热水器监测器的设计与实现.docx

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热水器监测器的设计与实现

引言

随着现代化信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，温度已成为生产过程中最普通的检测参数之一，因此温度检测系统已广泛应用于诸多的领域。

在工程实践中，经常需要对系统的温度进行测量。

对于要求不是很高的温度测量是很容易实现的，但是对于要求高精度、宽范围并且长距离传输的温度测量就不能采用一般的测量方法。

这主要是因为在工程实践测量中，测量系统的工作条件往往是很苛刻的，特别是对模拟信号的长距离传输，其抗干扰技术要求就更高了。

干扰进入系统的渠道主要有3条：

1）空间干扰（场干扰）：

干扰以电磁波辐射方式进入系统；2）供电系统的干扰：

干扰通过电源通道进入系统；3）过程通道干扰：

干扰通过与主机相联的前向通道、后向通道及与其他主机的相互通道进入系统。

一般情况下，干扰都是以脉冲的形式进入系统的．因此对于目前的测量系统要求：

测量范围-40～+60℃，测量精度±0.5％（±0.5℃），测量路数：

8路。

前端选用高精度温度传感器，传输通道选用V／F变换，通道选择选用多电子开关，数据处理选用高性能单片机的设计方案来完成系统的要求。

在养殖业中，虽然大多数鱼类对于温度的适应范围比较广泛，但是，一些价格比较昂贵的观赏鱼，如蝴蝶鱼，银龙鱼等对于温度的要求比较苛刻。

随着人们生活水平的提高，这些鱼类在我国的饲养开始兴盛。

温度情况直接影响到这些鱼类的生长和发育。

因此，对饲养环境内温度进行控制是十分必要的。

在生产生活中，我们日常生活中也经常会遇到温度的问题，好多家用电器对温度也有很高的要求，还有就是在我们洗澡的过程中，对温度的要求是很严格的。

所以，温度测量、控制系统都需要有一定的精度，不能误差太大。

而本系统的设计主要是应用于太阳能热水器，它能直观而精确的显示太阳能热水器中水的温度，当水温不能满足人们的要求时还可以通过加热模块来对水进行加热。

而且本系统也可以应用于其他的领域对温度进行实时的监测和控制。

他能工作在-55～+150℃的环境下，应用领域比较广泛。

通过了解，温度控制系统有多种多样，有最原始简单的，通过调整加热器电压，经升温后查看实际温度，根据温度上升情况适当调整电压，使之尽量达到需求温度，这种控制方法可能造成较大的温度偏差；还有定位式控制方法，即设定一个温度目标，当达到这个目标时系统自动切断电源，低于这个目标时再开启电源，例如日常生活中的电热水器。

但这样会使实际温度在设定温度上下有较大的浮动，这种控制方法误差也比较大；再有一种方法就是连续温度控制方法，也就是本系统中所采用的方法。

这种方法是采用将实际温度偏差送到PID运算放大器，该放大器可以将微小的误差在积分的作用下被放大，再用被放大的信号去控制功率输出单元，这样就保证了实际温度与设定温度的偏差很小，（不超过1%）。

测量仪表作为一个系统，其核心在于微处理器。

基于微处理器的系统设计，已经成为广大电子设计工程师或相关领域设计者关注的热点。

由于智能系统面向不同的应用领域，采用不同的实现途径，使用不同的开发技术，涉及不同的学科背景，因此设计调试过程往往复杂而且痛苦。

尽管智能系统的设计没有普遍的规律可以遵循，但还是具有某些共性的问题值得探讨，还具有某些共性的实现理念值得相互借鉴。

一个测量和控制系统，一般包括微处理器、按键、与显示人机界面、A/D转换、D/A转换基本功能部件，同时也可能包括与应用领域相关的其他特殊部件。

由于具体的系统对每一种部件有不同的要求，决定了其实形式的多样性。

系统一般需要在恶劣状况下长期连续运行，因此在满足功能的基础上，其可靠性也成为一个需要重点关注的问题，因此对于精度的要求也就大大提高了。

利用微处理技术发展标准化、数字化、集成化和智能化的温度测试仪器是未来温度检测得发展方向之一。

（1）标准化

标准化是指输出信号标准化，一般温度测试仪的输出都很小，很可能还存在输出的非线性，为了使得温度测试仪的输出能够方便的用于数据显示和采集，就需要有信号调理电路，将传感器的输出转变为适合工业现场使用，组成复杂的测量控制系统的标准信号。

