基于單片機(jī)的電鍋爐控制器的設(shè)計(jì)

1、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科生設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)摘 要電熱水鍋爐是將電能轉(zhuǎn)化為熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)污染和自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已成為供熱采暖的主要設(shè)備。本課題主要研究的是電熱水鍋爐控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題。針對(duì)于電熱水鍋爐，由于它是一個(gè)具有非線性、時(shí)變、大遲延、大慣性和升溫單向性的系統(tǒng)，用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型顯然十分困難，因而用傳統(tǒng)的控制理論和方法對(duì)本系統(tǒng)實(shí)施控制有其局限性，而智能控制正是吸收了人們的生活經(jīng)驗(yàn)、邏輯推理規(guī)則和記憶學(xué)習(xí)的優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)際中已經(jīng)取得了很多價(jià)值性的成果。本文分析了PID控制算法，經(jīng)過(guò)綜合考慮，并鑒于程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單的需要，最終選擇了簡(jiǎn)單易行的位式控制算法，而對(duì)于液位控制，

2、需要實(shí)現(xiàn)過(guò)高過(guò)低水位報(bào)警和狀態(tài)指示，因此選用簡(jiǎn)單易行的電接點(diǎn)液位傳感器。在研究電鍋爐控制算法的同時(shí)，本文還選用了STC89C51單片機(jī),設(shè)計(jì)了鍋爐溫度和水位控制的硬件電路，包括傳感器電路、繼電器控制電路、溫度和水位顯示電路、鍵盤(pán)輸入電路以及水位報(bào)警電路,其中傳感器分別選用了DS18B20溫度傳感器和電接點(diǎn)液位傳感器，由于電接點(diǎn)液位傳感器屬于輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)的位式傳感器，省去了A/D轉(zhuǎn)換電路;控制電路就是通過(guò)繼電器來(lái)控制電磁閥和加熱器，進(jìn)而控制水位和溫度?；谟布娐?，又編寫(xiě)了C語(yǔ)言程序，并通過(guò)KeilC51和Protues軟件聯(lián)調(diào)，進(jìn)行了仿真調(diào)試，獲得較為理想的效果。關(guān)鍵詞：電鍋爐；智能控制；控制

3、算法；STC89C51單片機(jī)；DS18B20AbstractElectric boiler is the device that convert electricity into heat, it has the advantages of simple structure, no pollution and has highautomaticallydegree, which has become the main equipment for heating. The major research direction is the design of electric boiler. For

4、 the electric boiler, because it is a nonlinear, time-varying, long time-delayed, large inertia and unidirectional rising system, it is very difficult to use mathematical method to establish mathematical model and to control this system by using the classical control theory and method. Intelligent c

5、ontrol has produced something valuable in engineering practice, because it brings in the good things such as the experience, logical reasoning and memory from people. This article analyses PID control algorithm，after comprehensive consideration and given the need of simple procedure, we ultimately c

6、hoose positional control algorithm, and for the level control, because it need enable alerting and status display, we choose the electric contact water level sensor.At the same time, we choose the STC89C51 SCM, and design the hardware circuit of temperature and water level control of electric boiler

7、, which includes the sensor circuit, the relay control circuit, temperature and water level display circuit, keyboard circuit, water level alarm circuit. We choose DS18B20 temperature sensor and the electric contact water level sensor, because the water level sensor belongs to position sensor, A/D c

8、onversion circuit is not needed; control circuit can control water level and temperature through the relay controlling solenoidvalveand heater. Based on hardware circuit, we write C language program, and get more ideal control effect through Keil C51 and Protues debugging. Keyword: electric boiler；i

9、ntelligent control；control algorithm；STC89C51 SCM； DS18B20目 錄緒論31.1課題的提出與研究意義31.2國(guó)內(nèi)外研究狀況41.3論文的主要研究?jī)?nèi)容5第二章 被控對(duì)象和被控策略的研究62.1被控對(duì)象分析62.2.1 PID控制基本理論72.2.2 PID控制器的設(shè)計(jì)9第三章 電熱水鍋爐控制器的硬件設(shè)計(jì)113.1系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)113.2單片機(jī)的選擇及電路設(shè)計(jì)123.3溫度檢測(cè)電路133.4水位檢測(cè)電路153.5繼電器控制電路153.6穩(wěn)壓電源電路163.7人機(jī)對(duì)話電路173.7.1鍵盤(pán)電路173.7.2顯示電路183.8報(bào)警電路和水位狀態(tài)指

10、示電路203.9存儲(chǔ)器電路21第四章 電熱水鍋爐控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)224.1軟件設(shè)計(jì)的基本思想224.2程序設(shè)計(jì)流程圖234.3硬件電路仿真264.3.1溫度顯示仿真264.3.2溫度設(shè)定仿真264.3.3溫度控制仿真274.3.4水位控制仿真28結(jié) 論30參考文獻(xiàn)31附錄：系統(tǒng)源程序32附錄：系統(tǒng)總電路圖40附錄：系統(tǒng)Protues總仿真圖41謝辭42第一章 緒論1.1課題的提出與研究意義目前，智能控制得到廣泛應(yīng)用，日常生活中許多場(chǎng)合都需要依據(jù)實(shí)際情況，更加人性化地實(shí)現(xiàn)多方面的控制。電熱水鍋爐是將電能轉(zhuǎn)化為熱能的裝置，采用全新加熱方式，無(wú)污染，相比其他燃煤鍋爐，完全可以稱(chēng)為綠色環(huán)保鍋爐。電加

11、熱鍋爐具有以下特點(diǎn)：無(wú)污染、能量轉(zhuǎn)化效率高、鍋爐本體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性好，并且可采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因而在現(xiàn)實(shí)生活中使用起來(lái)更加方便。鍋爐控制是一種過(guò)程控制，其多個(gè)參數(shù)的變化（如溫度、水位等）具有非線性的特點(diǎn)，單純用數(shù)學(xué)方法建立精確的模型，顯然不切實(shí)際，因此首先選擇合適的控制算法，對(duì)實(shí)現(xiàn)電鍋爐的穩(wěn)定控制和提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性十分重要。單片機(jī)應(yīng)用廣泛，發(fā)展迅速。在過(guò)程控制中，單片機(jī)既可作為主計(jì)算機(jī)，又可作為分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的前端機(jī)，完成模擬量的采集和開(kāi)關(guān)量的輸入、處理和控制計(jì)算，然后輸出控制信號(hào)。單片機(jī)廣泛用于儀器儀表中，與不同類(lèi)型的傳感器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)諸如電壓、濕度、水位、壓力和溫度

