家庭独立供暖系统软件部分毕业设计.doc

分类号分类号 编编 号号 题目题目 家庭独立供暖系统家庭独立供暖系统 软件部分软件部分 院院 、 系系 信息工程系信息工程系 专专 业业 电子信息工程电子信息工程 姓姓 名名 学学 号号 指导教师指导教师 2009 年 05 月 10 日 华北水利水电学院学士学位毕业论文 ii 摘 要 单片机，更确切地应称作微控制器，是 20 世纪 70 年代中期发展起来的一种面 向控制的大规模块，其特点是功能强、体积小、可靠性高、价格低廉。它一面世便 在工业控制、数据采集、智能化仪表、机电一体化、家用电器等领域得到了广泛应 用，极大地提高了这些领域的技术水平和自动化程度。因此，单片机的开发应用已 成为高科技和工程领域的一项重大课题。 本设计完成了基于单片机控制的家庭独立供暖系统。系统采用 89c51 作为控制 电路的主控器件。其中，温度采集采用温度传感器 ad590 来检测室内温度，并通过 adc0804 的转换将采到的数据传送到单片机内部。然后，与单片机内部设定的温度 相比较，再来控制电路中加热器、报警器、电动机及电源指示灯的工作。通过模拟 仿真，本设计基本上达到家庭独立供暖系统的要求。 关键词：独立供暖，89c51，adc0804，ad590， 华北水利水电学院学士学位毕业论文 iii abstract single-chip, more accurately should be called the micro-controller, is the mid-20th century, 70 developed for the control of a large-scale block, which is characterized by powerful, small size, high reliability and low prices.it will be a available in the industrial control, data acquisition, intelligent instruments, mechanical and electrical integration, the fields of household appliances has been widely applied, has greatly improved the technological level of these areas and the degree of automation. therefore, the development and application of single-chip high-tech and engineering has become a major topic areas . completed the design of family-based single-chip control of the independent heating system. 89c51 system as the master control circuit devices. among them, the temperature acquisition using ad590 temperature sensor to detect room temperature, and the conversion will be adc0804 data collected within the single-chip. then, with the single-chip internal temperature settings, compared to the control circuit again heaters, alarm, electric motors and power indicator light work. through the simulation, the design is basically an independent heating system to meet the family requirements. key words：independent heating ，89c51, adc0804, ad590 华北水利水电学院学士学位毕业论文 iv 目 录 摘 要 .ii abstract iii 目 录 .iv 第一章 绪 论 0 1.1 家庭独立供暖系统设计研究背景 .0 1.2 供暖系统现状.0 1.2.1 国外应用现状0 1.2.2 中国采暖系统及供暖产品现状：1 1.2.3 解决的方法与建议.2 1.3 设计内容2 1.4 章节安排 .3 第二章 单片机的特点及应用 4 2.1 单片机的简介4 2.2 单片机的特点4 2.2.1 单片微处理器的特点4 2.2.2 mcs51 系列单片机特点 .5 2.3 单片机的应用 5 2.4 at89c51 单片机简介 5 第三章 总体设计思路 8 3.1 功能要求8 3.2 硬件总体设计原则8 3.3 软件总体设计原则9 第四章、硬件、软件设计 .10 4.1 硬件主要组成部分.10 4.2 各部分电路.10 4.2.1 时钟电路.10 华北水利水电学院学士学位毕业论文 