高炉冷却水温度测量系统设计--本科毕业设计论文.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书

毕业设计说明书（毕业论文）

高炉冷却水温度测量系统设计

摘要
高炉冷却水进出水温度的变化，间接反映出炉内的物料和冶炼状况，高炉冷却水温差过大反映了炉壁温度过高，严重影响高炉的寿命，但温差过小则能源损失太大，增加冶炼成本。通过在线实时监测水温差的变化，可监测到高炉冷却壁的使用状态，及时对冷却壁进行维护，可提高高炉的使用寿命、减少高炉事故的发生，降低能耗，提高产量。因此，高炉冷却水温差的测量是高炉冶炼的重要操作之一。
本设计是基于单片机的温度测量系统，系统具有高精度、功能强、经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，节约能源，还是改善劳动条件等方面都显示出它的优越性。本设计以单片机为核心，硬件电路分为：扩展模块、测量模块、数据转换模块、键盘与显示模块、电源和报警模块，系统通过软、硬件的设计，完成对高炉16路冷却水温度进行自动巡回检测，需要时用键盘切换电子钟和显示温差，被测温差不在规定范围内，系统报警。

关键字：高炉 多路开关 放大滤波 模数转换 笔段码

Blast furnace cooling water temperature measurement system Abstract
The cooling water temperature changes of Blast furnace, indirectly reflects the status of the furnace and smelting of materials, blast furnace cooling water temperature difference reflects the furnace wall temperature is too high, seriously affecting the life of blast furnace, if, the temperature difference in the energy loss is too small to increase smelting costs. Online real-time monitoring of changes in water temperature can be monitored using the state of blast furnace stave, timely maintenance of the cooling wall, can improve the service life of blast furnace, blast furnace to reduce accidents, reduce energy consumption and increase production. Therefore, the blast furnace cooling water temperature measurement is an important operation of blast furnace smelting.
This design is a temperature measurement system based on MCUchip, the system has many advantages including high precision, Gongneng strong, economy good features, whether improving product quality and quantity energy conservation, or to improve the working conditions, the system all show its advantages. To MCU as the core device, the hardware circuit is divided into: extension modules, measurement modules, data conversion module, keyboard and display module, power supply and alarm modules, the system complete blast furnace cooling water temperature of 16 to automatically detect circuit through software and hardware design, if the sustem need to switch the clock , we can use the keyboard and display temperature and measured temperature is not within the scope , the systemneed to alarm.

Key words: Blast furnace、Multi-switch 、Amplifying and filtering 、ADC、 Strokes code

目 录
摘要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1 系统简介 1
1.2 结构图 4
第二章 高炉工艺 6
2.1 高炉的概况 6
2.2 系统设计背景 7
2.3 系统工作原理 9
1.4 系统设计目标及技术要求 10
2.5 技术综述 10
第三章 系统硬件电路及模块 12
3.1 扩展模块 12
3.1.1  增强型MCS-51单片机 13
3.1.2 并行口8255I/O接口 22
3.1.3 其它器件 27
3.2 测量模块 29
3.2.1 铂热电阻（Pt100） 31
3.2.2 三线制接法 33
3.3 数据转换模块 33
3.3.1 多路转换开关CD4067B芯片 34
3.3.2 AD574A和滤波放大、调满调零 34
3.4 显示与键盘 35
3.5 其它模块 37
第四章 系统软件设计 39
4.1 地址控制字 39
4.2流程图 39
4.2.1主程序流程图 40
4.2.2 子程序流程图 41
总结 42
附录 43
附录A 温度选型参照表 43
附录B 程序 44
参考文献 65
致谢 66

67
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第一章 绪论

高炉冷却水进出水温度的变化，间接反映出炉内的物料和冶炼状况，高炉冷却水温差过大反映了炉壁温度过高，严重影响高炉的寿命，但温差过小则能源损失太大，增加冶炼成本。通过在线实时监测水温差的变化，可监测到高炉冷却壁的使用状态，及时对冷却壁进行维护，可提高高炉的使用寿命、减少高炉事故的发生，降低能耗，提高产量。
随着科学的发展对高炉寿命要求越来越高，人们对炉腹及其以上区域的内衬要求有了更深的认识。本设计以单片机为核心器件，系统通过软、硬件的设计，完成对高炉16路冷却水温度进行自动巡回检测，需要时用键盘切换电子钟和显示温差，被测温差不在规定范围内，系统报警。系统硬件电路设计分为：扩展模块、测量模块、数据转换模块、键盘与显示模块、电源和报警模块，系统软件设计分为：程序流程图（主程序流程图，子程序流程图）、程序。用于工业生产中炉温测量的微机（单片机）控制系统具有高精度、功能强、经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，节约能源，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。

