小型家用燃气锅炉控制系统的研究.docx
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小型家用燃气锅炉控制系统的研究
目录
第一章绪论1
1.1课题背景1
1.2系统的工作原理2
第二章系统设计方案的论证4
2.1单片机型号方案的论证4
2.2按键输入5
2.3数字显示部分的确定6
2.4温度传感器8
2.5A/D数模转换9
2.6综合方案的确定11
第三章硬件电路设计12
3.1I/O接口的拓展12
3.2室内测温系统电路13
3.3控制系统的电源13
3.4复位及震荡电路14
3.5信号采集系统电路15
3.6A/D数模转换电路16
3.7按键输入电路17
3.8LED显示电路18
3.9按键控制及显示20
3.10电路抗干扰21
第四章系统软件设计23
4.1整体设计思路23
4.2系统监控程序24
4.3数据采样程序26
4.4按键程序27
4.5时钟程序28
4.6系统的软件抗干扰31
第五章结束语35
参考文献36
致谢37
摘要：
本文主要以51单片机为基础开发小型家用燃气锅炉系统的控制系统的设计。
以改进家庭采暖的控制方式，减少因燃煤而产生的大气污染，提高天然气的使用率，提高采暖的经济性，改善人们的生活品质。
该系统将温度传感器采集的温度信息，通过A/D数模转换将数据交由单片机分析处理，并将温度信息显示于LCD液晶屏。
单片机通过将预设温度和实际温度的对比，得出是否加热的结果，然后由相应硬件执行该结果，并将结果用LED发光二级管显示。
最终达到智能控制的要求。
软件部分主要宝包括控制系统监控主程序、监控处理子程序、控制算法子程序、时钟子程序、中断服务子程序等。
通过对硬件电路及系统软件进行分析，提出了提高小型家用燃气锅炉单片机控制系统可靠性和抗干扰能力的主要软、硬件措施。
关键词：
燃气锅炉;单片机;智能控制
ABSTRACT:
Thisarticlemainlyrelatetodesignofcontrollingsystemofthesmallhouseholdgas-firedboilersystembasedon51single-chippedmicrocomputer.Inordertoimprovethemethodofhouseheatingcontrol,reduceairpollutionfromburningcoal,increasetherateofnaturalgasutilization,improvetheheatingofeconomy,andalsoimprovethequalityofpeople’slife,wearedeterminedtostartthisproject.
ThesystemwilltakesuchinformationcollectedbytemperaturesensortoSCMthroughA/Dconversionsystem,andcanalsoscreenthetemperatureinformationonLCD.Bycontrastofpredesigningtemperatureandactualtemperature,theSCMdecideswhethertoheatornotandthecorrespondinghardwarecarryonthisresults,showedonthelightLED,whicheventuallyachievingthecontrollingdemand.
Thepartofsoftwarearemainlycomprisedbyfollowingcontents,suchas:
monitoringprocessing,sub-routinesofcontrollingalgorithm,sub-programsofclock,sub-routinesforinterruptservice,etc.Byanalyzinghardwarecircuitandsoftwareofsystem,wecanputforwardmeasuresusedforhardwareandsoftwaretoimproveSCMofsmallhouseholdgas-firedboiler.
KEYWORDS:
gas-firedboiler;single-chipmicrocomputer;intelligentcontrol.