v 4.2.2 温度采集电路.11 4.2.3 a/d 转换电路 .14 4.2.4 报警电路.17 4.2.5 水位检测电路17 4.2.6 电动机工作电路.19 4.2.7 电热丝工作电路20 4.3 软件设计20 4.3.1 软件总体设计.20 4.3.2 主程序.20 4.3.3 子程序21 5.1 软件调试25 5.2 硬件检测26 5.3 硬件制作.26 5.3.1 电路元件识别.27 5.3.2 焊接.27 总 结 .29 致 谢 30 附录 1 源程序.32 附录 2 电路图.36 附录 3 英文文献及翻译.37 华北水利水电学院学士学位毕业论文 0 第一章 绪 论 1.1 家庭独立供暖系统设计研究背景 我们每一个人都会努力为自己营造一个舒适的居住环境，在很多地区往往供暖是 必不可少的。长期以来，我国城市住宅室内采暖系统设计基本上都采用单管垂直系统的 方案进行设计。这种设计方案有许多优点：1 系统简单；2 施工方便；3 造价低等，但是 也存在一定缺陷，主要是不便于用户进行局部调节，因而造成能源的浪费。随着能源结 构的变化及节能和物业管理的要求，这一缺陷越来越明显，使得此种供暖系统不得不被 逐步替代。 一个好的供暖系统，不应该仅仅只关注于供暖热源设备的选择，暖气片及管道材质的选 择与敷设方式往往也与整个供暖系统的运行息息相关。同时如何实现房间的温度控制、 达到既舒适又节能，以及最大限度地满足室内装饰的美观要求，都是至关重要的问题。 在独立采暖系统中合理地配置暖气设备及管道设计更加体现了独立系统的完美之处。目 前独立采暖系统在北方地区绝大多数仍采用传统的类似集中供热的设计方式和安装方式。 而对于长江流域地区，虽然过去使用集中采暖相对较少，但随着经济的快速发展，越来 越多的用户在冬季有了“热”需求，独立采暖系统正好满足了这一部分缺憾。 1.2 供暖系统现状 现代社会中供暖系统主要以集体供暖和太阳能供暖为主，其中，集中供暖系统主要 由热源（锅炉） 、传输管网（管材） 、散热设备（散热器）等三部分组成。因此，在解决 供暖系统存在的问题时应全面考虑，任何单方面的努力都将限制供暖行业的发展，只有 供暖行业的管理部门、企业、设计单位、施工单位、运行管理单位联合起来，我国的供 暖事业才能不断地向前发展，才能满足国家对热改的要求。 1.2.1 国外应用现状 欧洲、北美对太阳能供热（热水、采暖）系统的工程应用已有几十年历史，过去主 要用于单体建筑内的小型系统，近十余年来，包括区域供热在内的大型太阳能供热采暖 华北水利水电学院学士学位毕业论文 1 综合系统的工程应用有较快发展。德国是应用太阳能供热技术较早的国家，太阳能采暖 技术已经在德国居住区供热设置改造和配套建设中得到广泛推广和应用；欧洲大多数国 家都积极鼓励支持利用太阳能，对安装太阳能装置的家庭实行补贴政策，一般补贴为系 统造价的 2050；以色列 80住宅装有太阳能热水器，政府以立法形式规定高度 27 米以下新建住宅必须安装太阳能热水器。丹麦 marstal 太阳能供热采暖工程是世界上最大 的太阳能供热采暖系统，太阳能集热器设置在大面积空地上，集热器面积 1.83 万 m2，与 社区热力网连接，1996 年建成运行，年热负荷 28gwh/年，同时使用 2100m3水箱、 4000m3水容量砂砾层及 10000m3地下水池蓄热。 1.2.2 中国采暖系统及供暖产品现状： 在我国，大部分采暖区域采用的方式均为集中供暖方式，这也是世界上公认的最节 能的方式。由于目前我国有关部门疏于对供热系统的管理，从而导致集中供暖系统普遍 存在着系统腐蚀、老化现象，由此引起供暖系统效率降低、供暖设备使用寿命缩短、供 暖系统存在安全隐患等一系列问题，由此造成对国家整体节能降耗、提高人民群众供暖 品质、促进行业科技创新的要求起到了极大的障碍作用。集中供暖系统使用的低压锅炉 的设计寿命一般在 20 年以上，但实际使用寿命仅在 10 年左右。由于水处理方法不当， 锅炉或热交换器内壁结垢现象较严重，导致锅炉供暖效率大大降低，甚至造成锅炉供暖 能力不足的现象。锅炉出现结垢后，管理单位通常采用酸洗的方法去除内壁的垢层，而 酸液不仅对锅炉造成严重腐蚀，还会对铺设于城市地下的管网、末端的散热设备（散热 器等）造成腐蚀、堵塞等后患，无疑影响了产品的使用安全性及寿命，并导致供暖系统 中的水泵、阀门及其它控制元件损坏，极大地影响了国家对节能、环保的要求，以及消 费者的正常生活。 我国的供暖系统发展到今天，无论是锅炉、管网，还是末端散热设备，都出现了一 些问题，而这些出现的问题有很大一部分是由于我们的运行管理水平低下、产品质量问 题所致。供暖系统的维护是否到位？系统水质处理是否达到标准要求？如何监控供暖系 统运行状况？相关管理人员的观念和意识是否达到要求？我国的供暖系统管理和标准与 国外的差距究竟有多大？我们应该如何来应对？是值得有关部门深思的问题。 目前，我国供暖系统运行管理的相关规范、标准已不能满足现时期我国供暖事业的 发展。供暖系统的落后将阻碍供暖行业的可持续发展；这种落后的状况也将使得供暖行 业的新技术、新产品无法在落后的供暖系统 华北水利水电学院学士学位毕业论文 2 中使用，阻碍供暖新技术、新产品的发展。供暖新产品是在供暖系统中逐渐应用才发展 起来的，供暖系统的停滞不前自然也无法引发新产品的出现，同时，也由此而影响整个 消费市场的停滞，形成恶性循环。 