第1章緒論1.1課題背景及研究意義鍋爐是一種熱能轉換設備，老式的鍋爐由鍋和爐兩大主體和保證其安全經濟持續(xù)運行的附件，儀表附屬設備，自控和保護系統(tǒng)構成，水在鍋（鍋筒）中不停被爐里燃料燃燒釋放出來的能量加熱，溫度升高并產生帶壓蒸汽，由于水的沸點隨壓力的升高而升高，鍋是密封的，水蒸氣在里面的膨脹受到限制而產生壓力形成熱動力（嚴格的說鍋爐的水蒸氣是水在鍋筒中定壓加熱至飽和水再汽化形成的）作為一種能源廣泛使用。鍋爐廣泛用于生產和生活之中[1]。老式的鍋爐都使用燒煤的措施進行加熱，這種方式加熱不僅對空氣污染嚴重，并且在加熱時需要用人工進行燃料的運送與添加，一旦加入燃料過多，水溫會升的過快導致開鍋，嚴重時會導致鍋爐爆炸，導致人身財產的損害，對于目前國內的發(fā)展來說，很少有地區(qū)對此進行改善，而本設計提出一種新型的鍋爐加熱與壓力控制措施，真正實現無人操作，全自動加熱、控溫、節(jié)能環(huán)境保護，本設計摒棄老式的燃料加熱措施，而使用電熱的方式，這樣通過微控制器可以對水溫進行實時的控制，不僅節(jié)省能源，還能到達精確的溫度控制，在控制系統(tǒng)中又加入了壓力控制環(huán)節(jié)，這樣整個系統(tǒng)就到達了全自動智能化水平。根據國內實際狀況和環(huán)境保護上的考慮和規(guī)定，燃煤鍋爐由于污染并且效率不高，已經逐漸被淘汰；燃油和燃氣鍋爐也存在著燃料供應不以便和安全性等問題。因此在人口密集的居民區(qū)、旅館、醫(yī)院和學校，電加熱鍋爐完全能替代燃煤、燃油、燃氣鍋爐[2]。1.2鍋爐壓力監(jiān)控系統(tǒng)研究現實狀況1.2.1國外研究發(fā)展和現實狀況在國外，鍋爐的自動化控制從上世紀三、四十年代就開始了，當時大都為單參數儀表控制，進入上世紀五十年代后，美國、前蘇聯(lián)等國家都開始進行對鍋爐的操作和控制的深入研究。但由于當時科技發(fā)展的局限性，對鍋爐的控制重要停留在使用汽動儀表的階段，并且大多數鍋爐只是檢測工藝參數，不進行自動控制。到上世紀六十年代，在發(fā)達國家，鍋爐的控制重要以電動單元組合儀表檢測與控制，還是以檢測報警為主，控制為輔助功能。1.2.2國內研究發(fā)展和現實狀況在國內，由于經濟技術條件的限制，中小企業(yè)鍋爐設備水平一直比較落后，大多數中小型鍋爐水平基本上停留在手動和簡樸儀表操作的水平，80年代中后期，伴隨先進的控制技術引入我國的鍋爐控制，鍋爐的計算機控制得到了很大的發(fā)展。至90年代，鍋爐的自動化控制己成為一種熱門領域，運用單片機、可編程序控制器、工業(yè)計算機以及引進的國外控制設備開發(fā)的多種控制系統(tǒng)，己逐漸用于對原有鍋爐的技術改造中，并向與新建爐體配套的方向發(fā)展，許多新的控制措施，諸如最優(yōu)控制、自適應控制、模糊控制、神經網絡控制、專家控制等自動控制的最新成果也在鍋爐自動控制中得到了嘗試和應用.但由于控制技術單一，或控制算法的建模往往不能反應真實的鍋爐燃燒狀況，導致在工程實踐中并不怎么成功，不能產生很好的經濟效益，挫傷了顧客在工業(yè)鍋爐上用計算機進行控制的積極性。1.3鍋爐的應用鍋爐作為重要的動力設備，已廣泛應用于化工、煉油、發(fā)電等工業(yè)生產中，同步鍋爐又是工業(yè)生產及采暖供熱中一次能源轉換為二次能源的重要設備。從某種意義上講，鍋爐控制效果的好壞對企業(yè)的經濟效益和人民的生活質量有著直接的影響。由于鍋爐自身具有多輸入、多輸出并且各個參數之間還具有互相關聯(lián)性的特點，因此對鍋爐的控制一直是各國技術人員不停探索研究的一種重要課題。老式的鍋爐控制系統(tǒng)大多采用手動操作或儀表控制，控制精度低，生產效果差。操作者與管理層之間的通信基本上采用電話聯(lián)絡，管理層難于及時全面理解控制現場的狀況，信息不僅反饋時間長并且有遺漏，管理時效性差，企業(yè)的生產效益和經濟效益低，不能滿足企業(yè)的發(fā)展需要[3]。鍋爐參數監(jiān)控，是過程控制的經典實例。鍋爐微計算機控制，是近年來開發(fā)的一項新技術，它是微型計算機軟、硬件、自動控制、鍋爐節(jié)能等幾項技術緊密結合的產物，我國既有中、小型鍋爐30多萬臺，每年耗煤量占我國原煤產量的1/3，目前大多數工業(yè)鍋爐仍處在能耗高、揮霍大、環(huán)境污染等嚴重的生產狀態(tài)。提高熱效率，減少耗煤量，用微機進行控制是一件具有深遠意義的工作[4]。1.4本論文重要研究內容目前，世界計算機市場上出現了專門應用于工業(yè)控制的一系列單片機產品，單片機以其價格廉價、重量輕、體積小、功耗低、功能強的特點，在工業(yè)控制的現場應用中得到越來越廣泛的關注，單片機既可以完畢多種常規(guī)的控制，還可以充足運用控制理論的最新研究成果狀況下結合被控對象的特性，選擇愈加先進的控制措施，來獲得更好的控制效果。目前，由于家用鍋爐設備屬于批量制造生產，而一整套完備的控制系統(tǒng)是每臺鍋爐所必需的，針對小型鍋爐的這些特點，更結合產品的成產成本考慮，以單片機為關鍵器件構成的控制系統(tǒng)成為了最為理想的選擇。同步，單片機以其完備的控制功能、優(yōu)秀的運算能力、完善的外部接口電路等一系了特點，適應了中小型鍋爐控制系統(tǒng)需要。同步在選用外圍芯片時，應盡量考慮某些較為經典的、易于替代和擴展的電路和芯片，并建立在減少生產成本的前提下。傳感器重要選擇些基于單總線構造的ICSl220型壓力傳感器，使用以便，體積小，并且經濟實惠。系統(tǒng)在軟件這塊重要采用模塊化的程序構造。主程序作為控制程序，為整個系統(tǒng)軟件的一條主線，其他功能模塊均采用子程序調用、查詢等方式，這樣使得擴充和調試愈加以便。本次論文是由壓力傳感器檢測信號，然后由放大電路放大為0～5V電信號，再由A/D轉換電路將模擬信號轉換為數字信號，最終傳給單片機，當超過初始設定的上限值時，發(fā)生報警，提醒工作人員處理；當壓力低于初始設定的下限時同樣發(fā)生報警，提醒工作人員處理。

