单片机控制的智能化供热监控系统毕业设计论文正稿

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1、.摘 要本系统介绍了由单片机控制的智能供热监控系统。采用ATM89C51系列单片机作为CPU,设置AD590温度传感器、压差传感器、涡轮流量计等传感器元件对供回水、补水、供热蒸汽的温度、压力检测；对回水、补水的流量检测,通过测量电路、A/D转换后把数据传送到CPU,CUP根据已经设置好的温度范围进行比较判断,并发回命令调整供回水的压力以及流量,最终达到自动控制温度的目的,这对于保证供热品质和节省能源都有着非常重要的意义。此外,本系统还安装了键盘,显示以及打印机,方便了数据的读取、切换和统计,使管理层对供热过程和供热品质有最直观的了解。本设计应用前景广阔,可应用于城市或者小区的集中供热方便快捷,

2、节约能源而且安全可靠。关键词：智能控制 集中供热 监控 信号采集AbstractThis paper present the general design and control conception of an intelligent heating control system in detail. ATM89c51 as the central intelligent unit in this system, which controls the temperature of each water-piping ways in-or-out and surrounding the pre

3、ssure of the out filter nets, the volume of offer-heat cycle water and so on. The temperature is changed by the pressure and volumes change ,so using this system first can make sure consumers temperature is not enough, another hand it also can resources. The system also has the keyboard, display uni

4、t and typewriter, which can give an obvious understanding to workers.This system would develop and apply expansive, we can apply it to the central heating of a community. It has the merits of secure, tidy and convenient. This control system is a successful example, which combine theory automation wi

5、th practice.Keywords：Intelligent Control, Central Heating, Monitor System, Collect Signal目 录第一章绪论- 1 -1.1 我国集中供热的现状- 2 -热源- 2 -1.1.2 热用户- 3 -1.1.3 热网- 3 -1.2 我国集中供热系统的发展趋势- 4 -第二章方案论证- 7 -2.1 CPU的选择- 7 -2.2 控制方案- 8 -2.2.1 数字控制系统DDC系统- 8 -2.2.2 分布式控制系统DCS系统- 9 -2.2.3 操作指导控制系统- 9 -2.2.4 计算机监督控制系统SCC系统

6、- 10 -2.2.5 确定方案- 11 -2.2.6 补水前馈与热量计算- 13 -第三章硬件设计- 15 -3.1 CUP- 15 -3.2温度检测- 26 -温度传感器AD590的特性和结构- 26 -3.2.2 AD590的主特性参数如下：- 27 -3.2.3 AD590的工作原理：- 27 -3.3 A/D转换- 29 -3.3.1 MAX-1230的主要特点- 29 -的内部结构- 30 -3.3.3 MAX-1230的引脚排列- 31 -3.3.4 MAX-1230的工作过程- 32 -3.4流量检测- 35 -3.4.1 涡轮流量计- 35 -3.4.2 涡轮流量计的工作原理

7、- 36 -3.4.3 涡轮流量计检测原理和方法- 36 -3.5 压力检测- 38 -3.5.1 特点：- 38 -工作原理- 39 -3.6 语音报警系统- 41 -3.6.1 ISD的引脚- 42 -寻址方法- 43 -硬件结构- 44 -3.7与上位机的通讯- 45 -3.7.1 电气特性- 45 -电平转换- 46 -3.8 键盘显示- 47 -3.8.1 8279的引脚说明- 48 -3.8.2 8279的工作方式- 50 -3.8.3 8279的控制命令- 50 -3.8.4 8279数据的输入输出- 52 -3.9带看门狗和电源监控功能的复位芯片IPM813L- 53 -第四章

8、系统软件设计- 56 -4.1主程序：- 56 -4.2 中断程序- 57 -4.3 数字滤波子程序FILTER- 59 -4.4 PID计算程序- 60 -致谢- 61 -参考文献- 62 -附录1：单片机控制的智能供热监控系统原理图- 13 -附录2：单片机控制的智能供热监控系统程序清单1425 / 59.第一章 绪 论供热业是国民经济中不可缺少的部分,作为重要的城市基础设施,其任务是合理有效地组织、制备热能,并经济可靠地把热能送到热用户。城镇供热方式大体分为火炉采暖、分散锅炉房供暖、区域锅炉房供暖、城市集中供热等几种。其中,集中供热特别是热电联产供热,对于节约一次能源,改善环境污染,提高

9、人民生活水平有着重要的意义。随着城市大气污染问题的日益严重,以及传统已出现枯竭苗头,集中供热在越来越多的国家受到了广泛的重视,并迅速发展。在世界上,北欧四国,如芬兰、瑞典、挪威和丹麦,因为其地理环境的影响,发展集中供热系统比较早,目前已经发展的比较完善。其供热的规模及供热质量都比较好。此外,受地理环境影响,俄罗斯是世界上集中供热最发达的国家之一。我国的集中供热是在解放后才开始的,由于各方面的原因,发展缓慢,都八十年代初,我国的集中供热比例仍然很小,尤其是城市的民用供热比例更为偏低。据东北、西北和华北三个北方寒冷地区统计,城市民用供热系统中实行集中供热的仅占2%,分散锅炉房供热占48%,家庭小炉

