锅炉温度监测系统毕业设计.doc

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1、摘要锅炉作为一种重要的热能动力和主要的能源转换设备，在工业和民用取暖方面应用广泛。温度是现代工业中一个非常重要的技术参数，对于锅炉来说也是一个非常重要的参数，尤其是对于冬季供暖来说，温度尤为重要。随着工业技术的发展，传统燃煤锅炉在温度的检测与控制方面不能实现自动化控制，不能使燃料得到合理利用的不足越来越明显。并且，随着各种以清洁燃料的锅炉的不断发展，对于燃煤型的锅炉的改造要求也在不断提高。本设计针对传统锅炉设计的温度监测系统，是将通过热电偶采集到的锅炉炉膛温度信号，经过放大滤波以及模数信号转换等处理后，把温度信号传递给单片机，由单片机对采集到的信号做相应处理。同时，通过时钟芯片显示时间点。在电

2、路设计中，为了提高测温精度，需要对热电偶进行冷端补偿，以弥补热电偶冷端处于室温环境时造成的误差。在软件设计过程中，利用数字滤波进一步对干扰信号滤波处理温度值，同时采用PID算法实现对炉膛温度的控制。关键词：锅炉；单片机；热电偶；温度信号ABSTRACTBoiler as an important and primary energy for thermal energy and power conversion equipment, widely used in industrial and civil heating. Temperature is a very important tech

3、nical parameter in modern industry, is also a very important parameter for boiler, especially for winter heating, the temperature is particularly important. With the development of industrial technology, the traditional coal-fired boiler in terms of temperature detection and control cant achieve aut

4、omatic control, cant make reasonable use of the fuel shortage is more and more obvious. And, with the continuous development of all kinds of boiler clean fuels, the reconstructive requirement for coal fired boiler has been improved.Traditional temperature monitoring system, boiler design, the author

5、 of this paper is to put the boiler furnace were collected by thermocouple temperature signal, after amplification of filtering and module of signal conversion, the temperature signals to single chip microcomputer, by single-chip microcomputer to do corresponding processing to the collected signals.

6、 At the same time, the point in time by the clock chip. In circuit design, in order to improve the precision of temperature measurement, need to cold junction compensation of thermocouple, to make up the error resulted from the thermocouple cold end at room temperature environment. In the process of

7、 software design, the use of digital filter further to interfere with the signal filtering processing temperature, at the same time, using PID algorithm to realize the control of the furnace temperature.Key words：Boiler; Single chip microcomputer; Thermocouple; The temperature signalI目录前言11. 绪论21.1

8、问题提出21.2 检测对象的选择21.3系统的总体设计思想32. 系统硬件电路设计52.1 热电偶传感器52.1.1 热电偶的种类以及热电势52.1.2 热电偶测温原理62.1.3 本设计热电偶选择72.2单片机系统硬件电路72.2.1单片机选择72.2.2 AT89C52简介72.2.3 时钟电路102.2.4 复位电路112.2.5 单片机最小系统112.3冷端补偿122.4信号放大电路部分设计132.5 信号选通电路162.6 A/D转换电路172.6.1 A/D转换原理172.6.2 AD7705芯片功能介绍182.6.3 A/D转换电路202.7 液晶显示电路212.7.1 LCD1

9、602液晶简介212.7.2 LCD1602液晶电路222.8时钟芯片电路232.9 稳压电源电路设计252.10 报警与控制电路262.10.1 报警部分262.10.2 按键部分272.10.3 控制部分272.11 串口通信283. 系统软件设计313.1 软件总体设计313.2 部分子程序模块设计323.2.1 液晶显示子程序设计323.2.2 时钟芯片子程序设计333.2.3 按键程序设计343.3 数字滤波353.3.2数字滤波程序框图373.4 PID控制算法383.4.1PID算法简介383.4.2 PID算法流程图404. 结论41致谢42参考文献43附录A 总体电路图45附