12、等物理量的測(cè)量；在日常電器設(shè)備中，單片機(jī)已廣泛用于電視機(jī)、電冰箱、電飯鍋等各種家電設(shè)備中?？傊?，使用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)電熱水鍋爐的多個(gè)參數(shù)控制，既滿足實(shí)際生活和工業(yè)控制的需求，又滿足當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的需要。1.2國(guó)內(nèi)外研究狀況工業(yè)控制在理論上大概分為三個(gè)階段，第一階段為以經(jīng)典控制理論為主要控制方案的初級(jí)階段，可以用PID控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定系統(tǒng)和定值控制；第二階段為以現(xiàn)代控制理論為主要控制方案的發(fā)展階段，以微型計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)復(fù)雜現(xiàn)象進(jìn)行控制，克服干擾和模型變化，以滿足復(fù)雜的工藝要求，提高控制質(zhì)量。第三階段為高級(jí)階段，控制方法主要朝著綜合化和智能化的方向發(fā)展。智能控制理論中，專(zhuān)家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制系統(tǒng)為最

13、有潛力的三種方法，其中模糊控制不僅有行之有效的模糊控制理論為基礎(chǔ)，而且能夠表達(dá)出確定性和不確定性的兩類(lèi)經(jīng)驗(yàn)，并提煉成為知識(shí)進(jìn)而改善已有控制。隨著我國(guó)電力行業(yè)的迅速發(fā)展，電力供應(yīng)緊張的局面已經(jīng)趨于緩和，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，國(guó)家推廣使用燃?xì)忮仩t和電鍋爐。然而，由于燃?xì)忮仩t投資過(guò)大，管道鋪設(shè)受到城市發(fā)展的制約，這就為電熱鍋爐提供了良好的發(fā)展空間。電熱鍋爐同其他燃料鍋爐相比，具有無(wú)污染、熱效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人監(jiān)控的全自動(dòng)化控制，控制系統(tǒng)可采用PLC控制，也可以采用電腦控制，同時(shí)均可轉(zhuǎn)為手動(dòng)；控制方式靈活，加熱方式便利，可采用瞬時(shí)、蓄水和蓄熱等多種方式；安全性能好。從以上優(yōu)點(diǎn)可以看出，電

14、熱鍋爐代表了當(dāng)今環(huán)保鍋爐的發(fā)展趨勢(shì)，在人們崇尚回歸自然，世界各國(guó)環(huán)保要求日趨嚴(yán)格的今天，電熱鍋爐必定會(huì)獲得長(zhǎng)足發(fā)展。電熱鍋爐根據(jù)電加熱原理和加熱元件的不同分以下幾類(lèi)： 電熱管電熱鍋爐、電熱棒電熱鍋爐、電極式電熱鍋爐、電熱板電熱鍋爐、感應(yīng)式電熱鍋爐。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的電熱鍋爐絕大部分是電熱管電熱鍋爐，其原理是電能通過(guò)電熱管電阻轉(zhuǎn)換成熱能。其中電熱管是電熱鍋爐的核心，電熱管質(zhì)量的高低直接影響電熱鍋爐的運(yùn)行可靠性和使用壽命。國(guó)家大力引進(jìn)蓄熱電熱鍋爐，積極引進(jìn)開(kāi)發(fā)電極式電熱鍋爐。電熱鍋爐在我國(guó)起步較晚，其應(yīng)用和發(fā)展是我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)要求相互作用的必然結(jié)果。盡管處于發(fā)展初期，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和使用

15、過(guò)程中還存在很多問(wèn)題，但隨著人們對(duì)電熱鍋爐認(rèn)識(shí)的深入以及生產(chǎn)廠家的技術(shù)進(jìn)步，電熱鍋爐一定會(huì)得到長(zhǎng)足發(fā)展，成為新世紀(jì)廣泛使用的新型綠色環(huán)保鍋爐。1.3論文的主要研究?jī)?nèi)容本課題主要研究了三個(gè)方面的內(nèi)容，首先分析被控對(duì)象，了解了被控對(duì)象的基本特性，并以此為基礎(chǔ)，選擇和分析適當(dāng)?shù)目刂扑惴?；然后設(shè)計(jì)硬件電路圖，根據(jù)器件的參數(shù)，計(jì)算出電阻阻值等，完成器件的選型；最后由硬件電路，設(shè)計(jì)出程序流程圖，完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì),這里選擇用C語(yǔ)言編程，并進(jìn)行Protues仿真。第二章 被控對(duì)象和被控策略的研究1.1被控對(duì)象分析電鍋爐是將電能轉(zhuǎn)化成熱能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，其工作原理與傳統(tǒng)意義上的鍋爐有相似之處，從結(jié)構(gòu)上

16、看有“鍋”和“爐”兩大部分。鍋是指盛放熱介質(zhì)（水）的容器，而“爐”是指電加熱水的電熱轉(zhuǎn)換元件。目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的電鍋爐有很多種型式，從整體結(jié)構(gòu)上分有立式、臥式、多單元式等；從傳熱介質(zhì)上分有熱水鍋爐、蒸汽鍋爐和有機(jī)載體鍋爐；從電加熱原理上可分為電熱管式、電熱棒式、電熱板式、電極式和感應(yīng)式等；從供熱方式上有直熱式和蓄熱式。本文研究的電鍋爐對(duì)象采用電阻式加熱，爐內(nèi)溫度為0100,水位為150cm。電鍋爐安裝圖如圖1-1。排污口電鍋爐排氣閥安全閥泄水閥膨脹水箱散熱片出水口回水口 圖 2-1 電鍋爐安裝圖由上圖可以看出電鍋爐中的熱水經(jīng)過(guò)出水口送至散熱片，通過(guò)散熱片供熱。由此確定溫度是控制參數(shù)，控制量為爐內(nèi)

