1、温度及水位控制系统指导教师：刘祖云 费子俊 王红方 卢丽君队员及年级：王杰敏（07 级） 、易龙军（07 级） 、朱小敏（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 XTR105、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
2、：控制 STC89C51 XTR105 RCV420 ADC0809一、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
3、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 XTR105。XTR105 为单片式 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，电源电压范围宽STC8951加 热 装 置加 水 装 置水 温 检测 、 采 集水 位 控制 、 采 集 显 示 输 出键 盘 输 入（7.5-36V） ，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
4、响很大，所以第一级的考虑是非常重要的，XTR105 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
5、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 STR105、RCV420 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 XTR105 构成信号调理电路。XTR105 中有两个 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 XTR105 在温度下限时，输出 4mA 电流，Rcm 给
6、XTR105 提供一个共模电压。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变化，其计算结果如下：RZ=温度最低时的电阻=100R1=(Tmin+Tmax)/2 时的电阻=119.39R2=Tmax 时的电阻=138.5Rlin=1000RG=2(R2- RZ)( R1- RZ)/( R2- R1)=78.16Rlin1= Rlin( R2- R1)/2(2 R1- R2- RZ)=3292833KRlin2= （Rlin+ RG ）( R2- R1)/2(2 R1- R2- RZ)=5
7、.88K电路原理图如下图所示：78.16138.53.3K（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。XTR105将输入电阻变送为 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 XTR105、RCV420 可以对测量的非线性进行很好的校正，从而提高测量精度，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：Io=420mA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
8、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：开 始检 测 是 否 为 高 水 位加 水停 止 加 水结 束 YN开 始设 定 温 度判 断 设 置 值 是 否 大 于 实 际 值加 热停 止
9、加 热结 束 Y N加 水 装 置 流 程 图 解 热 装 置 流 程 图开 始初 始 化 加 水检 测 是 否为 低 水 位检 测 实 际 温度 T0温 度 设 定 T1判 断 T10？加 热T1=0停 止 加 热显 示 温 度结 束YYYN三、系统测试1、测试仪器数字万电表 PC 机软件系统总流程图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 4090 温度控制的静态误差1用十进制数码显示水的实际温度当水位低于设定水位时，能自动补水4、测试分析四、总结我们设计的系统在硬件上主要使用 Pt100（RTD） 、XTR105、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
