智能电路设计与制作

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智能电路设计与制作范文第1篇

【关键词】470MHz；功耗；通信模块

1、引言

随着计算机网络技术、传感器技术及无线通信技术的高速发展，具备以上三种技术的无线传感网络日益引起了人们的高度关注[2]。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景[3]。无线通信模块一般被布置在环境比较恶劣、无人值守区域，因此无线通信模块能量受到限制。因此，低功耗成为了无线传感器网络最重要的设计准则之一。故此，本文提出了以MSP430F5529单片机和CC1200射频芯片分别作为处理器模块和射频通信模块，制作470MHz频段的无线通信模块。

2、470MHz无线通信节点的总体设计

470MHz无线通信模块的总体设计分为硬件总体设计和软件总体设计，其中硬件设计方案为本文重点设计对象。硬件设计方案中重点设计470MHz频段无线射频模块。470MHz无线通信模块的总体设计中的软件设计方案是对470MHz频段无线射频模块底层驱动进行设计。470MHz无线通信节点总体设计方案和实际模块，如下图1，图2。

图1 470MHz无线通信节点总体设计方案

图2 470MHz无线通信节点实物图

2.1470MHz无线通信节点的硬件设计

为解决现有通信模块技术中存在的问题，本文提供一种支持IEEE802.15.4g标准的470MHz无线通信模块。本文主要介绍470MHz无线通信模块的硬件设计，硬件设计总体分为微控制器电路设计、无线射频电路设计、接口调试电路设计以及供电电路设计。

2.1.1微控制器电路和接口调试电路的设计

微控制器电路选用了TI公司生产的MSP430F5529芯片，该芯片是16位超低功耗微处理器，最高工作频率为25MHz，内置128K字节的闪存，同时还具有非常丰富的外设接口等。微控制器电路设计部分，包含外接接口电路设计、复位电路设计和晶振电路设计。微控制器和接口电路，如图3。晶振电路采用的是一个为32.768KHz的外部低速时钟源，另一个为16MHz的高速外部时钟源来稳定系统时钟[4]。MSP430F5529的启动方式为上电复位。主控电路模块和射频电路模块的通信方式是通过SPI来进行的。接口调试电路设计采用一个JTAG接口。JTAG接口可对DSP芯片内部的所有部件进行编程。

图3 470MHz无线通信节点微控制器和接口电路

2.1.2射频电路的设计

射频模块芯片选用采用TI公司的CC1200无线射频收发芯片，CC1200 器件是一款全集成单芯片射频收发器，高性能低功耗芯片，此器件设计用于在成本有效无线系统中实现极低功耗和低压运行的高性能。射频电路的设计是470MHz无线通信节点设计的核心。射频电路设计需要注意的是巴伦电路的设计、微带传输线的设计和射频电路的设计[5]。射频电路设计，如图4。

2.1.3供电电路设计

下面接收供电电路设计，电源模块采用普通的可充电的锂电池。输入电压通过AMS1117稳压芯片将电压转换成3.3V电压，为整个电路提供稳定的电源；当电池电量达不到最低电量要求时，可以通过5V电源接口对电池充电，充电芯片采用的是MCP738332[6]。供电部分电路设计，如图5。

2.2470MHz无线通信模块的软件设计

本章只是大体说下无线通信模块的软件设计，不做具体介绍。首先进行串口通信设计节点接收数据传递给上位机直观显示出数据采用串口通信方式。首先进行串口初始化通信设计。初始化完成后可通过串口给节点发送指令来控制节点的数据通信。还有射频模块主程序设计先要配置射频寄存器参数本设计可以通过配置射频寄存器参数来选择信道，中心频率，发射功率，传输速率等系统参数。在设置发送命令给射频芯片，微控制器芯片将发送命令通过SPI传输给射频芯片可以改变射频芯片的工作模式。射频可以通过一些配置来控制射频芯片工作机制的设置，例如中断设置，模式设置，数据包处理设置等。

图4 470MHz无线通信节点射频电路设计

图5 470MHz无线通信节点供电电路设计

3、实验测试

根据国家标准GB/T 15629.15-2010《信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网》中针对470MHz测试的性能指标要求，提出470MHz无线射频模块射频性能总体测试方案，包括发射功率测试、通信距离测试。