10、灶占50%,即使是集中供热发展较好的北京市,集中供热的比重也只占8.2%。但自改革开放以来,随着国家经济的快速发展,人民的生活水平大幅度提高,集中供热作为一项节能及改善城市环境的市政工程,得到了迅猛的发展,尤其是进入90年代以来,人们对于冬季供暖的要求及质量提出了更高的要求。我国各地方的集中供热规模越来越大,供热网的覆盖面积越来越广,目前,全国已有近300个城市敷设了城市供热管网,三北地区集中供热普及率达到30%左右,热网结构也逐步从小规模的树支状热网向大规模的多源联合运行的环状网发展。因此,保证供暖的质量及热网的安全运行是十分重要的。但在供热规模扩大的同时也出现了很多问题,其中之一是随着热网

11、的扩大,先前小规模热网运行的经验已不实用,只能沿用以前的理论与方法,因此对它的运行管理也越来越困难。加之我国热网运行调节技术手段少,经验成分过多,使得现在的运行管理和调节技术手段少,迫切需要一种新的技术方案来指导、调节热网运行。使之无论从技术上还是管理上都能达到一个更高的水平。1.1 我国集中供热的现状我国集中供热发展到今天,经历了从无到有、从小到大、从弱到强、艰苦奋斗、竞争发展的历程。如前所述,集中供热系统就是将大量的热用户用热力网连接起来,由统一的热源提供所需热量的供热系统。该系统一般有三个部分组成：热源、热力网和热用户。大型集中供热网一般均为间接式供热网,作为热能输送的管网可分为一次网和

12、二次网两个部分。下面从以上几个部分出发对我国集中供热系统的现状进行介绍。1.1.1热源我国传统的集中供热主要采取热电联产、区域联合供热和小区锅炉房供暖等几种方式。从我国北方采暖地区大城市来看,以分散锅炉房供暖比重最大,据对29个大中城市统计显示,目前,分散锅炉房供热占我国总供暖面积的84%,其中,90%以上的锅炉房的容量一般只维持在7MW以下的水平,其效率低下,除尘设备落后或从未安装除尘设备,这样一来,不仅造成了能源的大量浪费,而且还严重污染了环境。就全国而言,目前我国供热系统的能效只有30%左右,而我国是一个能源缺乏的国家,能源需求增长率大大超过能源生产的增长率。因此,如何在现有基础上提高热

13、源的利用率,降低能源的浪费。减少城市污染等诸多方面的问题,已经成为现今城市集中供热系统急需解决的问题。八十年代后,热电联产、热交换站以及相配套的尖峰锅炉房等集中供热系统在许多城市相继建成。特别是热电联产作为综合、合理利用能源的一个重要途径,逐渐受到重视,也得到了较快的发展。目前。许多城市的大型热源已不止一个,如：北京、XX等集中供热系统较发达的城市已经在实践初级的多热源并网运行；另外,其他地区,如：XX、XX、XX、XX等市由于热负荷的扩大,也在近远期规划了多热源的格局。但这些系统大多是单独承担一个区域的集中供热,单独运行,互不连接。有的城市虽然也把管网联在一起,但在供热时又都用阀门断开,分别

14、运行。这样,就各个热源失去了互补性,同时在供热初期和末期又都不能满负荷工作,使其无法发挥全部的供热能力。不但造成了能源和设备的浪费,而且多个热源同时在低负荷下运行,也加重了城市的污染。1.1.2 热用户我国的供热系统型式落后,缺乏控制与节能手段,大部分用户室内无法进行温度调节和无热量设备,普遍在低负荷、低效率下运行,实际供暖面积只有设备能力的40%左右,采暖能耗为相近气候条件国家的3-5倍左右,能源浪费十分严重。同时,我国室内热环境差,发达国家室内温度是22摄氏度,而我国只有16摄氏度；供热品质也很差,室温冷热不均,室内没有控温设备,用户无法调节室温。采暖收费制度也不合理,按面积收费使用户无节

15、能意识,热能浪费严重,原有的室内供暖系统的设计多为上供下回单管顺流式,不具备对欠费的用户采取强制措施的手段,使得供热企业收费难。随着我国供热体制的市场经济转变,供暖在不远的将来将不再作为 一项福利来实施,而是成为一个商品。1.1.3 热网我国大型热网普遍采用间连供热方式。通常一个城市有几个区域供热网,一个区域供热网有几十到上百个换热站。供热电厂提供的高温过热蒸汽经电厂换热站汽-水换热器形成供暖热水由二次管网送至用户。在我国现有按供热面积供热体制下,用户不能主动调节室内温度,因此总供热量仅仅和室外温度有关,其总供热量就可预先知道并且有热源厂管理控制,热源厂只要根据相应的室外温度控制一次网系统供回

16、水温度。一般供热公司基本按定流量或分阶段变流量的质调节方案运行,即热网流量在整个供暖期内基本保持不变,平时只根据室外温度高低来调节热网的供水温度。因此,只要保证流量按供热面积均匀分配并保证适合的供水温度就可以满足供暖的需要。其特点为：1） 调节主动权在供热公司；2调节原则就是按供热面积均匀分配流量。这种运行调节方法简单,且能保证供热要求,因此被许多供热公司所应用。但其所具有的按照供热面积收费的许多弊端是无法避免的。1.2 我国集中供热系统的发展趋势从上述对我国集中供暖的当前情况的总结和分析可知,随着形式的不断发展,我国与供暖有关的相关的体制和条件发生了很大的变化：1、 随着我国各项体制改革的不

