畢業(yè)設計論文單片機的供暖鍋爐系統(tǒng)設計

1、摘要本系統(tǒng)是基于單片機的水暖鍋爐控制，在設計中主要有水位檢測、溫度檢測、壓力檢測、按鍵控制、水溫控制、水位控制、循環(huán)控制、壓力控制、顯示部分、故障報警等幾部分組成來實現(xiàn)供暖控制。主要用水位傳感器檢測水位，用數(shù)字溫度傳感器ds18b20來檢測水溫，用五個控制按鍵來實現(xiàn)按健控制，用三位led顯示器來完成顯示部分，用變頻器來控制循環(huán)泵的轉速，用壓力傳感器檢測鍋爐內部壓力。并且通過模數(shù)轉換把這些信號送入單片機中。把這些信號與單片機中內部設定的值相比，以判斷單片機是否需要進行相應的操作，即是否需要打開鼓風機，是否需要開啟補水泵，是否需要加快循環(huán)泵的轉速等操作，從而實現(xiàn)單片機自動控制的目的。本設計用單片機

2、控制易于實現(xiàn)鍋爐供暖、而且有造價低、程序易于調試、一部分出現(xiàn)故障不會影響其他部分的工作、維修方便、等優(yōu)點。 關鍵詞：單片機（at89c51），傳感器，水位,溫度，循環(huán),自動控制 based scm design of heating boiler controlled syetemabstract:the systemic design bases controller of cms water heating of a boiler , it mostly makes up of measuring water level ,measuring a water temperature ,co

3、ntrolling a keys-press ,controlling a water temperature ,controlling water level ,controlling circulate ,controlling pressure ,showing a part ,giving an alarm order to realize heating controller ,the design adopts single-chip microcomputer to control boiler heating .it mostly uses a temperature sens

4、or ds18b20 to measure water temperature ,uses water level sensor to measure water level , uses a transducer to control cycle pumps rotate speed ,uses five keys-press to control key-press ,uses three light-emitting diodes display to finish a display parts ,uses a transducer to control rotate speed of

5、 cycle pump ,uses a press transducer to measure press in the boiler .it sends those signals to scm through modulus ,and hold those signals to compare with enactment in the scm to judge whether scm need to carry through relevant operation namely ,whether it needs to open a fan ,whether it needs to tu

6、rn on a water pump ,whether it needs to quicken rotate speed of a cycle pump and so on .consequently ,it finishes an aim of scm auto-controller .the design makes use of the scm to control boiler which is easy to realize boiler heating ,it is cheap to manufacture ,it is easy to debug its procedure .w

7、hen a part is in trouble ,it does not infect others and it is convenience to mend ,it is widely to use many of areas.keywords: single-chip microcomputer, transducer ,water level ,water temperature , auto-control目錄1、 緒論52、系統(tǒng)總體方案52.1、系統(tǒng)框圖52.2、系統(tǒng)具體實現(xiàn)方案53、系統(tǒng)硬件設計63.1、單片機的配置63.2、溫度傳感器63.3、顯示部分83.4、變頻器83.5

8、、水位傳感器83.6、a/d轉換器94、系統(tǒng)的具體設計與實現(xiàn)94.1、系統(tǒng)的總體原理圖94.2、單片機控制系統(tǒng)的流程圖94.3、電源電路104.4、溫度控制系統(tǒng)114.5、循環(huán)泵控制部分124.6、水位控制系統(tǒng)124.7、壓力控制系統(tǒng)134.8、鍵盤部分134.9、驅動部分電路134.10、顯示部分電路144.11、自動報警電路144.12、單片機標志及按鍵功能155、 結束語15參考文獻15附頁161 緒論傳統(tǒng)的控制方式不能進行遠距離的集中控制，自動化程度低，調節(jié)精度差等缺點，且單靠人工操作已不能適應，控制系統(tǒng)改造的必要性隨著科學技術的不斷進步,被控對象越來越復雜,人們對控制精度的要求不斷提

