基于单片机的电锅炉控制器的设计

1、内蒙古工业大学本科生设计说明书摘 要电热水锅炉是将电能转化为热能的能量转换装置，具有结构简单、无污染和自动化程度高等优点，近年来已成为供热采暖的主要设备。本课题主要研究的是电热水锅炉控制器的设计问题。针对于电热水锅炉，由于它是一个具有非线性、时变、大迟延、大惯性和升温单向性的系统，用数学方法建立精确的数学模型显然十分困难，因而用传统的控制理论和方法对本系统实施控制有其局限性，而智能控制正是吸收了人们的生活经验、逻辑推理规则和记忆学习的优点，在工程实际中已经取得了很多价值性的成果。本文分析了PID控制算法，经过综合考虑，并鉴于程序编写简单的需要，最终选择了简单易行的位式控制算法，而对于液位控制，

2、需要实现过高过低水位报警和状态指示，因此选用简单易行的电接点液位传感器。在研究电锅炉控制算法的同时，本文还选用了STC89C51单片机,设计了锅炉温度和水位控制的硬件电路，包括传感器电路、继电器控制电路、温度和水位显示电路、键盘输入电路以及水位报警电路,其中传感器分别选用了DS18B20温度传感器和电接点液位传感器，由于电接点液位传感器属于输出开关信号的位式传感器，省去了A/D转换电路;控制电路就是通过继电器来控制电磁阀和加热器，进而控制水位和温度。基于硬件电路，又编写了C语言程序，并通过KeilC51和Protues软件联调，进行了仿真调试，获得较为理想的效果。关键词：电锅炉；智能控制；控制

3、算法；STC89C51单片机；DS18B20AbstractElectric boiler is the device that convert electricity into heat, it has the advantages of simple structure, no pollution and has highautomaticallydegree, which has become the main equipment for heating. The major research direction is the design of electric boiler. For

4、 the electric boiler, because it is a nonlinear, time-varying, long time-delayed, large inertia and unidirectional rising system, it is very difficult to use mathematical method to establish mathematical model and to control this system by using the classical control theory and method. Intelligent c

5、ontrol has produced something valuable in engineering practice, because it brings in the good things such as the experience, logical reasoning and memory from people. This article analyses PID control algorithm，after comprehensive consideration and given the need of simple procedure, we ultimately c

6、hoose positional control algorithm, and for the level control, because it need enable alerting and status display, we choose the electric contact water level sensor.At the same time, we choose the STC89C51 SCM, and design the hardware circuit of temperature and water level control of electric boiler

7、, which includes the sensor circuit, the relay control circuit, temperature and water level display circuit, keyboard circuit, water level alarm circuit. We choose DS18B20 temperature sensor and the electric contact water level sensor, because the water level sensor belongs to position sensor, A/D c

8、onversion circuit is not needed; control circuit can control water level and temperature through the relay controlling solenoidvalveand heater. Based on hardware circuit, we write C language program, and get more ideal control effect through Keil C51 and Protues debugging. Keyword: electric boiler；i

9、ntelligent control；control algorithm；STC89C51 SCM； DS18B20目 录绪论31.1课题的提出与研究意义31.2国内外研究状况41.3论文的主要研究内容5第二章 被控对象和被控策略的研究62.1被控对象分析62.2.1 PID控制基本理论72.2.2 PID控制器的设计9第三章 电热水锅炉控制器的硬件设计113.1系统整体方案设计113.2单片机的选择及电路设计123.3温度检测电路133.4水位检测电路153.5继电器控制电路153.6稳压电源电路163.7人机对话电路173.7.1键盘电路173.7.2显示电路183.8报警电路和水位状态指

10、示电路203.9存储器电路21第四章 电热水锅炉控制系统的软件设计224.1软件设计的基本思想224.2程序设计流程图234.3硬件电路仿真264.3.1温度显示仿真264.3.2温度设定仿真264.3.3温度控制仿真274.3.4水位控制仿真28结 论30参考文献31附录：系统源程序32附录：系统总电路图40附录：系统Protues总仿真图41谢辞42第一章 绪论1.1课题的提出与研究意义目前，智能控制得到广泛应用，日常生活中许多场合都需要依据实际情况，更加人性化地实现多方面的控制。电热水锅炉是将电能转化为热能的装置，采用全新加热方式，无污染，相比其他燃煤锅炉，完全可以称为绿色环保锅炉。电加

