锅炉温度控制系统设计方案

1 锅炉温度控制系统设计方案 第 1 章 绪论 题背景及研究的意义 锅炉是工业生产中最常用的能量转换设备之一，它通过转化燃料中的化学能或利用电能转化为内能，成为人们广为依赖的采暖工具。在电锅炉中，利用电阻在通电流状态下发热的原理，通过对电流的大小的控制对温度的控制。由于电流易控制的特点，电锅炉在小型锅炉和精密控温的到使用者的青睐。但是，在大部分城市中，由于国家实行“西气东输”计划，燃气价格为普通人家所接受，经数据统计和计算，燃气锅炉更便宜，比电锅炉应用更受欢迎。 锅炉内温度的稳定是锅炉性能的一项重要指标， 温度过高和温度过低都会给锅炉的稳定运行和生产造成重大的的影响，甚至发生安全事故。温度过高，导致锅炉金属材料和相关部件的超温过热，加速管材金属氧化，降低锅炉和相关部件的使用寿命；温度过低，假定在保持锅炉蒸发量不变的情况下，锅炉的损耗将大幅上升，能源利用率因此下降，而且负荷也将受到限制。所以，限定锅炉在安全温度内成为每一个温度控制系统的核心部分。 随着科技发展，人们对采暖方式和热水方式渐渐发生变化，家用燃气锅炉进入寻常百姓家，但是国内燃气锅炉的开发与应用还处于较落后的阶段，市场上的大多数此类商品还是以国外为主 ，所以燃气锅炉依然有广大市场与研究价值。 本设计以家用燃气锅炉为研究目标，使用 用热电阻感应温度的变化，单片机实现收集数据、处理数据、发送控制命令的功能，从各方面详细的说明单片机在温度控制的应用 。 度传感技术 自工业时代以来，随着大型机械的出现和广泛应用，温度对机械工作性能的影响越来越被人们所重视，对温度的未知可能造成机械损坏或发生重大事故。于是温度传感器便应运而生。温度传感器用在生活的方方面面，从冶金行业到每一个人身边中的一部分，它已经随着时代的 步伐在进步。 目前使用的较为先进的温度传感器是数字传感器。数字传感器的优点是不需要像传统方式一样加入转换部分，利用当今成熟的集成技术，在其内部已经集成了感应温度系统和温度转换系统，尤其是它单端数据输出的功能，极大减少对主 2 控器件端口的占用，是端口资源优化的方法之一。它的数据传输方法是在内部得到具体的温度数据后，利用内部的缓冲器进行缓存，利用主控器件对它发出控制命令进行读取数据，这就是单总线传输，这也是它的最主要的特点。 虽说数字传感器得到广泛应用，但是在工业中仍是大量应用热电阻传感器。因 为数字温度传感器的测温 范围有限，不超过 150，这与工业中经常 200以上的情况显然不合适。热电阻传感器测量温度范围在 60，包含了大多数工业设备的工作温度，至今，仍然有很大的研究与利用价值。 统的总体设计思想 本系统的总体设计思路是，本着精确、可靠、稳定的原则，采用模块化设计，自顶向下构思。根据题目提出的设计任务及性能任务指标，通过理论分析及计算，整体把握，然后再逐步细化，分模块的进行设计，期间辅以电路仿真软件 后进行各模块的组合以完成整个系统的设计任务。通过查阅资料与借 鉴，此次设计决定用一个多功能键盘实现诸多的设置作用和信息输入，单片机进行自动调节。用恒流源驱动热电阻，通过模 /数转换对热电阻的电压实现精确的模拟量到数字量的转换 受，并在芯片进行软件识别后输出到 成对当前温度值的显示。同时，考虑到系统驱动电源，芯片的电源等要求，添加了可调线性直流稳压电源。 3 第 2 章 系统方案设计与论证 统结构框图 图 系统结构框图 统性能要求及特点 1. 系统性能要求 以 配合理的人机互动界 面，设计一个锅炉温度控制系统。该系统具有自动调节和手动设置功能，通过操作界面调节，并能显示温度和上下限温度，且具有历史记录功能。 （ 1）控制温度在 0差 1度； （ 2）工作形式有手动、自动工作形式，手动形式用于控制系统调试，自动形式用控制系统正常运行；热电偶选型要合理； （ 3）当系统发生某种不良情况导致控制失灵时，控制系统具有报警功能； （ 4）设计和仿真方案合理，最后得到的数据和结果真实可靠。 2. 系统特点 根据上述要求可以总结出，该系统要求有较高的测温准确精度，能即时反映现下的温度值，并且具 有手动可调功能。通过手动调节，控制锅炉内的温度，也可以在设置后，让锅炉实现智能温控。同时，我们可以结合现实生活中一些锅炉或机械情况，使用矩阵键盘操作更灵活，用 示可提供更多信息量。 A T 8 9 C 5 1温 度 采 集A / D 转 换L C D 显 示按 键直 流 电 源温 度 控 制 及 报 警 4 计方案论证 设计一个实用的电子应用系统，首先必须考虑该系统需要实现的功能，其次要考虑设计成本，接着要考虑其可靠性和可维护性，最后揉合以上因数，力求该系统具有较高的性价比。因此，我们对此次设计进行了多方面的论证与分析。 度采集方案的论证与比较 1. 方案 1：采用单总线数字温度传感器 度被检测到之后，在该传感器内部直接进行处理，得出相应的数据，缓存在芯片的缓冲区，等待传输。 用了串行通信，符合现下多数设备的通信标准，使得 是其测温范围仅在 55摄氏度左右，且编程比较复杂。 2. 方案 2：恒流源驱动 1电阻阻值（ 经信号调理电路转换成 间的电压信号， 该电压信号进行采样。查询 0100摄氏度以内，其阻值依线性缓缓上升，因此，在软件内部建立线性方程可算出被测温度值。 电流下，铂热电阻不会因为电流流过发生的自热会引起测量误差。因为电流恒定，无论电阻值大小都不会引起自热发生的测量误差，温度变化时铂热电阻值变化，根据欧姆定律，电压是电阻和电流的乘积，由于电流恒定不变，电压随电阻线性变化。该方案得到了广泛应用，借鉴性高，实用性强，决定采取该方案。 ：采用芯片 牲转换速率以达到 1/1999的分辨率，相当于 11位二进制转换精度，是性价比较高的模数转换芯片。在速度要求不高的场合，是首选的 案。但其基准电压要求为 2V，而 2于 +515电源来说，价格要贵许多，同时其 它在 易于仿真和测试。故不准备采用这种方案。 2. 方案 2：采用芯片 子设计产品中的通用模数转换器件。它通过逐次逼近的方式，对模拟电压进行分阶段性的比较，比较得出的8 位数据作为数字量，实现模数转换。 8 位数字量锁存在芯片内的三态输出锁存器，单片机通过发送控制信号决定是否获取数据。 接方便，在 于仿真和调试。故采用这种方案。 5 片机内部结构 储器、 I/O 口、定时器 /计数器、中断系统、时钟电路等。接下来我们选取基本结构中的重要部分进行详细介绍： 8位 要用来完成算数和逻辑运算，是单片机中最重要的部分。 片内 258 个存储单元，分为两个部分，低 128字节 。其中低 128字节的 0H120H230H7 片内 4由 定时器 /计数器： 列包含有两个 16 位的可编程定时器 /计数器分别称为定时器 /计数器 定时器 /计数器 们都具有定时器工作模式和计数器工作模式，对控制寄存器 以选择工作模式和工作方式。定时器 /计数器的核心是 2 个 8 位的特殊功能寄存器 启定时或计数功能后，在这两个寄存器内每过一个时钟周期就进行一次加“ 1”，计数对外部脉冲加 1计数，定时则设定计数次数获得定时时间。在单片机设计中，定时和计数功能的开启，定时的时间，计数的数目都由软件进行设定。 并行 I/O 口：共 4 个 8 位的双向 I/O 口，即 此数据可以用并行数据的方式与单片机进行数据传输 4。 串行口：一个全双工的串行口，用于单片机与其他设备之间的串行数据 发送和接收，当 I/利用串行口传输，极大提高 I/多机通信中，串行口被用于异步通信，实现多机信息间的交流和控制 5。 