基于80C51單片機的鍋爐溫度和壓力控制系統(tǒng)設計

1、江蘇師范大學科文學院本科生畢業(yè)設計 基于單片機的鍋爐溫度和壓力控制系統(tǒng)設計存檔日期： 存檔編號： 本科生畢業(yè)設計（論文） 論 文 題 目：基于單片機的鍋爐溫度和壓力控制系統(tǒng)設計姓 名： 王忱勖 系 別： 機電工程系 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 年 級 、 學 號： 09電氣 098320106 指 導 教 師： 黃 艷 江蘇師范大學科文學院印制 摘 要本文介紹了以80c51單片機為核心的溫度和壓力控制系統(tǒng)的工作原理和設計方法。溫度信號由溫度芯片ds18b20采集，以數(shù)字信號的形式傳送給單片機；溫度和壓力信號由壓力傳感器進行實時采集，通過a/d轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給單片機，單片機

2、經(jīng)過計算與處理后將溫度、壓力信息顯示在led顯示器上，文中介紹了該控制系統(tǒng)的硬件部分，包括：溫度檢測電路、溫度控制電路、壓力檢測電路、穩(wěn)壓電源電路和其他一些單片機接口電路。文中還介紹了軟件設計部分，在這里采用模塊化結(jié)構(gòu)編程。軟件部分主要包括：主程序、溫度和壓力控制子程序、顯示子程序等。該系統(tǒng)可以對鍋爐的溫度與壓力進行全自動化的控制，不僅節(jié)省了人力資源，同時使用電加熱系統(tǒng)，更節(jié)能，更環(huán)保，更具有有可行性。關(guān)鍵詞：溫度檢測 a/d轉(zhuǎn)換 壓力檢測 pid控制； abstractthis paper introduces the 51 microcontroller as the core tempe

3、rature and pressure system of the working principle and design method. temperature signal chip ds18b20 collection by the temperature, with digital signal transmitted to the form of single chip microcomputer; pressure by level sensor signal pressure of real time data collection, with an analog form t

4、ransfer to the single chip microcomputer, microcontroller through the a/d conversion, converted into digital signals, calculation and treatment will temperature, pressure, water level information displayed in the lcd monitor, the paper introduces the hardware part of the control system, including: t

5、emperature detection circuit, temperature control circuit, pressure detection circuit, pressure control circuit and other single chip microcomputer interface circuit. the paper also introduces software design part, here the modularized structure programming. software is mainly three parts: the main

6、program, keyboard interrupt and key processing program, prearcing interruption program. the other one xiezi programs include: temperature signal processing program, show program, pid processing procedure, etc. this system can to the boiler temperature and water level of the full automation control,

7、not only save thehuman resource, and at the same time use electric heating system, more energy efficient, more environmental protection and is more a feasibility. keywords:temperature detection a/d conversion water pressure test pid control 目 錄摘 要iabstractii1 緒論11.1研究背景及現(xiàn)狀11.2 發(fā)展前景11.3 系統(tǒng)的總體設計思想22 鍋

8、爐溫度和壓力控制系統(tǒng)主要器件選擇42.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖42.2 單片機的選擇42.3 溫度傳感器72.4 壓力傳感器92.5 a/d轉(zhuǎn)換器113 鍋爐溫度和壓力控制系統(tǒng)硬件電路的設計143.1 最小單片機系統(tǒng)143.1.1 晶振電路143.1.2 復位電路143.2 溫度采集模塊設計153.3溫度控制電路設計163.4壓力檢測電路設計173.5鍵盤及顯示電路183.6 報警電路設計203.7穩(wěn)壓電源電路設計214 系統(tǒng)軟件設計224.1控制算法研究224.2系統(tǒng)總流程圖設計234.3 溫度和壓力檢測程序流程圖設計244.4鍵盤輸入子程序流程圖設計254.5顯示子程序流程圖264.6外部中斷程序

9、流程圖275 結(jié)論28致 謝29附圖：系統(tǒng)原理總圖30附錄：代碼編寫31參考文獻38iv江蘇師范大學科文學院本科生畢業(yè)設計 基于單片機的鍋爐溫度和壓力控制系統(tǒng)設計1 緒論1.1研究背景及現(xiàn)狀鍋爐是一種熱能轉(zhuǎn)換設備，傳統(tǒng)的鍋爐由鍋和爐兩大主體和保證其安全經(jīng)濟連續(xù)運行的附件，儀表附屬設備，自控和保護系統(tǒng)組成，水在鍋（鍋筒）中不斷被爐里燃料燃燒釋放出來的能量加熱，溫度升高并產(chǎn)生帶壓蒸汽，由于水的沸點隨壓力的升高而升高，鍋是密封的，水蒸氣在里面的膨脹受到限制而產(chǎn)生壓力形成熱動力（嚴格的說鍋爐的水蒸氣是水在鍋筒中定壓加熱至飽和水再汽化形成的）作為一種能源廣泛使用。鍋爐廣泛用于生產(chǎn)和生活之中。傳統(tǒng)的鍋爐都

