水箱電加熱器控制系統(tǒng)設計

1、水箱電加熱器控制系統(tǒng)的設計課程設計人：本人 學號：* 專業(yè)：電氣工程及其自動化水箱電加熱器控制系統(tǒng)的設計一、設計要求：1. 進行水箱加熱系統(tǒng)設計2. 要求溫度維持在90以上，大于90時黃燈亮，小于90時紅燈亮3. 采用電加熱方式4. 溫度精確到0.5，傳感器不用數字式傳感器5. 水位低于25%時加水，高于90%時停止加水6. cpu自選，指示燈用發(fā)光二極管二、設計內容：1. 硬件原理框圖2. 軟件流程圖3. 結合以上原理圖及軟件流程圖說明控制系統(tǒng)工作原理三、硬件選擇1. cpu選inrel的高性能八位單片機8051ah2. 傳感器選擇（1）溫度傳感器模擬集成溫度傳感器ad590集成傳感器是采用

2、硅半導體集成工藝制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。它將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出等功能。 其規(guī)格如下： 溫度每增加1,它會增加1a輸出電流。 可量測范圍-55至150。 供應電壓范圍+4v至30v。 ad590的輸出電流值說明如下： 其輸出電流是以絕對溫度零度(-273)為基準,每增加1,它會增加1a輸出電流,因此在室溫25時,其輸出電流io=(273+25)=298a。vo的值為io乘上10k,以室溫25而言,輸出值為2.98v(10k×298a)。（2）水位傳感器位置傳感器作為水位的檢測，可以利用水的導電性來對水位進行判斷。當水位未達到規(guī)

3、定要求時，單片機i/o口探測到的將是其預置的高電平；當探測器與水相接觸時，由于水的導電性，探測器的電位也會被水拉成低電平，系統(tǒng)可以據此判斷出水位信息這樣分別在水箱的25%和90%設置兩個探測器，由單片機的兩個i/o口分別對其電平進行檢測，即可實現(xiàn)實現(xiàn)對高水位（90%水位），低水位（25%水位）的檢測3. a/d轉換器8位a/d轉換器adc0804 由于設計中要求溫度精確度達到0.5。而水溫的可能變化范圍為0-100，而八位a/d的分辨率可達，因此此處選擇8位a/d轉換器adc0804可以滿足設計要求。 adc0804型8位全mos 轉換器。它是中速廉價型產品之一。片內有三態(tài)數據輸出鎖存器，與微

4、處理器兼容，輸入方式為單通道，轉換時間約為100µs。它的非線形誤差為±1lsb。電源電壓為單一+5v。 其引腳功能此處不詳細介紹，其引腳圖圖1所示：圖1、adc0804引腳圖4. 輸出驅動電路選擇單片機是微電子器件，它的輸入信號功率很小，要直接驅動大功率部件是不可能的，要實現(xiàn)其控制作用，需要中間的變換電路，這種電路就是中間驅動電路接口。此處選擇單片機控制信號經三極管控制繼電器的閉合，從而實現(xiàn)對水箱加熱器交流回路和注水管道電磁閥24v直流回路的控制。5. 執(zhí)行機構選擇（1）水溫控制執(zhí)行機構：繼電器控制的發(fā)熱部件（2）水位控制執(zhí)行機構：采用電磁閥6. 發(fā)光二極管選擇 選擇黃色

5、和紅色發(fā)光二級管各一只四、硬件電路設計1.水箱及其控制系統(tǒng)的接口示意圖如圖2下：a/d轉換單片微型計算機mcs-51發(fā)光二極管輸出驅動電路水位控制執(zhí)行機構水溫控制執(zhí)行機構被控水箱水位傳感器溫度傳感器圖2、水箱電加熱器控制系統(tǒng)示意圖2各子環(huán)節(jié)硬件電路設計（1）測溫電路設計 此處利用運算放大器實現(xiàn)溫度轉換，當水溫為0時，測溫電路輸出為0v，當水溫為100時，測溫電路輸出為5v。這樣就可以使輸入adc0804的模擬量恰好是其典型值，不用再加參考電壓vref/2。具體實現(xiàn)電路如圖3所示，圖中ad590為電流型傳感器，其輸出電流為每增加1，電流增加1a，經過10k電阻將其轉換為電壓信號，再經過減法器將絕