17、的熱水。通過(guò)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，保證供熱區(qū)的等溫特性；通過(guò)水位判別，可調(diào)節(jié)補(bǔ)水閥的起、停。本文研究的目的是接合電熱水鍋爐溫度上升的特點(diǎn)，對(duì)溫度進(jìn)行控制已達(dá)到調(diào)節(jié)時(shí)間短且穩(wěn)態(tài)誤差小的特點(diǎn)，并采用電接點(diǎn)水位傳感器，有效的控制安全水位。在生產(chǎn)過(guò)程中，控制對(duì)象多種多樣，理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電加熱裝置是一個(gè)具有自平衡能力的對(duì)象，可用二階系統(tǒng)純滯后環(huán)節(jié)來(lái)描述，而二階系統(tǒng)可以通過(guò)參數(shù)辨識(shí)降階為一節(jié)系統(tǒng)。因而可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來(lái)描述溫控電鍋爐系統(tǒng)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。傳遞函數(shù)可表示為： (2-1)式（2-1）中 K對(duì)象的靜態(tài)增益（放大倍數(shù)）； T對(duì)象的時(shí)間常數(shù)； 對(duì)象的純滯后時(shí)間。對(duì)象中的特性參數(shù)對(duì)輸出的影響：1.

18、 K值 放大系數(shù)K值與被控量的變化過(guò)程無(wú)關(guān)，其表示輸入對(duì)輸出穩(wěn)態(tài)值的影響程度。K值越大，表示被控對(duì)象的自平衡能力?。籏值小，表示自平衡能力大。2. 時(shí)間常數(shù)T 時(shí)間常數(shù)T的大小反映對(duì)象受階躍干擾后，被控量達(dá)到新的穩(wěn)定值的快慢程度，即反映了對(duì)象慣性大小的物理量。2.2控制策略研究通過(guò)電熱水鍋爐的對(duì)象分析，我們可以看出只單單采用數(shù)學(xué)方式來(lái)控制電鍋爐的溫度，已經(jīng)不可行了。而PID控制，是經(jīng)典控制中最典型的控制方法，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)，可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，在大多數(shù)情況下能夠滿足系統(tǒng)性能要求。2.2.1 PID控制基本理論P(yáng)ID控制在生產(chǎn)過(guò)程中是一種被普遍采用的方法，是一種比例、積分、微分的并聯(lián)控制器

19、。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-2所示。積分比例微分被控對(duì)象+-+r(t)e(t)u(t)y(t) 圖2-2 PID控制原理圖 理想的PID控制器根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值差值構(gòu)成控制偏差e(t) （2-2）將偏差的比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。 （2-3）式中的為比例系數(shù)；=為積分系數(shù)；=為微分系數(shù)。另外分析一下PID各個(gè)校正環(huán)節(jié)的作用：1. 比例環(huán)節(jié) 比例環(huán)節(jié)可以成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向著最小方向發(fā)展。越大，穩(wěn)定誤差變小，但動(dòng)態(tài)性能變差，振蕩嚴(yán)重，超調(diào)量變大。2. 積分環(huán)節(jié) 積分環(huán)節(jié)可以消除誤差，使輸出量和控制偏差量穩(wěn)定

20、在一個(gè)常值上。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)越大積分作用越弱，反之越強(qiáng)。隨著時(shí)間常數(shù)的減小（積分作用強(qiáng)），靜差減小，但如果過(guò)小就會(huì)加劇系統(tǒng)振蕩，使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。3. 微分環(huán)節(jié) 微分環(huán)節(jié)可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，反映了偏差洗信號(hào)的變化趨勢(shì)，在偏差信號(hào)變太大之前，有效地修正信號(hào)的變化趨勢(shì)，從而減小調(diào)節(jié)時(shí)間。2.2.2 PID控制器的設(shè)計(jì)1.PID控制器在計(jì)算機(jī)中的實(shí)現(xiàn)：PID控制器是通過(guò)計(jì)算機(jī)的PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。然而，輸入計(jì)算機(jī)中的連續(xù)信號(hào)，必會(huì)經(jīng)過(guò)采樣量化處理后，變成數(shù)字量，才能進(jìn)入計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中，所以積分和微分，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。PID控制規(guī)律采用數(shù)值逼近的

21、方式在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)其算法，當(dāng)采樣周期T足夠短時(shí)，用求和代替積分，用差商代替微分，最終使PID算法離散化。所以可做以下近似變換：（2-4）式中T為采樣周期。這樣PID微分方程就轉(zhuǎn)化為PID的差分方程，式（2-3）就可以轉(zhuǎn)化為： （2-5）由（2-5）可以得出 （2-6）式（2-6）即為增量式PID算法。由此可見(jiàn)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，如果確定了三個(gè)系數(shù)，只要使用前3次的測(cè)量值的偏差即可求出控制量的增量。2.設(shè)計(jì)PID控制器的注意事項(xiàng)：在采用正常的PID控制算法時(shí)，只要系統(tǒng)的偏差存在，積分作用就會(huì)增大和減小，而最終可能會(huì)使控制量達(dá)到上限和下限，進(jìn)入飽和范圍。對(duì)于一些時(shí)間常數(shù)較大的被控對(duì)象

22、，在階躍作用下，偏差通常不會(huì)在幾個(gè)采樣周期內(nèi)消除掉，此時(shí)，積分作用很可能會(huì)使輸出值超出正常范圍，這就是積分飽和現(xiàn)象。積分飽和現(xiàn)象會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調(diào)，克服積分飽和現(xiàn)象的方法采用過(guò)限消弱積分法和積分分離法。過(guò)限消弱積分法就是當(dāng)控制變量進(jìn)入飽和區(qū)后，只進(jìn)行削弱積分項(xiàng)的方法；積分分離法就是當(dāng)誤差大于規(guī)定的門(mén)限值時(shí)，去除積分項(xiàng)的作用，這樣就可使積分項(xiàng)不至于過(guò)大，而在誤差較小時(shí)，才加上積分項(xiàng)以消除穩(wěn)態(tài)誤差。數(shù)字PID控制器在進(jìn)入正常的調(diào)節(jié)作用時(shí)，由于此時(shí)的誤差e較小，所以干擾作用可能會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)帶來(lái)較大的影響。為了消除干擾的影響，除了在硬件上采取措施之外，控制算法上也須要做出必要的調(diào)整。在PID控制算法中

