应用电子技术教育论文基于单片机的供暖锅炉控制系统设计

图5系统控制流程图4.2风机、循环泵控制系统4.2.1风机、循环泵硬件控制电路图6温度采集控制电路由于风机和循环泵都是利用温度传感器DS18B20采集温度来控制其运行，其工作原理相同，所以在此不做独立介绍要由DS18B20、AT89S51和上拉电阻组成，其工作电路如图6所示。设计利用单片机总线技术，单片机P2.7口作为总线口，挂接两个DS18B20[7]。它们分别检测锅炉出水口处温度和供暖环境温度，经单片机内部运算从P3.6和P20.3口输出开关信号给KM1、KM2继电器控制相应变频器动作来控制循环泵运行状况，同理风机运行状况受KM7、KM8控制[6]。风机、循环泵受变频器控制方式将在4.8节介绍。4.2.2风机、循环泵软件控制流程循环泵部分的子程序部分当环境温度在规定范围之内，开启循环泵1，由变频器控制。使锅炉内水循环达到供暖。当循环泵1出现故障时，用备用的循环泵2。循环泵1出现故障即是环境温度与设定温度的差值非常大即设定的最大温差时，循环泵故障报警，改用循环泵2来替代循环泵1工作。被替代的泵在循环顺序中可以自动跳过,顺沿循环。在循环泵投入或切除的转换过程中需要单片机对变频器的运行参数进行控制,同时为了增加系统的稳定性,避免频繁投切循环泵，在转换过程中要有一段时间间隙，温差为给定停止循环泵。循环泵软件控制流程图框图如图7所示。风机控制电路与其系统工作状况与循环泵原理相似，再此不做累述。循环泵有故障吗？循环泵有故障吗？温差为设定值吗？开启循环泵1温度检测YNN循环泵2工作Y开始返回图7循环泵软件控制流程图4.3水位控制系统水位检测是通过四对高亮二极管和光敏三极管分别安装在三个不同的位置，由上至下三个输出端口分别接单片机的P0.0.、P0.1、P0.2口，实时对锅炉里的水位进行检测[8]。水位检测安装示意图如图8所示。图8水位检测安装示意图4.3.1水位控制硬件电路水位检测控制电路如图9所示。当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平；当水位低于此光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出低电平，从而通过程序设定控制补水泵动作。单片机输出控制端P2.3和P0.4分别接继电器KM3和KM4线圈，继电器触点的动作受单片机控制，从而对变频器和补水泵形成自动控制。补水泵运行方式将在4.8节介绍。图9水位控制电路4.3.2补水泵软件控制设计流程水位控制补水泵动作，两个补水泵循环工作以作备用。由上至下的第一个位置为水位上限报警线，即当水位高于此位置时，开水房控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，供水泵有可能出故障；第二个位置是自动加水线，即当水位低于此位置时，控制系统会自动接通供水泵加水；第三个位置是水位下限报警线，即当水位低于此位置时，开水房控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀可能出故障。当一台补水泵出现故障时，系统报警，另一台备用的补水泵开始工作[7]。水位控制流程框图如图10所示。 补水泵1有故障吗？补水泵1有故障吗？水位下限水位吗？开启补水泵1进行补水水位检测YNN补水泵2工作Y开始返回检测水位为上限水位吗？补水泵1停止补水YN检测水位为上限水位吗？补水泵2停止补水YN故障报警图10水位控制流程图4.4压力控制系统设计中将ADC0808作为一个外部扩展的并行I/O口，直接由单片机的P2.0和P2.1、P2.2脉冲启动其A/D转换，PT125输出的模拟信号送入IN.0端。而其他输入口端均无效，所以将ADDA-B-C端均置零。收发数据则由中断处理程序来完成，所以除将EOC状态端的状态信号送至外部中断口1端以共向CPU提出中断请求。如果压力值超出预设值时，单片机P3.6输出信号控制继电器KM8从而控制泄压阀动作，保证锅炉正常安全运行。压力控制系统电路如图11所示。图11压力控制系统电路图4.5自动报警电路锅炉上限极限水位报警，炉内的水位到达上限极限水位时系统发出报警，指示灯亮；锅炉下限极限水位报警，炉内的水位到达下限极限水位时系统发出报警，图12自动报警电路指示灯亮；锅炉内压力过高报警，压力传感器检测到锅炉内压力高与设定值时发出报警后；循环泵故障报警，当循环泵开启后，出水与回水温度的差值很大，认为循环泵故障，报警系统报警。