锅炉水温水位控制系统设计(共47页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上锅炉水温水位控制系统设计【摘要】在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术起着愈来愈重要的作用，并且随着生产和科学技术的发展，自动化水平也越来越高。自动控制利用控制装置使被控对象的某个参数自动的按照预定的规律运行。本设计的控制系统就是采用自动控制技术来实现其功能的，这样就大大提高了工作的效率，而且整个过程又快又稳。本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，在进行数据处理过程中，单片机控制温度传感器和液位传感器进行工作，把温度信号和液位信号传递到单片机上。单片机进行数据处理之后，发出控制信号改变报警和控制执行模块的状态，同时将当前温度信息和液位信息发送到LED进行显示。本系

2、统可以实现温度和液位信号的采集与显示，可以使用按键来设置液位限定值，通过液位数据的运算处理，发出控制信号达到控制液位的目的。本系统以8051为核心，用温度传感器AD590采集温度信号，通过ADC0804进信号的A/D转换与8051通信。同时用超声波传感器测量液位，用DS18B20作为温度补偿，以提高精确度。用555定时器组成报警电路进行报警。并且可以通过键盘来设定液位的最高值和最低值，从而达到自动控制的目的。关键词：单片机； 温度传感器； 模数转换； 超声波The Temperature Detection and Liquid Level Control System of Boiler B

3、ased On MicrocontrollersAbstract：In many areas of modern science and technology, automatic control technology plays an increasingly important role, and with production and the development of science and technology, the level of automation is also getting higher and higher. Control device to control

4、the use of a particular object in accordance with the parameters of the automatic operation of the law is scheduled. The design of the automatic control to buy a certain object automatically in accordance with the parameters of the scheduled operation.It uses MCU as data process and control unit, an

5、d uses MCU to control temperature sensor and the level of water which transmits data to MCU through single bus. It can send a signal to change the states of alarm, current temperature and the level of water is displayed by LED The system achieves multi-channel temperature and water level signal acqu

6、isition and control. This system is applied in such domains as warehouse detecting temperature and the level of water ；air-conditioner controlling system in building and supervisory productive process etc.8051 to the system as the center, with temperature sensors AD590 temperature signals collected

7、by ADC0804 signal into the A/D converter and 8051 communications. The level of water is collected by the Ultrasonic sensors. and the temperature of air is measured by DS18B20.while keyboard is used to set a highest level and a lowest level. thus achieving control for automation.Keywords: microcontro

8、llers; temperature sensor; analog-digital conversion; ultrasonic专心-专注-专业1 绪论1.1 国内外锅炉的发展现状锅炉作为一种把煤、石油或天然气等化石燃料所储藏的化学能转换成水或水蒸气的热能的重要设备，长期以来在工业生产和居民生活中都能扮演着极其重要的角色。它己经有二百多年的历史了，但是锅炉工业的迅猛发展却是近几十年的事情。国外的锅炉控制工业5060年代发展最快，70年代达到高峰。我国的锅炉工业是在新中国成立后才建立和发展起来的，1953年在上海首创了上海锅炉厂。从其在生产和生活中所起的作用不同，锅炉可分为电站锅炉，主要用于发电

9、厂；工业锅炉，主要用于直接供给工农业生产或驱动机械能源；生产锅炉，主要用于为居民提供热水和供居民取暖。应该说锅炉控制问题伴随着锅炉的出现也就相应的出现了，它长期以来就是控制领域的一个典型问题。伴随着控制理论和控制技术的发展，锅炉自动化控制的水平也在逐步提高。锅炉的自动化控制，经历了三四十年代单参数仪表控制，四五十年代单元组合仪表综合参数仪表控制，以及六十年代星期的计算机过程控制几个阶段。随着六十年代第一台计算机在控制中的应用以及此后计算机和通信技术的迅猛发展，计算机逐渐进入了锅炉控制领域并正在成为这一领域的主要角色。计算机很强的记忆功能，逻辑判断功能以及快速计算功能为实现任意的控制算法提供了可

