【毕业设计】小型锅炉测控系统设计

请联系QQ68661508小型锅炉测控系统设计摘要锅炉在生活中广泛使用。锅炉的爆炸常造成惨重的损失。为了加强锅炉运行的安全性，在实际中必须严格的控制锅炉堂内的温度、水位和蒸汽压力，实时对这三个参数进行检测，当某一参数越界，及时产生报警。论文根据报警系统的发展趋势，详尽的阐述了基于单片机的语音报警系统的设计全过程。该系统采用了单片机S51作为CPU，它是系统的控制核心。在系统优化阶段，为温度和水位增设了显示功能，完善了系统的设计。在完成硬件设计后，用ALTIUMDESIGNER绘制了电路原理图。利用单片机技术对锅炉进行自动系统改造，锅炉的自动化水平和热量利用率大大提高，控制更加精确安全。由于生活锅炉、工厂小锅炉的炉壁耐压不高，当锅炉水位过低或者炉内气压过高时，如果报警失灵，很容易造成爆炸。本系统以单片机为核心，利用传感器分别对锅炉的水位、温度、气压等进行监测和显示。在各信号异常发生爆炸前，系统通过继电器进行加水动作或者关闭加热电源，确保锅炉的安全；同时，为了提高系统的易用性和人性化功能，充分利用各种声、光进行提示报警。关键字单片机，语音报警，传感器DESIGNOFSMALLBOILERCONTROLSYSTEMABSTRACTTHEBOILERISWIDELYUSEDINTHELIFEBOILEREXPLOSIONOFTENCAUSEDLOSSESINORDERTOSTRENGTHENTHESAFETYOFBOILEROPERATION,INREALLIFEMUSTSTRICTLYCONTROLTHETEMPERATUREOFTHEBOILERINTHEHALL,THEWATERLEVELANDATEAMPRESSURE,REALTIMETESTINGFORTHESETHREEPARAMETERS,WHENAPARAMETEROFCROSSINGTHELINE,ALARMINTIMEFOUNDTRENDOFPAPERACCORDINGTOTHEALARMSYSTEM,DETAILEDINTHISPAPER,THEDESIGNOFTHEVOICEALARMSYSTEMBASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTERTHESYSTEMUSESAMICROCONTROLLERS51ASCPU,ITISTHECONTROLCOREOFSYSTEMINSYSTEMOPTIMIZATIONPHASE,TEMPERATUREANDWATERLEVELFORCOMPLETEDTHEDISPLAYFUNCTION,IMPROVETHEDESIGNOFTHESYSTEMAFTERCOMPLETETHEHARDWAREDESIGN,USEALTIUMDESIGNERMAPPEDTHECIRCUITPRINCIPLEDIAGRANUSINGSINGLECHIPMICROCOMPUTERTECHNOLOGYFORBOILERAUTOMATICSYSTEMRENOVATIONLEVELOFBOILERANDACCURATEASARESULTOFLIVINGBOILER,SMALLFACTORYWALLPRESSUREISNOTHIGH,WHENTHEBOILERWATERLEVELISTOOLOWORHIGHAIRPRESSUREINTHEFURNACE,IFTHEALARMFAILURE,ITISEASYTOCAUSEEXPLOSIONTHISSYSTEMWITHTHESINGLECHIPPROCESSORASTHECORE,THEUSEOFSENSORRESPECTIVELYFORBOILERWATERLEVER,TEMPERATUREANDPRESSUREMONITORINGANDDISPLAYBEFORETHESIGNALTOFRYOFEXCEPTION,THESYSTEMTHROUGHTHERELAYACTIONORCLOSETHEHEATINGPOWEROFWATER,ENSURETHESAFETYOFTHEBOILER,ATTHESAMETIME,INORDERTOIMPROVETHEUSABILITYOFTHESYSTEMANDFUNCTIONOFHUMAN,MAKEFULLUSEOFALLKINDSOFLIGHTANDSOUNDTOINDICATETHEPOLICEKEYWORDSSINGLECHIPCOMPUTER,VOICEALARM,SENSORS目录摘要IABSTRACTII1绪论111锅炉的工作原理112锅炉爆炸的分类及原因113国内外发展现状114本课题的意义215本课题的研究内容32系统方案的设计421锅炉报警系统工作原理图422单片机的选择4221CPU4222单片机的最小系统4223AT89S51包含的硬件资源4224AT89S51单片机的外部引脚及功能5225I/O端口5226控制引脚6227电源与晶振引脚723DS18B20温度传感器7231DS18B20引脚7232DS18B20引脚功能7233DS18B20的特性724ADC0809转换器8241ADC0809简介8242ADC0809组成8243ADC0809引脚图8244ADC0809的引脚功能9245ADC0809的技术指标92574HC573芯片的介绍93锅炉温度、压力、液位控制系统硬件电路设计1131最小单片机系统11311晶振电路11312复位电路1132温度采集模块设计1233温度控制电路设计1334压力检测电路设计1435水位检测电路设计1536水位控制电路模块设计1637报警电路的设计1638显示电路的设计1739按键电路的设计194系统软件设计2041系统软件设计原则2042软件编制20421主流程图如图所示20422温度采集设计20423LCD液晶显示子程序设计21424报警子程序的设计225ALTIUMDESIGNER的认识2451ALTIUMDESIGNER简介2452ALTIUMDESIGNER五大模块的简介2453使用ALTIUNDESIGNER画原理图256结论27致谢28参考文献29附录I30附录II311绪论11锅炉的工作原理锅炉是一种生产蒸汽或热水的换热的设备。