1、当然电加热炉不仅能在工业领域内满足人们的要求，而且在家庭取暖领域 也得到了广泛的应用。该设计的目标是使电加热锅炉温度控制系统更智能和安全可靠。本系统完成了以下功能：（1）两个温度传感器分别对室温和锅炉内水温的实时检测，并通过LCD显示。（2）通过键盘能设定温度，并显示在监视器上。（3）采用液位传感器实时监测液位的变化，且可以联动报警并能够控制水泵的工作。（4）室内温度和设定的目标温度进行比较，根据出现的偏差对加热部分进行通断的控制。1.2设计任务 本系统的基本功能是:通过温度传感器的检测来实时显示室内空气和电加热锅炉内水的温度，通过键盘设定目标温度，根据比较采集温度和目标温度结果，控制加热部分
2、的通断。用液位传感器和报警模块来监控炉内液位的安全警戒液位，根据检测的结果控制抽水泵的工作。软硬件的合理划分完成液位和温度的实时监控，保证室内温度和液位的高度在一定的范围内。1.3 设计要求（1） 熟练掌握单片机的工作原理及其应用。（2） 有可靠的软件算法。 （3） 具有成熟且功能完备的硬件电路。 （4） 软件和硬件之间的合理划分。1.4 系统设计方案 本系统通过单片机及其外围电路的设计实现对锅炉水位/水温及室内温度的实时显示、控制及报警。该系统采用的控制器是单片机，利用两个温度传感器分别对炉内的水温及室内的温度实时的采集，并用显示器进行显示。目标温度设定部分采用的是矩阵键盘，通过它可以很方便
3、的设定目标温度值和控制电路部分的通断。采用了两个浮球液位传感器，虽然不能实时的显示液位的高度变化，但可以检测到是否达到安全警戒液位,当液位达到设定的安全警戒液位时会触发报警且加水泵采取相应的动作。系统的加热部分采用的元器件是电压220V、功率400W的电加热杯。室内温度的控制程序算法采用的是PID算法，使室内温度输出达到很平稳的状态。本系统的系统结构框图如图1所示。图1 系统结构框图第二章 各模块电路的方案选择及论证2.1 处理器方案方案一：处理器用AT89C51。它的体积小、功率小、性价比高、可靠性强、软件编程灵活，在电子行业应用相当的广泛。它的内存为4KB,可擦除次数可达到1000次，具有
4、40个引脚，可以通过外接A/D、D/A转换电路及运放电路对传感器采集的信息进行采集和放大。其内部逻辑功能强大，编写的程序语言用的是C语言，具有很强的可移植性。它一般被应用在微控制类、仪表类等民用电子产品中。 方案二：用PLC作为系统处理器。PLC即可编程逻辑控制器，开发语言有梯形图、功能图和语句表，相对于C语言比较复杂。它的程序可以在线修改,因此在调试时不需要亲临现场,在线就可以完成现场的调试,克服了空间上的局限性.但其价格比较昂贵，一般控制比较大的设备，在工业控制应用甚是普遍。基于以上陈述可知：虽然AT89C51单片机和PLC都能作为本系统的中央处理器，但PLC相对与AT89C51来说非常昂
5、贵，它更适用于更加复杂的控制系统，从体积和经济方面考虑,我选择方案一。2.2 温度采集模块方案 用Pt100温度传感器对温度采集。它是一种将测量装置的温度变量转换成传递标准输出信号之间的范围内的测量装置。它既可以采集温度亦可以采集湿度，测温的范围为200+200，湿度范围为1%100%。它的原理是热敏元件的电阻值会随温度的改变而成一定规律的变化，电桥电路中平衡遭到破坏，产生电信号的变化。它的价格比较昂贵，一般应用在工业领域。方案二：用DS18B20测温。DS18B20数字温度传感器是一个温度检测与转换于一体的，具有体积小，价格低廉，抗干扰能力强，精度高等特点的测温器件。它和单片机单总线连接，简
6、单方便不需外加电路，可测55至125的环境温度。它的线路简单，性能稳定，体积小，被广泛应用到生活中。方案三：运用SHT10温湿度传感器。它既可以测量温度也可以测量湿度，内部的传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板，和模数转换器及接口电路实现无缝连接。它可测量-40至123.8的环境温度，抗干扰能力强，采集的速度快，在电子领域能被广泛应用。本设计只需要检测温度而不需要测量湿度，且从价格和体积方面考虑，选择方案二来完成本次设计。2.3显示模块方案选择LED数码管显示。数码管较为常见，同时它价格便宜，还有低功耗等优点。想要得到我们想要的数字，就要驱动数码管的各个段码，数码管的驱动方式有两种，即动