第2章系統(tǒng)總體設計2.1系統(tǒng)構造總框圖鍋爐壓力控制系統(tǒng)的主控部分由單片機構成。通過按鍵電路進行壓力報警值的設定，并對鍋爐的壓力進行采集及處理，然后與報警值比較，當壓力值不小于壓力上限(報警)值時就報警，停止加熱。當壓力少于壓力下限值時，發(fā)生報警，重新啟動進行加熱處理。以此反復對鍋爐壓力控制。同步為結合實際需要，本系統(tǒng)亦對鍋爐內氣壓進行控制。圖2-1所示是其系統(tǒng)構造框圖。壓力傳感器檢測壓力傳感器檢測INA128放大電路A/D模數轉換電路STC89C52單片機LCD1602顯示按鍵報警圖2-1系統(tǒng)構造總框圖壓力檢測：壓力檢測是用壓力傳感器檢測鍋爐內的氣壓，然后由傳感器將檢測到的壓力變?yōu)殡娦盘杺鞒鰜?。放大電路：由于由壓力傳感器傳出來的電信號不一定?～5V電信號，因此這里要做一種放大電路，就是將傳感器給出的電信號放大到對應的倍數，到達輸出電信號對應的伏數。A/D數模轉換：由于壓力傳感器輸出的是模擬信號，而單片機中接受的是數字信號，因此這時應當做一種A/D數模轉換電路，將壓力傳感器輸出的模擬電信號轉換為數字信號，然后傳送到單片機。按鍵：這里的按鍵就是用來設壓力上限值和下限值的。LCD1602顯示：這里要的是LCD1602液晶顯示屏。就是將壓力傳感器檢測到的壓力顯示但液晶顯示屏上。報警：本次設計采用的是蜂鳴器做報警電路，由壓力傳感器檢測到的壓力在LCD1602液晶顯示屏上，當壓力值超過設定的上限值時，要報警。提醒工作人員處理。當壓力不不小于下限值時，蜂鳴器同樣報警，提醒工作人員處理。STC89C52單片機：這里單片機是一種處理器作用。壓力傳感器接受到的信號傳給放大器，放大器將電信號放大后傳給A/D模數轉換，A/D模數轉換后傳給單片機，單片機通過處理傳給LCD1602液晶顯示屏上顯示出來。當超過上限值或下限值時，蜂鳴器發(fā)生報警，提醒工作人員處理。2.2本次設計方案的選擇本次設計是基于單片機的鍋爐壓力監(jiān)控系統(tǒng)設計，鍋爐壓力檢測的是鍋爐中氣壓的大小。通過壓力傳感器的作用給出一種電信號，然后給單片機，單片機給出一種信號，再LCD1602液晶顯示屏上顯示出來，當超過設定的壓力值，報警提醒，提醒工作人員處理。如下有兩種方案，從中選擇一種比較合理的方案。方案一：數字壓力傳感器是一種集成A/D轉換一起的壓力傳感器。數字壓力傳感器檢測到一種電信號，然后傳給單片機中，單片機通過處理顯示在LCD1602液晶顯示屏上，當超過設定的壓力值時，蜂鳴器報警，提醒工作人員處理。方案二：模擬量的壓力傳感器器ICS1220系列檢測鍋爐中的壓力，檢測到一種電信號，傳給INA128放大電路中，通過INA128放大電路放大輸出0～5V的電信號，然后進入A/D模數轉換，將輸入的模擬信號轉換為數字信號，然后再傳播給單片機中，然后單片機在LCD1602顯示屏中顯示出壓力，當壓力超過設定壓力值時，發(fā)生報警，提醒工作人員處理。比較這兩種方案，首先在學校里學到的知識諸多都是要做A/D轉換電路的，尚有諸多都是做模擬信號輸出的；另一方面，考慮到方案一種數字壓力傳感器的價格比較貴，那些都是工業(yè)上使用的壓力傳感器，并且作為學生考慮到有充足的資源。而模擬量的傳感器價格是比較廉價的，尚有ICS1220系列的傳感器是體積比較小的，用著也非常以便。最終，選擇模擬量的壓力傳感器的那種方案，故選擇方案二。

第3章硬件電路設計3.1單片機的選擇方案一：AT89C51是美國ATMEL企業(yè)生產的低電壓，高性能CMOS型8位單片機，器件采用ATMEL企業(yè)的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容原則MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元，功能強大。其片內的4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種單片機對開發(fā)設備的規(guī)定很低，開發(fā)時間也大大縮短。寫入單片機內的程序還可以進行加密，這又很好地保護我們的勞動成果。AT89C51目前的售價比8031低，市場供應也很充足。AT89C51可構成真正的單片機最小應用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增長系統(tǒng)的可靠性，減少系統(tǒng)的成本。只要程序長度不不小于4K，四個I/O口所有提供應顧客。可用5V電壓編程，并且擦寫時間僅需l0ms。AT89C51芯片提供三級程序存儲器加密，提供了以便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。PO口是三態(tài)雙向口，通稱數據總線口，由于只有該口能直接用于對外部存儲器的讀/寫操作[5]。