基于单片机的锅炉温度控制系统的设计.docx

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基于单片机的锅炉温度控制系统的设计

摘要

在对当前采暖需求情况广泛调查的基础上，结合工程实际需要，针对小型家用燃气锅炉的特点，研制开发了基于MCS-51单片机的小型家用燃气锅炉温度控制系统，旨在使用燃煤锅炉集中采暖时所遇到的锅炉温度不易控制，改进家庭采暖的控制方式，提高采暖的经济性。

利用Protel99se电路设计软件，对智能控制器的电源电路、复位电路、时钟电路、报警电路、LCD液晶显示电路以及控制器的核心—温度采集电路进行了设计。

电源采用三端集成稳压器W7800（W7900）系列元件7805,交流220v电压转换为单片机所需要的5V电压；利用AT89S51作为控制器的核心器件；利用集成电路温度传感器DS18B20测量锅炉水温;将测量的水温与设定值比较，单片机另外使用LCD液晶显示器显示水位的上下限值、当前水位、预先设定的温度报警值和当前采集的温度值。

当温度超过设定的报警温度值，系统会发出报警声音，同时关闭锅炉燃烧器。

等待温度降到下限值，这时就可以重新锅炉燃烧器通电，继续加温，如此反复监控温度。

这样就可以节约能源，提高能源的使用率。

针对系统的要求和特点，在上述硬件电路及实现方法的基础上，利用汇编语言，设计了基于单片机的锅炉温度控制系统。

控制软件主要包括温度和温度采集子程序、水位控制程序、键盘扫描子程序和LCD液晶显示子程序等。

通过对温度和水位的测试，可以发现所设计的控制系统能够满足设计要求，达到了预期的效果。

关键词：

单片机；LCD；燃气锅炉；温度控制；DS18B20

1绪论

课题背景及研究意义

锅炉是一种热能转换设备，由锅和路两大主体和保证其安全经济连续运行的附件，仪表附属设备，自控和保护系统组成，水在锅（锅筒）中不断被炉里燃料燃烧释放出来的能量加热，温度升高并产生带压蒸汽，由于水的沸点随压力的升高而升高，锅是密封的，水蒸气在里面的膨胀受到限制而产生压力形成热动力（严格的说锅炉的水蒸气是水在锅筒中定压加热至饱和水再汽化形成的）作为一种能源广泛使用。

锅炉广泛用于生产和生活之中。

中小型锅炉作为供暖设备用于提供热水，取暖方面得到了广泛应用。

目前，取暖多采用集中供暖方式。

集中供暖，一般都是按一个采暖季每平方（建筑面积）来收费的，对北方地区来说，天气比较冷，需要供暖时间长，应该集中供暖省钱。

指集中集团式供暖的一种形式。

从能源利用方面讲，集中供暖一次性投资大，运行费用高，无论是否需要，暖气始终全天供热，因楼层不同而造成温度不均，若遇到供暖偏热，居民只有开窗降温，使宝贵的能源白白浪费。

