基于单片机S12的锅炉调功恒温控制系统Word格式.docx
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1.1课题研究背景及意义
锅炉的应用从公用到民用已经遍布我们身边各个角落，可谓是随处可见。
一般来说锅炉是热能转换设备的一种，锅炉包含锅和炉两大主体保证了它能安全经济的连续运行，除此还有一些附属设备比如：
仪表、控制系统等。
在锅炉系统中燃烧燃料释放出来的能量不断地对水进行加热，水温不断的升高，由于锅炉是密封的因此，因此对水加热产生的水蒸不断地膨胀，使得锅炉内的压强不断的增大从而产生强大的热动力。
现在已不单单的是作为动力源的一种应用在工业设计中。
更多的是在生活中用于为百姓家庭提供热水、取暖方面。
本毕业设计将结合民用小型锅炉的供暖恒温调功控制系统，利用飞思卡尔MC9S12单片机为核心控制器件组成恒温调功控制系统，设计中应用数模转换技术、温度采集技术等，通过数据的分析与研究，从而期望达到预期的设计目的，同时能从中认识到单片机在过程控制中应用的重要性。
1.2课题研究的现状和趋势
众所周知我国的北方冬天比较严寒而且冬天持续时间比较长，因此解决冬天的供暖问题必不可少。
目前国内主要采用集中供暖的方式。
集中供暖是集中集团供暖的形式之一，它是按照平方开收取费用的即每平方米的建筑面积每月收取多少费用。
对于北方居民来说这种供暖方式就比较经济、实用。
另一方面，从节能环保的角度分析，集中供暖是大型的公用设施，煤是它主要燃料，燃烧时对空气的污染大，不符合节能减排的新环境主张。
集中供暖的前期投资比较大；
在运行的过程中无论居民是否全部需要暖气，暖气设备始终全天24小时运作，运作成本高。
有时会因为楼层和建筑自身的密封性不同，而造成温度分布不均。
对于用户遇到这种情况时，会打开窗户来降低室温，使能源白白的浪费掉。
从中可以看出集中供暖虽然有很多优势，但是也存在很大的弊端。
如何解决它对环境的污染以及怎么更好的满足个体用户的需求已经是现在供暖设施需要结解决的新问题。
在此情况下，市场经济不断地发展深入，国家对国有企业的补贴政策不断的缩减，住宅的私有化程度不断提升。
借鉴国外的小型家用燃气锅炉技术已成必然趋势。
这种取暖锅炉采用天然气，液化石油气作为主要燃料替代传统的煤。
它具有单位体积发热量大，效率高；
燃烧产物污染小甚至无污染的优点，同时在西气东输的大开发战略背景下，天气燃料的应用与资源不断地走向成熟，城市天然气网络不断地完善，在这样的大环境下越来越多的用户选择放弃集中供暖而选择小型家用燃气锅炉，可以看出小型家用燃气锅炉具有很好的应用前景。
目前国外主要的家用小型燃气锅炉有冷凝式燃气锅炉、套管式燃气锅炉、板换式燃气锅炉。
但是我国现在小型家用燃气锅炉技术还不完善，市售多为国外进口，无法保障售后服务。
因此加大开发家用型很有必要性和迫切性。
1.3本文研究内容
本文主要从硬件和软件两个主要方面讲解基于单片机S12的锅炉恒温调功控制系统的设计过程。
论文分为六个章节，全面的讲述了本设计的原理和功能。
第一章：
绪论；
第二章：
系统方案论证及工作原理；
第三章：
系统硬件的设计；
第四章：
系统软件的设计；
第五章：
综合调试；
第六章：
总结;
第2章系统方案论证及工作原理
本章从系统的各个模块论述设计方案的设计：
2.1设计任务
2.1.1设计目的
本毕业设计的目的是利用四年所学知识制作一个基于单片机S12的锅炉恒温调功控制系统。
可以在一定范围内手动设定想要锅炉内温度达到的预想值，能在炉内温度与预设值有偏差时自动改变电热管的加热功率，从而使温度稳定在设定温度上。
通过这个设计来把理论知识联系到实际中去。
2.1.2系统功能
本毕业设计主要实现三方面的功能：