由于信号是标准化的，因此在设计采集和控制系统时就不必考虑温度测试仪的激励模式、信号形式、输出范围、非线性等，而直接将其看成一个标准的模块，从而简化了系统的设计。

（2）数字化

也就是说，输出不再是模拟量了，而是直接数字显示或数字量输出，温度测试仪模块中不仅要包含放大电路，还要包含A/D转换和微处理器，这样就可以通过某种通讯协议，将数字化的压力信号传送到主控计算机，这种通过现场总线将各种数字转换输出的传感器连接在一起的模式，是当今测量控制系统的一个重要发展方向。

（3）集成化、智能化

由于传感器与微控制器技术的进步，温度测量系统的集成化、智能化水准不断提高。

集成、智能传感器不是一个简单的传感器，而是将传感器、信号调理电路、微控制器和其它辅助电路元件同时集成在一块芯片上，有的甚至将多种敏感元件集成在一个芯片上，使之具有自诊断、自校准功能、自动温度补偿、数据存取、网络通信甚至多参数测量的功能，这样它可降低成本、增加产量。

虽然电热水器现在已经普及，但是使用太阳能热水器的用户在我国仍然占有很大的比例，所以这个系统的开发还是存在很大的开发价值的，而且这个系统可以用于其他多种温度检测和控制的场合，例如前面提到的工程实践，工业制作，养殖业等方方面面。

1太阳能热水器监测器的总体设计

随着科学技术的发展，能源需求越来越多，已经造成了部分能源的短缺问题了，能源短缺的问题越来越受到人们的关注，自然能源的利用已经成为未来解决能源问题的方法之一了，而太阳的能源又是巨大的，但是目前被利用的却很少，因此大力开发利用太阳能源的系统是必要的。

利用太阳能来加热水的温度是利用太阳能的一种基本方法。

本系统就是为充分利用太阳能而设计的。

1.1热水器监测器的设计要求

1.1.1温度数据的采集和测量范围

本系统采用美国ADI公司生产的模拟集成温度传感器AD590,他采集的水温信号属于模拟信号，经过单片机内部的模数转换器转换成电信号再进行处理。

在沐浴时，让我们感到舒服的温度是大概在体温范围的温度，而水的温度是随周围的环境温度变化而变化的，则温度传感器的测温范围在0℃～+99℃之间，就可以满足测量需要，而本系统中的温度是可以根据需要随意设置的，本系统采用PID算法和PWM调制，这样就保证了实际温度与设定温度的偏差很小。

1.1.2控制和管理

随着微电子技术的不断创新，以及大规模集成电路工艺水平的不断提高，出现了大量的低功耗、高性价比的微处理器。

采用微处理器作为系统控制芯片，结合其相应的特点，使得整个系统设计成本降低，降耗节能，而且测量精度也大大提高，满足热水器监测系统的设计要求。

1.2总体设计思路

测量仪表在工业生产中有着广泛的应用，如：

测温计、电压表、电子称以及功率计等。

而这些应用的基本原理（图1-1）是：

通过传感器将所要测量的参数如温度、压力、功率等，转化为相应的电流或电压；再经过放大电路放大成电压信号；最后通过模/数转换电路，将模拟电压量转化为数字量，交给处理器进行计算，并将计算结果通过显示模块显示。

图1－1测量仪表基本工作原理

1.3方案总体设计

有了总体设计思路，下一步进行的是方案总体设计，通过了解，温度控制系统有多种多样，有最原始简单的，通过调整加热器电压，经升温后查看实际温度，根据温度上升情况适当调整电压，使之尽量达到需求温度，这种控制方法可能造成较大的温度偏差；还有定位式控制方法，即设定一个温度目标，当达到这个目标时系统自动切断电源，低于这个目标时再开启电源，但这样会使实际温度与设定温度上下有较大的浮动，这种控制方法的误差也比较大；再有一种方法就是连续温度控制方法，这种方法是采用将实际温度偏差送到PID运算放大器，该放大器可以将微小的误差在积分的作用下被放大，再用被放大的信号去控制功率输出单元，这样就保证了实际温度与设定温度的偏差很小（不超过1%）。

