基于单片机监控系统

基于单片机监控系统（精选12篇）

基于单片机监控系统 第1篇

人们曾多次构想, 给一个仓库、教室、温室、家居设定一套监测设备, 并让它们与网络相连, 使得人们更为方便、及时地了解到想要监测的环境, 并及时做出操控。有人曾梦想能够在回家之前控制家里的热水器烧好热水, 以便在拖着疲惫的身体回家后立马就能冲个热水澡;希望炎炎夏日回家之前提前打开空调, 回家后又舒心的凉爽。又希望能为父母的家中装上温度烟雾传感器, 确保他们的安全;为家中的门禁系统加固联网……

曾有一个解决方案就是为家中装配一台电脑, 联入网络, 实时监控, 再连接一大堆的控制开关去操控电器, 再设计专门的操作软件, 再改造主板……

这耗费的精力和资金是超出一般人的承受范围的, 是市场所未能完善的角落, 随着单片机性能的提升, 功能模块的扩展, 使得单片机和网络通信变得更加容易, 因此使得基于单片机的家庭远程监控系统成为可能。

本文在基于Atmega32单片机的基础上增加了无限传输模块, 以太网模块, 加装传感器等, 已经实现了人们当初的功能构想。利用本系统打开手机就可以联网控制家庭电器;随便打开一台电脑就可以访问域名进入控制界面控制家庭电器设备、采集图像信息、得到温度显示;也会因为系统检测到门禁系统有人闯入或者烟雾温度达到危险值而收到报警短信。

二、系统硬件设计

2.1 系统结构

本系统基于主控单片机Atmega32实现与网络的数据交换。电路集成了温度、烟雾及热释电传感器, 有数码管显示和蜂鸣器报警, 加装了ENC28J60以太网模块和GSM模块。

通过485模块及其相关协议实现了多机通讯;通过TCP/IP协议实现了底层硬件和上层界面的数据交互访问, 构建出了基于单片机的小型web服务器, 从而接入互联网并设计了网页监控平台界面。并通过模拟串口实现了用摄像头进行图像的采集。其结构框图如图1所示。

2.2 串口摄像头

在HTTP协议中, 本系统实现了图片的传送。而图片的获取是通过串口摄像头获取的, 单片机通过串口和摄像头相连, 单片机通过命令控制摄像头。

摄像头内置的高性能数字信号处理芯片实现了对原始图像的高比例压缩。

摄像头接到取图命令后开始采集图像, 图像压缩为JPEG格式输出, 摄像头采取分包传递的方式, 每传递一个数据包, 只有得到上位机的确认命令, 摄像头才开始传下一个包, 直到图像传递完成。

2.3 485协议模块

此模块为通过MAX485芯片, 以总线的形式挂载多个从机。主机接收到上层传输来的数据后进行解析然后分别发送到各个从机;从机及时返回各个从机设备的状态到主机, 主机通过分析进行向上传输及报警或者发短信。

2.4 烟雾传感器模块

此模块通过MQ-2烟雾传感器将监控周围环境, 是否发生异常情况, 如有烟雾或者煤气泄漏等。如果发生火灾, 则会产生大量烟雾, 此模块将采集到的烟雾信号转换成微弱的电信号, 经过电路放大, 达到可以应用的电信号, 加过LM393 (比较器) 将有用信号筛选出来, 可供单片机识别判断并进行处理等。

2.5 热释电模块

此模块通过热释电传感器以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化, 并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大, 便可驱动蜂鸣器报警。此传感器本身不发任何类型的辐射, 器件功耗很小, 隐蔽性好, 价格低廉。

但是容易受各种热源、光源干扰, 被动红外穿透力差, 人体的红外辐射容易被遮挡, 不易被探头接收, 但是易受射频辐射的干扰, 环境温度和人体温度接近时, 探测和灵敏度明显下降, 有时造成短时失。

2.6 温度传感器模块

此温度传感器模块由一体化温度检测器采集周围温度信号, 通过单片机运算处理, 将此时的温度经485发到主控机上, 同时在分机上也显示此时温度, 可以直观地看到此时的温度。

2.7 GSM模块

此模块主要是在主机收到从机上发送的数据后进行分析, 如果出现异常情况则通过模拟串口对TC35模块发送AT指令实现短信报警。

2.8 SRWF-1无线模块

此模块的有效传输距离为300米, 利用该模块实现了以及单片机实现遥控器的功能, 来实现遥控操作所有从机上的设备。

三、系统软件设计

3.1 程序流程图

3.2 TCP/IP协议模块

本模块实现了TCP/IP协议族中的ARP协议、IP协议、ICMP协议、TCP协议、UDP协议、NTP协议及HTTP协议。

1.Ethernet协议

Ethernet协议利用网络芯片enc28j60来实现, 该芯片是极具特色的独立以太网控制器, 具有可编程过滤功能, 可自动评价、接收或拒收多种信息包, 减轻了主控芯片的处理负荷, 并且符合IEEE 802.3协议。

以太网的帧是网络接口层的封装, 网络层的数据包被加上帧头和帧尾成为可以被数据链路层识别的数据帧。以太网的长度范围是64~1518字节 (不算8字节的前导字)

2.IP

IP层接收由网络接口层发来的数据包, 并把该数据包发送到更高层——TCP或UDP层;相反, IP层也把从TCP或UDP层接收来的数据包传送到网络接口层。IP数据包是不可靠的, 因为IP并没有做任何事情来确认数据包是按顺序发送的或者没有被破坏。

如果IP数据包中有已经封好的TCP数据包, 那么IP将把它们向“上”传送到TCP层。TCP将包排序并进行错误检查, 同时实现虚电路间的连接。TCP数据包中包括序号和确认, 所以未按照顺序收到的包可以被排序, 而损坏的包可以被重传。

3.TCP

TCP将它的信息送到更高层的应用程序, 例如Telnet的服务程序和客户程序。应用程序轮流将信息送回TCP层, TCP层便将它们向下传送到IP层, 设备驱动程序和物理介质, 最后到接收方。面向连接的服务 (例如Telnet、FTP、rlogin、X Windows和SMTP) 需要高度的可靠性, 所以它们使用了TCP。

4.UDP

UDP与TCP位于同一层, 但它不管数据包的顺序、错误或重发。因此, UDP主要用于那些面向查询——应答的服务, 例如NTP。

5.ICMP

ICMP与IP位于同一层, 它被用来传送IP的的控制信息。它主要是用来提供有关通向目的地址的路径信息。PING是最常用的基于ICMP的服务 (本模块实现了ping功能) 。

6.ARP

ARP (地址解析协议) 的目的是将IP地址映射成物理地址。这在使信息通过网络时特别重要。在一个消息 (或其他数据) 发送之前, 被打包到IP包里, 或适合于Internet传输的信息块。

这包括两台计算机的IP地址。在这个包离开发送计算机之前, 必须要找到目标的硬件地址。这就是ARP最初用到的地方。

一个ARP请求消息在网上广播。请求由一个进程接收, 然后进程回复物理地址。这个回复信息由原先的那台发送广播信息计算机接收, 在收到物理地址后, 传输过程就开始了。

7.HTTP

HTTP是一个应用程协议, 是通用的, 面向对象的协议, 通过扩展请求命令, 可以是用来实现许多任务。HTTP的一个特点是数据表现的类型允许系统相对独立于数据的传输。

HTTP的出现使Internet大众化。它的工作方式是请求/响应式的, 这是相当重要的一点。因为用户仅仅在请求或接受数据时消耗资源。所以这很大程度上的提高了网络的使用效率。而且HTTP并不特别关注所需要的是什么类型的数据。各种形式的媒体都能插进网页中, 包括一些在浏览器端执行的脚本程序。

协议报文格式

协议采用分层结构, 因此, 数据报文也采用分层封装的方法。下面以应用最广泛的以太网为例说明其数据报文分层封装, 如下图7所示:

四、结束语

通过对系统硬件、软件的设计, 基本实现了预期功能。打开电脑, 进入浏览器, 在地址栏中输入绑定的域名, 回车, 即可进入监控平台, 点击软件中设置的不同的功能区进入不同的页面, 如图像页面, 家电控制页面, 环境状态监控页面。在控制页面中可以控制电器, 在环境状态监控页面可以看到各种环境状态值。通过手机访问相应域名, 可以实现同样的操作。

参考文献

[1]史蒂文斯 (W.R.Stevens) .TCP/IP详解卷1:协议[M].机械工业出版社, 2000.

[2]赖特 (Wright) , 史蒂文斯 (Stevens) .TCP/IP详解.卷2:实现[M].机械工业出版社, 2000.

[3]史蒂文斯 (W.R.Stevens) .TCP.IP详解 (卷3) :TCP事务协议.HTTP和UNIX域协议[M].机械工业出版社, 2000.

[4]王煜东.传感器应用电路400例[M].中国电力出版社, 2008.

[5]杨凌.模拟电子线路[M].机械工业出版社, 2007.

[6]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].2版.清华大学出版社, 2008.

基于单片机的温度报警系统报告 第2篇

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随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活、工作、科研、各个领域，已经成为一种比较成熟的技术，本次主要设计一个基于89C52单片机的数字温度传感器开发测温系统，重点掌握对传感器下在单片机的硬件连接，软件编程以及各个模块系统流程的详尽分析，提高电路设计的技巧。该系统可以方便的实现温度的采集和显示，它使用起来相当方便，具有精度高、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适用于我们的日常生活。该系统结构简单，抗干扰能力强，有广泛的应用前景。

在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、速度和开关量都是常用的主要被控制参数、其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度技术指标，从而大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是工业生产中经常遇到的控制问题。

在传统的温度测控系统设计中，往往采用模拟技术进行设计，这样就不可避免的遇到诸如传感器外围电路复杂及抗干扰能力差等问题，而其中任何一环节处理不当，就会造成整个系统性能的下降。采用数字温度传感器与单片机组成的温度检测系统进行温度检测、数值显示和数据储存，体积减小，精度提高，抗干扰能力强，并可组网进行多点协测，还可以实现实时控制等技术，在现代工业中应用越来越广泛。

传统的温度测控系统设计往往是热电阻、adc转换器和控制器的搭配，再加上人机互动操作操作设备这样就会增加系统的成本和系统软件设计的负担，传统的温度测控系统软件设计不仅要控制温度采集、adc的转换、数据的处理、显示和按键功能。制温度采集、adc的转换、显示和按键功能相对简单一些，但是adc采集数据不是现成的温度数据还要控制器处理器对数据处理进行处理，热电阻是反映温度和电压的关系，常用的有正温度和负温度电阻，而且大多数不是正比例而是指数型，这样的数据处理函数可想而知有多复杂，还要考虑电压在传输时的损耗。

本设计就采用以52单片机为核心，和单总线数字式温度传感器模拟出一温度测控系统。

方案：

采用AT89C52单片机，温度传感器，液晶显示屏，设计能设定温度上下限。当温度低于下限值或高于上限值是能进行报警，能显示实际的温度值，显示精度为±1°本方案主要利用硬电路连接，通过软件编程，显示出温度。

重要元器件1：AT89C52 AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用位

中央处理器和Flash存储单元，功能强的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。具有低电压供电和体积小等特点。

重要元器件2：DS18B20温度传感器

DS18B20数字温度传感器是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。DS18B20数字温度传感器接线方便，耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。

本温度计采用一种智能温度传感器DS18B20作为检测元

件。该元件测温范围为-55~125度，最高分辨率为0.0625度，完全满足本设计中分辨率为0.1度的要求!考虑到下载程序的方便和一些条件的限制我选了STC89C52RC这款单片机作为控制器。

报警方面，当温度超过警界最高温度时，报警，红色发光二极管打开;当温度低于最低温度报警时，报警，红色发光二级管打开。为使电路的简化，其温度报警值已预设在程序中，可以通过修改程序中的预设值改变报警温度!主要实现：在基于52单片机的情况下进行，实时温度测量以及显示，超出温度范围声光报警，上下限温度可设定等功能。

电路图：

总结：

从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。并且做每一件事都要认真严谨去完成，否则，一个小小的问题都会让你付出更多的时间和代价。

基于单片机的车身控制系统 第3篇

关键词：单片机；控制单元；操作系统；通信

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2012） 16-0063-01

一、前言

在车身控制领域上，国内的汽车制造商和国外的企业还存在很大的一段差距。但是，国内的汽车制造商在本土适应性、开发成本等方面还是有一定的优势。因此，国内的汽车制造商在车身电子控制方面还是有很好的发展前景的。近年来，国内的汽车工业蓬勃发展，逐渐涌现出一批以研发及生产车身控制系统的优秀企业。预计在今后的汽车技术发展中，车身控制系统在汽车中的作用将会更加重要。目前，车身控制系统的主要控制方式有分布式控制和集中式控制2种。分布式控制技术设计车身控制系统可以为车内人员提供差异化及高品质的用户体验，广泛应用于当前国内外中高档车型中。而集中式控制技术可以有效地控制车身控制系统的制造成本，估计将会成为今后汽车车身控制发展的主要方向。

二、车身控制系统硬件设计

根据系统电路按照工作原理和功能实现对车身控制系统的硬件进行了设计。由于考虑到系统的合理划分和整合，采用电路模块化设计，从而简化系统硬件电路的开发过程。

汽车电控系统大致可以分为6个部分：中控台（驾驶员使用）、行驶控制系统、传动控制系统、安全控制系统、信息娱乐系统和车身控制系统。在本文的设计中，中控台是作为上位机激励控制使用，通过CAN总线向其他5个模块系统发送控制命令信息，并采集各个模块系统的返回信息，而其他5个模块系统之间也是通过CAN总线进行信息交互，以达到更加智能化控制的目标。

车身控制系统由许多电子电控单元组成，主要包括车体中的车灯、车门、车窗、雨刷、电动座椅、车身防盗以及车身上其他部分，为驾驶带来更多的智能与舒适性和安全性。在本文的设计中，将车身控制系统分为集中式和分布式控制两种，其中，将车灯控制子系统和车窗控制子系统列为集中式控制，集成到中央控制模块中，而对其他子系统例如雨刷控制子系统等归为基于LIN总线的分布式控制。

本文设计的基于实时操作系统的车身控制系统将中央控制模块作为中控台对车身控制系统的CAN总线通信的节点，并且作为LIN总线的主机节点来设计。为了验证方案的可行性，在中央控制模块上集成了车灯和车窗控制的集中式控制，而将雨刷、电动座椅、后视镜控制等子系统作为LIN总线的从机节点，属于分布式控制的部分。由于ECU模块作为通信的主机节点，并且作为整个车身控制系统的核心，而实时操作系统也是移植在这个模块上，同时集成了车灯和车窗控制子系统，所以本文通过对这个模块的设计实现，对于验证整个车身控制系统的设计方案具有实践性的意义。为了证明整个方案的正确性和测试环境的便利，将这个部分分为3个模块：ECU（Electronic Control Unit）模块、车灯驱动模块、车窗驱动模块。