7、态和静态方式。若用动态的驱动方式需要另外加入锁存器，否则无法动态显示。尽管数码管显示原理和程序设计简单，单只能用来显示位数不多的数字或字符，如果显示过多的字符或更复杂的内容，数码管不是最好的选择，且在电路焊制时需要接的引脚比较多，容易增加电路的复杂性，不符合电路简约的要求使用LCD12864显示。LCD1264液晶具有低功耗的优点，平板显示器的图像稳定和许多其他的优点，比如它的视觉区域，图像显示效果好，可以显示图形，自带字库可方便地显示汉字，代码量也较少，抗干扰能力增强，显示内容丰富。在显示汉字时，它可以显示4行的汉字，每行可以显示8个汉字，即最多可以显示32个汉子。一般的情况下，我们采用较多
8、的通信方式是串行通信方式，因为这种方式占用的单片机接口资源很少，即只占用单片机的两个引脚，多用于显示较多内容的小型电子产品。 方案三：选用LCD1062液晶显示器显示。LCD1602液晶显示器是一中低价格的小型显示的器件，外接线也很少，控制起来特别的简单，使用起来非常的方便，液晶显示可以通过软件显示2行16列的英文字符和数字，但是不能够很好地显示汉字等信息，适合显示一些简单的信息。 为了让设计产品具有良好的的视觉效果，同时也为了电路的简单，故选用方案二。2.4按键模块方案采用矩阵式键盘。它由多个独立按键组合而成，可以设定较多的功能，应用起来方便快捷，尤其体现在设置数值方面。通过矩阵键盘，我们可
9、以快捷地设定想要的数值，但在程序编写和硬件焊接方面比较复杂。采用独立按键。即每个按键的一端接地，另一端接单片机引脚，按键按下时单片机引脚检测到低电平，执行相应的程序。若用来设定数值，一般的情况采用的方法是加1或减一操作，因此不能快速地设定我们想要的数值。独立按键占用较多的的端口资源，通常用在功能比较简单场情况。综上所述且本课题设计需要快捷地设置目标温度的数值，因此我选择方案一。2.5报警电路模块方案采用有源蜂鸣器。它应用起来简单方便，只有两个引脚，和单片机之间通常加上一个三极管来驱动它工作，本系统采用的驱动是ULN2003A芯片。单片机控制蜂鸣器的工作很简单，即只需要引脚的的高低电平就可以控制
10、蜂鸣器的响和停。它价格便宜，控制简单，被广泛的应用于电子产品中。采用无源蜂鸣器。它和方案一中的有源蜂鸣器结构和功能是一样的，只不过它的发生条件比有源蜂鸣器更加严格，即需要一定占空比的方波才能触发它的发声。相对于有源蜂鸣器，软件编写较为复杂。采用语音芯片。语音芯片的功能很强大，可以录制并播放语音，它的工作原理是，将语音信号，通过采样转换成数字并存储在内存中，再利用电路将内存中的数字还原成语音信号，从而完成那个语音的录音和播放。它一般应用在特定的场合，且价格相对而言比较昂贵。本设计报警的目的只是提醒，所以只要达到这个目的即可，综合考虑选择方案一。2.6驱动电路模块方案方案一:运用驱动芯片ULN20
11、03A。它是有很强的驱动作用，内部是非门电路，即输入的电平和输出的电平相反。一个ULN2003A可以驱动7个相应的控制电路，从留有冗余方面考虑它是首选。采用三级管8550。它是电子领域中应用很普遍的放大器，事实上它放大的是电流，经过中间电阻的装换成电压的放大。一个8550只能驱动一个电路，所以在控制电路比较多的情况下不适用，但因其体积小、电压低被广泛应用到集成电路中。一片ULN2003A芯片可以驱动7个继电器，而一个三极管只能驱动一个继电器，本设计需要控制三个继电器，且从留有冗余方面考虑，采用方案一。2.7控制电路模块方案采用继电器控制。继电器是有线圈、铁芯、衔铁和触点簧片组成，它的工作过程是
12、给线圈通电，由于电磁感应定律产生电磁力吸合触点簧片，使触点簧片控制的执行电路处于通路状态，当停止线圈通电，则触点簧片断开，执行电路处于断路状态，从而控制了执行电路的导通和关断。它的功能实际上就是一个隔离电气开关，不需要加光耦，自身即可实现电气隔离。它根据功能的不同，可以分为常开、常闭和常/开常闭结构, 电路中起着自动调节、安全保护的作用。它的驱动电压和电流比较小，被广泛应用在低压控制电路中。采用可控硅控制。即晶闸管的别称，它在电力电子领域内备受青睐，多被用来完成整流、逆变和变频功能。由于它的触发导通条件的特性，我们可以用它实现无触点接触开关的控制，即可以控制晶闸管的基极信号来控制它的导通和关断
