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1、 目 录 1 引言12 总体设计方案12.1 设计思路12.2 设计框图23 温度数据采集系统23.1 数字温度传感器23.2 SWC接口电路33.3 单片机与SWC的连接电路44 流量数据采集系统44.1 电磁流量计54.1.1 工作原理54.1.2 测量原理54.2 单片机与流量计的接口电路65 人数统计系统75.1 键盘布局75.2 键盘接口电路76 温度控制系统86.1 键盘控制模块86.2 LED显示模块86.2.1 LED及控制芯片简介86.2.2 LED显示系统硬件电路96.3 温度调节模块106.3.1 流量控制器106.3.2 PWM驱动电路116.3.3 比例电磁阀117
2、多个单片机串口通信127.1 波特率选择127.2 89C51的串行口137.3 硬件连接电路图148 软件部分设计148.1 1号子机软件流程158.2 2号子机软件流程168.3 主单片机软件流程17结束语19致谢20参考文献21附图 总电路图221 引言 在北方的城市生活中，暖气一直是冬天不可少的生活必需品，随着现代化建设的进行，陈旧的暖气管道以及，古老的供暖模式显得与现代化的气息有些格格不入。当然，要想完全改变这种供暖模式，所需要的资金量是庞大的，我们不得不考虑一种更经济，更实际的方法。那就是改变收费模式，改变室内暖气供应的控制模式。我国暖气收费一直是以用户住房面积计算，这种方式有失公
3、平。现在，我们根据前人的经验，提出按热量计费的方式。我国室内暖气供应控制一般是手动阀门，有的住户干脆没有阀门。这样的方式造成一旦暖气开通，所有用户都以最大模式运行，不管用户家中是否有人。这样造成了大量的热量流失和浪费。新的控制系统的提出，可以改变这种大量浪费的情况，它具有人性化，智能化，自动化等特点，而且价格低廉，适合普通用户。2008年，我国暖气价格普遍上涨，这主要是因为暖气供应部门在供暖上投资过大，收益太少，入不敷出。造成这种情况的首要原因就是供暖模式的落后，以及燃料的价格上涨。暖气价格的上涨使得用户怨声载道。由此，急需一种新的供暖模式和计费模式来解决这个问题，很多先进的设计因为造价太高而
4、未被采用，相信造价低，效率高的系统会更适合我国的现有国情。2 总体设计方案 2.1 设计思路 本系统以89C51单片机作为微处理器，该处理器具有功能强大，价格低廉等优势，该系统采用三个单片机协同工作的模式，其中一片单片机作为主机，主要负责根据其他两片采集的数据驱动电磁阀，调节暖气管道中的热水流量从而调节温度，并将之显示在LED显示器上，该单片机还负责接收键盘数据，从而实现手动调节室内温度，另外主机机还负责接收1号子机采集的温度热量等数据，显示在LED上，作为收费的根据。1号子机主要负责采集温度，温度传感器3安装在室内中央，采集室内温度，传感器1，2分别安装在暖气管道的进水口和出水口，采集两处的
5、温度计算温差并保存，再根据采集的流量数据计算温差计算出热量并保存。 2号子机主要负责根据装在门内外的两个特殊的按键计算出房间内人的数目，从而计算出房间内的人数，把该数据传送给主单片机并显示在LED显示器上。房间内无人时主单片机发送数据至电磁阀，关闭电磁阀，从而达到节约的目的。为尽量减少或者避免压力传感器采集数据有误，房间外边还应安装一个数据清零的按钮。当室内无人时，最后一个离开房间的人，按下清零按钮，从而确保计数系统显示为零，关闭房间内的暖气。2.2 设计框图 设计框图如图1所示。 图1 系统框图3 温度数据采集系统 单片机1号子机负责温度数据的采集，要采集的温度数据出自三处。一处来自暖气片的
6、进水口，第二处来自暖气片的出水口，这两处的温度数据将用于热量的计算，用作暖气收费的依据。还有一处来自房间中部，此处的数据将用作室内温度显示和调节的依据。3.1 数字温度传感器 数字温度传感器1（简称SWC），又称集成数字式感温探头，是一种新型的三端温度变送器件，该器件采用集成模块化设计，可以直接将被测温度信号转化为数字脉冲信号输出，具有传送距离远，抗干扰能力强，转换精度高等优点。它可以方便地与51系列单片机接口，而省去A/D转换集成电路，降低成本，提高可靠性，缩小体积，可广泛应用于军事，医药卫生，食品及自动化测控系统中。SWC三条引脚的名称分别为控制线（K），信号线（S），公共线（G）。其引脚
7、信号波形如图2所示。 图2 SWC 引脚信号波形其实K端实际上也是电源线，其工作方式为加电启动或宽脉冲触发。当对其控制线加电压或宽脉冲时，经复位时间TQ之后信号线上便输出一串脉冲。该脉冲的个数即表示被测温度的数字量。这里还需要说明一点，输出脉冲个数的多少不取决于加电脉冲的宽度，而取决于SWC内部正比于温度的参考电压的大小，即温度的高低。利用SWC这种特点，可以方便地与单片机配接。3.2 SWC接口电路 SWC与单片机配接的方案有两种，一种是外加电方式，另外一种是采用软件实现。本设计中，采用外加电配接方式。方案如下： 图3 SWC的外加电方式接口电路 此方案为外加电方式，即控制线K上所加宽脉冲为