10、录B:外文文献及译文45附录C 程序清单56辽宁工程技术大学毕业设计（论文）前言作为一种热能转换设备，锅炉在生产和生活中被广泛使用。本设计锅炉温度监测系统是根据燃煤锅炉的发展趋势，针对锅炉炉膛温度进行检测并做出相应的控制，以达到使燃料合理燃烧的目的。本设计是将检测到的信号经过处理后传送给单片机，单片机将检测到的温度信号显示出来并做出相应控制动作，单片机也将同时显示对应时间，已到达对温度的监测和控制目的。随着国民经济的发展，我国的锅炉产业取得了长足的进步，目前已经可以生产多种压力等级和容量的锅炉，成为世界上锅炉生产和使用最多的国家。同时，轻工纺织、能源化工、钢铁煤炭以及集中供热等相关产业的迅速发

11、展给锅炉产业得来了更广阔的发展空间和发展动力。进入21世纪以来，环境污染与能源短缺也成了人类当前共同面临的世纪性难题。“十二五”计划中也阐述了关于绿色发展，建设资源节约型、环境友好型社会的规划。我国逾50万台工业锅炉中绝大部分是燃煤锅炉，每年耗煤量将近全国总耗煤量的30% 。但同时，由于我国对于锅炉设备研究的缓慢，导致工业锅炉的效率只有西方国家的80%左右。相对于一些民用锅炉如供热锅炉，由于成本及设备要求等原因，燃烧效率普遍低于国家规定标准，使锅炉长期处于高能耗、高污染、低负荷的生产状态。未来工业锅炉产品市场发展除了受国民经济的发展速度和投资规模等因素影响外，随着能源供应结构的变化和节能环保要

12、求日益严格，越来越受到能源政策和节能、环保要求的制约，锅炉行业也将面临更大范围的淘汰和改造趋势。随着社会各方对锅炉城市建设规模的不断扩大，城市民用热化和集中供热事业的发展，冬季采用供热锅炉集中供热的方式越来越普遍，体现出生产生活用热源越来越显示出其独特的优越性，以及广阔的采暖锅炉市场前景。温度检测系统在现代工业设计、工程建设及日常生活中的应用越来越广泛，温度检测系统的应用和作用也体现到了各个方面。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。本设计就是利用单片机对温度进行检测与控制的。1. 绪论1.1 问题提出温度是现代工业中一个非常重要的技术参数。锅炉

13、是一种通过燃料燃烧释放热能或工业生产过程中的余热传递给工质（多数情况下为水），使工质升温达到所需要的温度甚至转变成为具有所需要热力学参数的热水或一定压力蒸汽的换热设备。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需热能，也可通过发电机将机械能转换为电能。随着生产力的发展和对锅炉各方面的参数要求的不断提高，对锅炉温度的检测与控制要求也不断提高。如果锅炉的温度过高，那么将会产生锅炉爆炸的危险。如果，锅炉的温度过低，将无法达到生产和生活的要求。因此，对锅炉温度的监测与控制是十分重要的。1.2 检测对象的选择本设计主要以燃煤式锅炉，主要用于供暖方面的供暖锅炉为背景。供暖锅炉又称供热锅炉，主要

14、应用于城市小区冬季集中供暖中。供暖锅炉的工艺流程如图1-1所示。锅炉设备按工作流程可分为三个部分：煤的燃烧控制设备、烟气排放设备和水循环控制设备。由于本设计系统准要是针对锅炉的温度进行设计的，所以只针对燃烧控制设备做进一步的温度检测与控制部分的设计。图1-1 锅炉工艺流程图Figure 1-1 boiler process flow diagram炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。煤的燃烧控制设备包括给煤机、链条炉排、鼓风机、空气预热器等，如图1-1所示，炉排转速和鼓风机转速决定锅炉燃烧热量。而锅炉燃烧的热量不仅与锅炉中的水的温度有关，也同时反映了燃烧室中燃料煤的燃烧状态。如果炉膛内的温度过