这种供暖方式从原理上而言，效率较高。

集中供暖的锅炉大多数是燃媒锅炉，锅炉燃烧时污染大，已经带来了严重的环境污染问题。

由于这些用户采用集中取暖，给个别用户带来不便的缺陷。

基于这种情况，近年来采用以天然气，液化石油气为燃料的中小型燃气锅炉具有高效、环境污染小，发热量大甚至无污染等特点，受到普遍欢迎。

尤其在国外，燃气锅炉目前已得到了普遍应用。

家用燃气锅炉常见的是套管式燃气锅炉、板换式燃气锅炉、冷凝式燃气锅炉。

随着科技的发展以及各种客观条件的具备，生活采暖用燃气锅炉的应用也必将得到进一步的发展与推广。

随着燃料不断补给，燃料充足，城市燃气管网逐步完善，燃气使用率逐步会提高。

市场经济的发展与开放，国有企业享受国家能源补贴的取消，住房逐渐私有化，供热管网费、采暖费全部由个人支付。

会有越来越多的人放弃集中供热方式而采用分散采暖方式。

而小型家用燃气锅炉的使用作为集中供暖的一个很好补充或替代它必将被越来越多的人关注和选用成为趋势。

目前市场上家用燃气锅炉为进口，价格高，售后服务不够完善，不利于燃气锅炉的推广使用，研制燃气锅炉的公司亦相对较少。

因此研制开发小型家用燃气锅炉就具有现实的意义与客观的市场价值。

本设计将结合小型家用燃气锅炉实际的需要，利用MCS-51系列单片机为核心器件组成温度控制系统，采用温度采集技术，通过运行和分析研究，以期正确认识和全面理解利用单片机实现温度采集技术在过程控制中的应用。

系统的总体设计思想

目前，世界计算机市场上出现了专门用于工业控制的单片机系列产品，单片机以其体积小、重量轻、功耗低、价格便宜、功能强的特点，在工业控制的实践中得到越来越广泛的应用单片机不仅可以实现各种常规的控制，还可以根据被控对象的特性，充分利用控制理论的最新研究成果，采用更完善的控制方式，以获得更好的控制效果。

目前，由于家用锅炉属于批量生产，而且每台锅炉需要一套完整的控制系统，针对这些特点，尤其从产品成本角度出发，以MCS-51为核心器件组成的控制系统是比较理想的选择。

此外，MCS-51系列单片机运算能力、完备的控制功能、加上完善的外部接口电路，对中小型锅炉控制系统完全可以胜任。

在外围芯片选取时，尽量选取典型的、易于扩展和替换的芯片和电路，并本着节约成本的思想。

选用基于单总线的数字温度传感器DS18B20和LCD液晶显示器。

DS18B20温度传感器采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域；LCD液晶显示器为平面超薄的显示设备，它由一定数量的彩色或黑白像素组成，放置于光源或者反射面前方。

