基于单片机的小型开水锅炉控制系统设计

摘要本文介绍了一种新型智能全自动电锅炉控制系统，并给出了系统的工作原理、硬件结构及软件流程。本系统采用 ATMEL 公司单片机系列中的 AT89S51为 CPU，采用双线串行 CMOS 型电可檫写存取器 AT24C02A 记忆用户的温度设定值，采用固态继电器 SSR 作为控制驱动电路的开关器件，用独特的新型 单线智能数字温度传感器 DS18B20 作为测温元件， 测温精度可达 0.5，这种数字传感器可以与单片机直接连接无需其它电路。此外在温度传感器的地方并联一个液位传感器，再配上固态继电 器控制水泵的补水开关，完成对水位的控制。 实际使用证明该系统具有良好的控制效果。关键词: 电锅炉， 单片机 AT89S51，数字温度传感器，液位传感器1Based on single-chip control of small hot water boilerAbstractThis article describes a new type of intelligent control system of automatic electric boilers, and give the systems working principle, hardware structure and software flow. The system uses ATMEL Corporation AT89S51 single-chip series for the CPU, using two-wire serial CMOS-based electricity can be Sassafras Writing AT24C02A memory device users access to temperature settings, the use of SSR as a switching device, using a unique new one-way intelligent DS18B20 digital temperature sensor as a temperature measurement components, temperature measurement accuracy of up to 0.5 , such a digital sensor can be directly connected with the single-chip microcomputer without other circuits. In addition，temperature sensor at our place and then a liquid level sensor parallel Reinforced with Water pump relay control switch, water level control to achieve. Actual use to prove that the system has good control effect. Key words: Electric Boiler, Singlechip AT89S51, Digital Temperature Sensor, Liquid Level Sensor2目 录1 绪论 .12 设计要求 .13 方案论证 .13.1 温度检测设计方案 .13.2 水位检测设计方案 .24 系统结构框图 .35 单片机外围器件的设计 .35.1 元件选择及介绍 .45.1.1 单片机 AT89S51 .45.1.2 温度传感器 DS18B20 .65.1.3 掉电存储器 AT24C02.105.1.4 固态继电器 SSR.115.2 硬件电路具体设计与实现 .125.2.1 水温采集部分 .125.2.2 水位采集部分 .125.2.3 显示电路 .135.2.4 驱动电路 .145.2.5 报警电路 .155.2.6 键盘接口电路 .155.2.7 掉电存储电路 .166 软件设计 .166.1 程序流程图 .176.2 程序清单：见附录二 .177 系统总体电路图：见附录一 .188 结论 .19谢辞 .19参考文献 .19附录一：总体电路图 .21附录二：程序 清单 .2231 绪论在我国，传统的开水锅炉控制中多以燃煤和燃油为主，而且相当一部分还是采用人工控制或是继电接触式的控制方式，自动化程度低，调节精度差， 单靠人工操作已不能适应当今高效、低耗、低劳动强度的要求，加上燃料燃烧时产生大量的废气和废渣，对环境造成了严重的污染， 给人们 的生产和生活也带来了巨大的危害。因此，对传统的控制系统进行改造是适应今后 发展的迫切需要。 随着电力工业的不断发展，人们逐 渐采用电加热控制系统。本设计就是针对燃煤和燃油锅炉所存在的问题，开发了一种多功能智能的电锅炉控制系统 1。