锅炉温度控制系统设计_毕业设计论文.doc

安徽建筑大学安徽建筑大学 毕 业 设 计（论 文） 专专 业业 ： 测控技术与仪器测控技术与仪器 班班 级级 : : 二班二班 学生姓名学生姓名 : : 胡磊胡磊 学学 号号 : : 0921004020309210040203 课课 题题 : : 锅炉温度控制系统设计锅炉温度控制系统设计 指导老师指导老师 ： 纪明伟纪明伟 20132013 年年 0606 月月 1414 日日安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 摘摘 要要 在调查对当前采暖需求情况的基础上，根据小型家用燃气锅炉的工作特点，再结合工程实际需要，研究了基于 mcs-51 单片机的家用燃气锅炉温度控制系统，旨在解决使用燃煤锅炉集中采暖时所遇到的锅炉温度不易控制的问题，改进家庭采暖的控制方式，提高采暖的经济性。利用 protel99se 软件设计电路，对智能控制器的电源电路、报警电路、时钟电路、复位电路、lcd 液晶显示电路以及控制器的核心温度采集电路进行了设计。电源采用三端集成稳压器 w7800 (w7900)系列元件7805,交流 220 v 电压转换为单片机所需要的 5v 电压；利用 at89s51 作为控制器的核心器件；利用集成电路温度传感器 ds18b20 测量锅炉水温;并将测量的水温与设定值比较，另外系统使用 lcd 液晶显示器显示当前水位、水位的上下限值、当前采集的温度值和预先设定的温度报警值。当温度超过所设定的报警温度值，系统将发出报警声音，同时关闭锅炉燃烧器。等待温度降到下限值，这时就可以重新锅炉燃烧器通电，继续加温，如此反复监控温度。这样就可以提高能源的使用率，节约能源。针对系统的特点和要求，在上述硬件电路及实现方法的基础上，利用汇编语言，设计了基于单片机的锅炉温度控制系统。控制软件主要包括温度和温度采集子程序、水位控制程序、lcd 液晶显示子程序等。关键词：单片机；温度控制；ds18b20；燃气锅炉；lcd；安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） abstract according to the market demand and the characteristics of domestic heating, this paper develops mcu intelligence controller for the minor gas-fired boiler which is domestic heating equipment on the basis of investigation of heating demand widely. the research purpose is to change the inconvenience of temperature control bring by using coal fired boiler for centralized heating, to increase economics of heating.the software called protel99se for circuit designed is used to develop the hardware of the controller. the hardware includes the power supply circuit, the reset circuit,the clock circuit, the alarm circuit, the lcd display circuit, and the temperature collection which is the core of this controller. the three-pin integrated-circuit voltage regulator w7800 (7900) series component 7805 is used for the power supply. the atmel at89s51 chip is the core chip of the controller. the integrated temperature sensor ds18b20 is used to measure water temperature in boiler. the key circuit is used to set the alerm temperature and analog water in or out. in addition, lcd is used to display water level bound, current water level, temperature alerm value by presupposition and current temperature. when water level beyond its bound or when current temperature beyond its alerm value, the system gives an alerm and makes boiler burner off. when water temperature is down, the system releases alerm and makes boiler burener on. the system does it again and again.so the system