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饮水机温度控制系统设计

1前言

1.1设计的目的及意义

随着电子技术的发展，特别是大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么单片机技术的出现则是给现代工业控制领域带来了一次新的革命。

单片机的应用领域也越来越广泛，特别是在工业控制和仪器仪表智能化中扮演着极其重要的角色。

过去经常采用模拟电路、数字电路实现的电路系统，现在相当大一部分可以用单片机予以实现，传统的电路设计方法已演变成为软件和硬件相结合的设计方法。

在实际应用中，单片机经常要与各种传感器相结合组成一定的应用系统，以实现系统的自动检测与控制。

单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多电子产品中也用到了

温度检测和温度控制。

目前广泛使用的饮水机，具有价格低廉，制造简便等优点。

但是随着用户长时间使用，这些饮水机功能单一、能耗较大、长时间饮用饮水机的水对健康

不利等缺点逐渐暴露出来。

此次设计是基于单片机的温度控制系统。

整个设计过程将使我巩固所学的本专业基础理论、专业知识和基本技能，增强综合运用所学知识与技术独立分析问题解决问题的能力；对饮水机的工作原理、元器件选择及电子仪器的常用设计方法等有比较深入的了解；进而掌握应用单片机进行电子线路设计的基本思想和方法。

本设计完全面向实际的思想可以使我全面的了解电子设计的基本过程和基本工艺，并且对饮水健康的考虑也使得此次设计变的更加有意义。

1.2国内外发展现状及研究概况

当今社会，随着科技的进步，电子技术得到了飞速的发展与应用，数字系统的设计也有了很大的进步，如今运行速度快、在功能更加强大的基础上更加便于使用携带也成了发展的方向。

60年代以来，在半导体器件和计算机技术发展的基础上，智能控制变的越来越简单，70年代单片机产生使世界进入高智能，高效率，以及高可靠性的电子时代。

目前饮水机的控制方式可分为普通控制型、智能感应型和微电脑控制型三类。

普通控制型饮水机其加热和制冷均自动恒温控制，是目前用户使用最多的机型，并且其价位适中一般为首选。

因而，本文在此基础上，做了一些改造使其更为人性化，比如说加热温度设置使能够满足用户的各种温度需求，还有防干烧措施和实时显示温度等

现如今单片机的发展日新月异，各种新功能，新器件，新思想不断涌现。

在国内外依旧以做嵌入式控制内核为主，而本文也是采用这样的一种智能控制思想来实现饮水机的智能控制的，从而实现饮水机温度可控，节能，可视化等设计指标。

1.3设计的主要技术指标与参数

1.能检测饮水机加热体中的水量和水温并能用LCD液晶显示屏实时显示水温。

2.水量低于设定值时禁止加热，防止干烧。

3.能够通过键盘任意设定饮水机的加热温度，同时设定两个快捷加热键，温水键可以把水加热到60度，开水键可以把水加热到100度并实时显示水温。

4.系统自动比较水温和系统设定温度，当水温低于设定温度10摄氏度时，加热器开始加热，当水温达到设定温度时，加热器停止工作。

但当用户重新设定了饮水机的加热温度后无论水温是否低于设定温度10摄氏度饮水机都将水温加热到设定值。

1.4设计的主要内容

1.方案比较及论证，查阅相关资料，找到设计电路的基本思路。

2.掌握基本测量原理。

3.根据需求和系统的功能，逐级划分模块，明确各模块之间的数据流传递关系。

理解工作原理，绘制原理框图及单元电路设计。

4.确定软件开发环境，选择设计语言，完成模块功能设计，并分别调试通过。

5.软硬件联调，将各模块有机的结合起来，组成一个完善的系统。

6.绘电路原理图、PCB图，列元件明细表，整理及分析有关数据。

2总体方案设计

通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了两种技术方案来实现系统功能。

下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。

2.1方案比较

方案一是使用简易的温控系统，这也是现在绝大多数低端饮水机采用的温度控制系统，它一般使用像“纽扣”大小的“温度继电器”，内部是由双金属片制成的温度敏感“开关”，温度到达一定值时会断开电路，饮水机停止加热。

