基于单片机的水泵效率温差法测量与报警系统设计

1. 基于单片机的水泵效率温差法测量与报警系统设计

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2. 系统总体方案设计

2.1 设计背景与应用意义
水泵广泛应用于供水、排水、循环冷却、工业输送、农业灌溉等场合，其运行效率直接关系到能耗成本和设备健康状态。传统的水泵效率检测往往依赖流量计、压力传感器、电功率测量等多参数综合计算，仪表成本高、安装维护复杂，且在一些老旧站点或小型系统中难以长期部署。
在工程实践中，尤其是热水循环泵、热交换循环系统、锅炉补水泵以及部分具有稳定工况的介质输送系统中，水泵进出口的温度差（ΔT）与系统能量变化存在一定关联。通过温差法可快速评估水泵运行状态，识别效率下降、空转、堵塞、异常摩擦导致发热等问题，从而实现“低成本、易部署”的在线健康监测。
本设计提出一种基于AT89C52单片机的水泵效率温差法测量与报警系统，利用两个E型热电偶配合MAX31855热电偶数字转换模块采集水泵进出口温度，单片机计算温差并依据经验公式估算水泵效率，同时使用LCD1602实时显示效率上下限与当前效率值，支持通过按键设置温度阈值与效率上下限，当效率超出设定范围时触发声光报警。该系统适合用于泵站巡检辅助、设备状态监控以及节能管理等领域。

2.2 系统设计目标
系统面向实际应用与课程设计双重需求，目标如下：

1. 温度采集准确可靠：采用E型热电偶检测进出口温度，MAX31855进行冷端补偿并输出数字温度。
2. 温差与效率计算：单片机实时计算ΔT，并依据经验公式估算水泵效率η。
3. 可视化显示：LCD1602显示温度、温差、当前效率、效率上限/下限和阈值信息。
4. 可设置参数：按键可设置温差阈值、效率上下限，支持参数保存（可扩展EEPROM）。
5. 报警机制清晰可靠：效率超出范围触发报警，可区分“低效率报警”和“高效率异常报警”（例如传感器故障导致异常值）。
6. 系统稳定性与工程化：具备按键消抖、传感器异常检测、测量滤波、报警延迟确认、抗干扰与电源保护设计。

2.3 系统组成结构
系统硬件模块组成如下：

1. AT89C52单片机最小系统模块
2. E型热电偶测温模块（进水口、出水口）
3. MAX31855热电偶数字转换模块（两路或两模块）
4. LCD1602显示模块
5. 按键设置模块
6. 声光报警模块（蜂鸣器+LED）
7. 电源供电模块（5V稳压、滤波）
8. 可选扩展模块（EEPROM参数保存、RS485上传、继电器联动）

系统软件模块组成如下：

1. MAX31855采集与SPI读取模块
2. 温度数据滤波与有效性检测模块
3. 温差计算模块
4. 效率经验公式计算模块
5. LCD显示模块
6. 按键扫描与设置菜单模块
7. 报警判断与声光输出模块
8. 参数存储与加载模块（可选）

系统工作流程：

• 上电初始化 → 读取参数（默认/EEPROM） → 采集进出口温度 → 过滤与校验 → 计算温差ΔT → 代入经验公式得到效率η → LCD刷新显示 → 按键调整阈值/效率范围 → 判断η是否越限 → 触发报警 → 循环运行。

3. 功能设计与工作原理

3.1 温度采集功能（双E型热电偶 + MAX31855）

3.1.1 E型热电偶工作原理与特点
热电偶属于接触式温度传感器，利用塞贝克效应：当两种不同金属材料构成闭合回路且两端温度不同时，回路中产生热电势，其大小与温差相关。
E型热电偶（Chromel-Constantan）具有以下特点：

1. 灵敏度高：相较K型等，E型在中低温区热电势较大，更适合精细温差测量。
2. 适用范围广：典型测温范围可达-200℃到900℃（实际应用常在0~200℃）。
3. 稳定性较好：适合工业现场长期使用。
4. 抗干扰要求高：热电偶信号为微小电压，易受电磁干扰，需要良好屏蔽与信号调理。

在水泵效率温差法中，进出口温度差往往只有几摄氏度，E型热电偶的高灵敏度有助于提高测量分辨率。

3.1.2 MAX31855模块作用与优势
MAX31855是一款集成冷端补偿的热电偶数字转换芯片，可直接与多种热电偶配合工作，将热电偶信号转换为数字温度数据输出。其优势包括：

1. 集成冷端补偿：无需额外温度传感器测量冷端，简化硬件设计。
2. 数字输出：通过SPI接口输出温度数据，减少模拟放大和噪声问题。
3. 故障检测：可检测热电偶开路、短路等异常并输出故障位。
4. 分辨率与稳定性：温度输出具有一定分辨率（通常0.25℃级），适合温差计算。