11、热锅炉具有以下特点：无污染、能量转化效率高、锅炉本体结构简单、安全性好，并且可采用计算机监控，完全实现自动化，因而在现实生活中使用起来更加方便。锅炉控制是一种过程控制，其多个参数的变化（如温度、水位等）具有非线性的特点，单纯用数学方法建立精确的模型，显然不切实际，因此首先选择合适的控制算法，对实现电锅炉的稳定控制和提高系统的经济性十分重要。单片机应用广泛，发展迅速。在过程控制中，单片机既可作为主计算机，又可作为分布式计算机控制系统中的前端机，完成模拟量的采集和开关量的输入、处理和控制计算，然后输出控制信号。单片机广泛用于仪器仪表中，与不同类型的传感器相结合，实现诸如电压、湿度、水位、压力和温度

12、等物理量的测量；在日常电器设备中，单片机已广泛用于电视机、电冰箱、电饭锅等各种家电设备中。总之，使用单片机来实现电热水锅炉的多个参数控制，既满足实际生活和工业控制的需求，又满足当今社会发展的需要。1.2国内外研究状况工业控制在理论上大概分为三个阶段，第一阶段为以经典控制理论为主要控制方案的初级阶段，可以用PID控制实现稳定系统和定值控制；第二阶段为以现代控制理论为主要控制方案的发展阶段，以微型计算机为工具，对复杂现象进行控制，克服干扰和模型变化，以满足复杂的工艺要求，提高控制质量。第三阶段为高级阶段，控制方法主要朝着综合化和智能化的方向发展。智能控制理论中，专家系统、神经网络、模糊控制系统为最

13、有潜力的三种方法，其中模糊控制不仅有行之有效的模糊控制理论为基础，而且能够表达出确定性和不确定性的两类经验，并提炼成为知识进而改善已有控制。随着我国电力行业的迅速发展，电力供应紧张的局面已经趋于缓和，为实现可持续发展，国家推广使用燃气锅炉和电锅炉。然而，由于燃气锅炉投资过大，管道铺设受到城市发展的制约，这就为电热锅炉提供了良好的发展空间。电热锅炉同其他燃料锅炉相比，具有无污染、热效率高、体积小等优点，并且可以实现无人监控的全自动化控制，控制系统可采用PLC控制，也可以采用电脑控制，同时均可转为手动；控制方式灵活，加热方式便利，可采用瞬时、蓄水和蓄热等多种方式；安全性能好。从以上优点可以看出，电

14、热锅炉代表了当今环保锅炉的发展趋势，在人们崇尚回归自然，世界各国环保要求日趋严格的今天，电热锅炉必定会获得长足发展。电热锅炉根据电加热原理和加热元件的不同分以下几类： 电热管电热锅炉、电热棒电热锅炉、电极式电热锅炉、电热板电热锅炉、感应式电热锅炉。当前，国内企业生产的电热锅炉绝大部分是电热管电热锅炉，其原理是电能通过电热管电阻转换成热能。其中电热管是电热锅炉的核心，电热管质量的高低直接影响电热锅炉的运行可靠性和使用寿命。国家大力引进蓄热电热锅炉，积极引进开发电极式电热锅炉。电热锅炉在我国起步较晚，其应用和发展是我国电力工业发展和环境保护要求相互作用的必然结果。尽管处于发展初期，产品的设计和使用

15、过程中还存在很多问题，但随着人们对电热锅炉认识的深入以及生产厂家的技术进步，电热锅炉一定会得到长足发展，成为新世纪广泛使用的新型绿色环保锅炉。1.3论文的主要研究内容本课题主要研究了三个方面的内容，首先分析被控对象，了解了被控对象的基本特性，并以此为基础，选择和分析适当的控制算法；然后设计硬件电路图，根据器件的参数，计算出电阻阻值等，完成器件的选型；最后由硬件电路，设计出程序流程图，完成控制系统的软件设计,这里选择用C语言编程，并进行Protues仿真。第二章 被控对象和被控策略的研究1.1被控对象分析电锅炉是将电能转化成热能的一种能量转换装置，其工作原理与传统意义上的锅炉有相似之处，从结构上

16、看有“锅”和“炉”两大部分。锅是指盛放热介质（水）的容器，而“炉”是指电加热水的电热转换元件。目前国内外生产的电锅炉有很多种型式，从整体结构上分有立式、卧式、多单元式等；从传热介质上分有热水锅炉、蒸汽锅炉和有机载体锅炉；从电加热原理上可分为电热管式、电热棒式、电热板式、电极式和感应式等；从供热方式上有直热式和蓄热式。本文研究的电锅炉对象采用电阻式加热，炉内温度为0100,水位为150cm。电锅炉安装图如图1-1。排污口电锅炉排气阀安全阀泄水阀膨胀水箱散热片出水口回水口 图 2-1 电锅炉安装图由上图可以看出电锅炉中的热水经过出水口送至散热片，通过散热片供热。由此确定温度是控制参数，控制量为炉内