自动报警电路如图12所示。此部分采用声光报警以便很容易区分哪部分出现问题，便于维修人员及时进行维修。根据报警铃和灯的不同确定哪部分出现问题[8]。4.6手动按键控制电路按键控制电路由4个开关组成，分别接在单片机P1.0—P1.3口。它由4个常开按键构成，直接与单片机I/O口相连，另一端与地相接。当按键闭合时，单片机与之相连的端口变为低电平。S1作为多功能键由软件设置可用于多种功能的转换。当用于温度调节时，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，有软件设置，长按S1后可对两个温度设置的设定。选定设置目标后，第一次按下用于显示采集的温度，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[8]。对压力的调节也是如此，不做累述。4.7显示部分电路图13数码显示电路由单片机AT89S51控制，采用四组移位寄存器74LS164和共阳7段LED组成。显示电路图如图13所示。由于在实际中，89S51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，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就可构成一个并行输入输出口。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[9]。可通过软件按键等设置显示温度、压力等数值。4.8电气控制电路在控制电路的设计中，首先要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。在整个控制系统中，所有控制电机、阀门接触器的动作，都是按照单片机的程序运算来完成的，所以必须通过中间继电器去控制电机或者阀门的动作。系统电气控制电路如图14所示。循环泵和补水泵分别由两台电机循环拖动，循环泵1和补水泵1工作在变频状态，当它们运行出错时由M2和M4代替其工作。对于循环泵1，当KM1接通X1端，变频器1输出频率从下限频率到上限频率逐渐增加（上下限频率根据环境温度由用户通过面板设定）[10]。同理当环境温度超过单片机内部所设上限时，KM1断开、KM2接通，频率逐渐下降。对于补水泵1，工作在正转加速和停止状态，其运行状态是根据锅炉水位的变化而变换的，由单片机来设定。风机受变频器3控制的工作原理同循环泵，不做累述。各继电器线圈与单片机的连接参见附图所示。图14电气控制电路图5结束语本系统利用单片机实现了水暖锅炉的自动控制，电气控制中引入变频器，达到了节能的目的。通过自动调节控制温度并实现锅炉内温度和水位的自动控制。保护温度控制在设定值上正常运行不需要人工干预，操作人员劳动强度小。采用数字温度传感器、光敏三极管、压力传感器使硬件系统大为简化。系统精度高，具有良好的人机交互功能。并设有超温、超水位、循环泵失灵等故障报警，有问题立即就能发现，保证了系统安全、经济、稳定运行。致谢在毕业设计期间，一直得到导师的悉心指导和关怀。特别是在课题的设计过程中，对论文的技术问题，导师都花费了大量的心血，付出了大量的劳动，并一直给予我无微不至的指导与多方面的帮助，使我的知识、能力等各方面都有了很大的进步，在此，谨向导师表示最衷心的感谢！在课题进行期间，学院为我们提供了良好的学习和设计环境。在课题的研究和进展中，同组成员也给予了很大的帮助，这里也一同表示感谢！由于时间和知识水平所限，论文中还可能会有许多纰漏或错误之处，恳请各位老师和同学批评指正。参考文献[1]潘新民，王艳芳。微型计算机控制技术[M].高等教育出版社，2002[2]杨智,明丽萍.21世纪燃气锅炉在中国的发展前景[J].锅炉制造，2001，7[3]杨国富.变频技术在锅炉中的应用[J].锅炉制造，2002，3[4]Atmelcorporation.AT89C51Datasheets[EB/OL][5]袁希光等.传感器技术手册[M].北京国防工业出版社,1986[6]张洪润，张亚凡。传感技术与应用教程[M].清华大学出版社，2005[7]李明凡.单片机锅炉系统改造[J].现代工业控制，2006，9[8]IBM.智慧的交通[DB/OL]Http:///ibm/ideasfromibm/cn[9]刘贵生.基于PLC的水暖锅炉控制[J].