can save energy and improve energy utilization rate. aim at the demand and characteristic of the system, on the basis of these hardware and implement method, using assemble language, system designs boiler temperature control system design based on singlechip. this software includes temperature and water level monitor main program, temperature collection subprogram, analoy water in and out subprogram, keyboard scan subprogram, lcd display subprogram etc. keywords:mcu; temperature control; ds18b20;gasboiler;liquid crystaldisplay; 安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 目目 录录1 绪论11.1 课题背景 11.2 课题研究的目的及意义21.3 系统的总体设计思想22 系统方案选择及工作原理42.1 系统设计方案 42.2 系统结构框图 52.2.1 主要器件的选择72.2.2 辅助器件选择 73 硬件电路设计83.1 主控单片机 at89s51 芯片介绍 83.1.1 主要性能特点 83.1.2 at89s51 管脚说明93.2 单片机最小系统 11图 3.2 最小单片机系统113.2.1 时钟电路113.2.2 复位电路 123.3 温度控制电路设计 123.4 按键电路设计133.5 水位检测电路设计 133.6 稳压电源电路设计 143.7 温度传感器选择及温度采集电路163.7.1 ds18b20 简介163.7.2 温度采集电路173.8 输出模块173.8.1 固态继电器 ssr173.8.2 报警电路设计193.8.3 液晶显示电路设计194 系统软件的设计224.1 系统主程序 224.2 子模块软件设计 224.2.1 a/d 转换环节子程序设计234.2.2 ds18b20 温度采集子程序设计244.2.3 lcd 液晶显示子程序设计254.2.4 按键子程序设计 25总结27参考文献28致 谢29附录一30附录二39安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 01 1 绪绪 论论1.11.1 课题背景课题背景由于工业过程控制的需要，特别是在计算机技术和微电子技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统的发展迅速，并在智能化，自适应、参数整定等方面，以美国、德国、日本、瑞典等国家技术领先，都生产出了一批性能优异的、商品化的温度控制器及仪表，并在各行得到广泛的应用。电加热锅炉采用全新加热方式，它具有许多优点，使其比其他形式的锅炉更具有吸引力：1）能量转化效率高。加热元件直接与水接触，能量转换效率很高，可达 95%以上。2）无污染。不会排放出有害气体、飞尘、灰渣，完全符合环保方面的要求。3）结构简单、体积小、重量轻，占地面积小。4）锅炉本体结构简单，安全性好。不需要布管路，没有燃烧室、烟道，不会出现燃煤、燃油、燃气的泄漏和爆炸危险。5）可采用计算机监控，完全实现自动化。其温度的控制都能通过微控制芯片完成，使锅炉的运行完全实现自动化，最大程度地将控制器应用于传统的锅炉行业。6）启动、停止速度快，运行负荷调节范围大，调节速度快，操作简单。由于加热元件工作由外部电气开关控制，所以启停速度快。由于目前人们的环保意识的提高，人们对电热锅炉越来越重视，在工业生产和民用生活用水中应用越来越普及。电热锅炉目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控制水的温度，保证恒温供水。随着计算机和信息技术的高速发展，单片机广泛的应用于工业控制中。工业控制也越来越多的采用计算机控制，在这里我们采用51 系列单片机来做控制器。由于电加热锅炉是一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 1方法很难达到很好的控制效果。而这下符合 pid 控制使用的条件，因而 pid 控制被广泛地用于电热锅炉的控制中，用来代替传统的控制方法，并获得良好的控制效果。 1.21.2 课题研究的目的及意义课题研究的目的及意义目前市场上家用燃气锅炉大部分为进口，价格较高，售后服务也不够完善，不利于燃气锅炉的推广与使用，研制燃气锅炉的企业与公司也相对较少。因此，研制开发小型家用燃气锅炉就具有客观的市场价值与现实的意义。本设计将结合中、小型家用燃气锅炉的实际需要，利用 mcs-51 系列单片机为核心器件组成温度控制系统，采用温度采集技术，并通过运行和分析研究，以期正确认识和全面理解利用单片机实现温度采集技术在过程控制中的应用。本控制器主要是针对现代工业自动化生产过程中锅炉温度控制装置而设计的，用 pid 控制代替传统的控制方法，以获得良好的控制效果。1.31.3 系统的总体设计思想系统的总体设计思想目前，专门用于工业控制的单片机系列产品广泛出现于世界计算机市场上，单片机以其重量轻、体积小、功耗低、功能强、价格便宜的特点，在工业控制的实践中得到越来越广泛的应用。