热水锅炉单片机温度控制系统.docx

资源描述

热水锅炉单片机温度控制系统.docx

《热水锅炉单片机温度控制系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热水锅炉单片机温度控制系统.docx（50页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

热水锅炉单片机温度控制系统.docx

热水锅炉单片机温度控制系统

毕业设计（论文）

课题：

热水锅炉单片机温度控制系统

学院　　　　

专业

班级

学号

姓名

指导老师

二零一三年六月一日

摘要

本篇论文主要对热水锅炉单片机温度控制系统进行研究，该系统能对电热水锅炉的水温、水位等信息进行控制，解决了传统燃煤锅炉安全性低，污染严重，效益不高等问题，设计经济环保，可行性很大。

该设计选用Atmel公司生产的AT89S52单片机为主控芯片，锅炉单片机温度控制系统主要包括：

锅炉水温采集、锅炉水位监测、水温及水位超限报警、键盘输入、温度显示以及单片机控制六个部分。

在温度采集上选用高精度数字温度传感器DS18B20温度传感器监测锅炉的实时水温，同时采用了LCD1602小液晶作为显示模块，亮度高，清晰度好，耗能低。

另外系统还增加了水温、水位超限报警模块，增加了系统的安全性能。

在软件设计上，本设计采用了模块化的编程思想，软件部分主要包括：

主程序，键盘子程序，温度信号处理程序及液晶显示程序等，模块化的编程让程序思路清晰，易于调试。

关键词：

AT89S52，温度控制，DS18B20，LCD1602，热水锅炉

Abstract

ThispapertaketheSCMboilertemperaturecontrolsystemasamainresearchobject,thissystemcantotheElectrichotwaterboilertemperatureandwaterlevelofthefullautomationcontrol.ItisEconomicandenvironmentalforitsolvedtheshortageoftraditianalhotwaterboiler,themainweaknessesoftraditianalhotboilerarepoorefficiency,Severepollutionanddangerous.

ThissystemtaketheAT89S52SCMasmaincontrolchipwhichisproducedbytheatmelcompany,thepapermainlyincludingsixparts:

temperaturedetectionpart,waterleveldetectionpart,waterlevelcontrolpart,Watertemperatureandwaterleveloverrunalarmpart,Keyboardinputpart,TemperaturedisplaypartandMCUcontrolpart.InthispaperweusethehighprecisiondigitaltemperaturetransducerastemperaturedetectorandatthesametimewechoosetheLCD1602asthetemperaturedisplaypartwhichhavemanyadvantagessuchashighlight,Lowenergyconsumptionandsoon.bisidesthissystemismoresafetybecauseoftheadditionalWatertemperatureandwaterleveloverrunalarmpart.Inthesoftwaredesignsides,thissystemfollowedthethoughtofModularprogramming,containsmasterprogram,Keyboardsubprogram,temperaturesignalprocessingsubprogramandsoon.ModularprogrammingmadetheprogrameasytodebugandClarity.

Keywords:

AT89S52，temperaturecontrol，DS18B20，LCD1602，hotwaterboiler

绪论1

第一章系统总体硬件方案设计与论证2

1.1温度采集传感器的选择2

1.2显示器的选择3

1.3单片机的选择3

1.4水位检测装置的选择4

1.5系统整体设计框图5

1.6典型热水锅炉模型示意图6

第二章系统硬件电路设计7

2.1AT89S52单片机介绍7

2.2单片机最小系统介绍9

2.3温度采集：

DS18B20数字温度传感器11

2.4水位检测采集电路14

2.5温度显示电路15

2.6系统温度、水位控制电路18

2.7水温、水位超限报警电路19

2.8稳压电源部分21

2.9按键设置部分电路22

第三章系统软件设计部分24

3.1系统总体软件设计思路24

3.2主流程图设计框图24

3.3各子程序设计流程图26

第四章系统软硬件综合调试部分29

4.1系统硬件调试29

4.2系统软件调试30

4.3系统软硬件联合调试30

第五章结束语31

参考文献32

附录A系统原理图33

附录B系统原理图PCB34

附录C系统实物图35

附录D源程序清单37

致谢47

绪论

随着国民经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，电子产品越来越普及，特别是节能、环保效率高、智能的电子产品越来越受到人们的喜爱。

