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小型熱水鍋爐單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)(一)
前言
隨著信息科學(xué)技術(shù)和微電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是針對測控特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的微控制器出現(xiàn)，把單片機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶到了一個嶄新的領(lǐng)域，依靠自己的技術(shù)力量來構(gòu)成一個計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，是廣大非計(jì)算機(jī)硬件專業(yè)的工程技術(shù)人員夢寐以求愿望。只有在單片機(jī)芯片技術(shù)取得令人驚嘆的今天，這個夢想才得以實(shí)現(xiàn)。由于單片機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅需要單片機(jī)方面的基礎(chǔ)知識，而且還需要諸如傳感器、儀表、信號檢測、自動控制、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測控對象建模、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)字通信等專業(yè)知識，因此本設(shè)計(jì)對小型熱水鍋爐單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)作了全面的介紹。
本設(shè)計(jì)共分5章。第一章介紹了
小型熱水鍋爐單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)
摘要：本文介紹了用8051單片機(jī)構(gòu)成的小型熱水鍋爐溫度控制的最小系統(tǒng)，主要包括數(shù)學(xué)模型的建立、硬件電路的設(shè)計(jì)及其分析和軟件程序的編程及其分析。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；溫度控制系統(tǒng)；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(fèi)電，費(fèi)人力。為解決這個問題，本文介紹了一種用單片機(jī)控制熱水鍋爐供熱的系統(tǒng)裝置。
一. 供暖系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
對于供暖系統(tǒng)，環(huán)境溫度反映了需熱量，供水溫度反映了供熱量。供暖對系統(tǒng)的要求為：環(huán)境溫度低時，供水溫度高；環(huán)境溫度高時，供水溫度低。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建立供熱系統(tǒng)的控制數(shù)學(xué)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(huán)境溫度。
上式說明，環(huán)境溫度低于16 ℃時，每降低1℃，供水溫度上、下限升高1℃；環(huán)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(jī)溫度，在開機(jī)狀態(tài)下，當(dāng)供水溫度達(dá)到上限溫度時系統(tǒng)停機(jī)。供水下限溫度為開機(jī)溫度，在停機(jī)狀態(tài)下，當(dāng)供水溫度降至開機(jī)溫度時系統(tǒng)即開機(jī)。當(dāng)環(huán)境溫度高于16℃時系統(tǒng)停機(jī)。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(jī)構(gòu)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(jī)控制。由于本系統(tǒng)所用的程序存儲空間不大，所以不用擴(kuò)展外部存儲器。8051采用40引腳雙列直插封裝（DIP）方式。當(dāng)然，不同芯片之間引腳功能也略有差異。8051單片機(jī)是高性能單片機(jī)，因?yàn)槭艿揭_數(shù)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(diào)電容的 一端。在8051片內(nèi)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(diào)電容的另一端。在片內(nèi)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(fù)位信號輸入端，高電平有效。當(dāng)此輸入端保持兩個機(jī)器周期（24個時鐘振蕩周期）的高電平時，就可以完成復(fù)位操作。RST引腳的第二功能是VPD,即備用電源的輸入端。當(dāng)主電源發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)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(fù)電后能繼續(xù)正常運(yùn)行。
ALE（30腳）：地址鎖存允許信號端。當(dāng)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(shù)據(jù)存儲器時，每取指一次（一個機(jī)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(fù)載驅(qū)動能力為8個LS型TTL負(fù)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(fù)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(jī)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(chǎn)生兩次負(fù)脈沖信號。
端同樣可驅(qū)動8個LS型TTL負(fù)載。
要檢查一個8051小系統(tǒng)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(dāng)引腳接高電平時，CPU只訪問EPROM/ROM并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令，但在PC的（程序計(jì)數(shù)器）值超過OFFFH（對8051/8751為4K）時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲器內(nèi)的程序。
當(dāng)輸入信號引腳接低電平（接地）時，CPU只訪問外部EPROM/ROM并執(zhí)行外部程序存儲器中的指令，而不管是否有片內(nèi)程序存儲器。如果外擴(kuò)EPROM，必須接地。