由于系统需要采集进出口两点温度，因此可以采用两种方式：

• 使用两个MAX31855模块分别读取两个热电偶
• 或使用多通道热电偶转换方案（更复杂）
  在课程设计中通常采用“两个MAX31855模块”的方案，结构清晰，调试方便。

3.1.3 温差测量与误差来源分析
温差ΔT = Tout - Tin。温差测量误差来源主要包括：

1. 热电偶安装位置不同导致温度不一致（应尽量靠近泵体进出口，且保证探头插入深度一致）。
2. 传感器响应时间差（进出口流速不同导致动态误差）。
3. MAX31855量化误差（输出分辨率导致温差存在±0.25℃阶梯）。
4. 外界环境影响（管道散热、保温情况、环境温度变化）。
5. 工况波动（流量变化导致ΔT波动）。
   系统需通过滤波算法（移动平均、一阶低通）提升温差稳定性，并可设置“稳定判定”后再计算效率与报警。

3.2 效率计算功能（温差法经验公式）

3.2.1 温差法效率评估思路
水泵效率通常定义为：

• η = 水力功率 / 轴功率
  温差法在某些场景下通过“泵损耗转化为热量导致温升”来反推效率。简化理解：泵输入功率中一部分转化为有用水力功，一部分转化为热损耗，损耗越大，泵体与介质温升越明显，因此温差可反映效率趋势。
  由于不同泵型、介质、流量、压力工况差异较大，温差法通常依赖经验拟合公式或现场标定。实际工程中常用：
• η = A - B·ΔT（线性近似）
• η = A / (1 + B·ΔT)（非线性近似）
• η = A - B·ΔT - C·ΔT²（拟合曲线）
  本设计使用“经验公式”计算效率，建议采用可配置参数形式（A、B、C可通过按键设置或预设），以适配不同泵型与工况，并便于实验标定。

3.2.2 效率计算的工程合理性
温差法更适用于“效率趋势监测”和“异常报警”，而非高精度计量。系统设计中应强调：

1. 用于判断泵是否效率下降、是否异常发热、是否空转或堵塞；
2. 通过现场标定提高准确度；
3. 结合温度阈值与效率阈值同时判断，提高可靠性。
   因此系统增加温度阈值设置是有必要的：当温度过高或温差异常时，可能说明工况异常或传感器错误，需要报警或提示维护。

3.3 LCD1602显示功能

3.3.1 显示内容设计
LCD1602显示两行16字符，为兼顾信息量与可读性，可采用页面切换：

• 页面1：Tin、Tout、ΔT
• 页面2：η、ηL、ηH
• 页面3（可选）：阈值设置界面（T阈值、ΔT阈值）
  典型显示格式：
• 第一行：IN:25.0 OUT:28.2
• 第二行：DT:3.2 ETA:78%
  或者：
• 第一行：ETA:78% L:60 H:90
• 第二行：ALM:OFF或显示报警类型。

3.3.2 显示刷新与稳定性
温度数据一般1秒更新一次即可，LCD刷新周期建议500ms~1s，避免频繁刷新导致闪烁或占用CPU。设置模式下显示应固定在设置页，并提供光标或闪烁提示当前参数。

3.4 按键设置功能

3.4.1 按键功能规划
建议至少3~4个按键实现完整设置：

1. SET：进入/切换设置项/确认
2. UP：参数增加
3. DOWN：参数减少
4. ESC（可选）：退出不保存或返回
   设置内容包括：

• 温度阈值（可为Tin/Tout上限或ΔT上限）
• 效率下限ηL
• 效率上限ηH
• （可扩展）经验公式参数A、B、C
• （可扩展）报警延迟时间与确认次数

3.4.2 参数保存与掉电保持（可选）
若仅为实验系统，可使用单片机内部RAM保存参数，断电后恢复默认。若要工程化，可外接EEPROM（如AT24C02）保存阈值与参数，避免断电丢失。

3.5 报警功能

3.5.1 报警触发逻辑
系统要求当效率超出设定范围触发报警，具体可定义：

• η < ηL：低效率报警（可能泵磨损、堵塞、空转、轴承故障、流量异常）
• η > ηH：高效率异常报警（可能公式不适配、温差过小、传感器故障、接触不良导致温差失真）
  同时建议增加温度阈值报警：
• Tin或Tout超过设定上限（例如过热报警）
• ΔT超过设定阈值（例如异常发热或工况异常）
  报警输出：蜂鸣器鸣叫 + LED闪烁，并在LCD显示报警原因。