液晶显示器功耗很低，因此倍受工程师青睐，适用于使用电池的电子设备。

它的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。

它们二者与单片机的接口比较简单，而且编程强度不大，既保证了系统的稳定性，又缩短了系统的开发周期，节约了开发成本。

系统在软件上采取模块化的程序结构。

主程序作为控制程序，为整个系统软件的一条主线，其它功能模块均采用子程序调用、查询等方式，为调试和扩充提供了方便。

本系统的电源采用市场上常见的W7800（7800）系列7805电源稳压芯片，模拟信号和数字信号分别用单独的供电回路，以避免电源干扰。

利用温度传感器DS18B20采集测量锅炉水温；使用LCD液晶显示器显示水位的上下限值、预先设定的温度报警值和当前采集的温度值。

利用继电器控制燃烧器和给水泵的加热和给水。

当锅炉内的水的实际水温超过报警温度值，系统会发出报警声音，这时接在单片机一端的继电器动作，燃烧器断电。

此时温度传感器实时对锅炉温度检测，当温度降到设定值的下限时，继电器重新通电。

燃烧器电源重新接通，锅炉继续加热。

如此反复监控温度。

这样对锅炉温度控制不仅可以节约能源，提高能源的使用率。

此外，为符合实际本系统对锅炉的水位进行实时监控，防止锅炉干烧和锅炉水溢出，以免造成能源浪费和水溢出引起的锅炉爆炸严重后果。

2系统方案论证及工作原理

2.1设计方案论证

方案一：

采用AT89S51单片机、7805电源稳压芯片、热敏电阻、74HC138和16*16点阵显示器，液位控制器等核心部件。

该方案中单片机控制16*16点阵显示器这部分程序比较复杂，编程的强度较大，容易出错。

另外，在硬件电路上，74HC138、16*16点阵显示器与单片机接口复杂，而且它们的外围电路较多，不适合用在锅炉的嵌入式系统设计中。

采用液位继电器可以简单控制锅炉液位，但增加了成本开销。

方案二：

采用AT89S51单片机、7805电源稳压芯片、温度传感器DS18B20和液晶显示器LCD1602等核心部件。

该方案采用液晶显示器来显示水位的上下限值、当前水位、预先设定的温度报警值和当前采集的温度值，直观、接口简单而且编程强度不大。

用不锈钢管制作成的装置放于水位上下限，简单。

这样就可以缩短系统的开发周期，减少系统成本开销。

另外，温度传感器DS18B20的温度测量范围、精度、响应时间、稳定性都要比热敏电阻好。

综上分析，采用第二种方案。

本系统主控单片机的全部程序都是用汇编语言来编写，采用KeiluVision3集成开发环境来开发单片机应用程序。

2.2系统结构框图

锅炉温度控制系统的主控部分由单片机构成。

通过按键电路进行温度报警值的设定，并对锅炉的水温进行采集及处理，然后与报警值比较，当温度值大于温度上限值（报警值）时就报警，停止加热。

当温度少于温度下限值时，重新启动进行加热处理。

以此重复对锅炉温度控制。

同时为结合实际需要，本系统亦对锅炉水位进行控制。

液晶显示，显示水位上限值，水位下限值以及温度报警值和实际温度值。

图2.1所示是其系统结构框图。

图2.1系统结构框图

在工业生产中，锅炉是一种重要的动力系统。

其中锅炉的温度过程控制，又是一个重要环节。

本系统过程控制系统主要应用于燃气锅炉的水温控制系统。

在燃气锅炉里面，天然气液化石油气作为燃料，锅炉中的水作为加热对象。

温度传感器的输出信号经调理电路处理后作为单片机系统的输入信号。

本系统要采样的是锅炉的水温和锅炉的水位控制信号。

温度控制系统的控制信号通过继电器控制燃烧器内进出气，由三个进气阀实现控制。

燃烧器的作用是:

继电器接通燃烧器电源后，燃烧器通过其内部的光电检测管检测锅炉内有无火光，若有火光则表示点火成功，不需启动点火变压器，否则启动点火变压器进行点火，同时电磁阀打开进气，这时光电管检测到火焰，关闭点火变压器，系统点火成功。

该中小型燃气锅炉所需要温度的热水是根据用户需要调节的。

控制系统根据温度传感器检测到的温度与温度设定值比较，给出控制信号.若实际温度大于报警值时，单片机实行对继电器的电源关断，这时燃烧器断电，锅炉不进行加热处理。

温度传感器一直检测锅炉内部的水温。

当温度传感器检测的温度小于用户设定值的时候，单片机根据温度的比较信号，重新对继电器进行通电，锅炉重新加热。

本系统燃烧控制系统（又称为燃烧调节系统）采用有差调节系统。

有差调节时系统调节过程中被调参数值在设定的参数范围内变动。

在供热锅炉中常采用有差调节就能达到要求，所以系统采用有差调节系统并采用双位控制。

如图2.2所示。

图2.2燃烧控制（调节）系统

2.2.1主要器件的选择

1.选用Atmel公司单片机AT89S51。

2.选用Dallas半导体公司温度传感器DS18B20

3.液晶显示器LCD1602

2.2.2锅炉辅助器件选择

1.奥林燃烧器

　型号:

GP-300T　

功率（kg）:

700-4000

火焰探测器型号:

QRA-2　　　

伺服马达型号:

SQM

气阀密封检漏器型号:

VDK200/VPS504/DK2F

燃烧器控制:

外置

重量（kg）:

320　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

2.CHL系列立式不锈钢多级泵

流　　量：

最大22m3/h

扬　　程：

最大60m

液体温度：

-50℃～120℃

环境温度：

最高+160℃

工作压力：

1.6MPa/2.5MPa

工作电压：

220V/380V

3.不锈钢管

3硬件电路设计

3.1主电路

1.温度控制电路

图3.1温度控制电路

2.水位控制电路

图3.2锅炉加水电路

图3.3水位检测电路

3.2单片机选择设计

AT89S51是美国ATMEL生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准8051指令系统及引脚。

它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片机芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

（1）AT89S51主要功能列举如下：

①为一般控制应用的8位单芯片。

②晶片内部具有时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）。

③内部程式存储器（ROM为4KB）。

④内部数据存储器（RAM为128B）。

⑤32条双向输入输出线，且每条均可以单独做I/O的控制。

⑥5个中断向量源。

⑦2组独立的16位定时器。

⑧单芯片提供位逻辑运算指令。

（2）AT89S51管脚排列及系统所用引脚功能介绍。

管脚排列如图3.4所示,下面介绍引脚的功能。

图3.4AT89S51引脚图

1.VCC:

