水温控制系统

水温控制系统

作者：黎波李波杨俊

赛前辅导：王老师杨老师

摘要

用单片机系统进行温度实时采集与控制是本设计的主要内容。温度信号由AD590K和温度/电压转换电路提供，对AD590K进行了精度优于±0.1℃的非线性补偿。模拟电压量-数字量转换采用TI公司12位开关电容逐次逼近AD转换器TLC2543。功率控制部分采用光电耦合器件和场效应管组成固态继电器控制功率电阻加热，实现强电和弱电完全隔离，功率控制无触点无噪声使用寿命长功耗较低使系统灵敏度高和抗干扰能力显著提高。时钟部分采用飞利浦公司的专用时钟芯片PCF8583，实现了实时时钟，定时开机以及提供RAM空间存放设定数据。系统使用液晶模块作为人机界面，友好美观大方。并在到达设定温度，和水位非正常情况下由ISD1420提供语音提示。

一：系统设计及方案论证

方案一：这是一种纯硬件的闭环控制系统。该系统的优点在于速度较快，但可靠性比较差控制精度比较低、灵活性小、线路复杂、调试、安装都不方便。且要实现题目所有的要求难度较大。

方式。即用FPGA/CPLD完成采集，存储，显示及A/D等功能，由

IP核实现人机交互及信号测量分析等功能。这种方案的

优点在于系统结构紧凑，可以实现复杂的测量与与控制，

操作方便；缺点是调试过程复杂，成本较高。原理见图1-1

图1-1

方案三：单片机与高精度A/D结合方式。即用单片机完成人机界面，系统控制，信号分析处理，由前端A/D转换器件完成信号的采集与转换。这种方案克服了方案一的缺点，故本小组拟订采用此方案。

系统框图见图1-2：

图1-2

该方案用12位的A/D转换器转换速度快且精度高，具有强弱电隔离、升温降温控制、显示、语音提示电路。接口方便、成本较低。且软件升级性较强。

综合以上三种方案，经过性能、可靠性、成本等论证，我们采用方案三。

二：单元电路设计，分析

1．水位检测电路设计

该模块由两块与非门检测液面高度，经与门整型后送MCU处理。当液面高度低于20%时检测两端口均为高电平MCU外部中断口均为低电平，MCU检测到后即会做相应处理。同理当液位高度高于100%时，两中断端口均为高电平。正常情况下中断端口P32高电平，P33为低电平。具体电路见图1-3

B

图1-3

2．温度采集转换模块

温度测量部分采用集成温度传感器AD590K加上软件非线性补偿来实现高精度测量，AD590它具有较高的精度和线性度。它的非线性为0.8℃，测温精度为0.3℃，其测温重复性优于0.1℃。预算放大器用OP07超低漂移高精度运算，其共模抑制比达120dB,增益达104 dB，温漂仅为0.7Mv/℃，并且还具有小偏置电流，失调电流等特性，对于保证小信号的低噪音起到决定性的作用。经过调整的采集信号有A/D转换器进行A/D转换后由单片机进行处理。

具体电路见图1-4：

AD590

图1-4

3.强电控制和驱动电路设计

该电路用来控制电风扇和加热系统，前级采用用光电耦合器进行强弱电地隔离，有效的降低了后级强电流对前级控制系统的干扰。后级我们使用了动态内阻小，功耗低的N沟道MOSFET管，IRF3710 极限ID为40A，完全能够满足条件。

具体电路见：图1-5

风扇控制电路同上见图1-6

图1-5

图1-6、

4．电压基准的设计

模数转换VREF 来自TL431精密稳压源，后经过运放组成的一倍放大器为AD590提供电压基准，这样做可抵消一部分TL431因为温漂带来的误差。见图1-7

1

8

7

图1-7

5．语音模块的设计

本系统采用美国ISD 公司的优质单片语音录放电路，它有20S 的录放时间。它的基本组成有时钟电路，拾音放大，自动增益控制电路，滤波器，差动功放，电源电路，EEPROM ，地址译码器及控制逻辑电路组成。其接口电路如图1-8所示。

图1-8

6．89S52单片机系统

8052的基本系统主要由8952、LCD显示、A/D转换、键盘，时钟等组成。

电路见图1-9

图1-9

三、软件设计

1．软件的主要功能

（1）温度设定：即设定控制温度为0-99℃之间任意数，设定值自动存储功能

（2）时间设定：设定当前时间和控制开机加热的时间，设定值自动存储功能

（3）LCD显示界面设定设定LCD界面显示的内容

（4）传感器的非线性补偿利用AD590K的±0.1℃的重复性，软件采用分段插值程序，对AD590K的信号进行非线性补偿以获得±0.1℃的测量精度。

2．程序流程图

四．调试过程

1.测试环境

环境温度为21℃

测试仪器：WD－2型数字温度计（扬州长江仪器厂，精度为0.1℃，测量范围为-40－100℃）

2.测量方法

（1）温度系统的标定误差我们将标准温度计和温度控制系统的探头放入同一容器中，选定若干不同温度点，记录下标准温度计的温度和温度控制系统显示的温度进行比较。（2）温度系统的静态误差在不同温度点同标准温度的温度差和在某一确定的温度点在一段时间内同标准温度的差值。

3.测试结果

五．结束语

整个系统的设计思想是提高静态控温精度，减小调节时间。整个系统有如下优点：

1.集成线性温度传感器AD590K和信号调理电路与软件线性化处理相结合，进一步提高

了测温精度。

2. 8052单片机的采用，不仅便于数据采集和处理，而且扩展了功能，如显示，语音提

示等功能。

3. 采用TLC2543可以保证测量精度。

4. 电路设计充分考虑了系统可靠性和安全性。

在实际制作中我小组配合的还不够紧密，出现了软硬件割裂的情况，虽然完成了大部分任务但还是留下了很多遗憾。并且使用了多组电源，系统过于庞大等…这些都有待我们去改进，去创新，去探索。