完成版基于單片機的鍋爐溫度控制系統(tǒng)的設計

1、課題背景及研究意義鍋爐是一種熱能轉換設備，由鍋和路兩大主體和保證其安全經濟連續(xù)運行的附件，儀 表附屬設備，自控和保護系統(tǒng)組成，水在鍋（鍋筒）中不斷被爐里燃料燃燒釋放出來的能 量加熱，溫度升高并產生帶壓蒸汽，由于水的沸點隨壓力的升高而升高，鍋是密封的，水 蒸氣在里面的膨脹受到限制而產生壓力形成熱動力（嚴格的說鍋爐的水蒸氣是水在鍋筒中 定壓加熱至飽和水再汽化形成的） 作為一種能源廣泛使用。 鍋爐廣泛用于生產和生活之中。 中小型鍋爐作為供暖設備用于提供熱水，取暖方面得到了廣泛應用。目前，取暖多采用集 中供暖方式。集中供暖，一般都是按一個采暖季每平方（建筑面積）來收費的，對北方地 區(qū)來說，天氣比較冷，

2、需要供暖時間長，應該集中供暖省錢。指集中集團式供暖的一種形 式。從能源利用方面講，集中供暖一次性投資大，運行費用高，無論是否需要，暖氣始終 全天供熱，因樓層不同而造成溫度不均，若遇到供暖偏熱，居民只有開窗降溫，使寶貴的 能源白白浪費。 這種供暖方式從原理上而言，效率較高。集中供暖的鍋爐大多數是燃媒鍋 爐，鍋爐燃燒時污染大，已經帶來了嚴重的環(huán)境污染問題。由于這些用戶采用集中取暖， 給個別用戶帶來不便的缺陷?；谶@種情況， 近年來采用以天然氣， 液化石油氣為燃料的中小型燃氣鍋爐具有高效、 環(huán)境污染小，發(fā)熱量大甚至無污染等特點，受到普遍歡迎。尤其在國外，燃氣鍋爐目前已 得到了普遍應用。家用燃氣鍋爐常

3、見的是套管式燃氣鍋爐、板換式燃氣鍋爐、冷凝式燃氣 鍋爐。隨著科技的發(fā)展以及各種客觀條件的具備，生活采暖用燃氣鍋爐的應用也必將得到 進一步的發(fā)展與推廣。隨著燃料不斷補給，燃料充足，城市燃氣管網逐步完善，燃氣使用 率逐步會提高。市場經濟的發(fā)展與開放，國有企業(yè)享受國家能源補貼的取消，住房逐漸私 有化，供熱管網費、采暖費全部由個人支付。會有越來越多的人放棄集中供熱方式而采用 分散采暖方式。而小型家用燃氣鍋爐的使用作為集中供暖的一個很好補充或替代它必將被 越來越多的人關注和選用成為趨勢。目前市場上家用燃氣鍋爐為進口，價格高，售后服務不夠完善，不利于燃氣鍋爐的推 廣使用，研制燃氣鍋爐的公司亦相對較少。因此

4、研制開發(fā)小型家用燃氣鍋爐就具有現實的 意義與客觀的市場價值。本設計將結合小型家用燃氣鍋爐實際的需要，利用 MCS-51 系列單片機為核心器件組 成溫度控制系統(tǒng)，采用溫度采集技術，通過運行和分析研究，以期正確認識和全面理解利 用單片機實現溫度采集技術在過程控制中的應用。系統(tǒng)的總體設計思想目前，世界計算機市場上出現了專門用于工業(yè)控制的單片機系列產品，單片機以其體 積小、重量輕、功耗低、價格便宜、功能強的特點，在工業(yè)控制的實踐中得到越來越廣泛 的應用單片機不僅可以實現各種常規(guī)的控制，還可以根據被控對象的特性，充分利用控制 理論的最新研究成果，采用更完善的控制方式，以獲得更好的控制效果。目前，由于家用

5、 鍋爐屬于批量生產，而且每臺鍋爐需要一套完整的控制系統(tǒng)，針對這些特點，尤其從產品 成本角度出發(fā)，以MCS-51為核心器件組成的控制系統(tǒng)是比較理想的選擇。此外，MCS-51系列單片機運算能力、完備的控制功能、加上完善的外部接口電路，對中小型鍋爐控制系 統(tǒng)完全可以勝任。在外圍芯片選取時，盡量選取典型的、易于擴展和替換的芯片和電路， 并本著節(jié)約成本的思想。選用基于單總線的數字溫度傳感器DS18B20和LCD液晶顯示器。DS18B20溫度傳感器采用美國DALLAS公司生產的DS18B20可組網數字溫度傳感器芯 片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空 間設備數字測溫和

