毕业设计基于单片机的小型开水锅炉控制系统.docx
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毕业设计基于单片机的小型开水锅炉控制系统
摘要
本文介绍了一种基于单片机的小型开水锅炉控制系统，并给出了系统的工作原理、硬件结构及软件流程。
本系统采用ATMEL公司单片机系列中的AT89S52为CPU，采用双线串行CMOS型电可檫写存取器AT24C02A记忆用户的温度设定值，采用固态继电器SSR作为控制驱动电路的开关器件，用独特的新型单线智能数字温度传感器DS18B20作为测温元件，测温精度可达0.5℃，这种数字传感器可以与单片机直接连接无需其它电路。
此外在配上固态继电器控制水泵的补水开关，完成对水位的控制。
本文还设计了三个控制按键和LCD1602显示器。
三个按键可实现开水房水温的预置和实际温度的切换。
LCD1602显示器可实时显示水温和水位，并能通过控制按键切换至预置温度界面。
实际使用证明该系统具有良好的控制效果。
关键词单片机 AT89S52，数字温度传感器DS18B20，水温控制，水位控制
TitleBasedonsingle-chipofsmallboilingwaterboilercontrolsystem
Abstract:
Thisarticledescribesanewtypeofintelligentcontrolsystemofautomaticelectricboilers,andgivethesystem'sworkingprinciple,hardwarestructureandsoftwareflow.ThesystemusesATMELCorporationAT89S52single-chipseriesfortheCPU,usingtwo-wireserialCMOS-basedelectricitycanbeSassafrasWritingAT24C02Amemorydeviceusersaccesstotemperaturesettings,theuseofSSRasaswitchingdevice,usingauniquenewone-wayintelligentDS18B20digitaltemperaturesensorasatemperaturemeasurementcomponents,temperaturemeasurementaccuracyofupto0.5℃,suchadigitalsensorcanbedirectlyconnectedwiththesingle-chipmicrocomputerwithoutothercircuits.Inaddition，Waterpumprelaycontrolswitch,waterlevelcontroltoachieve.ThisarticlehasdesignedfivecontrolspressedkeysandLCD1602monitor.Threepressedkeysmayrealizethefunctionofwatertemperatureinitializationandtheactualtemperaturecuttingaswellasthecancellationreportstothepolice.LCD1602monitormaydisplaythewatertemperatureandwaterlevelintime,andcancuttothepre-placedtemperaturethroughthecontrolpressedkey.Actualusetoprovethatthesystemhasgoodcontroleffect.
Keywords:
SinglechipAT89S52,Watertemperaturecontrol,Waterlevelcontrol,DigitalTemperatureSensor
1绪论
1.1研究背景和国内外现状
当前，节能与环保已成为人类社会面临的两大课题。
我国的锅炉目前以煤为主要燃料，耗煤量接近全国煤产量的三分之一。
在欧美和日本等发达国家，石油和天然气已成为第一能源，占能源消费的60%左右，燃油和燃气锅炉已逐步取代燃煤锅炉，对风机和水泵等典籍的变频控制已相当成熟。
自20世纪90年代以来，随着大型可编程控制器、单片机的出现和模糊控制、自适应控制等职能控制算法的发展应用，锅炉控制水平大大提高，已实现优化控制。
国内对锅炉控制的研究起步较晚，始于80年代初期。
国内研究锅炉控制比较成熟的企业有上海杜比公司、南京仁泰公司等。
此外还有一些科研院校和企业开发的各种智能锅炉控制系统，如清华大学动力工程与控制学院为亚运村北辰供热厂热水锅炉的改造开发的锅炉控制系统，采用“一控四”方案，即一台主机控制四台锅炉。
