基于单片机的锅炉温度压力及液面控制系统的设计Word文件下载.docx

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其他的一些子程序包括：

温度信号处理程序、显示程序、PID处理程序等。

关键词：

电热锅炉；

STC12C5A60S2；

DS18B20温度芯片；

A/D转换；

水位压力检测；

PID控制；

Abstract

ThispaperdevelopedbasedonSCMbathcenterboilertemperaturewaterlevelcontrolsystem,thissystemcantotheboilertemperatureandwaterlevelofthefullautomationcontrol,notonlysavethehumanresource,andatthesametimeuseelectricheatingsystem,moreenergyefficient,moreenvironmentalprotectionandismoreafeasibility.

ThispaperintroducestheSTC12C5A60S2microcontrollerasthecoretemperatureandlevelcontrolsystemoftheworkingprincipleanddesignmethod.TemperaturesignalchipDS18B20collectionbythetemperature,withdigitalsignaltransmittedtotheformofsinglechipmicrocomputer;

Pressureandwaterlevelbylevelsensorsignalwaterlevelofrealtimedatacollection,withananalogformtransfertothesinglechipmicrocomputer,microcontrollerthroughtheA/Dconversion,convertedintodigitalsignals,calculationandtreatmentwilltemperature,pressure,waterlevelinformationdisplayedintheLCDmonitor,thepaperintroducesthehardwarepartofthecontrolsystem,including:

temperaturedetectioncircuit,temperaturecontrolcircuit,waterleveldetectioncircuit,waterlevelcontrolcircuit,pressuredetectioncircuit,pressurecontrolcircuitandothersinglechipmicrocomputerinterfacecircuit.Thepaperalsointroducessoftwaredesignpart,herethemodularizedstructureprogramming.Softwareismainlythreeparts:

themainprogram,keyboardinterruptandkeyprocessingprogram,prearcinginterruptionprogram.TheotheroneXieZiprogramsinclude:

temperaturesignalprocessingprogram,showprogram,PIDprocessingprocedure,etc.

Keywords:

electrothermalboiler;

STC12C5A60S2;

DS18B20temperaturechips;

A/Dconversion;

Waterpressuretest;

PIDcontrol

绪论

传统的锅炉都使用烧煤的方法进行加热，这种方式加热不但对空气污染严重，而且在加热时需要用人工进行燃料的运输与添加，一旦加入燃料过多，水温会升的过快造成开锅，严重时会造成锅炉爆炸，造成人身财产的损害，在加上洗浴中心流动人量较大，可谓一失足成千古恨，对于现在国内的发展来说，很少有地区对此进行改进，而本设计提出一种新型的锅炉加热与水位控制方法，真正实现无人操作，全自动加水、加热、控温、节能环保，本设计摒弃传统的燃料加热方法，而使用电热的方式，这样通过微控制器可以对水温进行实时的控制，不仅节省能源，还能达到准确的温度控制，在控制系统中又加入了水位控制环节，这样整个系统就达到了全自动智能化水平。

1、电热锅炉的应用背景及其控制理论的发展

根据国内实际情况和环保上的考虑和要求，燃煤锅炉由于污染并且效率不高，已经逐渐被淘汰；

燃油和燃气锅炉也存在着燃料供应不方便和安全性等问题。

因此在人口密集的居民区、旅馆、医院和学校，电加热锅炉完全能替代燃煤、燃油、燃气锅炉。

电加热锅炉采用全新加热方式，无污染，完全可以称为绿色环保锅炉。

电加热锅炉具有许多优点，使其比其他形式的锅炉更具吸引力，其具体优点如下[1]：

（1）无污染。

由于采用电加热方式，电能直接转换为热能，不需要采用燃烧的方式将化学能转换为热能，因此就不会排放出有害的气体杂质，也不会产生灰渣，很适宜环保方面的要求，更适合安放在人口十分密集的生活区，办公区。