9、高。由于被控對象和過程的非線性、時變性,多參數(shù)間的強耦合、隨機干擾等因素,使得建立被控對象的精確數(shù)學模型變得很困難。在這些復雜的系統(tǒng)面前,傳統(tǒng)的控制方法無法滿足控制精度,而且系統(tǒng)穩(wěn)定性差等缺點。使用單片機實現(xiàn)供暖鍋爐溫度控制，具有較高的實用價值和優(yōu)越性等特點。采用低功耗數(shù)字溫度傳感器進行溫度測控，可大大簡化設計方案，系統(tǒng)性能也更穩(wěn)定；采用光電測控水位，可有效保證水位的自動控制，保證水質無污染，能更好地對鍋爐進行自動化控制；單片機不僅有體積小，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，同時有助于發(fā)現(xiàn)可能存在的故障，通過微機實現(xiàn)燃燒與給水系統(tǒng)的自動控制與調節(jié)，將保證鍋爐正常供氣供

10、暖，維持穩(wěn)定系統(tǒng)，保證安全經濟運行。2 系統(tǒng)總體方案2.1系統(tǒng)框圖單片機控制中心按鍵調節(jié)部分溫度檢測部分水位檢測部分故障報警部分溫度控制部分補水控制部分循環(huán)控制部分顯示部分圖1系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)主要有水位檢測、溫度檢測、按鍵控制、水溫控制、水位控制、循環(huán)控制、顯示部分、故障報警等幾部分組成來實現(xiàn)供暖控制，系統(tǒng)框圖如圖1所示。2.2系統(tǒng)具體實現(xiàn)方案本系統(tǒng)采用單片機模塊化來完成程序設計使程序易于編寫、調試和修改；便于分工，從而可同時調試多個程序；程序可讀性好；程序可進行局部修改，其他部分保持不變。這里采用51系列單片機at89c51控制鍋爐供暖，系統(tǒng)采用手動和自動兩種。主要是單片機自動控制，設置有手動

11、/自動切換。包括溫度控制、補水泵控制、循環(huán)泵控制、故障報警。在溫度控制部分，用數(shù)字溫度傳感器的值送入單片機與單片機內部設定值進行比較。在當溫度低于給定溫度1時，蒸汽閥打開給水加熱；當溫度低于給定溫度2時，系統(tǒng)報警。在補水部分，用水位傳感器來檢測水位，當鍋爐汽包水位低于規(guī)定的最低水位時系統(tǒng)發(fā)出報警，指示燈亮，繼電器線圈得電，電磁閥打開，水泵開始注水；爐內的水位到達或超過規(guī)定的最高水位時系統(tǒng)發(fā)出報警，指示燈亮，線圈失電，電磁閥閉合，停止注水。故障報警部分，當發(fā)生故障時指示燈亮，報警零響。在循環(huán)控制部分當水溫值在設定值內，則開啟循環(huán)泵。當循環(huán)泵1出現(xiàn)故障時，報警系統(tǒng)報警，單片機接收到信號，備用的循環(huán)

12、泵2開始代替循環(huán)泵1工作。在故障報警部分，當溫度控制部分、補水泵部分、循環(huán)泵部分出現(xiàn)故障時，報警系統(tǒng)報警。而且報警系統(tǒng)設置的是聲光報警，使維修人員容易區(qū)分哪部分出現(xiàn)了問題，以便及時維修。 3 系統(tǒng)硬件設計本系統(tǒng)從經濟性，電路結構，系統(tǒng)性能等多方面考慮。選用如下元器件，數(shù)字溫度傳感器ds18b20，單片機at89c51，數(shù)碼管顯示，變頻器，光敏三極管3du。3.1單片機的配置本系統(tǒng)選用atmel89c51系列單片機，由于它的模塊化設計為適應具體的應用提供了極大的靈活性，便于擴展功能，有效的提高了系統(tǒng)的經濟性。at89c51是一種低工耗、高性能的片內含有4kb快閃可編程/擦除只讀存儲器的八位cmo

