基于单片机的小型家用燃气锅炉控制系统设计.doc

基于单片机的小型家用燃气锅炉控制系统设计电子信息工程专业 陈希 指 导 老 师 虞粉英摘要 本文介绍了以AT89C51单片机为控制核心开发的小型家用燃气锅炉系统的设计与实现。用温度传感器及A/D转换器采集实际温度，从时钟芯片读取时间，经过单片机分析处理后送至LCD显示器显示，并将温度值送入单片机，与此同时通过实际温度与设定温度的差值来判断加热炉是否加热，若实际温度小于设定温度则加热；通过当前时间与设定时间是否相同来判断LED灯的点亮与否，若到达设定时间，则点亮LED灯报警。文章介绍该系统的硬件电路图和软件流程图。关键词 燃气锅炉 单片机 控制 1 绪论目前，我国居民住宅取暖基本上都是采用集中供暖方式。虽然集中供暖方式从原理上讲，能源利用率高，具有较高的经济性，但是这种方式大多数是使用燃煤锅炉，会带来严重的环境污染问题。近几年来以天然气为燃料的燃气锅炉倍受人们喜爱。燃气锅炉具有效率高、环境污染小等特点。目前市场上的店铺所销售的家用小型燃气锅炉大多是进口或合资生产的，价格基本在一万元以上，不利于推广使用。于此同时，目前研究开发燃气锅炉控制器的单位比较少，只有江西九江交通电器厂、上海杜比公司、天津大学无线电厂等几家。因此，研究开发一种不但价格低廉而且安全可靠的智能型家用小型燃气锅炉具有一定的科学价值与现实意义。2 硬件电路设计小型家用燃气锅炉控制系统由温度采集模块，A/D转换模块，单片机，时钟模块，LCD显示模块，键盘输入模块以及输出通道模块组成。单片机根据转换电路输出的数字温度信息给出控制信号，通过控制调节阀来控制燃烧器的进气量及炉火大小，从而完成对室温的调节即锅炉水温的调节。单片机还可以通过时钟芯片来实现对当前时间的显示和改写。锅炉控制系统的总体框图如图2.1所示。单片机显示器键盘燃烧器调节阀A/D转换电路温度传感器时钟图2.1 锅炉控制系统的总体框图2.1 温度采集模块AD590是电流输出型的温度传感器，测温范围为55C150C，电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。温度采集电路如图2.2所示。图2.2 温度采集电路AD590经过10K之后的电压变化范围为2.732V（对应于0C）3.732V（对应于100C）。因此，为了在电路中能得到从零开始处理的数值，加入了减2.732V的减法电路。经过减法电路后，电压变化范围变成了0V1V。由于采用了输入电压范围为0V5V的ADC0808作为A/D转换器，因此在减法电路的基础上，又加入了系数为5的放大电路，这样输入A/D转换器的电压范围就变成了0V5V的电压了。2.2 A/D转换模块本设计采用具有8路选通输入的ADC0808作为A/D转换芯片。ADC0808是一个逐次逼近式CMOS型A/D转换器，内部没有时钟电路，需外部提供时钟信号，其8位数据输出引脚可直接与单片机相连。若想使ADC0808在选择开启通道的同时就开启转换，则将通道地址锁存允许信号线和启动信号输入线连在一起即可。EOC是转换结束信号，还未进行A/D转换时，EOC输出高电平，当启动信号的上升沿到来之后的08个时钟周期内会输出低电平，A/D转换结束后，EOC端又会输出高电平。OE是数据输出允许信号，当A/D转换结束时即EOC输出高电平时此引脚输入一个高电平，才能将数据输出三态门打开，输出数字量。A/D转换电路与单片机的硬件接线图如图2.3所示。 图2.3 A/D转换电路的硬件接线图2.3 时钟模块DS1302带有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，只需通过简单的同步串行方式就能与单片机进行通信。