集中供暖电气控制系统的设计.pdf

咨询 更多资料请加 971920800 qq 目 录 摘要1 关键词1 1 前言2 1.1 课题背景和意义2 1.2 设计方案的可行性3 1.3 课题内容概述3 2 系统总体方案4 2.1 系统结构 4 2.2 方案总体设计框图4 2.3 模块方案设计的选择6 2.3.1 单片机的选择6 2.3.2 温度检测方案选择6 2.3.3 流量检测方案设计7 2.3.4 压力检测方案设计7 2.3.5 键盘显示电路方案设计7 2.3.6 射频卡接收电路方案设计8 2.3.7 报警电路方案设计8 2.3.8 存储电路与时钟电路方案设计8 2.3.9 阀门及驱动控制电路方案设计9 2.3.10 通信电路方案设计9 3 硬件电路设计10 3.1 单片机 w77e5810 3.1.1 单片机 w77e58 引脚功能10 3.1.2 单片机 w77e58 复位电路12 3.2 温度检测电路的设计13 3.2.1 ds18b20 的外形和内部结构13 咨询 更多资料请加 971920800 qq 3.2.2 温度传感器与单片机的接口电路14 3.3 a/d 转换电路的设计14 3.3.1 tlc2543 的介绍14 3.3.2 a/d 转换工作原理15 3.3.3 3.3v 的基准电源15 3.4 流量检测电路的设计16 3.4.1 zrn-lug 涡街流量计16 3.4.2 检测电路工作原理16 3.5 压力检测电路的设计17 3.5.1 压力传感器17 3.5.2 压力检测电路的工作原理17 3.6 键盘显示电路的设计18 3.6.1 键盘部分18 3.6.2 显示部分19 3.6.3 键盘显示的借口电路20 3.7 射频卡接收电路的设计21 3.8 报警电路的设计22 3.9 存储电路与时钟电路的设计22 3.9.1 存储芯片22 3.9.2 时钟芯片23 3.9.3 存储电路与时钟电路原理图23 3.10 驱动控制电路的设计23 3.10.1 电磁阀的驱动控制电路23 3.10.2 电动阀的驱动控制电路24 3.11 通信电路的设计27 3.12 电源电路的设计28 3.12.1 +5v 电源29 3.12.2 +12v 电源29 4 软件设计29 咨询 更多资料请加 971920800 qq 4.1 主程序设计29 4.2 温度子程序设计31 4.2.1 读出温度子程序31 4.2.2 温度转换命令子程序32 4.3 电气量测量部分程序设计33 4.4 显示数据刷新程序设计33 4.5 键盘子程序设计33 4.6 中断服务程序设计35 5 结论36 参考文献 37 致谢 38 附录39 1 集中供暖电气控制系统的设计集中供暖电气控制系统的设计 摘 要：随着人民生活水平的提高, 工作节奏的加快,使得集中供暖在全国大部分地区,特别 是各大中城市的小区之中,逐步发展了起来在新时代背景下的小区住户, 对小区供暖系统的设计提 出了人性化、智能化、数字化以及高能低耗等更全面的要求。 本设计采用 77e58 单片机作为控制装置的核心，实现整个装置的自动化控制。一方面硬件设计 中论述了控制器中基本模块比方说温度检测电路所需的 ds18b20、扩展 i/o 口所用的 8255 以及变 流器所用的 ad694 等芯片的型号以及功能介绍。重点阐述了单片机的工作原理、与各个功能之间的 接口、 扩展、 数据传递、 通信协议以及驱动。 另一方面软件设计中论述了实现各个功能所需的流程。 该系统采用单片机检测传感器、电阀等相结合，有效地监控了小区的供暖系统。 关键词：供暖；智能控制；温度；射频卡； the design of central heating electrical control system abstract：with the improvement of peoples living standard, the accelerating pace of work, the central heating system in most parts of the country, especially big cities, is more and more important. the progressive development of the residential households demands the district heating system meets the requirements of intelligent, digital and energy effective. this design uses the 77e58 single chip microcomputer as the core control device, realized