单片机不仅仅可以实现各种常规的控制，而且还可以根据被控对象的特性，充分利用控制理论的最新研究成果，采用更完善的控制方式，以获得更好的控制效果。当前，由于家用锅炉处于批量生产中，并且每台锅炉需要一套完整的控制系统，根据这些特点，特别是从产品成本角度出发，以mcs-51为核心器件的控制系统是比较理想的选择。此外，mcs-51系列单片机完备的控制功能、运算能力、加上完善的外部接口电路，完全可以胜任对中小型锅炉的控制。系统在外围芯片选取时，尽量选取典型的、易于扩展和替换的芯片和电路，还需本着节约成本的思想。选用lcd液晶显示器和基于单总线的数字温度传感器ds18b20。lcd液晶显示器为平面超薄的显示设备，它由一定数量的彩色或黑白像素组成，放置于光源或者反射面前方。液晶显示器功耗很低，因此倍受工程师青睐，适用于使用电池的电子设备。它的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面；ds18b20温度传感器采用美国dallas公司生产的 ds18b20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有体积小，使用方便 ，耐磨耐碰，封装形式多样，安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 2适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域 。它们二者与单片机的接口比较简单，而且编程难度不大，既缩短了系统的开发周期，又保证了系统的稳定性，节约了开发成本。 本系统的电源采用市场上常见的w7800(7800)系列7805电源稳压芯片，数字信号和模拟信号分别采用单独的供电回路，以避免电源的干扰。利用继电器控制燃烧器和给水泵的加热和给水。当锅炉内的水的实际水温超过报警温度值，系统会发出报警声音，这时接在单片机一端的继电器动作，燃烧器断电。此时温度传感器实时对锅炉温度检测，当温度降到设定值的下限时，继电器重新通电。燃烧器电源重新接通，锅炉继续加热。如此反复监控温度。这样对锅炉温度控制不仅可以节约能源，提高能源的使用率。使用lcd液晶显示器显示水位的上下限值、预先设定的温度报警值和当前采集的温度值；利用温度传感器ds18b20采集测量锅炉水温。此外，为防止锅炉干烧和锅炉水溢出，本系统对锅炉的水位进行实时监控，避免造成能源浪费以及水溢出引起的锅炉爆炸等严重后果。安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 3 2 2 系统方案选择及工作原理系统方案选择及工作原理实现本系统设计要求的方案有多种，以下介绍两种控制方法：(1)用 plc 为控制器，热电阻/热电偶作为测温器件，实现闭环控制。(2)用单片机结合温度传感器和加热执行机构对温度进行控制，键盘修改温度参数、显示。 每一种方案都有其各自的优点。本章详细列举、说明了两种不同的设计方案的优缺点进行对比，选出了最佳控制方案。2.12.1 系统设计方案系统设计方案方案一：采用 plc 为控制器此方案用 plc 作为主要控制器的核心，利用热电偶作为测温器件，然后通过一个变送器将温度转换成电压信号，送入到 a/d 转换器进行模拟到数字量的转换，转换结果转送入 plc，由 plc 根据给定值与测量值的大小作比较得到一个偏差，再由d/a 将偏差数字量转换成模拟量来调节加热丝的工作时间或者通过调节不同电压来调节加热丝的加热功率，最终达到锅炉恒温控制的目的。系统原理框图如下图 2.1所示： 实际温度 图 2.1 方案一的原理框图方案二：采用 51 单片机为主控芯片给定值a/d 转换plc 控制器加热d/a 转换变送器热电偶安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 4 采用 at89s51 单片机、温度传感器 ds18b20、7805 电源稳压芯片、液晶显示器 lcd1602 等核心部件。该方案采用液晶显示器来显示当前采集的温度值、当前水位、水位的上下限值、预先设定的温度报警值，接口简单、直观而且编程强度不大。用不锈钢管制作成的装置放于水位上下限。这样就可以缩短系统的开发周期，减少系统成本开销。另外，温度传感器 ds18b20 的温度测量范围、响应时间、稳定性、精度都要比热敏电阻好。当系统采集到温度信号后与设定温度进行比较得到一个偏差，然后通过 pid 运算，从单片机 p1.0 输出一个 pwm 波形来控制固态继电器的导通与关闭，从而控制锅炉的加热丝在一个固定周期中通电加热时间的长短来达到恒温控制的目的。从组成结构上来看，以 plc 为控制器的方案安装接线比较繁琐，而实际显示需要单独的显示屏，调节温度时不太方便，若要改变给定值，需要添加专门的输入模块或者需要重新下载控制程序。而 51 单片机控制系统，整个控制系统可以规划到一块 pcb 电路板上，从而安装起来更加方便，而且其功能比较齐全，显示模块简单，调节温度可通过键盘来设置，使用很方便。从成本上来看。以 plc 为控制器的方案比较昂贵，51 单片机控制系统更加经济。考虑到用户的心里接受倾向，51 单片机控制系统更有市场推广价值。 通过以上分析和比较从而得出：锅炉温度控制系统采用单片机作为控制器的系统比 plc 控制系统成本更低，使用更加方便快捷。基于上述原因，最终确定采用方案2.22.2 系统结构框图系统结构框图 锅炉温度控制系统的主控部分由单片机构成。通过按键电路进行温度报警值的设定，并对锅炉的水温进行采集及处理，然后与报警值重新启动进行加热处理。以此重复对锅炉温度控制。