基于单片机的锅炉温度控制毕业设计

1绪论.11.1设计要求.11.2设计原理.21.3设计意义.22锅炉温度控制总体设计.23系统硬件设计.33.1水温检测元件.33.2显示模块设计.53.3键盘模块设计.63.4报警电路.63.5功率驱动电路.73.5.1固态继电器简介.73.5.2功率驱动电路设计.83.6电源电路.83.7掉电存储器.93.8单片机选型及简介.104软件的设计.104.1系统软件总体概述.104.2主程序.114.3T0中断服务子程序.114.31中断系统简介.114.3.2TO中断服务程序的编写.124.4其他子程序介绍.124.4.1显示子程序.124.4.2DS18B20相关子程序.135结论.14致谢.14参考文献.15附录1：系统硬件原理图.15附录2：软件清单.1511绪论根据国内实际情况和环保上的考虑和要求，燃煤锅炉由于污染并且效率不高，已经逐渐被淘汰；燃油和燃气锅炉也存在着燃料供应部方便和安全性等问题。因此在人口密集的居民区、旅馆、医院和学校，电加热锅炉完全能替代燃煤、燃油、燃气锅炉。电加热锅炉采用全新加热方式，无污染，完全可以称为绿色环保锅炉。电加热锅炉具有许多优点，使其比其他形式的锅炉更具吸引力，其具体优点如下：无污染。由于采用电加热方式，电能直接转换为热能，不需要采用燃烧的方式将化学能转换为热能，因此就不会排放出有害气体及飞灰，不会产生灰渣，完全符合环保方面的要求，更适合安放在人口密集的生活区和办公区。能量转化效率高。电加热锅炉采用加热元件直接与水接触，加热时转换效率很高，能量转化率也很高，一般可达到95%，而最新最好的锅炉更是能达到98%以上。锅炉本体结构简单，安全性好。电加热锅炉本体结构非常简单，不需要布置管路，没有燃烧室，没有烟道，故而不会出现燃煤、燃气、燃油锅炉存在的爆炸和泄漏的危险。体积小，重量轻，占地面积小。由于本体结构简单，使得电热锅炉体积可以做的很小，简单的结构更加便于布置，占地面积也就减小。锅炉启动、停止速度快，运行负荷调节范围大，调节速度快，操作简单。由于加入元件工作由外部电气开关控制，所以锅炉启停速度快，通过控制各加热元件的开关，可以在很大范围内调节运行负荷，调节操作迅速、简单。与燃煤、燃油、燃气锅炉相比，操作运行更加方便、简单。可采用计算机监控，完全实现自动化。电热锅炉的温度和水位的控制都能通过计算机完成，使电热锅炉的运行完全实现自动化，最大程度的将计算机技术应用于传统的锅炉行业。1.1设计要求本设计要求设计一个以单片机为核心的温度闭环控制系统，具体的技术指标如下：1能够对水温进行预设和设置水温与实际温度的转换，水温超出设定温度2时，能够及时报警。2LED实时显示系统温度，用键盘输入设定的温度。本文需要完成以下任务：详细分析课题任务，设计电源电路，键盘电路，单片机系统，显示电路，执行器电路，报警电路等系统。然后根据课题任务的要求设计出实现控制任务的硬件原理图和软件。1.2设计原理本系统通过对锅炉水温实时检测与采集，将锅炉的温度参数输入单片机，由51单片机在内部与预设参数通过软件设计生成各个控制信号，从而对锅炉内部的电加热器进行控制，再配以外部的温度显示，进而对锅炉进行优化控制。当超过预设值时通过报警系统实时控制。1.3设计意义使用单片机实现锅炉温度控制，具有较高的实用价值和优越性等特点。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。单片机不仅有体积小，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，同时有助于发现肯能存在的故障，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，维持稳定系统，保证安全经济运行。2锅炉温度控制总体设计系统的框图如图2.1所示：3AT89C51温度传感器DS18B20继电器加热电阻显示电路键盘电路报警电路掉电存储器AT24C02图2.1系统框图从图上能看出，温度控制单元采用DS18B20作为温度采集元件，该元件的输出为数字信号，所以能直接送入单片机，而不需要A/D转换模块。温度信号送入单片机，经过处理后，对固态继电器进行控制，通过I/O口控制固态继电器的通断，从而实现对加热电阻的控制。键盘电路则用来输入设定值，显示电路对系统采集到的温度实时显示。很显然，该方案较其它相比无论在经济上和实现容易程度上都要好。在进行数据采集时，使用了合适的传感器，这样就不需要使用A/D转换电路。在实现温度控制时不像其它采用D/A转换后再控制调节阀的方法，而是直接外接一个固态继电器，通过内部改变定时器的中断时间来调节一个周期内电子开关的导通和断开时间。3系统硬件设计3.1水温检测元件DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型温度传感器，与传统的热敏电阻等温度元件相比，它能直接读出被测温度，而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。DS18B20的性能特点如下：4独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；无须外部器件；可通过数据线供电，电压范围3.0-5.5V；零待机功耗；温度以9或12位数字读出；用户可以定义报警设置；报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，只是不能正常工作而已。内部结构框图如图3.1所示。VDDVDDDQ64位ROM和一线端口供电方式选择存储和控制逻辑高速缓冲器8位CRC生成器温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器图3.1DS18B20的内部结构框图正因为DS18B20有如上的优点，在本系统中采用温度芯片DS18B20测量温度。该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。在0100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。DS18B20的测温原理描述如下：器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输出。