基于单片机的锅炉自动给水系统doc.docx

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基于单片机的锅炉自动给水系统doc

本科课程设计说明书

基于单片机的锅炉自动给水系统

Designofboilerautomaticwater

supplysystembasedonMCU

学院（部）：

机械工程学院

专业班级：

测控11-2

学生姓名：

指导教师：

2015年1月21日

安徽理工大学课程设计（论文）任务书

机械工程学院（部）测控教研室

学号

学生姓名

专业（班级）

测控11-2

题目

锅炉自动给水系统

设计

技术

参数

（1）有效测温范围0℃～+100℃,精度1%

（2）液位传感器作用水位范围10cm-45cm

（3）液位传感器有效动作次数：

500万次

（4）继电器有效动作次数：

500万次

（5）继电器最大承受电流：

10A

（6）水泵相关参数：

额定电压12V,额定功率45W，最大压力1Mpa，最大流量4L/min

设计

要求

（1）能够准确实时检测锅炉水温并在LCD上显示

（2）能用液位传感器迅速检测锅炉水位是否超限

（3）选用的控制器接口要满足，处理速度要快

（4）驱动电路设计要合理，能够长时间承受一定的电流

（5）水泵和锅炉要匹配，能够有效长时间工作

工

作

量

1.撰写完整的说明书，页数不少于20页

2.用Protel完成主控板、驱动板原理图及相应PCB电路图（共4张）

工作

计划

第一周：

完成查阅资料、设计方案、编写流程等工作；

第二周：

完成硬件的焊接，连线工作以及硬件电路的调试工作;

完成程序的编写、编译、烧录、等工作；

完成系统调试工作，修改硬件--修改软件--再调试--直至完成

第三周：

完成课程设计说明书的撰写（交打印稿：

包括目录，正文，参考文

献等）;交设计说明书；答辩;

参考

资料

[[5]蔡美琴MCS-51系列单片机系统及其应用第二版北京高等教育出版社2004

[2]翟永前，蒋芳芳.基于MSP430单片机的智能数字电压表设计[J].化工自

动化及仪表，2011，（3）：

79-86.

[3]康华光电子技术基础模拟部分第五版北京：

高等教育出版社，2005

[4]康华光电子技术基础数字部分第五版北京：

高等教育出版社，2005

[5张鑫.单片机原理及应用[M].第二版.北京：

电子工业出版社，2010

指导教师签字

教研室主任签字

摘要

随着科学技术的发展，工业产品日趋智能化，很多小型工厂的运作都离不开锅炉，锅炉是最简单也是最重要的设备。

而同时很多锅炉低效且在使用工作中经常出现故障和意外事故,比如锅炉炉温过高造成的高压现象、锅炉水位过低时的继续加热现象和人工观察水位的安全线。

这种传统锅炉的给水方式和安全保障方法已经不能满足现代的发展需求，急需一种安全且高效的自动化锅炉给水系统。

本文以STC89C52单片机为核心，通过控制锅炉自动给水开发系统实现锅炉的自动进水、出水和实时温度显示。

位于锅炉底部的液位传感器检测水位并将信息传给单片机，单片机通过继电器的通断控制水泵1进水，然后18B20温度传感器检测温度，通过单片机，进而实现对继电器的控制，并通过继电器的通断来控制加热器加热，控制水泵2出水，最终实现对锅炉水位和水温的精确控制，并通过LCD液晶显示器实时显示水温。

经过前期的合理设计、protel软件绘制PCB板，和元器件的焊接，并最终通过keil软件、STC-ISP软件烧写调试。

本系统实现了从输入信号的有效检测，到信号的准确处理以及控制信号的实时输出，能够保证锅炉安全高效的自动进水、出水和实时显示水温的变化。

本系统能实现精确测量、稳定可靠、成本低廉、使用寿命长，具有很大的市场发展前景。

关键词：

STC89C52，继电器，温度传感器，液晶显示器

一、绪论

1.1引言

在现代社会中，随着工业的发展，居民生活区的集中热力供应量的需求也越来越大，蒸汽锅炉的容量不断提高，对操作过程要求也更加严格。

其中锅炉的液位和锅炉的进水、出水控制直接影响人们自身和设备的安全。

传统的液位控制不能进行远距离的集中控制，具有自动化程度低，调节精度差等缺点，单靠人工操作已不能适应时代的发展。

随着科学技术的不断进步，控制系统改造的必要性日益增加。

在这些复杂的系统面前，传统的控制方法无法满足控制精度要求，而且系统稳定性差。

同时随着单片机技术、自动控制技术的迅速发展，利用单片机及其外围芯片实现锅炉液位控制已经成为可能，而且也成为一种发展的趋势，52类单片机不仅有体积小，安装方便，功能较齐全等优点，而且有很高的性价比。

