锅炉水温水位控制系统设计

1 锅炉水温水位控制系统设计 【摘要】在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术起着愈来愈重要的作用， 并且随着生产和科学技术的发展，自动化水平也越来越高。自动控制利用控制 装置使被控对象的某个参数自动的按照预定的规律运行。本设计的控制系统就 是采用自动控制技术来实现其功能的，这样就大大提高了工作的效率，而且整 个过程又快又稳。本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，在进行数据处 理过程中，单片机控制温度传感器和液位传感器进行工作，把温度信号和液位 信号传递到单片机上。单片机进行数据处理之后，发出控制信号改变报警和控 制执行模块的状态，同时将当前温度信息和液位信息发送到 LED 进行显示。本系 统可以实现温度和液位信号的采集与显示，可以使用按键来设置液位限定值， 通过液位数据的运算处理，发出控制信号达到控制液位的目的。本系统以 8051 为 核心，用温度传感器AD590 采集温度信号，通过ADC0804 进信号的A/D 转换与 8051 通信。同时用超声波传感器测量液位，用DS18B20 作为温度补偿，以提高精 确度。用555 定时器组成报警电路进行报警。并且可以通过键盘来设定液位的最 高值和最低值，从而达到自动控制的目的。 关键词：单片机； 温度传感器； 模数转换； 超声波 2 The Temperature Detection and Liquid Level Control System of Boiler Based On Microcontrollers Abstract：In many areas of modern science and technology, automatic control technology plays an increasingly important role, and with production and the development of science and technology, the level of automation is also getting higher and higher. Control device to control the use of a particular object in accordance with the parameters of the automatic operation of the law is scheduled. The design of the automatic control to buy a certain object automatically in accordance with the parameters of the scheduled operation.It uses MCU as data process and control unit, and uses MCU to control temperature sensor and the level of water which transmits data to MCU through single bus. It can send a signal to change the states of alarm, current temperature and the level of water is displayed by LED The system achieves multi-channel temperature and water level signal acquisition and control. This system is applied in such domains as warehouse detecting temperature and the level of water ；air-conditioner controlling system in building and supervisory productive process etc.8051 to the system as the center, with temperature sensors AD590 temperature signals collected by ADC0804 signal into the A/D converter and 8051 communications. The level of water is collected by the Ultrasonic sensors. and the temperature of air is measured by DS18B20.while keyboard is used to set a highest level and a lowest level. thus