基于单片机的小型开水锅炉控制系统设计Word文件下载.docx

1、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，AD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 -55C+125C，在-10+85C范围内,精度为0.5C，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

2、，使系统设计更灵活、方便。同时DS18B20可使程序设定912位的分辨率，精度为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

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

4、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。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

5、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

6、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CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP（In-system programmable）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

7、片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash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，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes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024MHz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

8、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。40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes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。AT89S51的主要特性：（1）8031 CPU与MCS-51 兼容（2）4K字节可编程FLASH存

9、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

10、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

11、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

12、、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：（）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

13、要外部元件（）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（）测温范围为-55125，分辨率为12位（）测温结果的数字量位数为912位，并可编程选择（）可用数据线供电，也可用外部电源 DS18B20的结构：DS18B20采用脚PR-35封装（或脚SOIC封装），其中脚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V，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

14、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16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6 DS18B20内部结构（）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，VD

15、D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。（）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

16、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。（）64位激光ROM64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）+1250000 0111 1001 0000B07D0H+250000 0001 1001 0001B0191H+0.50000 0000 0000 1000B00

17、08H0000 0000 0000 0000B0000H-0.51111 1111 1111 1000BFFF8H-251111 1110 0111 0000BFE70H-551111 1100 1001 0000BFC90H图8 64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（）高速暂存器它

18、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3 DS18B20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

19、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）（）CRC的产生在64位ROM的最高有效字节中存储有

20、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

21、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。（）写时序DS18B20的写时序图如图10所示。（）读时序DS18B20的写时序图如图11所示。图9 DS18B20的初始化时序图图10 DS18B20的写时序图图11 DS18B20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（15

22、 p），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：（）系统通过重复操作，搜索出在线各个DS18B20序列号（）启动所有在线DS18B20作温度/数字转换（）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PR

23、OM，由2568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4 AT24C02的管脚功能5

24、.1.4 固态继电器SSR 固态继电器英文名称为Solid State Relay，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3V32V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5 V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