13、，从而实现控制输出波形和功率，因此晶闸管被广泛应用到调功率电路中。继电器的总类和功能繁多，电压范围广，且价格便宜，便于控制，因此本设计采用方案一。第三章 系统硬件及各电路设计本课题设计所用到的器件如表1所示。表1 电子器件列表AT89C51单片机 1片温度传感器DS18B20 2个LCD12864 1个驱动芯片ULN2003A 1片5V继电器 2个4X4矩阵键盘 1个220V、400W电加热杯 1个抽水泵（用电风扇代替） 1个浮球式液位传感器 2个蜂鸣器 1个3.1 处理器3.1.1 AT89C51单片机概述AT89C51单片机是整个系统的控制器，它是高速、低压、低耗能、强抗扰CMOS 8位的
14、微处理器。由4K Bytes的可反复擦写1000次的 FLASH只读存储器，128字节内部RAM，2个16位计数器/定时器，32个I/O接口，一个全双工串行通信口，一个5向量两级中断结构，片内振荡器和时钟电路组成1，其内部结构如图2所示。图2 AT89C51内部结构AT89C51完全兼容传统8051单片机的指令代码，编程采用的是C语言和汇编语言，可在线编程或使用编程器重复编程，其最小系统电路如图3所示。图3 AT879C51最小系统电路图AT89C51的引脚图如图4所示。图4 AT89C51引脚分布图3.1.2时钟电路STC89C51单片机通过XTAL1，ATAL2的两个引脚外接外部的晶振，能
15、够和两块电容器件组成一个并联谐振电路，从而组成自激振荡器。我们选择的电容值的大小通常为30pF，STC89C51单片机一般外接晶振的频率为12MHZ，则机器周期为1毫秒2。具体的接线时钟电路如图5所示。图5 时钟电路原理图3.1.3复位电路通常我们所编写的程序运行时都是处于一种正常的状态，即会一条一条语句正常地执行下去，但假如程序编写错误出现死循环或者其他一些错误导致程序指令乱飞，则这时就需要复位功能，让程序回到初始点，即0000H，实现此功能就是复位电路。一般可以将复位分为软件复位、上电复位和硬件电路复位。软件复位即防止程序的跑飞，一旦程序跑飞就进入0000H指令单元开始从头执行，但内存中的
16、临时数据并没丢失。上电复位其实也是引脚复位，单片机在通电的瞬间，电容充电相当于短路，此时RST引脚就接受了一个高电平，从而触发了复位动作。硬件复位，它的电路如图6所示，按键被按下后RST引脚得到到电平程序从头执行。上电复位和硬件电路复位都会对内存中的临时数据进行清理操作，本系统采用的是上电复位和硬件电路复位的方式。图6 按键复位电路原理图3.2 LCD12864液晶显示器液晶显示屏LCD12864现阶段在电子系统和微型计算机系统中应用比较常见的，和传统的LED数码管相比较可以看出，其表现出许多优点：干扰能力强、低功耗以及价格低等。配合软件程序的编写，LCD所显示的图片、汉字、数字以及字符，我们
17、可以完美呈现多种方式显示，比如跳跃、循环、翻转、闪烁等3。它有两个片选引脚，通过片选来控制哪个屏幕显示。该显示器显示字符和汉字的位置在显示屏上对应的地址分布如表2所示。表2 LCD12864的显示地址80H81H82H83H84H85H86H87H90H91H92H93H94H95H96H97H88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH98H99H9AH9BH9CH9DH9EH9FH该器件有13个引脚3，其功能描述如表3所示。表3 LCD引脚描述LCD12864拥有输出驱动，直接与八位控制器相连接，同时对液晶显示屏进行行、列驱动。它和控制器通信采用串行和并行方式，本设计采用的是串行同信方
18、式，因为其应用到的引脚比较少且比较简单,它的电路如图7所示。图7 LCD1602连接电路根据功能的要求我们可以用基本指令和扩展指令实现光标的显示、闪烁、移动，字体的左移、右移等多种功能，它的指令集如表4所示。表4 基本指令指令名称控制信号控制代码执行时间RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0清除显示11.6ms地址归0X72us进入设定点I/DS显示开关设置DCB一位控制S/CR/L功能设定DLO/RE设定CGRAMA5A4A3A2A1A0设定DDRAM3.3 温度采集模块使用传感器DS18B20对温度进行测量，它和单片机之间不需要中间电路，价格低，体积小，是一种很实用的温度传感器。DS1
