基于单片机的锅炉防爆控制系统

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1、长江大学工程技术学院毕业设计(论文)题 目 名 称基于单片机的锅炉防爆控制系统系 部信息系专 业 班 级自动化60901班学 生 姓 名周鹏指 导 教 师周勇辅 导 教 师周勇时 间2012年9月15日至2013年6月8日目 录长江大学工程技术学院毕业设计（论文）任务书长江大学工程技术学院毕业设计（论文）开题报告长江大学工程技术学院毕业设计（论文）指导教师审查意见长江大学工程技术学院毕业设计（论文）评阅教师评语长江大学工程技术学院毕业设计（论文）答辩会议记录中文摘要英文摘要前言1 绪论11.1 课题背景及研究意义11.2 系统的总体设计思想12 锅炉防爆设计方案32.1 系统结构框图32.2

2、微控制器方案选择32.2.1 方案一32.2.2 方案二42.2.3 方案决策42.3 温度传感器的选择42.3.1 方案一42.3.2 方案二52.3.3 决策方案52.4 压力传感器的选择52.4.1 方案一52.4.2 方案二52.4.3 决策方案62.5 A/D转换芯片选择62.5.1 方案一62.5.2 方案二62.5.3 决策方案62.6 显示电路选择62.6.1 方案一62.6.2 方案二62.6.3 决策方案72.7 最终方案决策73 硬件电路设计83.1 单片机模块83.2单片机简介83.3 单片机最小系统103.3.1 时钟电路103.3.2 复位电路103.4 温度检测电

3、路设计113.4.1 DS18B20简介113.4.2温度采集电路123.5压力检测电路设计133.5.1 MPX4115简介133.5.2 压力采集电路143.6 A/D模块153.7 显示电路设计163.8 报警电路设计193.9 稳压电源电路设计193.10 按键电路设计203.11 控制电路214 系统软件设计234.1 主流程图设计234.2 中断程序设计244.3 DS18B20温度采集子程序设计244.4 MPX4115压力采集子程序设计254.5 LCD液晶显示子程序设计265 结果分析28总结29参考文献30致谢31附录32长江大学工程技术学院毕业设计(论文)任务书系 信息

4、专业 自动化 班级 自动化901学生姓名 周鹏 指导教师/职称 周勇/讲师1. 毕业设计(论文)题目：基于单片机的锅炉防爆控制系统设计2. 毕业设计(论文)起止时间： 2012年09月20日2013年 6月1 日3毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分） 1）温度传感器、水位传感器和压力传感器等相关资料； 2）有关单片机系统编程与实践的新书4毕业设计(论文)应完成的主要内容1）了解锅炉防暴控制系统的作用、工作原理及发展状况，查询和搜集锅炉防暴系统的有关资料；2）熟悉单片机控制系统的结构，如：系统管理、存储器映射、时钟和电源管理、中断控制器、定时器、实时时钟、通用输入/输出端口及接

5、口。3）熟悉各种传感器（温度）的基本工作原理，特点及相应电路的设计；4）搜集锅炉防暴系统的有关设计资料，进行分析制定设计方案。任务书下达日期 年 月 日 指导教师(签字) 长江大学工程技术学院毕业设计（论文）开题报告题 目 名 称单片机控制的锅炉防爆系统系 部信息系专 业 班 级自动化60901班学 生 姓 名周鹏指 导 教 师周勇辅 导 教 师周勇开题报告时间2012年12月25号单片机控制的锅炉防爆系统学生：周鹏，信息系指导教师：周勇，长江大学工程技术学院1、题目来源：本题来自于生产实际。2、研究目的和意义锅炉是特种压力容器设备，是工业生产和居民生活广泛应用的供热装置。传统的锅 炉设备自动

6、化水平低，安全性能差，热量利用率低，污染严重，生产成本高，司炉工工 作强度高我国现有大、中型锅炉30 多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的2/5，另外 还有更多的小型采暖锅炉。目前大多数锅炉仍处于能耗高、浪费大、对环境污染比较严 重的生产状态，因此，利用单片机技术提高锅炉自动化水平，对节能、环保诸方面意义 重大，符合世界高新技术的发展潮流，是用低成本自动化技术武装传统设备的一项具有 深远意义的工作。单片机又称微控制器，是微型计算机的一个重要分支单片机是70 年代中期发展起 来的一种大规模集成电路芯片，是集CPU、ROM、I/O 口和中断系统于同一硅片的器件由 于单片机具有功能强，体积小，耗电少，