方案二：STC89C52單片機的指令系統(tǒng)和AT89C51系列的完全兼容。AT89C51不帶ISP下載，要用下載器才行，STC89C52可以用你的USB轉串口下載，下載軟件可以到STC廠家網上去下。STC單片機執(zhí)行指令的速度很快，大概是AT的3～30倍，因此在AT上好使的程序在STC上不一定好用，最經典的例子就是那些對時序有嚴格規(guī)定的模塊，例如IIC，DS18B20、DS1302等的時序。再者，由于執(zhí)行速度的加緊，非定期器控制的精確延時也會受到一定影響，用STC時注意得加長延時，大概是AT的10～30倍。片機對工作環(huán)境的規(guī)定比較低，電壓低于5伏時仍然正常工作，甚至3伏到4伏之間都還可以工作，然而這樣的環(huán)境下AT肯定不行了，因此當一種系統(tǒng)用STC單片機好用，但用AT的單片機不工作時，直接查最小系統(tǒng)，看單片機的供電與否正常[6]。比較這兩種方案，由于在學校期間學過數字電路、單片機原理、C語言程序設計，綜合考慮單片機的各部分資源和作為學生可以獲得的資源，通過對比本次設計規(guī)定，我選擇用STC系列芯片完畢。并且學校也提供了對應的硬件操作平臺，實際操作起來比較以便，故STC為更合理的選擇。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。與工業(yè)80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash容許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有機靈的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的處理方案，如圖3-1所示。STC89C52具有如下原則功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定期器，2個數據指針，三個16位定期器/計數器，一種6向量2級中斷構造，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。此外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，容許RAM、定期器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保留，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一種中斷或硬件復位為止。重要性能：與MCS-51單片機產品兼容、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、1000次擦寫周期、全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz

、三級加密程序存儲器

、32個可編程I/O口線

、三個16位定期器/計數器八個中斷源、全雙工UART串行通道、低功耗空閑和掉電模式、掉電后中斷可喚醒、看門狗定期器、雙數據指針、掉電標識符。如圖3-1所示STC89C52單片機管腳圖。圖3-1STC89C52單片機圖GNE(20腳):接地。VCC（40腳）:主電源+5V。XTAL1（19腳）:接外部晶體的一端。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，對于HMOS單片機，該端引腳必須接地；對于CHMOS單片機，此引腳作為驅動端。XTAL2（18腳）:接外部晶體的另一端。在片內它是一種振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率是晶體振蕩頻率。若需采用外部時鐘電路，對于HMOS單片機，該引腳輸入外部時鐘脈沖；對于CHMOS單片機，此引腳應懸浮。RST（9腳）:單片機剛接上電源時，其內部各寄存器處在隨機狀態(tài)，在該腳輸入24個時鐘周期寬度以上的高電平將使單片機復位（RESET）。PSEN（29腳）:當訪問片外程序存儲器時，該端口輸出負脈沖信號作為存儲器讀選通信號。CPU在向片外存儲器取指令期間，PSEN信號在12個時鐘周期中會生效兩次。另首先，在訪問片外數據存儲器時，這兩次有效PSEN信號不會出現。PSEN端口能驅動8個LSTTL負載?？梢愿鶕SEN、ALE和XTAL2三個輸出端口與否有信號輸出，來判斷80C51與否處在工作狀態(tài)。ALE/PROG（30腳）:當訪問片外程序存儲器時，該端口輸出負脈沖信號作為存儲器讀選通信號。CPU在向片外存儲器取指令期間，PSEN信號在12個時鐘周期中會生效兩次。另首先，在訪問片外數據存儲器時，這兩次有效PSEN信號不會出現。ALE/PROG端同樣可驅動8個LSTTL負載。EA/VPP（31腳）:當EA端口輸入高電平時，CPU從片內程序存儲器地址0000H單元開始執(zhí)行程序。當地址超過4KB時，將自動執(zhí)行片外程序存儲器的程序。當EA端口輸入低電平時，CPU只訪問片外程序存儲器。在對87C51EPROM編程時，該引腳用于施加編程電壓VPP。輸入/輸出引腳：1.P0.0—P0.7(32腳—39腳)：P0口是一種漏極開路的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。