3.5.2 误报警抑制策略
为避免因瞬间波动误报警，建议：

1. 连续N次超限才报警（如连续3次）
2. 报警解除需要回到正常范围并保持一定时间（如5秒）
3. 采样滤波后再判断报警
   这些策略能显著提升系统实用性。

4. 电路设计（分模块详细说明）

4.1 AT89C52单片机最小系统模块

4.1.1 核心作用与资源需求
AT89C52为经典8051内核单片机，具备：

• 32个I/O口
• 3个定时器/计数器（典型52系列）
• 串口通信接口
• 中断系统
  系统中主要用于：
• SPI读取MAX31855
• 计算温差与效率
• 驱动LCD1602
• 扫描按键与菜单控制
• 控制声光报警输出

4.1.2 时钟电路与复位电路

• 晶振：推荐11.0592MHz（便于串口波特率）或12MHz（常用）。
• 复位：RC上电复位 + 复位按键。
• 去耦：0.1uF贴片电容靠近VCC/GND，减少干扰。

4.1.3 抗干扰设计要点
由于热电偶测量易受干扰，尽管MAX31855输出为数字信号，仍需：

• 单片机、LCD、蜂鸣器供电加滤波
• 数字信号线短且远离电机、电源线
• 热电偶引线用屏蔽线并可靠接地
• SPI线加适当串联电阻（抑制反射）
• PCB上模拟地与数字地合理布线（若有模拟部分）

4.2 E型热电偶测温模块

4.2.1 安装与结构设计建议
热电偶应安装在水泵进出口近端或管路上，建议：

• 使用金属护套热电偶，防水耐腐蚀
• 采用螺纹安装或卡箍固定
• 传感器探头与介质充分接触，提高响应速度
• 两个热电偶尽量同型号同长度，减少误差
• 管道外侧可加保温层，减少环境散热影响

4.2.2 引线与屏蔽注意事项
热电偶输出为微小电压，尽管MAX31855近端转换为数字，但热电偶到MAX31855的引线仍应尽量短：

• 引线用热电偶专用补偿导线
• 远离电源线和继电器线
• 必要时使用屏蔽线并单端接地
  这些措施能提高测温稳定性与系统可靠性。

4.3 MAX31855热电偶转换模块

4.3.1 模块功能与接口
MAX31855通过SPI输出32位数据帧，包含：

• 热电偶温度（高位数据）
• 内部冷端温度
• 故障位（开路、短路等）
  连接方式：
• SCK：串行时钟
• CS：片选（每个模块一个CS）
• SO：串行数据输出
  AT89C52可采用软件SPI（bit-bang）读取，避免占用硬件SPI资源（8051通常无硬件SPI）。

4.3.2 两路采集实现方式
由于系统需要两路热电偶：

• 方案A：两片MAX31855，每片对应一个热电偶；SCK与SO可共用，CS独立。
• 方案B：采用模拟多路切换（不推荐，会引入误差与复杂度）。
  推荐方案A，简单可靠且便于调试。

4.3.3 故障检测与保护
MAX31855提供故障位，可用于检测：

• 热电偶断线
• 对地短路
• 对VCC短路
  系统在检测到故障时应：
• LCD显示“SENSOR ERR”
• 停止效率计算或标记数据无效
• 可触发报警提示维护
  这样可避免传感器故障导致错误效率值误报警。