它通过煤、油或燃气等燃料的燃烧释放出化学能，并通过传热过程将能量传递给水，使水转变为蒸汽，蒸汽直接供给工业生产中所需的热能，或通过蒸汽动力机将其能量转变为机能，或通过汽轮发电机将其能量转变为电能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能最有效的转变为蒸汽的热能。其工作过程有三个基本过程燃料燃烧的过程、炉与锅炉的传热的过程、水的汽化与过热过程，与之相对应的理论知识是燃烧原理、传热学、流体力学和工程热力学。12锅炉爆炸的分类及原因（1）内缺事故锅筒或炉管过热以至于烧红，突然加水，形成大量蒸汽，使强度降低的锅筒或炉管破裂、炉内的蒸汽或水迅速喷出形成爆炸。（2）超压事故由于安全阀、压力表不齐全、损坏或装设错误，操作人员擅离岗位或放弃监视责任，操作人员有意或无意关闭或关小出气通道，无承压的生活锅炉该做蒸汽锅炉等原因，致使锅炉主要承压元件筒件、封装、管板、炉胆等承受压力超过其承载能力，而造成锅炉爆炸。（3）缺陷事故锅炉承受的压力并未超过额定压力，但因锅炉主要受压元件出现裂纹、严重变形、腐蚀、组织变化等情况，导致主要受压元件丧失承载能力、大面积破裂爆炸。（4）缺水事故锅壳锅炉及水管锅炉的主要受压元件如筒体、封头、管板、炉胆等，往往是直接受火焰或烟气加热的。锅炉一旦缺水严重，上述主要受压元件得不到正常的冷却，干锅后金属温度急剧上升，有时甚至被烧红。此时如立即给锅炉上水，因金属性能与组织变化丧失承载能力，往往导致爆炸。锅炉缺水时，水位表内往往看不到水位，表内发白发亮；低水位报警器动作发出报警，过热蒸汽温度升高，给水流量不正常地小于蒸汽流量。13国内外发展现状我国锅炉市场国际化竞争日趋激烈，目前为止，已争取得中国进口锅炉安全质量许可证书的境外企业已达173家，其中有美国，英国，日本，韩国，意大利，德国等。另外中国已建立了14家合资或独资企业，大多生产油气锅炉，如上海三浦、杭州富尔顿、安阳方正、三北拉法克、北京庆东等等。同时进口锅炉越来越多，占据了相当的市场份额。面对这种新的形势，对整个市场而言竞争会日益惨烈，企业压力会越来越大。为了适应我国工业锅炉以燃煤为主的特定条件，我国的工业锅炉企业应加大技术开发的力度，开发出低污染、高能效、安全可靠的燃煤锅炉。我国在洁净煤燃烧的研究和开发上已经取得了一些成果，如型煤燃烧锅炉、水煤浆锅炉和循环流化床锅炉等等的研究和开发，但是距产业化还有相当的距离，需要继续加大科研的投入，使这些先进的燃烧技术在工业锅炉行业尽快的商业化。企业重组改造。国外工业锅炉企业比较少，但整体技术水平高，规模也很大，生产实力雄厚，而我国的大多企业为中小型企业，规模小、实力薄弱，有的并不具备独立开发的能力，所以要加强对现有锅炉生产研究机构的改造建设，提供技术动力支持。在国内锅炉的研究领域中，工业锅炉大多采用PLC控制，PLC控制成本很高，而且控制和通讯能力，反应的灵敏性方面不如单片机。就目前现状单片机控制多采用S51单片机，该单片机往往需要扩展大量的外部存储器，并行I/O口等，导致在软件编程中问题复杂，提高了不稳定性，新型单片机的发展很快，各方面的功能与以前相比都得到了加强，因而采用新型单片机已是控制方面的一种趋势。我国是一个煤炭生产大国，长期以来我国实行以煤为主的能源政策。受到我国特殊燃料的影响，我国的工业锅炉的燃料以煤为主，工业锅炉每年消耗全国原煤产量的约三分之一。最近十几年来，由于受到国家环保政策的影响及我国大型的油气田的开发，我国的能源结构发生了一些变化。工业锅炉产品的结构也随之发生了变化，燃油燃气锅炉所占比例则由1991年的不足6增至2011年15以上；电热锅炉的开始出现，甚至，还有少量的然生物质的燃烧料得锅炉投入使用；而燃煤锅炉按容量所占比例开始降低，由于1991年的90降至2011的81。但我国总的能源特征是“富煤、少油、有气”。而且，煤炭因其储量大和价格相对稳定，在本世纪前50年内，煤炭在我国一次能源构成中仍占有主导地位，因此，燃煤锅炉仍将是工业锅炉的主导产品。在过去的五十多年，我国工业锅炉的技术水平的发展取得了长足的进步。特别是最近发展起来的燃油燃气锅炉，由于一开始，锅炉的燃烧设备就是基本上时从外国进口，在锅炉控制方面也借鉴了国外的先进的技术，锅炉达到了全国自动控制。因此，燃油燃气锅炉与国外同类产品相比，差距不是很大。然而，燃煤锅炉方面，我们与国外还存在较大的差距。国外的燃烧设备大量采用精密浇铸件和金加工件，整个燃烧设备设计、制造的非常精密，几乎没有漏风。如在项目中，从南非公司引进的一台链条炉排头部位没有外罩的情况下运行完全没有漏风，上海四方锅炉厂引进的丹麦公司的链条炉排也是如此。14本课题的意义锅炉是特种压力容器设备，是工业生产和居民生活广泛应用的供热装置。目前大多数锅炉仍处于能耗高，浪费大，对环境污染比较严重的生产状态，因此，利用单片机技术提高锅炉自动化水平，对节能环保诸方面意义重大。