此引腳的第二功能，是對8751片內(nèi)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(zhǔn)雙向I/O口。作為漏極開路的輸出端口，每位能驅(qū)動8個LS型TTL負(fù)載。當(dāng)P0口作為輸入口使用時，應(yīng)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(zhǔn)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(shù)據(jù)的復(fù)用總線。在此期間，P0口內(nèi)部上拉電阻有效。
P1口（P1.0～P1.7，1～8腳）：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口。P1口的每一位能驅(qū)動4個LS型TTL負(fù)載。
P1口作為輸入口使用時，應(yīng)先向P1口鎖存器（地址90H）寫入全1，此時P1口引腳由內(nèi)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(nèi)部上不拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口。P2口的每一位能驅(qū)動4個LS型TTL負(fù)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(nèi)部上不拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口。P3口的每一位能驅(qū)動4個LS型TTL負(fù)載。
P3口與其他I/O端口有很大區(qū)別，它除作為準(zhǔn)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(shù)據(jù)存儲器寫選通控制輸出）
P3.7 （片外數(shù)據(jù)存儲器讀選通控制輸出）
極限參數(shù)：
加電時環(huán)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(nèi)振蕩器及時鐘信號的產(chǎn)生
8051片內(nèi)有一個高增益反相放大器,用于構(gòu)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(gòu)成了穩(wěn)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(diào)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(nèi)部時鐘電路。因?yàn)閄TAL2的邏輯電平與TTL電平不兼容，所以應(yīng)接一個上拉電阻（5.1K）。如圖2。
圖1 圖2
對于CHCOMS型80C51單片機(jī)，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(xù)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(nèi)的時鐘發(fā)生器上。時鐘發(fā)生器是一個二分頻觸發(fā)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(jī)器狀態(tài)時間，它是振蕩周期的兩倍。每個時鐘周期有兩個節(jié)拍P1和P2，CPU就以兩相時鐘P1和P2為基本節(jié)拍指揮8051單片機(jī)各個部件協(xié)調(diào)地工作。
三.機(jī)器周期和指令周期
計(jì)算機(jī)的一條指令由若干個字節(jié)組成。執(zhí)行一條指令需要多長時間則以機(jī)器周期為單位。所謂一個機(jī)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(tǒng)對機(jī)器周期按其功能來命名，在MCS-51系統(tǒng)中沒有采用這種方法。
MCS-51的一個機(jī)器周期按包括12個振蕩周期，分為六個S狀態(tài)：S1～S6。而每個狀態(tài)又分為兩個節(jié)拍，稱為P1和P2。因此一個機(jī)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(jī)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(tǒng)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(yùn)算速度和它的機(jī)器周期數(shù)有直接的關(guān)系，機(jī)器周期數(shù)少則執(zhí)行速度快。在編譯時要注意選用具有同樣功能而機(jī)器周期數(shù)少的指令。
四.CPU取指、執(zhí)行周期時序
每一條指令的執(zhí)行都可以包括取指和執(zhí)行兩個階段。在取指階段，CPU從內(nèi)部或外部ROM中取出指令操作碼及操作數(shù)，然后再執(zhí)行這條指令的邏輯功能。
在8051指令系統(tǒng)中，根據(jù)各種操作的簡易程度，其指令可由單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)組成。從機(jī)器執(zhí)行指令的速度來看，單字節(jié)和雙字節(jié)指令都可能是單周期或雙周期，而三字節(jié)指令都是雙周期，只有乘、除指令占四個周期。此時，執(zhí)行一條指令的時間（指令周期）分別為2us、4us和8us。
五. 復(fù)位及復(fù)位電路
復(fù)位引腳RST通過片內(nèi)一個斯密特觸發(fā)器與片內(nèi)復(fù)位電路相連。斯密特觸發(fā)器用來脈沖整形及抑制噪聲，其輸出在每個機(jī)器周期的S5P2時被復(fù)位電路采樣一次。如果輸出一定寬度的正脈沖，8051便執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位。
8051一般上電就復(fù)位，振蕩器及時鐘發(fā)生器也同時開始工作，CPU的工作時序就從此開始了。復(fù)位后各片內(nèi)特殊功能寄存器狀態(tài)如表2所示。
寄存器 內(nèi)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(fù)位后。PC內(nèi)容為0000H，使單片機(jī)從起始地址0000H單元開始執(zhí)行程序。所以單片機(jī)運(yùn)行出錯或進(jìn)入死循環(huán)，可以按復(fù)位鍵重新啟動。
單片機(jī)的復(fù)位方式有上電復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種。復(fù)位電路中的電阻、電容數(shù)值的設(shè)置，是為了保證在RST引腳處至少保持2個機(jī)器周期的高電平而完成復(fù)位過程的，也就是在斯密特觸發(fā)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(fā)器產(chǎn)生一個正脈沖。
上電復(fù)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(fù)位.圖中參數(shù)適宜6MHz晶振.