6、控制領域；LCD液晶顯示器為平面超薄的顯示設備，它由一定數量的彩色或黑白像素組成，放置于光源或者反射面前方。液晶顯示器功耗很低，因此倍受工程師 青睞，適用于使用電池的電子設備。它的主要原理是以電流刺激液晶分子產生點、線、面 配合背部燈管構成畫面。它們二者與單片機的接口比較簡單，而且編程強度不大，既保證 了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，節(jié)約了開發(fā)成本。系統(tǒng)在軟件上采取模塊化的程序結構。主程序作為控制程序，為整個系統(tǒng)軟件的一條 主線，其它功能模塊均采用子程序調用、查詢等方式，為調試和擴充提供了方便。本系統(tǒng)的電源采用市場上常見的 W7800(7800)系列7805電源穩(wěn)壓芯片，模擬信號和數字

7、 信號分別用單獨的供電回路，以避免電源干擾。利用溫度傳感器DS18B20采集測量鍋爐水溫； 使用LCD液晶顯示器顯示水位的上下限值、預先設定的溫度報警值和當前采集的溫度值。 利用繼電器控制燃燒器和給水泵的加熱和給水。當鍋爐內的水的實際水溫超過報警溫度值， 系統(tǒng)會發(fā)出報警聲音，這時接在單片機一端的繼電器動作，燃燒器斷電。此時溫度傳感器 實時對鍋爐溫度檢測，當溫度降到設定值的下限時，繼電器重新通電。燃燒器電源重新接 通，鍋爐繼續(xù)加熱。如此反復監(jiān)控溫度。這樣對鍋爐溫度控制不僅可以節(jié)約能源，提高能 源的使用率。此外，為符合實際本系統(tǒng)對鍋爐的水位進行實時監(jiān)控，防止鍋爐干燒和鍋爐 水溢出，以免造成能源浪費

8、和水溢出引起的鍋爐爆炸嚴重后果。2 硬件電路設計2.1 主電路?1.溫度控制電路圖 2.1 溫度控制電路2.水位控制電路圖 2.2 鍋爐加水電路圖 2.3 水位檢測電路2.2 單片機最小系統(tǒng)AT89S51 的時鐘可由內部產生也可以由外部產生。在這個設計中只是用了內部產生。 利用芯片內部振蕩電路，在 XTAL1 ，XTAL2 （18，19 腳）的引腳上外接定時元件，內部振 蕩器便能產生自激振蕩，用示波器便可觀察到 XTAL2 輸出的正弦波，定時元件可以采用石 英晶體和電容組成的并聯諧振電路，它與單片機的接法的如圖 3-5 所示。晶體可以在 1.2MHz12MHz之間所選，電容可以在2060pF之

9、間所選，通常選擇30pF左右，電容C6, C7 的大小對振蕩頻率有微小的影響，可起頻率微調作用。在設計印制板時，晶體和電容應 盡可能與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，保證振蕩器可靠工作，一般采用瓷片電容。圖 2.5 時鐘電路2.2.2 復位電路單片機上電后，在其9腳（RESET）出現24個振蕩周期以上的高電平后，單片機內部 初始復位。為了確保單片機正常復位，必需使其第9腳上出現的高電平保持2ys以上。復位 電路如圖 3.6 所示。圖 2.6 復位電路系統(tǒng)的復位電路是由RC電路組成，外加一個手動復位按鈕。剛上電時或者觸動按鈕后C5兩端的電壓為0,這時RST為咼電平，而其咼電平保持時間是由R和C的

10、時間常數決定， 由公式（3-1河知，C充電的時間常數t等于0.22ms,遠遠大于2卩即使RST高電平的時 間保持2s以上，確保了單片機正常復位。2.3 溫度控制電路設計本系統(tǒng)采用繼電器進行對燃燒器工作方式控制，從而鍋爐控制溫度。當P 口輸出高電平時，經反相驅動器 7406變?yōu)榈碗娖?，使發(fā)光二極管發(fā)光，從而使光敏三極管導通，進而 是 Q3 導通，因而繼電器的線圈通電 ,接通鍋爐燃燒器。本部分電路與單片機的接口如圖 2.9 所示。1.當P1.7輸出高電平時，燃燒器通電，燃燒器對鍋爐加熱，進行加熱處理。2.當P1.7輸出低電平時，燃燒器斷電，燃燒器對鍋爐加熱，不進行加熱處理圖 2.9 溫度控制電路2

11、.4 水位控制電路鍋爐在正常加溫工作情況下，同時對鍋爐液位檢測。當鍋爐的水位滿足條件時開始工 作。本系統(tǒng)設計利用普通水的導電性質采用不繡鋼管作為測量液位的器件，放于鍋爐上下 限的金屬棒是否正在導電的情況判斷鍋爐的水位是不是在上下限范圍之間，單片機通過采 集的水位變化的信號，發(fā)出對給水泵控制的命令，控制鍋爐內水位符合條件。圖 2.10 水位檢測電路如圖 2.10水位檢測電路所示，金屬棒 1放于水位上限位置，金屬棒 2放于水位下限位置， 金屬棒3放于水位以下比較遠點的位置。其中金屬棒 1和金屬棒 2用限流電阻分別與單片機相 連接，金屬棒3接+5v的電源。單片機不斷的檢測單片機端口 p1.2和p1.