1.2.3 解决的方法与建议 首先应从观念意识上去改进运行管理水平，这里所说的观念意识包括供暖系统建设、 维护管理的热力公司、物业等供给部门人员的观念意识，也包括使用供暖系统的直接用 户的观念意识。其次，通过国家、行业的规范、标准，从技术、产品、应用等角度来规 范和约束供暖系统管理人员的行为，并通过相关的规范、标准来指导供暖人员操控、维 护、管理供暖系统，保障供暖系统安全、健康地运行。首先，应通过国家、行业的规范、 标准来对供暖产品进行检验，并依据规范、标准要求切实执行，严格控制供暖产品质量， 依靠权威部门的职能来维护和促进供暖产品品质的提升。其次，供暖产品生产企业应从 自身严格控制其供暖产品质量。通过抓生产技术改进，抓生产严格化管理等途径来改进 自身产品质量，以满足市场对供暖产品的需求，推动供暖行业的发展。 随着国民经济的发展，能源需求量日益增加，能源利用情况紧张，而常规能源的大量 使用必将对环境造成不利影响。太阳能作为可再生能源的一种，取之不尽，用之不竭， 同时又不会增加环境负荷，将成为未来能源结构中的重要组成部分。我国属太阳能资源 丰富的国家之一，年辐射总量大约在 3300-8300mj/(m2.a)，全国 2/3 以上面积地区年日 照小时数大于 2000h，每年陆地接收的太阳辐射能相当于 2.4 万亿吨标准煤，具有太阳能 利用的良好条件。在建筑能耗中，生活热水、供暖能耗占了相当的比例，利用太阳能来 满足生活热水、供暖这些低品位能耗的要求具有巨大的节能效益，因此，太阳能采暖技 术越来越受到人们的重视。 1.3 设计内容 在本次设计中，我选择的课题是家庭独立供暖系统。我主要采用的是利用单片机作 为主控制器，加上外围电路（温度采集、水温水位检测等电路）来实现家庭独立供暖的。 设计的总体目标是，在学习 51 系列单片机的基础上，设计出供暖系统及相关功能部 分的外围电路，从而实现设计产品的目标功能。其中主要的外围功能电路有：温度信号 采集部分，a/d 转换部分，水温水位检测部分，控制电路，电源部分等。通过对以上各功 能的设计，制作出的供暖系统应具有以下功 能： 华北水利水电学院学士学位毕业论文 3 1. 首先是单片机的硬件设计及外围电路的设想； 2.在温度采集部分应实现对温度的采集，然后送入 a/d 转换 0804； 3.单片机接收到 a/d0804 转换的信号后与设计值相比较，再执行相应的动作； 4.水温水位电路应能够检测到水位的变化，对其控制电路作出相应的反应； 1.4 章节安排 在老师和同学的帮助下，我完成了本次设计，其中，设计一共分五章节的内容：第 一章是绪论，主要是介绍一个家庭独立供暖系统设计研究的背景及现状和设计内容；第 二章主要是讲单片机的特点及应用，包括其简介，主要是特点及应用的介绍，再加上本 设计所用芯片 at89c51 的简单介绍；第三章是设计的总体思路，包含了功能要求及软件、 硬件的设计原则；第四章是主要的设计内容和程序设计，主要介绍各个电路所实现的功 能及作用；第五章是调试，包括硬件和软件的调试环节；接下来就是总结感谢用附录部 分，附录部分含有程序、电路图及英文翻译。 由于设计者水平有限，难免存在缺点和错误，敬请老师和同学给予批评指正。 华北水利水电学院学士学位毕业论文 4 第二章 单片机的特点及应用 2.1 单片机的简介 随着科技的迅猛发展越来越多的科技成果被广泛的运用到人们的日常生活当中,给我 们的生活带来了诸多方便。近年来，微型计算机技术日益发展，特别单片机应用更加广 泛，比如，在工业控制领域、家电产品、智能化仪器仪表、计算机外部设备，特别是机 电一体化产品中，都有重要的用途。单片机具有体积小、功能强可靠性高、价格低廉等 一系列优点，不仅已成为工业测控领域普遍采用的智能化控制工具，而且已渗入到人们 工作和和生活的各个角落，有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代，应用前 景广阔。 单片微型计算机简称单片机，它是大规模集成电路技术发展的产物，属第四代电子计 算机。它是把中央处理器（central processing unit ,cpu） 、随机存取存储器 （random access memory） 、只读存储器（read only memory, rom） 、定时器/计数器 以及 i/o（input/output）接口电路等主要部件集成在一块的集成电路芯片上的微型计算 机。 mcs51 单片机简介： mcs51 系列单片机研制于 1980 年，由 intel 公司所开发，其结构是 8048 的延伸， 改进了 8048 的缺点，其 rom、ram 都可扩充至 64kb，也增加了如乘（mul） 、除（div） 、 减（subb） 、比较（cjne） 、栈入（push） 、栈出（pop） 、16 位数据指针、布尔代数运算等 指令，以及串行通信能力和 5 个中断源。8052 有 6 个中断源。 2.2 单片机的特点 2.2.1 单片微处理器的特点 1. 受密度限制：芯片存储器存储容量较小，一般 rom 小于 4/8kb,ram 小于 256 字节。 2. 可靠性良好：单片机是按照工业控制要求所设计的，其抗工业噪声干扰优于一般 的 cpu,程序指令及常数数据都烧写 华北水利水电学院学士学位毕业论文 5 在 rom 内，其许多信号通道均要在同一个芯片内，因此可靠性高。 