15、高，一方面会导致水温升高，导致锅炉内压力增强。另一方面会为煤灰的结焦创造条件，不利于煤的燃烧。反之，当炉膛温度过低时，不仅水温不会达到生产与生活的要求，也表明燃料煤没有充分燃烧。因此，本设计选择锅炉炉膛温度为检测对象，又因为炉排转速和鼓风机转速决定锅炉燃烧热量，故选择在炉排转速一定的条件下，对鼓风机送风情况进行控制，以最简单可行的自动控制办法来完成实现对锅炉温度的检测与控制。1.3系统的总体设计思想由于我国的基本国情与资源现状决定了在未来相当长的时间内，燃煤型锅炉仍将是我国锅炉的主导产品。为了提高燃煤锅炉的效率，本设计采用K型热电偶测量锅炉炉膛温度，以通过锅炉炉膛内的温度值的大小判断炉膛内的燃

16、烧情况。并且，由于热电偶采集到的温度信号值一般较小并且为模拟信号，不利于单片机对温度信号进行处理。故由热电偶采集到的温度信号要经过放大，滤波，以及A/D转换等一系列的处理后在传送到单片机内。根据系统的应用要求以及使用情况等方面因素综合，选择采用AT89C52单片机作为主控芯片。输入到单片机的温度信号经过数字滤波程序部分进行进一步的软件滤波，使处理过的温度信号更加准确，尽最大可能减少杂波的携带，增加准确度。经过数字滤波后的温度信号，通过PID计算，去除由于延时所造成的误差，使系统更加稳定。经过处理后的温度值会显示在1602液晶屏幕上。除此之外，经过处理之后的温度信号将会通过串口向上位机进行数据的

17、传输，以方便工作人员对温度值进行观察和记录。由于时间关系，本设计将不设计上位机的有关软件设计。由于锅炉炉膛的温度与燃烧方和煤质等有关，一般温度控制在9001100较为合适。超过1200，燃料中的灰大多呈现液态或软化状态，原因是煤的灰熔点一般在1200一下。本设计中将温度控制在9001000之间，当炉膛的温度低于900时，开启送风口，使空气可以进入锅炉的燃烧室，达到助燃的目的。当温度高于1000时，关闭送风口，相当于起到减少助燃剂的目的。由于锅炉燃烧室内的空气量减少，支持燃烧的氧气减少，从而燃料不再继续过度燃烧，燃烧室的温度将降低。当温度降低到低于900时，送风口再次打开，如此反复循环控制温度。

18、并且，当温度超过1000时，报警器将响起，提醒工作人员温度过高。工作人员可以通过警铃取消按键关闭报警。系统整体原理框图如图1-2。图1-2 系统原理框图Figure 1-2 system principle block diagram2. 系统硬件电路设计本设计系统的硬件电路由热电偶测温，信号处理部分，单片机最小系统部分以及液晶显示等部分组成。本章将对系统各部分电路进行介绍并且说明选件原因及应用原理。2.1 热电偶传感器2.1.1 热电偶的种类以及热电势温度测量中使用的传感器有热膨胀温度传感器、热电偶、辐射式温度仪表、石英温度传感器等几种常见的类型。热电偶因其成本低，结构简单，坚固耐用等特点被

19、广泛应用在各种温度控制现场。热电偶是由两种不同的金属焊接一起构成的，它是热电效应的具体应用。热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并且把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测对象的温度。热电偶的基本结构是热电极，绝缘材料和保护管，在工作现场多与显示仪表，记录仪表或者计算机等一起使用。在现场使用中根据具体环境，被测对象等多种因素研制成适合各种环境的热电偶。热电偶可以简单分为装配式热电偶，这种铠装式的热电偶和特殊形式热电偶。按具体使用环境可细分有耐高温热电偶，耐磨热电偶，耐腐热电偶，耐高压热电偶，隔爆热电偶，循环硫化床用热电偶，阳极焙烧炉用热电偶，高温热风炉用热电偶，汽化炉用热电偶，渗

