基于单片机的小型开水锅炉控制系统设计.doc

88目录1绪论.12设计要求.13方案论证.13.1温度检测设计方案.13.2水位检测设计方案.24系统结构框图.35单片机外围器件的设计.35.1元件选择及介绍.45.1.1单片机AT89S温度传感器DS18B掉电存储器AT24C0固态继电器SSR.115.2硬件电路具体设计与实现.125.2.1水温采集部分.125.2.2水位采集部分.125.2.3显示电路.135.2.4驱动电路.145.2.5报警电路.155.2.6键盘接口电路.155.2.7掉电存储电路.166软件设计.166.1程序流程图.176.2程序清单：见附录二.177系统总体电路图：见附录一.188结论.19谢辞.19参考文献.19附录一：总体电路图.21附录二：程序清单.2211绪论在我国，传统的开水锅炉控制中多以燃煤和燃油为主，而且相当一部分还是采用人工控制或是继电接触式的控制方式，自动化程度低，调节精度差，单靠人工操作已不能适应当今高效、低耗、低劳动强度的要求，加上燃料燃烧时产生大量的废气和废渣，对环境造成了严重的污染，给人们的生产和生活也带来了巨大的危害。因此，对传统的控制系统进行改造是适应今后发展的迫切需要。随着电力工业的不断发展，人们逐渐采用电加热控制系统。本设计就是针对燃煤和燃油锅炉所存在的问题，开发了一种多功能智能的电锅炉控制系统1。单片机作为自动控制中的一个核心器件在小型自动控制系统及信号采集方面已经被广泛应用，技术也相对较成熟，它不仅有体积小，安装方便，功能较齐全等优点，而且有很高的性价比，应用前景广。本论文设计的小型开水房锅炉自动控制中采用的就是以单片机作为控制中心，采用电力作为燃料，不仅能够使控制系统具有精度高、功能强、经济性好的特点，还节约能源，利于环保，在改善劳动条件等方面都显示了无比的优越性。另外该设计的控制系统还具有超温、高低水位保护、显示及报警等功能，保证锅炉正常安全的工作，实现自动化控制。2设计要求（1）水温控制：要求系统能实现对水温的预设，当水温超出设定温度时，能够及时报警（2）水位控制：系统能够将水位控制在上限和下限之间，当水位超出该范围时，能够报警（3）按键功能：能够对水温进行预设和设置水温与实际温度的转换3方案论证3.1温度检测设计方案方案（1）：温度检测部分采用热电偶，经过温度变送后，对信号进行采样保持，AD转换后，然后与单片机通信进行控制。若温度检测部分采用热电偶，它需要冷端补偿电路与其配套，并且热电偶输出电压只有几毫负，必须经过放大处理才能A/D转换，外围电路复杂，占用单片机的接口多2。方案（2）：主要是以单片机作为控制器的核心，利用温度转换芯片DS18B20进行温度采集。数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持一线总线接口的温度传感器，测量温度范围为-55C+125C，在-10+85C范围内,精度为0.5C，现场温度直接以一线总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，使系统设计更灵活、方便。同时DS18B20可使程序设定912位的分辨率，精度2为0.5C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存，并且性能价格也非常出色。图1方案（1）结构框图图2方案（2）结构框图由于热电偶属于非线性器件，因此每个温度值都必须通过分度表，查表才能获得，这给软件编程和数据处理增加了难度。这种系统具有测量温度范围可以从零下一百度到上千摄氏度，而且有很多热电偶精度非常高这是这种测量系统的优点。但构成系统复杂，抗干扰能力不强。而数字温度传感器DS18B20，它的最高分辨率为12位，可识别0.0625摄氏度的温度3。它具有直接输出数字信号和数据处理，并且它和单片机接口只需要一位I/O口，因此由它构成的系统简单使用，综合比较温度检测方案（1）和方案（2），我们只在常温下使用，并且经济合理，因此选择了方案（2）。3.2水位检测设计方案方案（1）：采用电感式浮球传感器对其进行水位检测。传感器液筒上的汽水管与锅炉筒相连接，使筒锅内的水位与液筒内水位互相连通。当锅筒内水位变化时，液筒内水位相应发生变化。液筒内浮球根据水位高低而发生变化，水位升高时，浮球向上浮。水位下降时，浮球向下浮。连接浮球上的矽棒在电感线圈内发生位移，使电感线圈两端电感量发生相应的变化，变化的电感量写入仪表，仪表接收这一变化的液位信号，转换成与液平面相应显示信号，系统根据水位的变化信号，自动调节给水流量，使水位稳定在正常区域，以确保锅炉的安全运行。方案（2）：采用金属电极式进行水位检测。在锅炉内的不同的高度安装3根金属棒,以感知水位变化情况。其中A棒处于下限水位，C棒处于上限水位，B棒在上、下水位之间。通过接头b、c与单片机通信，再配上水位显示电路，完成水位的检测和状态显示，单片机驱动控制电路，实现自动上水。