1、鍋爐溫度控制系統設計方案第 1 章 緒論1.1 課題背景及研究的意義鍋爐是工業生產中最常用的能量轉換設備之一， 它通過轉化燃料中的化學能 或利用電能轉化為能，成為人們廣為依賴的采暖工具。在電鍋爐中， 利用電阻在 通電流狀態下發熱的原理， 通過對電流的大小的控制對溫度的控制。 由于電流易 控制的特點，電鍋爐在小型鍋爐和精密控溫的到使用者的青睞。但是， 在大部分 城市中，由于國家實行“西氣東輸”計劃，燃氣價格為普通人家所接受，經數據 統計和計算，燃氣鍋爐更便宜，比電鍋爐應用更受歡迎。鍋爐溫度的穩定是鍋爐性能的一項重要指標， 溫度過高和溫度過低都會給鍋 爐的穩定運行和生產造成重大的的影響，甚至發生安

2、全事故。溫度過高， 導致鍋 爐金屬材料和相關部件的超溫過熱， 加速管材金屬氧化， 降低鍋爐和相關部件的 使用壽命；溫度過低， 假定在保持鍋爐蒸發量不變的情況下， 鍋爐的損耗將大幅 上升，能源利用率因此下降，而且負荷也將受到限制。所以，限定鍋爐在安全溫 度成為每一個溫度控制系統的核心部分。隨著科技發展， 人們對采暖方式和熱水方式漸漸發生變化， 家用燃氣鍋爐進 入尋常百姓家， 但是國燃氣鍋爐的開發與應用還處于較落后的階段， 市場上的大 多數此類商品還是以國外為主，所以燃氣鍋爐依然有廣大市場與研究價值。本設計以家用燃氣鍋爐為研究目標，使用AT89C51單片機為控制核心組成溫 度控制系統，采用熱電阻感

3、應溫度的變化，單片機實現收集數據、處理數據、發 送控制命令的功能，從各方面詳細的說明單片機在溫度控制的應用。1.2 溫度傳感技術自工業時代以來， 隨著大型機械的出現和廣泛應用， 溫度對機械工作性能的 影響越來越被人們所重視， 對溫度的未知可能造成機械損壞或發生重大事故。 于 是溫度傳感器便應運而生。 溫度傳感器用在生活的方方面面， 從冶金行業到每一 個人身邊中的一部分，它已經隨著時代的步伐在進步。目前使用的較為先進的溫度傳感器是數字傳感器。 數字傳感器的優點是不需 要像傳統方式一樣加入轉換部分， 利用當今成熟的集成技術， 在其部已經集成了 感應溫度系統和溫度轉換系統， 尤其是它單端數據輸出的功

4、能， 極大減少對主控 器件端口的占用， 是端口資源優化的方法之一。 它的數據傳輸方法是在部得到具 體的溫度數據后， 利用部的緩沖器進行緩存， 利用主控器件對它發出控制命令進 行讀取數據，這就是單總線傳輸，這也是它的最主要的特點。雖說數字傳感器得到廣泛應用，但是在工業中仍是大量應用熱電阻傳感器。 因為數字溫度傳感器的測溫圍有限，不超過 150C，這與工業中經常200C以上 的情況顯然不合適。熱電阻傳感器測量溫度圍在-200960C，包含了大多數工業 設備的工作溫度，至今，仍然有很大的研究與利用價值。1.3 系統的總體設計思想本系統的總體設計思路是， 本著精確、可靠、穩定的原則， 采用模塊化設計，

5、 自頂向下構思。根據題目提出的設計任務及性能任務指標， 通過理論分析及計算， 整體把握，然后再逐步細化， 分模塊的進行設計， 期間輔以電路仿真軟件 proteus 進行電路原理仿真， 最后進行各模塊的組合以完成整個系統的設計任務。 通過查 閱資料與借鑒，此次設計決定用一個多功能鍵盤實現諸多的設置作用和信息輸 入，單片機進行自動調節。用恒流源驅動熱電阻，通過模 / 數轉換對熱電阻的電 壓實現精確的模擬量到數字量的轉換實時數據被AT89C51接受，并在芯片進行 軟件識別后輸出到LCD完成對當前溫度值的顯示。同時，考慮到系統驅動電源， 芯片的電源等要求，添加了可調線性直流穩壓電源。第2章系統方案設計

6、與論證2.1系統結構框圖圖2.1 系統結構框圖2.2系統性能要求及特點1. 系統性能要求以AT89C51單片機為核心，搭配合理的人機互動界面，設計一個鍋爐溫度控 制系統。該系統具有自動調節和手動設置功能， 通過操作界面調節，并能顯示溫 度和上下限溫度，且具有歷史記錄功能。（1）控制溫度在0-150度，誤差土 1度；（2）工作形式有手動、自動工作形式，手動形式用于控制系統調試，自動 形式用控制系統正常運行；熱電偶選型要合理；（3）當系統發生某種不良情況導致控制失靈時，控制系統具有報警功能；（4）設計和仿真方案合理，最后得到的數據和結果真實可靠。2. 系統特點根據上述要求可以總結出，該系統要求有較

