基于微型机电加热锅炉系统的自动控制毕业设计论文解读

1、基于微型机实现电加热锅炉系统的自动控制摘要本文介绍了一种新型智能全自动电锅炉控制系统，并给出了系统的工作原 理、硬件结构及软件流程。本系统采用 ATMEL公司单片机系列中的 AT89S51为 CPU，采用双线串行 CMOS型电可檫写存取器 AT24C02A记忆用户的温度设定值， 采用固态继电器 SSR作为控制驱动电路的开关器件， 用独特的新型单线智能数字 温度传感器 DS18B20作为测温元件， 测温精度可达 0.5 ，这种数字传感器可以 与单片机直接连接无需其它电路。此外在温度传感器的地方并联一个液位传感 器，再配上固态继电器控制水泵的补水开关，完成对水位的控制。实际使用证明 该系统具有良好

2、的控制效果。关键词 : 电锅炉，单片机 AT89S51，数字温度传感器，液位传感器Based on single-chip control of small hot water boilerAbstractThis article describes a new type of intelligent control system of automatic electric boilers, and give the systems working principle, hardware structure and software flow. The system uses ATMEL Co

3、rporation AT89S51s ingle-chip series for the CPU, using two-wire serial CMOS-based electricity can be Sassafras Writing AT24C02Am emory device users access to temperature settings, the use of SSR as a switching device, using a unique new one-way intelligent DS18B20 digital temperature sensor as a te

4、mperature measurement components, temperature measurement accuracy of up to 0.5 , such a digital sensor can be directly connected with the single-chip microcomputer without other circuits. In addition ， temperature sensor at our place and then a liquid level sensor parallel Reinforced with Water pum

5、p relay control switch, water level control to achieve. Actual use to prove that the system has good control effect.Key words: Electric Boiler, Singlechip AT89S51, Digital Temperature Sensor, Liquid Level Sensor目录 TOC o 1-5 h z 绪论. 2设计要求 . 2方案论证 . 2温度检测设计方案 . 2水位检测设计方案 . 3系统结构框图 . 4单片机外围器件的设计 . 5元件选

6、择及介绍 . 5单片机 AT89S51 5温度传感器 DS18B20 7掉电存储器 AT24C02 11固态继电器 SSR 12硬件电路具体设计与实现 . 13水温采集部分 . 13水位采集部分 . 13显示电路 . 14驱动电路 . 15报警电路 . 16键盘接口电路 . 16掉电存储电路 . 17软件设计 . 17程序流程图 . 18程序清单：见附录二. 18系统总体电路图：见附录一 . 19结论 . 20谢辞. 20参考文献 . 20附录一：总体电路图 . 22附录二：程序清单 . 23绪论在我国， 传统的开水锅炉控制中多以燃煤和燃油为主， 而且相当一部分还是 采用人工控制或是继电接触式

7、的控制方式，自动化程度低，调节精度差，单靠人 工操作已不能适应当今高效、低耗、 低劳动强度的要求， 加上燃料燃烧时产生大 量的废气和废渣， 对环境造成了严重的污染， 给人们的生产和生活也带来了巨大 的危害。 因此，对传统的控制系统进行改造是适应今后发展的迫切需要。 随着电 力工业的不断发展， 人们逐渐采用电加热控制系统。 本设计就是针对燃煤和燃油 锅炉所存在的问题，开发了一种多功能智能的电锅炉控制系统 1 。单片机作为自动控制中的一个核心器件在小型自动控制系统及信号采集方 面已经被广泛应用，技术也相对较成熟，它不仅有体积小，安装方便，功能较齐 全等优点，而且有很高的性价比，应用前景广。本论文设

8、计的小型开水房锅炉自 动控制中采用的就是以单片机作为控制中心， 采用电力作为燃料， 不仅能够使控 制系统具有精度高、功能强、经济性好的特点，还节约能源，利于环保，在改善 劳动条件等方面都显示了无比的优越性。 另外该设计的控制系统还具有超温、 高 低水位保护、显示及报警等功能，保证锅炉正常安全的工作，实现自动化控制。设计要求（1）水温控制：要求系统能实现对水温的预设，当水温超出设定温度时， 能够及时报警（2）水位控制：系统能够将水位控制在上限和下限之间，当水位超出该范 围时，能够报警（3）按键功能：能够对水温进行预设和设置水温与实际温度的转换方案论证温度检测设计方案方案（ 1）：温度检测部分采用

