基于单片机的供暖锅炉控制系统的设计.doc

基于单片机热水锅炉炉温控制系统设计作者：李磊单位：东北大学秦皇岛分校自动化工程系 秦皇岛 066004【摘要】本系统是基于单片机的锅炉温度控制，在设计中主要有水位检测、温度检测、按键控制、水温控制、水位控制、循环控制、显示部分、故障报警等几部分组成来实现温度控制。主要用水位传感器检测水位，用数字温度传感器DS18B20来检测水温，用五个控制按键来实现按健控制，用三位LED显示器来完成显示部分，用变频器来控制循环泵的转速。并且通过模数转换把这些信号送入单片机中。把这些信号与单片机中内部设定的值相比，以判断单片机是否需要进行相应的操作，即是否需要打开鼓风机，是否需要开启补水泵，是否需要加快循环泵的转速等操作，从而实现单片机自动控制的目的。本设计用单片机控制易于实现锅炉供暖、而且有造价低、程序易于调试、一部分出现故障不会影响其他部分的工作、维修方便。 【关键词】单片机（AT89C51），传感器，水位,温度，自动控制引言使用单片机实现供暖锅炉温度控制，具有较高的实用价值和优越性等特点。采用低功耗数字温度传感器进行温度测控，可大大简化设计方案，系统性能也更稳定；采用光电测控水位，可有效保证水位的自动控制，保证水质无污染，能更好地对锅炉进行自动化控制；单片机不仅有体积小，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，同时有助于发现可能存在的故障，通过微机实现燃烧与给水系统的自动控制与调节，将保证锅炉正常供气供暖，维持稳定系统，保证安全经济运行。1 系统总体方案1.1系统框图本系统主要有水位检测、温度检测、按键控制、水温控制、水位控制、循环控制、显示部分、故障报警等几部分组成来实现温度控制，系统框图如图1所示。1.2系统具体实现方案本系统采用单片机模块化来完成程序设计使程序易于编写、调试和修改；便于分工，从而可同时调试多个程序；程序可读性好；程序可进行局部修改，其他部分保持不变。这里采用51系列单片机AT89C51控制锅炉温度，系统采用手动和自动两种。主要是单片机自动控制，设置有手动/自动切换。包括温度控制、补水泵控制、循环泵控制、故障报警。在温度控制部分，用数字温度传感器的值送入单片机与单片机内部设定值进行比较。在当温度低于给定温度1时，蒸汽阀打开给水加热；当温度低于给定温度2时，系统报警。在补水部分，用水位传感器来检测水位，当锅炉汽包水位低于规定的最低水位时系统发出报警，指示灯亮，继电器线圈得电，电磁阀打开，水泵开始注水；炉内的水位到达或超过规定的最高水位时系统发出报警，指示灯亮，线圈失电，电磁阀闭合，停止注水。故障报警部分，当发生故障时指示灯亮，报警零响。单片机控制中心按键调节部分温度检测部分水位检测部分故障报警部分温度控制部分补水控制部分循环控制部分显示部分图1系统框图在循环控制部分当水温值在设定值内，则开启循环泵。当循环泵1出现故障时，报警系统报警，单片机接收到信号，备用的循环泵2开始代替循环泵1工作。在故障报警部分，当温度控制部分、补水泵部分、循环泵部分出现故障时，报警系统报警。而且报警系统设置的是声光报警，使维修人员容易区分哪部分出现了问题，以便及时维修。 2硬件系统设计2.1单片机的配置本系统选用ATMEL89C51系列单片机，由于它的模块化设计为适应具体的应用提供了极大的灵活性，便于扩展功能，有效的提高了系统的经济性。AT89C51是一种低工耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器的八位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储编程器对程序存储器重复编程。2.2温度传感器 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，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测度数，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。读出温度流程图如图2所示。发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发读取温度命令读取操作，CRC校验9字节完？CRC校验正确？移入温度暂存器结束NNYY图2读温度子程序2.3显示部分在单片机系统中，通常用LED数码显示模块来显示各种数字或符号。由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长的特点，因此使用非常广泛。2.4 A/D转换器采用常见的ADC0809。ADC0809是带有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转换器内部含有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关树组的256电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器。8路的模拟开关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通道的模拟信号。由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码，而且三态TTL输出也可以锁存，所以它易于与微型计算机接口直接相连。 