7、高的測溫準確精度， 能即時反映 現下的溫度值，并且具有手動可調功能。通過手動調節，控制鍋爐的溫度，也可 以在設置后，讓鍋爐實現智能溫控。 同時，我們可以結合現實生活中一些鍋爐或 機械情況，使用矩陣鍵盤操作更靈活，用 LCD顯示可提供更多信息量。2.3 設計方案論證設計一個實用的電子應用系統， 首先必須考慮該系統需要實現的功能， 其次 要考慮設計成本，接著要考慮其可靠性和可維護性，最后揉合以上因數， 力求該 系統具有較高的性價比。因此，我們對此次設計進行了多方面的論證與分析。2.2.1 溫度采集方案的論證與比較1. 方案 1：采用單總線數字溫度傳感器 DS18B20 溫度被檢測到之后，在該傳感器

8、部直接進行處理，得出相應的數據， 緩存在 芯片的緩沖區，等待傳輸。DS18B2C連接到控制器的線路只需要一條信號線，且 用了串行通信，符合現下多數設備的通信標準， 使得DS18B2C更受歡迎。但是其 測溫圍僅在 -55155 攝氏度左右，且編程比較復雜。2. 方案 2：恒流源驅動 PT100用1mA恒定電流驅動PT100熱電阻，將電阻阻值(80.31280.98 Q)經信號 調理電路轉換成0.82.8V之間的電壓信號，ADC0809對該電壓信號進行采樣。 查詢PT100分度表可知，在0100攝氏度以，其阻值依線性緩緩上升，因此，在 軟件部建立線性方程可算出被測溫度值。PT100鉑熱電阻工作在1

9、mA電流下，此電流下，鉑熱電阻不會因為電流流過發生的自熱會引起測量誤差。 因為電流恒定， 無論電阻值大小都不會引起自熱發生的測量誤差，溫度變化時鉑熱電阻值變化， 根據歐姆定律，電壓是電阻和電流的乘積， 由于電流恒定不變， 電壓隨電阻線性 變化。該方案得到了廣泛應用，借鑒性高，實用性強，決定采取該方案。2.2.2 A/D 轉換模塊設計方案的論證與比較1. 方案1:采用芯片MC14433實現數據采集MC14433利用抗干擾性較好的二次積分原理為轉換方式，犧牲轉換速率以達 到1/1999 的分辨率，相當于 11 位二進制轉換精度，是性價比較高的模數轉換 芯片。在速度要求不高的場合，是首選的 ADC方

10、案。但其基準電壓要求為 2V, 而2V電壓在電子市場上的供應少，對于+5V或+15電源來說，價格要貴許多，同 時其BCD碼的傳輸方式輸出會極大占用 CPU的運行，且它在proteus沒有仿真模 塊，不易于仿真和測試。故不準備采用這種方案。2. 方案2:采用芯片ADC0809實現數據采集模塊ADC080是目前要求精度不是很嚴格的大多數電子設計產品中的通用模數轉 換器件。 它通過逐次逼近的方式，對模擬電壓進行分階段性的比較，比較得出的 8位數據作為數字量， 實現模數轉換。 8位數字量鎖存在芯片的三態輸出鎖存器， 單片機通過發送控制信號決定是否獲取數據。 ADC0809S序設計簡單，連接方便， 在

11、proteus 中具有仿真模型，便于仿真和調試。故采用這種方案。3.1.3 AT89C51單片機部結構AT89C51的基本結構包括CPU存儲器、I/O 口、定時器/計數器、中斷系統、 時鐘電路等。接下來我們選取基本結構中的重要部分進行詳細介紹：CPU 8位CPU主要用來完成算數和邏輯運算，是單片機中最重要的部分。片RAM共258個存儲單元，分為兩個部分，低128字節RAM和特殊功能寄 存器SFR。其中低128字節的RAM又被分為00H1FH的工作寄存區、20H2FH 的可位尋址區、30H7FH的數據緩沖區。片ROM 4KB存儲空間，可由EA引腳電平決定片還是片外尋址。定時器/計數器：C51系列

12、包含有兩個16位的可編程定時器/計數器分別稱 為定時器/計數器T0和定時器/計數器T1 ;它們都具有定時器工作模式和計數器 工作模式，對控制寄存器TMOD口 TCON編程或位操作，可以選擇工作模式和工作 方式。定時器/計數器的核心是2個8位的特殊功能寄存器TH1和TH2開啟定 時或計數功能后，在這兩個寄存器每過一個時鐘周期就進行一次加“1”，計數對外部脈沖加1計數，定時則設定計數次數獲得定時時間。在單片機設計中，定時 和計數功能的開啟，定時的時間，計數的數目都由軟件進行設定。并行I/O 口：共4個8位的雙向I/O 口，即P0 P1、P2、P3,因此數據可 以用并行數據的方式與單片機進行數據傳輸

13、4。串行口： 一個全雙工的串行口，用于單片機與其他設備之間的串行數據發送 和接收，當I/O 口資源緊缺時，可利用串行口傳輸，極大提高I/O 口利用率。在 多機通信中，串行口被用于異步通信，實現多機信息間的交流和控制。中斷控制系統：C51系統通過4個特殊功能寄存器中的各標志位置“ 1”或 清零操作來實現各種中斷控制功能，分別為TCON定時器/計數器T0及T1的控制 寄存器，SCO串行口控制寄存器，IE中斷允許控制寄存器，IP中斷優先級控制寄存器。在單片機中，中斷申請只能單個響應，所以要依據自己的設計要求對中斷源進行優先級排列。3.2所示。中斷系統分為外部中斷和部中斷，共5個中斷源，如表表 3.2