随着电力工业的不断发展，电加热控制系统的锅炉正在兴起。
如今的北京，电锅炉家族可谓越来越宠大了，国内的国外的品牌应有尽有，运行效果最好的是美国的白浪电锅炉。
该设备为立式圆柱形，占地少，其体积最小的直径，设备安装很方便，操作简单，运行稳定且可同时提供采暖和生活用水。
具有多种时段温控，预设功能，可到经济运行的目的，很多别墅项目一般采用电锅炉取水。
工业生产生活中，在很多方面都对温度有不同的要求。
如用于热处理的加热炉、用于熔化金属的锅炉以及各种不同用途的加热炉反应炉，如用于水泥生产中的大型锅炉和生活中的供开水用小型锅炉等，这样温度就成为了其对象中一种重要的被测控对象。
在传统的小型开水锅炉控制中，由于控制对象相对较小且又不重要，有相当一部分还是采用人工控制或是继电接触式的控制方式，自动化程度低，调节精度差，且单靠人工操作已不能适应当今高效、低耗、低劳动强度的要求。
因此，对这种控制系统进行改造是适应发展的需要的。
1.2研究意义和应用发展
在我国，传统的开水锅炉控制中多以燃煤和燃油为主，而且相当一部分还是采用人工控制或是继电接触式的控制方式，自动化程度低，调节精度差，给人们的生产和生活也带来了巨大的危害。
因此，对传统的控制系统进行改造是适应今后发展的迫切需要。
随着电力工业的不断发展，人们逐渐采用电加热控制系统。
本设计就是针对燃煤和燃油锅炉所存在的问题，开发了一种多功能智能的电锅炉控制系统。
本论文设计的小型开水锅炉自动控制系统中采用的就是以单片机作为控制中心，采用电力作为燃料，不仅能够使控制系统具有精度高、功能强、经济性好的特点，还节约能源，利于环保，在改善劳动条件等方面都显示了无比的优越性。
另外该设计的控制系统还具有超温、高低水位保护、显示及报警等功能，保证锅炉正常安全的工作，实现自动化控制。
单片机作为自动控制中的一个核心器件在小型自动控制系统及信号采集方面已经被广泛应用，技术也相对较成熟，它不仅有体积小，安装方便，功能较齐全等优点，而且有很高的性价比，应用前景广，在小型开水锅炉自动控制中采用单片机作为控制中心，不但能够使控制系统具有精度高、功能强、经济性好的特点，即节约能源，还在改善劳动条件等方面都显示了无比的优越性。
2系统结构组成及方案论证
小型开水锅炉控制系统主要由单片机模块、温度控制模块、水位控制模块、显示模块、按键模块、加热机构、加水机构等七大模块组成。
整个系统框图如下：
图2.1系统组成框图
小型开水锅炉控制系统的工作原理如图2.1所示。
锅炉采用电加热的方式，水源由水泵供给，水温可以通过按键预置，由温度传感器检测出出水口处水的温度并送给单片机，然后单片机将实际水温送至LCD1602液晶显示，同时单片机将采集到的实际水温与预置温度相比较，若实际温度在预置温度范围内，就关闭电热丝；若实际水温不在预置温度范围内，就接通电热丝给锅炉加热，若超过预置温度极限，控制系统就会报警。
根据连通器原理，同锅炉相连的玻璃管中的水位与锅炉里的水位相同，由74LS04和74LS244组成的水位检测电路的四个探针来检测水位并将采集到的信息送给单片机，当水位高于最高水位时，就关闭水泵；当水位低于下限水位时，就打开水泵；当水位低于或高于极限水位时，就会报警。
2.1温度检测与控制
图2.2温度控制流程图
如图2.2所示，温度传感器将锅炉出水口水温资料检测出来并传给单片机系统，系统再将此数据处理后送给显示电路，并判断是否接通电热丝给锅炉加热。
传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。
近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：
（1）传统的分立式温度传感器（含敏感组件）；
（2）模拟集成温度传感器／控制器；
（3）智能温度传感器。
在实际温度检测过程中，如何选用传感器显得至关重要。
国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。
目前，集成
温度传感器在温度检测系统中应用越来越多，而其输出信号形式大致有电压、电流和数字三类。
方案一：
采用输出电压式集成温度传感器AN6700S
电压式温度传感器AN6700S是日本松下公司研制的一种具有灵敏度高、线性度好、高精度和快速响应的特点的电压输出型集成温度传感器，它有四个引脚，
（a）正电源供电（b）负电源供电（c）输出极性颠倒
图2.3AN6700S的连接方式
其接线方式有三种：
正电源供电、负电源供电、输出极性颠倒，如图2.3所示。
其中1、2脚为输出端，3、4接外部校正电阻RC，用来调整25C下的输出电压，使其等于5V，RC的阻值在3～30k范围内。
这时灵敏度可达109～+110mV/C，在-10～80C范围内基本误差不超过1C，温度的分辨率可达0.1C。
