88目錄1緒論.12設(shè)計要求.13方案論證.13.1溫度檢測設(shè)計方案.13.2水位檢測設(shè)計方案.24系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.35單片機外圍器件的設(shè)計.35.1元件選擇及介紹.45.1.1單片機AT89S溫度傳感器DS18B掉電存儲器AT24C0固態(tài)繼電器SSR.115.2硬件電路具體設(shè)計與實現(xiàn).125.2.1水溫采集部分.125.2.2水位采集部分.125.2.3顯示電路.135.2.4驅(qū)動電路.145.2.5報警電路.155.2.6鍵盤接口電路.155.2.7掉電存儲電路.166軟件設(shè)計.166.1程序流程圖.176.2程序清單：見附錄二.177系統(tǒng)總體電路圖：見附錄一.188結(jié)論.19謝辭.19參考文獻.19附錄一：總體電路圖.21附錄二：程序清單.2211緒論在我國，傳統(tǒng)的開水鍋爐控制中多以燃煤和燃油為主，而且相當一部分還是采用人工控制或是繼電接觸式的控制方式，自動化程度低，調(diào)節(jié)精度差，單靠人工操作已不能適應當今高效、低耗、低勞動強度的要求，加上燃料燃燒時產(chǎn)生大量的廢氣和廢渣，對環(huán)境造成了嚴重的污染，給人們的生產(chǎn)和生活也帶來了巨大的危害。因此，對傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)進行改造是適應今后發(fā)展的迫切需要。隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，人們逐漸采用電加熱控制系統(tǒng)。本設(shè)計就是針對燃煤和燃油鍋爐所存在的問題，開發(fā)了一種多功能智能的電鍋爐控制系統(tǒng)1。單片機作為自動控制中的一個核心器件在小型自動控制系統(tǒng)及信號采集方面已經(jīng)被廣泛應用，技術(shù)也相對較成熟，它不僅有體積小，安裝方便，功能較齊全等優(yōu)點，而且有很高的性價比，應用前景廣。本論文設(shè)計的小型開水房鍋爐自動控制中采用的就是以單片機作為控制中心，采用電力作為燃料，不僅能夠使控制系統(tǒng)具有精度高、功能強、經(jīng)濟性好的特點，還節(jié)約能源，利于環(huán)保，在改善勞動條件等方面都顯示了無比的優(yōu)越性。另外該設(shè)計的控制系統(tǒng)還具有超溫、高低水位保護、顯示及報警等功能，保證鍋爐正常安全的工作，實現(xiàn)自動化控制。2設(shè)計要求（1）水溫控制：要求系統(tǒng)能實現(xiàn)對水溫的預設(shè)，當水溫超出設(shè)定溫度時，能夠及時報警（2）水位控制：系統(tǒng)能夠?qū)⑺豢刂圃谏舷藓拖孪拗g，當水位超出該范圍時，能夠報警（3）按鍵功能：能夠?qū)λ疁剡M行預設(shè)和設(shè)置水溫與實際溫度的轉(zhuǎn)換3方案論證3.1溫度檢測設(shè)計方案方案（1）：溫度檢測部分采用熱電偶，經(jīng)過溫度變送后，對信號進行采樣保持，AD轉(zhuǎn)換后，然后與單片機通信進行控制。若溫度檢測部分采用熱電偶，它需要冷端補償電路與其配套，并且熱電偶輸出電壓只有幾毫負，必須經(jīng)過放大處理才能A/D轉(zhuǎn)換，外圍電路復雜，占用單片機的接口多2。方案（2）：主要是以單片機作為控制器的核心，利用溫度轉(zhuǎn)換芯片DS18B20進行溫度采集。數(shù)字化溫度傳感器DS18B20是世界上第一片支持一線總線接口的溫度傳感器，測量溫度范圍為-55C+125C，在-10+85C范圍內(nèi),精度為0.5C，現(xiàn)場溫度直接以一線總線的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便。同時DS18B20可使程序設(shè)定912位的分辨率，精度2為0.5C。可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存，并且性能價格也非常出色。圖1方案（1）結(jié)構(gòu)框圖圖2方案（2）結(jié)構(gòu)框圖由于熱電偶屬于非線性器件，因此每個溫度值都必須通過分度表，查表才能獲得，這給軟件編程和數(shù)據(jù)處理增加了難度。這種系統(tǒng)具有測量溫度范圍可以從零下一百度到上千攝氏度，而且有很多熱電偶精度非常高這是這種測量系統(tǒng)的優(yōu)點。但構(gòu)成系統(tǒng)復雜，抗干擾能力不強。而數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它的最高分辨率為12位，可識別0.0625攝氏度的溫度3。它具有直接輸出數(shù)字信號和數(shù)據(jù)處理，并且它和單片機接口只需要一位I/O口，因此由它構(gòu)成的系統(tǒng)簡單使用，綜合比較溫度檢測方案（1）和方案（2），我們只在常溫下使用，并且經(jīng)濟合理，因此選擇了方案（2）。3.2水位檢測設(shè)計方案方案（1）：采用電感式浮球傳感器對其進行水位檢測。傳感器液筒上的汽水管與鍋爐筒相連接，使筒鍋內(nèi)的水位與液筒內(nèi)水位互相連通。當鍋筒內(nèi)水位變化時，液筒內(nèi)水位相應發(fā)生變化。液筒內(nèi)浮球根據(jù)水位高低而發(fā)生變化，水位升高時，浮球向上浮。水位下降時，浮球向下浮。連接浮球上的矽棒在電感線圈內(nèi)發(fā)生位移，使電感線圈兩端電感量發(fā)生相應的變化，變化的電感量寫入儀表，儀表接收這一變化的液位信號，轉(zhuǎn)換成與液平面相應顯示信號，系統(tǒng)根據(jù)水位的變化信號，自動調(diào)節(jié)給水流量，使水位穩(wěn)定在正常區(qū)域，以確保鍋爐的安全運行。方案（2）：采用金屬電極式進行水位檢測。在鍋爐內(nèi)的不同的高度安裝3根金屬棒,以感知水位變化情況。其中A棒處于下限水位，C棒處于上限水位，B棒在上、下水位之間。通過接頭b、c與單片機通信，再配上水位顯示電路，完成水位的檢測和狀態(tài)顯示，單片機驅(qū)動控制電路，實現(xiàn)自動上水。熱電偶檢測溫度變送器采樣保持AD轉(zhuǎn)換單片機單片機DS18B20溫度采集3采用電感式浮球傳感器對鍋爐水位進行檢測，檢測精密，但該元件的成本太高。