单片机作为自动控制中的一个核心器件在小型自动控制系统及信号采集方面已经被广泛应用，技术也相 对较成熟，它不 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。本 论 文设计的小型开水房锅炉自动控制中采用的就是以单片机作为控制中心，采用电力作为燃料，不仅能够使控制系统具有精度高、功能强 、经济性好的特点， 还节约 能源，利于环保，在改善劳动条件等方面都显示了无比的优越性。另外该设计的控制系统还具有超温、高低水位保护、 显示及报警等功能，保证锅炉正常安全的工作，实现自动化控制。2 设计要求（1）水温控制：要求系统能实现对水温的预设，当水温超出设定温度时，能够及时报警（2）水位控制：系统能够将水位控制在上限和下限之间，当水位超出该范围时，能够报 警（3）按键功能：能够对水温进行预设和设置水温与实际温度的转换3 方案论证3.1 温度检测设计方案方案（1）：温度检测部分采用热电偶，经过温度变送后，对信号进行采样保持，AD 转换后，然后与单片机通信进行控制。若温度检测部分采用热电偶，它需要冷端补偿电路与其配套，并且热电偶输出电压只有几毫负，必须经过放大处理才能 A/D 转换，外围电路复 杂，占用 单片机的接口多 2。方案（2）：主要是以单片机作为控制器的核心，利用温度转换芯片 DS18B20进行温度采集。数字化温度 传感器 DS18B20 是世界上第一片支持 一线总线 接口的温度传感器，测量温度范 围为 -55C+125C，在-10+85C 范围内,精度为0.5C，现场温度直接以一线总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，使系统设计更灵活、方便。同时 DS18B20 可使程序 设定 912 位的分辨率，精度4为0.5C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用 户设定的报警温度存储在 EEPROM 中，掉 电后依然保存，并且性能价格也非常出色。图 1 方案（1）结构框图图 2 方案（2）结构框图由于热电偶属于非线性器件，因此每个温度值都必须通过分度表，查表才能获得，这给软件编程和数据 处理增加了难度。 这种系 统具有测量温度范围可以从零下一百度到上千摄氏度，而且有很多热电偶精度非常高这是这种测量系统的优点。但构成系统复杂，抗干扰能力不强。而数字温度传感器 DS18B20，它的最高分辨率为 12 位，可识别 0.0625 摄氏度的温度 3。它具有直接输出数字信号和数据处理，并且它和单片机接口只需要一位 I/O 口，因此由它构成的系统简单使用，综合比 较温度检测方案（ 1）和方案（2），我 们只在常温下使用，并且经济合理，因此选择了方案（2）。3.2 水位检测设计方案方案（1）：采用电感式浮球传感器对其进行水位检测。传感器液筒上的汽水管与锅炉筒相连接，使筒锅 内的水位与液筒内水位互相连通。当锅筒内水位变化时，液筒内水位相应发生变 化。液筒内浮球根据水位高低而发生变化，水位升高时，浮球向上浮。水位下降时，浮球向下浮。连接浮球上的矽棒在电感线圈内发生位移，使电感线圈两端电 感量发生相应的变化， 变 化的电感量写入仪表， 仪表接收这一变化的液位信号， 转换成与液平面相应显示信号，系统根据水位的变化信号，自动调节给水流量，使水位稳定在正常区域，以确保锅炉的安全运行。方案（2）：采用金属电极式进行水位检测。在锅炉内的不同的高度安装 3 根金属棒,以感知水位变化情况。其中 A 棒处于下限水位，C 棒处于上限水位，B 棒在上、下水位之间。通过接头 b、c 与单片机通信，再配上水位显示电路，完成水位的检测和状态显示，单片机 驱动控制电路， 实现自 动上水。热电偶检测温度变送器采样保持AD转换单片机单片机DS18B20温 度 采 集5采用电感式浮球传感器对锅炉水位进行检测，检测精密，但该元件的成本太高。采用金属电极式进行水位 检测， 电路简单易行，成本相对小，而且该技术应用广泛。考虑综合因素，水位检测设计方案采用方案（ 2）4。4 系统结构框图系统整体电路方框图如图 3 所示。图 3 系统整体结构框图本系统主要由温度传感器、液位传感器、掉 电存储、复位及时钟信号产生电路、报警 电路、显示电路、开关控制 电路以及 AT89S51 组成。通过对锅炉水位和水温实时检测与采集，将锅 炉的液位、温度等参数 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控制信号，从而 对补水泵和锅炉内部的电加热器进行控制，再配以外部的温度显示和水位状态显示以及报警装置，进而对锅炉进 行优化控制，达到了用 户 的要求和节能目的。操作过程如下：用户首先设定水温数值，然后系统检测锅炉中水位。如果水位正常则系统开始启动，否 则产生声光报警并进行自动保护。