基于单片机的锅炉温度和压力控制系统设计

年4月19日基于单片机的锅炉温度和压力控制系统设计文档仅供参考存档日期：存档编号：本科生毕业设计（论文）论文题目：基于单片机的锅炉温度和压力控制系统设计姓名：王忱勖系别：机电工程系专业：电气工程及其自动化指导教师：黄艳江苏师范大学科文学院印制摘要本文介绍了以80C51单片机为核心的温度和压力控制系统的工作原理和设计方法。温度信号由温度芯片DS18B20采集，以数字信号的形式传送给单片机；温度和压力信号由压力传感器进行实时采集，经过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号传送给单片机，单片机经过计算与处理后将温度、压力信息显示在LED显示器上，文中介绍了该控制系统的硬件部分，包括：温度检测电路、温度控制电路、压力检测电路、稳压电源电路和其它一些单片机接口电路。文中还介绍了软件设计部分，在这里采用模块化结构编程。软件部分主要包括：主程序、温度和压力控制子程序、显示子程序等。该系统能够对锅炉的温度与压力进行全自动化的控制，不但节省了人力资源，同时使用电加热系统，更节能，更环保，更具有有可行性。关键词：温度检测A/D转换压力检测PID控制；AbstractThispaperintroducesthe51microcontrollerasthecoretemperatureandpressuresystemoftheworkingprincipleanddesignmethod.TemperaturesignalchipDS18B20collectionbythetemperature,withdigitalsignaltransmittedtotheformofsinglechipmicrocomputer;Pressurebylevelsensorsignalpressureofrealtimedatacollection,withananalogformtransfertothesinglechipmicrocomputer,microcontrollerthroughtheA/Dconversion,convertedintodigitalsignals,calculationandtreatmentwilltemperature,pressure,waterlevelinformationdisplayedintheLCDmonitor,thepaperintroducesthehardwarepartofthecontrolsystem,including:temperaturedetectioncircuit,temperaturecontrolcircuit,pressuredetectioncircuit,pressurecontrolcircuitandothersinglechipmicrocomputerinterfacecircuit.Thepaperalsointroducessoftwaredesignpart,herethemodularizedstructureprogramming.Softwareismainlythreeparts:themainprogram,keyboardinterruptandkeyprocessingprogram,prearcinginterruptionprogram.TheotheroneXieZiprogramsinclude:temperaturesignalprocessingprogram,showprogram,PIDprocessingprocedure,etc.Thissystemcantotheboilertemperatureandwaterlevelofthefullautomationcontrol,notonlysavethehumanresource,andatthesametimeuseelectricheatingsystem,moreenergyefficient,moreenvironmentalprotectionandismoreafeasibility.Keywords:TemperaturedetectionA/DconversionWaterpressuretestPIDcontrol