符合高新技术的发展潮流，是用低成本自动化技术武装传统设备的一项具有深远意义的工作。利用单片机技术对锅炉进行自动系统改造，锅炉的自动化水平和热量利用率大大提高，控制更加精确安全。由于生活锅炉、工厂小锅炉的炉壁耐压不高，当锅炉水位过低或者炉内气压过高时，如果报警失灵，很容易造成爆炸。本系统以单片机为核心，利用传感器分别对锅炉的水位、温度、气压等进行监测和显示。当各信号异常发生爆炸前，系统通过电磁阀、继电器等多种处理方式进行加水动作或者关闭加热电源，确保锅炉的安全；同时，为了提高系统的易用性和人性化功能，充分利用各种声、光进行提示报警。通过本次设计，培养学生利用所学知识解决实际问题的能力，掌握单片机系统的硬件设计与软件设计，从而使学生将学到的理论知识应用于实践中，为将来走向社会奠定良好的基础。15本课题的研究内容本系统是由信号采集装置，微控制单元，外围机电设备等组成，利用传感器采集锅炉的高低压、高低水位、及温度信号，将这些信号传送到核心控制单元单片机进行判断，以控制外围相应设备。由于生活锅炉、工厂小锅炉的炉壁耐压不高，当锅炉水位过低或者炉内气压过高时，如果报警失灵，很容易造成爆炸。本系统以单片机为核心，利用传感器分别对锅炉的水位、温度、气压等进行监测和显示。当各信号异常发生爆炸前，系统通过电磁阀、继电器等多种处理方式进行加水动作或者关闭加热电源，确保锅炉的安全；同时，为了提高系统的易用性和人性化功能，充分利用各种声、光进行提示报警。通过本次设计，培养学生利用所学知识解决实际问题的能力，掌握单片机系统的硬件设计与软件设计，从而使学生将学到的理论知识应用于实践中，为将来走向社会奠定良好的基础。2系统方案的设计21锅炉报警系统工作原理图图21锅炉报警系统工作原理图22单片机的选择221CPU本系统中的CPU选择是AT89S51,它是由美国的INTEL公司研究的。熟称S51。单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。222单片机的最小系统单片机进行外部存储器扩展时，用PO口作数据口，同时PO口通过地址锁存器，锁存低八位地址信息，高八位地址信息由P2口承担。223AT89S51包含的硬件资源8位CPU，片内振荡器；4KB程序存储器（ROM）；128B的数据存储器（RAM；温度传感器压力传感器水位器显示电路报警电路继电器键盘A/D转换单片机2个16位定时/计时器；32个可编程的I/O线；1个可编程全双工串行端口；5个中断源，2个中断优先级；可寻址64KB片外部数据存储器空间、64KB片外部程序存储器空间的控制电路；有位寻址功能，适合用于位处理器。224AT89S51单片机的外部引脚及功能XTAL98RSPEN30467WIDOVCM图22S51单片机引脚225I/O端口14个并行I/O端口分别为P0口、PI口、P2口及P3口，它们看似一样，结构是有区别的，在使用上也是不一样。（2）P0口（P00P07,39脚32脚），P0口根据使用情况，有两种工作方式。一是作为普通的I/O口使用时，它是一种漏极开路的8位准双向I/O口，每一位可驱动8个LSTTL负载，若驱动普通负载，它只有16MA灌电流驱动能力，拉负载能力仅为几十微安，需要输出高电平时，要接上拉电阻。当P0口作为普通输入接口时，应先向口锁存器写“1”。二是在访问片外存储器时，它是标准的双向I/O接口，分时复用作为低8位地址线和8位双向数据总线使用。（3）P2口（P20P27，21脚28脚），P2口也有两种工作方式，一是作为普通I/O口使用时，它是自带上拉电阻的8位准双向I/O接口，每一位可驱动4个LSTTL负载。当P2口作为输入接口时，应先向锁存器写“1”。二是在访问片外存储器时，P2口作为高8位地址线使用。（4）P1口（P10P17，1脚8脚），P1口仅作为I/O使用，它也是自带上拉电阻的8位准双向I/O接口，每一位可驱动4个LSTTL负载。当P1口作为输入接口时，应先向锁存器写“1”。（5）P3（P30P37，10脚17脚），P3口也是自带上拉电阻的8位准双向I/O接口，每一位可驱动4个LSTTL负载。当P3口作为输入接口时，应先向锁存器写“1”。P3口除了作一般准双向I/O接口使用外，每个引脚还有第二功能，如表23所示。表23P3引脚226控制引脚（1）控制引脚包括ALE/PROG、PSEN、EA/VPP、RST/VPD。（2）ALE/PROG30脚地址锁存使能信号输出端。存取片外存储器时；用于锁存低8位地址。即使不访问片外存储器，端仍以时钟振荡频率1/6的固定频率向外输出脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，然而要注意的是每当访问片外存储器时，有些指令将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个LSTTL负载。PROG是对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。（3）PSEN29脚程序存储器输出使能端。它是片外程序存储器的读选通信号，低电平有效。在由片外程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问片外数据存储器时，这两次的PSEN将不出现。PSEN同样可以驱动8个LSTTL负载。（4）EA/VPP（31脚片内程序存储器屏蔽控制端，低电平有效。