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全国大学生电子大赛
——高职高专组
水温及水位控制系统
学校：
湖北省仙桃职业学院
小组：
第一组
制作人：
王杰敏、易龙军、吴婉
指导老师：
刘祖云、刘明江、王红方
徐明、卢丽君
制作日期：
2009-8-1
水温及水位控制系统
指导教师：
刘祖云徐明刘民江王红方卢丽君
队员及年级：
王杰敏（07级）、易龙军（07级）、吴婉（07级）
学院及院系：
仙桃职业学院机械电子工程学院
摘要：
本系统是一款温度及水位控制装置，以STC89C51单片机为主控制器，采用可变电阻模拟电阻式温度传感器Pt100（RTD）型铂热电阻，经同轴电缆连接后，由TI公司的高精度线式集成变送器XTR106、RCV420进行信号调理和信号变送，构成信号调理变送模块。
变送后经模数转换芯片ADC0809作为单片机外设对变送器输出信号采样，同时通过软件完成对水位、水温调节控制，用数码管实现设定水温和实际水温显示。
关键词：
STC89C51单片机Pt100XTR106RCV420ADC0809
一、方案比较与论证
根据题目要求，本设计系统主要分为5个部分：
信号调理、信号变送、信号采集、信号处理、温度显示。
鉴于题目的要求，本系统着重对信号调理模块和信号变送模块进行论证与选择。
1、信号调理模块
方案一：
信号调理模块采用XTR115，它是精密电流输出变送器，可在整个工作标准电流环内发送4-20mA的模拟信号，提供精确地电流定标和输出电流限制功能。
通过非平衡电桥采集电压，经INA143放大后，由XTR115将输入电阻变送为4-20mA电流信号。
此方案中INA143的放大倍数只有十倍，满足不了所需要的0-5V电压输出。
虽然可以通过在INA143的2脚和6脚之间、3脚和6脚之间添加两个电阻以提高放大倍数，但是它的调整难度大、精度低，不好控制。
方案二：
信号调整部分采用XTR106。
XTR106单片式4-20mA电流变送器，可两线制连接，也可以三线制连接，消耗的电流在2mA以下，并可以对RTD线性化。
它可以将输入电阻变送为4-20mA电流，转换精度高达0.05%，由于信号调理部分对测量的精度和线性度影响很大，所以第一级的考虑是非常重要的，XTR106是非常理想的选择。
经过以上比较，我们选用方案二。
2、信号变送模块
方案一：
信号变送模块采用LM741。
输出的4-20mA电流，经过由LM741构成的一个电压跟随器，稳定电压输出。
再通过LM741构成的减法电路，输出一个0-5V的电压信号。
此方案中减法运算电路的输入与输出虽然是线性关系，但是输出电压精度低，误差较大。
若一味的提高精度，很容易因为运放的功耗限制而造成运放工作于饱和区。
方案二：
信号变送模块采用TI公司的高精度电压转换芯片RCV420，它可以将4-20mA电流高精度的转换为0-5V的电压信号。
此方案电路易实现，转换精度高，效率高。
同时在STC89C51单片机的配合下，实现了对信号的轻松处理，基本完成题目要求且简单可行。
通过以上比较分析，我们选用方案二。
二、系统设计
1、总体设计
本系统主要以STC89C51为主控制器，其中通过XTR106进行信号调理和信号变送；采用ADC0809芯片对信号进行采样。
总体系统框图如下：
2、单元电路的设计与分析
（1）信号调理电路
本系统采用XTR106构成信号调理电路。
XTR106有两个0.8mA的精密电流源对RTD进行激励。
RZ为调零电阻，调节RZ可使XTR106温度下限时，输出4mA电流，Rcm给XTR106供一个共模电压。
Rcm两端并上0.01uF电容可减少噪声，电阻RG根据设计的温度范围而定，它决定着放大器的放大倍数。
根据题目的要求，温度变化范围从0℃-100℃，且要使输出电压的范围在0—5V之间，所以此电路选择电阻R1=R2=2KΩ，其计算结果如下：
温度变化范围为0℃-100℃，桥路传感器对于VFS的非线性度为：
B=0.00939VFS=0.043R0=100Ω
当V
=2.5V时,K
=9905
R
=K
×（（4×B）/（1-2×B））=9905×（（4×0.00939）/（1-2×00939））=379.1692Ω
RG=（VFS÷400uA）×（（1+2B）/（1-2B））=（0.043÷400uA）×（（1+2×0.00939）/（1-2×0.00939））=111.6152Ω
PT100为100Ω-138.5Ω
电路原理图如下图所示：
（2）信号变送电路
本系统的信号变送模块采用TI公司的高精度电压转换器RCV420。
XTR106输入电阻变送为4-20mA的电流，然后经过RCV420将电流信号转换为0-5V的电压信号。
同时通过使用XTR106、RCV420可以对测量的非线性进行很好的校正，从而提高量精度，测其设计电路图如下图所示：
（3）接口电路
接口电路的作用主要是为上水装置和加热电路提供驱动。
设计的基本电路如下图所示：
基本工作原理：
当单片机P1.6口输出为低电平时，9012导通，继电器线圈得电，电动机开始工作。
当水箱里的水加满时，通过软件控制使P1.6口输出低电平，此时9012处于截止状态，继电器线圈失电，电动机停止工作。
当单片机P1.7口输出为低电平时，9012处于导通状态，继电器线圈得电，驱动加热装置开始加热，当水箱里的水温达到设定值时，通过软件控制使P1.7输出高电平，这时9012截止，加热装置停止加热。
3、软件设计
本系统以STC89C51单片机为整个控制系统的核心。
软件设计部分重点分为两个部分：
加水装置模块和加热装置模块。
程序流程图如下：
三、系统测试
1、测试仪器
数字万电表PC机
2、测试方法
焊接完毕后，首先对硬件电路进行检查，再逐次对各个模块进行调试。
然后写入温度及水位控制程序，并且进行调试使其达到最佳效果。
3、测试结果
（1）功能测试如下表
检测内容
功能实现情况
温度设定范围为40℃～90℃
实现
温度控制的静态误差≤1℃
实现
用十进制数码显示水的实际温度
实现
当水位低于设定水位时，能自动补水，当水位达到高水位时，停止加水，
实现
实际温度小于预设温度时按下确认键，开始加热；实际温度等于预设温度时，停止加热
实现
当无水时，防止加热
实现
4、测试分析
经过测试，我们设计的水温水位自动控制系统的功能基本达到，当预设温度大于实际温度时按下确认键，开始加热；预设温度等于实际温度时，停止加热，数码管能及时显示预设温度和实际温度；在低水位时能及时加水，在高水位时能及时停止加水，整个系统的稳定性较高。
四、总结
我们设计的系统在硬件上主要使用Pt100（RTD）、XTR106、RCV420等TI公司元器件，完成了对温度及水位控制系统的基本要求。
在软件上，利用STC89C51单片机的特点，对温度的高低、水位的高低进行自动控制，基本上完成了题目的要求。
附录
1、总体电路图
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