1、1.1 課題背景與研究意義鍋爐是一種熱能轉換設備，由鍋和路兩大主體和保證其安全經濟連續運行的附件，儀表附屬設備，自控和保護系統組成，水在鍋（鍋筒）中不斷被爐里燃料燃燒釋放出來的能量加熱，溫度升高并產生帶壓蒸汽，由于水的沸點隨壓力的升高而升高，鍋是密封的，水蒸氣在里面的膨脹受到限制而產生壓力形成熱動力（嚴格的說鍋爐的水蒸氣是水在鍋筒中定壓加熱至飽和水再汽化形成的）作為一種能源廣泛使用。鍋爐廣泛用于生產和生活之中。中小型鍋爐作為供暖設備用于提供熱水，取暖方面得到了廣泛應用。目前，取暖多采用集中供暖方式。集中供暖，一般都是按一個采暖季每平方（建筑面積）來收費的，對北方地區來說，天氣比較冷，需要供暖時

2、間長，應該集中供暖省錢。指集中集團式供暖的一種形式。從能源利用方面講，集中供暖一次性投資大，運行費用高，無論是否需要，暖氣始終全天供熱，因樓層不同而造成溫度不均，若遇到供暖偏熱，居民只有開窗降溫，使寶貴的能源白白浪費。這種供暖方式從原理上而言，效率較高。集中供暖的鍋爐大多數是燃媒鍋爐，鍋爐燃燒時污染大，已經帶來了嚴重的環境污染問題。由于這些用戶采用集中取暖，給個別用戶帶來不便的缺陷。基于這種情況，近年來采用以天然氣，液化石油氣為燃料的中小型燃氣鍋爐具有高效、環境污染小，發熱量大甚至無污染等特點，受到普遍歡迎。尤其在國外，燃氣鍋爐目前已得到了普遍應用。家用燃氣鍋爐常見的是套管式燃氣鍋爐、板換式燃

3、氣鍋爐、冷凝式燃氣鍋爐。隨著科技的發展以與各種客觀條件的具備，生活采暖用燃氣鍋爐的應用也必將得到進一步的發展與推廣。隨著燃料不斷補給，燃料充足，城市燃氣管網逐步完善，燃氣使用率逐步會提高。市場經濟的發展與開放，國有企業享受國家能源補貼的取消，住房逐漸私有化，供熱管網費、采暖費全部由個人支付。會有越來越多的人放棄集中供熱方式而采用分散采暖方式。而小型家用燃氣鍋爐的使用作為集中供暖的一個很好補充或替代它必將被越來越多的人關注和選用成為趨勢。目前市場上家用燃氣鍋爐為進口，價格高，售后服務不夠完善，不利于燃氣鍋爐的推廣使用，研制燃氣鍋爐的公司亦相對較少。因此研制開發小型家用燃氣鍋爐就具有現實的意義與客

4、觀的市場價值。本設計將結合小型家用燃氣鍋爐實際的需要，利用MCS-51系列單片機為核心器件組成溫度控制系統，采用溫度采集技術，通過運行和分析研究，以期正確認識和全面理解利用單片機實現溫度采集技術在過程控制中的應用。1.2 系統的總體設計思想目前，世界計算機市場上出現了專門用于工業控制的單片機系列產品，單片機以其體積小、重量輕、功耗低、價格便宜、功能強的特點，在工業控制的實踐中得到越來越廣泛的應用單片機不僅可以實現各種常規的控制，還可以根據被控對象的特性，充分利用控制理論的最新研究成果，采用更完善的控制方式，以獲得更好的控制效果。目前，由于家用鍋爐屬于批量生產，而且每臺鍋爐需要一套完整的控制系統

5、，針對這些特點，尤其從產品成本角度出發，以MCS-51為核心器件組成的控制系統是比較理想的選擇。此外，MCS-51系列單片機運算能力、完備的控制功能、加上完善的外部接口電路，對中小型鍋爐控制系統完全可以勝任。在外圍芯片選取時，盡量選取典型的、易于擴展和替換的芯片和電路，并本著節約成本的思想。選用基于單總線的數字溫度傳感器DS18B20和LCD液晶顯示器。DS18B20溫度傳感器采用美國DALLAS公司生產的DS18B20可組網數字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域；LCD液晶顯示器為平面超薄的顯示設備，它由一定數量的彩