（1）可以通过按键（加或者减）在一定范围内（0～100℃）对锅炉内温度自由设定，并且在显示器上显示设定的温度值。
（2）
加热器由500W电热管来实现，能够保持锅炉内实时温度的采集与显示。
（3）在设定值与当前值有偏差时，单片机能够根据偏差值做出判断，同时改变双向可控硅的通断比来实现恒温调功。
2．2设计方案论证
对于本设计有两种方案可供选择分别是，
方案一：
主控器选用单片机MC9S12、3.3V稳压芯片用ASM1117、温度传感器选用热敏电阻、显示器选用74HC138和LED数码管组成该设计系统。
方案二：
主控器选用单片机MC9S12、3.3V稳压芯片用ASM1117、温度传感器选用DS18B20、显示器选用LCD12864组成该设计系统。
比较两种设计方案，在方案一中热敏电阻作为温度传器测量误差大；
同时在74HC138和LED数码管组成的显示模块不论是从软件和硬件电路的实现上都比较复杂，首先它们的外围电路以及和单片机的接口都比较多，占用比较多的空间资源，再就是控制程序复杂容易出现错误。
在方案二中，温度传感器DS18B20的温度测量范围宽、精度高、响应时间快、采用串行接口，硬件实现相对简单;
显示模块的LCD12864能够更加直观的显示出显示预设温度和当前采集温度，同时LCD12864的外围电路简单和单片机的接口较少，编程简单。
综上所述，采用方案二更加的经济实用，因此整体方案选用方案二。
2.3系统整体结构分析
在本设计系统采用模块化设计。
每个模块在分别完成各自功能的基础上组成一个整体去实现整个系统要完成的功能。
每个模块就是独立的又是相互联系的。
系统各个模块之间的联系框图如图1所示。
LCD显示模块
S12单片机基本控制系统
温度传感器DS18B20
键盘
采集
锅炉加热器
报警装置
双向可控硅
图1系统整体结构框图
根据上面对系统整体结构的分析，可以看出来系统可以分为以下几个功能模块：
（1）键盘控制：
主要完成预想温度的设定。
（2）显示模块：
显示预设温度及当前温度。
（3）温度采集：
完成A/D转换及数字滤波。
（4）调功系统：
实现对电热管加热功率的调节。
（5）报警装置：
完成在温度达到设定值时的声光提示。
2.4主要器件的选择
1.选用飞思卡尔公司单片机MC9S12。
2.选用Dallas半导体公司温度传感器DS18B20
3.液晶显示器LCD12864。
4.光电耦合MOC3041。
5.双向可控硅BTA06。
2．5系统功能模块论证
2.5.1单片机的选择
本设计要求选用S12单片机。
该单片机是由飞思卡尔公司推出的16位单片机。
在MC9S12XS128系类中有64引脚、80引脚、112引脚三种封装。
S12单片机是16位单片机的一种，片内存储器有，16位CPU、8KB
RAM、128KB程序Flash、8KB数据Flash。
主要模块有：
内部存储器（两个异步串口通信，内部锁相环模块，一个串行外设接口）;
MSCAN
模块（I/O接口，A/D转换模块，脉宽调制模块，TIM模块，PIT模块）。
S12单片机与C51相比集成了更多的功能模块，其输入/输出端口资源更加丰富。
S12端口有11个端口，端口功能有多重，并且每个端口都有I/O口功能。
PORTA、PORTB、PORTK为通用I/O口;
PORTE中的IRO和XIRQ引脚可作为外部中断输入;
PORTT集成了TIM模块功能;
PORTS集成了SCI和SPI模块功能;
PORTM集成了CAN总线模块;
PORTP集成了PWM模块功能;
PORTH、PORTJ可作为外部中断输入口;
PORTAD集成了ATD模块功能;
2.5.2温度传感器
采用热敏电阻作为温度传感器，热敏电阻是比较成熟的敏感电阻元器件，由半导体陶瓷材料构成。
其阻值随着温度的变化而变化，它的测温灵敏度非常的高。