the control with automation. the design of the hardware discussed the basic module controller such as temperature detection circuit for ds18b20, i/o expansion port with 8255 and used the ad694 chip for the converter. expounded the principle and functions of the interfaces between extension, data transmission, communication protocol and the hard drive. on the other hand, software design discussed the realization of the various functional processes needed. the system uses singlechip microcomputer detecting sensor, electric valve combination, controls the district heating system effectively. key words: heating；intelligent control；temperature；radio frequency card 2 1 前言 1.1 课题的前景和意义 随着社会能源问题日益引起社会关注, 各行业都在设法节能, 我国北方的供热行 业也不例外。随着城镇供热体制改革的推进, 停止福利供热, 实行用热商品化, 推行供 热分户计量是必然趋势。 这要求供热公司提供高质量的供暖, 使用小区供暖式能自主控 制室温, 不仅可以降低热费, 而且可实现供热系统的节能。 集中供暖具有管理方便、热源效率高、环境污染小等许多优点。但也存在很多问 题，最突出的是节能与收费的问题。因为供暖是按面积收取的，不是按采暖量，再加 上没有一种装置自动控制供热管道、自动调节室内温度，人工开启、关闭阀门又过于 麻烦，所以大多采取开窗通风的方式来降低室内温度，使热能白白浪费掉了；还有， 白天大多数家庭成员或是上班，或是上学，家里没人，但暖气还照常开着，也浪费了 很多能源。浪费热能，其实就是浪费了用于供暖的煤炭资源。我们萌发了研究、开发 自动控制小区集中供暖节能控制器的想法，即利用自动控制原理调节暖气的供热量， 解决上班、家中无人及室温过高时暖气的热能浪费问题。这样不仅能为家庭节省取暖 费用，也能为国家节约很多煤炭资源。 同时随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一。单片 机自 20 世纪 70 年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应 用很广、发展很快。单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低 廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易 1 。由于具有上述优点，在我国，单片机已 广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机 电一体化设备等各个方面，而 51 单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。 这次毕业设计通过对它的学习、应用，以 77e58 芯片为核心，辅以必要的电路，确保 了供热管网安全、稳定、经济运行，提高热网管理效率，成功控制运行成本，实现热 网现代化管理水平，对热网进行了智能化的集中监控和量化管理。 1.2 设计方案的可行性分析 本系统是基于单片机的系统设计，按照设计要求可分为安装于主管道的主管道控 制系统和安装在建筑物内的房内控制系统两部分。主控制器根据建筑物内房间的温度， 控制其主管道流量。一套主管道控制器可以控制相近的建筑物。而屋内控制器根据房 间内的温度，控制其主管道流量；采用射频卡设置预存消耗水量值，预存水量不足时， 发出报警；具有显示功能，显示内容包括：室内温度，室内设定温度，用水量，供水 3 温度、管道流量、通信通道状态等信息。其中流量、压力、通过传感器变为模拟信号 在通过 ad 转换变为数字信号传给控制器也就是单片机。 室内控制流量用到了电磁阀， 室外用到了电动阀，二者需要驱动电路。而电动阀门，其驱动电源为交流电压 220v， 电动阀门需要 420ma 的电流控制，单片机发出的数字信号转换电路转换成电流信号 控制电动阀门，电流变换器可用 ad694。