毕业设计（论文）-基于单片机的锅炉温度控制系统.doc

（2016届）本科毕业设计（论文）资料题 目 名 称： 基于单片机的 锅炉温度控制系统 学 院（部）： 电气与信息工程学院 专 业： 电子信息 学 生 姓 名： 班 级： 学号 指导教师姓名： 职称 最终评定成绩： 湖南工业大学教务处 2016届本科毕业设计（论文）资料第一部分 毕业论文（2016届）本科毕业设计（论文）学 院（部）： 电气与信息工程学院 专 业： 电子信息 学 生 姓 名： 班 级： 学号 指导教师姓名： 职称 最终评定成绩 2016年5月 湖南工业大学本科毕业设计（论文）摘 要在对锅炉市场进行广泛的数据收集和数据分析之后，针对现下国内外锅炉应用的实际情况，以燃气为加热方式，设计了基于AT89C51单片机的锅炉温度控制系统。利用proteus和Keil u vision4单片机开发环境，对温度信号采集电路，信号转换电路，LCD显示，矩阵键盘电路，声光报警，继电器开关电路，直流稳压电源系统电路和软件程序进行了设计。温度控制系统以AT89C51单片机为核心，利用1mA恒流源驱动热电阻PT100，PT100电压经过差分放大电路后ADC0809实现模/数转换,得到的数字量用单片机的P1口采集。LCD显示当前温度值、下限和上限温度值，通过矩阵键盘更改上下限温度值，在软件中将当前温度值与上下限温度值对比。加热方面，只要温度低于上限温度，燃气一直燃烧进行加热，而温度低于上限温度或高于下限温度时，停止燃气燃烧，红灯报警且蜂鸣器报警。温度识别和温度控制等程序全部由C语言编写，通过proteus对整体和各模块进行仿真调试。关键词：PT100，ADC0809，AT89C51单片机，LCD ABSTRACTOn the basis of the current heating requirement in the case of extensive investigations, combined with the actual needs of the project, according to the characteristics of small domestic gas boilers, this research to AT89C51 as the core, developing a small-scale domestic gas boiler temperature control system .Using Proteus and Keil u vision2 to designed temperature signal acquisition circuit, signal conversion circuit, LCD display, matrix keyboard circuit, sound and light alarm, relay switch circuit, DC power supply systems and software programs. Temperature control system to AT89C51 microcontroller as the core, the use of 10mA constant current source driver RTD PT100, PT100 obtained through the differential amplifier circuit voltage, voltage PT100 realized by the ADC0809 analog / digital conversion, digital obtained using SCM P1 port acquisition. The current temperature, minimum temperature, maximum temperature of simultaneously displayed on the LCD screen. By matrix keyboard can change the upper and lower temperature value, the current temperature value in software and upper and lower temperature contrast value. Heating side, as long as the temperature is lower than the maximum temperature combustion gas has been heated, and the temperature is below the upper limit temperature or higher than the minimum temperature combustion gas is stopped, the red alarming and buzzer alarming. Temperature and temperature control to identify all the procedures written in C language, and overall by proteus simulation debugging modules.Keywords: PT100，ADC0809，AT89C51 microcontroller，LCD湖南工业大学本科毕业设计（论文）目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1课题背景及研究的意义11.2 温度传感技术11.3 系统的总体设计思想2第2章 系统方案设计与论证32.1 系统结构框图32.2 系统性能要求及特点32.3 设计方案论证42.2.1 温度采集方案的论证与比较42.2.2 A/D转换模块设计方案的论证与比较42.2.3 键盘设计方案的论证与比较52.2.4 显示器设计方案的论证与比较52.2.5 电源设计方案的论证与比较52.2.6 软件设计方案的论证与比较6第3章 硬件电路设计73.1 单片机选型73.1.1 AT89C51单片机概述73.1.2 AT89C51单片机引脚功能说明73.1.3 AT89C51单片机内部结构93.2 单片机最小系统103.2.1 单片机时钟电路103.2.2 单片机复位电路113.3 温度信号的获取113.3.1 元件介绍113.3.2 温度信号的获取电路设计123.4 A/D转换模块的电路143.4.1 8位A/D转换芯片ADC0809143.4.2 模数转换电路153.5 键盘电路163.5.1 键盘界面163.5.2 菜单操作173.6 LCD显示173.7 温度控制及报警电路183.7.1 温度控制电路183.7.2 声光报警电路193.8 直流稳压电源电路203.8.1 直流稳压电源电路图203.8.2 LM317介绍203.8.3 工作原理20第4章 系统软件设计224.1 主流程图设计224.2 设置上限温度程序设计224.3 设置下限温度程序设计234.1 键盘扫描程序设计23结 论24参考文献25致 谢26附录1 硬件电路原理图27附录2 总程序30第1章 绪论1.1课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AT89C51单片机为控制核心组成温度控制系统，采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。