家用智能电加热锅炉设计与实现

辽 东 学 院 本 科 毕 业 论 文（设 计）家用智能电加热锅炉设计与实现With the implementation of household intelligent electric heating boiler design学 生 姓 名： 学 院： 专 业： 班 级： 学 号： 指 导 教 师： 审 阅 教 师： 完 成 日 期： 辽 东 学 院Eastern Liaoning University独创性说明作者郑重声明：本毕业论文（设计）是我个人在指导教师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得辽东学院或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名：_ 日期：_ _辽 东 学 院 本 科 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 题 目- I -摘 要本设计是基于单片机的家用智能电加热锅炉设计与实现，以 85c51 单片机作为核心控制，运用温度传感器 DS18B20 进行温宿采集，显示电路采用 1602 液晶，作为模式显示单元，LCD 显示温度和时间，可设定运行和停止的时间间隔和次数。温度传感器与单片机的紧密结合构成温度闭环实现了智能电加热锅炉的设计与实现。充分发挥了单片机的性能。其优点硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高，具有一定的使用和参考价值。系统配有功能键盘接口：定时功能选择、时间调整功能、控制温度调整功能、功能退出；关键词：单片机；加热炉；1602 液晶；DS18B20辽 东 学 院 本 科 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 题 目- II -目 录摘 要 .I一、绪论 .1（一）本设计的意义及目的.1（二）智能加热炉的国内外现状.2（三）本文主要内容.3二、系统总体方案的设计 .4三、单片机硬件部分设计 .5（一）温度测控系统选型.5（二）控制器芯片方案.10（三）单片机外围电路的设计.121复位电路设计.122时钟电路设计.14（四）LED 显示电路与键盘电路 .14四、软件部分的设计 .18（一）主程序设计.18（二）模式设定函数设计.21（三）编程环境的介绍.29结 论 .33参 考 文 献 .34附录 A 整体电路图 .35附录 B 程序代码 .36致 谢 .55辽 东 学 院 本 科 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 题 目1一、绪论（一）本设计的意义及目的目前市场上的家用热水器控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题，很多控制器只具有温度和水位的显示功能，而不具备温度和水位的即时控制功能。即使一些热水器具有辅助加热功能，也可能由于不能控制加热时间及水位而产生过烧，从而浪费电能，甚至会引起火灾等重大事故，造成人身及财产损失。国内在近十年对智能温度控制系统进行了研究，并在一些领域得到应用，如微波炉、加热箱、蔬菜大棚。本文设计的系统可对一定容量的清水进行加热控制，水温可以在一定范围内设定 ，并保持设定温度基本不变，同时具备水位检测控制及报警功能。本系统成本低廉、安装方便、运行可靠，并且在保证水温智能可控的前提下实现节能环保的要求。随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，人们对于智能化要求逐步提升。智能控制得到广泛应用，日常生活中许多场合都需要依据实际情况，更加人性化地实现多方面的控制。电热水锅炉是将电能转化为热能的装置，采用全新加热方式，无污染，相比其他燃煤锅炉，完全可以称为绿色环保锅炉。电加热锅炉具有以下特点：无污染、能量转化效率高、锅炉本体结构简单、安全性好，并且可采用计算机监控，完全实现自动化，因而在现实生活中使用起来更加方便。单片机应用广泛，发展迅速。在 过 程 控 制 中 ， 单 片 机 既 可 作 为 主 计 算 机 ， 又 可 作为 分 布 式 计 算 机 控 制 系 统 中 的 前 端 机 ， 完 成 模 拟 量 的 采 集 和 开 关 量 的 输 入 、 处 理 和控 制 计 算 ， 然 后 输 出 控 制 信 号 。 单 片 机 广 泛 用 于 仪 器 仪 表 中 ， 与 不 同 类 型 的 传 感 器相 结 合 ， 实 现 诸 如 电 压 、 湿 度 、 水 位 、 压 力 和 温 度 等 物 理 量 的 测 量 ； 在 日 常 电 器 设备 中 ， 单 片 机 已 广 泛 用 于 电 视 机 、 电 冰 箱 、 电 饭 锅 等 各 种 家 电 设 备 中 。 总 之 ， 使 用单 片 机 来 实 现 电 热 水 锅 炉 的 多 个 参 数 控 制 ， 既 满 足 实 际 生 活 和 工 业 控 制 的 需 求 ， 又满 足 当 今 社 会 发 展 的 需 要 。锅炉控制是一种过程控制，其多个参数的变化（如温度、水位等）具有非线性的特点，单纯用数学方法建立精确的模型，显然不切实际，因此首先选择合适的控制算法，对实现电锅炉的稳定控制和提高系统的经济性十分重要。通过对“家用智能电加热锅炉设计与实现” 的研究，并结合自己所学知识，完成基于单片机技术的家用智能电加热锅炉设计与实现。本设计着重研究内容主要包括：实用系统分析、控制方案确定、功能设计、线路设计与线路板制作、元件采购与焊接、系统总装与调试等。将自己所学应用于实际当中，为自己以后的发展奠定基础。辽 东 学 院 本 科 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 题 目2本设计主要应用 89C52 作为控制核心，运用到外端的接口技术以及 A/D 及 D/A 转换器的工作原理及应用，温度传感器与单片机的连接处理同时还运用到 LCD 显示。充分发挥了单片机的性能。其优点硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等特点，具有一定的使用和参考价值。（二）智能加热炉的国内外现状随着我国电力行业的迅速发展，电力供应紧张的局面已经趋于缓和，为实现可持续发展，国家推广使用燃气锅炉和电锅炉。然而，现今环境污染问题严重，而且由于燃气锅炉投资过大，管道铺设受到城市发展的制约，这就为电热锅炉提供了良好的发展空间。电热锅炉同其他燃料锅炉相比，具有无污染、热效率高、体积小等优点，并且可以实现无人监控的全自动化控制，控制系统可采用 PLC 控制，也可以采用电脑控制，同时均可转为手动；控制方式灵活，加热方式便利，可采用瞬时、蓄水和蓄热等多种方式；安全性能好。