1.1 系统简介

高炉长寿是降低成本、提高生产率的关键。高炉的炉体、炉缸和炉底破损，影响了高炉使用寿命和冶炼强化程度。尤其是炉役后期，炉墙变薄、漏水、漏气现象增多，应采用必要的检测手段，及时预报高炉各部位的冷却水温差并及时采取相应措施，对稳定高炉生产，保证高炉安全生产，延长高炉使用寿命具有实际意义。高炉冷却水进出水温度的变化，能够间接反映出高炉炉内的物料和冶炼状况，也是计算高炉炉壁热负荷能力的重要参数。通过在线实时监测水温差的变化，可监测到高炉冷却壁的使用状态，及时对冷却壁进行维护，可提高高炉的使用寿命、减少高炉炉缸事故的发生，因此，高炉冷却水温度的测量是高炉炼铁的重要操作之一。
高炉冷却水一般情况下进水温度最低为30℃，出水温度最高为51℃，一般夏天工作在40℃左右，冬天在35℃左右。高炉的不同部位的温差范围也不同。比如高炉炉腰部位的监测的水温差范围是6℃—14℃，一般测温系统均能满足要求。而高炉炉缸的水温差监测的范围不能超过0.6℃，这样对温度传感器的要求很高。这样一来一座高炉需要上百个温度监测点，每个监测点需要用两支传感器组成水温差检测系统。本次设计的高炉冷却水进出水水温差，是一种低成本的基于单片机的温度检测电路，该电路比较简单，易于实现，使用范围也广泛。本设计可分为:测量模块，数据转换模块，扩展模块，键盘与显示模块，电源模块，报警模块等等。
测量模块由Pt100和三线制电路组成，16路温度巡回检测是本设计系统的起点。温度传感器选择了温适合于高炉冷却水的检测STTR或STTH系列，薄膜铂热电阻元件，铠装铂热电阻件。STT-R系列温度传感器采用不锈钢外壳封装，内部填充导热材料和密封材料灌封而成，尺寸小巧 防水防震性能极佳，广泛应用于水温、气温、冷冻冷藏、医疗卫生、航空航天、环境等温度的测量；STT-H系列铂电阻温度传感器采用不锈钢外壳封装，内部填充导热材料和密封材料灌封而成，适用于水温、气温、冷冻冷藏等温度的测量；感温元件骨架的材质也是决定铂热电阻使用温区的主要因素，常见的感温元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它们是由铂丝分别绕在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再经过复杂的工艺加工而成，近年来市场上出现了大量的厚膜和薄膜铂热电阻感温元件，厚膜铂热电阻元件是用铂浆料印刷在玻璃或陶瓷底板上，薄膜铂热电阻元件是用铂浆料溅射在玻璃或陶瓷底板上，再经光刻加工而成，这种感温元件仅适用于-70~500℃温区，但这种感温元件用料省，可机械化大批量生产，效率高，价格便宜，就结构而言，铂热电阻还可以分为工业铂热电阻和铠装铂热电阻。工业铂热电阻也叫装配铂热电阻，即是将铂热电阻感温元件焊上引线组装在一端封闭的金属管或陶瓷管内，再安装上接线盒而成；铠装铂热电阻是将铂热电阻元件，过渡引线，绝缘粉组装在不锈钢管内再经模具拉实的整体，具有坚实，抗震，可绕，线径小，使用安装方便等优点。工业用热电阻需要安装在生产现场，热电阻的连线对测量结果有较大的影响，重要有三种接法：二线制接法、三线制接法、四线制接法，三线制接法目前工业过程中最常用的接线方式，本系统采用的正是这种接法。三线制接法：在热电阻根部的一端引出一根线，而在另一端引出两根线，分别与电桥中的相关组件相连。当电桥平衡时有：R1(R3+r)=R2(Rt+r)(即图中的R7为R1,R6为R2,R0为R3,r为r),若R1=R2,则有R1R3=R2Rt,可见电桥平衡与导线电阻无关，这种接法可利用电桥平衡原理较好地消除导线电阻的影响。
数据转换模块由CD57A16路转换开关，滤波、放大、调满、调零和AD574A组成。CD4067B是16路通道双向多路模拟开关，它具有两种电源输入端：VDD和VSS，可以在-0.5～18V之间进行选择，所有输入信号范围是VCC<=VI<=VDD。