achieving control for automation. Keywords: microcontrollers; temperature sensor; analog-digital conversion; ultrasonic 1 锅锅炉炉水水温温水水位位控控制制系系统统设设计计.1 1 1 绪论绪论.2 1.1 国内外锅炉的发展现状.2 1.3 热水锅炉温度检测与液位控制的工作原理.3 1.4 单片机控制锅炉的发展前景.3 2 2 系统硬件电路设计系统硬件电路设计.5 2.1 系统控制模块的设计.5 2.1.1 单片机的最小系统设计.5 2.1.2 单片机的I/O口扩展的设计.8 2.1.3 液位控制模块的设计.10 2.2 系统检测模块的设计.13 2.2.1 水温检测模块的设计.13 2.2.2 气温检测模块的设计.17 2.2.3 液位检测模块的设计.21 2.3 系统键盘显示模块的设计.23 2.3.1 系统键盘输入电路的设计.23 2.3.2 系统显示电路的设计.24 2.3.3 温度显示同步指示电路的设计.26 2.4 系统报警电路的设计.27 2.5 本章小结.30 3 3 系统的软件设计系统的软件设计.30 结束语结束语.35 谢谢 辞辞.36 参考文献参考文献.37 附录 1：源程序代码.38 附录 2：原理图原理图.44 2 1 绪论 1.1 国内外锅炉的发展现状 锅炉作为一种把煤、石油或天然气等化石燃料所储藏的化学能转换成水或 水蒸气的热能的重要设备，长期以来在工业生产和居民生活中都能扮演着极其 重要的角色。它己经有二百多年的历史了，但是锅炉工业的迅猛发展却是近几 十年的事情。国外的锅炉控制工业5060年代发展最快，70年代达到高峰。我 国的锅炉工业是在新中国成立后才建立和发展起来的，1953年在上海首创了上 海锅炉厂。从其在生产和生活中所起的作用不同，锅炉可分为电站锅炉，主要 用于发电厂；工业锅炉，主要用于直接供给工农业生产或驱动机械能源；生产 锅炉，主要用于为居民提供热水和供居民取暖。 应该说锅炉控制问题伴随着锅炉的出现也就相应的出现了，它长期以来就 是控制领域的一个典型问题。伴随着控制理论和控制技术的发展，锅炉自动化 控制的水平也在逐步提高。锅炉的自动化控制，经历了三四十年代单参数仪表 控制，四五十年代单元组合仪表综合参数仪表控制，以及六十年代星期的计算 机过程控制几个阶段。随着六十年代第一台计算机在控制中的应用以及此后计 算机和通信技术的迅猛发展，计算机逐渐进入了锅炉控制领域并正在成为这一 领域的主要角色。计算机很强的记忆功能，逻辑判断功能以及快速计算功能为 实现任意的控制算法提供了可能，这样，先进的控制理论和控制算法进入锅炉 控制己经有了可能性。目前，国外锅炉的控制技术已日趋成熟，尤其在计算机 控制和PLC控制领域得到很好的发展。我国虽然在锅炉自动控制领域发展较快， 但整体技术水平和发达国家还有一定的差距。 1.2 热水锅炉温度检测与液位控制的背景及意义 随着我国的国民经济快速发展与人民生活水平的迅速提高，对锅炉的需求 量有日益增加的趋势。如果锅炉的控制设备简陋，控制技术落后，效率低，就 会造成了燃料的大量浪费，而且严重污染空气，也不利于安全生产。而热水锅 炉的控制虽然没有工业锅炉复杂，精确度要求也没工业要求高，但热水锅炉的 应用也十分广泛，如果要人工控制就不仅需要很大的工作量，而且不能保证控 制的准确性和及时性，因此用采用自动检测和控制，不仅大大减少工作量，而 且准确，既经济又实惠。 温度检测系统在现代工业设计、工程建设及日常生活中的应用越来越广泛， 早期的温度检测主要应用于工厂中，在人们的日常生活中，温度检测系统的应 用和作用也体现到了各个方面。特别是单片机技术的出现，它给现代工业控制 测控领域带来了一次新的革命。目前，单片机在工业控制系统诸多领域得到了 3 极为广泛的应用。特别是其中的51系列单片机的出现，由于它具有极好的稳定 性，更快和更准确的运算精度。本次设计就是要通过以51系列单片机为控制核 心，通过温度采集，模数转换，LED显示，实现热水锅炉温度检测系统的设计， 同是采用超声波传感器检测锅炉内水位，并利用单片机来控制水泵，从而达到 控制液位的目的。 1.3 热水锅炉温度检测与液位控制的工作原理 在热水锅炉应用中，如果要准确的检测水温有很多方法，本次设计采用集 成温度传感器AD590来测量水温，精确到0.5。通过AD590来采集信号，然后通 过模数转换，与单片机连接，并通过LED显示出来，同时把采集到的温度信号与 给定值比较，如果温度高于给定值的最高值或低于给定值的最低值时，系统就 会声光报警。在液位控制系统中，采用超声波传感器来测量液位，利用超声波 发射和接收到反射信号的时间差计算出超声波走过的距离，从而计算出锅炉内 的水位，考虑到温度对超声波传输速度的影响，因此增加了温度传感器DS18B20 来测量气体的温度，从而减小误差，精确度2cm，该系统还可以用键盘设定液 位的最高值和最低值，并通过单片机来控制，水位低于最低值时系统将自动注 水，高于最高值时，自动停止加水，并且能够同步显示水位。 