锅炉温度控制系统设计 - 毕业论文设计 - 图文

(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)

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

1

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220 v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

According to the market demand and the characteristics of domestic the basis of investigation of which is the core of this controller. The three-pin integrated-circuit voltage regulator W7800 (7900) series component 7805 is used for the power supply. The Atmel AT89S51 chip is the core chip of the controller. The integrated temperature sensor DS18B20 is used to measure water temperature in boiler. The key circuit is used to set the alerm temperature and analog water in or out. In addition, LCD is used to display water level bound, current water level, temperature alerm value by presupposition and current temperature. When water level beyond its bound or when current temperature beyond its alerm value, the system gives an alerm and makes boiler burner off. When water temperature is down, the system releases alerm and makes boiler burener on. The system does it again and again.So the system can save energy and improve energy utilization rate. Aim at the demand and characteristic of the system, on the basis of these based on singlechip. This software includes temperature and water level monitor main program, temperature collection subprogram, analoy water in and out subprogram, keyboard scan subprogram, LCD display subprogram etc.

Keywords:MCU; Temperature control; DS18B20;Gasboiler;Liquid CrystalDisplay;

目 录

1 绪论 ..................................................................................................................................................... 1

1.1 课题背景 ................................................................. 1 1.2课题研究的目的及意义 ...................................................... 2 1.3系统的总体设计思想 ........................................................ 2 2 系统方案选择及工作原理.................................................................................................................... 4

2.1 系统设计方案.............................................................. 4 2.2 系统结构框图.............................................................. 5

2.2.1主要器件的选择 ...................................................... 7 2.2.2 辅助器件选择 ........................................................ 7

3 硬件电路设计 ....................................................................................................................................... 8

3.1 主控单片机AT89S51芯片介绍 ................................................ 8

3.1.1 主要性能特点 ........................................................ 8 3.1.2 AT89S51管脚说明 .................................................... 9 3.2 单片机最小系统........................................................... 11

图3.2 最小单片机系统 .................................................... 11 3.2.1时钟电路 ........................................................... 11 3.2.2 复位电路........................................................... 12 3.3 温度控制电路设计 ......................................................... 12 3.4按键电路设计 ............................................................. 13 3.5 水位检测电路设计 ......................................................... 13 3.6 稳压电源电路设计 ......................................................... 14 3.7温度传感器选择及温度采集电路 ............................................. 16

3.7.1 DS18B20简介 ....................................................... 16 3.7.2温度采集电路 ....................................................... 17 3.8输出模块 ................................................................. 17

3.8.1 固态继电器SSR ..................................................... 17 3.8.2报警电路设计 ....................................................... 19 3.8.3液晶显示电路设计 ................................................... 19

4 系统软件的设计 ................................................................................................................................. 22

4.1 系统主程序 .............................................................. 22 4.2 子模块软件设计........................................................... 22

4.2.1 AD转换环节子程序设计 .............................................. 23 4.2.2 DS18B20温度采集子程序设计 ......................................... 24 4.2.3 LCD液晶显示子程序设计 ............................................. 25 4.2.4 按键子程序设计 ..................................................... 25

总结 ......................................................................................................................................................... 27 参考文献 ................................................................................................................................................. 28 致 谢 ....................................................................................................................................................... 29 附录一 ..................................................................................................................................................... 30 附录二 ..................................................................................................................................................... 39

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制，键盘修改温度参数、显示。

每一种方案都有其各自的优点。本章详细列举、说明了两种不同的设计方案的优缺点进行对比，选出了最佳控制方案。 2.1 系统设计方案 方案一：采用PLC为控制器

此方案用PLC作为主要控制器的核心，利用热电偶作为测温器件，然后通过一个变送器将温度转换成电压信号，送入到AD转换器进行模拟到数字量的转换，转换结果转送入PLC，由PLC根据给定值与测量值的大小作比较得到一个偏差，再由DA将偏差数字量转换成模拟量来调节加热丝的工作时间或者通过调节不同电压来调节加热丝的加热功率，最终达到锅炉恒温控制的目的。系统原理框图如下图2.1所示：

实际温度

图2.1 方案一的原理框图

方案二：采用51单片机为主控芯片

采用AT89S51单片机、温度传感器DS18B20、7805电源稳压芯片、液晶显示器LCD1602等核心部件。该方案采用液晶显示器来显示当前采集的温度值、当前水

位、水位的上下限值、预先设定的温度报警值，接口简单、直观而且编程强度不大。用不锈钢管制作成的装置放于水位上下限。这样就可以缩短系统的开发周期，减少系统成本开销。另外，温度传感器DS18B20的温度测量范围、响应时间、稳定性、精度都要比热敏电阻好。当系统采集到温度信号后与设定温度进行比较得到一个偏差，然后通过PID运算，从单片机P1.0输出一个PWM波形来控制固态继电器的导通与关闭，从而控制锅炉的加热丝在一个固定周期中通电加热时间的长短来达到恒温控制的目的。

从组成结构上来看，以PLC为控制器的方案安装接线比较繁琐，而实际显示需要单独的显示屏，调节温度时不太方便，若要改变给定值，需要添加专门的输入模块或者需要重新下载控制程序。而51单片机控制系统，整个控制系统可以规划到一块PCB电路板上，从而安装起来更加方便，而且其功能比较齐全，显示模块简单，调节温度可通过键盘来设置，使用很方便。

从成本上来看。以PLC为控制器的方案比较昂贵，51单片机控制系统更加经济。考虑到用户的心里接受倾向，51单片机控制系统更有市场推广价值。

通过以上分析和比较从而得出：锅炉温度控制系统采用单片机作为控制器的系统比PLC控制系统成本更低，使用更加方便快捷。基于上述原因，最终确定采用方案 2.2 系统结构框图