中断控制系统： 统通过 4 个特殊功能寄存器中的各标志位置“ 1”或清零操作来实现各种中断控制功能，分别为 时器 /计数器 1 的控制寄存器， 6。在单片机中，中断申请只能单个响应，所以要依据自己的设计要求对中断源进行优先级排列。中断系统分为外部中断和内部中断，共 5个中断源，如表 表 中断源 中断源 中断入口地址 说明 0003H 外部中断 0 请求，由引脚 入，低电平 /下降沿有效，中断求标志为 0 000时器 /计数器 出中断请求，中断请求标志为 0013H 外部中断 1 请求，由引脚 入，低电平 /下降沿有效，中断求标志为 6 01时器 /计数器 出中断请求，中断请求标志位 行口 0023H 串行口中断请求，当串行口完成一帧数据的发送或接受一帧数据时请求中断，中断请求标志为 键盘设计方案的论证与比较 1. 方案 1：采用独立式按键 在单片机外围电路设计中，当 I/们通常选择独立式按键。因为独立式按键基本不需要占用程序实行，在需要不断需要检测按键有效性的程序中，省却许多的检测时间。独立式按键的使用也很简单，往往一个功能配一个键。但是，一旦项目中需要按键实现大量的功能，比如在本次设计中需要数字键和其它功能键，如果采用独立式键盘， I/ 不采用这种方案。 2. 方案 2：采用矩阵键盘 在大部分机械中，要求输入的内容与信息不仅仅是简单的控制信号，在这种需要按键较多的情况下，通常采用矩阵键盘。在本设计中，根据功能来说，需要09 的数字按键 10 个，上下限温度功能键 2 个，确定、删除、返回、菜单功能按键共 4个，总共 16 个按键。使用 4 4的矩阵键盘完全符合本次设计的需求，只需要 8根 I/可以全部使用 决定采用这种方案。 示器设计方案的论证与比较 1. 方案 1：采用 在单片机应用系统中， 程师的青睐，即便在目前 是在本次设计中不止要显示当前温度，而且要显示出上下限温度，需要显示的字符较多，如果使用 需要的 显不适合本次设计。故不采用这种方案。 2. 方案 2：采用 在较为常用的显示器中，同样大小的 不像耗也更低。在本次设计中可以在一块 便于人机交互。故决定采取该方案。 源设计方案的论证与 比较 1. 方案 1：采用开关型稳压电源 开关型稳压电源利用三极管的开关特性，相比传统电源，在电源的节能和效率方面得到了很大的提高；适应市电变化能力强；输出电压可调范围宽；在需要多组级别不同的电压时，更节省硬件设施。但是开关型稳压电源的电路组成复杂， 7 调节困难，而且本次设计暂时可以忽略电源功耗的影响。故不采取这种方案。 2. 方案 2： 采用线性稳压电源 线性稳压电源具备机能靠得住、布局简略、调理便利、输出电压稳定性强、纹波小等长处，在电路中得以广泛应用。在多数设计中都有涉及，已经积累了大量的经验，我们可以更好的 借鉴，上手快。因此，决定采用这种方案。 件设计方案的论证与比较 1. 方案 1：汇编语言设计 汇编语言是一种直接面向处理器，普遍用于底层模块程序设计的程序设计语言。处理器通过指令集对自身的各种信号和硬件系统进行控制，利用信号控制对其内部的工作状态进行调试，或发出指令命令外围器件工作。 除了机器语言之外，汇编语言是最接近单片机硬件的程序设计语言，也因此它的指令单片机很容易执行和识别，占用的资源少。机器语言编写繁杂，不易人工识别和修改，汇编语言成为一些稳定性要求高的系统程序编译时的唯一选择。学习汇编 语言必须学习熟知单片机内各个硬件模块，其中包括中断管理，模拟 /数字量的输入 /输出等模块，多数相关人士认为是学习单片机首先应该学会的编程语言。在一些学校教学中，将汇编语言作为唯一的单片机教学语言。 指令集一般具有唯一性，处理器通常只能使用自己的指令集。也就是说，当我们将某一处理器的汇编程序下载到另外一个不同的处理器上进行操作时，这台处理器将不能正常工作，这时我们必须依据这台处理器的指令集对程序进行修改。