14、 AT89C51的中斷源中斷源中斷入口地址說明INT00003H夕卜部中斷0請求，由引腳P3.2輸入， 低電平/下降沿有效，中斷求標志為IE0T0000BH定時器/計數器T0溢出中斷請求，中斷請求標志為TF0INT10013H夕卜部中斷1請求，由引腳P3.3輸入， 低電平/下降沿有效，中斷求標志為IE1定時器/計數器T1溢出中斷請求，中斷請求標志位TF1串行口0023H串行口中斷請求，當串行口完成一幀數據的發送或接受一幀數據時請求中斷，中斷請求標志為 TI或RIT1001BH2.2.3鍵盤設計方案的論證與比較1. 方案1：采用獨立式按鍵在單片機外圍電路設計中，當I/O 口資源充足時，我們通常選

15、擇獨立式按鍵。 因為獨立式按鍵基本不需要占用程序實行，在需要不斷需要檢測按鍵有效性的程 序中，省卻許多的檢測時間。獨立式按鍵的使用也很簡單，往往一個功能配一個 鍵。但是，一旦項目中需要按鍵實現大量的功能， 比如在本次設計中需要數字鍵 和其它功能鍵，如果采用獨立式鍵盤，I/O 口就會緊缺。故不采用這種方案。2. 方案2:采用矩陣鍵盤在大部分機械中，要求輸入的容與信息不僅僅是簡單的控制信號，在這種需 要按鍵較多的情況下，通常采用矩陣鍵盤。在本設計中，根據功能來說，需要 09的數字按鍵10個，上下限溫度功能鍵2個，確定、刪除、返回、菜單功能 按鍵共4個，總共16個按鍵。使用4X4的矩陣鍵盤完全符合本

16、次設計的需求， 只需要8根I/O 口線，即可以全部使用P2口控制。故決定采用這種方案。2.2.4顯示器設計方案的論證與比較1. 方案1:采用LED數碼管顯示器在單片機應用系統中，LED得到很多電子工程師的青睞，即便在目前 LCD為 顯示屏主導的情況下，LED以其特性依然得到重視。但是在本次設計中不止要顯 示當前溫度，而且要顯示出上下限溫度， 需要顯示的字符較多，如果使用LED顯 示，則需要的LED較多，明顯不適合本次設計。故不采用這種方案。2. 方案2:采用LCD液晶顯示器在較為常用的顯示器中，同樣大小的 LCD比LED能顯示的容更多，且不像 LED一樣需要復雜的連線，功耗也更低。在本次設計中

17、可以在一塊 LCD上同時顯 示當前溫度和上下限溫度，更便于人機交互。故決定采取該方案。2.2.5電源設計方案的論證與比較1. 方案1：采用開關型穩壓電源開關型穩壓電源利用三極管的開關特性， 相比傳統電源，在電源的節能和效 率方面得到了很大的提高；適應市電變化能力強；輸出電壓可調圍寬； 在需要多 組級別不同的電壓時，更節省硬件設施。但是開關型穩壓電源的電路組成復雜，調節困難，而且本次設計暫時可以忽略電源功耗的影響。故不采取這種方案。2. 方案 2： 采用線性穩壓電源 線性穩壓電源具備機能靠得住、布局簡略、調理便利、輸出電壓穩定性強、 紋波小等長處，在電路中得以廣泛應用。 在多數設計中都有涉及，

18、已經積累了大 量的經驗，我們可以更好的借鑒，上手快。因此，決定采用這種方案。2.2.6 軟件設計方案的論證與比較1. 方案 1：匯編語言設計匯編語言是一種直接面向處理器， 普遍用于底層模塊程序設計的程序設計語 言。處理器通過指令集對自身的各種信號和硬件系統進行控制， 利用信號控制對 其部的工作狀態進行調試，或發出指令命令外圍器件工作。除了機器語言之外， 匯編語言是最接近單片機硬件的程序設計語言， 也因此 它的指令單片機很容易執行和識別，占用的資源少。機器語言編寫繁雜， 不易人 工識別和修改，匯編語言成為一些穩定性要求高的系統程序編譯時的唯一選擇。 學習匯編語言必須學習熟知單片機各個硬件模塊，其

19、中包括中斷管理，模擬 / 數 字量的輸入 / 輸出等模塊，多數相關人士認為是學習單片機首先應該學會的編程 語言。在一些學校教學中，將匯編語言作為唯一的單片機教學語言。指令集一般具有唯一性， 處理器通常只能使用自己的指令集。也就是說，當 我們將某一處理器的匯編程序下載到另外一個不同的處理器上進行操作時， 這臺 處理器將不能正常工作，這時我們必須依據這臺處理器的指令集對程序進行修 改。同時從工作量來看，為了合理調用硬件資源，編程繁雜，在出現問題時難以 找到錯誤，設計者要花費大量時間，不方便閱讀和拓展。故不準備采取該方案。2.方案2: C語言程序設計C 語言是目前程序設計中應用最廣泛的計算機語言。面

20、對時代發展，在程序 設計已不僅僅只是簡單的語言表達，在設計中， 我們需要許多的運算符， 運用不 同的數據類型，希望能得到簡潔的操作方式。自 19世紀70年代以來，C語言不 斷發展，極大滿足了程序設計人員的需要，在各個領域使用廣泛。對單片機而言，C語言最大的優點是其可移植性高。在強調資源共享的信息 時代，不可能每一次設計都要全部編寫整個程序， 這時由C語言編寫的程序模塊 節約了大量的工作時間。更多的時候， 在使用一些重復的程序模塊時， 只要對這 些C語言程序模塊稍作修改便可立即使用， 無需擔心處理器的識別問題，現在很 多公司都會建立自己的C語言模塊庫。所以現在C語言是單片機編程的主流語言。 故決