IN/OUT0～IN/OUT15为16个输入/输出端端口；OUT为公用输出/输入端；D、C、B、A为选择输入端；INH为禁止输入控制端，INH=’1’，即INH=VDD时，所有通道均断开，禁止模拟量输入，当INH=’0’,通道接通，允许模拟量输入。INH通过74HC138的Y2引脚来控制通道接通，允许模拟量输入；A0、A1、A2、A3接A、B、C、D,通过地址来切换哪一个通道接通，如A0A1A2A3=0000,第一个通道接通（IN/OUT0）；因为温度传感器出来的信号是毫伏级的，所以VDD接+5V的电压，VSS接地就可以满足该设计的要求。为了减少投资，也为了简化硬件电路，放大、滤波、调满、调零这一套电路就设计为十六路共享。根据该电路的放大倍数=(Rf+R0/R0)*(R/R1),Rf<100R,取Rf=90R=190K,R0=5R=10K,R=2K,调满后，R1约为10%R,放大倍数约为200倍，经调满、调零后，电压信号就变成了0～5V，这样就可以与AD574A连接了。AD574A内部含三态锁存器，直接与单片机数据总线连接，本设计采用12位向左对齐输入格式，所以将低四位DB3～DB0接到DB11～DB8上。读出数据时，第一次读DB11～DB4(高8位)，第二次读DB3～DB0(低4位)，此时，DB7～DB4为0000H。将AD574A的标志位STATUS直接接到89C54的他上，使用了直接寻位指令查询 。AD574A共有5根控制逻辑线，用来完成寻址、启动和读出功能。12/8接地恒为低电平，数据分两次读出；CE由WR和RD两个信号通过一个与非门控制，所以不论读还是写状态下，CE均为1；R/C、CS、A0/SC由A1、A0、Y1来控制：A1=0时，启动A/D转换，A1=1时，读取A/D转换结果；A0由P0.0控制，在转换过程中，A0=0按12位转换，读数据时，P0.0=0读取高8位数据,P0.0=1,则读取底4位数据。
89C54单片机的数据存储器不够使用，I/O口也不够使用，扩展了一片6264外部数据存储器，8255作为I/O。89C54片内程序存储器容量为16K,地址编码为0000H～3FFFH，内部数据存储器为256字节，还需要外扩一个数据存储器6264。不需要从外部程序存储器读数据31号管脚EA/VP接+5V的电压，ALE低8位地址锁存存信号接74HC138的LE，下降沿锁存从P0口输出的低8位地址信息A0～A7，以便随后作为数据总线使用，ALE只在执行MOVX指令时才被激活，在通常情况下，ALE输出信号恒定为1/6震荡频率，并可用作外部时钟或定时信号，每次访问外部数据存储器时一个ALE脉冲将被忽略，ALE可以通过置位SFR的auxlilary.0位禁止ALE输出。在由晶振够成的电容三点式震荡电路中，由于石英晶体震荡器中的静态电容C0、外接震荡电容C1和C2均大于芯片弹性等效串联电容CS，因此震荡频率由晶体震荡器并联协振频率fp决定。增强型MCS—51芯片采用高电平，该电路增加了手动复位按钮，按下复位按钮时，电容C1通过R1放电，当电容C1放电结束后，RES引脚电位由R1、R2分压决定。由于R1远远小于R2，因此RES引脚为高电平，CPU进入复位状态。松开复位按钮后，电容C1充电，RES引脚电位下降，使CPU脱离电位状态。R2的作用在于限制复位按钮按下瞬间电容C1的放大电流，避免产生火花，以保护按钮的触点。74HC138作为各芯片的高位地址译码的片选信号，这样各芯片的地址就不会重复。8255的地址由A0、A1、Y3共同来控制，读、写信号线与89C54的读、写信号线相连，数据线与89C54的数据相连。
此外还有键盘与显示模块，报警模块，电源模块等等。显示用8255的B口作为笔段码锁存器，A口作为位扫描码锁存器。由于8255A口负载能力有限，不能直接驱动LED，为此采用中功率PNP管（如8550）增大笔段驱动电流。键盘可以实现调时，设定出水温度，实时显示哪路水温度差，取消报警。蜂鸣器用一个达林顿结构，功能和火灾报警类似。因为用到了+15V、-15V、+5V、+6V、-6V五个电压等级，为了满足本设计的要求，设计了三个电源模块。

