畢業(yè)設計-基于單片機的小型開水鍋爐控制系統(tǒng)

1、中南林業(yè)科技大學本科畢業(yè)設計 基于單片機的小型開水鍋爐控制系統(tǒng)摘要 本文介紹了一種基于單片機的小型開水鍋爐控制系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的工作原理、硬件結(jié)構(gòu)及軟件流程。本系統(tǒng)采用ATMEL公司單片機系列中的AT89S52為 CPU，采用雙線串行CMOS型電可檫寫存取器AT24C02A記憶用戶的溫度設定值，采用固態(tài)繼電器SSR作為控制驅(qū)動電路的開關(guān)器件，用獨特的新型單線智能數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為測溫元件，測溫精度可達 0.5，這種數(shù)字傳感器可以與單片機直接連接無需其它電路。此外在配上固態(tài)繼電器控制水泵的補水開關(guān)，完成對水位的控制。本文還設計了三個控制按鍵和LCD1602顯示器。三個按鍵可實現(xiàn)開

2、水房水溫的預置和實際溫度的切換。LCD1602顯示器可實時顯示水溫和水位，并能通過控制按鍵切換至預置溫度界面。實際使用證明該系統(tǒng)具有良好的控制效果。關(guān)鍵詞 單片機AT89S52，數(shù)字溫度傳感器DS18B20，水溫控制，水位控制Title Based on single-chip of small boiling water boiler control system Abstract:This article describes a new type of intelligent control system of automatic electric boilers, and give th

3、e systems working principle, hardware structure and software flow. The system uses ATMEL Corporation AT89S52 single-chip series for the CPU, using two-wire serial CMOS-based electricity can be Sassafras Writing AT24C02A memory device users access to temperature settings, the use of SSR as a switchin

4、g device, using a unique new one-way intelligent DS18B20 digital temperature sensor as a temperature measurement components, temperature measurement accuracy of up to 0.5 , such a digital sensor can be directly connected with the single-chip microcomputer without other circuits. In addition，Water pu

5、mp relay control switch, water level control to achieve. This article has designed five controls pressed keys and LCD1602 monitor. Three pressed keys may realize the function of water temperature initialization and the actual temperature cutting as well as the cancellation reports to the police.LCD1

6、602 monitor may display the water temperature and water level in time, and can cut to the pre-placed temperature through the control pressed key. Actual use to prove that the system has good control effect.Keywords: Singlechip AT89S52, Water temperature control, Water level control, Digital Temperat

7、ure Sensor1 緒論1.1 研究背景和國內(nèi)外現(xiàn)狀 當前，節(jié)能與環(huán)保已成為人類社會面臨的兩大課題。我國的鍋爐目前以煤為主要燃料，耗煤量接近全國煤產(chǎn)量的三分之一。在歐美和日本等發(fā)達國家，石油和天然氣已成為第一能源，占能源消費的60%左右，燃油和燃氣鍋爐已逐步取代燃煤鍋爐，對風機和水泵等典籍的變頻控制已相當成熟。自20世紀90年代以來，隨著大型可編程控制器、單片機的出現(xiàn)和模糊控制、自適應控制等職能控制算法的發(fā)展應用，鍋爐控制水平大大提高，已實現(xiàn)優(yōu)化控制。 國內(nèi)對鍋爐控制的研究起步較晚，始于80年代初期。國內(nèi)研究鍋爐控制比較成熟的企業(yè)有上海杜比公司、南京仁泰公司等。此外還有一些科研院校和企業(yè)開

8、發(fā)的各種智能鍋爐控制系統(tǒng)，如清華大學動力工程與控制學院為亞運村北辰供熱廠熱水鍋爐的改造開發(fā)的鍋爐控制系統(tǒng)，采用“一控四”方案，即一臺主機控制四臺鍋爐。隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，電加熱控制系統(tǒng)的鍋爐正在興起。如今的北京，電鍋爐家族可謂越來越寵大了，國內(nèi)的國外的品牌應有盡有，運行效果最好的是美國的白浪電鍋爐。該設備為立式圓柱形，占地少，其體積最小的直徑，設備安裝很方便，操作簡單，運行穩(wěn)定且可同時提供采暖和生活用水。具有多種時段溫控，預設功能，可到經(jīng)濟運行的目的，很多別墅項目一般采用電鍋爐取水。工業(yè)生產(chǎn)生活中，在很多方面都對溫度有不同的要求。如用于熱處理的加熱爐、用于熔化金屬的鍋爐以及各種不同用途的加