1.4 单片机控制锅炉的发展前景 锅炉微机控制,是近年来新开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、 自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，锅炉采用的是微机控制和原 有的仪表控制，微机控制优势明显，作为锅炉控制系统装置：其主要任务是保 证锅炉的安全、稳定、经济运行，减少劳动人员的劳动强度。采用计算机控制 的锅炉系统有十分良好的安全机制：可以置多点的声光报警和自动连锁停炉， 杜绝人为疏忽造成的重大事故。 可以预见采用计算机控制系统是行业的大势所趋。单片机是在一块芯片上 集成了一片微型计算机所需的CPU、存储器、输入、输出等部件。单片机自问世 以来，性能不断提高和完善，体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域 日益广泛。一般,工业控制系统的工作环境差，干扰强，利用单片机控制就能克 服这些缺点，因此单片机在控制领域得到广泛的应用，使用单片机控制锅炉是 很好的选择。 目前我国在单片机测控装置研究、生产、应用中取得了很大的成绩，总结 了很多经验，但是各行业仍处于发展期，经调查，很多科研究所在这方面开展 的工作更看重的是理论和算法，数年来关于这方面的研究的论文较多，着重生 产实际的很少。一些发达国家在单片机新型系统研究、制造和应用上，已积累 4 了很多经验，奠定了基础，进入了国际市场。我国在新型测控装置与系统研究、 制造、应用和经验上，与其他发达国家相比还存在差距，但是我国的研究人员 已经克服很多困难，并在不断的摸索中前进，有望在相关领域赶上甚至超过发 达国家的技术水平，这是发展趋势。 5 2 系统硬件电路设计 硬件电路是系统功能实现的基础，本设计是在硬件电路的基础上，通过软 件来完善系统的功能。一般在软件可以完成硬件功能的情况下，尽量用软件来 实现，从而使系统硬件电路尽可能简单，如下便对系统的硬件电路进行详细介 绍。 2.1 系统控制模块的设计 本设计用单片机作为系统的控制核心，根据系统设计的要求与要实现的功 能，可选用的单片机有多种，本次毕业设计选用8051单片机作为系统的控制核 心。 2.1.1 单片机的最小系统设计 8051单片机如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据 存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊 功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上 外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的 集中控制方式。8051单片机引脚图如图2-1所示。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:13-May-2009Sheet of File:F:与与与与与与与与与与与与与与与与与与wushuo.ddbDrawn By: EA /VP 31 X1 19 X2 18 RE SE T 9 RD 17 WR 16 INT 0 12 INT 1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 AL E/P 30 TX D 11 RX D 10 U? 8051 图 2-1 8051 单片机引脚 单片机的复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的 上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。 只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。时钟频率用6MHZ时C 6 取22uF，R2取1K,R1取100K。 除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复 位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电 阻与电源Vcc接通而实现的。单片机的时钟电路由两个电容和一个晶振组成，单 片机的最小系统见图2-2所示。 123456 A B C D 654321 D C B A EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 U1 8051 C3 C2 C1 R1 R2 S1 Y1 12M +5 7 图 2-2 单片机最小系统 2.1.2 单片机的 I/O 口扩展的设计 8155作扩展I/O口使用时，IO/引脚必须置高电平。这时，PA、PB、PC的 _ M 口地址的低8位分别为01H、02H、03H（设地址无关位为0时）。 