基于微型機電加熱鍋爐系統(tǒng)的自動控制畢業(yè)設(shè)計論文

1、基于微型機實現(xiàn)電加熱鍋爐系統(tǒng)的自動控制摘要本文介紹了一種新型智能全自動電鍋爐控制系統(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AT89S51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(shè)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。此外在溫度傳感器的地方并聯(lián)一個液位傳感器，再配上固態(tài)繼電器控制水泵的補水開關(guān)，完成對水位的控制。實際使用證明該系統(tǒng)具有良好的控制效果。關(guān)鍵詞: 電鍋爐，

2、單片機 AT89S51，數(shù)字溫度傳感器，液位傳感器Based on single-chip control of small hot water boilerAbstractThis article describes a new type of intelligent control system of automatic electric boilers, and give the system's working principle, hardware structure and software flow. The system uses ATMEL Corporat

3、ion AT89S51 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 switching device, using a unique new one-way intelligent DS18B20 digital temperature sensor as a temperat

4、ure 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，temperature sensor at our place and then a liquid level sensor parallel Reinforced with Water pump relay

5、control switch, water level control to achieve. Actual use to prove that the system has good control effect. Key words: Electric Boiler, Singlechip AT89S51, Digital Temperature Sensor, Liquid Level Sensor目 錄1 緒論12 設(shè)計要求13 方案論證13.1 溫度檢測設(shè)計方案13.2 水位檢測設(shè)計方案24 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖35 單片機外圍器件的設(shè)計35.1 元件選擇及介紹45.1.1 單片機AT89S

6、5145.1.2 溫度傳感器DS18B2065.1.3 掉電存儲器AT24C02105.1.4 固態(tài)繼電器SSR115.2 硬件電路具體設(shè)計與實現(xiàn)125.2.1 水溫采集部分125.2.2 水位采集部分125.2.3 顯示電路135.2.4 驅(qū)動電路145.2.5 報警電路155.2.6 鍵盤接口電路155.2.7 掉電存儲電路166 軟件設(shè)計166.1 程序流程圖176.2 程序清單：見附錄二177 系統(tǒng)總體電路圖：見附錄一188 結(jié)論19謝辭19參考文獻19附錄一：總體電路圖21附錄二：程序清單221 緒論在我國，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

7、電接觸式的控制方式，自動化程度低，調(diào)節(jié)精度差，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，加上燃料燃燒時產(chǎn)生大量的廢氣和廢渣，對環(huán)境造成了嚴重的污染，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(shè)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)1。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，而且有很高的性價比，應用前景廣。本論文設(shè)計的小型開水房鍋爐自動控制

8、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(shè)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。2 設(shè)計要求（1）水溫控制：要求系統(tǒng)能實現(xiàn)對水溫的預設(shè)，當水溫超出設(shè)定溫度時，能夠及時報警（2）水位控制：系統(tǒng)能夠?qū)⑺豢刂圃谏舷藓拖孪拗g，當水位超出該范圍時，能夠報警（3）按鍵功能：能夠?qū)λ疁剡M行預設(shè)和設(shè)置水溫與實際溫度的轉(zhuǎn)換3 方案論證3.1 溫度檢測設(shè)計方案方案（1）：溫度檢測部分采用熱電偶，經(jīng)過溫度變送后，對信號進

9、行采樣保持，AD轉(zhuǎn)換后，然后與單片機通信進行控制。若溫度檢測部分采用熱電偶，它需要冷端補償電路與其配套，并且熱電偶輸出電壓只有幾毫負，必須經(jīng)過放大處理才能A/D轉(zhuǎn)換，外圍電路復雜，占用單片機的接口多2。方案（2）：主要是以單片機作為控制器的核心，利用溫度轉(zhuǎn)換芯片DS18B20進行溫度采集。數(shù)字化溫度傳感器DS18B20是世界上第一片支持 "一線總線"接口的溫度傳感器，測量溫度范圍為 -55°C+125°C，在-10+85°C范圍內(nèi),精度為±0.5°C，現(xiàn)場溫度直接以一線總線的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，使系統(tǒng)設(shè)計