P0口有三個功能：外部擴充存儲器時，當作地址總線（A1～A7）；不擴充時，可做一般I/O口使用，但內部沒有上拉電阻，作為輸入或輸出時應在外部接上拉電阻。2.P1.0—P1.7（1腳—8腳）：P1口是一種帶內部上接電阻的準雙向I/O口。P1的每一位能驅動4個LS型TTL負載。在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引腳由內部上接電阻接成高電平。P1.0和P1.1多了T/C2的復用。3.P2.0—P2.7（21腳—26腳）：P2口是一種帶內部上接電阻的8位準雙向I/O口。P2口每一位能驅動4個LS型TTL負載。P2口有兩個功能：擴充外部存儲器時，當作地址總線（A8~A15）使用。做一般I/O口使用，其內部有上拉電阻。4.P3.0—P3.7（10腳—17腳）：P3口是一種帶內部上接電阻的8位準雙向I/O口。P3口每一位能驅動4個LS型TTL負載。P3口與其他I/O口有較大區(qū)別，每個引腳還具有專門功能,除了作為I/O口使用外（內部有上拉電阻），尚有某些特殊功能，由特殊寄存器來設置。如表3-1所示。表3-1P3口的第二功能表接口第二功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD(串行輸出口)P3.2INT0(外部中斷0)P3.3INT1(外部中斷1)P3.4T0(計時器0外部輸入)P3.5T1(計時器1外部輸入)P3.6WR(外部數據存儲器寫選通)P3.7RD(外部數據存儲器讀選通)3.2單片機最小系統(tǒng)單片機最小應用系統(tǒng)，指的是用至少的元件構成的單片機并且可以正常工作的系統(tǒng)，對本次設計使用單片機來說，最小系統(tǒng)一般應當包括：單片機，晶振電路以及復位電路。如圖3-2所示。圖3-2單片機最小系統(tǒng)圖3.2.1晶振電路設計晶振值取12MHz(由于可以精確地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通訊的場所)。如下圖3-3所示。圖3-3晶振電路圖晶振是給單片機提供工作信號脈沖的，這個脈沖就是單片機的工作速度。例如12M晶振。單片機工作速度就是每秒12M。單片機內部也有晶振，接外部晶振可以獲得更穩(wěn)定的頻率。由于晶振與單片機的腳XTAL1和腳XTAL2構成的振蕩電路中會產生偕波(也就是不但愿存在的其他頻率的波),這個波對電路的影響不大,但會減少電路的時鐘振蕩器的穩(wěn)定性。為了電路的穩(wěn)定性起見,ATME企業(yè)只是提議在晶振的兩引腳處接入兩個10pf～50pf的瓷片電容接地來削減偕波對電路的穩(wěn)定性的影響,因此晶振所配的電容在10pf～50pf之間都可以的。因此圖中C2和C3電容為22pF，是有起振作用和削減偕波對電路的穩(wěn)定性的影響。3.2.2復位電路設計單片機上電后，在其9腳（RESET）出現24個振蕩周期以上的高電平后，單片機內部初始復位。為了保證單片機正常復位，必需使其第9腳上出現的高電平保持2μs以上。復位電路如圖3-4所示。圖3-4復位電路圖復位電路通電時，電容C1兩端相稱于短路，RESET引腳上為高電平，然后電源通過電阻R1對電容C1充電，RESET端電壓慢慢下降，降到一定電壓值如下，即為低電平，單片機開始正常工作。圖中的電阻R1起到一種限流作用。當按下復位按鍵的時候，為了防止電路中的電流過大，燒壞電路，因此加一種電阻R1，這樣有限制電流過大的作用。而電容C1是對電路進行濾噪和去耦，減少電源電壓波動的干擾和電路自身產生的噪聲對電路其他部分的影響。3.3放大電路設計INA128是低功耗高精度的通用儀表放大器它們通用的3運放3-opamp設計和體積小巧使其應用范圍廣泛反饋電流Current-feedback輸入電路雖然在高增益條件下(G=100時200kHz)也可提供較寬的帶寬，單個外部電阻可實現從1至10000的任一增益選擇INA128提供工業(yè)原則的增益等式gainequation。INA128用激光進行修正微調具有非常低的偏置電壓(50mV)溫度漂移0.5μV/℃和高共?？酥圃贕=100時120dB其電源電壓低至±2.25V且靜態(tài)電流只有700uA是電池供電系統(tǒng)的。理想選擇內部輸入保護能經受±40V電壓而無損壞，INA128的封裝為8引腳塑料DIP和SO-8表面襯底封裝規(guī)定溫度范圍為-40℃至+85℃，尚有對應的雙配置INA128[7]。INA128特性如下：1.低偏置電壓最大50μV；2.低溫度漂移最大0.5μV/℃；3.低輸入偏置電流最大5nA；4.高共模抵制CMR最小120dB；5.輸入保護至±40V；6.寬電源電壓范圍±2.25至±18V；7.低靜態(tài)電流700μA； 8.8引腳塑料DIP和SO-8封裝。INA128放大電路如下圖3-5所示。圖3-5INA128放大電路圖1、8腳跨接的電阻就是用來調整放大倍率，4、7腳需提供正負相等的工作電壓，2、3腳輸入要放大的電壓，并從6腳輸出放大的電壓值。5腳則是參照基準，假如接地，則6腳的輸出即為與地之間的相對電壓。圖中2、3管腳是輸入電壓管腳就是接ICS1220系列壓力傳感器輸出的電壓，1、8管腳接電阻R2為50千歐，這是一種放大倍數（也就是增益）。而INA128的4、7管腳接兩個電容C4和C5都是為0.1uF,這是對電路中電壓的穩(wěn)定，尚有對芯片INA128有保護作用。而6管腳就要接到A/D轉換電路上，起到一種輸出放大的電壓值。3.4A/D轉換電路設計PCF8591是一種單片集成、單獨供電、低功耗、8-bitCMOS數據獲取器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0,A1和A2可用于硬件地址編程，容許在同個I2C總線上接入8個PCF8591器件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數據信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳播[8]。

