毕业设计（论文）-基于单片机的供暖锅炉控制系统设计【全套设计】.doc

目目 录录 1 绪论.1 2 系统总体方案.1 2.1 系统结构框图 .1 2.2 系统设计方案 .2 3 系统硬件配置.3 3.1 单片机配置.3 3.2 温度传感器配置.4 3.3 变频器配置.5 3.4 气压传感器配置.6 3.5 模数转换器配置.6 4 系统的具体设计与实现.7 4.1 系统控制流程图 .7 4.2 风机、循环泵控制系统.8 4.2.1 风机、循环泵硬件控制电路.8 4.2.2 风机、循环泵软件控制流程.9 4.3 水位控制系统.9 4.3.1 水位控制硬件电路.10 4.3.2 补水泵软件控制设计流程.11 4.4 压力控制系统.11 4.5 自动报警电路.12 4.6 手动按键控制路.12 4.7 显示部分电路 .13 4.8 电气控制电路 .13 5 结束语.15 参考文献.15 附录 1 系统总电路图.16 附录 2 程序清单.17 1 1 绪论绪论 随着社会经济的飞速发展，人们生活水平的不断提高，对城市生活供暖的数 量和质量提出的要求越来越高。由于传统的控制方式调节精度差，自动化程度低， 系统稳定性差，锅炉运行耗能大，并且存在安全隐患等缺点，所以现代锅炉运行 方式需要改进。 全套全套设计设计，加，加 153893706 我国的锅炉目前以煤为主要燃料，耗煤量接近全国煤产量的三分之一。在欧 美和日本等发达国家，石油和天然气已成为第一能源，占能源消费的 60%左右， 燃油和燃气锅炉已逐步取代燃煤锅炉，对风机和水泵等电机的变频控制已相当 成熟。自 20 世纪 90 年代以来，随着大型可编程控制器、单片机的出现和模糊控 制、自适应控制等智能控制算法的发展应用，锅炉控制水平大大提高。国内对锅 炉控制的研究起步较晚，始于 80 年代初期。尽管对锅炉控制的研究和推广已取 得了很大的进步，但仍然存在一些问题，如大多数现有的锅炉控制系统可控制的 主要还是开关量设备，控制自动化程度低等缺点1。 本系统以单片机模块为核心，由外围电路实时采集环境温度、锅炉出水温度、 炉膛压力等信号，通过单片机内部程序运算，实现对中小型锅炉运行的自动控制。 设计中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；采用光电对管测控水位，可有效保证水位的自动控制，能更好地对 锅炉进行自动化控制；通过对环境温度、水位信号的采集，输入单片机进行内部 程序运算，输出结果控制变频器组，从而实现对循环泵、风机、补水泵等部件的 自动控制，达到节能的目的；用压力传感器检测锅炉内压力，通过模数转换把信 号送入单片机中，由单片机进行程序运算控制电磁阀动作，实现锅炉安全运行。 控制电路中加入手动按键控制和实时显示功能，使锅炉操作、维护更加方便、灵 2 活。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， 使系统安全、经济运行。 2 系系统总统总体方案体方案 2.1 系系统结统结构框构框图图 系统结构框图如图 1 所示，系统通过实时采集室内环境温度、锅炉出水温 度、锅炉蒸气室内压力、锅炉内液位等参数输入单片机，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变频器的控制信号，从而对补水泵、 循环泵、风机等锅炉部件进行优化控制。另外，系统中加入了故障报警、显示和 手动按键等电路，使系统操作、维护更加方便。 图 1 系统结构框图 2.2 系系统设计统设计方案方案 锅炉风机的作用在于通过控制锅炉燃烧室的空气流通速度来控制锅炉出水 温度，因此，对锅炉风量受控参数的调节及其重要。一般有两种调节方式：风板调 节和变速调节。风板调节通过调节挡风板的开度或利用滑差电磁调速来实现，这 种控制方式操作不方便，而且风机效率较低，造成电能大量浪费。变频调速具有 性能平稳、控制精度高、高效节能等特点。 (1) 本设计用数字温度传感器采集锅炉热水出口处的温度，与单片机内设定 温度相比较后输出一个信号控制变频器的输出状态，从而使锅炉风机转速随水 温的变化而变化。风机变频控制原理图如图 2 所示。当水温低于预设温度时，风 机转速快，加快了锅炉内燃烧室内空气流通速度，炉内火焰加旺，从而使水温升 高；反之亦然。 锅炉 单片机 变频器组 循环泵 风机 压力 温度 水位 按键 显示 故障 报警 给水泵 泄压阀 3 给定水温水温 PID变频器风机 测量变送 图 2 风机变频控制原理图 （2）锅炉管网系统的主要工作是通过循环泵将出水缸内的热水输送到用户供 热管道，并回到回水缸。循环流量控制同样采用偏差控制和 PID 控制相结合的控 制方式。通过采集需供暖环境实时温度，与单片机内部预设温度相比较输出一个 信号控制变频器的输出状态，从而使循环泵转速随环境温度的变化而变化。循环 泵变频控制原理图如图 3 所示。当环境温度较低时，循环泵转速加快，减少了管 内热水在环境中的冷却时间，环境温度升高；反之亦然2。 