但是由于生产工艺和加工材料的不同它的线性度很差，没有标准的曲线。
热敏电阻的电阻温度系数比金属要高很多，能检测出很小的温度变化（6-10
）；
热敏电阻适用于-55℃～315℃的常温器、高于315℃的高温器件以及-273℃～55℃的低温器件;
热敏电阻已老化，因此稳定性不高，一致性差。
采用SHT10作为温度传感器，SHT10属于温湿度传感器，既可以检测环境湿度又可以检测温度。
该传感器采用CMOS技术，具有很高的可靠性和稳定性。
将元件和信号处理电路集成到一块电路微型板上，输出标定的数字信号。
该款传感器包含一个测湿电容性聚合敏感元件和一个用能隙材料制成的测温元件，能在一块芯片上实现和14位A/D转换器、串行接口电路紧密连接。
同时该款传感器，具有体积小、低功耗，采用SDM封装的特点。
对于本设计只需要实现温度的采集。
方案三：
在以上来两种传感器之外还有一种温度传感器DS18B20。
该传感器内部使用在板技术，把所有的传感元件以及数模转换集成在一个类似三极管的电路内。
该温度传感器具有独特的"
一线总线"
的设计。
是一种数字式温度传感器因此具有很强的抗干扰能力，而且体积小、精度高、电压宽、编程简单。
该传感器具有掉电保护功能。
这些特点是其他传感器不具有的。
因此，特别适用在本设计中应用。
综合以上三种方案，本设计采用第三种方案，利用数字温湿度传感器DS18B2作为本系统温度传感器更具有经济实用型。
2.5.3调功模块
选用含有过零触发的光电耦合和双向可控硅串联的方式，控制双向可控硅的通断比，从而实现对加热管的调功控制。
选用单向可控硅，该方案涉及到移相触发晶闸管的导通角的问题，因此实现比较困难。
综合以上两种方案，方案一在软硬件的实现方面可行性比较强，方案二电路相对复杂而且不易于实现，故本系统采用方案一，可以比较简单的完成调功控制。
2.5.4显示部分
选择LED数码管显示。
led数码管其实是由7个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，加上小数点就是8个，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。
它分为共阴极和共阳极两种，若是共阴极，则点亮二极管的电平是高电平，若是共阳极，则相反。
想要得到我们想要的数字，就要驱动数码管的各个段码，数码管的驱动方式有两种，即动态和静态方式。
若用动态的驱动方式需要另外加入锁存器，否则无法动态显示。
尽管数码管显示原理和程序设计简单，单只能用来显示位数不多的数字或字符，如果显示过多的字符或更复杂的内容，数码管不是最好的选择。
运用带字库的LCD12864液晶显示器显示。
该产品的显示分辨率为128×
64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。
它可以显示字符、汉子和图片，可以显示4行的汉子，每行汉子可以显示8个汉子，即最多可以显示32个汉子。
其和单片机具有灵活的通信方式，既可以串行通信又可以并行通信，利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
一般的情况下，我们采用较多的通信方式是串行通信方式，因为这种方式占用的单片机接口资源很少，即只占用单片机的两个引脚，多用于显示较多内容的小型电子产品。
方案三：
选用LCD1062液晶显示器显示。
它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，但是不能够显示汉字。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。
它的显示的字符有限,不适用于显示比较多的内容.