按鍵手動復(fù)位電路見圖5。該電路是上述復(fù)位電路的另一個200Ω電阻和手動開關(guān)組成。實(shí)際上該電路是上電復(fù)位兼按鍵手動復(fù)位電路。當(dāng)開關(guān)常開時，為上電復(fù)位電路；當(dāng)常開按鍵閉合時，相當(dāng)于RST端通過電阻與Vcc電源接通，提供足夠?qū)掗煹?a target="_blank" title="閾">閾值電壓完成復(fù)位。此電路為實(shí)用電路。
復(fù)位電路雖然簡單，但它的作用非常重要。一個單片機(jī)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，首先要檢查是否能復(fù)位成功。初步檢查的方法，可用示波器探頭監(jiān)視RST端，按下復(fù)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
軟件設(shè)計(jì)及程序分析
整個程序包括兩個部分:主程序和內(nèi)部中斷服務(wù)程序,內(nèi)中斷由定時器T1溢出產(chǎn)生.程序中使用的寄存器的作用如下：
R0：寄存A的內(nèi)容；R1：存放由ADC0809轉(zhuǎn)換的環(huán)溫；R2 ：存放由ADC0809轉(zhuǎn)換的水溫；R3：存放由R1內(nèi)容查水溫下限表水溫；R4：存放由R1內(nèi)容查水溫上限表得對應(yīng)上限水溫；R5：存放定時器T1初始常數(shù)的低8位；R6：存放定時器T1初始常數(shù)的高8位；R7：當(dāng)（R7）=00H，置（P1.1）=“0”（啟動排渣電機(jī)）；當(dāng)（R7）=FFH，置
（P1.2）=“0”（啟動爐排電機(jī)和鼓風(fēng)電機(jī)），初始狀態(tài)（R7）=00H。
PSW.5是用戶標(biāo)志位，在次用戶作鍋爐電機(jī)啟、停狀態(tài)標(biāo)志。軟件置“0”時，表示
電機(jī)處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)；置“1”時，表示電機(jī)處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；從而控制程序的流向；初始狀
態(tài)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(jī)直接相連。ADC0809是一種8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和微機(jī)直接接口。ADC0809的姐妹芯片是ADC0808，可以互相代換。
內(nèi)部結(jié)構(gòu)
ADC0809由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、256電阻階梯、樹狀開關(guān)、逐次逼近式寄存器SAR、控制電路和三態(tài)輸出鎖存等組成，如圖1：
⑴八路模擬開關(guān)及地址鎖存與譯碼器
八路模擬開關(guān)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(jīng)譯碼后控制IN0—IN7上哪一路模擬電壓送入比較器。例如：當(dāng)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(guān)
（3）逐次逼近寄存器和比較器
SAR在A/D轉(zhuǎn)換過程中存放暫態(tài)數(shù)字量，A/D轉(zhuǎn)換完成后存放數(shù)字量，并可送到“三態(tài)輸出鎖存器”。
A/D轉(zhuǎn)移前，SAR為全0。A/D轉(zhuǎn)換開始時，控制電路使SAR最高位為1，并控制樹狀開關(guān)的閉合和斷開，由此產(chǎn)生Vst送給比較器。比較器對輸入模擬電壓Vin和Vst進(jìn)行比較。若
Vin＜Vst，則比較器輸出邏輯0而使SAR最高位由1變?yōu)?；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(fù)上述過程，就可以在SAR中得到A/D轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)字量。
（4）三態(tài)輸出鎖存器和控制電路
三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)字量。CPU使OE引腳變?yōu)楦唠娖骄涂梢詮摹叭龖B(tài)輸出鎖存器”取走A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)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(xiàn)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(zhuǎn)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(dāng)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(jīng)譯碼器后控制8路模擬開關(guān)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADDA、ADDB、ADDC對IN0—IN7的選擇表如表1所示。
數(shù)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(yīng)大于100ns，上升沿清零SAR，下降沿啟動ADC工作。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出線，該線上高電平表示A/D轉(zhuǎn)換已結(jié)束，數(shù)字量已鎖入“三態(tài)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(wǎng)絡(luò)提供標(biāo)準(zhǔn)電壓。Vref常和Vcc相連，Vref常接地。