因此我们选择了最后的这种方案。

在进行PID电路制作的过程中，我们首先考虑了使用mega48来进行运算。

但由于此型号单片机运行PID程序时速度较慢。

我们就放弃了这种方法，采用模拟电路来制作PID电路。

通过网上和书上大量资料的查找及试验，获得了最终的方案。

热水器监测器主要由以下几个模块组成，如图1－2所示

图1－2方案总体设计

1.3.1系统硬件的总体设计

随着科学技术的日益普及，电子器件和实验设备的日趋完善，为我们大胆实践开辟了广阔的眼界。

通过网络查阅了大量的技术资料，察看了模拟电子技术、集成电路应用、传感器的应用、功率放大电子器件的应用、直流电源的设计、AVR单片机的资料，综合这些理论，初步构思成了高精度热水器温度测量系统。

该系统主要分为2部分，前部分为模拟信号预处理，对模拟信号进行PID运算；后部分采用了mega48单片机，输入模拟量，输出水的实际温度并显示。

输入的是模拟量，输出的是PWM的调制信号。

系统基本组成见图1－3。

本系统具有接口线少，抗干扰性强，控制方式简单，可增加硬件使用效率，同时提高工作电路的可靠性和精确性。

单片机硬件原理图见附录中图1。

1.3.2软件的总体设计

软件的总体方案，如图1－4所示，系统上电初始化之后，首先切断传感器，进入省电模式，然后根据设定的采样时间进入等待延时循环，经过一个采样周期后，计时结束，系统退出节电模式，打开传感器，开始测量，进行A/D转换，然后进行数据处理和计算，最后将结果送显示器显示，整个过程结束后，立刻进入节电模式，开始下一个采样周期循环，系统就这样周而复始地运作。

图1－3系统的基本组成

图1－4单片机软件总体工作流程图

2系统的硬件设计

下面介绍一下热水器水温监测系统的具体构思：

温度采样选用了AD590温度传感器，将温度从0-100度的连续变化电流值转换为电压信号；温度设定采用了带有指示刻度的多圈电位器，可以精确的连续的调整设定温度，并通过表盘直读设定温度，具有操作简便直观的特点；单片机的前置电路采用了模拟电路，该模拟电路的功能之一是完成模拟量的准确标定；功能之二是将给定温度信号与温度反馈信号进行叠加，得出的偏差进行PID运算，然后将标定后的结果与PID运算的结果给单片机输入两路模拟信号，一路是用来显示实际温度，另一路是给单片机进行模数转换，并输出PWM控制信号。

由于mega48单片机内存比较小，因此无法同时容纳数字显示和PWM输出的程序，结合单片机实验板的双mega48芯片的特点，就采用了两块芯片，一块用来显示实际温度，其精度可以达到0.5度，另一块用来输入模拟量，输出PWM的控制信号；本系统最终控制的是将220v交流电整流为直流电源，然后采用IGBT功率器件通过PWM调制方式，改变输出电压的有效值，以达到调整电加热器的功率，这种调制的优点具有推动功率小，器件损耗小，输出电流大的功能，该功放电路可以控制1500W的加热设备。

2.1主控制器

主控制器是本设计的核心部分，它控制着这个电路的各个功能的实现，严格而准确的控制水的温度，以及给水加热时功率的输出，这就要求主控制器具有良好的性能，能够进行准确、高效的实时控制。

ATmega48是基于AVR增强型RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。

4K字节的系统内可编程Flash（具有在编程过程中还可以读的能力，即RWW），256字节EEPROM，512字节SRAM。

2.1.1ATmega48产品特点

ATmega48产品特点如下：

（1）高性能、低功耗的8位AVR微处理器。

（2）先进的RISC结构。

1）131条指令，大多数指令的执行时间为单个时钟周期。

2）32Kx8bit通用工作寄存器和外设控制寄存器。

3）全静态操作。

4）工作于20MH时性能高达20MIPS。

5）只需两个时钟周期的硬件乘法器。

（3）非易失性的程序和数据存储器。

1）4K字节的系统内可编程Flash，擦写寿命:

10,000次。

2）具有独立锁定位的可选Boot代码区，通过片上Boot程序实现系统内编程，真正的同时读写操作。

3）256字节的EEPROM，擦写寿命:

100,000次。

4）512字节的片内SRAM。

5）可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。

（4）外设特点：

1）两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器。

2）一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器。

3）具有独立振荡器的实时计数器RTC；六通道PWM。

4）8路10位ADC（TQFP与MLF封装）；10位ADC（PDIP封装）。

5）可编程的串行USART接口。

6）具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器。

7）片内模拟比较器。

（5）特殊的微控制器特点：

1）上电复位以及可编程的掉电检测。

2）经过标定的片内振荡器。

3）片内/外中断源。

4）五种休眠模式：

空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式和Standby模式。

（6）I/O口与封装：

23个I/O口，28引脚PDIP,32引脚TQFP与MLF封装。

（7）工作电压:

