锅炉水温自动监测系统的设计毕业设计论文

华中科技大学文华学院毕业设计（论文）PAGE华中科技大学文华学院毕业设计[论文]题目：锅炉水温自动监测系统的设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

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目录TOC\o"1-3"摘要 IIAbstract III前言 IV1控制系统介绍 11.1工业控制的发展概况 11.2智能控制系统简介 21.2.1智能控制方法 21.2.2智能控制的特点 31.3本文的主要研究内容 42系统总体设计方案 52.1系统框图 52.2系统具体实现方案 52.3单片机控制系统的流程图 53系统硬件设计 73.1单片机的配置 73.2温度传感器 73.3显示部分 103.4变频器 113.5A/D转换器 124系统的编程与实现 134.1系统的总体原理图 134.2温度控制系统 144.3电源电路 144.4键盘电路 154.5驱动及显示电路 164.5.1驱动电路 164.5.2显示电路 164.6自动报警电路 16结束语 18参考文献 19致谢 20附录 21

锅炉水温自动监测系统的设计摘要本系统是基于单片机的水暖锅炉控制，在设计中主要有水位检测、温度检测、压力检测、按键控制、水温控制、水位控制、循环控制、压力控制、显示部分、故障报警等几部分组成来实现供暖控制。主要用水位传感器检测水位，用数字温度传感器来检测水温，用五个控制按键来实现按健控制，用三位LED显示器来完成显示部分，用变频器来控制循环泵的转速，用压力传感器检测锅炉内部压力。并且通过模数转换把这些信号送入单片机中。把这些信号与单片机中内部设定的值相比，以判断单片机是否需要进行相应的操作，即是否需要打开鼓风机，是否需要开启补水泵，是否需要加快循环泵的转速等操作，从而实现单片机自动控制的目的。本设计用单片机控制易于实现锅炉供暖、而且有造价低、程序易于调试、一部分出现故障不会影响其他部分的工作、维修方便、等优点。本设计采用一块单片机作为锅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感知器皿中水的温度，通过单片机与数字温度传感器通讯获得实时温度，并通过程序实现闭环控制。采用键盘扫描方式对目标温度进行人工设定，并可以显示水的实时温度、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。其精确度高，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；传感器；温度；自动检测DesignofAuto-measuresystemforwatertemperatureoftheboilerAbstractThesystemicdesignbasescontrollerofCMSwaterheatingofaboiler,itmostlymakesupofmeasuringwaterlevel,measuringawatertemperature,controllingakeys-press,controllingawatertemperature,controllingwaterlevel,controllingcirculate,controllingpressure,showingapart,givinganalarmordertorealizeheatingcontroller,thedesignadoptsSingle-ChipMicrocomputertocontrolboilerheating.ItmostlyusesatemperaturesensorDS18B20tomeasurewatertemperature,useswaterlevelsensortomeasurewaterlevel,usesatransducertocontrolcyclepump’srotatespeed,usesfivekeys-presstocontrolkey-press,usesthreelight-emittingdiodesdisplaytofinishadisplayparts,usesatransducertocontrolrotatespeedofcyclepump,usesapresstransducertomeasurepressintheboiler.ItsendsthosesignalstoSCMthroughmodulus,andholdthosesignalstocomparewithenactmentintheSCMtojudgewhetherSCMneedtocarrythroughrelevantoperationnamely,whetheritneedstoopenafan,whetheritneedstoturnonawaterpump,whetheritneedstoquickenrotatespeedofacyclepumpandsoon.Consequently,itfinishesanaimofSCMauto-controller.ThedesignmakesuseoftheSCMtocontrolboilerwhichiseasytorealizeboilerheating,itischeaptomanufacture,itiseasytodebugitsprocedure.Whenapartisintrouble,itdoesnotinfectothersanditisconveniencetomend,itiswidelytousemanyofareas.KeyWords:Single-Chip;Microcomputer;Sensor;Temperature;Auto-measure.