温度传感器温度控制设计

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1、锅炉温度控制系统设计01 系统总体设计1.1 系统总体设计方案设计框图如下所示：计算机控制温 度 信 号 采 集 电 路温 度 控 制 接 口 电 路继电器控制 与加热电路继电器控制 与降温电路图 1-1 系统框图 1.2 单元电路方案的论证与选择硬件电路的设计是整个实验的关键部分，我们在设计中主要考虑了这几个方面：电路简单易懂，较好的体现物理思想；可行性好，操作方便。在设计过程中有的电路有多种备选方案，我们综合各种因素做出了如下选择。1.2.1 温度信号采集电路的论证与选择采用温度传感器 DS18B20美国 DALLAS 公司的产品可编程单总线数字式温度传感器 DS18B20 可实现室内温度

2、信号的采集，有很多优点：如直接输出数字信号，故省去了后继的信号放大及模数转换部分，外围电路简单，成本低;单总线接口，只有一根信号线作为单总线与 CPU 连接，且每一只都有自己唯一的 64 位系列号存储在其内部的 ROM 存储器中，故在一根信号线上可以挂接多个 DS18820,便于多点测量且易于扩展。DS18B20 的测温范围较大，集成度较高，但需要串口来模拟其时序才能使用，故选用此方案。1.2.2 DS18B20单线智能温度传感器的工作原理DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司最近推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度,并且可根

3、据实际要求通过简单的编程实现 9-12 位的数字值读数方式。1.2.3 DS18B20 单线智能温度传感器的性能特点采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它 I/O 口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9 位二进制数，含符号位） ；测温范围为-55 +125，测量分辨率为 0.0625；内含 64 位经过激光修正的只读存储器 ROM；适配各种单片机或系统机；锅炉温度控制系统设计1用户可分别设定各路温度的上、下限；内含寄生电源；1.2.4 DS18B20 的内部结构框图如图 1-2 所示:图 1-2 DS18B20 内部结构它采用 3 脚 PR35 封装或 8 脚

4、 SOIC 封装其管脚封装如图 1-3 所示。图 1-3 DS18B20 的引脚排列 1.2.5 输入输出通道及其接口设计 1）温度检测模拟输入通道设计 如图 1-4 所示:锅炉温度控制系统设计2图 1-4 输入通道原理图 设 VF 变换器的额定输出频率为 F，计数器对输出脉冲的计数时间为 Ts，AD 转换结果的分辨率为 i，则有： sisFT2取 Ts1s，则在 VF 的输出频率范围 010kHz 内，可以得到 13 位的 AD 转换结果。2)晶闸管数字触发输出通道设计晶闸管的工作方式有：(1)调压方式如图 1-5 所示：图 1-5 调压方式原理图 调压方式：是通过利用移相触发脉冲调节晶闸管

5、的导通角，使输入到电加热元件的电压改变，达到调节用电器的输入功率，来实现控制目的。(2)调功方式调功方式：触发电路采用的是过零触发方式，外加正弦电压过零时控制信号才使晶 闸管的触发导通，则负载上得到的电压是一个正弦波，如图 1-6 所示锅炉温度控制系统设计1图 1-6 波形图调功方式输入电炉的平均功率为： RU NnP2 P输入电炉的功率；R负载有效电阻；U电网电压 ；n允许导通的波头数；N设定的波头数。当 n0 时，电炉的输入功率为零；nN 时，电炉的输入功率为满功率。 由以上分析可得晶闸管数字触发输出通道设计,如图 1-7 和图 1-8 所示：图 1-7 闸管数字触发输出通道电路图 1-8