（2）能量转化效率很高。

电加热锅炉采用加热元件直接与水接触，加热时转换效率很高，能量转化率也很高，一般可达到95%，而最新最好的锅炉更是能达到98%以上。

（3）锅炉本体结构简单，安全性好。

电加热锅炉本体结构非常简单，不需要布置管路，没有燃烧室，没有烟道，故而不会出现燃煤、燃气、燃油锅炉存在的爆炸和泄漏的危险。

（4）体积小，重量轻，占地面积小。

由于本体结构简单，使得电热锅炉体积可以做的很小，简单的结构更加便于布置，占地面积也就减小。

（5）锅炉启动、停止速度快，运行负荷调节范围大，调节速度快，操作简单。

由于加入元件工作由外部电气开关控制，所以锅炉启停速度快，通过控制各加热元件的开关，可以在很大范围内调节运行负荷，调节操作迅速、简单。

与燃煤、燃油、燃气锅炉相比，操作运行更加方便、简单。

（6）可采用计算机监控，完全实现自动化。

电热锅炉的温度和水位的控制都能通过计算机完成，使电热锅炉的运行完全实现自动化，最大程度的将计算机技术应用于传统的锅炉行业。

根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行控制（简称PID控制），是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律[2]。

PID控制器已经有了七十余年的使用历史，它以结构简单、性能稳定、调整方便等优点而成为工业控制中最主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时及控制理论的其它技术很难采用时，系统控制器的参数和结构就依赖于经验和现场调试来确定，此时应用PID控制技术最为简洁方便。

即最适合用PID控制技术的情况是当我们不完全了解一个系统和被控对象，不能通过有效的手段测量来获得系统参数时。

由于电加热锅炉是一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象[3]，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到很好的控制效果。

而这正符合PID控制使用的条件，因而PID控制被广泛用于电热锅炉的控制中，用来取代传统的控制方法[6]，并获得良好的控制效果。

2、本文的设计指标

本设计要求设计一个以单片机为核心的温度闭环控制系统以及水位控制系统，具体的技术指标如下：

a.恒温温度控制在0-100℃之间，连续可调，误差在±

1℃之内；

b.LCD实时显示系统温度，用键盘输入设定的温度；

c.水位控制保持在设定值以上，小于设定值开启补水泵。

d.压力保持在设定值处，过压释放压力；

本文需要完成以下工作：

详细分析课题任务，设计电源电路，键盘电路，单片机系统，显示电路，执行器电路，报警电路等系统。

然后根据课题任务的要求设计出实现控制任务的硬件原理图和软件，并进行仿真调试。

1系统方案设计

随着科技日新月异的发展，对一切事物的管理往往越加趋于自动化，所以对于大多现为人为控制的锅炉系统显得落后而且并不安全。

所以现提出一种基于单片机管理锅炉系统的方案，以实现安全自动化的管理锅炉系统。

1.1系统方案

基于单片机的锅炉温度，压力及液面控制与传统的人工添加燃料的控制方式相比存在很大的优势，所以利用单片机来控制锅炉在未来科技发展中可以说是大势所趋。

本系统方案锅炉系统的框图如图1.1所示：

图1.1系统框图

系统方案中所使用的硬件如下：

单片机：

STC12C5A60S2本系统，采用宏晶公司生产的STC12C5A60S2芯片，它是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含60kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，该芯片兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的STC12C5A60S2可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

显示部分：

LCD1602作为显示器件显示部分使用LCD1602作为显示器件，显示温度、压力及液位信息，其电路图如图2.2所示，图中所示LCD1为液晶显示器LCD1602，其中单片机的P0口进行相互间的数据通信，通过P2.5~P2.7对LCD进行读写操作的控制，电位器PR1为调节显示对比度的电位器，BL-与BL+为LCD的背光端，用来控制背光的开启与关闭，可以通过一个三极管作为开关管对背光灯进行控制[7]。

LCD1602为工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符，使用简单方便，具有背光功能，显示字符清晰准确，能同时显示字母与数字，可以区分大小写字母，具有较强的功能并且连线简单，背光亮度可调，并且耗电量小，是一款不错的显示器件。

温度传感器：

DS18B20本次设计所采用的温度传感器为当今最流行畅销的DS18B20[6]，该传感器不仅硬件接口简单而且价格低廉，灵敏度高，体积小，具有耐磨耐碰，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，并且实现一线总线技术，只需要一根线就可以完成所有的命令与数据的传输。

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM、温度灵敏元件、非挥发的温度报警触发器TH和TL。

键盘：

行列式（也称矩阵式）键盘用于按键数目较多的场合，它由行扫描控制线和列扫描控制线组成，按键位于行、列的交叉点上，如图2.4所示为一个4×

4的矩阵键盘，1个3×

3的行、列结构可以构成1个具有9个按键的键盘。

同理1个4×

4的行、列结构可以构成1个16个按键的键盘等等。

如图所示。

很明显，在按键数目较多的场合，行列式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口线。

稳压电源：

由于硬件电路中大多数器件与芯片的工作电压都为5V，所以我们采用7805做稳压器，使用简单的5V稳压电路连接，而在输入端使用12V直流电源作为输出电源，CP5为输入电源的接口插头，SBKA为双路自锁开关，作为本设计的电源部分总开关使用。