三、车身控制系统软件设计

汽车操作系统应是嵌入式系统向实时多任务管理、网络耦合与通信的高端应用过渡的产物，可以提高汽车电子系统的实时性、可靠性和智能化程度。除了具备普通嵌入式系统的共有特性之外，它还具有以下几个优点：对实时多任务处理有很强的支持能力，中断响应时间短；合理进行任务调度，充分利用系统资源；系统集成度高，成本低；系统本身为超低功耗级；支持软件多线程结构，软件抗干扰性强。本文采用实时操作系统μC/OS-II作为解决方案的嵌入式操作系统，其主要的原因是μC/OS-II是一种免费公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统。其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能，完全符合本文设计方案的要求。

汽车上电子装置的急剧增加和信息相互传送的网络化提出了嵌入式操作系统的需求，由法德两国汽车行业所倡导的OSEK（Open Systems and the Corresponding Interfaces For Automotive Electronics）技术是针对符合汽车电子开放式系统及其接口的软件规范所研发的嵌入式实时操作系统。OSEK规范从实时操作系统和软件的开发平台两方面作了全面的定义和规定并日趋完善，在国际汽车电子领域影响力日益增强，将成为未来汽车电子行业嵌入式操作系统的技术标准，广泛被采用。

本文将整个系统软件分为三部分：底层驱动模块、操作系统模块、应用程序模块。其中，底层驱动模块包含系统硬件所需要的寄存器的操作，操作系统模块的实时操作系统为μC/OS-II作为任务与底层驱动硬件沟通的桥梁，而应用程序模块将系统的功能划分为具体的任务实现。

四、总结

本文主要阐述了基于实时操作系统的汽车车身控制系统的开发和设计方法，并对车灯控制子系统进行了设计与实现。在对目前比较常用的实时操作系统μC/OS-II、车身控制系统的控制原理和两种车载通信总线CAN/LIN协议进行简要介绍后，对车灯控制子系统的设计过程及考虑因素作了较深入的阐述。设计的车灯控制子系统目前系统一直运行良好，各项基本功能都已经实现；总的来说，基本上达到了预定的目标。虽然其本身是一个基于功能验证性的设计，成本还较高，但对国内汽车厂商在车身控制方面具有很好的参考意义。

参考文献：

[1]贺乐厅，翟习健.汽车电动车窗防夹装置的研制[J].轻型汽车技术，2003：11-16.

[2]夏群生，李建秋.汽车电子学[M].北京：清华大学大学出版社，2005：117-162.

[3]孙仁云，付百学.汽车电器与电子技术[M].北京：机械工业出版社，2006：213-216.

[4]黄鹏.基于CAN/LIN的智能车身网络系统的研究与设计[D].长沙：中南大学，2009：1-2.

[5]徐春艳，刘桂霞，周春光，姜丰，吕晓枫.基于LIN总线车灯控制系统的研制[J].吉林大学学报，2009：1-3.

基于单片机的温度湿度监控系统 第4篇

单片机是一种微型的控制器, 通过对逻辑电路内的芯片集成于计算机系统中, 使具有较轻的、质量较好的、价格较便宜的、开发容易等特点。在计算机微电脑控制器下的温度与湿度的控制系统在国外已经非常的普及, 通过单片机的设计与应用, 可以设计温度的仪表控制系统, 测量与检测系统, 加热加湿控制系统, 按规定对仪器进行加热系统的定时控制系统等等。通过广泛的应用单片机的相关特征, 完成了人们对于电子技术的应用, 越来越多的工作可以通过电子技术完成, 人们逐步的认识到单片机技术促进了人们对于计算机的探究能力的发展, 加深了当代工业革命技术的快速发展。单片机在民用中也得到了广泛的应用, 例如家中的彩电、冰箱、温度调节器、电饭煲等等都是通过计算机内的单片机电脑控制系统, 集成化完成对于系统的有效控制。

1 温度、湿度系统下的单片机控制系统的特点和研究意义

具有时间延迟滞后的温度和湿度的控制系统, 能够适应周围的环境, 对周围复杂问题进行系统的分析和整理, 对于单片机的温度和湿度的控制系统采用自动适应控制、人工智能控制和计算机电脑控制等方法完成单片机系统的温度与湿度系统控制。普通的温度控制系统具有自整数定位的功能, 通过系统学习记录, 可以对历史记录和温度控制系统记录进行计算机变化调整, 保证计算机系统控制最优化。单片机的湿度控制系统具有高的精准度、智能化系统和小型化模式设计。随着计算机家用电器的普及, 越来越多的工作被应用与计算机的设计中, 单片机的智能化设计和管理, 为人类的社会带来了生活上的舒适和工作上的便捷, 开发单片机技术的研究, 保证我国对于微型计算机集成系统的研发力度, 保证在单片机技术发展下, 我国集成系统的快速发展。

本文主要通过利用集成单片机系统对温度和湿度进行有效的控制, 保证系统运行下对于设备温度控制与湿度控制的管理, 针对单片机AT89C51集成系统, 结合数字计算机传感系统和数字电路的设计, 完成对于温度控制和湿度控制, 从而达到智能化控制效果, 降低工作的劳动力强度, 加强单片机AT89C51集成系统下的温度控制与湿度控制的有效性, 完成系统内部整个温度、湿度控制的有效完成效果。

2 单片机系统控制下的温度、湿度控制原理

单片机AT89C51集成系统需要满足对于温度、湿度相关数据的基本测量, 通过温度控制系统和湿度控制系统完成室内温度、湿度有效控制和有效调节, 保证系统的加热和制冷效果, 保证系统的自动喷水效果。当温度高于系统设定的温度的时候, 系统产生报警声, 控制器的喷水开关打开, 制冷系统开始工作, 从而达到降低温度和控制湿度的效果, 当温度低于实际设定的温度时, 加热系统开启, 伴随着加湿器设备开始工作, 是室内温度逐渐上升为要求的温度, 使室内的湿度逐步上升为控制范围内的湿度, 完成单片机AT89C51集成系统下的温度、湿度的有效控制。

2.1 温度与湿度控制系统的分布控制原则

一是加强对系统内部信号的采集工作, 包括温度、湿度相关指标。二是对于信息采集后的处理工作, 即通过计算机系统将信息转换成计算机自动识别的管理系统输出相应的控制指令, 决策信息, 完成计算机系统功能的转变。三是对于系统指令的有效接收和分析输出控制, 保证控制加热器的有效性工作, 实现喷水加湿的效果, 从而完成整个单片机系统的分布控制管理。以下是单片机的结构控制管理图。

2.2 单片机AT89C51集成系统数据采集过程

以单片机AT89C51集成系统为中心的系统控制数据的采集, 对于温度、湿度数据收集以及计算机输入数据的管理, 通过单片机系统集成化运算, 显示在系统的计算机上, 加强完成系统数据的处理过程, 数据信息采用智能的温度控制和湿度控制系统, 保证采集数据的准确性, 采用报警声音显示, 对系统进行有效的控制, 通过对单片机系统的控制开关完成系统的加热控制, 保证室内环境的功能控制。测量温度和湿度的电路通过对室内温度的限制和设定, 保证系统相关设定值的控制范围, 当系统发出报警时, 表示系统内环境的温度已经超出了原设定的温度与湿度, 此时, 系统内的加热系统启动, 内部开关自动闭合, 配合设计中启动加湿系统, 保证系统数据的有效调整。单片机可以进行远程遥控系统控制管理, 对室内的多个控制管理器件进行有效的控制, 保证单片机温度和湿度的管理。

3 单片机AT89C51集成系统的主要硬件设计

单片机AT89C51集成系统是一种带有4K节的闪存器, 具有较低的电压、较高的CMOS八通道高性能微处理系统。单片机对于输入的系统数据, 具有闪存式的可擦除性, 采用了ATMEL高精度的工业化存储系统, 将多功能的单片机集成系统组合在CUP上, 完成系统单片机数据的嵌入, 从而提高灵活性下的低功能控制管理方案。

3.1 单片机AT89C51集成系统的主要特点

单片机AT89C51集成系统具有较强的系统兼容能力, 可以与MCS-51系统兼容, 具有4K字节的可编程FLASH系统存储功能, 具有1000次的可擦除性, 保证单片机写入程序的循环使用, 可以为数据保存10年, 其整体的静态工作有0-24HZ, 具有三极的程序存储锁定程序, 内部RAM为32位的可编程控制系统, 具有32位的I/O总线, 有两个16位的定时器, 有5个中断源, 可以进行串行的通道编程管理, 具有较低的闲置模式和掉电模式。

3.2 测温度的控制电路原理

DS18B20集成温度控制电路是基于半导体原理的温度控制系统电路, 具有较小的体积和面积, 较高的抗干扰能力, 较高精准度, 较好的数据功能。通过对单片机技术的学习, 认识DS18B20集成温度控制电路的传感器设置, 通过一根数据总线完成结构和经济的测量系统的有效构成。DS18B20集成温度控制电路的测量温度范围是零下55摄氏度到零上125摄氏度, 其精准度范围为0.5摄氏度, 可以通过对现场的温度总线进行数字方式的控制, 提高系统的抗干扰能力。DS18B20集成温度控制电路可以测量恶劣环境, 可以在3伏至5伏范围内完成系统封装, 保证在集成系统中的报警温度控制。

DS18B20集成温度控制电路具有全数字的温度控制转换系统和输出系统, 具有先进的数据通信总线, 具有12位的数据分辨率, 精度比例可大0.5摄氏度, 其最大的工作周期为750毫秒, 它可以进行封装处理, 内置PROM限制温度的控制功能, 具有64位的ROM, 内置相关序列号, 具有多种封装方式, 可以使用于不同的硬件系统, 具有负压特性, 保护电源不会造成烧毁现象问题。以下是DS18B20集成温度控制电路的封装。其中, GND是接地信号, DQ是数据的输入和输出引脚, 当需要外接电源供电时, 可以采用与DQ相连, 为外界供电, VDD是可以选择的引脚, 当工作于寄生电源的状态下时, 这个引脚必须接地处理。

DS18B20集成温度控制电路将测量的温度检测与数字数据相互连接, 增加了其抗干扰能力。通过ROM只读存储功能, 对DS18B20集成系统进行编码, 前八位是单线的系统编码, 其编码为19H, 后面的48位是芯片的序列, 最后八位是56位的CRC数据吗检测, 因此, DS18B20集成系统共有64位的ROM。RAM数据的暂存功能是对数据和暂存和内部的存储功能, 数据在掉电后逐步丢失, DS18B20共有九个字节RAM, 每个字节有8位, 1位是温度转换的数据信息, 3, 4位是温度控制值的存储位置, 上电复位后即被刷新掉。第5字节是EEPROM的镜像6, 7, 8是计数寄存器, 从而提高用户对于温度数据的更高分辨能力, 是内部的温度控制转换。EEPROM具有强力的记忆存储能力, 不会造成数据丢失问题。通过对上下温度进行校验, 保证相关数据的使用, DS18B20集成温度控制电路系统采用RAM进行镜像处理。

3.3 测湿度的控制电路原理

测量空气湿度的方式较多, 其主要原理是通过对空气中物质进行分析, 确定其数据可能吸收的水分子量, 从而间接的分析出物质在吸收控制中周围的空气湿度。电容、电阻和湿敏元件是三种应用于湿度测量的方法器件。以HS1101传感器系统为例, 不需要对进行校准处理, 具有较高的长期稳定性和高效的可靠性, 可以快速的响应相关时间, 对侧面数据进行封装, 适用于线路的电压输出和功率调节, 制造流水线数据中的自动装配工作, 保证工作HS1101电容传感器的相对湿度单位为零至100%RH, 电容的范围未162PF至200PF, 其误差分为小于2%PF, 响应的有效时间为5s内, 温度的相关系数为0.04。HS1101电容传感器系统在电路中以一个电容配件的方式存在, 随着系统电容的逐步增加从而测量空气中湿度的变化, 可以采用湿敏元件进行充放电测量, 与震荡电路组成正弦形式的电压信号, 通过放大和转换, 形成数字信号, 另外, 在湿敏电容的555震荡电路中, 通过对电容的变化和电压频率信号的处理, 额可以直接对计算机进行采集测量。集成电视的555芯片外接电阻和与湿敏电容构成充电回路, 通过对芯片内部的晶体管控制构成对C的放电回路, 形成多级的震荡电路, 电阻在电路中还具有一定的短路保护作用和平衡空气湿度的作用。

4 单片机AT89C51集成系统的主要软件设计

4.1 单片机AT89C51集成系统的设计语言

系统采用汇编语言, 即C语言, 以模块化形式进行系统设计。主要对系统内部的主要程序、温度和湿度的检测程序, 电子显示程序等进行系统的测量。以循环的方式完成主程序的工作, 在中断的初始化发展中, 对键盘进行扫描、管理温湿度的检测, 对系统语言进行有效的处理, 从而显示在程序中。C语言具有较高的软模块化, 其机器代码较为准确, 可读性较好、可靠性较高, 准确性较强。所以, 通过对C语言编程控制, 完成软件系统的开发和应用。通过温度、湿度的传感器设置对室内的温度和湿度进行有效的测量, 通过LCD显示湿度值, 比较湿度值与温度值和报警系统直接的关系, 控制好报警系统限制程度, 根据温度和湿度的调节控制实际的光开关控制, 对系统进行定期的温度和湿度管理, 及时将数据上传到计算机内, 软件系统的语言编程, 是通过循环模式完成程序的编写, 对初始化设计, 温度和湿度相关的检测范围, 主要程序的循环条件进行系统调用控制。主程序是对于系统软件控制和管理的主要部分, 通过对系统上电后的初始参数设定, 对中断数据进行有效处理, 从而完成主要温度和初始温度的有效设定, 保证系统各个封装电路的有效系统运转, 完成对于温度、湿度检测, 数据比较控制以及报警系统的数据分析。

4.2 单片机AT89C51集成系统的各个功能模块

通过对程序的温度控制模块、湿度控制模块和初始化模块的相关参数设计, 报警系统的显示和执行模块, 认识具有的各类功能。

初始化模块是将调用的系统进行初始化设计, 温度控制模块和湿度控制模块是对调用的温度子程序进行系统的检测, 对初始化温度的传感器DS18B20系统开始的程序进行系统检测, 启动温度转换模式, 当转换模式完成后, 以二进制代码形式进行数据处理, 将代码转换为温度值, 显示在屏幕上, 而湿度检测的程序是在初始化传感器HS1101上开始的, 通过计算湿度信号的频率完成湿度值的转换和显示。通过调用LCD显示的驱动程序, 完成参数的有效设定, 启动驱动显示模块, 对显示程序进行调节和控制。通过对报警程序的调用, 执行系统显示程序, 从而判断是否超过设定的温度范围和湿度范围, 一旦发现二者数据中有出现超范围情况时, 即直接进入程序的报警系统。

5 结语

综上所述, 本文通过对AT89C51单片机进行温度和湿度的检测设计, 认识温度、湿度系统下的单片机控制系统的基本原理, 介绍了单片机AT89C51集成系统的主要硬件设计和软件编程, 了解在温度控制和湿度控制系统中对于各部分程序的硬件和程序的处理方法, 将温度和湿度进行精准测量控制, 保证AT89C51单片机的温度和湿度的有效检测, 因单片机具有较高的精度和稳定性, 保证了系统的相关数据的有效控制, 合理的完成信息数据的采集和转换, 通过运用温度传感器DS18B20、湿度传感器HS1101完成信号的有效采集和处理, 保证单片机系统数据的有效性和准确性。通过对单片机AT89C51控制设计完成温度和湿度的数据管理, 建立起一种集成化、封装式的稳定高精度测量芯片, 以质量好、价格低廉、容易开发的多种特点, 形成现代单片机系统技术的应用, 保证人们生活和工作中, 对于电子产品利用的需求, 通过芯片的电脑识别系统, 完成对于温度和湿度的有效控制, 保证集成化系统的可控性。S

参考文献

[1]Milan Verle.新型80C51单片机轻松入门与应用开发[M].金盾出版社, 2011.

