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小型熱水鍋爐單片機溫度控制系統(一)
前言
隨著信息科學技術和微電子技術及計算機技術的飛速發展，特別是針對測控特點而設計的微控制器出現，把單片機測控系統的設計帶到了一個嶄新的領域，依靠自己的技術力量來構成一個計算機應用系統，是廣大非計算機硬件專業的工程技術人員夢寐以求愿望。只有在單片機芯片技術取得令人驚嘆的今天，這個夢想才得以實現。由于單片機測控系統的設計不僅需要單片機方面的基礎知識，而且還需要諸如傳感器、儀表、信號檢測、自動控制、執行機構、測控對象建模、總體結構設計、數字通信等專業知識，因此本設計對小型熱水鍋爐單片機溫度控制系統作了全面的介紹。
本設計共分5章。第一章介紹了
小型熱水鍋爐單片機溫度控制系統
摘要：本文介紹了用8051單片機構成的小型熱水鍋爐溫度控制的最小系統，主要包括數學模型的建立、硬件電路的設計及其分析和軟件程序的編程及其分析。
關鍵詞：單片機；溫度控制系統；熱水鍋爐；溫度檢測
冬季分散取暖通常采用熱水鍋爐人工定時燒水供熱的方法。這種方法好煤量大，居室溫度變化大，費電，費人力。為解決這個問題，本文介紹了一種用單片機控制熱水鍋爐供熱的系統裝置。
一. 供暖系統的數學模型
對于供暖系統，環境溫度反映了需熱量，供水溫度反映了供熱量。供暖對系統的要求為：環境溫度低時，供水溫度高；環境溫度高時，供水溫度低。根據實踐經驗，建立供熱系統的控制數學模型如下：
95℃ < -10℃
上限 =
85℃ - -10℃≤ ≤15℃
75℃ < -10℃
T下限 =
65℃ - -10℃≤≤15℃
式中， T上限為供水上限溫度， T下限為供水下限溫度， 為環境溫度。
上式說明，環境溫度低于16 ℃時，每降低1℃，供水溫度上、下限升高1℃；環境溫度低于-10℃時，供水上限溫度為95℃，下限溫度為75℃。
供水上限溫度為停機溫度，在開機狀態下，當供水溫度達到上限溫度時系統停機。供水下限溫度為開機溫度，在停機狀態下，當供水溫度降至開機溫度時系統即開機。當環境溫度高于16℃時系統停機。供水溫度始終在上限溫度和下限溫度之間變化。
二. 硬件電路及其分析
用8051單片機構成的熱水鍋爐溫度控制電路如圖1所示。
此電路采用MCS-51系列的8051單片機控制。由于本系統所用的程序存儲空間不大，所以不用擴展外部存儲器。8051采用40引腳雙列直插封裝（DIP）方式。當然，不同芯片之間引腳功能也略有差異。8051單片機是高性能單片機，因為受到引腳數目的限制，所以有不少引腳具有第二功能，其中有些功能是8751芯片所專有的，引腳圖如圖2所示。
各引腳功能簡要說明如下：
電源引腳和
(40腳)：電源端，為+5V。
(20腳)：接地端。
時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2
XTAL2（18引腳）：接外部晶體和微調電容的 一端。在8051片內它是振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。若需采用外部時鐘電路時，該引腳輸入外時鐘脈沖。
要檢查8051的振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脈沖信號輸出即可。
XTAL1（19引腳）：接外部晶體和微調電容的另一端。在片內它是振蕩電路反相放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，該引腳必須接地。
3.控制信號引腳RST、ALE、和
RST/VPD (9腳)：RST是復位信號輸入端，高電平有效。當此輸入端保持兩個機器周期（24個時鐘振蕩周期）的高電平時，就可以完成復位操作。RST引腳的第二功能是VPD,即備用電源的輸入端。當主電源發生故障，降低到低電平規定值時，將+5V電源自動接入RST端，為RAM提供備用電源，以保證存儲在RAM中的信息不丟失，以使復電后能繼續正常運行。