其中D1为二极管IN4007，作为保护二极管使用，当输入电源反接时，可以阻止反向电源的输入，达到保护电源电路的目的，电容C1~C4为滤波电容，使输入电源更加稳定，LM7805为稳压芯片，能将输入的12V直流电源稳压为5V直流电源输出，该芯片为线性稳压芯片，可以在输入9~28V直流电压的情况下稳定出5V直流电，当电压过大时需要为LM7805加上散热片。

固态继电器:

（SolidStateRelay,缩写SSR）,是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。

用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。

固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。

水位检测电路：

水位检测电路的目的是产生有效的输入信号。

主要原理是利用水的浮力特性。

在锅炉的一侧，安装一个检测管，该管的水位与炉内的水在底端相同，外面的检测管采用透明的玻璃水管，管径10cm，其水位传感器安装框图如图2.12所示，图中右侧为锅炉，左侧为与锅炉底面相同的检测管，该检测管的水位与锅炉的水位相同，检测管内的小圆柱体为浮漂，该浮漂可以随着水位的上升与下降，而产生随动力，通过绳子与滑轮传到左下角的传感器箱中，该传感器将拉力转换为滑动变阻器的阻值变化，然后通过为滑动变阻器加电压，达到使水位信号转化为电压信号的目的，单片机通过A/D转换来提取这个信号，并且达到水位控制的目的。

A/D转换水位电路：

本设计中使用的单片机芯片为STC12C5A60S2，该单片机芯片具有AD转换功能，内部带有10位精度的AD转换器，这样就省去了外部外接AD转换芯片的麻烦，而且也减少了本设计硬件部分的成本费用，转换引脚为单片机的P1口，具有7路AD转换输入口，转换周期为90个机器周期，无论是转换速度还是转换精度都足够本设计中使用。

水位控制单元通过水位电极将水位信号送入单片机，由于水位信号设计为开关信号，所以不需要A/D转换模块。

单片机根据水位信号，通过I/O口对电磁阀进行控制，从而实现对水位的控制。

很显然，该方案较其它相比无论在经济上和实现容易程度上都要好。

在进行数据采集时，使用了合适的传感器，这样就不需要使用A/D转换电路。

在实现温度控制时不像其它采用D/A转换后再控制调节阀的方法，而是直接外接一个固态继电器，通过内部改变定时器的中断时间来调节一个周期内电子开关的导通和断开时间。

同样，在实现液位控制时，也没有使用D/A，而是直接外接继电器，通过控制继电器的吸合控制电磁阀的通断。

这样既节省了材料也可以很大程度上减少硬件电路的结构。

1.2软硬件完成任务

本小节主要讲述本设计需要使用的软件部分内容与硬件部分内容，并将这两部分内容的具体完成任务一一列出。

硬件部分完成任务：

（1）元器件的选型

（2）电路图的绘制

（3）理论推导与公式计算

（4）硬件电路焊接与调试

1.3软件部分需要完成任务

软件部分需要完成的任务如下：

（1）显示部分器件的程序编写，本设计使用LCD1602作为显示器件，完成显示器的接口程序编写与初始化的驱动，能够正常的在制定位置显示制定的数据。

（2）按键接口程序，能够进行按键扫描，扫描哪个按键按下，并将对应按键执行对应的功能，扫描为实时扫描，保证无丢失按键状态。

（3）温度测量程序。

温度测量程序完成于DS18B20的接口通信程序，完成该期间的初始化与温度测量与转换。

（4）A/D转换程序，该部分程序用来对水位值进行转换，通过数模转换来测量水位的高度。

（5）自动加水加热程序，该部分程序直接控制I/O口的输出即可。

其软件部分工作流程图1.2如下：

图1.2系统软件共作流程图

2硬件电路设计

2.1STC12C5A60S2单片机简介

本系统采用的是宏晶公司生产的STC12C5A60S2芯片，它是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含60kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，该芯片兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的STC12C5A60S2可以为很多嵌入式控制应用系统提供出优秀的解决方案。

特点：

40个引脚，60kBytesFlash片内程序存储器，4K字节的E2R，可以对数据进行储存，1024Bytes的随机存取数据存储器（RAM）、32个外部双向输入/输出（I/O）口、2层中断嵌套、3个16位可编程定时计数器、5个中断优先级、2个全双工串行通信口，WDT（看门狗）电路，片内时钟振荡器，并且该单片机的速度为传统51单片机的速度的8~12倍。

此外，STC12C5A60S2设计配备了振荡频率可以为0Hz并可通过软件设置为省电模式。

省电模式下，CPU暂时停止工作，而RAM定时外中断系统，计数器，串行口，还可以继续工作，掉电模式冻结振荡器从而保存RAM的数据，停止芯片其它功能工作直到硬件复位或者外中断激活。

同时该芯片还具有PDIP、PLCC、TQFP等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

管脚说明：

VCC供电电压；

GND接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个引脚都可吸收8TTL门电流。

每当P0口的管脚第一次写1时候，即被定义为高阻态输入。

P0口能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为地址或是数据的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验的时候，P0输出原码，同时P0外部则必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收，P1口还具有第二功能，可以通过对单片机进行设置，将P1口作为A/D转换口使用。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写1时，则其管脚被内部上拉电阻拉高，并作为输入。

因此作为输入时，P2口的管脚将输出电流，且被外部拉低。

主要是由于内部上拉的原因。

P2口当用作外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址1时，就利用内部的上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口即会输出其功能特殊的寄存器内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个附带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

2.1.1单片机最小系统

单片机最小应用系统，指的是用最少的元件组成的单片机并且可以正常工作的系统，对本次设计使用单片机来说，最小系统一般应该包括：

单片机，晶振电路以及复位电路。

复位电路：

主要由电容串联电阻组成，结合“电容电压不能突变”的性质和图例，可以知道，每当系统一上电，RST脚则会出现由电路RC值决定的高电平。

最为典型的51单片机每当RST脚的高电平一直持续两个机器周期以上就会复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。

一般教科书推荐C取10u，R取8.2K当然也有其他取法的，原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。

晶振电路：

典型的晶振值取11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通讯的场合）/12MHz。

（1）复位电路的用途

单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。

单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。

单片机复位电路如图2.1所示。

图2.189C51最小系统图

（2）复位电路的工作原理

在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位，所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。

在电路图中，电容的大小是10uF，电阻的大小是10k。

所以根据公式，可以算出电容充电到电源电压的0.7倍（单片机的电源是5V，所以充电到0.7倍即为3.5V），需要的时间是10K*10UF=0.1S。

也就是说在电脑启动的0.1S内，电容两端的电压时在0~3.5V增加。

这个时候10K电阻两端的电压为从5~1.5V减少（串联电路各处电压之和为总电压）。

所以在0.1S内，RST引脚所接收到的电压是5V~1.5V。

在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号，而大于1.5V的电压信号为高电平信号。

所以在开机0.1S内，单片机系统自动复位（RST引脚接收到的高电平信号时间为0.1S左右）。

在单片机启动0.1S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。

当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。

随着时间的推移，电容的电压在0.1S内，从5V释放到变为了1.5V甚至更小。

根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平，单片机系统自动复位。

2.1.2单片机使用注意事项

（1）对于31脚（EA/VPP），当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行；

当接低电平时，复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。

这一点是初学者容易忽略的。

（2）晶振电路容易在焊接时漏掉电容需要接地，并且使用电容的大小一定要选准，晶振电路部分一定要焊接完全，否则容易使晶振电路出现虚接，影响设计。

（3）复位电路部分接口的电阻与电容选择要正确，要保证在电容充满电时，单片机有足够的时间进行复位。

（4）单片机的电源部分引脚接对，使用单片机时看单片机的缺口处来找单片机的引脚顺序。

（5）单片机在使用中P0口要加上拉电阻，一般为10K，因为P0口的驱动能力交低。

2.2显示电路

为了达到直观简洁的目的，所以方案中讲所需数据用液晶显示器显示出来，显示部分如下：

（1）显示部分接口电路

显示部分使用LCD1602作为显示器件，显示温度、湿度、光照度信息，其电路图如图2.2所示，图中所示LCD1为液晶显示器LCD1602，其中单片机的P0口进行相互间的数据通信，通过P2.5~P2.7对LCD进行读写操作的控制，电位器PR1为调节显示对比度的电位器，BL-与BL+为LCD的背光端，用来控制背光的开启与关闭，可以通过一个三极管作为开关管对背光灯进行控制[7]。

显示接口