锅炉温度控制系统设计方案

锅炉温度控制系统设计方案第1章绪论1.1课题背景及研究的意义锅炉是工业生产中最常用的能量转换设备之一，它通过转化燃料中的化学能或利用电能转化为能，成为人们广为依赖的采暖工具。

在电锅炉中，利用电阻在通电流状态下发热的原理，通过对电流的大小的控制对温度的控制。

由于电流易控制的特点，电锅炉在小型锅炉和精密控温的到使用者的青睐。

但是，在大部分城市中，由于国家实行“西气东输”计划，燃气价格为普通人家所接受，经数据统计和计算，燃气锅炉更便宜，比电锅炉应用更受欢迎。

锅炉温度的稳定是锅炉性能的一项重要指标，温度过高和温度过低都会给锅炉的稳定运行和生产造成重大的的影响，甚至发生安全事故。

温度过高，导致锅炉金属材料和相关部件的超温过热，加速管材金属氧化，降低锅炉和相关部件的使用寿命；温度过低，假定在保持锅炉蒸发量不变的情况下，锅炉的损耗将大幅上升，能源利用率因此下降，而且负荷也将受到限制。

所以，限定锅炉在安全温度成为每一个温度控制系统的核心部分。

随着科技发展，人们对采暖方式和热水方式渐渐发生变化，家用燃气锅炉进入寻常百姓家，但是国燃气锅炉的开发与应用还处于较落后的阶段，市场上的大多数此类商品还是以国外为主，所以燃气锅炉依然有广大市场与研究价值。

本设计以家用燃气锅炉为研究目标，使用AT89C51单片机为控制核心组成温度控制系统，采用热电阻感应温度的变化，单片机实现收集数据、处理数据、发送控制命令的功能，从各方面详细的说明单片机在温度控制的应用。

1.2 温度传感技术自工业时代以来，随着大型机械的出现和广泛应用，温度对机械工作性能的影响越来越被人们所重视，对温度的未知可能造成机械损坏或发生重大事故。

于是温度传感器便应运而生。

温度传感器用在生活的方方面面，从冶金行业到每一个人身边中的一部分，它已经随着时代的步伐在进步。

目前使用的较为先进的温度传感器是数字传感器。

数字传感器的优点是不需要像传统方式一样加入转换部分，利用当今成熟的集成技术，在其部已经集成了感应温度系统和温度转换系统，尤其是它单端数据输出的功能，极大减少对主控器件端口的占用，是端口资源优化的方法之一。

它的数据传输方法是在部得到具体的温度数据后，利用部的缓冲器进行缓存，利用主控器件对它发出控制命令进行读取数据，这就是单总线传输，这也是它的最主要的特点。

虽说数字传感器得到广泛应用，但是在工业中仍是大量应用热电阻传感器。

因为数字温度传感器的测温围有限，不超过150℃，这与工业中经常200℃以上的情况显然不合适。

热电阻传感器测量温度围在-200~960℃，包含了大多数工业设备的工作温度，至今，仍然有很大的研究与利用价值。

1.3 系统的总体设计思想本系统的总体设计思路是，本着精确、可靠、稳定的原则，采用模块化设计，自顶向下构思。

根据题目提出的设计任务及性能任务指标，通过理论分析及计算，整体把握，然后再逐步细化，分模块的进行设计，期间辅以电路仿真软件proteus 进行电路原理仿真，最后进行各模块的组合以完成整个系统的设计任务。

通过查阅资料与借鉴，此次设计决定用一个多功能键盘实现诸多的设置作用和信息输入，单片机进行自动调节。

用恒流源驱动热电阻，通过模/数转换对热电阻的电压实现精确的模拟量到数字量的转换.实时数据被AT89C51接受，并在芯片进行软件识别后输出到LCD完成对当前温度值的显示。