ALE（30腳）：地址鎖存允許信號端。當8051上電正常工作后，ALE引腳不斷向外輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。CPU訪問片外存儲器時，ALE輸出信號作為鎖存低8位地址的控制信號。在CPU訪問片外數據存儲器時，每取指一次（一個機器周期）會丟失一個脈沖。
平時不訪問片外存儲器時，ALE端也以1/6的振蕩頻率固定輸出正脈沖，因而ALE信號可以用作對外輸出時鐘或定時信號。如果你想看一下8051芯片的好壞，可用示波器查看ALE端是否有脈沖信號輸出，如有脈沖信號輸出，則8051基本上是好的。
ALE端的負載驅動能力為8個LS型TTL負載。
（29腳）：程序存儲允許輸出端。在訪問片外程序存儲器時，此端定時輸出負脈沖作為讀片外存儲器的選通信號。此引腳接EPROM的端，端有效，即允許讀出EPROM/ROM中的指令碼。CPU在從外部EPROM/ROM取指期間，信號在每個機器周期（12個時鐘周期）中兩次有效。不過，在訪問片外RAM時，要少產生兩次負脈沖信號。
端同樣可驅動8個LS型TTL負載。
要檢查一個8051小系統上電后CPU能否正常到EPROM/ROM中讀取指令碼，也可用示波器看端有無脈沖輸出，如有，則說明基本上工作正常。
/（31腳）：外部程序存儲器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。
當引腳接高電平時，CPU只訪問EPROM/ROM并執行內部程序存儲器中的指令，但在PC的（程序計數器）值超過OFFFH（對8051/8751為4K）時，將自動轉向執行片外程序存儲器內的程序。
當輸入信號引腳接低電平（接地）時，CPU只訪問外部EPROM/ROM并執行外部程序存儲器中的指令，而不管是否有片內程序存儲器。如果外擴EPROM，必須接地。
此引腳的第二功能，是對8751片內EPROM固化編程時，作為施加較高編程電壓（一般21V）輸入端。
I/O端口P0、P1、P2和P3
P0口（P0.0～P0.7，32～39腳）：P0口是一個漏極開路的8位準雙向I/O口。作為漏極開路的輸出端口，每位能驅動8個LS型TTL負載。當P0口作為輸入口使用時，應先向鎖存器（地址80H）寫入全1，此時P0口的全部引腳浮空，可作為高阻抗輸入。做輸入口使用時要先寫入1，這就是準雙向的含義。
在CPU訪問片外存儲器時，P0口是分時提供8位地址和8位數據的復用總線。在此期間，P0口內部上拉電阻有效。
P1口（P1.0～P1.7，1～8腳）：P1口是一個帶內部上拉電阻的8位準雙向I/O口。P1口的每一位能驅動4個LS型TTL負載。
P1口作為輸入口使用時，應先向P1口鎖存器（地址90H）寫入全1，此時P1口引腳由內部上拉電阻拉成高電平。
P2口（P2.0～P2.7，21～28腳）：P2口是一個帶內部上不拉電阻的8位準雙向I/O口。P2口的每一位能驅動4個LS型TTL負載。在訪問片外EPROM/ROM時，它輸出高8位地址。
P3口（P3.0～P3.7，10～17腳）：P3口是一個帶內部上不拉電阻的8位準雙向I/O口。P3口的每一位能驅動4個LS型TTL負載。
P3口與其他I/O端口有很大區別，它除作為準雙向I/O口外，每個引腳還有專門的功能，見下表：
P3各口線與第二功能表
口 線 替代的第二功能
P3.0 RXD（串行口輸入）
P3.1 TDX（串行口輸出）
P3.2 （外部中斷0輸入）
P3.3 （外部中斷1輸入）
P3.4 T0（定時器0的外部輸入）
P3.5 T1（定時器1的外部輸入）
P3.6 （片外數據存儲器寫選通控制輸出）
P3.7 （片外數據存儲器讀選通控制輸出）
極限參數：
加電時環境溫度： 0℃～70℃
存儲溫度： -65℃～150℃
對的電壓： -0.5℃～7℃
各引腳對的電壓：-0.5℃～+0.5V
功耗： 2W
二.片內振蕩器及時鐘信號的產生