PCF8591的功能包括多路模擬輸入、內置跟蹤保持、8-bit模數轉換和8-bit數模轉換。PCF8591的最大轉化速率由I2C總線的最大速率決定。PCF8591特性如下：單獨供電；PCF8591的操作電壓范圍2.5V～6V；低待機電流；通過I2C總線串行輸入/輸出；PCF8591通過3個硬件地址引腳尋址；PCF8591的采樣率由I2C總線速率決定；4個模擬輸入可編程為單端型或差分輸入；自動增量頻道選擇；PCF8591的模擬電壓范圍從VSS到VDD；PCF8591內置跟蹤保持電路；8-bit逐次迫近A/D轉換器；通過1路模擬輸出實現DAC增益。PCF8591是具有I2C總線接口的8位A/D及D/A轉換器。有4路A/D轉換輸入，1路D/A模擬輸出。這就是說，它既可以作A/D轉換也可以作D/A轉換。A/D轉換為逐次比較型。引腳圖如下圖3-6所示。圖3-6PCF8591引腳圖AIN0～AIN3：模擬信號輸入端。A0～A3：引腳地址端。VDD、VSS：電源端(2.5～6V)。SDA、SCL：I2C總線的數據線、時鐘線。OSC：外部時鐘輸入端，內部時鐘輸出端。EXT：內部、外部時鐘選擇線，使用內部時鐘時EXT接地。AGND：模擬信號接地。AOUT：D/A轉換輸出端。VREF：基準電源端。PCF8591采用經典的I2C總線接口器件尋址措施，即總線地址由器件地址、引腳地址和方向位構成。飛利蒲企業(yè)規(guī)定A/D器件地址為1001。引腳地址為A2A1A0，其值由顧客選擇，因此I2C系統(tǒng)中最多可接23=8個具有I2C總線接口的A/D器件。地址的最終一位為方向位R，當主控器對A/D器件進行讀操作時為1，進行寫操作時為0?？偩€操作時，由器件地址、引腳地址和方向位構成的從地址為主控器發(fā)送的第一字節(jié)。因此PCF8951的A/D轉換電路如下圖3-7所示。圖3-7PCF8951A/D轉換電路圖PCF8951的A/D轉換電路中，是由PCF8951芯片中的數據線SDA和時鐘線SCL與所選的單片機連接的，他們分別接到單片機的P2.1、P2.0引腳上。而圖中的電位器可以不用連接，這只是一種調整芯片的。在PCF8951中控制字節(jié)用于實現器件的多種功能，如模擬信號由哪幾種通道輸入等。控制字節(jié)寄存在控制寄存器中?？偩€操作時為主控器發(fā)送的第二字節(jié)。其格式如下所示：其中：D1、D0兩位是A/D通道編號：00通道0，01通道1，10通道2，11通道3D2自動增益選擇（有效位為1），D5、D4模擬量輸入選擇：00為四路單數入、01為三路差分輸入、10為單端與差分派合輸入、11為模擬輸出容許有效。當系統(tǒng)為A/D轉換時，模擬輸出容許為0。模擬量輸入選擇位取值由輸入方式決定：四路單端輸入時取00，三路差分輸入時取01，單端與差分輸入時取10，二路差分輸入時取11。最低兩位時通道編號位，當對0通道的模擬信號進行A/D轉換時取00，當對1通道的模擬信號進行A/D轉換時取01，當對2通道的模擬信號進行A/D轉換時取10，當對3通道的模擬信號進行A/D轉換時取11。在進行數據操作時，首先是主控器發(fā)出起始信號，然后發(fā)出讀尋址字節(jié)，被控器做出應答后，主控器從被控器讀出第一種數據字節(jié)，主控器發(fā)出應答，主控器從被控器讀出第二個數據字節(jié)，主控器發(fā)出應答,一直到主控器從被控器中讀出第n個數據字節(jié)，主控器發(fā)出非應答信號，最終主控器發(fā)出停止信號。1.器件地址一般都使用的0X90，，就是把a1～a3都接地了。2.D2自動增益選擇（有效位為1）設定1的時候，可以持續(xù)讀出四個數據，就是四個通道的數據。3.啟動ad轉換的時候，緊接著讀出來的數據，不是目前的數據而是前一次保留的數據，因此可以根據需要來選擇是不是拋掉。4.持續(xù)讀數據（0x04）的時候你可以首先把第一種數據拋掉，然后持續(xù)讀出來5個數據就可以了，數據背面的4個就是需要的數據。5.可以進行DA轉換（0x40），轉化男的時候滿值255標示5V，0標示0V。6.數據符合I2C通訊模式。3.5按鍵電路設計按鍵在單片機應用系統(tǒng)中是一種很關鍵的部件，它能實現向單片機系統(tǒng)輸入數據、發(fā)送命令等功能，是人工干預單片機的重要手段。按鍵鍵控制有矩陣式和獨立式兩中。這次設計的按鍵是獨立式的，兩個按鍵的一種腳分別接到正5V電源上，此外兩個腳分別接到單片機的P1.1、P1.2引腳上。按鍵電路如下圖3-8所示。圖3-8按鍵電路圖對于鍵的識別，可以采用程序掃描的措施。考慮到本設計實際需要的按鍵較少，因此選擇采用獨立式按鍵接口電路。它是將每個獨立按鍵按一對一的方式直接接到單片機的I/O口上，通過程序掃描查詢方式實現與單片機系統(tǒng)交互的。