第一章绪论
1.1课题背景
2012伊始，严寒低温持续笼罩欧洲，已超过330人被冻死，这唤起了人们对暖冬的质疑，也让人们更加重视冬季供暖。
目前，我国城市居民住宅取暖基本都是采用集中供暖方式。
虽然这种方式能源利用率比较高，但因为这种方式大多是以煤为燃料，设备体积一般较大，设备投资很高，产生大量粉尘，污染环境。
所以这种采暖方式并不理想。
空调的优点是清洁、方便、升温快、操作也方便，但空调受其制热原理的限制，取暖时有诸多不足。
当电能转化为热能时，其中能量损失较为严重。
目前，中国的燃气锅炉市场已经起步，仍然具备很大的发展潜力。
国内生产燃气锅炉的厂家较多，上海四方锅炉厂、苏州锅炉厂、杭州锅炉厂、四川锅炉厂等。
为其配套的燃气锅炉自控系统的单位也较多。
基本上模仿或引进国外技术建立，控制系统方案，改进不大。
在国外，法国富丽凯公司生产燃气锅炉历史要追溯到1929年。
是唯一一家应用工业锅炉技术生产民用锅炉产品的欧洲燃气锅炉品牌。
富丽凯所创立的多项高级技术如全铜质火管加热体、内置低温供暖结构、鼓风式平衡烟道系统、卫生热水恒温混水阀、遥控节能系统、平焰燃烧器等至今仍为法国富丽凯独家拥有，在欧洲乃至全世界燃气锅炉行业独树一帜。
燃气锅炉控制系统中所采用的设备是专门为燃气锅炉配套制作的，英国、法国基本上采用转鼓控制器，即采用步进马达带动转鼓，转一个角度就执行一步程序。
西德等国家采继电器组合完成系统逻辑控制，完全满足燃气锅炉的工艺要求。
但是引进的燃气锅炉在使用几年后，由于我国的燃气质量比较差，含杂质较多，经常造成检测元件，执行器失灵，出现故障。
而且备品备件在国内又无法解决，这是目前急需解决的问题。
目前国内市场上，价格在5000元—8000元／台之间的高价位产品约占到43％的份额，年销量大约为5万台，但此价位产品在未来几年内趋于萎缩。
4000元—5000元／台的中档价位产品目前市场年销量为4万台，因合理的性价比其市场占有率在不断攀升；韩国品牌及少部分国产品牌因较低的价位占领了中低档市场，年销量约10万台，现阶段的市场占有率最大，但质量问题较为突出。
如今欧洲天然气用户的普及率已达到了33％，但中国的普及率不及4.9％。
欧洲壁挂锅炉的年销量为500万台，中国目前年销量只有25万台，因此未来中国市场前景非常好。
1.2系统的工作原理
燃气锅炉的工作原理如图1.1所示。
加热后的水由循环水泵压入散热器，流过散热器供暖冷却后，经管道流回燃气锅炉。
由于水泵的压力可以调节，所以负载可接多组散热片。
系统还可以为用户提供热水，如洗浴、洗衣服等。
水量损失后由补水口自动加入，保持水量恒定。
燃气锅炉部分传回单片机的数据主要为炉内热水温度。
图1.1燃气锅炉的工作原理
控制系统的控制信号通过继电器控制燃烧器内进气量，由进气阀实现控制。
继电器接通燃烧器电源后，燃烧器通过其内部传感器检测锅炉内有无火光，若有火光则表示已经点火，不需启动点火变压器，否则启动点火变压器进行点火，同时电磁阀打开进气，这时检测到火焰，关闭点火变压器，系统点火成功。
单片机的控制原理如图1.2所示。
温度传感器采集随时间连续变化的模拟信号，通过放大,转变成直流电压信号,然后通过模/数转换器转换成单片机可识别和处理的二进制数据,由单片机按照一定的逻辑控制原理,对被测量值进行一系列的运算处理,从而得到燃烧器的控制量,再由单片机输出二进制数据,经数/模转换器将数字量转换成模拟量,通过继电器使阀门或其他调节机构动作,达到调节被调节参数的目的。
图1.2单片机的控制原理
第二章系统设计方案的论证
2.1单片机型号方案的论证
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。
由于单片机在工业控制领域的广泛应用，为使更多的业内人士、学生、爱好者，产品开发人员掌握单片机这门技术，于是产生单片机开发板，比较有名的例如电子人DZR-01A单片机开发板。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
单片机具有以下特点：
（1）高集成度，体积小，高可靠性。
单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的
（2）控制功能强。
为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:
分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。
（3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品。
为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V～5V，而工作电流仅为数百微安
（4）易扩展。
片内具有计算机正常运行所必需的部件。
芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。
（5）优异的性能价格比。
单片机的性能极高。
为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。
单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达8MB，RAM容量则可达2MB。
由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。
STC89C51RC系列单片机是宏晶推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择。
HD版本和90C版本内部集成MAX810专用复位电路。
STC89C51RC单片机中四个I/O接口，在实际使用中，一般遵循以下用法：
（1）P0口一般作为系统扩展地址低8位/数据复用口；P1口一般作为I/O扩展口；P2作为系统扩展地址高8位和I/O接口扩展用的地址译码器输入；P3口作为中断输入、串行通信口使用。
（2）在各个口带负载能力和接口要求上，由于P0口输出级与P1～P3口输出级在结构上不同，所以要求也不同。
P0口的每一位可驱动8个TTL输入，在作为通用I/O接口使用时，输出级是漏极开路电路，故需加外部上拉电阻，在作为地址/数据总线使用时,不需要外接上拉电阻，而P1～P3输出接口内部有上拉电阻，每一位输出可驱动4个TTL输入。
（3）在实际使用中，一般用户在I/O接口扩展时很难计算I/O接口的负载能力，对扩展集成芯片，如74LS系列的一些大规模集成芯片（如8155，8255，8253等）都可以与STC89C51RC直接接口，其他一些扩展用芯片使用中可参考器件手册及典型电路。
（4）对于一些线性元件如键盘、码盘及LED显示等输入输出设备，如单片机驱动能力不足，应设计相应驱动电路。
2.2按键输入
方案一：
独立式按键。
独立式案件的各种按键相互独立，每一个按键各接一根输入线，一根输入线上按键的工作状态不影响其它按键，因此通过检测输入线电平状态，可以很容易的判断出哪个键被按下。
独立式按键的电路配置比较灵活，软件设计简单，但如果按键较多，多个独立按键容易导致电路结构复杂，故此种按键方案一般适用于按键较少的电路中。
方案二：
矩阵式按键。
这种方式适用于按键数量较多的场所，它由行线和列线组成矩阵按键。
矩阵式按键工作原理：
按键设置在行、列线交点上，行、列分别连接到按键开关两端。
行线通过上拉电阻接到+5V电源上，平时无按键按下时，行线处于高电平状态。
当有按键按下时，行线电平状态将由与电平相连的列线电平决定：
列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平如果为高，则行线电平为高。
本次设计按键数量较多，并且操作速度要求不太高。
不会出现同时多次频繁按下按键的情况，故本设计采用方案二。
2.3数字显示部分的确定
通常的LED显示器，有4段和8段和等，这种LED有共阴极和共阳极两种。
共阴极为：
LED显示器的发光二极管的阴极连在一起，通常此公共阴极共地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮相应的段被显示。
共阳极的LED则是阳极连在一起，一般接5V电源，当某个发光二极管的阴极为低电平时，发光二极管点亮相应的段被显示。
共阳极LED在电路中一般较为复杂，不利于理清思路，一般采用共阴LED。
本设计采用共阴LED。
LED按显示方式分为静态显示和动态显示两种。
方案一：
动态显示LED：
当多位LED显示时，通常将所有位的段选线相应的并联在一起，由一个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用，而各位的共阴极或共阳极分别有相应的I/O口线控制，实现各位的分时选通。
其中段选线占用一个8位I/O口，而位选线则占用N个I/O口（N为LED个数）由于各位选线都处于选通状态的话，那LED显示器将显示相应的字符，则必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时段选线上输出相应位要显示字符的段码。
这种显示方式占用的I/O口个数为：
8+N（N为LED显示器的个数），相对静态显示少了很多，但需要占用大量的CPU资源。
方案二：
静态LED显示。
在这种方式下各位LED显示器的共阴极连接在一起并接地，每位的段选线分别与一个8位锁存器相连，各个LED的显示字符一经确定，相应的锁存器的输出将维持不变。
直到显示另一个字符为止，因此，静态LED亮度比较高。
若用I/O接口，则需要占用N*8位I/O口（LED）显示器的个数。
因此在LED位数不多的情况下，一般可采用此种方法以节省CPU的时间