当EA端保持引脚功能P30RXD（串行输入口）P31TXD（串行输出口）P32INT0（外部中断0输入口）低电平有效P33INT1（外部中断1输入口）低电平有效P34T0（定时器0外部输入口）P35T1（定时器1外部输入口）P36WR（写选通输出口）低电平有效P37RD（读选通输出口）低电平有效低电平时。将屏蔽片内的程序存储器，只访问片外程序存储器。当EA端保持高电平时，执行时，将自动转向执行片外程序存储器内的程序。VPP加入编程电压端。对EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于施加21V的编程电压。（5）RST/VPD（9脚复位输入信号端，高电平有效。当振荡器运行时，在此引脚输入最少两个机器周期以上的高电平，将使单片机复位。复位后单片机将从程序计数器PC0000H地址开始执行程序。对HMOS工艺的单片机此引脚还有备用电源的功能。该引脚接上备用电源，在VCC掉电期间。可以保持片内RAM的数据不丢失的。227电源与晶振引脚VCC（40脚主电源正端，接5V。VSS（20脚主电源负端，接地。XTAL1（19脚片内高增益反向放大器的输入端。接外部石英晶体和电容的一端。若使用外部输入时钟时，该引脚必须接地。XTAL218脚片内高增益反向放大器的输出端。接外部石英晶体和电容的另一端。若使用外部输入时钟时，该引脚作为外部输入时钟的输入端。23DS18B20温度传感器231DS18B20引脚DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为05摄氏度，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。引脚排列如图23所示。图23DS18B20引脚图232DS18B20引脚功能GND接地；VDD外接供电电源的输入端；DQ数字信号的输入输出端。233DS18B20的特性测量温度范围在55125；分辨率可达到05；不需要外围电路；可直接用数据线进行供电；可以实现912位数字读数；自行设定非量失性的报警上、下限；可以多点测温；有负压特性；单总线接口唯一ROM代码形式；多点组网，并联在唯一线路。24ADC0809转换器241ADC0809简介ADC0809是含8位A/D转换器、8路多路开关，以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其转换方法为逐次逼近型。在A/D转换器内部有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带模拟开关的树组的256电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器。8路的模拟的开关的通断由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个单边的模拟信号。242ADC0809组成ADC0809由两部分组成。第一部分为8通道多路模拟开关，通过控制C、B、A和地址锁存允许端子，可使其中一个通道被选中。第二部分为一个完整的逐次逼近型A/D转换器，它由比较器、控制逻辑、数字量输出锁存缓冲器、逐次逼近型寄存器及开关树组和256R梯形电阻网络组成，由后两种电路（开关树组和256R梯形电阻）组成A/D转换器。控制逻辑用来控制逐次逼近型寄存器从高位到低位逐次取“1”，然后将此数字送到开关树组以控制开关K7K0是否与参考电平相连。参考电平经256R电阻网络输出一个模拟电压VC,VC与输入模拟量VX在比较器中进行比较。当VCVX时，该位的DI0，若VCVX，则DI1，且一直保持到比较结束，照此处理，从D7D0比较8次逐次逼近型寄存器的数字量，即与模拟量VX所相当的数字量等值。此数字量送人后存于锁存器，并同时发出转换结束信号。243ADC0809引脚图A25B4C3LE1MS09867GNDITROKVF图24ADC0809引脚图244ADC0809的引脚功能（1）IN7IN08个模拟量的输入端。（2）START启动信号。当START为高电平时，A/D转换开始。（3）EOC转换结束信号。当A/D转换结束后，发出一个正脉冲，表示A/D转换完毕。此信号可用作A/D转换是否结束的检测信号，或CPU申请中断的信号。（4）OE输出允许信号。当此信号有效时，允许从A/D转换器的锁存器中读取数字量。此信号可作为ADC0809的片选信号，高电平有效。（5）CLOCK实时时钟，可通过外接RC电路改变时钟频率。（6）ALE地址锁存允许，高电平有效。当ALE为高电平时，允许C、B、A所示的通道被选中，并把该通道的模拟量接入A/D转换器。（7）C、B、A通道号选择端子。C为最高位，A为最低位。（8）D7D0数字量输出端。（9）VREF，VREF参考电压端子，用以提供A/D转换器权电阻的标准电平。对于一般的单极性模拟量输入信号，VREF5V，VREF0V。（10）VCC电源端子。接5V。（11）GND接地端。245ADC0809的技术指标单一电源，5V供电，模拟量输入范围为05V。分辨率为8位。最大不可调误差ADC08091LSB；1LSB1/256。功耗为15MW。转换速度取决于芯片的时钟频率。时钟频率范围为101280KHZ，当CLOCK等于500KHZ时，转换时间为128S。可锁存三态输出，输出与TTL兼容。无需进行零位及满量程的调整。温度范围为4085。2574HC573芯片的介绍芯片74HC573是8三态锁存器。74HC573和74HC373原理一样。主要用于数码管、按键等等的控制。SL74HC573跟LS/LA573的管脚一样。