前言温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。随着电子技术和计算机的迅速发展，测控技术也日益发展和完善。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法、对数据采集的精度和采用的控制算法不同。对于不同的控制对象，有着不同的控制方式和模式。温度系统惯性大、滞后现象严重，难以建立精确的数学模型，给控制过程带来很大难题。本文以锅炉水温为研究对象，研究一套性能好，能耗低、结构合理，调节精度高而且价格便宜的自动控温装置，对锅炉内的水温进行自动控制，以保持一定的温度。传统的控制方式不能进行远距离的集中控制，自动化程度低，调节精度差等缺点，且单靠人工操作已不能适应，控制系统改造的必要性随着科学技术的不断进步,被控对象越来越复杂,人们对控制精度的要求不断提高。由于被控对象和过程的非线性、时变性,多参数间的强耦合、随机干扰等因素,使得建立被控对象的精确数学模型变得很困难。在这些复杂的系统面前,传统的控制方法无法满足控制精度,而且系统稳定性差等缺点。使用单片机实现供暖锅炉温度控制，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；采用光电测控水位，可有效保证水位的自动控制，保证水质无污染，能更好地对锅炉进行自动化控制；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，同时有助于发现可能存在的故障，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。1控制系统介绍在工业生产过程中，控制对象各种各样，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。温度控制在生产过程中占有相当大的比例，其关键在于测温和控温两方面。温度测量是温度控制的基础，技术己经比较成熟。由于控制对象越来越复杂，在温度控制方面，还存在着许多问题。如何更好地提高控制性能，满足不同系统的控制要求，是目前科学研究领域的一个重要课题。温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节，使其达到工艺过程的要求。本文主要研究电锅炉温度控制的方法。电锅炉是将电能转换为热能的能量转换装置。具有结构简单、无污染、自动化程度高等特点。与传统的以煤和石化产品为燃料的锅炉相比还具有基本投资少、占地面积小、操作方便、热效率高、能量转化率高等优点。近年来，电锅炉已成为供热采暖的主要设备。锅炉控制作为过程控制的一个典型，动态特性具有大惯性大延迟的特点，而且伴有非线性。目前国内电热锅炉控制大都采用的是开关式控制，甚至是人工控制方法。采用这些控制方法的系统稳定性不好，超调量大，同时对外界环境变化响应慢，实时性差。另外，频繁的开关切换对电网产生很大的冲击，降低了系统的经济效益，减少了锅炉的使用年限。因此，研究一种最佳的电锅炉控制方法，对提高系统的经济性，稳定性具有重要的意义。1.1工业控制的发展概况工业控制的形成和发展在理论上经历了三个阶段：60年代末起到70年代为第一阶段，即经典控制理论阶段，这期间既是经典控制理论应用发展的鼎盛时期，又是现代控制理论应用和发展时期；70年代至90年代为第二阶段，即现代控制理论阶段；90年代至今为第三阶段，即智能控制理论阶段。第一阶段：初级阶段。它以经典控制理论为主要控制方案，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和水位进行控制，在诸多控制系统中，以单回路结构、PID策略为主，同时针对不同的对象与要求，设计了一些专门的控制算法如达林顿算法、Smith预估器、根轨迹法等。这阶段的主要任务是稳定系统、实现定值控制。第二阶段：发展阶段。以现代控制理论为基础，以微型计算机和高档仪器为工具，对复杂现象进行控制。这阶段的建模理论、在线辨识和实时控制已突破前期的形式，继而涌现了大量的先进控制系统和高级控制策略，如克服对象时变和环境干扰等不确定影响的自适应控制，消除因模型失配而产生不良影响的预测控制等。这阶段的主要任务是克服干扰和模型变化，以满足复杂的工艺要求，提高控制质量。第三阶段：高级阶段。不论从历史和现状，还是从发展的必要性和可能性来看，控制方法主要朝着综合化、智能化方向发展。尤其近些年来人工智能理论的迅速崛起为控制的智能化提供了一个腾飞的工具。智能控制理论中，专家系统、神经网络、模糊控制系统是最有潜力的三种方法。专家系统在工业生产过程、故障诊断和监督控制以及检测仪表有效性检测等方面获得成功应用；神经网络则可为复杂非线性过程的建模提供有效的方法，进而可用于过程软测量和控制系统的设计上；模糊系统不仅有行之有效的模糊控制理论为基础，而且能够表达确定性和不确定性两类经验，并提炼成为知识进而改善己有控制。