3.1发射功率测试结果

将模块通过连接线连接到设置好的频谱分析仪（N9010A）上，读取数据并截图，如下图

图6 模块功率测试

由上图可知，模块的最大发射功率为14.61dBm，并且基本没有带外杂散辐射，符合标准。

3.2、通信距离测试结果

抽取两个节点，分别下载发送和接收程序，两个模块进行点对点的测试（两点距离为1.2公里处），通过串口助手将数据打印出来并分析，结果如下表

表2 实际通信距离测试

4、结论

本文根据无线传输原理、无线射频电路设计技术及无线传感网技术，重点研究巴伦电路设计、微带传输线设计及PCB设计技等关键设计电路，完成设计470MHz频段无线传感网节点，以MSP430F5529单片机和CC1200射频芯片分别作为微控制器模块和射频通信模块，设计完成模块，使模块能够实现通信模块的通信距离达到1200m和发射功率达到14dBm等方面的一系列技术指标。

参考文献

[1]马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述[J].通信学报，2004，04：114-124.

[2]戴莹.无线传感器网络在智能电网中若干关键问题的研究[D].合肥：合肥工业大学，2013.

[3]AkyilidizIF，SuW，Sankarasubrmaniam Y， et al.Wireless sensor networks： a survey[J].Computer Networks，2002，38（4）： 393-422.

[4]刘旭.基于IEEE802.15.4g的无线通信系统开发与研究[D].山东：山东大学，2013.

智能电路设计与制作范文第2篇

关键词：电磁密码箱，报警，蜂鸣器，STC89C52

一、总体方案设计

它是以STC89C52单片机为核心，配以相应硬件电路，完成密码的设置、存贮、识别、驱动电磁执行器并检测其驱动电流值、接收蜂鸣器送来的报警信号、发送数据等功能，单片机接收键入的代码，并与存贮在EEPROM中的六位密码进行比较，六位密码可以有298万多组密码供主人随意变换，保密性极高，可选密码组是连续排列的，如果密码正确，则驱动电磁执行器开锁；如果密码输入不正确，则单片机通过通信线路向智能报警器发出报警信号。

密码箱主要由矩阵键盘、单片机、外部硬件等部分组成。其中矩阵键盘用于输入数字密码和进行各种功能的实现。实际使用时只要将单片机的负载由继电器换成电磁密码箱的电磁铁吸合线圈即可，当然也可以用继电器的常开触点去控制电磁铁吸合线圈，单片机将每次开锁操作和此时电磁执行器的驱动电流值作为状态信息发送给单片机的芯片处理，同时将接收来自无限循环的密码识别程序的报警信息也发送给智能报警器，从而使整个密码箱正常运行。

二、硬件现及单元电路设计

1、单片机的时钟电路与复位电路设计

本系统采用STC系统列单片机，相比其他系列单片机具有很多优点。一般STC单片机资源比其他单片机要多，而且执行速度快；STC系列单片机使用串口对单片机进行烧写，下载程序较为方便；STC51单片机内部集成了看门狗电路；且具有很强抗干扰能力。本系统采用内部方式的时钟电路和加电自复位的复位电路，由于单片机P0口内部不含上拉电阻，为高阻态，不能正常地输出高/低电平，因而该组I/O口在使用时必须外接上拉电阻。

2、键盘电路设计

在单片机应用系统中，一般都会设置键盘，主要为了控制运行状态，输入一些命令或数据，以完成特定的人机交互。键盘是与单片机进行人机交互的最基本的途径，其以按键的形式来设置控制功能或输入数据，按键的输入状态本质上是一个开关量。对于简单的开关量的输入可以采用独立式按键，这种方法接口简单，但占用单片机I/O端口资源较多。对于输入参数较多、功能复杂的系统，需要采用矩阵式键盘进行输入控制。本系统采用4×4矩阵式键盘。

3、液晶显示电路设计

液晶显示器（LCD）是一种功耗很低的显示器，它的使用非常广泛，比如电子表、计算器、数码相机、计算机的显示器和液晶电视等。电子密码锁中需要显示的信息比较多，为了能直观的看到结果，并且为了设计显的美观，使用总线和排阻进行简化连接方式，本设计采用液晶显示屏LCD进行显示，