1.2 结构图

本设计从Pt100温度传感器块开始，经三线制线路消除导线电阻的影响，经16路转换开关切换检测电路，再经放大滤波、调满调零进入A/D转换为数字信号送入单片机处理，需要时用键盘切换电子钟和显示温差，被测温差不在规定范围内，系统报警。

图1—1 结构图

第二章 高炉工艺

高炉冷却壁冷却水的温差测量问题在我国冶金行业一直是个难以解决的问题。随着高炉控制技术的发展和工艺要求的提高，高炉冷却水温差测量和控制就显得更为重要。在高炉生产过程中，由于炉内反映产生大量的热量，任何炉衬材料都难以承受这样的高温作用，必须对其炉体进行合理的冷却，同时对冷却介质进行有效的控制，以便达到有效的冷却，使之既不危及耐火材料的寿命，又不会因为冷却组件的泄露而影响高炉的操作。在炉缸区域，内衬材质和结构对炉体寿命有及大影响，所以炉缸部位的内衬材质越来越高档，陶瓷杯、各种高品质炭砖、石墨质砖已普遍在现代高炉炉缸中应用。高炉长寿是降低成本、提高生产率的关键，提高高炉寿命主要靠的冷却组件和有效的冷却系统，应采用必要的检测手段，及时预报高炉各部位的冷却水温差并及时采取相应措施，对稳定高炉生产，保证高炉安全生产，延长高炉使用寿命具有实际意义。

2.1 高炉的概况

高炉冷却壁冷却水的温差测量问题在我国冶金行业一直是个难以解决的问题。随着高炉控制技术的发展和工艺要求的提高，高炉冷却水温差测量和控制就显得更为重要。在实际生产中，冷却水温差过大反映了炉壁温度过高，严重影响高炉的寿命，但温差过小则能源损失太大，增加冶炼成本。准确稳定的测量温差是控制的基础，对于高炉热负荷的计算，冷却水温差是个重要的参考数据。从现代炼铁工艺要求看，准确稳定的冷却水温差测量对于指导高炉的维护至关重要。
在高炉生产过程中，由于炉内反映产生大量的热量，任何炉衬材料都难以承受这样的高温作用，必须对其炉体进行合理的冷却，同时对冷却介质进行有效的控制，以便达到有效的冷却，使之既不危及耐火材料的寿命，又不会因为冷却组件的泄露而影响高炉的操作。因此对高炉冷却介质进行必要的监测和控制尤为重要。本文主要阐述对高炉水冷却部分进行监测的一套系统构成及工作原理。