从以上优点可以看出，电热锅炉代表了当今环保锅炉的发展趋势，在人们崇尚回归自然，世界各国环保要求日趋严格的今天，电热锅炉必定会获得长足发展。电热锅炉根据电加热原理和加热元件的不同分以下几类： 电热管电热锅炉、电热棒电热锅炉、电极式电热锅炉、电热板电热锅炉、感应式电热锅炉。当前，国内企业生产的电热锅炉绝大部分是电热管电热锅炉，其原理是电能通过电热管电阻转换成热能。其中电热管是电热锅炉的核心，电热管质量的高低直接影响电热锅炉的运行可靠性和使用寿命。国家大力引进蓄热电热锅炉，积极引进开发电极式电热锅炉。电热锅炉在我国起步较晚，其应用和发展是我国电力工业发展和环境保护要求相互作用的必然结果。尽管处于发展初期，产品的设计和使用过程中还存在很多问题，但随着人们对电热锅炉认识的深入以及生产厂家的技术进步，电热锅炉一定会得到长足发展，成为新世纪广泛使用的新型绿色环保锅炉。工业控制在理论上大概分为三个阶段，第一阶段为以经典控制理论为主要控制方案的初级阶段，可以用 PID 控制实现稳定系统和定值控制；第二阶段为以现代控制理论为主要控制方案的发展阶段，以微型计算机为工具，对复杂现象进行控制，克服干扰和模型变化，以满足复杂的工艺要求，提高控制质量。第三阶段为高级阶段，控制方法主要朝着综合化和智能化的方向发展。智能控制理论中，专家系统、神经网络、模糊控制系统为最有潜力的三种方法，其中模糊控制不仅有行之有效的模糊控制理论辽 东 学 院 本 科 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 题 目3为基础，而且能够表达出确定性和不确定性的两类经验，并提炼成为知识进而改善已有控制。（三）本文主要内容设计开始对设计要求进行分析整理，对本设计的市场现状及技术现状进行整体分析，确定整体的设计方案。本设计主要内容包括加热炉的温度检测部分、加热炉的工作模式设定部分和加热炉的加热控制部分。温度检测部分包括传感器检测炉内温度和控制面板的温度显示；加热模式的设定包括按键的设计，显示屏的设计，通过按键选取加热炉的工作模式，再对每个模式下的参数进行设定，最后进入工作状态；控制加热部分包括执行装置既继电器动作部分以及控制继电器开合的电路设计，加热装置的设计。最后,对本系统实现过程中的重点和难点进行了总结,创新之处和不足之处进行了说明,并进行了一些展望。辽 东 学 院 本 科 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 题 目4二、系统总体方案的设计控制器温度检测电源模块按键输入 显示屏输出加热控制继电器加热丝图 2.1 整体设计方案根据设计要求，智能家用电加热锅炉设计包括温度检测模块、电源模块、人机接口和执行单元。温度检测模块由温度传感器检测炉内温度，将温度传给控制器，是整个设计中的重要部分；控制器是整个系统的控制核心，在本设计中是由单片机作为控制器，负责把检测回来的温度进行处理。控制器同时驱动显示屏和键盘输入进行数据显示和设定及工作模式的显示与设置。控制器输出控制信号给驱动电路部分，控制其进行加热；加热控制继电器是将控制信号转为加热动作；加热丝在锅炉内进行加热以提高温度；按键输入和显示屏输出作为人机接口部分，将设定值和工作状态输入给控制器，同时控制器通过显示屏将其工作状态及具体参数显示给用户。辽 东 学 院 本 科 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 题 目5三、单片机硬件部分设计（一）温度测控系统选型市场上有多种传感器可供选择：方案一：由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行 A/D 转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到 A/D 转换电路，感温电路比较麻烦。方案二：选用 DS18B20：DS18B20 单总线数字温度计提供 9 位温度读数，指示器件的温度，信息经过单线接口送入 DS18B20，中央处理器到 DS18B20 仅需连接一条线和地。读写和完成温度变换所需的电源可以有数据线本身提供，不需要外接电源。可以直接将温度传给处理器处理显示数据。且目前市场价 10 元左右。通过比较以上两种方案，决定采用方案二，方案二电路图设计简单，相对其它器件容易控制，性价比高。而且可以多点采集温度，更容易实现智能控制。温度传感器特性和参数图 3.1 DS18B20 封装图下表为 DS18B20 的引脚定义及描述DS18B20 是一种可组网数字温度传感器芯片，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。辽 东 学 院 本 科 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 题 目6独特的单线接口方式，DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。测温范围 55125，固有测温分辨率 0.5。支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，最多只能并联 8 个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定，实现多点测温。工作电源为 35V/DC。在使用中不需要任何外围元件，测量结果以 912 位数字量方式串行传送。不锈钢保护管直径 6，适用于 DN1525, DN40DN250 各种介质工业管道和狭小空间设备测温，标准安装螺纹 M10X1, M12X1.5, G1/2”任选，PVC 电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁， 但不能正常工作。DS18B20 内部结构主要由四部分组成：64 位光刻 ROM 、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。DS18B20 的外形及管脚排列见图 2.8 所示。该产品适用于冷冻库，粮仓，储罐，电讯机房，电力机房，电缆线槽等测温和控制领域、轴瓦，缸体，纺机，空调，等狭小空间工业设备测温和控制、供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制、汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等。DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司最