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1、水箱电加热器控制系统的设计课程设计人：本人 学号：* 专业：电气工程及其自动化水箱电加热器控制系统的设计一、设计要求：1. 进行水箱加热系统设计2. 要求温度维持在90以上，大于90时黄灯亮，小于90时红灯亮3. 采用电加热方式4. 温度精确到0.5，传感器不用数字式传感器5. 水位低于25%时加水，高于90%时停止加水6. CPU自选，指示灯用发光二极管二、设计内容：1. 硬件原理框图2. 软件流程图3. 结合以上原理图及软件流程图说明控制系统工作原理三、硬件选择1. CPU选Inrel的高性能八位单片机8051AH2. 传感器选择（1）温度传感器模拟集成温度传感器AD590集成传感器是采用
2、硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。 其规格如下： 温度每增加1,它会增加1A输出电流。 可量测范围-55至150。 供应电压范围+4V至30V。 AD590的输出电流值说明如下： 其输出电流是以绝对温度零度(-273)为基准,每增加1,它会增加1A输出电流,因此在室温25时,其输出电流Io=(273+25)=298A。Vo的值为Io乘上10K,以室温25而言,输出值为2.98V(10K298A)。（2）水位传感器位置传感器作为水位的检测，可以利用水的导电性来对水位进行判断。当水位未达到规定要求时，单
3、片机I/O口探测到的将是其预置的高电平；当探测器与水相接触时，由于水的导电性，探测器的电位也会被水拉成低电平，系统可以据此判断出水位信息这样分别在水箱的25%和90%设置两个探测器，由单片机的两个I/O口分别对其电平进行检测，即可实现实现对高水位（90%水位），低水位（25%水位）的检测3. A/D转换器8位A/D转换器ADC0804 由于设计中要求温度精确度达到0.5。而水温的可能变化范围为0-100，而八位A/D的分辨率可达，因此此处选择8位A/D转换器ADC0804可以满足设计要求。 ADC0804型8位全MOS 转换器。它是中速廉价型产品之一。片内有三态数据输出锁存器，与微处理器兼容，
4、输入方式为单通道，转换时间约为100s。它的非线形误差为1LSB。电源电压为单一+5V。 其引脚功能此处不详细介绍，其引脚图图1所示：图1、ADC0804引脚图4. 输出驱动电路选择单片机是微电子器件，它的输入信号功率很小，要直接驱动大功率部件是不可能的，要实现其控制作用，需要中间的变换电路，这种电路就是中间驱动电路接口。此处选择单片机控制信号经三极管控制继电器的闭合，从而实现对水箱加热器交流回路和注水管道电磁阀24V直流回路的控制。5. 执行机构选择（1）水温控制执行机构：继电器控制的发热部件（2）水位控制执行机构：采用电磁阀6. 发光二极管选择 选择黄色和红色发光二级管各一只四、硬件电路设
5、计1.水箱及其控制系统的接口示意图如图2下：A/D转换单片微型计算机MCS-51发光二极管输出驱动电路水位控制执行机构水温控制执行机构被控水箱水位传感器温度传感器图2、水箱电加热器控制系统示意图2各子环节硬件电路设计（1）测温电路设计 此处利用运算放大器实现温度转换，当水温为0时，测温电路输出为0V，当水温为100时，测温电路输出为5V。这样就可以使输入ADC0804的模拟量恰好是其典型值，不用再加参考电压Vref/2。具体实现电路如图3所示，图中AD590为电流型传感器，其输出电流为每增加1，电流增加1A，经过10K电阻将其转换为电压信号，再经过减法器将绝对温度转换为摄氏温度。图3、测温电路
