1 概 述
本设计基本思路是:设定一定范围的水温,并能在环境温度降低时实现自动调整,以保持设定的温度基本不变。
该系统采用一片80C51为控制器,前向通道为温度采集,D/A转换,后向通道为温度控制通道,并由LED构成显示通道。首先温度传感器将温度的变化转换成对应的电信号的变化,即将温度转换成电压并进行放大,然后进行A/D转换，此转换将模拟电压转化成为二进制数字电压信号,传送到80C51芯片，通过程序实现与设定的温度范围比较判断，根据比较结果进行温度控制,以保持恒定的水温,同时用数码管将实测温度显示出来
[3]。本设计控制电路执行部件由一个发光二极管来进
行模拟显示，系统设定温度为40oC～90oC（可根据实际需要设定）。当温度低于40oC或高于90oC，发光二极管发亮代表控制电路开始工作。
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2 总体设计方案
方案1：全硬件设计。基本思想是利用热敏电阻感知温度,信号转化及放大电路使温度信号转化成电压信号,分压电路提供参考电压,运放LM324构成电压比较器,反相输入参考电压,正相输入信号电压(随温度改变的电压),当信号电压超过参考电压时,电压比较器输出电平发生跳变,从而给控制电路一个信号，控制电路根据收到的信号决定是否工作,以保持恒定的温度
[4]。
方案2：软硬件结合。基本思想是根据设计思路编程，设定所需要的温度范围，利用硬件电路将温度转换成数字信号，传送给单片机，由单片机进行实测温度与设定温度的比较，将比较结果传送到控制电路，控制电路根据收到的信号决定是否工作,以保持恒定的温度。由于温度范围写入单片机内部，并且由软件来决定控制电路工作与否，在一定程度上可以大大减少误差，在操作上也比较方便。
本设计是一个典型的检测、控制型应用系统，要求系统完成从水温检测、信号处理、输入运算到输出控制和显示以实现水温控制的全过程，因此，应以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足控制应用类型的功能需要。另外，单片机的使用也为实现水温的智能化控制以及提供完善的人机界面及多机通讯接口提供了可能，而这些功能也在常规数字逻辑电路中往往是难以实现或无法完成的，所以本设计将采用方案二。
[5]2.1 主要技术指标
温度设定范围为：40oC～90oC，最小区分度：1oC； 温度控制静态误差：小于等于1oC；
两位共阳极LED数码管显示，显示温度范围：35oC～99oC。
2.2 系统功能划分指标分配和框图构成
根据系统功能和设计要求,为了简化系统硬件、降低硬件成本、提高系统灵活性和可靠性，有关温度运算、数码管显示及大部分控制过程都可用软件来完成，硬件的主要功能是温度的检测及输出信号的控制和温度的显示。系统总体设计方案方框图如图1所示。
传感器 信号 放大 功率放大 A/D 单片机基本系统 LED 显示 电炉 图2-1 水温控制系统总体框图
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3453 单元电路设计 3.1 前向通道 前向通道是信息采集的通道,主要包括传感器检测、信号放大、A/D转换等电路。由于水温变化是一个相对缓慢的过程,因此前向通道中没有使用采样保持电路。按设计要求,水温控制静态误差≤1oC,水温设定范围为40oC～90oC,而对水温的检测范围应适当大于此范围,设为35oC～99oC,则系统控制的总误差应不大于1/(99-35)×100%=1.56%,分配到前向通道的信号采集总误差应不大于系统总误差的1/2,即精度应为0.78%,可以采用8位A/D转换器实现[6]。如图2所示。 +5VR2AD581+15123VR210uF-15VD2420P0GNDRIVR1GNDAD590+263OP-0771Vin(-)VccREF76D18Vin(+)A-GND-30K+15V20K10K+2.5V9lsbDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6msbDB7INTR18171615141312115123P3.5P2.0P3.7P3.68Vref/2194CLK-RCLK-INU1CSRDWR150pF-15VGNDGNDGND 图2-2 系统前向通道 在图2中，水温经温度传感器AD590和信号放大器OP-07产生0-5V的模拟电压信号送入ADC0804的输入端，ADC0804将模拟量转换为数字量，通过系统总线送入单片机进行运算处理，前向通道设计包含以下几个方面： (a)传感器选择 温度传感器的种类较多。热电偶由于热电势较小，因而灵敏度较低；热敏电阻由于非线性而影响其精度；铂电阻温度传感器由于成本高，在一般小系统中很少使用。AD590是美国Analog Devices 公司生产的二端式集成温度—电流传感器，具有体积小﹑重量轻﹑线形度好﹑性能稳定等一系列优点[7]。它的测温范围Title为-50～+150oC，满刻度范围误差为±0.3oC，当电源电压在5～10V之间，稳定度为1%时，误差只有±0.01oC,完全适合用于本设计对水温测量的要求。另外，AD590是温度—电流传感器，对于提高系统抗干扰能力也有很大的帮助，因此本3SizeBDate:File:Number1-Jun-2006D:\\BACKU3 45设计选用AD590作为温度传感器。 需要注意的是，在使用AD590一类的传感器时，为了避免器件与被测液体的直接接触，应将传感器装入保护套管中，或将器件用聚四氟乙烯﹑硬质乙烯树脂等材料密封，以避免被测液体对传感器的腐蚀和对测量精度产生影响