8051片內有一個高增益反相放大器,用于構成振蕩器。反相放大器及輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2，分別為8051的引腳19和18。在XTAL1和XTAL2兩端跨接石英晶體及兩個電容就構成了穩定的自激振蕩器，如圖1，電容C1和C2通常都取30pF左右，對振蕩器有微調作用。振蕩頻率范圍是1.2～12MHz。
8051也可以使用外部振蕩脈沖信號，由XTAL2端引腳輸入，直接送至內部時鐘電路。因為XTAL2的邏輯電平與TTL電平不兼容，所以應接一個上拉電阻（5.1K）。如圖2。
圖1 圖2
對于CHCOMS型80C51單片機，外部脈沖信號須從XTAL1端輸入，XTAL2端懸空。
外部振蕩脈沖源方式常用于多塊8051芯片同時工作，以便于同步。對外部脈沖信號只要求高低電平的持續時間大于20ns，一般為低于12MHz的方波。
晶體振蕩器的振蕩信號從XTAL2端輸出到片內的時鐘發生器上。時鐘發生器是一個二分頻觸發器電路，它將振蕩器的信號頻率除以2，向CPU提供了兩相時鐘信號P1和P2。時鐘信號的周期稱為機器狀態時間，它是振蕩周期的兩倍。每個時鐘周期有兩個節拍P1和P2，CPU就以兩相時鐘P1和P2為基本節拍指揮8051單片機各個部件協調地工作。
三.機器周期和指令周期
計算機的一條指令由若干個字節組成。執行一條指令需要多長時間則以機器周期為單位。所謂一個機器周期是指CPU訪問存儲器一次所需要的時間。例如取指令、讀存儲器、寫存儲器等等。有的微處理器系統對機器周期按其功能來命名，在MCS-51系統中沒有采用這種方法。
MCS-51的一個機器周期按包括12個振蕩周期，分為六個S狀態：S1～S6。而每個狀態又分為兩個節拍，稱為P1和P2。因此一個機器中的12個振蕩周期表示為S1P1、S1P2、S2P1、……S6P2。若采用6MHz晶體振蕩器，則每個機器周期恰好為2us。
每條指令都由一個或幾個周期組成。在MCS-51系統中，有單周期指令、雙周期指令和四周期指令。四周期指令只有乘、除兩條指令，其余都是單周期或雙周期指令。
指令的運算速度和它的機器周期數有直接的關系，機器周期數少則執行速度快。在編譯時要注意選用具有同樣功能而機器周期數少的指令。
四.CPU取指、執行周期時序
每一條指令的執行都可以包括取指和執行兩個階段。在取指階段，CPU從內部或外部ROM中取出指令操作碼及操作數，然后再執行這條指令的邏輯功能。
在8051指令系統中，根據各種操作的簡易程度，其指令可由單字節、雙字節和三字節組成。從機器執行指令的速度來看，單字節和雙字節指令都可能是單周期或雙周期，而三字節指令都是雙周期，只有乘、除指令占四個周期。此時，執行一條指令的時間（指令周期）分別為2us、4us和8us。
五. 復位及復位電路
復位引腳RST通過片內一個斯密特觸發器與片內復位電路相連。斯密特觸發器用來脈沖整形及抑制噪聲，其輸出在每個機器周期的S5P2時被復位電路采樣一次。如果輸出一定寬度的正脈沖，8051便執行內部復位。
8051一般上電就復位，振蕩器及時鐘發生器也同時開始工作，CPU的工作時序就從此開始了。復位后各片內特殊功能寄存器狀態如表2所示。
寄存器 內容
PC 0000H
ACC 00H
B 00H
PSW 00H
SP 07H
DPTR 0000H
P0～P3 FFH
IP **000000B
IE 0*000000B
TL0 00H
SCON 00H
表2
復位后。PC內容為0000H，使單片機從起始地址0000H單元開始執行程序。所以單片機運行出錯或進入死循環，可以按復位鍵重新啟動。
單片機的復位方式有上電復位和按鍵手動復位兩種。復位電路中的電阻、電容數值的設置，是為了保證在RST引腳處至少保持2個機器周期的高電平而完成復位過程的，也就是在斯密特觸發器的出入端維持在最低閾值電壓以上足夠長時間，使斯密特觸發器產生一個正脈沖。
上電復位電路如圖4。
上電瞬間,RST端的電位與Vcc相同,隨著充電電流的減小,RST端的電位逐漸減小,只要在RST處有時間足夠長的閾值以上的電壓時就能可靠復位.圖中參數適宜6MHz晶振.