10、能，这样，先进的控制理论和控制算法进入锅炉控制己经有了可能性。目前，国外锅炉的控制技术已日趋成熟，尤其在计算机控制和PLC控制领域得到很好的发展。我国虽然在锅炉自动控制领域发展较快，但整体技术水平和发达国家还有一定的差距。1.2 热水锅炉温度检测与液位控制的背景及意义随着我国的国民经济快速发展与人民生活水平的迅速提高，对锅炉的需求量有日益增加的趋势。如果锅炉的控制设备简陋，控制技术落后，效率低，就会造成了燃料的大量浪费，而且严重污染空气，也不利于安全生产。而热水锅炉的控制虽然没有工业锅炉复杂，精确度要求也没工业要求高，但热水锅炉的应用也十分广泛，如果要人工控制就不仅需要很大的工作量，而且不能保

11、证控制的准确性和及时性，因此用采用自动检测和控制，不仅大大减少工作量，而且准确，既经济又实惠。温度检测系统在现代工业设计、工程建设及日常生活中的应用越来越广泛，早期的温度检测主要应用于工厂中，在人们的日常生活中，温度检测系统的应用和作用也体现到了各个方面。特别是单片机技术的出现，它给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。目前，单片机在工业控制系统诸多领域得到了极为广泛的应用。特别是其中的51系列单片机的出现，由于它具有极好的稳定性，更快和更准确的运算精度。本次设计就是要通过以51系列单片机为控制核心，通过温度采集，模数转换，LED显示，实现热水锅炉温度检测系统的设计，同是采用超声波传感器检测

12、锅炉内水位，并利用单片机来控制水泵，从而达到控制液位的目的。1.3 热水锅炉温度检测与液位控制的工作原理在热水锅炉应用中，如果要准确的检测水温有很多方法，本次设计采用集成温度传感器AD590来测量水温，精确到0.5。通过AD590来采集信号，然后通过模数转换，与单片机连接，并通过LED显示出来，同时把采集到的温度信号与给定值比较，如果温度高于给定值的最高值或低于给定值的最低值时，系统就会声光报警。在液位控制系统中，采用超声波传感器来测量液位，利用超声波发射和接收到反射信号的时间差计算出超声波走过的距离，从而计算出锅炉内的水位，考虑到温度对超声波传输速度的影响，因此增加了温度传感器DS18B20

13、来测量气体的温度，从而减小误差，精确度2cm，该系统还可以用键盘设定液位的最高值和最低值，并通过单片机来控制，水位低于最低值时系统将自动注水，高于最高值时，自动停止加水，并且能够同步显示水位。1.4 单片机控制锅炉的发展前景锅炉微机控制,是近年来新开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，锅炉采用的是微机控制和原有的仪表控制，微机控制优势明显，作为锅炉控制系统装置：其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减少劳动人员的劳动强度。采用计算机控制的锅炉系统有十分良好的安全机制：可以置多点的声光报警和自动连锁停炉，杜绝人为疏忽造成的重大事故。可以预见

14、采用计算机控制系统是行业的大势所趋。单片机是在一块芯片上集成了一片微型计算机所需的CPU、存储器、输入、输出等部件。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。一般,工业控制系统的工作环境差，干扰强，利用单片机控制就能克服这些缺点，因此单片机在控制领域得到广泛的应用，使用单片机控制锅炉是很好的选择。目前我国在单片机测控装置研究、生产、应用中取得了很大的成绩，总结了很多经验，但是各行业仍处于发展期，经调查，很多科研究所在这方面开展的工作更看重的是理论和算法，数年来关于这方面的研究的论文较多，着重生产实际的很少。一些发达国家在单片机新型系统研究、制造和

15、应用上，已积累了很多经验，奠定了基础，进入了国际市场。我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上，与其他发达国家相比还存在差距，但是我国的研究人员已经克服很多困难，并在不断的摸索中前进，有望在相关领域赶上甚至超过发达国家的技术水平，这是发展趋势。2 系统硬件电路设计硬件电路是系统功能实现的基础，本设计是在硬件电路的基础上，通过软件来完善系统的功能。一般在软件可以完成硬件功能的情况下，尽量用软件来实现，从而使系统硬件电路尽可能简单，如下便对系统的硬件电路进行详细介绍。2.1 系统控制模块的设计本设计用单片机作为系统的控制核心，根据系统设计的要求与要实现的功能，可选用的单片机有多种，本次毕业