当温度降低的时候双金属片闭合，电路接通，饮水机开始加热，元件一般装在金属“水胆”外壁上。

另外还设有一个100摄氏度的温度继电器，断电后需要手动开启，此温度继电器主要用来防止加热体干烧。

方案二是经过对设计要求的分析我们可以基本确定下设计方案的雏形，即以单

片机为核心，外围围绕温度传感器，调理电路，AD转换器，水位探测器，加热控制器，键盘电路和显示电路等。

通过软件编程实现对各硬件的控制和通信，进而实现对加热器的控制，实现设计要求。

在此我们可以选用高性价比的STC89C52单片机，完全可以满足设计要求并能节省设计成本。

我们选用防水型的温度传感器LM35DZ，首先此款传感器的温度怒测试范围是0~100摄氏度，对于测试水温来说刚好能满足要求，这也提高了温度的测量精度。

再次，LM35DZ具有非常高的市场普及率，有各种各样的封装形式所以适合我们的选用。

水位监测由于这里只需要定性的测量不需要定量测量，所以我们直接采用一根金属棒接于单片机的的一个引脚来判断饮水机是否有足够的水位。

图2.1方案二的原理框图

2.2方案论证

首先两种方案都是可行的，且都有各自的优缺点，下面就分别介绍：

第一种方案采用温度继电器，温度继电器成本低廉，易更换，且完全实现了硬件控制无需软件设计，简化了设计流程。

由于纯硬件的设计必然缺乏智能性，不能设定加热水温，人机交互方面欠缺。

另一方面控制精度差，一般有上下2~3度的误差。

另外饮水机一般都是有两个温度继电器，一个是控制热水温度的，大概在90左右度，是自动断电自动复位的，另一个是极限温度控制器，大概在100左右度，断电后是手动复位的，此温度继电器主要用来防止加热体干烧。

这种控制方式简单，温度继电器可以直接参与加热控制。

但此方法智能控制水平较低不能体现出设计的核心思想

方案二的优点是实现了高精度，温度显示，使用了LCD1602低功率液晶显示，并带有键盘控制，防干烧处理，人机交互方面做得比较好。

另一方面，目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系显示温度和控制饮水机的加热方式。

单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点。

但其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。

使用这种方案会给系统设计带来一定的难度。

2.3方案选择

基于实现了高精度，加热温度设定，温度显示，低功率，防干烧处理，综合以上二种方案，最终选择了方案二。

3单元模块电路设计

本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的连接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。

3.1电路组成及工作原理

家用饮水机温度控制系统由温度采集电路，模数转换器，水位探测器，LCD显示电路，键盘电路，加热控制器等组成。

单片机：

完成监控系统数据采集过程、采集方式的控制。

是整个系统的核心处理器，单片机首先把通过传感器测到的现场温度与预先设置的温度进行比较，如果大于或小于预先设置值，就输出信号去控制加热器的工作，从而实现温度控制与此同时将温度数据传输给LCD显示器，并对水位探测器的反馈信号进行处理从而实现防止干烧的发生。

温度传感器：

温度传感器将加热体中的温度采集，经过模数转换变换成数字数据供单片机使用，在设计过程中尽量采用集成模数转换功能的传感器，这样一来可以极大的减少设计工作量，并且可靠性也将会有比较大的提高，这种传感器在实际生产中有这很广泛的应用。

水位探测器：

水位探测器主要是用来防止加热体干烧，在设计过程中可以

根据需求将其简化成能定性测量水位是否足够即可，在这里我们要尽量的简化设计。

键盘电路：

键盘电路用来设置加热温度，与单片机通信，加热模式控制信号传送给单片机供其与温度传感器所提供的数据进行比较决定是否继续或停止加热。

显示电路：

实时显示加热体内水温和设定温度，指示灯显示饮水机的工作状态，当发生干烧的时候LCD显示警告，指示灯全亮，提醒用户饮水机需要加水了。

加热控制器：

弱电低压信号驱动强电220V电流对加热体内水进行加热控制，是整个设计的与加热体相结合的重要模块，设计方案要遵循安全可靠的要求。

电路系统框图如下。

图3.1系统框图

从图3.1的系统框图可以看的出温度传感器信号，键盘电路信号，水深探测器信号

均为饮水机温控系统的输入信号而显示电路信号，加热控制信号则为饮水机温

控系统的输出信号。

系统框图也充分的体现出了单片机作为整个系统的核心部件的这一理念。

所有的外围的设备围绕单片机作为单片机的功能模块与单片机进行信息交换和通信。

核心部件单片机对所有的外围设备数字温度传感器、键盘电路、水位探测器等器件反馈的信息在软件的设定下进行综合分析，发出指令信号控制加热控制器和LCD显示器的工作状态。