3. 易扩充：单片机具有一般微电脑所必需的器件，如三态双向总线、并行及串行的 输入/输出引脚，可以扩充为各种规模的微电脑系统。 4. 控制功能强：为了满足工业控制的要求，单片机的指令除了输入/输出控制指令、 逻辑判断指令外，还有更为丰富的条件分支跳跃指令。 2.2.2 mcs51 系列单片机特点 专为控制应用所设计的八位 cpu 具有布尔代数的运算能力 32 条双向且可被独立寻址的 i/o 口 芯片内有 128 字节可供储存数据的 ram 内部有两组 16 位定时器（8052 有 3 个） 具有全多工舆信号 uart 5 个中断源，且具有两级（高/低）优先权顺序的中断结构 芯片内有 4kb（8kb/8052）的程序存储器（rom） 芯片内有时钟（clock）振荡器电路 程序存储器可以扩展至 64kb（rom） 数据存储器可以扩展至 64kb（ram） 2.3 单片机的应用 mcs 系列的单片机的应用范围很广，根据使用情况大致可分为 4 大类： 1、单片机在智能仪器仪表中的应用； 2、单片机在工业测控中的应用 3、单片机在计算机网络与通信设备中的应用 4、单片机在日常生活及家电中的应用 在本次设计中，就是利用了第 4 种应用情况。其中，选用 at89c51 型单片机作为主 控制器件，再加上一些外围电路来完成设计。我们进行这一设计的出发点就是让科技成 果更好地为人们的现实需要服务，为人们的学习和工营造出良好的工作环境。 华北水利水电学院学士学位毕业论文 6 2.4 at89c51 单片机简介 ）其引脚图如图 2.4.1： xtal2 18 xtal1 19 ale 30 ea 31 psen 29 rst 9 p0.0/ad0 39 p0.1/ad1 38 p0.2/ad2 37 p0.3/ad3 36 p0.4/ad4 35 p0.5/ad5 34 p0.6/ad6 33 p0.7/ad7 32 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.7/rd 17 p3.6/wr 16 p3.5/t1 15 p2.7/a15 28 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 u1 at89c51 图 2.4.1 2）引脚功能 .电源引脚 vcc(40 脚) 电源端 vss(20 脚) 接地端 2.时钟电路引脚 xtal1 和 xtal2 xtal1(19 脚) 接外部石英晶体和微调电容的一端。在片内，它是振荡器反相放大 器的输入。使用外部引脚时，该引脚必须接地。 xtal2(18 脚) 接外部石英晶体和微调电容的另一端。在片内，它是振荡器反相放 大器的输出。使用外部时钟时，该引脚作为外部时钟的输入端。 3.控制信号引脚 ale,/psen,/ea,rst ale(30 脚) 地址锁存信号输出端 /psen(29 脚) 程序存储允许输出端 /ea(31 脚) 程序存储器地址允许输入端 rst(9 脚) 复位信号输入端 4.输入、输出接口引脚 (1) p0 口（p0.0p0.7, 3932 脚）是一个漏极开路的 8 位准双向口。有三个功能： 华北水利水电学院学士学位毕业论文 7 外部扩充存储器时，当作数据总线( d0d7 ) 外部扩充存储器时，当作地址总线( a0a7 ) 不扩充时，可做一般 i/o 口使用时，但内部无上拉电阻，作为输入或 输出时应在外部接上拉电阻。 (2) p1 口（p1.0p1.7, 18 脚）是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向的 i/o 口。 有两个功能： 扩充外部存储器时，当作地址总线( a8a15 ) 作一般 i/o 口使用，内部有上拉电阻。 (3) p2 口（p2.0p2.7, 2128 脚）是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向的 i/o 口。 (4) p3 口（p3.0p3.7,1017 脚）是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向的 i/o 口。 同时，每个引脚还有特殊功能（如下表） 。 引脚功能 p3.0 p3.1 p3.2 p3.3 p3.4 p3.5 p3.6 p3.7 rdx（串行输入口） txd（串行输出口） /int0(外部中断 0 输入口） /int1（外部中断 1 输入口） t0（定时器 0 外部输入口） t1（定器 1 外部输入口） /wr（写选通输出口） /rd（读选通输出口） 表 在本次设计中，我采用的是 p0 口作为数据输入口，p1.0p1.5 作为水位检测端口， 在仿真过程中，分别使用了六个按键。p3.2p3.5 作为控制端口，其控制对象包括报警 华北水利水电学院学士学位毕业论文 8 器、电动机、正常工作指示灯和加热器。 华北水利水电学院学士学位毕业论文 9 第三章 总体设计思路 3.1 功能要求 本设计的总体目标是，在学习 51 系列单片机的基础上，设计出相关功能部分的外围 电路，从而实现设计产品的目标功能。