4、存储芯片电路设计

I2C总线（Inter Intergrate Circuit BUS）全称为芯片间总线，它在芯片间以两根连线实现全双工同步数据传送，一条数据线（SDA）和一条串行时钟线（SDL），可以很方便地构成器件扩展系统。I2C总线采用两线制，由数据线SDA和时钟线SCL构成，为了对数据进行存储，本系统使用串行EEPROM芯片，AT24C01系列是典型的I2C串行总线的EEPROM，本系统采用此芯片进行数据存储。

三、系统软件设计方案

1、主程序流图

如图所示为主程序流程图，用户才可以自行设定和修改6位密码，密码输错会有提示声。只有键入6位开锁密码完成正确才能开锁。

四、系统的安装与调试

安装步骤1.检查元件的好坏。按电路图买好元件后首先检查买回元件的好坏，按各元件的检测方法分别进行检测，一定要仔细认真。而且要认真核对原理图是否一致，在检查好后才可上件、焊件，防止出现错误焊件后不便改正。2.放置、焊接各元件按原理图的位置放置各元件，在放置过程中要先放置、焊接较低的元件，后焊较高的和要求较高的元件。特别是容易损坏的元件要后焊，在焊集成芯片时连续焊接时间不要超过10s，注意芯片的安装方向。

参考文献：

[1] 王千. 实用电子电路大全[M]. 电子工业出版社， 2004， 28-36

[2] 彭为. 单片机典型系统设计实例精讲[M]. 电子工业出版社，2 006， 69-88

[3] 张荣. 基于单片机的智能系统设计与实现[M]. 电子工业出版社， 2005， 35-38

[4] 朱勇. 单片机原理与应用技术[M]. 清华大学出版社， 2006， 14-16

智能电路设计与制作范文第3篇

【关键词】单片机嵌入技术 智能家居 远程监控 传感技术 射频收发 短信监控

1 研究背景

随着科技发展，通信技术、计算机技术、网络技术和控制技术的发展，促使了家庭居住环境的现代化、舒适化、安全化。这些发展影响到了人们生活的方方面面，改变了人们的生活习惯，提高了人们的生活质量，家居智能化也就应运而生了。传感器技术的功能也越来越强，而且现今各种传感器都已经标准化、模块化。这给智能家居控制系统的设计以及广泛应用提供了极大方便。

智能家庭控制系统是通过采用计算机技术、网络技术、控制技术和集成技术建立起来的，一个由家庭到小区的综合信息服务和管理系统，它也构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的综合系统。

2 构思设计方案

在确定总体方案时，有以下几个重要因素：首先选择好单片机，依据设计需求来确定IO口、定时器、计数器以及附带特定的模块（比如AD转换器等）。配置丰富、功能强大、价廉物美的单片机是我们首选产品。其次，被测参数的测量元件，它是影响控制系统精度的重要因素之一。再次，结合制作实际与应用实际，确定输入逻辑控制单元和输出驱动控制对象， 画出整个原理图和系统流程图。

3 电路设计

本设计采用型号为STC12C5A60S2单片机作为主控器件MCU，应用系统由硬件系统和软件系统组成。硬件系统由单片机以及扩展的存储器、输入输出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的电路芯片或部件组成；软件系统由单片机主、从机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序组。

电路设计结构图见图3，主机电路图见图4。

4 软件设计与编程

4.1 主机功能设计

12864汉字液晶屏显示，全中文显示。 未来公历和农历节日、记念日双行显示。3个独立时钟功能，可设置多种闹钟方式。多范围整点报时功能。 7级液晶屏背光亮度调整。自动背光功能，在环境光变暗时自动调整背光。小巧美观的外观设计，可直立于桌面上。0～99摄氏度环境温度显示。利用无线数据传输控制 继电器来达到家电控制了闹钟响应时任意按键 取消闹钟响声。有当前设置掉电后，第二次上电依然保存。主机流程图见图5。

4.2 从机程序设计

主要功能有温度传感、开关（模拟门窗）信息传感等信息射频无线传送给主机。其程序模块主要有射频程序、主程序、串口程序（UART）等组成。见图6。

5 系统制作及调试

先期是PCB制作，主机、从机两块板制作好以后就是装接元器件。对硬件电路是每个模块要先行测试，确保电路板的物理连接性等没有问题。很多模块的测试是需要与软件写入后同期进行的，许多故障是在载入软件后从硬件和软件两个方面去发现：一般先看硬件有无故障，然后再看原件分析，最后再结合起来调试，如此逐个模块单一功能的解决有利于问题的分析和解决，不会造成问题的积累。

