家用燃气锅炉温度控制系统设计2

专业课综合课程设计说明书1 目目 录录 1 设计任务与要求 1 2 设计方案 2 3 硬件电路设计 3 3 1 主电路 3 3 2 单片机最小系统 4 3 3 温度控制电路设计 6 3 4 水位控制电路 6 3 5 报警电路设计 8 3 6 按键电路设计 9 4 系统软件设计 10 4 1 主流程图设计 10 4 2 中断服务程序设计 11 4 3 DS18B20 温度采集子程序设计 11 4 4 LCD 液晶显示子程序设计 13 5 总结 19 6 参考文献 20 专业课综合课程设计说明书2 专业课综合课程设计说明书1 1 1 1 设计任务与要求设计任务与要求 锅炉是一种热能转换设备 由锅和路两大主体和保证其安全经济连续运行的附 件 仪表附属设备 自控和保护系统组成 水在锅 锅筒 中不断被炉里燃料燃烧 释放出来的能量加热 温度升高并产生带压蒸汽 由于水的沸点随压力的升高而升 高 锅是密封的 水蒸气在里面的膨胀受到限制而产生压力形成热动力 严格的说 锅炉的水蒸气是水在锅筒中定压加热至饱和水再汽化形成的 作为一种能源广泛使 用 锅炉广泛用于生产和生活之中 中小型锅炉作为供暖设备用于提供热水 取暖 方面得到了广泛应用 从能源利用方面讲 集中供暖一次性投资大 运行费用高 无论是否需要 暖气始终全天供热 因楼层不同而造成温度不均 若遇到供暖偏热 居民只有开窗降温 使宝贵的能源白白浪费 这种供暖方式从原理上而言 效率较 高 集中供暖的锅炉大多数是燃媒锅炉 锅炉燃烧时污染大 已经带来了严重的环 境污染问题 由于这些用户采用集中取暖 给个别用户带来不便的缺陷 基于这种情况 近年来采用以天然气 液化石油气为燃料的中小型燃气锅炉具 有高效 环境污染小 发热量大甚至无污染等特点 受到普遍欢迎 尤其在国外 燃气锅炉目前已得到了普遍应用 家用燃气锅炉常见的是套管式燃气锅炉 板换式 燃气锅炉 冷凝式燃气锅炉 随着科技的发展以及各种客观条件的具备 生活采暖 用燃气锅炉的应用也必将得到进一步的发展与推广 随着燃料不断补给 燃料充足 城市燃气管网逐步完善 燃气使用率逐步会提高 市场经济的发展与开放 国有企 业享受国家能源补贴的取消 住房逐渐私有化 供热管网费 采暖费全部由个人支 付 会有越来越多的人放弃集中供热方式而采用分散采暖方式 而小型家用燃气锅 炉的使用作为集中供暖的一个很好补充或替代它必将被越来越多的人关注和选用成 为趋势 目前市场上家用燃气锅炉为进口 价格高 售后服务不够完善 不利于燃气锅 炉的推广使用 研制燃气锅炉的公司亦相对较少 因此研制开发小型家用燃气锅炉 就具有现实的意义与客观的市场价值 本设计将结合小型家用燃气锅炉实际的需要 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 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 专业课综合课程设计说明书2 2 2 2 设计方案设计方案 目前 世界计算机市场上出现了专门用于工业控制的单片机系列产品 单片机 以其体积小 重量轻 功耗低 价格便宜 功能强的特点 在工业控制的实践中得 到越来越广泛的应用单片机不仅可以实现各种常规的控制 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 目前 由于家用锅炉属于批量生产 而且每台锅炉需要一套完整的控制 系统 针对这些特点 尤其从产品成本角度出发 以MCS 51为核心器件组成的控制 系统是比较理想的选择 此外 MCS 51系列单片机运算能力 完备的控制功能 加 上完善的外部接口电路 对中小型锅炉控制系统完全可以胜任 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 并本着节约成本的思想 选用基 于单总线的数字温度传感器DS18B20和LCD液晶显示器 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 具有耐 磨耐碰 体积小 使用方便 封装形式多样 适用于各种狭小空间设备数字测温 和控制领域 LCD液晶显示器为平面显示设备 它由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 它们二者与单片机的接口比较简单 而且编程强度不大 既保证了 系统的稳定性 又缩短了系统的开发周期 节约了开发成本 系统在软件上采取模块化的程序结构 主程序作为控制程序 为整个系统软件 的一条主线 其它功能模块均采用子程序调用 查询等方式 为调试扩充提供了方 便 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 模拟信号 和数字信号分别用单独的供电回路 以避免电源干扰 利用温度传感器DS18B20采 集测量锅炉水温 使用LCD液晶显示器显示水位上下限值 预先设定的温度报警值 和当前采集温度值 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 专业课综合课程设计说明书3 3 炉温度控制不仅可以节约能源 提高能源的使用率 此外 为符合实际本系统对锅 炉的水位进行实时监控 防止锅炉干烧和锅炉水溢出 以免浪费和水溢出引起的锅 炉爆炸严重后果 3 3 硬件电路设计硬件电路设计 3 13 1 主电路主电路 3 11 3 11 温度控制电路温度控制电路 图 2 1 温度控制电路 3 12 3 12 水位控制电路水位控制电路 专业课综合课程设计说明书4 4 图 2 2 锅炉加水电路 图 2 3 水位检测电路 