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。5减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计算，当减法计数器1的预置数减到0时，温度寄存器的值加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的是数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计时器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致为被测温度值。图3.2DS18B20的接线图如图3.2所示，DS18B20温度传感器的1脚接地，2脚作为信号线，与AT89C51的P1.0管脚相接，3脚接电源，3脚与2脚间连接一个1K的电阻，用以抬高2脚的电位。3.2显示模块设计LED显示器是单片机应用系统中常用的输出器件。它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。动态显示就是一位一位地轮流点亮显示器各个位（扫描），对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。若显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需一个I/O口（称为扫描口），控制显示器的各位所显示的字型也需一个8位口（称为段数据口）。显示电路如图3.3所示：6图3.3显示电路3.3键盘模块设计键盘是计算机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带，借助键盘可以向计算机系统输入程序、置数、送操作命令、控制程序的执行走向等，所以应用极为广泛。在单片机应用系统设计中，为了节省硬件。通常采用非编码键盘，在这种键盘结构中，单片机对它的控制不外乎有以下三种方式：（1）程序控制扫描方式；（2）定时扫描方式；（3）中断扫描方式。本设计单片机对键盘的扫描采用定时扫描方式，每隔一定的时间对键盘扫描一次。在这种扫描方式中，通常利用单片机内的定时器，产生10ms的定时中断，CPU响应定时器溢出中断请求，对键盘进行扫描，以响应键盘输入请求。7图3.4键盘电路3.4报警电路为使系统的人机交互界面更好，设置了一个蜂鸣报警器。当温度达超过或者低于用户设定的温度系统将单片机P3.6口清零，将信号送至驱动电路使得蜂鸣器开始发声工作，使用户做出正确的调整。具体的电路如图3.5所示。图3.5报警电路3.5功率驱动电路3.5.1固态继电器简介固态继电器（SolidStateRelay,缩写SSR）,是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。SSR具有如下优点：高寿命，高可靠:SSR没有机械零部件，有固体器件完成触点功能，由于没8有运动的零部件，因此能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好:固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。快速转换:固态继电器因为采用固体器件，所以切换速度可从几毫秒至几微妙。电磁干扰小:固态继电器没有输入“线圈”，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。固态继电器有三部分组成:输入电路，隔离(耦合)和输出电路。按输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能。固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。3.5.2功率驱动电路设计图3.6功率驱动电路本系统功率驱动部分采用单片机控制的固态继电器控温电路，其波形为完整的正弦波，对热惯性较大的被控对象，是一种稳定、可靠、较合理的控制方法，因而本系统采用过零触发方法。固态继电器控温电路如图3.6所示。固态继电器选用欧姆龙公司的G3NB-9240B型。它带有过零触发功能，所以能实现过零触发交流调功。其输出电流在带有散热器的情况下，最大能达到40A；输入电流为7mA。系统采用SSR，通过过零触发方式，在一个控制周期Tc内，由AT89C51控制SSR的通断率。输出高电平时，SSR才能够过零触发导通。控制输出高电平的时间Tx也就控制了Tc内导通周波数n，从而控制输入炉子平均功率的大小，实现控制温度的目的。3.6电源电路控制系统主控制部分电源需要用5V、24V直流电源供电所以本系统采用如图3.7所示的电源电路，把频率为50Hz、有效值为220V的单相交流电压转换为幅值稳定的5V和24V直流电压。其主要原理是把单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转换成稳定的直流电压。由于输入电压为电网电压，一般情况下所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而电源变压器的作用显现出来起到降压作用。降压后还是交流电压，所以需要整流电路把交流电压转换成直流电压。由于经整流电路整流后的电压含有较大的交流分量，会影响到负载电路的正常工作。需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得稳定性足够高的直流电压。图3.7电源电路103.7掉电存储器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3.8所示123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:23-May-2009SheetofFile:E:文文文文.DDBDrawnBy:NC1NC2NC3GND4SDA5SCL6WP7VCC8AT24C02图3.8AT24C02的引脚结构如图3.8单片机选型及简介由于系统控制方案简单,数据量也不大,考虑到电路的简单和成本等因素,因此在本设计中选用ATMEL公司的AT89C51单片机作为主控芯片。