8155的I/O工作方式选择，是通过对8155内部命令寄存器（命令口）设定命 令控制字来实现的。命令寄存器的低8位地址为00H。 8155的A口和B口都可以工作在输入方式或输出方式，但A口和B口是工作在 基本方式还是选通方式却不是有A口和B口的方式决定的，而是由C口的方式决定。 8155的C口可以设置成四种工作方式，即可以设置为输入方式，输出方式， A口的控制端口（只用C口三条线，还有三条线为输出方式），以及作为A口和B 口的控制端口。表1给出了在不同工作方式下C口各位的功能。 I/O口的工作方式选择 基本I/O工作方式：当8155被编程为ALT1，ALT2时，A，B，C口均为基本 输入/输出方式，而用命令寄存器的D0和D1位选定A口和B口为输出还是输入工作 方式；由D2和D3选定C口为输出还是输入工作方式。 选通I/O工作方式：当8155被编程为ALT3时，A口定义为选通I/O，B口定 义为基本I/O。编程为ALT4时，A口和B均定义为选通I/O工作方式。 当C口工作于ALT3或者ALT4方式时，可以为A口及B口提供对外的联络信号。 但是，8155的联络信号不像8255A那样输入、输出两组，而是只有A、B各一组。 因此，在输入和输出操作时，联络信号的意义和作用有所不同。在输入操作时， 是外设送来的选通信号。当有效后（低电平），把输入数据装入 _ STB _ STB 8155，然后BF信号变高，以反映8155的缓冲器以装满；在信号恢复为高电 _ STB 平时，INTR信号变高，向CPU申请中断；当CPU开始读取输入数据（信号下 _ RD 降沿）时，INTR信号恢复低电平；读取数据完毕后（信号上升沿），使BF _ RD 信号恢复低电平，一次数据输入结束。 在输出操作时，是外设的应答信号。当外设接收并处理完数据后，发 _ STB 出负脉冲；在变高之后使INTR有效，开始申请中断，即要求CPU发送下 _ STB _ STB 一个数据；CPU在中断服务中把数据写到8155，并使BF变高，以通知外设可以开 始接收和处理数据；外设处理完数据后，再以信号来应答。 _ STB A口和B口是否工作在中断方式下，除了由C口的方式决定是否提供联络信号 之外，还要在初始化时规定是否允许A口或B口中断。 INTR为中断请求输出线，作为单片机的外部中断源，高电平有效。当8155 8 的A口（或B口）缓冲器接收到设备输入的数据或设备从缓冲器中取走数据时， 中断请求线INTR变高（仅当命令寄存器相应中断允许位为1时），向单片机请求 中断，单片机对8155的相应I/O口进行一次读/写操作后，INTR变为低电平。 BF为缓冲器状态标准输出线。缓冲器有数据时，BF为高电平，否则为低电 平。为设备选通信号输入线，低电平有效。 _ STB I/O的状态查询 8155用状态寄存器锁存I/O口和定时器的当前状态，供单片机查询用。因为 状态寄存器和命令寄存器共用一个地址，因此认为8155的00H口是命令/状态 （C/S）寄存器。对其写入时，作为命令寄存器，写入的是命令；而对其读出时， 作为状态寄存器，读出的是当前I/O口和定时器的状态。 本次毕业设计用两片8155来扩展单片机8051的P0口，并用74X139作为8155 的片选信号控制，74X139的高位输入A1接地，低位输入A0接单片机的P20口，输 出端Y0和Y1分别接8155，这样无论P20口输出高电平还是低电平，都会选择一片 8155与单片机进行通讯。只要让单片机的P20口输出0.5HZ的脉冲，就能实现两 片8155分别占用P20口2秒的功能。单片机的I/O口扩展电路图如2-3所示。 9 123456 A B C D 654321 D C B A EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 U1 8051 AD0 12 PA0 21 AD1 13 PA1 22 AD2 14 PA2 23 AD3 15 PA3 24 AD4 16 PA4 25 AD5 17 PA5 26 AD6 18 PA6 27 AD7 19 PA7 28 PB0 29 CE 8 PB1 30 RD 9 PB2 31 WR 10 PB3 32 IO/M 7 PB4 33 ALE 11 PB5 34 PB6 35 PB7 36 TM ROUT 6 PC0 37 PC1 38 TM RIN 3 PC2 39 PC3 1 PC4 2 RESET 4 PC5 5 U2 8155 AD0 12 PA0 21 AD1 13 PA1 22 AD2 14 PA2 23 AD3 15 PA3 24 AD4 16 PA4 25 AD5 17 PA5 26 AD6 18 PA6 27 AD7 19 PA7 28 PB0 29 CE 8 PB1 30 RD 9 PB2 31 WR 10 PB3 32 IO/M 7 PB4 33 ALE 11 PB5 34 PB6 35 PB7 36 TM ROUT 6 PC0 37 PC1 38 TM RIN 3 PC2 39 PC3 1 PC4 2 RESET 4 PC5 5 U3 8155 E A0 A1 Y0 Y1 Y3 Y4 74X139 图 2-3 单片机的 I/O 口扩展 2.1.3 液位控制模块的设计 液位控制液位控制输入模块和控制水泵模块，液位控制输入模块的作用是 设定液位的最高值和最低值，控制水泵模块的作用是控制水泵开关是否导通， 10 从而达到控制液位的目的。 （1）液位控制系统框图 使用单片机实现锅炉液位控制具有较高的实用价值和稳定性好等特点。采 用由超声波电路所组成的液位传感器测量水位，可有效保证水位的自动控制， 保证水质无污染，能更好地对锅炉进行自动化控制，而且控制方便且系统稳定 性能好；单片机不仅有体积小，安装方便，功能较齐全等优点，而且有很高的 性价比，应用前景广，同时有助于发现可能存在的故障，通过微机实现给水系 统的自动控制与调节，将保证锅炉正常供水供暖，维持稳定系统，保证安全经 济运行。本文就是采用8051单片机为核心芯片的一种锅炉控制系统，如图2-4 具有较高的实用价值和优越性。 图 2-4 液位控制系统框图 （2）超声波测距原理 如图 2-5 示意了超声波测距的原理，即超声波发生器 T 在某一时刻发出的 一个超声波信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器 R 所 接受。这样只要计算出发生信号到接受返回信号所用的时间，就可算出超声波 发生器与反射物体的距离。 距离计算公式：d=s/2=(c*t)/2 *d 为被测物与测 距器的距离，s 为声波的来回路程，c 为声速，t 为声波来回所用的时间与声速 c 与温度有关，如温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度 要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波 11 往返时间，即可求得距离。在系统加入温度传感器来监测环境温度，可进行温 度被偿。这里可以用 DS18B20 测量环境温度，根据不同的环境温度确定声速提 高测距的稳定性。为了增强系统的可靠性，应在软硬件上采用抗干扰措施。 图 2-5 超声波测距的原理 声波在介质中传播的速度称为声速，单位为米/秒。声速的大小，与声波 藉以传播的介质有关。不同的介质声速不同。固体介质、液体介质和气体介质 三者之中，固体介质中的声速最大，液体次之，气体最小。即使在空气介质中， 声速还与空气的压强和温度有关。在理论上，有 （2-1） 0 P C 式中；C 为声波在空气中的传播速度；为空气的比热比，且； 1.402 为大气静压强，且（）；为空气密度，且 0 P 5 0 1.013 10PP （）；因此，可算得。上式表示的是温 3 1.293Kg m 0 (0)331.6cCm s 度为，空气中的声速。如果温度改变了，则声速的值也就不同。对于空气， 可按下式算得不同温度下的声速： （2-2） 0 ()331.60.6c t Ctm s 由上式即可算得常温（20）下空气中的声速为 0 (20)344cCm s 在本次毕业设计中，由于热水锅炉的压强对声速不是很大，对系统的结果 影响不大，因此不考虑，只考虑温度的影响。如图 2-1 为超声波声速表; 表 2-1 不同温度下的超声波声速表 温度 声速 (m/s) -30 313 -20 319 -100102030100 325323338344349386 12 （3）控制水泵电路的设计 如图 2-6 所示，使继电器触顶导通，必须三级管的基极为高电平，所以 P2.6 口输出高电平，水泵就打开；当 P2.6 口输出为低电平，三级管截止，继 电器触点断开，水泵关闭。如果当显示到达设定的最大值，水泵要关闭，当显 示到达设定的最小值，水泵要打开了。采用一个继电器和一个三级管来实现， 这里的续流二级管要特别注意，它是来保护继电器，消除浪涌电流。如图 2-6 所示。 123456 A B C D 654321 D C B A EA /VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 30 TX D 11 RX D 10 U1 8051 K1 1 2 3 J1 CO N3 Q1 NPN 10k D1 VCC 图 2-6 驱动水泵电路 2.2 系统检测模块的设计 本次毕业设计的检测模块包括水温检测模块、气温检测模块和液位检测模 块，其中水温检测模块采用集成温度传感器 AD590，水温检测模块采用 DS18B20，液位检测模块采用超声波电路实现液位检测功能。 2.2.1 水温检测模块的设计 在热水锅炉中，只需把水加热到 100，然后保温，因此必须要采用测量 量程大于 100的温度传感器，该系统是温度检测系统，可以使用热敏电阻之 类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行 A/D 转换后，就可以用单片机进行数据的处理，同时可以将被测温度显示出来。 