器件的输入和标准COMS输出兼容的，加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据时透明的（也就是说输出同步）。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。其电路如图25所示。OE1LD2345679GN0VCQSPAB图2574HC573引脚图如上图所示，DOD7为数据输入端，QOQ7为数据输出端，LE为锁存控制端，OE为使能端。其真值表如下表25所示。表2574HC573的真值表3锅炉温度、压力、液位控制系统硬件电路设计31最小单片机系统单片机最小应用系统，指的是用最少的元件组成单片机并且可以正常工作的系统，对于本次设计使用单片机来说，最小系统一般应该包括单片机、晶振电路以及复位电路。311晶振电路典型的晶振取值约为12MHZ。晶振电路结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。作用就是为系统提供基本的时钟信号。晶振电路如图31所示。输入输出输出使能端锁存使能端DQLHHHLHLLLLX不变HXXZ30PFC12GNDXTALMHZ图31晶振电路图312复位电路单片机的复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序就从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，收到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。单片机的复位原理，是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，外加一个手动复位按钮，刚上电时或触动按钮后，电容两端的电压为0，这时RST为高电平，即可实现复位，而复位时间是（时钟周期12振荡周期，振荡周期1/F），这个时间只能大不能小，具体数值可以由RC电路计算出时间常数。为了确保单片机正常复位，必须使其第9脚上出现的高电平保持2S以上。复位电路如图32所示。KRSV图32复位电路图32温度采集模块设计DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与设定的上下限进行比较，如果超限，则该器件内的告警标志置位，并对主机发出告警搜索命令作出响应。DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1引脚接地，2引脚作为信号线，3引脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电源，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。本系统采用的是电源直接供电。DS18B20的DQ端直接与单片机的P23口相连接，VDD端接5V电源，DQ端与5V电源之间通过电阻相连，GND接地，DS18B20可以直接将模拟量转换成数字量，因此不需要连接A/D转换器，DS18B20与单片机直接进行数据传输，不需要单片机来给DS18B20供电，保证了DS18B20工作的可靠性。其检测模块如图33所示。VDQGNS8B0KCP图33温度检测模块33温度控制电路设计本系统采用继电器进行对加热器工作方式控制，从而使锅炉控制温度。当P口输出高电平时，经反相驱动器7406变为低电平，使发光二极管发光，从而使光敏三级管导通，进而是Q导通，因而继电器的线圈通电，接通锅炉加热器。本部分电路与单片机的接口如图3所示。（1）当P27输出高电平时，加热器通电，加热器对锅炉加热，进行加热处理。（2）当P27输出低电平时，加热器断电，加热器对锅炉加热，不进行加热处理。UDQK74061R23GNVCP图34温度控制电路34压力检测电路设计该部分主要由压力信号检测和信号放大电路两部分组成。应变片可以将应变的转换为电阻的变化，为了显示记录应变的大小，还要将电阻的变化转换为电压或电流的变化，因此需要专用的测量电路，通常采用直流电桥或交流电桥。由于应变片的电桥电路的输出信号一般比较弱，所以目前大部分电阻应变片式传感器的电桥输出端与直流放大器相连电桥的输出电压于应变成线性性关系。若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为输出电压为两者之差，若不同时，则输出电压为两者之和。若相邻两桥臂的极性一致，输出电压为两者之和，反之则为两者之差，电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。本次设计的放大器采用了三运放，因为它具有高共模抑制比的放大电路。它由三个集成运算放大器组成。其中AR1和AR2为两个性能一致（主要指输入阻抗，共模抑制比和增益）的同相输入通用集成运算放大器，构成平衡对称差动放大输入级，AR3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制AR1和AR2的共模信号，并适应接地负载的需要。由于每个放大需求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压，因此，整个差分输入电压现在呈现在R5，RG和R6这三只电阻上，所以差分增益可以通过仅改变RG进行调整。如果R5R6，R1R3，R2R4，则VOUTVIN2VIN112R5/RGR2/R1。