23、，差分項(xiàng)對(duì)數(shù)據(jù)的誤差和干擾較為敏感，所以有效的克服差分項(xiàng)的非希望值，對(duì)抑制干擾有著較為明顯的作用。此時(shí)，我們可以采用四點(diǎn)中心差分法對(duì)差分項(xiàng)進(jìn)行改正，已達(dá)到提高系統(tǒng)抗干擾能力的目的。四點(diǎn)中心法的基本思想就是不直接采用誤差值，而是用過(guò)去到現(xiàn)在的四個(gè)采樣時(shí)刻之和的誤差平均值作為基準(zhǔn)值，即 （2-7）那么，通過(guò)加權(quán)求和，構(gòu)成近似微分 （2-8）整理得 （2-9）那么修正后的PID增量型算法：（2-10）以上是PID控制算法的研究，研究控制算法對(duì)實(shí)際控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)極為重要，同時(shí)控制算法的設(shè)計(jì)也關(guān)乎到控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。所以，本文用一個(gè)章節(jié)闡述自己對(duì)PID控制算法的復(fù)習(xí)和理解。

24、PID控制算法以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、容易實(shí)現(xiàn)、可消除穩(wěn)定誤差的優(yōu)點(diǎn)，被多數(shù)應(yīng)用于線性控制系統(tǒng)的控制，控制的物理量多為大小、多少、高低、快慢等，而電熱水鍋爐是一個(gè)非線性系統(tǒng)，并且本系統(tǒng)要求的溫度精度為，所以采用位式控制算法更為簡(jiǎn)單，因?yàn)樗刂频奈锢砹恐挥虚_(kāi)關(guān)和通斷，比如當(dāng)實(shí)際溫度大于設(shè)定溫度上限時(shí)，單片機(jī)控制繼電器關(guān)斷，停止加熱器的運(yùn)行；而當(dāng)實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度下限時(shí)，單片機(jī)控制繼電器導(dǎo)通，加熱器工作，以提升溫度，這樣就能夠保證溫度浮動(dòng)在一個(gè)正常的范圍，達(dá)到較為理想的控制效果。第三章 電熱水鍋爐控制器的硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要以下這樣幾個(gè)模塊：顯示模塊、控制模塊、傳感器

25、轉(zhuǎn)化模塊、輸入設(shè)定模塊、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)模塊和報(bào)警模塊，這幾個(gè)模塊的設(shè)計(jì)又需要單片機(jī)、LED顯示器、溫度和水位傳感器、繼電器和蜂鳴器等。其中，單片機(jī)作為總控器，控制其他器件的工作以及處理數(shù)據(jù)；溫度傳感器把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)處理；LED顯示器用來(lái)顯示實(shí)時(shí)溫度和設(shè)定溫度；繼電器用來(lái)實(shí)時(shí)控制電磁閥和加熱絲；蜂鳴器用來(lái)對(duì)水位報(bào)警。整體方案大致如下：首先通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定溫度的上下限值，溫度傳感器將實(shí)時(shí)測(cè)定的溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，并與設(shè)定溫度值比較，進(jìn)而控制繼電器的通斷，同時(shí)單片機(jī)進(jìn)行水位檢測(cè)和控制（檢測(cè)和控制過(guò)程與溫度控制相近）。最后，測(cè)定和設(shè)置的溫度值需要通過(guò)LED顯示器顯示出來(lái)，而由于

26、水位測(cè)量的是個(gè)大概值，所以可以通過(guò)發(fā)光二極管來(lái)顯示水位的狀態(tài)，同時(shí)用蜂鳴器報(bào)警，以有效地控制水位的升降，然而在實(shí)際控制中會(huì)遇到一個(gè)數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，即斷電復(fù)位時(shí)，所設(shè)定的溫度值會(huì)隨斷電而丟失，因此這里需要加一個(gè)存儲(chǔ)器，以保存初始設(shè)定的溫度上下限值。以下是設(shè)計(jì)的電鍋爐控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖：電 鍋 爐DS18B20電磁閥繼電器繼電器加熱器ST89C51 單 片 機(jī)LED溫度顯示鍵盤(pán)設(shè)定模塊水位報(bào)警模塊電接點(diǎn)水位傳感器繼電器水位狀態(tài)顯示 圖3-1電鍋爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2單片機(jī)的選擇及電路設(shè)計(jì)STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)兼容8051內(nèi)核的單片機(jī)，是高速/低功耗的新一代8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期

27、和6時(shí)鐘可以反復(fù)設(shè)置，其中最新的D版本在內(nèi)部已經(jīng)集成MAX810高電平復(fù)位電路，所以可省去外加的上電復(fù)位電路。該單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：1. 工作電壓為5.5V3.4V（5V單片機(jī)），3.8V2.0V（3V單片機(jī)）；2. 工作頻率范圍：040MHz；3. 片上集成了512字節(jié)/1280字節(jié)RAM；4. ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專(zhuān)用編程器，可通過(guò)串行口（P3.0和P3.1）直接下載用戶程序；5. EEPROM功能；6. 有看門(mén)狗電路；7. 內(nèi)部集成了MAX810高電平復(fù)位電路（只有D版本），外部晶體在低于20M以下時(shí)，可以省去復(fù)位電路；8. 有三個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器；9.

28、外部中斷為2路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷；10. 通用異步串行口(UART);11. 工作溫度范圍：075/-40+85；12. 封裝：PDIP-40，PLCC-44，PQFP-44。圖3-2為單片機(jī)最小系統(tǒng)和外加MAX232轉(zhuǎn)換器的通信接口電路，由于單片機(jī)和電腦之間進(jìn)行串行通訊時(shí)需要滿足一定的條件，即電腦電平是RS232電平的，而單片機(jī)串口是TTL電平的，這之間需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路。我們選用了最新版本的單片機(jī)，內(nèi)部集成了圖中右方的STC810高電平復(fù)位電路。其中EA引腳接高電平，上電復(fù)位后單片機(jī)從內(nèi)部開(kāi)始執(zhí)行程序。 圖3-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)和通信接口電路3.3 溫度檢測(cè)電路1.測(cè)溫傳感器的