4.4 LCD1602显示模块

4.4.1 接口模式选择
LCD1602支持8位与4位模式。为了节省I/O口，推荐4位模式连接：

• RS、E控制线
• D4~D7数据线
  RW可接地固定写模式，提高可靠性。
  VO对比度引脚接电位器，背光需限流或三极管控制。

4.4.2 显示抗干扰措施
LCD数据线应远离蜂鸣器与电源高电流路径，必要时：

• 在电源端加去耦电容
• LCD旁加小电容
  防止显示乱码或死机。

4.5 按键设置模块

4.5.1 按键硬件设计
按键采用上拉输入：

• 一端接地
• 一端接I/O口并上拉（10K）
  按下为低电平。
  为提高抗干扰，可增加RC滤波，但软件消抖通常足够。

4.5.2 操作逻辑与用户体验
设置模式建议：

• SET进入设置 → SET切换项目 → UP/DOWN修改数值 → 长按SET保存退出
  并在LCD显示“SET”提示，当前参数闪烁显示，避免误改。

4.6 声光报警模块

4.6.1 蜂鸣器驱动
采用有源蜂鸣器简单可靠，单片机IO通过三极管驱动蜂鸣器，避免直接带负载。报警节奏可由定时器控制：

• 低效率报警：间歇鸣叫
• 高效率/故障报警：快速鸣叫
  使报警类型可听辨。

4.6.2 LED报警灯
LED可用于视觉报警，越限时闪烁。若需驱动高亮警示灯，可使用MOSFET并采用独立电源，避免对逻辑供电造成干扰。

4.7 电源供电模块

4.7.1 电源架构
系统一般采用12V适配器输入，再通过稳压模块输出5V供单片机与LCD：

• 7805线性稳压：电路简单但发热较大
• DC-DC降压：效率高，推荐
  MAX31855通常工作在3.3V环境，若模块带稳压可直接用5V供电；若不带稳压需提供3.3V并注意电平兼容。

4.7.2 滤波与保护
电源模块必须加：

• 输入端大电容（100uF~470uF）
• 每个芯片旁0.1uF去耦
• 反接保护与保险丝（可选）
• TVS防浪涌（可选）
  保证系统在工业现场稳定运行。

5. 程序设计（分模块详细说明）

5.1 软件总体架构设计
软件采用模块化与非阻塞设计，主要任务包括：

1. MAX31855采集任务（1秒一次或更快）
2. 温度滤波与有效性判断任务
3. 温差计算与效率计算任务
4. LCD显示刷新任务（500ms~1s刷新）
5. 按键扫描与设置菜单任务（10ms扫描）
6. 报警判断与输出控制任务（100ms节拍控制报警节奏）
7. 参数保存与加载任务（可选EEPROM）

主循环中按不同周期执行任务，定时器中断提供系统节拍，保证响应及时且不阻塞。

5.2 MAX31855 SPI读取模块

5.2.1 软件SPI实现思路
AT89C52可通过IO模拟SPI时序：

• CS拉低开始
• SCK上升沿/下降沿采样SO数据
• 读取32位数据
• CS拉高结束
  读取后解析温度与故障位。

5.2.2 数据帧解析与温度转换
MAX31855输出热电偶温度通常为14位带符号值，单位为0.25℃；冷端温度为12位带符号值。程序需要：

• 判断故障位
• 将温度原始值转换为浮点或定点数
  由于8051浮点运算较慢，推荐使用定点表示：
• 温度×100（单位0.01℃）
• 或温度×4（单位0.25℃）
  通过定点运算实现温差与效率计算，提升效率与稳定性。

5.3 温度滤波与有效性检测模块

5.3.1 滤波算法选择
由于温度变化较慢，可采用：

• N点滑动平均（N=8或16）
• 一阶低通滤波：y = αx + (1-α)y_prev
  滤波可减少温差抖动，避免效率显示跳动。温差越小系统越敏感，因此滤波尤为重要。

5.3.2 异常数据处理
当检测到：

• MAX31855故障位为1
• 温度超出合理范围（如<-50℃或>200℃）
• 两路温差异常大（例如>50℃，不符合工况）
  则认为数据无效：
• LCD显示错误信息
• 停止效率计算或保持上一次有效值
• 触发故障报警（可选）
  这样可避免错误数据导致误报警。

5.4 温差计算模块
温差计算公式：

• ΔT = Tout - Tin
  若采用定点温度×100：
• ΔT100 = Tout100 - Tin100
  显示时再转换为“X.Y℃”。
  系统可设置温差阈值：当ΔT过大或过小可提示工况异常或传感器异常。

5.5 效率计算模块（经验公式）

5.5.1 经验公式设计与可配置化
为了适配不同泵型，建议经验公式参数可设置。示例公式：

• η = A - B·ΔT
  其中：
• η为效率百分比（0~100）
• ΔT为温差（℃）
• A、B为经验系数（通过标定确定）
  例如在某系统中：A=90，B=3，则ΔT=5℃时η=75%。
  为了避免浮点，建议使用定点：
• η = A100 - B100 * ΔT100 / 100
  其中A100=A×100，B100=B×100，可保持两位小数精度。