应用经典控制理论的前提是：必须有一个高阶微分方程式来描述系统的运动状态的数学模型，是建立在频率法的基础上的。而现代控制理论主要用来解决多输入多输出和时变系统的问题，它的数学模型是用一个一阶微分方程组（即状态方程）或差分方程组来描述，是一种时域表示方法。这两种方法在精确数学模型的自动控制系统中发挥了巨大的作用，并取得了令人满意的控制效果。无论是经典控制理论还是现代控制理论，都是建立在系统的精确数学模型基础之上的。但在实际系统中被控对象一般都具有大惯性、大滞后、时变性、关联性、不确定性和非线性的特点，这里的关联性不仅包含过程对象中各物理参数之间的交错，而且包含被控量、操作量和干扰量之间的联系；不确定性不单指结构上的不确定性，而且还指参数的不确定性；非线性既有非本质的非线性，又有本质非线性。由于被控对象的这种复杂性，决定了控制的艰难性。传统控制方法绝大多数是基于被控对象的数学模型，即按照建模控制优化进行，建模的精确程度决定着控制质量的高低，尽管目前的建模理论和方法已有长足的长进，但仍有许多过程和对象的机理不清楚，动态特性难以掌握，使我们不得不对被控对象进行简化或近似，将一个理论上极为先进的控制策略应用在这样的模型上，控制效果自然会大打折扣，因此，用传统的控制手段进一步提高控制对象的质量遇到了极大的困难，传统控制方法面临着严峻的挑战。1.2智能控制系统简介1.2.1智能控制方法工业控制中存在着工业过程复杂、数学模型难以确定的系统，智能控制理论的产生正是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出的。1987年智能控制正式成为一门独立的学科，它是人工智能、运筹学和自动控制理论等多学科相结合的交叉学科。它与传统控制的主要区别在于可以解决非线性模型化系统的控制问题。目前，根据智能控制发展的不同历史阶段和不同的理论基础可以将它分为四大类：基于专家系统的智能控制、分层递阶智能控制、模糊逻辑控制、神经网络控制。专家控制是基于知识的智能控制，由关于控制领域的知识库和体现该知识决策的推理机构构成主体框架，通过对控制领域知识（先验经验、动态信息、目标等）的获取与组织，按照某种策略及时地选用恰当的规则进行推理输出，进而对控制对象实施控制，或修改补充知识条目。其主要优点是层次结构、控制方法和知识表达上的灵活性较强，既可以符号推理，又允许模糊描述演绎。但灵活性同时带来了设计上的随意性和不规范性，而且控制知识的获取、表达和学习，以及推理的有效性也是难点。分层递阶智能控制模拟人脑的分层结构，由执行级、协调级和组织级构成。它不需要精确的模型，但需要具备学习功能，并能接受上一级的模糊指令和符号语言。其特点是自下而上智能递增而精度递减，即执行级用于高精度局部控制，协调级用于知识和实际输出调整执行级中的控制参数，而组织级进行推理决策和自主学习。该控制方法主要用于那些存在不确定性的系统，如机器人控制等，但应用范围有限。智能控制的发展主要得益于模糊逻辑控制和神经网络控制理论的不断成熟。90年代以后，智能控制的集成技术研究取得很大重大进展，如模糊神经网络、模糊专家系统、传统PID控制与智能控制的结合等。这些都为智能控制技术的应用提供了广阔的前景。模糊控制是智能控制的一种典型和较早的形式，作为智能控制的一个重要分支，自从1974年英国Mamdani第一次将模糊逻辑和模糊推理用于锅炉和蒸汽机的控制，特别是近几年得到了飞速的发展。模糊控制是模糊数学和控制理论相结合的产物，它采用了人的思维具有模糊性的特点，通过使用模糊数学中的隶属度函数、模糊关系、模糊推理等工具，得到的控制表格进行控制。模糊控制在实践应用中，具有许多传统控制无法比拟的优点：（1）使用语言规则，不需要掌握过程的精确数学模型。因为对于复杂的生产过程很难得到过程的精确数学模型，而语言方法却是一种很方便的近似。（2）对于具有一定操作经验，但非控制专业的工作者，模糊控制方法易于掌握。（3）操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系，这些模糊条件语言很容易加入到过程的控制环节。1.2.2智能控制的特点智能控制是一类无需人的干预就能够针对控制对象的状态自动地调节控制规律以实现控制目标的控制策略。它避开了建立精确的数学模型和用常规控制理论进行定量计算与分析的困难性。它实质上是一种无模型控制方案，即在不需要知道被控对象精确数学模型的情况下，通过自身的调节作用，使实际响应曲线逼近理想响应曲线。一般来讲，智能控制具有以下一些特点：（1）学习能力智能控制可以对一个过程或其环境的未知特性所固有的信息进行学习，并将得到的经验用于进一步估计、分类、决策或控制，这有利于对未知对象进行认知和辨识并进一步改善控制系统的控制性能。（2）组织综合能力对复杂的任务和分散的传感器信息，具有处理、组织、协调和综合决策能力，并在进行过程中表现出类似于人的主动性和灵活性。（3）适应能力由于智能控制不依赖于对象模型，智能行为表现为从系统输入到输出的映射关系，即使输入时系统从未有过的例子，系统通过插补、归类等方法，也能给出适当的输出。如果系统中某部分出现故障，仍能正常工作，并给出警告信号，甚至自行修复。（4）优化能力智能控制具有在线特征辨识、特征记忆和拟人等特点，故在整个控制过程中，计算机能够在线获得信息、实时处理并给出控制决策，通过不断优化参数和寻找控制器最佳结构形式，来获得整体的最优控制性能。因此就目前而言，智能控制是解决传统过程控制局限性问题和提高控制质量的一个重要途径。