16、设计选用8051单片机作为系统的控制核心。2.1.1 单片机的最小系统设计8051单片机如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。8051单片机引脚图如图2-1所示。图2-1 8051单片机引脚单片机的复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms，就

17、可以实现自动上电复位。时钟频率用6MHZ时C取22uF，R2取1K,R1取100K。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。单片机的时钟电路由两个电容和一个晶振组成，单片机的最小系统见图2-2所示。图2-2 单片机最小系统2.1.2 单片机的I/O口扩展的设计8155作扩展I/O口使用时，IO/引脚必须置高电平。这时，PA、PB、PC的口地址的低8位分别为01H、02H、03H（设地址无关位为0时）。8155的I/O工作方式选择，是通过对8155内部命令寄存器（命令口）设

18、定命令控制字来实现的。命令寄存器的低8位地址为00H。8155的A口和B口都可以工作在输入方式或输出方式，但A口和B口是工作在基本方式还是选通方式却不是有A口和B口的方式决定的，而是由C口的方式决定。8155的C口可以设置成四种工作方式，即可以设置为输入方式，输出方式，A口的控制端口（只用C口三条线，还有三条线为输出方式），以及作为A口和B口的控制端口。表1给出了在不同工作方式下C口各位的功能。I/O口的工作方式选择基本I/O工作方式：当8155被编程为ALT1，ALT2时，A，B，C口均为基本输入/输出方式，而用命令寄存器的D0和D1位选定A口和B口为输出还是输入工作方式；由D2和D3选定C

19、口为输出还是输入工作方式。选通I/O工作方式：当8155被编程为ALT3时，A口定义为选通I/O，B口定义为基本I/O。编程为ALT4时，A口和B均定义为选通I/O工作方式。当C口工作于ALT3或者ALT4方式时，可以为A口及B口提供对外的联络信号。但是，8155的联络信号不像8255A那样输入、输出两组，而是只有A、B各一组。因此，在输入和输出操作时，联络信号的意义和作用有所不同。在输入操作时，是外设送来的选通信号。当有效后（低电平），把输入数据装入8155，然后BF信号变高，以反映8155的缓冲器以装满；在信号恢复为高电平时，INTR信号变高，向CPU申请中断；当CPU开始读取输入数据（信

20、号下降沿）时，INTR信号恢复低电平；读取数据完毕后（信号上升沿），使BF信号恢复低电平，一次数据输入结束。在输出操作时，是外设的应答信号。当外设接收并处理完数据后，发出负脉冲；在变高之后使INTR有效，开始申请中断，即要求CPU发送下一个数据；CPU在中断服务中把数据写到8155，并使BF变高，以通知外设可以开始接收和处理数据；外设处理完数据后，再以信号来应答。A口和B口是否工作在中断方式下，除了由C口的方式决定是否提供联络信号之外，还要在初始化时规定是否允许A口或B口中断。INTR为中断请求输出线，作为单片机的外部中断源，高电平有效。当8155的A口（或B口）缓冲器接收到设备输入的数据或设

21、备从缓冲器中取走数据时，中断请求线INTR变高（仅当命令寄存器相应中断允许位为1时），向单片机请求中断，单片机对8155的相应I/O口进行一次读/写操作后，INTR变为低电平。BF为缓冲器状态标准输出线。缓冲器有数据时，BF为高电平，否则为低电平。为设备选通信号输入线，低电平有效。I/O的状态查询8155用状态寄存器锁存I/O口和定时器的当前状态，供单片机查询用。因为状态寄存器和命令寄存器共用一个地址，因此认为8155的00H口是命令/状态（C/S）寄存器。对其写入时，作为命令寄存器，写入的是命令；而对其读出时，作为状态寄存器，读出的是当前I/O口和定时器的状态。本次毕业设计用两片8155来扩