10、更靈活、方便。同時DS18B20可使程序設(shè)定912位的分辨率，精度為±0.5°C?？蛇x更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存，并且性能價格也非常出色。熱電偶檢測溫度變送器采樣保持AD轉(zhuǎn)換單片機 圖1 方案（1）結(jié)構(gòu)框圖單片機DS18B20溫 度 采 集 圖2 方案（2）結(jié)構(gòu)框圖由于熱電偶屬于非線性器件，因此每個溫度值都必須通過分度表，查表才能獲得，這給軟件編程和數(shù)據(jù)處理增加了難度。這種系統(tǒng)具有測量溫度范圍可以從零下一百度到上千攝氏度，而且有很多熱電偶精度非常高這是這種測量系統(tǒng)的優(yōu)點。但構(gòu)成系統(tǒng)復雜，抗干擾能力

11、不強。而數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它的最高分辨率為12位，可識別0.0625攝氏度的溫度3。它具有直接輸出數(shù)字信號和數(shù)據(jù)處理，并且它和單片機接口只需要一位I/O口，因此由它構(gòu)成的系統(tǒng)簡單使用，綜合比較溫度檢測方案（1）和方案（2），我們只在常溫下使用，并且經(jīng)濟合理，因此選擇了方案（2）。3.2 水位檢測設(shè)計方案方案（1）：采用電感式浮球傳感器對其進行水位檢測。傳感器液筒上的汽水管與鍋爐筒相連接，使筒鍋內(nèi)的水位與液筒內(nèi)水位互相連通。當鍋筒內(nèi)水位變化時，液筒內(nèi)水位相應發(fā)生變化。液筒內(nèi)浮球根據(jù)水位高低而發(fā)生變化，水位升高時，浮球向上浮。水位下降時，浮球向下浮。連接浮球上的矽棒在電感線圈內(nèi)發(fā)生位移

12、，使電感線圈兩端電感量發(fā)生相應的變化，變化的電感量寫入儀表，儀表接收這一變化的液位信號，轉(zhuǎn)換成與液平面相應顯示信號，系統(tǒng)根據(jù)水位的變化信號，自動調(diào)節(jié)給水流量，使水位穩(wěn)定在正常區(qū)域，以確保鍋爐的安全運行。方案（2）：采用金屬電極式進行水位檢測。在鍋爐內(nèi)的不同的高度安裝3根金屬棒,以感知水位變化情況。其中A棒處于下限水位，C棒處于上限水位，B棒在上、下水位之間。通過接頭b、c與單片機通信，再配上水位顯示電路，完成水位的檢測和狀態(tài)顯示，單片機驅(qū)動控制電路，實現(xiàn)自動上水。采用電感式浮球傳感器對鍋爐水位進行檢測，檢測精密，但該元件的成本太高。采用金屬電極式進行水位檢測，電路簡單易行，成本相對小，而且該技

13、術(shù)應用廣泛?？紤]綜合因素，水位檢測設(shè)計方案采用方案（2）4。4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖水溫數(shù)字傳感器DS18B20水位傳感器鍵盤接口電路單片機AT89S51掉電存儲器AT24C02水溫顯示電路水位狀態(tài)顯示固態(tài)繼電器水泵固態(tài)繼電器報警電路加熱器系統(tǒng)整體電路方框圖如圖3所示。圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)主要由溫度傳感器、液位傳感器、掉電存儲、復位及時鐘信號產(chǎn)生電路、報警電路、顯示電路、開關(guān)控制電路以及AT89S51組成。通過對鍋爐水位和水溫實時檢測與采集，將鍋爐的液位、溫度等參數(shù)輸入單片機，由單片機AT89S51在內(nèi)部與預先設(shè)定參數(shù)通過軟件計算生成各個控制信號，從而對補水泵和鍋爐內(nèi)部的電加熱器進行控制，再配