在各种仪表高速发展的今天，控制装置己经不是主要问题，影响被控对象性能指标的主要因素取决于控制器本身，控制器本身的智能化设计将直接影响产品的质量和生产率。1.3本文的主要研究内容本文的具体研究内容如下：（1）结合电锅炉水温上升过程的特点，对被控对象进行理论分析，建立被控系统的数学模型，提出适合于锅炉水温过程控制的纯PID控制、加入Smith预估器的PID控制、模糊控制、参数自整定模糊PID控制方法。并对控制算法的实现、控制器的设计和参数调整进行深入研究。（2）运用MATLAB软件的simulink开发环境和模糊逻辑工具箱对上述几种方法进行建模仿真，并对控制性能指标进行分析，确定出符合控制系统输出响应速度快、超调量小和稳定误差小的控制算法。（3）结合电锅炉供暖系统对控制器的要求，设计一个智能温度控制器，包括：总体方案设计、硬件电路设计和部分软件设计。实现温度的采集与控制、超限报警等功能。2系统总体设计方案2.1系统框图本系统主要有水位检测、温度检测、按键控制、水温控制、水位控制、循环控制、显示部分、故障报警等几部分组成来实现供暖控制，系统框图如图2-1所示。单单片机控制中心按键调节部分温度检测部分水位检测部分故障报警部分温度控制部分补水控制部分循环控制部分显示部分图2-1系统框图2.2系统具体实现方案本系统采用单片机模块化来完成程序设计使程序易于编写、调试和修改；便于分工，从而可同时调试多个程序；程序可读性好；程序可进行局部修改，其他部分保持不变。这里采用51系列单片机AT89C51控制锅炉供暖，系统采用手动和自动两种。主要是单片机自动控制，设置有手动/自动切换。包括温度控制、补水泵控制、循环泵控制、故障报警。在温度控制部分，用数字温度传感器的值送入单片机与单片机内部设定值进行比较。在当温度低于给定温度1时，蒸汽阀打开给水加热；当温度低于给定温度2时，系统报警。在补水部分，用水位传感器来检测水位，当锅炉汽包水位低于规定的最低水位时系统发出报警，指示灯亮，继电器线圈得电，电磁阀打开，水泵开始注水；炉内的水位到达或超过规定的最高水位时系统发出报警，指示灯亮，线圈失电，电磁阀闭合，停止注水。故障报警部分，当发生故障时指示灯亮，报警零响。在循环控制部分当水温值在设定值内，则开启循环泵。当循环泵1出现故障时，报警系统报警，单片机接收到信号，备用的循环泵2开始代替循环泵1工作。在故障报警部分，当温度控制部分、补水泵部分、循环泵部分出现故障时，报警系统报警。而且报警系统设置的是声光报警，使维修人员容易区分哪部分出现了问题，以便及时维修。2.3单片机控制系统的流程图单片机控制系统模拟量处理子程序，温度控制部分子程序，循环系统控制子程序，补水泵选择子程序，故障诊断与报警处理。它的流程图如图2-2所示。状态及状态及PID初始化模拟量处理子程序温度控制部分子程序循环系统控制子程序补水泵选择子程序故障诊断与报警处理开始图图2-2控制流程图3系统硬件设计本系统从经济性，电路结构，系统性能等多方面考虑。选用如下元器件，数字温度传感器DS18B20，单片机AT89C51，数码管显示，变频器，光敏三极管3DU。3.1单片机的配置本系统选用ATMEL89C51系列单片机，由于它的模块化设计为适应具体的应用提供了极大的灵活性，便于扩展功能，有效的提高了系统的经济性。AT89C51是一种低工耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器的八位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储编程器对程序存储器重复编程。AT89C51具有以下特点：*与MCS-51微控制器产品系列兼容。*片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器。*32条可编程I/O线。*程序存储器具有三级加密保护。*可编程全双工串行通道。*空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。*而且与87C51系列的引脚也完全兼容。3.2温度传感器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，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测度数，并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。读出温度流程图如图3-1所示。发发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发读取温度命令读取操作，CRC校验9字节完？CRC校验正确？移入温度暂存器结束NNYY图3-1读温度子程序DS18B20的性能特点：*独特的单线接口仅需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，电压范围为3.0-5.5V；*零待机功耗；*温度以9或12位数字量读出；*用户还可定义的非易失性温度报警设置；*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。图图3-2DS18B20引角图DSl8B20的引脚如图3-2所示。此外DSl8B20数字温度计提供9位（二进制）温度读数，指示器件的温度。