同时从工作量来看，为了合理调用硬件资源，编程繁杂，在出现问题时难以找到错误，设计者要花费大量时间，不方便阅读 和拓展。故不准备采取该方案。 2. 方案 2： 对时代发展，在程序设计已不仅仅只是简单的语言表达，在设计中，我们需要许多的运算符，运用不同的数据类型，希望能得到简洁的操作方式。自 19世纪 70年代以来， 大满足了程序设计人员的需要，在各个领域使用广泛。 对单片机而言， 强调资源共享的信息时代，不可能每一次设计都要全部编写整个程序，这时由 多的时候，在使用一些重复 的程序模块时，只要对这些 需担心处理器的识别问题，现在很多公司都会建立自己的 以现在 决定采用该方案。 8 第 3 章 硬件电路设计 片机选型 1 系列单片机 概述 51 系列单片机 由英特尔公司在上世纪 80 年代推出，在 90 年代成为许多测控系统的主流控制芯片。在芯片内集成了程序存储器，数据存储器， 入 /输出端口等硬件模块，基本具备一台计算机的运行条件。直至今日，一些控制系统仍然会参考 51系列单片机的微结构 和控制方式。 虽然现在有越来越多的专用控制芯片已经做得非常好，在某方面的性能已经超过了 51单片机，但是 51单片机的多功能和稳定性，高性能等特点依然是大多数专用控制芯片不可比拟的。 891 系列单片机中的经典设计，所以本次设计选取 核心进行学习与研究。 片机引脚功能说明 形封装、扁平封装三种封装形式。在此次设计采用的是双列直插封装，该封装具有 40 条引脚，包括电源和接地引脚、 2 条外接晶振的引脚、 4 条控 制功能的引脚、 32 条输入 /输出端口引脚 1。双列直插封装如图 图 脚结构图 1. 电源引脚 5 9 2. 外接晶振引脚 采用内部时钟方式时， 利用芯片内部的振荡器，共同构成时钟发生电路，该时钟作为单片机时钟信号。 外部时钟方式一般只有在采用特殊频率的时钟信号时使用，此时将 则悬空放置。 3. 复位引脚 果单片机检测到该引脚在两个单片机时 钟周期以内都为高电平，则系统确定为复位操作并对芯片内部的各地址、指针、寄存器进行复位。 4. 冲的方向为正，可以为外围需要高频率脉冲的电子器件提供信号，频率大小为单片机工作的时钟频率的 1/6。在此次设计中，该引脚为 供转换时钟信号。 5. 脚是片外程序存储器访问允许控制信号输入端。在一般性设计中，直接给该引脚接 +5示单片机只对片内 000H0需要读取片外 该引脚接低电平，此 时片内 6. 输入 /输出引脚 0 口： 8 位漏极开路的双向输入 /输出端口，在芯片上为 3239 引脚。单片机扩展外部存储器和输入 /输出端口芯片时， 输出 8位数据作为低 8位地址或数据 2。作为通用输入 /输出端口时，不同于其它的输入 /输出端口， 内没有上拉电阻，属于开漏电路，在使用过程中要外接上拉电阻，确保输出的电平为高电平。 ：带有内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口，在芯片上为 18 引脚。 输出端口时，先通过程序向输出锁存器写入高电平。 以对 读锁存器状态时， 写”操作。 ：带有内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口，在芯片上为 2128 脚。当外部程序存储器取指令和访问外部数据存储器时， 输出 16 位地址中的高 8 位的地址，由控制信号控制内部转换开关来实现。 最普遍的应用还是作为普通的输入 /输出端口，外接外部设备，接收数据或发送数据。 有内部上拉电阻的 8位准双向 I/芯片上为 2128脚。当它作为第一功能使用时，作为通用 I/作原理与 2口基 本相同。 最常用的用法是它的第二功能。