完成版基于單片機(jī)的鍋爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說明

1、1.1 課題背景與研究意義鍋爐是一種熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備，由鍋和路兩大主體和保證其安全經(jīng)濟(jì)連續(xù)運(yùn)行的附件，儀表附屬設(shè)備，自控和保護(hù)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(chǎn)生帶壓蒸汽，由于水的沸點(diǎn)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(chǎn)生壓力形成熱動(dòng)力（嚴(yán)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(chǎn)和生活之中。中小型鍋爐作為供暖設(shè)備用于提供熱水，取暖方面得到了廣泛應(yīng)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(gè)采暖季每平方（建筑面積）來收費(fèi)的，對(duì)北方地區(qū)來說，天氣比較冷，需要供暖時(shí)

2、間長(zhǎng)，應(yīng)該集中供暖省錢。指集中集團(tuán)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(yùn)行費(fèi)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(fèi)。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(shù)是燃媒鍋爐，鍋爐燃燒時(shí)污染大，已經(jīng)帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。由于這些用戶采用集中取暖，給個(gè)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?xì)忮仩t具有高效、環(huán)境污染小，發(fā)熱量大甚至無污染等特點(diǎn)，受到普遍歡迎。尤其在國(guó)外，燃?xì)忮仩t目前已得到了普遍應(yīng)用。家用燃?xì)忮仩t常見的是套管式燃?xì)忮仩t、板換式燃

3、氣鍋爐、冷凝式燃?xì)忮仩t。隨著科技的發(fā)展以與各種客觀條件的具備，生活采暖用燃?xì)忮仩t的應(yīng)用也必將得到進(jìn)一步的發(fā)展與推廣。隨著燃料不斷補(bǔ)給，燃料充足，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)逐步完善，燃?xì)馐褂寐手鸩綍?huì)提高。市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與開放，國(guó)有企業(yè)享受國(guó)家能源補(bǔ)貼的取消，住房逐漸私有化，供熱管網(wǎng)費(fèi)、采暖費(fèi)全部由個(gè)人支付。會(huì)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?xì)忮仩t的使用作為集中供暖的一個(gè)很好補(bǔ)充或替代它必將被越來越多的人關(guān)注和選用成為趨勢(shì)。目前市場(chǎng)上家用燃?xì)忮仩t為進(jìn)口，價(jià)格高，售后服務(wù)不夠完善，不利于燃?xì)忮仩t的推廣使用，研制燃?xì)忮仩t的公司亦相對(duì)較少。因此研制開發(fā)小型家用燃?xì)忮仩t就具有現(xiàn)實(shí)的意義與客

4、觀的市場(chǎng)價(jià)值。本設(shè)計(jì)將結(jié)合小型家用燃?xì)忮仩t實(shí)際的需要，利用MCS-51系列單片機(jī)為核心器件組成溫度控制系統(tǒng)，采用溫度采集技術(shù)，通過運(yùn)行和分析研究，以期正確認(rèn)識(shí)和全面理解利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度采集技術(shù)在過程控制中的應(yīng)用。1.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想目前，世界計(jì)算機(jī)市場(chǎng)上出現(xiàn)了專門用于工業(yè)控制的單片機(jī)系列產(chǎn)品，單片機(jī)以其體積小、重量輕、功耗低、價(jià)格便宜、功能強(qiáng)的特點(diǎn)，在工業(yè)控制的實(shí)踐中得到越來越廣泛的應(yīng)用單片機(jī)不僅可以實(shí)現(xiàn)各種常規(guī)的控制，還可以根據(jù)被控對(duì)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，由于家用鍋爐屬于批量生產(chǎn)，而且每臺(tái)鍋爐需要一套完整的控制系統(tǒng)

5、，針對(duì)這些特點(diǎn)，尤其從產(chǎn)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(jī)運(yùn)算能力、完備的控制功能、加上完善的外部接口電路，對(duì)中小型鍋爐控制系統(tǒng)完全可以勝任。在外圍芯片選取時(shí)，盡量選取典型的、易于擴(kuò)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(shù)字溫度傳感器DS18B20和LCD液晶顯示器。DS18B20溫度傳感器采用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20可組網(wǎng)數(shù)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(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域；LCD液晶顯示器為平面超薄的顯示設(shè)備，它由一定數(shù)量的彩