由于本系统是实时控制系统，要求CPU不断地处理相关的问题，且系统中硬件资源充足，因此，在本方案中，采用硬件译码方式，用8155的接口直接驱动译码器，再由译码器点亮数码管LED。
图2.28段共阴极LED数码管
图2.2为8段共阴极LED数码管，发光二极管的阴极连在一起，通常该共阴极接地。
当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。
使用LED显示器时，为了显示数字式符号，要为LED显示器提供代码，因为这些代码是通过管的亮与灭来显示不同字形的，因此称之为段码。
7段发光二极管再加上一个小数点位，共8段，因此提供给LED显示器的段码正好是一个字节，各段字节中各位的对应关系如下表：
表2-1LED各段字节中各位的对应关系
位码
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
a
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
b
1
1
1
1
1
0
0
1
1
1
c
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
d
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
e
1
0
1
0
0
0
1
0
1
0
f
1
0
0
0
1
1
1
0
1
1
g
0
0
1
1
1
1
1
0
1
1
dp
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
段码
3FH
06H
5BH
4FH
66H
6DH
7DH
07H
7FH
6FH
2.4温度传感器
2.4.1温度传感器的选择
温度采集所用到的温度传感器，因为要采集燃气锅炉内水的温度，应考虑用热电阻传感器。
按照热电阻的性质，可以分为：
半导体热电阻和金属热电阻两大类。
前者称热敏电阻，后者称热电阻。
方案一：
采用温度传感器铂电阻Pt1000,铂电阻的物理化学性能，在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测量元件，因此元件的线性交好。
在0度－90度时，最大非线性偏差小于0.5度。
方案二：
采用热敏电阻，这种电阻是利用对温度敏感的半导体支撑的。
其阻值随温度变化，有明显的改变，负温度系数热敏电阻器通常是由锰钴的氧化物烧制成半导体陶瓷制成。
其特点：
在工作温度范围内电阻阻值随温度升高而降低，可满足40度-90度测量范围，但热敏电阻精度重复性、可靠性较差，不适用于检测小于1度的信号，而且线性度很差，不能直接用于A/D转换。
须应用硬件或软件进行线性补偿。
方案三：
采用集成温度传感器。
这种器件以电流作为输出量指示温度。
它是二端器件，使用非常方便，作为一种高阻电流源，它不需要严格考虑传输线上的电压损失和噪声干扰问题，因此特别适合于作为远距离测量或控制作用。
单片机系统中最常用的温度传感器为DS18B20温度传感器。
但考虑到所需传感器要采集燃气锅炉内热水温度，且要整体考虑整个控制电路的简介，便于设计，故本设计不采用，而是采用AD590集成温度传感器，即方案三。
而测量室内温度可采用DS18B20温湿度传感器。
AD590不必考虑选择多路转换开关所引起的附加电阻所造成的误差，由于采用了一种独特的电路结构，并利用薄膜电阻激光微调技术校准技术，使得AD590具有很高的精度。
2.4.2AD590器件介绍
AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源。
AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。
由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。
其主要特征如下：
（1）流过器件的电流等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数：
IR/T=1式中IR—流过器件（AD590）的电流，单位为μA；T—热力学温度，单位为K；
（2）AD590的测温范围为-55℃~+150℃；
（3）AD590的电源电压范围为4～30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；
（4）输出电阻为710mΩ；
（5）精度高，AD590在-55℃~+-150℃范围内，非线性误差仅为±0.3℃。
2.5A/D数模转换
模数转换器是一种将连续的模拟量转换为离散的数字量的电子元件。
模拟信号转换为数字信号一般需要经过采样、过滤和量化编码几个阶段。
对于不同的采样对象可选不同的A/D转换器。
在选用ADC器件时需要衡量各种因素对控制系统的影响，除了关键参数、分辨率外，还应考虑其他因素，如控制接口与定时，静态与动态精度，数据接口类型，采样保持性能基本要求，校准能力等。