5.1 使用的仪器仪表及工具

PC一台；

ME-52HU单片机仿真器一台；

TDS210 60MHz双踪示存储波器一台；

WYK―302Bz型直流稳压电源一台；

MODEL HC―F1000C 型频率计一台；

EE1641B1型函数发生器/计数器一台；

MF 47型机械万用表一个；

DT 9208型数字万用表一个；

TLW-T调温烙铁一把；

keil uv2，万利V3，用C语言编程

Protel DXP开发工具一套；

5.2 硬件制作与调试

印制电路板（PCB）是电子产品中电路元件和器件的支撑件。它提供电路元件和器件之间的电气连接。PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大。因此，在进行PCB设计时。必须遵守印制电路板设计原则和抗干扰措施的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。本次设计采用Altium公司PROTEL系列设计完成SCH到PCB的设计，并且手工完成电路焊接以及整机的装配。

5.3 系统硬件调试

本系统的硬件调试分为以下阶段进行调试：

（1）逻辑错误调试。

（2）器件调试。

（3）可靠性调试。

（4）电源故障。

5.4 短消息发送调试

开机后应自动对T35初始化，在主程序中和其他元器件一起初始化。其次是检测有无SIM卡，针对与有或无，一则在屏幕上显示有无SIM卡，二则走不同的程序。

在调试过程中分三种情况：

（1）被动查询。家人手机向家居号码发出“cx”（查询首字母）后，主机收到合法指令（程序指定）后将信息更新NRF缓冲区数据并发送给从机，从机将各个数据通过射频回送给主机，主机再将各有效信息回复给查询号码。

（2）被动控制。家人手机发出诸如“close_1”等合法指令，主机根据程序对应修改NRF缓冲区数据再发给从机的控制端，以实现对各个继电器的控制。

（3）主动超限报警。当居家温度等某个参数超出限值有灾情或有检测到认定为盗情的时候，在程序设定中有主动向某个指定号码发出报警短信，格式视程序编写而定。

5.5 软件机调试

单个模块的程序编写和功能调试并不复杂，当所有硬件整合在一起的时候，要分别实现万年历、闹钟、背光、射频、温度检测等等程序，就比较容易有问题。比如初始化，18b20、DS1302、12864、T35、N2401等等都要初始化，就需要整合，有时还会有冲突。所以写的时候是写在一起，在调试时候，采用是逐个任务进行调试，等逐个任务调试好以后，再使各个任务同时运行。再经过随机全功能测试。

在调试过程中一共经历了两次完善：第一次制作调试的为V1.1 TEST版。第二次修改调试的为V1.2 TEST版，主要完成了以下功能完善：修复了闹钟 喇叭图标响完没有清除的BUG、修复菜单模式之后 正好碰上报时导致报时声音错位、新增加了闹钟响应时任意按键 取消闹钟响声、新增加了所有当前设施掉电后，第二次上电依然保存。

6 总结

在生活节奏加速的今天，智能家居控制系统的出现适当的缓解了人们的生活压力，给广大业主带来了安全、健康、舒适、节能的生活环境。在系统设计过程中应该会有一些欠考虑的因素需要在以后的设计过程中不断的改进和完善。

参考文献

[1]孙洋建.电梯运行状态实时远程监控系统[D].天津：天津大学（硕士论文），2004（01）.

[2]夏忠保.基于CSM网络的监控模块设计思路[J].石河子：石河子科技，2006（12）.

[3]李家福，余立建，郭成宝等.基于GSM网络的智能监控模块设计[J].国外电子元器件，2005（12）.

[4]王世华.基于单片机的火炮装药温度实时测量装置设计[D].南京南京理工大学（硕士论文），2007（07）.

[5]何立民，单片机应用系统设计[M]，北京：航天航空大学出版社，2001.

[6]李广弟.单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.