17、断进行,供暖事业按面积收费的弊端日益突出,必将阻碍供暖事业的发展；2、 我国节能和环境保护问题日益严重,而供暖的能量消耗在我国经济占有很大的比重,并且会对环境产生较大的影响；3、 我国用户生活水平近年来有了很大的提高,对供暖的舒适度有了更一步的要求。因此,原有传统供暖方式的缺陷日益突出,寻求集中供暖的进一步发展以满足我国当前多方面的要求势在必行。在集中供热发展最早的是西欧的丹麦、瑞典、芬兰和原苏联等国家,从上个世纪八十年代开始,就不断采取措施和相应的技术有效提高供热系统的节能和优化,二十多年来,欧洲国家在集中供热的政策规范及技术在实践中不断补充完善,代表了当今世界的先进水平,提供了比较成熟的技

18、术和经验来借鉴。但由于我国的国情不同,我国的供暖系统有着自身特点：1、 我国的供热热源结构以及供热负荷与欧洲国家存在很大的差异,从而决定了我国供热系统的总体格局；2、 经过多年的发展,我国供暖已具有相当的规模,而我国已形成的供暖系统的结构与发达国家有着很大的差异,我国在建立新型供暖系统的同时,对原有系统如何进行改造有着非常的意义；3、 我们应当建立与我国当前生产力发展相适应的供热系统,也就是既要能满足目前不断发展的供热需求,同时又要与我国的经济实力和经济体制改革相适应；4、 我国目前的普及率还不是很高,热网以采暖为主,生活热水所占比例不大。集中供暖有存在诸多节能和成本优势,当前,我国供暖面临着

19、巨大的发展前景。如何建立起既经济又符合供暖发展趋势的供暖格局和供暖系统至关重要。通过对我国供暖现状的 总结和分析,结合发达国家的供暖模式,适合我国供暖发展需要的主要趋势为：1、 实现分户调节和热量计量收费。热用户的耗能量决定供暖负荷的大小,因此,促进用户自觉节能,可大大减少我国供暖系统的能源浪费,而促使用户自觉节能的唯一有效手段,就是对使用热量进行计量,并根据计量结果来收费。世界各国的经验表明,把大锅饭式的采暖包费制,改为按实际使用热量向用户收费,可节能20%至30%。这种明显的节能效果自70年代末起就已经在西欧各国的节能措施中得到证明,而且近年来某些东欧国家的努力也说明了这一点。而另一方面,

20、解决目前日趋严重的供热公司收费难问题的最根本有效的管理方法就是采用根据用户的实际使用热量来收费。可以说,对热量进行计量并据此来收费是集中供热领域行之有效的不可或缺的管理手段。2、 多热网逐渐联网,形成多热源联合供热系统。近几年多热源环网联合供热系统经过实际运行已取得了非常明显的效果,并充分显露出其诸多优点：、提高了整个供热系统运行可靠性与安全性。当热网中某一或某些热源出现事故时,各热源可相互替代,相互补充。、可灵活调整供热量,达到良好的节能效果。系统中多热源可根据供热负荷的具体情况,制定出更为合理的供热方案,并可随时使全系统的供热工况供热量、供回水温度和水力工况优化,从而实现较理想的节能措施。

21、、系统的水力稳定性好。采用环状网连接,热网比摩阻较小,各换热站的资用压头大,增强了系统的水力稳定性。、优化水力工况,平衡供热效果。、供热系统热源的可扩充性强。发达国家已开发形成了多热源供热格局,我国在不远的将来,随着多种技术的不断成熟,必将发展出更多可利用的热源,如：地热、太阳能以及垃圾焚烧所产生的附热等,多热源联合供热系统为更多新热源的加入提供了必要的基础。3、 建立相应的系统智能协调机制。和传统供热方案不同,在新的供热系统下,用户可根据自身的需要来控制供热温度。当众多用户调节自己的流量后,整个热网的流量和供热量也将随之变化,此时热网的总供热量随机变化增大；同时,多热源联合供热的结构需要确定

22、如何使得处于同一供热网中的多热源相互配合适应供热负荷的不断变化,从而降低运行费用、提高经济效益和节能效果。第二章 方案论证2.1 CPU的选择ATMEL89系列单片机简称89系列单片机是ATMEL公司的8位Flash单片机系列。89系列单片机是以8031为核心构成的,它和8051系列单片机是兼容的,其最大特点是内部含有Flash存储器。其功能如下：（1） 内部含有Flash存储器由于内部含有Flash存储器,因此在系统的开发过程中可以十分容易的进行程序的修改,大大地缩短了系统的开发周期。同时,在系统工作过程中,能有效地保存一些数据信息,即使外界电源损坏也不影响信息的保存。（2） 和8051系列

23、单片机兼容89系列单片机的端子和8051系列是一样的,因此,当89系列单片机取代8051单片机时,可以直接进行代换。（3） 静态时钟方式89系列单片机采用静态时钟方式,可以节省电能。（4） 错误编程亦无废品产生一般的OTP产品,一旦错误编程就成了废品。而89系列单片机内部采用了Flash存储器,所以,错误编程之后仍可以重新编程,直到正确为止,因此不存在废品。（5） 可反复进行系统实验用89系列单片机设计的系统,可以反复进行系统试验。每次试验可以编入不同的程序,这样可以保证用户的系统设计到最优。而且随着用户的需求和发展,还可以进行修改,使系统能不断追随用户的最新要求。因此,综上所述在本设计中采用