综合以上方案，本系统需要显示更多的信息，考虑显示功能更好的液晶显示，要求能显示更多的数据，包括汉子，增强显示信息的可读性，看起来更方便，所以本系统采用LCD12864显示。
2.5.5键盘电路的选择
一般键盘电路有两种：
独立式键盘和矩阵键盘。
选择独立式键盘，其电路配置灵活，软件结构简单。
独立式键盘中，各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，每根输入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态。
因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易的判断按键是否被按下了。
选择矩阵式键盘，该键盘由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，分别连接到按键开关的两端。
行线通过上拉电阻接到VCC上。
平时无按键动作时，行线处于低电平状态，而当有按键按下时，列线电平为低，行线电平为高。
这一点是识别矩阵式是否被按下的关键所在。
本系统只使用到五个按键，故选择独立式键盘。
2.5．5报警电路模块方案
采用有源蜂鸣器。
它应用起来简单方便，只有两个引脚，和单片机之间通常加上一个三极管来驱动它工作，本系统采用的驱动是ULN2003A芯片。
单片机控制蜂鸣器的工作很简单，即只需要引脚的的高低电平就可以控制蜂鸣器的响和停。
它价格便宜，控制简单，被广泛的应用于电子产品中。
采用无源蜂鸣器。
它和方案一中的有源蜂鸣器结构和功能是一样的，只不过它的发生条件比有源蜂鸣器更加严格，即需要一定占空比的方波才能触发它的发声。
相对于有缘蜂鸣器，软件编写较为复杂。
采用语音芯片。
语音芯片的功能很强大，可以录制并播放语音，它的工作原理是，将语音信号，通过采样转换成数字并存储在内存中，再利用电路将内存中的数字还原成语音信号，从而完成那个语音的录音和播放。
它一般应用在特定的场合，且价格相对而言比较昂贵。
本设计报警的目的只是提醒，所以只要达到这个目的即可，综合考虑选择方案一。
2.6开发环境及编程语言的介绍
2.6.1硬件开发环境
本系统硬件开发环境采用的是AltiumDesigner09，AltiumDesigner09是一款整合应用软件，包含电路原理图、PCB设计、嵌入式系统的开发设计、HDL和VHDL设计输入、信号分析等设计任务所需工具于一体的实用软件。
该软件支持不同语言（中文、德文、英文、法文）。
同时兼容protel软件。
由此可见该软件功能十分强大，具有很高的工作效率。
2.6.2软件开发环境
本系统软件开发环境采用的是CodeWarrior。
CodeWarrior是Plam认可的开发平台，包含了很多应用必备的工具如：
调试器、编译器、编辑器、汇编程序等，其中的编译器、调试器在嵌入式开发工具中使用率最高。
于此同时此软件还能根据编程人员的喜好自由的植入编程工具。
此软件融合了顶尖的调试技术和健全的开发环境，把C/C++源级别调试和嵌入式应用开发带入新的水平，使得应用创建更加简单便捷，开发环境稳定可靠。
2.6.3编程语言
本设计编程语言选用C语言。
C语言是一种计算机编程语言，它同时拥高级语言和汇编语言的特点。
该语言是美国推出的，具有系统兼容性强、数据处理强等优点。
除此之外该语言的设计不依赖系统硬件，具有独立性。
因此C语言在单片机和嵌入式开发中具有广泛的应用。
2.7本章小结
本章分为七个小节，从设计要完成的功能开始，通过不同方案的比较论述了该毕业设计系统由整体到各个模块设计方案的确定。
最后讲解了硬件、软件以及编程环境的开发环境。
第3章：
系统硬件设计
3.1整体电路
系统整体硬件结构图如图2所示：
图2.系统总体硬件图
3.2单片机最小系统设计
3.2.1S12单片机引脚图
本设计采用80引脚的S12单片机最为主控器，引脚分布如图3所示：
图3.单片机引脚图
下面介绍单片机主要引脚,具体如下表1所示，
表1.单片机主要引脚
3.2.2晶振电路与复位电路的设计