目录TOC\o"1-3"\h\u14761摘要 I358Abstract II86251绪论 1318661.1研究背景及现状 147601.2发展前景 142261.3系统的总体设计思想 2314612锅炉温度和压力控制系统主要器件选择 4247102.1系统结构总框图 435142.2单片机的选择 4180562.3温度传感器 727642.4压力传感器 987432.5A/D转换器 11243413锅炉温度和压力控制系统硬件电路的设计 14207293.1最小单片机系统 14113153.1.1晶振电路 14181793.1.2复位电路 14295773.2温度采集模块设计 15122273.3温度控制电路设计 16193593.4压力检测电路设计 1711833.5键盘及显示电路 18310623.6报警电路设计 20111923.7稳压电源电路设计 21214844系统软件设计 2226774.1控制算法研究 2204.2系统总流程图设计 023128714.3温度和压力检测程序流程图设计 24206544.4键盘输入子程序流程图设计 25145784.5显示子程序流程图 2627384.6外部中断程序流程图 27275755结论 2831368致谢 2923143附图：系统原理总图 3016609附录：代码编写 3117627参考文献 381绪论1.1研究背景及现状锅炉是一种热能转换设备，传统的锅炉由锅和炉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。传统的锅炉都使用烧煤的方法进行加热，这种方式加热不但对空气污染严重，而且在加热时需要用人工进行燃料的运输与添加，一旦加入燃料过多，水温会升的过快造成开锅，严重时会造成锅炉爆炸，造成人身财产的损害，对于现在国内的发展来说，很少有地区对此进行改进，而本设计提出一种新型的锅炉加热与压力控制方法，真正实现无人操作，全自动加热、控温、节能环保，本设计摒弃传统的燃料加热方法，而使用电热的方式，这样经过微控制器能够对水温进行实时的控制，不但节省能源，还能达到准确的温度控制，在控制系统中又加入了压力控制环节，这样整个系统就达到了全自动智能化水平。根据国内实际情况和环保上的考虑和要求，燃煤锅炉由于污染而且效率不高，已经逐渐被淘汰；燃油和燃气锅炉也存在着燃料供应不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。1.2发展前景电加热锅炉采用全新加热方式，无污染，完全能够称为绿色环保锅炉。电加热锅炉具有许多优点，使其比其它形式的锅炉更具吸引力，其具体优点如下[1]：（1）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的气体杂质，也不会产生灰渣，很适宜环保方面的要求，更适合安放在人口十分密集的生活区，办公区。（2）能量转化效率很高。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。（3）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。（4）体积小，重量轻，占地面积小。由于本体结构简单，使得电热锅炉体积能够做的很小，简单的结构更加便于布置，占地面积也就减小。（5）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，因此锅炉启停速度快，经过控制各加热元件的开关，能够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。（6）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经过计算机完成，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[2]。1.3系统的总体设计思想当前，世界计算机市场上出现了专门应用于工业控制的一系列单片机产品，单片机以其价格便宜、重量轻、体积小、功耗低、功能强的特点，在工业控制的现场应用中得到越来越广泛的关注，单片机既能够完成各种常规的控制，还能够充分利用控制理论的最新研究成果情况下结合被控对象的特性，选择更加先进的控制方法，来获得更好的控制效果。当前，因为家用锅炉设备属于批量制造生产，而一整套完备的控制系统是每台锅炉所必须的，针对小型锅炉的这些特点，更结合产品的成产成本考虑，以单片机MCS-51为核心器件组成的控制系统成为了最为理想的选择。同时，MCS-51系列单片机以其完备的控制功能、优秀的运算能力、完善的外部接口电路等一系了特点，适应了中小型锅炉控制系统需要。同时在选取外围芯片时，应尽量考虑一些较为典型的、易于替换和扩展的电路和芯片，并建立在降低生产成本的前提下。传感器主要选择些基于单总线结构的ICSl220型压力传感器和DS18B20数字温度传感器。DS18B20温度传感器采用DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，其产品以具有封装形式多样，耐磨耐碰，使用方便，体积小，而广泛应用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。系统在软件这块主要采用模块化的程序结构。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，这样使得扩充和调试更加方便。本系统的电源模块选择了市场上常见的W7800(7800)系列7805电源稳压芯片，经过分别给模拟信号和数字信号分别供电，来避免出现电源干扰的现象。利用温度传感器DS18B20采集测量锅炉水温；使用LED显示器显示气压值、预先设定的温度报警值和当前采集的温度值。利用继电器控制加热器和放气阀的加热和气压。当锅炉内的水的实际水温超过报警温度值，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温度检测，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。如此重复监控温度。这样对锅炉温度控制不但能够节约能源，提高能源的使用率。另外，为符合实际本系统对锅炉压力进行实时监控，防止锅炉高压爆炸，以免造成严重后果[15]。