设计框图作为整个设计方案的灵魂将自始至终的指导设计的全过程，在以后的设计中将完全按照框图所列的模块进行分模块设计。

这样一来使整个设计简化为六部分，各部分又可以单独的进行设计，这样一来通过对各个模块的多种方案进行分析比较确定最佳选择并将其作为最终选择，最后将各模块的最佳方案进行组合得到我们的最终设计方案。

3.2模块电路的设计

本系统主要分为6个单元模块，它们分别是：

信号采集及放大模块、单片机最小系统、模数转换模块、人机交互界面模块、水位探测模块、加热控制模块。

各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。

3.2.1信号采集及放大模块设计

从以下几方面进行说明：

1、该模块的具体功能是将温度信号转变为电信号并将电信号进行处理。

2、该模块的组成：

防水型LM35DZ温度传感器、TL084组成的仪用放大器、低通滤波器。

3、工作原理：

LM35DZ温度传感器的输出电压会随温度的变化而变化从而能将温度信号转换为电信号，再通过仪用放大器对采集到的电信号进行放大，最后通过低通滤波器对信号进行滤波处理。

4、模块的结构框图

图3.2信号采集及放大模块结构框图

5、模块的具体电路

图3.1.2信号采集及处理模块电路图

3.2.2单片机最小系统

主控制电路是以单片机为核心的控制电路。

我们在这里选用STC89C52单片机。

单片机芯片工作时，必需加一个最小系统。

最小系统中主要包括复位电路和时钟电路两大部分。

单片机最小系统的电路图如下。

图3.3单片机最小系统

1、复位电路

单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮

电脑内部的程序从头开始执行。

单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰

出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。

常用的复位电路有四种方式：

（1）上电复位电路

（2）按键复位电路（3）脉冲复位电路（4）兼有上电复位与按键复位的电路。

由于考虑到结构和成本等原因，决定选用兼有上电复位与按键复位的电路。

该复位电路工作原理为：

在通电瞬间，在RC电路充电过程中，RST端出现正脉冲，保证RST引脚出现10ms以上稳定的高电平，从而使单片机复位。

在电路图中，电容的的大小是10uF，电阻的大小是10k。

所以根据公式，可以算出电容充电到电源电压的0.7倍（单片机的电源是5V，所以充电到0.7倍即为3.5V），需要的时间是10K*10UF=0.1S。

也就是说在电脑启动的0.1S内，电容两端的电压时在0~3.5V增加。

这个时候10K电阻两端的电压为从5~1.5V减少（串联电路各处电压之和为总电压）。

所以在0.1S内，RST引脚所接收到的电压是5V~1.5V。

在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号，而大于1.5V的电压信号为高电平信号。

所以在开机0.1S内，单片机系统自动复位。

2、时钟电路

时钟电路用于产生单片机工作时所必需的时钟信号。

在MCS－51单片机片内有一个高增益的反相放大器，反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，由该放大

器构成的振荡电路和时钟电路一起构成了单片机的时钟方式。

根据硬件电路的不同，单

片机的时钟连接方式可分为内部时钟方式和外部时钟方式。

本设计为了简化电路，使用内部方式，须在XTAL1和XTAL2引脚两端跨接石英晶体振荡器和两个微调电容构成振荡电路，通常C1和C2一般取30pF，晶振的频率取值在1.2MHz～12MHz之间。

对于外接时钟电路，要求XTAL1接地，XTAL2脚接外部时钟，对于外部时钟信号并无特殊要求，只要保证一定的脉冲宽度，时钟频率低于12MHz即可

3.2.3模数转换电路设计

从以下几方面进行说明：

1、该模块的具体功能是当有信号输入的时候将模拟信号转换为数字信号，再将数字信号送给单片机，单片机对数据进行处理产生显示电路的驱动信号，并接受键盘的输入信号进行相应的控制。