29、選取及性能特點(diǎn) 溫度測(cè)量領(lǐng)域，廣泛使用了如熱電阻、熱電偶等一些模擬溫度傳感器，但在硬件電路設(shè)計(jì)上，選擇模擬傳感器無(wú)疑會(huì)增加A/D轉(zhuǎn)換器等，這樣無(wú)非會(huì)使硬件電路變得更為復(fù)雜，同時(shí)還給程序設(shè)計(jì)帶來(lái)麻煩。所以本系統(tǒng)選用一種數(shù)字傳感器DS18B20，它可以直接把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)處理，多個(gè)DS18B20還可以被掛接到同一條總線上。DS18B20的測(cè)溫范圍為,并且精度為。由此可以看出，DS18B20減少了外部的硬件電路，具有成本低的特點(diǎn)。DS18B20完成對(duì)溫度測(cè)量，以12位轉(zhuǎn)化為例：12位轉(zhuǎn)化后得到12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在溫度傳感器2個(gè)8比特的RAM中，這個(gè)二進(jìn)制前5位是符號(hào)位，若這5位為0，只

30、要將測(cè)得的溫度數(shù)值乘以0.0625就可以得到實(shí)際溫度；若溫度小于0，這5位就為1，測(cè)得的溫度數(shù)值取反加1再乘以0.0625就可以得到實(shí)際溫度。對(duì)DS18B20控制主要經(jīng)過(guò)復(fù)位、發(fā)送ROM指令、發(fā)送RAM指令和執(zhí)行或數(shù)據(jù)讀寫(xiě)四個(gè)步驟。2.DS18B20的測(cè)溫原理 如圖3-3所示，低溫度頻率振蕩器所受溫度影響較小，產(chǎn)生穩(wěn)定頻率的脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器1；高溫度系數(shù)振蕩器隨著溫度變化它的振蕩頻率明顯發(fā)生改變，產(chǎn)生的信號(hào)可以作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。高溫度系數(shù)振蕩器可以將溫度信號(hào)T轉(zhuǎn)化為頻率f。內(nèi)部還含有計(jì)數(shù)門(mén)可以對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器脈沖計(jì)數(shù)，完成了溫度測(cè)量過(guò)程。計(jì)數(shù)門(mén)的開(kāi)通時(shí)間由高溫振蕩器決定，測(cè)量之前，將對(duì)應(yīng)

31、的基數(shù)置入減法計(jì)數(shù)器和溫度寄存器中。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度振蕩器的脈沖值減法計(jì)數(shù)，當(dāng)預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器開(kāi)始加1計(jì)算，而圖3-3 DS18B20測(cè)量溫度原理圖原先的計(jì)數(shù)器1的預(yù)置重新裝入，重新開(kāi)始對(duì)低溫振蕩器所產(chǎn)生的脈沖計(jì)數(shù)，如此循環(huán)，直到計(jì)數(shù)器2的值為0，溫度寄存器停止累加，而這時(shí)溫度寄存器的值就為被測(cè)溫度。3.DS18B20連接電路圖 如圖3-4所示，我們選擇了外部供電的連接方式（還有寄生電源供電方式），在溫度傳感器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化時(shí)，總線上必須有較強(qiáng)的上拉，所以這里連接了一個(gè)4.7的上拉電阻。 圖3-4 DS18B20連接電路圖3.4水位檢測(cè)電路 圖3-5 水位檢測(cè)電路如圖3-5所示，該電

32、路為電接點(diǎn)水位傳感器電路圖，由于水具有導(dǎo)電性，在探測(cè)電極未接觸水面時(shí)，水位傳感器輸出為高電平，而探測(cè)電極接觸水面時(shí)，水位傳感器輸出低電平，這樣傳感器就可以將采集到的開(kāi)關(guān)信號(hào)送入單片機(jī)中，在單片機(jī)中進(jìn)行比較操作，同時(shí)控制電磁閥的通斷。然而，由于水的導(dǎo)電性較為微弱，因此電極送出的電信號(hào)也較為微弱，不能直接送入單片機(jī)，所以需要外加PNP三極管對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大。3.5繼電器控制電路這里的繼電器控制電路包括兩個(gè)部分，一個(gè)是繼電器控制加熱器進(jìn)而控制溫度的升降，如圖3-6所示；一個(gè)是繼電器控制電磁閥進(jìn)而控制水位的升降，如圖3-7所示。該電路部分由繼電器Relay-SPDT、光電耦合器TIL117、驅(qū)動(dòng)

33、器7407、二極管1N4001和電阻組成，通過(guò)控制電磁繼電器的通斷來(lái)控制加熱器和電磁閥。當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度下限時(shí)，單片機(jī)給P0.4送一個(gè)高電平光電耦合器導(dǎo)通，然后光電耦合器驅(qū)動(dòng)三極管9013導(dǎo)致電磁繼電器閉合從而讓220V交流電接通，加熱器加熱進(jìn)而提升溫度，電磁閥的控制和加熱器控制類(lèi)似。圖3-6 繼電器控制加熱器電路光電耦合器TIL117是以光為媒介傳輸電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器件，起到耦合脈沖信號(hào)和隔離單片機(jī)系統(tǒng)和輸出部分的作用，使兩部分電流相互獨(dú)立。9013三極管可提供300mA的驅(qū)動(dòng)電流，適用于繼電器線圈工作電流小于300mA的使用場(chǎng)合，其放大倍數(shù)大于50，繼電器線圈工作電流為300mA時(shí)，光電耦合

34、器需要輸出大于6.8mA的電流，其中晶體管基極對(duì)地的電阻分流約為0.8mA，輸入光電耦合器的電流必須大于13.6mA，才能保證向繼電器提供300mA的電流。這里由光電耦合器組成開(kāi)關(guān)電路能夠很好地將單片機(jī)信號(hào)穩(wěn)定地送給繼電器驅(qū)動(dòng)繼電器閉合。繼電器是具有隔離功能的自動(dòng)開(kāi)關(guān)元件，主要是起自動(dòng)控制作用，這里所選的繼電器的工作電壓為12V，我們采用+5V的直流電來(lái)控制220V的交流電，以達(dá)到控制加熱器和電磁閥的作用，其實(shí)就是一種以弱電來(lái)控制強(qiáng)電的過(guò)程。3.6穩(wěn)壓電源電路穩(wěn)壓電源電路一般由電源變壓器、整流、濾波電路和穩(wěn)壓電路等部分組成，如圖3-7所示。圖 3-7 直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)框圖穩(wěn)壓電路主要由穩(wěn)壓器組