22、展单片机8051的P0口，并用74X139作为8155的片选信号控制，74X139的高位输入A1接地，低位输入A0接单片机的P20口，输出端Y0和Y1分别接8155，这样无论P20口输出高电平还是低电平，都会选择一片8155与单片机进行通讯。只要让单片机的P20口输出0.5HZ的脉冲，就能实现两片8155分别占用P20口2秒的功能。单片机的I/O口扩展电路图如2-3所示。图2-3 单片机的I/O口扩展2.1.3 液位控制模块的设计液位控制液位控制输入模块和控制水泵模块，液位控制输入模块的作用是设定液位的最高值和最低值，控制水泵模块的作用是控制水泵开关是否导通，从而达到控制液位的目的。（1）液位

23、控制系统框图使用单片机实现锅炉液位控制具有较高的实用价值和稳定性好等特点。采用由超声波电路所组成的液位传感器测量水位，可有效保证水位的自动控制，保证水质无污染，能更好地对锅炉进行自动化控制，而且控制方便且系统稳定性能好；单片机不仅有体积小，安装方便，功能较齐全等优点，而且有很高的性价比，应用前景广，同时有助于发现可能存在的故障，通过微机实现给水系统的自动控制与调节，将保证锅炉正常供水供暖，维持稳定系统，保证安全经济运行。本文就是采用8051单片机为核心芯片的一种锅炉控制系统，如图2-4具有较高的实用价值和优越性。图2-4液位控制系统框图（2）超声波测距原理如图2-5示意了超声波测距的原理，即超

24、声波发生器T在某一时刻发出的一个超声波信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接受。这样只要计算出发生信号到接受返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。 距离计算公式：d=s/2=(c*t)/2 *d为被测物与测距器的距离，s为声波的来回路程，c为声速，t为声波来回所用的时间与声速c与温度有关，如温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返时间，即可求得距离。在系统加入温度传感器来监测环境温度，可进行温度被偿。这里可以用DS18B20测量环境温度，根据不同的环境温度确定声速提高测

25、距的稳定性。为了增强系统的可靠性，应在软硬件上采用抗干扰措施。 图2-5 超声波测距的原理声波在介质中传播的速度称为声速，单位为米/秒。声速的大小，与声波藉以传播的介质有关。不同的介质声速不同。固体介质、液体介质和气体介质三者之中，固体介质中的声速最大，液体次之，气体最小。即使在空气介质中，声速还与空气的压强和温度有关。在理论上，有 （2-1）式中；C为声波在空气中的传播速度；为空气的比热比，且；为大气静压强，且（）；为空气密度，且（）；因此，可算得。上式表示的是温度为，空气中的声速。如果温度改变了，则声速的值也就不同。对于空气，可按下式算得不同温度下的声速： （2-2）由上式即可算得常温（2

26、0）下空气中的声速为在本次毕业设计中，由于热水锅炉的压强对声速不是很大，对系统的结果影响不大，因此不考虑，只考虑温度的影响。如图2-1为超声波声速表;表2-1 不同温度下的超声波声速表（3）控制水泵电路的设计如图2-6所示，使继电器触顶导通，必须三级管的基极为高电平，所以P2.6口输出高电平，水泵就打开；当P2.6口输出为低电平，三级管截止，继电器触点断开，水泵关闭。如果当显示到达设定的最大值，水泵要关闭，当显示到达设定的最小值，水泵要打开了。采用一个继电器和一个三级管来实现，这里的续流二级管要特别注意，它是来保护继电器，消除浪涌电流。如图2-6所示。图2-6 驱动水泵电路2.2 系统检测模块

27、的设计本次毕业设计的检测模块包括水温检测模块、气温检测模块和液位检测模块，其中水温检测模块采用集成温度传感器AD590，水温检测模块采用DS18B20，液位检测模块采用超声波电路实现液位检测功能。2.2.1 水温检测模块的设计在热水锅炉中，只需把水加热到100，然后保温，因此必须要采用测量量程大于100的温度传感器，该系统是温度检测系统，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，同时可以将被测温度显示出来。（1）水温检测系统框图通过对系统大致程序量的估计和系统工作速度的估计以及I/O口需求量的估计，考虑价格