14、以外部的溫度顯示和水位狀態(tài)顯示以及報警裝置，進而對鍋爐進行優(yōu)化控制，達到了用戶的要求和節(jié)能目的。操作過程如下：用戶首先設(shè)定水溫數(shù)值，然后系統(tǒng)檢測鍋爐中水位。如果水位正常則系統(tǒng)開始啟動，否則產(chǎn)生聲光報警并進行自動保護。系統(tǒng)正常運行以后，利用傳感器DS18B20 檢測出鍋爐中的水溫，并且實時顯示出來。當水溫超過設(shè)定上限，系統(tǒng)同樣會發(fā)出報警信號并采取保護措施，控制加熱器工作情況。當水溫未達到設(shè)定值，立即回饋給系統(tǒng)，由系統(tǒng)自動調(diào)整加熱器工作狀態(tài)，使水溫到達設(shè)定值，滿足用戶需求。5 單片機外圍器件的設(shè)計5.1 元件選擇及介紹5.1.1 單片機AT89S51本設(shè)計采用AT89S51作為中央處理單元，它是是

15、一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)

16、先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 此外，AT89S51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為024MHz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O

17、）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 此外，AT89S51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。AT89S51的主要特性：（1）8031 CPU與MCS-51 兼容（2）4K字節(jié)可編程FLASH存儲器(壽命：1000寫/擦循環(huán))（3）全靜態(tài)工作：0Hz

18、-24KHz（4）三級程序存儲器保密鎖定（5）128*8位內(nèi)部RAM（6）32條可編程I/O線（7）兩個16位定時器/計數(shù)器（8）6個中斷源（9）可編程串行通道（10）低功耗的閑置和掉電模式（11）片內(nèi)振蕩器和時鐘電路AT89S51的引腳結(jié)構(gòu)（如圖4）及各管腳說明： 圖4 AT89S51的引腳圖VCC：供電電壓 GND：接地 P0-P3：分別是8位準雙向I/O端口，但P0在作為一般的I/O端口用時，應外接上拉電阻，才能高電平輸出RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間ALE/PROG：地址鎖存允許信號端。當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址

19、的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)/EA/VPP：當

20、/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入XTAL2：來自反向振蕩器的輸出5.1.2 溫度傳感器DS18B20傳統(tǒng)的溫度傳感器如熱電偶和鉑電阻等分立元件，外圍電路比較復雜，僅提供與溫度相關(guān)的電壓或電流。而較新型的單片集成溫度傳感器如AD590,也只能產(chǎn)生與溫度呈線性關(guān)系的電流信號。上述兩種傳感器都必須使用電阻、運算放大器和 A/D 轉(zhuǎn)

21、換器等構(gòu)成溫度測量電路。當外界環(huán)境條件發(fā)生變化時元件參數(shù)也會改變,致使測量誤差增加,準確度降低。 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。DS18B20的主要特點：（）采用單總線方式，僅需一根信號線與CPU連接即可傳送串行數(shù)據(jù)，且不需要外部元件（）每個芯片都有

22、惟一編碼，多個DS18B20芯片可以并聯(lián)在一根總線上，故可實現(xiàn)多點測溫（）測溫范圍為-55125，分辨率為12位（）測溫結(jié)果的數(shù)字量位數(shù)為912位，并可編程選擇（）可用數(shù)據(jù)線供電，也可用外部電源 DS18B20的結(jié)構(gòu)：圖5 DS18B20外形DS18B20采用腳PR-35封裝（或腳SOIC封裝），其中腳PR-35封裝的DS18B20，其外形象一個三極管，管腳排列如圖5所示。圖中，GND為地；DQ為數(shù)據(jù)輸入輸出端(即單線總線)，為漏極開路輸出，常態(tài)下呈高電平；VDD為外部電路端，電源電壓為V，不用時應接地。DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM、高速暫

23、存器、用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值的TH和TL觸發(fā)器、存儲與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗碼發(fā)生器等七部分。其中ROM由64位二進制數(shù)字組成，它由生產(chǎn)廠家光刻而成，共分為8個字節(jié)，字節(jié)0的內(nèi)容是該產(chǎn)品的廠家代號28H，字節(jié)16的內(nèi)容是48位器件序列號，字節(jié)7是ROM前56位校驗碼。每個DS18B20的64位序列號均不相同，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣，就可以在一根總線上掛接多個DS18B20。圖6 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)（）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

24、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ROM。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)。其測量電路框圖如圖7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

25、（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1給出了溫度和數(shù)字量的關(guān)系。（）64位激光ROM64位ROM的結(jié)構(gòu)圖如圖8，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2所示。圖7 DS18B20測溫原理表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