图 3 循环控制系统原理图 （3）目前，在水位控制中有很大一部分水泵是不变速拖动系统，不变速电机 的电能大多消耗在适应供水量的变化而频繁的开停水泵中。这样不但使电机工 作在低效区、减短电机的使用寿命，而且电机的频繁开停使设备故障率很高，导 致水资源严重浪费，系统的维护、维修工作量较大。变频技术以其在节能与恒压 方面的优越性能可以解决水压控制系统存在的以上问题。考虑选用单片机构成 的系统都能达到较好的控制效果。锅炉水位控制是在锅炉内不用水位处安装传 感器，根据不同的水位来控制变频器数字量的输入从而控制补水泵的动作。 （4）锅炉正常安全运行，炉膛负压是一个重要的参数。本系统采用在炉膛内 放置压力传感器，其采集信号与单片机内预存最大值信号相比较，当压力过大时， 开启泄压阀，从而保障锅炉安全运行。 （5）附属电路包括故障报警部分和显示部分和按键控制部分。当风机控制部 分、补水泵部分、循环泵部分等出现故障时，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。 显示部 分可实时显示管道水温、环境温度、和锅炉内压力值。多功能控制按键，通过软 给定温度环境温度 PID变频器循环泵 测量变送 4 件控制实现按键的多功能操作，可以完成设定温度、压力基准值和报警取消等功 能。 3 系系统统硬件配置硬件配置 本系统从经济性，电路结构，系统性能等多方面考虑，选用单片机 AT89S51，在其外围加入数字温度传感器 DS18B20，压力传感器用于信号的采集， 输出通过控制继电器等元件来控制变频器，共同组成风机、补水泵、循环泵控制 系统。 3.1 单单片机配置片机配置 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，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2。 AT89S51 具有如下特点：40 个引脚，4k Bytes Flash 片内程序存储器，128 bytes 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 具有 以下特点： (1) 与 MCS-51 微控制器产品系列兼容。 (2) 片内有 4KB 可在线重复编程的快闪擦写存储器。 (3) 32 条可编程 I/O 线。 (4) 程序存储器具有三级加密保护。 (5) 可编程全全双工串行通道。 (6) 空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。 (7) 而且与 87C51 系列的引脚也完全兼容。 3.2 温度温度传传感器配置感器配置 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 5 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3。 DSl8B20 数字温度计提供 9 位(二进制)温度读数，指示器件的温度。信息经 过单线接口送入 DSl8B20 或从 DSl8B20 送出，因此从主机 CPU 到 DSl8B20 仅 需一条线(和地线)。DSl8B20 的电源由数据线本身提供而不需要外部电源。 DSl8B20 的测量范围从-55 摄氏度到+125 摄氏度，增量值为 0.5 摄氏度，可在 ls(典型值)内把温度变换成数字。每一个 DSl8B20 包括一个唯一的 64 位长的序 号，该序号值存放在 DSl8B20 内部的 ROM(只读存贮器)中。开始 8 位是产品类 型编(DSl8B20 编码均为 10H)。接着的 48 位是每个器件唯一的序号。最后 8 位是 前面 56 位的 CRC(循环冗余校验)码。DSl8B20 中还有用于存储测得的温度值的 两个 8 位存贮器 RAM，编号为 0 号和 1 号。1 号存贮器存放温度值的符号，如果 温度为负(摄氏度)，则 1 号存贮器 8 位全为 1，否则全为 0。0 号存贮器用于存放 温度值的补码，LSB(最低位)的 1 表示 0.5 摄氏度。将存贮器中的二进制数求补再 转换成十进制数并除以 2 就得到被测温度值(-55 摄氏度-125 摄氏度)。每只 D518B20 都可以设置成两种供电方式，即数据总线供电方式和外部供电方式。采 取数据总线供电方式可以节省一根导线，但完成温度测量的时间较长，采取外部 供电方式则多用一根导线，但测量速度较快 。其温度设定程序流程图如图 4 所 示 Y N 发复位信号 发 ROM 命令一次读出 N 个 DS18B20 的机器码 发匹配命令（55H） 发转换命令（44） 置 P2.7 为高电平且大于 2s 发读 RAM 的低 9 位 值命令（BEH） 求补转换成十进制 并处以 2 并保存 全部转换 结束了吗？ 