2锅炉温度和压力控制系统主要器件选择2.1系统结构总框图锅炉温度控制系统的主控部分由单片机构成。经过按键电路进行温度报警值的设定，并对锅炉的水温进行采集及处理，然后与报警值比较，当温度值大于温度上限值(报警值)时就报警，停止加热。当温度少于温度下限值时，重新启动进行加热处理。以此重复对锅炉温度控制。同时为结合实际需要，本系统亦对锅炉内气压进行控制。同时，显示气压上限值及温度报警值和实际温度值。图2-1所示是其系统结构框图。电源模块温度传感器压力检测A/D数据转换单片机LED显示被控对象报警放大电路 图2-1图2-1系统结构总框图2.2单片机的选择80C51单片机属于MCS-51系列单片机，由Intel公司开发，其结构是8048的延伸，改进了8048的缺点，增加了如乘（MUL）、除（DIV）、减（SUBB）、比较（CMP）、16位数据指针、布尔代数运算等指令，以及串行通信能力和5个中断源。采用40引脚双列直插式DIP（DualInLinePackage），内有128个RAM单元及4K的ROM。80C51有两个16位定时计数器，两个外中断，两个定时计数中断，及一个串行中断，并有4个8位并行输入口。80C51内部有时钟电路，但需要石英晶体和微调电容外接，本系统中采用12MHz的晶振频率。由于80C51的系统性能满足系统数据采集及时间精度的要求，而且产品产量丰富来源广，应用也很成熟，故采用来作为控制核心。图2-280C51单片机GNE(20脚):接地VCC（40脚）:主电源+5VXTAL1（19脚）:接外部晶体的一端。在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该端引脚必须接地；对于CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2（18脚）:接外部晶体的另一端。在片内它是一个振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。若需采用外部时钟电路，对于HMOS单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于CHMOS单片机，此引脚应悬浮。RST（9脚）:单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在该脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位（RESET）PSEN（29脚）:当访问片外程序存储器时，该端口输出负脉冲信号作为存储器读选通信号。CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中会生效两次。另一方面，在访问片外数据存储器时，这两次有效PSEN信号不会出现。PSEN端口能驱动8个LSTTL负载。能够根据PSEN、ALE和XTAL2三个输出端口是否有信号输出，来判断80C51是否处在工作状态。ALE/PROG（30脚）:当访问片外程序存储器时，该端口输出负脉冲信号作为存储器读选通信号。CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中会生效两次。另一方面，在访问片外数据存储器时，这两次有效PSEN信号不会出现。ALE/PROG端同样可驱动8个LSTTL负载。EA/VPP（31脚）:当EA端口输入高电平时，CPU从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序。当地址超出4KB时，将自动执行片外程序存储器的程序。当EA端口输入低电平时，CPU只访问片外程序存储器。在对87C51EPROM编程时，该引脚用于施加编程电压VPP。输入/输出引脚：P0.0—P0.7(32脚—39脚)：P0口是一个漏极开路的8位准双向I／0口。作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。P0口有三个功能：①外部扩充存储器时，当作地址总线（A1~A7）；②不扩充时，可做一般I/O口使用，但内部没有上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。P1.0—P1.7（1脚—8脚）：P1口是一个带内部上接电阻的准双向I／O口。P1的每一位能驱动4个LS型TTL负载。在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存器（地址90H）写入全1，此时P1引脚由内部上接电阻接成高电平。P1.0和P1.1多了T/C2的复用（3）P2.0—P2.7（21脚—26脚）：P2口是一个带内部上接电阻的8位准双向I／O口。P2口每一位能驱动4个LS型TTL负载。P2口有两个功能：①扩充外部存储器时，当作地址总线（A8~A15）使用。②做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻。（4）P3.0—P3.7（10脚—17脚）：P3口是一个带内部上接电阻的8位准双向I／O口。P3口每一位能驱动4个LS型TTL负载。P3口与其它I／O口有较大区别，每个引脚还具有专门功能,除了作为I/O口使用外（内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置[3]。