9、熱爐反應爐，如用于水泥生產(chǎn)中的大型鍋爐和生活中的供開水用小型鍋爐等，這樣溫度就成為了其對象中一種重要的被測控對象。在傳統(tǒng)的小型開水鍋爐控制中，由于控制對象相對較小且又不重要，有相當一部分還是采用人工控制或是繼電接觸式的控制方式，自動化程度低，調(diào)節(jié)精度差，且單靠人工操作已不能適應當今高效、低耗、低勞動強度的要求。因此，對這種控制系統(tǒng)進行改造是適應發(fā)展的需要的。1.2 研究意義和應用發(fā)展 在我國，傳統(tǒng)的開水鍋爐控制中多以燃煤和燃油為主，而且相當一部分還是采用人工控制或是繼電接觸式的控制方式，自動化程度低，調(diào)節(jié)精度差，給人們的生產(chǎn)和生活也帶來了巨大的危害。因此，對傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)進行改造是適應今后發(fā)展

10、的迫切需要。隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，人們逐漸采用電加熱控制系統(tǒng)。本設計就是針對燃煤和燃油鍋爐所存在的問題，開發(fā)了一種多功能智能的電鍋爐控制系統(tǒng)。本論文設計的小型開水鍋爐自動控制系統(tǒng)中采用的就是以單片機作為控制中心，采用電力作為燃料，不僅能夠使控制系統(tǒng)具有精度高、功能強、經(jīng)濟性好的特點，還節(jié)約能源，利于環(huán)保，在改善勞動條件等方面都顯示了無比的優(yōu)越性。另外該設計的控制系統(tǒng)還具有超溫、高低水位保護、顯示及報警等功能，保證鍋爐正常安全的工作，實現(xiàn)自動化控制。單片機作為自動控制中的一個核心器件在小型自動控制系統(tǒng)及信號采集方面已經(jīng)被廣泛應用，技術(shù)也相對較成熟，它不僅有體積小，安裝方便，功能較齊全等優(yōu)點，而

11、且有很高的性價比，應用前景廣，在小型開水鍋爐自動控制中采用單片機作為控制中心，不但能夠使控制系統(tǒng)具有精度高、功能強、經(jīng)濟性好的特點，即節(jié)約能源，還在改善勞動條件等方面都顯示了無比的優(yōu)越性。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及方案論證小型開水鍋爐控制系統(tǒng)主要由單片機模塊、溫度控制模塊、水位控制模塊、顯示模塊、按鍵模塊、加熱機構(gòu)、加水機構(gòu)等七大模塊組成。整個系統(tǒng)框圖如下： 圖2.1 系統(tǒng)組成框圖小型開水鍋爐控制系統(tǒng)的工作原理如圖2.1所示。鍋爐采用電加熱的方式，水源由水泵供給，水溫可以通過按鍵預置，由溫度傳感器檢測出出水口處水的溫度并送給單片機，然后單片機將實際水溫送至LCD1602液晶顯示，同時單片機將采集到的實

12、際水溫與預置溫度相比較，若實際溫度在預置溫度范圍內(nèi)，就關(guān)閉電熱絲；若實際水溫不在預置溫度范圍內(nèi)，就接通電熱絲給鍋爐加熱，若超過預置溫度極限，控制系統(tǒng)就會報警。根據(jù)連通器原理，同鍋爐相連的玻璃管中的水位與鍋爐里的水位相同，由74LS04和74LS244組成的水位檢測電路的四個探針來檢測水位并將采集到的信息送給單片機，當水位高于最高水位時，就關(guān)閉水泵；當水位低于下限水位時，就打開水泵；當水位低于或高于極限水位時，就會報警。溫度傳感器數(shù)據(jù)處理加熱電熱絲2.1 溫度檢測與控制 圖2.2 溫度控制流程圖如圖2.2所示，溫度傳感器將鍋爐出水口水溫資料檢測出來并傳給單片機系統(tǒng)，系統(tǒng)再將此數(shù)據(jù)處理后送給顯示電

13、路，并判斷是否接通電熱絲給鍋爐加熱。傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究和生活等領(lǐng)域，數(shù)量高居各種傳感器之首。近百年來，溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段：(1)傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感組件)；(2)模擬集成溫度傳感器控制器；(3)智能溫度傳感器。 在實際溫度檢測過程中，如何選用傳感器顯得至關(guān)重要。國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。目前，集成溫度傳感器在溫度檢測系統(tǒng)中應用越來越多，而其輸出信號形式大致有電壓、電流和數(shù)字三類。方案一：采用輸出電壓式集成溫度傳感器AN6700S電壓式溫度傳感器AN670