[8]。
(b)信号转换和放大电路
图(2)中三端稳压器AD581提供10V标准电压，它与运算放大器和电阻R1、VR1、R2、VR2组成信号转换与放大电路，将35oC～99oC温度转换为0～5V的电压信号并进行放大。由于水温变化相对缓慢,因此信号转换与放大电路对运算放大器的带宽没有要求。另一方面,AD590在35oC和99oC时输出电流分别为308.2uA和372.2uA, 而运算放大器的输入失调电流及其零点漂移相对较小，可忽略不记。因此可采用通用型的运算放大器OP－07
[9]。
(c)A/D转换器
模—数转换器（简称A/D转换器，ADC）用来将模拟量转换成数字量。n位模—数转换器输出n位二进制数，它正比于加在输入端的模拟电压。实现模数转换的方法有很多，常用的有并联型ADC，逐次积分型ADC和双积分ADC等。并联型ADC的速度最快，但成本过高，且精度不宜做高；双积分型ADC精度高，抗干扰能力强，但速度太慢，适合转换缓慢变化的信号；逐次逼近型ADC有较高的转换精度，工作速度中等，成本低等优点，因此获得广泛的应用
[10]。
在本设计中，由于前向通道总误差为0.78%，系统对信号采集的速度要求也不高，故选用价格低廉的8位逐次逼近型A/D转换器ADC0804，该转换器转换速度为1OOus,转换精度为0.39%，对应误差为0.234oC
[11]。
ADC0804的信号连接如图2所示。其中：CLK－R和CLK－IN两端外接一个电阻，一个电容，即可产生A/D转换所需要的时钟信号；片选由8051的P2.0控制；A/D转换器的INTR与80C51的P3.5相连，单片机以查询方式获取A/D转换器转换完毕的信息。
3.2单片机基本系统
单片机基本系统(如图3所示)是整个控制系统的核心,它完成整个系统的信息处理及协调控制功能。将读入温度的转换数值与设定的温度数值进行比较判断，根据结果输出不同的控制信号，同时将实测温度值转化为十进制数显示出来。由于系统对控制速度,精度及功能要求都无特别之处,因此可以选用目前广泛使用的MCS-51系列单片机80C51。
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+5V+5V+5D4C41K9101112131415162526272829303132P1P0U2P1.0P1.0P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.789C51RSTP3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7XTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EAALEPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.012345678D5R17D3GND+5C230PY1INTRWRRD2423222120191817CSGNDC330PGND 图2-3 单片机基本系统与后向通道 本设计以单片机基本系统以MCS-51系列单片机80C51为核心。80C51是8位（数据线是8位）单片机，片内有256BRAM及4KBEPROM。中央处理器单元实现运算和控制功能。内部数据存储器共256个单元，访问它们的地址是00H~FFH，其中用户使用前128个单元（00H~7FH），后128个单元被特殊功能寄存器占用。内部的2个16位定时/计数器用作定时或计数。并可用定时或计数的结果实现控制功能。80C51有4个8位并行口（P0、P1、P2、P3），用以实现地址输出及数据输入/输出。片内还有一个时钟振荡器，外部只需接入石英晶体即可振荡[12]。80C51采用40引脚双列直插式封装（DIP）方式。 T3.3 后向通道 后向通道（如图3左上角线框内所示）是实现控制信号输出的通道34SiB[13]。根据5DFi系统总误差要求,后向通道的控制精度也应控制在0.78%之内。本设计中后向通道由一个发光二极管模拟显示。当温度低于或高于被测范围时，发光二极管发光；当温度在被测范围内时，二极管熄灭。对本设计而言当被测温度在40oC～90oC之间时发光二极管是暗的，当被测温度大于90oC或者小于40oC是发光二极管是亮的。
3.4 显示通道
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