智能电路设计与制作范文第4篇

【关键词】物联网系统组建课程 温度检测 实训项目设计

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2016）11C-0189-03

物联网系统组建课程作为物联网知识学习的重要课程，是一门以动手实践为主的实训课。在物联网系统组建课程中引入项目化实训教学，既能做到将涉及面广的零散知识点综合学习，又能将理论联系实际发挥学生的主动性，通过不同的方法实现实训的要求。项目化教学既能够让学生系统学习物联网知识，又让学生成为项目设计的主角，激发学生的学习兴趣。为此，本文设计了一个“智能温度检测系统”项目作为物联网系统组建课程的实训项目。本物联网系统组建实训项目要求为：模拟智能工厂的温度检测系统，能够实时显示工厂里的温度值，并能设定温度的上限阈值和下限阈值，当温度值超过设定的阈值时发出警报，要求学生按照项目开发流程、设计思路，完成系统项目总体设计、硬件电路设计、软件程序设计、综合调试等工作。

一、智能温度检测系统项目的总体设计

在下达项目任务后，让学生收集相关的温度检测系统资料及发展现状，综合设计系统总体结构框图。为实现项目系统的功能，本温度检测系统由上位机和下位机两部分组成。上位机由ZigBee接收模块、电源模块和PC显示终端组成。下位机由ZigBee控制核心模块、电源模和DS18B20温度传感器组成。上位机与下位机通过无线方式传输数据。系统总体结构框图如图1所示。

二、智能温度检测系统的硬件电路设计

（一）ZigBee控制核心模块设计。根据本项目的需求选择CC2530微处理器作为控制核心。CC2530包含32KB的ROM和8KB的RAM，集成高效的2.4-GHz IEEE 802.15.4无线射频收发器，具有低功耗、无线传输温度数据等优点，被广泛应用于物联网的无线通信领域。在上位机部分中ZigBee控制核心模块与PC机通信采用UART串口方式通信。ZigBee核心控制模块部分电路如图2所示。

（二）温度传感器模块。本项目的温度值通过读取传感器输出信号获得。温度传感器输出信号可分为模拟信号和数字信号两种。模拟式传感器输出信号需要添加放大电路和A/D转换，增加了成本和设计难度。数字式传感器直接输出数字信号，ZigBee核心模块可以通过I/O口直接读取。温度采集传感器使用Maxim公司的DS18B20数字式温度传感器。DS18B20采用单总线通信方式，只需要占用一个I/O口即可完成数据通信；温度测量范围为-55°C至+125°C；测量精度为±0.5°C。温度检测系统项目中采用DS18B20作为温度传感器。DS18B20传感器模块电路如图3所示。

（三）电源模块设计。本项目考虑到温度检测采集点减少受地理环境因素影响，采用电池包作为电源。由于ZigBee控制核心模块的供电电压为3.3V，采用DC-DC转换电路将直流6V转换为3.3V。电源模块电路如图4所示。

三、智能温度检测系统的软件设计

温度检测系统的软件设计是项目开发过程中重要环节。

（一）软件编程设计思路。温度检测系统上位机与下位机的通信方式通过无线通信方式实现。上位机的ZigBee控制核心模块接收到温度数据后将数据通过串口发送到PC机显示。在PC机Windows系统平台编写应用程序实时接收数据显示并同时检测是否超过设定的阈值，若超过阈值则发出警报。

（二）软件设计流程图。本项目的软件设计按组成部分划分为上位机和下位机两部分，其中上位机软件设计分为ZigBee接收模块程序设计和PC机显示端程序设计。系统的上位机与下位机的无线通信采用Basic RF无线通信协议，该协议具有配置简单、点对点通信等特点。上位机与下位机程序设计流程图如图5所示。

下位机系统上电后ZigBee模块进行初始化，对Basic RF无线通信协议进行配置和对温度传感器DS18B20进行初始化设置。下位机完成初始化后等待上位机温度采集指令，当接收到指令后读取DS18B20温度值，将温度数据通过无线通信方式发送到上位机ZigBee接收端。上位机ZigBee接收端收到数据后通过UART串口发送到PC机显示。