9、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 0.5 C，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，使系统设计

10、更灵活、方便。同时 DS18B20可使程序设定 912 位的分辨 率，精度为 0.5 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。DS18B20温度采单片机图 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 零下一百度到上千摄氏度， 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

11、，可识别 0.0625 摄氏度的温度 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）。水位检测设计方案方案（ 1）：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

12、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。方案（ 2）：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

13、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 。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

14、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。单片机外围器件的设计元件选择及介绍单片机 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 CMOS8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP（In-system pro

15、grammable） 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、16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通 信口，看门狗（ WD）T 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。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

17、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（ WD）T 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。 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。AT89S51的主要特性：（1）8031 CPU与 MCS-51 兼容（2）4K字

18、节可编程 FLASH存储器（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：40 39383736353433323130292827262524232221234567891011121314151617181920P1.0VCCP1.1P0.0P1.2P0.1AT89S51P1.3P0.2P1.4P0

19、.3P1. 5 /MOSIP0.4P1. 6 /MISOP0.5P1. 7 /SCKP0.6RESTP0.7P3. 0 /RXDEA/VPPP3. 1 /TXDALE/PROGP3. 2 /INT0PSENP3. 3 /INT1P2.7P3. 4 /T0P2.6P3. 5 /T1P2.5P3. 6 /WRP2.4P3. 7 /RDP2.3XTAL2P2.2XTAL1P2.1GNDP2.0图 4 AT89S51 的引脚图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

20、器件时，要保持 RST脚两个机器周期的高电 平时间ALE/PRO：G地址锁存允许信号端。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输 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 MOV，X MOVC指令是 ALE才起作用。另外，该引 脚被略微3 拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE禁止

21、，置4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 RESE；T 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温度传感器 DS18B20传统的

22、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、 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

23、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 -55 125，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

24、，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 ），图 5 DS18B20 外 7形 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

25、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， VDD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

26、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 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，

27、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 所示图 7 DS18B20 测温原理表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 1000B0008H00000 0000 0000 0000B0000H-0.51111 1111

28、 1111 1000BFFF8H-251111 1110 0111 0000BFE70H-551111 1100 1001 0000BFC90H8位 CRC 48位序列号8位工厂代码 （10H）MSBLSB MSB LSB MSB LSB 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时定跳过 ROM（CCH）此命令执行后的存储器操作位将针对在线的所有 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

29、限的器件对此命令作出响应）高速暂存器它由便笺式 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 EERA。M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

30、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 EERA（M B8H）将 EERAM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

31、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

32、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。10（）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

33、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 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 DS

34、18B20转换后的温度数据掉电存储器 AT24C0211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 WATCHDO。G掉 电存储单元的作用是在电源断开的1234时候，存储当前设定的温度值。 AT24C02是 ATMEL公司生 8VCCNCWPNCSCLNCSDAGND652T82 产的 2KB电可擦除存储芯片，是 8 位电可擦除 PRO，M由 704C 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 ，额定图 12 AT24C02 的引脚结构电流为 1mA，静态电流 10uA

35、(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。表 4 AT24C02 的管脚功能 5.1.4 固态继电器SSR 名 称功能1 GND2接地端固SDA 态串行地址 / 数据 I/O 端 继SCL继 串行时钟端电 WP写保护输入端 器英 VCC+2.5V 到 5.5V 电源端文名 NC无内部链 称为Solid

36、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。图 13 MOC3063 的内部原理图硬件电路具体设计与实现5.2.1 水温

37、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的通信见温度采集程序。TitleSizeBDate:File:5水位采集部分水位控制部分如图 15，图中虚线表示允许水位变化的上下限。在正常情况下,应保持水位在虚线范围之内。为此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。 A棒接+5V电源,B 棒、