1.2 温度传感技术 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-200960，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。1.3 系统的总体设计思想 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proteus进行电路原理仿真，最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.实时数据被AT89C51接受，并在芯片进行软件识别后输出到LCD完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。11第2章 系统方案设计与论证2.1 系统结构框图图2.1 系统结构框图2.2 系统性能要求及特点 1. 系统性能要求以AT89C51单片机为核心，搭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0-150度，误差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LCD显示可提供更多信息量。2.3 设计方案论证 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。 2.2.1 温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DS18B20温度被检测到之后，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。DS18B20连接到控制器的线路只需要一条信号线，且用了串行通信，符合现下多数设备的通信标准，使得DS18B20更受欢迎。但是其测温范围仅在-55155摄氏度左右，且编程比较复杂。2. 方案2：恒流源驱动PT100用1mA恒定电流驱动PT100热电阻，将电阻阻值（80.31280.98）经信号调理电路转换成0.82.8V之间的电压信号，ADC0809对该电压信号进行采样。查询PT100分度表可知，在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。PT100铂热电阻工作在1mA电流下，此电流下，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。2.2.2 A/D转换模块设计方案的论证与比较1. 方案1：采用芯片MC14433实现数据采集MC14433利用抗干扰性较好的二次积分原理为转换方式，牺牲转换速率以达到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ADC方案。但其基准电压要求为2V，而2V电压在电子市场上的供应少，对于+5V或+15电源来说，价格要贵许多，同时其BCD码的传输方式输出会极大占用CPU的运行，且它在proteus没有仿真模块，不易于仿真和测试。故不准备采用这种方案。2. 方案2：采用芯片ADC0809实现数据采集模块ADC0809是目前要求精度不是很严格的大多数电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。ADC0809程序设计简单，连接方便，在proteus中具有仿真模型，便于仿真和调试。故采用这种方案。3.1.3 AT89C51单片机内部结构AT89C51的基本结构包括CPU、存储器、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：CPU：8位CPU，主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RAM：共258个存储单元，分为两个部分，低128字节RAM和特殊功能寄存器SFR3。其中低128字节的RAM又被分为00H1FH的工作寄存区、20H2FH的可位寻址区、30H7FH的数据缓冲区。片内ROM：4KB存储空间，可由EA引脚电平决定片内还是片外寻址。定时器/计数器：C51系列包含有两个16位的可编程定时器/计数器分别称为定时器/计数器T0和定时器/计数器T1；它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TMOD和TCON编程或位操作，可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TH1和TH2，开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P0、P1、P2、P3，因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/O口资源紧缺时，可利用串行口传输，极大提高I/O口利用率。在多机通信中，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：C51系统通过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TCON定时器/计数器T0及T1的控制寄存器，SCON串行口控制寄存器，IE中断允许控制寄存器，IP中断优先级控制寄存器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3.2所示。