10、使用燒煤的方法進行加熱，這種方式加熱不但對空氣污染嚴重，而且在加熱時需要用人工進行燃料的運輸與添加，一旦加入燃料過多，水溫會升的過快造成開鍋，嚴重時會造成鍋爐爆炸，造成人身財產(chǎn)的損害，對于現(xiàn)在國內(nèi)的發(fā)展來說，很少有地區(qū)對此進行改進，而本設計提出一種新型的鍋爐加熱與壓力控制方法，真正實現(xiàn)無人操作，全自動加熱、控溫、節(jié)能環(huán)保，本設計摒棄傳統(tǒng)的燃料加熱方法，而使用電熱的方式，這樣通過微控制器可以對水溫進行實時的控制，不僅節(jié)省能源，還能達到準確的溫度控制，在控制系統(tǒng)中又加入了壓力控制環(huán)節(jié)，這樣整個系統(tǒng)就達到了全自動智能化水平。根據(jù)國內(nèi)實際情況和環(huán)保上的考慮和要求，燃煤鍋爐由于污染并且效率不高，已經(jīng)逐漸

11、被淘汰；燃油和燃氣鍋爐也存在著燃料供應不方便和安全性等問題。因此在人口密集的居民區(qū)、旅館、醫(yī)院和學校，電加熱鍋爐完全能替代燃煤、燃油、燃氣鍋爐。1.2 發(fā)展前景電加熱鍋爐采用全新加熱方式，無污染，完全可以稱為綠色環(huán)保鍋爐。電加熱鍋爐具有許多優(yōu)點，使其比其他形式的鍋爐更具吸引力，其具體優(yōu)點如下1：（1）無污染。由于采用電加熱方式，電能直接轉(zhuǎn)換為熱能，不需要采用燃燒的方式將化學能轉(zhuǎn)換為熱能，因此就不會排放出有害的氣體雜質(zhì)，也不會產(chǎn)生灰渣，很適宜環(huán)保方面的要求，更適合安放在人口十分密集的生活區(qū)，辦公區(qū)。（2）能量轉(zhuǎn)化效率很高。電加熱鍋爐采用加熱元件直接與水接觸，加熱時轉(zhuǎn)換效率很高，能量轉(zhuǎn)化率也很高，

12、一般可達到95%，而最新最好的鍋爐更是能達到98%以上。（3）鍋爐本體結(jié)構(gòu)簡單，安全性好。電加熱鍋爐本體結(jié)構(gòu)非常簡單，不需要布置管路，沒有燃燒室，沒有煙道，故而不會出現(xiàn)燃煤、燃氣、燃油鍋爐存在的爆炸和泄漏的危險。（4）體積小，重量輕，占地面積小。由于本體結(jié)構(gòu)簡單，使得電熱鍋爐體積可以做的很小，簡單的結(jié)構(gòu)更加便于布置，占地面積也就減小。（5）鍋爐啟動、停止速度快，運行負荷調(diào)節(jié)范圍大，調(diào)節(jié)速度快，操作簡單。由于加入元件工作由外部電氣開關(guān)控制，所以鍋爐啟停速度快，通過控制各加熱元件的開關(guān)，可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運行負荷，調(diào)節(jié)操作迅速、簡單。與燃煤、燃油、燃氣鍋爐相比，操作運行更加方便、簡單。（6）可采

13、用計算機監(jiān)控，完全實現(xiàn)自動化。電熱鍋爐的溫度和水位的控制都能通過計算機完成，使電熱鍋爐的運行完全實現(xiàn)自動化，最大程度的將計算機技術(shù)應用于傳統(tǒng)的鍋爐行業(yè)2。1.3 系統(tǒng)的總體設計思想當前，世界計算機市場上出現(xiàn)了專門應用于工業(yè)控制的一系列單片機產(chǎn)品，單片機以其價格便宜、重量輕、體積小、功耗低、功能強的特點，在工業(yè)控制的現(xiàn)場應用中得到越來越廣泛的關(guān)注，單片機既能夠完成各種常規(guī)的控制，還能夠充分利用控制理論的最新研究成果情況下結(jié)合被控對象的特性，選擇更加先進的控制方法，來獲得更好的控制效果。目前，因為家用鍋爐設備屬于批量制造生產(chǎn)，而一整套完備的控制系統(tǒng)是每臺鍋爐所必需的，針對小型鍋爐的這些特點，更結(jié)合

14、產(chǎn)品的成產(chǎn)成本考慮，以單片機mcs-51為核心器件組成的控制系統(tǒng)成為了最為理想的選擇。同時，mcs-51系列單片機以其完備的控制功能、優(yōu)秀的運算能力、完善的外部接口電路等一系了特點，適應了中小型鍋爐控制系統(tǒng)需要。同時在選取外圍芯片時，應盡量考慮一些較為典型的、易于替換和擴展的電路和芯片，并建立在降低生產(chǎn)成本的前提下。傳感器主要選擇些基于單總線結(jié)構(gòu)的icsl220型壓力傳感器和ds18b20數(shù)字溫度傳感器。ds18b20溫度傳感器采用dallas公司生產(chǎn)的ds18b20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，其產(chǎn)品以具有封裝形式多樣，耐磨耐碰，使用方便，體積小，而廣泛應用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控