通过单片机实现锅炉的进水、出水和锅炉水温的控制，将保证锅炉正常供水，安全经济运行。

本文即是用单片机实现锅炉自动加热、给水、出水控制，其有较高的实用价值和发展前景。

1.2设计内容

本系统的研究对象为锅炉中的水位和水温，整体思路是用液位传感器、温度传感器将被测量转为单片机可识别的信号，通过LCD显示器显示当前状态，并输出相应控制信号，控制执行元件水泵和加热器。

系统硬件包括以下几部分：

STC89C52芯片核心控制器，液位传感器、温度传感器、水泵等部分。

1.3设计要求

（1）开始时位于锅炉底部的液位传感器1处于断开状态，启动水泵1对锅炉进行加水，当液位传感器1受到水浮力后给单片机一个信号，单片机控制水泵1继续加水一定时间，同时控制加热丝给水加热

（2）当DS18B20温度传感器检测温度达到100℃时，单片机控制加热丝停止加热，然后控制水泵2放水

（3）当液位传感器1再次动作时，单片机控制水泵2停止放水，然后控制水泵1开始加水

（4）用LCD液晶显示器显示当前水温和设定值。

（5）液位传感器2用作安全作用

二、系统硬件设计

2.1系统硬件设计总体介绍

本系统以STC89C52单片机最小系统为核心，液位信号通过两个液位传感器输入，温度信号由温度传感器18B20采集并传至单片机，单片机接收有效信号并将控制信号输出至驱动电路，由驱动电路带动加热器，水泵的进水、出水等工作。

2.2系统方框图

位于锅炉底部的液位传感器1将信号传送给单片机主控芯片，单片机主控芯片控制进水泵1开始进水，通过延时一段时间，单片机通过主控板控制加热器给炉水加热，当温度达到温度传感器设定的温度时，单片机控制出水泵工作排水，流程图如图2-2-1。

图2-2-1

2.3具体系统硬件设计

52系列单片机以其简单的串口下载方式和价格低廉广受青睐。

根据要求，本系统选取STC89C52系列单片机作为系统的主控芯片，其他硬件包括传感器、驱动板、显示器等。

2.3.1、单片机最小系统

89C52系列单片机的最小系统包括：

电源，复位电路，晶振电路，有了这些，52就有了工作的物理条件了。

单片机最小系统如图3-1所示。

图3-151单片机最小系统

2.3.2时钟电路

我们首先理解时钟电路的作用，在单片机工作时，是一条一条地从RoM中取指令，然后一步一步地执行。

单片机访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期，这是一个时间基准。

—个机器周期包括12个时钟周期。

如果一个单片机选择了12MHz晶振，它的时钟周期是1/12us，它的一个机器周期是12×（1/12）us，也就是1us。

而机器周期不仅对于指令执行有着重要的意义，而且机器周期也是单片机定时器和计数器的时间基准。

例如一个单片机选择了12MHz晶振，那么当定时器的数值加1时，实际经过的时间就是1us，这就是单片机的定时原理。

因此可以说，没有晶振，就没有时钟周期，就无法执行程序代码，单片机就无法工作。

时钟电路分为内部时钟电路和外部时钟电路两种。

如图3-12，在内部方式时钟电路中，必须在XTAL1和XTAL2引脚两端跨接石英晶体振荡器和两个微调电容构成振荡电路。

通常C5和C6一般取22pF至30pF；晶振的频率取值在1.2MHz至12MHz之间，常取12MHZ或11.0592MHZ。

对于内部时钟方式，其稳定性较外部时钟时钟方式好，本系统采用内部时钟方式。

图3-12内部时钟电路

2.3.3USB下载电路

本系统的下载电路以USB转串口芯片CH340为核心，将USB转为串口，然后和单片机的RX、TX引脚进行串口通信，将程序的HEX文件下载至单片机。

另外USB还为主控板提供工作所需的5V电源，其原理图如图3-13所示。

图3-13USB下载电路

2.3.4、浮球液位开关简介

图3-14为浮球液位开关得实物图，它是一种结构简单、使用方便、安全可靠的液位控制器。

当浮球开关被测介质浮动浮子时，浮子带动主体移动，同时浮子另一端的磁体将控制开关动作杆上的磁体来控制电路的通断。

浮球开关的一端与单片机的一个引脚连接，另一端与地连接，在开关断开时单片机的引脚为低电平，当开关闭合时，单片机的这一引脚变为低电平，从而给单片机一个信号，控制后续电路。