20、碳炉用热电偶，高温盐浴炉用热电偶，铜、铁及钢水用热电偶，真空炉用热电偶，铂铑热电偶等多种。热电偶又分为两大类，标准热电偶和非标准热电偶。标准热电偶是指国家规定了其热电势与温度的关系，允许误差，并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其相应配套的显示仪表可供选用。非标准热电偶是指使用范围或数量级上均不及标准热电偶，它一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊的场合的测量。 我国从1988年起，热电偶和热电阻全部按照IEC国际标准进行生产，并指定 S、B、E、K、R、J、T 七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。热电偶的分度号有主要有 S、R、B、N、K、E、J、T 等几种。其中 S、R、B 属于贵金

21、属热电偶，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。热电偶的测温机理是基于塞贝克于发现的温差电现象，又称第一热电效应。第一热电效应是指由于两种不同的导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压的现象。具体的说，是两种金属A、B组成闭合回路，若两金属两端节点的温度不同，则会在电路中产生温差电动势，既为塞贝克电动势。在塞贝克之后，珀尔帖和汤姆逊也分别对这一现象做了实验研究，得出了塞贝克效应是接触电动势和温差电动势综合作用的结果。基于此理论，得到了热电偶回路中热电势的计算公式如下式所示： (2-1)式中，表示热电偶的两端A（所处温度为 T）、B（所处温度为）的热电势，K为波尔兹曼常数，e为电子电荷， 、为

22、材料 A、B的自由电子密度，它们都是温度 t 的函数。其中，称为热电偶的塞贝克系数。由（2-1）式可知，热电偶的热电势和单位体积中自由电子数、以及两接点温度T、有关。、取决于热电偶的材料特性，而且随温度变化而变化。组成热电偶两电极A、B 的材料确定后，其总电动势成为温度T和的函数差即： (2-2)式(2-2)即为热电偶测温的理论公式。一般的，取=0作为热电偶冷端的温度值，理论上讲，对于一个固定的热电偶，其热电动势与温度值呈现一一对应的关系。因此，可将热电势与温度T的函数关系通过实验数据制成分度表，这样，只要测得热电动势，通过计算就可得到被测温度T。2.1.2 热电偶测温原理由式（2-2）可以看

23、出，热电动势是热电偶两端温度函数的差。若取为一定值，例如0，则热电动势与待测温度T 呈现一定的线性关系。我们可以直接通过测量热电动势来获得待测温度T。但实际上由于热电动势的变化一般只有几十uV/（K型热电偶约为41uV/），这样微小的信号很难直接测量出来，需要对热电动势进行放大处理后，利用电压测量工具获得放大后的电动势，然后通过电路计算放大倍数，求出热电偶热电势的大小进而求出温度值T。2.1.3 本设计热电偶选择本设计采用的是 K 型热电偶（镍铬-镍硅热电偶）作为温度传感器。K 型热电偶是目前用量较大的廉金属热电偶。正极（KP）的名义化学成分为Ni：Cr=90：10，负极（KN）的名义化学成分

24、为Ni：Si=97：3，工作温度范围为-2001300。K型热电偶具有线性度好、热电动势较大（约为41uV/）、灵敏度高、稳定性和均匀性较好、抗氧化性能强、价格便宜等优点，引入的误差最大不超过 0.6能用于氧化性惰性气氛中。因此K型热电偶被广泛的应用。2.2单片机系统硬件电路2.2.1单片机选择在本设计中，考虑到系统的功能需求以及目前市场上的单片机使用情况，并与单片机学习情况相结合。本设计采用AT89C52单片机进行设计AT89C52 是ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机。片内含8K的 byTES的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256 位byTES 的随机存取数

25、据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH由存储单元，功能强大。AT89C52单片适用于许多较为复杂控制应用场合。2.2.2 AT89C52简介主要性能参数：与Mcs-51产品指令和引脚完全兼容。2）8字节可重擦写FLASH闪速存储器3）1000 次擦写周期4）全静态操作：0HZ-24MHZ5）三级加密程序存储器6）2568字节内部RAM7）32个可编程I/0口线8）3个16 位定时/计数器9）8个中断源10）可编程串行UART通道11）低功耗空闲和掉电模功能引脚说明

26、：1） Vcc：电源电压2) GND：地3) P0：P0口是一组8位漏极开路型双向1/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时。每位能吸收电流的方式驱动8个TTL 逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在FLASH由编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节。校验时，要求外接上拉电阻。4) P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉

27、到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。5) P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑电路。对端口P2写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。6) P3口：P3口是一组带有内

28、部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除了作为一般的I/0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表2-1所示。此外，P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序校验的控制信号。表2-1 P3口第二功能表Table 2-1 P3 function in the second table端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口P3.1TXD（串行输出口P3.2INT0（外中断0P3.3INT1（外中断l)P3.4T0（定时

29、/计数器0 )P3.5T1（定时/计数器l )P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）7) RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。8) ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。9) PSEN：程序储存允许PSEN输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，

30、当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。10) EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。11) XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端12) XTAL1：振荡器反相放大器的输出端。图2-1为AT89C52单片机的引脚图。图2-1 AT89C52引脚图Figure 2-1 AT89C52

31、 pin drawing2.2.3 时钟电路AT89C52的时钟可由内部产生也可以由外部产生。在本设计中只采用了内部产生，利用芯片内部振荡电路，在XTAL1，XTAL2（18，19脚）的引脚上外接定时元件，内部振荡器便能产生自激振荡，用示波器便可观察到XTAL2（19脚）输出的正弦波，定时元件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路，它与单片机的接法的如图2-2所示。晶振可以在1.2MHz12MHz之间进行选择，电容可以在2060pF之间选择，通常选择30pF左右，电容C1，C2的大小对振荡频率有微小的影响，可起频率微调作用。在设计印制板时，晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，

32、保证振荡器可靠工作，一般采用瓷片电容。图2-2 时钟电路Figure 2-2 clock circuit2.2.4 复位电路单片机上电后，在其9脚（RESET）出现24个振荡周期以上的高电平后，单片机内部初始复位。为了确保单片机正常复位，必需使其第9脚上出现的高电平保持2s以上。复位电路如图2-3所示。系统的复位电路是由RC电路组成，外加一个手动复位按钮。刚上电时或者触动按钮后C3两端的电压为0，这时RST为高电平，而其高电平保持时间是由R和C的时间常数决定，由公式（2-3）可知，C充电的时间常数等于0.22ms，远远大于2s，即使RST高电平的时间保持2s以上，确保了单片机正常复位。R*C

33、(2-3)图2-3 复位电路Figure 2-3 reset circuit2.2.5 单片机最小系统单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。最小系统一般应该包括：单片机、电源、晶振电路、复位电路。图2-4为单片机最小系统电路图。图2-4 单片机最小系统Figure 2-4 single chip microcomputer minimum system2.3冷端补偿为了使系统的集成度与可靠性得到提高，本设计将采用比较成熟稳定的凌力尔特公司的冷端补偿芯片LT1025进行冷端补偿。热电偶在进行温度测量时，理论上应将热电偶的冷端置于0度的冰水混合物中，此时

34、热电偶的测量值为准确值。但是在实际测温过程中，为了方便测温，通常冷端的温度不是在0度的冰水混合物中，而是在常温环境。由于热电偶的冷端温度的上升，造成热电势的减小（通常测量温度为正值），从而会造成测量产生误差。同时，热电偶在测温时要求冷端保持稳定，这样热电势的大小才能与测量温度呈现一定的比例关系。但在室温环境下热电偶的冷端会随环境温度变化而产生变化，这将会影响测量的精确性。在以上情况下就需要考虑到热电偶的冷端补偿。冷端补偿的原理是通过在冷端增加一个能随温度变化的附加电压，使得信号调理放大电路输入端的电压与冷端处于0度时的情况一样。热电偶冷端补偿方法很多如冰点法、补偿电桥、PN 结温度传感器补偿、