系统正常运行以后，利用传感器 DS18B20 检测 出锅炉中的水温，并且实时显示出来。当水温超过设定上限，系统同样会发出报 警信号并采取保护措施，控制加热器工作情况。当水温未达到设定值，立即回馈给 系统，由系 统自动调整加 热器工作状态，使水温到达设定值， 满足用户需求。水温数字传感器DS18B20水位传感器键盘接口电路单片机AT89S51掉电 存储器AT24C02水温 显 示电路水位状态显示固态继电器 水泵固态继电器报警 电路加热器65 单片机外围器件的设计5.1 元件选择及介绍5.1.1 单片机 AT89S51本设计采用 AT89S51 作为中央处理单元，它是是一个低功耗，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。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 024MHz 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 的主要特性：（1）8031 CPU 与 MCS-51 兼容（2）4K 字节可编程 FLASH 存储器(寿命：1000 写/擦循 环)（3）全静态工作：0Hz-24KHz（4）三级程序存储器保密锁定（5）128*8 位内部 RAM（6）32 条可编程 I/O 线7（7）两个 16 位定时器/计数器（8）6 个中断源（9）可编程串行通道（10）低功耗的闲置和掉电模式（11）片内振荡器和时钟电路AT89S51 的引脚结构（如图 4）及各管脚说明： VCC：供电电压 GND：接地 P0-P3：分别是 8 位准双向 I/O 端口，但 P0 在作为一般的 I/O 端口用时，应外接上拉电阻，才能高电平输 出RST：复位输 入。当振 荡器复位器件 时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间ALE/PROG：地址锁存允许信号端。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不 变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部 输出的脉冲或用于定时 目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该 引脚被略微拉高。如果微 处理器在外部 执行状态 ALE 禁止，置位无效图 4 AT89S51 的引脚图1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 23-May-2009 Sheet of File: E:.DDB Drawn By:P0.7 32P0.6 33P0.5 34P0.4 35P0.3 36P0.2 37P0.1 38P0.0 39VCC 40P2.0 21P2.1 22P2.2 23P2.3 24P2.4 25P2.5 26P2.6 27P2.7 28ALE/PROG 30PSEN 29EA/VPP 31P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.5/MOSI6P1.6/MISO7P1.7/SCK8REST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GND20AT89S518/PSEN：外部程序存储器的 选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现/EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存 储（0000H-FFFFH ），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时， /EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间 内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP）XTAL1：反向振荡放大器的 输入及内部时钟工作电路的输入XTAL2：来自反向振 荡器的输出5.1.2 温度传感器 DS18B20传统的温度传感器如热电偶和铂电阻等分立元件，外围电路比较复杂，仅提供与温度相关的电压或电流。而较新型的单片集成温度传感器如 AD590,也只能产生与温度呈线性关系的电流信号。上述两种传感器都必须使用电阻、运算放大器和 A/D 转换器等构成温度测量电路。当外界 环 境条件发生变化时元件参数也会改变,致使测量误差增加,准确度降低。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，它可以把温度信号直接转换成串行数字信号供单片机处理，采用单线接口，仅需一根口线与 MCU 相连，无需外 围元件。