电气技术，2007，7[10]李朝青.单片机原理与接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005[11]NMEA0183.NMEAStandardforInterfacingMarineElectronicDevices[S][12]郭振兴.基于模糊控制的电锅炉控制系统[J].自动控制应用，1998，7[13]南京傲屹电子有限公司.AT命令手册,[EB/OL].,2009-2-20[14]Booz.Allen&Hamilton.IntelligentTransportationSystemsFieldOperationalTestCross-CuttingStudy[R]Washington,D.C:U.S.DepartmentofTransportationFederalHighwayAdministration,September1998-3-27.[15]u-blox.LEA-4xdata-sheet[DB/OL]..2008-9-18.[16]张智伟.智能型电锅炉[J].电子技术应用，2003，6[17]谈振藩.自动控制专业英语[M].哈尔滨工程大学出版社，1999[18]Siemenscorporation.TC35IATCommandsetV03.01[EB/OL]./wm,2004[19]Siemenscorporation.TC35Iinterfacedescription[EB/OL]./wm,2004附录1系统总电路图系统总电路图附录2程序清单ORG0000HAJMPMAINORG0003hAJMPMAINORG000bh AJMPMAIN ORG0013hAJMPMAIN ORG001bh AJMPMAINORG0023HAJMPMAINORG0030HMAIN:CLRp3.6MOVp0,#0ffhACALLQL;MOV3BH,#95MAIN1:MOV3bh,#95ACALLWENDU;温度转换子程序ACALLDISPACALLWENCPM;温度比较子程序ACALLSHUICPM;水位检测子程序]ACALLBAOJING;报警子程序ACALLDELAY2AJMPMAIN1;;;;WENCPM:MOVA,37H;温度比较子程序CLRCSUBBA,3BHJCBBB1SETBP2.1;关蒸气阀CLR20H.0 ACALLok2 BBB1:MOVA,37HADDA,#10CLRCSUBBA,3BHJNCOK2;CLRP2.1;低与设定温度10度开蒸汽阀MOVA,37HADDA,#20CLRCSUBBA,3BHJNCOK2CLRP2.1;低与设定温度20度开蒸汽阀SETB20H.0RETok2:CLR20H.0RET;水位检测子程序SHUICPM:MOVA,P1ANLA,#0FHMOV30H,#0FH;00001111CJNEA,30H,AAA1SETBP2.0SETB20H.1;setb水位状态标志位AJMPOUT2AAA1:MOV30H,#0EH;00001110CJNEA,30H,AAA2SETBP2.0CLR20H.1AJMPOUT2AAA2:MOV30H,#0CH;00001100CJNEA,30H,AAA3CLR20H.1CLRp2.0AJMPOUT2AAA3:MOV30H,#08H;00001000CJNEA,30H,AAA4CLRP2.0CLR20H.1AJMPOUT2;;;;;;;;;;70AAA4:MOV30H,#00H;00000000CJNEA,30H,AAA5setbP2.0SETB20H.1AJMPOUT2AAA5:SETB20H.2RETOUT2:CLR20H.2RETBAOJING:JB20H.3,OUT6MOVA,20HMOV30H,#00HCJNEA,30H,OUT5AJMPOUT6OUT5:SETBP3.6JB20H.4,OUT9SETBP0.1OUT10:JB20H.2,OUT11SETBP0.2OUT12:JB20H.1,OUT13SETBP0.3OUT14:JB20H.0,OUT15SETBP0.4OUT16:RETOUT6:CLRP3.6RETOUT9:CLRP0.1AJMPOUT10OUT11:CLRP0.2AJMPOUT12OUT13:CLRP0.3AJMPOUT14OUT15:CLRP0.4AJMPOUT16;总温度子程序WENDU:ACALLINIT_1820ACALLRE_CONFIGACALLGET_TEMPERACALLTEMPER_COVRET;DS18B20初始化程序INIT_1820:SETBP1.7NOPCLRP1.7MOVR0,#06BHMOVR1,#03HTSR1:DJNZR0,TSR1;延时MOVR0,#6BHDJNZR1,TSR1SETBP1.7NOPNOPNOPMOVR0,#25HTSR2:JNBP1.7,TSR3DJNZR0,TSR2LJMPTSR4;延时TSR3:CLR20H.4;清标志,表示DSS18B20存在LJMPTSR5TSR4:setb20H.4;setb标志位,表示DSS18B20不存在LJMPTSR7TSR5:MOVR0,#06BHMOVR1,#03HTSR6:DJNZR0,TSR6;延时MOVR0,#6BHDJNZR1,TSR6TSR7:SETBP1.7RET;重新写DS18B20暂存存储器设定值RE_CONFIG:JNB20H.4,RE_CONFIG1;若DS18B20存在,转RE_CONFIG1RETRE_CONFIG1:MOVA,#0CCH;发SKIPROM命令LCALLWRITE_1820MOVA,#4EH;发写暂存存储器命令LCALLWRITE_1820MOVA,#00H;TH(报警上限)中写入00HLCALLWRITE_1820MOVA,#00H;TL(报警下限)中写入00HLCALLWRITE_1820MOVA,#1FH;选择9位温度分辨率LCALLWRITE_1820RET;读出转换后的温度值GET_TEMPER:SETBP1.7;定时入口LCALLINIT_1820JNB20H.4,TSS2RET;若DS18B20不存在则返回TSS2:MOVA,#0CCH;跳过ROM匹配LCALLWRITE_1820MOVA,#44H;发出温度转换命令LCALLWRITE_1820LCALLINIT_1820MOVA,#0CCH;跳过ROM匹配LCALLWRITE_1820MOVA,#0BEH;发出读温度命令LCALLWRITE_1820LCALLREAD_18200MOV37H,A;将读出的温度数据保存MOVA,#0ECHCALLWRITE_1820RET;读DS18B20的程序,从DS18B20中读出一个字节的数据READ_1820:MOVR2,#8RE1:CLRCSETBP1.7NOPNOPCLRP1.7NOPNOPNOPSETBP1.7NOPMOVC,P1.7NOPNOPNOPNOPMOVR3,#23DJNZR3,$RRCADJNZR2,RE1RET;写DS18B20的程序WRITE_1820:MOVR2,#8CLRCWR1:CLRP1.7NOPNOPNOPNOPRRCAMOVP1.7,CMOVR3,#35DJNZR3,$SETBP1.7NOPDJNZR2,WR1SETBP1.7RET;读DS18B20的程序,从DS18B20中读出两个字节的温度数据READ_18200:MOVR4,#2;将温度高位和低位从DS18B20中读出MOVR1,#36H;低位存入36H(TEMPER_L),高位存入35H(TEMPER_H)RE00:MOVR2,#8RE01:CLRCSETBP1.7NOPNOPCLRP1.7NOPNOPNOPSETBP1.7NOPNOPMOVC,P1.7MOVR3,#35RE20:DJNZR3,RE20RRCADJNZR2,RE01MOV@R1,ADECR1DJNZR4,RE00RET;将从DS18B20中读出的温度数据进行转换TEMPER_COV:MOVA,#0F0HANLA,36H;舍去温度低位中小数点后的四位温度数值SWAPAMOV37H,AMOVA,36HJNBACC.3,TEMPER_COV1;四舍五入去温度值INC37HTEMPER_COV1:MOVA,35HANLA,#07HSWAPAADD,37HMOV37H,A;保存变换后的温度数据LCALLBIN_BCDRET;将16进制37H的温度数据转换成压缩BCD码放入37H,38H,39H中BIN_BCD:MOVA,37HMOVB,#10DIVABMOV38H,BMOVB,#10DIVABMOV39H,BMOV3AH,ARETDISPS:MOVSCON,#00H;设定温度显示子程序MOVDPTR,#TABMOVA,3BHMOVB,#10DIVABXCHA,BACALLSSMOVA,B