2.2 系统设计背景

高炉长寿是降低成本、提高生产率的关键。高炉的炉体、炉缸和炉底破损，影响了高炉使用寿命和冶炼强化程度。尤其是炉役后期，炉墙变薄、漏水、漏气现象增多，应采用必要的检测手段，及时预报高炉各部位的冷却水温差并及时采取相应措施，对稳定高炉生产，保证高炉安全生产，延长高炉使用寿命具有实际意义。高炉冷却水进出水温度的变化，能够间接反映出高炉炉内的物料和冶炼状况，也是计算高炉炉壁热负荷能力的重要参数。通过在线实时监测水温差的变化，可监测到高炉冷却壁的使用状态，及时对冷却壁进行维护，可提高高炉的使用寿命、减少高炉炉缸事故的发生。通过对温度曲线、热流强度趋势的分析，为高炉冶炼顺行提供指导，最终提高炼铁高炉利用系数，降低能耗，提高产量。因此，高炉冷却水温度的测量是高炉炼铁的重要操作之一。高炉是冶金行业中必不可少的设备，在冶金中起着非常重要的作用；高炉冷却水在高炉设备中的作用的作用也非常大，因此高炉水温测量系统十分有重要。高炉是炼铁的主体生产设备,有着一个复杂、庞大的系统,高炉在生产过程中,其炉内温度最高可达1500℃以上。而炉皮、立柱等钢结构件在正常工作状况下的最大允许温度一般为400℃,超过此温度时,其强度值就会下降。为了使炉墙温度保持在允许的范围内,冷却是必不可少的。在高炉设备中,冷却工作的正常与否决定着高炉整体与各个部件的强度和寿命。在实际生产中，冷却水温差过大反映了炉壁温度过高，严重影响高炉的寿命，但温差过小则能源损失太大，增加冶炼成本。准确稳定的测量温差是控制的基础，对于高炉热负荷的计算，冷却水温差是个重要的参考数据。从现代炼铁工艺要求看，准确稳定的冷却水温差测量对于指导高炉炉型的维护至关重要。高炉冷却壁冷却水的温差测量问题在我国冶金行业一直是个难以解决的问题。随着高炉控制技术的发展和工艺要求的提高，高炉冷却水温差测量和控制就显得更为重要。在工业生产中，有很多行业有大量的加热设备，如用于热处理的加热炉、用于熔化金属的坩锅炉，以及各种不同用途的加热炉，反映炉，这样温度就成为了工业对象中一种重要的被测控对象。
随着科学的发展对高炉寿命要求越来越高，人们对炉腹及其以上区域的内衬要求有了更深的认识。在炉腹及其以上区域，再好的内衬对延长炉体寿命的作用也是有限的，提高寿命主要靠的冷却组件和有效的冷却系统，因此，现代高炉对在炉腹及其以上区域的内衬材质不做过高的要求，且内衬厚度趋势是越来越薄。在炉缸区域，内衬材质和结构对炉体寿命有及大影响，所以炉缸部位的内衬材质越来越高档，陶瓷杯、各种高品质炭砖、石墨质砖已普遍在现代高炉炉缸中应用。
高炉冷却设备常用的冷却水有工业水及工业净化水、蒸汽、空气、纯水、软水等。使用工业水及工业净化水不能保证高炉长期正常工作，蒸汽冷却及空气冷却目前已基本不在采用。为了能保证高炉长期正常工作，一般使用软水和纯水。长期实践证明，在我国大部分地区，普通工业水或工业净化水难以满足高炉长寿要求。高炉进一步长寿，冷却水质必须有一个大的飞跃。软水（或纯水）作为冷却水，因为软水（或纯水）由于去掉了水中，离子及悬浮物，杜绝了水垢的形成，大大改善了冷却水效果，是冷却系统最理想的介质。如：包钢的目前国内高炉采用的冷却方式有三种： 1. 工业水开路循环冷却系统 2. 汽化冷却系统 　3. 软水密闭循环冷却系统。6#号高炉是用软水冷却的，其它的用纯水冷却的。实践证明，用于工业生产中炉温测量的微机控制系统具有高精度、功能强、经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，节约能源，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。高炉冷却的目的在于增大炉衬内的温度梯度，致使1150℃等温面远离高炉炉壳，从而保护某些金属结构和混凝土构件，使之不失去强度。使炉衬凝成渣皮，保护甚至代替炉衬工作，从而获得合理炉型，延长炉衬工作能力和高炉使用寿命。
高炉技术进步的特点，表现为高炉炼铁已发展成为较成熟的技术。从近几年高炉技术进步的发展方向看，突出的特点是大型化、高效化和自动化。因此采用较为先进的高炉冷却技术具有较大的吸引力，成为争相探讨和研究课题。 1.采用软水密闭循环冷却系统最佳。因为：（l）软水密闭循环系统的冷却可靠性好。冷却的可靠性，是衡量冷却系统优劣最重要的标准。不结垢，可以长寿；（2）水量消耗少。软水密闭循环冷流系统中，没有水蒸发损失，流失也极小。水泵的轴封处的流失是系统的主要流失点，流失量是系统总容积的1‰补水量，故水量消耗是极少的；（3）动力消耗低。闭路系统与开路系统不同，其水泵的工作压力取决于膨胀罐内压力，而水泵扬程是由系统的管路阻力损失决定的，冷却水的静压头能够得到完全的利用；（4）管路腐蚀小。因为它是闭路，空气进不去。因此，软水密闭循环冷却系统是一种比较经济的冷却方法。 2. 汽化冷却分为两种循环方式：自然循环和强制循环。 （l）汽化冷却的优点： ①冷却介质为软水，可防止结垢； ②自然循环需要动力，在停电情况下仍能继续运。（2）汽化冷却的缺点： ①冷却设备在承受大而多变的热负荷冲击下容易产生循环脉动，甚至可能出现膜状沸腾，致使冷却设备过热而烧坏；②汽化冷却时，冷却壁本体的温度比水冷时高，缩短了冷却壁的寿命。水冷却的冷却壁本体的最高温度已接近珠光体相变的温度。铸铁在760 ℃时，珠光体发生相变，使铸铁机械性能急剧变坏，因此使冷却壁寿命缩短。 3.工业水冷却的优点是传热系数大，热容量大，便于输送，成本便宜。 工业水冷却的致命弱点是水质差，容易结垢而降低冷却强度，导致烧坏冷却设备，水的循环量大，能耗大。 4.喷水冷却，结构轻便简单易行。我国大中型高炉多作为备用冷却手段，小高炉用的较多。目前国外一些极薄炉墙或大中型高炉下部，有采用炉壳内砌碳砖，以喷水作为唯一冷却手段，效果也不错。在高炉生产过程中，由于炉内反映产生大量的热量，任何炉衬材料都难以承受这样的高温作用，必须对其炉体进行合理的冷却，同时对冷却介质进行有效的控制，以便达到有效的冷却，使之既不危及耐火材料的寿命，又不会因为冷却组件的泄露而影响高炉的操作。因此对高炉冷却介质进行必要的监测和控制尤为重要。本文主要阐述对高炉水冷却部分进行监测和控制的一套系统构成及工作原理。
综上所属，用于工业生产中炉温测量的微机（单片机）控制系统具有高精度、功能强、经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，节约能源，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。作为本科自动化的学生，用单片机
对高炉冷却水温度（16路）进行自动巡回检测，平时显示时间-作为电子钟，需要时用键盘输入相关功能，自动轮流显示各路温差，被测温差不在规定范围，有报警功能。