7、可靠性好和价格便宜等独特优点，成为传统工 业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有广阔的发展前景。利用单片机技术对锅炉进行自动系统改造后，锅炉的自动化水平和热量利用率大大 提高，控制更加精确安全，所需劳动力大大减少，劳动强度和劳动环境也得到很好改善， 成本也大幅度下降。3、阅读的主要参考文献及资料名称1 方佩敏.新编传感器原理应用电路详解M.北京：电子工业出版社，19942邢彩虹.微机控制机车火灾探测系统的研究D.北京：:清华大学出版社，19963何立民.单片机应用系统设计M.北京：航天航空大学出版，19994 李广弟.单片机基础M.北京：北京航空航天大学出版社，20015 康华光.电子技术

8、基础M.北京：高等教育出版社，20066 何希才.新型实用电子电路400例M.电子工业出版社，2000，7 赵负图.传感器集成电路手册M.化学工业出版社2004,5905988 陈伯时.电力拖动自动控制系统M.第二版 北京:机械工业出版社，2006,127130 10 张振荣.MCS-51单片机及实用教程M.人民邮电出版社 20004、国内外现状和发展趋势随着技术的发展和人们对低工耗低污染的要求，国内外的工程技术人员都不断的研制开发或改进各种新型锅炉。在发达国家，大部分居民已采用电热式采暖系统。该系统控制简单，高效无污染。得到人们的普遍青睐。但在国内，由于我国电力资源比较吃紧，而我国又具有世界

9、第一的储煤量，再加上我国人口众多，城市中居民生活比较集中。所以采用燃煤式采暖系统比较符合国情。在国内锅炉的研究领域中，一般都是由工业锅炉的研究带路。工业锅炉大多采用 PLC 控制，PLC 控制成本很高，而且控制和通讯能力，反应的灵敏性方面都不如单片机。就目前现状，单片机控制的多采用8051单片机，该类型单片机往往需要扩展大量的外部存储器，并行 I/O 口等，导致在软件编程中问题复杂化，提高了不稳定性。新型单片机的发展很快，各方面的功能与以前相比都得到了加强，因而采用新型单片机已是控制方面的一种趋势。5、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路（1）主要研究内容单片机的选型，内部分配及外部接

10、线，组态软件的选择； 单片机组态软件软件的应用； 传感器的选型，各种数据的采集和控制； 单片机的锅炉控制系统设计改造的软件设计。（2）重点研究的关键问题单片机控制系统的结构以及各种传感器（温度、压强）的基本工作原理。（3）解决思路搜集及了解相关的温度、压强控制系统的原理及特点，进行分析比较、科学合理的制定设计方案。介绍各种传感器基本工作原理，工作特点及其相应电路的工作原理。熟悉Keil，Proteus软件，特别是程序的开发和调试。熟练掌握AT89C51单片机的各项原理及应用。（4）毕业设计的思路本系统由AT89C51单片机控制，采用温度和烟雾两种传感器探测锅炉易爆处各阶段的温度和压强，经检测电

11、路和压频转换后送 CPU进行判断，由声音和灯光输出报警信号。系统软件方面是通过单片机的程序设计来实现温度与压强的检测与报警。（5）系统结构原理图设计声音报警器（1）硬件系统原理框图信号放大电路模数信号转换电路LCD显示器8255扩展芯片AT89C51单片机温度传感器压强传感器键盘灯光报警器图1 硬件系统原理框图6、完成毕业设计（论文）所必须具备的工作条件（如工具书、计算机辅助设计、某类市场调研、实验设备和实验环境条件等）及解决的办法本论文主要通过Proteus软件对单片机控制的机车火灾报警系统进行仿真调试，理论上最终实现了对单片机控制的机车火灾报警系统的控制。完成本毕业设计所需条件：计算机，辅

12、助软件软件，图书馆查阅相关资料以及上网查阅相关资料，与指导老师交流设计心得。7、工作的主要阶段、进度与时间安排第一阶段：阅读并翻译与毕业设计相关的外文资料。（2013.1-2013.2）第二阶段：初步阅读与毕业论文相关的资料，撰写开题报告。（2013.3.1-2013.3.20）第三阶段：课题方案的研究与论证，通过对相关资料的研究设计出一个比较合理、简洁、实用的方案。（2013.4.1-2013.4.30）第四阶段：系统总体结构分析与设计，做实验，得到数据，设计完善的系统总体。 （2013.5.1-2013.5.2）第五阶段：修改并完善论文，撰写并打印设计说明书，准备答辩。（2013.5.3-