38、C棒各通过一个电阻与地相连 5 。A锅炉由电机带动水泵供水 ,单片机控制之目的： 供水时, 水位上升，当达到上 限时，由于水的导电作用， B、 C 棒连通 +5V。因此 b、 c 两端均为 1 状态，这时 应停Nu止mb电er机和水泵工作，不给锅炉供水；当水位Re降v is到io n下限时，B、C 棒都不能不能与 A棒导电，因此 b、c 两端均为 0状态，这时应启动电机带到水泵工作，给1 1-May -20 09Sheet ofb P2.0C P2.1图 15 水位控制原理图13锅炉论供文水温；.D当DB水位处于上下限之间时Dra，wn By:棒与 A 棒导通，因 C棒不能与 A棒导通， b

39、端为 1 状态， c 端为 0 状态。这时无论是6电机已在带动水泵给锅炉加水，水位 在不断上升，或者是电机没有工作， 用水使水位在不断下降， 都应继续维持原有 的工作状态。工作原理功能表如表 5 示。表 5 水位控制工作原理功能表C (P2.1)B (P2.0)操作00电机运转01维持原状10故障报警11电机停转显示电路显示电路（ 1）：水温显示电路图如图 16。由于在实际中， AT89S51的串行口 RXD和 TXD为一个全双工 串行通信口，但工作在方式 0 下可作同步移位寄存器，其数据由 RXD（P3.0 ）串 行输出或输入；而同步移位时钟由 TXD（P3.1 ）端串行输出，作为外接部件的

40、同 步信号。在同步时钟作用下，实现同串行到并行的数据通信。在不需要使用串行 通信的场合， 利用串行口加芯片 74HC164就可构成一个扩展的并行输出口。 在这 种方式下，收 / 发的数据为 8 位，低位在前，无起始位、奇偶校验位及停止位， 波特率是固定的。pdpdpdDN94216721543011g f e d c b a631 12 5 4 310 1g f e d c b a50194254167301 1pd942167543011FQEQAQBQCQGQHQFQEQAQBQCQGQHQDQFQEQAQBQCQGQHQDQFQEQAQBQCQGQHQDQCCRLKLDNRLCKLC C

41、CDNRLCKLCCCDNCCRLKL741741892174121741GND P3. 1 P3. 0VCC图 16 水温显示电路74HC164是串行输入、并行输出移位寄存器，其引脚功能如下：Q0Q7：并行输出端，分别接 LED显示各引脚A、B：串行输入端，接入 AT89S51的 RXD端CLR：清除端，本设计中接高电平14CLK：时钟脉冲输入端，接入 AT89S51的 TXD端 数据显示采用共阳数码管，其共阳端接高电平，三个二极管起到限流作用。 显示电路（ 2）：水位显示水位显示如图 17，单片机 P2.4,P2.5,P2.6,P2.7 的输出脚上分别接有故障、1 低水位、 正常水位、高水

42、位四个水位状态指示灯2 ， 当水位传感器检测到锅炉内部 水位情况时， 对应单片机的某一输出口输出低电平， 与之相连的状态指示灯被点 亮，便于人们观察当前水位状态。15S98T图 17 水位状态显示电路驱动电路电路如图 18 示。在输出控制电路中 , 单片机的 P2.2、 P2.3 通过固态继电器SSR分别接水泵和电加热器。根据水位和水温检测的情况，按照系统的控制要求 使 P2.2 或 P2.3 输出低电平， 控制水泵或电加热器的通电状态， 实现自动控制过 VCC NC 12 程，完成锅炉的自动上水和自动加温功能。WP NCSCLSDA220V加热器BP2.2 口接 SSR的输入端，工作原理同上

43、15报警电路100报警电路如图 19 ，主要由蜂鸣器、三极管 9015 驱动电路。系统开始时复 位电路首先将 P1.4 置 1，保证不产生误动作，当 DS18B20采集的温度超过或者 低于用户设定的温度或者水位达到上 /下限制水位时，系统将自动的将 P1.4 口清 零，将信号送至驱动电路使得蜂鸣器开始发声工作。 当用户做出正确调整操作之 后继续监视变化是否超限。+5VSpeakSpeak10uFGND图 19 报警电路键盘接口电路按键电路（ 1）：单片机的复位及时钟信号产生电路本电路主要由 12M晶振、30PF的瓷片电容、 电阻、开关组成，电路如图 2.16 所示。12M晶振和 30PF 的瓷