在程序查詢方式下，通過I/O端口讀入按鍵狀態(tài)，當有按鍵按下時，對應的I/O端口變?yōu)榈碗娖剑@樣通過讀I/O口的狀態(tài)判斷與否有按鍵按下。而圖中這兩個按鍵是設鍋爐壓力上限和下限的，設計這個電路可以使下面的報警電路打下基礎[9]。3.6報警電路在壓力的檢測過程中報警電路是必不可少的，而在電路設計中就要一種蜂鳴器一種管腳接地，其他一種管腳與單片機連接這樣就可以實現，下圖中蜂鳴器一種腳接地，另一種腳接到單片機的P1.3引腳上。如下圖3-9所示。圖3-9報警電路圖在鍋爐壓力檢測中，我們設定一種上限值，一種下限值，當壓力傳感器檢測到鍋爐內的壓力不小于上限，然后通過放大電路，放大為0～5V電壓信號，再通過A/D轉換將模擬信號轉換為數字信號傳到單片機中，然后由單片機將信號給蜂鳴器，蜂鳴器這時候就響，然后報警，這樣就提醒工作人員要對鍋爐壓力進行處理了。反之，當壓力低于下限值時，會做同樣的處理。3.7壓力傳感器檢測設計壓力傳感器芯片的性能受溫度的影響非常大，重要體現為零點和敏捷度隨溫度變化而發(fā)生漂移。1220型是通過溫度賠償的硅壓阻式壓力傳感器，采用雙列直插封裝構造，合用規(guī)定成本低，性能優(yōu)越，長期穩(wěn)定性好的應用領域。通過激光修正的電阻實現了0～50℃的溫度賠償，還提供一種激光修正的電阻用于調整差動放大器的增益來校正傳感器的壓力敏捷度變化，使具有良好的互換性，互換性誤差僅為±1％。從0～2psi至0～100psi量程范圍內均有表壓，差壓和絕壓產品[10]。ICSl220系列具有如下長處：1.放大、校準和溫度賠償；2.多級壓力非線性修正；3.直接輸出經放大校準的模擬信號；4.輸出與輸入電壓成正比；5.溫補范圍為0～70℃，滿足絕大部分顧客的需求；6.有表壓、差壓和絕壓配置，有微壓和低壓等量程。ICSl220傳感器性能參數如下表3-2所示：表3-2ICS1220傳感器性能參數表參數最小值經典值最大值單位滿量程輸出49.55050.5mV零點輸出-22mV非線性-0.1±0.050.1％Span遲滯-0.5±0.010.05％Span輸入輸出電阻250044006000Ω量程溫度誤差-0.5±0.30.5％Span零點溫度誤差-0.5±0.10.5％Span零點熱遲滯±0.1％Span供電電壓1.235V響應時間1.0ms輸出噪音1.0μVp-p長期穩(wěn)定性±0.1％Span過載壓力3XRated賠償溫度050℃工作溫度-40+125℃貯存溫度-50+150℃重量3grams應變片可以將應變轉換為電阻的變化，為了顯示于記錄應變的大小，還要將電阻的變化再轉換為電壓或電流的變化，因此需要有專用的測量電路，一般采用直流電橋和交流電橋。壓力傳感器的電路如圖3-10所示。圖3-10ICS1220系列傳感器接線圖壓力傳感器在檢測壓力時，要接外加電路，這里壓力傳感器的1、3腳分別是信號輸出管腳，它們分別接到放大器INA128的2(IN-)、3(IN+)腳上，2、6腳接地腳，4、5腳是供電腳接到正五伏電壓上供電。由于應變片的電橋電路的輸出信號一般比較微弱，因此目前大部分電阻應變式傳感器的電橋輸出端與直流放大器相連電橋的輸出電壓于應變成線性關系。若相鄰兩橋臂的應變極性一致，即同為輸出電壓為兩者之差，若不一樣步，則輸出電壓為兩者之和。若相對兩橋臂的極性一直，輸出電壓為兩者之和，反之則為兩者之差。電橋供電電壓U越高，輸出電壓Uo越大[11]。3.8電源電路設計本次設計中應用的多種模塊都需要電源的供電，因此這里做一種USB供電的電路設計。在USB供電的電路中，電壓從VCCin進入然后通過一種電阻和一種LED燈回到接地。這里電阻選擇的是1K的電阻，這只是一種保護作用，尚有假如要以便斷開，這里可以加入一種自鎖開關，不過這里設計不加，只需要插供電的端口就可以直接亮了，并且，只要各個模塊需要供電的地方往這個USB供電電路中一插就可以實現各個模塊的供電了。尚有設計一種USB供電電路的好處防止各個模塊供電的比較多，屆時候插在供電端比較麻煩，得需要諸多的插座才能滿足，因此要設計一種USB供電電路。這里的電阻是保護LED燈的作用，防止那個LED燈被燒壞。如下圖3-11所示。圖3-11電源電路圖3.9LCD液晶顯示電路設計液晶顯示屏LCD（LiquidCrystalDisplay）廣泛應用于微型計算機系統(tǒng)中，與LED相比，具有功率低，抗干擾能力強，體積小，價格低廉等長處。此外，LCD在大小和形狀上愈加靈活，接口簡樸，不僅可以顯示數字、字符，并且可以顯示文字和圖形。字符和數字的簡樸顯示，不能滿足圖形曲線和文字顯示的規(guī)定。點陣式LCD不僅可以顯示字符、數字，還可以顯示多種圖形、曲線及文字，并且可以實現屏幕上下左右滾動、動畫、分區(qū)開窗口、反轉、閃爍等功能，用途十分廣泛。目前，伴隨液晶技術的突破，液晶顯示屏的質量有了很大的提高，品種也在不停推陳出新，不僅有多種規(guī)模的黑白液晶顯示屏，尚有絢麗多彩的彩色液晶顯示屏。在點陣式液晶顯示屏中，把控制驅動電路與液晶點陣集成在一起，構成一種顯示模組，可與八位微處理器接口直接連接，不僅使用以便，并且價格也比較廉價[12]。3.9.1LCD1602的引腳及接線1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位構成，每個點陣字符位都可以顯示一種字符，每位之間有一種點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正由于如此因此它不能很好地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。