表3.2 AT89C51的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P3.2输入，低电平/下降沿有效，中断求标志为IE0T0000BH定时器/计数器T0溢出中断请求，中断请求标志为TF00013H外部中断1请求，由引脚P3.3输入，低电平/下降沿有效，中断求标志为IE1T1001BH定时器/计数器T1溢出中断请求，中断请求标志位TF1串行口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TI或RI2.2.3 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/O口资源充足时，我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/O口就会紧缺。故不采用这种方案。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44的矩阵键盘完全符合本次设计的需求，只需要8根I/O口线，即可以全部使用P2口控制。故决定采用这种方案。2.2.4 显示器设计方案的论证与比较1. 方案1：采用LED数码管显示器在单片机应用系统中，LED得到很多电子工程师的青睐，即便在目前LCD为显示屏主导的情况下，LED以其特性依然得到重视。但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LED显示，则需要的LED较多，明显不适合本次设计。故不采用这种方案。2. 方案2：采用LCD液晶显示器在较为常用的显示器中，同样大小的LCD比LED能显示的内容更多，且不像LED一样需要复杂的连线，功耗也更低。在本次设计中可以在一块LCD上同时显示当前温度和上下限温度，更便于人机交互。故决定采取该方案。2.2.5 电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，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。2.2.6 软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：C语言程序设计C语言是目前程序设计中应用最广泛的计算机语言。面对时代发展，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，C语言不断发展，极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，C语言最大的优点是其可移植性高。在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C语言编写的程序模块节约了大量的工作时间。更多的时候，在使用一些重复的程序模块时，只要对这些C语言程序模块稍作修改便可立即使用，无需担心处理器的识别问题，现在很多公司都会建立自己的C语言模块库。所以现在C语言是单片机编程的主流语言。故决定采用该方案。第3章 硬件电路设计3.1 单片机选型3.1.1 51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，CPU，输入/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。 89C51单片机则被众多专业人士当作是51系列单片机中的经典设计，所以本次设计选取AT89C51为核心进行学习与研究。3.1.2 AT89C51单片机引脚功能说明AT89C51具有双列直插封装、方形封装、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3.1所示。图3.1 AT89C51引脚结构图1. 电源引脚VCC和GND。VCC接+5V电源，GND接地。2. 外接晶振引脚XTAL1和XTAL2当采用内部时钟方式时，XTAL1和XTAL2两端跨接晶振和电容，并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XTAL1端接通该信号，XTAL2端则悬空放置。3. 复位引脚RST如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. ALE引脚ALE端是单片机的脉冲信号输出端，脉冲的方向为正，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ADC0809提供转换时钟信号。5. EA引脚EA引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+5V的高电平，表示单片机只对片内ROM的0000H0FFFH地址范围读取数据；当需要读取片外ROM中的数据时，在该引脚接低电平，此时片内ROM关闭。6. 输入/输出引脚P0、P1、P2、P3P0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，P0口输出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，P0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。P1口：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。P1口作为普通的输入/输出端口时，先通过程序向输出锁存器写入高电平。CPU可以对P1口进行读引脚操作和读锁存器操作，在读锁存器状态时，P1可以进行“读-修改-写”操作。P2口：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CPU从外部程序存储器取指令和访问外部数据存储器时，P2口输出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。P2口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。P3口：带有内部上拉电阻的8位准双向I/O口双功能端口，在芯片上为2128脚。当它作为第一功能使用时，作为通用I/O口，工作原理与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P3口用于第二功能时，8个引脚可以按位单独定义，如表3.1所示。