图3-14-1液位开关实物图图3-14-2液位开关原理图

2.3.5、LCD1602液晶显示器

1602液晶显示器是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

1602共16个管脚，脚1：

VSS为电源、脚2：

VCC接5V电源正极、脚3：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）、第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据端、第15～16脚：

空脚或背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。

但是编程用到的主要管脚只有三个，脚4为RS为寄存器选择，高电平选择数据寄存器，低电平选择指令寄存器；脚5为RW为读写选择，高电平进行读操作，低电平进行写操作；脚6E端为使能端，后面和时序联系在一起。

编程主要围绕这三个管脚展开进行初始化，写命令，写数据。

LCD1602内部RAM显示缓冲区地址的映射图，00～0F、40～4F分别对应LCD1602的上下两行的每一个字符，只要往对应的RAM地址写入要显示字符的ASCII代码，就可以显示出来。

图2-35LCD1602原理图

2.4锅炉自动给水模块介绍

锅炉自动给水驱动板主要由6N137光耦合器、ULN2003复合晶体管、SRD-05VDC继电器等组成。

2.4.1、6N137光耦合器

6N137光耦合器的作用是高的输入输出隔离，减少各部分的干扰作用。

它的内部结构原理如图3-21所示，它由光敏二极管、发光二极管及集电极开路的三极管组成。

信号从脚2和脚3输入，发光二极管D1发光，经片内光通道传到光敏二极管D2，反向偏置的光敏管D2光照后导通，经电流-电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另一个输入为使能端，当使能端为高时与门输出高电平。

若希望在传输过程中不改变逻辑状态，则从脚3输入，脚2接高电平,该锅炉自动给水驱动板选用这样接入方式，如图3-22，3个6N137的每个引脚2都与+5v电源相连，当单片机的一个引脚连接到CON5的第四个插针（K1）并给其低电平，串联一个保护电阻与6N137的引脚相3连，则6N137的引脚6仍保持逻辑电平不变，输出低电平并送至ULN2003的三个引脚IN1、IN2、IN3。

图3-21

图3-22

2.4.2、高耐压、大电流复合晶体管ULN2003

在理解ULN2003之前，我们首先理解一个概念，在模电书本上称为复合管，就是共集-共集放大电路，也叫做达林顿管。

（1）达林顿管原理

达林顿管是将两个三极管串联，以组成一只等效的新的三极管。

这只等效三极管的放大倍数是原两个三极管放大倍数之积，因此它的特点是放大倍数非常高。

如图3-21，复合管的集电极电流Ic=Ic1+Ic2=β1Ib+β2Ib2=Ib[β1+β2+β1β2]

所以复合管的电流放大倍数：

β=β1+β2+β1β2

一般的β1、β2>>1，那么：

β1β2>>β1+β2

所以：

β≈β1β2β很大

达林顿管的放大作用一般是在高灵敏的放大电路中放大非常微小的信号，如大功率开关电路。

在电子学电路设计中，达林顿接法常用于功率放大器和稳压电源中。

图3-21

（2）高耐压、大电流复合晶体管ULN2003工作原理

如图3-22-1是ULN2003的内部电路，它除了包含达林顿管外，还集成了一个保护作用的二极管，如果没有二极管，达林顿管会被击穿，它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,输入电压=5V。

如图3-22-2所示，ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，这里我们只用到了3个输入引脚IN1、IN2、1N3，3个输出引脚OT1、OT2、OT3，其中3个输出引脚分别直接与一个继电器连接，用于控制水泵开关的通断。

