锅炉水温水位自动控制系统毕设论文.docx
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锅炉水温水位自动控制系统毕设论文
毕业设计（论文）
课题名称锅炉水温水位自动控制系统
学生姓名
学号
系、年级专业信息工程系、09电子信息工程
指导教师
2013年4月18日
摘要
在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术起着愈来愈重要的作用，并且随着生产和科学技术的发展，自动化水平也越来越高。
自动控制利用控制装置使被控对象的某个参数自动的按照预定的规律运行。
本设计的控制系统就是采用自动控制技术来实现其功能的，这样就大大提高了工作的效率，而且整个过程又快又稳。
本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，在进行数据处理过程中，单片机控制温度传感器和水位传感器进行工作，把温度信号和液位信号传递到单片机上。
单片机进行数据处理之后，发出控制信号改变报警和控制执行模块的状态，同时将当前温度信息和液位信息发送到LCD12864进行显示。
本系统可以实现温度和液位信号的采集与显示，可以使用红外遥控器来设置温度限定值，通过液位数据的运算处理，发出控制信号达到控制液位的目的。
本系统以STC80C52为核心，用温度传感器DS18B20采集温度信号，同时用超声波传感器测量液位。
通过当前液位与设定液位的最高值和最低值相比和当前的温度与设定的温度相比发送不同的控制指令，从而达到自动控制的目的。
关键词：
单片机；温度传感器；超声波；红外遥控器。
Abstract
Inmanyareasofmodernscienceandtechnology,automaticcontroltechnologyplaysanincreasinglyimportantrole,andwithproductionandthedevelopmentofscienceandtechnology,thelevelofautomationisalsogettinghigherandhigher.Controldevicetocontroltheuseofaparticularobjectinaccordancewiththeparametersoftheautomaticoperationofthelawisscheduled.Thedesignoftheautomaticcontroltobuyacertainobjectautomaticallyinaccordancewiththeparametersofthescheduledoperation.ItusesMCUasdataprocessandcontrolunit,andusesMCUtocontroltemperaturesensorandthelevelofwaterwhichtransmitsdatatoMCUthroughsinglebus.Itcansendasignaltochangethestatesofalarm,currenttemperatureandthelevelofwaterisdisplayedbyLCD12864Thesystemachievesmulti-channeltemperatureandwaterlevelsignalacquisitionandcontrol.Thissystemisappliedinsuchdomainsaswarehousedetectingtemperatureandthelevelofwater；air-conditionercontrollingsysteminbuildingandsupervisoryproductiveprocessetc.AT89S51tothesystemasthecenter.ThelevelofwateriscollectedbytheUltrasonicsensors.andthetemperatureofairismeasuredbyDS18B20.whilekeyboardisusedtosetahighestlevelandalowestlevel.thusachievingcontrolforautomation.
Keywords:
microcontrollers;temperaturesensor;ultrasonic;IRremotecontrol
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1锅炉的发展现状1
1.2热水锅炉温度检测与液位控制的背景及意义1
1.3单片机控制锅炉的发展前景1
第2章方案论证3
2.1题目分析3
2.2温度传感器的选择3
2.3测距传感器的选择6
2.4显示器的选择7
2.5控制器的选择8
2.6单片机的选择8
第3章系统的总体设计11
3.1电路的总体工作原理11
3.2系统的硬件设计12
3.3温度传感电路设计13
3.4红外遥控电路的设计15
3.5显示电路的设计17
3.6超声波测距模块18
第4章系统的软件设计20
4.1系统的主程序设计20
4.2中断程序的设计21
第5章测试结果22
5.1温度控制电路测试22
5.2水位控制电路25
第6章总结30
6.1经济效益分析30
6.2社会效益分析30
致谢31
附录I33
附录II34
第1章绪论
1.1锅炉的发展现状
锅炉作为一种把煤、石油或天然气等化石燃料所储藏的化学能转换成水或水蒸气的热能的重要设备，长期以来在工业生产和居民生活中都能扮演着极其重要的角色。
它己经有二百多年的历史了，但是锅炉工业的迅猛发展却是近几十年的事情。
国外的锅炉控制工业50～60年代发展最快，70年代达到高峰。
我国的锅炉工业是在新中国成立后才建立和发展起来的，1953年在上海首创了上海锅炉厂。
从其在生产和生活中所起的作用不同，锅炉可分为电站锅炉，主要用于发电厂；工业锅炉，主要用于直接供给工农业生产或驱动机械能源；生产锅炉，主要用于为居民提供热水和供居民取暖。
1.2热水锅炉温度检测与液位控制的背景及意义
随着我国的国民经济快速发展与人民生活水平的迅速提高，对锅炉的需求量有日益增加的趋势。
如果锅炉的控制设备简陋，控制技术落后，效率低，就会造成了燃料的大量浪费，而且严重污染空气，也不利于安全生产。
而热水锅炉的控制虽然没有工业锅炉复杂，精确度要求也没工业要求高，但热水锅炉的应用也十分广泛，如果要人工控制就不仅需要很大的工作量，而且不能保证控制的准确性和及时性，因此用采用自动检测和控制，不仅大大减少工作量，而且准确，既经济又实惠。
温度检测系统在现代工业设计、工程建设及日常生活中的应用越来越广泛，早期的温度检测主要应用于工厂中，在人们的日常生活中，温度检测系统的应用和作用也体现到了各个方面。