其中主要的外围功能电路有：晶振时钟部分；外 部控制电路部分；温度采集部分；a/d 转换部分；电源部分等。通过对以上各功能的设计， 制作出的供暖系统应具有以下功能：能实现温度输入、水位检测，若采集温度高于设定 温度，电热丝不工作。反之，电热丝要开始加热，如果水位达到一定高度，就控制电动 机、报警器等控制电路的工作。 3.2 硬件总体设计原则 总体设计，是整个设计的第一步，是整个设计的纲领，事关全局，很重要。所以设 计之前，必须有一套合理有效的原则性程序。本设计的总体程序是这样的：先要根据所 要实现的目标和已有的的硬件条件完成理论论证，在随之设计出原理图，然后在完成实 物制作（焊接） ，再结合软件检测系统。 在家庭供暖系统的总体设计中，我主要负责家庭供暖系统的软件设计。为了能合理 有序地做好个部分设计，制作了如下图所示的硬件设计总体框图，如下图 3-1： 华北水利水电学院学士学位毕业论文 10 外围其他功能部分电路设计外围其他功能部分电路设计 安装调试安装调试 供暖系统总体电路设计供暖系统总体电路设计 仿真出完整电路图仿真出完整电路图 选用合适的万能板并布局选用合适的万能板并布局 辨选器件辨选器件 焊接元件焊接元件 检测电路检测电路 图-1 供暖系统总体电路设计 3.3 软件总体设计原则 软件设计首先要画出程序流程图，包括主程序流程图和子程序流程图。然后，根据 流程图编写出相应的程序，在这次设计中，我采用的是汇编语言。最后，要验证程序的 正确性，就是利用相应的软件要对程序进行编译，此次我采用的是 ptorus 仿真软件。 华北水利水电学院学士学位毕业论文 11 第四章、硬件、软件设计 4.1 硬件主要组成部分 硬件电路主要包括：a/d 转换输入部分，晶振部分，温度采集部分，外设控制部分， 电源部分。各部分框图关系，如图 4-2 所示。 mcs-51 时钟电路部分 a/d 转换部分 温度采集部分 外部控制部分 图 4-2 4.2 各部分电路 4.2.1 时钟电路 单片机本身如同一个复杂的同步时序电路，为了保证其各个部分同步工作方式，电 路要在唯一的时钟信号控制下，严格地按照时序进行工作。要想使整个系统能正常地按 照这个时序工作，首先必须有为这个时序提供时间基准的功能部分。51 单片机芯片内部 已由时序电路，故此，只需在时钟引脚连接上外围的定时控制元件，就可以构成一个稳 定的自激振荡器。 本设计中使用的振荡电路，由晶体振荡器和一个微调电路组成。具体电路如图。其 中振荡器采用的是石英晶体振荡器，英文名字为 crystal。他在整个系统中的作用就相当 于一个时间标尺，为系统各部分提供基准频率。以防因其工作频率不稳定而造成相关设 备的工作频率不稳定，晶振可以在电路中产生振荡电流，发出时钟信号。从上页的谐振 电路图中可看到，晶振的两端各接了一只 30pf 的电容。外接晶振采用 12mhz。 时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作用，是保证系统正常工作的基础。在一 个单片机应用系统中，时钟有两方面的含义：一是指为保障系统正常工作的基准振荡定 华北水利水电学院学士学位毕业论文 12 时信号，主要由晶振和外围电路组成，晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢， 二是指系统的标准定时时钟，即定时时间，它通常有两种实现方法：一是用软件实现， 即用单片机内部的可编程定时计数器来实现，二是用专门的时钟芯片实现，本文主要介 绍用单片机内部的定时计数器来实现电子时钟的方法。 单片机的晶振频率应低于 40mhz，所以我们采用 12mhz，加两个 30pf 电容。如图 4- 3： 图 4-3 4.2.2 温度采集电路 在这个电路中，我采用的是用温度传感器 a/d590 来采集温度。 一、相关知识 ad590 产生的电流与绝对温度成正比，它可接收的工作电压为 4v30v，检测的温度 范围为-55+150，它有非常好的线性输出性能，温度每增加 1，其电流增加 1ua。 ad590 温度与电流的关系如下表所示： 摄氏温度ad590 电流经 10k 电压 0273.2ua2.732v 10283.2ua2.832v 20293.2ua2.932v 25298.2ua2.982v 30303.2ua3.032v 40313.2ua3.132v 50323.2ua3.232v 60333.2ua3.332v 华北水利水电学院学士学位毕业论文 13 100373.2ua3.732v 二、功能说明 1、利用 ad590 以及接口电路把温度转换成模拟电压，经由 adc0804 转换成数字信号，然 后经 89c51 处理。adc0804 所得的值比设定的温度参考值低，则令电热器加热，否则关掉 电热器，使温度能保持在所设定参考值。 2、第 1 个步骤：先调 ad590 的可变电阻器 vr1。如以 0为参考值则应使其电压输出为 2.73v；若以 25为参考值，则应使其输出为 2.98v。 第 2 个步骤：设 vr2 使 0时，opa3 的输出为 2.73v-2.73v=0v，而 25时，opa2 的 输出为 2.73v-2.98v=-0.25v(反相)(零位调整)。 第 3 个步骤：调 vr3 使 opa3 放大 5 倍，如 opa2 的输出为-0.25v，则 opa3 的输出为 1.25v。 