13 （1）水温检测系统框图 通过对系统大致程序量的估计和系统工作速度的估计以及 I/O 口需求量的 估计，考虑价格因素、元器件市场因素，选定 8051 单片机作为系统的主要控 制芯片。各种模拟信号均需通过 A/D 转换器转换成数字量，考虑到被测量的有 效位数及其富裕量，选 ADC0804 芯片作 A/D 转换器。由于锅炉的内的温度可能 超过 100，选用 AD590 芯片作为温度传感器。采用 LED 数码管动态显示测得 的数值，采用一片 8 路三态反相缓冲器 74LS240 作为字形码锁存驱动器，报警 电路采用 555 定时器组成的振荡电路。 由温度传感器 AD590 采集温度信号，经过 A/D 转换成数字信号送入单片机， 并由单片机控制 LED 显示出来，该系统同时有报警功能，当温度符合报警条件 时，单片机的 P2.7 口输出高电平，控制 555 定时器组成的报警电路报警。如 图 2-7 为水温监测系统框图; 图 2-7 水温检测系统框 （2）水温检测电路的设计 采用集成温度传感器 AD590 测量水温，AD590 是利用 PN 结构正向电流与 温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器（热敏器件）。AD590 是美国模 拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下： 1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度 数，即：mA/K 式中：流过器件（AD590）的电流，单位为 mA；T热力学温 度，单位为 K。 2、AD590 的测温范围为-55+150。 3、AD590 的电源电压范围为 4V30V。电源电压可在 4V-6V 范围变化，电 流 变化 1mA，相当于温度变化 1K。AD590 可以承受 44V 正向电压和 20V 反向 电压，因而器件反接也不会被损坏。 单 片 机 温度传感器A/D转换 LED显示 声光报警 14 4、输出电阻为 710MW。 5、精度高。AD590 共有 I、J、K、L、M 五档，其中 M 档精度最高，在- 55+150范围内，非线性误差为0.3。 AD590 的外形与小功率晶体管相仿，共有 3 个管脚：1 脚为正极，2 脚为 负极，3 脚接管壳。使用时将 3 脚接地，可起到屏蔽作用。AD590 的测温范围 是-55+150，最大线性误差为0.3，响应时间仅 20s，重复性误差 低至0.05，功耗约 2mW。 其输出电流是以绝对温度零度(-273)为基准，每增加 1，它会增加 1A 输出电流，因此在室温 25时，其输出电流 Io=(273+25)=298A。Vo 的 值为 Io 乘上 10K，以室温 25而言，输出值为 2.98V(10K298A)。测量 Vo 时，不可分出任何电流，否则量测值会不准。 AD590 等效于一个高阻抗的恒流源。在工作电压+4+30V，测量范围- 55+155范围之内，对应于热力学温度 T 每变化 1K，就输出 1A 的电流。 这就表明，其输出电流 I（A）与热力学温度 T(K)严格成正比。电流灵敏度表 达式为：I/T=3K8/eR。式中的 K、e 分别为波尔兹曼常数和电子电量，R 是 内部集成化电阻。将 K/e=0.0862mV/K，R=538 代入式中得到： I/T=1.000A/K 因此，输出电流的微安数就代表着被测温度的热力学温标数。 AD590 温度与电流的关系如表 2-2 所示。 表 2-2 AD590 温度与电流的关系 15 AD590 测温电路输出的电压信号为模拟信号，要进行数码显示，还需将此 信号转换成数字信号。为此我们通过 A/D 转换器将输入的模拟值转换成数字值， 经 8051 单片机处理后输出到 P1 以控制温度显示电路。 ADC0804 是用 CMOS 集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片，分辨率 8 位，转换时间 100s，输入电压范围为 05V，增加某些外部电路后，输入模 拟电压可为 5V。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路 的输出可以直接连接在 CPU 数据总线上，无须附加逻辑接口电路。 ADC0804 与 ADC0809 有相同的功能，引脚与 ADC0809 不同，ADC0804 有 20 个引脚，模拟信号从 Vin(+)输入，转换后的数字信号从 DB0 到 DB7 口输出， ADC0804 的引脚如图 2-8 所示。 