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152 福建电脑 2008年第9期 一个单片机实现的锅炉温度监控系统 林周雄 (深圳市鹃捷源自动化有限公司广东深圳518026) 【摘要J:本设计是采用802l单片机实现的一个温度监控系统.

该系统将温度传感嚣采集的温度信号转化为电压信 号.经由V/F转换器转换为相应的额率信号送至主处理器,CPU对频率信号作适当处理后.控制、调整系统温度并对系统温 度输出显示.从而实现对锅炉的温度监控. 【关键词】:单片机,V/F转换,看门狗 l、概述 目前.单片机以其高可靠性、高性能价格比.在工业控制系 统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公室自动化等诸多领域 的应用得到极为广泛的应用.而在工业控制系统中.经常使用单 片机实现对温度、压力、速度等物理量的测量和控制.本设计是 用单片机实现的对锅炉内温度监控系统.使到炉内的温度可以 按照实际的生产需要稳定在某个允许的温度范围内.用这种方 法实现成本低.效果好,而且实现简单.

2、工作原理 温度采样采用Ⅵ转换方案.温度信号由铂热电阻组成的 桥电路转化为电压信号.再经由555组成的V佰转换器转换为 频率信号,送至CPU的计数器.由计数器可计算出信号的频率. 通过表变换便可以得到铂热电阻所测得的温度.实测温度与用 户所要求的温度相比较.经CPU控制发热丝的开关以使炉内的 温度保持在所要求的温度上.从而完成对炉内温度的测控.系统 还提供人机界面,通过键盘输入.可以改变系统的控制温度.使 炉内温度控制在不同的范围内.系统设有无风无料中断保护.使 锅炉系统发生故障时控制系统可以自动切断电源并发出警告. 保证锅炉安全运行.

3、硬件实现 本系统主要由2051单片机及相应的外围电路、V,F转换电 路、采样电路、输出控制电路、键盘、显示以及接口电路等部分组 成.其结构框图如图l所示,按其功能可划分为三部分:205l单 片机系统、采样电路和输出控制电路. 3.1单片机系统 本单片机系统由2051单片机、时钟电路、外部中断、复位电 路、键盘和U'

D显示等组成.本系统采用AT89C2051单片机. 2051是一个有2k字节可编程高性能的微控制器.2个定时计数 器:'

ro(P3.4)用作计数器,计算由Ⅵ转换电路输出的电压频率 信号.T1用作定时器.作为系统使用的公用时钟.共15根I,o 线.其中:P1.4至P1.7四个I,0口用作LED段显示输出:由于采 用动态显示方式.P1.

1、P1.

2、P1.3用作LED显示的位片选,并配 合P3.3实现系统的键盘输人:为了使系统可以更加稳定可靠地 运行.采用带EPROM的看门狗x5045.P3.0至P3.2作为看门狗 必须的I,O口.并实现系统参数的保存;

P3.5用作加热器的开关 控制;

另留有2个I,o口,分别作无风及无料中断输入. 复位l 鞋苎!P'

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t 士盖t 图l单片机控制系统硬件组成 3.1.1 U'

D显不 LED显示用于故障报警、温度显示、及提供人机界面.显示 温度范围㈣度.因此共用3个7段LED显示器.按照一般 的设计方法3个7段LED需要用11个IO口实现.即用8个10 口来控制LED的7个段及小数点.3个10口用作LED的位选 择.这种设计方法简单方便.但需要的10口多.考虑到成本问 题.我们选用的At89C205l的10口并不充裕,因此这部分我们 采用另外一种设计方法.采用SN74IS247实现7段LED的译码 及驱动.SN74LS247可直接把BCD码转换成7段LED的字型码 并且有足够大的灌电流和拉电流直接驱动7段LED.无需加三 极管来增大负载能力.这样我们仅需4个10口可实现LED的 段控制.加上3个lO口作LED的位选择共7个10口. 3.1.2键盘接口 实现本系统的人机界面.键盘输人需要用到三个按键:一个 修改,确认 键.一个 增 键.一个 减 键.如果用独立式按键 接口设计.则需用3个I,0口.考虑到本系统的LED显示输出部 分采用动态显示方式,LED位选择周期性地输出110.101,011, 因此用1个IO口连至3个按键.3个按键分别连到3个LED的 位选择.即可以实现1个lO口来实现3个按键的扫描.由于 205l的10口有内部上拉电阻.当按键扫描的10口读到的输人 为