（三）子程序分析。下位机ZigBee无线通信采用Basic RF构建，项目任务主要是通过调用子函数来实现。

函数：void basic_configRF_Init（void）

功能：ZigBee模块Basic RF无线配置初始化，包括ID、通信频道、本机地址等。

函数：void DS18B20_Init（void）

功能：该函数主要负责对DS18B20温度传感器进行初始配置。

函数：unsigned float Read_Temp（void）

功能：读取DS18B20温度值，返回无符号浮点型。

函数：basicRfSendPacket（uint16 destAddr，uint8* pPayload，uint8 length）

功能：实现ZigBee无线数据的发送。destAddr为点对点目标地址；pPayload温度值数据的缓冲区地址；length温度数据的长度。

函数：basicRfReceive（uint8* pRxData，uint8 len，int16* pRssi）

功能：接收数据无线ZigBee数据，pRxData接收到数据的缓冲数据地址；len接收到的数据长度；pRssi信号强度。

在项目实现过程中，教师提供关键的子函数及相关说明文档，学生根据说明文档搭建ZigBee无线Basic RF通信系统。

（四）上位机应用程序构建。本项目上位机应用程序采用WPF技术构建，开发平台采用Visual Studio 2012编写应用程序在Windows系统运行。WPF基于用户界面框架，使用WPF构建温度检测系统能够快速实现相应的功能。上位机应用程序中使用定时器计算时间每隔200ms读取一次温度值。在项目实现过程中为学生提供定时器类的使用方法：

Timer timer_read = new Timer（）；

timer_read.Interval = 1000；

timer_read.Enabled = true；

timer_read.Elapsed += timer_read_Elapsed；

void timer_read_Elapsed（object sender，ElapsedEventArgs e）；

四、智能温度检测系统的实物制作及调试

在学习了相关知识和绘制完成硬件电路后，开始温度检测系统的实物电路制作，根据前面绘制的PCB电气原理图进行制版和焊接。在完成硬件电路后开始编写程序和调试。实训室管理员根据项目元件清单为学生提供相应的电子元器件。

学生也可以根据项目内容要求，发挥主动性自行设计相应的电路，然后根据电路选择相应的电子元器件。

（一）焊接。在实训室完成硬件电路板的制作后，进行元器件的焊接，在焊接过程中需要提醒学生有极性的电容方向及CC2530芯片的引脚。

（二）调试。在完成实物制作后，根据项目要求调试电路。教师参与学生实物系统的调试，对遇到的问题进行及时纠正。上位机显示应用程序如图6所示。

（三）评分验收。教师根据项目评分标准进行考评，在考评过程中对做得好的地方进行表扬，同时指出不足的地方。

图6 上位机显示应用程序

综上，在物联网系统组建课程中采用项目化实训，改变传统课程的教学模式，让学生作为主体，发挥学生的主动性。在智能温度检测系统设计项目中，让学生在项目设计过程中掌握物联网的系统设计思路、组成、硬件电路设计、软件程序设计和系统调试等知识，将分散的物联网知识综合应用，使学生在不仅学习了理论知识，还掌握了如何设计物联网系统的技能。

【参考文献】

[1]周怡F，凌志浩.ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表，2005（6）

[2]张军.智能温度传感器DS18B20及其应用[J].仪表技术，2010（4）

[3]王铭明，陈涛.基于Basic-RF的家居环境监测预警系统设计[J].现代电子技术，2013（24）

[4]王德权，邓云霓.WPF在发动机生产线监控系统中的应用[J].组合机床与自动化加工技术，2013（4）

[5]曲广强，关晓辉.基于WPF技术的教学信息查询系统设计与实现[J].东北电力大学学报，2014（6）

【基金项目】2016年度广西高校中青年教师基础能力提升项目（KY2016YB760）；2015年柳州铁道职业技术学院校级科研立项项目（2015-C21）

智能电路设计与制作范文第5篇

[关键词]温度传感器；单片机；自动控制

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）36-0258-01

1 方案论证与比较

1.1 控制电路的方案选择

方案一：采用运放等模拟电路搭建一个控制器，用模拟方式实现PID控制。可以实现水温控制，但要实现显示、温度设定等功能，电路设计较繁杂[1-2]。同样，使用逻辑电路也可以实现水温控制功能，但电路设计和制作比较烦琐。

方案二：通过FPGA实现控制功能。使用FPGA时，电路设计比较简单，通过相应的编程设计，可以很容易地实现控制和显示、键盘等功能，是一种可选的方案。但与单片机相比，性价比不高[2]。