6、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(shè)備。它的主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面配合背部燈管構(gòu)成畫面。它們二者與單片機(jī)的接口比較簡(jiǎn)單，而且編程強(qiáng)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(jié)構(gòu)。主程序作為控制程序，為整個(gè)系統(tǒng)軟件的一條主線，其它功能模塊均采用子程序調(diào)用、查詢等方式，為調(diào)試和擴(kuò)充提供了方便。本系統(tǒng)的電源采用市場(chǎng)上常見的W7800(7800)系列7805電源穩(wěn)壓芯片，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)分別用單獨(dú)的供電回路，以避免電源干擾。利用溫度傳感器DS18B20采集

7、測(cè)量鍋爐水溫；使用LCD液晶顯示器顯示水位的上下限值、預(yù)先設(shè)定的溫度報(bào)警值和當(dāng)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(dāng)鍋爐的水的實(shí)際水溫超過報(bào)警溫度值，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音，這時(shí)接在單片機(jī)一端的繼電器動(dòng)作，燃燒器斷電。此時(shí)溫度傳感器實(shí)時(shí)對(duì)鍋爐溫度檢測(cè)，當(dāng)溫度降到設(shè)定值的下限時(shí)，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(fù)監(jiān)控溫度。這樣對(duì)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(shí)際本系統(tǒng)對(duì)鍋爐的水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，防止鍋爐干燒和鍋爐水溢出，以免造成能源浪費(fèi)和水溢出引起的鍋爐爆炸嚴(yán)重后果。2硬件電路設(shè)計(jì)2.1 主電路 1.溫度控制電路圖2

8、.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(cè)電路2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)2.2.1時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)AT89S51的時(shí)鐘可由部產(chǎn)生也可以由外部產(chǎn)生。在這個(gè)設(shè)計(jì)中只是用了部產(chǎn)生。利用芯片部振蕩電路，在XTAL1，XTAL2（18，19腳）的引腳上外接定時(shí)元件，部振蕩器便能產(chǎn)生自激振蕩，用示波器便可觀察到XTAL2輸出的正弦波，定時(shí)元件可以采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振電路，它與單片機(jī)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之間所選，通常選擇30pF左右，電容C6，C7的大小對(duì)振蕩頻率有微小的影響，可起頻率微調(diào)作用。在設(shè)計(jì)印

9、制板時(shí)，晶體和電容應(yīng)盡可能與單片機(jī)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(shí)鐘電路2.2.2 復(fù)位電路單片機(jī)上電后，在其9腳（RESET）出現(xiàn)24個(gè)振蕩周期以上的高電平后，單片機(jī)部初始復(fù)位。為了確保單片機(jī)正常復(fù)位，必需使其第9腳上出現(xiàn)的高電平保持2s以上。復(fù)位電路如圖 3.6 所示。圖2.6 復(fù)位電路系統(tǒng)的復(fù)位電路是由RC電路組成，外加一個(gè)手動(dòng)復(fù)位按鈕。剛上電時(shí)或者觸動(dòng)按鈕后C5兩端的電壓為0，這時(shí)RST為高電平，而其高電平保持時(shí)間是由R和C的時(shí)間常數(shù)決定，由公式(3-1)可知，C充電的時(shí)間常數(shù)等于0.22ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2s，即使RST高電平的時(shí)間保持2s以上

