原创集中供暖电气控制系统的设计毕业论文设计.docx

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原创集中供暖电气控制系统的设计毕业论文设计

集中供暖电气控制系统的设计

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W77E58……………………………………………………………10

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

3.2.1DS18B20的外形和内部结构…………………………………………………13

3.2.2温度传感器与单片机的接口电路……………………………………………14

3.3AD转换电路的设计……………………………………………………………14

3.3.1TLC2543的介绍……………………………………………………………14

3.3.2AD转换工作原理……………………………………………………………15

3.3.33.3V的基准电源……………………………………………………………15

3.4流量检测电路的设计……………………………………………………………16

3.4.1ZRN-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

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

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IO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；

THEDESIGNOFCENTRALHEATINGELECTRICALCONTROLSYSTEM

Abstract：

Withtheimprovementofpeople'slivingstandard,theacceleratingpaceofwork,thecentralmostpartsofthecountry,especiallybigcities,ismoreandmoreimportant.Theprogressivedevelopmentoftheresidentialusesthe77E58singlechipmicrocomputerasthecorecontroldevice,realizedthecontrolwithautomation.ThedesignofthecircuitforDS18B20,IOexpansionportwith8255andusedtheAD694chipfortheconverter.Expoundedtheprincipleandfunctionsoftheinterfacesbetweenextension,datatransmission,communicationprotocolandthetheotherdiscussedtherealizationofthevariousfunctionalprocessesneeded.Thesystemusessingle-chipmicrocomputerdetectingsensor,electricvalvecombination,controlsthedistrictdrawing

P1口有两个功能，IO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1P1口的第二功能

Table1ThesecondfunctionofP1mouth

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IO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2P3口的第二功能

Table2ThesecondfunctionP3mouth

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）

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

Fig5Resetcircuit

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AD转换,导入单片机中。

3.2.1DS18B20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3-5DS18B20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。

图6DS18B20的管脚排列

Fig6PinarrangementofDS18B20

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7DS18B20内部结构图

Fig7DS18B20internalstructure

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3-8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AD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。

3.3AD转换电路的设计

AD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。

AD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AD转换芯片来实现，本设计便采用用到的芯片为TLC2543[7］。

3.3.1TLC2543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10μs；（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4μA。

图8为TLC2543的管脚图

图8TLC2543的管脚图

Fig8PinpictureofTLC2543

（1）AIN0～AIN10：

模拟输入端；　　

（2）CS：

片选端，；（3）DATAINPUT：

串行数据输入端；

（4）DATAOUT：

AD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）IOCLOCK：

时钟输入输出端。

3.3.2AD转换工作原理

图9AD转换电路

Fig9ADconversioncircuit

TLC2543的IO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。

AIN7AIN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。

3.3.33.3V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103.3V基准电源

Fig10Benchmark3.3Vpowersupply

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ZRN-LUG涡街流量计。

3.4.1ZRN-LUG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*vd

（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，ms；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0.14－0.27。

St是雷诺数的函数，St=f（lRe）。

雷诺数Re在102~105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102~105，旋涡频率f=0.2vd。

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。

ZRN-LUG涡街流量计的管脚排列如图11所示。

图11ZRN-LUG的管脚排列图

Fig11PinsofZRN-LUG

涡街电流计通过管脚3向外输出电流信号，范围是4-20mA。

3.4.2检测电路工作原理

ZRN-LUG涡街流量计的输出信号是4-20mA的电流信号，需要运算放大器LM358组成的4-20mA输入5V输出的IV转换电路.而该电路输出的电压信号通过D01与TCL2543连接。

经过AD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。

图12流量监测电路

Fig12Trafficmonitoringcircuit

ZRN-LUG涡街流量计的输出信号是4-20mA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AD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AD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的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