14、0S是日本松下公司研制的一種具有靈敏度高、線性度好、高精度和快速響應的特點的電壓輸出型集成溫度傳感器，它有四個引腳，(a)正電源供電 （b）負電源供電 （c）輸出極性顛倒圖2.3 AN6700S的連接方式其接線方式有三種：正電源供電、負電源供電、輸出極性顛倒，如圖2.3所示。其中1、2腳為輸出端， 3、4接外部校正電阻RC，用來調(diào)整25C下的輸出電壓，使其等于5V，RC的阻值在330kW范圍內(nèi)。這時靈敏度可達109+110mV/C，在-1080C范圍內(nèi)基本誤差不超過1C，溫度的分辨率可達0.1C。這種集成傳感器在靜止空氣中的時間常數(shù)為24s，在流動空氣中為11s。電源電壓在515V間變化，所引

15、起的測溫誤差一般不超過2C。整個集成電路的電流值一般為0.4mA，最大不超過0.8mA（RL=時）。實驗證明：如果環(huán)境溫度為20C，當RC=1kW時，AN6700S輸出電壓為3.189V；當RC=10 kW時，AN6700S輸出電壓為4.792V；當RC=100 kW時，AN6700S輸出電壓為6.175V。因此，使用AN6700S檢測一般環(huán)境溫度時，適當調(diào)整校正電阻RC，不用放大器可直接將輸出信號送入A/D轉(zhuǎn)換器，再給微處理器進行處理、顯示、打印或存儲等。AN6700S雖然靈敏度高，響應速度快，但用于測量水溫，相對測溫范圍過窄。方案二：采用輸出數(shù)字式集成溫度傳感器DS18B20DS18B20

16、溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫組件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20的性能特點如下： 獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信； 多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能； 無須外部器件； 可通過資料線供電，電壓范圍為3.05.5V; 零待機功耗； 溫度以9或者說12位數(shù)字量讀出； 用戶可定義的非易失性溫度報警設置； 報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件； 負電壓性，電源杉性接反時，溫度計不會發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作

17、。DS18B20采用3腳PR-35封裝或8腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.4所示。其特點是：可將被測溫度直接轉(zhuǎn)換成計算機能識別的9到12位（最高位為符號位，即“1”為正溫度，“2”為負溫度）二進制數(shù)字信號輸出；精度高；信息傳送只需一根信號線；每個DS18B20包括一個全球唯一的64位長的序列號，其中開始的8位是產(chǎn)品的類型編號（28H），接著的48位是每個器件唯一的序號，最后的8位是前56位的CRC（循環(huán)冗余校驗）碼；且有數(shù)據(jù)總線供電和外部供電（電源電壓范圍為3.05.5V）兩種供電方式。單線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20測溫范圍為-55125C，精度為2C，而在-1085C范圍內(nèi)，其精度

18、為0.5C，其轉(zhuǎn)換時間與溫度分辨率設置組合關(guān)系如表2.1.1所示。圖2.4 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu) 表2.1 分辨率設置與轉(zhuǎn)換時間關(guān)系R1R2分辨率設置轉(zhuǎn)換時間(ms)009位93.750110位187.51011位3751112位750 DS18B20的測溫原理如圖2.5 所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響極小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩呂來決定，每次測量前，首先將-55C所對應的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1、溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被在-55C所

19、對應的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預置將圖2.5重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預置值。斜率累加器預置減法計數(shù)器計數(shù)比較器減到0預置低溫度系數(shù)振蕩器高溫度系數(shù)振蕩器減法計數(shù)器2減到0溫度寄存器圖2.5 DS18B20測溫原理2.2 水位檢測與控制所謂水位控制，是通過判定水位，實現(xiàn)當鍋爐里實際水位低于預

20、定的水位下限時自動加水和當實際水位高于設定的水位上限時自動停水的功能，其控制過程如圖2.6所示。 水位傳感器數(shù)據(jù)處理執(zhí)行機構(gòu)圖2.6 水位控制過程方案一：用壓力傳感器檢測 用壓力傳感器來檢測鍋爐里的水位，需要機械輔助部件，而機械部件結(jié)構(gòu)過于復雜。方案二：利用水的導電性檢測采用74LS04和74LS244芯片組成水位檢測電路，檢測原理如下：當水箱中無水時，4個非門均被上拉電阻上拉成高電平，所以圖中各“非”門輸出均為低電平。當水位高于“非”門1的輸入探針時，由于水導電作用，使“非”門1的輸入變?yōu)榈碗娖?，所其輸出變?yōu)楦唠娖剑来祟愅啤ｋS著位的上升，各“非”門輸出相繼為高電平。這里要注意的是上拉電阻不

21、能選擇太，因為水的電阻在100 kO左右，所以上拉電阻擇太小的話，將在水位升高時，無法把“非”門端拉成低電平。為了使單片機隨時能夠讀出當前的水位情況，這里選用74LS244作為狀態(tài)輸入緩沖器。圖2.7 水位檢測電路2.3 單片機選擇單片機具有體積小、功能強、可靠性高、價格低廉等一系列優(yōu)點，而且種類很多，可以有以下幾種方案。 方案一：采用8051作為小型開水鍋爐控制系統(tǒng)的單片機8051片內(nèi)有4k ROM，無需外接內(nèi)存和邏輯電路373，更能體現(xiàn)“單片”的簡練。但是我們編寫的程序無法自己燒寫到其ROM中，只有將程序交芯片廠代我們燒寫，并且是一次性的，今后我們和芯片廠都不能改寫其內(nèi)容。方案二：采用AT