按鍵手動復位電路見圖5。該電路是上述復位電路的另一個200Ω電阻和手動開關組成。實際上該電路是上電復位兼按鍵手動復位電路。當開關常開時，為上電復位電路；當常開按鍵閉合時，相當于RST端通過電阻與Vcc電源接通，提供足夠寬闊的閾值電壓完成復位。此電路為實用電路。
復位電路雖然簡單，但它的作用非常重要。一個單片機系統能否正常運行，首先要檢查是否能復位成功。初步檢查的方法，可用示波器探頭監視RST端，按下復位鍵看是否有足夠的幅度波形輸出，還可以通過改變阻容值進行實驗。
軟件設計及程序分析
整個程序包括兩個部分:主程序和內部中斷服務程序,內中斷由定時器T1溢出產生.程序中使用的寄存器的作用如下：
R0：寄存A的內容；R1：存放由ADC0809轉換的環溫；R2 ：存放由ADC0809轉換的水溫；R3：存放由R1內容查水溫下限表水溫；R4：存放由R1內容查水溫上限表得對應上限水溫；R5：存放定時器T1初始常數的低8位；R6：存放定時器T1初始常數的高8位；R7：當（R7）=00H，置（P1.1）=“0”（啟動排渣電機）；當（R7）=FFH，置
（P1.2）=“0”（啟動爐排電機和鼓風電機），初始狀態（R7）=00H。
PSW.5是用戶標志位，在次用戶作鍋爐電機啟、停狀態標志。軟件置“0”時，表示
電機處于停轉狀態；置“1”時，表示電機處于運轉狀態；從而控制程序的流向；初始狀
態PSW.5置：“0”。
主程序流程圖如圖1所示：
ADC0809
ADC也有兩大類：一類在電子線路中使用，不帶使能控制端；另一類帶有使能控制端，可和微機直接相連。ADC0809是一種8位逐次逼近式A/D轉換器，可以和微機直接接口。ADC0809的姐妹芯片是ADC0808，可以互相代換。
內部結構
ADC0809由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、256電阻階梯、樹狀開關、逐次逼近式寄存器SAR、控制電路和三態輸出鎖存等組成，如圖1：
⑴八路模擬開關及地址鎖存與譯碼器
八路模擬開關用于輸入IN0—IN7上八路模擬電壓。地址鎖存器和譯碼器在ALE信號控制下，可以鎖存ADDA、ADDB、ADDC上地址信息，經譯碼后控制IN0—IN7上哪一路模擬電壓送入比較器。例如：當ADDA、ADDB、ADDC上均為低電平0以及ALE為高電平時，地址鎖存器和譯碼器輸出使IN0上模擬電壓送到比較器輸出端。
（2）256電阻和樹狀開關
（3）逐次逼近寄存器和比較器
SAR在A/D轉換過程中存放暫態數字量，A/D轉換完成后存放數字量，并可送到“三態輸出鎖存器”。
A/D轉移前，SAR為全0。A/D轉換開始時，控制電路使SAR最高位為1，并控制樹狀開關的閉合和斷開，由此產生Vst送給比較器。比較器對輸入模擬電壓Vin和Vst進行比較。若
Vin＜Vst，則比較器輸出邏輯0而使SAR最高位由1變為0；若Vin≥Vst，則比較器輸出使SAR最高位保留1。此后，控制電路在保持最高位不變的情況下，依次對次高位、次次高位……最低位重復上述過程，就可以在SAR中得到A/D轉換完成后的數字量。
（4）三態輸出鎖存器和控制電路
三態輸出鎖存器用于鎖存A/D轉換完成后的數字量。CPU使OE引腳變為高電平就可以從“三態輸出鎖存器”取走A/D轉換后的數字量。
控制電路用于控制ADC0809的操作過程。
ADC0809采用雙插直列式封裝，共有28條引腳，如圖2所示，現分四組簡述如下：
引腳功能
圖二
IN0—IN7（8條）
IN0—IN7為8路模擬電壓輸入線，用于輸入被轉換的模擬電壓。
地址輸入和控制（4條）
ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，ADDA、ADDB、ADDC三條地址線上地址信號得以鎖存，經譯碼器后控制8路模擬開關工作。ADDA、ADDB、ADDC為地址輸入線，用于選擇IN0—IN7上哪一路模擬電壓送給比較器進行A/D轉換。ADDA、ADDB、ADDC對IN0—IN7的選擇表如表1所示。