15、制領(lǐng)域。系統(tǒng)在軟件這塊主要采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)。主程序作為控制程序，為整個系統(tǒng)軟件的一條主線，其它功能模塊均采用子程序調(diào)用、查詢等方式，這樣使得擴充和調(diào)試更加方便。本系統(tǒng)的電源模塊選擇了市場上常見的w7800(7800)系列7805電源穩(wěn)壓芯片，通過分別給模擬信號和數(shù)字信號分別供電，來避免出現(xiàn)電源干擾的現(xiàn)象。利用溫度傳感器ds18b20采集測量鍋爐水溫；使用led顯示器顯示氣壓值、預先設定的溫度報警值和當前采集的溫度值。利用繼電器控制加熱器和放氣閥的加熱和氣壓。當鍋爐內(nèi)的水的實際水溫超過報警溫度值，系統(tǒng)會發(fā)出報警聲音，這時接在單片機一端的繼電器動作，燃燒器斷電。此時溫度傳感器實時對鍋爐溫度檢測

16、，當溫度降到設定值的下限時，繼電器重新通電。燃燒器電源重新接通，鍋爐繼續(xù)加熱。如此反復監(jiān)控溫度。這樣對鍋爐溫度控制不僅可以節(jié)約能源，提高能源的使用率。此外，為符合實際本系統(tǒng)對鍋爐壓力進行實時監(jiān)控，防止鍋爐高壓爆炸，以免造成嚴重后果15。2 鍋爐溫度和壓力控制系統(tǒng)主要器件選擇2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖 鍋爐溫度控制系統(tǒng)的主控部分由單片機構(gòu)成。通過按鍵電路進行溫度報警值的設定，并對鍋爐的水溫進行采集及處理，然后與報警值比較，當溫度值大于溫度上限值(報警值)時就報警，停止加熱。當溫度少于溫度下限值時，重新啟動進行加熱處理。以此重復對鍋爐溫度控制。同時為結(jié)合實際需要，本系統(tǒng)亦對鍋爐內(nèi)氣壓進行控制。同時，顯示

17、氣壓上限值及溫度報警值和實際溫度值。圖2-1所示是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。 電 源 模 塊溫 度 傳 感 器 壓 力 檢 測a/d 數(shù) 據(jù) 轉(zhuǎn) 換 單片機led 顯 示 被控對象報警 放 大 電 路 圖2-1 圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖2.2 單片機的選擇80c51單片機屬于mcs-51系列單片機，由intel公司開發(fā)，其結(jié)構(gòu)是8048的延伸，改進了8048的缺點，增加了如乘（mul）、除（div）、減（subb）、比較（cmp）、16位數(shù)據(jù)指針、布爾代數(shù)運算等指令，以及串行通信能力和5個中斷源。采用40引腳雙列直插式dip（dual in line package），內(nèi)有128個ram單元及4k的rom

18、。80c51有兩個16位定時計數(shù)器，兩個外中斷，兩個定時計數(shù)中斷，及一個串行中斷，并有4個8位并行輸入口。80c51內(nèi)部有時鐘電路，但需要石英晶體和微調(diào)電容外接，本系統(tǒng)中采用12mhz的晶振頻率。由于80c51的系統(tǒng)性能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及時間精度的要求，而且產(chǎn)品產(chǎn)量豐富來源廣，應用也很成熟，故采用來作為控制核心。 圖2-2 80c51單片機gne(20腳):接地vcc（40腳）: 主電源+5vxtal1（19腳）:接外部晶體的一端。在片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，對于hmos單片機，該端引腳必須接地；對于chmos單片機，此引腳作為驅(qū)動端。xtal2（18腳）: 接外部

19、晶體的另一端。在片內(nèi)它是一個振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率是晶體振蕩頻率。若需采用外部時鐘電路，對于hmos單片機，該引腳輸入外部時鐘脈沖；對于chmos單片機，此引腳應懸浮。rst（9腳）: 單片機剛接上電源時，其內(nèi)部各寄存器處于隨機狀態(tài)，在該腳輸入24個時鐘周期寬度以上的高電平將使單片機復位（reset）psen（29腳）: 當訪問片外程序存儲器時，該端口輸出負脈沖信號作為存儲器讀選通信號。cpu在向片外存儲器取指令期間，psen信號在12個時鐘周期中會生效兩次。另一方面，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效psen信號不會出現(xiàn)。psen端口能驅(qū)動8個lsttl負載?？梢愿鶕?jù)ps