10、，確保了單片機(jī)正常復(fù)位。2.3 溫度控制電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用繼電器進(jìn)行對(duì)燃燒器工作方式控制，從而鍋爐控制溫度。當(dāng)P口輸出高電平時(shí)，經(jīng)反相驅(qū)動(dòng)器7406變?yōu)榈碗娖剑拱l(fā)光二極管發(fā)光，從而使光敏三極管導(dǎo)通，進(jìn)而是Q3導(dǎo)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(jī)的接口如圖2.9所示。1.當(dāng)P1.7輸出高電平時(shí)，燃燒器通電，燃燒器對(duì)鍋爐加熱，進(jìn)行加熱處理。2.當(dāng)P1.7輸出低電平時(shí)，燃燒器斷電，燃燒器對(duì)鍋爐加熱，不進(jìn)行加熱處理。圖2.9 溫度控制電路2.4 水位控制電路鍋爐在正常加溫工作情況下，同時(shí)對(duì)鍋爐液位檢測(cè)。當(dāng)鍋爐的水位滿足條件時(shí)開始工作。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用普通水的導(dǎo)電性質(zhì)采用不繡鋼

11、管作為測(cè)量液位的器件，放于鍋爐上下限的金屬棒是否正在導(dǎo)電的情況判斷鍋爐的水位是不是在上下限圍之間，單片機(jī)通過采集的水位變化的信號(hào)，發(fā)出對(duì)給水泵控制的命令，控制鍋爐水位符合條件。圖2.10水位檢測(cè)電路如圖2.10水位檢測(cè)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(yuǎn)點(diǎn)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(jī)相連接，金屬棒3接+5v的電源。單片機(jī)不斷的檢測(cè)單片機(jī)端口p1.2和p1.3的電平情況。(1)當(dāng)P1.2高電平和P1.3高電平時(shí)，即實(shí)際水位在水位上限以上的位置，這時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警命令,系統(tǒng)停止工作。(2)當(dāng)P1.2高電平和P1.3低電平時(shí)，

12、即實(shí)際水位在水位上限和水位下限之間的位置，單片機(jī)不進(jìn)行處理，即保持給水泵的狀態(tài)不變。(3)當(dāng)P1.2低電平和P1.3低電平時(shí)，即實(shí)際水位在下限以下的位置，這時(shí)系統(tǒng)控制給水泵工作，鍋爐開始加水，并報(bào)警。圖2.11 水位控制電路當(dāng)鍋爐水位處與水位下限值的時(shí)，單片機(jī)P1.4口輸出一個(gè)高電平，繼電器接通，此時(shí)給水泵通電，給水泵開始工作給鍋爐加水。2.5報(bào)警電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警,并用兩個(gè)LED指示燈表示工作狀態(tài)，紅燈亮綠燈滅表示報(bào)警;紅燈滅綠燈亮表示正常工作。該部分電路與單片機(jī)的接口如圖2.15所示。圖2.15 報(bào)警電路電路由限流電阻R1、三極管Q1、兩個(gè)二極管和蜂鳴器組成。這個(gè)電路并不是一

13、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?fàn)顟B(tài)。當(dāng)基極為低電平時(shí)，晶體管處于飽和狀態(tài)，飽和電壓為UCES=0. 3V，此時(shí)，蜂鳴器鳴叫。當(dāng)基極為高電平時(shí)，晶體管截止，相當(dāng)于開路，輸出為高電平，蜂鳴器停止鳴叫。2.6按鍵電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)為符合實(shí)際要求，進(jìn)入系統(tǒng)之前首先對(duì)溫度報(bào)警值的設(shè)置。本系統(tǒng)有三個(gè)按鍵分別為K1,K2,K3.如圖2.17所示。(1) K1設(shè)置鍋爐溫度報(bào)警值的溫度值增加按鍵。K1每按下一次，溫度報(bào)警值顯示加比上一次值增加一度。(2) K2設(shè)置鍋爐溫度報(bào)警值的溫度值減少按鍵。K1每按下一次，溫度報(bào)警值顯示比上一次值減少一度。 (3) K3溫度報(bào)警值確定值。圖2.