同时为结合实际需要，本系统亦比较，当温度值大于温度上限值(报警值)时就报警，停止加热。当温度少于温度下限值时，对锅炉水位进行控制。液晶显示，显示水位上限值，水位下限值以及温度报警值和实际温度值。图2.2 所示是其系统结构框图。 在工业生产中，锅炉是一种重要的动力系统。其中锅炉的温度过程控制，又是一个重要环节。本系统过程控制系统主要应用于燃气锅炉的水温控制系统。在燃气安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 5锅炉里面，天然气液化石油气作为燃料，锅炉中的水作为加热对象。温度传感器的输出信号经调理电路处理后作为单片机系统的输入信号。本系统要采样的是锅炉的水温和锅炉的水位控制信号。 图 2.2 系统的原理框图 温度控制系统的控制信号通过继电器控制燃烧器内进出气，由三个进气阀实现控制。燃烧器的作用是:继电器接通燃烧器电源后，燃烧器通过其内部的光电检测管检测锅炉内有无火光，若有火光则表示点火成功，不需启动点火变压器，否则启动点火变压器进行点火，同时电磁阀打开进气，这时光电管检测到火焰，关闭点火变压器，系统点火成功。该中小型燃气锅炉所需要温度的热水是根据用户需要调节的。 at89s51at89s51 继电器继电器 燃烧器燃烧器 给水泵给水泵 报警报警 液晶显示液晶显示温度采集温度采集a/d 转换转换按键设定按键设定稳压电源稳压电源 复位复位安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 6控制系统根据温度传感器检测到的温度与温度设定值比较，给出控制信号.若实际温度大于报警值时，单片机实行对继电器的电源关断，这时燃烧器断电，锅炉不进行加热处理。温度传感器一直检测锅炉内部的水温。当温度传感器检测的温度小于用户设定值的时候，单片机根据温度的比较信号，重新对继电器进行通电，锅炉重新加热。 2.2.1 主要器件的选择1.选用 atmel 公司单片机 at89s51。2.固态继电器 ssr3.选用 dallas 半导体公司温度传感器 ds18b204.液晶显示器 lcd16025.蜂鸣器6.三端稳压器 78052.2.2 辅助器件选择 1.奥林燃烧器 型号:gp-300t 功率(kg):700-4000 伺服马达型号:sqm 火焰探 测器型号:qra-2重量(kg):320燃烧器控制:外置 2.chl 系列立式不锈钢多级泵 流量：最大 22m3/h 环境温度：最高+160 液体温度：-50120 工作电压：220v/380v 工作压力：1.6mpa/2.5mpa安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 73.不锈钢管 3 硬件电路设计硬件电路设计 3.13.1 主控单片机主控单片机 at89s51at89s51 芯片介绍芯片介绍at89s51 是一个低功耗，高性能 cmos 8 位单片机，片内含 4k bytes isp(in-system programmable)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 isp flash 存储单元，at89s51 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。at89s51 单片机引脚图如图3.1 所示。 图 3.1 at89s51 引脚图3.1.1 主要性能特点安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 8(1)at89s51 主要功能如下：1.为一般控制应用的 8 位单芯片。2.内部程式存储器（rom 为 4kb） 。2.内部数据存储器（ram 为 128b） 。4.晶片内部具有时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12mhz） 。5.32 条双向输入输出线，且每条均可以单独做 i/o 的控制。6.2 组独立的 16 位定时器。7.5 个中断向量源。8.单芯片提供位逻辑运算指令。3.1.2 at89s51 管脚说明 vcc：供电电压。 gnd：接地。 p0 口：p0 口为一个 8 位漏级开路双向 i/o 口，每脚可吸收 8ttl 门电流。当 p1口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。p0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 fiash 编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash 进行校验时，p0 输出原码，此时 p0 外部必须被拉高。 p1 口：p1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 口缓冲器能接收输出 4ttl 门电流。p1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，p1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 flash 编程和校验时，p1 口作为第八位地址接收。 p2 口：p2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 口缓冲器可接收，输出 4 个 ttl 门电流，当 p2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2 口输出其特殊功能寄存器的内容。