2.7-5.5V；工作温度范围:

-40°C至85°C

（8）工作速度等级:

0-10MHz@2.7-5.5V,0-20MHz@4.5-5.5V。

（9）极低功耗：

1）正常模式：

1MHz,1.8V:

240μA；32kHz,1.8V:

15μA（包括振荡器）

2）掉电模式:

1.8V，0.1μA

2.1.2ATmega48单片机的引脚功能

引脚说明：

1.VCC：

电路的电源。

2.GND：

地。

3.端口B（PB7..0）XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2：

端口B为8位双向I/O口并具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

4.端口C（PC5..0）:

端口C为7位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

5.

PC6/RESET:

RSTDISBL位被编程时，可将PC6作为一个I/O口使用。

因此，PC6引脚与端口C其他引脚的电特性是有区别的。

6．端口D（PD7..0）:

端口D为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

7．AVcc:

AVcc为A/D转换器的电源。

。

8．AREF：

AREF为ADC的模拟基准输入引脚。

9．ADC7..6（TQFP与MLF封装）：

TQFP与MLF封装芯片的ADC7..6引脚为两个1

位A/D转换器的输入口，它们的电压由AVcc提供。

2.2温度传感器

市场上的温度传感器的种类很多，综合考虑成本和性能的因素，我们选择了AD590型电流输出式精密集成温度传感器。

AD590是由美国因特西尔（Intersil）公司、模拟器件公司（ADI）等生产的恒流源式模拟集成温度传感器。

集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的关系实现对温度的监测。

集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。

集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。

电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982V。

电流输出型的灵敏度一般为1mA/K。

而AD590兼有集成恒流源和集成温度传感器的特点，具有测温误差小、动态阻抗高、响应速度快、传数距离远、体积小、微功耗等优点，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准。

2.2.1AD590的工作原理

一、性能特点

AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成电路温度传感器。

1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。

2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

3、AD590的电源电压范围为4V～30V。

电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。

4、精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。

AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。

由于AD590精度高、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。

二、工作原理

AD590温度传感器是一种已经IC化的温度感测器，它等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗大于10M欧姆，能大大减小因电源电压波动而产生的测温误差。

它会将温度转换为电流，温度每增加1℃，它会增加1μA输出电流，  供电电压范围+4V至+30V，可测量范围-55℃至150℃AD590的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Iout=（273+25）=298μA。

这表明，其输出电流I0（μA）与热力学温度T（K）严格成正比。

电流温度系数KI的表达式为

KI=

=

（2-1）

式（2-1）中k：

波尔兹曼常数；q：

电子电量；R：

内部集成化电阻；ln8表示内部晶体管VT9与VT11的发射结等效面积之比r=S9/S11=8倍，然后再取自然对数值。

因此，输出电流的微安数就代表着被测温度的热力学温度值。

AD590的电流—温度（I—T）特性曲线如图2-1所示。

I（mA）

423

298.15

218

T（K）

T（℃）

423

+150

298

+25

218

-55

图2-1AD590的电流—温度（I—T）特性曲线

2.2.2AD590的应用

AD590基本应用电路如图2-2所示：

使用过程中应注意：

 1、 Vo的值为Io乘上10K，以室温25℃而言，输出值为10K×298μA=2.98V

 2、 测量Vo时，不可分出任何电流，否则测量值会不准。

图2-2AD590基本应用电路

本设计中用 AD590测量温度的电路图如图2-3所示：

图2-3AD590测量温度的电路图

电路分析：

1、AD590的输出电流I=（273+T）μA（T为摄氏温度），因此测量的电压V为（273+T）μA×10K=（2.73+T/100）V。

为了将电压测量出来又必须使输出电流I不分流出来，我们使用电压跟随器其输出电压V2等于输入电压V。

2、由于一般电源供应较多器件之后，电源是带杂波的，因此我们使用齐纳二极管作为稳压元件，再利用可变电阻分压，其输出电压V1需调整至2.73V。

3、 接下来我们使用差动放大器其输出Vo为（100K/10K）×（V2-V1）=T/10，如果现在为摄氏28℃，输出电压为2.8V，输出电压接AD转换器，那么AD转换输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系。