其突出优点是: 将被测温度直接转换成数字信号输出。它在测温精度、 转换时间、 传输距离、分辨率等方面都比 DS1820 有所改进。在解决各种 误差、可靠性和实现系统优化等方面，有无可比拟的优越性。DS18B20 的主要特点：（）采用单总线方式， 仅需一根信号线与 CPU 连接即可传送串行数据，且不需要外部元件（）每个芯片都有惟一编码，多个 DS18B20 芯片可以并联在一根总线上，故可实现多点测温（）测温范围为-55 125，分辨率 为 12 位（）测温结果的数字量位数为 912 位，并可编程选择（）可用数据线供电，也可用外部电源DS18B20 的结构：DS18B20 采用脚 PR-35 封装（或脚 SOIC 封装），其中脚PR-35 封装的 DS18B20，其外形象一个三极管，管脚排列如图 5所示。图 中， GND 为地；DQ 为数据输入输出端(即单线总线)，图 5 DS18B20 外形9为漏极开路输出，常态下呈高电平；VDD 为外部电 路端，电源电压为V，不用时应接地。DS18B20 的内部结构如图 6 所示，主要包括寄生 电源、温度传感器、64 位激光 ROM、高速暂存器、用于存 储用户设定的温度上下限值的TH 和 TL 触发器、存储与控制逻辑、8 位循环冗余校验码发生器等七部分。其中 ROM 由 64 位二进制数字组成，它由生 产厂家光刻而成，共分为 8 个字节，字节 0 的内容是该产品的厂家代号 28H，字 节 16 的内容是 48 位器件序列号，字节 7 是 ROM 前 56 位校验码。每个 DS18B20 的 64 位序列号均不相同，它可以看作是该 DS18B20 的地址序列码。 ROM 的作用是使每一个 DS18B20 都各不相同，这样，就可以在一根总线上挂接多个 DS18B20。图 6 DS18B20 内部结构（）寄生电源寄生电源由二极管 VD1、VD2 和寄生电容 C 组成。电源检测电路用于判定供电方式。寄生电源供电时 ，VDD 端接地，器件从单线总线上获取电源。在 DS线呈低电平时，改由 C 上的 电压继续向器件供电。 该寄生电源有两个优点：第一，检测远程温度时无需本地电源；第二，缺少正常电源时也能读 ROM。若采用外部电源 VDD，则 通过 VD2 向器件供 电。（）温度测量原理DS18B20 测量温度时使用特有的温度测量技术。其测量电路框图如图 7 所示。DS18B20 内部的低温度系数振荡器能产生稳定的 频率信号 f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号 f。当计数门打开时，DS18B20 对 f0 计数， 计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以被偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为 9 位（符号点 1 位），但因符号位 扩展成高 8 位，故以 16 位被码形式读出，表 1 给出了温度和数字量的关系。（）64 位激光 ROM6 4位R O M和单线接口高速缓存存储器电源检测存储器和控制器8 位 C R C 生成器温度灵敏元件低温触发器 T L高温触发器 T L配置寄存器V D DV D 2CV D 1D Q104 8 位序列号8 位 C R C 8 位工厂代码 ( 1 0 H )L S BM S BM S B M S BL S BL S B64 位 ROM 的结构图如图 8，开始 8 位是产品类型的 编号（DS1820 为 10H），接着是每个器件的唯一的序号，共有 48 位，最后 8 位是前 56 位的 CRC 校验码，这也是多个 DS1820 可以采用一线进行通信的原因。主机操作 ROM 的命令有五种，如表 2 所示。表 1 温度和输出数字的对应关系温度/ 数字输出（二进制数） 数字输出（十六进制）+125 0000 0111 1001 0000B 07D0H+25 0000 0001 1001 0001B 0191H+0.5 0000 0000 0000 1000B 0008H0 0000 0000 0000 0000B 0000H-0.5 1111 1111 1111 1000B FFF8H-25 1111 1110 0111 0000B FE70H-55 1111 1100 1001 0000B FC90H图 8 64 位 ROM 的结构图表 2 存储器操作命令（）高速暂存器指 令 说 明读 ROM（33H） 读 DS1820 的序列号匹配 ROM（55H） 继读完 64 位序列号的一个命令，用于多个 DS1820 时定位跳过 ROM（CCH） 此命令执行后的存储器操作将 针对在线的所有 DS1820搜 ROM（F0H） 识别总线上各器件的编码，为操作各器件作好准备报警搜索（ECH） 仅温度越限的器件对此命令作出响应斜率累加器计数比较器减到 0减法计数器 1增加低温度系数振荡器预置停止温度寄存器预置高温度系数振荡器减法计数器 2 减到 0图 7 DS18B20 测温原理11它由便笺式 RAM 和非易失性电擦写 EERAM 组成，后者用于存储 TH、TL值。