传统的热水锅炉都使用烧煤的方法进行加热，这种采用烧煤的方式加热不但会产生大量的污染环境的废气，而且在加热时需要用专人进行燃料的添加，一旦加入燃料过多，水温会升的过快造成开锅，严重时甚至会造成锅炉爆炸等严重事故，对人身财产产生损害。

传统的烧煤锅炉不仅热效率低下，安全性能低，而且污染环境严重。

相反，电热水锅炉具有以下诸多优点：

（1）无污染；

（2）能量转化效率很高。

电加热锅炉采用加热元件直接与水接触，加热时转换效率很高，能量转化率也很高，一般可达到95%以上；（3）锅炉本体结构十分简单，安全性能好；（4）体积小，重量轻，占地面积小；（5）锅炉启动、停止速度快，运行负荷调节范围大，调节速度快；（6）可采用计算机监控，能够完全实现自动化管理等优点。

1.系统设计指标

本系统要求设计一个以单片机为核心的热水锅炉单片机温度控制系统，该系统同时也能对电热水锅炉的水位进行控制，系统具体技术指标如下：

1.锅炉水温温度控制在0-85℃之间，能够进行连续可调，并且误差在±1℃之内，在温度高于设定温度上限时，系统能够发出指令启动风扇进行降温，温度低于设定温度下限时能够启动加热装置升温。

2.用LCD1602小液晶实时显示系统温度，用键盘输入锅炉温度的安全温度上下限范围；

3.水位控制保持在设定值以上，小于设定值开启补水泵，高于水位上限时，补水泵自动停止加水，同时在锅炉水位低于最低水位或者高于最高水位的时候还能进行报警提醒系统可能出现故障。

2.本系统需要完成主要任务

详细分析课题任务，设计电源电路模块，键盘电路模块，单片机系统主控模块，液晶显示电路模块，执行器电路模块，声光报警电路模块等。

然后根据课题任务的要求设计出实现控制任务的硬件原理图和软件，并用proteus仿真软件进行调试，另外在时间、条件允许的话做好实物的制作与调试工作，完成整个系统的设计。

第一章系统总体硬件方案设计与论证

1.1温度采集传感器的选择

1.1.1采用传统模拟集成温度传感器

传统集成传感器是用硅半导体工艺而制成的，因此又称为硅传感器或者是集成温度传感器，它是一个将温度传感器集成在单个芯片上、能够完成温度测量以及模拟信号输出等功能的专用芯片。

传统模拟集成温度传感器的主要特点是测温误差较小、功能较为单一、价格低廉等，比较适合长距离测温、控温，而且不需要非线性校准，外围电路结构简单。

像AD590、LM35之类。

但这些芯片的输出信号都是模拟信号，所以必须经过模数转换后才能送给单片机，使得温度测量装置的结构复杂。

此外，此类测温装置的一根线上只能挂单个传感器，因而不能同时进行多点测量。

即使能够实现，也需要用到复杂的算法，这样在一定程度上增加了软件的难度。

1.1.2采用智能数字温度传感器【1】

智能数字温度传感器（亦称数字温度传感器）是计算机技术、微电子技术及自动测试技术的结晶。

目前，已开发出一系列智能温度传感器产品。

智能温度传感器内部都包含信号处理器、A/D转换器、温度传感器、存储器及接口电路等。

一些产品还自带中央控制器、多路选择器、RAM等。

智能数字温度传感器的主要特点是能输出温度数据以及温度控制量，适配各种单片机.代表产品有DS18B20,智能数字温度控制器配合运用各种微控制器,能够构成各种智能化温度控制系统；同时它们还可以脱离MCU单独工作,构成一个温控仪。