在提供这些功能时，相应的锁存器应由内部硬件自动置 1，输出电平可由程序决定。当 8个引 10 脚可以按位单独定义，如表 表 的第二功能 引脚 第二功能信号 功能描述 行数据接收 行数据发送 外部中断 0 申请 外部中断 1 申请 0 定时 /计数器 入 1 定时 /计数器 入 外部 选通 外部 选通 片机最小系统 片机时钟电路 种来源是利用芯片本身自带的振荡电路，辅以外围器件来产生时钟信号；另一种来源是时钟信号完全由外部的信号提供，内部振荡器，这种情况一般不常用。在此次设计中使用第一种来源方式。 晶体振荡器和电容并联接地后，跨接到 片中自 带的振荡器输入端 成自激振荡器并产生的脉冲信号作为单片机运行的时钟信号7。外接晶振的电容通常选择为 30右，这两个电容对时钟频率具有微调作用，晶振的频率范围可在 333制作印刷电路板时，为了减少寄生电容，建议采用瓷片电容并将晶体振荡器和微调电容分布在单片机芯片左右。时钟电路如图 图 时钟电路 片机复位电路 单片机复位电路的主要功能是对单片机内部资源进行初始化，在需要复位时，在 待高电平变为低电平则复位结束，在设计中一般采取上电方式或手动方式复位。 本次设计采用手动复位，当复位按键按下后，复位端通过 200小电阻与 +5C 1C 2X T A L 1X T A L 2 11 电源 22 复位按键弹起后，+52 脚端出现正脉冲，即复位所需的高电平，该脉冲持续时间仅为几个机器周期。复位电路如图 图 复位电路 度信号的获取 件介绍 1. 用最广泛的铂热电阻，它的测量温度范围为+650， 阻值随温度正比例变化 8。在对 研究和测试中，研发人员测试出了其在每个温度下的阻值，制成 度表。在一些精确度要求高的温度检测设备中，将 表查询可以得到极为精确的数值，结果的误差极小。 对照 在温度为 0 时它的阻值为 100 ，在 150时它的阻值约为 在这个过程中，温度每变化 1 摄氏度，其阻值变化为 因此，可以根据这个特性建立一个线性方程而不需要逐 个输入分度表数据进行检索。这是一种简单实用的 用方式，只需要在软件中设置算法，即可根据算法快速算出结果，相对于检索方式，节省硬件资源，运行速度也更快，此次设计就是采用此方法。 2. 运算放大器 差动输入特性，大直流电压增益 100 合大多数电子设计的需要。 与其他的标准运算放大器相比， 是在单电源供电情况下其较宽的工作电压范围，其工作电压范围为 2V，用户和设计者有了大量的供电电源选择；另外一点是 u 2 0 0 R 21 D 12 以共模电压供电，电压值为 16V，这样供电的好处显而易见，不需要每一次使用时都采用外部偏置元件，可根据实际情况或设计需求确定。 图 脚图 们在使用前要熟知它的结构。如图 1、 2、 3脚是一组， 5、 6、 7脚是一组， 8、 9、 10脚是一组， 12、 13、 14脚是一组，剩下的两个脚是电源， 2、 3， 5、 6， 9、 10， 12、 13是各个放大器的输入脚，其它引脚为输出脚。 度信号 的获取电路设计 温度信号的获取电路分为恒流源电路和差分放大电路。 恒流源电路负责驱动 流源电路中稳压二极管 1供 确稳定电压，输入运算放大器 正相输入端，基准电压源电阻 入 用“虚短虚断”分析可知，流过 会因为 阻值变化而变化。 1流小，流过热电阻基本不产生热量，排除干扰因数，故恒流源大小为 1流源电路如 图 13 图 恒流源电路 在 0100时， 1流在 微弱电压信号，差分放大电路对微弱的电压信号放大 10 倍，方便 测以及减弱噪声干扰的影响。根据图 个差分放大电路的电压放大倍数主要由 制，而 际为一个减法电路，对运算放大器运用“虚短虚断”的方法进行分析后可知，最终得到 3+ 50 ， 00 ， 50 ，即可得到 10倍的电压放大倍数。