13、s微控制器，使用高密度、非易失存儲編程器對程序存儲器重復編程。at89c51具有以下特點：*與mcs-51微控制器產品系列兼容。*片內有4kb可在線重復編程的快閃擦寫存儲器。*32條可編程i/o線。*程序存儲器具有三級加密保護。*可編程全全雙工串行通道。*空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲內容。*而且與87c51系列的引腳也完全兼容。3.2溫度傳感器 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，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測度數(shù)，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9-12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。讀出溫度流程圖如圖2所示。發(fā)ds18

14、b20復位命令發(fā)跳過rom命令發(fā)讀取溫度命令讀取操作，crc校驗9字節(jié)完？crc校驗正確？移入溫度暫存器結束nnyy圖2讀溫度子程序ds18b20的性能特點：*獨特的單線接口僅需一個端口引腳進行通信；*多個ds18b20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能；*無須外部器件；*可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.0-5.5v；*零待機功耗；*溫度以9或12位數(shù)字量讀出；*用戶還可定義的非易失性溫度報警設置；*報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；*負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因為發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。圖3ds18b20引角圖dsl8b20的引腳如圖3所示。

15、此外dsl8b20數(shù)字溫度計提供9位(二進制)溫度讀數(shù)，指示器件的溫度。信息經過單線接口送入dsl8b20或從dsl8b20送出，因此從主機cpu到dsl8b20僅需一條線(和地線)。dsl8b20的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源。因為每一個dsl8b20在出廠時已經給定了唯一的序號，因此任意多個dsl8b20可以存放在同一條單線總線上。這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件。dsl8b20的測量范圍從-55攝氏度到+125攝氏度，增量值為0.5攝氏度，可在ls(典型值)內把溫度變換成數(shù)字。每一個dsl8b20包括一個唯一的64位長的序號，該序號值存放在dsl8b20內部的rom(只

16、讀存貯器)中。開始8位是產品類型編(dsl8b20編碼均為10h)。接著的48位是每個器件唯一的序號。最后8位是前面56位的crc(循環(huán)冗余校驗)碼。dsl8b20中還有用于存儲測得的溫度值的兩個8位存貯器ram，編號為0號和1號。1號存貯器存放溫度值的符號，如果溫度為負(攝氏度)，則1號存貯器8位全為1，否則全為0。0號存貯器用于存放溫度值的補碼，lsb(最低位)的1表示0.5攝氏度。將存貯器中的二進制數(shù)求補再轉換成十進制數(shù)并除以2就得到被測溫度值(-55攝氏度-125攝氏度)。每只d518b20都可以設置成兩種供電方式，即數(shù)據(jù)總線供電方式和外部供電方式。采取數(shù)據(jù)總線供電方式可以節(jié)省一根導線

17、，但完成溫度測量的時間較長，采取外部供電方式則多用一根導線，但測量速度較快 。3.3顯示部分在單片機系統(tǒng)中，通常用led數(shù)碼顯示模塊來顯示各種數(shù)字或符號。由于它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、光電轉換效能高、壽命長的特點，因此使用非常廣泛。3.4變頻器在本系統(tǒng)中我們選用abb公司的acs600變頻器。acs600變頻器具有很寬的功率范圍（2.23000kw）可以滿足本設計的要求75kw和3kw，優(yōu)良的速度控制和轉矩控制，并具有完整的保護功能以及靈活的編程能力。其重要特性如下：* 無與倫比的電機速度及轉矩控制，電機辨識運行及速度自我微調功能。* 內置 pid控制器，降低了您的投資成本。* 工具

18、軟件對傳動的全方位支持，acs 600 singledrive能在幾毫秒內測出電機的實際轉速和狀態(tài)，所以在任何狀態(tài)下都能立即起動，無起動延時。* 零轉速下，不需速度反饋就能提供電機滿轉矩。* acs 600 singledrive能夠提供可控且平穩(wěn)的最大起動轉矩，可達到200%的額定轉矩。* 不需特殊硬件的磁通制動模式可以提供最大的制動力矩。* 在磁通優(yōu)化模式下，電機磁通自動適應于不同的負載以提高效率同時降低電機的噪音，變頻器和電機的總效率可提高 1%-10%。* dtc 直接轉矩控制，從零速開始不使用電機軸上的脈沖碼盤反饋就可以實現(xiàn)電機速度和轉矩的精確控制。* 開環(huán)轉矩階躍上升時間小于 5毫