2.3温度传感器Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20能够程序设定9-12位的分辨率，精度为0.5摄氏度。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。如图2-3所示DS18B20引脚排列图图2-3DS18B20引脚排列图DS18B20特性：只需要一个端口来进行通讯；简单的多点分布应用；无需外部应用；不需要接外部器件及电路；.能经过数据线作为电源线来进行供电；无待机产生的功耗；测温范围－55～＋125℃，以0.5℃为单位递增；温度测量结果以8位数字量输出；温度模拟信号转换成数字量时间为200ms（典型值）。使用时能定义的非易失性温度报警进行设置；包含报警搜索命令识别同时标志出超过程序设定温度的器件；应用包括温度控制，工业系统，消费品，温度计或任何热感测系统。ROM操作品令：总线主机检测到DSl820的存在，便能够发出ROM操作命令之一，这些命令如[4]指令代码1.ReadROM(读ROM) [33H]2.MatchROM(匹配ROM) [55H]3.SkipROM(跳过ROM) [CCH]4.SearchROM(搜索ROM) [F0H]5.Alarmsearch(告警搜索)[ECH]存储器操作命令指令代码1.WriteScratchpad(写暂存存储器) [4EH]2.ReadScratchpad(读暂存存储器) [BEH]3.CopyScratchpad(复制暂存存储器) [48H]4.ConvertTemperature(温度变换) [44H]5.RecallEPROM(重新调出) [B8H]6.ReadPowersupply(读电源) [B4H]DS18B20管脚功能表，如表2-1所示表2-1DS18B20管脚功能表引脚序号引脚名称功能1GND接地2DQ数据输入/输出脚3VDD接5V电源2.4压力传感器压力传感器芯片的性能受温度的影响非常大，主要表现为零点和灵敏度随温度变化而发生漂移。1220型是经过温度补偿的硅压阻式压力传感器，采用双列直插封装结构，适用要求成本低，性能优越，长期稳定性好的应用领域。经过激光修正的电阻实现了0～50℃的温度补偿，还提供一个激光修正的电阻用于调节差动放大器的增益来校正传感器的压力灵敏度变化，使具有良好的互换性，互换性误差仅为±1％。从0～2psi至0～100psi量程范围内均有表压，差压和绝压产品[5]。ICSl220系列具有如下优点：（1）放大、校准和温度补偿；（2）多级压力非线性修正；（3）直接输出经放大校准的模拟信号；（4）输出与输入电压成正比；（5）温补范围为0~70℃，满足绝大部分用户的需求；（6）有表压、差压和绝压配置，有微压和低压等量程；ICSl220传感器性能参数图如下：图2-3压力传感器原理表2-2参数最小值典型值最大值单位满量程输出49.55050.5mV零点输出-22mV非线性-0.1±0.050.1％Span迟滞-0.5±0.010.05％Span输入输出电阻250044006000Ω量程温度误差-0.5±0.30.5％Span零点温度误差-0.5±0.10.5％Span零点热迟滞±0.1％Span供电电压1.235V响应时间1.0ms输出噪音1.0μVp-p长期稳定性±0.1％Span过载压力3XRated补偿温度050℃工作温度-40+125℃贮存温度-50+150℃重量3grams1220A-015G-3S压力接口（L=长引压管，S=短引压管，N=无引压管） 引脚结构压力类型（G=表压，A=绝压，D=差压）压力范围等级型号图2-4ICSl220传感器性能参数2.5A/D转换器ADC0809是当前广泛使用的逐位逼近型8位单片A/D转换芯片，片内含8路模拟开关，可允许8路模拟量输入。主要由3部分组成：模拟输入选择部分、转换器部分、输出部分。ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，ADC0809主要信号引脚功能说明如表2-3[6]：IN7～IN0——八路模拟量输入通道。ALE——地址锁存允许信号。START——转换启动信号。START=1转换启动。A、B、C——地址线、通道端口选择线。CLK——时钟信号。ADC0809要求外接时钟频率为10kHz~1.2MHz。一般使用频率为500KHz的时钟信号。EOC——转换结束信号。EOC=1,转换结束。D7～D0——数据输出线。OE——输出允许信号。OE=1，输出转换得到的数据。Vcc——+5V电源。Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V,Vref(-)=-5V)。图2-5ADC0809管脚ADC0809与80C51单片机的连接主要涉及两个问题。一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。转换数据的传送有定时传送方式、查询方式、中断方式这三种方式。A、B、C的值与被选择的通道之间的关系如下表2—3所示：表2—3通道选择表CBA被选择的通道0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1ININININININININ