20、en、ale和xtal2三個輸出端口是否有信號輸出，來判斷80c51是否處在工作狀態(tài)。ale/prog（30腳）:當訪問片外程序存儲器時，該端口輸出負脈沖信號作為存儲器讀選通信號。cpu在向片外存儲器取指令期間，psen信號在12個時鐘周期中會生效兩次。另一方面，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效psen信號不會出現(xiàn)。ale/prog端同樣可驅(qū)動8個lsttl負載。ea/vpp（31腳）: 當ea端口輸入高電平時，cpu從片內(nèi)程序存儲器地址0000h單元開始執(zhí)行程序。當?shù)刂烦?kb時，將自動執(zhí)行片外程序存儲器的程序。當ea端口輸入低電平時，cpu只訪問片外程序存儲器。在對87c51eprom

21、編程時，該引腳用于施加編程電壓vpp。輸入/輸出引腳：（1） p0.0p0.7(32腳39腳)：p0口是一個漏極開路的8位準雙向i0口。作為漏極開路的輸出端口，每位能驅(qū)動8個ls型ttl負載。p0口有三個功能：外部擴充存儲器時，當作地址總線（a1a7）；不擴充時，可做一般i/o口使用，但內(nèi)部沒有上拉電阻，作為輸入或輸出時應在外部接上拉電阻。（2） p1.0p1.7（1腳8腳）：p1口是一個帶內(nèi)部上接電阻的準雙向io口。p1的每一位能驅(qū)動4個ls型ttl負載。在p1口作為輸入口使用時，應先向p1口鎖存器（地址90h）寫入全1，此時p1引腳由內(nèi)部上接電阻接成高電平。p1.0和p1.1多了t/c2的

22、復用（3） （3）p2.0p2.7 （21腳26腳）：p2口是一個帶內(nèi)部上接電阻的8位準雙向io口。p2口每一位能驅(qū)動4個ls型ttl負載。p2口有兩個功能： 擴充外部存儲器時，當作地址總線（a8a15）使用。 做一般i/o口使用，其內(nèi)部有上拉電阻。（4）p3.0p3.7 （10腳17腳）：p3口是一個帶內(nèi)部上接電阻的8位準雙向io口。p3口每一位能驅(qū)動4個ls型ttl負載。p3口與其它io口有較大區(qū)別，每個引腳還具有專門功能,除了作為i/o口使用外（內(nèi)部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設置3。2.3 溫度傳感器dallas半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器ds18b20是世界上第一片

23、支持“一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。ds18b20可以程序設定9-12位的分辨率，精度為0.5攝氏度。分辨率設定，及用戶設定的報警溫度存儲在eeprom中，掉電后依然保存。如圖2-3所示ds18b20引腳排列圖 圖2-3 ds18b20引腳排列圖ds18b20特性：只需要一個端口來進行通訊；簡單的多點分布應用；無需外部應用；不需要接外部器件及電路；.能通過數(shù)據(jù)線作為電源線來進行供電；無待機產(chǎn)生的功耗；測溫范圍55125，以0.5為單位遞增；溫度測量結(jié)果以8位數(shù)字量輸出；溫度模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量時間為200ms

24、（典型值）。使用時能定義的非易失性溫度報警進行設置；包含報警搜索命令識別同時標志出超過程序設定溫度的器件；應用包括溫度控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費品，溫度計或任何熱感測系統(tǒng) 。rom操作品令 ：總線主機檢測到dsl820的存在，便可以發(fā)出rom操作命令之一，這些命令如4 指令 代碼 1.read rom(讀rom) 33h 2.match rom(匹配rom) 55h 3.skip rom(跳過rom) cch 4.search rom(搜索rom) f0h 5.alarm search(告警搜索) ech 存儲器操作命令 指令 代碼 1.write scratchpad(寫暫存存儲器) 4eh 2.

25、read scratchpad(讀暫存存儲器) beh 3.copy scratchpad(復制暫存存儲器) 48h 4.convert temperature(溫度變換) 44h 5.recall eprom(重新調(diào)出) b8h 6.read power supply(讀電源) b4h ds18b20管腳功能表，如表2-1所示 表2-1 ds18b20管腳功能表引腳序號引 腳 名 稱功 能1gnd接地2dq數(shù)據(jù)輸入/輸出腳3vdd接5v電源2.4 壓力傳感器 壓力傳感器芯片的性能受溫度的影響非常大，主要表現(xiàn)為零點和靈敏度隨溫度變化而發(fā)生漂移。1220型是經(jīng)過溫度補償?shù)墓鑹鹤枋綁毫鞲衅?，采?/p>

26、雙列直插封裝結(jié)構(gòu)，適用要求成本低，性能優(yōu)越，長期穩(wěn)定性好的應用領(lǐng)域。 通過激光修正的電阻實現(xiàn)了050的溫度補償，還提供一個激光修正的電阻用于調(diào)節(jié)差動放大器的增益來校正傳感器的壓力靈敏度變化，使具有良好的互換性，互換性誤差僅為1。從02psi至0100psi量程范圍內(nèi)均有表壓，差壓和絕壓產(chǎn)品5。 icsl220系列具有如下優(yōu)點： （1）放大、校準和溫度補償； （2）多級壓力非線性修正； （3）直接輸出經(jīng)放大校準的模擬信號； （4）輸出與輸入電壓成正比； （5）溫補范圍為070，滿足絕大部分用戶的需求； （6）有表壓、差壓和絕壓配置，有微壓和低壓等量程； icsl220傳感器性能參數(shù)圖如下： 圖2