采用金屬電極式進行水位檢測，電路簡單易行，成本相對小，而且該技術(shù)應用廣泛?？紤]綜合因素，水位檢測設(shè)計方案采用方案（2）4。4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)整體電路方框圖如圖3所示。圖3系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)主要由溫度傳感器、液位傳感器、掉電存儲、復位及時鐘信號產(chǎn)生電路、報警電路、顯示電路、開關(guān)控制電路以及AT89S51組成。通過對鍋爐水位和水溫實時檢測與采集，將鍋爐的液位、溫度等參數(shù)輸入單片機，由單片機AT89S51在內(nèi)部與預先設(shè)定參數(shù)通過軟件計算生成各個控制信號，從而對補水泵和鍋爐內(nèi)部的電加熱器進行控制，再配以外部的溫度顯示和水位狀態(tài)顯示以及報警裝置，進而對鍋爐進行優(yōu)化控制，達到了用戶的要求和節(jié)能目的。操作過程如下：用戶首先設(shè)定水溫數(shù)值，然后系統(tǒng)檢測鍋爐中水位。如果水位正常則系統(tǒng)開始啟動，否則產(chǎn)生聲光報警并進行自動保護。系統(tǒng)正常運行以后，利用傳感器DS18B20檢測出鍋爐中的水溫，并且實時顯示出來。當水溫超過設(shè)定上限，系統(tǒng)同樣會發(fā)出報警信號并采取保護措施，控制加熱器工作情況。當水溫未達到設(shè)定值，立即回饋給系統(tǒng)，由系統(tǒng)自動調(diào)整加熱器工作狀態(tài)，使水溫到達設(shè)定值，滿足用戶需求。5單片機外圍器件的設(shè)計水溫數(shù)字傳感器DS18B20水位傳感器鍵盤接口電路單片機AT89S51掉電存儲器AT24C02水溫顯示電路水位狀態(tài)顯示固態(tài)繼電器水泵固態(tài)繼電器報警電路加熱器45.1元件選擇及介紹5.1.1單片機AT89S51本設(shè)計采用AT89S51作為中央處理單元，它是是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲器，128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。此外，AT89S51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為024MHz并可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲器，128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。此外，AT89S51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。AT89S51的主要特性：（1）8031CPU與MCS-51兼容（2）4K字節(jié)可編程FLASH存儲器(壽命：1000寫/擦循環(huán))（3）全靜態(tài)工作：0Hz-24KHz（4）三級程序存儲器保密鎖定（5）128*8位內(nèi)部RAM（6）32條可編程I/O線（7）兩個16位定時器/計數(shù)器（8）6個中斷源5（9）可編程串行通道（10）低功耗的閑置和掉電模式（11）片內(nèi)振蕩器和時鐘電路AT89S51的引腳結(jié)構(gòu)（如圖4）及各管腳說明：VCC：供電電壓GND：接地P0-P3：分別是8位準雙向I/O端口，但P0在作為一般的I/O端口用時，應外接上拉電阻，才能高電平輸出RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間ALE/PROG：地址鎖存允許信號端。當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)圖4AT89S51的引腳圖123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:23-May-2009SheetofFile:E:論文水溫.DDBDrawnBy:P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728ALE/PROG30PSEN29EA/VPP31P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.5/MOSI6P1.6/MISO7P1.7/SCK8REST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GND20AT89S516/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入XTAL2：來自反向振蕩器的輸出5.1.2溫度傳感器DS18B20傳統(tǒng)的溫度傳感器如熱電偶和鉑電阻等分立元件，外圍電路比較復雜，僅提供與溫度相關(guān)的電壓或電流。而較新型的單片集成溫度傳感器如AD590,也只能產(chǎn)生與溫度呈線性關(guān)系的電流信號。上述兩種傳感器都必須使用電阻、運算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成溫度測量電路。當外界環(huán)境條件發(fā)生變化時元件參數(shù)也會改變,致使測量誤差增加,準確度降低。本系統(tǒng)采用的是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器DS18B20，它可以把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供單片機處理，采用單線接口，僅需一根口線與MCU相連，無需外圍元件。其突出優(yōu)點是:將被測溫度直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面都比DS1820有所改進。在解決各種誤差、可靠性和實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化等方面，有無可比擬的優(yōu)越性。DS18B20的主要特點：（）采用單總線方式，僅需一根信號線與CPU連接即可傳送串行數(shù)據(jù)，且不需要外部元件（）每個芯片都有惟一編碼，多個D