3锅炉温度和压力控制系统硬件电路的设计3.1最小单片机系统单片机最小应用系统，指的是用最少的元件组成的单片机而且能够正常工作的系统，对本次设计使用单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机，晶振电路以及复位电路。3.1.1晶振电路典型的晶振值取11.0592MHz(因为能够准确地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通讯的场合)/12MHz。图3-1晶振电路3.1.2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，单片机内部初始复位。为了确保单片机正常复位，必须使其第9脚上出现的高电平保持2μs以上。复位电路如图3-2所示。图3-2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τ等于0.22ms，远远大于2μs，即使RST高电平的时间保持2μs以上，确保了单片机正常复位。τ＝R*C(3-1)3.2温度采集模块设计DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH，TL作比较，若T>TH或T<TL，则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此，因此可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。DS18B20能够采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图3-3所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉[7]。本系统所采用的是电源直接供电。DS18B20的DQ端直接与单片机的P2.3口相连接，VDD端接+5V电源，DQ端与+5V电源之间经过电阻相连，GND接地，DS18B20能够直接将模拟量转换成数字量，因此不需要连接A/D转换器，DS18B20与单片机直接进行数据传输，不需要经过单片机来个DS18B20供电，保证了DS18B20工作的可靠性。图3-3温度检测模块3.3温度控制电路设计本系统采用继电器进行对加热器工作方式控制，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,接通锅炉加热器。本部分电路与单片机的接口如图3-4所示。1.当P1.7输出高电平时，加热器通电，加热器对锅炉加热，进行加热处理。2.当P1.7输出低电平时，加热器断电，加热器对锅炉加热，不进行加热处理。图3-4温度控制电路3.4压力检测电路设计该部分主要由压力信号检测和信号放大电路两部分组成。应变片能够将应变转换为电阻的变化，为了显示于记录应变的大小，还要将电阻的变化再转换为电压或电流的变化，因此需要有专用的测量电路，一般采用直流电桥和交流电桥。由于应变片的电桥电路的输出信号一般比较微弱，因此当前大部分电阻应变式传感器的电桥输出端与直流放大器相连电桥的输出电压于应变成线性关系。若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为输出电压为两者之差，若不同时，则输出电压为两者之和。若相对两桥臂的极性一直，输出电压为两者之和，反之则为两者之差。电桥供电电压U越高，输出电压Uo越大。本次设计的放大器采用了三运放，因为它具有高共模抑制比的放大电路。它由三个集成运算放大器组成。其中AR1和AR2为两个性能一致(主要指输入阻抗，共模抑制比和增益)的同相输入通用集成运算放大器，构成平衡对称差动放大输入级，AR3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制AR1和AR2的共模信号，并适应接地负载的需要。由于每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压，因此，整个差分输入电压现在都呈现在RG两端。因为输入电压经过放大后（在A1