返回 图 4 DS1820 温度设定程序流程图 DS18S20 主要包括寄生电源、温度传感器、64 位激光 ROM 单线接口、存放 中间数据的高速暂存器（内含便笺式 RAM）、用于存储用户设定的温度上下限值 TH 和 TL 的触发器、存储与控制逻辑、8 位循环冗余校验码（CRC）发生器 8 部分。 6 DS18S20 既可以采用寄生供电，也可以采用外部 5 V 电源供电，本电路的设计采 用的是外部 5 V 电源供电。 光刻 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 DS18B20 的地址序列码。64 位光刻 ROM 的排列是：开始 8 位（28H）是产品类型 标号，接着的 48 位是该 DS18B20 自身的序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环 冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻 ROM 的作用是使每一个 DS18B20 都各 不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目的3。 3.3 变频变频器配置器配置 在本系统中我们选用 ABB 公司的 ACS600 变频器。ACS600 变频器具有很 宽的功率范围（2.23000kw）可以满足本设计的要求 75kw 和 3kw，优良的速度 控制和转矩控制，并具有完整的保护功能以及灵活的编程能力4。 其重要特性如下： (1) 无与伦比的电机速度及转矩控制，电机辨识运行及速度自我微调功能。 开环动态速度控制精度可以达到闭环磁通矢量控制的精度。 (2) 内置 PID 控制器，降低了投资成本。 (3) 工具软件对传动的全方位支持，ACS 600 SingleDrive 能在几毫秒内测出 电机的实际转速和状态，所以在任何状态下都能立即起动，无起动延时。 (4) 零转速下，不需速度反馈就能提供电机满转矩。 (5) ACS 600 SingleDrive 能够提供可控且平稳的最大起动转矩，可达到 200%的 额定转矩。 (6) 不需特殊硬件的磁通制动模式可以提供最大的制动力矩。 (7) 在磁通优化模式下，电机磁通自动适应于不同的负载以提高效率同时降 低电机的噪音，变频器和电机的总效率可提高 1%-10%。 (8) DTC 直接转矩控制，从零速开始不使用电机轴上的脉冲码盘反馈就可以 实现电机速度和转矩的精确控制。 (9) 开环转矩阶跃上升时间小于 5 毫秒，而不带速度传感器的磁通矢量控制 变频器的开环转矩阶跃上升时间却多于 100 毫秒。 3.4 气气压传压传感器配置感器配置 设计采用高温高压压力变送器 PT125 来采集蒸汽室气压，PT125 常应用于 橡胶、塑料、涤纶锦纶、聚脂、蒸汽等高温的精确测量和控制5。其常用参数如下： 量 程：01-450MPa 综合精度：0.1%FS 0.2%FS 0.5%FS 1.0%FS 输 出 ：05V 7 工作温度：-10200-450； 供电电压： 936 V(24VDC) 长期稳定性：0.1%FS/年 负载阻抗：电流型最大 800 电压型 50K 以上 绝缘电阻：大于 2000M 100VDC 振动影响：对于 20HZ-1KHZ 的机械振动，输出变化小于 0.1%FS 密封等级：IP65 信号引出：六芯镀金进口接插件 螺纹连接：1/2-20UNF(可按客户要求加工) 3.5 模数模数转换转换器配置器配置 模数转换器用于将 PT125 采集的 05V 模拟信号转换成单片机可识别的数 字信号。设计中采用 ADC0809 作为模数转换器件。以下是关于它的介绍： (1) ADC0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，各引脚功能如下。 (2) IN0IN7：8 路模拟量输入端。 (3) 2-12-8：8 位数字量输出端。 (4) ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一 路6。如表 1 所示。 表 1 ADDA、ADDB、ADDC 真值表 (5) ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 (6) START： AD 转换启动信号，输入，高电平有效。 (7) EOC： AD 转换结束信号，输出，当 AD 转换结束时，此端输出一个 高电平（转换期间一直为低电平）。 (8) OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 AD 转换结束时，此端 地址码 CBA 对应输入通道 000IN0 001IN2 010IN3 011IN4 100IN5 101IN6 110IN7 111IN8 8 输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 (9) CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。 (10) REF（+）、REF（-）：基准电压。 (11) Vcc：电源，单一5V。 (12) GND：地。 4 系系统统的具体的具体设计设计与与实现实现 4.1 系系统统控制流程控制流程图图 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、蒸气室压力控制子程序、故障诊断与报警处理等。系 统流程图如图 5 所示。 图 5 系统控制流程图 4.2 风风机、循机、循环泵环泵控制系控制系统统 4.2.1 风风机、循机、循环泵环泵硬件控制硬件控制电电路路 开始 状态及 PID 初始化 信号采集处理子系统 风机控制部分子系统 循环系统控制子系统 故障诊断与报警处理 补水泵选择子系统 压力控制子系统 1 2 3 1 2 3 DS18B20DS18B20 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5/MOSI 6 P1.6/MISO 7 P1.7/SCK 8 REST 9 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.5/T1 15 P3.6/WR 16 P3.7/RD 17 XTAL 2 18 XTAL 1 19 GND 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE /PROG 30 EA/VPP 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC 40 AT89S51 GND VCC R14 KM1KM2KM3 Q10 9015 Q9 9015 Q8 9015 KM7KM8 Q10 9015 Q9 9015 9 图 6 温度采集控制电路 由于风机和循环泵都是利用温度传感器 DS18B20 采集温度来控制其运行， 其工作原理相同，所以在此不做独立介绍要由 DS18B20、AT89S51 和上拉电阻 组成，其工作电路如图 6 所示。设计利用单片机总线技术，单片机 P2.7 口作为总 线口，挂接两个 DS18B207。它们分别检测锅炉出水口处温度和供暖环境温度， 经单片机内部运算从 P3.6 和 P20.3 口输出开关信号给 KM1、KM2 继电器控制相 应变频器动作来控制循环泵运行状况，同理风机运行状况受 KM7、KM8 控制6。 风机、循环泵受变频器控制方式将在 4.8 节介绍。 4.2.2 风风机、循机、循环泵软环泵软件控制流程件控制流程 循环泵部分的子程序部分当环境温度在规定范围之内，开启循环泵 1，由变 频器控制。使锅炉内水循环达到供暖。当循环泵 1 出现故障时，用备用的循环泵 2。循环泵 1 出现故障即是环境温度与设定温度的差值非常大即设定的最大温差 时，循环泵故障报警，改用循环泵 2 来替代循环泵 1 工作。被替代的泵在循环顺 序中可以自动跳过,顺沿循环。在循环泵投入或切除的转换过程中需要单片机对 变频器的运行参数进行控制,同时为了增加系统的稳定性,避免频繁投切循环泵， 在转换过程中要有一段时间间隙，温差为给定停止循环泵。循环泵软件控制流程 图框图如图 7 所示。风机控制电路与其系统工作状况与循环泵原理相似，再此不 做累述。 循环泵有故 障吗？ 温差为设定值 吗？ 开启循环泵 1 温度检测 Y N N 循环泵 2 工 作 Y 开始 返回 10 图 7 循环泵软件控制流程图 4.3 水位控制系水位控制系统统 水位检测是通过四对高亮二极管和光敏三极管分别安装在三个不同的位置， 由上至下三个输出端口分别接单片机的 P0.0.、P0.1、P0.2 口，实时对锅炉里的水 位进行检测8。水位检测安装示意图如图 8 所示。 图 8 水位检测安装示意图 4.3.1 水位控制硬件水位控制硬件电电路路 水位检测控制电路如图 9 所示。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；当水位低于此光敏三极管的位置时，其输出端口 就向单片机输出低电平，从而通过程序设定控制补水泵动作。单片机输出控制端 P2.3 和 P0.4 分别接继电器 KM3 和 KM4 线圈，继电器触点的动作受单片机控制， 从而对变频器和补水泵形成自动控制。补水泵运行方式将在 4.8 节介绍。 11 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC 40 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 ALE /PROG 30 PSEN 29 EA/VPP 31 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5/MOSI 6 P1.6/MISO 7 P1.7/SCK 8 REST 9 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.5/T1 15 P3.6/WR 16 P3.7/RD 17 XTAL 2 18 XTAL 1 19 GND 20 U1 AT89S51 GND VCC R5R6R7R8R9R10 Q1Q2Q3 D8D9D10 KM4 KM5 KM6 Q10 9015 Q9 9015 Q8 9015 图 9 水位控制电路 4.3.2 补补水水泵软泵软件控制件控制设计设计流程流程 水位控制补水泵动作，两个补水泵循环工作以作备用。