控制器从单片机价格考虑采用 77e58 单片机 对于数据存储量大的要求，用到了 eeprom 存储器。显示电路采用 led 显示温度、 流量等状态。温度传感器用 ds18b20，压力传感器用到 ics1220流量传感器用涡流流 量计；通信电路用到传输芯片 rs485；射频卡用 rs232；报警电路要用到蜂鸣器等 2 。 1.3 课题内容概述 本课题用单片机完成居住室内的温度的自动控制及应用热量的计量，并能对小区 内的主供热管道的温度检测和控制，获得小区的温度的分布，并作为供热中心对供热 压力、流量和温度调整的重要依据（故障检测） 。 其设计内容如下： （1）能根据房间的设定温度，自动调节房间的进水量，也可以 手动控制； （2）根据供水的水温，自动换算标准水温的用水量,并实时记录其用水量 ； （3）采用射频卡设置预存消耗水量值，预存水量不足时，发出报警； （4）具有显示功 能，显示内容包括：室内温度，室内设定温度，用水量，供水温度、管道流量、通信 通道状态等信息。 （5）通过键盘可以设置 5 个时段温度； （要求具有时钟功能） （6）. 当控制器掉电后，电磁阀能自动关闭供热管路； （7）通过通信电路可实时将房间的实 际温度及用水量传输到供热监控管理系统 ； （8）自动温度控制器电路要低功耗设计 ； （9）现场提供交流 220v 的电源 ； （10）主管道控制器可以检测：管道的温度、压力、 流量以及流量累计量； （11）通过电动阀控制管道的流量； （12）完成控制的整体电路 设计方案，并设计出电路原理图和印制板图； （13）根据系统的功能要求，完成其监 控程序的流程。 主要设计技术指标与参数： （1）温度测量范围：40100； （2）温度测量精 度：小于 0.5%；温度控制精度：1.5（3）流量计量精度：小于 0.5%； （4）采用电 磁阀控制供热量： 阀门驱动电源： 220v/120ma （5） 主管道电动阀： 阀门驱动电源： 220v/1a，并且尽量选择具有自保持功能的阀门（6）具有有线或无线通信功能，以便 实现小区的集中供热联网监控； （7）供热控制系统与上位机的串行通信：波特率应大 于 1200bps，通信误码率108； 4 2 总体方案设计 2.1 系统结构 图 1 建筑物内温度控制 fig1 building temperature control 注：1.回水管未画；2. d电磁阀；3. s-管道温度和流量传感器。 2.2 方案总体设计框图 本设计要求采用单片机完成居住室内的温度的自动控制及应用热量的计量，并能 对小区内的主供热管道的温度检测和控制，获得小区的温度的分布，并作为供热中心 对供热压力、流量和温度调整的重要依据（故障检测）。按照设计要求本系统可分为 安装于主管道的主管道控制系统和安装在建筑物内的房内控制系统两部分。它们的设 计框图如图 2、图 3 所示。 主控制器根据建筑物内房间的温度，控制其主管道流量。我们可以将主控制器分 为多个模块。主管道上需要安装有管道温度、压力和流量传感器和电动阀门。其中安 装压力传感器的目的是便于检测管道压力，便于管道出现泄漏时的检修。采用电动阀 5 门主要是控制管道流量的大小，它要用到驱动控制模块。控制核心模块可以用单片机， 由各个电路分别采集来的流量温度、压力、信息传给控制器。通过显示模块，可以显 管道流量、压力、温度、通信通道状态等信息，利用通信模块可以实现与屋内控制器 以及上位机的信息传送。另外还用用到存储电路来存储和处理整个控制器的数据信息。 而屋内控制器根据房间内的温度，控制其主管道流量；我们可将主控制器分为多 个模块。屋内管道上需要安装有管道温度、流量传感器和电磁阀门。采用电磁门主要 是控制管道流量的开关，它要用到驱动控制模块。控制核心模块可用单片机，由各个 led 显示电路 单 片 机 流量监测 温度检测 射频卡接受电路 存储电路 控制驱动电路 通信电路 键盘电路 报警电路 图 3 屋内控制器框图 fig3 the room controller block led 显示电路 单 片 机 流量监测 温度检测 压力检测 控制驱动电路 通信电路 存储电路 图 2 主管道控制器框图 fig2 main controller block diagram 6 电路分别采集来的流量、温度等信息传给控制器。通过键盘显示模块，可以显示管道 流量、温度、时段、通信通道状态等信息，并进行调节 3 。采用射频卡接收电路与报 警电路主要是设置预存消耗水量值，预存水量不足时，发出报警。利用通信模块可将 实现与主控制器的信息传送。另外还用到存储电路来存储和处理整个控制器的数据信 息。 