3、各 opa 的功能： opa1：阻抗匹配； opa2：减 2.73v， （经 vr2）并反相； opa3：放大 5 倍并反相； 4、本电路设定温度为 19h，查表为 0.5v，其设定的温度为： 0.55(opa3)+2.732(opa2)=2.832v 2.832v10k=283.2ua 283.2ua-273.2ua=10ua10 5、各温度与 3 个 opa 及 adc0804 的输入与输出的关系如下表所示： opa 反相放大 5 倍 adc0804 vref=2.56v 温度值 opa1opa2opa3adc vin adc 输出值 02.732v0v0v0v00h 102.832v-0.1v0.5v0.5v19h 202.932v-0.2v1v1v32h 303.032v-0.3v1.5v1.5v4bh 403.132v-0.4v2v2v64h 503.232v-0.5v2.5v2.5v7dh 603.332v-0.6v3v3v96h 703.432v-0.7v3.5v3.5vafh 华北水利水电学院学士学位毕业论文 14 803.532v-0.8v4v4vc8h 903.632v-0.9v4.5v4.5ve1h 1003.732v-1v5v5vfah 其中，所采得的是模拟电流信号，然后通过三个 lm741 对其进行电压变换，再送到 后续电路中。 下图是 lm741 集成运放的外引线图，各引脚功能如下： 2-反相输入端 ， 3-同相输入端 ，7-电源电压正端 ， 4-电源电压负端 6-输出 端 1、5-调零端 集成运算放大器是一种高放大倍数、高输入阻抗、低输出阻抗的直接耦合多级放大 电路，具有两个输入端和一个输出端，可对直流信号和交流信号进行放大。外接负反馈 电路后，输出电压 vo 与输入电压 vi 的运算关系仅取决于外接反馈网络与输入的外接阻 抗，而与运算放大器本身无关。 1 反相比例运算及倒相器 图为反相比例运算电路。lm741 按理想运放处理，其运算关系为： 若 rf=r1 则为倒相器，即 华北水利水电学院学士学位毕业论文 15 2同相比例运算及跟随器 图为同相比例运算电路： 其运算关系为 若不接 r1，或将 rf 短路，可实现同相跟随功能，即 其电路图如下图 4-4 所示： 图 4-4 4.2.3 a/d 转换电路 在本次设计中采用的是八位模数转换器 adc0804 一、 相关知识 a/d 转换器的基本原理 1、所谓 a/d 转换器就是模拟/数字转换器（analog to digital converter 简称 adc） ，是将输入的模拟信号转换成数字信号。信号输入端的信号可以是传感器 (sensor)或转换器(transducer)的输出，而 adc 输出的数字信号可以提供给微处 理器，以便更广泛的应用。 2、adc0804 的规格及引脚图 华北水利水电学院学士学位毕业论文 16 8 位 coms 逐次逼近型的 a/d 转换器； 三态锁定输出； 存取时间：135us 分辨率：8 位 转换时间：100us 总误差：1lsb 工作温度：adc0804lcn 0+70； adc0804lcd -40+85； 引脚图 4-5 及说明如下所示： 图 4-5 /cs：芯片选择信号； /rd：外部读取转换结果的控制脚输出信号。/rd 为 hi 时，db0db7 处于高 阻抗；/rd 为 lo 时，数字数据才会输出。 /wr：用来启动转换的控制输入，相当于 adc 的转换开始（/cs=0 时） ，当/wr 由 hi 变为 lo 时，转换器被清除；当/wr 回到 hi 时，转换正式开始。 clk in ，clk r：时钟输入或接振荡元件（r，c） ，频率约限制在 100khz1460khz，如果使用 rc 电路则其振荡频率为 1/（1.1rc） 。 /intr：中断请求信号输出，低电平动作。 vin（+） 、vin（-）：差动模拟电压输入。输入单端正电压时，vin（-）接地； 而差动输入时，直接加入 vin（+） 、vin（-） 。 agnd，dgnd：模拟信号以及数字信号的接地。 vref：辅助参考电压。 华北水利水电学院学士学位毕业论文 17 db0db7：8 位的数字输出。 vcc：电源供应以及作为电路的参考电压。 3、adc0804 电压输入与数字输出关系如下所示： 与满刻度的比率相对电压值 vref=2.56v十六 进制 二进制码 高 4 位字节低 4 位字节高 4 位字节电 压 低 4 位字节 电压 f111115/1615/2564.8000.300 e111014/1614/2564.4800.280 d110113/1613/2564.1600.260 c110012/1612/2563.8400.240 b101111/1611/2563.5200.220 a101010/1610/2563.2000.200 910019/169/2562.8800.180 810008/168/2562.5600.160 701117/167/2562.2400.140 601106/166/2561.9200.120 501015/165/2561.6000.100 401004/164/2561.2800.080 300113/163/2560.9600.060 200102/162/2560.6400.040 100011/161/2560.3200.020 0000000 例：vin=3v，由上表可知 2.880+0.120=3v，为 10010110=96h。 