5.5.2 效率限制与异常判断
计算后应限制：

• η < 0 → 置0
• η > 100 → 置100或视为异常
  若η超出合理范围可能是传感器或公式不匹配，应提示“CAL ERR”并报警或忽略。

5.6 按键扫描与参数设置模块

5.6.1 按键消抖
采用10ms扫描，连续稳定20ms确认按下，生成短按事件。
长按可用于快速加减或保存退出设置。

5.6.2 菜单状态机
设置模块可采用状态机：

• MODE_RUN：运行显示模式
• MODE_SET_TTH：设置温度阈值
• MODE_SET_ETAL：设置效率下限
• MODE_SET_ETAH：设置效率上限
• MODE_SET_AB（可选）：设置经验系数A、B
  SET按键切换状态，UP/DOWN修改数值，长按SET保存退出。
  这种结构清晰易实现，也便于扩展更多参数。

5.7 报警判断与声光输出模块

5.7.1 报警逻辑
报警条件：

1. η < ηL → 低效率报警
2. η > ηH → 高效率异常报警
3. 温度超过阈值 → 温度报警（可选）
4. 传感器故障 → 故障报警（可选）
   报警输出应区分类型：

• 低效率：慢闪+间歇鸣
• 高效率/故障：快闪+急促鸣
  并在LCD显示报警原因。

5.7.2 报警延迟与解除机制
为了稳定，建议：

• 连续3次越限才报警
• 连续3次恢复正常才解除
  可通过计数器实现。

6. 核心程序代码示例（C语言，AT89C52/8051风格，双MAX31855采集 + 效率计算 + LCD显示 + 按键设置 + 报警）

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

typedef unsigned char  u8;
typedef unsigned int   u16;
typedef unsigned long  u32;
typedef signed long    s32;

// ===================== MAX31855 SPI引脚定义（软件SPI） =====================
// 共用SCK与SO，两路独立CS
sbit SPI_SCK = P1^0;
sbit SPI_SO  = P1^1;
sbit CS_IN   = P1^2;   // 进水口MAX31855
sbit CS_OUT  = P1^3;   // 出水口MAX31855

// ===================== LCD1602 (4位模式) =====================
sbit LCD_RS = P2^0;
sbit LCD_E  = P2^1;
sbit LCD_D4 = P2^4;
sbit LCD_D5 = P2^5;
sbit LCD_D6 = P2^6;
sbit LCD_D7 = P2^7;

// ===================== Keys =====================
sbit KEY_SET  = P3^2;
sbit KEY_UP   = P3^3;
sbit KEY_DOWN = P3^4;

// ===================== Alarm =====================
sbit BUZZ = P3^6;
sbit LEDA = P3^7;

// ===================== 系统节拍 =====================
volatile u32 g_ms = 0;

// ===================== 参数（可设置） =====================
u16 eta_low  = 6000;  // 60.00%
u16 eta_high = 9000;  // 90.00%
s32 t_th_high = 8000; // 80.00℃（可选：温度阈值）

// 经验公式：eta = A - B*DT（均为百分比）
// 使用定点：A100, B100
s32 A100 = 9000; // 90.00
s32 B100 = 300;  // 3.00

// ===================== 测量数据（定点：温度×100） =====================
s32 Tin100  = 0;
s32 Tout100 = 0;
s32 DT100   = 0;
s32 Eta100  = 0;

bit sensor_err_in  = 0;
bit sensor_err_out = 0;

// ===================== 定时器0：1ms节拍 =====================
void Timer0_Init(void)
{
    TMOD &= 0xF0;
    TMOD |= 0x01;
    TH0 = 0xFC;  // 1ms@12MHz
    TL0 = 0x18;
    ET0 = 1;
    EA  = 1;
    TR0 = 1;
}
void Timer0_ISR(void) interrupt 1
{
    TH0 = 0xFC;
    TL0 = 0x18;
    g_ms++;
}

// ===================== 简单延时 =====================
void delay_us(u8 t){ while(t--) _nop_(); }
void delay_ms(u16 ms){ u16 i,j; for(i=0;i<ms;i++) for(j=0;j<120;j++); }

// ===================== LCD1602驱动 =====================
void LCD_Write4(u8 dat)
{
    LCD_D4 = dat & 0x01;
    LCD_D5 = (dat & 0x02) ? 1 : 0;
    LCD_D6 = (dat & 0x04) ? 1 : 0;
    LCD_D7 = (dat & 0x08) ? 1 : 0;
}
void LCD_Enable(void)
{
    LCD_E = 1; delay_us(10);
    LCD_E = 0; delay_us(10);
}
void LCD_Cmd(u8 cmd)
{
    LCD_RS = 0;
    LCD_Write4(cmd >> 4); LCD_Enable();
    LCD_Write4(cmd & 0x0F); LCD_Enable();
    delay_ms(2);
}
void LCD_Data(u8 dat)
{
    LCD_RS = 1;
    LCD_Write4(dat >> 4); LCD_Enable();
    LCD_Write4(dat & 0x0F); LCD_Enable();
    delay_us(50);
}
void LCD_SetPos(u8 row, u8 col)
{
    u8 addr = (row==0)?0x80:0xC0;
    LCD_Cmd(addr + col);
}
void LCD_Print(char *s)
{
    while(*s) LCD_Data(*s++);
}
void LCD_Init(void)
{
    delay_ms(20);
    LCD_RS=0; LCD_E=0;