专业课综合课程设计说明书5 5 3 23 2 单片机最小系统单片机最小系统 3 2 13 2 1 时钟电路设计时钟电路设计 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 5 所示 晶体可以在 1 2MHz 12MHz 之间所选 电容可以在 20 60pF 之间所 选 通常选择 30pF 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 图 2 5 时钟电路 3 2 23 2 2 复位电路复位电路 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 专业课综合课程设计说明书6 6 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 2 s 以上 复位电路如图 3 6 所示 图 2 6 复位电路 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 22ms 远远大于 2 s 即使 RST 高电平的时间保持 2 s 以上 确保了单片机正常复位 3 33 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 进而是 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 2 9 所示 1 当 P1 7 输出高电平时 燃烧器通电 燃烧器对锅炉加热 进行加热处理 2 当 P1 7 输出低电平时 燃烧器断电 燃烧器对锅炉加热 不进行加热处理 专业课综合课程设计说明书7 7 图2 9 温度控制电路 3 43 4 水位控制电路水位控制电路 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 专业课综合课程设计说明书8 8 图 2 10 水位检测电路 如图2 10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 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 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 3 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 专业课综合课程设计说明书9 9 图2 11 水位控制电路 当锅炉水位处与水位下限值的时 单片机P1 4口输出一个高电平 继电器接通 此时给水泵通电 给水泵开始工作给锅炉加水 3 53 5 报警电路设计报警电路设计 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2 15所示 专业课综合课程设计说明书10 10 图2 15 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 63 6 按键电路设计按键电路设计 本系统为符合实际要求 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 2 17 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 示加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 K1 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 专业课综合课程设计说明书11 11 图 2 17 按键电路设计 4 4 系统软件设计系统软件设计 本章讲述的系统软件设计包括锅炉温度控制的单片机程序设计以及构成系统的 各部分子程序设计 4 14 1 主流程图设计主流程图设计 锅炉温度控制系统的单片机程序设计主流程图如图 3 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 专业课综合课程设计说明书12 12 应的处理 图 3 1 软件主流程 专业课综合课程设计说明书13 13 4 24 2 中断服务程序中断服务程序设计设计 中断服务程序 序 K1 是否按下 加 1 并示 K2 是否按下 减 1 并显示 K3 是否按下 返回 是 是 是 否 否 否 图 4 2 中断服务程序 4 34 3 DS18B20DS18B20 温度采集子程序温度采集子程序设计设计 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 专业课综合课程设计说明书14 14 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3 3所示 开始 检测 DS18B02 是否存在 跳过 EOM 匹配 是 发出温度转换 命令 跳过 ROM 匹配 发出温度读取 命令 保存采集的温度 结束 否 专业课综合课程设计说明书15 15 图3 3 DS18B20温度采集子程序流程图 4 44 4 LCDLCD 液晶显示子程序液晶显示子程序设计设计 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 3 4 所示 具体实现过程请查阅附录 LCD 液晶显示子程序 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 否 是 专业课综合课程设计说明书16 16 图 3 4 LCD 