水箱电加热器控制系统设计.docx

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水箱电加热器控制系统设计

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.温度精准到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8051AH

2.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1μA输出电流。

可量测范围-55℃至150℃。

供给电压范围+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1μA输出电流,因此在室温25℃时,其输出电流Io=（273+25）=298μA。

Vo的值为Io乘上10K,以室温25℃而言,输出值为（10K×298μA）。

（2）水位传感器——位置传感器

作为水位的检测，能够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，系统能够据此判断出水位信息

如此别离在水箱的25%和90%设置两个探测器，由单片机的两个I/O口别离对其电平进行检测，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准度达到0.5℃。

而水温的可能转变范围为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能够知足设计要求。

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，与微处置器兼容，输入方式为单通道，转换时刻约为100µs。

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：

图一、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：

继电器控制的发烧部件

（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、硬件电路设计

1.水箱及其控制系统的接口示用意如图2下：

图二、水箱电加热器控制系统示用意

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。

如此就可以够使输入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1μA，通过10K电阻将其转换为电压信号，再通过减法器将绝对温度转换为摄氏温度。

图3、测温电路

（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”两头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=10kΩ，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,模拟地和数字地别离设置引入端,使数字电路的地电流不影响模拟信号回路，以避免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，而由内部电源分压取得，

端子浮空即可。

具体电路如图4所示：

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电压经跟从器，送至单片机I/O端口，现在相当于高电平。

由于水的电阻一般远小于10MΩ,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。

图五、水位探测电路

本设计中别离在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端口，90%水位处检测到的水位信号送至单片机的端口。

（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口送至单片机，当AD转换结束，其申请中断引脚向单片机端口发出申请，单片机通过扫描端口是不是为高电平来决定是不是读取经转换的温度数字量。

25%、90%水位处探头信号别离经、端口送至单片机。

单片机通过温度与水位判断后，经实现红色发光二极管亮，经实现黄色发光二极管亮来指示温度。

通过触发继电器来闭合交流加热器回路，实现对水箱加热，通过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。

图六、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，避免干扰。

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

图八、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，其两头并联一个二极管。

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

电路连接如下图9所示：

图九、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放器的复位。

2.扫描端口，看AD转换器是不是转换结束，如转换结束，则通过P1端口读取温度数字量，不然继续扫描。

3.判断读取的温度是不是小于90℃，若不小于90℃则置为高电平，红灯亮，同时置为低电平，停止可能正在加热的加热器。

若小于90℃则置黄灯亮，然后判断水箱水位是不是在允许加热范围（25%-90%水位）内，若在此范围内，则置高电平，由继电器启动交流加热器回路对水箱进行加热。

4.若在判断水箱水位进程中，水位低于25%，则置为高电平，由直流固态继电器开启注水管道电磁阀，对水箱进行加水。

加水进程中，每隔5S通过判断是不是为低电平来判断加水是不是加至90%水位，若为低电平则表示水位已加至90%水位。

然后置为低电平，关闭电磁阀，停止对水箱注水。

然后再置高电平，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，从头检测端口，重复上述进程。

具体软件流程图如图10所示

图10、控制系统软件流程图