6、色或黑白像素組成，放置于光源或者反射面前方。液晶顯示器功耗很低，因此倍受工程師青睞，適用于使用電池的電子設備。它的主要原理是以電流刺激液晶分子產生點、線、面配合背部燈管構成畫面。它們二者與單片機的接口比較簡單，而且編程強度不大，既保證了系統的穩定性，又縮短了系統的開發周期，節約了開發成本。系統在軟件上采取模塊化的程序結構。主程序作為控制程序，為整個系統軟件的一條主線，其它功能模塊均采用子程序調用、查詢等方式，為調試和擴充提供了方便。本系統的電源采用市場上常見的W7800(7800)系列7805電源穩壓芯片，模擬信號和數字信號分別用單獨的供電回路，以避免電源干擾。利用溫度傳感器DS18B20采集

7、測量鍋爐水溫；使用LCD液晶顯示器顯示水位的上下限值、預先設定的溫度報警值和當前采集的溫度值。利用繼電器控制燃燒器和給水泵的加熱和給水。當鍋爐的水的實際水溫超過報警溫度值，系統會發出報警聲音，這時接在單片機一端的繼電器動作，燃燒器斷電。此時溫度傳感器實時對鍋爐溫度檢測，當溫度降到設定值的下限時，繼電器重新通電。燃燒器電源重新接通，鍋爐繼續加熱。如此反復監控溫度。這樣對鍋爐溫度控制不僅可以節約能源，提高能源的使用率。此外，為符合實際本系統對鍋爐的水位進行實時監控，防止鍋爐干燒和鍋爐水溢出，以免造成能源浪費和水溢出引起的鍋爐爆炸嚴重后果。2硬件電路設計2.1 主電路 1.溫度控制電路圖2

8、.1溫度控制電路 2.水位控制電路圖2.2 鍋爐加水電路圖 2.3 水位檢測電路2.2 單片機最小系統2.2.1時鐘電路設計AT89S51的時鐘可由部產生也可以由外部產生。在這個設計中只是用了部產生。利用芯片部振蕩電路，在XTAL1，XTAL2（18，19腳）的引腳上外接定時元件，部振蕩器便能產生自激振蕩，用示波器便可觀察到XTAL2輸出的正弦波，定時元件可以采用石英晶體和電容組成的并聯諧振電路，它與單片機的接法的如圖3-5所示。晶體可以在1.2MHz12MHz之間所選，電容可以在2060pF之間所選，通常選擇30pF左右，電容C6，C7的大小對振蕩頻率有微小的影響，可起頻率微調作用。在設計印

9、制板時，晶體和電容應盡可能與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，保證振蕩器可靠工作，一般采用瓷片電容。圖2.5 時鐘電路2.2.2 復位電路單片機上電后，在其9腳（RESET）出現24個振蕩周期以上的高電平后，單片機部初始復位。為了確保單片機正常復位，必需使其第9腳上出現的高電平保持2s以上。復位電路如圖 3.6 所示。圖2.6 復位電路系統的復位電路是由RC電路組成，外加一個手動復位按鈕。剛上電時或者觸動按鈕后C5兩端的電壓為0，這時RST為高電平，而其高電平保持時間是由R和C的時間常數決定，由公式(3-1)可知，C充電的時間常數等于0.22ms，遠遠大于2s，即使RST高電平的時間保持2s以上

10、，確保了單片機正常復位。2.3 溫度控制電路設計本系統采用繼電器進行對燃燒器工作方式控制，從而鍋爐控制溫度。當P口輸出高電平時，經反相驅動器7406變為低電平，使發光二極管發光，從而使光敏三極管導通，進而是Q3導通，因而繼電器的線圈通電,接通鍋爐燃燒器。本部分電路與單片機的接口如圖2.9所示。1.當P1.7輸出高電平時，燃燒器通電，燃燒器對鍋爐加熱，進行加熱處理。2.當P1.7輸出低電平時，燃燒器斷電，燃燒器對鍋爐加熱，不進行加熱處理。圖2.9 溫度控制電路2.4 水位控制電路鍋爐在正常加溫工作情況下，同時對鍋爐液位檢測。當鍋爐的水位滿足條件時開始工作。本系統設計利用普通水的導電性質采用不繡鋼

11、管作為測量液位的器件，放于鍋爐上下限的金屬棒是否正在導電的情況判斷鍋爐的水位是不是在上下限圍之間，單片機通過采集的水位變化的信號，發出對給水泵控制的命令，控制鍋爐水位符合條件。圖2.10水位檢測電路如圖2.10水位檢測電路所示，金屬棒1放于水位上限位置，金屬棒2放于水位下限位置，金屬棒3放于水位以下比較遠點的位置。其中金屬棒1和金屬棒2用限流電阻分別與單片機相連接，金屬棒3接+5v的電源。單片機不斷的檢測單片機端口p1.2和p1.3的電平情況。(1)當P1.2高電平和P1.3高電平時，即實際水位在水位上限以上的位置，這時系統發出報警命令,系統停止工作。(2)當P1.2高電平和P1.3低電平時，