24、ATMEL89C51单片机作为系统的智能控制器。2.2 控制方案计算机控制系统大致可分为直接数字控制系统,分布控制系统,操作指导控制系统,监督控制系统。2.2.1 数字控制系统DDC系统直接数字控制系统DDCDirect Digital Contral是单片机在工业控制中应用最普通的一种方式。在这种方式中,单片机作为系统的一个组成部分或环节,直接参与控制过程。一台单片机可以对多个被控参数进行巡回检测,并把检测结果和给定值进行比较,再按事先约定的控制规律进行运算处理,然后通过D/A和反多路开关控制执行机构动作,从而产生过程始终处于最佳状态。DDC系统是闭环系统。DDC系统的优点是灵活性大。在常规

25、模拟调节器控制系统中,控制器一旦被选定,其控制方法也就确定了,要改变控制方法就必须改变硬件,这往往难度较大。而在DDC系统中由于微机代替了常规模拟调节器,因此要改变控制方法,只要改变程序就可以实现了,无须对硬件线路做任何改动。另外,计算机计算能力强,可以有效地实现较复杂的控制用来改善控制质量,提高经济效益,当控制回路较多时,采用DDC系统比采用常规控制器控制系统要经济合算,因为一台微机可代替多个模拟调节器。2.2.2 分布式控制系统DCS系统分布式控制系统DCSDistributed Contral Systems简称DCS系统,它实际上是一个分级结构的计算机系统,是有一台或数台主计算机和若干

26、单片机构成的计算机系统,所以也叫主从结构或树形结构,单片机绝大部分时间都是在并行工作的只是必要时才与主机通讯。该系统代替了原来的中小型计算机集中控制系统,它具有以下特点：1、 可靠性高分布式计算机控制系统能实现地理上和功能上分散的控制,使每台危机的任务相应减少,功能更明确,组成也更简单,因此可靠性提高了。2、 速度快分布式计算机控制系统各级并行工作,很多采样和控制功能都分散到各个子环节中,仅在必要时才通过高速数据通道与监督计算机进行信息交换,因此减少了数据集中串行处理时间,也减少了信息传递的次数,所以速度提高了。3、 结构灵活,易于扩展分布式计算机控制系统采用的是模块化结构,即把任务相同的部分

27、作成一个模块,系统结构灵活,可大可小,便于操作、组装和调度,容易扩展。4、 设计、开发、维护简便由于系统采用模块式结构,且具有自诊断和错误检测系统,所以设计、开发及维护都很方便,并且能实现高级复杂规律控制。2.2.3 操作指导控制系统在操作指导控制系统中,计算机的输出不直接作用于生产对象,属于开环控制结构。计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理,计算出各控制量应有的较合适或最优的数值,供操作员参考,这时计算机就起到了操作指导的作用。该系统的优点是结构简单,控制灵活和安全可靠。缺点是要由人工进行操作,操作速度受到人为的限制,并且不能控制多个回路。该系统常用在计算机控制系统设计

28、与调试阶段,进行数据检测、处理及试验新的控制程序等。2.2.4 计算机监督控制系统SCC系统SCCSuperbisory Computer Control系统比DDC系统更接近生产变化的实际情况,因为在DCC系统汇总计算机只是代替模拟调节器进行控制,系统不能进行在最佳状态,而SCC系统不仅可以进行给定值控制,并且还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等,它是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。SCC系统有两种形式：一种是SCC+模拟调节器控制系统；另种是SCC+DCC控制系统。1、 CC+模拟调节器控制系统SCC级微机的作用是收集检测信号及执行管理命令,然后按照一定的数学模型计算后,

29、给定值与检测到的被控参数进行比较,其偏差经模拟调节器计算后输出控制量给执行机构,以使工作保持在最优状态,从而达到调节产生过程的目的。当SCC微机出现故障时,可由模拟调节器独立完成操作。该系统形式适合于老企业的技术改造,既用上了原有的模拟调节器,有实现了最佳给定值控制。2、 SCC+DDC控制系统这是两级计算机控制系统,一级为监督级、计算机的作用与SCC+模拟调节器控制系统的SCC计算机一样,进行分析、计算,并且给出最佳给定值；另一级是直接数字控制DDC级,用来将给定值与测量值进行比较,其偏差有DDC计算机进行数字控制运算,然后经D/A转换器和多路开关分别控制各个执行机构以及对生产过程进行调节。

30、当DDC级危机出现故障时,可有SCC级微机完成DDC的控制功能,提高了系统的可靠性。SCC+DDC控制系统与SCC+模拟调节器控制系统相比有许多优点,其控制规律可以改变,使用更加灵活,而且一台DDC可以控制多个回路,使系统比较简单。总之,虽然SCC系统比DDC系统有很多优越性,但由于生产过程的复杂性,有时很难建立数学模型,所以SCC系统实现起来比较困难2.2.5 确定方案比较以上各种控制系统,在考虑到本设计的目标是要使供热公司对用户实现高质量的供热服务,也就要求该控制系统可靠性高,速度快,结构灵活,易于扩展而且要便于维修。综合以上要求,我选用分布式控制系统作为该设计的方案。整个系统可以分布式结