22、89C51作為小型開水鍋爐控制系統(tǒng)的單片機在眾多的51系列單片機中，要算ATMEL 公司的AT89C51更實用，因他不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序內(nèi)存是FLASH工藝的，這種工藝的內(nèi)存用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，一般專為ATMEL AT89Cx 做的均帶有這些功能。顯而易見，這種單片機對開發(fā)設備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。寫入單片機內(nèi)的程序還可以進行加密，這又很好地保護了你的勞動成果。何況，AT89C51目前的售價比8031還低，市場供應也很充足。單對AT89C51來說，在實際電路中可以直接互換8051或8751，替換8031只是第31腳有區(qū)別，8031因內(nèi)部

23、沒有ROM，31腳需接地（GND），單片機在啟動后就到外面程序內(nèi)存讀取指令；而8051、8751和AT89C51因內(nèi)部有程序內(nèi)存，31腳接高電平（VCC），單片機啟動后直接在內(nèi)部讀取指令。也就是51芯片的31腳控制著單片機程序從內(nèi)部讀取還是從外部讀取，31腳接電源，程序從內(nèi)部讀取，31腳接地，程序從外部讀取。其它無須改動。另外，AT89C51替換8031后因不用外內(nèi)存，不必安裝原電路的外內(nèi)存和373芯片。方案三：采用AT89S852作為小型開水鍋爐控制系統(tǒng)的單片機單片機AT89S52是ATMEL公司在單片機AT89C51的基礎(chǔ)上推出的更新產(chǎn)品。 以前的開發(fā)要用EPROM，需要編程器把程序?qū)懭隕

24、PROM中。重新寫入時，需要用紫外線燈（EPROM擦除器）擦除，擦完后還要校驗，非常不便?，F(xiàn)在片內(nèi)帶有EEPROM的單片機AT89S52開發(fā)起來真是方便多了，EEPROM既像靜態(tài)RAM那樣讀寫簡便，又在掉電時資料不會丟失的，大大簡化應用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。另外一般EPROM中的程序很容易被復制，OTP單片機可以把保密熔絲燒斷以保密，而有的EEPROM單片機有種“鎖”，使別人無法讀取其中的程序，若要讀，EEPROM中原來的信息會自動銷毀，就達到了保密的目的。目前很多單片機都支持在系統(tǒng)編程。8051系列單片機支持在系統(tǒng)編程的也很多，但大多數(shù)是支持通過PC機的串口對單片機進行編程。這樣有四個不方便的地方：一是

25、項目本身與PC機串行通信不方便；二是要增加1片MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片；三是有的芯片要按特定的步驟進入下載模式，編程過程需要手工干預；四是有的芯片需要固件（定制的程序）的支持，如果不小心損壞了固件，則芯片的在系統(tǒng)編程功能也沒有了。而AT89S52可通過SPI接口在系統(tǒng)串行編程。經(jīng)過仔細比較，ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52是一種比較理想的芯片。此芯片有如下特點： 與8051兼容； 內(nèi)含4KB的Flash程序內(nèi)存； 可通過SPI接口在系統(tǒng)串行編程，與8051兼容； 串行編程時有自動擦寫周期，在調(diào)試大程序時可以分段下載，節(jié)約時間； 低電壓下載，無需12V編程電壓。2.4 顯示模塊用單片機進行數(shù)碼

26、顯示應具有顯示器件，顯示器件是人與開水鍋爐控制系統(tǒng)溝通的重要媒介，目前比較常見的顯示器件有LED顯示模塊和LCD顯示模塊。方案一：采用LED顯示模塊在單片機系統(tǒng)中，通常用LED數(shù)碼顯示模塊來顯示各種數(shù)字或符號。由于它具有顯示清晰、性能好、亮度高、使用電壓低、光電轉(zhuǎn)換效能高、壽命長的特點， 因此使用非常廣泛。圖2.8 八段數(shù)碼管結(jié)構(gòu)示意圖LED數(shù)碼顯示模塊又稱七段數(shù)碼管，習慣上說是七段，實際含小數(shù)點是八段。八段LED顯示器由八個發(fā)光二極管組成，其結(jié)構(gòu)如圖2.4.1(a)所示。基中7個長條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個圓點形的發(fā)光管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點用。它能顯示各種數(shù)字及部份英文字