26、 0000 1000B0008H00000 0000 0000 0000B0000H-0.51111 1111 1111 1000BFFF8H-251111 1110 0111 0000BFE70H-551111 1100 1001 0000BFC90H圖8 64位ROM的結(jié)構(gòu)圖表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（EC

27、H）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EERAM。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所列。表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

28、節(jié)復制到EERAM讀EERAM（B8H）將EERAM內(nèi)容寫入高速暫存器中第2和第3字讀電源供電方式（B4H）了解DS1820的供電方式在正常測溫情況下，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）

29、（）CRC的產(chǎn)生在64位ROM的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余校驗碼（CRC）。主機根據(jù)ROM的前56位來計算CRC值，并和存入DS1820中的CRC值作比較，以判斷主機收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確。CRC的函數(shù)表達式為：CRC=X8+X5+X3+1。此外，DS1820尚需依上式為暫存器中的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生一個8位CRC送給主機，以確保暫存器數(shù)據(jù)傳送無誤。DS18B20的工作時序根據(jù)DS18B20的通信協(xié)議，用主機控制DS18B20以完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。每一步操作

30、必須嚴格按照時序規(guī)定進行。DS18B20的工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。（1）初始化時序DS18B20的初始化時序圖如圖9所示。（）寫時序DS18B20的寫時序圖如圖10所示。（）讀時序DS18B20的寫時序圖如圖11所示。圖9 DS18B20的初始化時序圖圖10 DS18B20的寫時序圖圖11 DS18B20的讀時序圖DS18B20的工作流程無論是進行單點還是多點溫度檢測，在系統(tǒng)安裝及工作前，應將主機逐個與DS18B20掛接,讀取其序列號，其工作過程為由主機與DS18B20聯(lián)接的位1/O口發(fā)“0”電平>480p 。復位DS18B20，待DS18B20發(fā)回響應脈沖后，主機由位1

31、/O線再發(fā)讀ROM命令代碼33H，然后依此發(fā)一個負脈沖(15 p)，并接著讀取DS18B20序號值的一位。同樣方法讀取序號值的56位。對于帶有多個DS18B20傳感器，用以實現(xiàn)多點溫度測量的系統(tǒng)，分三步完成全過程工作：（）系統(tǒng)通過重復操作，搜索出在線各個DS18B20序列號（）啟動所有在線DS18B20作溫度/數(shù)字轉(zhuǎn)換（）逐個讀出在線DS18B20轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)據(jù)5.1.3 掉電存儲器AT24C02當程序因受到干擾而彈飛到一個臨時構(gòu)成的死循環(huán)中時,系統(tǒng)將安全癱瘓 。本系統(tǒng)采用AT24C02芯片構(gòu)成WATCHDOG 。掉電存儲單元的作用是在電源斷開的時候，存儲當前設(shè)定的溫度值。AT24C02是A

32、TMEL公司生產(chǎn)的2KB電可擦除存儲芯片，是8位電可擦除PROM，由256×8位存儲器構(gòu)成，并具有兩線串行接口。遵循I2C總線協(xié)議與單片機通訊，電壓最低可以到2.5V，額定電流為1mA，靜態(tài)電流10uA(5.5V)，芯片內(nèi)的資料可以在斷電的情況下保存40年以上，而且采用8腳的DIP封裝，使用方便。系統(tǒng)在上電過程、瞬間電壓降壓或存在瞬間干擾脈時,WATCHDOG 電路都能正確地給出復位脈沖信號,使系統(tǒng)恢復正常的運行圖12 AT24C02的引腳結(jié)構(gòu)狀態(tài)，保證了鍋爐的正常運轉(zhuǎn)。AT24C02的引腳結(jié)構(gòu)如圖12所示，其管腳功能如表4所示。名 稱功能GND接地端SDA串行地址/數(shù)據(jù)I/O端SC

33、L串行時鐘端WP寫保護輸入端VCC+2.5V到5.5V電源端NC無內(nèi)部鏈表4 AT24C02的管腳功能5.1.4 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。圖13 MOC3063的內(nèi)部原理圖該電路采用的SSR的型號是MOC3063,其內(nèi)部電路原理圖如圖13。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