27、-3 壓力傳感器原理表 2-2 參數(shù) 最小值典型值最大值單位滿量程輸出49.55050.5mv零點輸出-22mv非線性-0.10.050.1span遲滯-0.50.010.05span輸入輸出電阻250044006000量程溫度誤差-0.50.30.5span零點溫度誤差-0.50.10.5span零點熱遲滯0.1span供電電壓1.235v響應時間1.0ms輸出噪音1.0v p-p長期穩(wěn)定性0.1span過載壓力3xrated補償溫度050工作溫度-40+125 貯存溫度-50+150重量3 grams1220 a - 015 g - 3 s 壓力接口（l=長引壓管，s=短引壓管， n= 無

28、引壓管）引腳結(jié)構(gòu) 壓力類型（g=表壓，a=絕壓，d=差壓） 壓力范圍 等級 型號 圖 2-4 icsl220傳感器性能參數(shù)2.5 a/d轉(zhuǎn)換器adc0809是目前廣泛使用的逐位逼近型8位單片a/d轉(zhuǎn)換芯片，片內(nèi)含8 路模擬開關(guān)，可允許8路模擬量輸入。主要由3部分組成：模擬輸入選擇部分、轉(zhuǎn)換器部分、輸出部分。adc0809芯片為28引腳為雙列直插式封裝，adc0809主要信號引腳功能說明如表2-36： in7in0八路模擬量輸入通道。 ale地址鎖存允許信號。 start轉(zhuǎn)換啟動信號。start=1轉(zhuǎn)換啟動。 a、b、c地址線、 通道端口選擇線。 clk時鐘信號。adc0809要求外接時鐘頻率為

29、10khz1.2mhz。通常使用頻率為500khz的時鐘信號。 eoc轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。eoc=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。 d7d0數(shù)據(jù)輸出線。 oe輸出允許信號。oe=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 vcc +5v電源。 vref參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準。其典型值為+5v(vref(+)=+5v, vref(-)=-5v)。 圖2-5 adc0809管腳adc0809與80c51單片機的連接主要涉及兩個問題。一是8路模擬信號通道的選擇，二是a/d轉(zhuǎn)換完成后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送有定時傳送方式、查詢方式、中斷方式這三種方式。a、b、c的值與被選擇的通道之間的關(guān)系如下表

30、23所示： 表23 通道選擇表c b a 被選擇的通道0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1 in in in in in in in in3 鍋爐溫度和壓力控制系統(tǒng)硬件電路的設計 3.1 最小單片機系統(tǒng) 單片機最小應用系統(tǒng)，指的是用最少的元件組成的單片機并且可以正常工作的系統(tǒng)，對本次設計使用單片機來說，最小系統(tǒng)一般應該包括：單片機，晶振電路以及復位電路。3.1.1 晶振電路典型的晶振值取11.0592mhz(因為可以準確地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通訊的場合)/12mhz。 圖3-1 晶振電路3.1.2 復位電路 單片機上電后，

31、在其9腳（reset）出現(xiàn)24個振蕩周期以上的高電平后，單片機內(nèi)部初始復位。為了確保單片機正常復位，必需使其第9腳上出現(xiàn)的高電平保持2s以上。復位電路如圖 3-2所示。圖3 -2復位電路系統(tǒng)的復位電路是由rc電路組成，外加一個手動復位按鈕。剛上電時或者觸動按鈕后c5兩端的電壓為0，這時rst為高電平，而其高電平保持時間是由r和c的時間常數(shù)決定，由公式(3-1)可知，c充電的時間常數(shù)等于0.22ms，遠遠大于2s，即使rst高電平的時間保持2s以上，確保了單片機正常復位。 r*c (3-1) 3.2 溫度采集模塊設計ds18b20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與th，tl作比較，若tth或tt

32、l，則將該器件內(nèi)的告警標志置位，并對主機發(fā)出的告警搜索命令作出響應。因此，因此可用多只ds18b20同時測量溫度并進行告警搜索。 ds18b20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時ds18b20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖3-3所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的 ds18b20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個mosfet管來完成對總線的上拉7。 本系統(tǒng)所采用的是電源直接供電。ds18b20的dq端直接與單片機的p2.3口相連接，vdd端接+5v電源，dq端與+5v電源之間通過電阻相連，gnd接地，ds18b20可以直接將模擬量轉(zhuǎn)換