p2 口在 flash 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3 口：p3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 i/o 口，可接收输出 4 个 ttl 门安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 9电流。当 p3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3 口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3 口除了作为普通 i/o 口，还有第二功能： p3.0 /rxd（串行输入口） p3.1 /txd（串行输出口） p3.2 /int0（外部中断 0） p3.3 /int1（外部中断 1） p3.4 /t0（记时器 0 外部输入） p3.5 /t1（记时器 1 外部输入） p3.6 /wr（外部数据存储器写选通） p3.7 /rd（外部数据存储器读选通） p3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 i/o 口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。89c51 的 p0、p1、p2、p3 口作为输入时都是准双向口。除了 p1 口外p0、p2、p3 口都还有其他的功能。 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：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。在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen 信号将不出现。安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 10 ea/vpp：当/ea 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（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。3.23.2 单片机最小系统单片机最小系统单片机最小系统指的是由最基本的电路元件组成的，外接部分简单的电路就能独立成一定的工作任务的单片机系统。51 单片机的最小系统由单片机芯片、电源、时钟电路、和复位电路组成，如图 3.2 所示。安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 11 图 3.2 最小单片机系统3.2.1 时钟电路at89s51 的时钟可由内部产生也可以由外部产生。在这个设计中只是用了内部产生。利用芯片内部振荡电路，在 xtal1，xtal2（18，19 脚）的引脚上外接定时元件，内部振荡器便能产生自激振荡，用示波器便可观察到 xtal2 输出的正弦波，定时元件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路，它与单片机的接法的如图 3-2 所示。晶体可以在 1.2mhz12mhz 之间所选，电容可以在 2060pf 之间所选，通常选择 33pf 左右，电容 c6，c7 的大小对振荡频率有微小的影响，可起频率微调作用。在设计印制板时，晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，保证振荡器可靠工作，一般采用瓷片电容。 3.2.2 复位电路单片机上电后，在其 9 脚（reset）出现 24 个振荡周期以上的高电平后，单片机内部初始复位。为了确保单片机正常复位，必需使其第 9 脚上出现的高电平保持2s 以上。复位电路与单片机接法如图 3.2 所示。 系统的复位电路是由 rc 电路组成，外加一个手动复位按钮。刚上电时或者触动按钮后 c5 两端的电压为 0，这时 rst 为高电平，而其高电平保持时间是由 r 和 c的时间常数决定，由公式(3-1)可知，c 充电的时间常数 等于 0.082ms，远远大于2s，即使 rst 高电平的时间保持 2s 以上，确保了单片机正常复位。 r*c (3-1) 3.3.3 3 温度控制电路温度控制电路设计设计 本系统采用继电器进行对燃烧器工作方式控制，从而锅炉控制温度。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，从而使光敏三极管导通，进而使 q3 导通，因而继电器的线圈通电,接通锅炉燃烧器。本部分电路与单片机的接口如图 3.3 所示。1.当 p1.7 输出低电平时，燃烧器断电，不进行加热处理。安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 12 2.当 p1.7 输出高电平时，燃烧器通电，进行加热处理。 图 3.3 温度控制电路 3.43.4 按键电路设计按键电路设计为符合本系统的实际要求，进入系统之前首先对温度报警值的设置。本系统有三个按键分别为 k1,k2,k3. 如图 3.4 所示。(1) k1 设置锅炉温度报警值的温度值增加按键。k1 每按下一次，温度报警值显示比上一次值增加一度。(2) k2 设置锅炉温度报警值的温度值减少按键。k2 每按下一次，温度报警值显示比上一次值减少一度。 (3) k3 温度报警值确定值。 