锅炉温度控制系统设计论文本科学位论文.docx

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锅炉温度控制系统设计论文本科学位论文

安徽建筑大学

毕业设计（论文）

专业：

测控技术与仪器

班级:

二班

学生姓名:

胡磊

学号:

09210040203

课题:

锅炉温度控制系统设计

指导老师：

纪明伟

2013年06月14日

摘要

在调查对当前采暖需求情况的基础上，根据小型家用燃气锅炉的工作特点，再结合工程实际需要，研究了基于MCS-51单片机的家用燃气锅炉温度控制系统，旨在解决使用燃煤锅炉集中采暖时所遇到的锅炉温度不易控制的问题，改进家庭采暖的控制方式，提高采暖的经济性。

利用Protel99se软件设计电路，对智能控制器的电源电路、报警电路、时钟电路、复位电路、LCD液晶显示电路以及控制器的核心—温度采集电路进行了设计。

电源采用三端集成稳压器W7800（W7900）系列元件7805,交流220v电压转换为单片机所需要的5V电压；利用AT89S51作为控制器的核心器件；利用集成电路温度传感器DS18B20测量锅炉水温;并将测量的水温与设定值比较，另外系统使用LCD液晶显示器显示当前水位、水位的上下限值、当前采集的温度值和预先设定的温度报警值。

当温度超过所设定的报警温度值，系统将发出报警声音，同时关闭锅炉燃烧器。

等待温度降到下限值，这时就可以重新锅炉燃烧器通电，继续加温，如此反复监控温度。

这样就可以提高能源的使用率，节约能源。

针对系统的特点和要求，在上述硬件电路及实现方法的基础上，利用汇编语言，设计了基于单片机的锅炉温度控制系统。

控制软件主要包括温度和温度采集子程序、水位控制程序、LCD液晶显示子程序等。

关键词：

单片机；温度控制；DS18B20；燃气锅炉；LCD；

ABSTRACT

Accordingtothemarketdemandandthecharacteristicsofdomesticheating,thispaperdevelopsMCUintelligencecontrollerfortheminorgas-firedboilerwhichisdomesticheatingequipmentonthebasisofinvestigationofheatingdemandwidely.Theresearchpurposeistochangetheinconvenienceoftemperaturecontrolbringbyusingcoalfiredboilerforcentralizedheating,toincreaseeconomicsofheating.ThesoftwarecalledProtel99seforcircuitdesignedisusedtodevelopthehardwareofthecontroller.Thehardwareincludesthepowersupplycircuit,theresetcircuit,theclockcircuit,thealarmcircuit,theLCDdisplaycircuit,andthetemperaturecollectionwhichisthecoreofthiscontroller.Thethree-pinintegrated-circuitvoltageregulatorW7800（7900）seriescomponent7805isusedforthepowersupply.TheAtmelAT89S51chipisthecorechipofthecontroller.TheintegratedtemperaturesensorDS18B20isusedtomeasurewatertemperatureinboiler.Thekeycircuitisusedtosetthealermtemperatureandanalogwaterinorout.Inaddition,LCDisusedtodisplaywaterlevelbound,currentwaterlevel,temperaturealermvaluebypresuppositionandcurrenttemperature.Whenwaterlevelbeyonditsboundorwhencurrenttemperaturebeyonditsalermvalue,thesystemgivesanalermandmakesboilerburneroff.Whenwatertemperatureisdown,thesystemreleasesalermandmakesboilerbureneron.Thesystemdoesitagainandagain.Sothesystemcansaveenergyandimproveenergyutilizationrate.Aimatthedemandandcharacteristicofthesystem,onthebasisofthesehardwareandimplementmethod,usingassemblelanguage,systemdesignsboilertemperaturecontrolsystemdesignbasedonsinglechip.Thissoftwareincludestemperatureandwaterlevelmonitormainprogram,temperaturecollectionsubprogram,analoywaterinandoutsubprogram,keyboardscansubprogram,LCDdisplaysubprogrametc.