21、定采用該方案。第3章硬件電路設計3.1單片機選型3.1.1 51系列單片機概述51系列單片機由英特爾公司在上世紀 80年代推出，在90年代成為許多測 控系統的主流控制芯片。在芯片集成了程序存儲器，數據存儲器，CPU輸入/輸出端口等硬件模塊，基本具備一臺計算機的運行條件。直至今日， 一些控制系 統仍然會參考51系列單片機的微結構和控制方式。雖然現在有越來越多的專用控制芯片已經做得非常好，在某方面的性能已經超過了 51單片機，但是51單片機的多功能和穩定性，高性能等特點依然是大多 數專用控制芯片不可比擬的。89C51單片機則被眾多專業人士當作是 51系列單 片機中的經典設計，所以本次設計選取 AT

22、89C51為核心進行學習與研究。3.1.2 AT89C51單片機引腳功能說明AT89C51具有雙列直插封裝、方形封裝、扁平封裝三種封裝形式。在此次設 計采用的是雙列直插封裝，該封裝具有 40條引腳，包括電源和接地引腳、2條 外接晶振的引腳、4條控制功能的引腳、32條輸入/輸出端口引腳。雙列直插 封裝如圖3.1所示。PDIPP1 0匚1理QP1.1 匚白GP1.2 匚338d437P1 4 C53BPI S Ce3P1,6 CT34(SCKJ PI T 匚呂33RST匚32RXD) P3 匚iO311XD) P3.1 匚30(INTO) A3 2 C1229(INTI) P3.3 匸1320P2

23、16 (A14) 二| PX5 (A13 二I PN 4 (A13 P? 3 (A152 (A1Q1(Ao) P2 0 (AJJZl vcc Po 0 (Atx) bl f二I PD.2 (AX2)圖3.1 AT89C51引腳結構圖nnnnnn1. 電源引腳VCC和GNDVCC接 +5V電源，GNDS地。2. 外接晶振引腳XTAL1和XTAL2當采用部時鐘方式時，XTAL1和XTAL2兩端跨接晶振和電容，并利用芯片部 的振蕩器，共同構成時鐘發生電路，該時鐘作為單片機時鐘信號。外部時鐘方式一般只有在采用特殊頻率的時鐘信號時使用，此時將XTAL1端接通該信號，XTAL2端則懸空放置。3. 復位引腳

24、 RST 如果單片機檢測到該引腳在兩個單片機時鐘周期以都為高電平， 則系統確定為復位操作并對芯片部的各地址、指針、寄存器進行復位。4. ALE引腳ALE端是單片機的脈沖信號輸出端，脈沖的方向為正，可以為外圍需要高頻 率脈沖的電子器件提供信號，頻率大小為單片機工作的時鐘頻率的 1/6。在此次 設計中，該引腳為ADCO8O9提供轉換時鐘信號。5. EA引腳EA引腳是片外程序存儲器訪問允許控制信號輸入端。在一般性設計中，直 接給該引腳接+5V的高電平，表示單片機只對片 ROM勺OOOOHOFFF地址圍讀取 數據；當需要讀取片外 ROMP的數據時，在該引腳接低電平，此時片 ROM!閉。6. 輸入/ 輸

25、出引腳 PO、P1、P2、P3PO 口： 8位漏極開路的雙向輸入/輸出端口，在芯片上為3239引腳。單片 機擴展外部存儲器和輸入/輸出端口芯片時，P0 口輸出8位數據作為低8位地址 或數據。作為通用輸入/輸出端口時，不同于其它的輸入/輸出端口，P0 口沒有 上拉電阻，屬于開漏電路， 在使用過程中要外接上拉電阻， 確保輸出的電平為高 電平。P1 口 ：帶有部上拉電阻的8位準雙向I/O 口，在芯片上為18引腳。P1 口 作為普通的輸入/輸出端口時，先通過程序向輸出鎖存器寫入高電平。 CPU可以 對P1 口進行讀引腳操作和讀鎖存器操作，在讀鎖存器狀態時， P1可以進行“讀 - 修改- 寫”操作。P2

26、 口：帶有部上拉電阻的8位準雙向I/O 口，在芯片上為2128腳。當CPU 從外部程序存儲器取指令和訪問外部數據存儲器時，P2 口輸出16位地址中的高8位的地址，由控制信號控制部轉換開關來實現。P2 口最普遍的應用還是作為普 通的輸入 / 輸出端口，外接外部設備，接收數據或發送數據。P3 口：帶有部上拉電阻的8位準雙向I/O 口雙功能端口，在芯片上為2128 腳。當它作為第一功能使用時，作為通用I/O 口，工作原理與P1和P2 口基本相 同。 P3 口最常用的用法是它的第二功能。在提供這些功能時，相應的鎖存器應 由部硬件自動置1,輸出電平可由程序決定。當P3 口用于第二功能時，8個引腳 可以按