12、即實際水位在水位上限和水位下限之間的位置，單片機不進行處理，即保持給水泵的狀態不變。(3)當P1.2低電平和P1.3低電平時，即實際水位在下限以下的位置，這時系統控制給水泵工作，鍋爐開始加水，并報警。圖2.11 水位控制電路當鍋爐水位處與水位下限值的時，單片機P1.4口輸出一個高電平，繼電器接通，此時給水泵通電，給水泵開始工作給鍋爐加水。2.5報警電路設計本系統采用蜂鳴器進行報警,并用兩個LED指示燈表示工作狀態，紅燈亮綠燈滅表示報警;紅燈滅綠燈亮表示正常工作。該部分電路與單片機的接口如圖2.15所示。圖2.15 報警電路電路由限流電阻R1、三極管Q1、兩個二極管和蜂鳴器組成。這個電路并不是一

13、般的放大電路，三極管不是工作在放大狀態，而是工作在飽和狀態和截止狀態。當基極為低電平時，晶體管處于飽和狀態，飽和電壓為UCES=0. 3V，此時，蜂鳴器鳴叫。當基極為高電平時，晶體管截止，相當于開路，輸出為高電平，蜂鳴器停止鳴叫。2.6按鍵電路設計本系統為符合實際要求，進入系統之前首先對溫度報警值的設置。本系統有三個按鍵分別為K1,K2,K3.如圖2.17所示。(1) K1設置鍋爐溫度報警值的溫度值增加按鍵。K1每按下一次，溫度報警值顯示加比上一次值增加一度。(2) K2設置鍋爐溫度報警值的溫度值減少按鍵。K1每按下一次，溫度報警值顯示比上一次值減少一度。 (3) K3溫度報警值確定值。圖2.

14、17 按鍵電路設計3 系統軟件設計本章講述的系統軟件設計包括鍋爐溫度控制的單片機程序設計以與構成系統的各部分子程序設計。3.1主流程圖設計鍋爐溫度控制系統的單片機程序設計主流程圖如圖3.1所示。本系統進入執行時先對鍋爐水位進行與設定的水位上下限進行判斷，然后按條件不同處理結果。當鍋爐水位滿足條件的時候再對鍋爐的水溫采樣監控，并進行相應的處理。圖 3.1 軟件主流程3.2中斷程序程序中斷服務程序序K1是否按下加1并示K2是否按下減1并顯示K3是否按下返回是是是否否否圖4.2 中斷服務程序4.3 DS18B20溫度采集子程序設計DS18B20有嚴格的協議來確保其數據的完整性。協議包括幾種單線信號類

15、型：復位脈沖，存在脈沖，寫0、寫1、讀0、讀1。所有這些信號類型除存在脈沖外，其它的信號均由總線主機產生。開始與SD18B20進行任何通信。都要對其進行初始化，在接收到復位脈沖后，再對SD18B20進行正確的ROM命令和存貯器操作命令。在總線主機初始化過程，主機通過拉高單總線，以產生復位脈沖。接著，在主機釋放總線，并進入接收模式。當總線被釋放后，上拉電阻將總線拉高。在單總線器件檢測到上升沿后，接著產生延時，接著通過拉低總線，以產生存在脈沖。DS18B20溫度采集子程序流程圖如圖3.3所示。開始檢測DS18B02是否存在跳過EOM匹配是發出溫度轉換 命令跳過ROM匹配發出溫度讀取命令保存采集的溫

16、度結束否圖3.3 DS18B20溫度采集子程序流程圖3.4 LCD液晶顯示子程序設計本系統采用是16*2的LCD1602，單片機對其初始化，然后將需要顯示的字符在LCD存儲的地址和要求在LCD顯示的地址送出，再檢測LCD是否處在忙碌不能接收命令或數據的狀態，檢測到LCD空閑時就可以寫數據顯示了。LCD液晶顯示子流程圖如圖3.4所示，具體實現過程請查閱附錄LCD液晶顯示子程序。開始LCD液晶顯示模塊初始化將需要的顯示信息和LCD的地址送出檢測LCD是否忙碌寫數據顯示結束否是圖3.4 LCD液晶顯示子程序流程圖MAIN: CALL TEMP_SET;顯示設定溫度報警值的信息 MOV A,#0C9H