數字量輸出及控制線（11條）
START為“啟動脈沖”輸入線，該線上正脈沖由CPU送來，寬度應大于100ns，上升沿清零SAR，下降沿啟動ADC工作。EOC為轉換結束輸出線，該線上高電平表示A/D轉換已結束，數字量已鎖入“三態輸出鎖存器”。
被選模擬電壓 ADDC ADDB ADDA
IN0 0 0 0
IN1 0 0 1
IN2 0 1 0
IN3 0 1 1
IN4 1 0 0
IN5 1 0 1
IN6 1 1 0
IN7 1 1 1
表1
電源線及其其它（5條）
CLOCK為時鐘輸入線，用于為ADC0809提供逐次比較所需640KHz的時鐘脈沖序列。Vcc為+5V電源輸入線，GND為地線。Vref（+）和Vref（-）為參考電壓輸入線，用于給電阻階梯網絡提供標準電壓。Vref常和Vcc相連，Vref常接地。
光電耦合
將單片機I/O口（或擴展接口）與外部開關量外接時，一般需要使用光電隔離技術使單片機系統電源與外部設備電源隔離，以提高系統抗干擾能力。光電藕合器件是把發光器件和光敏器件組合在一起，通過光線實現耦合，構成電--光—電的轉換器件，他由發光源和受光源兩部分組成并封裝在一不透明的管殼內。
光藕合器又稱光電隔離器,是計算
機測控領域中的常用器件。它能實現
輸入與輸出之間的隔離,三極管輸出的
光藕合器如下圖所示。
光藕合器的輸入端為發光二極管，輸出端為光敏晶體管。當發光二極管中通過一定的電流時發出一定的光，被光敏晶體管接收，使其導通。而當該電流撤去時，發光二極管熄滅，晶體管截止，利用這種特性達到開關控制的目的。不同的光電隔離器，其特性參數也有所不同。主要區別在：
導通電流和截止電流。對于開關量輸出場合。光隔離主要用其非線性輸出特性。當發光二極管通過一定電流If時,光隔離器輸出端處于導通狀態；而當流過發光二極管的電流小于某一電流時，光隔離器的輸出端截止。不同的光隔離器有不同的導通電流，這也決定了需采取的驅動方式，一般典型的導通電流值為10MA。
頻率響應。由于受發光二極管和光敏晶體管響應時間的影響，開關信號傳輸速度和頻率受光隔離器頻率特性的影響，因此在高頻信號傳輸中要考慮其頻率特性。在開關量輸出通道中，輸出信號一般較低，不會因隔離器的頻率特性而受影響。
輸出端工作電流。當光隔離器處于導通狀態時，通過光敏晶體管的電流若超過某個額定值，就可能使輸出端擊穿而導致光隔離器損壞，這個參數對于輸出接口非常重要。因為其工作電流值表示了該光電隔離器的驅動能力，一般來講，這個電流值在mA級，即使應用達林頓管輸出型，也不能直接驅動大型外設。因此，從光隔離器的輸出端 到外設之間通常還需要加若干級驅動電路。
輸出端暗電流。指當光電開關處于截止狀態時，經過開關發的電流。對光隔離器來講，此值應越小越好。為了防止由此引起的輸出端誤觸發，在接口電路設計時，應考慮該電流對輸出驅動電路的影響。
輸入輸出壓降。分別指發光二極管和光敏管導通時兩端的壓降，在接口電路設計時，也需注意這種壓降造成的影響。
隔離電壓。這是光電隔離器的一個重要參數，它表示了該光電隔離器對電壓的隔離能力。
提示：為實現輸入與輸出間的隔離，光藕合器的輸入端和輸出端不能公用電源，否則達不到隔離目的。
光藕合器的優點是能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾，從而使傳輸通道上的信噪比大大提高。光藕合器具有很強的抗干擾能力，原因是：
光藕合器的輸入阻抗較小，一般為100Ω～1KΩ間，而干擾源內阻很大，通常為～Ω，因此能分壓到光藕合器輸入端的燥聲很小。
干擾燥聲雖有較大的電壓幅度，但能量小，只能形成微弱電流，而光藕合器輸入部分的發光二極管是在電流狀態下工作，即使有很高電平副值的干擾，由于不能提供足夠的電流而被抑制掉。