热电偶检测温度变送器采样保持AD转换单片机单片机DS18B20温度采集3采用电感式浮球传感器对锅炉水位进行检测，检测精密，但该元件的成本太高。采用金属电极式进行水位检测，电路简单易行，成本相对小，而且该技术应用广泛。考虑综合因素，水位检测设计方案采用方案（2）4。4系统结构框图系统整体电路方框图如图3所示。图3系统整体结构框图本系统主要由温度传感器、液位传感器、掉电存储、复位及时钟信号产生电路、报警电路、显示电路、开关控制电路以及AT89S51组成。通过对锅炉水位和水温实时检测与采集，将锅炉的液位、温度等参数输入单片机，由单片机AT89S51在内部与预先设定参数通过软件计算生成各个控制信号，从而对补水泵和锅炉内部的电加热器进行控制，再配以外部的温度显示和水位状态显示以及报警装置，进而对锅炉进行优化控制，达到了用户的要求和节能目的。操作过程如下：用户首先设定水温数值，然后系统检测锅炉中水位。如果水位正常则系统开始启动，否则产生声光报警并进行自动保护。系统正常运行以后，利用传感器DS18B20检测出锅炉中的水温，并且实时显示出来。当水温超过设定上限，系统同样会发出报警信号并采取保护措施，控制加热器工作情况。当水温未达到设定值，立即回馈给系统，由系统自动调整加热器工作状态，使水温到达设定值，满足用户需求。5单片机外围器件的设计水温数字传感器DS18B20水位传感器键盘接口电路单片机AT89S51掉电存储器AT24C02水温显示电路水位状态显示固态继电器水泵固态继电器报警电路加热器45.1元件选择及介绍5.1.1单片机AT89S51本设计采用AT89S51作为中央处理单元，它是是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为024MHz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。AT89S51的主要特性：（1）8031CPU与MCS-51兼容（2）4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)（3）全静态工作：0Hz-24KHz（4）三级程序存储器保密锁定（5）128*8位内部RAM（6）32条可编程I/O线（7）两个16位定时器/计数器（8）6个中断源5（9）可编程串行通道（10）低功耗的闲置和掉电模式（11）片内振荡器和时钟电路AT89S51的引脚结构（如图4）及各管脚说明：VCC：供电电压GND：接地P0-P3：分别是8位准双向I/O端口，但P0在作为一般的I/O端口用时，应外接上拉电阻，才能高电平输出RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间ALE/PROG：地址锁存允许信号端。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现图4AT89S51的引脚图123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:23-May-2009SheetofFile:E:论文水温.DDBDrawnBy:P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728ALE/PROG30PSEN29EA/VPP31P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.5/MOSI6P1.6/MISO7P1.7/SCK8REST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GND20AT89S516/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入XTAL2：来自反向振荡器的输出5.1.2温度传感器DS18B20传统的温度传感器如热电偶和铂电阻等分立元件，外围电路比较复杂，仅提供与温度相关的电压或电流。而较新型的单片集成温度传感器如AD590,也只能产生与温度呈线性关系的电流信号。上述两种传感器都必须使用电阻、运算放大器和A/D转换器等构成温度测量电路。当外界环境条件发生变化时元件参数也会改变,致使测量误差增加,准确度降低。本系统采用的是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20，它可以把温度信号直接转换成串行数字信号供单片机处理，采用单线接口，仅需一根口线与MCU相连，无需外围元件。其突出优点是:将被测温度直接转换成数字信号输出。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面都比DS1820有所改进。在解决各种误差、可靠性和实现系统优化等方面，有无可比拟的优越性。DS18B20的主要特点：（）采用单总线方式，仅需一根信号线与CPU连接即可传送串行数据，且不需要外部元件（）每个芯片都有惟一编码，多个D