17、的热水。通过调节阀的开度，保证供热区的等温特性；通过水位判别，可调节补水阀的起、停。本文研究的目的是接合电热水锅炉温度上升的特点，对温度进行控制已达到调节时间短且稳态误差小的特点，并采用电接点水位传感器，有效的控制安全水位。在生产过程中，控制对象多种多样，理论分析和实验结果表明：电加热装置是一个具有自平衡能力的对象，可用二阶系统纯滞后环节来描述，而二阶系统可以通过参数辨识降阶为一节系统。因而可用一阶惯性滞后环节来描述温控电锅炉系统对象的数学模型。传递函数可表示为： (2-1)式（2-1）中 K对象的静态增益（放大倍数）； T对象的时间常数； 对象的纯滞后时间。对象中的特性参数对输出的影响：1.

18、 K值 放大系数K值与被控量的变化过程无关，其表示输入对输出稳态值的影响程度。K值越大，表示被控对象的自平衡能力小；K值小，表示自平衡能力大。2. 时间常数T 时间常数T的大小反映对象受阶跃干扰后，被控量达到新的稳定值的快慢程度，即反映了对象惯性大小的物理量。2.2控制策略研究通过电热水锅炉的对象分析，我们可以看出只单单采用数学方式来控制电锅炉的温度，已经不可行了。而PID控制，是经典控制中最典型的控制方法，并且结构简单、可靠性强，可以消除稳态误差，在大多数情况下能够满足系统性能要求。2.2.1 PID控制基本理论PID控制在生产过程中是一种被普遍采用的方法，是一种比例、积分、微分的并联控制器

19、。常规PID控制系统原理框图如图2-2所示。积分比例微分被控对象+-+r(t)e(t)u(t)y(t) 图2-2 PID控制原理图 理想的PID控制器根据给定值与实际输出值差值构成控制偏差e(t) （2-2）将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。 （2-3）式中的为比例系数；=为积分系数；=为微分系数。另外分析一下PID各个校正环节的作用：1. 比例环节 比例环节可以成比例的反映控制系统的偏差信号，以最快速度产生控制作用，使偏差向着最小方向发展。越大，稳定误差变小，但动态性能变差，振荡严重，超调量变大。2. 积分环节 积分环节可以消除误差，使输出量和控制偏差量稳定

20、在一个常值上。积分作用的强弱取决与积分时间常数，时间常数越大积分作用越弱，反之越强。随着时间常数的减小（积分作用强），静差减小，但如果过小就会加剧系统振荡，使系统失去稳定。3. 微分环节 微分环节可以改善系统的稳定性和动态响应速度，反映了偏差洗信号的变化趋势，在偏差信号变太大之前，有效地修正信号的变化趋势，从而减小调节时间。2.2.2 PID控制器的设计1.PID控制器在计算机中的实现：PID控制器是通过计算机的PID控制算法程序实现的。然而，输入计算机中的连续信号，必会经过采样量化处理后，变成数字量，才能进入计算机的存储器中，所以积分和微分，只能用数值计算去逼近。PID控制规律采用数值逼近的

21、方式在计算机中实现其算法，当采样周期T足够短时，用求和代替积分，用差商代替微分，最终使PID算法离散化。所以可做以下近似变换：（2-4）式中T为采样周期。这样PID微分方程就转化为PID的差分方程，式（2-3）就可以转化为： （2-5）由（2-5）可以得出 （2-6）式（2-6）即为增量式PID算法。由此可见，计算机系统采用恒定的采样周期T，如果确定了三个系数，只要使用前3次的测量值的偏差即可求出控制量的增量。2.设计PID控制器的注意事项：在采用正常的PID控制算法时，只要系统的偏差存在，积分作用就会增大和减小，而最终可能会使控制量达到上限和下限，进入饱和范围。对于一些时间常数较大的被控对象

22、，在阶跃作用下，偏差通常不会在几个采样周期内消除掉，此时，积分作用很可能会使输出值超出正常范围，这就是积分饱和现象。积分饱和现象会使系统产生较大的超调，克服积分饱和现象的方法采用过限消弱积分法和积分分离法。过限消弱积分法就是当控制变量进入饱和区后，只进行削弱积分项的方法；积分分离法就是当误差大于规定的门限值时，去除积分项的作用，这样就可使积分项不至于过大，而在误差较小时，才加上积分项以消除稳态误差。数字PID控制器在进入正常的调节作用时，由于此时的误差e较小，所以干扰作用可能会对调节带来较大的影响。为了消除干扰的影响，除了在硬件上采取措施之外，控制算法上也须要做出必要的调整。在PID控制算法中