液晶显示子程序流程图 MAIN CALL TEMP SET 显示设定温度报警值的信息 MOV A 0C9H 设定温度摄示度标记的显示位置 CALL TEMP BJ 显示温度摄示度的标记 LCALL DIS TEMP 显示初始化的报警温度 MAIN1 MOV 20H 0 LCALL KEY 调用按键扫描程序 JNB 20H 0 DEC TEMP ADD TEMP INC TEMP AL 报警温度值加1 LCALL DIS TEMP 显示改变后的报警温度 AJMP MAIN1 DEC TEMP JNB 20H 1 CONFIRM DEC TEMP AL 报警温度值减1 LCALL DIS TEMP 显示改变后的报警温度 AJMP MAIN1 CONFIRM JNB 20H 2 MAIN1 如果没按任何键就返回MAIN1继续扫描 SETB SPK LCALL DIS TEMP1 CALL MENU OK1 LCD显示温度采集和水位控制信息 专业课综合课程设计说明书17 17 LCALL DIS TEMP1 显示已设定的温度报警值 MOV A 0CEH 当前温度摄示度标记的显示位置 CALL TEMP BJ 显示当前温度摄示度的标记 START CALL RE 18B20 1 检测通道1的DS18B20是否存在 并设置12位 精确度 CALL RESET1 18B20复位子程序 检测18B20是否存在 JNB FLAG1 START11 如果DS1820不存在则跳START11 CALL MENU OK1 如果存在则显示OK MOV A 0CEH CALL TEMP BJ 显示温度摄示度的标记 JMP START21 START11 CALL MENU ERROR1 如果不存在则显示ERROR MOV A 0CBH CALL TEMP BJ 显示温度摄示度的标记 JMP START START21 检查到有温度传感器后的处理 CALL RESET1 18B20复位子程序 再次检测18B20是否存在 JNB FLAG1 START11 DS1820不存在则转到START11报错 MOV A 0CCH 跳过ROM匹配 CALL WRITE1 专业课综合课程设计说明书18 18 MOV A 44H 发出温度转换命令 CALL WRITE1 CALL RESET1 MOV A 0CCH 跳过ROM匹配 CALL WRITE1 MOV A 0BEH 发出读温度命令 CALL WRITE1 CALL READ1 读出温度值到TEMPH TEMPL DISPLAY CALL DELAY2 CALL CONV 将采集到的温度在LCD1602显示出来 LCALL DIS TEMP1 显示已设定的温度报警值 ADD WATER INC WATER LCALL DIS WATER 显示当前水位的值 AJMP COMPARE1 当前水位与水位上限值80比较 CLR SPK 如果水位大于80就报警 SETB WATER SW H 关闭给水泵 CLR SPK 如果水位小于20就报警 CLR WATER SW H 如果当前水位低于下限值就打开给水泵开关 CLR BOILER SW 当前温度超过温度报警值关闭锅炉燃烧器开关 停止加 热 CLR RED 专业课综合课程设计说明书19 19 SETB GREEN LJMPSTART 比较完毕 重新采集温度和水位 START0 JB flag LOOP4 如果水位出现报警但温度没有出现报警时就继续采 集温度和水位 SETB SPK 如果水位和温度都没有出现报警时就使绿灯亮 然后继 续采集温度和水位 SETB RED CLR GREEN LP ORL P1 03H 逻辑或 检测水位 MOV A P1 读P1口 JNB ACC 3 LP1 P1 3 0跳转到LP1 JB ACC 4 LP2 当P1 4 0表示实际水位在下限 跳转 BK MOV A 20 ACALL D2S 调延时2S子程序 AJMP LP LP1 JNB ACC 4 L00P3 当P1 4 0则转 SETB SPK 报警 SETB P1 2 使P1 2 1 停止电机工作 LP4 SJMP L00P4 出现故障后程序进入 等待状态 LP3 CLR P1 2 启动电机 AJMP BK 专业课综合课程设计说明书20 20 LP2 SETB P1 2 电动机停止工作 电机工作 AJMP BK END LCD显示温度标记子程序 TEMP BJ MOV A 0CAH CALL WCOM 调用LCD写命令子程序 MOV DPTR BJ1 指针指到显示消息 MOV R1 0 MOV R0 2 BBJJ1 MOV A R1 MOVC A A DPTR CALL WDATA 调用LCD写数据子程序 INC R1 DJNZ R0 BBJJ1 RET 专业课综合课程设计说明书21 21 BJ1 DB 00H C 摄示度标记 TEMP SET 设定温度报警值 MOV DPTR TEMP SET1 指针指到显示消息 MOV A 1 显示在第一行 CALL LCD PRINT 在LCD的第一行或第二行显示字符 RET TEMP SET1 DB SET ALARM TEMP 0 MENU OK1 LCD显示温度采集和水位控制信息 MOV DPTR M OK1 指针指到显示消息 MOV A 1 显示在第一行 CALL LCD PRINT 在LCD的第一行或第二行显示字符 MOV DPTR M OK2 指针指到显示消息 MOV A 2 显示在第二行 CALL LCD PRINT 在LCD的第一行或第二行显示字符 RET 专业课综合课程设计说明书22 22 5 5 总结总结 本设计通过单片机的控制 实现了锅炉