35、辅助热电偶补偿、热电偶冷端补偿器等。在本设计中，热电偶的冷端补偿采用LT1025芯片作为热电偶冷端补偿器的方法。LT1025芯片是一个微功率热电偶冷端补偿器。它可用于E、J、K、R、S 和T型热电偶的冷端补偿。由于热电偶测温的非线性，在其测温范围内其电压与温度的关系并不是完全的线性关系，而 LT1025芯片利用特殊的曲线修正电路，保证了热电偶在较大的温度区间的冷端补偿精度。LT1025工作电压范围是4V到36V。这里要注意的是：LT1025必须要和热电偶的冷端直接连接，或者是与冷端非常靠近。实际工作中如果不能做到这点，则可以用两根同样金属材料的引线把冷端引到LT1025附近来确保测温精度。图2

36、-5为LT1025冷端补偿芯片电路。图2-5 冷端补偿电路Figure 2-5 cold junction compensation circuit2.4信号放大电路部分设计由于热电偶测量出的信号较小（K型热电偶提供41uV/的电压输出），经过热电阻测量完成的信号最大为毫伏级，在锅炉开始启动时的信号很有可能只有微伏级，所以从热电偶测出的温度信号要经过放大处理后，信号放大到伏级时才能满足后续电路的要求。并且在信号传输的过程中可能会夹杂着一些噪声信号，所以需要在硬件电路中进行一些简单的滤波处理。本设计采用OP-07实现信号放大的处理。OP-07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路

37、。由于OP-07具有非常低的输入失调电压，所以OP-07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP-07芯片引脚功能说明：1和8为偏置平衡（调零端），2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚，6为输出，7接电源正极。由于电源采用5V供电，为保证系统的放大倍数本设计是采用OP-07芯片构建两级放大电路，图2-6与图2-7为放大部分的电路原理图。图2-6所示为第一级放大电路，OP-07构成了同相放大电路。T+是热电偶在经过冷端补偿之后输出的电压信号，输入正向输入端。理论上此放大电路的放大倍数b=（+）。电路中的电容有简单滤波的作用，并且电容与电阻和可以构成滤波电路。为可变电阻，其作用为可以根据

38、实际应用情况简单调整所需的放大倍数，防止在实际情况下信号有过多的损耗。放大倍数b的范围为5倍15倍，系统初始设计为放大倍数b为9倍，即系统中的滑动变阻器的阻值为4K。输入的温度信号的范围大致为00.0492V，经过第一级放大电路后的信号范围大致为00.4428V。放大后的温度信号由6脚输出到第二级放大电路中经行第二步放大。经过第一级放大之后的温度信号依然比较小，需要进行进一步的放大处理，所以继续采用OP-07芯片构建第二级放大电路，第二级放大电路依然为同向放大电路。第二级放大电路理论上的放大倍数b=5。也就是说经过第一级放大后的温度信号，到第二级放大继续进行10倍的放大。输入到第二级放大的温度

39、信号理论上为00.0492V，经过第二级放大的温度信号范围为02.2214V，输出的信号范围是可以满足后续电路的要求。在第二级放大电路的输出端进行了简单RC滤波处理，与构成低通滤波电路，对放大后的信号进行简单的硬件电路滤波。与第一级的放大电路相同的是电路中的电容有简单滤波的作用。图2-6为第一级放大电路。图2-6 一级放大电路Figure 2-6 Level 1 amplifying circuit图2-7为第二级放大电路。图2-7第二级放大电路Figure 2-7 Level 2 amplifying circuit图2-8为整体放大电路。第一级与第二级放大电路之间的链接如图2-8。图2-8

40、放大电路Figure 2-8 amplifying circuit2.5 信号选通电路在实际的工作环境下，仅对炉膛内一点的温度进行测量不是很能证明此时锅炉温度的稳定性。所以，在设计中，采用多点测温的方法，设置四个测温点对锅炉炉膛内的温度进行测量。因为本文设计的是多通道的热电偶测温、控温电路，不可能对每一路分别处理显示。为节省成本和电路，比较实用的方法是在各路信号放大后通过一个选通器选择其中一路信号进行A/D转换处理，处理完成后再选通处理下一路。本设计选择采用CD4051芯片来实现多路热电偶信号的选通。CD4051是TEXAS INSTRUMENTS公司生产的COMS模拟多路复用器/分配器，CD