28、因素、元器件市场因素，选定8051单片机作为系统的主要控制芯片。各种模拟信号均需通过A/D转换器转换成数字量，考虑到被测量的有效位数及其富裕量，选ADC0804芯片作A/D转换器。由于锅炉的内的温度可能超过100，选用AD590芯片作为温度传感器。采用LED数码管动态显示测得的数值，采用一片8路三态反相缓冲器74LS240作为字形码锁存驱动器，报警电路采用555定时器组成的振荡电路。由温度传感器AD590采集温度信号，经过A/D转换成数字信号送入单片机，并由单片机控制LED显示出来，该系统同时有报警功能，当温度符合报警条件时，单片机的P2.7口输出高电平，控制555定时器组成的报警电路报警。如

29、图2-7为水温监测系统框图;图2-7水温检测系统框（2）水温检测电路的设计采用集成温度传感器AD590测量水温，AD590是利用PN结构正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器（热敏器件）。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下： 1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：mA/K式中：流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T热力学温度，单位为K。 2、AD590的测温范围为-55+150。 3、AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V-6V范围变化，电流 变化1mA，相当于温度变化1K。AD590

30、可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。4、输出电阻为710MW。5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。AD590的外形与小功率晶体管相仿，共有3个管脚：1脚为正极，2脚为负极，3脚接管壳。使用时将3脚接地，可起到屏蔽作用。AD590的测温范围是-55+150，最大线性误差为0.3，响应时间仅20s，重复性误差低至0.05，功耗约2mW。其输出电流是以绝对温度零度(-273)为基准，每增加1，它会增加1A输出电流，因此在室温25时，其输出电流Io=(273+25)=298A。Vo的值为Io乘上1

31、0K，以室温25而言，输出值为2.98V(10K298A)。测量Vo时，不可分出任何电流，否则量测值会不准。AD590等效于一个高阻抗的恒流源。在工作电压+4+30V，测量范围-55+155范围之内，对应于热力学温度T每变化1K，就输出1A的电流。这就表明，其输出电流I（A）与热力学温度T(K)严格成正比。电流灵敏度表达式为：I/T=3K8/eR。式中的K、e分别为波尔兹曼常数和电子电量，R是内部集成化电阻。将K/e=0.0862mV/K，R=538代入式中得到：I/T=1.000A/K因此，输出电流的微安数就代表着被测温度的热力学温标数。AD590温度与电流的关系如表2-2所示。表2-2 A

32、D590温度与电流的关系AD590测温电路输出的电压信号为模拟信号，要进行数码显示，还需将此信号转换成数字信号。为此我们通过A/D转换器将输入的模拟值转换成数字值，经8051单片机处理后输出到P1以控制温度显示电路。ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片，分辨率8位，转换时间100s，输入电压范围为05V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为5V。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无须附加逻辑接口电路。ADC0804与ADC0809有相同的功能，引脚与ADC0809不同，ADC0804有20个引脚，模拟信号从Vin

33、(+)输入，转换后的数字信号从DB0到DB7口输出，ADC0804的引脚如图2-8所示。图2-8 ADC0804的引脚水温检测电路由温度传感器AD590，模数转换器ADC0804构成检测输入模块，温度传感器AD590采集到得温度信号是模拟信号，因此要通过A/D转换后方可与8155连接，如图所示，AD590输出的电流信号将直接与ADC0804的Vin(+)相连，Vin(-)端接地，DBO到DB7端分别与8155的A口PA0到PA7连接，锅炉内水温的变化将引起AD590的电阻值发生变化，从而使输出电流发生改变，ADC0804将电流值转换为数字量输送到8155，并通过8155发送到单片机，单片机根据

34、不同的电流所对应的温度值便可以得出锅炉内的水温，其中不同的电流所对应的温度值可以在所给出的表中查的，其中电路的连接如图2-9所示，AD590与+5V电源连接，并通过电阻接地，ADC0804的Vcc端直接接高电平，对ADC0804进行单独供电可以保证其正常工作。图2-9水温检测电路2.2.2 气温检测模块的设计气温检测选用温度传感器DS18B20，DS18B20的内部测温电路框图如图2-10所示，低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，为计数器提供一频率稳定的计数脉冲。高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，很敏感的振荡器，所产生的信号作为减法计