19、8B20可以挂接在一根总线上，且可挂接多个传感器，因此占用单片机引脚资源少4。封装后的DS18B20适应性很强，可用于锅炉测温，机房测温，温室大棚测温等各种非极限温度场合。其电路图如图8所示。图8 DS18B20电路3.3.1 DS18B20的主要特性（1）电源由数据线直接供应，工作电压在3.05.5V之间。（2）与单片机间采用单总线连接。（3）一条总线可以挂接多个传感器。（4）可以和单片机直接相连，不需要添加中间电路。（5）能测量温度在55至125之间的环境。（6）具有不同的分辨率，可分为9位、10位、11位和12位分辨率5，且分辨率越高，数据的转换速度越快。（7）错接了VCC和GND，芯片
20、不能正常工作，只不过不能正常工作罢了。DS18B20只有三个引脚定义如下：（1）GND接电源地。（2）DQ和单片机相连，实现数据的通信。（3）VDD接外接供电电源, 电源电压范围为3-5.5V。图9 DS18B20封装图3.3.2 DS18B20内部结构图10所示的是DS18B20内部结构，由图可以看出它由温度灵敏元件、高温度及低温度触发器、64位ROM和配置寄存器组成。该传感器可以在一个工作周期内完成温度采集和数据处理。图10 DS18B20内部结构图 每个给器件都都对应唯一的一个编号，该编号有64位，中间的48代表产品的自身序列号，存储在传感器的ROM中，代表着传感器的地址。多处温度测量时
21、，温度采集的方法是读取该编码确定是哪个传感器，再读取温度。使用DS18B20时应注意：它对时序要求很高，在编写程序一定要保证时序的正确性；单总线多点测温时，传感器的数量不能过多，超过8个时，需要加驱动电路；远距离测量温度时要注意总线电缆的长度6。3.4按键模块本设计采用的是4x4矩阵键盘，电路图如图11所示。键盘在按下和弹起的时候会有机械抖动，在程序编写的过程中要进行消抖处理，一般我们机械消抖采用的方法是延时处理。该键盘的八条引线和单片机的八个引脚相连，通过软件实现整个键盘的功能。图11 4x4矩阵式键盘电路图3.5驱动芯片由于控制器引脚没有驱动能力，在设备和控制器之间需要加驱动电路来提高驱动
22、能力，本系统用的驱动芯片是 ULN2003A，它的资料介绍如下。ULN2003A有较高的电流增益，较强的带负载能力，驱动速速快，因此多用来直接驱动继电器。它有14个引脚，7个输入端和相应的7个输出端，内部是非门电路8，内部结构7如图12所示。由内部结构图可以看出它的内部具有一个非门，和单片机相连接，当单片机给其输入是低电平，与之对应输出引脚会输出高电平，反之输出低电平。图12 ULN2003A内部结构3.6 继电器控制电路本设计采用的继电器型号是9821-1A-5DS,它的驱动电压是5V，触点可以接受277VAC的电压、10A的电流。本设计用到的电加热锅炉的电压是220V，电流在2A以内，因此
23、留有两倍以上的安全裕度。它的电路图如图13所示。图13 继电器原理图3.7 液位检测模块 液位检测采用的是浮球液位开关，如图14所示。图14 浮球开关 浮球液位开关是一种结构简单，使用方便的液位控制器件，它不需要提供电源，没有复杂电路，它具有比一般机械开关体积小，工作寿命长等优点。造型里只要材质选用正确，和任何性质液体或压力，温度皆可使用。工作原理：液位传感器主要由有磁簧开关和浮球组成，浮球内有磁性材料，在密闭的非导磁金属管或塑料管内设置一个或多个磁簧开关，然后将导管穿过一个或多个带有磁性材料的浮球，并利用固定双环控制浮球与磁簧开关在相关位置上，浮球随着液体上升或下降，利用球内靠近磁簧开头的接点，产生开与关的动作，作液位控制或指示8（当浮球靠近磁簧开关是导通；离开时开关断开）。3.8报警模块本设计报警模块采用的无源蜂鸣器，由于单片机引脚没有驱动能力，因此在它和单片机之间加了一个驱动芯片，ULN2003A的输入端口5B给一个低电平，则输出端口5C会输出高电平驱动蜂鸣器蜂鸣，反之则停止蜂鸣，其电路如图15所示。