引脚8接地，9脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。

图3-22-1图3-22-2

2.4.3DS18B20温度传感器

DS18B20是常用的温度传感器，具有体积小，抗干扰能力强，精度高的特点。

它具有独特的单线接口方式，DS18B20在与单片机连接时仅需要一条口线即可实现单片机与DS18B20的双向通讯。

DS18B20的内部结构主要由三部分组成，64位ROM、温度传感器、温度报警器组成。

ROM相当于它的地址序列号，在出厂前就刻好了，包括8位检验CRC、48位序列号和8位工厂代码，温度报警器TH、TL中可以存放温度上下限。

在存储器中数据的前5位为符号位，比如这五位二进制为0，则温度大于0度，再将测得数据乘对应的分辨率得到了温度。

在编程时要有复位、写操作、读操作。

图3-23-1DS18B20实物图图3-23-2DS18B20原理图

2.4.4SRD-05VDC继电器

SRD-05VDC电磁继电器常用于以弱控强的电路中，如图3-24-1继电器原理图所示,其中1为常闭触点，3、5为控制端，2为常开触点，当3、5给有效电平时，线圈得电吸合触点，接通2、4触点。

锅炉自动给水开发板PCB图中继电器的初始状态如图3-24-2所示，当锅炉自动给水开发板上电后继电器的触点2将动作接到触点3使继电器断开。

当ULN2003的引脚16输出一个高电平时，继电器的触点讲再次动作连到触点2，从而使继电器控制水泵导通。

图3-24-1继电器原理图图3-24-2PCB上继电器

三、系统软件设计

3.1系统软件设计思路

因为本系统的的被测量为水位和水温，当液位传感器检测到锅炉无水时系统只进行加水，同时禁止其他一切操作。

只有当检测到锅炉有水时系统才允许加热和放水。

所以程序的开始就应该先判断锅炉的当前状态。

本系统考虑到现实生活某些因素，设计时一直让锅炉处于无水状态。

即当系统检测到水位低于下限水位时立即加水。

3.2系统软件设计流程图

本系统从输入信号出发，结合实际应用，以52系列单片机为控制中心，明确输入输出的对应关系，达到设计要求。

其设计流程如图3-1所示。

四、实验内容及调试结果

4.1系统实物展示

如图4-4-1是为了实现锅炉自动进水、出水和实时显示温度而焊接的单片机主控板和锅炉自动给水驱动板的实物图。

图4-4-1

4.2系统调试过程

4.2.1LED数码管显示电路

发光二极管显示器由若干个发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光，控制不同的发光二极管导通，就能显示各种字符，下图3-15为常用的七段显示器结构原理图。

点亮显示器有静态和动态两种方法，静态就是二级管恒定导通或截止，动态显示就是轮流导通或截止，这就涉及到段选和位选。

下图4-21数码管显示电路为共阳极，1H、2H、3H、4H分别控制四个发光二极管的选用，与单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3四个引脚连接，当某一个引脚为低电平时，则三极管导通，选择某一位，即选择某一个二极管发光。

A、B、C、D、E、F、G、DP分别控制每个发光二极管显示器的一段或一点，与单片机的P10、P11、P12、P13、P14、P15、P16、P17八个引脚连接，并分别连接一个保护电阻，当位选确定后，八个引脚中任一个引脚给低电平时这一段或一点导通发光。

图4-21LED数码管显示电路

4.2.2系统调试过程

我们组首先完成了电路板的焊接，在焊接时我们首先焊接较小和较矮的元器件，然后焊接较大的。

接着我们分析了主控板和驱动板的电路原理图，并完成了这些图的绘制。

最后我们完成的是编程和实验调试，实验测试的实物图如下图4-2-2所示，实验调试结果达到了预期目的。

4.2.3流水灯左移程序

#include

#include

typedefunsignedintuint;

typedefunsignedcharuchar;

voiddelay（uintt）

{

uinti,j;

for（i=100;i>0;i--）

for（j=t;j>0;j--）;

}

voidmain（）

{

while

（1）

{

uinta=0;

uchartemp=0xfe;

while（a<4）

{

P1=temp;

temp=_crol_（temp,1）;

delay（300）;

a++;

}

}

}

4.2.4流水灯右移程序

#include

#include

typedefunsignedintuint;

typedefunsignedcharuchar;

voiddelay（uintt）

{

uinti,j;

for（i=100;i>0;i--）

for（j=t;j>0;j--）;

}

voidmain（）

{

while

（1）

{

uinta=0;

uchartemp=0xf7;

while（a<4）

{

P1=temp;

temp=_cror_（temp,1）;

delay（300）;

a++;

}

}

}

4.2.5流水灯闪烁程序

#include

typedefunsignedintuint;

typedefunsignedcharuchar;

voiddelay（uintt）

{

uinti,j;

for（i=100;i>0;i--）

for（j=t;j>0;j--）;

}

voidmain（）

{

uchartemp=0xff;

while

（1）

{

P1=temp;

delay（300）;

temp=~temp;

