锅炉水温自动控制(论文).doc

锅炉水温自动控制系统摘要本设计采用一块单片机（STC89C52）作为涡炉水温闭环控制系统的控制核心，实现人工设定温度，自动控制温度，显示水的实时温度等功能。水温测试方式采用数字温度传感器DS18B20感知器皿中水的温度，通过单片机STC89C52与数字温度传感器DS18B20通讯获得实时温度，并通过程序实现闭环控制。采用键盘扫描方式对目标温度（080或2060）进行人工设定，并用LCD1602显示水的实时温度、给定温度及温度范围。同时系统还通过继电器电路控制加热器件的导通与关闭，达到保持设定温度基本不变的目的，并起到强弱点隔离作用，安全可靠。水温控制算法通过程序对给定温度与实时温度的判断，实现温度调节，其精确度可达1。并设有一定的保护措施，当实时温度不在设定的安全温度范围时系统将报警。关键词：单片机（STC89C52 ），自动控制，闭环控制目录1.系统设计41.1设计要求41.1.1基本要求41.1.2发挥部分41.2系统基本方案41.2.1各模块的方案选择和论证52.单元电路设计92.1 水温测量电路的设计92.1.1DS18B20单线数字温度传感器92.1.2 DS18B20单线数字温度传感器电路122.2 STC89C52控制电路132.2.1STC89C52单片机管脚图132.2.2 STC89C52单片机最小系统及外围电路接口图132.3LCD1602液晶显示屏电路142.3.1 LCD1602液晶显示屏14152.3.2LCD1602液晶显示屏显示电路图172.4继电器电路172.4.1继电器主要技术参数172.4.2HK4100F继电器驱动电路原理182.5键盘电路192.5.1键盘电路图192.5.2按键说明192.6蜂鸣器报警电路202.6.1蜂鸣器报警电路图203.软件设计213.1软件框图213.2各模块主要程序213.2.1LCD1602程序213.2.2DS18B20程序244.系统整体电路图304.1系统整体电路图305.结束语31参考文献32附录一33附录二361.系统设计1.1设计要求1.1.1基本要求（1）要求采用直接数字控制（DDC）对锅炉水温进行控制，使其温度稳定在给定的值上；（2）具有键盘输入温度给定值，能显示当前温度值；（3）温度达到极限时提醒操作人员注意的功能。1.1.2发挥部分（1）具有设定温度范围的功能，并显示给定值、当前值及温度范围；（2）温度控制精度达到1；（3）采用软件实现闭环控制，降低成本；（4）通过继电器实现对加热器件的控制，起到隔离保护作用。1.2系统基本方案根据题目要求，系统可以划分为控制器模块，温度测量模块，水温加热模块，显示模块。最终选定的整体系统框图如图1.2.1所示。为了实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。图1.2.11.2.1各模块的方案选择和论证（1） 控制器模块采用STC公司的STC89C52作为系统的控制器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法，并且具有功耗低，体积小，技术成熟，成本低廉等有点，使其在各个领域应用广泛。（2）水温探测模块水温探测模块用于测量器皿中水的温度。系统需要利用测温传感器检测出水的实时温度，是控制模块做出正确的反应，控制水的温度。采用单总线可编程温度传感器测温度。DS18B20数字可编程温度传感器可测温范围55125，在-10+85时精度为 0.5。可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。并且其所需辅助电路简单，依靠程序直接读取温度，总费用低。（3）显示模块使用LCD1602液晶显示屏显示水温。液晶显示屏（LED）具有轻薄短小，低耗电量，无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点，且显示更为人性化，电路焊接更为简单。（4）水温控制模块水温控制模块用来控制加热器件的导通与关闭，从而达到控制加热时间，控制水温的目的。采用继电器驱动电路控制。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。2.单元电路设计2.1 水温测量电路的设计2.1.1DS18B20单线数字温度传感器序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。DS18B20的使用方法由于DS18B20采用的是1Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。（1） DS18B20的复位时序 DS18B20单线数字温度传感器复位时序图（2）DS18B20的读时序对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。DS18B20单线数字温度传感器读时序图（3）DS18B20的写时序对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。 DS18B20单线数字温度传感器写时序图（4）DS18B20单线数字温度传感器温度/数据转换关系图表 12.1.2 DS18B20单线数字温度传感器电路 DS18B20单线数字温度传感器电路2.2 STC89C52控制电路2.2.1STC89C52单片机管脚图2.2.2 STC89C52单片机最小系统及外围电路接口图STC89C52单片机最小系统及外围电路接口图2.3LCD1602液晶显示屏电路2.3.1 LCD1602液晶显示屏（1）LCD1602液晶显示屏主要技术参数（2） LCD1602液晶显示屏引脚说明LCD1602液晶显示屏引脚图1602采用标准的14脚接口，其中: 第1脚：VSS为地电源 第2脚：VDD接5V正电源 第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，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第4脚：RS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器。 