信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出，因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线（和地线）。DSl8B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。因为每一个DSl8B20在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DSl8B20可以存放在同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。DSl8B20的测量范围从-55摄氏度到+125摄氏度，增量值为0.5摄氏度，可在ls（典型值）内把温度变换成数字。每一个DSl8B20包括一个唯一的64位长的序号，该序号值存放在DSl8B20内部的ROM（只读存贮器）中。开始8位是产品类型编（DSl8B20编码均为10H）。接着的48位是每个器件唯一的序号。最后8位是前面56位的CRC（循环冗余校验）码。DSl8B20中还有用于存储测得的温度值的两个8位存贮器RAM，编号为0号和1号。1号存贮器存放温度值的符号，如果温度为负（摄氏度），则1号存贮器8位全为1，否则全为0。0号存贮器用于存放温度值的补码，LSB（最低位）的1表示0.5摄氏度。将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值（-55摄氏度-125摄氏度）。每只D518B20都可以设置成两种供电方式，即数据总线供电方式和外部供电方式。采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但完成温度测量的时间较长，采取外部供电方式则多用一根导线，但测量速度较快。DS18B20的使用方法：由于DS18B20采用的是1－Wire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。图3-3DS18B20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。图3-4DS18B20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。图3-5DS18B20单线数字温度传感器写时序图3.3显示部分在单片机系统中，通常用LED数码显示模块来显示各种数字或符号。由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长的特点，因此使用非常广泛。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。表3-1LCD1602液晶显示屏主要技术参数显示容量16×2个字符芯片工作电压4.5～5.5V工作电流2.0mA（5.0V）模块最佳工作电压5.0V字符尺寸2.95×4.35（WXH）mm表3-2LCD1602液晶显示屏引脚说明编号符号引脚说明编号符号DataI/O1Vss电源地9D2DataI/O2Vdd电源正极10D3DataI/O3VL液晶显示偏压信号11D4DataI/O4RS数据/命令选择端（H/L）12D5DataI/O5R/W读/写选择端（H/L）13D6DataI/O6E使能信号14D7DataI/O7D0DataI/O15BLA背光源正极8D1DataI/O16BLK背光源负极LCD1602液晶显示屏采用标准的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7～14脚：D0～D7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。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。3.4变频器在本系统中我们选用ABB公司的ACS600变频器。ACS600变频器具有很宽的功率范围（2.2-3000kw）可以满足本设计的要求75kw和3kw，优良的速度控制和转矩控制，并具有完整的保护功能以及灵活的编程能力。其重要特性如下：*无与伦比的电机速度及转矩控制，电机辨识运行及速度自我微调功能。*内置PID控制器，降低了您的投资成本。*工具软件对传动的全方位支持，ACS600SingleDrive能在几毫秒内测出电机的实际转速和状态，所以在任何状态下都能立即起动，无起动延时。*零转速下，不需速度反馈就能提供电机满转矩。*ACS600SingleDrive能够提供可控且平稳的最大起动转矩，可达到200%的额定转矩。*不需特殊硬件的磁通制动模式可以提供最大的制动力矩。*在磁通优化模式下，电机磁通自动适应于不同的负载以提高效率同时降低电机的噪音，变频器和电机的总效率可提高1%-10%。*DTC直接转矩控制，从零速开始不使用电机轴上的脉冲码盘反馈就可以实现电机速度和转矩的精确控制。*开环转矩阶跃上升时间小于5毫秒，而不带速度传感器的磁通矢量控制变频器的开环转矩阶跃上升时间却多于100毫秒。3.5A/D转换器采用常见的ADC0809。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其转换方法为逐次逼近型。在A/D转换器内部含有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关树组的256电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个通道的模拟信号。