0 时.即可知道连到LED位选择输出为

0 那个相应的按键 被按下. 3.2采样电路 采样电路主要实现对锅炉内温度的采样.并将温度信号转 换成频率信号.输送至CPU. 3.2.1温度采样 本系统需要测量的温度范围是m_400℃.并且对准确度和灵 敏度要求比较高.故采用铂热电阻作为温度传感器.铂热电阻经 由温差输入回路可得到一个比较小的差动电压.经适当的放大 后就得到一个可以表示锅炉温度的电压.再输入到V/F转换器 转换为频率信号.送至CPU. 温差输入回路的 原理图如图2.是一个 直流不平衡桥路.其中 四个桥路分别是R

1、 R

2、Rt、及电位器Wl. A和D是桥路的输出 骶端.桥路左右支路R

1、 R2的阻值比Rt、W1 大得多.因此桥路其它 电阻的变化对支路电 流的影响极小.这样. 圉2温差输人回路 左右支路可近似看作恒定源.Rt是铂热电阻,是温度传感器.当 外界温度变化时.Rt的阻值随之而变化.由于左右支路电流近 似恒定.Rt的阻值变化可转化为相应的毫伏电压信号Vi.为了 克服连接导线电阻的影响.热电阻还应采用三线制接法. 差动电压的放大采用三运放差动放大电路.这种经典的放 万方数据 2008年第9期 福建电脑

153 大电路具有精度高、温飘小、电路简单的特点.其精度范围足够 满足本系统的要求. 3.2.2 V仃转换器 为降低成本.本系统采用的是用555芯片设计的Ⅵ转换 器(原理图见图3).经计算.当频率超过10kHz时.非线性误差 约在0.2%左右.完全达到系统的精度要求. 拍V 图3 V.『F转换器电路图 电路原理如下:运算放大器与Cl组成积分运算电路.与当 输入电压加进时.C1上的电压呈线性增长,随着Cl上电压的增 长,C2也不断充电.电压随之增长.起始时C2电位低于l/3Vcc, 故置位,输出高电平.C2电压不断上升.超过l,

3、,cc时,此时Cl 仍未达到2/3V&

.电平保持不变.直至Cl达到2,3Vcc时,555 翻转复位.SWl导通.将Cl迅即放电.回程时间还与R4C2的时 间常数有关.直至C2上电压下降至1,

3、ⅢD时,555置位.SWl 随即关.则下一个定时周期开始.运算放大器与Cl组成积分运 算电路,Cl上的电压呈线性增长.由零上升到2,3Vcc的时间与 输入电压成正比.即输出高电平的时间与输入电压成反比.只要 适当设计R

4、C2的数值.在2051可以辨认的范围内,可令回程 时间足够小.相比于置位时间,回程时间可以忽略不计,输出频 率反比于输出高电平的时间.即输出频率正比于输入电压. 3.3输出控制部分 、 本系统用2051的P3.5控制发热丝的开关来实现对炉内的 温度控制.采用可控硅输出接口技术.为了使系统运行更加稳 定.采用与可控硅相配套的光电隔离器MOC3043.当输入低电 平时,光电二极管导通,MOC3203内的可控硅也导通,从而驱动 外部电路的可控硅Q4导通,这样.加热器接通加热.相反,当输 入高电平时.光电二极管不导通,MOC3203内的可控硅截至.使 得外部电路的可控硅Q4也截至.加热器停止加热.因此,只要输 入低电平和高电平,就可以控制加热器的开和停,从而达到温度 控制的目的.

4、软件设计 系统软件设计采用模块化的程序设计方法.主要包括初始 化模块、主程序模块、键盘扫描模块、采样模块和显示模块等.软 件设计主要要解决各个不同时钟周期的模块的并行.各模块的 主要功能为:初始化模块主要对有关的位变量、计数器、定时器 等进行清零或复位操作.同时预置某些变量和显示缓冲区的初 值.为系统起动运行做好准备工作.主程序模块是整个系统的总 控制程序.负责系统的控制和各个子程序的调用.键盘扫描模块 主要是动态扫描各个键.一旦发现某个键闭合,就对该键进行识 别、译码与处理.采样模块主要通过计时器实现对锅炉内相应频 率的采样输入到CPU的内存中.以判断温度是否过高或过低. 系统最根本的是通过不断检测锅炉内温度相应的转换频率.判 断是否应该加热;

并随时检测是否有无风或无料中断,及时切断 电源和报警.