这种集成传感器在静止空气中的时间常数为24s，在流动空气中为11s。
电源电压在5～15V间变化，所引起的测温误差一般不超过2C。
整个集成电路的电流值一般为0.4mA，最大不超过0.8mA（RL=∞时）。
实验证明：
如果环境温度为20C，当RC=1k时，AN6700S输出电压为3.189V；当RC=10k时，AN6700S输出电压为4.792V；当RC=100k时，AN6700S输出电压为6.175V。
因此，使用AN6700S检测一般环境温度时，适当调整校正电阻RC，不用放大器可直接将输出信号送入A/D转换器，再给微处理器进行处理、显示、打印或存储等。
AN6700S虽然灵敏度高，响应速度快，但用于测量水温，相对测温范围过窄。
方案二：
采用输出数字式集成温度传感器DS18B20
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温组件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。
DS18B20的性能特点如下：
◆独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；
◆多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；
◆无须外部器件；
◆可通过资料线供电，电压范围为3.0～5.5V;
◆零待机功耗；
◆温度以9或者说12位数字量读出；
◆用户可定义的非易失性温度报警设置；
◆报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；
◆负电压性，电源杉性接反时，温度计不会发热而烧毁，但不能正常工作。
DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图2.4所示。
其特点是：
可将被测温度直接转换成计算机能识别的9到12位（最高位为符号位，即“1”为正温度，“2”为负温度）二进制数字信号输出；精度高；信息传送只需一根信号线；每个DS18B20包括一个全球唯一的64位长的序列号，其中开始的8位是产品的类型编号（28H），接着的48位是每个器件唯一的序号，最后的8位是前56位的CRC（循环冗余校验）码；且有数据总线供电和外部供电（电源电压范围为3.0～5.5V）两种供电方式。
单线式数字温度传感器DS18B20测温范围为-55～125C，精度为2C，而在-10～85C范围内，其精度为0.5C，其转换时间与温度分辨率设置组合关系如表2.1.1所示。
表2.1分辨率设置与转换时间关系
R1
R2
分辨率设置
转换时间（ms）
0
0
9位
93.75
0
1
10位
187.5
1
0
11位
375
1
1
12位
750
DS18B20的测温原理如图2.5所示。
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响极小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数门的开启时间由高温度系数振荡吕来决定，每次测量前，首先将-55C所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被在-55C所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将图2.5重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
图2.5DS18B20测温原理
2.2水位检测与控制
所谓水位控制，是通过判定水位，实现当锅炉里实际水位低于预定的水位下限时自动加水和当实际水位高于设定的水位上限时自动停水的功能，其控制过程如图2.6所示。
图2.6水位控制过程
方案一：
用压力传感器检测
用压力传感器来检测锅炉里的水位，需要机械辅助部件，而机械部件结构过于复杂。
方案二：
利用水的导电性检测
采用74LS04和74LS244芯片组成水位检测电路，检测原理如下：
当水箱中无水时，4个非门均被上拉电阻上拉成高电平，所以图中各“非”门输出均为低电平。
当水位高于“非”门1的输入探针时，由于水导电作用，使“非”门1的输入变为低电平，所其输出变为高电平，依此类推。
随着位的上升，各“非”门输出相继为高电平。
这里要注意的是上拉电阻不能选择太，因为水的电阻在100kO左右，所以上拉电阻择太小的话，将在水位升高时，无法把“非”门端拉成低电平。
为了使单片机随时能够读出当前的水位情况，这里选用74LS244作为状态输入缓冲器。
图2.7水位检测电路
2.3单片机选择