本设计采用PC封装式压力传感器双列直插封装1220型中压传感器。

工作原理：

因为压力传感器输出信号是0-50mV的电压信号，经过两个运算放大器LM324组成放大电路获得0-5V的电压。

而该电路输出的电压信号经过AD转换电路变成数字信号传到单片机内。

此处用到的AD转换器为TLC2543。

3.5.2压力检测电路的工作原理

图13压力检测电路

Fig13Pressuredetectioncircuit

LM324是四运放集成电路。

压力传感器输出的电流信号，经过上拉电阻.同流放大器U2C与电压跟随器U3D，而该电路输出的电压信号经过AD转换电路变成数字信号传到单片机的P1口内。

3.6键盘显示电路的设计

为便于对温度进行随时的检测，需要键盘与显示电路以便观测与控制温度。

3.6.1键盘部分

键盘电路主要是通过键盘可以设置5个时段温度；同时实现温度、流量、压力等状态信息的调整，以及它们的显示信息的切换。

键盘电路如图3-13所示：

图14键盘电路

Fig14Keyboardcircuit

设计采用行列式按键结构，键盘区设计4*2个按键,它的行线与按键的一个引脚相连，列线与按键的另一个引脚相连。

列线通过上拉电阻接到+5V上。

平时列线被置成低电平，没有按键被按下时，行线保持高电平，而有按键被按下时，行线被拉成低电平。

这时候控制器知道有按键被按下，但只能判断出在哪一行，不能判断出在哪一列，因此接下来就要进行键盘扫描，以确定具体是哪个按键被按下。

键盘扫描程序需要配合显示电路界面进行设计。

这8个键的功能为左右移动、上下移动、返回、确认、开机、功能选择。

当我们想要显示或切换某个信息时，可以选择开机键，在选择功能键，进行上下调整、左右调整，得到确定信息按确定键。

完成后可按返回键。

3.6.2显示部分

前面在第二节我们在方案选择时已经说我们选择的是6为LED动态显示。

由于所有6位段皆由一个IO口控制，因此，在每一瞬间，6位LED会显示相同的字符。

要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方法流点亮各位LED，即在每一瞬间只使某一位显示字符。

在此瞬间，段选控制IO口输出相应字符段选码（字型码），而位选则控制IO口在该显示位送入选通电平（因为LED为共阴，故应送低电平），以保证该位显示相应字符。

如此轮流，使每位分时显示该位应显示字符。

例如，要求显示“LL0-20”时，IO1和IO2轮流送入段选码、位选码在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位IO口控制。

而共阴（共阳）极公共端分别由相应的IO口线控制，实现各位的分时选通。

段选码，位选码每送入一次后延时1mS，因人的视觉暂留时间为0.1S（100mS），所以每位显示的时间不能超过20MS，并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果，给人看上去每个数码管总在亮。

这种方式称为软件扫描方式。

显示电路的电路图15是所示。

图15显示电路

Fig15Showscircuit

由上图可见，电路采用6位共阳LED数码管，用动态扫描方式显示，显示温度、流量、时间等信息。

3.6.3键盘显示的接口电路

采用4*2键盘，6位数码管通过8255A与单片机相连。

74LS245则作为输入缓冲器连接在8255与数码管之间。

下面先对8255与74LS245做一下简单介绍。

（1）8255简介，8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。

同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口.8255具有3个相互独立的输入输出通道端口，用+5V单电源供电，能在以下三种方式下工作。

方式0—基本输入输出方式；方式1—选通输入出方式；方式2—双向选通输入输出方式；

（2）74LS245的简介，74LS245是我们常用的芯片，用来驱动LED或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。

双列直插封装图如3-15所示。

图1674LS245引脚图

Fig1674ls245pindrawing

74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。

当单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。

当片选端CE低电平有效时，DIR=“0”，信号由B向A传输；（接收）DIR=“1”，信号由A向B传输；（发送）当CE为高电平时，A、B均为高阻态。

由于P2口始终输出地址的高8位，接口时74LS245的三态控制端1G和2G接地，P2口与驱动器输入线对应相连。

P0口与74LS245输入端相连,E端接地，保证数据线畅通。

8051的RD和PSEN相与后接DIR，使得RD且PSEN有效时，74LS245输入（P0.1←D1），其它时间处于输出（P0.1→D1）。

单片机经8255与键盘显示接口的电路如图17所示。

图17键盘显示接口的电路

Fig17Keyboarddisplayinterfacecircuit

8255的D0口接单片机的P0口，A0、A1作为控制总线接单片机的P2.0、P2.1。

当8255的PA口接了输入缓冲器74LS245，接数码管的八个管脚，从8255的PA口输出段码,PB口输出位码。

PC低4位作为输入口。

PC高4位作为输入口工作方式选择方式2，则8255的口地址分别为：

PA：

F8F7H，PB：

F9F7H，PC：

FAF7H，控制口：

FBF7H。

这样显示器的段口地址为FCF7H，位口地址为FDF7H。

3.7射频卡接收电路的设计

射频识别即RFID（RadioFrequencyIDentification）技术，它的工作原理是标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（PassiveTag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（ActiveTag，有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后，