DS18B20是DALLAS公司生产的一线式智能数字温度传感器,具有3引脚TO－92小体积封装形式;温度测量范围在－55℃～＋125℃之间,具有9位～12位A/D转换精度,测温分辨率能达到0.0625℃,温度测量范围为-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃温度范围内,其精度达0.5℃。

DS18B20的精度误差为±0.2℃。

现场温度以“一线总线”的数字方式进行传输，这样大大提高了系统的抗干扰性能。

由于DS18B20将温度传感器、信号放大调理、A/D转换、接口全部集成于一块芯片上，与单片机连接更为简单、方便，与AD590相比是更新一代的温度传感器，所以温度传感器采用DS18B20。

1.2显示器的选择

1.2.1LED显示器

采用传统的七段数码管LED显示器或者小型LED点阵显示屏。

LED数码管显示器显示内容单一，功耗较大，而LED点阵显示屏近看点距很大，视觉效果非常不好，虽然LED显示屏的确实亮度高，维修成本低。

综合利弊，LED显示器虽然价格便宜，但在现代的许多仪表、各种电子产品中逐渐被LCD所取代。

1.2.2LCD液晶屏

采用LCD1602液晶屏进行显示。

LCD液晶显示器是一种低压、微功耗的显示器件，只要2～3伏就可以工作，工作电流仅为几微安，是任何显示器无法比拟的，同时可以显示大量信息，除数字外，还可以显示文字、曲线，比传统的数码LED显示器显示的界面有了质的提高。

在仪表和低功耗应用系统中得到了广泛的应用。

其优点主要为：

1.显示质量高，色彩和亮度恒定发光，画质高且不会闪烁。

2.数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机的接口简单操作也很方便。

3.功率消耗小，相比而言液晶显示器的主要功耗在内部电极和驱动IC上，因而耗电量比数码管要小很多，符合当前节能的宗旨。

综上考虑，虽然LCD显示器的价格比数码管和点阵屏要贵，但它的室内显示效果好，显示内容丰富，是当今室内显示器的主流，所以选用LCD作为显示器。

1.3单片机的选择

1.3.1采用凌阳单片机

利用凌阳单片机有一定的好处，凌阳的优势是硬件性能，抗干扰能力强，但凌阳单片机我们并没有系统的学习过，这对于刚接触单片机的我们来说不是很容易上手，而且其价格也要比AT89S52昂贵一些。

1.3.2采用AT89S52单片机

在单片机家族的众多成员中，MCS-51系列单片机以其卓越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能，迅速占领了整个工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的中流砥柱。

51单片机的优点是价钱便宜,I/O口多,程序空间大。

因此，在测控系统中，使用51单片机是最理想的选择。

单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。

单片机的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，开发工具和语言也大大简化。

51单片机的典型代表是在20世纪80年代初因特尔公司研制出来的MCS51系列单片机。

MCS51单片机很快在我国得到广泛应用，成为电子系统中最普遍的选择，并在交通运输业、家用电器制造业、工业控制领域及仪器仪表等领域取得了丰硕的成果。

许多厂家、电气公司竞相选用以MCS-51技术核心为主导的单片机，并以此为基核，推出许多与MCS51有极好兼容性的CHMOS系列单片机，同时增加了一些新的功能,故而在这里选用AT89S51系列单片机。

1.4水位检测装置的选择

1.4.1电容式液位测量装置

该装置通常结构简单、灵敏度高、稳定性好、动态响应快，适合于恶劣的工作环境，生产成本也不高；但电容液位测量器需要考虑温度补偿，且介质的成分、水分、温度、密度等不确定变化因素直接影响测量结果的准确性，另外检测电路比较复杂，尤其是检测微小电容量的变化。