[2]郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].电子工业出版社, 2011.

[3]余灿基.单片机编程魔法师之高级裸编程思想[M].电子工业出版社, 2014.

基于单片机的恒压供水系统设计 第5篇

摘要

建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。根据高校用水时间集中，用水量变化较大的特点，分析了校园原供水系统存在了耗能高，可靠性低，水资源浪费严重，管网系统待完善的问题。提出利用自来水恒压供水和水泵提水相结合的方式，并配以变频器、软启动器、单片机、微泄露补偿器、压力传感器、液位传感器等不同功能传感器，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，使管网中的压力始终保持在合适的范围。从而解决因楼层太高而导致压力不足及小流量时能耗大的问题。

另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省近四成。结合使用可编程控制器，可实现主泵变频，副泵软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，大大延长了电机的使用寿命。

关键字：恒压变频供水，单片机，差压供水，自动

I

ABSTRACT

ABSTRACT Buiding the conservation-oriented society,the reasonable development,saves and the effective protecting water resources is an arduous task,according to the university water used time,the water consumption change major characteristic,analyzed the campsus original water supply system existence cost to be high,the reliability was low,the water resources waste,the pipe network system treated the consummation the question.Proposed that draws water the way which using the runing water hydraulic pressure water supply and the water pump unifies,and matches by the inverter,the soft starter,SCM ,Micro reveals the compensator,the pressure transmitter,the fluid position sensor and so on.According to the network management pressure,controls water pump’s rotational speed through the inverter,causes in water pipe’spressure maintains at throughout the appropriate scope,thus may solve the problem which the floor high pressure is too insufficient when small current capacity the energy consumption is big.Moreover the water pump consumes the electric power and the electric machinery ratational speed is proportional three cubed the relations,therefore the water pump velocity madulation movement’s energy conservation effect is obvious,the sverage power consumption usual water supply way saves 40%.The union uses the programmable controller,mayrealize the main pump frequency conversion,the auxiliary pump soft start,has the short circuit protection,the overflow protection,function stably,the work reliable,lengthened electrical machinery greatly.Key words:Constant pressure frequency conversion watersupply, SCM, differential pressure water supply,automatic control

II

目 录

目录

第一章 引言..............................................................................................................1 1.1 变频恒压供水系统主要特点.............................................................................1 1.2 传统定压方式的弊病.............................................................................................1 1.3恒压供水设备的主要应用场合..............................................................................2 1.4恒压供水技术实现..................................................................................................2 1.5变频节能理论..........................................................................................................3

1.5.1交流电机变频调速原理...............................................................................3 1.6变频恒压供水系统及控制参数选择......................................................................3

1.6.1变频恒压供水系统组成...............................................................................3 1.6.2变频恒压供水系统的参数选取...................................................................4 1.7变频恒压供水系统的特点......................................................................................4 第二章 变频恒压调速供水系统的工作原理..........................................................6

2.1系统工作过程..........................................................................................................7 2.2变频调速的基本调速调速原理..............................................................................9 2.3变频调速恒压供水工况分析与能耗机理分析....................................................10

2.3.1管路水力损失及性能曲线.........................................................................10 2.3.2水泵变频调速节能分析.............................................................................11 2.3.3调速范围的确定.........................................................................................12 2.4本章小结................................................................................................................13 第三章 变频恒压调速供水系统硬件设计............................................................14

3.1硬件总体说明........................................................................................................14 3.2 555定时器复位电路.............................................................................................15 3.3 5V单片机供电电源电路......................................................................................17 3.4 LED数值显示 D/A数值采集 D/A数值反馈...................................................17

3.4.1 LED数值显示模块....................................................................................17 3.4.2 数据采集A/D转换电路...........................................................................19 第四章 变频恒压调速供水系统软件设计............................................................25

4.1 变频恒压调速供水系统软件设计总体说明.......................................................25 4.2 8051系列单片的编程语言...................................................................................25 4.3 编程软件...............................................................................................................26

4.3.1 C051编译器介绍.......................................................................................26 4.3.2 KEIL编译器..............................................................................................26

III

目 录

4.4 单片机资料...........................................................................................................27 4.5 软件的设计...........................................................................................................30

4.5.1 程序设计图................................................................................................30 结论..............................................................................................................................33 致谢..............................................................................................................................34 参考文献......................................................................................................................35 附录..............................................................................................................................36 附录一：A/D数据采集转化及显示子程序..............................................................36 附录二：PID控制子程序..........................................................................................39 外文资料原文.............................................................................................................44 Input/Output Accessing................................................................................................44 翻译文稿......................................................................................................................49 输入/输出访问............................................................................................................49

IV

第一章 引言

第一章 引言

随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用，使供水设计得到了新的发展机遇，当前住宅建筑的规划趋向于更具有人性化的多层次住宅组合，人们不再仅仅追去立面和平面的美观和合理，而是追求空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本的理念，特别是在市场经济的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。于是选择一种符合各方面规范、安全又经济合理的供水方式，对我们供水系统设计带来了新的挑战。

恒压供水是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。供水压力值是根据用户需求确定的，传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施来实现，随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、PID调节器、传感器、PLC等器件的有机组合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。

1.1 变频恒压供水系统主要特点

1.节能，可以实现节电20%~40%，能实现绿色省电。2.占地面积小，投资少，效率高。

3.配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。

4.运行合理，由于是软启和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减小了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。

5.由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病。

6.通过通信控制，可以实现五人职守，节约了人力物力。

1.2 传统定压方式的弊病

1.管理不便，因与大气连通容易引起管道腐蚀。

2.由于水箱内微生物，藻类寄生，还可能对系统造成二次污染，所以定压水箱都需要定期维护，并由卫生部门检测。

3.定压水箱需占用较大的空间，需要专门的地点来放置。

4.高位定压水箱系统的控制靠投入泵的台数来调节，但这种方式不能做到供水量和用水量的最佳配比，水泵长期在高效区工作，效率低下。

5.系统频繁的启停泵，造成水泵、电机及开关部件寿命缩短。

6.使用高位水箱供水，在系统流量较大时，管网压力会有较大的变化，造成 电子科技大学学士学位毕业论文

部分用户压力不够，出现诸如流量不足、冷热不均等情况。

7.在供水泵的选型上，设计人员为了提高系统安全系数，电机选型都较大；在用水负荷较小时要采用减压阀、节流孔板等来调节水流量，这样大量的能量消耗在阀上，造成了电能的浪费。

1.3恒压供水设备的主要应用场合

1.高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。

2.各类工业需要恒压控制的用水场合，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。

3.中央空调系统。4.自来水厂增压系统。

5.农田灌溉，污水处理，人造喷泉。6.各种流体恒压控制系统。

1.4恒压供水技术实现

通过安装在管网上的压力传感器，把水转换成4~20mA的模拟信号，通过变频器内置的PID控制器，来改变电动水泵转速。当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动机水泵的转速不再变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之亦然。

目前交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的技能技术，由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大的提高，它可以实现控制设备软启停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅缩减电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天而水池来满足用户对供水压力的要求。在供水系统中加压泵通常是用最不利水电的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。由于用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。变频调速技术在给水泵站上的应用，成功的解决了能耗和污染两大难题。

第一章 引言

1.5变频节能理论

1.5.1交流电机变频调速原理

交流电机转速特性：n60(1s)/p，其中n为电机转速，f为交流电频率，s为转差率，p为极对数，电机选定之后s、p为定值。电机转速n和交流电频率f成正比，使用变频器来改变交流电频率，即可实现对电机变频无级调速，各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。流量与转速成正比：Q∝N 转矩与转速的平方成正比：T∝N2 功率与转速的三次方成正比：T∝N3

而且变频调速自身的能量损耗极低，在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功率，由此可知在使用变频调速技术供水时，系统中流量变化与功率的关系；

P变= N3P额= Q3P额

其中，P为功率

N为转速

Q为流量

例如设定当前流量为水泵额定流量60%，则采用变频调速时P=Q3P=0.216P，而采用阀门控制时P=（0.4+0.6Q）P=0.76P，节电=（P*P）/P*100=71.6% 由此可见从理论上计算结果可以看到技能效果非常显著，而且在实际运行变频恒压供水技术比传统的加压供水系统还有自动控制恒压、无污染等明显优势。而且新型的变频恒压供水系统能自动控制一台或多台主泵和一台休眠泵的运行。在管网用水量减少到单台主泵流量约1/6~1/8时，系统自动停止主泵，启动小功率休眠泵工作，保证系统小流量供水，解决小流量甚至零流量供水时大量电能的浪费问题，从运行控制上进一步节能。

1.6变频恒压供水系统及控制参数选择

1.6.1变频恒压供水系统组成

变频恒压供水系统通常是由水池、离心泵、压力传感器、PID调节器、变频器、管网组成。工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内用水量的变化引起水压变化，即使将信号反馈PID调节器，PID调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或加减速，使得管网的水压与控制压力一致。电子科技大学学士学位毕业论文

1.6.2变频恒压供水系统的参数选取

（1）合理选取压力控制参数，实现系统低能耗恒压供水，这个目的的实现关键就在于恒压控制参数的选取，通常管网压力控制点的选择有两个：一个就是管网最不利点压力恒压控制。另一个就是泵出口压力恒压控制。

（2）变频器在投入运行后的调试是保证系统达到最佳运行转台的必要手段。变频器根据负载的转动惯性的大小，在启动和停止电机时所需的时间就不同，设定时间过短会导致变频器在加速时过电流，在减速时过电压保护；设定时间过长会导致变频器在调速运行时使系统变得调节缓慢，反应迟滞，应变应变能力差，系统易处于短期不稳定状态中。为了变频器不跳闸保护，现场使用当中的许多变频器加减速时间的设置过长，它所带来的问题很容易被设备外表的正常覆盖，但是变频器达不到最佳运行状态，所以现场使用时要根据所驱动的负载性质不同，测试出负载的允许最短加减速时间，进行设定。对于水泵电机，加减速时间的选择在0.2~20秒之间。

1.7变频恒压供水系统的特点

本文研究的变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:

(1)供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应.(2)用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。

{3)变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性，(4)在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。

(5)当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。

第一章 引言

(6)水泵的电气控制柜，有远程和就地控制的功能，数据通讯接口能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。

(7)系统用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。电子科技大学学士学位毕业论文

第二章 变频恒压调速供水系统的工作原理

在变频调速供水系统中，是通过变频调速来改变水泵的转速从而改变水泵工作点来达到调节供水流量的目的。反应水泵运行工程的水泵工作点也称为水泵工况点，是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。在调节水泵转速的过程中，水泵工况点的调节是一个十分关键的问题。如果水泵工况点偏离设计工作点较远，不仅会引起水泵运行效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，还可能导致管网压力不稳定而影响正常的供水。水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实际扬程，这三种因素任一项发生变化，水泵的运行工况都会发生变化因此水泵工况点的确定和工况调节与这三者密切相关。

图2-1 变频恒压供水系统组成框图

图3-1就是一个典型的由8051单片机控制的恒压调速供水系统。系统由微机控制器、交流变频调速器、水泵机组、供水管网和压力传感器等组成，控制系统结构原理如图3.2所示。8051单片计算机在这里主要起压力采集，PID调节器计算、功能判断处理、消防处理、逻辑切换、压力显示和声光报警等作用。

第二章 变频恒压调速供水系统的工作原理

图2-2 单片机的变频恒压调速系统原理框图

2.1系统工作过程

根据现场生产的实际状况，白天一般只需开动一台水泵，就能满足生产生活需要，小机工频运行作恒速泵使用，大机变频运行作变量泵；晚上用水低峰时，只需开动一台大机就能满足供水需要，因此可以采用一大一小搭配进行设计，即把1#水泵电机（160KW）和2#水泵电机（220KW）为一组，自动控制系统可以根据运行时间的长短来调整选择不同的机组运行。

分析自动控制系统机组Ⅰ（1#、2#水泵机组）工作过程，可分为以下三个工作状态：（1）1#电机变频启动；（2）1#电机工频运行，2#电机变频运行；（3）2#电机单独变频运行，一般情况下，水泵电机都处于这三种工作状态中，当管网压力突变时，三种工作状态就要发生相应变换，因此这三种工作状态对应着三个切换过程。

1.切换过程Ⅰ

1#电机变频启动，频率达到50Hz，1#电机工频运行，2#电机变频运行。系统开始工作时，管网水压低于设定压力下限P。按下相应的按钮，选择机组Ⅰ运行，在PLC可编程控制器控制下，KM2得电，1#电机先接至变频器输出端，接着接通变频器FWD端。变频器对拖动1#泵的电动机采用软启动，1#电机启动，运行一段时间后，随着运行频率的增加，当变频器输出频率增至工频f0可编程控制器发出指令，接通变频器BX端，变频器FWD端断开，KM2失电，1#电机自