单片机具有体积小、功能强、可靠性高、价格低廉等一系列优点，而且种类很多，可以有以下几种方案。
方案一：
采用8051作为小型开水锅炉控制系统的单片机
8051片内有4kROM，无需外接内存和逻辑电路373，更能体现“单片”的简练。
但是我们编写的程序无法自己烧写到其ROM中，只有将程序交芯片厂代我们烧写，并且是一次性的，今后我们和芯片厂都不能改写其内容。
方案二：
采用AT89C51作为小型开水锅炉控制系统的单片机
在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的AT89C51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序内存是FLASH工艺的，这种工艺的内存用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为ATMELAT89Cx做的均带有这些功能。
显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。
写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。
何况，AT89C51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。
单对AT89C51来说，在实际电路中可以直接互换8051或8751，替换8031只是第31脚有区别，8031因内部没有ROM，31脚需接地（GND），单片机在启动后就到外面程序内存读取指令；而8051、8751和AT89C51因内部有程序内存，31脚接高电平（VCC），单片机启动后直接在内部读取指令。
也就是51芯片的31脚控制着单片机程序从内部读取还是从外部读取，31脚接电源，程序从内部读取，31脚接地，程序从外部读取。
其它无须改动。
另外，AT89C51替换8031后因不用外内存，不必安装原电路的外内存和373芯片。
方案三：
采用AT89S852作为小型开水锅炉控制系统的单片机
单片机AT89S52是ATMEL公司在单片机AT89C51的基础上推出的更新产品。
以前的开发要用EPROM，需要编程器把程序写入EPROM中。
重新写入时，需要用紫外线灯（EPROM擦除器）擦除，擦完后还要校验，非常不便。
现在片内带有EEPROM的单片机AT89S52开发起来真是方便多了，EEPROM既像静态RAM那样读写简便，又在掉电时资料不会丢失的，大大简化应用系统结构。
另外一般EPROM中的程序很容易被复制，OTP单片机可以把保密熔丝烧断以保密，而有的EEPROM单片机有种“锁”，使别人无法读取其中的程序，若要读，EEPROM中原来的信息会自动销毁，就达到了保密的目的。
目前很多单片机都支持在系统编程。
8051系列单片机支持在系统编程的也很多，但大多数是支持通过PC机的串口对单片机进行编程。
这样有四个不方便的地方：
一是项目本身与PC机串行通信不方便；二是要增加1片MAX232电平转换芯片；三是有的芯片要按特定的步骤进入下载模式，编程过程需要手工干预；四是有的芯片需要固件（定制的程序）的支持，如果不小心损坏了固件，则芯片的在系统编程功能也没有了。
而AT89S52可通过SPI接口在系统串行编程。
经过仔细比较，ATMEL公司生产的AT89S52是一种比较理想的芯片。
此芯片有如下特点：
◆与8051兼容；
◆内含4KB的Flash程序内存；
◆可通过SPI接口在系统串行编程，与8051兼容；
◆串行编程时有自动擦写周期，在调试大程序时可以分段下载，节约时间；
◆低电压下载，无需12V编程电压。
2.4显示模块
用单片机进行数码显示应具有显示器件，显示器件是人与开水锅炉控制系统沟通的重要媒介，目前比较常见的显示器件有LED显示模块和LCD显示模块。
方案一：
采用LED显示模块
在单片机系统中，通常用LED数码显示模块来显示各种数字或符号。
由于它具有显示清晰、性能好、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长的特点，因此使用非常广泛。
图2.8八段数码管结构示意图
LED数码显示模块又称七段数码管，习惯上说是七段，实际含小数点是八段。
八段LED显示器由八个发光二极管组成，其结构如图2.4.1（a）所示。
基中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用。
它能显示各种数字及部份英文字母。
LED显示器有两种不同的形式：
一种是八个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器，其连接方式如图2.4.1（b）所示；