}

}

4.2.6数码管的动态显示

#include

#include

typedefunsignedintuint;

typedefunsignedcharuchar;

voiddelay（uintt）

{

uinti,j;

for（i=100;i>0;i--）

for（j=t;j>0;j--）;

}

voidmain（）

{

uchartemp;

while

（1）

{

temp=0xf7;

P2=temp;

P1=0xa4;//2

temp=_cror_（temp,1）;

delay（5）;

P2=temp;

P1=0x82;//6

temp=_cror_（temp,1）;

delay（5）;

P2=temp;

P1=0xf8;//7

temp=_cror_（temp,1）;

delay（5）;

P2=temp;

P1=0x90;//9

delay（5）;

}

}

4.2.7烧写程序

程序编写完成后要编译烧写，烧写需要用到STC-ISP烧写软件，烧写时主要注意串口的选择、波特率的大小和下载后才能上电。

如图4-2-7，程序烧写进单片机后，单片机正常工作，功能实现较好。

图4-2-7

4.3系统调试结果

我们实现了流水灯的左移、右移、流水灯的闪烁以及数码管的显示。

最后实现了锅炉的进水、出水以及温度的实时显示。

五、结论

本系统以52单片机为核心，配合传感器和驱动对锅炉实现了精准测控，大大减少了锅炉的故障发生和安全威胁，系统具备全自动工作，提高了锅炉的效率，具有十分广阔的市场应用前景。

　　我们的课程设计有两个主要内容：

一个是流水灯数码管实验；另一个就是智能启闭控制系统。

实习可以在实验室里做，也可以在寝室里自己做，我大部分时间还是在实验室里做的。

　　电路板的焊接、流水灯数码管的设计是第一周的内容，由于有了老师的电路图，焊接电路板相对简单些，主要就是编程的难度比较大。

单片机的编程用的主要是汇编语言，说实话，我对汇编语言谈不上掌握，充其量只是了解，所以我们基本上用的是C语言进行编程。

学校安排的课程真的太少了，关于语言部分的学习只学了几节课的内容，整本单片机书的内容也是学了三分之一多一点。

鉴于时间和试验条件的限制，本论文在许多方面做得还不够完善，由于时间仓促，本论文中还存在以下问题有待解决：

1、输入信号采集部分，应选用更适用于高温工业场合的温度传感器，如热电偶等；本系统的液位传感器在高温中长时间受热后容易失效，故应采用更好更准确的传感器。

2、本系统只能实现依次执行指令动作，不能够更加自由的嵌套实现各个模块的功能，有待于在系统的自动化方面继续深入；

3、本系统的控制器采用8位51单片机，其接口有限，速度较慢，为了方便扩展其他功能，如触摸屏控制、锅炉表面状态检测等，需要更换性能更好、速度更快的处理器，如STM32或MSP430等低功耗单片机。

4、输出驱动部分，在本系统中以实验仿真为目的，主要讲述52系列单片机在测控系统中的应用。

而在实际工业中因为一些电力设备均采用大电压交流供电，所以在输出控制继电器部分还需增添一级继电器，以承受更大的电流，驱动大功率设备。

六、致谢

经过三周的艰苦奋斗和不懈努力，我们一起完成了这次课程设计的设计和制作。

综合来看，本次课程设计包括硬件和软件部分，是综合多学科知识的平台，对于我们专业课的学习和知识面的扩展有极大的帮助，也符合了对于复合型人才的培养目标。

当然,成功的背后离不开我们团队的合理分工与团结合作，更离不开老师的指导与帮助。

在此，小组全体成员衷心地感谢指导老师所做的不懈努力与无私奉献。

这次课程设计让我们受益匪浅,我们不仅收获了成功的喜悦，而且感受了学以致用，深深地体会了知识的力量。

在设计制作过程中我们学会了为人处事，学会了团队合作,这是我们在这次课程设计中最大的收获。

在品尝这次课程设计中取得某种成功喜悦的同时，我们也发现了自身的不足。

这次课程设计让我们受益终身,将让我们以后走得更稳、更远。

由于时间仓促，报告或有不尽人意之处，望谅解。

参考文献

[1]P.Scherzal,实用电子元器件与电路基础[M].北京：

电子工业出版社，2009.

[2]郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京：

电子工业出版社，2008.

[3]谭浩强.C程序设计（第三版）[M].北京：

清华大学出版，2008

[4]蔡美琴.MCS-51系列单片机系统