基于单片机的锅炉温度和压力控制系统设计毕业设计论文 精品.docx
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基于单片机的锅炉温度和压力控制系统设计毕业设计论文精品
存档日期：
存档编号：
本科生毕业设计（论文）
论文题目：
基于单片机的锅炉温度和压力控
制系统设计
姓名：
王忱勖
系别：
机电工程系
专业：
电气工程及其自动化
年级、学号：
09电气098320106
指导教师：
黄艳
江苏师范大学科文学院印制
摘要
本文介绍了以80C51单片机为核心的温度和压力控制系统的工作原理和设计方法。
温度信号由温度芯片DS18B20采集，以数字信号的形式传送给单片机；温度和压力信号由压力传感器进行实时采集，通过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号传送给单片机，单片机经过计算与处理后将温度、压力信息显示在LED显示器上，文中介绍了该控制系统的硬件部分，包括：
温度检测电路、温度控制电路、压力检测电路、稳压电源电路和其他一些单片机接口电路。
文中还介绍了软件设计部分，在这里采用模块化结构编程。
软件部分主要包括：
主程序、温度和压力控制子程序、显示子程序等。
该系统可以对锅炉的温度与压力进行全自动化的控制，不仅节省了人力资源，同时使用电加热系统，更节能，更环保，更具有有可行性。
关键词：
温度检测A/D转换压力检测PID控制；
Abstract
Thispaperintroducesthe51microcontrollerasthecoretemperatureandpressuresystemoftheworkingprincipleanddesignmethod.TemperaturesignalchipDS18B20collectionbythetemperature,withdigitalsignaltransmittedtotheformofsinglechipmicrocomputer;Pressurebylevelsensorsignalpressureofrealtimedatacollection,withananalogformtransfertothesinglechipmicrocomputer,microcontrollerthroughtheA/Dconversion,convertedintodigitalsignals,calculationandtreatmentwilltemperature,pressure,waterlevelinformationdisplayedintheLCDmonitor,thepaperintroducesthehardwarepartofthecontrolsystem,including:
temperaturedetectioncircuit,temperaturecontrolcircuit,pressuredetectioncircuit,pressurecontrolcircuitandothersinglechipmicrocomputerinterfacecircuit.Thepaperalsointroducessoftwaredesignpart,herethemodularizedstructureprogramming.Softwareismainlythreeparts:
themainprogram,keyboardinterruptandkeyprocessingprogram,prearcinginterruptionprogram.TheotheroneXieZiprogramsinclude:
temperaturesignalprocessingprogram,showprogram,PIDprocessingprocedure,etc.
Thissystemcantotheboilertemperatureandwaterlevelofthefullautomationcontrol,notonlysavethehumanresource,andatthesametimeuseelectricheatingsystem,moreenergyefficient,moreenvironmentalprotectionandismoreafeasibility.
Keywords:
TemperaturedetectionA/DconversionWaterpressuretestPIDcontrol
1绪论
1.1研究背景及现状
锅炉是一种热能转换设备，传统的锅炉由锅和炉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。
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，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压力控制方法，真正实现无人操作，全自动加热、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压力控制环节，这样整个系统就达到了全自动智能化水平。
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。
1.2发展前景
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[2]。
1.3系统的总体设计思想
当前，世界计算机市场上出现了专门应用于工业控制的一系列单片机产品，单片机以其价格便宜、重量轻、体积小、功耗低、功能强的特点，在工业控制的现场应用中得到越来越广泛的关注，单片机既能够完成各种常规的控制，还能够充分利用控制理论的最新研究成果情况下结合被控对象的特性，选择更加先进的控制方法，来获得更好的控制效果。
目前，因为家用锅炉设备属于批量制造生产，而一整套完备的控制系统是每台锅炉所必需的，针对小型锅炉的这些特点，更结合产品的成产成本考虑，以单片机MCS-51为核心器件组成的控制系统成为了最为理想的选择。
同时，MCS-51系列单片机以其完备的控制功能、优秀的运算能力、完善的外部接口电路等一系了特点，适应了中小型锅炉控制系统需要。
同时在选取外围芯片时，应尽量考虑一些较为典型的、易于替换和扩展的电路和芯片，并建立在降低生产成本的前提下。
传感器主要选择些基于单总线结构的ICSl220型压力传感器和DS18B20数字温度传感器。