光電耦合
將單片機(jī)I/O口（或擴(kuò)展接口）與外部開關(guān)量外接時，一般需要使用光電隔離技術(shù)使單片機(jī)系統(tǒng)電源與外部設(shè)備電源隔離，以提高系統(tǒng)抗干擾能力。光電藕合器件是把發(fā)光器件和光敏器件組合在一起，通過光線實(shí)現(xiàn)耦合，構(gòu)成電--光—電的轉(zhuǎn)換器件，他由發(fā)光源和受光源兩部分組成并封裝在一不透明的管殼內(nèi)。
光藕合器又稱光電隔離器,是計(jì)算
機(jī)測控領(lǐng)域中的常用器件。它能實(shí)現(xiàn)
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(fā)光二極管，輸出端為光敏晶體管。當(dāng)發(fā)光二極管中通過一定的電流時發(fā)出一定的光，被光敏晶體管接收，使其導(dǎo)通。而當(dāng)該電流撤去時，發(fā)光二極管熄滅，晶體管截止，利用這種特性達(dá)到開關(guān)控制的目的。不同的光電隔離器，其特性參數(shù)也有所不同。主要區(qū)別在：
導(dǎo)通電流和截止電流。對于開關(guān)量輸出場合。光隔離主要用其非線性輸出特性。當(dāng)發(fā)光二極管通過一定電流If時,光隔離器輸出端處于導(dǎo)通狀態(tài)；而當(dāng)流過發(fā)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(dǎo)通電流，這也決定了需采取的驅(qū)動方式，一般典型的導(dǎo)通電流值為10MA。
頻率響應(yīng)。由于受發(fā)光二極管和光敏晶體管響應(yīng)時間的影響，開關(guān)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(guān)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(dāng)光隔離器處于導(dǎo)通狀態(tài)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(dǎo)致光隔離器損壞，這個參數(shù)對于輸出接口非常重要。因?yàn)槠涔ぷ麟娏髦当硎玖嗽摴怆姼綦x器的驅(qū)動能力，一般來講，這個電流值在mA級，即使應(yīng)用達(dá)林頓管輸出型，也不能直接驅(qū)動大型外設(shè)。因此，從光隔離器的輸出端 到外設(shè)之間通常還需要加若干級驅(qū)動電路。
輸出端暗電流。指當(dāng)光電開關(guān)處于截止?fàn)顟B(tài)時，經(jīng)過開關(guān)發(fā)的電流。對光隔離器來講，此值應(yīng)越小越好。為了防止由此引起的輸出端誤觸發(fā)，在接口電路設(shè)計(jì)時，應(yīng)考慮該電流對輸出驅(qū)動電路的影響。
輸入輸出壓降。分別指發(fā)光二極管和光敏管導(dǎo)通時兩端的壓降，在接口電路設(shè)計(jì)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(shù)，它表示了該光電隔離器對電壓的隔離能力。
提示：為實(shí)現(xiàn)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(dá)不到隔離目的。
光藕合器的優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)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(nèi)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(fā)光二極管是在電流狀態(tài)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(shí)現(xiàn)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(guān)量輸出，是目前最常用的一種輸出方式，一般在驅(qū)動大型設(shè)備時，往往利用繼電器作為測控系統(tǒng)輸出到輸出驅(qū)動級之間的第一級執(zhí)行機(jī)構(gòu)，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(qū)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(guān)瞬間，觸電容易產(chǎn)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(qū)動線圈有一定的電感，在關(guān)斷瞬間可能會產(chǎn)生較大的電壓，因此在對繼電器的驅(qū)動電路上常常反接一個保護(hù)二極管用于反向放電。
繼電器的主要電氣參數(shù)
各種繼電器的參數(shù)在生產(chǎn)廠產(chǎn)品手冊或產(chǎn)品說明書中都有說明，但一般只關(guān)心下列幾個主要電氣參數(shù)。
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(jī)控制系統(tǒng)的初級輸出，其驅(qū)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(yīng)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(chǎn)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(shù)值時，繼電器就從吸合狀態(tài)轉(zhuǎn)變到釋放狀態(tài)，釋放電壓或電流是指產(chǎn)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(fā)器。