2.3 模块方案设计的选择 2.3.1 单片机的选择 单片机又称作单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是将一个计算 机系统集成到一个芯片上。它具有体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发 提供了便利的条件。现在从 8 位、16 位到 32 位等等，应有尽有，有与主流 c51 系列 兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供了广阔的 天地。串口的设计，考虑到本设计所需要的 i/o 口较多，故这里选用了双 w77e58 单 片机 4 。 单片机采用 w77e58，77e58 与标准 8051 相兼容的全新核心的微处理器。由于去 掉了多余的存储器周期和运算周期，它在相同周期里执行 8051 的指令比最初的 8051 快得多。典型的指令周期 77e58 比 8051 快 1.5 到 3 倍。电源消耗也做了改进采用静态 coms 设计。 可以工作于较低的时钟频率下。 由于需要我们用到了 8255 对单片机的 i/o 口进行了扩展，同时用到了 74ls245 扩展了并行输入口用于连接显示电路。 2.3.2 温度检测方案选择 本设计主要就是针对现有的集中供暖系统中的弊端来进行的改进，本系统充分体 现了人性化设计，用户可以根据屋内现有的温度状况来设置所需供暖的时段进行调整。 同时，供暖监控中心也可时时获知主管道的水温，以便对阀门的开度及时进行调节。 而温度的采集主要是由温度传感器来处理，这就要求本系统要用到温度传感器。 温度传感器一般分为接触式和非接触式两种，所谓的接触式传感器就是温度测量 的基本形式，它的测量精密低而非接触方式是测量物体热辐射而发出的红外线从而测 量物体的温度。本系统选择非接触式温度传感器， 适合于管道温度测量的温度传感器 有热电偶传感器、热电阻传感器、集成温度传感器等。集成温度传感器是把温敏元件、 偏置电路、放大电路及线性化电路集成在同一芯片上的温度传感器，其特点是使用方 便、外围电路简单、性能稳定可靠。温度传感器 ds18b20，作为 ds1820 的改版可使 温度信号直接转换成串行数字信号供微处理器处理，现场温度直接以“一线总线”的 数字方式传输，每一颗自带地址，大大减少了系统的电缆数，提高了系统的稳定性和 7 抗干扰性。温度测量范围宽，能测到55125 度的温度，在10 到+85 度时精度为正负 0.5 度。 另外提供 9 到 12 位的测量分辩率， 对应的温度精度分别为 0.5 度、 0.25 度、 0.125 度和 0.0625 度，实现了高精度的测量。 2.3.3 流量检测的方案的设计 因本系统需要用户对自己屋内管道进行检测，以了解自己的取暖用水量，来更合理 的安排用水；而且供暖监控中心的工作人员也需要知晓各个用水单元的用水量来进行 合理调配，安排，同时用户和供暖监控中心还可以通过调节管道流量来提高或降低供 暖温度。故本系统需要测量屋内和屋外管道的流量，这就需要用到流量传感器。从功 能和经济效益等方面考虑最终选择了涡街流量计来测量管道流量。 涡街流量计主要用于工业管道介质流体的流量测量，如气体、液体、蒸气等多种 介质。本设计用的流量计为 zrnlug 涡街流量计，极大地克服了传统压电式涡街流 量仪表抗振性差、 不耐高温的缺点， 扩展了涡街流量仪表的应用范围。 其输出为 420ma 的电流信号，便于传感器可安装在室内与室外，也可安装在水平、垂直或倾斜（流体 的流向自下而上）的与其公称通径相应的管道上。 2.3.4 压力检测的方案设计 因为各个用户取暖所用的热水都是经由主管道的传输送到各个单元，然后再经由 屋内管道送到暖气设备。因为主管道的口径较宽，而且供应很多用户的取暖热水，雇 主管道的工作压力会相对较大。若是主管道出现裂纹或是破损，不仅会影响到住户的 供暖质量，还可能因为主管道的破损而对小区居民造成安全隐患。所以，对主管道是 否处在正常的工作模式即管道压力是否处于正常值的范围的检测就显得尤为重要。压 力传感器用来测量主管道的压力，方便供暖监控中心对供暖管道进行检测和维修。 根据本系统的要求等综合考虑，本系统选用的是 npc1220 压力传感器。 1220 型是经 过温度补偿的硅压阻式压力传感器，采用双列直插封装结构，它的压力范围可达到 070kpa，符合管道要求适用要求成本低，性能优越，长期稳定性好的应用领域。 2.3.5 键盘显示电路的方案设计 因本系统需要用户和供暖监控中心的工作人员及时了解供暖现状，这就需要一个 媒介把信息数据告知用户和工作人员，这就需要显示电路。显示电路可以把温度、流 量、压力、余额等信息显示出来，以便人们进行合理调度及安排。而且用户可以自己 设定五个时间段的供暖信息，对屋内供暖系统进行调节。