35、成，集成穩(wěn)壓器是一種集成化的串聯(lián)型穩(wěn)壓器，目前常用的是能夠輸出正或負(fù)電壓的三端集成穩(wěn)壓器。由于該電路設(shè)計(jì)需要5V和12V電壓，故選擇LM7805和LM7812三端穩(wěn)壓器組成兩個(gè)穩(wěn)壓電源電路，如圖3-8。在該電路中C4和C5分別起平波和濾波的作用，C6和C7也起到濾波作用，一般選擇的濾波電容值滿足,此時(shí)輸出電壓的平均值為。 圖3-8 穩(wěn)壓電源電路3.7人機(jī)對(duì)話電路鍵盤(pán)是人機(jī)對(duì)話電路中常用的設(shè)備，本設(shè)計(jì)是用鍵盤(pán)來(lái)設(shè)定溫度的上下限值；顯示器可以反映出系統(tǒng)的工作狀態(tài)和運(yùn)行結(jié)果，本設(shè)計(jì)是用七段數(shù)碼管來(lái)顯示設(shè)定溫度和傳感器所測(cè)溫度。3.7.1 鍵盤(pán)電路本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立按鍵式接口，每個(gè)鍵盤(pán)單獨(dú)占有一個(gè)I/O口

36、，而每根I/O口的按鍵狀態(tài)不會(huì)影響其他I/O線的工作狀態(tài)，這樣就可通過(guò)程序掃描查詢(xún)的方式實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)交互，在程序查詢(xún)方式下，通過(guò)I/O端口讀入按鍵狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，相應(yīng)的I/O端口變?yōu)榈碗娖?，而未被按下的按鍵由于P口懸空而為高電平，這樣通過(guò)讀I/O口的狀態(tài)判斷是否有按鍵按下，系統(tǒng)按鍵電路如圖3-9所示。在本設(shè)計(jì)中，每個(gè)鍵的功能不同，分別為切換、加1、減1和跳出四個(gè)功能，通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)定和模式的切換。 圖3-9 鍵盤(pán)輸入電路3.7.2 顯示電路7段LED數(shù)碼管是利用7個(gè)LED（發(fā)光二極管）外加一個(gè)小數(shù)點(diǎn)的LED組合而成的顯示設(shè)備，可以顯示09和小數(shù)點(diǎn)，這類(lèi)數(shù)碼管可以分為公陰極與共陽(yáng)極兩種

37、，共陽(yáng)極就是把所有LED的陽(yáng)極連接到共同的結(jié)點(diǎn)，而每 共陽(yáng)極數(shù)碼管 共陰極數(shù)碼管圖3-10數(shù)碼管原理電路個(gè)LED的陰極分別為a,b,c,d,e,f,g及dp（小數(shù)點(diǎn)）；共陰極就是把所有LED的陽(yáng)極連接到共同的結(jié)點(diǎn)，而每個(gè) LED的陽(yáng)極分別為a,b,c,d,e,f,g及dp（小數(shù)點(diǎn)），如圖310所示。數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)方式可分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類(lèi)。靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)就是每個(gè)數(shù)碼管的每個(gè)段都要由一個(gè)單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用二十進(jìn)制譯碼器譯碼并驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)具有編程簡(jiǎn)單，亮度高等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)占用I/O端口多，較為浪費(fèi)資源。動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)同名端連在一起，位選端由獨(dú)立P口控制，當(dāng)單片機(jī)輸

38、出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管接收到相同的字形碼，但哪個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，就取決于單片機(jī)對(duì)位選通端的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開(kāi)，該位就顯示出需要顯示的字形。 由上述分析可知，選用動(dòng)態(tài)掃描方式可以大大減小I/O端口的使用量，故本設(shè)計(jì)采用共陽(yáng)極數(shù)碼管和動(dòng)態(tài)掃描的方式。電路設(shè)計(jì)如圖3-11，位選端由PNP三極管9012驅(qū)動(dòng)，外加4.7K的電阻，以使發(fā)光二極管工作在正常電流范圍內(nèi)。段選端加排阻，并用74LS244驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。以下是對(duì)三極管基極電阻阻值的計(jì)算過(guò)程： 圖3-11 顯示電路連接方式我所選用的LED每個(gè)發(fā)光二極管的工作電壓為1.82.2V，這里選取為2V；工作電流為1020m

39、A，這里選為15mA。三極管9012的放大倍數(shù)為150左右，所以 （3-1）； （3-2）所以可以求出，這里通過(guò)查閱一部分資料，將基極電阻值選取為。3.8報(bào)警電路和水位狀態(tài)指示電路在水位控制時(shí)，本設(shè)計(jì)選用蜂鳴器作為水位報(bào)警電路，當(dāng)水位低于下限和高于上限時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，至于如何知道水位偏高還是偏低，可通過(guò)圖3-5水位檢測(cè)電路的發(fā)光二極管顯示水位狀態(tài)。蜂鳴器發(fā)聲原理是電流通過(guò)內(nèi)部的電磁線圈，進(jìn)而產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)膜發(fā)聲，因此需要一定的電流，而單片機(jī)發(fā)出的TTL電平驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，所以需要加一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大電路，本設(shè)計(jì)選取8055三極管作為蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電路。如圖3-12所示，蜂鳴器的正極接高電平，負(fù)極接

40、三極管8055的基極，通過(guò)電阻R24由單片機(jī)P3.7口控制。當(dāng)P3.7口為高電平時(shí)，三極管截止，此時(shí)蜂鳴器不發(fā)聲；當(dāng)P3.7為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器電流形成一個(gè)回路，蜂鳴器發(fā)出聲響。所以我們可以通過(guò)程序來(lái)控制P3.7口的高低電平進(jìn)而控制蜂鳴器的響停。 圖3-12 蜂鳴器報(bào)警電路本設(shè)計(jì)還加入了發(fā)光二極管LED作為水位狀態(tài)指示，如圖3-13所示，發(fā)光二級(jí)管的正極接+5V的電源，負(fù)極通過(guò)1的限流電阻接到單片機(jī)的I/O口。當(dāng)實(shí)際水位達(dá)到或低于圖3-5所示的超低報(bào)警電極所對(duì)應(yīng)的水位時(shí)，RED發(fā)光二極管發(fā)出紅光同時(shí)蜂鳴器報(bào)警；當(dāng)實(shí)際水位達(dá)到或高于圖3-5所示的超高報(bào)警電極所對(duì)應(yīng)的水位時(shí)，RED發(fā)光二