接點(diǎn)負(fù)荷：指接點(diǎn)的負(fù)載能力。因?yàn)槔^電器的接點(diǎn)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(diǎn)負(fù)荷值都是相同的。
繼電器的選用
在選用繼電器時，一般應(yīng)考慮下列因素：
繼電器額定工作電壓的選擇：其值應(yīng)等于或小于繼電器線圈控制電路的電壓；在繼電器驅(qū)動時，考慮其額定工作電流是否在所設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路輸出電流的范圍之內(nèi)；必要時可增加一級驅(qū)動或一級中間繼電器。
接點(diǎn)負(fù)荷的選擇：根據(jù)所需驅(qū)動的外設(shè)，選擇合適的負(fù)荷，主要是從被驅(qū)動設(shè)備工作電壓的大小、類型和工作電流大小來考慮。
接點(diǎn)的數(shù)量和種類：同一系列的繼電器接點(diǎn)和接點(diǎn)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�(jù)需要選擇，以充分利用各組節(jié)點(diǎn)，達(dá)到簡化控制線路、縮小體積的目的。
有關(guān)繼電器的體積、封裝形式、工作環(huán)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(yīng)一并考慮。在各種參數(shù)均能符合要求的情況下，選擇性能價(jià)格比高的產(chǎn)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(yè)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(jìn)行有效地工作和正確操作。傳感器是測控系統(tǒng)中不可缺少的基礎(chǔ)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(yán)格定義是：把被測量的量值形式（如物理量、化學(xué)量、生物量等）變換為另一種與之有確定對應(yīng)關(guān)系、且便于計(jì)量的量值形式（通常是電量）的器件或裝置。它實(shí)現(xiàn)兩種不同形式的量值之間的變換，目的是為了計(jì)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(qū)分。
2.傳感器的構(gòu)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(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)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(jìn)的集成電路工藝技術(shù)，將敏感元件、傳感元件，甚至外圍電路集成于一體，構(gòu)成所謂集成傳感器。它具有體積小、壽命長、可靠性高、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，日益受到廣泛重視，是傳感器研究開發(fā)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(guān)系最為密切，是工業(yè)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(tài)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(jù)不同的溫度范圍和不同的被測對象，適當(dāng)?shù)倪x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(jī)理。例如，物體隨溫度變化而導(dǎo)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(guān)系，因而通過測量電阻、電動勢或頻率等達(dá)到測量溫度的目的。隨著新科學(xué)和新技術(shù)的發(fā)展，人們揭示了新的機(jī)理或效應(yīng)，新型溫度傳感器就會應(yīng)運(yùn)而生。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，溫度傳感器的數(shù)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(zhì)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(jié)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(nèi)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(xù)電路，利用集成化技術(shù)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(guān)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(dāng)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(shí)現(xiàn)長距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，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(shù)：1uA/K。