13、2013.6.8）第一、二阶段，以第八学期为起点，三周内交指导老师审阅;第三阶段，以交开题报告为起点，至第七学期末； 第四、五阶段，以第八学期毕业前为期，即2013年五月上旬至6月中旬。8、指导教师审查意见长江大学工程技术学院毕业设计(论文)指导教师审查意见学生姓名专业班级毕业设计(论文)题目指导教师职 称审查日期审查参考内容：毕业设计(论文)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业设计(论文)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。审查意见： 指导教师

14、签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学工程技术学院毕业设计(论文)评阅教师评语学生姓名专业班级毕业设计(论文)题目评阅教师职 称评阅日期评阅参考内容：毕业设计(论文)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业设计(论文)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学工程技术学院毕业设计(论文)答辩记录及成绩评定学生姓名专业班级毕业设计(论文)题目答辩时间 年 月 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答

15、辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分毕业设计(论文)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业设计(论文)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日系答辩委员会主任(签名)： 系 (盖章)基于单片机的锅炉防爆控制系统设计学生：周鹏，信息系指导老师：周勇，长江大学工程技术学院摘要 生活锅炉和工厂小型锅炉的防控设置比较简单，爆炸时有发生。为了及时发现锅炉运行过程中可能产生的爆炸隐患，避免恶性事故发生，本文探索了用于锅炉的防爆控制系统。本文采用大容量闪存、稳定性强的AT89

16、C51单片机，利用DS18B20温度传感器、MPX4115压力传感器对锅炉的温度、压力进行检查，设计具备多级管理功能的锅炉防爆控制系统。通过LCD1602液晶芯片对锅炉超压、超温进行提示。利用STC单片机设计出的锅炉防爆控制系统，功能多样、稳定性强，能有效的避免锅炉爆炸，确保锅炉的安全运行。通过硬件软件的结合设计出的锅炉防爆控制系统能及时发现问题，及时有效地将爆炸隐患消灭在初始阶段，为保卫人类生命，财产以及资源的浪费发挥了重要的作用关键词 锅炉 防爆 AT89C51 传感器Based on single chip microcomputer control system design of b

17、oiler explosion proofStudent：YINHUAN， Department of InformationTeacher：ZHOU YONG， engineering& technology college of Yangtze universityAbstract Life the prevention and control of boiler and small boiler factory set is simpler, explosion occurred frequently. For boiler used in the process of explosio

18、n danger in time, avoid malignant accidents, this paper explores the explosion-proof control system for boiler. In this paper, using the large capacity flash memory, strong stability of AT89C51, using DS18B20 temperature sensor, MPX4115 pressure sensor to inspection of boiler temperature, pressure,

19、explosion-proof design with multiple levels of management function of boiler control system. Through LCD1602 LCD chip for boiler overpressure, calibrate hints. Use on STC microcontroller designed explosion-proof control system of boiler, functional diversity, stability is strong, can effectively avo

20、id the boiler exploded and ensure the safe operation of boiler. Blast through the combination of hardware and software design of the boiler control system can timely found the problem, the explosion concerns in a timely and effective manner in the initial stage, to protect human life and property, a

21、nd waste of resources play an important role. Key words boiler Explosion-proof AT89C51 The sensor前言近年来，随着微电子技术的迅速发展和超大规模集成电路的出现，微处理器芯片的集成度越来越高，已经可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、甚至A/D转换器等。人们把这种超大规模集成电路芯片称作“单片微控制器”，简称为单片机。单片机的出现，引起了仪表领域内的一场新的技术革命，以单片机为主体取代了传统的仪器仪表的常规电子线路，可以容易的将计算机技术与测量控制技术结合在一起。组成

22、新一代的所谓“智能化仪器仪表”。这种新型的智能仪表在测量过程自动化，测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用微处理器使之成为智能仪表的，而目前在仪器仪表中使用得最多的微处理器就是单片机。用单片机作为控制器，已经有许多应用领域1。同时在传统的锅炉供热系统中，循环泵的启动和停止都由人工操作，而补水泵是由安装在回水管上的电接点压力表控制的。通过电接点压力表设定的回水管补水压力的上下限值，来控制补水泵的停止和工作。其中压力上限值应不大于管道和锅炉所承受的最大压力，压力下限值应保证系统水不汽化。这种控制就导致了工人劳