17、;設定溫度攝示度標記的顯示位置 CALL TEMP_BJ ;顯示溫度攝示度的標記 LCALL DIS_TEMP;顯示初始化的報警溫度MAIN1: MOV 20H,#0 LCALL KEY;調用按鍵掃描程序 JNB 20H.0,DEC_TEMPADD_TEMP: INC TEMP_AL;報警溫度值加1 LCALL DIS_TEMP;顯示改變后的報警溫度 AJMP MAIN1DEC_TEMP: JNB 20H.1,CONFIRM DEC TEMP_AL;報警溫度值減1 LCALL DIS_TEMP;顯示改變后的報警溫度 AJMP MAIN1CONFIRM: JNB 20H.2,MAIN1;如果沒按

18、任何鍵就返回MAIN1繼續掃描 ;SETB SPK; LCALL DIS_TEMP1 CALL MENU_OK1;LCD顯示溫度采集和水位控制信息 LCALL DIS_TEMP1 ;顯示已設定的溫度報警值 MOV A,#0CEH;當前溫度攝示度標記的顯示位置 CALL TEMP_BJ ;顯示當前溫度攝示度的標記START: CALL RE_18B20_1;檢測通道1的DS18B20是否存在,并設置12位精確度 CALL RESET1 ;18B20復位子程序,檢測18B20是否存在 JNB FLAG1,START11 ;如果DS1820不存在則跳START11; CALL MENU_OK1;如果

19、存在則顯示OK; MOV A,#0CEH; CALL TEMP_BJ ;顯示溫度攝示度的標記 JMP START21START11: CALL MENU_ERROR1;如果不存在則顯示ERROR MOV A,#0CBH CALL TEMP_BJ ;顯示溫度攝示度的標記 JMP STARTSTART21:;檢查到有溫度傳感器后的處理 CALL RESET1;18B20復位子程序,再次檢測18B20是否存在 JNB FLAG1,START11 ;DS1820不存在則轉到START11報錯 MOV A,#0CCH ; 跳過ROM匹配 CALL WRITE1 MOV A,#44H ; 發出溫度轉換命令

20、 CALL WRITE1 CALL RESET1 MOV A,#0CCH ; 跳過ROM匹配 CALL WRITE1 MOV A,#0BEH ; 發出讀溫度命令 CALL WRITE1 CALL READ1;讀出溫度值到TEMPH、TEMPLDISPLAY: CALL DELAY2 CALL CONV;將采集到的溫度在LCD1602顯示出來 ;LCALL DIS_TEMP1;顯示已設定的溫度報警值ADD_WATER:INC WATER LCALL DIS_WATER;顯示當前水位的值 AJMP COMPARE1;當前水位與水位上限值80比較CLR SPK;如果水位大于80就報警SETB WAT

21、ER-SW-H ;關閉給水泵CLR SPK;如果水位小于20就報警 CLR WATER_SW_H;如果當前水位低于下限值就打開給水泵開關CLR BOILER_SW ;當前溫度超過溫度報警值關閉鍋爐燃燒器開關，停止加熱 CLR RED SETB GREEN LJMPSTART;比較完畢,重新采集溫度和水位START0: flag,LOOP4;如果水位出現報警但溫度沒有出現報警時就繼續采集溫度和水位 SETB SPK;如果水位和溫度都沒有出現報警時就使綠燈亮，然后繼續采集溫度和水位 SETB RED CLR GREENLP：ORLP1，03H；邏輯或,檢測水位MOVA，P1；讀P1口JNB

22、0; ACC.3，LP1， P1.3=0跳轉到LP1    ACC.4，LP2；當P1.4=0表示實際水位在下限，跳轉BK：  MOV A #20 ACALLD2S；調延時2S子程序   AJMPLPLP1：JNBACC 4，L00P3；當P1.4=0則轉SETBSPK；報警SETBP1. 2；使P1 2=1，停止電機工作LP4：SJMPL00P4；出現故障后程序進入 等待狀態LP3：CLRP1.2；啟動電機   AJMPBKLP2：    SETBP1 2；電動機停止工作  電機工作AJMPBKEND;=;LCD顯示溫度標記子程序;=TEMP_BJ: ;MOV A,#0CAH CALL WCOM ;調用LCD寫命令子程序 MOV DPTR,#BJ1 ;指針指到顯示消息 MOV R1,#0 MOV R0,#2BBJJ1: MOV A,R1 MOVC A,A+DPTR