1.4.2非接触式测量法

非接触式测量法包括超声波法、调制型光学法等。

其特点是测量手段并不采用浮子之类的固态物，而是利用声、光、射线、磁场等的能量。

液位传感器不和被测介质接触，不受被测介质影响，也不影响被测介质，故适用范围广泛。

特别是接触式测量装置不能适用的特殊场合，如高粘度、强腐蚀性、污染性强，易结晶的介质。

1.4.3电接点测量装置【2】

电接点水位计是根据汽和水的电导率不同测量水位的，其基本原理是在锅炉的不同位置分别放置几个电极，根据水的导电性与空气的不同来感应水位的高低，从而产生高低电平信号，进而控制单片机发出指令控制继电器分闭即控制水泵的开关达到调节水位高低的目的。

综上所述，该系统并不需要准确的显示锅炉具体水位，因而不必要选择较为昂贵的超声波传感器，而电容式液位测量装置检测电路过于复杂，因而选择电接点测量法较为简便，成本较低，同时信号处理容易，能够达到系统监测锅炉水位的目的，故最终选择电接点法测水位。

1.5系统整体设计框图

综合系统开题报告与调研，制定以下方案为锅炉系统的总体方框图如图1.1所示：

图1.1系统总体框图

1.6典型热水锅炉模型示意图

第二章系统硬件电路设计

2.1AT89S52单片机介绍

AT89S52为ATMEL所生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

2.1.1AT89S52主要功能列举

1.拥有8位CPU和在系统可编程Flash

2.内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）

3.8KB的内部程序存储器（ROM）

4.256字节的内部数据存储器（RAM）

5.32个独立可编程I/O口

6.8个中断向量源

7.3个十六位定时/计数器

2.1.1AT89S52主要引脚功能【3】

图2.1AT89S52引脚图

VCC：

AT89S52电源正端，接+5V电压。

VSS：

电源地端，接地。

XTAL1：

该脚为系统时钟的反相放大器输入脚。

XTAL2：

该脚系统时钟的反相放大器输出脚，一般系统设计上在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体就可以正常动作了，另外需要在两引脚与地之间各加入20pF左右的小电容，这样可以使整个系统更加稳定，很好的避免噪声干扰而死机。

RESET：

AT89S52的重置引脚端，高电平有效，对晶片重置的时候，只需要对此引脚电平提升至两个机器周期以上高电平，AT89S52便能完成各项系统重置动作，把内部特殊功能寄存器的内容设定成已知状态，并且把程序代码从地址0000H处开始读入并而执行程序。

PORT0（P0.0～P0.7）：

端口0是一个8位宽的开路汲极（OpenDrain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。

其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。

如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0～A7）及数据总线（D0～D7）。

设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0～A7，再配合端口2所送出的A8～A15合成一完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。

PORT2（P2.0～P2.7）：

端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。

P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在AT89S52扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。

PORT1（P1.0～P1.7）：

端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。

如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。

PORT3（P3.0～P3.7）：

端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括外部中断控制、串行通信、计时计数控制以及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。

其引脚分配如下：

P3.0：

RXD，串行通信输入端。

P3.1：

TXD，串行通信输出端。

P3.2：

INT0，外部中断0输入口。

P3.3：

INT1，外部中断1输入口。

P3.4：

T0，计时/计数器0输入。

P3.5：

T1，计时/计数器1输入。

P3.6：

WR：

外部随机数据存储器写入信号。

P3.7：

RD，外部随机数据存储器读取信号。

2.2单片机最小系统介绍

单片机最小系统，指的是用最少的元件组成的能使单片机正常工作的系统，对本次设计使用单片机来说，最小系统包括：

单片机，晶振电路以及复位电路。

单片机最小系统原理图如图2.2所示。

图2.2单片机最小系统原理图

2.2.1单片机内部时钟电路（振荡电路）【4】

51单片机内部有一个用来构成振荡器的反相高增益放大器，引脚XTAL2和XTAL1分别是此放大器的输出端和输入端。

在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体谐振器或者陶瓷谐振器就能够构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲信号直接送入单片机内部的时钟电路。

