水温自动控制系统

水温自动控制系统

通过模块方案的比较与论证，最终确定的系统组成方框图如图1所示。本论文设计是主要采用AT89C51单片机芯片来实现温度采集、信号处理、温度设置、温度显示和继电器输出控制等功能的主要核心芯片。利用数字温度计来检测水温；采用A/D转换芯片ADC0809来实现对温度计采集到信号进行模数转换处理；采用四位共阴LED和按键实现温度的显示和温度的设置功能；采用继电器来实现间接控制外围设备。

图1系统组成方框图

1、部分外围系统的设计思路

本文通过方案比较与论证，最终确定的外围系统组成方框图如图2所示。外围系统主要是利用数字温度计来检测水温，并把数据传送给单片机处理判断水温是否稳定，是否启动加热装置。加热部分是由单片机控制继电器的输出部分，并由继电器间接控制加热装置的启停。

图2 外围系统组成方框图

2、硬件电路设计

2.1单片机最小系统的设计

单片机最小系统是由单片机芯片AT89C51为核心，由电源部分、复位电路和晶振电路组成（如图3所示）。

图3 单片机最小系统

3、温度检测电路的设计与论证

采用热电偶温差电路测温，温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成（热电偶的构成如图5），热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。数据采集部分则使用带有A/D 通道的单片机，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D 转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来。热电偶的优点是工作温度范围非常宽，且体积小，还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。

4、显示功能电路的设计与论证

采用74LS138和74LS248分别驱动同一块四位共阴LED的位选和数选，这不仅节省了I/O地址端口，也节省了单片机的内部空间容量，同时不容易产生干扰（显示电路如图6所示）。

5、温度报警提示功能电路的设计与论证

本设计的发挥部分，是加入了报警，如果我们所设计的系统是监控某一设备的水温，当水的温度超过我们所设定的温度值时，系统会产生报警。报警时由单片机产生一定频率的脉冲，由P0.0引脚输出，P0.0外接一只NPN的三极管来驱动扬声器发出声音，以便操作员来维护，从而达到报警的目的。此方案能完成声光提示功能，给人以提示的可懂性比较差，但在一定程度上能满足要求，而且易于实现，成本也不高（报警提示电路如图7所示）。

6、外围电路控制设计

本部分设计根据温度传感器检测到的水温信号通过处理后，由AT89C51单片机判断是否进行加热还是降温或者稳定不变。

模式一：对于单相加热装置，若要加热则采用AT89C51的输出引脚端接5V中间继电器的线圈，由单片机产生的相对应的脉冲信号来接通5V中间继电器的线圈，同时使中间继电器的常开触点闭合，接通外围电路220V电压并控制外围单相加热装置工作（如图8所示）。

图8 单相加热装置电路图

模式二：对于三相加热装置，若要加热则采用AT89C51的输出引脚端接5V中间继电器的线圈，由单片机产生的相对应的脉冲信号来接通5V中间继电器的线圈，再由中继电器的常开触点去控制主接触器的线圈，接通外围电路380V电压并控制外围三相加热装置工作（如图9所示）。

图9 三相加热装置电路图

7、控制主程序设计

控制程序启动后程序进入5S的倒计时状态，并开启四位数码显示工作；5S倒计时结束后程序开始运行，首先程序先判断是否运行温度设置程序，否则运行正常的温度检测、上下限报警及外围电路控制程序。即由温度传感器DS18B20检测水温，再通过单片机对检测信号进行处理，并对实际温度和设定温度进行比较，判断是否达到上下限报警要求，把结果传送至显示部分并调用显示子程序显示，同时判断是否启动加热功能，是则控制继电器输出控制外围设备执行相应的工作；否则系统进入恒温控制状态。完成后进入下一个扫描周期。

图11 单片机主程序流程图

8、温度设置程序设计

程序进入温度设置状态后,程序会检测判断片选键是否按下，否则片选闪烁并进入位选检测状态；是则片选位闪烁并使累加器加1，判断是否为4（片选总位数）若是返回重新检测判断片选键是否按下，若否把累加器的值赋值给片选存储器，同时进入位选检测状态。程序进入位选状态后，等待10S并检测判断位选键是否按下，否则子程序返回；是则进入位选状态并使累回器加1，再对累加器的数据进入十进制调整，同时赋值给设定值存储器及显示存储器，结束子程序并返回。

9、上下限报警程序设计

程序运行后，温度传感器DS18B20检测水温，通过单片机对检测信号进行处理，并对实际温度和设定温度进行比较，判断实际温度是否小于设定值？是则进行下限报警并启动外围加热电路；否则判断实际温度是否大于设定值？是则进行上限报警并降温，同时子程序返回；否则进行恒温控制，同时子程序返回。

图13 上下限报警子程序流程图