6、 波形图 3) 拨码盘给定输入通道拨码盘作为数字量的输入设备，设定和修改码盘值可作为控制系统的给定值。输入非数字信息时，需要事先将非数字信息转换为数字代码，再由拨码盘输入。 4) 数码显示输出通道包括：数字量输出接口电路；锁存译码驱动电路；七锅炉温度控制系统设计2段数码管显示器。5) 打印机输出通道包括：系统配置了通用打印机接口电路；打印内容包括表头、制表、采样数据和采样时间。 1.2.6 模数转换的选择模数转换亦称模拟一数字转换，与数/模(D/A)转换相反，是将连续的模拟量（如象元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。例如，对图象扫描后，形成象元列阵，把每个象元的亮度（灰阶）转换

7、成相应的数字表示，即经模/数转换后，构成数字图象。通常有电子式的模/数转换和机电式模/数转换二种。在遥感中常用于图象的传输，存贮以及将图象形式转换成数字形式的处理。例如：图像的数字化等。 信号数字化是对原始信号进行数字近似，它需要用一个时钟和一个模数转换器来实现。所谓数字近似是指以 N-bit的数字信号代码来量化表示原始信号，这种量化以 bit 位单位，可以精细到1/2N。时钟决定信号波形的采样速度和模数转换器的变换速率。转换精度可以做到 24bit，而采样频率也有可能高达 1GHZ，但两者不可能同时做到。通常数字位数越多，装置的速度就越慢。1.2.7 模数转换的过程 论证模数转换包括采样、保

8、持、量化和编码四个过程。在某些特定的时刻对这种模拟信号进行测量叫做采样，量化噪声及接收机噪声等因素的影响，采样速率一般取 fS=2.5fmax。通常采样脉冲的宽度 tw 是很短的，故采样输出是断续的窄脉冲。要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。 量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号，量化的主要问题就是量化误差。假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的， 则量化噪声均方值与量化间隔和模数转换器的输入阻抗值有关。编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。这些过程有些是合并进行的，例如，采样和保持就利用一个电路连续完成，量化和编

9、码也是在转换过程中同时实现的， 且所用时间又是保持时间的一部分。1.2.8 A/D 的转换的原理如图1-9所示：图 1-9 原理图dn-1 d1 d0 数字量输出 (n 位) ADC 的数字 化编码电路 CPS S C ADC 采样-保持电路 采样展宽信号 输入模拟电压 ui(t) us(t) 锅炉温度控制系统设计31.2.9 A/D 的转换作用由于温度传感器采集到的是模拟电压信号，而计算机只识别数字信号，因此必须经过 A/D 转换，将采集到的模拟信号转换为数字信号才能被计算机识别，其转换的温度才能通过 LED 数码管显示。1.3 51 单片机的简介MCS-51 系列单片机是 Intel 公司

10、在总结 MCS-48 系列单片机的基础上于 20世纪 80 年代初推出的高档 8 位单片机。MCS-51 系列的制成及发展与 HMOS 工艺的发展密切相关 ，HMOS 是高性能的 NMOS 工艺。1.3.1 MCS-51 系列单片机内部结构 MCS-51 系列单片机内部采用模块式结构，其结构组成框图如图 1-10 所示：中断控制定时/计数器1定时/计数器0程序存储器数据存储器4K/8K字 节ROM128/256字 节RAM串行口时钟电路CPU总线 控制并行 口P0P1P2P3TXDRXD控制图 1-10 MCS-51 系列单片机组成框图 由图 1-10 可见，MCS-51 系列单片机主要由以下

11、部件通过片内总线连接而成：中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、并行输入/输出口（P0 口P3 口）、串行口、定时器/计数器、中断控制、总线控制及时钟电路。1.3.2 引脚定义引脚是单片机和外界进行通信的通道连接点，用户只能通过引脚组建控制系统。从应用的角度来看，引脚的应用是单片机应用的一个重要基础。由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数量是有限的，但单片机为实现控制所需要的信号数目却远远超过其引脚数目。为解决这一矛盾，单片机的某些信号引脚被赋以双重功能。如图 1-11 所示：锅炉温度控制系统设计4P1P0P3P2RSTALEXTAL1XTAL2VCCVSSPSENE