第5脚：RW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RW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RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。 第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第714脚：D0D7为8位双向数据线。 另外引脚A和K为背光引脚,A接正,K接负便会点亮背光灯。这两个管脚可以不接置空。（3） LCD1602液晶显示屏指令说明LCD1602液晶显示屏指令表它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平） 指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置 指令2：光标复位，光标返回到地址00H 指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效 指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁 指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标 指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符 指令7：字符发生器RAM地址设置 指令8：DDRAM地址设置 指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令10：写数据 指令11：读数据2.3.2LCD1602液晶显示屏显示电路图LCD1602液晶显示屏与STC89C52连接显示电路图2.4继电器电路2.4.1继电器主要技术参数HK4100F电磁继电器主要技术参数：型 号 ： HK4100F-DC5V-SH外形尺寸（mm）： 10.5*15.5*11.8mm（W*L*H）触点形式：1C（SPDT） 触点负载：3A 220V AC/30V DC阻 抗： 100m 额定电流：3A电气寿命：10万次 机械寿命：1000万次阻值(士10%)： 120 线圈功耗：0.2W 额定电压：DC 5V 吸合电压：DC 3.75V 释放电压：DC 0.5V 工作温度：-25+70 绝缘电阻：100M 线圈与触点间耐压：4000VAC/1分钟 触点与触点间耐压：750VAC/1分钟 2.4.2HK4100F继电器驱动电路原理HK4100F继电器驱动电路原理图如下图所示，三极管Q1的基极B接到单片机的P3.6，三极管的集电极极C接到继电器线圈的一端，线圈的另一端接到5V电源VCC上；继电器线圈两端并接一个二极管IN4148，用于吸收释放继电器线圈断电时产生的反向电动势，防止反向电势击穿三极管Q1及干扰其他电路；R6和发光二极管LED1组成一个继电器状态指示电路，当继电器吸合的时候，LED1点亮，这样就可以直观的看到继电器状态了。HK4100F继电器驱动电路原理图（1）当STC89C52单片机的P3.6引脚输出低电平时，三极管Q1饱和导通，5V电源加到继电器线圈两端，继电器吸合，同时状态指示的发光二极管也点亮，继电器的常开触点闭合，相当于开关闭合。（2）当STC89C52单片机的P3.6引脚输出低电平时，三极管Q1截止，继电器线圈两端没有电位差，继电器衔铁释放，同时状态指示的发光二极管也熄灭，继电器的常开触点释放，相当于开关断开。注：在三极管截止的瞬间，由于线圈中的电流不能突变为零，继电器线圈两端会产生一个较高电压的感应电动势，线圈产生的感应电动势则可以通过二极管IN4148释放，从而保护了三极管免被击穿，也消除了感应电动势对其他电路的干扰，这就是二极管D1的保护作用。2.5键盘电路2.5.1键盘电路图键盘电路图2.5.2按键说明S2调小给定温度值，每按一下给定温度值减一；S3调大给定温度值，每按一下给定温度值加一；S4切换温度范围，每按一下切换一次，默认为（080），还可切换为（2060）；S6闭合则启动温度自动控制，断开则扫描按键。2.6蜂鸣器报警电路2.6.1蜂鸣器报警电路图当STC89C52的P3.7端输出为高电平时，蜂鸣器则报警；当P3.7输出为低电平时，则属于正常情况，蜂鸣器不响。3.软件设计3.1软件框图软件框图3.2各模块主要程序3.2.1LCD1602程序#include #include #include LCM1602.h#define lcd_rs P2_7#define lcd_rw P2_6#define lcd_e P2_5#define lcd_bus P0 /数据指令的输入/输出端口sbit P2_5=P25;sbit P2_6=P26;sbit P2_7=P27;void del_nop();void del_1ms(uint timecounter) /更好的延时程序 1709 uint j;register i; j=timecounter; while(1) for(i=71;i0;i-); j-; if(j=0)break; /*判断忙标志，返回的是一个位BF*/bit lcd_busy(void) register bflag; /*bflag is the busy flag BF*/ lcd_rs=0; lcd_rw=1; _nop_(); lcd_e=1; del_nop(); bflag=lcd_bus; lcd_e=0; return(bit)(bflag&0x80); /*return the BF flag bit */*写命令，有两个参数，第一个是要写的命令控制字， 第二个是用来控制是否进行忙标志的判断。 busyflag=1：判断；为 0：不判断*/void lcd_wrcmd(uchar cmd,bit busyflag) if (busyflag=1) while(lcd_busy(); lcd_bus=cmd;lcd_rs=0; lcd_rw=0; del_nop(); lcd_e=1; del_nop(); del_nop(); lcd_e=0; lcd_bus=0xff; /*needed ?