23、，差分项对数据的误差和干扰较为敏感，所以有效的克服差分项的非希望值，对抑制干扰有着较为明显的作用。此时，我们可以采用四点中心差分法对差分项进行改正，已达到提高系统抗干扰能力的目的。四点中心法的基本思想就是不直接采用误差值，而是用过去到现在的四个采样时刻之和的误差平均值作为基准值，即 （2-7）那么，通过加权求和，构成近似微分 （2-8）整理得 （2-9）那么修正后的PID增量型算法：（2-10）以上是PID控制算法的研究，研究控制算法对实际控制系统的硬件和软件设计极为重要，同时控制算法的设计也关乎到控制系统运行的稳定性、快速性和准确性。所以，本文用一个章节阐述自己对PID控制算法的复习和理解。

24、PID控制算法以其结构简单、可靠性强、容易实现、可消除稳定误差的优点，被多数应用于线性控制系统的控制，控制的物理量多为大小、多少、高低、快慢等，而电热水锅炉是一个非线性系统，并且本系统要求的温度精度为，所以采用位式控制算法更为简单，因为它控制的物理量只有开关和通断，比如当实际温度大于设定温度上限时，单片机控制继电器关断，停止加热器的运行；而当实际温度低于设定温度下限时，单片机控制继电器导通，加热器工作，以提升温度，这样就能够保证温度浮动在一个正常的范围，达到较为理想的控制效果。第三章 电热水锅炉控制器的硬件设计3.1系统整体方案设计根据设计要求，需要以下这样几个模块：显示模块、控制模块、传感器

25、转化模块、输入设定模块、存储数据模块和报警模块，这几个模块的设计又需要单片机、LED显示器、温度和水位传感器、继电器和蜂鸣器等。其中，单片机作为总控器，控制其他器件的工作以及处理数据；温度传感器把温度信号转变成数字信号供单片机处理；LED显示器用来显示实时温度和设定温度；继电器用来实时控制电磁阀和加热丝；蜂鸣器用来对水位报警。整体方案大致如下：首先通过键盘设定温度的上下限值，温度传感器将实时测定的温度转化为数字信号，经过单片机处理，并与设定温度值比较，进而控制继电器的通断，同时单片机进行水位检测和控制（检测和控制过程与温度控制相近）。最后，测定和设置的温度值需要通过LED显示器显示出来，而由于

26、水位测量的是个大概值，所以可以通过发光二极管来显示水位的状态，同时用蜂鸣器报警，以有效地控制水位的升降，然而在实际控制中会遇到一个数据丢失问题，即断电复位时，所设定的温度值会随断电而丢失，因此这里需要加一个存储器，以保存初始设定的温度上下限值。以下是设计的电锅炉控制系统的结构图：电 锅 炉DS18B20电磁阀继电器继电器加热器ST89C51 单 片 机LED温度显示键盘设定模块水位报警模块电接点水位传感器继电器水位状态显示 图3-1电锅炉系统结构图3.2单片机的选择及电路设计STC89C51RC/RD+系列单片机兼容8051内核的单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，12时钟/机器周期

27、和6时钟可以反复设置，其中最新的D版本在内部已经集成MAX810高电平复位电路，所以可省去外加的上电复位电路。该单片机具有以下特点：1. 工作电压为5.5V3.4V（5V单片机），3.8V2.0V（3V单片机）；2. 工作频率范围：040MHz；3. 片上集成了512字节/1280字节RAM；4. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，可通过串行口（P3.0和P3.1）直接下载用户程序；5. EEPROM功能；6. 有看门狗电路；7. 内部集成了MAX810高电平复位电路（只有D版本），外部晶体在低于20M以下时，可以省去复位电路；8. 有三个16位定时计数器；9.