19、秒，而不帶速度傳感器的磁通矢量控制變頻器的開環(huán)轉矩階躍上升時間卻多于100毫秒。3.5水位傳感器用光敏三極管3du來檢測水位。3.6 a/d轉換器采用常見的adc0809。adc0809是帶有8位a/d轉換器、8路多路開關以及與微型計算機兼容的控制邏輯的cmos組件，其轉換方法為逐次逼近型。在a/d轉換器內部含有一個高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個帶有模擬開關樹組的256電阻分壓器，以及一個逐次逼近型寄存器。8路的模擬開關由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個通道中任意訪問一個通道的模擬信號。由于多路開關的地址輸入部分能夠進行鎖存和譯碼，而且三態(tài)ttl輸出也可以鎖存，所以它易于與微型計算機接口直接相連

20、。 4 系統(tǒng)的具體設計與實現(xiàn)4.1系統(tǒng)的總體原理圖 系統(tǒng)的總體原理圖如圖4所示。4.2單片機控制系統(tǒng)的流程圖單片機控制系統(tǒng)模擬量處理子程序、溫度控制部分子程序、循環(huán)系統(tǒng)控制子程序、補水泵選擇子程序、故障診斷與報警處理。它的流程圖如圖5所示。狀態(tài)及pid初始化模擬量處理子程序溫度控制部分子程序循環(huán)系統(tǒng)控制子程序補水泵選擇子程序故障診斷與報警處理圖5控制流程圖開始圖4系統(tǒng)原理圖4.3電源電路系統(tǒng)工作電壓為6v，電流1a。采用原邊交流220v，副邊12v的變壓器，經橋式整流，1000uf電容濾波，7806穩(wěn)壓，可使電源滿足求。其原理圖如圖6所示。 圖6電源原理圖4.4溫度控制系統(tǒng)檢測溫度在設定值1？

21、開蒸汽閥檢測溫度在設定值2？故障報警nyny圖8溫度控制流程圖）開始返回傳感器是“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置”，它通常由敏感元件和轉換元件組成。溫度傳感器ds18b20將檢測到的溫度數(shù)據(jù)由單片機的p1.8口送入。由單片機at89c51進行運算，換算出測量溫度，即水溫。它與設定溫度相比較，從而控制繼電器的通斷即（控制蒸汽電磁閥的通斷）及報警系統(tǒng)的開閉。當水溫高于設定溫度時蒸汽閥關，水溫剛低于設定溫度時，蒸汽閥并不會立即導通，只有當水溫底于設定溫度1時，蒸汽閥才會導通，給水加熱。若水溫繼續(xù)下降，低于設定溫度2時，報警系統(tǒng)報警。溫度控制部分。將檢測到的溫度送到p

22、1.5、p1.6、p1.7分別為室外溫度、出水溫度、回水溫度。它們與設定溫度相比較，從而控制繼電器的通斷即（控制蒸汽電磁閥的通斷）及報警系統(tǒng)的開閉。系統(tǒng)框圖如8所示。4.5循環(huán)泵控制部分本系統(tǒng)用兩臺循環(huán)，一臺工作一臺備用。循環(huán)泵部分的子程序部分當出水溫度和回水溫度在規(guī)定范圍之內，開啟循環(huán)泵1，有變頻器控制。使鍋爐內水循環(huán)達到供暖。當循環(huán)泵1出現(xiàn)故障時，用備用的循環(huán)泵2。循環(huán)泵1出現(xiàn)故障即是出水溫度與回水溫度的差值非常大即設定的最大溫差時，循環(huán)泵故障報警，改用循環(huán)泵2來替代循環(huán)泵1工作。被替代的泵在循環(huán)順序中可以自動跳過,順沿循環(huán). 在循環(huán)泵投入或切除的轉換過程中需要plc 對變頻器的運行參數(shù)進