12、3的電平情況。(1) 當P1.2=高電平和P1.3=高電平時，即實際水位在水位上限以上的位置， 這時系統(tǒng)發(fā) 出報警命令 ,系統(tǒng)停止工作。(2) 當P1.2=高電平和P1.3=低電平時，即實際水位在水位上限和水位下限之間的位置， 單片機不進行處理，即保持給水泵的狀態(tài)不變。當P1.2二低電平和P1.3二低電平時，即實際水位在下限以下的位置，這時系統(tǒng)控制給 水泵工作，鍋爐開始加水，并報警。圖2.11 水位控制電路當鍋爐水位處與水位下限值的時，單片機 P1.4 口輸出一個高電平，繼電器接通，此時給 水泵通電，給水泵開始工作給鍋爐加水。2.5報警電路設計本系統(tǒng)米用蜂鳴器進行報警，并用兩個LED指示燈表示

13、工作狀態(tài)，紅燈亮綠燈滅表示報 警;紅燈滅綠燈亮表示正常工作。該部分電路與單片機的接口如圖 2.15所示。圖2.15 報警電路電路由限流電阻R1、三極管Q1、兩個二極管和蜂鳴器組成。這個電路并不是一般的放 大電路，三極管不是工作在放大狀態(tài)，而是工作在飽和狀態(tài)和截止狀態(tài)。當基極為低電平 時，晶體管處于飽和狀態(tài)，飽和電壓為Uces=O. 3V，此時，蜂鳴器鳴叫。當基極為高電平時， 晶體管截止，相當于開路，輸出為高電平，蜂鳴器停止鳴叫。2.6按鍵電路設計本系統(tǒng)為符合實際要求，進入系統(tǒng)之前首先對溫度報警值的設置。本系統(tǒng)有三個按鍵 分別為 K1,K2,K3. 如圖 2.17 所示。(1) K1 設置鍋爐溫

14、度報警值的溫度值增加按鍵。 K1 每按下一次，溫度報警值顯示加比 上一次值增加一度。(2) K2 設置鍋爐溫度報警值的溫度值減少按鍵。 K1 每按下一次，溫度報警值顯示比上 一次值減少一度。(3) K3 溫度報警值確定值。圖 2.17 按鍵電路設計3 系統(tǒng)軟件設計 本章講述的系統(tǒng)軟件設計包括鍋爐溫度控制的單片機程序設計以及構成系統(tǒng)的各部分 子程序設計。3.1 主流程圖設計鍋爐溫度控制系統(tǒng)的單片機程序設計主流程圖如圖 3.1 所示。本系統(tǒng)進入執(zhí)行時先對鍋爐水位進行與設定的水位上下限進行判斷，然后按條件不同 處理結果。當鍋爐水位滿足條件的時候再對鍋爐的水溫采樣監(jiān)控，并進行相應的處理。圖 3.1 軟

15、件主流程3.2 中斷程序程序中斷服務程是返回圖 4.2 中斷服務程序4.3 DS18B20 溫度采集子程序設計DS18B20有嚴格的協(xié)議來確保其數據的完整性。協(xié)議包括幾種單線信號類型：復位脈沖， 存在脈沖，寫 0、寫1、讀0、讀1。所有這些信號類型除存在脈沖外，其它的信號均由總線 主機產生。開始與SD18B20進行任何通信。都要對其進行初始化，在接收到復位脈沖后，再對SD18B20進行正確的ROM命令和存貯器操作命令。在總線主機初始化過程，主機通過拉 高單總線，以產生復位脈沖。接著，在主機釋放總線，并進入接收模式。當總線被釋放后， 上拉電阻將總線拉高。 在單總線器件檢測到上升沿后， 接著產生延

16、時， 接著通過拉低總線， 以產生存在脈沖。DS18B20溫度采集子程序流程圖如圖3.3所示。發(fā)出溫度轉換命令跳過ROM匹發(fā)出溫度讀取命令保存米集的溫結束圖3.3 DS18B20溫度采集子程序流程圖3.4 LCD 液晶顯示子程序設計本系統(tǒng)采用是16*2的LCD1602，單片機對其初始化，然后將需要顯示的字符在LCD存儲的地址和要求在 LCD 顯示的地址送出，再檢測 LCD 是否處在忙碌不能接收命令或數 據的狀態(tài)，檢測到LCD空閑時就可以寫數據顯示了。LCD液晶顯示子流程圖如圖3.4所示, 具體實現過程請查閱附錄 LCD 液晶顯示子程序。開始LCD液晶顯示模塊初始化將需要的顯示信息和LCD 的地址