图 3.4 按键电路设计3.53.5 水位检测电路水位检测电路设计设计安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 13 锅炉在正常加温工作情况下，同时对锅炉液位检测。当锅炉的水位满足条件时开始工作。本系统设计利用普通水的导电性质，采用不绣钢管作为测量液位的器件，放于锅炉上下限的金属棒是否正在导电的情况判断锅炉的水位是不是在上下限范围之间，单片机通过采集的水位变化的信号，发出对给水泵控制的命令，控制锅炉内水位符合条件。 如图3.5水位检测电路所示，金属棒1放于水位上限位置，金属棒2放于水位下限位置，金属棒3放于水位以下比较远点的位置。其中金属棒1和金属棒2用限流电阻分别与单片机相连接，金属棒3接+5v的电源。单片机不断的检测单片机端口p1.2和p1.3的电平情况。图 3.5 水位检测电路(1)当p1.2高电平和p1.3高电平时，即实际水位在水位上限以上的位置，这时系统发出报警命令,系统停止工作。(2)当p1.2低电平和p1.3低电平时，即实际水位在下限以下的位置，这时系统控制给水泵工作，锅炉开始加水，并报警。(3)当p1.2高电平和p1.3低电平时，即实际水位在水位上限和水位下限之间的位置，单片机不进行处理，即保持给水泵的状态不变。安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 143.63.6 稳压电源电路设计稳压电源电路设计 集成稳压电源又称三端集成稳压器，它是指将功率调整管、取样电阻、基准电压、误差放大、启动及保护电路等全部集成在一块芯片上，具有特定输出电压的稳压集成电路。三端是指电压输入端、电压输出端和公共接地端。三端 ic 稳压器按性能与用途可分为固定输出正稳压器、固定输出负稳压器、可调输出正稳压器、可调输出负稳压器 4 类。这类稳压器的输出为固定电压。国内外厂家均将此系列稳压器命名为 78系列，如 7805、7812 等。其中“78”后面的数字代表该稳压器输出的正电压数值，以伏特为单位。例如 7805 即表示稳压输出为 5v，7812 表示稳压输出为 12v 等。有时会发现型号 78前面和后面还有一个或几个英文字母，如w78、an78、l78cv 等。前面的字母称“前缀”，一般是各生产厂（公司）的代号；后面的字母称“后缀”用以表示输出电压容差和封装外壳的类型。78系列稳压器按输出电压共分为 9 种。分别为7805、7806、7809、7810、7812、7815、7818、7824。按其最大输出电流又可分为78l、78m和 783 个分系列。78l系列最大输出电流为100ma，78m系列最大输出电流为 500ma ，78系列最大输出电流为 1.5a。由于单片机工作电压为+5v，在此选用 7805。 图 3.6 三端集成稳压器图 3.6 所示为三端集成稳压器 7805，78 系列三端稳压器是最长见的集成稳压器件。具有过热，过流，调整管安全工作区保护功能。性能优良，可靠性高。同时又由于器件只有三个引脚，所以使用简单方便，价格低廉，应用广泛。 安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 15 图 3.7 稳压电源电路 稳压电源电路如图 3.7 所示，从 j1 输入 912v 的直流电，打上开关，经 c1和 c2 滤波后，加到 7805 稳压块的输入端，再从其输出端输出稳定的+5v 的电压。因为在本设计中，电路中均采用低功耗的器件，所以稳压块并不需要加散热片。此外，由电阻 r2 和发光二极管 d4 组成电源指示电路具有上电指示作用。 3.3.7 7 温度传感器选择温度传感器选择及温度采集电路及温度采集电路3.7.1 ds18b20 简介dallas 半导体公司的数字化温度传感器 ds18b20 是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。 图 3.8 ds18b20 引脚排列图ds18b20 可以程序设定 9-12 位的分辨率，精度为 0.5 摄氏度。分辨率设定，及安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 16用户设定的报警温度存储在 eeprom 中，掉电后依然保存。如图 3.8 所示 ds18b20引脚排列图 (a)ds18b20 特性：1.简单的多点分布应用。2.独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯。3.无需外部器件。4.无需外部应用。5.零待机功耗。6.可通过数据线供电。7.测温范围55125，以 0.5递增。8.温度数字量转换时间 200ms（典型值） 。9.温度以 8 位数字量读出。10.报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度的器件。11.用户可定义的非易失性温度报警设置。 12.应用包括温度控制，工业系统，消费品，温度计或任何热感测系统 (b)ds18b20 管脚功能： 1.gnd 接地 2. dq 数据输入/输出脚 3. vdd 接 v5 电源3.7.2 温度采集电路 温度采集电路只有一个 ds18b20 温度传感器，它与单片机的接口比较简单，如图 3.9 所示。只要给传感器 5v 的供电并把它的单总线接到单片机的 p 口就可以了。 安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 17 图 3.9 温度采集电路 3.83.8 输出模块输出模块 本控制系统的输出单元主要有三个：(1) 继电器输出控制加热执行机构和水位控制机构的开与关。