3 系统的具体设计与实现3.1系统的总体原理图系统的总体原理图如图3所示。3.2单片机控制系统的流程图单片机控制系统模拟量处理子程序、温度控制部分子程序、循环系统控制子程序、补水泵选择子程序、故障诊断与报警处理。它的流程图如图4所示。状态及PID初始化模拟量处理子程序温度控制部分子程序循环系统控制子程序补水泵选择子程序故障诊断与报警处理图4控制流程图开始图3系统原理图3.3电源电路系统工作电压为6V，电流1A。采用原边交流220V，副边12V的变压器，经桥式整流，1000UF电容滤波，7806稳压，可使电源满足求。3.4温度控制系统检测温度在设定值1？开蒸汽阀检测温度在设定值2？故障报警NYNY图6温度控制流程图）开始返回传感器是“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”，它通常由敏感元件和转换元件组成。温度传感器DS18B20将检测到的温度数据由单片机的P1.8口送入。由单片机AT89C51进行运算，换算出测量温度，即水温。它与设定温度相比较，从而控制继电器的通断即（控制蒸汽电磁阀的通断）及报警系统的开闭。当水温高于设定温度时蒸汽阀关，水温刚低于设定温度时，蒸汽阀并不会立即导通，只有当水温底于设定温度1时，蒸汽阀才会导通，给水加热。若水温继续下降，低于设定温度2时，报警系统报警。温度控制部分。将检测到的温度送到P1.5、P1.6、P1.7分别为室外温度、出水温度、回水温度。它们与设定温度相比较，从而控制继电器的通断即（控制蒸汽电磁阀的通断）及报警系统的开闭。系统框图如6所示。3.5键盘部分它由3个常开按键构成，直接与单片机I/O口相连，另一端与地相接。当按键闭合时，单片机与之相连的端口变为低电平。6个按键从左到右分别与单片机AT89C51的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3相连。下面分别介绍这3个键的功能。P0.0为功能键，第一次按下P0.0键时，取消报警，同时允许温度上限调节;第二次按下P0.0键时，为确定。当P0.0键第一次按下，此时，每按动一次P0.1键，温度值加一，温度最大上限值为99摄氏度;每按动一次P0.2键，温度值减一，温度最小上限值为80摄氏度。当P0.0键再次按下时，P0.1、P0.2调温功能被关闭。此时，按P0.2键，启动报警功能。3.6驱动部分电路继电器的驱动用8550PNP型三极管。因AT89C51上电复位时，P0，P1，P2，P3口为高电平，此时PNP型三极管基极接高电平，三极管截止，继电器处于断开状态，可使单片机正常复位。在PNP型三极管发射极接二级管4007，可防止三极管断开瞬间，继电器电流不能突变，使三极管造成损坏。3.7显示部分电路由单片机AT89C51控制，移位寄存器74LS164和共阳7段LED组成。显示原理图如图9所示。3.8自动报警电路锅炉上限极限水位报警，炉内的水位到达上限极限水位时系统发出报警，指示灯亮。锅炉下限极限水位报警，炉内的水位到达下限极限水位时系统发出报警，指示灯亮。锅炉内压力过高报警，压力传感器检测到锅炉内压力高与设定值时发出报警后。循环泵故障报警，当循环泵开启后，出水与回水温度的差值很大，认为循环泵故障，报警系统报警。4 结论本系统介绍了单片机在锅炉温度控制中的应用，采用数字温度传感器、光敏三极管、压力传感器使硬件系统大为简化。系统精度高，具有良好的人机交互功能。并设有超温、超水位、循环泵失灵等故障报警，有问题立即就能发现。通过自动调节控制温度并实现锅炉内温度和水位的自动控制。保护温度控制在设定值上正常运行不需要人工干预，操作人员劳动强度小。参考文献1 杨国志，王立峰，杨东光，王辉林等. 实用电子制作实例M.福建科学技术出版社，20002 金伟正.单线数字温度传感器的原理及用M.电子工业出版社，20003袁希光等.传感器技术手册M.北京国防工业出版社,19864 李光飞，楼然苗.单片机课程设计实例指导M.北京航空航天大学出版社，20045 李明，徐向东.用容错技术提高锅炉控制系统的可靠性J清华大学学报 1999，106 吴春旺，陈霞。锅炉汽包水位调节控制系统设计J.电工技术，2006.37 王文杰.模糊控制理论在温度控制中的应用J.西北纺织工学院学报,1995,151(6).8 胡社教,徐晓冰,杨柳;温度控制仪表的模糊PID控制J;合肥工业大学学报(自然科学版)1998年05期9 高伟，杨涛，黄树红. 基于Matlab的锅炉过热汽温模糊控制系统仿真J.华中科技大学学报，2003,31附录单片机源程序ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003h AJMP MAINORG 000bh AJMP MAIN ORG 0013h AJMP MAIN ORG 001bh AJMP MAIN ORG 0023H AJMP MAIN ORG 0030HMAIN: CLR p3.6 MOV p0,#0ffh ACALL QL; MOV 3BH ,#95 MAIN1: MOV 3bh,#95 ACALL WENDU ;温度转换子程序 ACALL DISP ACALL WENCPM ;温度比较子程序 ACALL SHUICPM ;水位检测子程序 ACALL BAOJING ;报警子程序 ACALL DELAY2 AJMP MAIN1; WENCPM: MOV A,37H ;温度比较子程序 CLR C SUBB A,3B