33、成數(shù)字量，因此不需要連接a/d轉(zhuǎn)換器，ds18b20與單片機直接進行數(shù)據(jù)傳輸，不需要通過單片機來個ds18b20供電，保證了ds18b20工作的可靠性。 圖3-3溫度檢測模塊3.3溫度控制電路設計 本系統(tǒng)采用繼電器進行對加熱器工作方式控制，從而鍋爐控制溫度。當p口輸出高電平時，經(jīng)反相驅(qū)動器7406變?yōu)榈碗娖?，使發(fā)光二極管發(fā)光，從而使光敏三極管導通，進而是q3導通，因而繼電器的線圈通電,接通鍋爐加熱器。本部分電路與單片機的接口如圖3-4所示。1.當p1.7輸出高電平時，加熱器通電，加熱器對鍋爐加熱，進行加熱處理。2.當p1.7輸出低電平時，加熱器斷電，加熱器對鍋爐加熱，不進行加熱處理。 圖3-4

34、溫度控制電路3.4壓力檢測電路設計該部分主要由壓力信號檢測和信號放大電路兩部分組成。應變片可以將應變轉(zhuǎn)換為電阻的變化，為了顯示于記錄應變的大小，還要將電阻的變化再轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，因此需要有專用的測量電路，通常采用直流電橋和交流電橋。由于應變片的電橋電路的輸出信號一般比較微弱，所以目前大部分電阻應變式傳感器的電橋輸出端與直流放大器相連電橋的輸出電壓于應變成線性關(guān)系。若相鄰兩橋臂的應變極性一致，即同為輸出電壓為兩者之差，若不同時，則輸出電壓為兩者之和。若相對兩橋臂的極性一直，輸出電壓為兩者之和，反之則為兩者之差。電橋供電電壓u越高，輸出電壓uo越大。 本次設計的放大器采用了三運放，因為它具

35、有高共模抑制比的放大電路。它由三個集成運算放大器組成。其中ar1和ar2為兩個性能一致(主要指輸入阻抗，共模抑制比和增益)的同相輸入通用集成運算放大器，構(gòu)成平衡對稱差動放大輸入級，ar3構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級，用來進一步抑制ar1和ar2的共模信號，并適應接地負載的需要。由于每個放大器求和點的電壓等于施加在各自正輸入端的電壓，因此，整個差分輸入電壓現(xiàn)在都呈現(xiàn)在rg兩端。因為輸入電壓經(jīng)過放大后（在a1和a2的輸出端）的差分電壓呈現(xiàn)在r5，rg和r6這三只電阻上，所以差分增益可以通過僅改變rg進行調(diào)整。如果r5r6，r1r3和r2r4，則vout=(vin2vin1)(12r5/rg)（r2

36、/r1）8。由于rg兩端的電壓等于vin，所以流過rg的電流等于vin/rg，因此輸入信號將通過a1和a2獲得增益并得到放大。然而須注意的是對加到放大器輸入端的共模電壓在rg兩端具有相同的電位，從而不會在rg上產(chǎn)生電流。由于沒有電流流過rg（也就無電流流過r5和r6），放大器ar1和ar2將作為單位增益跟隨器而工作。因此，共模信號將以單位增益通過輸入緩沖器，而差分電壓將按1（2rf/rg）的增益系數(shù)被放大。這也就意味著該電路的共模抑制比相比與原來的差分電路增大了1（2rf/rg）倍。在理論上表明，得到所要求的前端增益（由rg來決定），而不增加共模增益和誤差，即差分信號將按增益成比例增加，而共模

37、誤差則不然，所以比率增益（差分輸入電壓）/（共模誤差電壓）將增大。因此cmr理論上直接與增益成比例增加，這是一個非常有用的特性。最后，由于結(jié)構(gòu)上的對稱性，輸入放大器的共模誤差，如果它們跟蹤，將被輸出級的減法器消除。這包括諸如共模抑制隨頻率變換的誤差。 圖3-5 壓力檢測電路3.5鍵盤及顯示電路本案設計中采用三位7段led顯示器，led顯示器是單片機應用中最常用的輸出部件，它是由若干發(fā)光二極管組成，當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)光，不同組合的二極管導通，就能顯示出各種字符。用led是因為它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、光電轉(zhuǎn)換效能高、壽命長的特點。led（發(fā)光二極管）最早出現(xiàn)在

38、19世紀60年代，現(xiàn)在我們可以經(jīng)常在電氣和電子設備上看到這些二極管作為指示燈來用。led就是一種半導體元件，其電氣特性與一般的二極管一樣，區(qū)別在于其在通電狀態(tài)下會發(fā)光。因為發(fā)光二極管是固態(tài)的，因此他可以延長傳感器的使用壽命。因而led一起體積小，可靠性高，耗能低等諸多優(yōu)點在生產(chǎn)生活中得到越來越廣泛的應用。在微型機系統(tǒng)中，led常用的顯示方法有兩種。一種是靜態(tài)顯示，一種是動態(tài)顯示。所謂的靜態(tài)顯示是由單片機一次輸出后就能顯示后就能保持，直到下次送新的顯示模式為止。這種顯示占用機少，顯示可靠；缺點是使用元件多，且線路比較復雜，因而成本比較高。這種顯示器顯示方式的每一個七位顯示器需要一個八位輸出控制。