44、片电容构成稳定的自激振荡器，产生时钟信号。上电 自动复位电路则由 22uF电容和 1K电阻构成。加电瞬间电容通过充电实现正脉冲， 用以复位。手动复位则由开关和电阻组成。 按下开关之后就产生一个正脉冲， 就 可以实现复位。本电路采用的是二者的组合。+5V1234S5R3R4 1KC422u12M HzGNDC320PF567891011121314151617181920P1. 0VCCU1P1. 1P0. 0P1. 2P0. 1AT89 S5 1P1. 3P0. 2P1. 4P0. 3P1. 5 /MOSIP0. 4P1. 6 /MISOP0. 5P1. 7/SCKP0. 6RESTP0. 7

45、P3. 0/RXDEA/VPPP3. 1/TXDALE /PROGP3. 2 /INT0PSENP3. 3 /INT1P2. 7P3. 4/T0P2. 6P3. 5/T1P2. 5P3. 6/WRP2. 4P3. 7/RDP2. 3XTAL 2P2. 2XTAL 1P2. 1GNDP2. 03938373635343332313029282726252423222140图 20 复位及时钟信号产生电路按键电路（ 2）：温度设置的开关控制电路16该控制电路由 4 个开关组成，其电路如图 21 所示。4 个开关分别用于调整 温度的上下限值，以及控制温度的输出。其中 S1 为多功能键，第一次按下用于

46、 显示采集的温度， 第二次按下则进行温度的上限调整， 第三次按下进行温度的下 限调整，第四次按下则进行采集温度的显示构成循环。 S2 可以进行移位调整， 第一次显示个位，第二次显示十位。 S3 用于增加一个数，按下一次在原基础之 上加 1，这个值在 0-9-0 之间变化。 S4用于减少一个数， 按下一次在原基础之上 减 1 ，这个值在 9-0-9 之间变化。S1S2S3S4GND5.2.7 掉电存储电路+5V4.03.02.01.0KCS/47.13.1 OSIM/26.11 ISOM/5.15.07.0NESP6.27.20.21.22.23.24.2U1AT89 S511TNI/3.3 0

47、DTXNTIT/12S.E33R DXR/0.31LATX2LATXDR/7.3RW/6.3 1T/5.3 0T/4.3图 21 开关控制电路DN掉电存储电路如图 2.2 所示。图中两电阻是上拉电阻， 其作用是减少 AT24C02 的静态功耗，由于 AT24C02的数据线和地址线是复用的， 采用串口的方式传送数 据，所以只用两根线 SCL（移位脉冲）和 SDA（数据/ 地址）与单片机传送数据。 当开机时首先将存在 AT24C02中的上下限温度值保存在他们相应的单元之中， 当 进行按键操作之后，确认操作完毕之后将调整过的上下限值再送至AT24C02，将原来的数据覆盖。+5VP3. 2P3. 35

48、TA82720VCCNCWPNCSCLNCSDAGND10k234图 22 掉电存储电路软件设计176.1 程序流程图程序流程图是编写系统程序的基础， 只有搞清程序流程图的控制过程， 才能 编写符合控制流程的系统程序，结合外围电路的设计，完成控制要求。下面是流 程图的介绍， 包括主程序流程图和子程序流程图。 子程序流程图主要有水位控制 流程图和水温控制流程图。图 23 主程序流程图程序清单：见附录二18图 24 水位控制流程图图 25 水温控制流程图19系统总体电路图：见附录一结论本设计介绍了基于单片机的小型开水锅炉的应用， 采用单片机 89S51 作为控 制器，使系统既能满足精度要求， 又能