14、17 按鍵電路設(shè)計(jì)3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本章講述的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括鍋爐溫度控制的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)以與構(gòu)成系統(tǒng)的各部分子程序設(shè)計(jì)。3.1主流程圖設(shè)計(jì)鍋爐溫度控制系統(tǒng)的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)主流程圖如圖3.1所示。本系統(tǒng)進(jìn)入執(zhí)行時(shí)先對(duì)鍋爐水位進(jìn)行與設(shè)定的水位上下限進(jìn)行判斷，然后按條件不同處理結(jié)果。當(dāng)鍋爐水位滿足條件的時(shí)候再對(duì)鍋爐的水溫采樣監(jiān)控，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。圖 3.1 軟件主流程3.2中斷程序程序中斷服務(wù)程序序K1是否按下加1并示K2是否按下減1并顯示K3是否按下返回是是是否否否圖4.2 中斷服務(wù)程序4.3 DS18B20溫度采集子程序設(shè)計(jì)DS18B20有嚴(yán)格的協(xié)議來確保其數(shù)據(jù)的完整性。協(xié)議包括幾種單線信號(hào)類

15、型：復(fù)位脈沖，存在脈沖，寫0、寫1、讀0、讀1。所有這些信號(hào)類型除存在脈沖外，其它的信號(hào)均由總線主機(jī)產(chǎn)生。開始與SD18B20進(jìn)行任何通信。都要對(duì)其進(jìn)行初始化，在接收到復(fù)位脈沖后，再對(duì)SD18B20進(jìn)行正確的ROM命令和存貯器操作命令。在總線主機(jī)初始化過程，主機(jī)通過拉高單總線，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖。接著，在主機(jī)釋放總線，并進(jìn)入接收模式。當(dāng)總線被釋放后，上拉電阻將總線拉高。在單總線器件檢測(cè)到上升沿后，接著產(chǎn)生延時(shí)，接著通過拉低總線，以產(chǎn)生存在脈沖。DS18B20溫度采集子程序流程圖如圖3.3所示。開始檢測(cè)DS18B02是否存在跳過EOM匹配是發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換 命令跳過ROM匹配發(fā)出溫度讀取命令保存采集的溫

16、度結(jié)束否圖3.3 DS18B20溫度采集子程序流程圖3.4 LCD液晶顯示子程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用是16*2的LCD1602，單片機(jī)對(duì)其初始化，然后將需要顯示的字符在LCD存儲(chǔ)的地址和要求在LCD顯示的地址送出，再檢測(cè)LCD是否處在忙碌不能接收命令或數(shù)據(jù)的狀態(tài)，檢測(cè)到LCD空閑時(shí)就可以寫數(shù)據(jù)顯示了。LCD液晶顯示子流程圖如圖3.4所示，具體實(shí)現(xiàn)過程請(qǐng)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的地址送出檢測(cè)LCD是否忙碌寫數(shù)據(jù)顯示結(jié)束否是圖3.4 LCD液晶顯示子程序流程圖MAIN: CALL TEMP_SET;顯示設(shè)定溫度報(bào)警值的信息 MOV A,#0C9H

17、;設(shè)定溫度攝示度標(biāo)記的顯示位置 CALL TEMP_BJ ;顯示溫度攝示度的標(biāo)記 LCALL DIS_TEMP;顯示初始化的報(bào)警溫度MAIN1: MOV 20H,#0 LCALL KEY;調(diào)用按鍵掃描程序 JNB 20H.0,DEC_TEMPADD_TEMP: INC TEMP_AL;報(bào)警溫度值加1 LCALL DIS_TEMP;顯示改變后的報(bào)警溫度 AJMP MAIN1DEC_TEMP: JNB 20H.1,CONFIRM DEC TEMP_AL;報(bào)警溫度值減1 LCALL DIS_TEMP;顯示改變后的報(bào)警溫度 AJMP MAIN1CONFIRM: JNB 20H.2,MAIN1;如果沒按