*/*指定要显示的位置*/void moveto(uchar position) uchar const cmd=0x80; position-=1; if(position32) /*如果大于32，则光标移回上一行*/ position=0; if (position=16) /*如果大于16，则光标移到下一行*/ position+=0x30; /cmd=cmd|position; /*指定初始的位置*/ /lcd_wrcmd(cmd,1); lcd_wrcmd(position|cmd,1);/*向液晶片写数据*/void lcd_wrdata( uchar lcddata) while(lcd_busy(); lcd_bus=lcddata; lcd_rs=1; lcd_rw=0; del_nop(); lcd_e=1; del_nop(); del_nop(); lcd_e=0; lcd_bus=0xff;/*液晶片初始化*/void lcd_init(void) lcd_wrcmd(0x38,0); /*two lines ,5x7,8 bit*/ del_1ms(5); lcd_wrcmd(0x38,0); /*two lines ,5x7,8 bit*/ del_1ms(5); lcd_wrcmd(0x38,0); /*two lines ,5x7,8 bit*/ del_1ms(5); lcd_wrcmd(0x38,1); lcd_wrcmd(0x0c,1); lcd_wrcmd(0x06,1); lcd_wrcmd(0x01,1);/*向液晶片写字符串*/void lcd_wrstr(uchar *str,uchar position)register i,j;j= position;moveto(j);for(i=0;j32,stri!=0;i+) if(j+=17) moveto(17); lcd_wrdata(stri); 3.2.2DS18B20程序#include #include #include LCM1602.h#define BUSY1 (DQ1=0) sbit DQ1 = P10; /sbit DOWN_30=P30;/sbit UP_31=P31;sbit ON_OR_OFF_35=P35;/sbit RANGE_34=P34;sbit CONTROL_36=P36;sbit ALARM_37=P37;unsigned char idata TMP=0; void wr_ds18_1(char dat);unsigned char rd_ds18_1();/*延时程序，单位us,大于10us*/void time_delay(unsigned char time) time=time-10; time=time/6; while(time!=0)time-; /*/* reset ds18b20 */*/void ds_reset_1(void) unsigned char idata count=0; DQ1=0; time_delay(240);time_delay(240); DQ1=1; return; void check_pre_1(void) while(DQ1); while(DQ1); time_delay(30); void read_ROM(void) int n;int ROM8;ds_reset_1(); check_pre_1(); wr_ds18_1(0x33); for(n=0;n8;n+)ROMn=rd_ds18_1(); /*/* Read a bit from 1820 位读取 */*/bit tmrbit_1(void) idata char i=0; bit dat; DQ1=0;_nop_(); DQ1=1; _nop_(); _nop_(); _nop_();_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); dat = DQ1; time_delay(50); return dat; /*/* read a bety from ds18b20 字节读取 */*/unsigned char rd_ds18_1() unsigned char idata i,j,dat=0; for(i=1;i=8;i+) j=tmrbit_1(); dat=(j(i-1)|dat; return dat; /*/* write a bety from ds18b20 写字节 */*/void wr_ds18_1(char dat) signed char idata i=0; unsigned char idata j; bit testb; for(j=1;j1; if(testb) DQ1=0; _nop_(); _nop_(); DQ1=1; time_delay(60); else DQ1=0; time_delay(50); DQ1=1; _nop_(); _nop_(); int get_temp(void) unsigned char idata a=0,b=0; unsigned char idata i; EA=0; ds_reset_1(); check_pre_1(); wr_ds18_1(0xcc); wr_ds18_1(0x44); while(BUSY1); ds_reset_1(); check_pre_1(); wr_ds18_1(0xcc); wr_ds18_1(0xbe); a=rd_ds18_1(); b=rd_ds18_1(); i=b; /*若b为1则为负温 */ i=(i4); if(i=0) TMP=(a4)|(b8)TMP=TMP+1; else ALARM_37=1; del_1ms(3000);ALARM_37=0; EA=1; return(TMP); 附录一主程序：void main(void) /unsigned char show; unsigned int count_temp,count_temp_h,count_temp_l,given,given_h,given_l,range_h=80,range_l=20,bit_i=0,bit_j=0,time_delay; unsigned char code table110=0123456789; while(1) P3=0xff; CONTROL_36=0;ALARM_37=0; lcd_ini