方案三：采用AT89S52单片机作为核心控制器[3]，将采集到的信息由软件直接处理，可同时完成控制、显示等功能，电路设计和制作较简单，成本较低，所以采用此方案。

1.2 测温方式及电路的选择

方案一：采用热敏电阻作为测温元件。热敏电阻精度高，需要配合电桥使用，此外还需要制作相应的调理电路。电路设计较为繁锁，且稳定性难调试。

方案二：采用模拟集成温度传感器AD590，其具有测量误差小、响应快、传输距离远等特点，但其为电流输出型，须进行放大处理电路或转换成电压处理，且需要数模转换等模块才能实现显示功能。

方案三：采用智能温度传感器DS18B20，其具有精度好、可靠性高，价格适中等特点，利用其单线输出特性，通过串行通信接口可以测量温度，由单片机软件来识别处理[4]。从而使整个电路简单，同时保证了系统的稳定。

1.3 加热方案和功率电路的选择

方案一：采用继电器控制加热器的工作，若温度偏低，则控制继电器吸合，加热器工作，温度偏高则继电器断开，加热器停止加热。由于继电器采用的是机械动作，存在触点，因此对控温精度要求比较高、系统惯性不是特别大时，不宜采用继电器。

方案二：采用可控硅控制加热器的工作，可以通过控制导通的交流周期和导通角两种方式来实现。采用控制导通交流周期的方式时，为了达到控制的精度，需要在一个较多的周期数中控制导通的数目，不适用于动态性能较高的控制。水温控制系统实际上具有较大的惯性，可以考虑这种控制方式。采用导通角的方式时，由于对每个周期的交流电都进行控制，因此响应速度比较高，另外由于导通角连续可调，因此控制的精度比较高。所以最终我们采用此种方案。

2 系统硬件模块的设计

2.1 总体设计模块

整个系统分为以下几个部分：测温电路、主控制电路、功率电路、加热装置和数码管显示模块电路，如图1所示。

2.2 主控及显示电路的设计

主控电路采用AT89S52单片机作为系统核心，将P0.0-P0.3口接三个传感器的单线总线，P0.7口输出温度控制信号给功率电路，实现自动控制加热功能。显示电路由四位共阳数码管构成，通过单片机P1口供其段码输出，P2.0-P2.3控制其位码，直接采用三极管9012作为其驱动电路保证显示的亮度。键盘部分由3个按键开关构成，分别与P3.0-P3.2口相连，通过功能切换、温度加减，实现设定温度功能。

2.3 检测温度电路

检测温度电路我们采用三片智能温度传感器DS18B20作为感温器件，通过与单片机三个I/O口连接构成检测判别电路。其测量范围为-55～+125℃，且输出的数据可进行9～12位的编程，分率力依次为0.5、0.25、0.125、0.0625℃。所以其精度可以通过软件实现，使用方便，灵敏度、精度也较高。

2.4 加热与功率控制电路

通过可控硅实现自动加热功能。具体实现：由单片机判断实时水温状况，P0.7输出脉冲信号，控制三极管的导通，对过三极管控制双向可控硅的导通与否，从而实现电路的加热或保持。工作时，结合设置的温度，当温度高于所设的温度时则可控硅不导通，电热器不加热，温度将会降低，不再升高。反之亦然。

3 系统测试与分析

实验1：将温度计放入加热器皿中，测量实时水温，并与系统测量数据进行比较。系统运行存在一定误差，误差范围小于0.5℃，这主要是由于温度计本身与实际温度就存在一定误差，所以检测显示的数值也就难免有点偏，如表1所示。

实验2：当温度迅速升高或降低时，测试系统运反应情况，采取的方法是观察温度到40℃时，将沸水加入溶器中，观察温度计，到达60℃时，则马上停止，同时观察数码显示情况。由于加水的快慢，水温的均匀程度会直接影响到测量的精度，所在在系统对水温突变测量存在一定的滞后现象，如表2所示。

四、总结

系统采用AT89S52单片机为核心控制元件，结合数码管显示、温度传感器的多点采集、双向可控硅的巧妙运用，使系统具有较好自动检测温度并控制温度变化的功能，同时可以实现水温显示等功能。

参考文献

[1] 全国大学生电子设计竞赛组委会编.《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程》[M].电子工业出版社，2007.5：121-124.

[2] 黄强.《模拟电子技术》[M]. 科技出版社， 2003.1.