28、外部中断为2路，下降沿中断或低电平触发中断；10. 通用异步串行口(UART);11. 工作温度范围：075/-40+85；12. 封装：PDIP-40，PLCC-44，PQFP-44。图3-2为单片机最小系统和外加MAX232转换器的通信接口电路，由于单片机和电脑之间进行串行通讯时需要满足一定的条件，即电脑电平是RS232电平的，而单片机串口是TTL电平的，这之间需要一个电平转换电路。我们选用了最新版本的单片机，内部集成了图中右方的STC810高电平复位电路。其中EA引脚接高电平，上电复位后单片机从内部开始执行程序。 图3-2 单片机最小系统和通信接口电路3.3 温度检测电路1.测温传感器的

29、选取及性能特点 温度测量领域，广泛使用了如热电阻、热电偶等一些模拟温度传感器，但在硬件电路设计上，选择模拟传感器无疑会增加A/D转换器等，这样无非会使硬件电路变得更为复杂，同时还给程序设计带来麻烦。所以本系统选用一种数字传感器DS18B20，它可以直接把模拟信号转化为数字信号供单片机处理，多个DS18B20还可以被挂接到同一条总线上。DS18B20的测温范围为,并且精度为。由此可以看出，DS18B20减少了外部的硬件电路，具有成本低的特点。DS18B20完成对温度测量，以12位转化为例：12位转化后得到12位数据，存储在温度传感器2个8比特的RAM中，这个二进制前5位是符号位，若这5位为0，只

30、要将测得的温度数值乘以0.0625就可以得到实际温度；若温度小于0，这5位就为1，测得的温度数值取反加1再乘以0.0625就可以得到实际温度。对DS18B20控制主要经过复位、发送ROM指令、发送RAM指令和执行或数据读写四个步骤。2.DS18B20的测温原理 如图3-3所示，低温度频率振荡器所受温度影响较小，产生稳定频率的脉冲进入计数器1；高温度系数振荡器随着温度变化它的振荡频率明显发生改变，产生的信号可以作为计数器2的脉冲输入。高温度系数振荡器可以将温度信号T转化为频率f。内部还含有计数门可以对低温度系数振荡器脉冲计数，完成了温度测量过程。计数门的开通时间由高温振荡器决定，测量之前，将对应

31、的基数置入减法计数器和温度寄存器中。计数器1对低温度振荡器的脉冲值减法计数，当预置值减到0时，温度寄存器开始加1计算，而图3-3 DS18B20测量温度原理图原先的计数器1的预置重新装入，重新开始对低温振荡器所产生的脉冲计数，如此循环，直到计数器2的值为0，温度寄存器停止累加，而这时温度寄存器的值就为被测温度。3.DS18B20连接电路图 如图3-4所示，我们选择了外部供电的连接方式（还有寄生电源供电方式），在温度传感器进行A/D转化时，总线上必须有较强的上拉，所以这里连接了一个4.7的上拉电阻。 图3-4 DS18B20连接电路图3.4水位检测电路 图3-5 水位检测电路如图3-5所示，该电

32、路为电接点水位传感器电路图，由于水具有导电性，在探测电极未接触水面时，水位传感器输出为高电平，而探测电极接触水面时，水位传感器输出低电平，这样传感器就可以将采集到的开关信号送入单片机中，在单片机中进行比较操作，同时控制电磁阀的通断。然而，由于水的导电性较为微弱，因此电极送出的电信号也较为微弱，不能直接送入单片机，所以需要外加PNP三极管对该电信号进行驱动放大。3.5继电器控制电路这里的继电器控制电路包括两个部分，一个是继电器控制加热器进而控制温度的升降，如图3-6所示；一个是继电器控制电磁阀进而控制水位的升降，如图3-7所示。该电路部分由继电器Relay-SPDT、光电耦合器TIL117、驱动

33、器7407、二极管1N4001和电阻组成，通过控制电磁继电器的通断来控制加热器和电磁阀。当温度低于设定温度下限时，单片机给P0.4送一个高电平光电耦合器导通，然后光电耦合器驱动三极管9013导致电磁继电器闭合从而让220V交流电接通，加热器加热进而提升温度，电磁阀的控制和加热器控制类似。图3-6 继电器控制加热器电路光电耦合器TIL117是以光为媒介传输电信号的转换器件，起到耦合脉冲信号和隔离单片机系统和输出部分的作用，使两部分电流相互独立。9013三极管可提供300mA的驱动电流，适用于继电器线圈工作电流小于300mA的使用场合，其放大倍数大于50，继电器线圈工作电流为300mA时，光电耦合

34、器需要输出大于6.8mA的电流，其中晶体管基极对地的电阻分流约为0.8mA，输入光电耦合器的电流必须大于13.6mA，才能保证向继电器提供300mA的电流。这里由光电耦合器组成开关电路能够很好地将单片机信号稳定地送给继电器驱动继电器闭合。继电器是具有隔离功能的自动开关元件，主要是起自动控制作用，这里所选的继电器的工作电压为12V，我们采用+5V的直流电来控制220V的交流电，以达到控制加热器和电磁阀的作用，其实就是一种以弱电来控制强电的过程。3.6稳压电源电路稳压电源电路一般由电源变压器、整流、滤波电路和稳压电路等部分组成，如图3-7所示。图 3-7 直流稳压电源结构框图稳压电路主要由稳压器组