DS1302由备份电源Vcc1或主电源Vcc2两者中的较大者供电。X1和X2是振荡源，一般会在两引脚之间跨接32.768KHz晶振用于给芯片提供计时脉冲。是复位输入端，若想启动所有的数据传送只需把输入驱动置高电平即可；若想对DS1302进行操作并对所有的数据传送进行初始化，则将置为高电平即可；若想终止正在进行传送的数据并把I/O引脚变成高阻态，则将置为低电平即可。DS1302的硬件接线图如图2.4所示。图2.4 DS1302的硬件接线图2.4 LCD显示模块在本系统中，由于要对温度和时间进行显示，因而选择液晶显示屏1602模块作为输出器件。LCD1602内部的字符发生存储器（CGROM）存储了160个不同的点阵字符图形，每一个字符都对应一个固定的代码，例如“M”的代码是01001101B（4DH），显示时模块把地址4DH中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“M”。 单片机与1602液晶显示屏的硬件连接图如图2.5所示。图2.5 单片机与1602液晶显示屏硬件连线图2.5 键盘输入模块键盘从硬件电路结构上可分为行列式键盘和独立式键盘两种。行列式键盘，因其按键排列为行列式矩阵结构，所以也称为矩阵式键盘。若用户所需的按键数目较多，可采用行列式键盘以便于节省口线。所谓独立式按键，就是直接用一根I/O口线构成的单个键盘电路。每根I/O口线上的按键的工作状态不会影响其他I/O口线上的按键的工作状态。在进行本次设计中，因只涉及到设置键、加1键、减1键三个功能键，所以采用独立式键盘。独立键盘设计如图2.6所示。 图2.6 独立按键的设计2.6 输出通道模块在输出通道中，我们可以使用交流型固态继电器来实现对执行器电源的控制，进而实现对执行机构开关进气门的调整。固态继电器因具有较多优点，例如工作电流小，兼容CMOS及TTL电路，能使用晶体管方便有效的驱动开关等，而备受用户的喜爱，在未来很可能会逐渐取代可控硅和传统的继电器成为微机测控系统的主要执行元件。固态继电器之所以能防止干扰信号通过输出通道反串到控制系统中，是因为它的内部自带光电隔离装置。单片机与固态继电器的接口非常简单，只要将一个驱动器接在单片机的输出口就行了。输出通道的设计如图2.7所示。图2.7 输出通道的设计 3 软件设计在单片机应用系统的开发过程中，C语言的应用最为广泛。C语言不仅能直接对计算机的硬件进行操作，而且语言灵活、程序结构良好、代码效率高、可移植性好。3.1 系统总流程图流程图分析：当电源上电后，系统进行初始化，系统开始运行，启动A/D转换，若 A/D转换完成，则读取并处理A/D转换结果，完成后再分别调用键盘、定时和控制子程序；若A/D转换还未完成，则等到转换完成后再执行下面的程序。在该程序中通过中断方式来实现对当前时间以及实际温度的显示，系统总流程图如图3.1所示。系统初始化开中断，设置工作方式及初值启动A/D转换A/D转换完成？读取并处理A/D转换结果YN调用键盘子程序调用定时子程序调用控制子程序开始显示启动定时器图3.1 系统总流程图 3.2 键盘程序流程图流程图分析：若有设置键按下，则进入修改时间、温度及定时模式；若无按键按下，则读取时间、温度及定时等数据送入液晶屏显示。在修改模式下设置时间、温度及定时等，设置完成后再送数据到液晶屏显示。键盘程序流程图如图3.2所示。设置键按下？进入修改模式设置时间、温度及定时设置完成？显示读时间、温度及定时YYNN开始结束图3.2 键盘程序流程图3.3 定时程序流程图流程图分析：当前时间与定时时间相等时，LED灯亮，否则LED灯不亮。