39、所謂動態(tài)顯示就是單片機定時的對顯示器進行掃描。這種方法中，顯示器件分時工作，每次只能有一個器件顯示，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺到所有的器件都“同時”顯示。這種顯示方法的優(yōu)點是使用硬件少，因而價格低，但占用機時多，只要單片機不執(zhí)行顯示程序，就立刻停止顯示。動態(tài)顯示的亮度與導電電流有關(guān)，也與點亮時間和間隔時間比例有關(guān)。本設計中采用靜態(tài)顯示。 圖3-6 顯示電路 鍵盤在單片機應用系統(tǒng)中是一個很關(guān)鍵的部件，它能實現(xiàn)向單片機系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)、發(fā)送命令等功能，是人工干預單片機的主要手段。為了便于實現(xiàn)各種的控制要求，智能調(diào)節(jié)器必須具備快速設置被控參數(shù)且操作方便，還必須增加鍵盤裝置。鍵盤控制有矩陣式和獨

40、立式兩中。 對于鍵的識別，可以采用程序掃描的方法?？紤]到本設計實際需要的按鍵較少，所以選擇采用獨立式鍵盤接口電路。它是將每個獨立按鍵按一對一的方式直接接到單片機的i/o口上，通過程序掃描查詢方式實現(xiàn)與單片機系統(tǒng)交互的。在程序查詢方式下，通過i/o端口讀入按鍵狀態(tài)，當有按鍵按下時，相應的i/o端口變?yōu)榈碗娖?，而未被按下的按鍵在上拉電阻作用下為高電平，這樣通過讀i/o口的狀態(tài)判斷是否有按鍵按下。 圖3-7鍵盤電路3.6 報警電路設計本系統(tǒng)采用蜂鳴器進行報警,并用兩個led指示燈表示工作狀態(tài)，紅燈亮綠燈滅表示報警;紅燈滅綠燈亮表示正常工作。該部分電路與單片機的接口如圖3-8所示。圖 3-8 報警電路

41、電路由限流電阻r1、三極管q1、兩個二極管和蜂鳴器組成。這個電路并不是一般的放大電路，三極管不是工作在放大狀態(tài)，而是工作在飽和狀態(tài)和截止狀態(tài)。當基極為低電平時，晶體管處于飽和狀態(tài)，飽和電壓為uces=0. 3v，此時，蜂鳴器鳴叫。當基極為高電平時，晶體管截止，相當于開路，輸出為高電平，蜂鳴器停止鳴叫。3.7穩(wěn)壓電源電路設計 78系列三端穩(wěn)壓器是最常見的集成穩(wěn)壓器件。具有過熱，過流，調(diào)整管安全工作區(qū)保護功能。性能優(yōu)良，可靠性搞。同時又由于器件只有三個引腳，所以使用簡單方便，價格低廉，應用廣泛。穩(wěn)壓電源電路如圖 3-9所示，從j1輸入912v的直流電，打上開關(guān)，經(jīng)c1和c2濾波后，加到7805穩(wěn)壓

42、塊的輸入端，再從其輸出端輸出穩(wěn)定的+5v的電壓。因為在本設計中，電路中均采用低功耗的器件，所以穩(wěn)壓塊并不需要加散熱片。此外，由電阻r2和發(fā)光二極管d4組成電源指示電路具有上電指示作用。圖3-9穩(wěn)壓電源電路4 系統(tǒng)軟件設計4.1控制算法研究 由于單片機控制是一種采樣控制，系統(tǒng)中 pid調(diào)節(jié)規(guī)律可通過數(shù)值公式近似計算 11。 4-1） （4-2）由此可得增量式算法公式： （4-3） （4-4）這個計算的過程可用一個簡單的程序來實現(xiàn)。y(t)e(t) 圖4-1控制系統(tǒng)系統(tǒng)4.2系統(tǒng)總流程圖設計 由于模塊化程序的設計，通過調(diào)用程序即可實現(xiàn)所用功能，主程序流程圖如圖4-2所示。寫程序時，調(diào)用程序前即系統(tǒng)

43、運行首要先對系統(tǒng)進行初始化。然后對按鍵進行掃描，對按鍵事件做出相應的反應。接下來看是否有溫度數(shù)據(jù)采集到，如果有就進行a/d采樣及pid處理數(shù)據(jù)，最后所得結(jié)果與設定值比較從而控制繼電器通斷。 開始 系統(tǒng)初始化鍵盤掃描、去抖處理取鍵值鍵值處理是否有采樣數(shù)據(jù)處理a/d轉(zhuǎn)換處理pid計算控制輸出ny 圖4-2 主程序流程圖4.3 溫度和壓力檢測程序流程圖設計 如圖4-3為溫度檢測主程序流程圖，單片機先初始化，啟動a/d轉(zhuǎn)換，等待傳單器接受的檢測數(shù)據(jù)，單片機計算是否接收完畢，如是等待a/d轉(zhuǎn)換，如否返回繼續(xù)等待接收。a/d接收是否完畢，如是計算符合報警條件否，如否則返回。報警檢測如是則啟動報警，如否則顯