由于RG两端的电压等于VIN，所以流过RG的电流等于VIN/RG，因此输入信号将通过A1和A2获得增益并得到放大。然而必须注意的是对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位，从而不会在RG上产生电流。由于没有电流流过RG（也就无电流流过R5和R6），放大器AR1和AR2将作为单位增益跟随器而工作。因此，共模信号将以单位增益通过输入缓冲器，而差分电压将按（1（2RF/RG）的增益系数被放大，这也就意味着该电路的共模抑制比相比与原来的差分电路增大了（1（2RF/RG）倍。在理论上表面，得到所需求的前端增益成比例增加，而共模误差则不然，所以比率（增益（差分输入电压）/共模误差电压）将增大。因此CMR理论上与增益成比例增加。最后，由于结构上的对称，输入放大器的共模误差，如果它们跟踪，将被输出级的减法器消除，这包括诸如共模抑制随频率变化的误差。电路图如图3所示。10R5423G6PAVCNDI图35压力检测电路35水位检测电路设计水位检测电路是通过四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别与单片机相连，实时对锅炉里水位进行检测。当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平，当水位低于此三极管时，其输出端口就向单片机输出低电平。由上至下的第一个位置为水位上线报警线，即当水位高于此位置时，开水阀控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀可能出现故障，第二个位置是自动停止加水线，即当水位高于此位置时，控制系统会自动关闭加水电磁阀，停止加水；第三个位置是自动加水线，即当水位低于此位置时，控制系统会自动接通加水电磁阀，开水加水；第四个位置是水位下线报警线，即当水位低于此位置时，开水房控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀可能出现故障。其电路图如图36所示。1KR2DQGNP7图36水位检测电路36水位控制电路模块设计如图37所示，P10输出高电平时，经反向驱动器7406输出低电平，使固态继电器内部发光二极管发光，并使光敏三级管导通，从而使电动机通电；反之，当P10输出为低电平时，发光二级管无电流流过，不发光，光敏三级管随之截止，因而直流电机绕组没有电流通过。图中D1为固态继电器内部保护元件，D2为电机保护元件。M046VC图37水位控制电路37报警电路的设计报警电路的设计方法根据报警参数及传感器的具体情况可分为两种。一种是全软件报警方式。这种方法，首先把被测参数经传感器、变数器、模/数转换器，送到微型计算机，再与规定的上、下限值进行比较；根据比较的结果进行报警或处理，整个过程都由软件实现，这种报警程序又可分简单上、下限报警程序，以及上、下限报警处理程序。另一类报警方式叫硬件申请，软件处理报警，这种方法的基本思想是报警要求不通过程序比较法得到，而是直接由传感器产生。例如，电接点式压力报警装置，当压力高于（或低于）某一极限值时，接点即合闭，正常时则打开，利用这些开关信号，通过中断的办法来实现对参数或位置的监测。例如，在行车系统中，经常利用限位开关来控制吊车在进行中的行程位置，当吊车达到极限位置时，限位开关闭合，此时可向CPU申请中断。CPU响应中断后，即转到中断服务程序，停止吊车行进或使其向相反方向运动。本次系统中采用的是软件报警方式。在锅炉水位自动调节系统中，气泡水位是锅炉正常工作的重要指标。液面太高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液现象，水位过低，则由于汽包的水量较少，负荷又很大，水的汽化会很快。如果不及时调节液面，就会使汽包内液体全部汽化，可能导致锅炉烧坏甚至发生严重的爆炸事故。为了使现场人员能够及时的监视锅炉的生产情况。整个系统设有三个报警参数。即水位上、下限，炉膛温度上、下限，以及蒸汽压力下限。当各参数全部正常时，灯亮。当某一参数不正常时，将发出声光报警信号。电路如图38所示。Q50KR1DLSGNVCP2436上图38报警电路的设计38显示电路的设计本设计中采用三位7段LED显示器，LED显示器是单片机应用中最常用的输出部件，它是由若干发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光，不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。用LED是因为它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长的特点。LED最早出现在19世纪60年代，现在我们可以经常在电气和电子设备上看到这些二极管作为指示灯来用。LED就是一种半导体元件，其电气特性与一般的二极管一样，去别在于其在通电状态下会发光。因为发光二极管是固态，因此它可以延长使用传感器的寿命。因而LED一起体积小，可靠性高，耗能低等诸多优点在生产生活中得到越来越广泛的应用。在微型计算机控制系统中，常用的显示方法有两种一种是动态显示，动态显示就是微型计算机定时地对显示器件进行扫描。在这种方法中显示器分时工作，每次只能有一个器件显示。但由于人的视觉有暂留现象，所以只要扫描频率足够快，仍然感觉所有的器件都在显示。如许多单片机的开发系统及仿真器上的6显示器即采用这类显示方式。此种显示的优点是使用硬件少，因而价格低线路简单，但它占用机时间长，只要微型计算机不执行显示程序，就立刻停止显示。