2、该模块的组成：

ICL7135转换电路、74HC74组成的时钟分频电路。

3、工作原理：

STC89C52的端口P3.2、P3.4、P3.5、ALE控制ICL7135的模数转换并将转换后的数据通过串行输入到单片机。

单片机对被测量信号进行处理并根据相应的数据和控制信号关系译码显示出水温。

ICL7135为AD转换芯片，将输入模拟信号转化为数字信号。

单片机的ALE引脚经分频电路四分频后给ICL7135正常工作提供时钟信号。

4、模块的结构框图

图3.4模数转换电路结构方框图

5、模块由AD转换电路和时钟分频电路两部分组成，如下图。

图3.5AD转换电路图

图3.6时钟分频电路图

3.2.4人机交互界面设计

该模块的具体功能：

实现键盘控制和温度显示，利用键盘给STC89C52提供控制信号，让单片机执行相应的数据处理和输出，以驱动LCD液晶显示屏显示、加热器的工作方式和指示灯的亮灭。

当键盘有输入信号时，单片机根据不同的信号执行不同的操作包括显示加热温度、开启加热、关闭加热和指示灯的亮灭。

LCD液晶显示屏收到单片机的驱动信号后进行显示相应的数据。

模块的具体电路图如下，其中J4为4*4矩阵键盘的接口，J3为LCD1602的接口。

D7~D10分别为开水加热指示灯、温水加热指示灯、停止加热指示灯和模拟加热控制器工作状态的指示灯。

图3.7人机交互界面模块电路图

3.2.4水位探测系统的设计

在饮水机加热体中无水或水量极少的情况下继续对其加热将会产生干烧这种现象。

饮水的干烧是非常危险的。

根据用户的反馈，饮水机干烧轻则产生异味影响饮水机的正常使用，严重甚至可能损坏电线的外层塑胶皮引发短路进而可能引起火灾。

所以在设计过程中防干烧系统显得尤为重要。

下面我们来讨论使用较多的几种防干烧设计方案。

第一种方案：

饮水机加热体可以设计为排水口的位置高于发热管，就算怎么烧也无所谓，因为里面的液体始终没排完（排水口的位置始终高于发热管），而且内胆是密封的，水蒸汽无处排，再且，当加热到一定温度时，电路会自动停止加热，所以相当一段时间内不会烧干。

这种方法设计简单可行，但如果出现这种情况会反复加热浪费能源。

第二种方案：

如果不考虑成本的话可以采用“液位开关”来检测水位，“液压开关”就是用来控制液位的开关。

从形式上主要分为接触式和非接触式。

非接触式的如电容式液位开关；接触式的例如：

浮球式液位开关；电极式液位开关，电子式液位开关电容式液位开关也可以采用接触式方法实现。

工业市场上有很多饮水机专用的“液压开关”，所以如果选用“液压开关”也是一种不错的选择。

第三种方案：

另外一些低端的饮水机一般会采用“突跳式温控器”，该种温控器是双金属片温控器的新型产品，主要作为各种电热产品具过热保护时，通常与热熔断器串接使用，突跳式温控器作为一级保护。

热熔断器则在突跳式温控器失效导致电热元件超温时，作为二级保护，有效地防止烧坏电热元件以及由此而引起的火灾事故。

所以将突跳式温控器运用到饮水机中可以简单的实现防止干烧的目的。

以上我们介绍了多种在实际中使用较多的防干烧方案，它们在现实工业设计中均有广泛的使用，在本次设计中我们考虑到我们定性测量要求以及方便与单片机相连接以及水的导电性等各种因素，我们将采用另外的一种方法来实现对加热体内水位的定性检测。

系统采用一根不锈钢水位探测棒作为探测器，探测棒一端与单片机的P0.7口相连，另一端浸入饮水机的加热体中。

当加热体中水量达到系统设定值时，探测棒浸入水中，由于水具有导电性，且加热体接地，从而使输入到单片机P0.7口的信号为低电平；当加热体中水量不足时，探测棒悬空，使输入到单片机P0.7口的信号为高电平。

