基于单片机的热水锅炉温度控制系统设计

基于单片机的热水锅炉温度控制系统设计
摘要: 介绍了80c51单片机构成的小型热水锅炉温度控制的最小系统，主要包括数学模型的建立、硬件电路的设计和软件程序的分析。

关键词: 单片机；温度控制系统；热水锅炉；温度检测
0 引言
北方冬季分散取暖通常采用热水锅炉人工定时烧水供热的方法。

这种方法耗煤量大，居室温度变化大，费人力。

为解决这个问题，本文介绍一种用单片机控制热水锅炉供热的系统装置。

温度自动控制系统主要是有温度采集系统、液晶显示系统、扬声器报警系统和继电器控制系统四部分组成。

本次设计主要是以温度采集到的温度为参考。

如果温度在设定值内部，则系统正常工作，本系统的温度正常范围为0-50摄氏度，如果超出温度范围，则系统发出警报并控制系统负载停止工作。

1 系统总体方案设计
本系统主要有水位检测、温度检测、按键控制、水温控制、水位控制、循环控制、显示部分、故障报警等几部分组成来实现供暖控制，系统框图如图1 所示。

2 供暖系统的控制策略
对于供暖系统，环境温度反映了需热量，供水温度反映了供热量。

供暖对系统的要求为: 环境温度低时，供水温度高；环境温度高时，供水温度低。

根据实践经验，建立供暖系统的控制数学模型如下：
T 上限=
95 ℃ T h< - 10 ℃
85- T h - 10 ℃≤T h≤15 ℃ T
下限=
75 ℃ T h< - 10 ℃
65- T h - 10 ℃≤T h≤15 ℃
式中，T 上限为供水上限温度，T 下限为供水下限温度，T h 为环境温度。

上式说明，环境温度低于16 ℃时，每降低1 ℃，供水温度上、下限升高1 ℃；环境温度低于- 10 ℃时，供水上限温度为95 ℃，下限温度为75 ℃。

供水上限温度为停机温度，在开机状态下，当供水温度达到上限温度时系统即停机。

供水下限温度为开机温度，在停机状态，当供水温度降至开机温度时系统即开机。

当环境温度高于16 ℃时系统停机。

供水温度始终在上限温度和下限温度之间变化。

3硬件系统设计
用80C51单片机构成的热水锅炉温度控制电路如图2所示，此电路采用MCS-51系列的80C51单片机控制由于P0口是地址/数据复用线，当作地址线时，需要加一个地址锁存器74LS373锁存地址信号。

ALE信号接入74LS373的锁存控制端(G 端)。

对环境温度和供水温度的检测，选用AD590半导体温度传感器做温度检测元件，分别由环境温度—电压变换电路和供水温度—电压变换电路来完成。

由- 6 V， + 6 V，R1，R 2，R3，R 4，W 1，W 2，W 3，IC1，IC2，D1，D2，D3，D4 构成环境温度、电压变换电路。

其中，W 1，W 2，W 3
用于电路调整。

调整方法是：在环境温度为- 10 ℃时，调W 1，使U 01= 0V；在环境温度为15 ℃时，调W 2，使U 01= 5 V。

W3，D3，D4 构成输出限幅电路，在最大输出时，调W 3，使U 01= 5 V。

同样，由- 6 V，+ 6 V ， R5， R6， R7，R8，W4，W5，W6， IC3， IC4，D5，D6，D7，D8 构成供水温度电压变换电路。

当供水温度为 45 ℃时，调W4，使U02= 0 V；当供水温度为95 ℃时，调W5，使U02= 5V。

W6的调整与W3 相同。

硬件电路选用ADC0809 对U01和U02实现A/D 转换。

IN0 作U01的输入通道，IN1 作U02的输入通道。

通道选择线ADDA ，ADDB 接A0，A1；ADDC 接地。

ADC0809 作为80C51单片机的外部数据存储器与单片机相接，端口地址为7FFCH，7FFDH。

由RD及WR信号和端口地址P2.7进行控制转换。

A/D 转换结束信号EOC 由T1 检测。

控制电机启停的信号由P1口送出，P1.0控制引风电机，P1.1控制排渣电机，P1.2控制炉电机和鼓风电机。

P1.0，P1.1，P1.信号依次延时15 m in 送出来启动电机运转。

由P1口送出信号经同相驱动器7407、光电耦合及9013的功放，使继电器J动作，完成对相应电机的控制。

4程序分析及软件设计
整个程序包括两个部分：主程序和内部中断服务程序。

内中断由定时器T1溢出产生。

程序中使用的各寄存器的作用如下：
R0：暂存A 的内容；
R1：存放由ADC0809 转换的环温；
R2：存放由ADC0809 转换的水温；
R3：存放由R 1 内容查水温下限表得对应下限水温 R4：存放由R1内容查水温上限表得对应上限水温；
R5：存放定时器T1，初始常数的低8位；
R6：存放定时器T1，初始常数的高8位；
R7：当(R7)=00H，置(P1.1) =“0”(启动排渣电机)；
当(R7) = FFH，置(P1.2) =“0”(启动炉排电机和鼓风电机)，初始状态(R7) = 00H。

PSW. 5是用户标志位，在此用作锅炉电机启、停状态标志。

软件置“0”时，表示电机处于停转状态；置“1”时，表示电机处于运转状态，从而
控制程序的流向；初始状态PSW.5置“0”。

主程序流程图如图3 所示。

主程序启动后，进入初始化程序，在初始化中主要完成各控制寄存器控制字的确定和参数的传送等必要的初始准备工作。

启动ADC0809 采集环温，送R 1 保存，再次启动ADC0809 采集水温，送R2 保存。

首先判断环温是否高于16 ℃，即是否(R 1) = FFH，由此决定是否停机。

若(R1)≠FFH，由PSW. 5决定程序的流向如(PSW. 5) =“0”，由R1内容查温下限表，结果R3 保存。

当R 3< R2 时, 继续采集水温和环温；当R3≥R2 时，PSW 1 . 0置“0”
(启动引风电机)，启动定时器T 1，PSW. 5置“1”。

如(PSW. 5 ) =“1”，由R1 内容查水温上限表，送R4 保存。

当R4> R2 时，继续采集水温和环温；当R4≤R2 时， P1 口置“0FH”(电机停止运转)， PSW. 5置“0” .内部中断程序流程如图4 所示。

定时器T 1 定时时间(15 m in)到，进入中断服务程序。

程序首先判断是否(R 7)=“00H”。

当(R7)=“00H”时(启动排渣电机) ，给T 1 送定时初始值，启动定时器T1，置(R 7) =“FFH”；当(R7)=“FFH”时，PSW.5置“0”(启动炉排电机和鼓风电机)，给T1送定时初始值，置(R7) =“00H”，返回主程序。

5结束语
本系统硬件电路简单，介绍了单片机在锅炉温度控制中的应用，采用数字温度传感器、液晶显示屏LCD1602等使硬件系统大为简化。

系统精度高，自动控制功能。

并设有超过高温、低于最低温度时故障报警，有问题立即就能发现。

通过自动调节控制温度并实现锅炉内温度的自动控制。

保护温度控制在设定值上正常运行不需要人工干预，减小了操作人员劳动强度它可用于一台或多台小型取暖水锅炉的温度控制，可使居室温度基本恒定、节煤、节电、省人力。

附件：
主程序流程图
4内中断程序流程图。