主控室工作人员也可以根据 各楼宇的供暖温度设定调节主管道阀门开度，这就需要人机接口键盘电路对系统进行 操作。 8 为了方便经济易于设计，本设计采用了动态的 led 显示，考虑到时间。温度等的 精确显示，本设计采用了 6 个数码管显示。键盘电路部分，设计采用行列式按键结构， 键盘区设计 4*2 个按键, 共占用 4 个 i /o 端口,，行列式键盘的硬件结构比较简单，这 种键盘易于设计, 编程简单, 通过软件按键延时去除按键抖动现象。 2.3.6 射频卡接收电路的方案设计 由于各个用户取暖所用的热水都是经由主管道的传输送到各个单元，然后再经由 屋内管道送到暖气设备中。因为各个用户的需要的供暖情况不同，用水流量也不同， 采用射频卡设置预存消耗水量值。 射频卡是一种以无线方式传送数据的集成电路卡片，它具有数据处理及安全认证 作用等特有的优点。射频卡又叫非接触式 ic 卡，诞生于 90 年代初，是世界上最近几 年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识技术和 ic 卡技术结合起来，解决了无源 （卡中无电源）和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。rfid 技术有很多突 出的优点，如不需要人工干预，不需要直接接触、不需光学可视即可完成信息输入和 处理，可工作于各种恶劣环境，可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签，操 作快捷方便，实现了无源和免接触操作，应用便利，无机械磨损，寿命长，机具无直 接对最终用户开放的物理接口，能更好的保证机具的安全性能。所以综上考虑，本系 统选用 rfid 射频卡技术 2.3.7 报警电路的方案设计 采用射频卡设置预存消耗水量值，预存水量不足时，发出报警。压力传感器用来 测量主管道的压力，方便供暖监控中心对供暖管道进行检测和维修，管道发生故障如 泄露时，都要报警。考虑为了不影响用户的生活，我们用了蜂鸣器和软件设计实现间 断报警。 2.3.8 存储电路与时钟电路的方案设计 由于本系统需要采集和处理大量的数据和程序，如温度、流量、压力、显示等， 所以这就要求系统要有足够的存储空间来储存和处理这些数据。另外用户还要在不同 的时间段设置不同的供暖模式。本设计中它与时钟芯片 pcf8563 相结合，存储大量的 时段温度等状态信息。这就需要用到存储芯片与时钟芯片。 存储器大致可分为两大类：易失和非易失。易失存储器在系统关闭时立即失去存 储在内的信息；它需要持续的电源供应以维持数据。大部分的随机存储器（ram）都 属于此类。非易失存储器在系统关闭或无电源供应时仍能保持数据信息。eeprom 就 是一个非易失行存储芯片， 与其他的存储芯片相比串行接口 eeprom 器件提供更少的 9 引 脚 数 , 更 小 的 封 装 , 更 低 的 电 压 和 更 低的 功 耗 。 本 设 计 采 用 串 行 存 储 器 eeprom24lc256。 本设计中用的时钟芯片为 pcf8563 相结合， 它是 philips 公司推出的一款工业级 内含 i2c 总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。 pcf8563 的多种报警 功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务，甚 至可为单片机提供看门狗功能 5 。 2.3.9 阀门及驱动控制电路的方案选择 老的供暖系统是集体供暖，我国室内采暖管道主要有单管串联上供下回程式，异 程式，也有少部分的双管系统。这样的供暖方式存在着水力失调和热力失调现象，使 得热量分配不均，造成冷热不均现象，不仅浪费能源而且供暖不匀。用户选择供暖时 段不同，可以一直处在供暖状态，也可以根据需要决定需要供暖的时段。而本系统就 此问题给出了解决方案：用户可根据自己的需要控制供暖阀门的开关。而作为供暖监 控中心的工作人员就可以根据各个楼宇供暖的情况，来控制各个楼宇的供暖主管道阀 门，以调节温度。 实际生活中最常用的阀门有电磁阀和电动阀门两种，电动阀：电动阀一般是管径 大,应用于流体的流通、截止、流量、压力等控制，进行流通、截止控制的叫电动开关 阀(有的只能开或关，有的可以在中间停如只能有个大概的调节，如 25%、50%、75%、 100%)，进行流量、压力的控制。调节形式上电动阀可以粗略控制开度实现原理就是在 电机转动过程中停止，电磁阀只能控制全开全关。而本系统正是要求供暖监控中心能 够对主管道的阀门开度进行调节，对某个楼宇整体温度的调控，这里我们可以用电动 阀；室内要求用户可根据需要对屋内阀门进行开关控制这里选择合适功率为 2w 、电 源电压为 ac220v、 公称通径为 dn25 连接方式为 g1 的电磁阀即可满足设计要求。 