12、AI/OI/OI/OI/O图 1-11 40 引脚 PDIP 封装的 80C51 单片机的引脚排列及逻辑符号图 1、电源及电源复位引脚：（1）VCC（40 脚）：正常操作时接+5V 直流电源。（2）VSS (20 脚)：接地端。（3）RST/VPD（9 脚）：复位信号输入端。在该引脚上输入一定时间（约两个机器周期）的高电平将使单片机复位。该引脚的第二功能是 VPD，即备用电源输入端。当主电源发生故障，降低到低电平规定值时，可将+5V 备用电源自动接入 VPD端，以保护片内 RAM 中的信息不丢失，使复电后能继续正常运行。（4）/VPP（31 脚）：访问程序存储器控制信号/编程电源输入。当EA保

13、持高电平时，访问内部程序存储器，访问地址范围在 04KB 内；当EAPC（程序计数器）值超过 0FFFH，即访问地址超出 4KB 时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序；当保持低电平时，不管单片机内部是否有程序存储EA器，则只访问外部程序存储器（从 0000H 地址开始） 。由此可见，对片内有可用程序存储器的单片机而言，端应接高电平，而对片内无程序存储器的单片机，EA可将接地。EA对于 EPROM 型单片机，在 EPROM 编程期间，此引脚用于施加 21V 的编程电源（VPP） 。2、时钟振荡电路引脚 XTAL1 和 XTAL2：（1）XTAL1（19 脚）：外接石英晶体和微调电容引脚 1。

14、它是片内振荡电路反向放大器的输入端。采用外部振荡器时此引脚接地。（2）XTAL2（18 脚）：外接石英晶体和微调电容引脚 2。它是片内振荡电路反向放大器的输出端。采用外部振荡器时此引脚为外部振荡信号输入端。3、（30 脚）：低 8 位地址锁存控制信号/编程脉冲输入。在系统扩ALE/PROG展时，ALE 用于把 P0 口输出的低 8 位地址锁存起来，以实现低 8 位地址和数据的隔离。在访问外部程序存储器期间，ALE 信号两次有效；而在访问外部数据存储器期间，ALE 信号一次有效。对于 EPROM 型单片机，在 EPROM 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。PROG锅炉温度控制系统设计54、（29

15、 脚）：外部程序存储器的读选通信号输出端，低电平有效。在从PSEN外部程序存储器取指令（或常数）期间，此引脚定时输出负脉冲作为读取外部程序存储器的信号，每个机器周期两次有效，此时地址总线上送出的地址PSEN为外部程序存储器地址；在此期间，如果访问外部数据存储器和内部程序存储器，不会产生信号。PSEN5、并行双向输入/输出(I/O)口引脚：（1）P0 口的 P0.0P0.7 引脚（3932 脚）：8 位通用输入/输出端口和片外 8 位数据/低 8 位地址复用总线端口。（2）P1 口的 P1.0P1.7 引脚（18 脚）：8 位通用输入/输出端口。（3）P2 口的 P2.0P2.7 引脚（2821

16、 脚）：8 位通用输入/输出端口和片外高 8 位地址总线端口。（4）P3 口的 P3.0P3.7 引脚（1017 脚）：8 位通用输入/输出端口，具有第二功能。1 1. .3 3. .3 3 主主要要功功能能和和特特性性（1）可以仿真 63K 程序空间,接近 64K 的 16 位地址空间； （2）可以仿真 64Kxdata 空间,全部 64K 的 16 位地址空间； （3）可以真实仿真全部 32 条 IO 脚； （4）完全兼容 keilC51 UV2 调试环境,可以通过 UV2 环境进行单步,断点, 全速等操作； （5）可以使用 C51 语言或者 ASM 汇编语言进行调试 ； （6）可以非常方便地进行所有变量观察,包括鼠标取值观察,即鼠标放在某 变量上就会立即显示出它此的值； （7）可选 使用用户晶振，支持 040MHZ 晶振频率； （8）片上带有 768 字节的 xdata,您可以在仿真时选使用他们,进行 xdata 的仿真； （9）可以仿真双 D