由上至下的第一个位 置为水位上限报警线，即当水位高于此位置时，开水房控制系统就会自动报警， 提醒工作人员注意，供水泵有可能出故障；第二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供水泵加水；第三个位置是水位下限报警线， 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 水电磁阀可能出故障。当一台补水泵出现故障时，系统报警，另一台备用的补水 泵开始工作7。水位控制流程框图如图 10 所示。 补水泵 1 有故 障吗？ 水位下限水位吗？ 开启补水泵 1 进行补 水 水位检测 Y N N 补水泵 2 工作 Y 开始 返回 检测水位为上 限水位吗？ 补水泵 1 停止补 水 Y N 检测水位为上 限水位吗？ 补水泵 2 停止补 水 Y N 故障报警 12 图 10 水位控制流程图 4.4 压压力控制系力控制系统统 设计中将 ADC0808 作为一个外部扩展的并行 I/O 口，直接由单片机的 P2.0 和 P2.1、P2.2 脉冲启动其 A/D 转换，PT125 输出的模拟信号送入 IN.0 端。而其他 输入口端均无效，所以将 ADDA-B-C 端均置零。收发数据则由中断处理程序来 完成，所以除将 EOC 状态端的状态信号送至外部中断口 1 端以共向 CPU 提出中 断请求。如果压力值超出预设值时，单片机 P3.6 输出信号控制继电器 KM8 从而 控制泄压阀动作，保证锅炉正常安全运行。压力控制系统电路如图 11 所示。 图 11 压力控制系统电路图 4.5 自自动报动报警警电电路路 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， GND SP Q5 9015 10u C1 D1D2D3D4 R1 1K R2 1K R3 1K R4 1K P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5/MOSI 6 P1.6/MISO 7 P1.7/SCK 8 REST 9 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.5/T1 15 P3.6/WR 16 P3.7/RD 17 XTAL 2 18 XTAL 1 19 GND 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE /PROG 30 EA/VPP 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC 40 AT89S51 5V IN-0 26 msb2-1 21 2-2 20 2-3 19 2-4 18 2-5 8 2-6 15 2-7 14 lsb2-8 17 EOC 7 ADD-A 25 ADD-B 24 ADD-C 23 ALE 22 ref(-) 16 ENABLE 9 ST ART 6 ref(+) 12 CLOCK 10 ADC0808 GND PT 125 DC24V 5V P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5/MOSI 6 P1.6/MISO 7 P1.7/SCK 8 REST 9 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.5/T1 15 P3.6/WR 16 P3.7/RD 17 XTAL 2 18 XTAL 1 19 GND 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE /PROG 30 EA/VPP 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC 40 AT89S51 GND Q9 9015 13 图 12 自动报警电路 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。自动报警电路如图 12 所示。此部分采用声光报警以 便很容易区分哪部分出现问题，便于维修人员及时进行维修。根据报警铃和灯的 不同确定哪部分出现问题8。 4.6 手手动动按按键键控制控制电电路路 按键控制电路由 4 个开关组成，分别接在单片机 P1.0P1.3 口。