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，对锅炉水位进行控制。液晶显示，显示水位上限值，水位下限值以及温度报警值和实际温度值。图2.2所示是其系统结构框图。

在工业生产中，锅炉是一种重要的动力系统。其中锅炉的温度过程控制，又是一个重要环节。本系统过程控制系统主要应用于燃气锅炉的水温控制系统。在燃气锅炉里面，天然气液化石油气作为燃料，锅炉中的水作为加热对象。温度传感器的输出信号经调理电路处理后作为单片机系统的输入信号。本系统要采样的是锅炉的水温和锅炉的水位控制信号。

图3.2 最小单片机系统 3.2.1时钟电路

AT89S51的时钟可由内部产生也可以由外部产生。在这个设计中只是用了内部产生。利用芯片内部振荡电路，在XTAL1，XTAL2（18，19脚）的引脚上外接定时元件，内部振荡器便能产生自激振荡，用示波器便可观察到XTAL2输出的正弦波，定时元件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路，它与单片机的接法的如图3-2所示。晶体可以在1.2MHz~12MHz之间所选，电容可以在20~60pF之间所选，通常选择33pF左右，电容C6，C7的大小对振荡频率有微小的影响，可起频率微调作用。在设计印制板时，晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，保证振

荡器可靠工作，一般采用瓷片电容。 3.2.2 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。复位电路与单片机接法如图 3.2所示。

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0.082ms，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) 3.3 温度控制电路设计

本系统采用继电器进行对燃烧器工作方式控制，从而锅炉控制温度。当P口输出高电平时，经反相驱动器7406变为低电平，使发光二极管发光，从而使光敏三极管导通，进而使Q3导通，因而继电器的线圈通电,接通锅炉燃烧器。本部分电路与单片机的接口如图3.3所示。

1.当P1.7输出低电平时，燃烧器断电，不进行加热处理。 2.当P1.7输出高电平时，燃烧器通电，进行加热处理。

图3.3 温度控制电路 3.4按键电路设计

为符合本系统的实际要求，进入系统之前首先对温度报警值的设置。本系统有三个按键分别为K1,K2,K3. 如图3.4所示。

(1) K1设置锅炉温度报警值的温度值增加按键。K1每按下一次，温度报警值显示比上一次值增加一度。

(2) K2设置锅炉温度报警值的温度值减少按键。K2每按下一次，温度报警值显示比上一次值减少一度。

(3) K3温度报警值确定值。

图3.4按键电路设计

3.5 水位检测电路设计

锅炉在正常加温工作情况下，同时对锅炉液位检测。当锅炉的水位满足条件时开

始工作。

本系统设计利用普通水的导电性质，采用不绣钢管作为测量液位的器件，放于锅炉上下限的金属棒是否正在导电的情况判断锅炉的水位是不是在上下限范围之间，单片机通过采集的水位变化的信号，发出对给水泵控制的命令，控制锅炉内水位符合条件。

如图3.5水位检测电路所示，金属棒1放于水位上限位置，金属棒2放于水位下限位置，金属棒3放于水位以下比较远点的位置。其中金属棒1和金属棒2用限流电阻分别与单片机相连接，金属棒3接+5v的电源。单片机不断的检测单片机端口p1.2和p1.3的电平情况。

图3.5水位检测电路

(1)当P1.2＝高电平和P1.3＝高电平时，即实际水位在水位上限以上的位置，这时系统发出报警命令,系统停止工作。

(2)当P1.2＝低电平和P1.3＝低电平时，即实际水位在下限以下的位置，这时系统控制给水泵工作，锅炉开始加水，并报警。

(3)当P1.2＝高电平和P1.3＝低电平时，即实际水位在水位上限和水位下限之间的位置，单片机不进行处理，即保持给水泵的状态不变。

3.6 稳压电源电路设计

集成稳压电源又称三端集成稳压器，它是指将功率调整管、取样电阻、基准电压、误差放大、启动及保护电路等全部集成在一块芯片上，具有特定输出电压的稳压集成电路。三端是指电压输入端、电压输出端和公共接地端。三端IC稳压器按性能与用途可分为固定输出正稳压器、固定输出负稳压器、可调输出正稳压器、可调输出负稳压器4类。

这类稳压器的输出为固定电压。国内外厂家均将此系列稳压器命名为78××系列，如7805、7812等。其中“78”后面的数字代表该稳压器输出的正电压数值，以伏特为单位。例如7805即表示稳压输出为5V，7812表示稳压输出为12V等。有时会

发现型号78××前面和后面还有一个或几个英文字母，如W78××、AN78××、L78××CV等。前面的字母称“前缀”，一般是各生产厂（公司）的代号；后面的字母称“后缀”用以表示输出电压容差和封装外壳的类型。

78××系列稳压器按输出电压共分为9种。分别为7805、7806、7809、7810、7812、7815、7818、7824。按其最大输出电流又可分为78L××、78M××和78××3个分系列。78L××系列最大输出电流为100mA，78M××系列最大输出电流为500mA ，

78××系列最大输出电流为1.5A。由于单片机工作电压为+5V，在此选用7805。

图3.6 三端集成稳压器

图3.6所示为三端集成稳压器7805，78系列三端稳压器是最长见的集成稳压器件。具有过热，过流，调整管安全工作区保护功能。性能优良，可靠性高。同时又由于器件只有三个引脚，所以使用简单方便，价格低廉，应用广泛。

图3.7 稳压电源电路

稳压电源电路如图 3.7所示，从J1输入9～12V的直流电，打上开关，经C1和

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/96w8.html