5、抗干扰问题 由于强干扰源、射频干扰和电磁干扰的存在,会影响单片机 控制系统工作的可靠性.因此必须从硬件和软件两方面解决干 扰问题. 硬件抗干扰措施:f1)避免信号线与电力线接近,电路问连接 线尽量用相互绞合的屏蔽线,并尽量短.(2)采用光电隔离技术 (本系统选用MOC3043).(3)采用有 看门狗 功能的微处理器监 控芯片(本系统选用Ⅺ045).(4)将模拟电路地与数字电路地分 开.大电流地单独引至接地点,印制板地线足够宽. 软件抗干扰措施:(1)采用数字滤波技术抑制干扰.(2)设置软 件陷阱防止程序 跑飞n.(3)设置软件看门狗解决死循环问题.(∞ 采用软件冗余技术. 参考文献: 1.孛华.Mcs一51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社. 1993.162―229 2.童诗白.模拟电子技术基础,高等教育出版社.1988.209―223 3.贸庆之.过程控幸4仪表与装王.内部责料,33―75 4.陈永甫.555集成电路应用800例.电子工业出版社,1992.78―99 -+――卜―_.・―――+_一.―-_-+_―卜・―叫-+――卜――卜・..――+――卜―-.――――+―_―-―_・―・―_H_+―..―・―・_h+^+-―一一―・'

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四、使用场合 根据Ai双的特点.它的适用范围主要有以下一些方面:(1) 数据验证:校验用户注册、登录等信息;

(2)按需获取数据:按用 户的要求只需要部分改变页面内容时;

(3)读取外部数据:可以 读取)【1旺L、JSON等格式的外部数据. AJAx有一些安全隐患.由于可以在浏览器中查看源代码. 这说明任何人都能知道你是怎么创建小部件的.建立XHR对象 时必须包含统一资源定位符(un面皿re∞urce 10cato聘,URL),所 以可能会有恶意用户修改你的网站.运行它们自己的代码.必须 谨慎的使用AJAx以降低这种风险. 用XHR做出的请求不会记录在浏览器的历史中.如果用户 习惯于使用 后退 按钮在应用中进行导航.就可能会产生同题. 参考文献: 1.D童 CrmctEric n5c珧肉ⅡIn Action口咽.G北曲埘ch:M姐ning P、ib. mjdom co.2006. 2.Ry姐山1嚣∞,Na由3Did T Schu啦.Foun山dom of^j 【咖.北京:人民邮 电出版社.20016. 3Jc础∞[yKd由J础却tDoM壕程艺术M】.北京:人民邮电出版社, 2006. 4.扎卡斯,姆克皮克.福西特尚强高鼓程序设计叫】.北京:人民邮电出盖 社.舭 万方数据 一个单片机实现的锅炉温度监控系统 作者: 林周雄 作者单位: 深圳市鸿捷源自动化有限公司,广东,深圳,518026 刊名: 福建电脑 英文刊名: FUJIAN COMPUTER 年,卷(期): 2008,24(9) 引用次数: 0次 参考文献(4条) 1.李华 MCS-51系列单片机实用接口技术

1993 2.童诗白 模拟电子技术基础

1988 3.贺庆之 过程控制仪表与装置 4.陈永甫 555集成电路应用800例1992 相似文献(10条) 1.期刊论文 沈国江.王文海.孙优贤.Shen Guojiang.Wang Wenhai.Sun Youxian v/f转换在智能仪表中的应用 -现 代科学仪器2000(6) 本文以智能数字手操器的研究为背景,介绍了将v/f转换用于单片机应用系统的抗干扰措施,提出了一种v/f转换器与单片机(MCS-51)的硬件连接方案 ,并研究了其相应的软件编程方法. 2.期刊论文 陈为.陈静.孟照国.CHEN Wei.CHEN Jing.MENG Zao-guo 基于AT89C52单片机的自动配料控制器 -自动 化技术与应用2007,26(8) 介绍一种适用于混凝土配料的电子配料控制器的设计方案,该电子配料控制器以AT89C52单片机为控制核心,集成了放大器、V/F转换模块、输入输出 驱动模块、键盘和显示模块、打印模块.该设计方案的特点是抗干扰能力强,体积小,操作灵活方便,使用安全可靠. 3.期刊论文 高明卿.柴钰.宋先文.刘开求 一种单片机可程控多功能波形发生器的设计 -西安科技学院学报 2004,24(2) 波形发生器在现代电路设计中获得了广泛的应用.文中提出了一种基于单片机可程控波形发生器的设计方法.本系统主要由函数发生器、波形求和、 调幅鉴峰、V/F转换、键盘处理及扩展电源电路等模块构成,具有数/模一体化调节功能,能完成波形的产生、幅值/频率调节、波形存储及掉电保护等功能 .实验证明,该波形发生器功能较全、性能稳定,适合实际应用. 4.期刊论文 张居亚.Zhang JuYa 应用单片机实现石油温度测量与精度控制的方法 -应用科技2000,27(5) 由单片机组成的油温测量系统中,采用V/F转换方式采集温度信号,利用相对差值计算技术,通过软件调整定时计数时间来精确控制测量精度,从而使得 系统测温精度与电路元件参数无关. 5.会议论文 郑月仙.彭晶斌 MCS-51T系列单片机在仪表中的应用

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