(2)当水温、水位高于上限和低于下限时，系统进行报警。(3)液晶显示水位的上下限值、当前水位、预先设定的温度报警值和当前采集的温度值。3.8.1 固态继电器 ssr 由于本系统加热执行机构的开与关状态交替比较频繁，一般的机械式继电器在这种工作模式下使用寿命大大降低，所以难以满足这一要求，在此应该选用固态继电器 ssr，如图 3.10 所示为固态继电器 ssr，它是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。 图 3.10 固态继电器 ssr其作用有： 固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。目前已广泛应用于计算机外围接口设备，调温、调速、安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 18调光、电机控制、电炉加温控制、电力石化、医疗器械、金融设备、煤炭、仪器仪表、交通信号等领域。 其优点是：（1）高寿命，高可靠：固态继电器没有机械零部件，有固体器件完成触点功能，由于没有运动的零部件，因此能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。 （2）灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好：固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。 （3）快速转换：固态继电器因为采用固体器件，所以切换速度可从几毫秒至几微妙。 （4）电磁干扰小：固态继电器没有输入“线圈” ，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。固态继电器注意事项：（1）在 pcb 上使用固态继电器时，焊接时应在温度小于 250。（2）被控负载在接通瞬间会产生很大的浪涌电流，所以用户在选用继电器时应对被控负载的浪涌特性进行分析,然后再选择继电器。 （3）在继电器使用时，因过流和负载短路会造成 ssr 固态继电器内部输出可控硅永久损坏 ,应该考虑过流、过压保护措施。3.8.2 报警电路设计 本系统采用蜂鸣器进行报警,并用两个 led 指示灯表示工作状态，红灯亮绿灯灭表示报警;红灯灭绿灯亮表示正常工作。该部分电路与单片机的接口如图 3.11 所示。安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 19 图 3.11 报警电路 电路由限流电阻r1、三极管q1、两个二极管和蜂鸣器组成。这个电路并不是一般的放大电路，三极管不是工作在放大状态，而是工作在饱和状态和截止状态。当基极为低电平时，晶体管处于饱和状态，饱和电压为uces=0. 3v，此时，蜂鸣器鸣叫。当基极为高电平时，晶体管截止，相当于开路，输出为高电平，蜂鸣器停止鸣叫。3.8.3 液晶显示电路设计图 3.12 为 lcd1602 引脚分配图。其引脚说明见表 3.1。 3.12 lcd1602 引脚图 表 3.1 lcd1602 引脚说明安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 20 引脚号 符号 引脚说明 1vss 地电源 2vdd 接 5v 正电源 3 vlvl 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影” ，使用时可以通过一个 10k 的电位器调整对比度。 4 rsrs 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存。 5 r/wr/w 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 rs 和 r/w 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 rs 为低电平 r/w 为高电平时可以读忙信号，当 rs为高电平 r/w 为低电平时可以写入数据。 6 e读操作时，高电平有效；写操作时，下降沿有效； 714d7d148 位双向数据线 15 bla背光源正极 16 blk背光源负极 lcd1602 是具有 4 位/8 位并口可选接口方式的液晶显示模块，它能同时显示两行字符，每行有 16 个字符。字符以 5*7 点阵形式显示。其字符中共有 160 种字符。人选指令有 11 条（清屏、返回、输入方式设置、显示开关控制、移位、功能设置、cgram 地址设置、ddram 地址设置、读忙信号及地址高数器、写数据、读数据） ，内部有 80 字节的 ram，8 位数据接口，另外三根控制总线用于完成对写和读数据或指令时序控制。由该模块构成的液晶显示方案与 led 点阵液晶显示模块相比，1602 是字符型液晶，显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多。 本系统采用lcd1602作为显示模块，它可以方便的和单片机接口，其主要功能是显示水位的上下限值、当前水位、预先设定的温度报警值和当前采集的温度值。其中vdd接5v电源用于显示lcd液晶显示芯片的工作,vl串接阻值1.8k欧姆为了调节lcd液晶显示芯片字符的亮度，当阻值越大时，lcd液晶显示越模糊。用滑动变阻器能更好的调节lcd液晶字符显示的亮度，合适于锅炉的水位于水温的观察。bl+接5v电源是调节显示显示lcd液晶显示芯片是显示背光的亮度。