49、兼顾顾客的价格需要。 该系统主要实现了 对水温和水位的两路控制， 采用数字温度传感器和金属电极式水位检测使系统硬 件大为简化，系统动作准确，提高了资源的利用率，大有推广应用的价值。由于 该系统是针对无压热水锅炉的设计， 但如果是有压热水锅炉 , 其压力控制部分也 是至关重要的。压力控制可采用机械重位式控制而无需电子线路来控制。另外 , 使用其他类型传感器例如流量传感器 , 只需加可控硅的模式扩展电路 , 这样就 能实现对其他参数 （流量） 的控制。由于该系统工作的场合不确定， 干扰信号也不 一样，在干扰较强时， 系统工作不够稳定， 在以后的研究中应从系统的抗干扰方 面努力，使系统实现无人值守工

50、作，减小操作人员劳动强度，节约人力资源。谢辞对于这次毕业论文的撰写 , 最需要感谢的是我的指导老师李老师。他在整个 毕业设计过程中都给了我充分的帮助与支持， 他不仅耐心地帮我指出论文中的不 足之处，而且还对论文的改进提出了宝贵的建议， 是在他对我自始自终的指导下， 我的论文设计才得以顺利完成。在次借论文完成之际，表示由衷的感谢与敬意！ 这次论文的完成， 还要感谢大学几年各科老师的教导， 是他们在这三年来对我的 培养，使我学到了基础知识， 只有在这些知识的基础上， 我才能使自己的毕业设 计顺利完成； 感谢我大学三年来所有帮助我关心我的老师和同学， 谢谢他们所付 出的辛勤劳动和帮助！参考文献1 魏

51、庆涛. 单片机在炉温控制中的应用 J. 现代电子技术， 2006，7，119-120李小玲 . 传感器与检测技术在机电一体化系统中的应用 J . 现代电子技术， 2006，1，121-122金伟正. 单线数字温度传感器的原理及用 M. 电子工业出版社， 2000张洪润，张亚凡 . 传感技术与应用教程 M. 清华大学出版社， 2005李光飞，楼然苗 . 单片机课程设计实例指导 M. 北京航空航天大学出版社， 2004刘星平. 基于 PLC及其网络的智能炉温控制系统 J. 电气应用， 2006.3 20-22松井邦彦 日 著，梁瑞林 译.传感器实用电路设计制作 M . 科学出版社， 200520李

52、 明，徐向东 . 用容错技术提高锅炉控制系统的可靠性 J. 清华大学学报， 1999，(39)3 ， 88-91王永平，陈建华 . 基于 S7 200PLC的高性能电热锅炉控制系统 J. 仪表技术 与传感器， 2002， (3)26-28吴春旺，陈 霞. 锅炉汽包水位调节控制系统设计 J. 电工技术， 2006， 3， 71-72杨 智,明丽萍, 吕雪艳.21 世纪燃气锅炉在中国的发展前景 J. 锅炉制造， 2001，7宋书中，葛 玻. 通用型工业过程控制器及在温控中的应用 J. 电气自动验 化，2000，6，34-36袁希光等 . 传感器技术手册 M. 北京国防工业出版社 ,1986张洪润，

53、张亚凡 . 传感技术与应用教程 M. 清华大学出版社， 2005宏晶科技 .STC单片机用户参考资料中文版 . HYPERLINK /datasheet/stc/STC-AD-PDF/STC89C51RC-RD+_GUI /datasheet/stc/STC-AD-PDF/STC89C51RC-RD+_GUI DE-CHINESE.pd，f 2007-11-07南京傲屹电子有限公司 .AT 命令手册 ,EB/OL.,2009-2-2021附录一：总体电路图VCCA BLR KCCU6 LC LCVC7 4LS1 64EABCGHDQ Q Q Q Q Q QE A B C G H D Q Q Q

54、 Q Q Q Q74LS1 647 4LS1 64 E A BC G H D Q Q Q Q Q Q Q7 4LS1 64 F EA BC GHD Q Q Q Q Q Q Q Q1S240GNDU1S3R1100S4P1.7 /SCKP0.6D230C129D410u142716Q15加热器1922SSR201K4700PF0VD1N4007P1.0P1.1P1.5 /MOSIP1.6 /MISOVCCP0.0P0.4P0.5R1 010kXTAL2XTAL1GNDP3.1 /TXDP3.2 /INT0P3.3 /INT1P3.4 /T0P3.5 /T1P3.6 /WRP3.7 /RDP0.1