光歐合器是在密封條件下實現輸入回路與輸出回路的光藕合，不會受到外界光的干擾。
輸入回路與輸出回路之間分布電容很小，一般僅為0.5—2PF，而且絕緣電阻很大，因此回路一邊的干擾很難通過光藕合器饋送到另一邊去。
繼電器：
繼電器方式的開關量輸出，是目前最常用的一種輸出方式，一般在驅動大型設備時，往往利用繼電器作為測控系統輸出到輸出驅動級之間的第一級執行機構，通過第一級繼電器輸出，可完成從低壓直流到高壓交流的過渡。
繼電器輸出也可用于低壓場合，與晶體管等低壓輸出驅動器相比，繼電器輸出時輸入端與輸出端有一定的隔離功能，但由于采用電磁吸合方式，在開關瞬間，觸電容易產生火花，從而引起干擾；對于交流高壓等場合使用，觸電也容易氧化；由于繼電器的驅動線圈有一定的電感，在關斷瞬間可能會產生較大的電壓，因此在對繼電器的驅動電路上常常反接一個保護二極管用于反向放電。
繼電器的主要電氣參數
各種繼電器的參數在生產廠產品手冊或產品說明書中都有說明，但一般只關心下列幾個主要電氣參數。
線圈電源和功率：指繼電器線圈電源是直流還是交流，以及線圈消耗的額定功率。一般用于微機控制系統的初級輸出，其驅動線圈常用支流型的。
額定工作電流或額定工作電壓：指繼電器正常工作時線圈需要的電壓或電流值，一般同一種型號的繼電器都有不同的額定工作電壓或額定工作電流，以適應不同電路的需求。
線圈電阻：它指繼電器線圈的電阻值。利用該值和額定工作電壓，就可知其額定工作電流，反之亦然。
吸合電壓或電流：它指繼電器能產生吸合動作的最小電壓或電流，其值一般為額定電壓或額定電流的75%左右。如JZC-21F/006-01H繼電器，其額定電壓為6V而吸合電壓為4.5V。一般來講，僅給繼電器加吸合電壓。其工作是不可靠的。
釋放電壓或電流：繼電器兩端的電壓減小到一定的數值時，繼電器就從吸合狀態轉變到釋放狀態，釋放電壓或電流是指產生釋放動作的最大電壓或電流，其值往往比吸合電壓小的多，因此繼電器類似于一種帶大回電壓的施密特觸發器。
接點負荷：指接點的負載能力。因為繼電器的接點在切換時電壓和電流值是有限的。一般同一型號的繼電器的接點負荷值都是相同的。
繼電器的選用
在選用繼電器時，一般應考慮下列因素：
繼電器額定工作電壓的選擇：其值應等于或小于繼電器線圈控制電路的電壓；在繼電器驅動時，考慮其額定工作電流是否在所設計的驅動電路輸出電流的范圍之內；必要時可增加一級驅動或一級中間繼電器。
接點負荷的選擇：根據所需驅動的外設，選擇合適的負荷，主要是從被驅動設備工作電壓的大小、類型和工作電流大小來考慮。
接點的數量和種類：同一系列的繼電器接點和接點類型可有不同，如有單刀雙峙、雙刀雙扎、三刀雙扎等類型�？筛鶕枰x擇，以充分利用各組節點，達到簡化控制線路、縮小體積的目的。
有關繼電器的體積、封裝形式、工作環境、絕緣能力以及吸合和釋放時間等因素，在繼電器選擇時也應一并考慮。在各種參數均能符合要求的情況下，選擇性能價格比高的產品。
傳感器
傳感器的主要作用是拾取外界信息。如同人類在從事各種作業和操作時，必須由眼睛、耳朵等五官獲取外界信息一樣，否則就無法進行有效地工作和正確操作。傳感器是測控系統中不可缺少的基礎部件。
1．傳感器的定義
傳感器的英文名字是“Sensor”，它來源于拉丁語“sense”意思是“感覺”、“知覺”等。傳感器的通俗定義可以說成“信息拾取的器件或裝置”。傳感器嚴格定義是：把被測量的量值形式（如物理量、化學量、生物量等）變換為另一種與之有確定對應關系、且便于計量的量值形式（通常是電量）的器件或裝置。它實現兩種不同形式的量值之間的變換，目的是為了計量、檢測。因此，除叫做傳感器外，也叫做換能器，兩者難以明確區分。
2.傳感器的構成