同时，考虑到系统驱动电源，芯片的电源等要求，添加了可调线性直流稳压电源。

第2章系统方案设计与论证2.1 系统结构框图图2.1 系统结构框图2.2 系统性能要求及特点1. 系统性能要求以AT89C51单片机为核心，搭配合理的人机互动界面，设计一个锅炉温度控制系统。

该系统具有自动调节和手动设置功能，通过操作界面调节，并能显示温度和上下限温度，且具有历史记录功能。

（1）控制温度在0-150度，误差±1度；（2）工作形式有手动、自动工作形式，手动形式用于控制系统调试，自动形式用控制系统正常运行；热电偶选型要合理；（3）当系统发生某种不良情况导致控制失灵时，控制系统具有报警功能；（4）设计和仿真方案合理，最后得到的数据和结果真实可靠。

2. 系统特点根据上述要求可以总结出，该系统要求有较高的测温准确精度，能即时反映现下的温度值，并且具有手动可调功能。

通过手动调节，控制锅炉的温度，也可以在设置后，让锅炉实现智能温控。

同时，我们可以结合现实生活中一些锅炉或机械情况，使用矩阵键盘操作更灵活，用LCD显示可提供更多信息量。

2.3 设计方案论证设计一个实用的电子应用系统，首先必须考虑该系统需要实现的功能，其次要考虑设计成本，接着要考虑其可靠性和可维护性，最后揉合以上因数，力求该系统具有较高的性价比。

因此，我们对此次设计进行了多方面的论证与分析。

2.2.1 温度采集方案的论证与比较1. 方案1：采用单总线数字温度传感器DS18B20温度被检测到之后，在该传感器部直接进行处理，得出相应的数据，缓存在芯片的缓冲区，等待传输。

DS18B20连接到控制器的线路只需要一条信号线，且用了串行通信，符合现下多数设备的通信标准，使得DS18B20更受欢迎。

但是其测温围仅在-55~155摄氏度左右，且编程比较复杂。

2. 方案2：恒流源驱动PT100用1mA恒定电流驱动PT100热电阻，将电阻阻值（80.31~280.98Ω）经信号调理电路转换成0.8~2.8V之间的电压信号，ADC0809对该电压信号进行采样。

查询PT100分度表可知，在0~100摄氏度以，其阻值依线性缓缓上升，因此，在软件部建立线性方程可算出被测温度值。

PT100铂热电阻工作在1mA电流下，此电流下，铂热电阻不会因为电流流过发生的自热会引起测量误差。

因为电流恒定，无论电阻值大小都不会引起自热发生的测量误差，温度变化时铂热电阻值变化，根据欧姆定律，电压是电阻和电流的乘积，由于电流恒定不变，电压随电阻线性变化。

该方案得到了广泛应用，借鉴性高，实用性强，决定采取该方案。

2.2.2 A/D转换模块设计方案的论证与比较1. 方案1：采用芯片MC14433实现数据采集MC14433利用抗干扰性较好的二次积分原理为转换方式，牺牲转换速率以达到±1/1999的分辨率，相当于11位二进制转换精度，是性价比较高的模数转换芯片。

在速度要求不高的场合，是首选的ADC方案。

但其基准电压要求为2V，而2V电压在电子市场上的供应少，对于+5V或+15电源来说，价格要贵许多，同时其BCD码的传输方式输出会极大占用CPU的运行，且它在proteus没有仿真模块，不易于仿真和测试。