23、动强度大，工作环境差。就各工业部门的现实来看，除研制新型节能锅炉意外，对现在旧设备进行技术改造，提高锅炉的自动化程度也是一项重要的途径。根据题目要求，本毕业课题是单片机控制的锅炉防爆控制系统，硬件设计模块主要由探测模块，报警模块，显示模块等组成。它的基本功能是通过探测器准确探测温度值和压力值，精确判断爆炸隐患是否启动报警。所以确定方案如下：用AT89C51单片机作为控制核心，外接温度及压力探测模块、报警模块以及显示模块，温度探测量值传送到单片机中，然后传送到显示模块显示，单片机作为处理器进行比较设定值的大小及压力探测器探测的电压变化模拟量和稳定探测器探测到的温度，去共同判断是否报警。本设计用A

24、T89C51单片机实现锅炉防爆控制系统，及时准确报告锅炉情况，对系统信息进行处理，对爆炸隐患进行实时、准确、快速的控制。通过对系统硬件与软件的工程设计，掌握电子系统的设计、调试技能，掌握单片机的应用与开发技术。绪论基于单片机的锅炉防爆控制系统1 绪论1.1 课题背景及研究意义锅炉是一种热能转换设备，由锅和炉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升高而升高，锅是密封的，水蒸气在里面的膨胀收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

25、的）作为一种能源广泛使用2。锅炉广泛用于水生产和生活中。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。传统的锅炉设备自动化水平低，安全性能差，热量利用率低，污染严重，生产成本高，司炉工工 作强度高。我国现有大、中型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的2/5，另外 还有更多的小型采暖锅炉。目前大多数锅炉仍处于能耗高、浪费大、对环境污染比较严 重的生产状态，因此，利用单片机技术提高锅炉自动化水平，对节能、环保诸方面意义 重大，符合世界高新技术的发展潮流，是用低成本自动化技术武装传统设备的一项具有 深远意义的工作。单片机又称微控制器，是微型计算机的一个重要分支单片机是70 年代中

26、期发展起 来的一种大规模集成电路芯片，是集CPU、ROM、I/O 口和中断系统于同一硅片的器件。由于单片机具有功能强，体积小，耗电少，可靠性好和价格便宜等独特优点，成为传统工 业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有广阔的发展前景3。 利用单片机技术对锅炉进行自动系统改造后，锅炉的自动化水平和热量利用率大大提高，控制更加精确安全，所需劳动力大大减少，劳动强度和劳动环境也得到很好改善， 成本也大幅度下降。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

27、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、MPX4115压力传感器和LCD液晶显示器。DS18B20温度传感器

28、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4；MPX4115压力传感器具有抗震动、稳定性好、准确度高、耐高压，使用于狭小空间工业设备测温和控制5；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

29、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液晶显示器显示预先设定的温度、压力报警值和当前采集的温度、压力值。利用继电器控制燃烧器的加热。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

30、，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。第35页（共32页）锅炉防爆设计方案2 锅炉防爆设计方案2.1 系统结构框图继电器温度传感器压力传感器信号放大电路LCD显示器模数信号转换电路键盘声音报警器8255扩展芯片AT89C51单片机图1 系统结构框图2.2 微控制器方案选择模拟量经输入通道处理后要送到微机控制电路进行信号的分析处理，得到控制信号驱动执行机构，例如进行及时的声光报警功能，选用一款好的微机成为本设计的重点，因为微机电路本身的性能有时候决定整个设计的成败。2.2.1 方案一采用AT89C51的8位单片

31、机，AT89C51单片机是在美国ATMEL公司于20世纪80年代的产品，它在单一的芯片内集成了并行I/O口、异步串行口、16位定时器/计数器、中断系统、以及其他一些功能。此单片机是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器6。该器件采用高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。2.2.2 方案二采用可编程逻辑器件PLC进行数据分析及控制，PLC具有高可靠性和强抗

32、干扰能力，丰富的I/O接口模块，为了适应各种工业控制的需要，除了一些小型PLC以外，采用模块式的结构，灵活性好。系统安装及维修方便。2.2.3 方案决策二者均可达到本设计想要的功能，但从性价比上讲，AT89C51单片机价格低廉，而PLC一般用在大型的控制系统中，价格不低廉，故不采用。因此，本设计选择方案一。2.3 温度传感器的选择2.3.1 方案一采用温度传感器DS18B20完成温度测量，并将温度测量值直接通过单总线电路输出到AT89C51单片机处理，不需要A/D转换电路。DSl8820主要特性7如下：用户可自设定报警上下限温度值；（1） 不需要外部组件，可实现对55+125范围内的温度测量；