由此可见，这种显示将使计算机的开销增大，所以，在以工业控制为主的控制系统中应用较少。另一种是静态显示，静态显示是由微型计算机一次输出显示模型后，就能保持该显示结果，直到下次发送新的显示模型为止。这种显示占用机时少，显示可靠，因而在工业过程中得到广泛的应用。这种显示方法的缺点是使用元件多，且线路比较复杂。但是，随着大规模集成电路的发展，目前已经研制出具有多种功能的显示器件。例如，锁存器，译码器，驱动器，显示器四位一体的显示器件，用起来比较方便，价格也越来越便宜。本设计系统中运用的静态显示。所以需要用到锁存器。选择锁存器为74LS573。其原理为74LS573的八位锁存器都是透明的D型锁存器。当使能端为高时，Q输出将随数据D的输入而变，当使能为底时，输出将锁存在已建立的数据电平上，输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出关闭时，新的数据也可置入。此电路可以驱动大的电容或低阻抗负载，可以直接与系统的总线接口并行驱动总线，而不需要外接口。其电路连接如图39所示。图39显示电路图39按键电路的设计键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件，他能实现向单片机输入数据、发送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。为了便于实现各种的控制要求，智能调节器必须具备快速设置被控参数且操作方便，还必须增加键盘装置，键盘控制有矩阵和独立式两种。对于键盘的识别，可以采用程序扫描的方法，考虑到本设计实际需要的按键较少，所以选择采用独立式键盘接口电路。它是将每个独立按键按一对一的方式直接接到单片机的I/O口上，通过程序扫描查询方式实现与单片机系统交互的。在程序查询方式下。通过I/O口端读入按键状态，当有按键按下时，相应的I/O端口变为低电平，而未被按下的键盘在上拉电阻的作用下为高电平，这样通过读I/O口的状态判断是否有键按下。其电路如图310所示。A1F2G3E4D56C8DP7B9A0SINVCOELGQB47KR312SGNDVCP0图310按键电路图4系统软件设计41系统软件设计原则由于计算机系统软件的进步和飞速发展，在系统设计中，耗用了大量的开发时间，充分发挥软件功能，尽可能的扩展软件的应用范围，这就相对的简化了硬件结构，降低了成本，提高了系统的性能。根据系统的设计情况，软件设计应具备如下功能取参数比较；报警语音输出；实时数据的显示；加热和加水的驱动。系统软件全部采用汇编语言编制，节约了硬件资源，同时提高了系统的实时性。42软件编制421主流程图如图所示开始温度检测压力检测水位检测A/D转换大于设定值大于设定值大于设定值启动报警装置YNN图41主流程图422温度采集设计DS18B20有严格的协议来确保其数据的完整性。协议包括几种单线信号类型复位脉冲，存在脉冲，写0、写1、读0、读1开始与DS18B20进行任何通信。都要对其进行初始化，在接收到复位脉冲后，在对DS18B20进行正确的ROM命令和存贮器操作命令。在总线主机初始化过程，主机通过高单总线，以产生复位脉冲。接着，在主机释放总线，并进入接收模式。当总线被释放后，上拉电阻将总线拉高。在单总线器件检测到上升沿后，接着产生延迟时，接着通过拉低总线，以产生存在脉冲。DS18B20温度采集子流程如图42所示。结束发出温度读取命令保存采集的温度开始检测DS18B20是否存在跳过ROM匹配发出温度转换命令跳过ROM匹配YN图42温度显示流程图423LCD液晶显示子程序设计单片机先要对LCD进行初始化，然后将需要显示的字符在LCD存储的地址和要求在LCD显示的地址送出，在检测是否忙碌不能接收命令或数据的状态，检测到LCD空闲时就可以写数据显示了。LCD液晶显示子流程如图43所示。写数据显示结束开始LCD液晶显示模块初始化将需要的显示信息和LCD地址送出检测LCD是否忙碌NY43LCD液晶显示子流程图424报警子程序的设计越限报警程序的基本思想是将采用、数字滤波后的数据与该被测点上、下限进行比较，检测是否越限。或与上限复位值或下限复位值进行比较，检测是否复位上、下限。如越限，则分别置位越上限标志和越下限标志，并输出相应的声、光报警模型。如已复位上、下限，则清除相应标志。当上述报警处理完之后，返回主程序。如图44所示其程序的流程图。开始取上限值越上限否取上限复位值复位上限否越上限标志置位否取下限值越下限否取下限复位值复位下限否越下限标志置位否清越下限标志越限、复位处理标志位置返回越下限标志复位否置越下限标志输出声光报警信号清越上限标志越上限标志置位否置越上限标志输出声光报警信号YNNYYNNNYYYYN图44报警流程图5ALTIUMDESIGNER的认识51ALTIUMDESIGNER简介电路设计自动化EDA指的就是将电路设计中各种工作交由计算机来协助完成。如电路原理图的绘制，印制电路板，文件的制作，执行电路仿真等设计工作。随着电子科技的蓬勃发展，新型元器件层出不穷，电子线路变得越来越复杂，电路的设计工作已经无法单纯依靠手工来完成，电子线路计算机辅助设计已经成为必然趋势，越来越多的设计人员使用快捷、高效的CAD设计软件来进行辅助电路原理图，印制电路板图的设计，打印各种报表。ALTIUMDESIGNER是原PROTEL软件开发商ALTIUM公司于2006年推出的一体化的电子产品开发系统，主要运用在WINDOWSXP操作系统，这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。