特别是单片机技术的出现，它给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。
目前，单片机在工业控制系统诸多领域得到了极为广泛的应用。
特别是其中的51系列单片机的出现，由于它具有极好的稳定性，更快和更准确的运算精度。
本次设计就是要通过以51系列单片机为控制核心，通过DS18B20采集温度，LCD12864显示，实现热水锅炉温度检测系统的设计，同是采用超声波传感器检测锅炉内水位，并利用单片机来控制水泵，从而达到控制液位的目的。
1.3单片机控制锅炉的发展前景
锅炉微机控制,是近年来新开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，锅炉采用的是微机控制和原有的仪表控制，微机控制优势明显，作为锅炉控制系统装置：
其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减少劳动人员的劳动强度。
采用计算机控制的锅炉系统有十分良好的安全机制：
可以置多点的声光报警和自动连锁停炉，杜绝人为疏忽造成的重大事故。
第2章方案论证
本章主要对毕业设计的题目进行了分析，根据要实现的功能，综合比较几种设计方法，提出了实现系统功能的最佳方案。
2.1题目分析
本设计是一个锅炉温度液位控制系统，能测量温度，水位，并能在超限的情况下进行控制、调整，并报警。
2.1.1具体指标
正常工作温度范围：
0℃~100℃
正常工作水位范围：
2CM~4.5M
水位误差:
<2MM
温度误差：
<1℃
2.1.2具体控制要求
根据设计的要求，要利用温度传感器实时温度。
当温度高于设定的温度时（最初设定温度是30℃），停止加热。
当温度低于设定的温度时，打开升温装置进行调整使温度在设定的范围内。
水位低于最低水位时启动加水装置，达到最高水位时关闭加水装置.本次毕业设计的主要任务是能对温度和水位进行自动的检测和控制。
设计中采用单片机来控制温度和水位，因此要有温度的采集电路,水位采集电路，LCD显示电路，温控电路，水位控制电路，LED显示电路等几个部分。
要实现系统的设计要用到的知识点有单片机的原理及其应用，温度传感器的原理和应用，测距传感器的原理和应用以及显示电路的设计等。
2.2温度传感器的选择
2.2.1采用模拟集成温度传感器
集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。
图2-1是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。
因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kΩ时，输出电压
随温度的变化为1mV/K。
但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。
调整的方法为：
把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使
=273.2mV。
或在室温下（25℃）条件下调整电位器,使
=273.2+25=298.2（mV）。
但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。
AD590把被测温度转换为电流再通过放大器和A/D转换器，输出数字量送给单片机进行温度控制。
图2.1基于AD590测温基本应用电路
2.2.2采用数字单片智能温度传感器
智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。
目前，已开发出多种智能温度传感器系列产品。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）.智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线（1-WIRE）总线、I2C总线、SMBUS总线和SPI总线。
温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。
智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。
典型产品有DS18B20,智能温度控制器适配各种微控制器,构成智能化温控系统;它们还可以脱离微控制器单独工作,自行构成一个温控仪。
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO－92小体积封装形式;温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生;多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。
同DS18B20一样，DS1820也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范围内,精度为0.5℃。
DS18B20的精度很高为±0.2℃。
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。
适合于恶劣环境的现场温度测量。
如：
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。
而且新一代产品更便宜，体积更小。
DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
现在，新一代的“DS1820”体积更小、更经济、更灵活。
可以充分发挥“一线总线”的长处。
DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器。
由于DS18B20将温度传感器、信号放大调理、A/D转换、接口全部集成于一芯片，与单片机连接简单、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。
下图为测水温所用DS18B20实物图。
图2.2水温测试DS18B20实物图
2.3测距传感器的选择
2.3.1红外测距仪
红外测距的优点是便宜，易制，安全，缺点是精度低，距离近，方向性差，对测量环境要求高，当反射光较弱，需要使用棱镜，环境粉尘较多时，精度就会降低。
2.3.2超声波测距仪
非接触式测距仪常采用超声波、激光和雷达。
但激光和雷达测距仪造价偏高，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性，相比之下，超声波方法具有明显突出的优点:
1、超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，并且指向性强，能量消耗缓慢，因此可以直接测量较近目标的距离;.