41、極管發(fā)出紅光同時(shí)蜂鳴器報(bào)警；當(dāng)實(shí)際水位位于兩者之間時(shí)，GREEN發(fā)光二極管發(fā)光，蜂鳴器關(guān)閉，這表明水位處于正常工作狀態(tài)。圖3-13 水位狀態(tài)指示電路3.9存儲(chǔ)器電路為防止系統(tǒng)掉電后，所設(shè)定的溫度上下限值丟失，本設(shè)計(jì)在電路中加入了24C02存儲(chǔ)器電路，這樣即使系統(tǒng)掉電，系統(tǒng)仍然保存先前設(shè)定的溫度上下限值，減少設(shè)定溫度的麻煩，同時(shí)提高了電鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。AT24C02是存儲(chǔ)容量為2KB，內(nèi)部可分為32頁(yè)，每頁(yè)8B，即結(jié)構(gòu)為2568B的串行,其工作電壓為2.55.5V，擦寫(xiě)次數(shù)可以達(dá)到10萬(wàn)次以上，數(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)，并且具有一個(gè)16B的頁(yè)寫(xiě)緩沖器，操作時(shí)有兩種尋址方式，為芯片尋址和片內(nèi)子地址尋址

42、。芯片可通過(guò)串行總線接口進(jìn)行操作，具有寫(xiě)保護(hù)、可靠性高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。圖3-13是24C02連接電路圖，其中A1、A2、A3、WP都接地，SDA接單片機(jī)的P2.5，SCL接單片機(jī)的P2.4口，SDA與SCL分別與Vcc之間接一個(gè)10的上拉電阻，這是因?yàn)锳T24C02總線內(nèi)部為漏極開(kāi)路形式，不接上拉電阻無(wú)法確定總線空閑時(shí)的電平狀態(tài)。 圖3-13 24C02連接電路圖第四章 電熱水鍋爐控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件設(shè)計(jì)的基本思想溫度控制系統(tǒng)和水位控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是電熱水鍋爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，硬件設(shè)計(jì)電路要在軟件的配合下才能完成預(yù)先設(shè)定好的各種功能。硬件設(shè)計(jì)是具有通用性的，然而軟件控制是針對(duì)于某一個(gè)特

43、定對(duì)象的，可以完成硬件所不能完成的特定功能。軟件的設(shè)計(jì)靈活性大，可以隨著系統(tǒng)要求而改變。單片機(jī)的智能化功能需要有軟件來(lái)完成。溫度和水位系統(tǒng)軟件在程序設(shè)計(jì)時(shí)采取了模塊化的設(shè)計(jì)方法，即將系統(tǒng)的各個(gè)功能分塊編寫(xiě)和調(diào)試仿真，如果所有的模塊程序都調(diào)試成功，就可以將各個(gè)模塊連接，從而構(gòu)成單片機(jī)的軟件系統(tǒng)。通過(guò)整體設(shè)計(jì)，可得到整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：主程序（流程圖如圖4-2）、中斷程序（流程圖如圖4-1）和各個(gè)功能子程序。系統(tǒng)主程序用來(lái)控制水位顯示和報(bào)警，以及電磁閥的控制，這樣可以使主程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單；中斷程序負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)的中斷事件，這里主要用來(lái)控制溫度設(shè)定、顯示和數(shù)值存儲(chǔ)，以及加熱器的控制；各個(gè)功能子程序?qū)崿F(xiàn)

44、系統(tǒng)的各個(gè)子功能。以上就是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的基本思想。T0中斷入口賦T0初值溫度設(shè)定值存入24C02單元鍵盤(pán)設(shè)定溫度值DS18B20處理溫度值LED顯示繼電器控制溫度 圖4-2 中斷程序流程圖開(kāi)始系統(tǒng)初始化T0初始化T0運(yùn)行亮紅燈，蜂鳴器報(bào)警是否到水位下限？自動(dòng)上水亮紅燈，蜂鳴器報(bào)警是否到水位上限？亮綠燈關(guān)閉電磁閥 圖4-2 主程序流程圖4.2程序設(shè)計(jì)流程圖1.按鍵程序設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的鍵盤(pán)主要用來(lái)設(shè)定溫度上下限值的，采取獨(dú)立按鍵的式接口，這樣就可以根據(jù)P口的高低電平來(lái)判斷鍵的狀態(tài)，由于我們只使用了一個(gè)LED顯示器，既要顯示DS18B20測(cè)量的實(shí)際溫度，又要顯示設(shè)定溫度值，故需要用鍵盤(pán)進(jìn)行切換模式，同

45、時(shí)對(duì)設(shè)定溫度進(jìn)行加減運(yùn)算，當(dāng)然在確定設(shè)置的溫度上下限后還需要跳出功能，圖4-3是鍵盤(pán)程序的設(shè)計(jì)流程圖。2.繼電器控制程序設(shè)計(jì) 經(jīng)過(guò)以上分析，我最終選擇了位式控制算法，通過(guò)單片機(jī)送高低電平來(lái)控制電磁繼電器的通斷，進(jìn)而控制電磁閥和加熱器的控制，實(shí)現(xiàn)溫度和水位的雙重控制。3.LED顯示程序設(shè)計(jì) LED顯示程序分成了兩部分，并分別編入了采集溫度顯示和鍵盤(pán)設(shè)定溫度顯示的程序中。選擇共陽(yáng)極數(shù)碼管，采用動(dòng)態(tài)顯示法，通過(guò)不停的掃描字位口，從而實(shí)現(xiàn)不同字位的數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)掃描結(jié)果，位選信號(hào)P2口與數(shù)碼管的亮滅有關(guān)。整個(gè)顯示過(guò)程其實(shí)就是定義字形和字位口的地址，得到地址后，向不同的字位送數(shù)據(jù)，進(jìn)而顯示數(shù)據(jù)。圖4-4為L(zhǎng)

46、ED顯示流程圖。K1=0?flag=0?K2=0?set_temp_h+K4=0?set_temp_h-K3=0?flag=1?flag=0顯示設(shè)定值顯示設(shè)定值設(shè)定set_temp_l值圖4-3 鍵盤(pán)設(shè)定溫度程序流程圖開(kāi) 始顯示緩沖區(qū)初始化指定字型口查表得到字型碼送指定字位碼延時(shí)10ms 圖4-4 LED顯示程序流程圖4.溫度采集程序設(shè)計(jì) 溫度的采集主要通過(guò)DS18B20傳感器完成的，采集后的溫度需要送數(shù)碼管顯示，同時(shí)與設(shè)定溫度比較，通過(guò)繼電器控制加熱器完成整個(gè)溫度的控制過(guò)程，DS18B20測(cè)溫程序流程圖如圖4-5所示。DS18B20初始化跳過(guò)ROM接受溫度變換指令將數(shù)據(jù)送單片機(jī)連續(xù)兩個(gè)單元數(shù)