35、数器2的脉冲输入，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的

36、累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端，电源供电3.0-5.5V（在寄生电源接线方式时接地）。图2-10 DS18B20 内部测温电路框图DS18B20中的温度传感器用于完成对温度的测量，它的测量精度可以配置成9位，10位，11位或12位4种状态。温度传感器在测量完成后将测量的结果存储在DS18B20的两个8BIT的RAM中，单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在

37、后数据的存储格式如表2-3（以12位转化为例）。表2-3温度信号寄存器格式这是12位转化后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。例如：+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，-25.0625的数字输出为FF6FH，-55的数字输出为FC90H。DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH，TL作比较，若TTH或TTL，则将该器件内的告警

38、标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。在12位有效、标准温度下传感器的数据输

39、出见表2-4。表2-4一部分温度对应值表本系统所采用的是电源直接供电，其接法如图2-11所示。DS18B20的DQ端直接与单片机的P2.3口相连，VDD端接+5V电源，DQ端与+5V电源之间通过电阻相连，GND接地。DS18B20可以直接将模拟量转换为数字量，因此不需要连接A/D转换器，DS18B20与单片机之间直接进行单线传输，因此与单片机连接相当简单，采用电源直接供电则DQ端与单片机直接进行数据传输，不需要通过单片机来给DS18B20供电，保证了DS18B20工作的可靠性。图2-11 DS18B20与单片机的接口2.2.3 液位检测模块的设计液位检测采用超声波传感器，超声波频率为40kHz

40、左右的超声波在空气中传播的效率最佳；同时，为了方便处理，发射的超声波被调制成40kHz左右、具有一定间隔的调制脉冲波信号。测距系统由超声波发送、接收、时间计测三个部分组成。超过波从发射到接收的间隔时间的测定是由单片机内部的计数器T1来完成的。（1）超声波发射电路超声波发射电路由主要由振荡电路和逻辑门电路构成，如图2-12所示，电源电压采用15V，超声波传感器的驱动电压峰值可到15V，因此这种电路可得到较大输出功率。振荡频率f0=1/(R1RP1C)，调整RP1使振荡频率f0=40KHZ。从而使超声波的发射频率为40KHZ。（2）超声波接收电路如图2-12所示，采用运算放大器的超声波接收电路，电

41、路由两级放大电路、整流电路、滤波电路和比较电路组成。放大电路具有频率选择性，仅放大40KHZ频率的信号，峰值频率为40.8KHZ，增益为10倍。通过整流和滤波后，只让40 KHZ频率的信号通过。整流电路采用1个运算放大器构成半波整流电路，也可以采用二极管整流电路。对于比较器，是根据接收信号电平调整其门限电平，这里采用运算放大器，也可以采用其他器件组成。图2-12 超声波发射和接收电路2.3 系统键盘显示模块的设计液位和温度公用一个显示电路，由4个LED构成的动态显示，为了区分显示的是液位还是温度，增加了一个温度显示同步指示电路，当显示温度时发光二极管点亮，显示液位时，发光二极管不亮。键盘输入由

42、4行4列的键盘构成。2.3.1 系统键盘输入电路的设计液位控制输入模块由键盘来设定液位的最高值和最低值，键盘的结构有行列式、独立式两种。见图2-13键盘电路采用的是行列式。按键数较多时，为了少占用I/O口线，通常采用矩阵式又称行列式键盘接口。CPU对键盘的扫描可采取程序控制的随机方式，即CPU空闲时扫描键盘；也可以采用定时控制方式，即每隔一定时间CPU对键盘扫描一次；也可以采用中断方式，即每当键盘上有键闭合时，向CPU请求中断，CPU响应键盘输入的中断，对键盘进行扫描，以识别哪个键处于闭合状态，并对键盘输入的信息做出相应处理。CPU对键盘上闭合键的键号确定，可以根据行线和列线的状态计算求得，也