二、 功能说明 1、adc0804 将输入的模拟信号转换成数字值输入到单片机 89c51。在本设计中，p3.5 接有电热丝用来控制加热。其控制过程就是要将单片机里的设定温度与 adc0804 转换的温度进行比较，然后控制 p3.5 的工 华北水利水电学院学士学位毕业论文 18 作状态，当设定温度大于转换温度时，则 p3.5 就开始工作；否则，p3.5 不工作。 2、先将 vref 调整为 2.56v。 其电路图 4-6 为： vin+ 6 vin- 7 vref/2 9 clk in 4 a gnd 8 rd 2 wr 3 intr 5 cs 1 d gnd 10 db7(msb) 11 db6 12 db5 13 db4 14 db3 15 db2 16 db1 17 db0(lsb) 18 clk r 19 vcc 20 u3 adc0804 r1 10k c1 150p d4 bzx85c4v7 r2 10k r7 10k r8 10k 图 4-6 4.2.4 报警电路 在本次设计电路中，报警电路是由一个蜂鸣器控制的，主要是检测水位的情况，当 水位处在不合理的高度时，就会发出报警。 其 protus 仿真图如下图 4-7 所示： d1 led d2 r3 10k 报警器 电动机 图 4-7 4.2.5 水位检测电路 在设计水位检测电路时，我采用了六个水位控制端，分别用 p1.0p1.5 来控制， 程序中设定若控制端口为低电平时，则说明没有接触到水位；当控制端口为高电平时， 则说明已经接触到水位。 华北水利水电学院学士学位毕业论文 19 上水箱各水位控制上水箱各水位控制 在这个表格中，当 p1 口的管脚为零时，表示没有接到水位，当为时表示已经接接触到 水位其中，对于 p3 口来说，管脚值为时，表示工作；当为时表示不工作 下水箱各水位控制下水箱各水位控制 p1.3p1.4p1.5 p3.2 报警器p3.3 电动机p3.4 正常工作 0001 0011 0101 0111 1001 1011 p1.0p1.1p1.2 p3.2 报警器p3.3 电动机p3.4 正常工作 00011 0011 0101 0111 10011 1011 1101 1111 华北水利水电学院学士学位毕业论文 20 1101 11111 在这个表格中，当 p1 口的管脚为 0 时，表示没有接到水位，当为 1 时表示已经接接触到 水位其中，对于 p3 口来说，管脚值为 1 时，表示工作；当为 0 时表示不工作 在 protus 仿真中,我采用的是用六个开关来进行控制的，这样可以很明了的看到结果， 其设计图 4-8 为： 上水箱下水位 上水箱中水位 上水箱上水位 下水箱下水位 下水箱中水位 下水箱上水位 图 4-8 4.2.6 电动机工作电路 电动机的工作情况主要由水位来决定。并由继电器配合一起工作。 继电器的工作原理和特性 ：继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输 入回路）和被控制系统（又称输出回路） ，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较 小的电流去控制较大电流的一种“自动开关” 。故在电路中起着自动调节、安全保护、转 换电路等作用。 本电路采用电磁继电器。 电磁继电器的工作原理和特性： 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定 的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作 用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。 华北水利水电学院学士学位毕业论文 21 当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置， 使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的 导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈 未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点” ；处于接通状态的静触点称为“常闭 触点” 。 在 protus 仿真中的电路图 4-9 为： r4 10k 电动机 图 4-9 4.2.7 电热丝工作电路 在本次设计中，电热丝由单片机的 p3.5 口控制，其工作情况主要由采集的温度与设 定温度进行比较，当采集温度高于设定温度时，电热丝不工作；反之，电热丝工作。 在 protus 仿真中的电路图 4-10 为： d5 led r6 1k 电热丝 图 4-10 4.3 软件设计 就目前的现状而言，51 单片机的程序设计语言主要有两种：一是汇编程序设计。二 是 c 语言编程设计。两种程序设计语言都有各自的优点。比如，用汇编语言编写和高级 语言(c 语言)比较起来节省空间，这样对于存储空间仅 4k 的 at89c51 来说是极之有利的， 51 单片机能更高速的运行。