变频器输出端断开，KM1得电，1#电机切换至工频运行，1#电机自变频器输出端断开，KM1得电1#电机切换至工频运行。1#电机工频运行后，开启1#泵阀门，1#泵工作在工频状态。接着KM3得电，2#电机接至变频器输出端，接通变频器FWD端，变频器BX端断开，2#电机开始软启动，运行一段时间后，电子科技大学学士学位毕业论文

开启2#泵阀门，2#水泵电机工作在变频状态。从而实现1#水泵由变频切换至工频电网运行，2#水泵接入变频器并启动运行，在系统调节下变频器输出频率不断增加，直到管网水压达到设定值（Pi＜P＜Pm）为止。2.切换过程Ⅱ

由1#电机工频运行，2#电机变频运行转变为2#电机单独变频运行状态。当晚上用水量大量减少时，水压增加，2#水泵电机在变频器作用下，变频器输出频率下降，电机转速下降，水泵输出流量减少，当变频器输出频率下降到指定值fmin，电机转速下降到指定值，水管水压高于设定水压上限Pk时（2#电机，f=fmin，P＜Pk），在PLC可编程控制器控制下，1#水泵电机在工频断开，2#水泵继续在变频器拖动下变频运行。3切换过程Ⅲ

由2#电机变频运行转变为2#电机变频停止，1#电机变频运行状态。当早晨用水量再次增加时，2#电动机工作在调速运行状态，当变频器输出频率增至工频fi（即50Hz），水管水压低于设定水压上限Pi时（2#电机f=fi，P≦Pi），接通变频器BX端，变频器FWD断开，KM3断开，2#电机自变频器输出端断开；KM2得电，1#电机接至变频器输出端；接通变频器FWD端，于此同时变频器BX端断开。1#电机开始软启动。控制系统又回到初始工作状态Ⅰ，开始新一轮循环。

图2-3 1#和2#机组工作过程流程图

第二章 变频恒压调速供水系统的工作原理

2.2变频调速的基本调速调速原理

水泵机组应用变频调速技术。即通过改变电动机定子电源效率来改变电动机转速可以相应的改变水泵转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，保持管网最不利点压力恒定，达到节能效果。

如图2.4所示，n为水泵特性曲线，A管路特性曲线，H0为管网末端的服务压力，H1为泵出口压力。当用水量达到最大Qmax时，水泵全速运转，出口阀门全开，达到了满负荷运行，水泵的特性n0和用水管特性曲线A0汇交于b点，此时，水泵输出口压力为H，末端服务压力刚好为H0.当用水量从Qmax减少到Q1的过程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。

图2-4节能分析曲线图

(1)水泵全速运转，靠关小泵出口阀门来控制；此时，管路阻力特性曲线变陡（A2），水泵的工况点由b点上滑到c点，而管路所需的扬程将由b点滑到d点，这样c点和d点扬程的差值即为全速水泵的能量浪费。

(2)水泵变速运转，靠泵的出口压力恒定来控制；此时，当用水量由Qmax下降时，控制系统降低水泵转速来改变其特性。但由于采用泵出口压力恒量方式工作。所以其工况点是在H上平移。在水量到达Q1时，相应的水泵特性趋向为nx。而管路的特性曲线将向上平移到A1，两线交点e即为此时的工况点，这样，在水量减少到Q1时，将导致管网不利点水压升高到H0﹥H1，则H1即为水泵的能量浪费。

(3)水泵变速运转，靠管网取不利点压力恒定来控制；此时，当用水量由Qmax 电子科技大学学士学位毕业论文

下降到Q1时，水泵降低转速，水泵的特性曲线n1，其工况点为d点，正好落在管网特性曲线A0上，这样可以使水泵的工作点式中沿着A0滑动，管网的服务压力H0恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量的浪费。此方案与泵出口恒压松散水相比，其能耗下降了h1.根据水泵相似原理：Q1/Q2=n1/n2

H1/H2=(n1/n2)*2

P1/P2=(n1/n2)*3 式中，Q、H、P、n分别为泵流量、压力、轴功率和转速。即通过控制转速可以减少轴功率。根据以上分析表明，选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过压力传感器以获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，以使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术相结合，达到最佳节能效果。此外，最不利点的控制压力还保证了用户水压的稳定，无论管路特性等因素发生变化，最不利点的水压是恒定的，保证了供水压力的可靠。

采用变频恒压供水系统除可节能外，还可以使水泵组启动，降低了起动电流，避免了对供电系统产生冲击负荷，提高了供水供电的安全可靠性。另外，变频器本身具有过电流、过电压、失压等多种保护功能，提高了系统的安全可靠性。目前水泵电机绝大部分是三相交流异步电动机，根据交流电机的转速特性，电机的转速n为：

n=120(1-s)/p

（2.3.1）

式中s为电机的滑差（s=0.02），p为电机极对数，f为定子供电频率。当水泵电机选定后，p和s为定值，也就是说电机转速与电源的频率高低成正比，频率越高，转速越高，反之，转速越低，变频调速时是根据这一公式来实现无级调速的。由流体力学知：管网压力P、流量Q和功率N的关系为

N=PQ 由功率与水泵电机转速成三次方正比关系，基于转速控制比，基于流量控制可以大幅度降低轴频率。

2.3变频调速恒压供水工况分析与能耗机理分析

2.3.1管路水力损失及性能曲线

管路水力损失分为沿程损失和局部损失两种

（2.3.2）

沿程损失

（2.3.3）

第二章 变频恒压调速供水系统的工作原理

式中y-管路沿程摩擦损失系数；j-局部损失系数；L-管路长度（m）；A-过水 截面的面积。

将式中（2.3.1）和（2.3.3）代入（2.3.1）可得

式中S被称为管路阻力系数。当水泵管路系统去掉后，相应的y，j，L，A等参数都能去顶，S也就确定了。由式（2.3.4）可知管路水力损失与流量的平方成正比。当上下水位确定后，管路所需要的水损失就等于上下水位差（即实际扬程H）加上管路损失

Hx=Hsj+Hs

(2.3.5)由式（2.3.5）可以得到如图所示的Hs-Q管路性能曲线

图2-5本泵工作点的确定

2.3.2水泵变频调速节能分析

水泵运行工况点A是水泵性能曲线n1和管道性能曲线R1的交点。在常规供水系统中，采用阀门控制流量，需要减少流量时关小阀门，管路性能曲线有R1变为R2.运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到D点，扬程从H0上升到H1，流量从Q0减少到Q1。采用变频调速控制时，管路性能曲线R1保持不变，水泵的特性取决于转速，如果水泵转速从n0降到n1，水泵性能曲线从n0平移到n1，电子科技大学学士学位毕业论文

运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到C点，扬程从H0下降到H1，流量从Q0减少到Q1.在图2-5中水泵运行在B点时消耗的轴功率与H1BQ1O的面积成正 比，运行在C点时消耗的轴功率与H2CQ1O的面积成正比，从图2-6上可以看出，在流量相同的情况下，采用变频调速控制比恒速泵控制节能效果明显。

图2-6变频调速恒压供水单台水泵工况调节图

求出运行在B点的泵的轴功率

运行在C点泵的轴功率

两者之差：

也就是说，采用阀门控制流量时有ΔV的功率被白白浪费了，而且损耗阀门的关小而增加。

相反，采用变频调速控制水泵电机时，当转速在允许范围内降低时，功率以转速的三次方下降，在可调节范围内与恒速泵供水方式中用阀门增加阻力的流量控制方式相比，节能效果显著。2.3.3调速范围的确定

考察水泵的效率曲线，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器效率降得过低，避免水泵在低效率段运行。水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体降低调速范围，在实际配泵时扬程设定

第二章 变频恒压调速供水系统的工作原理

在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40Hz以上，也就是说转速下降在20%以内。在此范围内，电动机的负载率在50%~100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。

2.4本章小结

本章从水泵理论和管网特性曲线分析入手讨论水泵工作点的确定方法。接着介绍了水泵工况调节的几种常用方法。在变频调速恒压供水系统中，水泵工况的调节是通过改变水泵性能曲线得以实现的。本章重点对变频调速恒压供水系统中水泵能耗机理进行深入研究，得到以下几个结论：

1.水泵的工作点就是在同一坐标系中水泵的性能曲线和管路性能曲线的交点。水泵工作点是水泵运行的理想工作点。实际运行时水泵的工作点并非总是固定不变的。

2.水泵工况的调节就是采用改变管路性能曲线或改变水泵性能曲线的方法来移动工作点，使其符合要求。电子科技大学学士学位毕业论文

第三章 变频恒压调速供水系统硬件设计

系统单元设计主要包括CPU基本控制单元、电路定时复位电路、A/D转换电路、D/A转换电路、显示电路和相应的开关电路。

图3-1 系统硬件结构框图

3.1硬件总体说明

单片机系统的硬件结构框架图如图3-1所示。

本系统以8951单片机为核心，它有4KEPROM,所以不用外扩EPROM,这样可以利用P0、P2口作为输入、输出I/O口，简化了硬件结构。系统的显示采用4片74LS164驱动LED，使用8951的串行通讯口TXD,DXD。93C46为串行EEPROM，用于保存开机设定的原始参数。采用NE555组成硬件定时复位电路，可以有效防止程序死机现象。74LS273用于对继电器输出状态硬件锁存，以防止输出状态被干扰。ULN2003为反向驱动芯片，同时在74LS273的CLEAR管脚

第三章 变频恒压调速供水系统硬件设计

外接RC电路，用于开机时使74S273的输出端清零，用于防止继电器的误动作，对变频器起到了保护作用。在报警输入端与CPU

之间采用光耦隔离，以消除外部干扰。系统A/D输入采用8位TLC0831逐次逼近模数转换器，D/A输出采用了光耦离式D/A输出，并采用LM358双运放组成D/A输出及驱动电路。P3.3定时输出占空比与频率相对应的PWM调制信号，通过二极运算放大电路后，在LM358的第7引脚输出与频率相对应的电压信号。在输出端调节电位器可以调节输出电压的大小，两放大器之间的RC电路起到了滤波的作用。

3.2 555定时器复位电路

用NE555组成的硬件定时复位系统，可以有效地防止程序死机现象。NE555封装和内部结构图

图3-2 NE555封装图

如图3-3和图3-4上可知，NE555定时电路V0口输出连续的脉冲信号至RST，达到定时复位的效果。电路使用电阻电容产生RC定时电路，用于设定脉冲的周 期和脉冲的宽度。调节RW或者电容C，可以得到不同的时间常数。

脉冲宽度计算公式：TW =0.7(R1+RW+R2)C

振荡周期计算公式：T=0.7(R1+ RW+2*R2)C 从而通过控制振荡周期和脉冲宽度就可以控制定时时间。电子科技大学学士学位毕业论文

图3-3 NE555内部结构

图 3-4 NE555定时电路及工作波形

第三章 变频恒压调速供水系统硬件设计

3.3 5V单片机供电电源电路

如图3-5所示电路为输出电压+5V、输出电流1.5A的稳压电源。它由电源变压器B，桥式整流电路D1～D4，滤波电容C1、C3，防止自激电容C2、C3和一只固定式三端稳压器(7805)极为简捷方便地搭成的。220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1～D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。

图3-5 LM7805稳压电源

3.4 LED数值显示 D/A数值采集 D/A数值反馈

3.4.1 LED数值显示模块

数码管由7 个发光二极管组成,行成一个日字形,它门可以共阴极,也可以共阳极.通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字,这就是它的工作原理.基本的半导体数码管是由7 个条状的发光二极管（LED）按图1 所示排列而成的，可实现数字“0～9”及少量字符的显示。另外为了显示小数点，增加了1 个点状的发光二极管，因此数码管就由8 个LED 组成，我们分别把这些发光二极管命名为“a,b,c,d,e,f,g,dp”，排列顺序如下图3-6。电子科技大学学士学位毕业论文

图3-6 共阴数码管引脚图

图3-7 数码管封装

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类

① 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种示

方式之一，动态驱动是将所有数码管的8 个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，第三章 变频恒压调速供水系统硬件设计

但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O 端口，而且功耗更低。

② 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O 端口进行驱动，或者使用如BCD 码二-十进制译码器译码进行驱动。

图3-8 共阴极4位8段数码显示

3.4.2 数据采集A/D转换电路

1.AD0809的逻辑结构

ADC0809 是8位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地 电子科技大学学士学位毕业论文

址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成（见图1）。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

图3-9 AD0809内部结构

2.AD0809的工作原理

IN0－IN7：8 条模拟量输入通道

ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条。

ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B 和C 为地址输入线，用于选通IN0－IN7 上的一路模拟量输入。通道选择表如图表3-10所示。

图3-10 AD0809通道选择表

第三章 变频恒压调速供水系统硬件设计

数字量输出及控制线：11 条

ST 为转换启动信号。当ST 上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D 转换；在转换期间，ST 应保持低电平。EOC 为转换结束信号。当EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D 转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0 为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。3.ADC0809应用说明（1）． ADC0809 内部带有输出锁存器，可以与AT89S51 单片机直接相连。（2）． 初始化时，使ST 和OE信号全为低电平。（3）． 送要转换的哪一通道的地址到A，B，C 端口上。（4）． 在ST 端给出一个至少有100ns 宽的正脉冲信号。（5）． 是否转换完毕，我们根据EOC 信号来判断。

（6）． 当EOC变为高电平时，这时给OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。

4.AD0809转换电路

电路见图3.4.2.4，主要由AD 转换器AD0809，频率发生器SUN7474，单片机AT89S51 及显示用数码管组成。AD0809的启动方式为脉冲启动方式，启动信号START启动后开始转换，EOC 信号在START 的下降沿10us后才变为无效的低电平。这要求查询程序待EOC无效后再开始查询，转换完成后，EOC 输出高电平，再由OE 变为高电平来输出转换数据。我们在设计程序时可以利用EOC 信号来通知单片机（查询法或中断法）读入已转换的数据，也可以在启动AD0809 后经适当的延时再读入已转换的数据。AT89S51的输出频为晶振频的1/6（2MHZ），AT89S1 与SUN7474连接经与7474的ST脚提供AD0809 的工作时钟。AD0809 的工作频范围为10KHZ-1280KHZ,当频率范围为500KHZ 时，其转换速度为128us。