ALTIUMDESIGNER除了全面继承包括PROTEL在内的先前一系列版本的功能和优点，还增加了许多改进和很多高端功能，该平台扩宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成一起。52ALTIUMDESIGNER五大模块的简介（1）系统菜单位于ALTIUMDESIGNER界面的上方左侧，启动ALTIUMDESIGNER后，系统显示“DXP”、“FILE”、“VIEW”、“PROJECT”、“WINDOW”和“HELP”基本操作菜单项，用户使用这些菜单项内的命令选项可以设置ALTIUMDESIGNER中的系统参数，新建各类项目文件，启动对应的设计模块。当设计模块被启动后，主菜单将会自动更新，以匹配设计模块。（2）浏览器工具栏浏览器工具栏位于ALTIUMDESIGNER界面的上方右侧，由浏览器地址编辑框、后退快捷按钮、前进快捷按钮、回主页快捷按钮和个人喜好快捷按钮组成。其中，浏览器地址编辑框用于显示当前工作区文件的地址，单击后退或前进快捷按钮可以根据浏览的次序后退或前进，且通过单击按钮右侧的下拉列表按钮，打开浏览器次序列表，用户还可以选择从新打开用户在此之前或之后浏览的页面。单击回主页快捷按钮，将返回系统默认主页，单击个人喜好快捷按钮，可以将当前页面设置为个人喜好页面。（3）系统工具栏系统工具栏位于系统菜单下方，由快捷工具按钮组成，单击此处按钮等同于选择相应的菜单命令。（4）工作区工作区位于ALTIUMDESIGNER界面的中间，是用户编辑各种文档的区域。在无编辑对象打开的情况下，工作区将自动显示为系统默认主页，主页内列出了常用的任务命令，单击即可快捷启动相应工具模块。（5）工作面板窗口PROTEL为用户提供了大量的工作面板窗口，如文件管理面板，项目管理面板，器件库等，分别位于ALTIUMDESIGNER界面的左右两侧和下部。用户还可以用工作区面板右上部分的小按钮移动、修改或修剪面板，单击相应的面板标签可以显示、隐藏或切换工作面板窗口。53使用ALTIUNDESIGNER画原理图图53AD界面图（1）启动ALTIUMDESIGNER原理图编辑器。（2）设置原理图纸大小以及片版面。绘制原理图前，必须根据实际电路的复杂程度来设置图纸的大小，设置图纸的过程实际上是建立工作平面的过程，用户可以设置图纸方向、网格大小以及标题栏等。（3）在图纸上放置元件。根据实际电路的需要，从元件库里取出所选的元件放置到工作平面上。设计者可以根据元件之间的走线等关系，对元件在工作平面上的位置进行调整、修改，并对元件的编号、封装进行定义和设定，为下一步工作打好基础。（4）对所放置的元件进行布局布线。该过程实际就是画图画线的过程。设计值可以利用ALTIUMDESIGNER提供的各种工具、命令进行布线，将工作平面上的元件用具有电气意义的导线、符号链接起来，构成一个完整的原理图。（5）对布局布线后的元件进行调整。在这一过程，设计者利用ALTIUMDESIGNE的各种功能对所绘制的原理图作进一步的调整和修理，以保证原理图的美观和正确。（6）电气检测。布线完成后，还需要设置PROGECTOPTIONS来编辑当前项目，根据ALTIUMDESIGNE提供的错误检查报告从新修改原理图。（7）保存文档和报表输出此阶段可利用报表工具生成各种报表，如网络表、元件清单，此时也可以打印参数并进行打印，从而为生成印制电路板做好准备。6结论本设计是基于80C51单片机的锅炉温度、压力和液位控制系统，首先是方案的选择，这是课程设计的主要环节，然后进行软件编程，通过数据线连接电脑下载编好的程序，进行调试，在接下来是添加单元电路，并进行调试。调试过程中遇到不少问题，主要是经验不足经过不停的摸索，问题基本上得到解决，我也懂得了系统要有良好的控制效果，其前端采集温度信号需要足够的精准，其次系统的构成要简单实用，实时监控系统状态参数。本文设计的控制系统可以试下你对锅炉温度、液位和压力的全自动化控制，节省了人力资源，同时添加了报警装置大大提高了锅炉使用的安全性，另一方面采用了更为先进的电加热系统，更节能，更环保，更具有可行性。总的来说通过设计这次实验，学到了很多东西，无论是手动能力，分析问题的能力都得到了提高，重要的是建立对电子设计的兴趣。最大的体会还是理论运用到实践还是有很大差距，理论学的再好到了实际运用的时候还是会出现很多问题，这些问题通过实践积累经验可以得到解决。由于时间的限制，在设计中没有将信号采集器件部分作为研究重点，但是对于一个可靠的有效的报警系统来说，这一部分是必不可少的，所以下一步工作时研究信号采集器件与本系统的接口。科学技术总是不断进步的，一大批研究机构、高等学院正在努力将先进的计算机技术、控制技术应用到报警系统中，使我国报警系统的设计与研究向着更高的领域迈进。致谢时光荏苒，岁月如梭。大学四年的本科学习，成本与效率是如此的不成比例，令人汗颜。求学之艰难，现在终于能告一段落，心生诸多感触，冷暖甜苦自知，但也颇感欣慰。本文是在张老师的精心指导和大力支持下完成的。张老师以严谨求实的治学态度，高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时，在此次毕业设计过程中我也学到了许多关于单片机方面的知识，实验技能有了很大的提高。一路走过了，在感受苦楚和艰辛的同时也沐浴关爱和温馨。在论文完成之际，我谨向给予我教导和帮助过我的所有老师以及和我一起走过四年光阴的同学们致以衷心的感谢深深感谢我的导师一直以来