完成版基于单片机的锅炉温度控制系统的设计.

1.1 课题背景及研究意义

锅炉是一种热能转换设备，由锅和路两大主体和保证其安全经济连续运行的附件，仪表附属设备，自控和保护系统组成，水在锅（锅筒）中不断被炉里燃料燃烧释放出来的能量加热，温度升高并产生带压蒸汽，由于水的沸点随压力的升高而升高，锅是密封的，水蒸气在里面的膨胀受到限制而产生压力形成热动力（严格的说锅炉的水蒸气是水在锅筒中定压加热至饱和水再汽化形成的）作为一种能源广泛使用。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。目前，取暖多采用集中供暖方式。集中供暖，一般都是按一个采暖季每平方（建筑面积）来收费的，对北方地区来说，天气比较冷，需要供暖时间长，应该集中供暖省钱。指集中集团式供暖的一种形式。从能源利用方面讲，集中供暖一次性投资大，运行费用高，无论是否需要，暖气始终全天供热，因楼层不同而造成温度不均，若遇到供暖偏热，居民只有开窗降温，使宝贵的能源白白浪费。这种供暖方式从原理上而言，效率较高。集中供暖的锅炉大多数是燃媒锅炉，锅炉燃烧时污染大，已经带来了严重的环境污染问题。由于这些用户采用集中取暖，给个别用户带来不便的缺陷。

基于这种情况，近年来采用以天然气，液化石油气为燃料的中小型燃气锅炉具有高效、环境污染小，发热量大甚至无污染等特点，受到普遍欢迎。尤其在国外，燃气锅炉目前已得到了普遍应用。家用燃气锅炉常见的是套管式燃气锅炉、板换式燃气锅炉、冷凝式燃气锅炉。随着科技的发展以及各种客观条件的具备，生活采暖用燃气锅炉的应用也必将得到进一步的发展与推广。随着燃料不断补给，燃料充足，城市燃气管网逐步完善，燃气使用率逐步会提高。市场经济的发展与开放，国有企业享受国家能源补贴的取消，住房逐渐私有化，供热管网费、采暖费全部由个人支付。会有越来越多的人放弃集中供热方式而采用分散采暖方式。而小型家用燃气锅炉的使用作为集中供暖的一个很好补充或替代它必将被越来越多的人关注和选用成为趋势。

目前市场上家用燃气锅炉为进口，价格高，售后服务不够完善，不利于燃气锅炉的推广使用，研制燃气锅炉的公司亦相对较少。因此研制开发小型家用燃气锅炉就具有现实的意义与客观的市场价值。

本设计将结合小型家用燃气锅炉实际的需要，利用MCS-51系列单片机为核心器件组成温度控制系统，采用温度采集技术，通过运行和分析研究，以期正确认识和全面理解利用单片机实现温度采集技术在过程控制中的应用。

1.2 系统的总体设计思想

目前，世界计算机市场上出现了专门用于工业控制的单片机系列产品，单片机以其体积小、重量轻、功耗低、价格便宜、功能强的特点，在工业控制的实践中得到越来越广泛的应用单片机不仅可以实现各种常规的控制，还可以根据被控对象

的特性，充分利用控制理论的最新研究成果，采用更完善的控制方式，以获得更好的控制效果。目前，由于家用锅炉属于批量生产，而且每台锅炉需要一套完整的控制系统，针对这些特点，尤其从产品成本角度出发，以MCS-51为核心器件组成的控制系统是比较理想的选择。此外，MCS-51系列单片机运算能力、完备的控制功能、加上完善的外部接口电路，对中小型锅炉控制系统完全可以胜任。在外围芯片选取时，尽量选取典型的、易于扩展和替换的芯片和电路，并本着节约成本的思想。选用基于单总线的数字温度传感器DS18B20和LCD液晶显示器。DS18B20温度传感器采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各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的显示设备，它由一定数量的彩色或黑白像素组成，放置于光源或者反射面前方。液晶显示器功耗很低，因此倍受工程师青睐，适用于使用电池的电子设备。它的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。它们二者与单片机的接口比较简单，而且编程强度不大，既保证了系统的稳定性，又缩短了系统的开发周期，节约了开发成本。

系统在软件上采取模块化的程序结构。主程序作为控制程序，为整个系统软件的一条主线，其它功能模块均采用子程序调用、查询等方式，为调试和扩充提供了方便。

本系统的电源采用市场上常见的W7800(7800)系列7805电源稳压芯片，模拟信号和数字信号分别用单独的供电回路，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的上下限值、预先设定的温度报警值和当前采集的温度值。利用继电器控制燃烧器和给水泵的加热和给水。当锅炉内的水的实际水温超过报警温度值，系统会发出报警声音，这时接在单片机一端的继电器动作，燃烧器断电。此时温度传感器实时对锅炉温度检测，当温度降到设定值的下限时，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。这样对锅

炉温度控制不仅可以节约能源，提高能源的使用率。此外，为符合实际本系统对锅炉的水位进行实时监控，防止锅炉干烧和锅炉水溢出，以免造成能源浪费和水溢出引起的锅炉爆炸严重后果。

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的时钟可由内部产生也可以由外部产生。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）的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输出的正弦波，定时元件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路，它与单片机的接法的如图3-5所示。晶体可以在1.2MHz~12MHz之间所选，电容可以在20~60pF 之间所选，通常选择30pF左右，电容C6，C7的大小对振荡频率有微小的影响，可起频率微调作用。在设计印制板时，晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，保证振荡器可靠工作，一般采用瓷片电容。

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个振荡周期以上的高电平后，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脚上出现的高电平保持2μs以上。复位电路如图 3.6 所示。