33、（2） 10+85测量温度的误差在0.5；（3） 实际报警器的分辨率可单独设定；（4） 保存在EEPROM中，即使断电也能够保存；（5） 独特的单总线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条线即可实现与微处理器双向通讯。2.3.2 方案二采用ADC590温度传感器完成温度测量并转换成模拟电压信号，经由A/D转换器ADC0804转换成数字信号送到AT89C51单片机中。ADC590功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等优点，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准。外围电路简单。2.3.3 决策方案温度的采集是整个系统的重点之一，在众多的环境监测中，A

34、DC590由于成本低而用得较多，但后续电路复杂，输出模拟信号较弱，需要进行放大后再通过A/D转换电路得到温度值，不仅复杂，而且提高了系统的功耗，降低了整个系统的性能。所以，本系统采用可编程单总线数字式温度传感器DS18B20进行温度采集。2.4 压力传感器的选择2.4.1 方案一采用MPX115压力传感器完成压力测量，经由A/D转换器转换成数字信号送到AT89C51单片机中。MPX4115主要特性8如下：（1）在0-85的温度下误差不超过1.5%；（2）温度补偿是-40+125；（3）偏置稳定性0.55%VFSS2.4.2 方案二 采用EPCOS生产的T5300数字压力传感器进行压力检测，T5

35、300数字压力传感器可将压力测量量经过单总线输入到单片机中进行处理，不需要A/D转换。T5300压力传感器的特点如下：（1）直接数字量输出，无信号传输损失，无信号采集误差。（2）53 0 V D C 激励， 供电电压波动对测量零影响。（3）几乎无零漂、高稳定性、高分辨率。2.4.3 决策方案对于二者来说，T5300压力传感器比MPX4115都可以达到设计的要求，但是T5300相对于MPX4115来说，价格要高出许多。因此采用方案一。2.5 A/D转换芯片选择2.5.1 方案一采用8位8通道模数转换的专业芯片，安置于A/D转换电路，温度和压力改变引起的信号传递在通过信号调理电路将其与ADC080

36、9的INO和IN1进行链接，这样就形成了完整的模拟信号数字信号之间的转换，并输入单片机。2.5.2 方案二采用美国TI公司的1l通道12位A/D转换器TLC2543。TLC2543是采用CMOS技术制作的12位开关电容逐次逼近型模数转换器，采用SPI通信方式可以节省单片机I/O资源，便于系统的扩展。A/D转换的基准源采用MAX675 5V芯片，它能提供精准的5V参考电压。2.5.3 决策方案由于本文要求实现一般步骤的A/D转换功能，选择8位8通道的ADC0809即可。2.6 显示电路选择2.6.1 方案一显示单元主要由LED数码管及显示驱动单元组成。显示电路采用8位LED数字显示，显示内容主要

37、包括当前温度及压力。2.6.2 方案二采用LCD液晶显示器显示锅炉当前的温度和压力。显示电路采用液晶显示模块，体积小，功耗低，操作方便。使用液晶显示模块，可以对模式选择位写入命令，从而调节LCD的工作模式，分时进行命令和数据写入。2.6.3 决策方案从操作简洁性和方便性来讲，LCD液晶显示器要比数码显示器有优势，数码显示器组成的显示电路需要接很多外围设备，引脚越多，越容易出故障，故这里选择用LCD液晶显示器。有两种液晶显示器，一种是LCD1602，两行显示；一种是LCD12864，还可以用于显示曲线；因为本系统需要显示的数据不是很多，只需显示传感器数据，故选用LCD1602液晶显示器即可。2.