2.3系统电路分析

2.3.1电源部分

为了避免相互干扰保证电压精度和电位隔离，该系统共有三套独立的电源系统。

电源一采用双12V变压器，经过双全波整流，用7809和7909三端稳压器，输出正负9V的直流电源，供给模拟电路使用。

电源二是为输出功放的IGBT触发而设置的，由于IGBT的触发电路与功放电源的220V相连，所以不可以与弱电有联系，否则很危险，所以要单独一套电源为输出功放单元供电，该电源采用了经7812三端稳压器后提供的。

电源三是为单片机提供的12V经过电容滤波的直流电源，进入单片机后，用单片机板本身自备的7805三端稳压器，输出5V直流电源，提供给单片机工作。

电源部分原理图见附录图2。

2.3.2温度传感器和温度给定标定部分

温度传感器采用的是进口集成电路器件AD590，该器件具有耗电低，输出线性好，工作稳定等优点，它采用2根导线连接，一端连接正电源，另一端串接合适电阻，温度的变化量与电流变化量成正比例变化,当温度为0度时电流为273uA，100度时为373uA，经过电阻产生的电压降，是个线性很好的电压信号。

在该电阻回路串接一个可调整电阻，用来校准温度与电压的变化量。

这套电路的传感器输出电压为0.273v-0.373v之间所对应0度至100度。

这个温度信号首先进入集成运算放大器进行标定，该放大器的放大倍数可以连续可调，通过10倍反相放大，输出一个负2.73--3.73之间变化的电压。

温度给定采用带有刻度的多圈电位计，其上、下端接有合适阻值的电阻，使其输出2.73V—3.73V的电位，当旋转给定温度时，其设定电压会与温度传感器的反馈电压相叠加，以实现精确的温度标定与PID偏差信号的输入。

2.3.3实际温度显示的标定电路

由于实际温度显示范围与单片机设定的A/D转换的范围有差距，该系统采用的是通过外部模拟电路标定来实现的，我们采用的是通过集成运放器，搭出的比较运算放大器，在放大器的同相输入端接入一个2.73V电位，反向输入端接入经过放大后的实际温度信号，该电路就成为以2.73V为基准的放大器了，再通过最大10倍的可调整反相放大，就可以实现输入范围2.73V—3.73V，输出范围在0V—5V的信号了，以便单片机进行准确的温度显示。

2.3.4PID运算及模拟输出范围标定电路

该电路采用一套双集成运算放大电路其中PID的输入端是给定电压ug和反馈电压Uf的代数和运算，给定电压是正值，反馈电压是负值，当给定电压大于反馈电压是输出是升温信号，当给定电压小于反馈电压时输出的是减小输出的信号。

经过相叠加的电压信号为偏差信号，这个信号进入PID运放器，该运放器的比例放大是在1倍的范围内连续可调，积分电容考虑到了加热器的温度变化是比较缓慢的，所以将电容的容量选在20—100uf，这个积分参数对于加热器的动态稳定性，温度超调量是很关键的参数，通过试验选在此范围内的电容量效果是比较理想的。

如果有必要的话还可以设置D值的电容，防止过大的超调量产生。

PID放大器还设制了输出限幅和单方向输出方式，选用了合适的稳压管，利用反向击穿特性，进行输出限幅，利用二极管单向导通的特性，防止了反向输出。

电路图见附录图3。

2.3.5末级功放电路

该电路的末级功放电路采用IGBT大功率元件，由于该元件是由场效应管和晶体管复合而成的，所以具有场效应管为电压导通型，晶体管的管压降小的优点，该元件输入电流很小，仅为20mA左右，因为管压降小，所以该器件工作温度很低，适合于输出大功率的电流。

由于被控对象是电热设备，对电压的波纹要求不大，所以220v交流电经过整流桥变成了脉动直流，IGBT直接输入PWM信号，它的频率为1000Hz,输出的是100HZ的载波直流脉宽调制电流，也就是说PWM的周期为1ms，脉动直流的周期为10ms，这样的输出电流丝毫不会影响电加热的控制温度，而且效率很高。

电路图见附录中图4。

3系统的软件设计

高精度PWM温度控制系统，由两片单片机进行控制和显示。

单片机A主要进行当前温度的显示。

单片机B进行温度的控制调节。

单片机A进行温度的显示，其目的是把温度显示在数码管上。

首先选用ADC零通道把外部电路所提供的此时温度相对的电压由模拟信号转化为数字信号，最后把温度显示在数码管上。

在读取温度时，启用8位定时器进行每5秒采样一次温度。

3.1主程序

主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理AD590的测量温度值，温度测量每5s进行一次。

其程序流程图见图3－1所示

图3－1AD590温度计主程序流程图

3.2读出温度子程序

读出温度子程序的