家用智能電加熱鍋爐設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

遼 東 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)）家用智能電加熱鍋爐設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)With the implementation of household intelligent electric heating boiler design學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 班 級： 學(xué) 號： 指 導(dǎo) 教 師： 審 閱 教 師： 完 成 日 期： 遼 東 學(xué) 院Eastern Liaoning University獨(dú)創(chuàng)性說明作者鄭重聲明：本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是我個人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得遼東學(xué)院或其他單位的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：_ 日期：_ _遼 東 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 論 文 （ 設(shè) 計(jì) ） 題 目- I -摘 要本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的家用智能電加熱鍋爐設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以 85c51 單片機(jī)作為核心控制，運(yùn)用溫度傳感器 DS18B20 進(jìn)行溫宿采集，顯示電路采用 1602 液晶，作為模式顯示單元，LCD 顯示溫度和時間，可設(shè)定運(yùn)行和停止的時間間隔和次數(shù)。溫度傳感器與單片機(jī)的緊密結(jié)合構(gòu)成溫度閉環(huán)實(shí)現(xiàn)了智能電加熱鍋爐的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。充分發(fā)揮了單片機(jī)的性能。其優(yōu)點(diǎn)硬件電路簡單，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，性價比較高，具有一定的使用和參考價值。系統(tǒng)配有功能鍵盤接口：定時功能選擇、時間調(diào)整功能、控制溫度調(diào)整功能、功能退出；關(guān)鍵詞：單片機(jī)；加熱爐；1602 液晶；DS18B20遼 東 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 論 文 （ 設(shè) 計(jì) ） 題 目- II -目 錄摘 要 .I一、緒論 .1（一）本設(shè)計(jì)的意義及目的.1（二）智能加熱爐的國內(nèi)外現(xiàn)狀.2（三）本文主要內(nèi)容.3二、系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) .4三、單片機(jī)硬件部分設(shè)計(jì) .5（一）溫度測控系統(tǒng)選型.5（二）控制器芯片方案.10（三）單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì).121復(fù)位電路設(shè)計(jì).122時鐘電路設(shè)計(jì).14（四）LED 顯示電路與鍵盤電路 .14四、軟件部分的設(shè)計(jì) .18（一）主程序設(shè)計(jì).18（二）模式設(shè)定函數(shù)設(shè)計(jì).21（三）編程環(huán)境的介紹.29結(jié) 論 .33參 考 文 獻(xiàn) .34附錄 A 整體電路圖 .35附錄 B 程序代碼 .36致 謝 .55遼 東 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 論 文 （ 設(shè) 計(jì) ） 題 目1一、緒論（一）本設(shè)計(jì)的意義及目的目前市場上的家用熱水器控制系統(tǒng)大多存在功能單一、操作復(fù)雜、控制不方便等問題，很多控制器只具有溫度和水位的顯示功能，而不具備溫度和水位的即時控制功能。即使一些熱水器具有輔助加熱功能，也可能由于不能控制加熱時間及水位而產(chǎn)生過燒，從而浪費(fèi)電能，甚至?xí)鸹馂?zāi)等重大事故，造成人身及財產(chǎn)損失。國內(nèi)在近十年對智能溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并在一些領(lǐng)域得到應(yīng)用，如微波爐、加熱箱、蔬菜大棚。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可對一定容量的清水進(jìn)行加熱控制，水溫可以在一定范圍內(nèi)設(shè)定 ，并保持設(shè)定溫度基本不變，同時具備水位檢測控制及報警功能。本系統(tǒng)成本低廉、安裝方便、運(yùn)行可靠，并且在保證水溫智能可控的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的要求。