AT89S51电源正端输入，接+5V。

2.GND:

电源地端。

3.XTAL1:

单芯片系统时钟的反相放大器输入端。

4.XTAL2:

系统时钟的反相放大器输出端。

5.PORT0:

（P0.0～P0.7）：

端口0是一个8位宽的开路漏极（OpenDrain）双向输出入端口。

P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。

6.PORT2（P2.0～P2.7）：

端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。

7.PORT1（P1.0～P1.7）：

端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。

8.PORT3（P3.0～P3.7）：

端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。

其引脚分配如下：

9.P3.0：

RXD,串行通信输入。

P3.1：

TXD，串行通信输出。

P3.2：

INT0，外部中断0输入。

P3.3：

INT1，外部中断1输入。

P3.4：

T0，计时计数器0输入。

P3.5：

T1，计时计数器1输入。

P3.6：

WR：

外部数据存储器的写入信号。

P3.7：

RD，外部数据存储器的读取信号。

3.3单片机最小系统

3.3.1时钟电路设计

AT89S51的时钟可由内部产生也可以由外部产生。

在这个设计中只是用了内部产生。

利用芯片内部振荡电路，在XTAL1，XTAL2（18，19脚）的引脚上外接定时元件，内部振荡器便能产生自激振荡，用示波器便可观察到XTAL2输出的正弦波，定时元件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路，它与单片机的接法的如图3-5所示。

晶体可以在1.2MHz~12MHz之间所选，电容可以在20~60pF之间所选，通常选择30pF左右，电容C6，C7的大小对振荡频率有微小的影响，可起频率微调作用。

在设计印制板时，晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，保证振荡器可靠工作，一般采用瓷片电容。

图3.5时钟电路

3.3.2复位电路

单片机上电后，在其9脚（RESET）出现24个振荡周期以上的高电平后，单片机内部初始复位。

为了确保单片机正常复位，必需使其第9脚上出现的高电平保持2μs以上。

复位电路如图3.6所示。

图3.6复位电路

系统的复位电路是由RC电路组成，外加一个手动复位按钮。

刚上电时或者触动按钮后C5两端的电压为0，这时RST为高电平，而其高电平保持时间是由R和C的时间常数决定，由公式（3-1）可知，C充电的时间常数τ等于0.22ms，远远大于2μs，即使RST高电平的时间保持2μs以上，确保了单片机正常复位。

τ＝R*C（3-1）

3.4温度检测电路设计及温度传感器选择

3.4.1DS18B20简介

Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。

一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

DS18B20可以程序设定9-12位的分辨率，精度为0.5摄氏度。

分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

如图3.7所示DS18B20引脚排列图

图3.7DS18B20引脚排列图

（A）DS18B20特性：

1.独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯。

2.简单的多点分布应用。

3.无需外部应用。

4.无需外部器件。

5.可通过数据线供电。

6.零待机功耗。

7.测温范围－55～＋125℃，以0.5℃递增。

8.温度以8位数字量读出。

9.温度数字量转换时间200ms（典型值）。

10.用户可定义的非易失性温度报警设置。

11.报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度的器件。

12.应用包括温度控制，工业系统，消费品，温度计或任何热感测系统（B）ROM操作品令：

总线主机检测到DSl820的存在，便可以发出ROM操作命令之一，这些命令如

指令代码

1.ReadROM（读ROM）[33H]

2.MatchROM（匹配ROM）[55H]

3.SkipROM（跳过ROM）[CCH]

4.SearchROM（搜索ROM）[F0H]

5.Alarmsearch（告警搜索）[ECH]

（C）存储器操作命令

指令代码

1.WriteScratchpad（写暂存存储器）[4EH]

2.ReadScratchpad（读暂存存储器）[BEH]

3.CopyScratchpad（复制暂存存储器）[48H]

4.ConvertTemperature（温度变换）[44H]