6、對溫度轉換為攝氏溫度。圖3、測溫電路（2）測溫電路輸出與a/d轉換器的接口電路 adc0804片內有時鐘電路，只要在外部“clkr”和“clk”兩端外接一對電阻電容即可產生轉換所需要的時鐘，其振蕩頻率為rc。此處采用其典型應用參數為：r=10k，c=150pf，640khz，每秒鐘可轉換1萬次。 被轉換的電壓信號從輸入，此信號是電壓信號,模擬地和數字地分別設置引入端,使數字電路的地電流不影響模擬信號回路，以防止寄生耦合造成的干擾。輸入電壓為0+5v時，端無需外加任何電壓，而由內部電源分壓得到，端子浮空即可。具體電路如圖4所示：vin（-）vcc vin（+） db0-7agndclk-r gn

7、d adc080410k150pf+5v直流電源至單片機p1端口圖4、測溫電路與adc0804的接口電路（3）水位檢測電路設計此處利用水的的導電性，當探頭未于水接觸時，5v電壓經跟隨器，送至單片機i/o端口，此時相當于高電平。由于水的電阻一般遠小于10m, 其電阻值一般都小于10k，因此當水位探頭與水面接觸時，經放大器后輸出低電平至單片機i/o端口。具體電路設計如圖5所示。圖5、水位探測電路本設計中分別在25%與90%水位處設置兩個水位探頭，25%水位處檢測到的水位信號送至單片機p2.5端口，90%水位處檢測到的水位信號送至單片機的p2.6端口。（4）adc0804與單片機的接口電路設計adc

8、0804輸出的8位數據信號，經p1口送至單片機，當ad轉換結束，其申請中斷引腳向單片機p2.0端口發(fā)出申請，單片機通過掃描p2.0端口是否為高電平來決定是否讀取經轉換的溫度數字量。25%、90%水位處探頭信號分別經p2.5、p2.6端口送至單片機。單片機經過溫度與水位判斷后，經p2.2實現(xiàn)紅色發(fā)光二極管亮，經p2.3實現(xiàn)黃色發(fā)光二極管亮來指示溫度。通過p2.1觸發(fā)繼電器來閉合交流加熱器回路，實現(xiàn)對水箱加熱，通過p2.7來觸發(fā)直流固態(tài)繼電器實現(xiàn)對注水管道電磁閥的控制。單片機采用外部時鐘電路，具體參數值此處不做討論，電路連接如圖6所示。圖6、adc0804與單片機的接口電路（5）輸出驅動電路設計（

9、a）單片機i/o輸出驅動水箱加熱器回路中繼電器電路如圖7所示圖7、單片機驅動繼電器回路 繼電器電路中，一般要在繼電器線圈兩頭加一個二級管以吸收繼電器線圈斷電時所產生的反電勢，防止干擾。圖中控制信號為高電平時，繼電器動作，交流回路閉合，水箱開始加熱。當控制信號為低電平時，此處三極管采用可關斷式的，三極管關斷后，繼電器二次回路失電，常開觸點斷開，交流回路斷開，水箱停止加熱。（b）單片機驅動水箱加水管道電磁閥回路如圖8所示圖8、單片機驅動電磁閥電路信號通過單片機端口送出，經三極管的開關作用，接直流固態(tài)繼電器，然后接負載，因為電磁閥是感性負載，其兩端并聯(lián)一個二極管。具體的電阻值及元件型號還沒選（c）單

10、片機驅動發(fā)光二級管電路 電路連接如下圖9所示：圖9、發(fā)光二極管驅動電路五、軟件原理圖設計結合軟件流程圖對控制系統(tǒng)的控制策略進行說明如下;1控制系統(tǒng)上電后，單片機復位，由程序實現(xiàn)單片機端口數據及相應寄存器的復位。2. 掃描p2.0端口，看ad轉換器是否轉換結束，如轉換結束，則通過p1端口讀取溫度數字量，否則繼續(xù)掃描。3. 判斷讀取的溫度是否小于90，若不小于90則置p2.3為高電平，紅燈亮，同時置p2.1為低電平，停止可能正在加熱的加熱器。若小于90則置p2.4黃燈亮，然后判斷水箱水位是否在允許加熱范圍（25%-90%水位）內，若在此范圍內，則置p2.1高電平，由繼電器啟動交流加熱器回路對水箱進行加熱。4. 若在判斷水箱水位過程中，水位低于25%，則置p2.7為高電平，由直流固態(tài)繼電器開啟注水管道電磁閥，對水箱進行加水。加水過程中，每隔5s通過判斷p2.6是否為低電平來判斷加水是否加至90%水位，