ADC按功能分，可以分为直接转换和非直接转换两大类，其中非直接转换又可分为逐次分级转换，积分转换等类型。
ADC转换器的选用除了要考虑适当的采样/保持电路、基准电路和多路模拟开关等电路外，还应根据控制系统的具体芯片的相关参数进行选取。
方案一：
分级式转换器。
这种转换器不仅具有较快的转换速度，而且能够实现较高的分辨率。
但应用此转换器的电路比一般较复杂，成本较高。
通常用于高速度、高智能化的电路。
方案二：
双积分型A/D转换器，如ICL7135等双积分型A/D转换器，其特点是转换精度高，抗干扰能力强，但是转换速度较慢，通常用于对转换速度要求不高的工作平台。
本设计因需要实时读取温度信息，即实时需要转换数据，故不采用此方案。
方案三：
逐次逼近式转换器。
这种转换方式通常是将一个比较器输入信号与作为基准的8位DAC输出进行比较，并进行N次转换，这种方法类似于天平上用二进制码称量物质。
采用逐次逼近式转换器，输入信号仅与最高未（MSB）比较，确定DAC的最高位（DAC满量程的一半）确定后结果（0或1）被锁存，同时加到DAC上。
以决定DAC的输入（0或1/2）逐次逼近式A/D转换器如ADC0809，AD574等，其特点：
转换速度快，精度也比较高，输出为二进制码直接到I/O口，软件设计方便。
目前较常见的有C2000、ADC0809等。
综合考虑转换器的精度分辨率和整个系统的精简稳定等因素，采用ADC0809芯片。
该芯片适合于整个过程控制，且价格低廉，降低了设计成本。
ADC0809主要特性如下：
1）8路8位A／D转换器，即分辨率8位；
2）具有转换起停控制端；
3）转换时间为100μs；
4）单个＋5V电源供电；
5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准；
6）工作温度范围为-40～＋105℃；
7）低功耗，约15mW。
ADC0809芯片引脚介绍：
IN0~IN7：
8路模拟电压输入端，用与输入被转换的模拟电压。
D0~D7：
A/D转换后的数据输出端，与单片机的P0口相接。
A、B、C：
模拟通道地址选择端，A为低位，C为高位。
Vr+/Vr-：
基准参考电压端，决定了模拟量的量程范围。
CLK：
时钟信号输入端，决定A/D转换时间，本实验中CLK=500KHz，转换时间T=128uS，最大允许值为800KHz。
ALE：
地址锁存允许信号，高电平有效，当此信号有效时，A、B、C三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。
SC：
启动转换信号，正脉冲有效。
EOC：
转换结束信号，高电平有效。
表示一次AD转换已完成，可作为中断触发信号。
OE：
输出允许信号，高电平有效。
本实验中与单片机的RD相连，当单片机发出此命令时，单片机可以读取数据。
2.6综合方案的确定
综上系统方案论证综合分析，本设计采用宏晶STC89C51RC单片机为中央处理器，通过温度传感器AD590对水温和室温进行温度采集，将采集到的模拟数据交由数模转换芯片ADC0809进行模数转换，之后将数字的温度数据传送至STC89C51RC单片机，单片机将收到的温度数据与已设定的温度数据进行分析比对，得出是否需要升高温度的结果，将结果输出在现实单元上，并将相应的执行指令发送至继电器，之后由继电器执行相应的指令，并将温度相关信息现显示在现实单元上，从而实现智能温度控制的整个环节。
系统方案框图如图2.3所所示：
图2.3控制系统方案流程图
第三章硬件电路设计
3.1I/O接口的拓展
本设计中的LED显示按键输入数模转换等系统占用了大量的I/O接口，而STC89C51单片机本身的I/O接口并不是很多，故需要对I/O接口进行拓展。
目前较为常用的单片机I/O扩展芯片为8155，可以得到满足要求的并行接口，同时8155还可以提供256字节的外部RAM，和一个14位的减法定时/计数器。
如图3-1所示，因8155内部有地址锁存功能,ALE直接与单片机的ALE相连，数据/地址线ADO~AD7直接和STC89C51的P0.O~PO.7相连。
P2.5经反相器控制片选端，P2.4连接8155的I/O厅端。
即:
外部RAM的地址为:
4000H-40FFH，内部命令/状态寄存器地址为:
5000H，PA口地址为:
5001H，PB口地址为:
5002H，PC口地址为:
5003H，定时/计数器低8位寄存器地址为:
5004H，定时/计数器高8位寄存器地址为:
5005H。
图3.1I/O拓展电路
3.2室内测温系统电路
采集室内温度采用DS18B20温度传感器。
为了测量的准确性，本设计采用的是多点温度测量，所测的结果以数字信号的形式输入到单片机里，然后三个量比
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