由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码，而且三态TTL输出也可以锁存，所以它易于与微型计算机接口直接相连。4系统的编程与实现4.1系统的总体原理图系统的总体原理图如图4-1所示。图4-1系统原理图4.2温度控制系统传感器是“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”，它通常由敏感元件和转换元件组成。温度传感器DS18B20将检测到的温度数据由单片机的P1.8口送入。由单片机AT89C51进行运算，换算出测量温度，即水温。它与设定温度相比较，从而控制继电器的通断即（控制蒸汽电磁阀的通断）及报警系统的开闭。当水温高于设定温度时蒸汽阀关，水温刚低于设定温度时，蒸汽阀并不会立即导通，只有当水温底于设定温度1时，蒸汽阀才会导通，给水加热。若水温继续下降，低于设定温度2时，报警系统报警。温度控制部分。将检测到的温度送到P1.5、P1.6、P1.7分别为室外温度、出水温度、回水温度。它们与设定温度相比较，从而控制继电器的通断即（控制蒸汽电磁阀的通断）及报警系统的开闭。系统框图如4-2所示。检测温度在设定值检测温度在设定值1？开蒸汽阀检测温度在设定值2？故障报警NYNY图4-2温度控制流程图）开始返回4.3电源电路系统工作电压为6V，电流1A。采用原边交流220V，副边12V的变压器，经桥式整流，1000UF电容滤波，7806稳压，可使电源满足求。其原理图如图4-3所示。图4-3电源原理图4.4键盘电路它由3个常开按键构成，直接与单片机I/O口相连，另一端与地相接。当按键闭合时，单片机与之相连的端口变为低电平。6个按键从左到右分别与单片机AT89C51的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3相连。下面分别介绍这3个键的功能。P0.0为功能键，第一次按下P0.0键时，取消报警，同时允许温度上限调节；第二次按下P0.0键时，为确定。当P0.0键第一次按下，此时，每按动一次P0.1键，温度值加一，温度最大上限值为99摄氏度；每按动一次P0.2键，温度值减一，温度最小上限值为80摄氏度。当P0.0键再次按下时，P0.1、P0.2调温功能被关闭。此时，按P0.2键，启动报警功能。图4-4键盘电路按键说明：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（0℃～80℃），还可切换为（20℃～60℃）；S6闭合则启动温度自动控制，断开则扫描按键。4.5驱动及显示电路4.5.1驱动电路继电器的驱动用8550PNP型三极管。因AT89C51上电复位时，P0，P1，P2，P3口为高电平，此时PNP型三极管基极接高电平，三极管截止，继电器处于断开状态，可使单片机正常复位。在PNP型三极管发射极接二级管4007，可防止三极管断开瞬间，继电器电流不能突变，使三极管造成损坏。4.5.2显示电路由单片机AT89C51控制，移位寄存器74LS164和共阳7段LED组成。显示原理图如图4-5所示。图4-5显示电路4.6自动报警电路锅炉上限极限水位报警，炉内的水位到达上限极限水位时系统发出报警，指示灯亮。锅炉下限极限水位报警，炉内的水位到达下限极限水位时系统发出报警，指示灯亮。锅炉内压力过高报警，压力传感器检测到锅炉内压力高于设定值时发出报警。循环泵故障报警，当循环泵开启后，出水与回水温度的差值很大，认为循环泵故障，报警系统报警。此部分采用声光报警以便很容易区分哪部分出现问题，便于维修人员及时进行维修。根据报警铃和灯的不同确定哪部分出现问题。20H.0为水温故障标志，1时有效报警。20H.1为水位故障标志，1时有效报警。20H.2为水位故障标志，1时有效报警。20H.3为报警取消标志，1时有效取消报警。按P3.2键，20H.3置1。设置温度确定后，按P3.4键，20H.4清0。水位高出上限20H.1置1，水位低于下限20H.1置1。水位检测系统故障20H.2置1。单片机程序见附页。结束语本系统介绍了单片机在水暖锅炉中的应用，采用数字温度传感器、光敏三极管、压力传感器使硬件系统大为简化。系统精度高，具有良好的人机交互功能。并设有超温、超水位、循环泵失灵等故障报警，有问题立即就能发现。通过自动调节控制温度并实现锅炉内温度和水位的自动控制。保护温度控制在设定值上正常运行不需要人工干预，操作人员劳动强度小。参考文献谢自美，电子线路设计·实验·测试[J].华中科技大学出版社，2003，2杨国志，王立峰，杨东光，王辉林等.实用电子制作实例[M].福建科学技术出版社，2000金伟正.单线数字温度传感器的原理及用[M].电子工业出版社，2000王永平，陈建华.基于S7-200PLC的高性能电热锅炉控制系统[J].仪表技术与传感器，2002，7谈振藩.自动控制专业英语[M].哈尔滨工程大学出版社，1999杨智，明丽萍.21世纪燃气锅炉在中国的发展前景[J].锅炉制造，2001，7袁希光等.传感器技术手册[M].北京国防工业出版社,1986张洪润，张亚凡。传感技术与应用教程[M].清华大学出版社，2005松井邦彦[日]著，梁瑞林[译]。传感器实用电路设计一制作[M]科学出版社，2005李光飞，楼然苗.单片机课程设计实例指导[M].北京航空航天大学出版社，2004李明，徐向东.