完成版基于单片机的锅炉温度控制新版系统的设计

1.1 课题背景及研究意义 锅炉是一个热能转换设备，由锅和路两大主体和确保其安全经济连续运行附件，仪表隶属设备，自控和保护系统组成，水在锅（锅筒）中不停被炉里燃料燃烧释放出来能量加热，温度升高并产生带压蒸汽，因为水沸点随压力升高而升高，锅是密封，水蒸气在里面膨胀受到限制而产生压力形成热动力（严格说锅炉水蒸气是水在锅筒中定压加热至饱和水再汽化形成）作为一个能源广泛使用。锅炉广泛用于生产和生活之中。中小型锅炉作为供暖设备用于提供热水，取暖方面得到了广泛应用。现在，取暖多采取集中供暖方法。集中供暖，通常全部是按一个采暖季每平方（建筑面积）来收费，对北方地域来说，天气比较冷，需要供暖时间长，应该集中供暖省钱。指集中集团式供暖一个形式。从能源利用方面讲，集中供暖一次性投资大，运行费用高，不管是否需要，暖气一直全天供热，因楼层不一样而造成温度不均，若碰到供暖偏热，居民只有开窗降温，使宝贵能源白白浪费。 这种供暖方法从原理上而言，效率较高。集中供暖锅炉大多数是燃媒锅炉，锅炉燃烧时污染大，已经带来了严重环境污染问题。因为这些用户采取集中取暖，给部分用户带来不便缺点。 基于这种情况，多年来采取以天然气，液化石油气为燃料中小型燃气锅炉含有高效、环境污染小，发烧量大甚至无污染等特点，受到普遍欢迎。尤其在国外，燃气锅炉现在已得到了普遍应用。家用燃气锅炉常见是套管式燃气锅炉、板换式燃气锅炉、冷凝式燃气锅炉。伴随科技发展和多种客观条件含有，生活采暖用燃气锅炉应用也必将得到深入发展和推广。伴随燃料不停补给，燃料充足，城市燃气管网逐步完善，燃气使用率逐步会提升。市场经济发展和开放，国有企业享受国家能源补助取消，住房逐步私有化，供热管网费、采暖费全部由个人支付。会有越来越多人放弃集中供热方法而采取分散采暖方法。而小型家用燃气锅炉使用作为集中供暖一个很好补充或替换它必将被越来越多人关注和选择成为趋势。 现在市场上家用燃气锅炉为进口，价格高，售后服务不够完善，不利于燃气锅炉推广使用，研制燃气锅炉企业亦相对较少。所以研制开发小型家用燃气锅炉就含有现实意义和客观市场价值。 本设计将结合小型家用燃气锅炉实际需要，利用MCS-51系列单片机为关键器件组成温度控制系统，采取温度采集技术，经过运行和分析研究，以期正确定识和全方面了解利用单片机实现温度采集技术在过程控制中应用。 1.2 系统总体设计思想 现在，世界计算机市场上出现了专门用于工业控制单片机系列产品，单片机以其体积小、重量轻、功耗低、价格廉价、功效强特点，在工业控制实践中得到越来越广泛应用单片机不仅能够实现多种常规控制，还能够依据被控对象特征，充足利用控制理论最新研究结果，采取更完善控制方法，以取得愈加好控制效果。现在，因为家用锅炉属于批量生产，而且每台锅炉需要一套完整控制系统，针对这些特点，尤其从产品成本角度出发，以MCS-51为关键器件组成控制系统是比较理想选择。另外，MCS-51系列单片机运算能力、完备控制功效、加上完善外部接口电路，对中小型锅炉控制系统完全能够胜任。在外围芯片选择时，尽可能选择经典、易于扩展和替换芯片和电路，并本着节省成本思想。选择基于单总线数字温度传感器DS18B20和LCD液晶显示器。DS18B20温度传感器采取美国DALLAS企业生产DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，含有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适适用于多种狭小空间设备数字测温和控制领域；LCD液晶显示器为平面超薄显示设备，它由一定数量彩色或黑白像素组成，放置于光源或反射面前方。液晶显示器功耗很低，所以倍受工程师青睐，适适用于使用电池电子设备。它关键原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管组成画面。它们二者和单片机接口比较简单，而且编程强度不大，既确保了系统稳定性，又缩短了系统开发周期，节省了开发成本。 系统在软件上采取模块化程序结构。主程序作为控制程序，为整个系统软件一条根本，其它功效模块均采取子程序调用、查询等方法，为调试和扩充提供了方便。 本系统电源采取市场上常见W78007800系列7805电源稳压芯片，模拟信号和数字信号分别用单独供电回路，以避免电源干扰。利用温度传感器DS18B20采集测量锅炉水温；使用LCD液晶显示器显示水位上下限值、预先设定温度报警值和目前采集温度值。利用继电器控制燃烧器和给水泵加热和给水。当锅炉内水实际水温超出报警温度值，系统会发出报警声音，这时接在单片机一端继电器动作，燃烧器断电。此时温度传感器实时对锅炉温度检测，当温度降到设定值下限时，继电器重新通电。燃烧器电源重新接通，锅炉继续加热。如此反复监控温度。这么对锅炉温度控制不仅能够节省能源，提升能源使用率。另外，为符合实际本系统对锅炉水位进行实时监控，预防锅炉干烧和锅炉水溢出，以免造成能源浪费和水溢出引发锅炉爆炸严重后果。 2硬件电路设计 2.1 主电路 1.温度控制电路 图2.1 温度控制电路 2.水位控制电路 图2.2 锅炉加水电路 图 2.3 水位检测电路 2.2 单片机最小系统 2.2.1时钟电路设计 AT89S51时钟可由内部产生也能够由外部产生。在这个设计中只是用了内部产生。利用芯片内部振荡电路，在XTAL1，XTAL2（18，19脚）引脚上外接定时元件，内部振荡器便能产生自激振荡，用示波器便可观察到XTAL2输出正弦波，定时元件能够采取石英晶体和电容组成并联谐振电路，它和单片机接法图3-5所表示。晶体能够在1.2MHz12MHz之间所选，电容能够在2060pF之间所选，通常选择30pF左右，电容C6，C7大小对振荡频率有微小影响，可起频率微调作用。在设计印制板时，晶体和电容应尽可能和单片机芯片靠近，以降低寄生电容，确保振荡器可靠工作，通常采取瓷片电容。 图2.5 时钟电路 2.2.2 复位电路 单片机上电后，在其9脚（RESET）出现24个振荡周期以上高电平后，单片机内部初始复位。为了确保单片机正常复位，必需使其第9脚上出现高电平保持2μs以上。复位电路图 3.6 所表示。 图2.6 复位电路 系统复位电路是由RC电路组成，外加一个手动复位按钮。刚上电时或触动按钮后C5两端电压为0，这时RST为高电平，而其高电平保持时间是由R和C时间常数决定，由公式3-1可知，C充电时间常数τ等于0.22ms，远远大于2μs，即使RST高电平时间保持2μs以上，确保了单片机正常复位。 2.3 温度控制电路设计 本系统采取继电器进行对燃烧器工作方法控制，从而锅炉控制温度。当P口输出高电平时，经反相驱动器7406变为低电平，使发光二极管发光，从而使光敏三极管导通，进而是Q3导通，所以继电器线圈通电,接通锅炉燃烧器。本部分电路和单片机接口图2.9所表示。 1.当P1.7输出高电平时，燃烧器通电，燃烧器对锅炉加热，进行加热处理。 2.当P1.7输出低电平时，燃烧器断电，燃烧器对锅炉加热，不进