当 前主管道的管道口径一般为 100mm，这里电动阀 dn100 pn1.6mpa 的阀门。 2.3.10 通信电路的方案选择 此处省略 nnnnnnnnnnnn 字。 如需要完整说明书和设计图纸等. 请联系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下 载！该论文已经通过答辩 10 3 硬件电路设计 3.1 单片机 w77e58 本文采用的单片机为w77e58， w77e58与标准8051相兼容的全新核心的微处理器。 由于去掉了多余的存储器周期和运算周期，它在相同周期里执行 8051 的指令比最初的 8051 快得多 6 。 特点：（1）8 位处理器（2）最高 40m 时钟，4 机器周期的指令执行速度（3）与 标准 8051 兼容的管脚。 （4）与 8051 兼容的指令（5）4 个 8 位 i/o 口（6）扩展的 4 位 i/o 和等待信号线（44 脚的 plcc 或 qfp 封装提供） 。 （7）三个 16 位计数/时器（8） 12 级中断 （9） 片上时钟源（10）两个增强的双工窜口（11）1k 的片上外部存储器 （12） 可编程看门狗 （13） 两个全速 16 位数据指针 dptr （14） 外部数据访问周期可编程 （15） 封装： dip40： w77e5825/40，plcc44：w77e58p25/40，qfp44：w77e58f25/40 此处采用 dip40：w77e5825/40 3.1.1 单片机(77e58)的引脚功能 单片机 w77e5825/40 采用 40pin 封装的双列直接 dip 结构。上图是它们的引脚 配置:40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4 组 8 位共 32 个 i/o 口，中断口线与 p1、p3 口线复用。77e5840 是标准的 40 引脚双列直插式集成 电路芯片，引脚分布请参照单片机引脚图 7 。 p0 口有三个功能（1） 外部扩展存储器时，当做数据总线.（2）外部扩展存储器时， 当作地址总线.（3）不扩展时，可做一般的 i/o 使用，但内部无上拉电阻，作为输入或 输出时应在外部接上拉电阻。 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5/mosi 6 p1.6/miso 7 p1.7/sck 8 rst 9 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.5/t1 15 p3.6/wr 16 p3.7/rd 17 xtal2 18 xtal1 19 gnd 20 p2.0 21 p2.1 22 p2.2 23 p2.3 24 p2.4 25 p2.5 26 p2.6 27 p2.7 28 psen 29 ale 30 ea/vpp 31 p0.7 32 p0.6 33 p0.5 34 p0.4 35 p0.3 36 p0.2 37 p0.1 38 p0.0 39 vcc 40 u7 77e58 11 图 4 77e58 引脚图 fig4 77 e58 pin drawing p1 口有两个功能，i/o 口 p1 口有强上拉电阻除此之外 p1 端口还用于一些专门功 能，具体请看下表 1 所示。 表 1 p1 口的第二功能 table1 the second function of p1 mouth p1 引脚 兼用功能 p1.0 计数器 2 引脚 p1.1 计数器 2 重装/捕获/计数方向控制脚 p1.2 串行通讯输入（rxd1） p1.3 串行通讯输出（txd1） p1.4 外部中断 2（ int2） p1.5 外部中断 3（ int3）) p1.6 外部中断 4（ int4） p1.7 外部中断 5（ int5） p2 口有两个功能，扩展外部存储器时，当作地址总线使用；做一般 i/o 口使用， 其内部有上拉电阻；p3 口有两个功能，除此之外 p3 端口还用于一些第二功能,如表 2。 表 2 p3 口的第二功能 table2 the second function p3 mouth p3 引脚 兼用功能 p3.0 串行通讯输入（rxd） p3.1 串行通讯输出（txd） p3.2 外部中断 0（ int0） p3.3 外部中断 1（int1） p3.4 定时器 0 输入(t0) 12 p3.5 定时器 1 输入(t1) p3.6 外部数据存储器写选通 wr p3.7 外部数据存储器写选通 rd 3.1.2 单片机(77e58)的复位电路 复位电路提供单片机复位功能,设计用到的复位芯片为 max813 上电时可给单片 机 res 脚提供相应的复位电平信号。 