31、构,上位管理机最多可与255个供热站控制装置连接,每一控制又可接255个温度巡测仪。供热一般要保证用户室温为182。由于各用户建筑面积、暖气片性能及保温质量各不相同,很难确定一组典型的室内温度作为直接被控量,而供、回水的平均温度从整体上反映了各个用户暖气片的平均温度,因此本系统采用控制供、回水平均温度的方法来见解控制用户室温。控制原理框图见下图图中T0表示室外大气温度5min内的平均值,TS表示供、回水的温度的设定值,T1表示供水温度测量值,T2表示回水温度测量值。供、回水温度与室外大气温度应是一个反向变化的量,当大气温度降低时,应增加供热量,反之则减少供热量。其近似关系式为：Ts = 18+

32、 K18-T0 上式中K 为供热系数。由于用户的热交换关系比较复杂,系统循环水泵的开启台数又是一个变值,因此供热系数K应根据具体情况作适当调整。供、回水的压力是热网安全运行的重要参数。供回水压力过高可能造成热水管道及用户暖气片破裂：循环热水的流失会使水压力过低,有可能形成热水汽化,引起热交换器的振动。为此,采用自动补水的控制方案。控制逻辑为： P1 595 kPa 且 P2 305 kPa或P1 605 kPa 且 P2 605 kPa 或 P2 305 kPa 停止补水 595kPaP1605kPa 且 295kPaP2305kPa 保持原状态式中,P1表示供水压力,P2表示回水压力。由于补

33、水温度较低,有时补水动作还相当频繁,所以补水成为影响供、回水温度的主扰动。为了及时克服补水造成的供水温度降低,提高调节品质,本系统采取了以补水为前馈量的静态热量前馈措施,以热量平衡为基本出发点,保持补水时供水温度不变。2.2.6 补水前馈与热量计算系统不补水时,供水流量M1等于回水流量M2,此时瞬时供热量为： q1 =供水量 回水热量 =CpM2T1-T2 当系统处于补水状态时,供水流量M1等于回水流量M2与补水流量M3之和,此时瞬时供、供热量为： q1 =供水量 回水热量 补水热量 =CpM2T1-T2+M3T1-T3 上式中,T1为供水温度,T2问回水温度,T3为补水温度,Cp为水的定压质

34、量比热。因为P和T都不太高,为简化计算,取Cp=4.1868MJ/T,流量单位为t/h,热量单位为MJ。比较以上两式可以看出,如果要保持补水前后供热温度T1不变,需要在开启补水泵的同时,加大蒸汽投放量,多提供：q3=q1-q2=CpM3的热量。新增热量占原供热量的比例为：q3/q1 = M3 / M2 供水热量是由供热蒸汽提供的,蒸汽热量与蒸汽流量基本上成正比关系,所以下式成立：Q / Q = q3 / q1 式中,Q为蒸汽流量增量,与热水新增热量q3为对应；Q为原蒸汽流量,与原热水热量q1对应。共热蒸汽采用对数阀进行调节。假设调节阀为理想流量特性,以补水为前馈量,保持供水温度不变时,阀门相对

35、开度的增量为：1/L =1/LnRLn 式中,1/L表示阀门相对开度,R表示阀门理想可调比。考虑到系统实际运行情况的复杂性,阀门实际相对开度的增量比上式计算略小为宜。系统的瞬时供热量,分补水和不补水两种情况,分别按q1式和q2式计算。对瞬时供热量进行累计,就得出供热总量。第三章 硬件设计3.1 CUPAT89C51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的8位CMOS单片机。其片内含4K字节的可反复擦写的只读存储器EPROM,128字节的随机存取数据存储器RAM。器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储器技术生产、并兼容标准MCS-51指令系统,片内置有通用的8位CPU和Flash存储

36、单元。可灵活运用于各种控制领域,且其性价比较高。AT89C51芯片引脚图AT89C51单片机的主要性能参数：与MCS-51系列产品指令系统完全兼容；4K字节的可重复擦写的FLASH存储器；存储器可循环写入/擦写10000次；全静态操作：0Hz-16MHz；三级加密程序存储器；内部有128字节的RAM；32个可编程的I/O口线；2个16位的定时/计数器；可编程串行URAT通道；空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容；功能特性概述：AT89C51单片机提供以下标准功能：4K字节的Flash存储器、128字节的内部RAM、32个I/O口线、2个16位的定时/计数器、1个全双工串行通信口、片内振荡器

37、和时钟电路。同时,AT89C51单片机可降置0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电模式。空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其他所有的工作,直到下一个硬件复位。89C51的内部结构引脚说明：Vcc:电源引脚；GND:地；P0口P0.0-P0.7：是一组8位的开漏双向I/O口,即地址/数据总线复用口。作为输出口使用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对断口写1可作为高阻抗输入端来使用。在访问外部的数据存储器或程序存储器时,这组线分时转换地址低8位和数据总线复用,在访问期间激活内

38、部上拉电阻。在Flash编程时,P0口接受指令字节；在程序校验时,输出指令字节。在校验时,要求外接上拉电阻。P1口P1.0-P1.7: 是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路。向端口写入1的时候,P1口被内部上拉为高电平,此时可用做输入口,当作为输入脚的时候,外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流。在Flash编程和程序校验期间,P1口接受低8位地址。P2口P2.0-P2.7:是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。当向P2口写入1时,P2口被内部上拉为高电平,可作为输入口。当作为输入引脚 的时候,被外部拉底的P2口会因为内部上拉而输