它由 4 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。S1 作为多功能键由软件设置可用于多种功能的转 换。 当用于温度调节时，4 个开关分别用于调整温度的上下限值，以及控制温度 的输出。其中 S1 为多功能键，有软件设置，长按 S1 后可对两个温度设置的设定。 选定设置目标后，第一次按下用于显示采集的温度，第二次按下则进行温度的上 限调整，第三次按下进行温度的下限调整，第四次按下则进行采集温度的显示构 成循环。S2 可以进行移位调整，第一次显示个位，第二次显示十位。S3 用于增加 一个数，按下一次在原基础之上加 1，这个值在 0-9-0 之间变化。S4 用于减少一 个数，按下一次在原基础之上减 1，这个值在 9-0-9 之间变化8。对压力的调节也 是如此，不做累述。 4.7 显显示部分示部分电电路路 c 1 d 2 g 10 e 4 dp 5 b 6 a 7 f 9 8 c 1 d 2 g 10 e 4 dp 5 b 6 a 7 f 9 8 c 1 d 2 g 10 e 4 dp 5 b 6 a 7 f 9 8 c 1 d 2 g 10 e 4 dp 5 b 6 a 7 f 9 8 A 1 B 2 QA 3 QB 4 QC 5 QD 6 GND 7 CLK 8 CLR 9 QE 10 QF 11 QG 12 QH 13 VCC 14 A 1 B 2 QA 3 QB 4 QC 5 QD 6 GND 7 CLK 8 CLR 9 QE 10 QF 11 QG 12 QH 13 VCC 14 A 1 B 2 QA 3 QB 4 QC 5 QD 6 GND 7 CLK 8 CLR 9 QE 10 QF 11 QG 12 QH 13 VCC 14 A 1 B 2 QA 3 QB 4 QC 5 QD 6 GND 7 CLK 8 CLR 9 QE 10 QF 11 QG 12 QH 13 VCC 14 P3.1P3.0VCC GND 14 图 13 数码显示电路 由单片机 AT89S51 控制，采用四组移位寄存器 74LS164 和共阳 7 段 LED 组成。显示电路图如图 13 所示。由于在实际中， 89S51 的串行口 RXD 和 TXD 为一个全双工串行通信口，但工作在方式 0 下可作同步移位寄存器，其数据由 RXD（P3.0）串行输出或输入；而同步移位时钟由 TXD（P3.1）端串行输出，在同步 时钟作用下，实现同串行到并行的数据通信。在不需要使用串行通信的场合，利 用串行口加芯片 74HC164 就可构成一个并行输入输出口。数据显示采用共阳数 码管，其共阳端接高电平，三个二极管起到限流作用9。可通过软件按键等设置 显示温度、压力等数值。 4.8 电电气控制气控制电电路路 在控制电路的设计中，首先要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。在整个控 制系统中，所有控制电机、阀门接触器的动作，都是按照单片机的程序运算来完 成的，所以必须通过中间继电器去控制电机或者阀门的动作。系统电气控制电路 如图 14 所示。循环泵和补水泵分别由两台电机循环拖动，循环泵 1 和补水泵 1 工 作在变频状态，当它们运行出错时由 M2 和 M4 代替其工作。对于循环泵 1，当 KM1 接通 X1 端，变频器 1 输出频率从下限频率到上限频率逐渐增加（上下限频 率根据环境温度由用户通过面板设定）10。同理当环境温度超过单片机内部所设 上限时，KM1 断开、KM2 接通，频率逐渐下降。对于补水泵 1，工作在正转加速和 停止状态，其运行状态是根据锅炉水位的变化而变换的，由单片机来设定。风机 受变频器 3 控制的工作原理同循环泵，不做累述。各继电器线圈与单片机的连接 参见附图所示。 15 图 14 电气控制电路图 5 结结束束语语 本系统利用单片机实现了水暖锅炉的自动控制，电气控制中引入变频器，达 到了节能的目的。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。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，保证了系统安全、经济、稳定运行。 致致谢谢 在毕业设计期间，一直得到导师的悉心指导和关怀。特别是在课题的设计过 程中，对论文的技术问题，导师都花费了大量的心血，付出了大量的劳动，并一 直给予我无微不至的指导与多方面的帮助，使我的知识、能力等各方面都有了很 大的进步，在此，谨向导师表示最衷心的感谢！在课题进行期间，学院为我们提 供了良好的学习和设计环境。在课题的研究和进展中，同组成员也给予了很大的 帮助，这里也一同表示感谢！由于时间和知识水平所限，论文中还可能会有许多 纰漏或错误之处，恳请各位老师和同学批评指正。 参考文献参考文献 1 潘新民，王艳芳。微型计算机控制技术M.高等教育出版社，2002 2 杨智,明丽萍.21 世纪燃气锅炉在中国的发展前景J.