34、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5.2 硬件電路具體設(shè)計與實現(xiàn)5.2.1 水溫采集部分水溫采集部分主要由數(shù)字溫度傳感器DS18B20、AT89S51和上拉電阻組成，其工作電路如圖14所示。DS18B20采用外部5 V電源供電，數(shù)據(jù)端DQ與單片機AT89S51的P3.4連接，DS18B20與單片機AT89S51的通信見溫度采集程序。圖14 水溫采集電路5.2.2 水位采集部分水位控制部分如圖15，圖中虛線表示允許水位變化的上下限。在正常情況下,應保持水位在虛線范圍之內(nèi)。為此在鍋爐內(nèi)的不同的高度安裝3根金

35、屬棒,以感知水位變化情況。其中A棒處于下限水位,C棒處于上限水位,B棒在上、下水位之間。A棒接+5V電源,B棒、C棒各通過一個電阻與地相連5。鍋爐由電機帶動水泵供水,單片機控制之目的：供水時,水位上升，當達到上限時，由于水的導電作用，B、C棒連通+5V。因此b、c兩端均為1狀態(tài)，這時應停止電機和水泵工作，不給鍋爐供水；當水位降到下限時，B、C棒都不能不能與A棒導電，因此b、c兩端均為0狀態(tài)，這時應啟動電機帶到水泵工作，給鍋爐供水；當水位處于上下限之間時，B棒與A棒導通，因C棒不能與A棒導通，b端為1狀態(tài)，c端為0狀態(tài)。這時無論是電機已在帶動水泵給鍋爐加水，水位在不斷上升，或者是電機沒有工作，用

36、水使水位在不斷下降，都應繼續(xù)維持原有的工作狀態(tài)。工作原理功能表如表5示。b P2.0C P2.1圖15 水位控制原理圖C (P2.1)B (P2.0)操作00電機運轉(zhuǎn)01維持原狀10故障報警11電機停轉(zhuǎn)表5 水位控制工作原理功能表5.2.3 顯示電路顯示電路（1）：水溫顯示電路圖如圖16。由于在實際中，AT89S51的串行口RXD和TXD為一個全雙工串行通信口，但工作在方式0下可作同步移位寄存器，其數(shù)據(jù)由RXD（P3.0）串行輸出或輸入；而同步移位時鐘由TXD（P3.1）端串行輸出，作為外接部件的同步信號。在同步時鐘作用下，實現(xiàn)同串行到并行的數(shù)據(jù)通信。在不需要使用串行通信的場合，利用串行口加芯

37、片74HC164就可構(gòu)成一個擴展的并行輸出口。在這種方式下，收/發(fā)的數(shù)據(jù)為8位，低位在前，無起始位、奇偶校驗位及停止位，波特率是固定的。圖16 水溫顯示電路74HC164是串行輸入、并行輸出移位寄存器，其引腳功能如下：Q0Q7：并行輸出端，分別接LED顯示各引腳A、B：串行輸入端，接入AT89S51的RXD端CLR：清除端，本設(shè)計中接高電平CLK：時鐘脈沖輸入端，接入AT89S51的TXD端數(shù)據(jù)顯示采用共陽數(shù)碼管，其共陽端接高電平，三個二極管起到限流作用。顯示電路（2）：水位顯示水位顯示如圖17，單片機P2.4,P2.5,P2.6,P2.7的輸出腳上分別接有故障、低水位、正常水位、高水位四個水

38、位狀態(tài)指示燈，當水位傳感器檢測到鍋爐內(nèi)部水位情況時，對應單片機的某一輸出口輸出低電平，與之相連的狀態(tài)指示燈被點亮，便于人們觀察當前水位狀態(tài)。圖17 水位狀態(tài)顯示電路5.2.4 驅(qū)動電路電路如圖18示。在輸出控制電路中,單片機的P2.2、P2.3通過固態(tài)繼電器SSR分別接水泵和電加熱器。根據(jù)水位和水溫檢測的情況，按照系統(tǒng)的控制要求使P2.2或P2.3輸出低電平，控制水泵或電加熱器的通電狀態(tài)，實現(xiàn)自動控制過程，完成鍋爐的自動上水和自動加溫功能。圖18 水溫控制驅(qū)動電路水位控制驅(qū)動電路與圖18相似，也是通過SSR接水泵，不同的是單片機的P2.2口接SSR的輸入端，工作原理同上。 5.2.5 報警電路