数据 选写入 RAM，经校验后再传给 EERAM。便 笺式 EAM 点 9 个字节，包括温度信息（第 1、2 字节）、TH 和 TL 值（3、 4 字节 ）、计数寄存器（7、8 字节）、CRC（第 9 字节）等，第 5、6 字节不用。 暂存器的命令共 6 条，见表 3 所列。表 3 DS18B20 的存储控制命令指 令 说 明温度转换（44H） 启动在线 DS1820 做温度 A/D 转换读数据（BEH） 从高速暂存器读 9bits 温度值和 CRC 值写数据（4EH） 将数据写入高速暂存器的第 2 和第 3 字节中复制（48H） 将高速暂存器中第 2 和第 3 字节复制到 EERAM读 EERAM（B8H） 将 EERAM 内容写入高速暂存器中第 2 和第 3 字读电源供电方式（B4H） 了解 DS1820 的供电方式在正常测温情况下，DS1820 的测温分辨力为 0.5，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：首先用 DS1820 提供的读暂存器指令（BEH）读出以0.5为 分辨率的温度 测量 结果，然后切去 测量结果中的最低有效位（ LSB），得到所测实际温度的整数部分 Tz，然后现用 BEH 指令取计数器 1 的计数剩余值 Cs和每度计数值 CD。考虑到 DS1820 测量温度的整数部分以 0.25、0.75为进位界限的关系，实际温度 Ts 可用下式计算：Ts=（Tz-0.25）+(CD-Cs)/CD （1）（）CRC 的产生在 64 位 ROM 的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。主机根据ROM 的前 56 位来计算 CRC 值，并和存入 DS1820 中的 CRC 值作比较，以判断主机收到的 ROM 数据是否正确。 CRC 的函数表达式 为：CRC=X8+X5+X3+1。此外，DS1820 尚需依上式为暂 存器中的数据来产生一个 8 位 CRC 送给主机，以确保暂存器数据传送无误。DS18B20 的工作时序根据 DS18B20 的通信协议，用主机控制 DS18B20 以完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对 DS18B20 进行复位，复位成功后发送一条ROM 指令，最后 发送 RAM 指令，这样才能对 DS18B20 进行预定的操作。每一步操作必须严格按照时序规定进行。DS18B20 的工作 时序包括初始化时序、写 时序和读时序。（1）初始化时序DS18B20 的初始化时序图如图 9 所示。（）写时序12DS18B20 的写时序图如图 10 所示。（）读时序DS18B20 的写时序图如图 11 所示。图 9 DS18B20 的初始化时序图图 10 DS18B20 的写时序图图 11 DS18B20 的读时序图DS18B20 的工作流程无论是进行单点还是多点温度检测，在系统安装及工作前，应将主机逐个与DS18B20 挂接,读取其序列号，其工作过程为由主机与 DS18B20 联接的位 1/O 口发“0”电平480p 。复位 DS18B20，待 DS18B20 发回响应脉冲后，主机由位 1/O 线再发读 ROM命令代码 33H，然后依此发 一个负脉冲(15 p)，并接着读取 DS18B20 序号值的一位。同样 方法读取序号值的 56 位。对于带有多个 DS18B20 传感器，用以 实现多点温度测量的系统，分三步完成全过程工作：（）系统通过重复操作，搜索出在线各个 DS18B20 序列号（）启动所有在线 DS18B20 作温度/数字转换（）逐个读出在线 DS18B20 转换后的温度数据135.1.3 掉电存储器 AT24C02当程序因受到干扰而弹飞到一个临时构成的死循环中时,系统将安全瘫痪 。本系统采用 AT24C02 芯片构成 WATCHDOG 。掉 电存储单元的作用是在电源断开的时候，存储当前设定的温度值。 AT24C02 是ATMEL 公司生 产的 2KB 电可擦除存储芯片，是 8 位电可擦除 PROM，由 2568 位存 储器构成，并具有两线串行接口。遵循 I2C 总线协议与单 片机通讯， 电压最低可以到 2.5V，额定 电流为 1mA，静 态电流 10uA(5.5V)，芯片内的资料可以在断电的情况下保存 40 年以上，而且采用 8 脚的 DIP 封装，使用方便。