38、7 最终方案决策经过上述分析选择，最终确定各模块方案如下：（1） 微控制器选用ATMEL的AT89C51；（2） 采用可编程单总线数字式温度传感器DS18B20进行温度采集；（3） 采用MPX4115压力传感器进行压力探测；（4） 选择8位8通道的ADC0809进行模数转换；（5） 采用LCD1602液晶显示器显示传感器探测信号；硬件电路设计3 硬件电路设计3.1 单片机模块该锅炉防爆系统是以89C51单片机为核心器件，此单片机模块的工作原理是：加载相应程序的AT89C51单片机把水位和测温模块传来的数据加以处理，送LCD显示屏显示。3.2单片机简介AT89C51是美国ATMEL生产的低功耗，

39、高性能CMOS8位单片机。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片机芯片中，可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。1. AT89C51 主要功能列表9如下：(1) 为一般控制应用的8位单芯片。(2) 晶片内部具有时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHZ）。(3) 内部程序存储器（ROM为4 KB）。(4) 内部数据存储器（RAM为12 B）。(5) 32调双向输入输出钱，且每条均可以单独做I/O的控制。(6) 5个中断向量源。(7) 2组独立的16位定时器。(8) 单芯片提供位逻辑运算指令。2. AT89C51管脚排列

40、及系统所用管脚介绍。管脚排列如图2所示，下面介绍引脚的功能。图2 AT89C51引脚排列图（1） VCC（40）：5V。（2）GND（20）：接地。（3）P0口（3932）：P0口为8位漏极开路双向I/O口，每引脚可吸收8个TTL门电流。（4）P1口（18）：P1口是从内部提供上拉电阻器的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收和输出4个TTL门电流。（5）P2口（2128）：P2口为内部上拉电阻器的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收和输出4个TTL门电流。（6）P3口（1017）：P3口是8个带内部上拉电阻器的双向I/O口，可接收和输出4个TTL门电流，P3口也可作为AT89C51的特殊功能口

41、。（7）RST（9）：复位输入。当振荡器复位时，要保持RST引脚2个机器周期的高电平时间。（8）ALE/PROG（30）：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节，在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6，它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的，要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过1个ALE脉冲。（9）PSEN（29）：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期2次PSEN有效，但在访问外部数据存储器时，这2次有效的PSEN信号将不出现。 （10）EA/VPP

42、（31）：当EA保持低电平时，外部程序存储器地址为（0000HFFFFH）不管是否有内部程序存储器。FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。（11）XTAL1（19）：反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。（12）XTAL2（18）：来自反向振荡器的输出。3.3 单片机最小系统3.3.1 时钟电路单片机系统正常工作的保证，如果振荡器不起振，系统将会不能工作；假如振荡器运行不规律，系统执行程序的时候就会出现时间上的误差，这在通信中会体现的很明显：电路将无法通信。他是由一个晶振和两个瓷片电容组成的，C1和C2分别接单片机的C1和C2，晶振和瓷片电容是没有正负的，两个

43、瓷片电容相连的那端一定要接地。如图3。图3 时钟电路3.3.2 复位电路给单片机一个复位信号（一个一定时间的低电平）使程序从头开始行；一般有两种复位方式：上电复位，在系统一上电时利用电容两端电压不能突变的原理给系统一个短时的低电平；手动复位，同过按钮接通低电平给系统复位，这时如果手按着一直不放，系统将一直复位，不能正常工作。如图4。图4 复位电路3.4 温度检测电路设计3.4.1 DS18B20简介Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器10。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS

44、18B20可以程序设定9-12位的分辨率，精度为0.5摄氏度。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。如图5所示DS1B20引脚排列图图5 DS18B20引脚图1.DS18B20特性：（1） 独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯。（2） 简单的多点分布应用。（3） 无需外部应用。（4） 无需外部器件。（5） 可通过数据线供电。（6） 零待机功耗。（7） 测温范围55125，以0.5递增。（8） 温度以8位数字量读出。（9） 温度数字量转换时间200ms（典型值）。（10） 用户可定义的非易失性温度报警设置。（11） 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度的器件。

45、2.DS18B20管脚功能表，如表1所示表1 DS18B20管脚功能表引脚序号引脚名称功 能1GND接地2DQ数据输入/输出脚3VDD接5V电源3.4.2温度采集电路温度采集电路只有一个DS18B20温度传感器，它与单片机的接口比较简单，如图所示。只要给传感器5V的供电并把它的单总线接到单片机的P口就可以了。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号拓展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的0,1字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0.625/LSB形式表示。如图6。图6 温度采集电路3.5压力检测电路设计3.5

46、.1 MPX4115简介MPX4115系列压电电阻传感器是一个硅压力传感器。这个传感器结合了高级的微电机技术，薄膜镀金属。还能为高水准模拟输出信号提供一个均衡压力。在0-85的温度下误差不超过1.5%，温度补偿是-40+12511。MPX4115的封装图、引脚分布图分别如图7所示。 封装图 引脚分布图图7 封装、引脚分布图气压传感器MPX4115的引脚说明如下表2：表2 引脚说明引脚序号引脚名称功 能1VOUT电压输出脚2GND接地端3VCC芯片工作电压456空引脚用于内部连接，悬空不使用3.5.2 压力采集电路压力传感器测量锅炉中的压力经由A/D转换器转换成数字信号后输送给单片机，单片机将其

47、与预设压力对比，如果比预设的压力大则开始报警。如图8。图8 压力采集电路3.6 A/D模块气压传感器MPX4115输出的是模拟电压，因此，必须进行模拟到数字的转换才能交由单片机处理。本设计中选用ADC0809作为数据转换。ADC0809是目前广泛使用的逐位逼近型8位单片A/D转换芯片，片内含8路模拟开关，可允许8路模拟量输入。主要有3部分组成：模拟输入选择部分、转换器部分、输出部分12。ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，ADC0809主要信号引脚功能说明如下图9：图9 ADC0809引脚排列（1） IN7-IN0-八路模拟量输入通道（2） ALE-地址锁存允许信号（3） START

48、-转换启动信号。START=1转换启动。（4） A、B、C-地址线、通道端口选择线。（5） CLK-时钟信号。ADC0809要求外接时钟频率为10kHz-1.2MHz。通常使用频率为500KHz的时钟信号。（6） EOC-转换结束信号。EOC=1转换结束。（7） D7-D0-数据输出线。（8） OE-输出允许信号。OE=1，输出转换得到的数据。（9） Vcc-+5V电源。（10） Vref-参考电源考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5VADC0809与单片机连接主要涉及两个问题。一是8路模拟信号通道的选择，二十A/D转换完成后转换数据的传送。转换数据的传送有定

49、时传送方式、查询方式、中断方式这三种方式。A、B、C的值与被选择的通道之间的关系13如下图10所示： 图10 A、B、C被选通道之间的关系3.7 显示电路设计图11为LCD1602引脚分配图。其引脚说明见表3LCD1602是具有4位/8位并口可选接口方式的液晶显示模块，它能同时显示两行字符，每行有16个字符。字符以5*7点阵形式显示。其字符中共有160种字符。人选指令有11条（清屏、返回、输入方式设置、显示开关控制、移位、功能设置、CGRAM地址设置、DDRAM地址设置、读忙信号及地址高数器、写数据、读数据），内部有80字节的RAM，8位数据接口，另外三根控制总线用于完成对写和读数据或指令时序

50、控制。由该模块构成的液晶显示方案与LED点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多。图11 LCD1602引脚图1、LCD1602引脚说明14表3 LCD1602引脚说明管脚号符号功能1)VCC电源地（GND）2)VDD电源电压（+5V）3)VL寄存器选择输入端，输入MPU选择模块内部寄存器类型信号；RS=0，当MPU进行写模块操作，指向指令寄存器；当MPU进行模块操作，指向地址计数器；RS=1，无论MPU读操作还是写操作，均指向数据寄存器4)RS读写控制输入端，输入MPU选择读/写模块操作信号；R/W=0 读操作；R/W=1 写操作5)R/W读写控制输入端，输入MPU选择读

51、/写模块操作信号；R/W=0 读操作；R/W=1 写操作6)E读操作时，高电平有效；写操作时，下降沿有效7)DB0数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道4位方式通讯时，不使用DBODB38)DB1数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道4位方式通讯时，不使用DBODB39)DB2数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道4位方式通讯时，不使用DBODB310)DB3数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道4位方式通讯时，不使用DBODB311)DB4数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道4位方式通讯时，不使用DBODB312)DB5数据输入/输出口，M

52、PU与模块之间的数据传送通道4位方式通讯时，不使用DBODB313)DB6数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道4位方式通讯时，不使用DBODB314)DB7数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道4位方式通讯时，不使用DBODB315)BL+背光正端+5V16)BL-背光负端0V2、LCD1602结构块图。如图12所示为LCD1602结构块图，指明了LCD1602内部结构模块。图12 LCD1602结构块图本系统采用LCD1602作为显示模块，其主要功能是显示预先设定的温度、压力报警值和当前采集的温度值和压力值。LCD液晶显示电路如图13所示。图13 显示电路3.8 报警电