43、可以根据行线和列线的状态查表求得。本次毕业设计采用4行4列式的键盘，当系统初始化后，便等待键盘输入，当按下退出键时表示输入完毕。当系统正在运行时，也可以根据需要，随时输入液位值，只要按下键盘启动键，便向CPU请求中断，CPU响应键盘输入的中断，对键盘进行扫描，当输入完毕后，按下退出键时，CPU响应中断完毕，释放中断，系统正常运行。液位控制输入图如2-13所示。图2-13 键盘输入电路2.3.2 系统显示电路的设计动态显示电路由显示块、字形码锁存驱动器、字位锁存驱动器三部分组成。如图所示为4位LED动态显示器接口电路。采用8155作为单片机应用系统扩展的I/O口，占用片外数据存储器空间。图中，由

44、4个LED显示器组成了4位显示块；8155的A口和一片8路三态反相缓冲器74LS240共同作为字形码锁存驱动器，8155的A口作字符段码输出口，通过74LS240向LED显示块提供段选信号；8155的C口和一片6路集电极开路反相门电路7406共同作为字位锁存驱动器，C口作LED的位选输出口，通过7406向LED显示块提供字位选择驱动信号。4个数码管的8段段选线分别与74LS240的输出对应相连，而4个LED共阴极端与7406的输出端Y0到Y3对应相连。当要显示信息时，由A口输出字形段码的低电平，经74LS240反相为高电平有效，C口4路字位信号中每次仅选通一路输出高电平（其余字位为0），反相后

45、为低电平有效选中相应的LED，则要显示的字符在该LED上显示出来。在这种显示电路中，一个字位一个字位地轮流点亮各个LED，每一位停留1ms左右，由于人的视觉暂留，好像4只LED是同时点亮的，并不觉察有闪烁现象。这种动态LED显示接口由于所有数码管共用一个段码输出口，分时轮流通电，从而大大简化了硬件线路，降低了成本。不过在这种方式的数码管接口电路中，数码管不宜太多，一般在8个以内，否则每个数码管所分配到的实际导通时间会太少，亮度不足。若LED位数较多时应采用增加驱动能力，以提高显示亮度的措施。LED的连接如图2-14所示。图2-14 系统显示电路2.3.3 温度显示同步指示电路的设计由于温度显示

46、和液位显示共用一个显示器，采用分时显示的方式，因此，如何确定某一时刻显示器显示的是温度值还是液位值尤为关键，为了准确的判断显示器显示的是温度还是液位，同时又要求硬件电路简单，本设计采用发光二极管来直观地判断，将发光二极管与三极管相连，三极管的基极通过电阻与单片机的P2.1口相连，二极管的另一极与+5V高电平相连，当单片机控制显示器显示温度值时，同时在P2.1口输出高电平，此时点亮LED，当单片机控制显示器显示液位时，P2.1口输出低电平，LED不亮。这样就可以通过软件控制P2.1口输出高低电平，安装时将发光二极管与显示器安装在比较接近的地方，这样便可以准确地判断显示器显示的是温度还是液位。电路

47、连接图如2-15所示。图2-15 温度显示同步指示电路2.4 系统报警电路的设计报警电路由555定时器构成多谐振荡电路，通过控制它的起振使喇叭发出声响，并使发光二极管发光，使用时与单片机的P2.7口相连。图2-16 555定时器的电路结构555时基集成芯片的电路结构和芯片引脚图如图2-16所示。他含有两个电压比较器C1、C2，一个基本RS触发器，一个放电开关管Td，比较器的参考电压由三只5K的电阻构成的分压器提供。分压器分别使高电平比较器C1的同相输入端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为2Vcc/3和Vcc/3。C1、C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号从6脚输入并超过参考电平2Vcc/3时，触发器复位，555的输出3脚为低电平，同时放电开关管导通。当输入信号从2脚输入并低于Vcc/3时，基本RS触发器置位，555的输出Vo为高电平，同时放电开关管截止。4脚是复位脚，当为低电平时，555输出低电平。平时4脚开路或接Vcc。5脚是外加控制电压输入端，当5脚外接一个输入电压时，则改变比较器的参考电压，不接外加电压时，5脚通常接一个0.01uF的电容到地，用来消除外来的干扰，以确保参考电平稳定。Td是放电管，当Td导通时，为放电端7脚提供低阻抗放电通路。555定时器主要通过电阻R和电容C构成充放电电路，并由两个比较器