27、母。LED顯示器有兩種不同的形式：一種是八個發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極LED顯示器，其連接方式如圖2.4.1(b)所示；另一種是八個發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極LED顯示器，其連接方式如圖2.4.1(c)所示。共陰和共陽結(jié)構(gòu)的LED顯示器各筆劃段名和安排位置是相同的。當二極管導通時，相應的筆劃段發(fā)亮，由發(fā)亮的筆劃段組合而顯示的各種字符。八個筆劃段h、g、f、e、d、c、b、a對應于一個字節(jié)（八位）的D7、D6、D5、D4、D3、D2、 D1、D0，于是用八位二進制代碼就可以表示欲顯示字符的字形代碼。方案二：采用LCD顯示模塊液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐

28、富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在各類儀表和低功耗系統(tǒng)中得到廣泛的應用。只是其價格稍高于LED顯示模塊。根據(jù)顯示內(nèi)容可以分為字符型液晶，圖形液晶。根據(jù)顯示容量又可以分為單行16字，2行16字，兩行20字等。可以和單片機AT89S52直接接口。這是一種通用模塊。與數(shù)碼管相比該模塊有如下優(yōu)點：1.位數(shù)多，可顯示32位，32個數(shù)碼管體積相當龐大了；2.顯示內(nèi)容豐富，可顯示所有數(shù)字和大、小寫字母；3.程序簡單，如果用數(shù)碼管動態(tài)顯示，會占用很多時間來刷新顯示，而1602自動完成此功能。圖2.9 1602指令碼綜上論證，本設計采用了LCD顯示模塊。3 硬件電路設計與實現(xiàn)3.1 電路總體原理圖單片機系統(tǒng)是整個小型開

29、水鍋爐控制系統(tǒng)的核心，他既是整個系統(tǒng)工作的控制器，又是資料的處理器。設計中DXP軟件進行系統(tǒng)電路圖的設計與繪制，使用KEIL軟件，進行程序的編寫與調(diào)試，通過利用protues來實現(xiàn)系統(tǒng)的模擬仿真，確保系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設計的預期目標。單元電路分為單片機最小系統(tǒng)電路，水位監(jiān)測電路，溫度傳單器電路，溫度顯示電路，繼電器控制上水電路，繼電器控制加熱電路，按鍵和報警電路等模塊。具體電路如圖3.1所示。圖3.1單片機系統(tǒng)控制電路圖3.2 溫度控制模塊DS18B20有三腳TO-92封裝和八腳SOIC封裝兩種，本設計所用的DS18B20為TO-92封裝。由于其輸出是數(shù)字信號，且是TTL電平，因此，使用非常方便。圖

30、14以MCS51系列單片機為例，畫出了DS18B20與微處理器的典型連接。圖 圖3.5(a)外接電源方式 圖3.5(b)寄生電源方式3.5（b）中DS18B20采用寄生電源方式，其VDD和GND端均接地，圖3.5（a）中DS18B20采用外接電源方式，其VDD端用3V5.5V電源供電。本設計采用寄生電源方式，由單片機的P1.7口與DS18B20組成溫度檢測系統(tǒng)，具體電路如圖3.3所示。3.3 水位檢測模塊水位檢測模塊由芯片74LS04和芯片74LS244及其附加電路組成。具體電路如圖3.6所示。四個探針分別接在鍋爐連通器從下到上的四個位置，當水位為0時，四個探針全被懸空，74LS04的四個輸入

31、端全被上拉電阻拉成高電平，經(jīng)過非門之后變?yōu)榈碗娖剑俳?jīng)過緩沖芯片74LS244輸送給單片機。此時，單片機認為水位為百分之零，并在液晶顯示屏上顯示。當水位上升到探針1處時，由于水的導電性，使74LS04的A1輸入端為低電平，經(jīng)過非門之后變?yōu)楦唠娖剑俳?jīng)過緩沖芯片74LS244輸送給單片機。此時，單片機認為水位為百分之二十五，并在液晶顯示屏上顯示。以此類推，單片機會依次檢測到的水位是百分之五十，百分之七十五，百分之白。完成對水位的檢測。圖3.6 水位信號采集電路3.4 顯示模塊系統(tǒng)采用LCD1602液晶來作為溫度和水位的人機界面交流窗口，具體連接方式與電路如圖3.7所示。其中R3用來調(diào)節(jié)屏幕亮度。