Keywords:

MCU;Temperaturecontrol;DS18B20;Gasboiler;LiquidCrystalDisplay;

1绪论

1.1课题背景

由于工业过程控制的需要，特别是在计算机技术和微电子技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统的发展迅速，并在智能化，自适应、参数整定等方面，以美国、德国、日本、瑞典等国家技术领先，都生产出了一批性能优异的、商品化的温度控制器及仪表，并在各行得到广泛的应用。

电加热锅炉采用全新加热方式，它具有许多优点，使其比其他形式的锅炉更具有吸引力：

1）能量转化效率高。

加热元件直接与水接触，能量转换效率很高，可达95%以上。

2）无污染。

不会排放出有害气体、飞尘、灰渣，完全符合环保方面的要求。

3）结构简单、体积小、重量轻，占地面积小。

4）锅炉本体结构简单，安全性好。

不需要布管路，没有燃烧室、烟道，不会出现燃煤、燃油、燃气的泄漏和爆炸危险。

5）可采用计算机监控，完全实现自动化。

其温度的控制都能通过微控制芯片完成，使锅炉的运行完全实现自动化，最大程度地将控制器应用于传统的锅炉行业。

6）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。

由于加热元件工作由外部电气开关控制，所以启停速度快。

由于目前人们的环保意识的提高，人们对电热锅炉越来越重视，在工业生产和民用生活用水中应用越来越普及。

电热锅炉目前主要用于供暖和提供生活用水。

主要是控制水的温度，保证恒温供水。

随着计算机和信息技术的高速发展，单片机广泛的应用于工业控制中。

工业控制也越来越多的采用计算机控制，在这里我们采用51系列单片机来做控制器。

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，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。

而这下符合PID控制使用的条件，因而PID控制被广泛地用于电热锅炉的控制中，用来代替传统的控制方法，并获得良好的控制效果。

1.2课题研究的目的及意义

目前市场上家用燃气锅炉大部分为进口，价格较高，售后服务也不够完善，不利于燃气锅炉的推广与使用，研制燃气锅炉的企业与公司也相对较少。

因此，研制开发小型家用燃气锅炉就具有客观的市场价值与现实的意义。

本设计将结合中、小型家用燃气锅炉的实际需要，利用MCS-51系列单片机为核心器件组成温度控制系统，采用温度采集技术，并通过运行和分析研究，以期正确认识和全面理解利用单片机实现温度采集技术在过程控制中的应用。

本控制器主要是针对现代工业自动化生产过程中锅炉温度控制装置而设计的，用PID控制代替传统的控制方法，以获得良好的控制效果。

1.3系统的总体设计思想

目前，专门用于工业控制的单片机系列产品广泛出现于世界计算机市场上，单片机以其重量轻、体积小、功耗低、功能强、价格便宜的特点，在工业控制的实践中得到越来越广泛的应用。

单片机不仅仅可以实现各种常规的控制，而且还可以根据被控对象的特性，充分利用控制理论的最新研究成果，采用更完善的控制方式，以获得更好的控制效果。

当前，由于家用锅炉处于批量生产中，并且每台锅炉需要一套完整的控制系统，根据这些特点，特别是从产品成本角度出发，以MCS-51为核心器件的控制系统是比较理想的选择。

此外，MCS-51系列单片机完备的控制功能、运算能力、加上完善的外部接口电路，完全可以胜任对中小型锅炉的控制。

系统在外围芯片选取时，尽量选取典型的、易于扩展和替换的芯片和电路，还需本着节约成本的思想。

选用LCD液晶显示器和基于单总线的数字温度传感器DS18B20。

LCD液晶显示器为平面超薄的显示设备，它由一定数量的彩色或黑白像素组成，放置于光源或者反射面前方。

液晶显示器功耗很低，因此倍受工程师青睐，适用于使用电池的电子设备。

它的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面；DS18B20温度传感器采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有体积小，使用方便，耐磨耐碰，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。

它们二者与单片机的接口比较简单，而且编程难度不大，既缩短了系统的开发周期，又保证了系统的稳定性，节约了开发成本。

本系统的电源采用市场上常见的W7800（7800）系列7805电源稳压芯片，数字信号和模拟信号分别采用单独的供电回路，以避免电源的干扰。

利用继电器控制燃烧器和给水泵的加热和给水。

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。

使用LCD液晶显示器显示水位的上下限值、预先设定的温度报警值和当前采集的温度值；利用温度传感器DS18B20采集测量锅炉水温。

此外，为防止锅炉干烧和锅炉水溢出，本系统对锅炉的水位进行实时监控，避免造成能源浪费以及水溢出引起的锅炉爆炸等严重后果。

2系统方案选择及工作原理

实现本系统设计要求的方案有多种，以下介绍两种控制方法：

（1）用PLC为控制器，热电阻/热电偶作为测温器件，实现闭环控制。

（2）用单片机结合温度传感器和加热执行机构对温度进行控