55、P0.2P0.3P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.089333234RESTP3.0 /RXD112P0.7 EA/VPP17ALE/PROGPSENP2.7R2P1.2PP11.32 AT89 S51P1.4SPEAKC422uR3 220SSR7129 8 417129 8 14 7 1 2 9 8 41 7R11 DS18 205.1K 1 2 3R5R6R7R8DNDNKLC RLC B5 AUDN CCKLC BRLC A35.1 K*4156VCCNCWPNCSCLNCSDAGND624C5TA38373635252423D3D1300300300300220V

56、+DNCCKLC RLC B274LS1AU4BLRCF EABCG HD Q Q Q Q QQ Q QDNG CCV11 017abc def pgLED1 d34 5216124D3N40073101345217624113111 0134 52131 66 1 2 4 901 511017a b c d e fLED522a b c d e f pgLED2 da b cd e fLED3ab c d e fLED4888TitleSizeBDate:File:5附录二：程序清单ORG0000Hdsw BIT P2.0gsw BIT P2.1zhBIT P1.0sdBIT P1.1ssB

57、IT P1.2xjBIT P1.3bjBIT P1.4qdBIT P3.4SCLBIT P3.2SDABIT P3.3temp_1 EQU 29H ;温度的低 8 位temp_2 EQU 28H温度的高 8 位ten EQU 30H ;整数十位num EQU 31H ;整数个位dot EQU 32H ;小数单元FLAG BIT 10H; 是否检测到 DS18B20标志位ZFBZ BIT 11HSXGW EQU 25H ;上线个位SXSW EQU 24H ;上线十位XXGW EQU 23H ;下线个位XXSW EQU 22H ;下线十位MOV 27H,#0FFHMOV 26H,#0FEHMOV

58、R6,#0MOV R4,#0MOV R5,#0MOV SXGW,#00HMOV SXSW,#00HMOV XXGW,#00HMOV XXSW,#00HSETB bjCLR 50HCLR 51HCLR 52HMAIN: MOV A,P2JNB ACC.0,ONE ;dsw=0 则转 JB ACC.1,TWO ;gsw=1 则转 CLR P2.6 ; 正常水位显示 AJMP WDCJ ;进入水温控制 BACK: ACALL YS10S23AJMP MAINONE: JNB ACC.1,THREECLR P2.4 ; 故障灯亮SETB P2.2 ; 停水泵 FOUR: SJMP FOUR ; 等待检

59、修 THREE: CLR P2.5 ; 低水位显示 CLR P2.2 ;启动水泵LCALL BJBJ; 低水位报警 AJMP BACKTWO:SETB P2.2 ；停水泵 CLR P2.7 ; 高水位显示 LCALL BJBJ ; 高水位报警AJMP BACKLCALL READ_1820LCALL SJCL_1820MOVR1,#22HMOVR2,#0A1HMOVR4,#00MOVR7,#04LCALLEEPRLCALLBJBJLCALLKEYAJMPMAINKEY: JB zh,BIAOHAO1 LCALL YS10MSJBzh,BIAOHAO1JNBzh,$INCR6JB51H,BIAO

60、HAO4JB52H,BZ2JNB50H,BIAOHAO1BZ3: LCALL SXGWSSAJMP BIAOHAO2BZ2:LCALL XXGWSSAJMP BIAOHAO3BIAOHAO1: CJNE R6,#1,BIAOHAO2 SETB 50HLCALL READ_1820LCALL SJCL_1820LCALL DISPLAYLCALL BJBJLCALL YS10MSBIAOHAO2: CJNE R6,#2,BIAOHAO3SETB 52H24JNB sd,KEY_2CJNE R4,#0,BIAOHAO12AJMP K_1BIAOHAO3: CJNE R6,#3,BIAOHAO4SE