27、位單獨定義，如表 3.1 所示。表3.1 P3 口的第二功能引腳第二功能信號功能描述P3.0RXD串行數據接收P3.1TXD串行數據發送P3.2INT0夕卜部中斷0申請P3.3INT1夕卜部中斷1申請P3.4T0定時/計數器T0輸入P3.5T1定時/計數器T1輸入P3.6WR外部RAM寫選通P3.7RD外部RAM讀選通3.2單片機最小系統3.2.1單片機時鐘電路AT89C51的時鐘信號有兩種來源，一種來源是利用芯片本身自帶的振蕩電路， 輔以外圍器件來產生時鐘信號；另一種來源是時鐘信號完全由外部的信號提供， 部振蕩器，這種情況一般不常用。在此次設計中使用第一種來源方式。晶體振蕩器和電容并聯接地后

28、，跨接到AT89C51芯片中自帶的振蕩器輸入端 XTAL1和XTAL2構成自激振蕩器并產生的脈沖信號作為單片機運行的時鐘信號 。外接晶振的電容通常選擇為 30pF左右，這兩個電容對時鐘頻率具有微調作 用，晶振的頻率圍可在333MH比間。在制作印刷電路板時，為了減少寄生電容， 建議采用瓷片電容并將晶體振蕩器和微調電容分布在單片機芯片左右。時鐘電路如圖3.2所示。3.2.2單片機復位電路單片機復位電路的主要功能是對單片機部資源進行初始化，在需要復位時， 在RST口輸入兩個時鐘周期以上高電平信號則單片機復位，等待高電平變為低電平則復位結束，在設計中一般采取上電方式或手動方式復位。本次設計采用手動復位

29、，當復位按鍵按下后，復位端通過200Q小電阻與+5V 電源VCC接通，22卩F電容迅速放電，使RST引腳為高電平；當復位按鍵彈起后，3.3所示。+5V電源通過1KQ電阻對22卩F電容重新，RST引腳端出現正脈沖，即復位所需 的高電平，該脈沖持續時間僅為幾個機器周期。復位電路如圖VCCRSTR1200 Q圖3.3 復位電路3.3溫度信號的獲取3.3.1元件介紹1. PT100 介紹PT100是工業中溫度檢測設備應用最廣泛的鉑熱電阻，它的測量溫度圍為 -200 C +650C，阻值隨溫度正比例變化 。在對PT100的研究和測試中，研發 人員測試出了其在每個溫度下的阻值，制成PT100分度表。在一些

30、精確度要求高的溫度檢測設備中，將PT100分度表輸入存儲器中，按表查詢可以得到極為精確 的數值，結果的誤差極小。對照PT100的分度表我們發現：在溫度為0C時它的阻值為100Q,在150C 時它的阻值約為157.33 Q,在這個過程中，溫度每變化 1攝氏度，其阻值變化 為0.39 Q,因此，可以根據這個特性建立一個線性方程而不需要逐個輸入分度 表數據進行檢索。這是一種簡單實用的PT100應用方式，只需要在軟件中設置算 法，即可根據算法快速算出結果，相對于檢索方式，節省硬件資源，運行速度也 更快，此次設計就是采用此方法。2. 運算放大器LM324LM324運算放大器芯片置四個相同的運算放大器，有

31、差動輸入特性，大直流 電壓增益100 dB,符合大多數電子設計的需要。與其他的標準運算放大器相比，LM324有兩個特點，一是在單電源供電情況下其較寬的工作電壓圍，其工作電壓 圍為3.0V32V,用戶和設計者有了大量的供電電源選擇；另外一點是LM324可以共模電壓供電，電壓值為土 16V,這樣供電的好處顯而易見，不需要每一次使LM324的引腳圖如用時都采用外部偏置元件，可根據實際情況或設計需求確定 圖3.4所示LM324是最常用的運算放大器，我們在使用前要熟知它的結構。如圖 3.4所 示，1、2、3腳是一組，5、6、7腳是一組，8 9、10腳是一組，12、13、14腳 是一組，剩下的兩個腳是電源

32、，2、3，5、6,9、10, 12、13是各個放大器的輸 入腳，其它引腳為輸出腳。3.3.2溫度信號的獲取電路設計溫度信號的獲取電路分為恒流源電路和差分放大電路。恒流源電路負責驅動PT100作為整個系統的起始部分，為PT100提供恒定不 變的直流電流。恒流源電路中穩壓二極管 1N4728A提供3.3V精確穩定電壓，輸 入運算放大器LM324的正相輸入端，基準電壓源電阻 R2為3.3K，輸入LM324的 反相輸入端，對LM324運用“虛短虛斷”分析可知，流過 PT100的電流必定恒定 為1mA不會因為PT100得阻值變化而變化。1mA電流小，流過熱電阻基本不產圖3.5恒流源電路在0100C時，1

33、mA電流在PT100上產生的電壓為0.100000.13851V的微弱 電壓信號，差分放大電路對微弱的電壓信號放大10倍，方便ADC0809僉測以及減弱噪聲干擾的影響。根據圖3.6所示，這個差分放大電路的電壓放大倍數主要 由R2, R3, R4控制，而R6, R7, R8, R9, U1B實際為一個減法電路，對運算放 大器運用“虛短虛斷”的方法進行分析后可知，最終得到PT100放大后輸出電壓 IN0=(V2-V1)(R2+R3+R4)/R3，令 R2=450Q, R3=100Q, R4=450Q，即可得到 10 倍的電壓放大倍數。差分放大電路如圖 3.6所示。圖3.6 差分放大電路3.4 A/