6、（2）测温电路输出与A/D转换器的接口电路 ADC0804片内有时钟电路，只要在外部“CLKR”和“CLK”两端外接一对电阻电容即可产生转换所需要的时钟，其振荡频率为RC。此处采用其典型应用参数为：R=10k，C=150pF，640kHz，每秒钟可转换1万次。 被转换的电压信号从输入，此信号是电压信号,模拟地和数字地分别设置引入端,使数字电路的地电流不影响模拟信号回路，以防止寄生耦合造成的干扰。输入电压为0+5V时，端无需外加任何电压，而由内部电源分压得到，端子浮空即可。具体电路如图4所示：Vin（-）Vcc Vin（+） DB0-7AGNDCLK-R GND ADC080410K150PF+
7、5V直流电源至单片机P1端口图4、测温电路与ADC0804的接口电路（3）水位检测电路设计此处利用水的的导电性，当探头未于水接触时，5V电压经跟随器，送至单片机I/O端口，此时相当于高电平。由于水的电阻一般远小于10M, 其电阻值一般都小于10K，因此当水位探头与水面接触时，经放大器后输出低电平至单片机I/O端口。具体电路设计如图5所示。图5、水位探测电路本设计中分别在25%与90%水位处设置两个水位探头，25%水位处检测到的水位信号送至单片机P2.5端口，90%水位处检测到的水位信号送至单片机的P2.6端口。（4）ADC0804与单片机的接口电路设计ADC0804输出的8位数据信号，经P1口
8、送至单片机，当AD转换结束，其申请中断引脚向单片机P2.0端口发出申请，单片机通过扫描P2.0端口是否为高电平来决定是否读取经转换的温度数字量。25%、90%水位处探头信号分别经P2.5、P2.6端口送至单片机。单片机经过温度与水位判断后，经P2.2实现红色发光二极管亮，经P2.3实现黄色发光二极管亮来指示温度。通过P2.1触发继电器来闭合交流加热器回路，实现对水箱加热，通过P2.7来触发直流固态继电器实现对注水管道电磁阀的控制。单片机采用外部时钟电路，具体参数值此处不做讨论，电路连接如图6所示。图6、ADC0804与单片机的接口电路（5）输出驱动电路设计（a）单片机I/O输出驱动水箱加热器回
9、路中继电器电路如图7所示图7、单片机驱动继电器回路 继电器电路中，一般要在继电器线圈两头加一个二级管以吸收继电器线圈断电时所产生的反电势，防止干扰。图中控制信号为高电平时，继电器动作，交流回路闭合，水箱开始加热。当控制信号为低电平时，此处三极管采用可关断式的，三极管关断后，继电器二次回路失电，常开触点断开，交流回路断开，水箱停止加热。（b）单片机驱动水箱加水管道电磁阀回路如图8所示图8、单片机驱动电磁阀电路信号通过单片机端口送出，经三极管的开关作用，接直流固态继电器，然后接负载，因为电磁阀是感性负载，其两端并联一个二极管。具体的电阻值及元件型号还没选（c）单片机驱动发光二级管电路 电路连接如下
10、图9所示：图9、发光二极管驱动电路五、软件原理图设计结合软件流程图对控制系统的控制策略进行说明如下;1控制系统上电后，单片机复位，由程序实现单片机端口数据及相应寄存器的复位。2. 扫描P2.0端口，看AD转换器是否转换结束，如转换结束，则通过P1端口读取温度数字量，否则继续扫描。3. 判断读取的温度是否小于90，若不小于90则置P2.3为高电平，红灯亮，同时置P2.1为低电平，停止可能正在加热的加热器。若小于90则置P2.4黄灯亮，然后判断水箱水位是否在允许加热范围（25%-90%水位）内，若在此范围内，则置P2.1高电平，由继电器启动交流加热器回路对水箱进行加热。4. 若在判断水箱水位过程中，水位低于25%，则置P2.7为高电平，由直流固态继电器开启注水管道电磁阀，对水箱进行加水。加水过程中，每隔5S通过判断P2.6是否为低电平来判断加水是否加至90%水位，若P2.6为低电平则表示水位已加至90%水位。然后置P2.7为低电平，关闭电磁阀，停止对水箱注水。然后再置P2.1高电平，由继电器启动交流加热器回路对水箱进行加热。5.水箱加热器启动后，由于其温度不可能立马上升到90，因此经10S延时后，重新检测P2.0端口，重复上述过程。具体软件流程图如图10所示图10、控制系统软件流程图