外接晶振时，C1和C2的容值通常选择30pF左右，在设计PCB时，晶振和电容应尽可能安装在单片机芯片附近并且电容尽可能对称分布，以减少寄生电容的影响，保证振荡器能够稳定可靠地工作。

C1和C2有微调频率作用，振荡频率范围在1.2MHz～12MHz之间。

焊接晶振时需要注意：

要尽量保证晶振焊脚与18、19脚的焊脚是最短且对称的，晶振的焊脚与30pF的电容位置也要求对称和最短的。

因为在AT89S52最小系统中，最关键的就是要保证晶振能正常起振。

偏差一点点就很容易不起振或者乱振。

2.2.2按键复位电路

复位是使CPU和系统中其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

单片机的复位有上电复位和按钮手动复位两种：

图2.3上电复位和按键手动复位原理图

2.3温度采集：

DS18B20数字温度传感器

2.3.1DS18B20简介【5】

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，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测度数，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。

该传感器不仅硬件接口简单而且价格低廉，灵敏度高，体积小，具有耐磨耐碰，使用方便等优点。

DS18B20特性如下：

1.全数字温度转换及输出。

2.先进的单总线数据通信。

3.最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度。

4.12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。

5.检测温度范围为–55°C～+125°C（–67°F～+257°F）

2.3.2DS18B20外形及引脚说明

GND：

地

DQ：

单线运用的数据输入/输出引脚

VD：

可选的电源引脚

2.3.3DS18B20接线原理图

图2.4DS18B20接线原理图

2.3.4DS18B20时序图【6】

初始化时序如下图：

图2.5DS18B20初始化时序

DS18B20读写时序：

图2.6DS18B20读写时序

2.4水位检测采集电路

水位检测电路的目的是产生有效的输入信号，该系统的水位检测采集模块仿真时采用两个单刀双掷开关S0，S1分别模拟热水锅炉的低水位和高水位电极的状态，当水淹没水位电极的时候意味着开关接到高电平，当水脱离水位电极的时候意味着开关接到低电平。

考虑到水位电极采集到的信号非常的微弱，故在实际电路设计过程中需要加入一个三极管作为信号放大电路，以便单片机能够准确的检测到水位的信号，防止水位误判。

水位检测电路仿真原理图如下：

图2.7水位检测电路仿真原理图

2.5温度显示电路

2.5.1LCD1602接口电路

由于本设计需要显示的内容不是很多，只要对温度进行实时显示即可，故选用LCD1602液晶屏进行显示。

显示接口电路图如图2.2所示。

图2.8显示接口电路图

2.5.2LCD1602简介【8】

LCD1602主要参数：

液晶显示容量:

16×2个字符

芯片稳定工作电压:

4.5—5.5V

芯片工作电流:

2.0mA（5.0V）

液晶模块最佳工作电压:

5.0V

液晶字符尺寸:

2.95×4.35（W×H）mm

LCD1602主要管脚介绍：

1602采用标准16脚接口，其中：

第1脚：

VSS为电源地，接GND。

第2脚：

VCC接5V即电源正极。

第3脚：

V0为液晶对比度调整控制端，接5V时对比度最弱，接GND时对比度最高（对比度太高时液晶会产生“鬼影”，真正使用时可以通过在电源与地之间一个10K的电位器调整液晶对比度）。

第4脚：

RS为寄存器选择端，低电平时选择指令寄存器、高电平时选择数据寄存器。

第5脚：

RW为读写信号端，低电平时执行写操作、高电平时执行读操作，。

第6脚：

E（或EN）端为使能端,高电平读取信息，负跳变执行指令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据端口。

第15～16脚：

空脚或背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。

LCD1602显示地址表

1602显示地址表

00H

01H

02H

03H

04H

05H

06H

07H

08H

09H

0AH

0BH

0CH

0DH

0EH

0FH

40H

41H

42H

43H

44H

45H

46H

47H

48H

49H

4AH

4BH

4CH

4DH

4EH

4FH

展开阅读全文