39、出电流。 在访问片外程序存储器和外部数据存储器例如执行MOVX DPTR指令时,P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器例如执行 MOVX Ri指令时,P2口上的内容也即特殊功能寄存器SFR区中R2寄存器的内容,在整个访问期间不变。在Flash编程和程序校验期间,P2口接受高位地址和其他控制信号。P3口P3.0-P3.7：是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路。向端口写入1的时候,P3口被内部上拉为高电平,此时可用做输入口,当作为输入脚的时候,外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流。P3口除了做一般的I/O口线使用外

40、,更为重要的是它的第二功能,如下表所示：端 口 引 脚第 二 功 能P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出后P3.2外中断0P3.3外中断1P3.4T0定时/计数器0P3.5T1定时/计数器1P3.6外部数据存储器写选通P3.7外部数据存储器读选通P3口还可接受一些用于Flash存储器编程和程序校验的控制信号。Rst:复位输入。当振荡器工作时,Rst引脚出现2个机器周期以上的高电平,使单片机复位。ALE/PROG非：当访问片外程序存储器时,ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位。即使单片机不访问片外存储器,ALE也仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号,因此可对外输出时钟或定时作用。

41、并且,当单片机每访问一次片外数据存储器时都将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程时,该引脚还用于编程脉冲PROG非。PSEN非：程序存储器允许输出是片外程序存储器的读选信号,当AT89C51由外部程序存储器指令或数据时,每个机器周期2个PSEN非有效,即输出2个脉冲。在此期间,当访问片外数据存储器时,这2次有效的PSEN非信号不出现。EA非/Vpp :外部访问允许。当CPU仅访问片外程序存储器时地址为0000H-FFFFH,EA非端必须得保持低电平接地。需要注意的是：当加密位LBI被编程时,复位后单片机会内部锁存EA非端状态。若EA非端为高电平接Vcc时,CPU执行内部程序存储器中的指令

42、。当Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp。当然前提是该器件使用+12V的编程电压Vpp。时钟振荡器 ：AT89C51单片机内部有一个用于构成内部振荡器的高增益反向放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷振荡器一起构成自激振荡器,振荡电路如图。外接石英晶体或陶瓷振荡器及电容C1、C2在防地器的反馈贿赂中构成并联振荡电路,虽然对电容C1、C2并没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微的影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。若使用石英晶体,则电容容量最好为+30PF-10P

43、F,而若使用陶瓷振荡器,则电容容量最好是+40PF-10PF。用户也可以采用外部时钟方式,其电路如下图所示。在这种时钟脉冲接到XTAL1端,即内部时钟发生器的输入端,XTAL2管脚则悬空。石英晶体 ：C1,C2=30pF10pF陶瓷谐振器：C1,C2=40pF10pF空闲节电模式：AT89C51有两种可用软件编程的节电模式,它们是空闲模式和接电模式。这两种方式是控制专用寄存器PCON即电源中指寄存器中的PDPCON.1和IDLPCON.0位来实现的。PD是掉电模式,当PD=1时,激活掉电工作模式,单片机进入掉电工作状态。IDL是空闲等待方式,当IDL=1时,激活空闲工作模式,单片机进入睡眠状态

44、。若要同时进入两种工作模式,即PD和IDL同时为1,则先激活掉电模式。在空闲工作模式状态,CPU保持睡眠状态而所有片内的外设保持激活状态,这种方式由软件产生。此时,片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或者硬件复位终止。终止空闲工作模式的方法有两种：其一是任何一条被允许的中断的事件被激活,IDL被硬件清除,即可中断空闲工作模式,程序会先响应中断,进入中断服务程序,执行完中断服务程序并紧随RETI指令后,下一条要执行的程序就是使单片机进入空闲模式指令后面的那一条。其二是通过硬件复位也可将空闲工作模式终止。需要注意的是,当有硬件复位来重置空闲工作模式时,CPU

45、通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的,要完成内部复位操作,硬件复位脉冲要保持两个机器周期有效,在这种情况下,内部禁止CPU访问片内RAM,而允许访问其它端口,为了避免可能对端口产生意外写入,即或空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入命令。掉电模式：在掉电模式下,振荡器停止工作,进入掉电模式的指令是后一条被执行的指令,片内RAM和特殊功能寄存器SFR的内容在终止掉电模式前被冻结。推出掉电模式的唯一方法是硬件复位,复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不是RAM中的内容,在RAM恢复到正常电平前,复位是无效的,并且必须保持一定时间使振荡器重新启动并稳定工

46、作。程序存储器的加密：AT89C51可使用对芯片上的3个加密位LB1,LB2,LB3进行编程P或不编程U来得到如下表琐事的功能程序加密保 护 类 型LB1LB2LB31UUU没有程序保护功能2PUU禁止从外部程序存储器中执行MOVC指令读取内部程序存储器的内容3PPP除上表功能外,还禁止程序校验4PPP除以上功能外,同时禁止外部执行注：表中的U-表示未编辑,P-表示编辑当加密位LB1被编程时,在复位期间,EA非端的逻辑电平被采样并保存,如果单片机上电后一直没有复位,则所存储的初值是一个随机数,并且这个随机数会一直到真正复位为止,为单片机能正常工作,被锁存的EA非电平值必须与该引脚当前的逻辑电平