锅炉制造，2001，7 3 杨国富.变频技术在锅炉中的应用J.锅炉制造，2002，3 16 4 Atmel corporation.AT89C51 Datasheets EB/OL 5 袁希光等.传感器技术手册M.北京国防工业出版社,1986 6 张洪润，张亚凡。传感技术与应用教程M.清华大学出版社，2005 7 李明凡.单片机锅炉系统改造J.现代工业控制，2006，9 8 IBM.智慧的交通DB/OL Http:/ 9 刘贵生.基于PLC的水暖锅炉控制J.电气技术，2007，7 10 李朝青.单片机原理与接口技术M.北京：北京航空航天大学出版社，2005 11 NMEA 0183 .NMEA Standard for Interfacing Marine Electronic Devices S 12 郭振兴.基于模糊控制的电锅炉控制系统J.自动控制应用，1998，7 13 南京傲屹电子有限公司.AT命令手册,EB/OL,2009-2-20 14 Booz. Allen 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,3BH JC BBB1 SETB P2.1 ;关蒸气阀 CLR 20H.0 ACALL ok2 BBB1: MOV A,37H ADD A,#10 CLR C SUBB A,3BH JNC OK2; CLR P2.1;低与设定 温度 10 度开蒸汽阀 MOV A,37H ADD A,#20 CLR C SUBB A,3BH JNC OK2 CLR P2.1;低与设定 温度 20 度开蒸汽阀 SETB 20H.0 RET ok2: CLR 20H.0 RET ;水位检测子程序 SHUICPM:MOV A,P1 ANL A,#0FH MOV 30H,#0FH ;00001111 CJNE A,30H,AAA1 SETB P2.0 SETB 20H.1 ;setb 水 位状态标志位 AJMP OUT2 AAA1: MOV 30H,#0EH ;00001110 CJNE A,30H,AAA2 19 SETB P2.0 CLR 20H.1 AJMP OUT2 AAA2: MOV 30H,#0CH ;00001100 CJNE A,30H,AAA3 CLR 20H.1 CLR p2.0 AJMP OUT2 AAA3: MOV 30H,#08H ;00001000 CJNE A,30H,AAA4 CLR P2.0 CLR 20H.1 AJMP OUT2;70 AAA4: MOV 30H,#00H ;00000000 CJNE A,30H,AAA5 setb P2.0 SETB 20H.1 AJMP OUT2 AAA5: SETB 20H.2 RET OUT2: CLR 20H.2 RET BAOJING: JB 20H.3,OUT6 MOV A,20H MOV 30H,#00H CJNE A,30H,OUT5 AJMP OUT6 OUT5: SETB P3.6 JB 20H.4,OUT9 SETB P0.1 OUT10: JB 20H.2,OUT11 SETB P0.2 OUT12: JB 20H.1,OUT13 SETB P0.3 OUT14: JB 20H.0,OUT15 SETB P0.4 OUT16: RET OUT6: CLR P3.6 RET OUT9: CLR P0.1 AJMP OUT10 OUT11: CLR P0.2 AJMP OUT12 OUT13: CLR P0.3 AJMP OUT14 OUT15: CLR P0.4 AJMP OUT16 ;总温度子程序 WENDU: ACALL INIT_1820 ACALL RE_CONFIG ACALL GET_TEMPER ACALL TEMPER_COV RET ; DS18B20 初始化程序 INIT_1820: SETB P1.7 NOP CLR P1.7 MOV R0,#06BH MOV R1,#03H TSR1: DJNZ R0,TSR1 ; 延时 MOV R0,#6BH DJNZ R1,TSR1 20 SETB P1.7 NOP NOP NOP MOV R0,#25H TSR2: JNB P1.7,TSR3 DJNZ R0,TSR2 LJMP TSR4 ; 延时 TSR3: CLR 20H.4 ; 清标志,表示 DSS18B20 存在 LJMP TSR5 TSR4: setb 20H.4 ; setb 标志位, 表示 DSS18B20 不存在 LJMP TSR7 TSR5: MOV R0,#06BH MOV R1,#03H TSR6: DJNZ R0,TSR6 ; 延时 MOV R0,#6BH DJNZ R1,TSR6 TSR7: SETB P1.7 RET ; 重新写 DS18B20 暂存存储器设定 值 RE_CONFIG: JNB 20H.4,RE_CONFIG1 ; 若 DS18B20 存在