系统在上电过程、瞬 间电压降压或存在瞬间干扰脉时,WATCHDOG 电路都能正确地 给出复位脉冲信号,使系统恢复正常的运行状态，保 证了锅炉的正常运 转。 AT24C02 的引脚 结构如图 12 所示，其管脚功能如表 4 所示。表 4 AT24C02 的管脚功能 5.1.4 固态继电器 SSR固态 继电 器英 文名 称为Solid State Relay，简称 SSR，它是一种性能优越的新型无触点电子开关器件。其输入端要求很小的控制电流，输出回路采用双向可控硅或大功率晶体管接通或断开负载电流。输入与输出之间采用光电耦合，通断无可动接触部件，因此工作可靠，具有开关速度快，无噪声、寿命长、体积小等特点。该电路采用的 SSR 的型号是 MOC3063,其内部电路原理 图如图 13。该电路由输入恒流控制电路、光电 耦合隔离电路和输出功率开关电路三部分走成。该类型的固态继电器的输出功率开关由两只双向可控硅并联担任，负载电流可高达90A。输 入控制 电压可在 3V32V 间的范围变化名 称 功能GND 接地端SDA 串行地址/数据 I/O 端SCL 串行时钟端WP 写保护输入端VCC +2.5V 到 5.5V 电源端NC 无内部链1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 23-May-2009 Sheet of File: E:.DDB Drawn By:NC 1NC 2NC 3GND 4SDA5SCL6WP7VCC8AT24C02图 12 AT24C02 的引脚结构1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 9-May-2009 Sheet of File: E:.DDB Drawn By:R18.2kR20.039kR30.1kR40.047kR50.047kVD3VD1VD2T1T22SC1000VT0.01uFPortPortPortPort图 13 MOC3063 的内部原理图145.2 硬件电路具体设计与实现5.2.1 水温采集部分水温采集部分主要由数字温度传感器 DS18B20、AT89S51 和上拉电阻组成，其工作电路如图 14 所示。 DS18B20 采用外部 5 V 电源供电，数据端 DQ 与单片机 AT89S51 的 P3.4 连接，DS18B20 与单片机 AT89S51 的通信见温度采集程序。5.2.2 水位采集部分水位控制部分如图 15，图中虚线表示允许水位变化的上下限。在正常情况下,应保持水位在虚线范围之内。 为此在锅炉内的不同的高度安装 3 根金属棒,以感知水位变化情况。其中 A 棒 处于下限水位,C 棒处于上限水位,B 棒在上、下水位之间。A 棒接 +5V 电源,B 棒、 C 棒各通过一个电阻与地相 连 5。锅炉由电机带动水泵供水,单片机控制之目的：供水时,水位上升，当达到上限时，由于水的导电作用，B、 C 棒连通+5V。因此 b、c 两端均为 1 状态，这时应停止电机和水泵工作，不给锅 炉供水；当水位降到下限时，B、 C 棒都不能不能与A 棒导电，因此 b、c 两端均 为 0 状态， 这时应启动电 机带到水泵工作， 给锅炉供水；当水位处于上下限之间时，B 棒与 A 棒导通，因 C 棒不能与 A 棒导通，b 端为 1 状态， c 端为 0 状态。 这时无论是电机已在带动水泵给锅炉加水，水位在不断上升，或者是电机没有工作，用水使水位在不断下降，都应继续维持原有的工作状态。工作原理功能表如表 5 示。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 11-May-2009 Sheet of File: E:.DDB Drawn By:GND1 2 3DS1820R115.1K+5VP3.4AT89S51图 14 水温采集电路b P2.0C P2.1图 15 水位控制原理图155.2.3 显示电路显示电路（1）：水温显示电路图如图 16。由于在实际中， AT89S51 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，作为外接部件的同步信号。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 就可构成一个扩展的并行输出口。在这种方式下，收/发的数据 为 8 位，低位在前，无起始位、奇偶校 验位及停止位，波特率是固定的。