主控模块采用单片机最小系统是由于AT89C51芯片内含有4kB的E2PROM,无需外扩存储器,电路简单可靠,其时钟频率为024MHz,并且价格低廉。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbyte的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中。RST：复位输入。当振荡工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRTO位11（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。复位电路和晶振电路如图3.9所示。图3.9复位电路和晶振电路4软件的设计4.1系统软件总体概述根据控制系统硬件设计的软件程序，实际上就是对系统的管理程序和控制程序进行设计。由于整个系统软件比较大，为了便于编写、调试、修改和增删，系统软件的编制采用模块化的结构，即整个控制软件由许多独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连接，主控制程序主要包括条件判断和子程序调用等关键部分。因此本系统的软件大体可分为两个部分：主程序，T0中断服务程序。主程序主要对内存单元进行分配，将一些量值赋初值，对中断系统进行初始化操作；键盘中断服务程序对键盘中断进行响应，然后扫描键盘，转入对应的键值程序。T0中断子程序用来进行采样、数据转换、PID运算和控制输出。124.2主程序图4.1主程序流程图程序主要对内存单元进行分配，将一些量值赋初值，对中断系统进行初始化操作。对内存单元进行分配和初始化，后面程序中将使用的中断系统和定时系统的初始化也在主程序中完成。程序清单如下：.#include#include18b20.h#includedelay.h#defineDisplayPort_DataP0#defineDisplayPort_CSP213unsignedcharcodeDuanMa10=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;/数码管扫描段码unsignedcharcodeWeiMa4=0x10,0x20,0x40,0x80;unsignedcharTempData4;/存储显示值的全局变量voidDisplay(void);/数码管显示函数voidmain(void)unsignedintTempH,TempL,temp,j=500;初始化TempData0=0xFF;TempData1=0xFF;TempData2=0xFF;TempData3=0xFF;while(1)/主循环4.3T0中断服务子程序4.31中断系统简介AT89C51单片机的中断系统的基本特点是：有5个固定的可屏蔽中断源，3个在片内，2个在片外，它们在程序存储器中各有固定的中断入口地址，由此进入中断服务程序；5个中断源有两级中断优先级，可形成中断嵌套；2个特殊功能寄存器用于中断控制和条件设置的编程。在AT89C51单片机系统中，高级中断能够打断低级中断以形成中断嵌套；同级中断之间，或低级对高级中断则不能形成中断嵌套。144.3.2TO中断服务程序的编写图4.2T0中断子程序流程图定时器0的中断子程序主要用来完成数据采集及显示、数据处理和输出控制。T0中断服务子程序流程图如图4.2所示。具体程序见附录2。4.4其他子程序介绍4.4.1显示子程序由于采用单片机的串口外接串入并出移位寄存器驱动显示，越早写入串口的数据移到离单片机越远的显示器。程序清单如下：voidDisplay(void)unsignedchari=0;for(i=0;i#include18b20.h#includedelay.h#defineDisplayPort_DataP0#defineDisplayPort_CSP2unsignedcharcodeDuanMa10=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;/数码管扫描段码unsignedcharcodeWeiMa4=0x10,0x20,0x40,0x80;unsignedcharTempData4;/存储显示值的全局变量voidDisplay(void);/数码管显示函数voidmain(void)unsignedintTempH,TempL,temp,j=500;TempData0=0xFF;TempData1=0xFF;TempData2=0xFF;TempData3=0xFF;while(1)/主循环if(j=0)20j=500;temp=ReadTemperature();/读取温度if(temp&0x8000)TempData0/负号标志用第一位数码管小数点表示temp=temp;/取反加1temp+=1;elseTempData0TempH=temp4;TempL=tempTempL=TempL*6/10;/小数近似处理if(TempH/100=0)TempData0=0;elseTempData0=DuanMaTempH/100;/十位温度if(TempH/100=0)&(TempH%100)/10=0)/消隐TempData1=0;elseTempData1=DuanMa(TempH%100)/10;/十位温度TempData2=DuanMa(TempH%100)%10/个位温度,带小数点TempData3=DuanMaTempL;/TempData6=0x39;/显示C符号j-;Display();21/while/*-数码管扫描-*/voidDisplay(void)unsignedchari=0;for(i=0;i#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint;/*-23端口定义-*/sbitDQ=P10;/ds18b20端口/*-函数声明-*/unsignedintReadTemperature(void);bitInit_DS18B20(void);unsignedcharReadOneChar(void);voidWriteOneChar(uns