用容错技术提高锅炉控制系统的可靠性[J]清华大学学报1999，10吴春旺，陈霞。锅炉汽包水位调节控制系统设计[J].电工技术，2006.3刘星平。基于PLC及其网络的智能炉温控制系统[J].电气应用，2006.3姜忠良．温度的测量与控制[M].北京：清华大学出版社，2005龙泽明．MCS-51单片机原理及工程应用[M]．北京：国防工业出版社，2005赵晓安．MCS-51单片机原理及应用[M]．天津：天津大学出版社，2005胡汉才．单片机原理及其接口技术[M]．北京：清华大学出版社，1996黄贤武．传感器原理与应用[M]．北京：高等教育出版社，2005卜云峰．检测技术[M]．北京：机械工业出版社，2005潘新民，王燕芳．微型计算机控制技术[M]．北京：电子工业出版社，2003台方．微型计算机控制技术[M]．北京：中国水利水电出版社，2001赵新民．智能仪器设计基础[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999程德福，林君．智能仪器[M]．北京：机械工业出版社，2005李东生．PROTEL99SE电路设计技术入门与应用[M]．北京：电子工业出版社，2002致谢本论文的完成得益于李海华老师的悉心教导，使我在基础理论及专业知识等各方面得以进一步的提高，特别是导师严谨的治学态度和科学、新颖的研究思想，令我获益匪浅。值此机会，谨向我的导师致以衷心的感谢。这段学习生涯，使我受益匪浅，在这个学习气氛很浓的环境下，使我学到了很多，也懂得了很多，这段学习生涯将影响我的一生。另外我还要感谢那些帮助过我的人，真诚地感谢他们!最后，向审阅此文的老师、学者致以深切的谢意!附录单片机源程序ORG0000HAJMPMAINORG0003hAJMPMAINORG000bh AJMPMAIN ORG0013hAJMPMAIN ORG001bh AJMPMAINORG0023HAJMPMAINORG0030HMAIN:CLRp3.6MOVp0,#0ffhACALLQL;MOV3BH,#95MAIN1:MOV3bh,#95ACALLWENDU;温度转换子程序ACALLDISPACALLWENCPM;温度比较子程序ACALLSHUICPM;水位检测子程序]ACALLBAOJING;报警子程序ACALLDELAY2AJMPMAIN1;;;;WENCPM:MOVA,37H;温度比较子程序CLRCSUBBA,3BHJCBBB1SETBP2.1;关蒸汽阀CLR20H.0 ACALLok2 BBB1:MOVA,37HADDA,#10CLRCSUBBA,3BHJNCOK2;CLRP2.1;低与设定温度10度开蒸汽阀MOVA,37HADDA,#20CLRCSUBBA,3BHJNCOK2CLRP2.1;低与设定温度20度开蒸汽阀SETB20H.0RETok2:CLR20H.0RET;水位检测子程序SHUICPM:MOVA,P1ANLA,#0FHMOV30H,#0FH;00001111CJNEA,30H,AAA1SETBP2.0SETB20H.1;SETB水位状态标志位AJMPOUT2AAA1:MOV30H,#0EH;00001110CJNEA,30H,AAA2SETBP2.0CLR20H.1AJMPOUT2AAA2:MOV30H,#0CH;00001100CJNEA,30H,AAA3CLR20H.1CLRp2.0AJMPOUT2AAA3:MOV30H,#08H;00001000CJNEA,30H,AAA4CLRP2.0CLR20H.1AJMPOUT2;;;;;;;;;;70AAA4:MOV30H,#00H;00000000CJNEA,30H,AAA5SETBP2.0SETB20H.1AJMPOUT2AAA5:SETB20H.2RETOUT2:CLR20H.2RETBAOJING:JB20H.3,OUT6MOVA,20HMOV30H,#00HCJNEA,30H,OUT5AJMPOUT6OUT5:SETBP3.6JB20H.4,OUT9SETBP0.1OUT10:JB20H.2,OUT11SETBP0.2OUT12:JB20H.1,OUT13SETBP0.3OUT14:JB20H.0,OUT15SETBP0.4OUT16:RETOUT6:CLRP3.6RETOUT9:CLRP0.1AJMPOUT10OUT11:CLRP0.2AJMPOUT12OUT13:CLRP0.3AJMPOUT14OUT15:CLRP0.4AJMPOUT16;总温度子程序WENDU:ACALLINIT_1820ACALLRE_CONFIGACALLGET_TEMPERACALLTEMPER_COVRET;DS18B20初始化程序INIT_1820:SETBP1.7NOPCLRP1.7MOVR0,#06BHMOVR1,#03HTSR1:DJNZR0,TSR1;延时MOVR0,#6BHDJNZR1,TSR1SETBP1.7NOPNOPNOPMOVR0,#25HTSR2:JNBP1.7,TSR3DJNZR0,TSR2LJMPTSR4;延时TSR3:CLR20H.4;清标志,表示DSS18B20存在LJMPTSR5TSR4:SETB20H.4;SETB标志位,表示DSS18B20不存在LJMPTSR7TSR5:MOVR0,#06BHMOVR1,#03HTSR6:DJNZR0,TSR6;延时MOVR0,#6BHDJNZR1,TSR6TSR7:SETBP1.7RET;