图 16 水温显示电路74HC164 是串行输入、并行输出移位寄存器，其引脚功能如下：Q0Q7：并行输出端，分别接 LED 显示各引脚C (P2.1) B (P2.0) 操作0 0 电机运转0 1 维持原状1 0 故障报警1 1 电机停转表 5 水位控制工作原理功能表c1d2g10e4dp5b6a7f98c1d2g10e4dp5b6a7f98c1d2g10e4dp5b6a7f98c1d2g10e4dp5b6a7f98A1B2QA3QB4QC5QD6GND7CLK8CLR9QE10QF11QG12QH13VCC14A1B2QA3QB4QC5QD6GND7CLK8CLR9QE10QF11QG12QH13VCC14A1B2QA3QB4QC5QD6GND7CLK8CLR9QE10QF11QG12QH13VCC14A1B2QA3QB4QC5QD6GND7CLK8CLR9QE10QF11QG12QH13VCC14P3.1 P3.0 VCCGND16A、B：串行输入端，接入 AT89S51 的 RXD 端CLR：清除端，本设计中接高电平CLK：时钟脉冲输入端，接入 AT89S51 的 TXD 端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。显示电路（2）：水位显示水位显示如图 17，单片机 P2.4,P2.5,P2.6,P2.7 的输出脚上分别接有故障、低水位、正常水位、高水位四个水位状态指示灯，当水位传感器检测到锅炉内部水位情况时， 对应单片机的某一 输出口输出低电平，与之相连的状态指示灯被点亮，便于人们观察当前水位状态。图 17 水位状态显示电路5.2.4 驱动电路电路如图 18 示。在输出控制电路中,单片机的 P2.2、P2.3 通过固态继电器SSR 分 别接水 泵和电加热 器。根据水位和水温 检测 的情况，按照系统的控制要求使 P2.2 或 P2.3 输出低电平，控制水泵或电加热器的通 电状态， 实现自动控制过程，完成锅炉的自动上水和自 动加温功能。图 18 水温控制驱动电路1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 13-May-2009 Sheet of File: E:.DDB Drawn By:R18.2kR20.039kR30.1kR40.047kR50.047kVD3VD1VD2T1T22SC1000VT0.01uFPortPortPortPortMOC3063 220V+5VP2.31 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 23-May-2009 Sheet of File: E:.DDB Drawn By:AT89S51300D2D3300D4300P2.7P2.6P2.5+5VP2.4 D1300NC 1NC 2NC 3GND 4SDA5SCL6WP7VCC8AT24C0217水位控制驱动电路与图 18 相似，也是通过 SSR 接水 泵，不同的是单片机的P2.2 口接 SSR 的输入端，工作原理同上。 5.2.5 报警电路报警电路如图 19 ，主要由蜂鸣器、三极管 9015 驱动电路。系统开始时复位电路首先将 P1.4 置 1，保证不产生误动作，当 DS18B20 采集的温度超过或者低于用户设定的温度或者水位达到上/下限制水位时，系 统将自动的将 P1.4 口清零，将信号送至驱动电路使得蜂鸣器开始发声工作。当用户做出正确调整操作之后继续监视变化是否超限。图 19 报警电路5.2.6 键盘接口电路按键电路（1）：单片机的复位及时钟信号产生电路本电路主要由 12M 晶振、 30PF 的瓷片电容、电阻、开关组成， 电路如图 2.16所示。 12M 晶振和 30PF 的瓷片电容构成稳定的自激振荡器，产生时钟信号。上电自动复位电路则由 22uF 电 容和 1K 电阻构成。加 电 瞬间电容通过充电实现正脉冲，用以复位。手动复位则由开关和电阻组成。按下开关之后就产生一个正脉冲，就可以实现复位。本电路采用的是二者的组合。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 10-May-2009 Sheet of File: E:.DDB Drawn By:AT89S51AT89S51GNDSpeak901510uF+5VP1.4 4701001 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 28-Nov-2007 Sheet of File: D:.DDB Drawn By:P0.7 32P0.6 33P0.5 34P0.4 35P0.3 36P0.2 37P0.1 38P0.0 39VCC 40P2.0 21P2.1 22P2.2 23P2.3 24P2.4 25P2.5 26P2.6 27P2.7 28ALE/PROG 30PSEN 29EA/VPP 31P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.5/MOSI6P1.6/MISO7P1.7/SCK8REST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P