53、路设计图14 报警电路外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单。本设计采用软件处理报警，利用有源蜂鸣器进行报警输出。当所测温度（压力）超过获高于所预设的温度（压力）时，P2.6口相应拉高电平，报警输出。（也可以将蜂鸣器换成LED）3.9 稳压电源电路设计AT89C51的内核共电为5V，而此锅炉防爆系统的测温度和压力模块以及LED键盘模块的共电电压都可为5V，所以通过此电源模块后，将外部输入电压转换成5V的单片机工作电压，以保障锅炉防爆系统的正常运行。如图15图15 稳压电源电路3.10 按键电路设计 设计中采用了独立式的键盘；独立式键盘的按

54、键相互独立，每个按键接一根I/O口线，一根I/O口线上的按键工作状态不会影响其它I/O口线的工作状态。因此，通过检测I/O口线的电平状态，即可判断键盘上哪个键被按下。电路图如图16（1）K1设置锅炉温度（压力）报警值的温度（压力）值增加按键。K1每按下一次，温度（压力）报警值显示比上一次值增加一度。（2）K2设置锅炉温度（压力）报警值的温度（压力）值减少按键。K2每按下一次，温度（压力）报警值显示比上一次值减少一度。（3）K3温度报警值确定值。图16 按键电路3.11 控制电路 本系统采用继电器进行对燃烧器工作方式控制，从而锅炉控制温度和压力。当P口输出高电平时，经反相驱动器7406变成低电平

55、，使二极管发光，从而使光敏三极管导通，进而是Q1导通，因而继电器线圈通电，接通锅炉燃烧器。本部分电路如图17所示：图17 控制电路1. 当P2.7输出高电平时，燃烧器对锅炉加热，进行加热处理。2. 当P2.7输出低电平时，燃烧器不对锅炉加热，不进行热处理。系统软件设计4 系统软件设计本章讲述的系统软件设计包括锅炉温度以及压力控制的单片机程序设计以及构成系统的各部分子程序设计。4.1 主流程图设计主流程图如图18所示启动报警装置大于设定值温度探测A/D转换大于设定值开始压力探测NNY图18 主流程图 4.2 中断程序设计返回K3是否按下减1并显示K2是否按下加1并示K1是否按下中断服务程序序NY

56、NYNY图19 中断流程图4.3 DS18B20温度采集子程序设计DS18B20有严格的协议来确保其数据的完整性。协议包括几种单线信号类型：复位脉冲，存在脉冲，写0、写1、读0、读1。开始与SD18B20进行任何通信。都要对其进行初始化，在接收到复位脉冲后，再对SD18B20进行正确的ROM命令和存贮器操作命令。在总线主机初始化过程，主机通过拉高单总线，以产生复位脉冲。接着，在主机释放总线，并进入接收模式。当总线被释放后，上拉电阻将总线拉高。在单总线器件检测到上升沿后，接着产生延时，接着通过拉低总线，以产生存在脉冲15。DS18B20温度采集子程序流程图如图20所示。开始跳过ROM匹配发出温度

57、转换 命令跳过ROM匹配检测DS18B02是否存在结束保存采集的温度发出温度读取命令NY图20 温度采集流程图4.4 MPX4115压力采集子程序设计传感器直接输出电压信号，电压信号经过A/D转换为数字信号，单片机通过地址端口读取该数据，流程图如图21开始选择通道EOC=1？NO读取ADC结束 图21 压力采集流程图程序设定0XFFF0为ADC0809的端口地址，首先通过端口地址选择模拟通道0，并启动转换，垱转换结束后，EOC输出一个高电平，通过查询EOC端口，然后从地址0XFFF0端口读出数据。4.5 LCD液晶显示子程序设计本系统采用是16*2的LCD1602，单片机对其初始化，然后将需要

58、显示的字符在LCD存储的地址和要求在LCD显示的地址送出，再检测LCD是否处在忙碌不能接收命令或数据的状态，检测到LCD空闲时就可以写数据显示了。LCD液晶显示子流程图如图22所示。开始LCD液晶显示模块初始化将需要的显示信息和LCD的地址送出检测LCD是否忙碌写数据显示结束是否 图22 LCD显示子流程图结果分析5 结果分析基于AT89C51单片机控制的锅炉防爆控制系统，经过分析论证满足设计要求。由DS18B20检测温度，MPX4115检测压力，发送到单片机控制中心。当温度显示超过50或压力探测器探测显示电压模拟量超过4V，就开始报警。运行过程中各个端口对应的数字量如下表4、表5所示:表5T（DS18B20显示的温度）T(LCD显示温度)P3.0（电平）10100202003030040400505016