    LCD_Write4(0x03); LCD_Enable(); delay_ms(5);
    LCD_Write4(0x03); LCD_Enable(); delay_ms(1);
    LCD_Write4(0x03); LCD_Enable(); delay_ms(1);
    LCD_Write4(0x02); LCD_Enable();

    LCD_Cmd(0x28);
    LCD_Cmd(0x0C);
    LCD_Cmd(0x06);
    LCD_Cmd(0x01);
}

// ===================== MAX31855读取32位数据 =====================
u32 MAX31855_ReadRaw(bit is_out)
{
    u8 i;
    u32 data = 0;
    bit cs;

    cs = is_out;

    SPI_SCK = 0;
    if(cs) CS_OUT = 0; else CS_IN = 0;
    delay_us(5);

    for(i=0; i<32; i++)
    {
        SPI_SCK = 1;
        data <<= 1;
        if(SPI_SO) data |= 1;
        SPI_SCK = 0;
        delay_us(2);
    }

    if(cs) CS_OUT = 1; else CS_IN = 1;
    return data;
}

// ===================== 解析温度（输出：温度×100，错误标志） =====================
// MAX31855热电偶温度：bits[31:18] 14位有符号，单位0.25℃
s32 MAX31855_ParseTemp100(u32 raw, bit *err)
{
    s32 tc;
    u16 fault = raw & 0x7; // fault bits

    if(raw & 0x00010000) // bit16 = fault
    {
        *err = 1;
        return 0;
    }
    if(fault != 0)
    {
        *err = 1;
        return 0;
    }

    *err = 0;

    tc = (raw >> 18) & 0x3FFF;  // 14-bit
    // 符号扩展
    if(tc & 0x2000) tc |= 0xFFFFC000;

    // tc单位0.25℃ -> ×100： tc * 25
    return tc * 25;
}

// ===================== 滤波（简单滑动平均，示例：4次平均） =====================
s32 Avg4(s32 a, s32 b, s32 c, s32 d)
{
    return (a + b + c + d) / 4;
}

// ===================== 效率计算：Eta100 = A100 - B100 * (DT100/100) =====================
void Calc_Efficiency(void)
{
    // DT100为温差×100，先得到ΔT（℃）的×100形式，再计算
    // Eta100 = A100 - B100 * DT100 / 100
    Eta100 = A100 - (B100 * DT100) / 100;

    if(Eta100 < 0) Eta100 = 0;
    if(Eta100 > 10000) Eta100 = 10000;
}

// ===================== 数值格式化（温度×100 -> xx.x） =====================
void fmt_temp(s32 t100, char *buf)
{
    // buf长度>=6，例如 "25.3"
    s32 t = t100;
    if(t < 0)
    {
        *buf++ = '-';
        t = -t;
    }
    buf[0] = (t/1000)%10 + '0';
    buf[1] = (t/100)%10  + '0';
    buf[2] = '.';
    buf[3] = (t/10)%10   + '0';
    buf[4] = 0;
}

// ===================== 数值格式化（效率×100 -> xx.xx%） =====================
void fmt_eta(u16 e100, char *buf)
{
    // buf "78.25"
    buf[0] = (e100/1000)%10 + '0';
    buf[1] = (e100/100)%10  + '0';
    buf[2] = '.';
    buf[3] = (e100/10)%10   + '0';
    buf[4] = (e100)%10      + '0';
    buf[5] = 0;
}

// ===================== 显示更新（两页轮换） =====================
void LCD_ShowPage0(void)
{
    char b1[8], b2[8], b3[8];
    LCD_SetPos(0,0);
    LCD_Print("IN:");
    fmt_temp(Tin100, b1); LCD_Print(b1);
    LCD_Print(" OUT:");
    fmt_temp(Tout100, b2); LCD_Print(b2);

    LCD_SetPos(1,0);
    LCD_Print("DT:");
    fmt_temp(DT100, b3); LCD_Print(b3);
    LCD_Print(" ETA:");
    fmt_eta((u16)Eta100, b1); LCD_Print(b1);
}

void LCD_ShowPage1(void)
{
    char b1[8], b2[8], b3[8];