34、D轉換模塊的電路3.4.1 8 位 A/D 轉換芯片 ADC08091. 主要性能ADC0809帶有8個模擬電壓輸入端口和8位數據緩存輸出端口，分時間段對選定的模擬電壓進行轉換。它以逐次逼近式的方法將模擬量與基準電壓比較得出 8位數字量。最大失調誤差小于土 1個最低有效位；典型時鐘頻率為 640KHz 在6677個典型時鐘脈沖即可完成對其中任意通道模擬量的轉換，約100卩s。2. 引腳功能及芯片部結構ADC0809芯片為DIP封裝，總共28個引腳，其引腳圖和部結構框圖分別如圖3.7和圖3.8所示346CLOCKGNDD,1011ADDA ADDB ADLX.6哄6氐亠也6r:(K：OK圖3.8

35、 ADC0809部結構框圖從部結構框圖中可以看出，ADC080抽一個通道選擇開關、開關樹形轉換器、8位鎖存和三態門及通道地址鎖存譯碼器等組成。通道開關控制8個模擬通道， 限定8路模擬量不在同一時間輸入，避免發生信號混疊，ADC080腫只有一個A/D 轉換器進行轉換。 三態輸出鎖器作為緩沖區鎖存轉換后的數字量， 用軟件從單片 機口輸入高電平，則ADC0809t許輸出三態輸出鎖存器中的數據。對ADC080主要信號引腳的功能說明如下。IN7IN0： 8 個模擬量輸入通道。D7D0 8位轉換數據輸出端，D0至D7由低到高。為三態緩存輸出形式，能 夠直接與單片機的 I/O 口接通。A、B C:地址線。通

36、道端口選擇線，編碼從 000111，分別對應IN0IN7。Vref（ +）、Vref（）:基準參考電壓，負電壓基準為 0V,即Vref （）端 口接地，此時正電壓基準為典型值 +5V。ALE地址鎖存允許信號。ALE檢測到上升沿時，A、B、C組成的編碼被送入 地址鎖存器。START 啟動和復位雙功能端口。在每次轉換開始前，端口先接上升沿對芯 片復位，再變為下降沿啟動轉換且保持低電平至下一次轉換開始。CLK時鐘信號。ADC0809以外部輸入的時鐘信號作為工作信號，可以在50800KHz信號下工作。為減小轉換時間，提高轉換速率，通常使用600KHZ左右的時鐘信號。EOC轉換結束信號。EOC為低電平表

37、示正在轉換，EOC為高電平表示轉換結 束。既可將其連接到外部中斷口作為中斷請求信號， 又可用程序查詢的方法檢測 轉換是否結束。OE輸出允許信號，高電平有效。單片機通過控制OE信號決定是否要從ADC0809中獲取數字量，OE為高電平時，芯片允許 D0D7端 口輸出數據，OE為 低電平時，輸出端口呈高阻態，不輸出任何數據。3.4.2 模數轉換電路模數轉換電路分為ADC0809E片和ADC0809寸鐘電路。ADC0809的時鐘來源可以有兩種方法。一種方法是利用單片機的定時/計數器功能產生一定頻率的脈沖信號，另一種方法是利用D觸發器74LS74連接在單片機ALE 口進行二分頻。ADC0809-般工作在

38、500KHz左右，定時器不能滿足需 要，只能采用第二種方法獲取時鐘信號。當單片機的時鐘頻率為6MHz ALE口輸出頻率為單片機時鐘頻率的1/6，再 經二分頻后，ADC0809便可獲得頻率為500KHz的時鐘頻率。ADC0809寸鐘電路如 圖 3.9 所示。U4：AI74L374 *TXTCLOCKft6UuSCLOCK *hTF trt O-TTRST106STARTO:25 DD7psa ALE EA圖3.9 ADC0809時鐘電路3.5鍵盤電路3.5.1鍵盤界面本次設計采用4X4行列式鍵盤。按鍵分為09的數字鍵，上限溫度鍵“HIGH, 下限溫度鍵“LOW,確定鍵“SURE，刪除鍵“DEL，

39、返回鍵“BACK，菜單鍵“MENU。 09數字鍵用于輸入數字，“ HIGH在需要重新設置溫度值時按下，“LOW在需 要重新設置溫度值時按下，“SURE確認輸入的數字，按下“ SURE后，剛剛輸 入的溫度值成為新的上限或下限溫度，“DEL用于在輸入數字時對輸入的數值進 行修改，按下“ BACK則停止當前操作，返回進入設置前的狀態，“MENU用于需要進行修改上下限溫度時進入菜單程序10 o這樣的設計結合了實際情況，借鑒 現下較為實用的大型機械操作鍵盤界面，符合大多數人的操作習慣。鍵盤界面如圖3.10所示。圖3.10鍵盤界面3.5.2菜單操作菜單操作包括修改上限溫度和修改下限溫度，按下菜單鍵后，在L

40、CD顯示屏 右上角顯示出“（MEN），表示進入菜單操作。此時，選擇按下“HIGH鍵或“LOW 鍵可以進入設置功能。1. “HIGH鍵功能一一設置上限溫度按順序按下“ MENU鍵，“HIGH鍵，“確定”鍵后，此時，LCD顯示器上上 限溫度數值部分全部清空，不顯示任何數值。上限溫度可輸入最大三位數的溫度， 輸入超過三位數則自動退出菜單操作。輸入溫度值以0開頭或未輸入任何值時按 下“確定”鍵，同樣退出菜單操作。輸入正確的數值，再按下“確定”鍵，即可 看到系統退出菜單操作，同時將輸入的新數值設定為上限溫度。“刪除”鍵幫助操作者在輸入過程中出錯時進行修改，增加操作的靈活性。2. “LOW鍵功能一一設置下