1602LCD是指顯示的內容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數字）。LCD1602(如下圖3-12所示)分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，與否帶背光在應用中并無差異[13]。LCD1602的重要技術參數：1.顯示容量:16×2個字符；2.芯片工作電壓:4.5～5.5V；3.工作電流:2.0mA(5.0V)；4.模塊最佳工作電壓:5.0V；5.字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm。圖3-12LCD1602接線圖LCD1602液晶顯示屏的接法是1、3、16腳接地；2、15角接正5V電源；剩余的4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14腳分別接到單片機的P2.4、P2.5、P2.6、P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7引腳上。其實LCD1602顯示屏的3管腳是接一種調光滑動變阻器的，不過這里選擇接地就是對比度最高。1602字符型LCD一般有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線。VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全同樣。LCD1602引腳接口如下：第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VL為液晶顯示屏對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一種10K的電位器調整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數據。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令[14]。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數據線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負極。3.9.2LCD1602的指令闡明及時序1602液晶模塊內部的控制器共有11條控制指令，如下表3-3所示。表3-31602控制指令表序號指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關控制0000001DCB5光標或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數據存貯器地址001顯示數據存貯器地址9讀忙標志或地址01BF計數器地址10寫數到CGRAM或DDRAM）10要寫的數據內容11從CGRAM或DDRAM讀數11讀出的數據內容1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現的。（闡明：1為高電平、0為低電平）。指令1：清顯示，指令碼01H,光標復位到地址00H位置。指令2：光標復位，光標返回到地址00H。指令3：光標和顯示模式設置I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移S:屏幕上所有文字與否左移或者右移。高電平表達有效，低電平則無效。指令4：顯示開關控制。D：控制整體顯示的開與關，高電平表達開顯示，低電平表達關顯示C：控制光標的開與關，高電平表達有光標，低電平表達無光標B：控制光標與否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。指令5：光標或顯示移位S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標。指令6：功能設置命令DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示F:低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符。指令7：字符發(fā)生器RAM地址設置。指令8：DDRAM地址設置。指令9：讀忙信號和光標地址BF：為忙標志位，高電平表達忙，此時模塊不能接受命令或者數據，假如為低電平表達不忙。指令10：寫數據。指令11：讀數據。3.9.3LCD1602的RAM地址映射及原則字庫表液晶顯示是一種慢顯示屏件，因此在執(zhí)行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表達不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符[15]。如下圖3-13是1602的內部顯示地址。圖3-13LCD1602內部顯示地址圖模塊的忙標志為低電平，表達不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，圖3-13是1602的內部顯示地址。在對液晶模塊的初始化中要先設置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時光標是自動右移的，無需人工干預。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊與否處在忙的狀態(tài)。1602液晶模塊內部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經存儲了160個不一樣的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一種字符均有一種固定的代碼，例如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。