39、報警電路如圖19 ，主要由蜂鳴器、三極管9015驅(qū)動電路。系統(tǒng)開始時復位電路首先將P1.4置1，保證不產(chǎn)生誤動作，當DS18B20采集的溫度超過或者低于用戶設(shè)定的溫度或者水位達到上/下限制水位時，系統(tǒng)將自動的將P1.4口清零，將信號送至驅(qū)動電路使得蜂鳴器開始發(fā)聲工作。當用戶做出正確調(diào)整操作之后繼續(xù)監(jiān)視變化是否超限。圖19 報警電路5.2.6 鍵盤接口電路按鍵電路（1）：單片機的復位及時鐘信號產(chǎn)生電路本電路主要由12M晶振、30PF的瓷片電容、電阻、開關(guān)組成，電路如圖2.16所示。 12M晶振和30PF的瓷片電容構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器，產(chǎn)生時鐘信號。上電自動復位電路則由22uF電容和1K電阻構(gòu)成。

40、加電瞬間電容通過充電實現(xiàn)正脈沖，用以復位。手動復位則由開關(guān)和電阻組成。按下開關(guān)之后就產(chǎn)生一個正脈沖，就可以實現(xiàn)復位。本電路采用的是二者的組合。圖20 復位及時鐘信號產(chǎn)生電路按鍵電路（2）：溫度設(shè)置的開關(guān)控制電路該控制電路由4個開關(guān)組成，其電路如圖21所示。4個開關(guān)分別用于調(diào)整溫度的上下限值，以及控制溫度的輸出。其中S1為多功能鍵，第一次按下用于顯示采集的溫度，第二次按下則進行溫度的上限調(diào)整，第三次按下進行溫度的下限調(diào)整，第四次按下則進行采集溫度的顯示構(gòu)成循環(huán)。S2可以進行移位調(diào)整，第一次顯示個位，第二次顯示十位。S3用于增加一個數(shù)，按下一次在原基礎(chǔ)之上加1，這個值在0-9-0之間變化。S4用于

41、減少一個數(shù)，按下一次在原基礎(chǔ)之上減1，這個值在9-0-9之間變化。圖21 開關(guān)控制電路 5.2.7 掉電存儲電路掉電存儲電路如圖2.2所示。圖中兩電阻是上拉電阻，其作用是減少AT24C02的靜態(tài)功耗，由于AT24C02的數(shù)據(jù)線和地址線是復用的，采用串口的方式傳送數(shù)據(jù)，所以只用兩根線SCL（移位脈沖）和SDA（數(shù)據(jù)/地址）與單片機傳送數(shù)據(jù)。當開機時首先將存在AT24C02中的上下限溫度值保存在他們相應的單元之中，當進行按鍵操作之后，確認操作完畢之后將調(diào)整過的上下限值再送至AT24C02，將原來的數(shù)據(jù)覆蓋。圖22 掉電存儲電路6 軟件設(shè)計6.1 程序流程圖程序流程圖是編寫系統(tǒng)程序的基礎(chǔ)，只有搞清程

42、序流程圖的控制過程，才能編寫符合控制流程的系統(tǒng)程序，結(jié)合外圍電路的設(shè)計，完成控制要求。下面是流程圖的介紹，包括主程序流程圖和子程序流程圖。子程序流程圖主要有水位控制流程圖和水溫控制流程圖。開 始初 始 化讀掉電存儲判斷報警？鍵？報 警水位驅(qū)動控制報 警水溫檢測水溫驅(qū)動控制判斷報警？警？NYYYN水位檢測判斷按鍵？按鍵子程序圖23 主程序流程圖N6.為檢查水位狀態(tài)作準備延時故障報警停止水泵P2.0=0？開啟水泵YYNYNP2.1=1？P2.1=0？停止水泵等待檢修N開始圖24 水位控制流程圖2 程序清單：見附錄二Y為檢查水位狀態(tài)作準備延時故障報警停止水泵P2.0=0？開啟水泵YNYNP2.1=1