表3.1 P3口的第二功能引脚第二功能信号功能描述P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.2外部中断0申请P3.3外部中断1申请P3.4T0定时/计数器T0输入P3.5P3.6P3.7T1定时/计数器T1输入外部RAM写选通外部RAM读选通3.2 单片机最小系统3.2.1 单片机时钟电路 AT89C51的时钟信号有两种来源，一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 AT89C51芯片中自带的振荡器输入端XTAL1和XTAL2，构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30pF左右，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333MHz之间。在制作印刷电路板时，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3.2所示。图3.2 时钟电路3.2.2 单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RST口输入两个时钟周期以上高电平信号则单片机复位，等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+5V电源VCC接通，22F电容迅速放电，使RST引脚为高电平；当复位按键弹起后，+5V电源通过1K电阻对22F电容重新，RST引脚端出现正脉冲，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3.3所示。图3.3 复位电路3.3 温度信号的获取3.3.1 元件介绍1. PT100介绍PT100是工业中温度检测设备应用最广泛的铂热电阻，它的测量温度范围为-200+650，阻值随温度正比例变化8。在对PT100的研究和测试中，研发人员测试出了其在每个温度下的阻值，制成PT100分度表。在一些精确度要求高的温度检测设备中，将PT100分度表输入存储器中，按表查询可以得到极为精确的数值，结果的误差极小。对照PT100的分度表我们发现：在温度为0时它的阻值为100，在150时它的阻值约为157.33，在这个过程中，温度每变化1摄氏度，其阻值变化为0.39，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PT100应用方式，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LM324LM324运算放大器芯片内置四个相同的运算放大器，有差动输入特性，大直流电压增益100 dB，符合大多数电子设计的需要。 与其他的标准运算放大器相比，LM324有两个特点，一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3.0V32V，用户和设计者有了大量的供电电源选择；另外一点是LM324可以共模电压供电，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。LM324的引脚图如图3.4所示。图3.4 LM324引脚图LM324是最常用的运算放大器，我们在使用前要熟知它的结构。如图3.4所示，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。3.3.2 温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PT100作为整个系统的起始部分，为PT100提供恒定不变的直流电流。恒流源电路中稳压二极管1N4728A提供3.3V精确稳定电压，输入运算放大器LM324的正相输入端，基准电压源电阻R2为3.3K，输入LM324的反相输入端，对LM324运用“虚短虚断”分析可知，流过PT100的电流必定恒定为1mA，不会因为PT100得阻值变化而变化。1mA电流小，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1mA。恒流源电路如图3.5所示。图3.5 恒流源电路在0100时，1mA电流在PT100上产生的电压为0.100000.13851V的微弱电压信号，差分放大电路对微弱的电压信号放大10倍，方便ADC0809检测以及减弱噪声干扰的影响。根据图3.6所示，这个差分放大电路的电压放大倍数主要由R2，R3，R4控制，而R6，R7，R8，R9，U1B实际为一个减法电路，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PT100放大后输出电压IN0=(V2-V1)(R2+R3+R4)/R3，令R2=450，R3=100，R4=450，即可得到10倍的电压放大倍数。差分放大电路如图3.6所示。图3.6 差分放大电路3.4 A/D转换模块的电路3.4.1 8位A/D转换芯片ADC08091. 主要性能ADC0809带有8个模拟电压输入端口和8位数据缓存输出端口，分时间段内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640KHz，在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100s。2. 引脚功能及芯片内部结构ADC0809芯片为DIP封装，总共28个引脚，其引脚图和内部结构框图分别如图3.7和图3.8所示。图3.7 ADC0809引脚图图3.8 ADC0809内部结构框图从内部结构框图中可以看出，ADC0809由一个通道选择开关、开关树形转换器、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，ADC0809中只有一个A/D转换器进行转换。三态输出锁器作为缓冲区锁存转换后的数字量，用软件从单片机口输入高电平，则ADC0809允许输出三态输出锁存器中的数据。对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下。IN7IN0：8个模拟量输入通道。D7D0：8位转换数据输出端，D0至D7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IN0IN7。Vref（+）、Vref（）：基准参考电压，负电压基准为0V，即Vref（）端口接地，此时正电压基准为典型值+5V。ALE：地址锁存允许信号。ALE检测到上升沿时，A、B、C组成的编码被送入地址锁存器。START：启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。CLK：时钟信号。