2.3 系统工作原理

在温度测量系统中，需要将温度的变化转换为对应的信号变化，由于热电阻的结构简单制造容易，测量范围广，测量中有较高的精度，所以选用Pt100热电阻做热电阻传感器，测温范围0℃～400℃正好能完成毕业设计的要求。该系统被测参数主要是温度，被测参数温度制、温度值由热电阻传感器测定后得到的mV信号经过温度变送器放大滤波后变为0～5V的电压信号，再经过A/D转换器后，将模拟信号变为数字信号进入单片机，经软件进行数据处理后，输出并显示温差值，可以判断是否需要报警，设有键盘实现一些基本的功能切换。

1.4 系统设计目标及技术要求

本设计主要研究以单片机为核心器件，对高炉冷却水（16路）进行自动巡回检测，需要时用键盘输入相关功能，自动轮流显示各路温差或显示指定某路温差值，被测温度不在规定范围，有报警功能。测温范围：0℃～400℃。LED显示位数：6位。本毕业设计主要研究以单片机为核心器件，对高炉冷却水温度（16路）进行自动巡回检测，平时显示时间-作为电子钟，需要时用键盘输入相关功能，自动轮流显示各路温差或显示指定某路温差值，被测温差不在规定范围，有报警功能。高炉冷却水一般情况下进水温度最底为30℃，出水温度最高为51℃，一般夏天工作在40℃左右，冬天在35℃左右。高炉的不同部位的温差范围也不同。比如高炉炉腰部位的监测的水温差范围是6℃—14℃，一般测温系统均能满足要求。而高炉炉缸的水温差监测的范围不能超过0.6℃，这样对温度传感器的要求很高。这样一来一座高炉需要上百个温度监测点，每个监测点需要用两支传感器组成水温差检测系统。本次设计的高炉冷却水进出水水温差在线测量系统，是一种低成本的基于单片机的温度检测电路，该电路比较简单，易于实现，使用范围也广泛。