    LCD_SetPos(0,0);
    LCD_Print("ETA:");
    fmt_eta((u16)Eta100, b1); LCD_Print(b1);
    LCD_Print(" L:");
    fmt_eta(eta_low, b2); LCD_Print(b2);

    LCD_SetPos(1,0);
    LCD_Print("H:");
    fmt_eta(eta_high, b3); LCD_Print(b3);
    if(sensor_err_in || sensor_err_out) LCD_Print(" ERR");
    else LCD_Print(" OK ");
}

// ===================== 按键扫描（简单消抖） =====================
u8 Key_Scan(void)
{
    static u8 last_set=1, last_up=1, last_down=1;
    u8 now_set  = KEY_SET;
    u8 now_up   = KEY_UP;
    u8 now_down = KEY_DOWN;

    if(last_set==1 && now_set==0){ last_set=0; return 1; }
    if(last_up==1  && now_up==0 ){ last_up=0;  return 2; }
    if(last_down==1&& now_down==0){ last_down=0; return 3; }

    last_set  = now_set;
    last_up   = now_up;
    last_down = now_down;
    return 0;
}

// ===================== 设置菜单状态 =====================
typedef enum {
    MODE_RUN = 0,
    MODE_SET_ETAL,
    MODE_SET_ETAH,
    MODE_SET_TTH
} Mode_t;

Mode_t g_mode = MODE_RUN;

void Apply_SettingKey(u8 ev)
{
    if(ev == 0) return;

    if(ev == 1) // SET
    {
        if(g_mode == MODE_RUN) g_mode = MODE_SET_ETAL;
        else if(g_mode == MODE_SET_ETAL) g_mode = MODE_SET_ETAH;
        else if(g_mode == MODE_SET_ETAH) g_mode = MODE_SET_TTH;
        else g_mode = MODE_RUN;
    }
    else if(ev == 2) // UP
    {
        if(g_mode == MODE_SET_ETAL && eta_low < 9900) eta_low += 50;   // +0.50%
        if(g_mode == MODE_SET_ETAH && eta_high < 10000) eta_high += 50;
        if(g_mode == MODE_SET_TTH)  t_th_high += 100;                 // +1.00℃
    }
    else if(ev == 3) // DOWN
    {
        if(g_mode == MODE_SET_ETAL && eta_low > 0) eta_low -= 50;
        if(g_mode == MODE_SET_ETAH && eta_high > 0) eta_high -= 50;
        if(g_mode == MODE_SET_TTH)  t_th_high -= 100;
    }
}

// ===================== 报警判断与输出控制 =====================
void Alarm_Update(void)
{
    bit alarm = 0;

    if(sensor_err_in || sensor_err_out) alarm = 1;

    // 温度阈值（可选）
    if(Tin100 > t_th_high || Tout100 > t_th_high) alarm = 1;

    // 效率越限
    if((u16)Eta100 < eta_low) alarm = 1;
    if((u16)Eta100 > eta_high) alarm = 1;

    if(alarm)
    {
        LEDA = 0;
        BUZZ = 1;
    }
    else
    {
        LEDA = 1;
        BUZZ = 0;
    }
}

// ===================== 主函数 =====================
void main(void)
{
    u32 last_sample = 0;
    u32 last_disp   = 0;
    u32 last_key    = 0;
    u8 page = 0;

    s32 t_in[4], t_out[4];
    u8 idx = 0;

    CS_IN  = 1;
    CS_OUT = 1;
    SPI_SCK = 0;

    LEDA = 1; BUZZ = 0;

    LCD_Init();
    Timer0_Init();

    while(1)
    {
        // 10ms扫描按键
        if(g_ms - last_key >= 10)
        {
            u8 ev;
            last_key = g_ms;
            ev = Key_Scan();
            Apply_SettingKey(ev);
        }

        // 1秒采样一次温度
        if(g_ms - last_sample >= 1000)
        {
            u32 raw_in, raw_out;
            last_sample = g_ms;

            raw_in  = MAX31855_ReadRaw(0);
            raw_out = MAX31855_ReadRaw(1);

            t_in[idx]  = MAX31855_ParseTemp100(raw_in,  &sensor_err_in);
            t_out[idx] = MAX31855_ParseTemp100(raw_out, &sensor_err_out);

            idx++;
            if(idx >= 4) idx = 0;

            // 滑动平均
            Tin100  = Avg4(t_in[0], t_in[1], t_in[2], t_in[3]);
            Tout100 = Avg4(t_out[0], t_out[1], t_out[2], t_out[3]);