摄氏温度AD590电流经10K电压 0 10 20 30 40 50 60 100 273.2uA 283.2uA 293.2uA 303.2uA 313.2uA 323.2uA 333.2uA 373.2uA 2.732V 2.832V 2.932V 3.032V 3.132V 3.232V 3.332V 3.732V 16 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:13-May-2009Sheet of File:F:与与与与与与与与与与与与与与与与与与wushuo.ddbDrawn By: EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 U? 8051 VccREF 20 Vin(-) 7 lsbDB0 18 DB1 17 Vin(+) 6 DB2 16 DB3 15 DB4 14 A-GND 8 DB5 13 DB6 12 msbDB7 11 Vref/2 9 INTR 5 CLK-R 19 CS 1 RD 2 CLK-IN 4 WR 3 U? ADC0804 图 2-8 ADC0804 的引脚 水温检测电路由温度传感器 AD590，模数转换器 ADC0804 构成检测输入模 块，温度传感器 AD590 采集到得温度信号是模拟信号，因此要通过 A/D 转换后 方可与 8155 连接，如图所示，AD590 输出的电流信号将直接与 ADC0804 的 Vin(+)相连，Vin(-)端接地，DBO 到 DB7 端分别与 8155 的 A 口 PA0 到 PA7 连 接，锅炉内水温的变化将引起 AD590 的电阻值发生变化，从而使输出电流发生 改变，ADC0804 将电流值转换为数字量输送到 8155，并通过 8155 发送到单片 机，单片机根据不同的电流所对应的温度值便可以得出锅炉内的水温，其中不 同的电流所对应的温度值可以在所给出的表中查的，其中电路的连接如图 2-9 所示，AD590 与+5V 电源连接，并通过电阻接地，ADC0804 的 Vcc 端直接接高 电平，对 ADC0804 进行单独供电可以保证其正常工作。 17 123456 A B C D 654321 D C B A VccREF 20 Vin(-) 7 lsbDB0 18 DB1 17 Vin(+) 6 DB2 16 DB3 15 DB4 14 A-GND 8 DB5 13 DB6 12 msbDB7 11 Vref/2 9 INTR 5 CLK-R 19 CS 1 RD 2 CLK-IN 4 WR 3 U2 ADC0804 AD0 12 PA0 21 AD1 13 PA1 22 AD2 14 PA2 23 AD3 15 PA3 24 AD4 16 PA4 25 AD5 17 PA5 26 AD6 18 PA6 27 AD7 19 PA7 28 PB0 29 CE 8 PB1 30 RD 9 PB2 31 WR 10 PB3 32 IO/M 7 PB4 33 ALE 11 PB5 34 PB6 35 PB7 36 TM ROUT 6 PC0 37 PC1 38 TM RIN 3 PC2 39 PC3 1 PC4 2 RESET 4 PC5 5 U1 8155 9K 470K 2K 5K D1 ZENER3 AD590 +5 +5V VCC AR1 OPAMP AR2 OPAMP AR3 OPAMP 10k 1k 20k 10k 10k 50k 5k 50k +12 -12 +12 -12 +12 -12 GND 图 2-9 水温检测电路 2.2.2 气温检测模块的设计 气温检测选用温度传感器 DS18B20，DS18B20 的内部测温电路框图如图 2- 10 所示，低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率 的脉冲信号送给减法计数器 1，为计数器提供一频率稳定的计数脉冲。高温度 系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，很敏感的振荡器，所产生的信号作 为减法计数器 2 的脉冲输入，为计数器 2 提供一个频率随温度变化的计数脉冲。 18 图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20 就对低温度系数振荡器产生 的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数 振荡器来决定，每次测量前，首先将-55所对应的基数分别置入减法计数器 1 和温度寄存器中，减法计数器 1 和温度寄存器被预置在-55所对应的一个 基数值。减法计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减 法计数器 1 的预置值减到 0 时温度寄存器的值将加 1，减法计数器 1 的预将重 新被装入，减法计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数， 如此循环直到减法计数器 2 计数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度 寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线 性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过 程