傳感器一般是由敏感元件、傳感元件和其他輔助元件組成，有時也將信號調節與轉換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分。如圖所示：
被測量 輸出量
傳感器的組成方塊圖
目前，利用先進的集成電路工藝技術，將敏感元件、傳感元件，甚至外圍電路集成于一體，構成所謂集成傳感器。它具有體積小、壽命長、可靠性高、功能強等優點，日益受到廣泛重視，是傳感器研究開發的一個重要方向。
3.溫度傳感器
溫度是表征物體冷熱程度的物理量。它與人類生活關系最為密切，是工業控制過程中的四大物理量（溫度、壓力和流量）之一，也是人類研究最早、檢測方法最多的物理量之一。溫度是物體冷熱程度的一種狀態量，各種不同的物體有著不同的溫度范圍。從總體來說，溫度分布范圍極寬，加上被測對象的繁雜多樣，雖然，測量溫度的傳感器種類很多，但至今還沒有一種溫度傳感器能夠覆蓋整個溫度范圍，而又能滿足一定的測量精度。只能根據不同的溫度范圍和不同的被測對象，適當的選擇不同的傳感器。不同類型的溫度傳感器是由各種材料雖溫度變化而改變某種特性來間接測量的，即不同類型的溫度傳感器具有不同的工作機理。例如，物體隨溫度變化而導致該物體的電阻、電容、熱電動勢、頻率或磁性能的變化，溫度與它們之間存在線形或非線形關系，因而通過測量電阻、電動勢或頻率等達到測量溫度的目的。隨著新科學和新技術的發展，人們揭示了新的機理或效應，新型溫度傳感器就會應運而生。根據統計，溫度傳感器的數量約占各種傳感器的一半左右。溫度傳感器的種類也是最多的。
溫度傳感器測量被測介質溫度的方式可分為兩大類：接觸式和非接觸式。測溫時使傳感器與被測物體直接接觸的稱為接觸式溫度傳感器。這類傳感器種類很多，如熱電偶、熱電阻、PN結等。傳感器與被測物體不接觸，而是利用被測物體的熱輻射或熱對流來測量的稱為非接觸式溫度傳感器，如紅外測溫傳感器等，它們通常用于高溫測量，如煉鋼煉鐵爐內溫度測量。
集成溫度傳感器
集成電路溫度傳感器是把溫度傳感器與放大電路等后續電路，利用集成化技術制作在同一芯片的功能器件。這種傳感器輸出信號大，與溫度有較好的線形關系、小型化、成本低、使用方便、測溫精度高，因此，得到了廣泛使用。
集成溫度傳感器按輸出量不同可分為電壓型和電流型兩種。其中，電壓型的靈敏度一般為10mV/℃,電流型的靈敏度為1uA/℃。本文所用美國AD公司的AD590集成溫度傳感器為電流型溫度傳感器，在一定的溫度下，它相當于一個恒流源，因此，它具有不易受接觸電阻、引線電阻、噪聲的干擾，能實現長距離傳輸的特點，同樣具有很好的線形特性。
AD590的主要特性如下：
電源電壓：4～30V。
工作溫度：-55～+150℃。
溫度靈敏系數：1uA/K。
重復性：±0.1℃。
長期漂移：±0.1℃/month。
輸出電壓：
+4V≤Vs＜+5V,0.5uA/V;
+5V≤Vs＜+15V,0.2uA/V;
+15V≤Vs≤+30V,0.1uA/V;
AD590的典型應用電路之一如圖5所示。
在圖五中所示，采用±9VDC電源供電。
當熱力學溫度為K時，電流為0uA，每升高1K，電流升高1uA。
當攝氏溫度為0℃時，電流為273uA，此時讓Vo=0V，則有
當攝氏溫度為50℃時，則有
Vo = （0.237+0.05）mA*33KΩ+(-9)V =10.659-9V =1.659V
AD590的典型應用電路之二入圖6所示；
圖五
圖六
在圖6中，A點為虛地，則有
I1 =12V/50 KΩ =0.24Ma
又因I3 =I1+I2
I3 =0.273Ma+△I3
所以 0.273mA+△I3 =0.24mA+ I2
I2 =0.033mA + △I3
△I3為溫升所對應產生的電流，則輸出Vo= I2R1=(0.033mA+△I3)R1
運算放大器
OP07
輸入失調電壓10uV，溫度漂移200V/℃，偏置電流700pA,轉換速率300mV/us，消耗電流2.5mA，±22V電源，輸入電壓±22V。引腳如圖所示：