2、超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体（如玻璃、抛光体）;.3、超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中;
4、超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制。
因此，超声波方法作为非接触检测和识别的手段，在机器人避障、导航系统、机械加工自动化装配及检测、自动测距、无损检测、\超声定位、汽车倒车、工业测井、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用.由于超声波传感器结构简单、体积小、费用低、抗干扰性强，信息处理简单可靠等众多优点，所以在锅炉液位检测中我选用了超声波传感器用来检测水位。
本设计所用超声波测距传感器实物图如下所示
图2.3超声波测距传感器实物图
2.4显示器的选择
2.4.1LED显示器
采用传统的七段数码LED显示器。
LED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。
2.4.2LCD液晶屏
采用LCD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。
优点为：
1显示质量高，由于液晶显示器的每一个点收到信号后就一直保持那种色彩和亮度恒定发光，因此液晶显示器的画质高而且不会闪烁。
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，因而耗电量比其他器件要小很多。
虽然LCD显示器的价格比数码管要贵，但它的显示效果好，是当今显示器的主流，所以采用LCD作为显示器。
图2.412864显示屏实物图
2.5控制器的选择
矩阵键盘特点是直观，成本低，易操作，但缺点是占用的I/O口比较多，如4×4矩阵键盘就要占用8个I/O口。
红外摇控器在可视范围内遥控设备最廉价的方式是通过红外线。
目前几乎所有的视频和音频设备都可以通过这种方式遥控。
由于该技术应用广泛，相应的应用器件都十分廉价，因此红外遥控是我们日常设备控制的理想方式。
红外摇控器特点是控制方便，简单易用，且十分廉价，只要占用一个外部中断口就可以。
由于本次设计，传感器用的比较多，所以I/O口明显不够用而红外遥控只占用P3.2这一个外部中断，距阵键盘能实现的功能，红外遥控都能实现，并且可以远程控制，操作更加方便。
实物图如下。
图2.5红外遥控器实物图
2.6单片机的选择
2.6.1采用凌阳单片机
随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP，DigitalSignalProcessing）等领域。
凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。
它的CPU内核采用凌阳最新推出的µ’nSP™（MicrocontrollerandSignalProcessor）16位微处理器芯片（以下简称µ’nSP™）。
围绕µ’nSP™所形成的16位µ’nSP™系列单片机（以下简称µ’nSP™家族）采用的是模块式集成结构，它以µ’nSP™内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件。
µ’nSP™内核是一个通用的核结构。
除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小或可有可无。
借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合。
这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。
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，但凌阳单片机我们没有系统的学习，这对于刚接触单片机的我们来说不是很容易上手，其价格也要比89S51昂贵一些，因此我们并没有将其作为首选。
2.6.2采用STC89C52单片机
由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，MCS-51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了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主流。
单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两个分支。
通用计算机系统主要用于海量高速数值运算，不必兼顾控制功能，其数据总线的宽度不断更新，从8位、16位迅速过渡到32位、64位，并且不断提高运算速度和完善通用操作系统，以突出其高速海量数值运算的能力，在数据处理、模拟仿真、人工智能、图像处理、多媒体、网络通信中得到了广泛应用；单片机作为最典型的嵌入式系统，由于其微小的体积和极低的成本，广泛应用于家用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。