44、示結(jié)果。最后返回。y返回a/d轉(zhuǎn)換完畢？符合報警條件？啟動報警輸出結(jié)果單片機初始化啟動a/d轉(zhuǎn)換等待接收檢測數(shù)據(jù) 接收完畢？等待a/d轉(zhuǎn)換nnyyn 圖4-3信號檢測程序流程圖4.4鍵盤輸入子程序流程圖設計圖4-4為鍵盤輸入子程序流程圖，首先開始，是否有鍵閉合，如有跳入二次調(diào)用子程序12ms，如沒有調(diào)用顯示子程序延遲6ms再返回。二次調(diào)用后，是否再有鍵閉合，如有判斷閉合建號-棧，如沒有跳到第一次檢測鍵閉合。再次檢測閉合鍵釋放否，如釋放鍵入鍵號-a，如沒有調(diào)用顯示子程序延遲6ms返回閉合鍵釋放檢測14。最后返回。yn閉合鍵釋放否輸入鍵號a返回調(diào)用子程序延時12ms有鍵閉合否判斷閉合鍵號棧開始有鍵

45、閉合否調(diào)用子程序延時6msnnyy 圖4-4為鍵盤輸入子程序流程圖4.5顯示子程序流程圖圖4-5為顯示子程序流程圖，首先設置串口工作方式，然后設置堆棧指針，取段碼，段碼左移一位，輸出一個一位脈沖，若段碼移位結(jié)束，取斷碼結(jié)束，則結(jié)束。輸出一位移位脈沖yn段碼移位結(jié)束結(jié)束取段碼結(jié)束開始選擇串口工作方式設置地址指針取段碼段碼左移一位輸出一位斷段碼ny 圖4-5顯示子程序流程圖4.6外部中斷程序流程圖如圖4-6所示為外部中斷子程序流程圖，首先要設定外部中段入口，然后關(guān)閉外部中斷，下一步單片機讀取溫度和壓力值，輸出結(jié)果，然后外部開中斷，最后返回。關(guān)外部中斷返回關(guān)外部中斷讀取溫度和壓力值輸出結(jié)果外部中斷入

46、口外部中斷入口 圖4-6外部中斷流程圖5 結(jié)論本設計是基于80c51單片機的鍋爐溫度和壓力控制系統(tǒng)，首先是方案的選擇，這是課程設計的最主要的環(huán)節(jié)。然后進行軟件編程，通過數(shù)據(jù)線連接電腦下載編好的程序，進行調(diào)試。再接下來是添加單元電路，并進行調(diào)試。調(diào)試過程中，遇到不少問題，主要是經(jīng)驗不足，經(jīng)過不停的摸索，問題基本上得到了解決。我也懂得了系統(tǒng)要有良好的控制效果，其前端采集溫度信號需要足夠精確，其次系統(tǒng)的構(gòu)成要簡單實用，實時監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)，并且運用多種算法使得數(shù)據(jù)更為接近真實值。此次系統(tǒng)設計中主要難題為控制系統(tǒng)輸出控制和pid控件，系統(tǒng)pid輸出為模擬信號而該系統(tǒng)的控制對象為一加熱棒，因此一般的執(zhí)行

47、器無法滿足控制需求，而使用普通的觸點式繼電器會因頻繁開關(guān)而產(chǎn)生電弧，可能導致事故發(fā)生。所以在系統(tǒng)執(zhí)行部分選取了ssr固態(tài)繼電器作執(zhí)行部件，從而克服了觸點式繼電器的不足。pid控件的難題在于參數(shù)整定，對于本系統(tǒng)來說參數(shù)整定只能使用經(jīng)驗湊試，而且調(diào)試的時候一定要耐心。本文設計的控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對鍋爐溫度和壓力的全自動化控制，節(jié)省了人力資源，同時添加了報警裝置大大提高了鍋爐使用的安全性，另一方面采用了更為先進的電加熱系統(tǒng)，更節(jié)能，更環(huán)保，更具有有可行性總的來說通過這次設計實驗，學到了很多東西，無論是動手能力，分析問題的能力都得到了提高，重要的是建立了對電子設計興趣。最大的體會還是理論運用到實踐還是有很大差距，理論學得再好到了實際運用的時候還是會出現(xiàn)很多問題，這些問題通過多實踐積累經(jīng)驗可以得到解決。 致 謝 四年的大學生活即將畫上一個句號，而大學畢業(yè)對于我的人生卻只是一個分號，我的人生將開啟另一段征程。在這四年的求學生涯中師長、同窗給與了我最大的幫助，在這個翠綠的季節(jié)我將邁開腳步走向遠方，懷念，思索，長長的問號一個個在求學