差分放大电路如图 图 差分放大电路 ，分时间段内 14 对选定的模拟电压进行转换。它以逐次逼近式的方法将模拟量与基准电压比较得出 8位数字量 9。最大失调误差小于 1个最低有效位；典型时钟频率为 640 6677个典型时钟脉冲内 即可完成对其中任意通道模拟量的转换，约 100 s。 2. 引脚功能及芯片内部结构 片为 装，总共 28 个引脚，其引脚图和内部结构框图分别如图 图 脚图 图 部结构框图 从内部结构框图中可以看出， 关树形转换器、 8位锁存和三态门及通道地址锁存译码器等组成。通道开关控制 8个模拟通道，限定 8路模拟量不在同一时间输入，避免发生信号混叠， 。三态输出锁器作为缓冲区锁存转换后的数字量，用软件 15 从单片机口输入高电平，则 对 8个模拟量输入通道。 0： 8位转换数据输出端， 7由低到高。为三态缓存输出形式，能够直接与单片机的 I/O 口接通。 A、 B、 C：地址线。通道端口选择线，编码从 000111，分别对应 +）、 ）：基准参考电压，负电压基准为 0V，即 ）端口接地，此时正电压基准为典型值 +5V。 址锁存允许信号。 A、 B、 动和复位双功能端口。在每次转换开始前，端口先接上升沿对芯片复位，再变为下降沿启动转换且保持低电平至下一次转换开始。 钟信号。 外部输入的时钟信号作为工作信号，可以在 50800号下工作。为减小转换时间，提高转换速率，通常使用 600右的时钟信号。 换结束信号。 既可将其连接到外部中断口作为中断请求信号，又可用程序查询的方法检测转换是否结束。 出允许信号，高电平有效。单片机通过控制 号决定是否要从获取数字量， 高电平时，芯片允许 7 端口输出数据， 低电平时，输出端口呈高阻态，不输出任何数据。 数转换电路 模数转换电路分为 钟电路。 时钟来源可以有两种方法。一种方法是利用单片机的定时 /计数器功能产生一定频率的脉冲信号，另一种方法是利用 D 触发器 74接在单片机 进行二分频。 般工作在 500右，定时器不能满足需要，只能采用第二种方法获取时钟信号。 当单片机的时钟频率为 6，再经二分频后， 可获得频率为 500时钟频率。 16 图 钟电路 盘电路 盘界面 本次设计采用 4 4行列式键盘。按键分为 09的数字键，上限温度键“ 下限温度键“ 确定键“ 删除键“ 返回键“ 菜单键“ 09 数字键用于输入数字，“ 需要重新设置温度值时按下，“ 需要重新设置温度值时按下，“ 认输入的数字，按下“ ，刚刚输入的温度值成为新的上限或下限温度，“ 于在输入数字时对输入的数值进行修改，按下“ 停止当前操作，返回进入设置前的状态，“ 于需要进行修改上下限温度时进入菜单程序 10。这样的设计结合了实际情况，借鉴现下较为实用的大型机械操作键盘界面，符合大多数人的操作习惯。键盘界面如图 。 图 键盘界面 17 单操作 菜单操作包括修改上限温度和修改下限温度，按下菜单键后，在 示屏右上角显示出“（ ，表示进入菜单操作。此时，选择按下“ 键或 “ 可以进入设置功能。 1.“ 键功能 设置上限温度 按顺序按下“ ，“ ，“确定”键后，此时， 显示任何数值。上限温度可输入最大三位数的温度，输入超过三位数则自动退出菜单操作。输入温度值以 0开头或未输入任何值时按下“ 确定”键，同样退出菜单操作。输入正确的数值，再按下“确定”键，即可看到系统退出菜单操作，同时将输入的新数值设定为上限温度。“删除”键帮助操作者在输入过程中出错时进行修改，增加操作的灵活性。 2.“ 功能 设置下限温度 按顺序按下“ ，“ ，“确定”键后，此时， 示器上下限温度数值部分全部清空，不显示任何数值。“ 的功能与“ 键功能基本相同，差别在于下限温度值只允许设置两位数，鉴于下限温度不会要求太高，所以两位数已经足够。 