第4章系統(tǒng)軟件設計4.1系統(tǒng)總流程圖的設計由于模塊化程序的設計，通過調用程序即可實現所用功能，寫程序時，調用程序前即系統(tǒng)運行首要先對系統(tǒng)進行初始化。然后對按鍵進行掃描，對按鍵事件做出對應的反應。接下來看接受數據，然后數據處理，再判斷壓力值與否超過設定的壓力值，要與否還得返回按鍵值那從新操作，假如超過設定壓力值，這時蜂鳴器報警。接著返回來循環(huán)。根據所畫的原理圖(如附錄1所示)設計出如下程序流程圖。主程序流程圖如圖4-1所示。開始開始系統(tǒng)初始化取按鍵值按鍵值處理數據處理否是與否超過壓力設定值？接受數據蜂鳴器報警圖4-1主程序流程圖4.2壓力檢測程序流程圖設計如圖4-2為壓力檢測主程序流程圖，單片機先初始化，啟動放大電路和A/D轉換，等待傳感器接受的檢測數據，單片機計算與否接受完畢，如是等待放大電路和A/D轉換，如否返回繼續(xù)等待接受。放大電路和A/D接受與否完畢，如是計算符合報警條件否，如否則返回。報警檢測如是則啟動報警，如否則顯示成果。最終返回。單片機初始化單片機初始化啟動放大電路和A/D轉換等待接受檢測數據接受完畢？等待信號放大和A/D轉換信號放大和A/D轉換完畢？符合報警條件？輸出成果啟動報警是否是否是否返回圖4-2信號檢測流程圖4.3外部中斷程序流程圖如圖4-3所示為外部中斷子程序流程圖，首先要設定外部中段入口，然后關閉外部中斷，下一步單片機讀取壓力值，輸出成果，然后外部開中斷，最終返回。外部中斷入外部中斷入關外部中斷輸出成果讀取壓力值開外部中斷返回圖4-3外部中斷流程圖

第5章系統(tǒng)分析與調試5.1程序編寫的思緒該系統(tǒng)重要是由壓力傳感器給一種信號，然后將這個信號處理后，轉給放大器中，通過放大后的電壓值，再傳給A/D轉換電路中，通過A/D轉換后傳給單片機中，而單片機給LCD1602液晶顯示屏中，在LCD1602中我們要定義如下子函數：LCD1602液晶寫命令子函數、LCD1602液晶寫數據子函數、LCD1602液晶初始化子函數。而最終超過壓力上限值時，給與報警。程序清單如附錄2所示。5.2程序開發(fā)和燒錄本設計是在KeilC環(huán)境下開發(fā)的，KeilC軟件支持C語言的編程及調試，運用以便，是做C語言畢業(yè)設計者的首選。設計的首要任務是安裝和學習使用這個軟件，在簡樸的學習和理解KeilC后，我們便可在此環(huán)境下開始了對帶錄音功能的電子琴的設計工作。在編譯完KeilC后，再運用STC_ISP_V480軟件燒錄到開發(fā)板上，實現實物與程序的連接。KeilC程序運行如圖5-1所示。圖5-1KeilC運行圖在編譯完KeilC后，再運用STC_ISP_V480軟件燒錄到開發(fā)板上，實現實物與程序的連接。在燒錄前要對STC_ISP_V480進行某些必要的設置。第一步：設置MCUType為STC89C52RC；第二步：打開編寫好并編譯的程序文獻，它是以.hex為后綴的文獻；第三步：選擇對應的COM端口，（可在我的電腦的設備管理處查看COM選項）；第四步：點擊Download下載，等提醒。請給MCU上電時，打開開發(fā)板上的開關，它就自行燒錄了。如下圖5-2所示。圖5-2程序燒錄運行圖在完畢對程序的調試及燒錄之后，還需要對其進行演示，把開發(fā)板與電腦連上，設置好對應的接口，完畢供電及下載。按下按鍵在設定上限值和設定好下限值，然后在鍋爐中檢測壓力值，當檢測到壓力時，將信號傳給放大器，放大器將電壓值放大為0～5V，然后啟動A/D轉換電路將模擬信號轉換為數字信號，這時將這個信號傳給單片機，然后單片機通過處理給液晶顯示屏，將這個壓力值顯示在液晶顯示屏上，要是超過設定的上限值，單片機會給一種信號給報警電路，報警電路接受后就發(fā)生報警，這時提醒工作人員要對鍋爐內的壓力進行處理了。就是到達這種效果以告誡這次畢業(yè)設計的成功。5.3系統(tǒng)的調試和分析本設計的程序采用的是C程序設計，C語言的明顯特點是用二進制來編寫程序,程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此之間互相獨立。這種構造化方式可使程序層次清晰,

便于使用、維護以及調試。C語言是以函數形式提供應顧客的,這些函數可以便的調用,并具有多種循環(huán)、條件語句控制程序流向,從而使程序完全構造化。雖然C語言也是強類型語言，但它的語法比較靈活，容許程序編寫者有較大的自由度。系統(tǒng)調試包括硬件調試和軟件調試，并且兩者是密不可分的。我們設計好的硬件電路和軟件程序，只有通過聯(lián)合調試，才能驗證其對的性；軟硬件的配人狀況以及