47、一致。此外,加密的位只能通过整片的方式擦除。Flash闪速存储器的编程：AT89C51单片机内部有4K字节的Flash的EPROM,这个Flash阵列出厂时已经处于擦除状态即所有存储单元的内容均为FFH,用户随时可对其编程。编程接口可接受高电压+12V或者低电压Vcc的允许编程信号,低电压变成模式适合于用户在线编程系统,而高电压变成模式可与通用EPROM编程器兼容。AT89C51单片机中,有些属于低电压编程方式,而有些则是高电压编程方式,用户可从芯片上的型号读取芯片内的字节获得该信息。VPP =12VVPP =5V芯片顶面标识AT89C51XXXXYYWWAT89C51XXXX-5YYWW签名

48、字节030H=1EH031H=51H032H=FFH030H=1EH031H=51H032H=05HAT89C51的存储器阵列是采用字节写入方式编程的,每次写入一个字节,要对整个芯片EPROM程序存储器写入一个非空字节,必须用片擦除的方式将整个存储器的内容清除。编程前,须按设置好地址,数据及控制信号,编程单元的地址加在P1口和P2口的P2.0P2.311位地址范围为0000H0FFFH,数据P0口输入,引脚P2.6、P2.7和P3.6,P3.7的电平设置见上表,PSEN非端低电平,RST保持高电平,EA非/Vpp引脚是编程电源的输入端,按要求加上编程电源,ALE/PROG引脚输入编程脉冲负脉冲

49、。编程时,可采用4-20MHZ的时钟振荡器。AT89C51编程方法如下：1. 在地址线上加上要编程单元的地址信号；2. 在数据线上加上要写入的数据字节；3. 激活相应的控制信号；4. 在高电压编程方式时,将EA非/Vpp端加上+12V编程电压；5. 每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位,加上一个ALE/PROG编程结束。每个字节写入周期是自身定时的,通常约为1.5ms。数据查询：AT89C51单片机用数据查询方式来检测一个写周期是否结束,在一个写周期中,如需要读取最后写入的哪个字节,则读出的数据的最高位P0.7是原来写入字节最高码的反码,写周期完成后,可在任意时刻进行数据查

50、询。Ready/Busy：字节编程的进度可通过RDY/BSY输出信号监测,编程期间,ALE变成高电平H后P3.4 端电平被拉低,表示正在编程状态忙状态。编程结束后,P3.4变为高电平准备就绪状态。程序校验：如果加密位LB1,LB2 没有进行编程,则代码数据可通过地址和数据线读回原编写的数据,用下图的电路,程序存储器的地址由P1口和P2口的P2.0-P2.3输入,数据由P0口读出,P2.6、P2.7、P3.6和,P3.7的控制信号见表3.1.4。PSEN非端保持低电平,ALE,EA非和RST保持高电平,检验时,P0口必须接上10K左右的上拉电阻。Flash存储器编程真值表方式RSTALE/ VP

51、PP2.6P2.7P3.6P3.7写代码数据HLH/12VLHHH读代码数据HLHHLLHH写加密Bit-1HLH/12VHHHHBit-2HLH/12VHHLLBit-3HLH/12VHLHL片檫除HLH/12VHLLL读签名字节HLHHLLLL编程电路：校验电路：芯片擦除：利用控制信号的正确组合并保持ALE/PROG引脚10ms的低电平脉冲宽度即可将EPROM阵列4K字节和3个加密位整片擦除,代码阵列在片擦除操作中将任何非空单元写如1,这个步骤需要在编程之前进行。读片内签名字节：AT89C51单片机片内有3个签名字节,地址为030h,031h和032h。用于声明该器件的厂商,型号和编码电压

52、。读签名字节的过程和单元030h,031h和032h校验相仿,只须将P3.6,P3.7保持低电平,返回值意义如下：030H1EH声明产品由ATMEL公司制造。031H51H声明为AT89C51单片机032HFFH声明12v编程电压032H声明为5v编程电压编程接口： 符号参数最小值最大值单位VPPt编程电压11.512.5VI PPt编程电流31.0mA1/tclcl时钟频率324MHZtAVGL建立地址到PROG48tclcltGHAXPROG变低后地址保存不变48tclcltDVGL建立数据到PROG变低48tclcltGHOXPROG变低后数据保持不变48tclcltEHSHENABLE

53、变高到VPP48tclcltSHGL加VPP到PROG10stGHSLtPROG后保持VPP10stGLGHPROG宽度1110stAVOV地址到数据有效48tclcltELOVENABLE低到数据有效48tclcltEHOZENABLE后数据浮空048tclcltGHBLPROG变到BUSY变低1.0stWC字节写入周期2.0Ms采用控制信号的正确组合可对Flash闪速存储阵列中的每一代码字进行写入和存储器的整片擦除,写操作周期是自身定时的,初始化后他将自动定时到操作完成。工作温度-55to+125储藏温度-65to+150任一引脚对地电压-1.0Vto+7.0V最高工作电压6.6V直流输出