32、單片機通過信息采集和處理，把當前溫度和水位分別顯示在LCD的第一行和第二行。3.5 執(zhí)行模塊小型開水鍋爐控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)通過繼電器來控制加熱電熱絲和水泵來實現(xiàn)水位和水溫的自動控制，具體加水控制電路如圖3.8所示。加熱控制類似加水控制，不再贅述。3.6 電源模塊本控制系統(tǒng)采用5V直流穩(wěn)壓電源供電，即220V電壓經(jīng)變壓器降壓，然后整流、濾波，最后經(jīng)7860管穩(wěn)壓后給系統(tǒng)供電，從而實現(xiàn)弱電控制強電，如圖3.9所示。圖3.7 1602液晶顯示電路圖3.8 執(zhí)行模塊（加水）原理圖圖3.9 電源模塊原理圖3.7 按鍵模塊三個控制按鍵用按鈕開關(guān)來實現(xiàn)，如圖3.10所示。標“C”字母的按鍵用來使系統(tǒng)切換至溫度

33、設置界面，進入預設溫度狀態(tài)；當再次按下改按鍵時，退出設圖3.10 按鍵模塊置界面，回到溫度顯示和水位顯示界面。標“+”號的按鍵用來增加預設溫度。標“-”號的按鍵用來減少預設溫度。這兩個按鍵的步進值均為一攝氏度。3.8 元器件介紹3.1.1 單片機AT89S52 本設計采用AT89S52作為中央處理單元，它是是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，AT89S52 具有以下標準功能：8k字節(jié) Flash，256字節(jié)RAM，32 位 I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器/計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至

34、 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許 RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 圖 3.1 單片機引腳圖VCC：供電電壓 GND：接地 P0 口：P0 口是一個 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯電平。對 P0 端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0 口也被作為低 8 位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，P0 具有內(nèi)部上拉電阻。在 flash 編程時，P0 口也用來接收

35、指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校時，需要外部上拉電阻。 P1 口：P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個TTL 邏輯電平。對 P1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0 和 P1.2 分別作定時器/計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和時器/計數(shù)器 2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下表所示。 P2 口：P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個TTL 邏輯

36、電平。對 P2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）在訪問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX DPTR）時，P2 口送出高八位地址 P3 口：P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個TTL 邏輯電平。對 P3 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3 口亦作為 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示

37、。RST: 復位輸入。晶振工作時，RST 腳持續(xù) 2 個機器周期高電平將使單片機復位?？撮T狗計時完成后，RST 腳輸出 96 個晶振周期的高電平。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能無效。DISRTO 默認狀態(tài)下，復位高電平有效。ALE/PROG：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低 8 位地址的輸出脈沖。在 flash 編程時，此引腳（PROG）也用作編程輸入脈沖。一般ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE 脈沖將會跳過。PSEN:外部程序存儲器選通信號

38、（PSEN）是外部程序存儲器選通信號。當 AT89S52 從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，PSEN 在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，PSEN 將不被激活。EA/VPP:訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從 0000H 到 FFFFH 的外部程序存儲器讀取指令，EA 必須接 GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA 應該接 VCC。在 flash 編程期間，EA 也接收 12 伏 VPP 電壓。XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。3.1.2 溫度傳感器DS18B20本系統(tǒng)采用的是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型

39、智能溫度傳感器DS18B20，它可以把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供單片機處理，采用單線接口，僅需一根口線與MCU相連，無需外圍元件。其突出優(yōu)點是:將被測溫度直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面都比DS1820有所改進。在解決各種誤差、可靠性和實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化等方面，有無可比擬的優(yōu)越性。（）寄生電源寄生電源由二極管VD1、VD2和寄生電容C組成。電源檢測電路用于判定供電方式。寄生電源供電時，VDD端接地，器件從單線總線上獲取電源。在DS線呈低電平時，改由C上的電壓繼續(xù)向器件供電。該寄生電源有兩個優(yōu)點：第一，檢測遠程溫度時無需本地電源；第二，缺少正常電源時也能讀R

40、OM。若采用外部電源VDD，則通過VD2向器件供電。（） 溫度測量原理 DS18B20測量溫度時使用特有的溫度測量技術(shù)。其測量電路框圖3.2所示。DS18B20內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號f0，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號f。當計數(shù)門打開時，DS18B20對f0計數(shù)，計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對頻率的非線性予以被償。測量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應為9位（符號點1位），但因符號位擴展成高8位，故以16位被碼形式讀出，表3.1給出了溫圖3.2 DS18B20測溫原理度和數(shù)字量的關(guān)系。（）64位激光ROM64位ROM的

41、結(jié)構(gòu)圖如圖3.3，開始8位是產(chǎn)品類型的編號（DS1820為10H），接著是每個器件的唯一的序號，共有48位，最后8位是前56位的CRC校驗碼，這也是多個DS1820可以采用一線進行通信的原因。主機操作ROM的命令有五種，如表3.2所示。表3.1 溫度和輸出數(shù)字的對應關(guān)系溫度/數(shù)字輸出（二進制數(shù)）數(shù)字輸出（十六進制）+1250000 0111 1001 0000B07D0H+250000 0001 1001 0001B0191H+0.50000 0000 0000 1000B0008H00000 0000 0000 0000B0000H-0.51111 1111 1111 1000BFFF8H-