AD0809 的数据输出公式为：Dout=Vin*255/5=Vin*51,其中Vin为输入模拟电压，Vout为输出数据。电子科技大学学士学位毕业论文

5． D/A转换模块

本系统采用的一个光耦隔离式串行D/A输出，并采用LM358双运放组成D/A输出及驱动电路，电路图如图3-12。

图3-11 A/D转换电路

图3-12 光耦隔离式D/A

第三章 变频恒压调速供水系统硬件设计

这里运用到了脉宽调制(PWM)的方法来控制电压模拟量，脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。6.PWM控制原理

PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

图3-13 PWM占空比

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图3-13显示了三种不同的PWM信号。（a）是一个占空比为10%的PWM输出，即在信号周期中，10％的时间通，其余90％的时间断。（b）和（c）显示的分别是占空比为50%和90%的PWM输出。这三种PWM输出编码的分别是强度为满度值的10%、50%和90%的三种不同模拟信号值。例如，假设供电电源为9V，占空比为10%，则对应的是一个幅度为0.9V的模拟信号。

第四章 变频恒压调速供水系统软件设计

第四章 变频恒压调速供水系统软件设计

4.1 变频恒压调速供水系统软件设计总体说明

系统软件程序由主程序，定时中断显示和频率输出子程序组成。采用软件模块化设计，引入了先进的模糊逻辑控制技术，并增加了容错技术和抗干扰算法。系统采用了定时复位软件设计方案（1秒钟复位一次），以消除程序运行时的死机现象。数字滤波采用平均值滤波方法，以消除干扰对输入信号的影响。

4.2 8051系列单片的编程语言

51单片机在有四种语言支持，即汇编、PL/MC、C和BASIC。

C语言是一种源于编写UNIX操作系统的语言，是一种结构化语言，可产生紧凑代码。C语言结构是以括号{}而不是以字和特殊符号表示的语言。C语言可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。与汇编语言相比，C语言有很多优点。

（1）对单片机指令系统不要求了解，仅要求了解对8051的存储器结构有初步了解；

（2）寄存器的分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节可有编译器管理； 程序规范的结构，可分为不同的函数，这种方式可使程序结构化

（3）具有将可变选择和特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性； 关键字及运算函数可用于近似人的思维过程方式使用；

（4）编程和程序调试时间显著缩短，从而提高效率；

（5）提供的库包括许多标准子程序，具有较强的数据处理能力；（6）已编好的程序可以很容易地移植入新程序，因为C语言具有方便的模块化编程技术；

虽然C语言有诸多优点，但是并不是说汇编语言就要被抛弃，懂得汇编语言指令就可使用在片RAM作为变量的优势，因为片外变量需要几条几条指令才能设置累加器和数据指针进行存取。要求使用浮点和启用函数时，只有具备汇编编程经验，才能避免生成庞大的、效率低的程序，所有现在所有的对速度要求高的内核程序都是用汇编编写完成的。电子科技大学学士学位毕业论文

4.3 编程软件

4.3.1 C051编译器介绍

现在比较流行的51系列编程软件

（1）American Automation：编译器通过#asm和endasm预处理选择支持汇编语言。

（2）IAR: 瑞典的IAR是支持分体切换的编译器。

（3）Bso/Tasking：是Intel，LSI，Motorola，Philips，Simens和Texas Instruments嵌入式系统的配套软件工具

（4）Dunfield Shareware：非专业的软件包，不支持floats，longs或结构等（5）KEIL：KEIL在代码生成方面处于领先地位，可以产生最少的代码。它支持浮点或长整数、重入和递推。使用单片机模式，KEIL是最好的选择

（6）Intermetrics：使用起来比较困难，要由可执行的宏语句控制编译、汇编和链接，且选项很多。

编译器的算法技术支持（float和long）很重要。生成代码的大小比编译速度重要，这里KEIL具有性能领先、紧凑的代码和使用方便等优点，所以本系统采用KEIL编译器。4.3.2 KEIL编译器

KEIL开发工具套件可用于编译C源程序、汇编源程序、链接和定位目标文件及库，创建HEX文件以及调试目标程序。

（1）uVision2 for Windows:是一个集成开发环境。它将项目管理、源代码编辑和程序调试等组合在一个强大功能的环境中。

（2）CX51国际标准优化C交叉编译器：从C源代码产生可重定位的目标模块。

（3）AX51宏汇编器：从8051汇编源代码产生可重定位的目标模块。（4）BL51链接器/定位器：组合有CX51和AX51产生的可重定位的目标模块，生成绝对目标模块。

（5）LIB51库管理器：从目标模块生成链接器可以使用的库文件。（6）OH51目标文件至HEX格式的转换器：从绝对目标模块生成Intel HEX文件。

（7）RTX-51实时操作系统：简化了复杂的实时应用软件项目的设计。

第四章 变频恒压调速供水系统软件设计

4.4 单片机资料

单片微型计算机简称为单片机，有称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分支。单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一硅片的器件。80年代以来，单片机发展迅速，各类新产品不断涌现，出现了许多高性能新型机种，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一。引脚功能：

MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照----单片机引脚图：

l P0.0~P0.7 P0口8位双向口线（在引脚的39~32号端子）。

l P1.0~P1.7 P1口8位双向口线（在引脚的1~8号端子）。

l P2.0~P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的21~28号端子）。

l P3.0~P3.7 P2口8位双向口线（在引脚的10~17号端子）。

P0口有三个功能：

1、外部扩展存储器时，当做数据总线（如图1中的D0~D7为数据总线接口）

2、外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的A0~A7为地址总线接口）

3、不扩展时，可做一般的I/O使用，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。

P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。

P2口有两个功能：

1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用；

2、做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻。

P3口有两个功能：

除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置，具体功能请参考我们后面的引脚说明。

有内部EPROM的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的，即：编程脉冲：30脚（ALE/PROG）

编程电压（25V）：31脚（EA/Vpp）

接触过工业设备的兄弟可能会看到有些印刷线路板上会有一个电池，这个电池是干什么用的呢？这就是单片机的备用电源，当外接电源下降到下限值时，备用电源就会经第二功能的方式由第9脚（即RST/VPD）引入，以保护内部RAM 电子科技大学学士学位毕业论文

中的信息不会丢失。

在介绍这四个I/O口时提到了一个“上拉电阻”那么上拉电阻又是一个什么呢？他起什么作用呢？当作为输入时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；所以如果P0口如果作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。

ALE/PROG 地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。（在后面关于扩展的课程中我们就会看到8051扩展 EEPROM电路，ALE与74LS373锁存器的G相连接，当CPU对外部进行存取时，用以锁住地址的低位地址，即P0口输出。ALE有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。

在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。当系统没有进行扩展时ALE会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。

PORG为编程脉冲的输入端：在8051单片机内部有一个4KB或8KB的程序存储器（ROM），ROM的作用就是用来存放用户需要执行的程序的，那么我们是怎样把编写好的程序存入进这个ROM中的呢？实际上是通过编程脉冲输入才能写进去的，这个脉冲的输入端口就是PROG。

PSEN 外部程序存储器读选通信号：在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。

1、内部ROM读取时，PSEN不动作；

2、外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次；

3、外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出；

4、外接ROM时，与ROM的OE脚相接。

（8051扩展2KB EEPROM电路，PSEN与扩展ROM的OE脚相接）

EA/VPP 访问和序存储器控制信号

1、接高电平时：

CPU读取内部程序存储器（ROM）

扩展外部ROM：当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）1FFFH（8052）时自动读取外部ROM。

2、接低电平时：CPU读取外部程序存储器（ROM）。在前面的学习中我第四章 变频恒压调速供水系统软件设计

们已知道，8031单片机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。3、8051写内部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。

RST 复位信号：当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。

XTAL1和XTAL2 外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

VCC：电源+5V输入

VSS：GND接地。

AVR和pic都是跟8051结构不同的8位单片机，因为结构不同，所以汇编指令也有所不同，而且区别于使用CISC指令集的8051,他们都是RISC指令集的，只有几十条指令，大部分指令都是单指令周期的指令，所以在同样晶振频率下，较8051速度要快。另PIC的8位单片机前几年是世界上出货量最大的单片机，飞思卡尔的单片机紧随其后。

ARM实际上就是32位的单片机，它的内部资源（寄存器和外设功能）较8051和PIC、AVR都要多得多，跟计算机的CPU芯片很接近了。常用于手机、路由器等等。

DSP其实也是一种特殊的单片机，它从8位到32位的都有。它是专门用来计算数字信号的。在某些公式运算上，它比现行家用计算机的最快的CPU还要快。比如说一般32位的DSP能在一个指令周期内运算完一个32位数乘32位数积再加一个32位数。应用于某些对实时处理要求较高的场合。电子科技大学学士学位毕业论文

4.5 软件的设计

4.5.1 程序设计图（1）主程序框图

图 4-1 主程序流程图

第四章 变频恒压调速供水系统软件设计

（2）继电器控制子程序

图4-2 继电器控制流程图

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（3）A/D子程序

（4）PID控制子程序

图4-4 PID计算子程序流程图

图4-3 A/D子程序流程图

第四章 变频恒压调速供水系统软件设计

结论

本文在分析和比较用于供水行业的控制系统的发展和现状的基础上，结合我国供水的现状，设计了一套一拖多的控制系统，在这个毕业设计中有如下认识；

1.在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f，来改变电机的转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的，分析水泵工况点激流调节和变速调节能耗比较土，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时。流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与恒速泵供水方式中用闸阀增加阻力节流相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。水泵转速的工矿调节必须限制在一定范围以内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。

2.通过对供水控制模式进行分析，发现传统的生产控制模式是一种被动的控制方式，没有对供水管网的水量平衡进行综合考虑。针对传统控制模式的缺陷，提出了综合考虑水压和水量平衡的自适应平衡调节方法，为该供水控制系统的设计提供了依据。

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致谢

在即将毕业之际，毕业设计已近尾声，我想借此机会对关心支持我的所有人表示感谢！

我在毕业设计期间，得到导师王冰峰的精心指导，王老师治学严谨，学识渊博，为我营造了一种良好的学习氛围。在王老师的指导过程中，不仅我的思想观念焕然一新，也改善了我的思考方式，解决了一个又一个难题。最终才得以完成此次毕业设计。在此祝福王老师合家欢乐，一生平安。同时，也将祝福送给每一位帮助我的师长。感谢老师在这半年的毕业设计中对我的帮助和鼓励!同时感谢同组同学在我的毕业设计过程其中对我莫大的鼓励与帮助。！

回顾这段时间的学习和生活，还有许多的老师和同学给予我各个方面的帮助和支持，让我坚持到了最后，在此感谢所有关系和支持我的人，今后我会继续努力，不辜负你们对我的期望！

致谢

参考文献

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附录

附录一：A/D数据采集转化及显示子程序

#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit st=P3^2;sbit oe=P3^1;sbit eoc=P3^0;uchar codetab[]={0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09};//数码管显示段码

uchar codetd[]={0x00,0x10,0x20,0x30,0x40,0x50,0x60,0x70};//通道先择数组 uint ad_0809,ad_data1,ad_data2,ad_data3,ad_data0;uchar m,number;uchar x[8];//八通道数据待存数组 void delaynms(uint x);//nms延时程序 void display();//显示程序 void ad0809();//芯片启动程序 void key();//键扫描程序 main(){ number=1;P1=0x00;while(1){ ad0809();//调AD0809 启动子程序 key();//调按键子程序

ad_0809=x[number];//把相关通道数据给ad_0809 display();//调显示 }} //nms 延时程序 void delaynms(uint x){

附录

uchar i;while(x-->0){ for(i=0;i<125;i++){;}}} void display(){ uchar a;ad_data1=(ad_0809*49/25)/100;//读得的数据乘以2 再乘以98%除以100 得百位 ad_data2=((ad_0809*49/25)%100)/10;//读得的数据乘以2 再乘以98%再分出十位 ad_data3=(((ad_0809*49/25)%100)%10);//读得的数据乘以2 再乘以98%再分出个位

for(a=0;a<10;a++){ P0=tab[ad_data3];//送小数点后第二位显示 P2=0x07;//选通第一个数码管 delaynms(3);P0=tab[ad_data2];//送小数点后第一位显示 P2=0x0b;//选通第二个数码管 delaynms(3);P0=tab[ad_data1];//送整数显示 P0_7=0;//点亮第三个数码管小数点 P2=0x0d;// 选通第三个数码管 delaynms(3);P0=tab[number];//送通道号显示 P2=0x0e;delaynms(3);}} void ad0809(){ uchar i,m=1;for(i=0;i<8;i++){ P0=td[i];//选通通道

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oe=0;//以下三条指令为起动AD0809 st=0;st=1;st=0;delaynms(1);while(!eoc);//等待转换结束 oe=1;//取出读得的数据 x[m]=P2;//送相关通道数组 oe=0;m++;}} void key(){ if(!P3_5)//P3.5 是否按下 { delaynms(20);//延时判误

if(!P3_5)//再一次判断P3。5 是否按下 { while(!P3_5);//等待P3。5 为高电平number++;//通道号显示加一 if(number>8)number=1;//八通道 }}}

附录

附录二：PID控制子程序

#include #include #include

struct _pid {

int pv;/*integer that contains the process value*/

int sp;/*integer that contains the set point*/

float integral;

float pgain;

float igain;

float dgain;

int deadband;

int last_error;

};

struct _pid warm,*pid;

int process_point, set_point,dead_band;

float p_gain, i_gain, d_gain, integral_val,new_integ;;

/*----------

pid_init

DESCRIPTION This function initializes the pointers in the _pid structure

to the process variable and the setpoint.*pv and *sp are

integer pointers.----------*/

void pid_init(struct _pid *warm, int process_point, int set_point)

{

struct _pid *pid;

pid = warm;

pid->pv = process_point;

pid->sp = set_point;

}

/*----------

pid_tune

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DESCRIPTION Sets the proportional gain(p_gain), integral gain(i_gain)，derivitive gain(d_gain), and the dead band(dead_band)of

a pid control structure _pid.----------*/

void pid_tune(struct _pid *pid, float p_gain, float i_gain, float d_gain, int dead_band)

{

pid->pgain = p_gain;

pid->igain = i_gain;

pid->dgain = d_gain;

pid->deadband = dead_band;

pid->integral= integral_val;

pid->last_error=0;

}

/*----------

pid_setinteg

DESCRIPTION Set a new value for the integral term of the pid equation.This is useful for setting the initial output of the

pid controller at start up.----------*/

void pid_setinteg(struct _pid *pid,float new_integ)

{

pid->integral = new_integ;

pid->last_error = 0;

}

/*----------

pid_bumpless

DESCRIPTION Bumpless transfer algorithim.When suddenly changing

setpoints, or when restarting the PID equation after an

extended pause, the derivative of the equation can cause

a bump in the controller output.This function will help

smooth out that bump.The process value in *pv should

be the updated just before this function is used.----------*/

附录

void pid_bumpless(struct _pid *pid)