35、成，集成稳压器是一种集成化的串联型稳压器，目前常用的是能够输出正或负电压的三端集成稳压器。由于该电路设计需要5V和12V电压，故选择LM7805和LM7812三端稳压器组成两个稳压电源电路，如图3-8。在该电路中C4和C5分别起平波和滤波的作用，C6和C7也起到滤波作用，一般选择的滤波电容值满足,此时输出电压的平均值为。 图3-8 稳压电源电路3.7人机对话电路键盘是人机对话电路中常用的设备，本设计是用键盘来设定温度的上下限值；显示器可以反映出系统的工作状态和运行结果，本设计是用七段数码管来显示设定温度和传感器所测温度。3.7.1 键盘电路本设计采用独立按键式接口，每个键盘单独占有一个I/O口

36、，而每根I/O口的按键状态不会影响其他I/O线的工作状态，这样就可通过程序扫描查询的方式实现与单片机交互，在程序查询方式下，通过I/O端口读入按键状态，当有按键按下时，相应的I/O端口变为低电平，而未被按下的按键由于P口悬空而为高电平，这样通过读I/O口的状态判断是否有按键按下，系统按键电路如图3-9所示。在本设计中，每个键的功能不同，分别为切换、加1、减1和跳出四个功能，通过按键实现温度设定和模式的切换。 图3-9 键盘输入电路3.7.2 显示电路7段LED数码管是利用7个LED（发光二极管）外加一个小数点的LED组合而成的显示设备，可以显示09和小数点，这类数码管可以分为公阴极与共阳极两种

37、，共阳极就是把所有LED的阳极连接到共同的结点，而每 共阳极数码管 共阴极数码管图3-10数码管原理电路个LED的阴极分别为a,b,c,d,e,f,g及dp（小数点）；共阴极就是把所有LED的阳极连接到共同的结点，而每个 LED的阳极分别为a,b,c,d,e,f,g及dp（小数点），如图310所示。数码管驱动方式可分为静态式和动态式两类。静态显示驱动就是每个数码管的每个段都要由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用二十进制译码器译码并驱动。静态驱动具有编程简单，亮度高等优点，但缺点占用I/O端口多，较为浪费资源。动态显示驱动是将所有数码管的8个同名端连在一起，位选端由独立P口控制，当单片机输

38、出字形码时，所有数码管接收到相同的字形码，但哪个数码管会显示出字形，就取决于单片机对位选通端的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出需要显示的字形。 由上述分析可知，选用动态扫描方式可以大大减小I/O端口的使用量，故本设计采用共阳极数码管和动态扫描的方式。电路设计如图3-11，位选端由PNP三极管9012驱动，外加4.7K的电阻，以使发光二极管工作在正常电流范围内。段选端加排阻，并用74LS244驱动器驱动。以下是对三极管基极电阻阻值的计算过程： 图3-11 显示电路连接方式我所选用的LED每个发光二极管的工作电压为1.82.2V，这里选取为2V；工作电流为1020m

39、A，这里选为15mA。三极管9012的放大倍数为150左右，所以 （3-1）； （3-2）所以可以求出，这里通过查阅一部分资料，将基极电阻值选取为。3.8报警电路和水位状态指示电路在水位控制时，本设计选用蜂鸣器作为水位报警电路，当水位低于下限和高于上限时，蜂鸣器报警，至于如何知道水位偏高还是偏低，可通过图3-5水位检测电路的发光二极管显示水位状态。蜂鸣器发声原理是电流通过内部的电磁线圈，进而产生磁场来驱动振动膜发声，因此需要一定的电流，而单片机发出的TTL电平驱动不了蜂鸣器，所以需要加一个驱动放大电路，本设计选取8055三极管作为蜂鸣器的驱动电路。如图3-12所示，蜂鸣器的正极接高电平，负极接

40、三极管8055的基极，通过电阻R24由单片机P3.7口控制。当P3.7口为高电平时，三极管截止，此时蜂鸣器不发声；当P3.7为低电平时，三极管导通，蜂鸣器电流形成一个回路，蜂鸣器发出声响。所以我们可以通过程序来控制P3.7口的高低电平进而控制蜂鸣器的响停。 图3-12 蜂鸣器报警电路本设计还加入了发光二极管LED作为水位状态指示，如图3-13所示，发光二级管的正极接+5V的电源，负极通过1的限流电阻接到单片机的I/O口。当实际水位达到或低于图3-5所示的超低报警电极所对应的水位时，RED发光二极管发出红光同时蜂鸣器报警；当实际水位达到或高于图3-5所示的超高报警电极所对应的水位时，RED发光二