18、任何鍵就返回MAIN1繼續(xù)掃描 ;SETB SPK; LCALL DIS_TEMP1 CALL MENU_OK1;LCD顯示溫度采集和水位控制信息 LCALL DIS_TEMP1 ;顯示已設(shè)定的溫度報(bào)警值 MOV A,#0CEH;當(dāng)前溫度攝示度標(biāo)記的顯示位置 CALL TEMP_BJ ;顯示當(dāng)前溫度攝示度的標(biāo)記START: CALL RE_18B20_1;檢測(cè)通道1的DS18B20是否存在,并設(shè)置12位精確度 CALL RESET1 ;18B20復(fù)位子程序,檢測(cè)18B20是否存在 JNB FLAG1,START11 ;如果DS1820不存在則跳START11; CALL MENU_OK1;如果

19、存在則顯示OK; MOV A,#0CEH; CALL TEMP_BJ ;顯示溫度攝示度的標(biāo)記 JMP START21START11: CALL MENU_ERROR1;如果不存在則顯示ERROR MOV A,#0CBH CALL TEMP_BJ ;顯示溫度攝示度的標(biāo)記 JMP STARTSTART21:;檢查到有溫度傳感器后的處理 CALL RESET1;18B20復(fù)位子程序,再次檢測(cè)18B20是否存在 JNB FLAG1,START11 ;DS1820不存在則轉(zhuǎn)到START11報(bào)錯(cuò) MOV A,#0CCH ; 跳過ROM匹配 CALL WRITE1 MOV A,#44H ; 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令

20、 CALL WRITE1 CALL RESET1 MOV A,#0CCH ; 跳過ROM匹配 CALL WRITE1 MOV A,#0BEH ; 發(fā)出讀溫度命令 CALL WRITE1 CALL READ1;讀出溫度值到TEMPH、TEMPLDISPLAY: CALL DELAY2 CALL CONV;將采集到的溫度在LCD1602顯示出來 ;LCALL DIS_TEMP1;顯示已設(shè)定的溫度報(bào)警值A(chǔ)DD_WATER:INC WATER LCALL DIS_WATER;顯示當(dāng)前水位的值 AJMP COMPARE1;當(dāng)前水位與水位上限值80比較CLR SPK;如果水位大于80就報(bào)警SETB WAT

21、ER-SW-H ;關(guān)閉給水泵CLR SPK;如果水位小于20就報(bào)警 CLR WATER_SW_H;如果當(dāng)前水位低于下限值就打開給水泵開關(guān)CLR BOILER_SW ;當(dāng)前溫度超過溫度報(bào)警值關(guān)閉鍋爐燃燒器開關(guān)，停止加熱 CLR RED SETB GREEN LJMPSTART;比較完畢,重新采集溫度和水位START0: flag,LOOP4;如果水位出現(xiàn)報(bào)警但溫度沒有出現(xiàn)報(bào)警時(shí)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(xiàn)報(bào)警時(shí)就使綠燈亮，然后繼續(xù)采集溫度和水位 SETB RED CLR GREENLP：ORLP1，03H；邏輯或,檢測(cè)水位MOVA，P1；讀P1口JNB

22、0; ACC.3，LP1， P1.3=0跳轉(zhuǎn)到LP1    ACC.4，LP2；當(dāng)P1.4=0表示實(shí)際水位在下限，跳轉(zhuǎn)BK：  MOV A #20 ACALLD2S；調(diào)延時(shí)2S子程序   AJMPLPLP1：JNBACC 4，L00P3；當(dāng)P1.4=0則轉(zhuǎn)SETBSPK；報(bào)警SETBP1. 2；使P1 2=1，停止電機(jī)工作LP4：SJMPL00P4；出現(xiàn)故障后程序進(jìn)入 等待狀態(tài)LP3：CLRP1.2；啟動(dòng)電機(jī)   AJMPBKLP2：    SETBP1 2；電動(dòng)機(jī)停止工作  電機(jī)工作AJMPBKEND;=;LCD顯示溫度標(biāo)記子程序;=TEMP_BJ: ;MOV A,#0CAH CALL WCOM ;調(diào)用LCD寫命令子程序 MOV DPTR,#BJ1 ;指針指到顯示消息 MOV R1,#0 MOV R0,#2BBJJ1: MOV A,R1 MOVC A,A+DPTR