max813l 芯片特点： (1)上电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出，复位脉冲宽度典型值 200ms (2) 独立的看门狗输出，如果看门狗输入在 1.6 内未被触发，其输出将由高电平变 为低电平 (3) 1.25v 门限值检测器，用于电源故障报警、电池低电压检测。低电平有效的手 动复位输入 max813 组成的单片机复位电路如图 5 所示。 图 5 复位电路 fig5 reset circuit 上电时可给单片机 rst 脚提供相应的复位电平信号。 3.2 温度检测电路的设计 温度检测电路要用到温度传感器 ds18b20 来检测室内温度，使温度的变化转化成 电流或电压的变化从而采集物理量，通过 a/d 转换,导入单片机中。 3.2.1 ds18b20 的外形和内部结构 ds18b20 引脚定义：(1)dq 为数字信号输入/输出端；(2)gnd 为电源地；图 35 ds18b20 的管脚排列(3)vcc 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地） ds18b20 的管脚排列如图 6 所示。 vcc 2 gnd 3 pfi 4 pfo 5 wdi 6 rst 7 wdo 8 mr 1 u9 max813 200 r18 gnd 0.1uf c8 +5v 1 2 3 u11 ds18b20 13 图 6 ds18b20 的管脚排列 fig6 pin arrangement of ds18b20 ds18b20 内部结构主要由四部分组成：64 位光刻 rom、温度传感器、非挥发的 温度报警触发器 th、tl、配置寄存器。ds18b20 的内部结果如图 7 所示。 图 7 ds18b20 内部结构图 fig7 ds18b20 internal structure 3.2.2 温度传感器与单片机的接口电路 ds18b20 可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时 ds18b20 的 1 脚接地，2 脚作为信号线，3 脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图 38 示单片 机端口接单线总线，为保证在有效的 ds18b20 时钟期内提供足够的电流，可用一个 mosfet 管来完成对总线的上拉。当 ds18b20 处于写存储器操作和温度 a/d 转换操 作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为 10us。采用寄生电源供电方式时 vdd 端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。 3.3 a/d 转换电路的设计 a/d 转换器是一种将数字信号转换成模拟信号的器件，为计算机系统的数字信号 和模拟环境的连续信号之间提供了一种接口。a/d 转换器的输出由数字输入和参考源 组合来控制的。大多数常用的数/模转换器的数字输入是二进制或 bcd 码形成的，输 14 出是电流或是电压， 而多数是电流。 因而。 在多数电路中， 数/模转换器的输出需要 a/d 转换芯片来实现，本设计便采用用到的芯片为 tlc2543 7 。 3.3.1 tlc2543 的介绍 tlc2543 一个 12 位开关电容型逐次逼近模数转换器，它具有三个控制输入端， 采用简单的 3 线 spi 串行接口可方便地与微机进行连接，是 12 位数据采集系统的最佳 选择器件之一。tlc2543 的主要特性如下： （1）11 个模拟输入通道； （2）66ksps 的采 样速率； （3）最大转换时间为 10s； （4）spi 串行接口； （5）线性度误差最大为1lsb （6）低供电电流(1ma 典型值)； （7）掉电模式电流为 4a。 图 8 为 tlc2543 的管脚图 图 8 tlc2543 的管脚图 fig8 pin picture of tlc2543 （1）ain0ain10：模拟输入端； （2）cs：片选端， ； （3）data input：串行数据输入端； （4）data out：a/d 转换结果三态输出端； （5）vcc、gnd：电源正端、地； （6）ref、ref：正、负基准电压端； （7）i/o clock：时钟输入/输出端。 