2.5 技术综述

本论文主要是完成一种低成本、低价格、功能齐全、及温度测量、温度显示于一体的单片机温度测量系统的理论设计。包括硬件电路和软件设计。研究的关键问题是：冷却水温度的精确测量以及温度转换、显示电路等软件设计。根据本设计所要完成的任务本论文完成了如下工作：
（1）介绍了研究和设计的背景和意义；
（2）提出了符合设计要求的高精度温度测量系统的方案，并阐述了其工作原理；
（3）完成了硬件电路的设计，它包括温度检测放大传送电路；包括MCS-51系列单片机89C54，外围扩展接口芯片6264，模数转换器AD574A等芯片的接口电路；键盘接口和LED显示电路，以及实时报警电路。
结合本设计的要求和技术指标，通过对系统大致程序量的估计和系统工作速度的估计以及I/O口需求量的估计，考虑价格因素。选定89C54单片机作为系统的主要控制芯片，外围扩展串入并出的74LS373，12位模数转换器AD574A，采用铂热电阻进行温度检测其测温范围为0～400℃，外接报警电路，对温度的测量是通过铂热电阻的三导线单臂电桥法实现的。最后把测量的进出水温度作差，显示出温差值来。
随着社会科技的不断发展，人们对控制系统功能的要求也在不断提高，因而各类应用系统面临的任务也日趋复杂，与之相对应的系统规模和复杂程度也会扩大和提高。单片机是在一块芯片上集成了一台微型计算机所需的CPU、存储器、输入输出部件和时钟电路等，由它构成的应用系统具有体积小、成本底、使用灵活、性能好、易于产品化特点。所以单片机具有强大的控制能力，它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了广泛的应用，本文主要介绍单片机在炉稳测量中的应用。
Pt100电阻测量精度高，价格贵，适用于中性和氧化性介质，但线性度差。热电阻的工作原理为，热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路时,如果两连接端温度不同,则会在回路内产生热电流的物理现象。热电偶由两根不同导线(热电极)组成,它们的一端是互相焊接的,形成热电偶的测量端,(也称工作端)。将它插入待测温度的介质中；而热电偶的另一端 (参比端或自由端)则与显示仪表相连。如果热电偶的测量端与参比端存在温度差,则显示仪表将指出热电偶产生的热电动势。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。
第三章 系统硬件电路及模块

系统硬件电路可分为扩展模块，检测模块，数据转换模块，显示与键盘模块，电源和报警模块。扩展模块由单片机，并行口，外部数据存储器，地址锁存器，译码器和晶振电路组成；测量模块由温度传感器和接线电路组成；数据转换模块由多路转换开关，放大滤波、调满调零电路和A/D转换组成；显示与键盘模块由显示电路和键盘电路组成；电源和报警模块由三个电源电路和一个报警电路组成。

3.1 扩展模块

扩展模块包括89C54单片机，并行口8255芯片，地址锁存器74LS373，外部数据存储器6264，作片选信号的74HC138，是本次设计中是重点，其中单片机是本次设计的核心部件。89C54属于增强型MCS-51之8XC5X系列单片机，程序存储器、片内数据存储器和外部数据存储器三部分构成，片内程序存储器的容量大小与芯片型号有关，89C54是内部16K程序存储器，内部有256字节数据存储器。在扩展模块中需要扩展外部数据存储器，无需再扩外部程序存储器，因此，外部程序存储器选择信号接高电平（Vcc+5V），从片内程序存储器取指令。89C54单片机低8位地址锁存引脚ALE与74LS373的LE引脚相连，下降沿锁存从P0口输出的低8位地址信息A0～A7,以便随后P0口作数据线使用。89C54单片机的读写信号与8255的读/写信号相连，片选信号有效时，由A0、A1编码输出口锁存器的读写/操作对象,数据由P0口送入。为了各芯片能正常有序、互不干扰地工作用一片74HC138作为各芯片的片选信号，以完成高位地址译码即全译码法。全译码法，当系统中存储器芯片多余一片（本系统中用到地址的有AD574A、CD4067B、6264、8255）时，常采用高位地址译码法，即将CPU地址总线的低位地址作为存储器的片内译码信号与存储器地址总线直接连接，而将CPU的高位地址总线经过译码后产生的信号作为不同存储器芯片的片选信号或扩展I/O口选通信号，如果CPU所有的地址总线均参与译码，系统中任一存储器的存储单元将有唯一的地址编码，本机设计中，无关位全置高电平，地址唯一，工作时地址唯一，互不干扰。89C54单片机正常工作，还需要时钟电路和要复位电路和电源。复位是高电平复位，上电时由于复位电路中的电容一开始虚短，维持两个以上扫描周期一，单片机启动了，为了简化电路，降低电路的复杂成度，单片机和8255共用一套复位电路。单片机正常工作，设计了晶振电路。扩展模块的电路如图：