示 本次设计的 示器主要显示当前温度“ 下限温度“ 上限温度“ 个部分。 6 2个字符，完成满足我们的需要。 1. 1602模块接口说明见表 1602 模块接口说明表 管脚号 名称 功能描述 1 源地 2 源电压 3 晶显示 偏压信号 4 据 /命令选择端 5 R/W 读 /写选择端 6 714 15 16 E 7 锁存 /读取使能控制 数据输入端 背光源正极 背光源负极 18 2. 基本操作时序 （ 1） 读状态：输入： ， ， E=H 输出： 7=状态字 （ 2） 写指令：输入： ， ， 7=指令码， E=高脉冲 输出：无 （ 3） 读数据：输入： ， ， E=H 输出： 7=数据 （ 4） 写数据：输入： ， ， 7=数据， E=高脉冲 输出：无 3. 控制器自带 80 8 位，共 80 字节的 冲区，显示区域分为上下两行每行显示 16 字节，其余区域可同时存储数据，发送控制命令可显示隐藏数据 11。如图 图 址映 射图 度控制及报警电路 度控制电路 该温度控制电路主要器件为光电离合器和继电器。 许多大功率设备在开关过程中会产生强电磁干扰，可能会造成系统的误动作或损坏，为避免这种干扰，研发人员利用光信号不受电磁干扰的特性，将一个发光二极管和一个光敏三极管组合在一起，有效地隔离了电磁信号，这种器件便是光电隔离器。 在本次设计中，通过继电器开关实现燃气开关的功能，继电器的开关状态决定燃气燃烧与否，从而实现温度调节。但由于单片机的 I/足以驱动大功率开关及设备，如继电器、电机、电炉等 ，所以在输出通道端口必须配接输出驱动电路，具体温度控制电路如图 0 0 H 0 2 H 1 0 H 2 7 H 4 1 H 4 2 H 5 0 字 2 行 . . 19 图 温度控制电路 光报警电路 报警电路分为蜂鸣器报警和灯光报警两个部分。 当前温度低于下限温度或上限温度时，红灯亮且蜂鸣器报警，当前温度在上下限温度内，绿灯亮。由于端口有限，可以将红灯和绿灯共接到一个单片机 I/实现绿灯和红灯不同时亮的情况，在绿灯端接地，而在红灯一端接 +5样做可以仅使用一个电平信号控制两个灯的亮灭。 蜂鸣器的开启电压为 +5V，这里暂不考虑冲击电流带来的影响，仅以直流电让蜂鸣器发出报警声。简单的利用三极管的开关作用，在单片机端口输出低电平时，三极管处于饱和状态，此时三极管相当于短路， +5蜂鸣器工作。 灯光电路和蜂鸣器电路分别如图 图 灯光电路 图 鸣器电路 20 流稳压电源电路 流稳压电源电路图 如图 路由变压器，整流桥以及 压电源电路组成。 图 直流稳压电源电路原理图 绍 出电压可调，从 37V。它有 3 个端口，分别是电压输入端 压输出端 制端 它的线性调整率极好，因此只需在外接一个固定电阻和一个滑动变阻器构成分压电路，即可得到想要的电压值 12。 准电压电路，比较放大电路以及各种保护电路组成。在 了提高三端稳压器的纹波抑制比，可以接入一个 1000 非极性电容，这两个电容器构成滤波电路，进一步稳定输出电 压，尤其是对电源性能要求较高的基准电源 13。 如在 过悬浮在一个高电压上，即可通过一个小电压控制大电压，是 作原理 1，滑动变阻器 （电位器） 滑动变阻器（电位器） 输出电流从 1， 地，流过 电流极小， 间的连接线可以当作开路 ，令， 则 电位是 I*据 时可以求出输出电压的大小： 1 （ 电阻 在 脚和 脚之间，所以电阻 的电压为 求得 电流 I： 1R/ （ 1 3 . 7 5 1 . 2 5 / R 1 ） （ 2 20 V / 15 1 12 0u / 50 v+ u/ 5 0 11 21 N 212A C 22 0C O N 2 + u / 50 VV i n V ou 31 71 最终从公式（ 以看出，调节滑动变 阻器（电位器） 可在适当范围内得到我们需要的输出电压。 