锅炉温度控制系统设计方案Word文件下载.docx
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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。
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-55~155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（80.31~280.98Ω）经信号调理电路转换成0.8~2.8V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0~100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。
2.2.2A/D转换模块设计方案的论证与比较
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。
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。
3.1.3AT89C51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SFR[3]。
其中低128字节的RAM又被分为00H~1FH的工作寄存区、20H~2FH的可位寻址区、30H~7FH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3.2AT89C51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IE0
T0
000BH
定时器/计数器T0溢出中断请求，中断请求标志为TF0
0013H
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IE1
T1
001BH
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RI
2.2.3键盘设计方案的论证与比较
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。
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0~9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/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
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。
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
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。
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
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。
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
3.1.151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。
3.1.2AT89C51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3.1AT89C51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0000H~0FFFH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、P3
P0口：
8位漏极开路的双向输入/输出端口，在芯片上为32~39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1~8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21~28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21~28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3.1P3口的第二功能
引脚
第二功能信号
功能描述
P3.0
RXD
串行数据接收
P3.1
TXD
串行数据发送
P3.2
外部中断0申请
P3.3
外部中断1申请
P3.4
定时/计数器T0输入
P3.5
P3.6
P3.7
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3~33MHz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200Ω小电阻与+5V电源VCC接通，22μF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1KΩ电阻对22μF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100Ω，在150℃时它的阻值约为157.33Ω，在这个过程中，温度每变化1摄氏度，其阻值变化为0.39Ω，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LM324
LM324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100dB，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3.0V~32V，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3.4LM324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0~100℃时，1mA电流在PT100上产生的电压为0.10000~0.13851V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=450Ω，R3=100Ω，R4=450Ω，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
3.4A/D转换模块的电路
3.4.18位A/D转换芯片ADC0809
1.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66~77个典型时钟脉冲内即可完成对
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