因此，单片机的出现大大促进了现代计算机技术的飞速发展，成为近代计算机技术发展史上一个重要里程碑。
由于MCS系列单片机集成了几乎完善的中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，这给我们利用单片机提供了极大的便利。
单片机把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，使得数据传送距离大大缩短，运行速度更快，可靠性更高，抗干扰能力更强。
由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达到最优化，工作也相对稳定。
51的优点是价钱便宜,I/O口多,程序空间大。
因此，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。
单片机的典型代表是Intel公司在20世纪80年代初研制出来的MCS51系列单片机。
MCS51单片机很快在我国得到广泛的推广应用，成为电子系统中最普遍的应用手段，并在工业控制、交通运输、家用电器、仪器仪表等领域取得了大量应用成果。
以MCS-51技术核心为主导的单片机已成为许多厂家、电气公司竞相选用的对象，并以此为基核，推出许多与MCS51有极好兼容性的CHMOS单片机，同时增加了一些新的功能,所以用STC89C52。
实物图如下：
图2.6STC89C52实物图
第3章系统的总体设计
3.1电路的总体工作原理
系统框图如图1.1：
图1.1系统框图
该系统的总体设计思路如下：
温度传感器把所测得的温度发送到单片机上，经过单片机处理，将把温度在显示电路上显示，本系统显示器为点阵图形LCD12864液晶模块。
检测范围-55摄氏度到125摄氏度。
本系统除了显示温度以外还可以通过红外遥控器设置一个温度值（在工作过程中允许随时设置）,并把设置温度显示在LCD上，系统对所测温度进行监控，当温度高于、低于、等于设定温度时，启动相应程序（当温度低于设定温度时，加热器开，红灯亮指示当前是加热状态;当温度在设定温度+/-两度内则于保温状态，绿灯亮指示当前既不加热也不降温;温度高于设定温度时，加热器关，黄灯亮指示当前处于降温状态）
液位检测传感器把所测得的当前水位发送到单片机上，经过单片机处理，把水位显示在LCD上，检测范围2CM到4.5M。
第系统初始化可以设置一个水位最高值和最低值，对所测水位进行监控，当水位高于或低于设定水位时，启动相应程序（当水位低于设定最低水位时，红灯亮，水泵开;水位在最高和最低之间则水泵关，绿灯亮;水位达到设定最高水位时，水泵关，黄灯亮；）。
3.2系统的硬件设计
3.2.1单片机最小系统的设计
目前的单片机开发系统只能够仿真单片机，却没有给用户提供一个通用的最小系统。
由设计的要求，只要做很小集成度的最小系统应用在一些小的控制单元。
其应用特点是:
（1）全部I/O口线均可供用户使用。
（2）内部存储器容量有限（只有8KB地址空间）。
（3）应用系统开发具有特殊性
图3.1最小系统图
单片机最小系统如图3.1所示，其中有4个双向的8位并行I/O端口，分别记作P0、P1、P2、P3，都可以用于数据的输出和输入，P3口具有第二功能为系统提供一些控制信号。
时钟电路用于产生MCS-51单片机工作所必须的时钟控制信号，内部电路在时钟信号的控制下，严格地按时序指令工作。
MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片的引脚XTAL1，输出端为XTAL2。
这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。
电路中的微调电容通常选择为30pF左右，该电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。
晶体的振荡频率为12MHz。
把EA脚接高电平，单片机访问片内程序存储器，但在PC值超过0FFFH（4Kbyte地址范围）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。
MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现。
采用最简单的外部按键复位电路。
按键自动复位是通过外部复位电路的来实现的.我们选用时钟频率为12MHz,C3取47μf。
3.3温度传感电路设计
3.3.1DS18B20的性能特点：
1、独特的单线接口，只需1个接口引脚即可通信，在1秒（典型值）内把温度变换为数字，以9位数字值方式读出温度（9位二进制数，含符号位）；
2、多点（multidrop）能力使分布式温度检测应用得以简化；
3、测量范围从-55至+125增量值为0.5等效的华氏温度范围是-67F至257F增量值为0.9F；
4、内含64位经过激光修正的只读存储器ROM；
5、应用范围包括恒温控制、工业
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