DS18B20温度传感器采用DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，其产品以具有封装形式多样，耐磨耐碰，使用方便，体积小，而广泛应用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
系统在软件这块主要采用模块化的程序结构。
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，这样使得扩充和调试更加方便。
本系统的电源模块选择了市场上常见的W7800（7800）系列7805电源稳压芯片，通过分别给模拟信号和数字信号分别供电，来避免出现电源干扰的现象。
利用温度传感器DS18B20采集测量锅炉水温；使用LED显示器显示气压值、预先设定的温度报警值和当前采集的温度值。
利用继电器控制加热器和放气阀的加热和气压。
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压力进行实时监控，防止锅炉高压爆炸，以免造成严重后果[15]。
2锅炉温度和压力控制系统主要器件选择
2.1系统结构总框图
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，本系统亦对锅炉内气压进行控制。
同时，显示气压上限值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
图2-1系统结构总框图
2.2单片机的选择
80C51单片机属于MCS-51系列单片机，由Intel公司开发，其结构是8048的延伸，改进了8048的缺点，增加了如乘（MUL）、除（DIV）、减（SUBB）、比较（CMP）、16位数据指针、布尔代数运算等指令，以及串行通信能力和5个中断源。
采用40引脚双列直插式DIP（DualInLinePackage），内有128个RAM单元及4K的ROM。
80C51有两个16位定时计数器，两个外中断，两个定时计数中断，及一个串行中断，并有4个8位并行输入口。
80C51内部有时钟电路，但需要石英晶体和微调电容外接，本系统中采用12MHz的晶振频率。
由于80C51的系统性能满足系统数据采集及时间精度的要求，而且产品产量丰富来源广，应用也很成熟，故采用来作为控制核心。
图2-280C51单片机
GNE（20脚）:
接地
VCC（40脚）:
主电源+5V
XTAL1（19脚）:
接外部晶体的一端。
在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。
在采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该端引脚必须接地；对于CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。
XTAL2（18脚）:
接外部晶体的另一端。
在片内它是一个振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。
若需采用外部时钟电路，对于HMOS单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于CHMOS单片机，此引脚应悬浮。
RST（9脚）:
单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在该脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位（RESET）
PSEN（29脚）:
当访问片外程序存储器时，该端口输出负脉冲信号作为存储器读选通信号。
CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中会生效两次。
另一方面，在访问片外数据存储器时，这两次有效PSEN信号不会出现。
PSEN端口能驱动8个LSTTL负载。
可以根据PSEN、ALE和XTAL2三个输出端口是否有信号输出，来判断80C51是否处在工作状态。
ALE/PROG（30脚）:
当访问片外程序存储器时，该端口输出负脉冲信号作为存储器读选通信号。
CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中会生效两次。
另一方面，在访问片外数据存储器时，这两次有效PSEN信号不会出现。
ALE/PROG端同样可驱动8个LSTTL负载。
EA/VPP（31脚）:
当EA端口输入高电平时，CPU从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序。
当地址超出4KB时，将自动执行片外程序存储器的程序。
当EA端口输入低电平时，CPU只访问片外程序存储器。
在对87C51EPROM编程时，该引脚用于施加编程电压VPP。
输入/输出引脚：
（1）P0.0—P0.7（32脚—39脚）：
P0口是一个漏极开路的8位准双向I／0口。
作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。
P0口有三个功能：
①外部扩充存储器时，当作地址总线（A1~A7）；
②不扩充时，可做一般I/O口使用，但内部没有上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。
（2）P1.0—P1.7（1脚—8脚）：
P1口是一个带内部上接电阻的准双向I／O口。
P1的每一位能驱动4个LS型TTL负载。
在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存器（地址90H）写入全1，此时P1引脚由内部上接电阻接成高电平。
P1.0和P1.1多了T/C2的复用
（3）（3）P2.0—P2.7（21脚—26脚）：
P2口是一个带内部上接电阻的8位准双向I／O口。
P2口每一位能驱动4个LS型TTL负载。
P2口有两个功能：
①扩充外部存储器时，当作地址总线（A8~A15）使用。
②做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻。
（4）P3.0—P3.7（10脚—17脚）：
P3口是一个带内部上接电阻的8位准双向I／O口。
P3口每一位能驱动4个LS型TTL负载。
P3口与其它I／O口有较大区别，每个引脚还具有专门功能,除了作为I/O口使用外（内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置[3]。
2.3温度传感器
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2-3所示DS18B20引脚排列图
图2-3DS18B20引脚排列图
DS18B20特性：
只需要一个端口来进行通讯；简单的多点分布应用；无需外部应用；不需要接外部器件及电路；.能通过数据线作为电源线来进行供电；无待机产生的功耗；测温范围－55～＋125℃，以0.5℃为单位递增；温度测量结果以8位数字量输出；温度模拟信号转换成数字量时间为200ms（典型值）。
使用时能定义的非易失性温度报警进行设置；包含报警搜索命令识别同时标志出超过程序设定温度的器件；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。
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[4]
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]
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]
DS18B20管脚功能表，如表2-1所示
表2-1DS18B20管脚功能表
引脚序号
引脚名称
功能
1
GND
接地
2
DQ
数据输入/输出脚
3
VDD
接5V电源
2.4压力传感器
压力传感器芯片的性能受温度的影响非常大，主要表现为零点和灵敏度随温度变化而发生漂移。
1220型是经过温度补偿的硅压阻式压力传感器，采用双列直插封装结构，适用要求成本低，性能优越，长期稳定性好的应用领域。
通过激光修正的电阻实现了0～50℃的温度补偿，还提供一个激光修正的电阻用于调节差动放大器的增益来校正传感器的压力灵敏度变化，使具有良好的互换性，互换性误差仅为±1％。
从0～2psi至0～100psi量程范围内均有表压，差压和绝压产品[5]。
ICSl220系列具有如下优点：
（1）放大、校准和温度补偿；
（2）多级压力非线性修正；
（3）直接输出经放大校准的模拟信号；
（4）输出与输入电压成正比；
（5）温补范围为0~70℃，满足绝大部分用户的需求；
（6）有表压、差压和绝压配置，有微压和低压等量程；
ICSl220传感器性能参数图如下：
图2-3压力传感器原理
表2-2
参数
最小值
典型值
最大值
单位
满量程输出
49.5
50
50.5
mV
零点输出
-2
2
mV
非线性
-0.1
±0.05
0.1
％Span
迟滞
-0.5
±0.01
0.05
％Span
输入输出电阻
2500
4400
6000
Ω
量程温度误差
-0.5
±0.3
0.5％
Span
零点温度误差
-0.5
±0.1
0.5
％Span
零点热迟滞
±0.1
％Span
供电电压
1.235
V
响应时间
1.0
ms
输出噪音
1.0
μVp-p
长期稳定性
±0.1
％Span
过载压力
3X
Rated
补偿温度
0
50
℃
工作温度
-40
+125
℃
贮存温度
-50
+150
℃
重量
3
grams
1220A-015G-3S
压力接口（L=长引压管，S=短引压管，N=无引压管）
引脚结构
压力类型（G=表压，A=绝压，D=差压）
压力范围
等级
型号
图2-4ICSl220传感器性能参数
2.5A/D转换器
ADC0809是目前广泛使用的逐位逼近型8位单片A/D转换芯片，片内含8路模拟开关，可允许8路模拟量输入。
主要由3部分组成：
模拟输入选择部分、转换器部分、输出部分。
ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，ADC0809主要信号引脚功能说明如表2-3[6]：
IN7～IN0——八路模拟量输入通道。
ALE——地址锁存允许信号。
START——转换启动信号。
START=1转换启动。
A、B、C——地址线、通道端口选择线。
CLK——时钟信号。
ADC0809要求外接时钟频率为10kHz~1.2MHz。
通常使用频率为500KHz的时钟信号。
EOC——转换结束信号。
EOC=1,转换结束。
D7～D0——数据输出线。
OE——输出允许信号。
OE=1，输出转换得到的数据。
Vcc——+5V电源。
Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。
其典型值为+5V（Vref（+）=+5V,Vref（-）=-5V）。
图2-5ADC0809管脚
ADC0809与80C51单片机的连接主要涉及两个问题。
一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。
转换数据的传送有定时传送方式、查询方式、中断方式这三种方式。
A、B、C的值与被选择的通道之间的关系如下表2—3所示：
表2—3通道选择表
CBA
被选择的通道
000
001
010
011
100
101
110
111
IN
IN
IN
IN
IN
IN
IN
IN
3锅炉温度和压力控制系统硬件电路的设计
3.1最小单片机系统
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。
3.1.1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。
图3-1晶振电路
3.1.2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3-2所示。
图3-2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）
3.2温度采集模块设计
DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH，TL作比较，若T>TH或T因此，因此可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。
DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。
另一种是寄生电源供电方式，如图3-3所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉[7]。
本系统所采用的是电源直接供电。
DS18B20的DQ端直接与单片机的P2.3口相连接，VDD端接+5V电源，DQ端与+5V电源之间通过电阻相连，GND接地，DS18B20可以直接将模拟量转换成数字量，因此不需要连接A/D转换器，DS18B20与单片机直接进行数据传输，不需要通过单片机来个DS18B20供电，保证了DS18B20工作的可靠性。
图3-3温度检测模块
3.3温度控制电路设计
本系统采用继电器进行对加热器
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