lcd液晶显示安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 21电路如图3.13所示。 图3.13 lcd液晶显示电路 4 4 系统软件的设计系统软件的设计4.14.1 系统主程序系统主程序锅炉温度控制系统的单片机程序设计主流程图如图 4.1 所示。本系统进入执行时先对锅炉水位进行与设定的水位上下限进行判断，然后按条件不同处理结果。当锅炉水位满足条件的时候再对锅炉的水温采样监控，并进行相应的处理。安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 22 n n y y y n y y 图 4.1 软件主流程图4.24.2 子模块软件设计子模块软件设计系统的子模块软件包括 a/d 转换模块、按键检测与处理模块、lcd 液晶显示模块、加热执行模块和 pid 控制算法模块，具体结构如下图所示。开始中断 水位检测水位大于 上限关闭给水泵 报警水位小于下限给水泵工作 报警检测温度温度大于上限停止加热 报警温度小于下限加热 程序结构 温度采集，a/d 转换 pid 计算安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 23 图 4-2 程序结构图4.2.1 a/d 转换环节子程序设计 n y 图 4.3 a/d 转换程序操作流程图4.2.2 ds18b20 温度采集子程序设计lcd 液晶显示按键检测与处理越限报警 加热执行机构 开始 发送 ad 启动信号转换是否完成 输入数据 结束安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 24 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。所有这些信号类型除存在脉冲外，其它的信号均由总线主机产生。开始与 sd18b20 进行任何通信。都要对其进行初始化，在接收到复位脉冲后，再对 sd18b20 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，主机通过拉高单总线，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，接着产生延时，接着通过拉低总线，以产生存在脉冲。ds18b20 温度采集子程序流程图如图 4.4 所示。 y n 图4.4 ds18b20温度采集子程序流程开始检测ds18b20 是否存在跳过 eom 匹配发出温度转化命令跳过 rom 匹配发出温度读取命令保存采集的温度结束安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 254.2.3 lcd 液晶显示子程序设计 本系统采用是 16*2 的 lcd1602，单片机对其初始化，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，再检测 lcd 是否处在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 液晶显示子流程图如图 4.5 所示，具体实现过程请查阅附录 lcd 液晶显示子程序。 y n 图 4.5 lcd 液晶显示子流程图4.2.4 按键子程序设计 开始lcd 液晶显示模块初始化将需要的显示信息和 lcd 的地址送出检测 lcd是否忙碌写数据显示 结束安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 26 n y n y 图 4.6 按键检测与处理流程图 中断服务程序k1 是否按下加 1 并显示k2 是否按下减 1 并显示k3 是否按下 返回安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 27 总总 结结本文课题可以采用二种设计方案,一种是用单片机设计的温度控制系统,第二种是用工业控制计算机来实现对锅炉进行恒温控制。在通过对二种方案进行对比之后，我选择用单片机设计的温度系统。因为用单片机来实现锅炉的温度控制有以下几点优点：（1）控制电路简单易懂；（2）智能化设计，能够对温度进行较准确地控制；（3）附加其它功能简单、方便；（4）经济。本设计通过单片机的控制，实现了锅炉温度控制的基本功能，利用继电器控制燃烧器的工作，并且对锅炉水位进行控制，并通过显示屏显示出水温水位的状态信息，确保了能够在正常范围下工作。系统中以at89s51芯片作为控制芯片，采用一线总线的温度传感器ds18b20，用lcd1602液晶显示模块显示水温水位的状态信息，这些都得使硬件电路变得简单，性能得到提高。而且有蜂鸣器进行报警，使得本设计在应用上更加安全。 本文设计的锅炉温度控制系统可以实现如下功能：（1）利用功能按键分别实现对温度的设定，包括设定满足工艺要求的特定温度值、锅炉正常工作所能承受的最高和最低温度值等；（2）利用lcd1602液晶显示当前锅炉内温度、水位上下限和所设定的上下限温度；（3）当锅炉内实际温度达到所设定的下限值时，系统会进行报警，并启动固态继电器，对锅炉内进行加热。当锅炉内实际温度达到所设定的上限值时，系统也会进行报警。（4）系统采用pid控制算法，能非常准确地对锅炉内的温度进行实时控制，而且控制的精度很高；由于水平有限，而且时间比较紧迫，所以在设计锅炉温度控制系统时难免会有很多漏洞和不足之处，同时也有部分功能模块不够完善。安徽建筑大学安徽建筑大学 毕业设计（论文） 28 参考文献参考文献1 胡汉才编著 单片机原理及系统设计m 北京：清华大学出版社，20012 锅炉的单片机控制系统d 张向丰 山东大学硕士论文，20063陈杰，