重新写DS18B20暂存存储器设定值RE_CONFIG:JNB20H.4,RE_CONFIG1;若DS18B20存在,转RE_CONFIG1RETRE_CONFIG1:MOVA,#0CCH;发SKIPROM命令LCALLWRITE_1820MOVA,#4EH;发写暂存存储器命令LCALLWRITE_1820MOVA,#00H;TH(报警上限)中写入00HLCALLWRITE_1820MOVA,#00H;TL(报警下限)中写入00HLCALLWRITE_1820MOVA,#1FH;选择9位温度分辨率LCALLWRITE_1820RET;读出转换后的温度值GET_TEMPER:SETBP1.7;定时入口LCALLINIT_1820JNB20H.4,TSS2RET;若DS18B20不存在则返回TSS2:MOVA,#0CCH;跳过ROM匹配LCALLWRITE_1820MOVA,#44H;发出温度转换命令LCALLWRITE_1820LCALLINIT_1820MOVA,#0CCH;跳过ROM匹配LCALLWRITE_1820MOVA,#0BEH;发出读温度命令LCALLWRITE_1820LCALLREAD_18200MOV37H,A;将读出的温度数据保存MOVA,#0ECHCALLWRITE_1820RET;读DS18B20的程序,从DS18B20中读出一个字节的数据READ_1820:MOVR2,#8RE1:CLRCSETBP1.7NOPNOPCLRP1.7NOPNOPNOPSETBP1.7NOPMOVC,P1.7NOPNOPNOPNOPMOVR3,#23DJNZR3,$RRCADJNZR2,RE1RET;写DS18B20的程序WRITE_1820:MOVR2,#8CLRCWR1:CLRP1.7NOPNOPNOPNOPRRCAMOVP1.7,CMOVR3,#35DJNZR3,$SETBP1.7NOPDJNZR2,WR1SETBP1.7RET;读DS18B20的程序,从DS18B20中读出两个字节的温度数据READ_18200:MOVR4,#2;将温度高位和低位从DS18B20中读出MOVR1,#36H;低位存入36H(TEMPER_L),高位存入35H(TEMPER_H)RE00:MOVR2,#8RE01:CLRCSETBP1.7NOPNOPCLRP1.7NOPNOPNOPSETBP1.7NOPNOPMOVC,P1.7MOVR3,#35RE20:DJNZR3,RE20RRCADJNZR2,RE01MOV@R1,ADECR1DJNZR4,RE00RET;将从DS18B20中读出的温度数据进行转换TEMPER_COV:MOVA,#0F0HANLA,36H;舍去温度低位中小数点后的四位温度数值SWAPAMOV37H,AMOVA,36HJNBACC.3,TEMPER_COV1;四舍五入去温度值INC37HTEMPER_COV1:MOVA,35HANLA,#07HSWAPAADD,37HMOV37H,A;保存变换后的温度数据LCALLBIN_BCDRET;将16进制37H的温度数据转换成压缩BCD码放入37H,38H,39H中BIN_BCD:MOVA,37HMOVB,#10DIVABMOV38H,BMOVB,#10DIVABMOV39H,BMOV3AH,ARETDISPS:MOVSCON,#00H;设定温度显示子程序MOVDPTR,#TABMOVA,3BHMOVB,#10DIVABXCHA,BACALLSSMOVA,BACALLSSMOVA,#0FHACALLSSRETDISP:MOVSCON,#00H;正常温度显示子程序MOVDPTR,#TABMOVA,38HACALLSSMOVA,39HACALLSSMOVA,3AHMOV40H,#00HCJNEA,40H,QQMOVDPTR,#TAB1 ACALLSS RETQQ:ACALLSSRETDELAY2:MOVR6,#0fFHDL4:MOVR5,#0FAHDJNZR5,$DJNZR6,DL4NOPRETQL:MOVA,#00HMOV20H,A;20H为状态标志单元MOV30H,A;30H为数据缓存标MOV35H,A;35h--39h单元为温度数据单元MOV36H,AMOV37H,AMOV38H,AMOV39H,AMOV3AH,ARETSS:MOVCA,@A+DPTR;送数子程序MOVSBUF,AJNBTI,$CLRTIRETTAB:DB88h,0ebh,4ch,49h,2bh,19h,18h,0cbh,08h,09hDB80h,13h,44h,41h,23h,11h,10h,0c3h,00h,01hRETTAB1:DB0FFHRETEND

学位论文原创性声明学位论文作者（本人签名）：年月日学位论文出版授权书论文密级：□公开 □保密（___年__月至__年__月）(作者签名：_______导师签名：______________年_____月_____日_______年_____月_____日

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作者签名:二〇一〇年九月二十日

致谢时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。最后，我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现HYPERLINK"/detail.htm?225813