23、行控制,同時為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性,避免頻繁投切循環(huán)泵,在轉換過程中要有一段時間間隙。溫差為給定停止循環(huán)泵。循環(huán)框圖如圖9所示。圖9循環(huán)控制流程圖 循環(huán)泵有故障嗎？溫差為設定值嗎？開啟循環(huán)泵1溫度檢測ynn循環(huán)泵2工作y開始返回4.6水位控制系統(tǒng)水位檢測是通過四對高亮二極管和光敏三極管分別安裝在四個不同的位置，由上至下四個輸出端口分別接單片機的p1.0、p1.1、p1.2、p1.3口，實時對鍋爐里的水位進行檢測。當水位到達某一光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出高電平；當水位低于此光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出低電平。由上至下的第一個位置為水位上限報警線，即當水位高于此位置

24、時，開水房控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個位置是自動停止加水線，即當水位高于此位置時，控制系統(tǒng)會自動關閉加水電磁閥，停止加水；第三個位置是自動加水線，即當水位低于此位置時，控制系統(tǒng)會自動接通加水電磁閥，開水加水；第四個位置是水位下限報警線，即當水位低于此位置時，開水房控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。當一臺補水泵出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)報警，另一臺備用的補水泵開始工作。3du實用電路圖如圖10所示。水位控制流程框圖如圖11所示。 圖10實用電路圖補水泵1有故障嗎？水位下限水位嗎？開啟補水泵1進行補水水位檢測ynn補水泵2工作y開始返回檢

25、測水位為上限水位嗎？補水泵1停止補水yn檢測水位為上限水位嗎？補水泵2停止補水yn圖11水位控制流程圖故障報警4.7壓力控制系統(tǒng) 當壓力傳感器檢測到的壓力值比單片機內部設定的壓力值大時，停止補水系統(tǒng)和關閉鼓風機。4.8鍵盤部分它由3個常開按鍵構成，直接與單片機i/o口相連，另一端與地相接。當按鍵閉合時，單片機與之相連的端口變?yōu)榈碗娖健?個按鍵從左到右分別與單片機at89c51的p0.0、p0.1、p0.2、p0.3相連。下面分別介紹這3個鍵的功能。p0.0為功能鍵，第一次按下p0.0鍵時，取消報警，同時允許溫度上限調節(jié);第二次按下p0.0鍵時，為確定。當p0.0鍵第一次按下，此時，每按動一次p

26、0.1鍵，溫度值加一，溫度最大上限值為99攝氏度;每按動一次p0.2鍵，溫度值減一，溫度最小上限值為80攝氏度。當p0.0鍵再次按下時，p0.1、p0.2調溫功能被關閉。此時，按p0.2鍵，啟動報警功能。4.9驅動部分電路繼電器的驅動用8550pnp型三極管。因at89c51上電復位時，p0，p1，p2，p3口為高電平，此時pnp型三極管基極接高電平，三極管截止，繼電器處于斷開狀態(tài)，可使單片機正常復位。在pnp型三極管發(fā)射極接二級管4007，可防止三極管斷開瞬間，繼電器電流不能突變，使三極管造成損壞。4.10顯示部分電路由單片機at89c51控制，移位寄存器74ls164和共陽7段led組成。顯示原理圖如圖12所示。4.11自動報警電路鍋爐上限極限水位報警，爐內的水位到達上限極限水位時系統(tǒng)發(fā)出報警，指示燈亮。鍋爐下限極限水位報警，爐內的水位到達下限極限水位時系統(tǒng)發(fā)出報警，指示燈亮。鍋爐內壓力過高報警，壓力傳感器檢測到鍋爐內壓力高與設定值時發(fā)出報警后。循環(huán)泵故障報警，當循環(huán)泵開啟后，出水與回水溫度的差值很大，認為循環(huán)