41、极管发出红光同时蜂鸣器报警；当实际水位位于两者之间时，GREEN发光二极管发光，蜂鸣器关闭，这表明水位处于正常工作状态。图3-13 水位状态指示电路3.9存储器电路为防止系统掉电后，所设定的温度上下限值丢失，本设计在电路中加入了24C02存储器电路，这样即使系统掉电，系统仍然保存先前设定的温度上下限值，减少设定温度的麻烦，同时提高了电锅炉系统运行的安全性。AT24C02是存储容量为2KB，内部可分为32页，每页8B，即结构为2568B的串行,其工作电压为2.55.5V，擦写次数可以达到10万次以上，数据保存时间长，并且具有一个16B的页写缓冲器，操作时有两种寻址方式，为芯片寻址和片内子地址寻址

42、。芯片可通过串行总线接口进行操作，具有写保护、可靠性高、功耗低的优点。图3-13是24C02连接电路图，其中A1、A2、A3、WP都接地，SDA接单片机的P2.5，SCL接单片机的P2.4口，SDA与SCL分别与Vcc之间接一个10的上拉电阻，这是因为AT24C02总线内部为漏极开路形式，不接上拉电阻无法确定总线空闲时的电平状态。 图3-13 24C02连接电路图第四章 电热水锅炉控制系统的软件设计4.1软件设计的基本思想温度控制系统和水位控制系统的软件设计是电热水锅炉系统设计的核心，硬件设计电路要在软件的配合下才能完成预先设定好的各种功能。硬件设计是具有通用性的，然而软件控制是针对于某一个特

43、定对象的，可以完成硬件所不能完成的特定功能。软件的设计灵活性大，可以随着系统要求而改变。单片机的智能化功能需要有软件来完成。温度和水位系统软件在程序设计时采取了模块化的设计方法，即将系统的各个功能分块编写和调试仿真，如果所有的模块程序都调试成功，就可以将各个模块连接，从而构成单片机的软件系统。通过整体设计，可得到整个系统由三个部分组成：主程序（流程图如图4-2）、中断程序（流程图如图4-1）和各个功能子程序。系统主程序用来控制水位显示和报警，以及电磁阀的控制，这样可以使主程序编写简单；中断程序负责处理系统的中断事件，这里主要用来控制温度设定、显示和数值存储，以及加热器的控制；各个功能子程序实现

44、系统的各个子功能。以上就是整个软件设计的基本思想。T0中断入口赋T0初值温度设定值存入24C02单元键盘设定温度值DS18B20处理温度值LED显示继电器控制温度 图4-2 中断程序流程图开始系统初始化T0初始化T0运行亮红灯，蜂鸣器报警是否到水位下限？自动上水亮红灯，蜂鸣器报警是否到水位上限？亮绿灯关闭电磁阀 图4-2 主程序流程图4.2程序设计流程图1.按键程序设计 本设计的键盘主要用来设定温度上下限值的，采取独立按键的式接口，这样就可以根据P口的高低电平来判断键的状态，由于我们只使用了一个LED显示器，既要显示DS18B20测量的实际温度，又要显示设定温度值，故需要用键盘进行切换模式，同

45、时对设定温度进行加减运算，当然在确定设置的温度上下限后还需要跳出功能，图4-3是键盘程序的设计流程图。2.继电器控制程序设计 经过以上分析，我最终选择了位式控制算法，通过单片机送高低电平来控制电磁继电器的通断，进而控制电磁阀和加热器的控制，实现温度和水位的双重控制。3.LED显示程序设计 LED显示程序分成了两部分，并分别编入了采集温度显示和键盘设定温度显示的程序中。选择共阳极数码管，采用动态显示法，通过不停的扫描字位口，从而实现不同字位的数据的动态扫描结果，位选信号P2口与数码管的亮灭有关。整个显示过程其实就是定义字形和字位口的地址，得到地址后，向不同的字位送数据，进而显示数据。图4-4为L

46、ED显示流程图。K1=0?flag=0?K2=0?set_temp_h+K4=0?set_temp_h-K3=0?flag=1?flag=0显示设定值显示设定值设定set_temp_l值图4-3 键盘设定温度程序流程图开 始显示缓冲区初始化指定字型口查表得到字型码送指定字位码延时10ms 图4-4 LED显示程序流程图4.温度采集程序设计 温度的采集主要通过DS18B20传感器完成的，采集后的温度需要送数码管显示，同时与设定温度比较，通过继电器控制加热器完成整个温度的控制过程，DS18B20测温程序流程图如图4-5所示。DS18B20初始化跳过ROM接受温度变换指令将数据送单片机连续两个单元数