42、251111 1110 0111 0000BFE70H-551111 1100 1001 0000BFC90H圖3.3 64位ROM的結(jié)構(gòu)圖表3.2 存儲器操作命令指 令說 明讀ROM（33H）讀DS1820的序列號匹配ROM（55H）繼讀完64位序列號的一個命令，用于多個DS1820時定位跳過ROM（CCH）此命令執(zhí)行后的存儲器操作將針對在線的所有DS1820搜ROM（F0H）識別總線上各器件的編碼，為操作各器件作好準備報警搜索（ECH）僅溫度越限的器件對此命令作出響應（）高速暫存器它由便箋式RAM和非易失性電擦寫 EERAM組成，后者用于存儲TH、TL值。數(shù)據(jù)選寫入RAM，經(jīng)校驗后再傳給E

43、ERAM。便箋式EAM點9個字節(jié)，包括溫度信息（第1、2字節(jié)）、TH和TL值（3、4字節(jié)）、計數(shù)寄存器（7、8字節(jié)）、CRC（第9字節(jié)）等，第5、6字節(jié)不用。暫存器的命令共6條，見表3.3所列。在正常測溫情況下，DS1820的測溫分辨力為0.5，可采用下述方法獲得高分辨率的溫度測量結(jié)果：首先用DS1820提供的讀暫存器指令（BEH）讀出以0.5為分辨率的溫度測量結(jié)果，然后切去測量結(jié)果中的最低有效位（LSB），得到所測實際溫度的整數(shù)部分Tz，然后現(xiàn)用BEH指令取計數(shù)器1的計數(shù)剩余值Cs和每度表3.3 DS18B20的存儲控制命令指 令說 明溫度轉(zhuǎn)換（44H）啟動在線DS1820做溫度A/D轉(zhuǎn)換讀

44、數(shù)據(jù)（BEH）從高速暫存器讀9bits溫度值和CRC值寫數(shù)據(jù)（4EH）將數(shù)據(jù)寫入高速暫存器的第2和第3字節(jié)中復制（48H）將高速暫存器中第2和第3字節(jié)復制到EERAM讀EERAM（B8H）將EERAM內(nèi)容寫入高速暫存器第2和第3字讀電源供電方式（B4H）了解DS1820的供電方式計數(shù)值CD?？紤]到DS1820測量溫度的整數(shù)部分以0.25、0.75為進位界限的關(guān)系，實際溫度Ts可用下式計算：Ts=（Tz-0.25）+(CD-Cs)/CD （1）3.1.3 固態(tài)繼電器SSR固態(tài)繼電器英文名稱為Solid State Relay，簡稱SSR，它是一種性能優(yōu)越的新型無觸點電子開關(guān)器件。其輸入端要求很小

45、的控制電流，輸出回路采用雙向可控硅或大功率晶體管接通或斷開負載電流。輸入與輸出之間采用光電耦合，通斷無可動接觸部件，因此工作可靠，具有開關(guān)速度快，無噪聲、壽命長、體積小等特點。該電路采用的SSR的型號是MOC3063。該電路由輸入恒流控制電路、光電耦合隔離電路和輸出功率開關(guān)電路三部分走成。該類型的固態(tài)繼電器的輸出功率開關(guān)由兩只雙向可控硅并聯(lián)擔任，負載電流可高達90A。輸入控制電壓可在3V32V間的范圍變化。4 軟件設計4.1 系統(tǒng)總體軟件流程圖 系統(tǒng)總體軟件流程圖如圖4.1所示。系統(tǒng)初始化之后進入while循環(huán)，然后依次進入按鍵掃描函數(shù)、LCD界面顯示函數(shù)、水位控制函數(shù)、加熱控制函數(shù)。圖4.1

46、系統(tǒng)主流程圖開始初始化水位控制函數(shù)按鍵掃描LCD1602狀態(tài)界面顯示函數(shù)加熱控制函數(shù)control_flag=0？LCD1602設置界面顯示函數(shù)NOYES進入while(1)循環(huán)4.2 溫度顯示部分溫度部分程序的主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量溫度值，溫度測量每1S進行一次。其程序流程圖見圖4.。YNYN圖4.2 DS18B20溫度部分流程圖調(diào)用顯示子程序初次上電？讀出溫度值溫度計算處理顯示資料刷新發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令返回1S到？初始化4.3 按鍵控制部分按鍵控制模塊，通過判斷由單片機P0口是否檢測有按鍵按下，來進入LCD修改界面修改設定溫度，其軟件流程圖如圖4.6所