{

pid->last_error =(pid->sp)-(pid->pv);

}

/*----------

pid_calc

DESCRIPTION Performs PID calculations for the _pid structure *a.This function uses the positional form of the pid equation, and incorporates an integral windup prevention algorithim.Rectangular integration is used, so this function must be repeated on a consistent time basis for accurate control.RETURN VALUE The new output value for the pid loop.USAGE #include “control.h”*/

float pid_calc(struct _pid *pid)

{

int err;

float pterm, dterm, result, ferror;

err =(pid->sp)pid->last_error))* pid->dgain;

result = pterm + pid->integral + dterm;

}

else result = pid->integral;

pid->last_error = err;

return(result);

}

void main(void)

{

float display_value;

int count=0;

pid = &warm;

// printf(“Enter the values of Process point, Set point, P gain, I gain, D gain n”);

// scanf(“%d%d%f%f%f”, &process_point, &set_point, &p_gain, &i_gain, &d_gain);

process_point = 30;

set_point = 40;

p_gain =(float)(5.2);

i_gain =(float)(0.77);

d_gain =(float)(0.18);

dead_band = 2;

integral_val =(float)(0.01);

printf(“The values of Process point, Set point, P gain, I gain, D gain n”);

printf(“ %6d %6d %4f %4f %4fn”, process_point, set_point, p_gain, i_gain, d_gain);

printf(“Enter the values of Process pointn”);

while(count<=20)

{

scanf(“%d”,&process_point);

pid_init(&warm, process_point, set_point);

pid_tune(&warm, p_gain,i_gain,d_gain,dead_band);

pid_setinteg(&warm,0.0);//pid_setinteg(&warm,30.0);

//Get input value for process point

pid_bumpless(&warm);

附录

// how to display output

display_value = pid_calc(&warm);

printf(“%fn”, display_value);

//printf(“n%f%f%f%f”,warm.pv,warm.sp,warm.igain,warm.dgain);

count++;

}

}

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外文资料原文 Input/Output Accessing In this article, we will look at the three basic methods of I/O accessing － programmed I/O, interrupt-driven I/O, and direct memory access(DMA).The key issue that distinguishes these three methods is how deeply the processor is involved in I/O operations.The discussion emphasizes interrupt-driven I/O, because it is based on the concept of interrupt handling, which is a general problem that goes beyond Input/Output operations.The study of interrupt handling also aids in understanding the general concept of exception processing, which is an important issue not only for I/O, but also for interfacing a computer with other system control functions.Addressing I/O Registers

Input/Output devices communicate with a processor through Input/Output ports.Through the input ports, s processor receives data from the I/O devices.Through the output ports, a processor sends data to the I/O devices.Each I/O port consists of a small set of registers, such as data buffer registers(the input buffer and/or the output buffer), the status register, and the control register.The processor must have some means to address these registers while communicating with them.There are two common methods of addressing I/O register － memory-mapped I/O and direct I/O.1.Memory-Mapped I/O Memory-mapped I/O maps the I/O registers and main memory into a unified address space in the computer system.I/O registers share the same address space with main memory, but are mapped to a specific section that is reserved just for I/O.Thus, the I/O register can be addressed in ordinary memory reference instructions as if they are part of the main memory locations.There are no specially designed I/O instructions in the instruction set of the system.Any instruction that references a location in this areais an I/O instruction.Any instruction that can specify a memory address is capable of

外文资料原文

performing I/O operations.The Motorola MC68000 is an example of a computer system that uses this addressing method.2.Direct I/O The method of addressing I/O registers directly without sharing the address space with the main memory is called direct I/O or I/O-mapped I/O.In other words, I/O registers are not mapped to the same address space with the main memory.Each I/O register has an independent address space.As a result, instructions that reference the main memory space cannot be used for Input/Output.In the instruction set of the computer system, special I/O instructions must be designed for I/O operations.In these I/O instructions, distinct I.D.numbers must be used to address different I/O communication channels(i.e., I/O ports).They are called port numbers.The I/O registers of an I/O port are connected to the system I/O bus, through which the processor can reference the I/O registers directly to send/receive data to/from an I/O device.An I/O port number is not from the same address space as main memory.The Pentium is an example of a computer system that uses the direct I/O addressing method.It has a 64 GB memory address space(32 address bits)and, at the same time, a 64 KB I/O address space(16 bits I/O address/port number).Programmed I/O Programmed I/O requires that all data transfer operations be put under the complete control of the processor when executing programs.It is sometimes called polling, because the program repeatedly polls(checks)the status flag of an I/O device, so that its input/output operation can be synchronized with the processor.A general flowchart of such a program is shown in Figure 1.The program continuously polls the status of an I/O device to find out whether(1)data is available in the input buffer or(2)the output device is ready for receiving data from the processor.If the status shows “available” the program will execute a data transfer instruction to complete the I/O operation;otherwise, the busy status of the I/O device will force the program to circulate in a busy-waiting loop until the status becomes available.Such a busy-waiting loop, which continuously checks the status of data availability(for input)or device availability(for out-put), forms the typical program structure of programmed I/O.It is this time-consuming busy-waiting loop that wastes processor time and makes programmed I/O very inefficient.The processor must be involved

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continuously in the entire I/O process.During this time interval, the processor cannot perform any useful computation, but only serve a single I/O device.For certain slow I/O devices, this busy-waiting loop interval may be long enough that the processor could execute millions of instructions before the I/O event occurs, e.g., a key stroke on a keyboard.The operational mode lf programmed I/O stated above is characterized by the busy waiting loop of the program, during which the processor spends time polling an I/O device.Because of the dedication of the processor to a single task, this mode of programmed I/O is called dedicated polling or spin polling.Although dedicated polling is highly inefficient, sometimes it is necessary and even unavoidable.In a particular case, if an urgent event needs an immediate response without delay, then dedicated polling by a dedicated processor may be the best way to handle it.Once the expected event happens, the processor can tract to it immediately.For example, certain real time systems(e.g., radar echo processing systems)require a reaction to incoming data that is so quick that even an interrupt response is too slow.Under such a circumstance, only a fast dedicated polling loop may suffice.Another mode of operation of programmed I/O is called intermittent polling or timed polling.In this mode, the processor may poll the device at a regular timed interval, which can be expected or prescheduled.Such a device can be found in many embedded systems where a special-purpose computer is used for process control, data acquisition, environmental monitoring, traffic counting, etc.these devices, which measure, collect, or record data, are usually polled periodically in a regular schedule determined by the needs of the application.Such a method of intermittent polling can help save time lost in spin polling and avoid the complexity of interrupt processing.However, it should be noted that intermittent polling may not be applicable in some special cases, in which there is only one device to be polled and the correct polling rate must be achieved with the assistance of an interrupt-driven clock.Using timed polling in this case would result in simply swapping one interrupt-driven clock.Using time polling in this case would result in simply swapping one interrupt requirement for another.Interrupt-Driven I/O

基于单片机的锅炉控制系统 第6篇

【关键词】单片机，锅炉，控制

该系统主要以AT89C52单片机作为控制系统核心，通过接口扩展芯片8255完成人机交互的诸多应用功能，系统所需数据由模拟通路采集，该模拟通路由传感器组、多路开关、信号采样和A/D转换等组成。检测到的数据经过AT89C52单片机处理后，一部分经由8255传至8位数码管显示模块显示，一部分通过电平转换器和放大驱动电路处理后送至控制模块，控制模块根据此输出信号控制执行机构工作，并自动完成声光报警，从而实现对锅炉控制系统进行精确的实时控制。另外，系统还可以实现下载和通信的功能。

1系统设计方法

在详细了解单片机的基本结构、工作原理、功能扩展和相应的接口电路的基础上，对一个具体的应用对象，如何才能设计一个具体的应用系统，使其能够满足实际需要就变得非常现实了，也是系统设计和产品开发者所关心的问题。本节从应用角度出发，详细介绍单片机应用系统硬件设计方法和研制过程。

在图1的控制方案中，传感器采集随时间连续变化的模拟信号(被调参数)，如温度、流量和水位等，通过变送和放大，转变成直流电压信号，然后通过模/数转换器轉换成单片机可识别和处理的二进制数据，经输入通道送入单片机，由单片机按照一定的逻辑控制原理，对被测量值进行一系列的运算处理，从而得到燃烧器、循环泵或其他执行机构的控制量，再由单片机输出二进制数据，经数/模转换器将数字量转换成模拟量(电压或电流信号)，直接或通过继电器、接触器及多路开关送至执行机构，使阀门或其他调节机构动作，达到调节被调节参数的目的。

2基于单片机的锅炉控制系统设计

2.1熟悉设计对象

单片机作为控制系统的核心所控制的对象是多种多样的，所实现的控制功能也是千差万别的。这些对象可能是一个具体的设备，如交通灯控制器、机械手、电视机、空调器、微波炉、电冰箱等，也可能是一个系统，如生产线过程控制系统、数据采集系统、遥控系统等。在这些控制系统中，它可以有多个数字量和模拟量的采集和控制，有多个采样点和控制点。单片机在这些应用领域可以进行功能数字测量及采集，也可以完成过程控制、程序控制，或者是闭环控制。例如，一个空调器实际上就是一个温度控制系统，它包含温度测量、A/D变换、控制计算、输出功率调节等多个环节，在空调器币加热均采用电加热或压缩机，控制比较方便。对于一个锅炉控制系统，不管是燃油锅炉还是燃煤锅炉，比一个空调器控制要复杂得多，不仅要进行温度测量，还要测量锅炉内的压力、水位等参量，其控制系统规模要大一些。这类系统是一个模拟量闭环反馈控制系统。在这些系统中，需要显示输出(常用LED、LCD显示器)、初始值设定(常用拨码开关或键盘输入)、控制操作和报警提示等。因此就需要一个控制面板，在面板上要设置相应功能键和显示器。

2.2系统硬件电路

本系统的硬件电路设计应包括两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM，RAM，I/O口，定时，计数器，中断系统等容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路；二是系统配置，即按照系统的功能要求配置外围设备，如键盘、显示模块、打印机、A/D、D/A转换器等。因此本系统扩展和系统配置设计遵循下列原则：

(1)选择典型电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打好基础。

(2)系统的扩展和外围设备配置的水平充分满足应用系统的功能要求，并留有适当的余地，以便进行二次开发。

(3)硬件结构结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：软件实现的功能尽量由软件来实现，以简化硬件结构。

(4)可靠性和抗干扰性设计是硬件系统设计不可缺少的一部分。

硬件电路主要包括温度检测与变送环节的设计、模数转换接口电路的设计、人机交互接口的设计、报警电路的设计以及电源电路的设计。结构框图见图2。

首先是通过温度传感器获得温度的值，转变成1-5V标准电压信号，经采样放大器，送入A/D转换器转换成数字信号进入单片机内部。将检测的温度值，利用幅值检测程序，判断是否超过所设定的温度范围。若是，则启动报警电路。否则经LED驱动电路，送给LED显示器实时显示。单片机将给定温度值与测量温度值相比较，得出偏差量，经D/A转换器，送入功率放大器，得到一个放大的电压信号，驱动调节阀，从而控制调节阀的大小，进而改变燃料的流量，最终达到控制锅炉温度的目的。

2.3 系统软件设计

单片机首先进行初始化，包括I/O口、定时器、中断系统、液晶显示器的初始化；然后采集温度、水位数据，作为判断故障的依据，再进行故障检测；若发现故障，则蜂鸣报警，同时显示故障原因；然后开始进入循环监测部分，先采集数据，检测故障：然后进入相应的温度控制子程序、定时控制子程序、手动控制子程序、防冻控制子程序，接着开始扫描键盘，判断出所按键后，使相应变量置位或复位，并刷新当前显示，由此不断循环运行，完成锅炉控制系统的各种控制功能。

本系统要实现的是温度的巡回测量、巡回显示和温度的控制以及对锅炉中的各个参数(温度、水位等)的超限报警等功能。首先，为了能够实验温度的巡回测量，必须有电子开关程序巡回选择每个通道和A/D转换程序把模拟的电压量转换成数字量。为了提高准确性，之后又必须有数据处理程序对采集进来的数据进行处理，若超过所需的范围，则启动报警程序进行报警，为了能够把测量的温度用LED显示，又必须通过数据转换程序。同时也要有键盘输入程序才能对温度进行控制。

结论

本文以应用前景可观的锅炉作为控制对象，提出了一套以单片机为核心控制器的锅炉控制系统设计方案，并进行了系统硬件设计及软件算法的实现，实验表明，该系统性能良好，能够实现参数自动检测、自动控制，系统软、硬件维护方便，且投资成本较低，具有很强的实际应用价值。

参考文献：

[1] 王春林，李正熙，童朝南. 嵌入式液压控制器的实现[J]. 微计算机信息，2005，(2).

基于单片机监控系统 第7篇

在智能控制技术快速发展的今天,单片机智能控制技术广泛地应用于工业控制、智能控制、仪表的检测、家用电器甚至电子玩具等各个领域。它具有体系小、功能多、价格低廉、使用方便、系统设计灵活等多种优点。本设计就是利用单片机控制继电器的工作状态和发光二极管的工作状态来对电路的负载情况进行智能检测和控制。

2. 基本原理

本系统设计要求就是利用AT89C51单片机对电路的异常现象进行智能监控。当负载发生异常时,切断负载上电压,当负载恢复正常时,自动对负载提供电压。即用电流互感器先对电流进行采样,将交流220V上的大电流信号转化为小电流信号;然后通过电流——电压转换,将负载上的电流值转换为单片机可以处理的0~5V的电压值;再将从互感器传来的电压值送给A/D数模转换器,将模拟值转换为数字值,以便CPU能够处理。将模数转换模块电路处理后的信息传给CPU(即AT89C51单片机),AT89C51单片机将对接收的信号进行计算,算出负载正常工作时对应的电压值;将采样到的电压信号与基准电压信号比较,以实现后继对继电器等的控制;为实现固态继电器自动闭合,CPU每隔1分钟开启继电器对电流进行采样,若采样电流值仍不正常,则对其进行定时采样。

监控系统的原理框图如下所示:

3. 电路实现

用AT89C51单片机芯片对负载工作情况进行智能监控,保证当负载发生异常时(负载电流过大或者过小),通过控制固态继电器,切断负载上电压;当负载恢复正常时,自动控制固态继电器接通电路,对负载提供电压。通过对单片机编写控制程序,实现智能自动控制。通过设置的指示灯可以观测到负载的工作情况。通过KEIL C51和Protus联调实现仿真,经过测试,当电路负载出现故障时,P1.0输出低电平,P1.1输出低电平,P1.3输出高电平(D1灯亮),低电平有效,测试图2如下所示:

当电路负载无故障时,即正常,P1.0输高电平,P1.1输出高电平(D2灯亮),P1.3输出低电平,低电平有效,测试图3 如下所示:

4. 结束语

本文介绍了以MSC-51单片机作为控制单元的一款能对电路的负载情况智进行能化监控的控制系统。经过总体设计分工、软件硬件设计、硬件仿真、软件程序调试,可以保证当负载发生异常时(负载电流过大或者过小),通过控制固态继电器,切断负载上电压;当负载恢复正常时,自动控制固态继电器接通电路,对负载提供电压,实现智能自动控制。

参考文献

[1]W.D.Brogan,《Modern Control Theory》,Prentice Hall Inc,1985.