ADC0809以外部输入的时钟信号作为工作信号，可以在 50800KHz信号下工作。为减小转换时间，提高转换速率，通常使用600KHz左右的时钟信号。EOC：转换结束信号。EOC为低电平表示正在转换，EOC为高电平表示转换结束。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。OE：输出允许信号，高电平有效。单片机通过控制OE信号决定是否要从ADC0809中获取数字量，OE为高电平时，芯片允许D0D7端口输出数据，OE为低电平时，输出端口呈高阻态，不输出任何数据。3.4.2 模数转换电路模数转换电路分为ADC0809芯片和ADC0809时钟电路。ADC0809的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74LS74连接在单片机ALE口进行二分频。ADC0809一般工作在500KHz左右，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6MHz，ALE口输出频率为单片机时钟频率的1/6，再经二分频后，ADC0809便可获得频率为500KHz的时钟频率。ADC0809时钟电路如图3.9所示。图3.9 ADC0809时钟电路3.5 键盘电路3.5.1 键盘界面本次设计采用44行列式键盘。按键分为09的数字键，上限温度键“HIGH”，下限温度键“LOW”，确定键“SURE”，删除键“DEL”，返回键“BACK”，菜单键“MENU”。09数字键用于输入数字，“HIGH”在需要重新设置温度值时按下，“LOW”在需要重新设置温度值时按下，“SURE”确认输入的数字，按下“SURE”后，刚刚输入的温度值成为新的上限或下限温度，“DEL”用于在输入数字时对输入的数值进行修改，按下“BACK”则停止当前操作，返回进入设置前的状态，“MENU”用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3.10所示。图3.10 键盘界面3.5.2 菜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LCD显示屏右上角显示出“（MENU）”，表示进入菜单操作。此时，选择按下“HIGH”键或“LOW”键可以进入设置功能。1.“HIGH”键功能设置上限温度按顺序按下“MENU”键，“HIGH”键，“确定”键后，此时，LCD显示器上上限温度数值部分全部清空，不显示任何数值。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.“LOW”键功能设置下限温度按顺序按下“MENU”键，“LOW”键，“确定”键后，此时，LCD显示器上下限温度数值部分全部清空，不显示任何数值。“LOW”键的功能与“HIGH”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。3.6 LCD显示本次设计的LCD显示器主要显示当前温度“CUR”，下限温度“LOW”，上限温度“HIHG”三个部分。LCD1602显示器可以显示162个字符，完成满足我们的需要。1. 1602模块接口说明见表3.3表3.3 1602模块接口说明表管脚号名称功能描述1VSS电源地2VDD电源电压3VL液晶显示偏压信号4RS数据/命令选择端5R/W读/写选择端67141516ED0D7BLABLK写锁存/读取使能控制数据输入端背光源正极背光源负极2. 基本操作时序（1） 读状态：输入：RS=L，RW=H，E=H输出：D0D7=状态字（2） 写指令：输入：RS=L，RW=L，D0D7=指令码，E=高脉冲输出：无（3） 读数据：输入：RS=H，RW=H，E=H输出：D0D7=数据（4） 写数据：输入：RS=H，RW=L，D0D7=数据，E=高脉冲输出：无3. RAM地址映射图控制器自带808位，共80字节的RAM缓冲区，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3.11所示。图3.11 RAM地址映射图3.7 温度控制及报警电路3.7.1 温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/O口驱动能力有限，不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3.12所示。图3.12 温度控制电路3.7.2 声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/O口，为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+5V电源，这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，+5V直流电压直接加到蜂鸣器上，让蜂鸣器工作。灯光电路和蜂鸣器电路分别如图3.13和图3.14所示。图3.13 灯光电路图3.14 蜂鸣器电路3.8 直流稳压电源电路3.8.1 直流稳压电源电路图如图3.15，电路由变压器，整流桥以及LM317稳压电源电路组成。图3.15 直流稳压电源电路原理图3.8.2 LM317介绍LM317 是NS研发推出的三端集成稳压器，输出电压可调，从1.2V至37V。它有3个端口，分别是电压输入端Vin，电压输出端Vout，控制端ADJ，。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。LM317内主要由两只调整管复合构成的调整管，基准电压电路，比较放大电路以及各种保护电路组成。在LM317电路外接电路中，为了提高三端稳压器的纹波抑制比，可以接入一个1000F以上电解电容和一个0.1F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。LM317还有许多其他的用法，比如在LM317输入输出电压的范围内，通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LM317一般用法的逆应用。3.8.3 工作原理LM317输出电压由固定电阻R1，滑动变阻器（电位器）RP1控制，取滑动变阻器（电位器）RP1的终端阻值为2K。输出电流从Vout端口经R1，RP1接地，流过LM317的ADJ端的电流极小，ADJ端到RP1之间的连接线可以当作开路，令Vout端到地线间电流大小为I，则ADJ端的电位是I*RP1。根据LM317说明书可知，ADJ端和Vout端的电位差固定为1.25V，此时可