17、送出寫數據顯結束圖 3.4 LCD 液晶顯示子程序流程圖MAIN:CALL TEMP_SETMOV A,#0C9HCALL TEMP_BJLCALL DIS_TEMPMAIN1: MOV 20H,#0LCALL KEYJNB 20H.0,DEC_TEMP ADD_TEMP: INC TEMP_ALLCALL DIS_TEMPAJMP MAIN1DEC_TEMP: JNB 20H.1,CONFIRMDEC TEMP_ALLCALL DIS_TEMPAJMP MAIN1CONFIRM:;顯示設定溫度報警值的信息;設定溫度攝示度標記的顯示位置;顯示溫度攝示度的標記;顯示初始化的報警溫度;調用按鍵掃描

18、程序;報警溫度值加 1;顯示改變后的報警溫度;報警溫度值減 1;顯示改變后的報警溫度JNB 20H.2,MAIN1 ; 如果沒按任何鍵就返回 MAIN1 繼續(xù)掃描;SETB SPK ;LCALL DIS_TEMP1CALLLCALL DIS_TEMP1 MOV A,#0CEHCALL TEMP_BJSTART: CALL RE_18B20_1 度CALL RESET1JNB FLAG1,START11 ;CALL MENU_OK1;MOV A,#0CEH;CALL TEMP_BJMENU_OK1;LCD 顯示溫度采集和水位控制信息 ;顯示已設定的溫度報警值 ;當前溫度攝示度標記的顯示位置;顯示

19、當前溫度攝示度的標記；檢測通道1的DS18B20是否存在 并設置12位精確;18B20復位子程序 檢測18B20是否存在;如果DS1820不存在則跳START11;如果存在則顯示 OK;顯示溫度攝示度的標記JMP START21START11: CALL MENU_ERROR1 ;如果不存在則顯示 ERRORMOV A,#0CBHCALL TEMP_BJ;顯示溫度攝示度的標記JMP STARTSTART21: ;檢查到有溫度傳感器后的處理CALLRESET1;18B20復位子程序，再次檢測18B20是否存在JNBFLAG1,START11QS1820不存在則轉到START11報錯MOVA,#0

20、CCH;跳過ROM匹配CALLWRITE1MOVA,#44H; 發(fā)出溫度轉換命令CALLWRITE1CALLRESET1MOVA,#0CCH;跳過ROM匹配CALLWRITE1MOVA,#0BEH; 發(fā)出讀溫度命令CALLWRITE1CALLREAD1;讀出溫度值到 TEMPH 、TEMPLDISPLAY: CALL DELAY2CALL CONV ；將采集到的溫度在LCD1602顯示出來;LCALL DIS_TEMP1 ;顯示已設定的溫度報警值ADD_WATER:INC WATERLCALL DIS_WATER ； 顯示當前水位的值AJMP COMPARE1; 當前水位與水位上限值 80比較

21、CLR SPK；如果水位大于 80就報警SETB WATER-SW-H;關閉給水泵CLR SPK；如果水位小于 20就報警CLR WATER_SW_H ；如果當前水位低于下限值就打開給水泵開關CLR BOILER_SW;當前溫度超過溫度報警值關閉鍋爐燃燒器開關，停止加熱CLR REDSETB GREENLJMP START；比較完畢 ,重新采集溫度和水位START0:JB flag,LOOP4;如果水位出現報警但溫度沒有出現報警時就繼續(xù)采集溫度和水位SETB SPK;如果水位和溫度都沒有出現報警時就使綠燈亮，然后繼續(xù)采集溫度和水位SETB REDCLR GREENLP：ORL P1,# 03H

22、 ;邏輯或，檢測水位MOV A, P1;讀 P1 口JNB ACC.3, LP1,P1.3=0跳轉到 LP1JBACC.4, LP2;當P1.4=0表示實際水位在下限，跳轉BK： MOV A #20ACALL D2S;調延時2S子程序AJMP LPLP1： JNB ACC 4，L00P3；當 P1.4=0則轉SETB SPK;報警SETB P1.2;使P1 2=1,停止電機工作LP4： SJMP L00P4;出現故障后程序進入等待狀態(tài)LP3： CLR P1.2;啟動電機AJMP BKLP2： SETB P1 2;電動機停止工作電機工作AJMP BKEND；LCD顯示溫度標記子程序TEMP_BJ:;MOV A,#0CAHMOVDPTR,#BJ1 ;指針指到顯示消息MOVR1,#0MOVR0,#2BBJJ1