41、限溫度按順序按下“ MENU鍵，“LOW鍵，“確定”鍵后，此時，LCD顯示器上下 限溫度數值部分全部清空，不顯示任何數值。“LOW鍵的功能與“ HIGH鍵功能 基本相同，差別在于下限溫度值只允許設置兩位數，鑒于下限溫度不會要求太高， 所以兩位數已經足夠。3.6 LCD顯示本次設計的LCD顯示器主要顯示當前溫度“ CUR，下限溫度“ LOW,上限溫 度“ HIHG三個部分。LCD1602顯示器可以顯示16X 2個字符，完成滿足我們的 需要。1. 1602模塊接口說明見表3.3表3.3 1602模塊接口說明表管腳號名稱功能描述1VSS電源地2VDD電源電壓3VL液晶顯示偏壓信號4RS數據/命令選擇

42、端5R/W讀/寫選擇端6E寫鎖存/讀取使能控制714D0D7數據輸入端15BLA背光源正極16BLK背光源負極2.基本操作時序(1)讀狀態：輸入:輸出：RS=L RW=H E=HD0D7狀態字(2)寫指令:輸入:RS=L RW=L D0D7指令碼，E= 高脈沖輸出：無(3)讀數據:輸入:RS=H RW=H E=H輸出：D0D7數 據(4)寫數據:輸入:RS=H RW=L D0D7數據，E=高脈沖輸出：無3. RAM地址映射圖控制器自帶80X 8位，共80字節的RAM緩沖區，顯示區域分為上下兩行每 行顯示16字節，其余區域可同時存儲數據，發送控制命令可顯示隱藏數據 11 如圖3.11所示。41H

43、42H |兩叵回圖3.11 RAM地址映射圖3.7溫度控制及報警電路3.7.1溫度控制電路該溫度控制電路主要器件為光電離合器和繼電器。許多大功率設備在開關過程中會產生強電磁干擾， 可能會造成系統的誤動作 或損壞，為避免這種干擾，研發人員利用光信號不受電磁干擾的特性， 將一個發 光二極管和一個光敏三極管組合在一起， 有效地隔離了電磁信號，這種器件便是 光電隔離器。在本次設計中，通過繼電器開關實現燃氣開關的功能， 繼電器的開關狀態決 定燃氣燃燒與否，從而實現溫度調節。 但由于單片機的I/O 口驅動能力有限，不 足以驅動大功率開關及設備，如繼電器、電機、電爐等，所以在輸出通道端口必 須配接輸出驅動電

44、路，具體溫度控制電路如圖 3.12所示。圖3.12 溫度控制電路3.7.2聲光報警電路報警電路分為蜂鳴器報警和燈光報警兩個部分。當前溫度低于下限溫度或上限溫度時， 紅燈亮且蜂鳴器報警，當前溫度在上 下限溫度，綠燈亮。由于端口有限，可以將紅燈和綠燈共接到一個單片機I/O 口, 為實現綠燈和紅燈不同時亮的情況，在綠燈端接地，而在紅燈一端接 +5V電源， 這樣做可以僅使用一個電平信號控制兩個燈的亮滅。蜂鳴器的開啟電壓為+5V,這里暫不考慮沖擊電流帶來的影響，僅以直流電 讓蜂鳴器發出報警聲。簡單的利用三極管的開關作用，在單片機端口輸出低電平 時，三極管處于飽和狀態，此時三極管相當于短路，+5V直流電壓

45、直接加到蜂鳴圖3.13燈光電路圖3.14蜂鳴器電路3.8直流穩壓電源電路3.8.1直流穩壓電源電路圖圖3.15 直流穩壓電源電路原理圖3.8.2 LM317 介紹LM317是NS研發推出的三端集成穩壓器，輸出電壓可調，從1.2V至37V。它有3個端口，分別是電壓輸入端 Vin，電壓輸出端Vout，控制端ADJ。它的 線性調整率極好，因此只需在外接一個固定電阻和一個滑動變阻器構成分壓電 路，即可得到想要的電壓值12。LM317主要由兩只調整管復合構成的調整管，基 準電壓電路，比較放大電路以及各種保護電路組成。在LM317電路外接電路中，為了提高三端穩壓器的紋波抑制比，可以接入一個1000卩F以上

46、電解電容和一個 0.1卩F非極性電容，這兩個電容器構成濾波電路，進一步穩定輸出電壓，尤其 是對電源性能要求較高的基準電源13 LM317還有許多其他的用法，比如在LM317 輸入輸出電壓的圍，通過懸浮在一個高電壓上，即可通過一個小電壓控制大電壓， 是LM317一般用法的逆應用。3.8.3工作原理LM317輸出電壓由固定電阻R1,滑動變阻器（電位器）RP1控制，取滑動變 阻器（電位器）RP1的終端阻值為2KQ。輸出電流從Vout端口經R1, RP1接地， 流過LM317的 ADJ端的電流極小，ADJ端到RP1之間的連接線可以當作開路，令 Vout端到地線間電流大小為I，則ADJ端的電位是l*RP