3.3.2 ad 转换工作原理 ain0 1 ain1 2 ain2 3 ain3 4 ain4 5 ain5 6 ain6 7 ain7 8 ain8 9 ain9 11 ain10 12 ree+ 14 eoc 19 clk 18 din 17 dout 16 cs 15 gnd 10 ree 13 vcc 20 u6 tlc2543 csad dout din clk eoc ree 104 c3 gnd +5v d01 ain0 1 ain1 2 ain2 3 ain3 4 ain4 5 ain5 6 ain6 7 ain7 8 ain8 9 ain9 11 ain10 12 ree+ 14 eoc 19 clk 18 din 17 dout 16 cs 15 gnd 10 ree 13 vcc 20 u6 tlc2543 15 图 9 a/d 转换电路 fig9 a/d conversion circuit tlc2543 的 i/o 时钟、数据输入、片选信号由 p1.0、p1.1、p1.3 提供，转换结果 由 p1.2 口串行读出。ain7/ain 接收传感器传来的模拟信号。此处 ref+接了正的基准 电压端，它由下图的稳压基准电源提供，以便信号的采集于接收。 3.3.3 3.3v 的基准电源 tlc2543 的 ref+要接一个正的基准电压端， 它由下图的稳压基准电源提供原理图 如图 10 所示。 图 10 3.3v 基准电源 fig10 benchmark 3.3 v power supply c5 和 c6 的作用是为了消除在负载电流变化时不致引起电压较大的波动，消除高 频噪声和改善输出的瞬态特性。 3.4 流量检测电路的设计 流量检测电路主要是用来检测主控制器与屋内控制器的管道流量，进而达到控制 器检测流量控制温度的目的。本设计的流量计采用 zrnlug 涡街流量计。 3.4.1 zrnlug 涡街流量计的介绍 涡街流量计是应用流体振荡原理来测量流量的，流体在管道中经过涡街流量变送 器时，在三角柱的旋涡发生体后上下交替产生正比于流速的两列旋涡，旋涡的释放频 率与流过旋涡发生体的流体平均速度及旋涡发生体特征宽度有关，可用下式表示： f=st*v/d （1） 式中:f 为旋涡的释放频率，hz；v 为流过旋涡发生体的流体平均速度，m/s；d 为 旋涡发生体特征宽度，m；st 为斯特罗哈数，无量纲，它的数值范围为 0.140.27。st out 6 nc 7 nc 5 gnd 4 nc 8 nc 1 vs 2 slp 3 u8 ref196gp 10uf c6 104 c7 10uf c4 104 c5 +5v gnd ref 3.3v 16 是雷诺数的函数，st=f（l/re） 。 雷诺数 re 在 102105 范围内，st 值约为 0.2，因此， 在测量中，要尽量满足流体的雷诺数在 102105，旋涡频率 f=0.2v/d。 由此可知， 通过测量旋涡频率就可以计算出流过旋涡发生体的流体平均速度 v， 再 由式 q=v*a 可以求出流量 q，其中 a 为流体流过旋涡发生体的截面积。 zrnlug 涡街流量计的管脚排列如图 11 所示。 图 11 zrn-lug 的管脚排列图 fig11 pins of zrnlug 涡街电流计通过管脚 3 向外输出电流信号，范围是 420ma。 3.4.2 检测电路工作原理 zrnlug 涡街流量计的输出信号是 420ma 的电流信号， 需要运算放大器 lm358 组成的 420ma 输入 5v 输出的 i/v 转换电路.而该电路输出的电压信号通过 d01 与 tcl2543 连接。经过 a/d 转换电路变成数字信号传到单片机的 p1 口内。流量监测电 路如图 12 所示。 1 2 3 4 p7 gnd +12v 3 2 1 8 4 u16a lm358an gnd 51 r24 0.1 c17 gnd 10uf c16 vcc gnd 1 2 3 4 p7 d6 6v 150 r28 gnd gnd gnd +12v agnd d01 17 图 12 流量监测电路 fig12 traffic monitoring circuit zrnlug 涡街流量计的输出信号是 420ma 的电流信号，经过一个下拉电阻变成 电压信号。d3 起到稳压的作用。lm358 为运算放大器运放既有提高输入阻抗作用，又 有线性放大作用； c10 并联在一个非常小的电阻上， 是防止因布线而造成的高频干扰。 而该电路输出的电压信号经过 a/d 转换电路变成数字信号传到单片机的 p1 口内。 3.5 压力检测电路的设计 压力检测电路主要是用来检测主控制器管道的供热压力，使压力的变化转化成电 压的变化从而采集物理量，通过 a/d 转换,导入单片机中。 3.5.1 压电传感器 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经 过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况 不是这样