器、运算放大器、电阻等。它重要功能是把采集到温度转换成电压，然后输入到A/D转换器转换。
温度传感器选用AD590，运算放大器用LM741。温度传感器AD590温度检测范畴在-55℃～+150℃，并且精度很高，非线性误差为±0.3℃。达到本设计温度检测范畴为0℃～95℃，精度±1℃设计规定。LM741是单片高性能内补偿运算放大器，具备较宽共模电压范畴，它特性是：不需外部频率补偿 、具备短路保护 、失调电压到零能力 、较宽共模和差模电压范畴 、功耗低 、无阻塞现象。而电位器选用阻值分别为2K和50K。其电路图如图4所示。

图4 温度采集电路

温度传感器AD590将温度信号转换成电流信号，然后通过3个由LM741、电位器和电阻构成转换电路OPA1、OPA2、OPA3。OPA1重要是将AD590输出电流转换为电压。而OPA2是做零位调节，最后OPA3将电压放大。本设计共有两路采集电路，放大后电压也就是输出电压，它们分别是V01、V02，V01、V02分别作为A/D转换器两路模仿输入信号。
4.3 A/D转换电路设计
A/D转换某些电路功能重要是将采集某些采集来模仿信号转换成数字信号，然后输送到单片机进行数据解决。
A/D转换某些电路重要器件有ADC0809、74LS02、74S74等。ADC0809与AT89C51连接电路如图5所示。

图5 A/D转换电路
A/D转换器ADC0809共有八路模仿输入端，由于本设计温度采集只有两路，因而只用到两路模仿输入端，其输入通道为IN0、IN1。这两个通道数据分别是温度采集电路输出信号V01、V02，也就是转换为电压值加热器两个水箱水温度值。选取这两个通道需要通过设立ADC0809ADDA、B、C值，由于它相应是八路模仿信号，而本系统只有两路模仿信号输入，因而，只需要将低位ADDA连到AT89C51P2.2口，并依照P2.2口电压是低电平或高电平来选取要检测哪个通道，当ADDA值为0时选是IN0通道，当ADDA为1时选是IN1 通道。而ADDB、ADDC只需接地即可。
4.4 显示电路设计
大多数单片机应用系统，都要配备输入设备和输出设备。本系统输出设备是显示屏，依照本系统设计特点，采用七段LED数码管作为显示屏。而本系统设计规定温度检测范畴0℃～95℃，精度±1℃。数码管只需显示两位即可达到规定，因而，显示某些电路采用两个一位LED数码管来构成显示屏，没有规定显示小数点，LED数码管dp脚悬空。本设计显示电路应用有两点，一是实时显示加热器水箱水温值，另一种是显示键盘设定温度上、下限值。其电路连接如图6所示。

图6 显示某些电路
通过一种74LS47连接7个100欧姆电阻来驱动数码管显示。数码管VCC脚分别连接到两个三极管共射极，而三极管共基极连到一起接到+5V电源上。共集极分别连接两个4.7K电阻接到单片机AT89C51P1.4、P1.5管脚。
LED显示块是由发光二极管显示字段显示屏件。在单片机应用系统中应用非常普遍，普通使用是七段LED，这种显示屏有共阳极和共阴极两种，本设计选用是共阳极。共阳极LED显示屏发光二极管阳极连接在一起，普通此公共阳极接正电压5V。当某个发光二极管阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应段被显示。
4.5 键盘电路设计
依照本系统设计特点及规定，键盘功能重要是用来设立温度上下限，因而本设计采用独立式键盘来完毕这一功能规定。其电路连接如图7所示。

图7 独立式键盘与AT89C51连接图
本设计，采用四按键键盘，因此在四个I/O口上接四个按键构成一种四按键简易式键盘。各线通过电阻接+5V，当键盘上没有键闭合时，所有线断开，呈高电平状态。当键盘上某一种键闭合时，该键所相应线与连接单片机线短路。
当S1键按1下，进入加热或制冷模式后，数码管显示为00，00代表温度设立起点温度。再按下按键S2数码管显示值将逐渐从个位数往上加，直到想要设立温度值，而按键S3是步进减键，按键每下一次，个位数减1。S4键是拟定键，通过它来拟定前面所设定数值。
4.6 报警电路设计
报警电路重要是由发光二极管和蜂鸣器构成，具备声、光报警功能简朴电路，其电路如图8所示。当温度超过设立上、下限时，P2.2口输出高电平，三极管导通，蜂鸣器工作，发出声音。P2.3口输出高电平时，发光二极管正向导通，发光报警。

图8 报警电路
4.7 控制电路设计
该电路是由两个固态继电器作为控制开关，一种继电器控制加热装置，另一种继电器控制制冷装置。为了实现输入与输出隔离，器件采用了高耐压光耦合器。控制某些电路图如图9所示。
控制电路工作原理：当AT89C51RXD口输出一种高电平时，三极管开始工作，驱动继电器J1工作，继电器J1呈导通状态，加热装置开始工作。同样，当AT89C51TXD口输出一种高电平时，三极管开始工作，驱动继电器J2工作，继电器J2开关闭合，制冷装置开始工作。

图9 控制电路