47、示。Flag=0Flag標志位加1Control鍵是 否按下？Flag=2?LCD1602界面修改函數(shù)YNNY進入子程序返回圖4.3 按鍵控制函數(shù)流程圖5 仿真與調(diào)試利用protues軟件進行仿真，能夠?qū)崿F(xiàn)預期目標，如圖5.1，系統(tǒng)能夠正常顯示當前鍋爐狀態(tài)，在第一行顯示當前溫度，第二行顯示當前水位。當按下圖中S1按鍵時，LCD1602進入溫度設置界面，如圖5.2，按下S2按鈕一次可實現(xiàn)設置溫度加一攝氏度。按下S3按鈕一次可實現(xiàn)設置溫度減一攝氏度。當再次按下S1按鍵時，系統(tǒng)重新恢復圖5.1界面。在完成仿真之后進行電路板的焊接與調(diào)試，如圖5.3所示。經(jīng)調(diào)試，各項功能均能夠很好的實現(xiàn)，包括溫度的控制

48、和水位的自動調(diào)節(jié)。圖5.1 溫度與水位顯示界面仿真圖圖5.2 溫度設置顯示界面仿真圖圖5.3 焊接實物圖結(jié) 論本設計介紹了基于單片機的小型開水鍋爐系統(tǒng)，采用單片機AT89S52作為控制器，使系統(tǒng)既能滿足精度要求，又能兼顧顧客的價格需要。該系統(tǒng)主要體現(xiàn)了對水溫和水位的兩路控制，采用數(shù)字溫度傳感器和74LS04探針對水位監(jiān)測，用LCD1602作為顯示模塊，界面清晰直觀，溫度按鍵控制靈敏。使系統(tǒng)硬件大為簡化，系統(tǒng)動作準確，提高了資源的利用率，大有推廣應用的價值。由于該系統(tǒng)是針對無壓力熱水鍋爐的設計，但如果是壓力熱水鍋爐，其壓力控制部分也是至關(guān)重要的。壓力控制可采用機械重位式而無需電子線路控制。由于該

49、系統(tǒng)的場合不確定，干擾信號也不一樣，在抗干擾方面的努力，使系統(tǒng)實現(xiàn)無人值守工作，減小操作人員勞動強度，節(jié)約人力資源。致 謝對于這次畢業(yè)設計的設計和撰寫，最需要感謝的是我的指導老師岳老師。她在整個畢業(yè)設計過程中都給了我充分的幫助與支持，她不僅耐心的幫我指出論文中的不足之處，而且還對論文改進提出了很多寶貴的建議，是她對我自始至終的指導下，我的論文設計才得以順利完成。在此借論文之際，表示由衷的感謝與敬意！還要感謝大學幾年各科的指導老師的教導，是他們在這四年來對我的培養(yǎng)，使我學到了基礎(chǔ)知識，只有在這些知識的基礎(chǔ)上，我才能使自己的畢業(yè)設計順利完成；感謝我大學四年來所有幫助我關(guān)心我的老師和同學，謝謝他們所

50、付出的的辛勤勞動和幫助。參 考 文 獻1魏慶濤.單片機在爐溫控制中的應用J.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，7，119-1202李小玲.傳感器與檢測技術(shù)在機電一體化系統(tǒng)中的應用J .現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，1，121-1223劉星平.基于PLC及其網(wǎng)絡的智能爐溫控制系統(tǒng)J.電氣應用，2006.3 20-224張洪潤，張亞凡.傳感技術(shù)與應用教程M.清華大學出版社，20055李光飛，樓然苗.單片機課程設計實例指導M.北京航空航天大學出版社，20046金偉正.單線數(shù)字溫度傳感器的原理及用M.電子工業(yè)出版社，20007松井邦彥日著，梁瑞林 譯.傳感器實用電路設計制作M .科學出版社，20058李 明，徐向東.

51、用容錯技術(shù)提高鍋爐控制系統(tǒng)的可靠性J.清華大學學報，1999，(39)3，88-919Leonhard W.Control of Electrical DrivesM.Springer-Verlag,198510王永平，陳建華.基于S7200PLC的高性能電熱鍋爐控制系統(tǒng)J.儀表技術(shù)與傳感器，2002，(3)26-2811吳春旺，陳 霞.鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設計J.電工技術(shù)，2006，3，71-7212MEATON.Controller tuning methods for industrialboilersJ.Industrial Electronics Society,2000,2(26):1457-1462.13楊 智，明麗萍,呂雪艷.21世紀燃氣鍋爐在中國的發(fā)展前景J.鍋爐制造，2001，714宋書中，葛 玻.通用型工業(yè)過程控制器及在溫控中的應用J.電氣自動驗化，2000，6，34-3615袁希光等.傳感器技術(shù)手冊M.北京國防工業(yè)出版社,198616張洪潤，張亞凡.傳感技術(shù)與應用教程M.清華大學出版社，200517南京傲屹電子有限公司.AT命令手冊,EB/OL, 2009附