47、據(jù)處理并顯示圖4-5 溫度采集流程圖4.3硬件電路仿真Keil C51 軟件是單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件之一，集編輯、編譯和仿真于一體，支持匯編、PLM 語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)。所以可通過(guò)Keil C51軟件對(duì)編寫(xiě)的程序進(jìn)行調(diào)試，以此驗(yàn)證程序的正確性。而Protues是模擬單片機(jī)外圍器件的工具，由它可對(duì)單片機(jī)硬件電路進(jìn)行仿真。4.3.1溫度顯示仿真如圖4-6所示，顯示器上的數(shù)據(jù)與DS18B20實(shí)測(cè)的溫度值相同，說(shuō)明顯示器能正確地顯示實(shí)測(cè)溫度，滿足設(shè)計(jì)要求。 圖4-6 溫度顯示仿真4.3.2溫度設(shè)定仿真通過(guò)K1鍵切換到溫度設(shè)定模式（包括上限值和下限值），然后由K2鍵對(duì)設(shè)定溫度執(zhí)行加法運(yùn)算，K3鍵對(duì)設(shè)

48、定溫度執(zhí)行減法運(yùn)算，最終由K4鍵確定設(shè)定的溫度上、下限值，并退出設(shè)定模式，如圖4-7所示，設(shè)定上限溫度為，如圖4-8所示，設(shè)定下限溫度為。 圖4-7 設(shè)定上限溫度 圖4-8 設(shè)定下限溫度4.3.3 溫度控制仿真這里主要通過(guò)給繼電器送高低電平，來(lái)控制繼電器的通斷，進(jìn)而控制加熱器的通斷。比如當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度下限時(shí)，單片機(jī)給繼電器送一個(gè)高電平，光電耦合器導(dǎo)通，加熱器加熱，溫度上升；當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度上限時(shí)，光電耦合器管斷，加熱器停止加熱，溫度不再上升。如圖4-9所示，當(dāng)溫度低于下限值時(shí)，繼電器閉合（圖中P0.6口為高電平），此時(shí)，加熱器工作，溫度上升；如圖4-10所示，當(dāng)溫度高于上限值時(shí)，繼電器斷

49、開(kāi)（圖中P0.6口為高電平），此時(shí)，加熱器停止加熱。 圖4-9 實(shí)測(cè)溫度低于溫度下限值 圖4-10 實(shí)測(cè)溫度高于溫度上限值4.3.4水位控制仿真水位控制和溫度控制的過(guò)程類(lèi)似，本設(shè)計(jì)用四個(gè)開(kāi)關(guān)近似模擬水位傳感器的四個(gè)電極。當(dāng)水位低于下限值時(shí)，電磁閥打開(kāi)，自動(dòng)上水，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警，紅色發(fā)光二極管發(fā)光,如圖4-11所示，圖中P0.7即繼電器接口為高電平，電磁閥閉 圖4-11 水位為超低報(bào)警水位合；當(dāng)水位高于上限值時(shí)，電磁閥關(guān)閉，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警，紅色二極管發(fā)光，如圖4-12所示，圖中P0.7為低電平，電磁閥斷開(kāi)；其他情況蜂鳴器不報(bào)警，綠色二極管發(fā)光，表明水位處于正常狀態(tài)，如圖4-13所示。 圖4-12

50、 水位為超低報(bào)警水位 圖4-13 水位為正常水位結(jié) 論基于STC89C51單片機(jī)的電熱水鍋爐控制系統(tǒng)，在硬件上有一下特點(diǎn)：（1） 對(duì)于液位檢測(cè)，采用簡(jiǎn)單的電接點(diǎn)水位傳感器，輸出的直接是開(kāi)關(guān)信號(hào)，無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過(guò)單片機(jī)分析后，控制電磁閥的通斷。（2） 對(duì)于溫度檢測(cè)，采用DS18B20溫度傳感器，將采集到的溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并由單片機(jī)控制加熱器的通電和斷電。（3） 采用了24C02存儲(chǔ)器電路，可以將第一次設(shè)定的溫度上下限值保存起來(lái)，避免掉電后，設(shè)定值清零。在軟件上有以下特點(diǎn)：（1） 溫度部分采用位式控制算法，簡(jiǎn)單易行，滿足控制精度，同時(shí)使程序編寫(xiě)更為容易。（2） 程序編寫(xiě)中加入了

51、中斷，達(dá)到水位和溫度同時(shí)控制而又不相互干擾的效果?？傊撓到y(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)力求簡(jiǎn)單、方便而又容易控制，并注重軟硬件的相互聯(lián)系，努力使系統(tǒng)控制達(dá)到更好的效果。參考文獻(xiàn)1 曹新鳳.模擬預(yù)測(cè)控制在鍋爐供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用研究D.蘭州理工大學(xué)，20112 王華.智能型電熱鍋爐控制器的設(shè)計(jì)J.商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，20103 王樹(shù)東.基于單片機(jī)的學(xué)習(xí)型專(zhuān)家系統(tǒng)水位控制器J.蘭州理工大學(xué)，20094 閻煥忠.電熱水鍋爐的溫度模糊控制器設(shè)計(jì)J. 沈陽(yáng)建筑工程學(xué)院自控系,20015 陳大林.一種鍋爐水溫智能控制器的設(shè)計(jì)J.東南大學(xué)，20056 張國(guó)俊.使用單片機(jī)對(duì)熱水鍋爐的控制J.浙江工業(yè)大學(xué)，20057 路佳明.基于模糊PID控制的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)的研究J.哈爾濱理工大學(xué)，20078 周向紅.51單片機(jī)課程設(shè)計(jì)M.華中科技大學(xué)出版社，20019 李金平 沈明山.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.電子工業(yè)出版社，2012附錄：系統(tǒng)源程序#include #include #define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define sled_WD_port P1 /段碼線#define sled_wm_port P2 /位碼線#define WriteDeviceAddress 0xa0 /定義24C02器件