8、一外接振荡器，由振荡器的脉冲宽控制SWC启动，如图3所示。SWC传感器出厂均严格约定为每个脉冲0.1C的增量，而脉冲频率为15KHZ左右。89C51单片机的P3.4 P3.5引脚为计数器时，对外部事件的最高计数速度为fosc/24。若晶振为6MHZ，6MHZ/2415KHZ，则计15KHZ左右的脉冲是没有问题的，15KHZ脉冲的周期为0.067ms，SWC传感器的测量上限若为150C，则须计1500个脉冲，大约100ms。即在控制线K端加电的脉宽应大于100ms，否则会引起误差。重复对SWC进行加电启动，可实现对被测温度的连续采样。 若以P3.4为计数输入端，则必须将8951特殊功能寄存器TM
9、OD中的D3位即门控制位GATE置为1.则只有当定时器运行控制位TR0=1，且INT0引脚为高电平时，才启动T0计数器计数，这种情况下，只要INT0为高电平，计数便开始；INT0为低电平，停止计数。T0计数受控于INT0的高低电平，利用这一特点，让SWC的控制线K与INT0相连，只要INT0变为高电平，一方面给SWC加电，其输出为15KHZ的脉冲；另一方面使单片机计数器T0开放，开始计数，计数脉冲的多少就是温度的数字量，图3中IC1为施密特触发器，它和电容C，电位器W1、W2一起构成占空比和频率均可多调的多谐振荡器。W1、 W2可设定脉冲占空比，振荡器输出脉冲宽驱动三极管给SWC加电，每加一次
10、电采样一次，SWC传感器的信号线S经两级施密特触发整形后送至单片机的计数端T0，完成一次温度采样。 由SWC的工作原理可知，所谓SWC的应用，就是对SWC的控制线加电后，紧接着检测信号线上输出脉冲的个数，从而得到被测温度的数字量。89C51内部有两个相同的16位计数器，如果要检测三点或者以上的温度，或者计数器已被占用，我们也可以采取单片机的偶同I/O口用查询法实现温度的采样。3.3 单片机与SWC的连接电路 在本文的设计中，将采用单片机1的P2.1-P2.6实现三点的温度采样，为了防止外接电路对单片机的正常工作产生干扰，用光耦进行隔离。硬件电路图如图4所示。 图4 单片机与SWC的硬件连接电路
11、4 流量数据采集系统 单片机1号子机除了负责温度数据的采集以外，还负责流量数据的采集。本系统中，流量的采集用电磁流量计实现。4.1 电磁流量计电磁流量计简单说是由流量传感器和变送器组成的。流量传感器是把流过管道内的导电液体的体积流量转换为线性电信号。其转换原理就是著名的法拉第电磁感应定律，即导体通过磁场，切割电磁线，产生电动势。流量传感器的磁场是通过励磁实现的，分直流励磁、交流励磁和低频方波励磁。现在大多流量传感器采用低频方波励磁。变送器是由励磁电路、信号滤波放大电路、A/D采样电路、微处理器电路、D/A电路、变送电路等组成。4.1.1 工作原理电磁流量计2（Eletromagnetic Fl
12、ow meters，简称EMF）是20世纪5060年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表。电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的，电磁流量计用来测量导电液体体积流量的仪表。由于其独特的优点，电磁流量计目前已广泛地被应用于工业过程中各种导电液体的流量测量，如各种酸、碱、盐等腐蚀性介质；电磁流量计各种浆液流量测量，形成了独特的应用领域。在结构上，电磁流量计由电磁流量传感器和转换器两部分组成。传感器安装在工业过程管道上，它的作用是将流进管道内的液体体积流量值线性地变换成感生电势信号，并通过传输线将此信号送到转换器。转换器安装在离传感器不太远的地方，它将传感器送来的流量信号进行放大，
13、并转换成流量信号成正比的标准电信号输出，以进行显示，累积和调节控制。4.1.2 测量原理根据法拉第电磁感应定律，当导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体的两端即产生感生电势e，其方向由右手定则确定，其大小与磁场的磁感应强度B，导体在磁场内的长度L及导体的运动速度u成正比，如果B， L，u三者互相垂直，则有 eBlu 与此相仿在磁感应强度为B的均匀磁场中，垂直于磁场方向放一个内径为D的不导磁管道，当导电液体在管道中以流速u流动时，导电流体就切割磁力线如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极，如图5所示，则可以证明，只要管道内流速分布为轴对称分布，两电极之间也特产生感生电动势： eBDu 式
14、中，u为管道截面上的平均流速由此可得管道的体积流量为： 由上式可见，体积流量qv与感应电动势e和测量管内径D成线性关系，与磁场的磁感应强度B成反比，为固定量，可视为与qv无关。只需测量e，B这两个变量就可得出通过流量计的液体流量，这就是电磁流量计的测量原理 。 图5 电磁流量计原理简图4.2 单片机与流量计的接口电路 为了防止流量计对单片机信号的干扰，本系统中单片机与电磁流量计也采用光电耦合的方式进行隔离驱动，由于本系统与温度采集系统共用一个单片机，故采用1号子机的P2口中剩余的P2.0 P2.7口进行驱动，其电路图如图6所示。 图6 单片机与流量计接口电路单片机根据温度传感器1 2采样的数据算出暖气进水口和出水口的温度差，并保存温差数据，再根据电磁流量计采集的流量数据按公式 计算出流经暖气片的热水质量，再根据公式 计算出暖气片的热量消耗，保存在1号子机的数据存储器中，并累加，当1号子机接收到主机发送的接收热量数据的指令时将数据通过串口