时钟电路时单片机最小系统设计中的必不可少的一部分，在S12单片机中晶振选用16M工作频率很高，如果设计不当工作时产生的高频信号会对数模转换、模拟部分产生干扰，是指造成单片机不工作。
本设计选用的单片机输入接口为EXTAL和XTAL，采用并联的连接方式。
在电路中两个电容为负载电容分别于晶振体连接后接地。
同时再设计时要注意：
为保证运行稳定性和减小干扰，单片机与晶振体之间的连线要短；
要尽量保证线路不从晶振体的周围过；
要尽量的将组织其他干扰靠近晶振体。
要使单片机正常的工作必须在通电之后个单片机一复位信号，同时在调试软件时和系统达不到单片机供电电压时，都要求手动的对单片机进行复位，所以一个复位电路也是单片机最小系统必不可少的。
在S12单片机中复位是低电平有效。
具体设计如图4所示;
图4.单片机复位、晶振电路
3.3温度采集模块的设计
温度采集模块采用的是数字温度传感器DS18B20，它是常用的温度传感器，具有体积小，价格低，抗干扰能力强的特点。
它接线方便，单总线接线即可，并可以在一个总线上挂接多个传感器，占用单片机引脚资源少。
封装成后的S18B20适应性很强，可用于锅炉测温，机房测温，温室大棚测温等各种非极限温度场合。
3.3.1DS18B20的主要特性
DS18B20具有很多其他温度传感器所特有的优点，具体如表所示，
表3.DS18B20传感器的特点
3.3.2
温度传感器DS18B20的测温原理
DS18B20内部结构如图6所示。
由图可以看出它由温度灵敏元件、高温度及低温度触发器、64位ROM和配置寄存器组成。
该传感器可以在一个工作周期内完成温度采集和数据处理。
图6.DS18B20内部结构图
温度灵敏元件随着温度的改变，其电阻值也在成规律的变化;
每个DS18B20都有一个64的ROM，其中包含一个唯一的64序列号，可以看成是该传感器的地址。
该序列号的前8位代表产品的类型编号，紧接着的48位是本传感器的自身序列号，最后的8位则代表的是位前56位的循环冗余校验码。
在一根总线上可以挂接多个DS18B20，读取温度时我们首先是读取传感器的序列号以确定是哪个DS18B20，然后读取采集到的数据；
DS18B20的内部存储器由一个9字节组成的高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM组成,其中EEPRAM存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
DS18B20的使用时必须严格按照产品的时序进行读写操作，否则就无法准确读取温度。
一根总线上可以挂接多个传感器，当传感器的个数超过8个的时候，需要增加总线驱动电路，在多点测温时一定要注意这个问题。
不仅要注意总线挂接传感器的个数还要注意总线电缆的长度。
3.3.3DS18B20与单片机连接
该传感器和单片机的具体链接电路如图7所示，
图7.温度传感器和单片机的连接电路图
（1）
GND为电源地；
DQ为数字信号的I/O端口；
（3）
VDD为外接供电电源输入端；
3.4按键的设计
经过上面的论证本设计采用五个独立按键，分别完成对预制温度的设定（+，-），电热丝加热的开始、停止，与单片机的连接如图8所示：
图8.按键连接图
3.5调功模块的设计
调功模块要求改变的是加热管在单位时间内产生热量的多少。
本毕业设计中使用MOC3041光电耦合和双向可控硅BTA06连接后串到加热管中，组成控制电路。
由单片机通过输出可调的PWM波来控制双向可控硅BTA06在单位时间的通断比来改变电热管的加热功率。
3.5.1MOC341简介
是常用的双向可控硅驱动耦合器。
该光电耦合器具有很好的输入、输出隔离作用，内部含有过零触发电路。
其具有单向传输的特点，所以性能稳定抗干扰能力强。
该型号光耦输入端控制电流为15mA，输出端的额定电压为400V，输入输出端隔离电压为7500V。
内部过零触发是过零触发是指在电压为零或零附近的瞬间接通。
其内部结构如图9所示；
图9.MOC341内部结构
3.5.2BTA06简介
BTA06双向双向可控硅因具有阻断电压高、通态电压低、触发可靠等优广泛应用的温度控制、空调
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