和A2的输出端）的差分电压呈现在R5，RG和R6这三只电阻上，因此差分增益能够经过仅改变RG进行调整。如果R5

＝

R6，R1＝

R3和R2

＝

R4，则VOUT

=

(VIN2－VIN1)(1＋2R5/RG)（R2/R1）[8]。由于RG两端的电压等于VIN，因此流过RG的电流等于VIN/RG，因此输入信号将经过A1和A2获得增益并得到放大。然而须注意的是对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位，从而不会在RG上产生电流。由于没有电流流过RG（也就无电流流过R5和R6）），放大器AR1和AR2将作为单位增益跟随器而工作。因此，共模信号将以单位增益经过输入缓冲器，而差分电压将按〔1＋（2

RF/RG）〕的增益系数被放大。这也就意味着该电路的共模抑制比相比与原来的差分电路增大了〔1＋（2

RF/RG）〕倍。在理论上表明，得到所要求的前端增益（由RG来决定），而不增加共模增益和误差，即差分信号将按增益成比例增加，而共模误差则不然，因此比率〔增益（差分输入电压）/（共模误差电压）〕将增大。因此CMR理论上直接与增益成比例增加，这是一个非常有用的特性。

最后，由于结构上的对称性，输入放大器的共模误差，如果它们跟踪，将被输出级的减法器消除。这包括诸如共模抑制随频率变换的误差。图3-5压力检测电路3.5键盘及显示电路本案设计中采用三位7段LED显示器，LED显示器是单片机应用中最常见的输出部件，它是由若干发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光，不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。用LED是因为它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长的特点。LED（发光二极管）最早出现在19世纪60年代，现在我们能够经常在电气和电子设备上看到这些二极管作为指示灯来用。LED就是一种半导体元件，其电气特性与一般的二极管一样，区别在于其在通电状态下会发光。因为发光二极管是固态的，因此她能够延长传感器的使用寿命。因而LED一起体积小，可靠性高，耗能低等诸多优点在生产生活中得到越来越广泛的应用。在微型机系统中，LED常见的显示方法有两种。一种是静态显示，一种是动态显示。所谓的静态显示是由单片机一次输出后就能显示后就能保持，直到下次送新的显示模式为止。这种显示占用机少，显示可靠；缺点是使用元件多，且线路比较复杂，因而成本比较高。这种显示器显示方式的每一个七位显示器需要一个八位输出控制。所谓动态显示就是单片机定时的对显示器进行扫描。这种方法中，显示器件分时工作，每次只能有一个器件显示，但由于人的视觉暂留现象，因此，仍感觉到所有的器件都“同时”显示。这种显示方法的优点是使用硬件少，因而价格低，但占用机时多，只要单片机不执行显示程序，就马上停止显示。动态显示的亮度与导电电流有关，也与点亮时间和间隔时间比例有关。本设计中采用静态显示。图3-6显示电路键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件，它能实现向单片机系统输入数据、发送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。为了便于实现各种的控制要求，智能调节器必须具备快速设置被控参数且操作方便，还必须增加键盘装置。键盘控制有矩阵式和独立式两中。对于键的识别，能够采用程序扫描的方法。考虑到本设计实际需要的按键较少，因此选择采用独立式键盘接口电路。它是将每个独立按键按一对一的方式直接接到单片机的I/O口上，经过程序扫描查询方式实现与单片机系统交互的。在程序查询方式下，经过I/O端口读入按键状态，当有按键按下时，相应的I/O端口变为低电平，而未被按下的按键在上拉电阻作用下为高电平，这样经过读I/O口的状态判断是否有按键按下。图3-7键盘电路3.6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3-8所示。图3-8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。3.7稳压电源电路设计 78系列三端稳压器是最常见的集成稳压器件。具有过热，过流，调整管安全工作区保护功能。性能优良，可靠性搞。同时又由于器件只有三个引脚，因此使用简单方便，价格低廉，应用广泛。稳压电源电路如图3-9所示，从J1输入9～12V的直流电，打上开关，经C1和C2滤波后，加到7805稳压块的输入端，再从其输出端输出稳定的+5V的电压。因为在本设计中，电路中均采用低功耗的器件，因此稳压块并不需要加散热片。另外，由电阻R2和发光二极管D4组成电源指示电路具有上电指示作用。图3-9稳压电源电路