故不准备采用这种方案。

2. 方案2：采用芯片ADC0809实现数据采集模块ADC0809是目前要求精度不是很严格的大多数电子设计产品中的通用模数转换器件。

它通过逐次逼近的方式，对模拟电压进行分阶段性的比较，比较得出的8位数据作为数字量，实现模数转换。

8位数字量锁存在芯片的三态输出锁存器，单片机通过发送控制信号决定是否获取数据。

ADC0809程序设计简单，连接方便，在proteus中具有仿真模型，便于仿真和调试。

故采用这种方案。

3.1.3 AT89C51单片机部结构AT89C51的基本结构包括CPU、存储器、I/O口、定时器/计数器、中断系统、时钟电路等。

接下来我们选取基本结构中的重要部分进行详细介绍：CPU：8位CPU，主要用来完成算数和逻辑运算，是单片机中最重要的部分。

片RAM：共258个存储单元，分为两个部分，低128字节RAM和特殊功能寄存器SFR[3]。

其中低128字节的RAM又被分为00H~1FH的工作寄存区、20H~2FH 的可位寻址区、30H~7FH的数据缓冲区。

片ROM：4KB存储空间，可由EA引脚电平决定片还是片外寻址。

定时器/计数器：C51系列包含有两个16位的可编程定时器/计数器分别称为定时器/计数器T0和定时器/计数器T1；它们都具有定时器工作模式和计数器工作模式，对控制寄存器TMOD和TCON编程或位操作，可以选择工作模式和工作方式。

定时器/计数器的核心是2个8位的特殊功能寄存器TH1和TH2，开启定时或计数功能后，在这两个寄存器每过一个时钟周期就进行一次加“1”，计数对外部脉冲加1计数，定时则设定计数次数获得定时时间。

在单片机设计中，定时和计数功能的开启，定时的时间，计数的数目都由软件进行设定。

并行I/O口：共4个8位的双向I/O口，即P0、P1、P2、P3，因此数据可以用并行数据的方式与单片机进行数据传输[4]。

串行口：一个全双工的串行口，用于单片机与其他设备之间的串行数据发送和接收，当I/O口资源紧缺时，可利用串行口传输，极大提高I/O口利用率。

在多机通信中，串行口被用于异步通信，实现多机信息间的交流和控制[5]。

中断控制系统：C51系统通过4个特殊功能寄存器中的各标志位置“1”或清零操作来实现各种中断控制功能，分别为TCON定时器/计数器T0及T1的控制寄存器，SCON串行口控制寄存器，IE中断允许控制寄存器，IP中断优先级控制寄存器[6]。

在单片机中，中断申请只能单个响应，所以要依据自己的设计要求对中断源进行优先级排列。

中断系统分为外部中断和部中断，共5个中断源，如表3.2所示。

表3.2 AT89C51的中断源中断源中断入口地址说明INT00003H 外部中断0请求，由引脚P3.2输入，低电平/下降沿有效，中断求标志为IE0 T0 000BH 定时器/计数器T0溢出中断请求，中断请求标志为TF0INT10013H 外部中断1请求，由引脚P3.3输入，低电平/下降沿有效，中断求标志为IE1T1 001BH 定时器/计数器T1溢出中断请求，中断请求标志位TF1串行口0023H 串行口中断请求，当串行口完成一帧数据的发送或接受一帧数据时请求中断，中断请求标志为TI或RI2.2.3 键盘设计方案的论证与比较1. 方案1：采用独立式按键在单片机外围电路设计中，当I/O口资源充足时，我们通常选择独立式按键。

因为独立式按键基本不需要占用程序实行，在需要不断需要检测按键有效性的程序中，省却许多的检测时间。

独立式按键的使用也很简单，往往一个功能配一个键。

但是，一旦项目中需要按键实现大量的功能，比如在本次设计中需要数字键和其它功能键，如果采用独立式键盘，I/O口就会紧缺。

故不采用这种方案。

2. 方案2：采用矩阵键盘在大部分机械中，要求输入的容与信息不仅仅是简单的控制信号，在这种需要按键较多的情况下，通常采用矩阵键盘。

在本设计中，根据功能来说，需要0~9的数字按键10个，上下限温度功能键2个，确定、删除、返回、菜单功能按键共4个，总共16个按键。

使用4×4的矩阵键盘完全符合本次设计的需求，只需要8根I/O口线，即可以全部使用P2口控制。