[2]崔玮编.protel-99E电路原理图与电路板设计教程[M].北京:海洋出版社,2005.

[3]李叶紫、王喜斌、胡元军、孙东辉.MCS-51单片机应用教程[M].北京:清华大学出版社,2004.

基于单片机监控系统 第8篇

1 单片机概述

本系统采用ATMEL公司的AT89s52单片机为控制核心。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器, 具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造, 与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程, 亦适于常规编程器。在单芯片上, 拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash, 使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

2 校园多点温度监控系统总体设计思路

系统整体硬件电路包括, 传感器数据采集电路, 温度显示电路, 上下限报警调整电路, 单片机主控电路等。其中蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时, 发出报警鸣叫声音, 同时LED数码管将没有被测温度值显示。

2.1 单片机模块

单片机模块是指以单片机芯片为核心, 外加复位电路和晶振电路所构成的基本工作电路。复位电路:由电容串联电阻构成, 由图2所示, 结合“电容电压不能突变”的性质, 可以知道, 当系统一上电, RST脚将会出现高电平, 并且, 这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位。所以, 适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般推荐C取10u, R取8.2K, 当然也有其他取法的, 原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。晶振电路:典型的晶振取11.0592MHz (因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率, 用于有串口通讯的场合) /12MHz (产生精确的u S级时间, 方便定时操作) 。单片机:可以采用AT89S51/52或其他51系列兼容单片机芯片。特别注意:对于31脚 (EA/Vpp) , 当接高电平时, 单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时, 复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。

这个基本电路在很多的设计制作中可以直接使用。

2.2 温度采集模块

这里采用DALLAS公司的数字温度传感器DS18B20作为测温元件。DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20体积小、适用于多种场合。DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。温度测量范围为-55~+125摄氏度, 可编程为9位~12位转换精度, 测温分辨率可达0.0625摄氏度, 分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中, 掉电后依然保存。被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出:其工作电源既可以在远端引入, 也可以采用寄生。多个DS18B20可以并联到3根或2根线上, CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信, 十分方便。图2给出了一个DS18B20与单片机的连接。

2.3 显示电路

单片机显示方式有静态显示和动态显示2种, 动态显示, 也称为扫描显示。本文给出的显示器由6个共阴极LED数码管构成。单片机的P0口输出数码管显示段码, 由一片74LS245输出给LED管;位码来自单片机的P2口。在显示实时温度时, 让数码管根据采集的温度值, 对各点的温度每隔一定的时间, 轮流在显示屏上显示。

2.4 温度报警电路

当测试的温度超过设定的温度值时, 系统会产生报警。报警时单片机产生一定频率的脉冲, 由P2.7引脚输出, P2.7外接一只三极管来驱动杨声器发出声音, 以便维护, 从而达到报警的目的。如图4所示。

2.5 温度监测系统工作过程

DS18B20采集实时温度值, 单片机得到数值以后控制数码管显示, 当温度值超过上下限时, 驱动报警电路, 报警器响。

3 结束语

本系统可以检测的温度范围大, 实时显示时差短, 但是在温度显示部分可以做进一步的优化。在校园多点进行温度监测, 有利于校园环境温度的控制, 能及时发现校园安全隐患, 对校园的实验室, 教室、宿舍等多个公共区域的温度进行有效监控, 利于试验条件, 教学条件, 住宿条件等的及时改善, 是智能化校园管理的有力措施。

摘要：本文主要介绍了一个基于89S52单片机的校园测温系统, 描述了利用数字温度传感器DS18B20来实现智能测温的过程。主要对传感器在单片机下的硬件设计方案进行了分析, 该系统可以方便的实现温度采集和显示, 并进行报警温度, 使用方便。

关键词：单片机,测温系统,温度采集

参考文献

[1]彭建英, 郭杰荣, 王先春.单片机多点温度远程实时控制系统的仿真与设计.机械工程与设计, 第3期, 2013年6月.

[2]陈名鑫, 张文威.基于AT89S52单片机的多路温度监测系统的设计与实现.中国医疗设备, 2013年第28卷03期.

[3]夏志华.基于单片机的温度控制系统的研究于实现.煤炭技术, 2013年第2期.

[4]赵晓光.单片机温度控制系统方案的研究.信息科技, 2013年.

基于PIC单片机的发动机监控系统 第9篇

1 系统总体设计要求

设计的目标是实时监控汽车发动机的重要参数:气缸温度、发动机转速、喷油量的大小、节气门开度、氧传感器、进气压力、电源电压和点火提前角。能够用单片机精确的采集参数, 计算参数和发送计算结果到P C机。从而达到实时监控的效果。

系统的主要功能如下:

(1) 实时采集各个监控参数; (2) 计算监控参数; (3) P C机上显示数据

为了能够准确的采集参数, 硬件方面设计的各个参数的采集电路要保持很高的实时采集性和稳定性。其次, 单片机的复位、晶振和电源等电路同样具有稳定性。软件方面根据硬件的配置, 利用PIC18F242的外部中断、AD模块和C C P模块来记录参数的状态, 并且通过R S 2 3 2串口将这些数据实时发送到P C机。通过监控软件来显示各个数据的变化情况, 用于分析发动机的工作状况。

2 系统硬件设计

本系统的硬件设计可分为两大块:单片机部分与采集部分。

2.1 单片机部分

本文设计的监控系统采用P I C 1 8 F 2 4 2单片机。此单片机由于监控的实时性要求很高, 所以对于M C U的指令执行时间的要求就会比较高。PIC18F242的典型频率16MHz, 指令的执行时间为0.25us, 完全能够达到要求。另外, 能够产生多种的波特率。在数据通讯方面比较灵活。

监控系统需要能采集5路A/D, 并且具有3路输入捕捉及各种I O口, 还要具有通讯接口。PIC18F242具有5路10位A/D转换通道、2路C C P (捕捉/比较/脉宽调制) 、一个M S S P (主同步串口) 和一个USART (可寻址的同步/异步收发器) , 3个8位I O口 (A、B、C) 。除此之外, 它还具有4个B端口的电平中断和3个外部中断源。完全能够满足本系统的资源要求。

由于点火提前角备用, 需要采集的参数为7个。对应PIC18F242模块的具体分配如下:

2.2 采集部分

参数都是通过传感器进行采集。各传感器的采集周期各不相同。变化快并且重要的信号就需要很高的采集频率, 变化慢不太重要的信号的采集频率就可以降低。并且采集方式也有同步与异步之分, 影响发动机实时工作状态的模拟量采集方式就应该是同步的, 否则可以为异步的。

气缸温度采用温度传感器, 发动机转速采用霍尔传感器, 喷油量的大小采用电压控制, 节气门开度采用位置传感器, 氧传感器采用电压信号, 进气压力采用压力传感器, 电源电压可以直接采集电压, 点火提前角则通过转速脉冲来获取。

3 系统软件设计

根据系统的要求需要检测7个参数。总体的思路如下:事件开始发生, MCU不停的判断是否有事件产生, 有则进入该事件的处理部分。当所有事件都处理完一次后, 通过串口向P C机发送计算结果。

结合P I C 1 8 F 2 4 2的系统和硬件结构, 编程结构如下:

(1) 在PIC18F242中, INT0始终是高级优先级中断, 用于检测转速的INT0就设定为高级中断, 和I N T 0相配合的定时器T1的溢出中断也设为高级中断。同时, 设定用来捕捉喷油的C C P 1也为高级中断。它们的入口地址是0008h。 (2) 将USART模块的数据发送设定为低级中断。入口地址是0018h。 (3) 主程序中5路AD进行数据转换。采用寻检方式, 从通道0到通道4。

一主程序流程图二、中断程序流程图三、监控软件界面

4 结语

此发动机的监控软件在实际运行中能够保证发动机的各参数准确有效, 对于发动机各参数的掌握有良好的直观性和可操作性。

摘要：介绍采用PIC系列单片机进行发动机的监控。发动机监控系统实时监控发动机的气缸温度、发动机转速、喷油量的大小、节气门开度、氧传感器、进气压力、电源电压和点火提前角。本系统通过外围采集电路, 将被控参数采集整理输入单片机中进行计算处理, 得到发动机的实际状态值。随后, 把数据从单片机发送到PC机, 并通过一个监控软件进行数据显示或保存。

基于单片机监控系统 第10篇

1 系统的总体设计

本设计是基于单片机和NiosⅡ软核的温度监控系统,其系统框图如图1所示。本系统采用Dallas单线数字温度传感器DS18B20采集温度数据,打破了传统的热电阻、热电偶再通过A/D转换采集温度的思路。用Atmel公司的FLASH单片机AT89S51对数字信号进行处理和控制,通过RS 232串口传到以NiosⅡ构成的嵌入式处理机中对温度进行监视与报警。Nios II的嵌入式Web服务器使用户可以通过IE浏览器浏览存储在FLASH芯片中的网页,由于CPU本身是以软核的方式实现,其功能可根据需要进行定制,非常灵活。

2 监控系统的硬件系统设计

2.1 对DS18B20的简单介绍和使用说明

DS18B20是美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器,它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点,特别适合于构成多点温度测控系统,可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理,而且每片DS18B20都有惟一的产品号并可存入其ROM中,在构成大型温度测控系统时单线上可挂多个DS18B20芯片。从DS18B20读出或写入DS18B20信息仅需要一根口线,共读写及温度变换的功率来源于数据总线,该总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电,而无需额外电源。DS18B20能提供9位温度读数,它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。DS18B20体积更小、适用电压更宽、更经济。测量温度范围为-55~+125℃,在-10~+85℃范围内,精度为±0.5℃。单片机控制DS18B20完成温度的采集过程必须经过初始化、写操作、读操作3个步骤,而且必须有严格的时间间隙。

2.2 NiosⅡ处理器的说明[4]

Altera公司的NiosⅡ处理器是一种用户可随时配置和构建的32位指令集和数据通道的嵌入式系统微处理器IP核,采用Avalon总线结构通信接口,带有增强的内存调试和软件功能。LWIP是一种专门针对嵌入式系统应用而设计的网络通信协议,支持因特网信息控制协议(ICMP),用户数据报协议(UDP),动态主机分配协议(DHCP),地址解析协议(ARP)以及对应用程序提供的标准Socket接口,因而可以完成传统的TCP/IP协议的大部分功能,资源占用却比TCP/IP协议小,所以非常适合以NiosⅡ处理器为核心的系统。基于以上考虑,嵌入式Web服务器以NiosⅡ处理器为核心,LWIP为网络通信协议,实现简单的网页浏览功能。用户可以通过网络浏览存储在FLASH中的网页。

2.3 硬件电路设计说明

本系统硬件电路包括单片机温度采集电路、电平转换电路及基于NiosⅡ嵌入式上位机系统。

2.3.1 温度采集电路

温度采集电路主要由DS18B20和单片机构成,如图2所示。系统以8051单片机(U1)作为核心;C1,C2和Y1组成时钟电路,晶振为12 MHz;S1,C12和R3组成复位电路;U1的P1.0接一个发光二极管,用于程序执行指示灯;R5为限流电阻;DQ接到8051的P2.1端;R1为信号和5 V电源之间的上拉电阻。

2.3.2 电平转换电路

单片机与上位机的通信电路如图3所示。8051单片机本身提供了一组全双工串行传输接口,由TXD引脚来传送串行数据而由RXD引脚来接收数据,可是其工作逻辑电平皆为TTL电平(0 V,5 V)。所以单片机与PC之间的数据通信必须经过RS 232信号(+12 V,-12 V)电平的转换。本系统使用MAX232电平转换芯片,只要加4只电容就能完成接口电平的转换。单片机的11脚(TXD)接232的10脚,单片机的10脚(RXD)接232的9脚。与上位机连接的RS 232-C接口采用DB-9的9芯插头座,传输线采用屏蔽双绞线。电源部分采用市售的9 V直流稳压电源,经7805后滤波稳压得到稳定的5 V电源。

2.3.3 基于NiosⅡ嵌入式上位机

系统主要包括以下几个部分:包括NiosⅡ软核CPU、操作系统使用的定时器、网络协议栈使用的定时器、CPU同外围设备的接口(Avlaon总线);EPCS4用来在上电时对FPGA进行配置;FLASH主要用来存放软件代码以及一些需要保存的参数;SRAM用来在系统运行时的代码和数据存储;网络接口芯片采用Smsc公司的LAN91C111芯片作为网络接口。该器件是一个以太网控制器,实现了网络7层协议栈中的传输层和MAC层的功能。另外,它具有10/100 Mb/s自适应、双工/半工自适应等功能,有很好的网络兼容性。采用串口UART和单片机通信。利用QuartusⅡ中的SOPC Builde构建的CPU如图4所示。

3 监控系统的软件系统设计

单片机控制程序设计框图如图5和图6所示。

串口中断程序功能为接收由上位机发送的数据采集周期以及开始、停止指令。温度信号滤波通过软件实现。滤波算法采用加权平均值法,即对最新检测到的N个温度信号序列去除最大值和最小值,并取加权平均运算。

4 基于NiosⅡ的Web服务器的实现[4]

把构建好的CPU及相应的模块进行分析引脚分配、综合后再进行编译,用NiosⅡIDE(集成开发环境)通过移植实时操作系统μCLinux来实现嵌入式实时多任务控制系统,开发相应的网页并进行服务器移植和配置。本系统采用μCLinux下的Boa。Boa是一个单线程的HTTP服务器,它不同于其它传统的Web服务器,不为每个连接创建一个进程,只有当CGI程序运行时才创建一个新的进程。通过移植Boa来实现智能监控系统的Web服务器功能,最后通过编写CGI程序并结合Flash动画实现了动态Web交互功能。

5 结语

采用AT89S51系列单片机、传感器DS18B20和NiosⅡ设计的远程温度控制系统具有结构新颖、电路简单、体积小和控制方便等优点。可以广泛用于电站、学校、医院等相关重点设备的温度远程监控。也适用于人体无法接近的高温或危险场所的温度监控。如果变换传感器稍加改变也可以成为其他参数的远程监控系统,如压力、湿度或瓦斯等。

摘要：温度对工农业生产和国防事业均有不同程度的影响,为了对温度进行适时远程监控,设计了这套系统。系统采用AT89S51系列单片机与Dallas单线数字温度传感器DS18B20采集现场温度数据,NiosⅡ作为上位机,借助互联网,实现对温度进行远程监控。与传统温度监控系统相比采用了嵌入式的服务器,减小了硬件体积,提高了实时性。同时给出了该系统的硬件原理图和程序流程图。

关键词：远程温度监控,AT89S51,DS18B20,NiosⅡ软核处理器

参考文献

[1]沙占友.单片机外围电路设计[M].北京:电子工业出版社,2006.