另一种是八个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器，其连接方式如图2.4.1（c）所示。
共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的。
当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。
八个笔划段h、g、f、e、d、c、b、a对应于一个字节（八位）的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0，于是用八位二进制代码就可以表示欲显示字符的字形代码。
方案二：
采用LCD显示模块
液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在各类仪表和低功耗系统中得到广泛的应用。
只是其价格稍高于LED显示模块。
根据显示内容可以分为字符型液晶，图形液晶。
根据显示容量又可以分为单行16字，2行16字，两行20字等。
可以和单片机AT89S52直接接口。
这是一种通用模块。
与数码管相比该模块有如下优点：
1.位数多，可显示32位，32个数码管体积相当庞大了；
2.显示内容丰富，可显示所有数字和大、小写字母；
3.程序简单，如果用数码管动态显示，会占用很多时间来刷新显示，而1602自动完成此功能。
图2.91602指令码
综上论证，本设计采用了LCD显示模块。
3硬件电路设计与实现
3.1电路总体原理图
单片机系统是整个小型开水锅炉控制系统的核心，他既是整个系统工作的控制器，又是资料的处理器。
设计中DXP软件进行系统电路图的设计与绘制，使用KEIL软件，进行程序的编写与调试，通过利用protues来实现系统的模拟仿真，确保系统能够实现设计的预期目标。
单元电路分为单片机最小系统电路，水位监测电路，温度传单器电路，温度显示电路，继电器控制上水电路，继电器控制加热电路，按键和报警电路等模块。
具体电路如图3.1所示。
图3.1单片机系统控制电路图
3.2温度控制模块
DS18B20有三脚TO-92封装和八脚SOIC封装两种，本设计所用的DS18B20为TO-92封装。
由于其输出是数字信号，且是TTL电平，因此，使用非常方便。
图14以MCS－51系列单片机为例，画出了DS18B20与微处理器的典型连接。
图
图3.5（a）外接电源方式图3.5（b）寄生电源方式
3.5（b）中DS18B20采用寄生电源方式，其VDD和GND端均接地，图3.5（a）中DS18B20采用外接电源方式，其VDD端用3V～5.5V电源供电。
本设计采用寄生电源方式，由单片机的P1.7口与DS18B20组成温度检测系统，具体电路如图3.3所示。
3.3水位检测模块
水位检测模块由芯片74LS04和芯片74LS244及其附加电路组成。
具体电路如图3.6所示。
四个探针分别接在锅炉连通器从下到上的四个位置，当水位为0
时，四个探针全被悬空，74LS04的四个输入端全被上拉电阻拉成高电平，经过非门之后变为低电平，再经过缓冲芯片74LS244输送给单片机。
此时，单片机认为水位为百分之零，并在液晶显示屏上显示。
当水位上升到探针1处时，由于水的导电性，使74LS04的A1输入端为低电平，经过非门之后变为高电平，，再经过缓冲芯片74LS244输送给单片机。
此时，单片机认为水位为百分之二十五，并在液晶显示屏上显示。
以此类推，单片机会依次检测到的水位是百分之五十，百分之七十五，百分之白。
完成对水位的检测。
图3.6水位信号采集电路
3.4显示模块
系统采用LCD1602液晶来作为温度和水位的人机界面交流窗口，具体连接方式与电路如图3.7所示。
其中R3用来调节屏幕亮度。
单片机通过信息采集和处理，把当前温度和水位分别显示在LCD的第一行和第二行。
3.5执行模块
小型开水锅炉控制系统执行机构通过继电器来控制加热电热丝和水泵来实现水位和水温的自动控制，具体加水控制电路如图3.8所示。
加热控制类似加水控制，不再赘述。
3.6电源模块
本控制系统采用5V直流稳压电源供电，即220V电压经变压器降压，然后整流、滤波，最后经7860管稳压后给系统供电，从而实现弱电控制强电，如图3.9所示。
图3.71602液晶显示电路
图3.8执行模块（加水）原理图
图3.9电源模块原理图
3.7按键模块
三个控制按键用按钮开关来实现，如图3.10所示。
标“C”字母的按键用来使系统切换至温度设置界面，进入预设温度状态；当再次按下改按键时，退出设
图3.10按键模块
置界面，回到温度显示和水位显示界面。
标“+”号的按键用来增加预设温度。
标“-”号的按键用来减少预设温度。
这两个按键的步进值均为一摄氏度。
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