图3—1 扩展模块
3.1.1  增强型MCS-51单片机
单片机是是本次设计的核心部件，在整个设计中起着非常重要的作用,没有它在本设计中的所有都无法工作，它就像人的大脑一样，是整个系统的大脑，控制着整个系统的正常运行，因此我们首先介绍单片机。
3.1.1.1 增强型MCS-51单片机主要特征
强型MCS-51内核单片机芯片具有如下特征： (1) 与标准MCS-51保持100%兼容，即可以使用增强型MCS-51芯片直接替换相应型号的标准MCS-51芯片，如用80C32取代8031/2、87C51/2取代8751/2。(2) 片内集成了3个16位定时/计数器，其中T0、T1与标准MCS-51系列完全相同；T2除了保留标准MCS-52子系列中定时/计数器T2功能外，还增加了向下计数和时钟输出功能。(3)采用增强型全双工串行口，即增强型MCS-51串行口除了具有标准MCS-51串行口功能外，还具有帧错误侦测和地址自动识别功能。(4)Philips、Temic Seconductor Technology公司的8XC5X、8XC5XX2芯片以及Atmel公司的AT89S5X系列芯片具有双数据指针DPTR（为此增加了辅助功能寄存器AUXR1），方便了外部RAM不同存储单元之间的数据传送。(5)为降低电磁辐射量，可禁止地址锁存信号ALE输出。为此，增加了辅助功能寄存器AUXR。(6)扩展了中断控制器功能，可以管理具有4个中断优先级的6个中断源。为此，增加了高位中断优先级控制寄存器IPH。 (7)普遍采用CHMOS工艺，工作电压低、范围宽（1.8V～6.0V），可用电池供电，方便了野外作业使用。(8)改进了电源管理功能，即允许通过外部中断方式唤醒掉电模式。(9)提高了时钟频率，标准MCS-51最高时钟频率为12MHZ，而增强型MCS-51最高时钟频率可达33MHz。(10)片内程序存储器以OTP ROM和Flash ROM为主。MCS-51系列单片机总线技术开放，开发工具成熟，单片机芯片及开发工具供货商多，价格低廉，同时该系列单片机进入市场时间早，汇编语言指令书写形式与Intel公司8位通用微处理器，如8085相似，很容易被接触过Intel通用微处理器汇编语言的用户所接受。因此，在单片机应用中占有重要位置。增强型MCS-51及兼容单片机芯片主要包括Intel公司的8XC52/54 /58系列、Philips公司的P8XC52/54/58系列(简称为8XC5X系列）、Atmel公司的AT89S51/52/53系列(但Atmel公司的AT8XC5X系列采用标准MCS-51内核)、Winbond公司的W87E54/58芯片。
3.1.2.2 增强型MCS-51单片机内部结构和引脚功能
8XC5X芯片由一个8位通用中央处理器（CPU）、程序存储器、随机读写数据存储器、常用外围电路等部分组成。将一些基本的、常用的外围电路，如振荡器、定时/计数器、串行通讯、中断控制和I/O接口电路器与CPU内核集成在同一芯片内是单片机芯片的又一特征。增强型MCS-51 芯片内部含有三个16位定时/计数器，可以管理6个中断源的中断控制器（具有四个优先级），用于多机通信或I/O口扩展的增强型全双工串行口UART (通用异步收发器)，片内振荡器及时钟电路。
在MCS-51中，CPU引脚功能与CPU内特定单元电路有关。与振荡电路有关的引脚分别是：XTAL1（片内晶振电路反相放大器的输入端，接CPU内部时钟电路）、XTAL2(片内晶振电路反相放大器的输出端)；与复位电路有关的引脚为：RST；与外存储器连接有关的引脚是P0、P2口、ALE以及P3口中的P3.6(外部数据存储器的写选通信号)、P3.7(外部数据存储器的读选通信号)；与中断控制有关的引脚是P3口的(P3.2)、( P3.3)；与定时/计数器有关的引脚是P3口的T0(P3.4)、T1 (P3.5)；P1口的P1.0（T2）、P1.1（T2EX）；与串行通信口有关的引脚为TXD（P3.1）、RXD（P3.0）。 XTAL1、XTAL2分别系统时钟信号fOSC输入、输出端。
当使用片内振荡电路时，XTAL1、XTAL2与晶体振荡器及电容C20、C21按图所示方式连接。振荡电容C20、C21容量取值范围与晶振种类及频率有关。 电阻Rs用于限制晶振的驱动电平，取值范围在100Ω～2.7KΩ之间。但一般不需要