单片机根据水位探测器的输入信号执行相应操作，可有效地防止饮水机“干烧”。

这种设计与单片机的连接及其的简单并且可以将加热体中缺水的信号通过单片机显示到LCD显示模块和指示灯上，方便用户及时发现缺水信息并及时解决。

下图为模拟水位探测系统电路图。

此时开关断开，P0.7为高电平，探测棒悬空饮水机处于干烧状态。

当开关按下的时候P0.7为低电平，探测棒浸入水中，饮水机恢复正常工作状态。

图3.8模拟水位探测系统电路图

3.2.5加热控制系统的设计

本次设计的中连接加热器体的加热控制器将采用固态继电器，选用了9012三极管和固态继电器实现了弱电对强电的控制。

9012PNP型三极管应用广泛，在收音机等常用家电中可以经常看见它的身影。

9012三极管在此作为开关量环节，起到了放大电流的作用，与固态继电器结合，从而实现了开关的作用。

与此对应所选用的固态继电器是百特公司的产品，该型号的固态继电器是直流输入控制，交流过零导通，过零关断输出型无触点继电器。

它常用与控制电路的导通和断开，是控制一般家用电器，如电动机、加热器、白炽灯的首选器件。

加热控制系统的具体电路图如下。

其中三极管的导通关闭由单片机的P0.3引脚控制

图3.9加热控制系统电路图

3.2.6电源电路的设计

电源是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否正常运行。

由于ICL7135的供电电源为±5V，其它都为+5V供电，因此电路中选用LM7805和LM7809两种稳压芯片，LM7805和LM7809是普遍运用的稳压芯片。

下图为电源电路的电路图，该电路具有结构简单、调节方便、输出电压稳定性强、波纹小和输出电流大的特点。

图3.10电源电路电路图

3.3电路参数的计算及元器件的选择

由于本设计中用到的芯片和元件较多，不可能一一介绍，下面仅对温度传感器、主控芯片和控制继电器的选择做介绍。

其他器件完全按照设计要求选取。

1、温度传感器的选择

由于饮水机水温的温度范围一般都在0~100摄氏度之间，所以温度传感器选择防水型的LM35DZ。

LM35是由NationalSemiconductor所生产的温度传感器，其输出电压与摄氏温标呈线性关系，0摄氏度时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV。

 LM35 有多种不同封装型式，本设计中选用防水型的探头封装。

在常温下，LM35 不需要额外的校准，就可以直接与AD转换器相连测量温度。

2、主控芯片的选择

在本设计中，单片机只需要键盘扫描、对AD转换器的时钟计数和一些简单的判断控制。

对单片机的性能要求并不高，所以我们选择高性价比的STC89C52就已经能满足设计的需要了。

3、加热控制器的选择

考虑到控制系统的供电电压为+5V的直流电源，加热器为市电220V，50Hz交流电源供电。

所以我们选用百特公司的P系列直流控制交流随机固态继电器P0342-14B。

P0342-14B的输入控制电压为直流电压3~14V，额定通断电压为28~420V的交流电压。

完全能够满足系统的要求。

P0342-14B的输入控制参数如下表。

表3.1P0342-14B的输入控制参数

输入

控制电压（Vdc）

输入

控制电流（mA）

可靠接通

控制电压（Vdc）

可靠关断

控制电压（Vdc）

3~14

6-44

3.0

1.0

P0342-14B的输出控制参数如下表。

表3.2P0342-14B的输出控制参数

额定通断电压（Vac）

额定通断电流（Aac）

开通时间（ms）

关断时间（ms）

通态压降

（Vac）

断态漏电流

（mA）

瞬态电压

（Vac）

28-420

3

<0.01

<10

≤1.5

≤0.04

850

P0342-14B的一般电气参数如下表。

表3.3P0342-14B的一般电气参数

介质耐压（Vac）

绝缘电阻（MΩ）

工作温度（℃）

频率范围（Hz）

≥2500

100

-30~80

45~70

3.4特殊器件的介绍

本系统中主要使用了STC89C52、ICL7135模数转换器、LCD1602液晶显示器、TL084运算放大器下面就器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。

3.4.1STC89C52单片机的介绍

1、芯片STC89C52简介

STC89C52是STC公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

功能强大STC89C52单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，STC的STC89C52是一种高效微控制器。

STC89C52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

外形及引脚排列如下图所示：

图3.11ADC0809引脚及实物

2、STC89C52的内部结构见下图。

图3.12STC89C52的内部结构框图

3、主要功能特性

STC89C52的主要功能特性如表3.4所示。

表3.4AT89C51功能特性

兼容MCS-51指令系统

8k可反复擦写（>1000次）FlashROM

32个双向I/O口

4.5-5.5V工作电压

3个16位可编程定时/计数器

时钟频率0-24MHz

可编程串行通道

512x8bit内部RAM

2个外部中断源

3个内部中断源

低功耗空闲和省电模式

数据保留时间：

10年

灵活的ISP字节和分页编程

双数据寄存器指针

片内振荡器和时钟电路

三级程序存储器锁定

3、引脚功能说明

图3.11中单片机各引脚功能如下：

VCC/GND：

电源/接地引脚。

Port0：

P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置1（对端口写1）时作高阻抗输入端；P0还可以用作总线方式下的地址数据复用管脚，用来操作外部存储器。

在这种工作模式下，P0口具有内部上拉作用。

对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节、校验程序、输出指令字节时，要求外接上拉电阻。

Port1：

P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口，输出时可驱动4个TTL。

端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用；另