c 语言编写的程序，不像汇编那样速度快、程序简单易行、 并且需要较小的存储空间。 本设计就是采用汇编语言编写的。 4.3.1 软件总体设计 在本设计之中软件设计采用模块化操作，利用各个模块之间的相互联系，在设计中采用 华北水利水电学院学士学位毕业论文 22 程序嵌套调用各程序的方法，使程序通俗易懂。 4.3.2 主程序 在主程序中包含有温度采集程序： org 0000h ajmp main org 0050h main : lcall wendu lcall loop lcall m1 ajmp main wendu: mov a , # 00h mov dptr,#2000h;数据指针指到 table movc a ,a+dptr mov r3 , a start : movx r0 , a wait : jb p2.0 , adc ; 检测转换完成否, p2.0=1 时则转换完成 jmp wait adc : movx a, r0 clr c subb a ,r3 ；与设定温度进行比较， 然后执行相应的动作。 jnc poff；c时，则跳转。 mov p3, #0dfh；c=1,电热丝开始加热 call del ；延时 ret poff: mov p3, # 0ffh clr a call del del : mov r7 , # 0ffh l1: djnz r7 ,l1 华北水利水电学院学士学位毕业论文 23 ret 4.3.3 子程序 子程序主要是六个水位检测程序，在这个程序中，设定当 p1 口的管脚为零时，表示 没有接到水位，当为 1 时表示已经接接触到水位其中，对于 p3 口来说，管脚值为 1 时， 表示工作；当为 0 时表示不工作 loop: anl p1, #3fh anl p3,#0c3h mov a , p1 jnb acc.0 , one jb acc.1 , five five: jb acc.2 , seven setb p3.4 ajmp delay ret seven: setb p3.2 ajmp delay ret one: jnb acc.1 , two jb acc.2 , four setb p3.2 ajmp delay ret four: setb p3.2 ajmp delay ret two: jnb acc.2 ,three setb p3.2 ajmp delay ret 华北水利水电学院学士学位毕业论文 24 three: setb p3.2 setb p3.3 ajmp delay ret m1: anl p1, #3fh anl p3,#0c3h mov a , p1 jnb acc.3 ,s1 jb acc.4 , s5 jb acc.5 ,s6 setb p3.4 acall delay ret s6: setb p3.2 acall delay ret s5: jb acc.5 , s7 setb p3.4 acall delay ret s7: setb p3.2 setb p3.3 acall delay ret s1: jnb acc.4 , s2 jb acc.5 , s4 setb p3.2 acall delay ret s4: setb p3.2 acall delay 华北水利水电学院学士学位毕业论文 25 ret s2: jnb acc.5, s3 setb p3.2 acall delay ret s3: setb p3.2 acall delay ret delay: mov r3 , #19h loop3: mov r1 , #85h loop1: mov r2 , #0fah loop2: djnz r2 , loop2 djnz r1 , loop1 djnz r3 , loop3 ret 整体流程图如下图 4-11 所示： 初始化 温度采集 水位控制 返回 主程序： 子程序： 温度采集 送入单片机，并与 高定温度相比较 加热器开始工作 低于 高于 延时 华北水利水电学院学士学位毕业论文 26 水位检测初始化 上水箱 p1.0=0? 是 p1.1=0? 否 p1.2=0? 是 电动机工作 报警器工作 并延时返回 是 报警器工作 并延时返回 否否 p1.2=0? 是 否 正常工作 延时返回 是 p1.2=0? 是 电动机工作 正常工作 并延时返回 否 报警器工作 并延时返回 p1.2=0? 否 是 否报警器工作 延时 相应的检测下水箱 水位，再返回 p1.1=0? 水位检测流程图 图 4-11 温度采集子程序 华北水利水电学院学士学位毕业论文 27 第五章第五章 系统调试系统调试 系统调试包括软件调试和硬件调试。硬件调试的任务是排除电脑硬件电路故障，包括 设计性错误和工艺性错误；软件调试是利用开发工具进行在线仿真调试，除发现和解决 程序错误外，也可以发现硬件故障。调试的一般过程如图5.1所示： 系统调试开始 软件调试 硬件调试 系统调试 调试结束 5.1 系统调试流程图 系统调试的一般过程硬件调试主要是加电运行后观察其运行状态，电源是否点亮、各电 阻电容有无过热等。软件调试先是各个模块、各个子程序分别调试，最后进行系统联机 调试，以测试系统是否能达到设计要求。 5.1 软件调试