5.RecallEPROM（重新调出）[B8H]

6.ReadPowersupply（读电源）[B4H]

（D）DS18B20管脚功能表，如表3.1所示

表3.1DS18B20管脚功能表

引脚序号

引脚名称

功能

GND

接地

数据输入/输出脚

VDD

接5V电源

3.4.2温度采集电路

温度采集电路只有一个DS18B20温度传感器，它与单片机的接口比较简单，如图3.8所示。

只要给传感器5V的供电并把它的单总线接到单片机的P口就可以了。

图3.8温度采集电路

3.5温度控制电路设计

本系统采用继电器进行对燃烧器工作方式控制，从而锅炉控制温度。

当P口输出高电平时，经反相驱动器7406变为低电平，使发光二极管发光，从而使光敏三极管导通，进而是Q3导通，因而继电器的线圈通电,接通锅炉燃烧器。

本部分电路与单片机的接口如图3.9所示。

1.当P1.7输出高电平时，燃烧器通电，燃烧器对锅炉加热，进行加热处理。

2.当P1.7输出低电平时，燃烧器断电，燃烧器对锅炉加热，不进行加热处理。

图3.9温度控制电路

3.6水位控制电路

锅炉在正常加温工作情况下，同时对锅炉液位检测。

当锅炉的水位满足条件时开始工作。

本系统设计利用普通水的导电性质采用不绣钢管作为测量液位的器件，放于锅炉上下限的金属棒是否正在导电的情况判断锅炉的水位是不是在上下限范围之间，单片机通过采集的水位变化的信号，发出对给水泵控制的命令，控制锅炉内水位符合条件。

图3.10水位检测电路

如图3.10水位检测电路所示，金属棒1放于水位上限位置，金属棒2放于水位下限位置，金属棒3放于水位以下比较远点的位置。

其中金属棒1和金属棒2用限流电阻分别与单片机相连接，金属棒3接+5v的电源。

单片机不断的检测单片机端口p1.2和p1.3的电平情况。

（1）当P1.2＝高电平和P1.3＝高电平时，即实际水位在水位上限以上的位置，这时系统发出报警命令,系统停止工作。

（2）当P1.2＝高电平和P1.3＝低电平时，即实际水位在水位上限和水位下限之间的位置，单片机不进行处理，即保持给水泵的状态不变。

（3）当P1.2＝低电平和P1.3＝低电平时，即实际水位在下限以下的位置，这时系统控制给水泵工作，锅炉开始加水，并报警。

图3.11水位控制电路

当锅炉水位处与水位下限值的时，单片机P1.4口输出一个高电平，继电器接通，此时给水泵通电，给水泵开始工作给锅炉加水。

3.6显示电路设计

图3.12为LCD1602引脚分配图。

其引脚说明见表3.2。

LCD1602是具有4位/8位并口可选接口方式的液晶显示模块，它能同时显示两行字符，每行有16个字符。

字符以5*7点阵形式显示。

其字符中共有160种字符。

人选指令有11条（清屏、返回、输入方式设置、显示开关控制、移位、功能设置、CGRAM地址设置、DDRAM地址设置、读忙信号及地址高数器、写数据、读数据），内部有80字节的RAM，8位数据接口，另外三根控制总线用于完成对写和读数据或指令时序控制。

由该模块构成的液晶显示方案与LED点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多。

3.12LCD1602引脚分配图

（1）LCD1602引脚说明

表3.2LCD1602引脚说明

管脚号

符号

功能

VCC

电源地（GND）

VDD

电源电压（+5V）

寄存器选择输入端，输入MPU选择模块内部寄存器类型信号；

RS=0，当MPU进行写模块操作，指向指令寄存器；

当MPU进行模块操作，指向地址计数器；

RS=1，无论MPU读操作还是写操作，均指向数据寄存器

读写控制输入端，输入MPU选择读/写模块操作信号；

R/W=0读操作；R/W=1写操作

R/W

读写控制输入端，输入MPU选择读/写模块操作信号；

R/W=0读操作；R/W=1写操作

读操作时，高电平有效；写操作时，下降沿有效

DB0