47、1。根據LM317說明書可 知，ADJ端和Vout端的電位差固定為1.25V，此時可以求出輸出電壓的大小：Uout 1. 25 I * RP1（3.1 ）電阻R1接在Vout接腳和ADJ接腳之間，所以電阻 R1上的電壓為1.25V， 可求得電流I :I 1.25/ R1（3.2 ）Uout 1.25 （1.25/R1 ）* RP1 13.75V（3.3）最終從公式（3.3 ）可以看出，調節滑動變阻器（電位器）RP1,就可在適當圍得到我們需要的輸出電壓。本次設計取值R仁200Q, RP1終端阻值為2KQ,由公式（3.3 ）可知，輸出 電壓可以在 1.25V13.75V 之間選擇。注意：由于LM3

48、17在工作過程中不斷散熱，因此為預防其因溫度過高燒壞， 在焊接實物時需要緊貼其焊接一個散熱片輔助散熱， 同時，不能將電解電容等易 受熱爆炸的電子器件焊接在附近。第4章系統軟件設計4.1主流程圖設計主流程圖如圖4.1所示。整個流程大體分為四個部分，即按鍵掃描，讀取當 前溫度數值，當前溫度與上下限溫度值比較，響應。主流程圖非常簡單，所以主 流程圖之后會對各個模塊細致解析。初始化掃描鍵盤3F讀取當前溫度值溫度值比較F響應圖4.1 主流程圖4.2設置上限溫度程序設計設置上限溫度值程序流程圖如圖4.2所示圖4.2設置上限溫度值程序流程圖4.3設置下限溫度程序設計4.3所示。入口按鍵掃描設置下限溫度的流程

49、與設置上限溫度的流程基本相同，如圖有鍵按下？數字鍵輸入數字N確定鍵圖4.3檢查輸入的下限溫度是否超過兩位數Y將輸入的數字給到 下限溫度值14r返回.，疔a有效?其它鍵設置下限溫度值程序流程圖4.1鍵盤掃描程序設計鍵盤掃描程序流程圖如圖4.4所示。掃描下一列延時消抖4列掃描完？Y掃描下一行再次掃描原列按鍵釋放？返回 Oxff 表示無鍵按下匸二一與原掃描值相符？4行全部掃描完?根據行列號求鍵值返回入口掃扌苗一行*掃描下一行掃描一列掃描下一列Y該行該列是否有鍵按下？圖 4.4 鍵盤掃描程序流程圖結論本次研究利用PT100熱電阻在不同溫度下有不同阻值的特性， 通過恒流源和 差分放大電路后得到變化的電壓

50、，經ADC0809專換后將數據輸入單片機，用單片 機進行分析數據和控制顯示、開關、 報警等一系列操作， 而且鍵盤的多個按鍵功 能增加了人機互動的靈活性， 可以更加方便的控制實時溫度。 經過多次的修改和 調試，基本達到本次設計的要求。通過參考許多單片機溫度控制系統的文章和文獻資料， 此次設計的優點在于 多功能的鍵盤操作。在多數相關資料中， 基本采用獨立鍵盤， 往往只設置 46個 按鍵。獨立鍵盤雖然操作簡單，但是缺點就是其太過簡單，在調節溫度值時，如 果僅僅是小圍調節便無關緊要，但是一旦要進行幅度較大的調節就必須不斷按 鍵，相當麻煩，給操作者帶來極大的不變。 此次設計的鍵盤設置有數字鍵和功 能鍵，

51、通過程序控制，即便輸入錯誤或要臨時更改，也不會花費太多的布置。其 不僅可以在更改數值方面帶來很大的便利， 而且完全將各功能在軟件中隔開， 在 誤觸其他鍵時單片機會產生提示或進行一些操作，防止了誤觸而帶來的麻煩。受軟硬件限制，此次設計也存在一定的誤差。由于此次設計是以仿真為主， 所以選用的器件都是在 proteus 中存在仿真模型的電子元件。 雖然這樣有利于調 試和修改，但是也因為元件精度限制帶來誤差。ADC0809勺分辨率為0.0196V,而每當溫度變化1攝氏度，PT100的阻值變化0.39歐姆，差分放大后該變量轉 變為0.0039V接入ADC0809由之前提到的ADC0809分辨率可知，只有

52、溫度變化 三度時，ADC0809&能分辨出溫度發生了變化。雖然在軟件中構建了線性計算減 弱誤差的影響，但還是存在一定的誤差。 在現實設計中， 選用較高的分辨率的模 / 數轉換器件，可以將誤差變得更小。參考文獻1 歐偉明單片機原理與應用系統設計 M ：電子工業， 2009:20-159.2 丁殿來.MCS-51單片微型計算機原理與應用（第三講）J.中州煤 炭,1988,01:32-36.3 曲全鵬基于 AT89S51 單片機爐溫控制系統的模塊電路設計 J 電子測 試,2013,24:291-292.4 鄒志平 , 梁彩虹, 瑾, 桂芹. 基于單片機的熱水鍋爐溫度自動控制系統項目研 究J.信息通信，2014,09:24.大慧.基于AT89S52單片機的數字溫度控制系統軟件設計J.科技信息,2010,33:92.6 秀松,美芳, 何仲. 基于單片機的智能鍋爐控制系統設計 J. 現代電子技 術,2006,13:118-121.7 忠華基于單片機的溫度智能控制系統的設計與實現 D 理工大學 ,2006.8 梁森. 自動檢測技術及應用 M. : 機械工業， 2011: