基于单片机的小型开水锅炉控制系统设计.docx

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基于单片机的小型开水锅炉控制系统设计

基于单片机的小型开水锅炉控制系统设计

摘要

本文介绍了一种新型智能全自动电锅炉控制系统，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AT89S51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。

此外在温度传感器的地方并联一个液位传感器，再配上固态继电器控制水泵的补水开关，完成对水位的控制。

实际使用证明该系统具有良好的控制效果。

关键词:

电锅炉，单片机 AT89S51，数字温度传感器，液位传感器

Basedonsingle-chipcontrolofsmallhotwaterboiler

Abstract

Thisarticledescribesanewtypeofintelligentcontrolsystemofautomaticelectricboilers,andgivethesystem'sworkingprinciple,hardwarestructureandsoftwareflow.ThesystemusesATMELCorporationAT89S51single-chipseriesfortheCPU,usingtwo-wireserialCMOS-basedelectricitycanbeSassafrasWritingAT24C02Amemorydeviceusersaccesstotemperaturesettings,theuseofSSRasaswitchingdevice,usingauniquenewone-wayintelligentDS18B20digitaltemperaturesensorasatemperaturemeasurementcomponents,temperaturemeasurementaccuracyofupto0.5℃,suchadigitalsensorcanbedirectlyconnectedwiththesingle-chipmicrocomputerwithoutothercircuits.Inaddition，temperaturesensoratourplaceandthenaliquidlevelsensorparallelReinforcedwithWaterpumprelaycontrolswitch,waterlevelcontroltoachieve.Actualusetoprovethatthesystemhasgoodcontroleffect.

Keywords:

ElectricBoiler,SinglechipAT89S51,DigitalTemperatureSensor,LiquidLevelSensor

1绪论

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，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，加上燃料燃烧时产生大量的废气和废渣，对环境造成了严重的污染，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[1]。

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。

本论文设计的小型开水房锅炉自动控制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。

2设计要求

（1）水温控制：

要求系统能实现对水温的预设，当水温超出设定温度时，能够及时报警

（2）水位控制：

系统能够将水位控制在上限和下限之间，当水位超出该范围时，能够报警

（3）按键功能：

能够对水温进行预设和设置水温与实际温度的转换

3方案论证

3.1温度检测设计方案

方案

（1）：

温度检测部分采用热电偶，经过温度变送后，对信号进行采样保持，A／D转换后，然后与单片机通信进行控制。

若温度检测部分采用热电偶，它需要冷端补偿电路与其配套，并且热电偶输出电压只有几毫负，必须经过放大处理才能A/D转换，外围电路复杂，占用单片机的接口多[2]。

方案

（2）：

主要是以单片机作为控制器的核心，利用温度转换芯片DS18B20进行温度采集。

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，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C，现场温度直接以一线总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，使系统设计更灵活、方便。

同时DS18B20可使程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。

可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。

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，并且性能价格也非常出色。

图1方案

（1）结构框图

图2方案

（2）结构框图

由于热电偶属于非线性器件，因此每个温度值都必须通过分度表，查表才能获得，这给软件编程和数据处理增加了难度。

这种系统具有测量温度范围可以从零下一XX到上千摄氏度，而且有很多热电偶精度非常高这是这种测量系统的优点。

但构成系统复杂，抗干扰能力不强。

而数字温度传感器DS18B20，它的最高分辨率为12位，可识别0.0625摄氏度的温度[3]。

它具有直接输出数字信号和数据处理，并且它和单片机接口只需要一位I/O口，因此由它构成的系统简单使用，综合比较温度检测方案

（1）和方案

（2），我们只在常温下使用，并且经济合理，因此选择了方案

（2）。

3.2水位检测设计方案

方案

（1）：

采用电感式浮球传感器对其进行水位检测。

传感器液筒上的汽水管与锅炉筒相连接，使筒锅内的水位与液筒内水位互相连通。

当锅筒内水位变化时，液筒内水位相应发生变化。

液筒内浮球根据水位高低而发生变化，水位升高时，浮球向上浮。

水位下降时，浮球向下浮。

连接浮球上的矽棒在电感线圈内发生位移，使电感线圈两端电感量发生相应的变化，变化的电感量写入仪表，仪表接收这一变化的液位信号，转换成与液平面相应显示信号，系统根据水位的变化信号，自动调节给水流量，使水位稳定在正常区域，以确保锅炉的安全运行。

方案

（2）：

采用金属电极式进行水位检测。

在锅炉内的不同的高度安装3根金属棒,以感知水位变化情况。

其中A棒处于下限水位，C棒处于上限水位，B棒在上、下水位之间。

通过接头b、c与单片机通信，再配上水位显示电路，完成水位的检测和状态显示，单片机驱动控制电路，实现自动上水。

采用电感式浮球传感器对锅炉水位进行检测，检测精密，但该元件的成本太高。

采用金属电极式进行水位检测，电路简单易行，成本相对小，而且该技术应用广泛。

考虑综合因素，水位检测设计方案采用方案

（2）[4]。

4系统结构框图

系统整体电路方框图如图3所示。

图3系统整体结构框图

本系统主要由温度传感器、液位传感器、掉电存储、复位及时钟信号产生电路、报警电路、显示电路、开关控制电路以及AT89S51组成。

通过对锅炉水位和水温实时检测与采集，将锅炉的液位、温度等参数输入单片机，由单片机AT89S51在内部与预先设定参数通过软件计算生成各个控制信号，从而对补水泵和锅炉内部的电加热器进行控制，再配以外部的温度显示和水位状态显示以及报警装置，进而对锅炉进行优化控制，达到了用户的要求和节能目的。

操作过程如下：

用户首先设定水温数值，然后系统检测锅炉中水位。

如果水位正常则系统开始启动，否则产生声光报警并进行自动保护。

系统正常运行以后，利用传感器DS18B20检测出锅炉中的水温，并且实时显示出来。

当水温超过设定上限，系统同样会发出报警信号并采取保护措施，控制加热器工作情况。

当水温未达到设定值，立即回馈给系统，由系统自动调整加热器工作状态，使水温到达设定值，满足用户需求。

5单片机外围器件的设计

5.1元件选择及介绍

5.1.1单片机AT89S51

本设计采用AT89S51作为中央处理单元，它是是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，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AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S51具有如下特点：

40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0~24MHz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

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

AT89S51具有如下特点：

40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

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

AT89S51的主要特性：

（1）8031CPU与MCS-51兼容

（2）4K字节可编程FLASH存储器（寿命：

1000写/擦循环）

（3）全静态工作：

0Hz-24KHz

（4）三级程序存储器保密锁定

（5）128*8位内部RAM

（6）32条可编程I/O线

（7）两个16位定时器/计数器

（8）6个中断源

（9）可编程串行通道

（10）低功耗的闲置和掉电模式

（11）片内振荡器和时钟电路

AT89S51的引脚结构（如图4）及各管脚说明：

VCC：

供电电压

GND：

接地

P0-P3：

分别是8位准双向I/O端口，但P0在作为一般的I/O端口用时，应外接上拉电阻，才能高电平输出

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间

ALE/PROG：

地址锁存允许信号端。

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现

　　/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）

　　XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入

XTAL2：

来自反向振荡器的输出

5.1.2温度传感器DS18B20

传统的温度传感器如热电偶和铂电阻等分立元件，外围电路比较复杂，仅提供与温度相关的电压或电流。

而较新型的单片集成温度传感器如AD590,也只能产生与温度呈线性关系的电流信号。

上述两种传感器都必须使用电阻、运算放大器和A/D转换器等构成温度测量电路。

当外界环境条件发生变化时元件参数也会改变,致使测量误差增加,准确度降低。

本系统采用的是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20，它可以把温度信号直接转换成串行数字信号供单片机处理，采用单线接口，仅需一根口线与MCU相连，无需外围元件。

其突出优点是:

将被测温度直接转换成数字信号输出。

它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面都比DS1820有所改进。

在解决各种误差、可靠性和实现系统优化等方面，有无可比拟的优越性。

DS18B20的主要特点：

（１）采用单总线方式，仅需一根信号线与CPU连接即可传送串行数据，且不需要外部元件

（２）每个芯片都有惟一编码，多个DS18B20芯片可以并联在一根总线上，故可实现多点测温

（３）测温范围为-55～125℃，分辨率为12位

（４）测温结果的数字量位数为9～12位，并可编程选择

（５）可用数据线供电，也可用外部电源

DS18B20的结构：

DS18B20采用３脚PR-35封装（或８脚SOIC封装），其中３脚PR-35封装的DS18B20，其外形象一个三极管，管脚排列如图5所示。

图中，GND为地；DQ为数据输入／输出端（即单线总线），为漏极开路输出，常态下呈高电平；VDD为外部电路端，电源电压为＋５V，不用时应接地。

DS18B20的内部结构如图6所示，主要包括寄生电源、温

度传感器、64位激光ROM、高速暂存器、用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器、存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码发生器等七部分。

其中ROM由64位二进制数字组成，它由生产厂家光刻而成，共分为8个字节，字节0的内容是该产品的厂家代号28H，字节1～6的内容是48位器件序列号，字节7是ROM前56位校验码。

每个DS18B20的64位序列号均不相同，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。

ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样，就可以在一根总线上挂接多个DS18B20。

图6DS18B20内部结构

（１）寄生电源

寄生电源由二极管VD1、VD2和寄生电容C组成。

电源检测电路用于判定供电方式。

寄生电源供电时，VDD端接地，器件从单线总线上获取电源。

在DS线呈低电平时，改由C上的电压继续向器件供电。

该寄生电源有两个优点：

第一，检测远程温度时无需本地电源；第二，缺少正常电源时也能读ROM。

若采用外部电源VDD，则通过VD2向器件供电。

（２）温度测量原理

DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。

其测量电路框图如图7所示。

DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。

当计数门打开时，DS18B20对f0计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。

芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以被偿。

测量结果存入温度寄存器中。

一般情况下的温度值应为9位（符号点1位），但因符号位扩展成高8位，故以16位被码形式读出，表1给出了温度和数字量的关系。

（３）64位激光ROM

64位ROM的结构图如图8，开始8位是产品类型的编号（DS1820为10H），接着是每个器件的唯一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS1820可以采用一线进行通信的原因。

主机操作ROM的命令有五种，如表2所示。

表1温度和输出数字的对应关系

温度/℃

数字输出（二进制数）

数字输出（十六进制）

+125

0000011110010000B

07D0H

+25

0000000110010001B

0191H

+0.5

0000000000001000B

0008H

0

0000000000000000B

0000H

-0.5

1111111111111000B

FFF8H

-25

1111111001110000B

FE70H

-55

1111110010010000B

FC90H

图864位ROM的结构图

表2存储器操作命令

指 令

说 明

读ROM（33H）

读DS1820的序列号

匹配ROM（55H）

继读完64位序列号的一个命令，用于多个DS1820时定位

跳过ROM（CCH）

此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有DS1820

搜ROM（F0H）

识别总线上各器件的编码，为操作各器件作好准备

报警搜索（ECH）

仅温度越限的器件对此命令作出响应

（４）高速暂存器

它由便笺式RAM和非易失性电擦写EERAM组成，后者用于存储TH、TL值。

数据选写入RAM，经校验后再传给EERAM。

便笺式EAM点9个字节，包括温度信息（第1、2字节）、TH和TL值（3、4字节）、计数寄存器（7、8字节）、CRC（第9字节）等，第5、6字节不用。

暂存器的命令共6条，见表3所列。

表3DS18B20的存储控制命令

指令

说明

温度转换（44H）

启动在线DS1820做温度A/D转换

读数据（BEH）

从高速暂存器读9bits温度值和CRC值

写数据（4EH）

将数据写入高速暂存器的第2和第3字节中

复制（48H）

将高速暂存器中第2和第3字节复制到EERAM

读EERAM（B8H）

将EERAM内容写入高速暂存器中第2和第3字

读电源供电方式（B4H）

了解DS1820的供电方式

在正常测温情况下，DS1820的测温分辨力为0.5℃，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：

首先用DS1820提供的读暂存器指令（BEH）读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度的整数部分Tz，然后现用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD。

考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25℃、0.75℃为进位界限的关系，实际温度Ts可用下式计算：

Ts=（Tz-0.25℃）+（CD-Cs）/CD

（1）

（５）CRC的产生

在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。

主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS1820中的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。

CRC的函数表达式为：

CRC=X8+X5+X3+1。

此外，DS1820尚需依上式为暂存器中的数据来产生一个8位CRC送给主机，以确保暂存器数据传送无误。

DS18B20的工作时序

根据DS18B20的通信协议，用主机控制DS18B20以完成温度转换必须经过三个步骤：

每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。

每一步操作必须严格按照时序规定进行。

DS18B20的工作时序包括初始化时序、写时序和读时序。

（1）初始化时序

DS18B20的初始化时序图如图9所示。

（２）写时序

DS18B20的写时序图如图10所示。

（３）读时序

DS18B20的写时序图如图11所示。

图9DS18B20的初始化时序图

图10DS18B20的写时序图

图11DS18B20的读时序图

DS18B20的工作流程

无论是进行单点还是多点温度检测，在系统安装及工作前，应将主机逐个与DS18B20挂接,读取其序列号，其工作过程为由主机与DS18B20联接的位1/O口发“0”电平>480p。

复位DS18B20，待DS18B20发回响应脉冲后，主机由位1/O线再发读ROM命令代码33H，然后依此发一个负脉冲（15p），并接着读取DS18B20序号值的一位。

同样方法读取序号值的56位。

对于带有多个DS18B20传感器，用以实现多点温度测量的系统，分三步完成全过程工作：

（１）系统通过重复操作，搜索出在线各个DS18B20序列号

（２）启动所有在线DS18B20作温度/数字转换

（３）逐个读出在线DS18B20转换后的温度数据

5.1.3掉电存储器AT24C02

当程序因受到干扰而弹飞到一个临时构成的死循环中时,系统将安全瘫痪。

本系统采用AT24C02芯片构成WATCHDOG。

掉电存储单元的作用是在电源断开的时候，存储当前设定的温度值。

AT24C02是ATMEL公司生产的

2KB电可擦除存储芯片，是8位电可擦除PROM，由256×8位存储器构成，并具有两线串行接口。

遵循I2C总线协议与单片机通讯，电压最低可以到2.5V，额定电流为1mA，静态电流10uA（5.5V），芯片内的资料可以在断电的情况下保存40年以上，而且采用8脚的DIP封装，使用方便。

系统在上电过程、瞬间电压降压或存在瞬间干扰脉时,WATCHDOG电路都能正确地给出复位脉冲信号,使系统恢复正常的运行状态，保证了锅炉的正常运转。

AT24C02的引脚结构如图12所示，其管脚功能如表4所示。

名称

功能

GND

接地端

SDA

串行地址/数据I/O端

SCL

串行时钟端

WP

写保护输入端

VCC

+2.5V到5.5V电源端

NC

无内部链

表4AT24C02的管脚功能5.1.4固态继电器SSR

固态继电器英文名称为SolidStateRelay，简称SSR，它是一种性能优越的新型无触点电子开关器件。

其输入端要求很小的控制电流，输出回路采用双向可控硅或大功率晶体管接通或断开负载电流。

输入与输出之间采用光电耦合，通断无可动接触部件，因此工作可靠，具有开关速度快，无噪声、寿命长、体积小等特点。

该电路采用的SSR的型号是MOC3063,其内部电路原理图如图13。

该电路由输入恒流控制电路、光电耦合隔离电路和输出功率开关电路三部分走成。

该类型的固态继电器的输出功率开关由两只双向可控硅并联担任，负载电流可高达90A。

输入控制电压可在3V~32V间的范围变化

5.2硬件电路具体设计与实现

5.2.1水温采集部分

水温采集部分主要由数字温度传感器DS18B20、AT89S51和上拉电阻组成，其工作电路如图14所示。

DS18B20采用外部5V电源供电，数据端DQ与单片机AT89S51的P3.4连接，DS18B20与单片机AT89S51的通信