重復(fù)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(yīng)用電路之一如圖5所示。
在圖五中所示，采用±9VDC電源供電。
當(dāng)熱力學(xué)溫度為K時，電流為0uA，每升高1K，電流升高1uA。
當(dāng)攝氏溫度為0℃時，電流為273uA，此時讓Vo=0V，則有
當(dāng)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(yīng)用電路之二入圖6所示；
圖五
圖六
在圖6中，A點(diǎn)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(yīng)產(chǎn)生的電流，則輸出Vo= I2R1=(0.033mA+△I3)R1
運(yùn)算放大器
OP07
輸入失調(diào)電壓10uV，溫度漂移200V/℃，偏置電流700pA,轉(zhuǎn)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(yùn)算放大器還有OP27和OP37，引腳與OP07兼容。
A/D轉(zhuǎn)換器
A/D轉(zhuǎn)換器的選擇原則
A/D轉(zhuǎn)換是前向通道中的一個環(huán)節(jié)，并不是所有前向通道中都必須配備A/D轉(zhuǎn)換器。只有模擬量輸入通道，并且輸入計(jì)算機(jī)接口不是頻率量而是數(shù)碼量時，才用到A/D轉(zhuǎn)換器。因此，首先要確定前向通道結(jié)構(gòu)方案。當(dāng)確定使用A/D轉(zhuǎn)換器以后，按下列原則選擇A/D轉(zhuǎn)換器芯片。
⒈根據(jù)前向通道中的總誤差，選擇A/D轉(zhuǎn)換器精度及分辨率。數(shù)據(jù)采集的精度包括傳感器精度、信號調(diào)節(jié)電路精度和A/D轉(zhuǎn)換器精度。。應(yīng)將綜合精度在各個環(huán)節(jié)上進(jìn)行分配，以確定對A/D轉(zhuǎn)換器的精度要求，據(jù)此確定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。
2.根據(jù)信號對象的變化率及轉(zhuǎn)換精度要求，確定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度，以保證系統(tǒng)的實(shí)時性要求。對于快速信號要估計(jì)孔徑誤差以確定是否需要家采樣/保持電路。因?yàn)閷焖傩盘柌杉瘯r，為了保證有小的孔徑誤差常常要求有很高的轉(zhuǎn)換速度，則大大加高了A/D轉(zhuǎn)換器的成本，而且有時找不到告訴的A/D轉(zhuǎn)換芯片，故對快速信號必須考慮采樣/保持電路。
3.根據(jù)環(huán)境條件選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片的一些環(huán)境參數(shù)要求，如工作溫度、功耗、可靠性等級等性能。
根據(jù)計(jì)算機(jī)接口特征，考慮如何選擇A/D轉(zhuǎn)換器的輸出狀態(tài)，例如，A/D轉(zhuǎn)換器是并行輸出還是串行輸出；是二進(jìn)制還是BCD碼輸出；是用外部時鐘、內(nèi)部時鐘還是不用時鐘；有無轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號；與TTL、CMOS及ECL電路的兼容性；與微機(jī)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(qū)動器
7407為集電極開路高壓輸出的六緩沖器/驅(qū)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(jìn)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(shù)的傳送等必要的初始準(zhǔn)備工作。啟動ADC0809采集環(huán)溫，送R1保存，再次啟動ADC0809采集水溫，送R2保存。首先判斷環(huán)溫是否高于16 設(shè)施度，即是否（R1）=FFH由此決定是否停機(jī)。若（R1）不等于FFH，由PSW.5決定程序的流向。如（PSW.5）=“0”，由R1內(nèi)容查水溫下限表，結(jié)果送R3保存。當(dāng)R3<R2時，繼續(xù)采集水溫和環(huán)溫；當(dāng)R3>R2時，PSW.5z置“0”（啟動引風(fēng)電機(jī)），啟動定時器T1，PSW.5置“1”。如（PSW.5）=“1”，由R1內(nèi)容查水溫上限表，送R4保存。當(dāng)R4>R2時，繼續(xù)采集水溫和環(huán)溫；當(dāng)R4<R2時，P1口置“0FH”（電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)），PSW.5置“0”。
當(dāng)定時器T1定時時間（15min）到，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。程序首先判斷是否（R7）=“00H”。當(dāng)（R7）=“00H時（啟動排渣電機(jī)），給T1送定時初始值，啟動定時器T1，置（R7）=“FFH”；當(dāng)（R7）=“FFH”時，PSW.5置“0”（啟動爐排電機(jī)和鼓風(fēng)電機(jī)），給T1送定時初始值，置（R7）=“00H”，返回主程序。
內(nèi)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(huán)溫R2放水溫-------------------------------------
MAIN: &n;
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