41、4051是一个3至8路多路选择/切换器，采用二元地址解码法，是在单片机的控制下，在某一时刻选中某一个端口接通。X0到X7分别为八路模拟开关的输入或者输出端，当做为多路传输时为输入端，作信号分离时为输出端。INH为禁止端，当INH1时模拟开关均断开，输出呈高阻态。A、B、C是二进制地址码输入端，当INH0时根据地址码选中相应的通道。其中的VEE即可以接负电压，也可以接地。当输入电压为负值时，VEE必须接负电压，其他时候可以接地。本设计测量炉膛内4个不同点的温度，故需要选择四路通道进行筛选。表2-2为CD4051的真值表。表2-2 CD4051真值表Table 2-2 CD4051 truth t

42、ableINHCBA接通0000“0”0001“1”0010“2”0011“3”0100“4”0101“5”0110“6”0111“7”1xxx均不接通图2-9为CD4051 接口电路图。图2-9为CD4051 接口电路图Figure 2-9 CD4051 interface diagram2.6 A/D转换电路由于热电势信号为连续变化的模拟信号，然而单片机处理的信号为数字量，因此必须对测量后所得到的模拟信号进行A/D 转换。所以，经过选择后的单路温度信号要经过A/D 转换在送到单片机中经行进一步的处理。后本设计中采用AD7705芯片组成A/D转换电路，完成A/D 转换。2.6.1 A/D转换

43、原理A/D转换器把模拟信号转换成与其大小成比例的数字信号。A/D转换电路的种类很多，根据转换原理可以分为积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、-调制型等。A/D转换的主要技术指标有：1）分辨率：分辨率是指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。2）转换速率：转换速率是指完成一次从模拟转换到数字的A/D转换所需的时间的倒数。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率必须小于或等于转换速率。3）量化误差：量化误差由于AD的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分

44、辨率AD的转移特性曲线之间的最大偏差。4）偏移误差：偏移误差是指输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。5）满刻度误差：满刻度误差是指满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。6）线性度：实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。其他指标还有：绝对精度，相对精度，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真和积分非线性。2.6.2 AD7705芯片功能介绍AD7705是应用于低频测量的模拟前端。该器件可以接受来自传感器的低电平输入信号，然后产生串行的数字输出。利于-转换技术实现了16位无丢失代码性能。-型AD是由积分器，比较器，一位DA转换器和数字滤波器等组成

45、的。原理上近似于积分型，是将输入电压转换成时间（脉冲宽度）信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。片内有数字滤波器处理调制器的输出信号。通过片内控制寄存器可调节滤波器的截止点和输出更新频率，从而对数字滤波器的第一陷波进行编程，只需2.7V3.3V或4.75V5.25V的单电源。AD7705是双通道全差分模拟输入，有一个差分准输入。当电源电压为5V，基准电压为 2.5V 时，可将输入信号范围从020mV到0+2.5V的信号进行处理。图2-10为AD770芯片引脚排列图。图2-10 AD7705引脚排列Figure 2-10 AD7705 pin

46、is arranged表2-3为AD770芯片的引脚功能表。表2-3 AD770引脚功能表Table 2-3 AD770 pin function table编号名称功能1SCLK串行时钟，施密特逻辑输入。将一个外部的串行时钟加于这一输入端口，以访问AD7705的串行数据。2MCLKIN为转换器提供主时钟信号。为转换器提供主时钟信号。能以晶体/谐振器或外部时钟的形式提供。晶体/谐振器可以接在MCLKIN和MCLKOUT二引脚之间。3MCLKOUT主时钟为晶体/谐振器时，晶体/谐振器被接在MCLKIN和MCLKOUT之间。如果在MCLKIN引脚处接上一个外部时钟，MCLKOUT将提供一个反相时钟信号。4CS片选，低电平有效的逻辑输入，选择AD7705。将该引脚接为低电平，AD7705能以三线接口模式运行（以SCLK、DIN和DOUT与器件接口）。5RESET复位输入。低电平有效的输入6AIN2(+)差分模拟输入通道2的正输入端7AIN1(+)差分模拟输入通道1的正输入端8AIN1(-)差分