            DT100 = Tout100 - Tin100;
            if(DT100 < 0) DT100 = -DT100; // 若进出口接反，取绝对值

            if(!sensor_err_in && !sensor_err_out)
            {
                Calc_Efficiency();
            }

            Alarm_Update();
        }

        // 2秒切换显示页（设置模式时可固定显示设置界面，这里简化）
        if(g_ms - last_disp >= 2000)
        {
            last_disp = g_ms;
            if(page == 0) { LCD_ShowPage0(); page = 1; }
            else          { LCD_ShowPage1(); page = 0; }
        }
    }
}

7. 关键模块深化说明与工程化优化建议

7.1 温差法经验公式的标定流程建议
为了让效率计算更接近真实值，应进行标定：

1. 在水泵正常工况下，用传统方法测得真实效率η_real（或参考铭牌效率）
2. 同时记录温差ΔT
3. 通过多组数据拟合A、B、C参数
4. 将拟合参数写入系统（可按键输入或EEPROM存储）
   标定后温差法可较准确反映效率变化趋势，并用于报警。

7.2 温度测量精度提升措施

1. 热电偶安装点要合理并加保温层，减少环境散热影响。
2. 使用导热硅脂或金属接触件提高传热效率。
3. 采样数据滤波并设置稳定判定。
4. 若温差很小，可通过提高采样次数、延长平均窗口提升稳定性。
5. 检查MAX31855模块与热电偶连接是否牢固，避免接触电阻导致误差。

7.3 报警策略优化

1. 加入报警确认次数，避免瞬态波动误报警。
2. 区分报警类型并采用不同声光节奏。
3. 增加“静音键”与“报警保持/复位”机制，提升现场使用体验。
4. 增加继电器联动输出（可选），效率过低时自动停泵或启动备用泵（需严格安全评估）。

7.4 参数存储与掉电保护
建议加入EEPROM：

• 保存ηL、ηH、温度阈值、经验公式参数A/B
• 上电自动加载，降低维护成本
  并在写入时使用校验字节，防止数据损坏。

7.5 通信与远程监测扩展方向
系统可扩展：

• RS485通信上传至上位机
• 无线通信（LoRa、WiFi）实现远程监控
• 记录历史温差与效率趋势，形成维护决策依据
  这些扩展可在论文总结中作为未来改进方向，增强系统创新性。

8. 系统测试方案与验证要点

8.1 温度采集测试

1. 在恒温水浴或已知温度环境中验证Tin、Tout准确性。
2. 检查两路温度的一致性与偏差，必要时进行零点校准。
3. 验证MAX31855故障检测：拔掉热电偶应显示ERR并报警。

8.2 温差与效率计算测试

1. 人为制造不同温差（改变流量、加热）检查ΔT计算是否正确。
2. 检查效率计算范围是否在0~100%。
3. 修改A、B参数验证效率随温差变化趋势是否符合预期。

8.3 显示与按键测试

1. LCD显示是否清晰、无乱码、页面切换正确。
2. 按键设置ηL、ηH与温度阈值是否可正确修改并立即生效。
3. 参数越界处理是否正确（例如ηL不得大于ηH）。

8.4 报警功能测试

1. 设置ηL较高，模拟低效率（增大ΔT）触发报警。
2. 设置ηH较低，模拟高效率异常触发报警。
3. 温度超过阈值触发报警。
4. 误报警抑制策略验证（连续超限才报警、解除延迟等）。

9. 总结
   本设计完成了一套基于AT89C52单片机的水泵效率温差法测量与报警系统，采用两只E型热电偶配合MAX31855模块实现水泵进出口温度的高可靠采集，通过单片机计算温差并依据经验公式估算水泵效率，利用LCD1602显示效率上下限与当前效率值，并支持按键设置温度阈值与效率上下限。当效率超出设定范围或传感器出现异常时，系统触发声光报警，帮助运维人员及时发现水泵效率下降、异常发热或传感器故障等问题。
   在电路设计方面，系统采用模块化结构，包含单片机最小系统、热电偶测温模块、MAX31855转换模块、显示、按键与报警、电源供电等模块，易于调试与扩展；在程序设计方面，采用定时采样、滤波、定点运算与菜单状态机实现实时测量与参数可配置，并可进一步扩展EEPROM掉电保存、通信上传与历史数据记录等功能。
   该系统具有成本低、部署方便、维护简单的优势，适用于水泵运行状态在线监测与节能管理场景，同时也具备较强的教学示范价值与工程扩展潜力。