47、据处理并显示图4-5 温度采集流程图4.3硬件电路仿真Keil C51 软件是单片机应用开发软件之一，集编辑、编译和仿真于一体，支持汇编、PLM 语言和 C 语言的程序设计。所以可通过Keil C51软件对编写的程序进行调试，以此验证程序的正确性。而Protues是模拟单片机外围器件的工具，由它可对单片机硬件电路进行仿真。4.3.1温度显示仿真如图4-6所示，显示器上的数据与DS18B20实测的温度值相同，说明显示器能正确地显示实测温度，满足设计要求。 图4-6 温度显示仿真4.3.2温度设定仿真通过K1键切换到温度设定模式（包括上限值和下限值），然后由K2键对设定温度执行加法运算，K3键对设

48、定温度执行减法运算，最终由K4键确定设定的温度上、下限值，并退出设定模式，如图4-7所示，设定上限温度为，如图4-8所示，设定下限温度为。 图4-7 设定上限温度 图4-8 设定下限温度4.3.3 温度控制仿真这里主要通过给继电器送高低电平，来控制继电器的通断，进而控制加热器的通断。比如当温度低于设定温度下限时，单片机给继电器送一个高电平，光电耦合器导通，加热器加热，温度上升；当温度高于设定温度上限时，光电耦合器管断，加热器停止加热，温度不再上升。如图4-9所示，当温度低于下限值时，继电器闭合（图中P0.6口为高电平），此时，加热器工作，温度上升；如图4-10所示，当温度高于上限值时，继电器断

49、开（图中P0.6口为高电平），此时，加热器停止加热。 图4-9 实测温度低于温度下限值 图4-10 实测温度高于温度上限值4.3.4水位控制仿真水位控制和温度控制的过程类似，本设计用四个开关近似模拟水位传感器的四个电极。当水位低于下限值时，电磁阀打开，自动上水，同时蜂鸣器报警，红色发光二极管发光,如图4-11所示，图中P0.7即继电器接口为高电平，电磁阀闭 图4-11 水位为超低报警水位合；当水位高于上限值时，电磁阀关闭，同时蜂鸣器报警，红色二极管发光，如图4-12所示，图中P0.7为低电平，电磁阀断开；其他情况蜂鸣器不报警，绿色二极管发光，表明水位处于正常状态，如图4-13所示。 图4-12

50、 水位为超低报警水位 图4-13 水位为正常水位结 论基于STC89C51单片机的电热水锅炉控制系统，在硬件上有一下特点：（1） 对于液位检测，采用简单的电接点水位传感器，输出的直接是开关信号，无需A/D转换，然后经过单片机分析后，控制电磁阀的通断。（2） 对于温度检测，采用DS18B20温度传感器，将采集到的温度信号直接转化为数字信号，并由单片机控制加热器的通电和断电。（3） 采用了24C02存储器电路，可以将第一次设定的温度上下限值保存起来，避免掉电后，设定值清零。在软件上有以下特点：（1） 温度部分采用位式控制算法，简单易行，满足控制精度，同时使程序编写更为容易。（2） 程序编写中加入了

51、中断，达到水位和温度同时控制而又不相互干扰的效果。总之，该系统在设计时力求简单、方便而又容易控制，并注重软硬件的相互联系，努力使系统控制达到更好的效果。参考文献1 曹新凤.模拟预测控制在锅炉供暖系统中的应用研究D.兰州理工大学，20112 王华.智能型电热锅炉控制器的设计J.商丘职业技术学院，20103 王树东.基于单片机的学习型专家系统水位控制器J.兰州理工大学，20094 阎焕忠.电热水锅炉的温度模糊控制器设计J. 沈阳建筑工程学院自控系,20015 陈大林.一种锅炉水温智能控制器的设计J.东南大学，20056 张国俊.使用单片机对热水锅炉的控制J.浙江工业大学，20057 路佳明.基于模糊PID控制的电锅炉温度控制系统的研究J.哈尔滨理工大学，20078 周向红.51单片机课程设计M.华中科技大学出版社，20019 李金平 沈明山.电子系统设计M.电子工业出版社，2012附录：系统源程序#include #include #define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define sled_WD_port P1 /段码线#define sled_wm_port P2 /位码线#define WriteDeviceAddress 0xa0 /定义24C02器件