54、电流15.0mAAT89C51的极限参数：3.2温度检测在本设计中要完成供回水、补水、供热蒸汽和室外大气温度的检测。3.2.1温度传感器AD590的特性和结构温度传感器AD590是美国AD公司用PN结正向电流和温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。并且,在中国也生产出了同型的SG590温度传感器产品。AD590在被测温度一定时,相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性,测量精度高,并具有消除电源波动的特性。即使电源型温度传感器,通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分档AD590的后缀如图所示,以I、J、K、L、M表示。AD590L,AD590M一般用于精密温度测量电路,其电

55、路外形如下图所示,它采用金属壳3脚封装,其中1脚为电源正端V+；2脚为电流输出端Io；3脚为管壳,一般不用。集成温度传感器的电路符号如图所示。AD590的外形电路图和集成温度传感器电路符号3.2.2 AD590的主特性参数如下：工作电压：430V；工作温度：55150；保存温度：65175；正向电压：44V；反向电压：20V；焊接温度10秒：300；灵敏度：1AK。3.2.3 AD590的工作原理：在被测温度一定时,AD590相当于一个恒流源,把它和5-30V的直流电源相连,并在输出端串接一个1k的恒值电阻,那么,此电阻上流过的电流将和被测温度成正比,此时电阻两端将会有1mVK的电压信号。其基

56、本电路如下图所示。感温部分的核心电路上图是利用UBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。其中T1、T2起恒流作用,可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3、T4是感温用的晶体管,两个管的材质和工艺完全相同,但T3实质上是由n个晶体管并联而成,因而其结面积是T4的n倍。T3和T4的发射结电压UBE3和UBE4经反极性串联后加在电阻R上,所以R上端电压为UBE。因此,电流I1为：I1UBERKTqlnnR对于AD590,n8,这样,电路的总电流将与热力学温度T成正比,将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。由于利用了恒流特性,所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响

57、。图中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻,该电阻已用激光修正了其电阻值,因而在基准温度下可得到1AK的I值。上图所示是AD590的内部电路,图中的T1T4相当于图3中的T1、T2,而T9,T11相当于图3中的T3、T4。R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻,供出厂前调整之用。T7、T8,T10为对称的Wilson电路,用来提高阻抗。T5、T12和T10为启动电路,其中T5为恒定偏置二极管。T6可用来防止电源反接时损坏电路,同时也可使左右两支路对称。R1,R2为发射极反馈电阻,可用于进一步提高阻抗。T1T4是为热效应而设计的连接方式。而C1和R4则可用来防止寄生振荡。该电路的设计使得T9,T1

58、0,T11三者的发射极电流相等,并同为整个电路总电流I的13。T9和T11的发射结面积比为8：1,T10和T11的发射结面积相等。T9和T11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上,因此可以写出：UBER62 R5I3R6上只有T9的发射极电流,而R5上除了来自T10的发射极电流外,还有来自T11的发射极电流,所以R5上的压降是R5的23。根据上式不难看出,要想改变UBE,可以在调整R5后再调整R6,而增大R5的效果和减小R6是一样的,其结果都会使UBE减小,不过,改变R5对UBE的影响更为显著,因为它前面的系数较大。实际上就是利用激光修正R5以进行粗调,修正R6以实现细调,最终使其

59、在250之下使总电流I达到1AK。3.3 A/D转换在本设计中的A/D转换采用MAX-1230。 3.3.1 MAX-1230的主要特点MAX1230是MAX-IM公司20XX推出的一种低功耗、可进行温度补偿并带有采样保持功能的多通道12位串行模数转换器。它内置基准电压源、时钟电路和温度传感器,具有16个模拟输入通道,可实现输入通道扫描、输出数据平均和自动关断功能,此外,该芯片还具有一个高速的串行接口。与其它的模数转换器相比,MAX1230具有较多的功能,且工作方式灵活多样,可应用于系统监视、数据采集、病人监护、工业控制和仪器制造等多种领域。MAX-1230的主要特点如下：所有输入通道均可按单

60、端或差分方式进行配置,单端方式下可配置为16个通道,差分方式下可配置为8个通道；转换速率可达300kSPS,此时的功耗仅为1.8mW；在整个温度范围内不会丢码,精度为1LSB、1NL和1LSB DNL；采用单电源+5V供电,内部具有4.096V的基准电压和时钟电路,也可使用外部差分基准或外部时钟输入；具有10MHz可兼容SP1/QSP1/MICROW1RE的接口；工作温度范围为-40+85,且内部带有精度为1的温度传感器,同时可进行温度补偿。的内部结构MAX1230的内部结构如上图所示,它由跟踪保持放大器T/H、12位逐次逼近型ADC、控制逻辑、内部时钟、串行接口、先入先出寄存器FIFO、内部基准电压源和温度传感器等组成。MAX-1230的引脚排列图3.3.3 MAX-1230的引脚排列MAX-1230有24脚QSOP和28脚QFN两种封装形式,其引脚排列如上图所示。各引脚的功能如下：AIN0-AIN15：模拟量输入；REF-：使用外部差分基准源时的负输入,与A14复用；CNVST：转换开始信号输入,低电平有效,与A15复用；REF+：基准电压源的正输入,该脚和地之间要加0.1F的电容；GND：接地脚；VDD：电源输入,电压范围为,它和地之间应加0.1F的电容；SCLK：串行时钟输入,用作采样和转换,使用外部时钟时,其频率范围为,当其作为