8
OP07可用于熱電偶和熱電阻信號放大測量等。超低燥聲、高精度運算放大器還有OP27和OP37，引腳與OP07兼容。
A/D轉換器
A/D轉換器的選擇原則
A/D轉換是前向通道中的一個環節，并不是所有前向通道中都必須配備A/D轉換器。只有模擬量輸入通道，并且輸入計算機接口不是頻率量而是數碼量時，才用到A/D轉換器。因此，首先要確定前向通道結構方案。當確定使用A/D轉換器以后，按下列原則選擇A/D轉換器芯片。
⒈根據前向通道中的總誤差，選擇A/D轉換器精度及分辨率。數據采集的精度包括傳感器精度、信號調節電路精度和A/D轉換器精度。。應將綜合精度在各個環節上進行分配，以確定對A/D轉換器的精度要求，據此確定A/D轉換器的位數。
2.根據信號對象的變化率及轉換精度要求，確定A/D轉換器的轉換速度，以保證系統的實時性要求。對于快速信號要估計孔徑誤差以確定是否需要家采樣/保持電路。因為對快速信號采集時，為了保證有小的孔徑誤差常常要求有很高的轉換速度，則大大加高了A/D轉換器的成本，而且有時找不到告訴的A/D轉換芯片，故對快速信號必須考慮采樣/保持電路。
3.根據環境條件選擇A/D轉換芯片的一些環境參數要求，如工作溫度、功耗、可靠性等級等性能。
根據計算機接口特征，考慮如何選擇A/D轉換器的輸出狀態，例如，A/D轉換器是并行輸出還是串行輸出；是二進制還是BCD碼輸出；是用外部時鐘、內部時鐘還是不用時鐘；有無轉換結束狀態信號；與TTL、CMOS及ECL電路的兼容性；與微機接口是否易于連接等輸出功能。
其它，還要考慮到成本、資源、是否是流行芯片等因素。
7407驅動器
7407為集電極開路高壓輸出的六緩沖器/驅動器。
Y=A
引腳圖如下：
三. 軟件程序的編程及其分析
圖1 主程序流程圖
主程序啟動后，進入初始化程序，在初始化中主要完成各控制寄存器控制字的確定和參數的傳送等必要的初始準備工作。啟動ADC0809采集環溫，送R1保存，再次啟動ADC0809采集水溫，送R2保存。首先判斷環溫是否高于16 設施度，即是否（R1）=FFH由此決定是否停機。若（R1）不等于FFH，由PSW.5決定程序的流向。如（PSW.5）=“0”，由R1內容查水溫下限表，結果送R3保存。當R3<R2時，繼續采集水溫和環溫；當R3>R2時，PSW.5z置“0”（啟動引風電機），啟動定時器T1，PSW.5置“1”。如（PSW.5）=“1”，由R1內容查水溫上限表，送R4保存。當R4>R2時，繼續采集水溫和環溫；當R4<R2時，P1口置“0FH”（電機停止運轉），PSW.5置“0”。
當定時器T1定時時間（15min）到，進入中斷服務程序。程序首先判斷是否（R7）=“00H”。當（R7）=“00H時（啟動排渣電機），給T1送定時初始值，啟動定時器T1，置（R7）=“FFH”；當（R7）=“FFH”時，PSW.5置“0”（啟動爐排電機和鼓風電機），給T1送定時初始值，置（R7）=“00H”，返回主程序。
內部中斷程序流程圖如圖2所示；
TIM1 EQU 0CEH
TIM2 EQU 0CFH
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 0013H
AJMP TIME
ORG 0030H
;-------主程序----------------------------------------------
;-------ADC子程序要求由A選擇哪一路----------------------------
;-------R1放環溫R2放水溫-------------------------------------
MAIN: &n;
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