4系统软件设计4.1控制算法研究由于单片机控制是一种采样控制，系统中PID调节规律可经过数值公式近似计算[11]。4-1）（4-2）由此可得增量式算法公式：（4-3）（4-4）这个计算的过程可用一个简单的程序来实现。y(t)e(t) y(t)e(t) 图4-1控制系统系统4.2系统总流程图设计由于模块化程序的设计，经过调用程序即可实现所用功能，主程序流程图如图4-2所示。写程序时，调用程序前即系统运行首要先对系统进行初始化。然后对按键进行扫描，对按键事件做出相应的反应。接下来看是否有温度数据采集到，如果有就进行A/D采样及PID处理数据，最后所得结果与设定值比较从而控制继电器通断。开始系统初始化开始系统初始化键盘扫描、去抖处理取键值键值处理是否有采样数据处理A/D转换处理PID计算控制输出NY 图4-2主程序流程图4.3温度和压力检测程序流程图设计如图4-3为温度检测主程序流程图，单片机先初始化，启动A/D转换，等待传单器接受的检测数据，单片机计算是否接收完毕，如是等待A/D转换，如否返回继续等待接收。A/D接收是否完毕，如是计算符合报警条件否，如否则返回。报警检测如是则启动报警，如否则显示结果。最后返回。YY返回A/D转换完毕？符合报警条件？启动报警输出结果单片机初始化启动A/D转换等待接收检测数据接收完毕？等待A/D转换NNYYN图4-3信号检测程序流程图4.4键盘输入子程序流程图设计图4-4为键盘输入子程序流程图，首先开始，是否有键闭合，如有跳入二次调用子程序12MS，如没有调用显示子程序延迟6ms再返回。二次调用后，是否再有键闭合，如有判断闭合建号-栈，如没有跳到第一次检测键闭合。再次检测闭合键释放否，如释放键入键号-A，如没有调用显示子程序延迟6ms返回闭合键释放检测[14]。最后返回。YYN闭合键释放否输入键号→A返回调用子程序延时12ms有键闭合否判断闭合键号→栈开始有键闭合否调用子程序延时6msNNYY 图4-4为键盘输入子程序流程图4.5显示子程序流程图图4-5为显示子程序流程图，首先设置串口工作方式，然后设置堆栈指针，取段码，段码左移一位，输出一个一位脉冲，若段码移位结束，取断码结束，则结束。输出一位移位脉冲输出一位移位脉冲YN段码移位结束结束取段码结束开始选择串口工作方式设置地址指针取段码段码左移一位输出一位断段码NY图4-5显示子程序流程图4.6外部中断程序流程图如图4-6所示为外部中断子程序流程图，首先要设定外部中段入口，然后关闭外部中断，下一步单片机读取温度和压力值，输出结果，然后外部开中断，最后返回。关外部中断返回关外部中断读取温度和压力值关外部中断返回关外部中断读取温度和压力值输出结果外部中断入口外部中断入口图4-6外部中断流程图

5结论本设计是基于80C51单片机的锅炉温度和压力控制系统，首先是方案的选择，这是课程设计的最主要的环节。然后进行软件编程，经过数据线连接电脑下载编好的程序，进行调试。再接下来是添加单元电路，并进行调试。调试过程中，遇到不少问题，主要是经验不足，经过不停的摸索，问题基本上得到了解决。我也懂得了系统要有良好的控制效果，其前端采集温度信号需要足够精确，其次系统的构成要简单实用，实时监控系统状态参数，而且运用多种算法使得数据更为接近真实值。此次系统设计中主要难题为控制系统输出控制和PID控件，系统PID输出为模拟信号而该系统的控制对象为一加热棒，因此一般的执行器无法满足控制需求，而使用普通的触点式继电器会因频繁开关而产生电弧，可能导致事故发生。因此在系统执行部分选取了SSR固态继电器作执行部件，从而克服了触点式继电器的不足。PID控件的难题在于参数整定，对于本系统来说参数整定只能使用经验凑试，而且调试的时候一定要耐心。本文设计的控制系统能够实现对锅炉温度和压力的全自动化控制，节省了人力资源，同时添加了报警装置大大提高了锅炉使用的安全性，另一方面采用了更为先进的电加热系统，更节能，更环保，更具有有可行性总的来说经过这次设计实验，学到了很多东西，无论是动手能力，分析问题的能力都得到了提高，重要的是建立了对电子设计兴趣。最大的体会还是理论运用到实践还是有很大差距，理论学得再好到了实际运用的时候还是会出现很多问题，这些问题经过多实践积累经验能够得到解决。致谢四年的大学生活即将画上一个句号，而大学毕业对于我的人生却只是一个分号，我的人生将开启另一段征程。在这四年的求学生涯中师长、同窗给与了我最大的帮助，在这个翠绿的季节我将迈开脚步走向远方，怀念，思索，长长的问号一个个在求学的路途中被知识的举手击碎，而人生的思考才刚刚开始。感谢我教书育人的老师，可能我不是你们最出众的学生，而你们却是我最尊敬的老师。大学时代的老师治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，我被深深的折服。置身其间，耳濡目染，潜移默化，这使我不但建立了全新的思想观念，更领悟了学习知识，走向社会的思考方式。感谢父母，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报；感谢同学在我遇到困境时向我伸出援助之手，同窗之谊我们社会再续；感谢这段时间对我帮助给与关怀的其它人，是你们让我看到了人间真情暖人心，激励我时时刻刻努力，奋发向上，排除万难勇往直前。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。最后再一次感谢我的论文导师黄艳老师和答辩组的各位老师，还有所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。