定时程序流程图如图3.3所示。到定时时间？LED灯亮LED灯不亮YN开始结束图3.3 定时程序流程图3.4 控制程序流程图流程图分析：当实际温度大于等于设定温度时，模拟电炉不加热，当实际温度小于设定温度时，模拟电炉加热。控制程序流程图如图3.4所示。实际温度设定温度？模拟电炉不加热模拟电炉加热YN开始结束图3.4 控制程序流程图3.5 DS1302时钟程序流程图流程图分析：DS1302进行初始化，当有中断信号时，读取时钟芯片的数据并送入液晶屏显示。若有设置键按下，则进行时间修改，完成后将数据送入时钟芯片；若没有按键按下，则直接读时钟芯片送显示。时钟流程图如图3.5所示。初始化开中断读时钟芯片送显示设置键按下？设置时间？送时钟芯片NNYY开始图3.5 时钟程序流程图 3.6 LCD显示程序流程图流程图分析：首先对1602显示屏进行初始化，然后进行忙信号检查，如果BF=0，则获得显示RAM的地址并写入相对应的数据进行显示；如果BF=1，则表示模块正在进行内部操作，暂时不接受任何数据及外部指令，直到BF=0为止。LCD显示程序流程图如图3.6所示。对1602初始化，写入显示设置命令延时5ms检查忙信号BF=0?获得显示RAM地址延时5ms写入相应的数据数据显示完毕？NNYY开始结束图3.6 LCD显示程序流程图4 仿真与调试上电后，LCD可马上显示当前时间，实际温度，LCD显示如图4.1所示。图4.1 LCD显示可调节当前时间的秒位，调节秒钟如图4.2所示。图4.2 调节秒钟调节当前时间的分位，调节分钟如图4.3所示。图4.3 调节分钟调节当前时间的时位，调节时钟如图4.4所示。图4.4 调节时钟调节设定温度的个位如图4.5所示。图4.5 调节设定温度的个位调节设定温度的十位如图4.6所示。图4.6 调节设定温度的十位定时时间的分钟调节如图4.7所示。图4.7 定时时间的分钟调节定时时间的时钟调节如图4.8所示。图4.8 定时时间的时钟调节当前时间与定时时间相同时LED灯亮（否则LED灯不亮）。到定时时间LED灯亮如图4.9所示。（a） 到定时时间（b） LED灯亮图4.9 到定时时间时LED灯亮能实时显示实际温度，如图4.10所示。图4.10 实时显示实际温度当实际温度小于设定温度时，模拟电炉加热，如图4.11所示。（a） 实际温度小于设定温度（b）模拟电炉加热图4.11 实际温度小于设定温度时模拟电炉加热当实际温度大于等于设定温度时，模拟电炉不加热，如图4.12所示。（a） 实际温度大于设定温度（b）模拟电炉不加热图4.12 实际温度大于设定温度时模拟电炉不加热4 结束语通过此次对小型家用燃气锅炉控制系统的设计，我清楚地了解了单片机系统设计的大致流程并掌握了硬件与软件设计的基本方法和技术。在设计之初，我对如何设计单片机的系统了解甚少，可以说是一头雾水，但随着查找资料，请教老师及反复思考，开始慢慢理解，直至最终完成了单片机控制系统的设计。在系统的设计过程中，我充分发挥了自己的主观能动性，自主学习，不仅巩固了以前的知识，而且学到了许多新知识。在设计硬件电路的过程中，由于我缺少经验，以致犯了很多低级错误，例如，使用了错误的元器件，地址分配不当等。好在，这些错误在我不断查找资料和学习当中，逐个解决了。在编写程序的过程中，由于我思路混乱，以致看不清本质，将很多问题复杂化，经过静下心来反复思考，向老师请教，终于理清了思路并完成对程序的编写，实现了老师要求的功能。虽然我大体上完成了系统设计所要求的功能，但是由于自身能力及时间的关系，整个控制系统还不够智能化，还有很多地