本次设计取值 00 ， 由公式（ 知，输出电压可以在 间选择。 注意：由于 工作过程中不断散热，因此为预防其因温度过高烧坏，在焊接实物时需要紧贴其焊接一个散热片辅助散热，同时，不能将电解电容等易受热爆炸的电子器件焊接在附近。 22 第 4 章 系统软件设计 流程图设计 主流程图如图 示。整个流程大体分为四个部分，即按键扫 描，读取当前温度数值，当前温度与上下限温度值比较，响应。主流程图非常简单，所以主流程图之后会对各个模块细致解析。 图 主流程图 置上限温度程序设计 设置上限温度值程序流程图如图 图 设置上限温度值程序流程图 开 始初 始 化扫 描 键 盘读 取 当 前 温 度 值温 度 值 比 较响 应入 口按 键 扫 描有 键 按 下 ？数 字 键 删 除 键 确 定 键 返 回 键 其 它 键输 入 数 字 删 除 上 一 位 数 字 检 测 输 入 数 字 的 有 效 性 返 回 默 认 状 态有 效 ？返 回 入 的 数 字 给 到上 限 温 度 值 23 置下限温度程序设计 设置下限温度的流程与设置上限温度的流程基本相同，如图 图 设置下限温度值程序流程图 盘扫描程序设计 键盘扫描程序流程图如图 图 键盘扫描程序流程图入 口按 键 扫 描有 键 按 下 ？数 字 键 删 除 键 确 定 键 返 回 键 其 它 键输 入 数 字 删 除 上 一 位 数 字检 查 输 入 的 下 限 温 度 是否 超 过 两 位 数返 回 默 认 状 态有 效 ？返 回 入 的 数 字 给 到下 限 温 度 值入 口扫 描 一 行扫 描 一 列该 行 该 列 是 否 有 键 按 下 ？4 列 扫 描 完 ？扫 描 下 一 行4 行 全 部 扫 描 完 ？返 回 0 x f f 表 示 无 键 按 下扫 描 下 一 行延 时 消 抖再 次 扫 描 原 列扫 描 下 一 列与 原 扫 描 值 相 符 ？按 键 释 放 ？根 据 行 列 号 求 键 值返 回扫 描 下 一 列4 结 论 本次研究利用 电阻在不同温度下有不同阻值的特性，通过恒流源和差分放大电路后得到变化的电压，经 换后将数据输入单片机，用单片机进行分析数据和控制显示、开关、报警等一系列操作，而且键盘的多个按键功能增加了人机互动的灵活性，可以更加方便的控制实时温度。经过多次的修改和调试，基本达到本次设计的要求。 通过参考许多单片机温度控制系统的文章和文献资料，此次设计的优点在于多功能的键盘操作。在多数相关资料中，基本采用独立键盘，往往只设置 46个按键。独立键盘虽然操作简单，但是缺点就是其太 过简单，在调节温度值时，如果仅仅是小范围调节便无关紧要，但是一旦要进行幅度较大的调节就必须不断按键，相当麻烦，给操作者带来极大的不变。 此次设计的键盘设置有数字键和功能键，通过程序控制，即便输入错误或要临时更改，也不会花费太多的布置。其不仅可以在更改数值方面带来很大的便利，而且完全将各功能在软件中隔开，在误触其他键时单片机会产生提示或进行一些操作，防止了误触而带来的麻烦。 受软硬件限制，此次设计也存在一定的误差。由于此次设计是以仿真为主，所以选用的器件都是在 然这样有 利于调试和修改，但是也因为元件精度限制带来误差。 分辨率为 每当温度变化 1 摄氏度， 阻值变化 姆，差分放大后该变量转变为 之前提到的 辨率可知，只有温度变化三度时， 然在软件中构建了线性计算减弱误差的影响，但还是存在一定的误差。在现实设计中，选用较高的分辨率的模/数转换器件，可以将误差变得更小。 25 参考文献 1 欧伟明单片机原理与应用系统设计 M北京：电子工 业出版社，2009:202 丁殿来 片微型计算机原理与应用 (第三讲 )J中州煤炭 ,1988,01:323 曲全鹏基于