附图：系统原理总图附录：代码编写ORG0000HAJMPMAINORG0013HLJMPIN1ORG0030HMAIN：MOVSP，#60HMOVP1，#0FHSETBP1.4SETBEASETBEX1MOV5AH，#0MOV5BH，#2MOV5CH，#5MOV5DH，#0MOV28H，#0MOVTCON，#05HMOV29H，#01HMOV35H，#10MOV37H，#10LOOP：MOVA，35HCJNEA，#1，NEXTLJMPN1NEXT：LCALLADMOVR2，#0MOVR3，40HLCALLQ1MOV3AH，R2MOV3BH，R3LCALLBJLCALLDIRLCALLTIMLJMPLOOPNI：LCALLSDN4：MOVA，35HCJNEA，#2，N2MOVA，R4ADDA，#1MOV52H，ACLRCMOVA，R4SUBBA，#1MOV53H，AMOVA，31HMOV5AH，AMOVA，32HMOV5BH，AMOVA，33HMOV5CH，AMOVA，34HMOV5DH，ARETIN1：PUSHPSWPUSHACCCLREX1MOVA，P1RRCAJCM1MOV35H，#1LJMPTTM1：RRCAJCM2MOV35H，#2MOVA，28HSETBACC.0MOV28H，ALJMPTTM2：RRCAJCM3MOV35H，#3MOVA，28HSETBACC.0MOV28H，ALJMPTTM3：RRCAJCTTMOV35H，#4TT：NOPPOPACCPOPPSWSETBEX1RETIAD1：MOVA，37HANLA，#0FHORLA，#30HMOVR1,AMOVA，@R1INCAMOVB，#10DIVABMOVA，BMOV@R1，ARETIDB:MOV30H，#0MOVR0,#30HMOVR2,#3MOVR3,#0MOVA,@R0MOVR4,ALP:MOVA,R4MOVB,#10MULABMOVR4,AMOVA,#10XCHA,BXCHA,R3MULABADDA,R3XCHA,R4INCR0ADDA,@R0XCHA,R4ADDCA,#0MOVR3,ADJNZR2,LPRETBJ:MOV30H,#0MOVA,40HCLRCSUBBA,52HJCXXSETBP1.4RETXX:MOVA,40HCLRCSUBBA,53HJNCWWCLRP1.4WW:RETQ1:MOVDPTR,#TABLEMOVA,R3CLRCRLCAMOVR3,AXCHA,R2RLCAXCHA,R2ADDA,DPLMOVDPL,AMOVA,DPHADDCA,R2MOVDPH,ACLRAMOVCA,@A+DPTRMOVR2,ACLRAINCDPTRMOVCA,@A+DPTRMOVR3,ARETTABLE:DW000，045，051，056，062，066DW070,074,081,086,092DW098,100,105,110,116DW121,124,130,135,138DW142,146,151,154,160DW165,168,170,175,178DW180,184,190,193,195DW208,214,220,224,229DW232,238,242,250,255DW260,264,271,275,280DW284,292,294,295,300DW306,311,316,321,325DW330,3