[2]王为青.51单片机应用开发案例精选[M].北京:人民邮电出版社,2007.

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[4]黄布毅,李冬富.动态Web技术在实时监测系统中的实现[J].微计算机信息,2007(5Z):37-39

[5]白?,孙肖子,白玉霞.基于NiosⅡ的嵌入式Web服务器[J].现代电子技术,2005,28(12):29-31.

[6]张西.基于MCS-51单片机的测温系统[J].电子工程师,2002,28(6):31-33.

[7]张一冰,贺知明,陈辅新.基于ADSP2191的计算机温度远程监控系统[J].机械与电子,2005(3):57-58.

[8]李鹏程.基于NiosⅡ软核的近红外温度的温度测量[J].科教文汇,2007(11):213-214.

[9]刘建辉,冀常鹏.单片机智能控制技术[M].北京:国防工业出版社,2007.

基于单片机的温度控制系统设计 第11篇

关键词：单片机；温度传感器；设计；检测

随着人们环保意识的增强，人们对温度越来越重视，温度的测量与控制也被提升到了一定的高度，逐渐变得越来越重要，然而在实际测量与控制环节当中仍然存在着很多问题，通过哪些方法手段对温度进行实时采样，在传输过程中还要保证数据的正确性，而且还要采取方法手段对所测温度场实行较为精确的控制，是目前温控系统面临的重要问题。在实际操作中，单片机的控制方便、使用简单与灵活性强等优点能够做到对温度实行相应的控制，通过相应的技术性能指标来完善温度控制系统，这样对产品的质量与数量有着很大的提升作用。

一、单片机的温度控制系统的功能及工作原理

（一）单片机的温度控制系统的功能。单片机作为温度控制系统的核心元器件，对产品生产过程进行温度控制发挥着重要的作用，单片机在此系统里功不可没。在控制功能进一步细分的基础上，我们不难发现单片机的温度控制系统的主要功能就是可以对温度进行检测，然后将检测的数据通过一定的传输介质传送给监控人员，操作人员在进行系统设置的时候发挥着重要的作用，他可以随时调整温度适应不同的温度控制系统的应用场所，一旦温度不符合标准，系统在没有人为的干预下自动将温度调节标准温度，保证产品生产所需的温度，在适度的温度下实现产品生长。

（二）单片机的温度控制系统的原理。传感器在捕捉温度信息发挥着重要的作用，通过传感器转换成电压信号，并对电压信号进行放大，单片机就会将其控制到处理的范围以内。在这个时候，信号经过数字滤波以后，标度就会逐渐转换出来，并通过把温度显示出来。与此同时，当实际检测到的温度值与之前设定的温度值进行比较。在通过输出控制量的数值，来进行导通的时间以及加热的功率的优化，从而能有效的调节温度环境。在整个温度控制系统设计中，单片机做整个系统的重要组成部分，并对温度进行实时的检测，并对检测结果进行控制，该系统的应运用来解决工业以及日常生活中对温度控制的问题。主要的目的就是为了能够达到检测和控制温度的目的，使测控的精度更加准确，该设备的应用使整个系统稳定性好、可靠性高并且速度较快，具备灵活性。

二、基于单片机的温度检测方法

在实际的生产生活中，半导体模拟温度传感器是测量温度的主要方法，这种传感器通过测量的温度信息通过一定的方式转换成电压或者电流，传感器输出的电压或电流与温度在一定范围存在着关系，主要呈线性关系。这种通过测量温度与电压或电流之间的相互转换，可以实现对温度的可视化，无形中实现对采样信息的放大。

热电偶是温度测量的另一种方法，这种测量方法没有半导体模拟温度传感器测量法强大，在具体的应用中，热电偶测量法弥补了半导体模拟温度传感器测量法的测量精度问题，该方法测量的精度是相当高的，但是在精度测量高的基础上测量过程相对复杂，测量工作持续的时间长，由于热电偶测量方法在测量过程中要使用电路，受到外界不确定因素的干扰比较大，容易出现较大的测量误差，给使用者带来不必要的麻烦。

温度检测方法的分类根据不同的标准分类是不一样的，按照敏感元件和被测介质接触与否，可以分为接触式与非接触式两大类，这两类检测方法的每一种温度检测方式在一定程度上具有相应的检测区间。接触式温度检测方法主要是基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度检测仪表以及基于热电效应的热电偶温度检测仪表，非接触式温度检测方法主要是利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系。基于单片机的温度控制系统，在单片机的外部添加各种接口满足系统的需要，对不同环境下的物质温度进行不定期的检测与显示，并且根据检测的实际场所的情况进行调整，当检测的温度超过一定标准就就进行报警，并做好相关的提醒记录，便于今后工作人员查询与使用。

三、温度控制系统的设计

（一）硬件电路的开发与应用。硬件电路是整个温度监控系统中的重要组成部分，在研究与开发过程当中，在系统控制中把单片机作为主机，然后再将传感变送器、多路开关等设备有效的结合，再充分结合相关转换器与调节阀等各种操作设备，当这些设备有效结合在一起的时候就能够达到预先设定的目标，可以轻松实现对于某些环境的温度进行自动控制目的。也可以根据内外部环境的不同增加键盘、报警电路与显示电路等各种设备，以便可以更好完善系统的实际功能。

（二）软件开发与应用。系统的操作软件也是通过语言进行交流的，该系统主要是使用C语言实现，对单片机也是用C语言编程达到各种功效。主程序对各个模块进行清晰划分，并用语言将各个模块串联起来。主程序的主要功能是通过一定的程序监测温度，并在不同时段进行实时显示、读出并且处理。它的功能还有控制芯片的测量当前温度值，同时负责调用各个子程序使其达到有效配置和优化。系统依据不同时段监测结果进行比较，对比较结果进行自动调节控制。假如实际测量的温度与预先在系统设置的温度出现一定的偏差，系统会根据不同的措施调整偏差，并达到预期的目的。

（三）温度检测的开发与应用。热电偶传感器的应用，无疑中对温度系统实现温度检测又一突破。它也是传感器的一种。该传感器的高精度是很多传感器无法比较的，这种传感器不仅质量好而且价格便宜。该传感器整体构造简单，测量的范围广等特点，决定了它的反应速度是非常理想的。热电偶传感器也有自身的缺陷，它输出的电压信号仍相对比较微弱，识别的电压范围很窄，所以在处理这种问题时，就是要对信号进行一定程度的调节处理，然后经过使用高放大倍数的电路来实现。

结束语：基于单片机的温度控制系统正是研究人员研究的如火如荼，并且应用到各行各业的温度控制的系统。它的应用不仅能够实现对环境温度的实时有效的检测，并能根据检测结果进行精确测量。这系统的自身特点，在宏观上能够提升社会的生产效率，在微观上能够极大地方便使用者实现查询操作，该温度控制系统具有很高的推广价值，将来的应用前景一定非常广泛。

参考文献：

[1] 吕俊亚. 一种基于单片机的温度控制系统设计与实现[J]. 计算机仿真. 2012（07）

[2] 夏发钦. 基于单片机的精密温度控制系统的设计与实现[J]. 信息技术. 2011（10）

基于单片机监控系统 第12篇

随着数字化技术和计算机技术的广泛普及,舞台和演播厅等灯光控制系统由传统的模拟控制转变为数字控制。为了解决各厂家舞台灯光设备兼容性问题,美国剧场技术研究院(简称USITT)于1986年起草了DMX512传输标准,经多次修订,形成美国国家标准E1.11-2004《USITT DMX512-A灯光及附属设备控制的异步串行数据数字传输标准》[1]。由于该协议简单实用,获得了几乎所有的灯光及舞台设备生产厂商的支持,使之成为灯光控制的事实国际标准。我国也发布了《DMX512-A灯光控制数据传输协议》(WH/T32-2008),等同采用美国标准[2]。

灯光及舞台设备生产厂商数量日渐庞大,采用DMX512标准的大型舞台灯光控制系统工程中,常出现需要一个厂家的调光控制台驱动另一厂家灯光设备的情况,经常出现因设备互连困难而不能准确分清责任的局面。工程实施过程中,各施工单位遇到DMX512信号问题,一般采取增加DMX512信号放大器解决,这是一种治标不治本的方法。在对可靠性要求高的舞台灯光设备控制场合,灯光控制师要有实时监控DMX512信号的参数与状态,以便随时应对控制系统所发生的各类问题。在数字灯光控制系统施工、测试、运行阶段,对DMX512信号的监控与分析是解决问题的关键手段[3]。

本文提出了一种基于MCS51系列单片机的DMX512信号监控器设计,对数字灯光系统中DMX信号进行解码、测量和分析,并通过LCD模块实时显示出DMX512信号的帧频率、通道数及各通道具体数据,显著地提高DMX512信号测试与分析的效率,而且,监控器还具有DMX512信号中继和主动产生特定DMX512场景信号的功能。

2 DMX信号监控系统总体构成

本监控器以MCS51系列8位单片机为核心,包括DMX信号接收电路、LCD显示电路、单旋钮输入电路、DMX信号输出电路。单片机选用低成本MCS51兼容芯片STC11f32XE,该芯片内部具有32kFlash和1280Bytes的片内RAM,内置看门狗,使用片上RAM机可完成所有设计功能。系统的整体结构分布图如图1所示。

3 系统硬件设计

3.1 DMX信号收发与解码模块设计

本监控系统采用一路DMX信号输入四DMX输出的方式,DMX信号接收电路如图2。SN75176将接收到的DMX512平衡传输信号转换为TTL电平,从单片机的RXD引脚输入,由软件完成监控与分析。四路DMX输出既可以与输入的DMX信号相同,实现信号的中继功能。也可根据需要,也可通过软件设置,切断外部DMX512信号的输入,并由单片机TXD脚将特定场景的DMX512数据经电平变换后直接输出到4路输出电路,用于灯光设备的调试。根据DMX512协议,机械接口选择5针XLR连接头,信号物理层采用ANSI/TIA/EIA-485-A标准平衡数据传输方式。

3.2 显示模块设计

本机显示采用CA1602型液晶显示模块,LCD与单片机以并行方式传输控制指令与数据。每屏可显示16*2个西文字符,为方便翻阅显示信息和收入用户控制指令,选择一单旋钮输入检测电路,原理如图3。

本设计中,单旋钮ROOL_SW与LCD显示配合,不仅用于功能菜单的选择,还用于数据的输入与编辑,使用非常方便。

4 系统的功能实现

4.1 DMX512信号分析

DMX512标准适用于一点对多点的主从式灯光控制系统,主控制器往总线发送控制时序,总线上的其他从灯光设备接收总线数据,提取其对应通道的数据,完成控制信号的接收。协议规定控制信号数据包的传输通过异步通信的方式进行。DMX512信号时序如图4,灯光控制数据以报文为单位传输,每个报文包括一个复位间隔(1)、一个标记位(2)和最多513个数据帧(3)组成,每个数据帧又由一个起始位(4)、8个数据位、2个停止位(7)组成,数据位中,最低位(5)先传输,最高位(6)后传输,协议对帧、位、帧间隔(8)和报文间隔(9)的时间作了明确规定,见表1。

4.2 DMX信号解码

根据DMX512协议,DMX信号以250kbit/s速率传输,数据帧内包含1个起始位、8个位数据和2个停止位,无校验。通过计算可知,选用32MHz晶振,恰好可使单片机产生无偏差的250kbit/s串行异步数据传输。为便于监测,将单片机UART设置成9位工作模式。串口通信中断程序中,利用复位信号第九位数据为0,其余数据帧的第九位数据为1的特点分离出报文同步点,并完成随后数据帧的解码。通信中断程序对BREAK信号的捕捉和报文类型的判断是DMX信号解码的关键,部分代码如下:

本设计仅对调光数据报文进行监控,即只处理起始码为0x0号的报文,其他报文在收到后自动丢弃。因监测时,仅对所设定12个的调光数据通道进行记录和显示,且记录和显示的窗口可随输入旋钮的控制而自由滑动,这样,既可获得对所有512个通道数据的监控,又可减少内存的使用,使得本监控器只用单片机本身的内存即可。

4.3 功能菜单显示

单旋钮ROOL_SW为旋转编码开关(Rotary Encoder switch),实物图如图5,该旋钮自带按钮功能。随旋钮旋转方向不同,引脚1、3分别输出不同相位的脉冲。图6为旋钮顺时针旋转时的输出波形,当输出A为高电平时,若输出B出现一个高电平跳变,就可判断旋钮为顺时针旋转;同理,当输出A为高电平时,若输出B出现一个低电平跳变,就可判断旋钮为逆时针旋转。所以,只要通过单片机编程对A、B脉冲的状态进行监控就可判断出旋钮的旋转方向了。LCD上显示的菜单信息可由单个旋钮控制翻滚显示和选择,还可与程序配合,完成对数字的输入和修改。

4.4 特定DMX信号输出

本监控系统还设计了特定DMX信号的输出功能,通过软件控制,可以直接输出跑马灯、全亮度、半亮度等测试信号,用于DMX设备的检测。

5 结束语

经测试,所设计的监控系统可以完成对每秒40帧以下DMX信号的可靠解码,能够准确测定所监控信号的帧率、通道数及复位信号质量,同时,能够直观显示出各通道的具体数据,成本低廉,很适合作为DMX信号传输质量监控与测试的工程工具。

参考文献

[1]ANSI E1.11-2004.Entertainment Technology-USITT DMX512-A Asynchronous Serial Digital Data Transmis sion Standard for Controlling Lighting Equipment and Ac cessories[S].

[2]WH/T32-2008.DMX512-A灯光控制数据传输协议[S].