43、？P2.1=0？停止水泵等待檢修N開始圖24 水位控制流程圖圖25 水溫控制流程圖開 始初 始 化讀掉電存儲讀 溫 度讀 數(shù) 據(jù) 處 理控制加熱器判斷按鍵？判斷報警？報 警按鍵子程序YNNY7 系統(tǒng)總體電路圖：見附錄一8 結(jié)論本設(shè)計介紹了基于單片機的小型開水鍋爐的應用，采用單片機89S51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)主要實現(xiàn)了對水溫和水位的兩路控制，采用數(shù)字溫度傳感器和金屬電極式水位檢測使系統(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)是針對無壓熱水鍋爐的設(shè)計，但如果是有壓熱水鍋爐, 其壓力控制部分也是至關(guān)重要的。壓力控制

44、可采用機械重位式控制而無需電子線路來控制。另外, 使用其他類型傳感器例如流量傳感器, 只需加可控硅的模式擴展電路, 這樣就能實現(xiàn)對其他參數(shù)(流量)的控制。由于該系統(tǒng)工作的場合不確定，干擾信號也不一樣，在干擾較強時，系統(tǒng)工作不夠穩(wěn)定，在以后的研究中應從系統(tǒng)的抗干擾方面努力，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。謝辭對于這次畢業(yè)論文的撰寫,最需要感謝的是我的指導老師李老師。他在整個畢業(yè)設(shè)計過程中都給了我充分的幫助與支持，他不僅耐心地幫我指出論文中的不足之處，而且還對論文的改進提出了寶貴的建議，是在他對我自始自終的指導下，我的論文設(shè)計才得以順利完成。在次借論文完成之際，表示由衷

45、的感謝與敬意！這次論文的完成，還要感謝大學幾年各科老師的教導，是他們在這三年來對我的培養(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(shè)計順利完成；感謝我大學三年來所有幫助我關(guān)心我的老師和同學，謝謝他們所付出的辛勤勞動和幫助！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，20004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(shè)計實例指導

46、M.北京航空航天大學出版社，20046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 20-227松井邦彥日著，梁瑞林 譯.傳感器實用電路設(shè)計制作M .科學出版社，20058李 明，徐向東.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)3，88-919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)26-2810吳春旺，陳 霞.鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計J.電工技術(shù)，2006，3，71-7211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，2001，712宋書中，葛 玻.通

47、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，2000，6，34-3613袁希光等.傳感器技術(shù)手冊M.北京國防工業(yè)出版社,198614張洪潤，張亞凡.傳感技術(shù)與應用教程M.清華大學出版社，200515宏晶科技.STC單片機用戶參考資料中文版. http:/www.mcu-16南京傲屹電子有限公司.AT命令手冊,EB/OL,2009-2-20附錄一：總體電路圖附錄二：程序清單 ORG 0000Hdsw BIT P2.0gsw BIT P2.1 zh BIT P1.0 sd BIT P1.1 ss BIT P1.2 xj BIT P1.3 bj BIT P1.4 qd BIT P3.4 SC

48、L BIT P3.2 SDA BIT P3.3 temp_1 EQU 29H ;溫度的低8位 temp_2 EQU 28H溫度的高8位 ten EQU 30H ;整數(shù)十位 num EQU 31H ;整數(shù)個位 dot EQU 32H ;小數(shù)單元 FLAG BIT 10H ;是否檢測到DS18B20標志位 ZFBZ BIT 11H SXGW EQU 25H ;上線個位 SXSW EQU 24H ;上線十位 XXGW EQU 23H ;下線個位 XXSW EQU 22H ;下線十位 MOV 27H,#0FFH MOV 26H,#0FEH MOV R6,#0 MOV R4,#0 MOV R5,#0 MOV SXGW,#00H MOV SXSW,#00H MOV XXGW,#00H MOV XXSW,#00H SETB bj CLR 50H CLR 51H CLR 52HMAIN: MOV A,P2 JNB ACC.0,ONE ;dsw=0則轉(zhuǎn)JB ACC.1,TWO ;gsw=1則轉(zhuǎn)CLR P2.6 ;正常水位顯示AJMP WDCJ ;進入水溫控制BACK: ACALL YS10SAJMP MAINONE: JNB ACC.1,THREECLR P2.4 ;故障燈亮SETB P2.2 ;停