隨著社會的發(fā)展、科技的進(jìn)步以及人們生活水平的逐步提高，人們對于智能化要求逐步提升。智能控制得到廣泛應(yīng)用，日常生活中許多場合都需要依據(jù)實(shí)際情況，更加人性化地實(shí)現(xiàn)多方面的控制。電熱水鍋爐是將電能轉(zhuǎn)化為熱能的裝置，采用全新加熱方式，無污染，相比其他燃煤鍋爐，完全可以稱為綠色環(huán)保鍋爐。電加熱鍋爐具有以下特點(diǎn)：無污染、能量轉(zhuǎn)化效率高、鍋爐本體結(jié)構(gòu)簡單、安全性好，并且可采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)自動化，因而在現(xiàn)實(shí)生活中使用起來更加方便。單片機(jī)應(yīng)用廣泛，發(fā)展迅速。在 過 程 控 制 中 ， 單 片 機(jī) 既 可 作 為 主 計(jì) 算 機(jī) ， 又 可 作為 分 布 式 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 中 的 前 端 機(jī) ， 完 成 模 擬 量 的 采 集 和 開 關(guān) 量 的 輸 入 、 處 理 和控 制 計(jì) 算 ， 然 后 輸 出 控 制 信 號 。 單 片 機(jī) 廣 泛 用 于 儀 器 儀 表 中 ， 與 不 同 類 型 的 傳 感 器相 結(jié) 合 ， 實(shí) 現(xiàn) 諸 如 電 壓 、 濕 度 、 水 位 、 壓 力 和 溫 度 等 物 理 量 的 測 量 ； 在 日 常 電 器 設(shè)備 中 ， 單 片 機(jī) 已 廣 泛 用 于 電 視 機(jī) 、 電 冰 箱 、 電 飯 鍋 等 各 種 家 電 設(shè) 備 中 。 總 之 ， 使 用單 片 機(jī) 來 實(shí) 現(xiàn) 電 熱 水 鍋 爐 的 多 個 參 數(shù) 控 制 ， 既 滿 足 實(shí) 際 生 活 和 工 業(yè) 控 制 的 需 求 ， 又滿 足 當(dāng) 今 社 會 發(fā) 展 的 需 要 。鍋爐控制是一種過程控制，其多個參數(shù)的變化（如溫度、水位等）具有非線性的特點(diǎn)，單純用數(shù)學(xué)方法建立精確的模型，顯然不切實(shí)際，因此首先選擇合適的控制算法，對實(shí)現(xiàn)電鍋爐的穩(wěn)定控制和提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性十分重要。通過對“家用智能電加熱鍋爐設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)” 的研究，并結(jié)合自己所學(xué)知識，完成基于單片機(jī)技術(shù)的家用智能電加熱鍋爐設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)著重研究內(nèi)容主要包括：實(shí)用系統(tǒng)分析、控制方案確定、功能設(shè)計(jì)、線路設(shè)計(jì)與線路板制作、元件采購與焊接、系統(tǒng)總裝與調(diào)試等。將自己所學(xué)應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中，為自己以后的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。遼 東 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 論 文 （ 設(shè) 計(jì) ） 題 目2本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用 89C52 作為控制核心，運(yùn)用到外端的接口技術(shù)以及 A/D 及 D/A 轉(zhuǎn)換器的工作原理及應(yīng)用，溫度傳感器與單片機(jī)的連接處理同時還運(yùn)用到 LCD 顯示。充分發(fā)揮了單片機(jī)的性能。其優(yōu)點(diǎn)硬件電路簡單，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，性價比較高等特點(diǎn)，具有一定的使用和參考價值。（二）智能加熱爐的國內(nèi)外現(xiàn)狀隨著我國電力行業(yè)的迅速發(fā)展，電力供應(yīng)緊張的局面已經(jīng)趨于緩和，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，國家推廣使用燃?xì)忮仩t和電鍋爐。然而，現(xiàn)今環(huán)境污染問題嚴(yán)重，而且由于燃?xì)忮仩t投資過大，管道鋪設(shè)受到城市發(fā)展的制約，這就為電熱鍋爐提供了良好的發(fā)展空間。電熱鍋爐同其他燃料鍋爐相比，具有無污染、熱效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)無人監(jiān)控的全自動化控制，控制系統(tǒng)可采用 PLC 控制，也可以采用電腦控制，同時均可轉(zhuǎn)為手動；控制方式靈活，加熱方式便利，可采用瞬時、蓄水和蓄熱等多種方式；安全性能好。從以上優(yōu)點(diǎn)可以看出，電熱鍋爐代表了當(dāng)今環(huán)保鍋爐的發(fā)展趨勢，在人們崇尚回歸自然，世界各國環(huán)保要求日趨嚴(yán)格的今天，電熱鍋爐必定會獲得長足發(fā)展。電熱鍋爐根據(jù)電加熱原理和加熱元件的不同分以下幾類： 電熱管電熱鍋爐、電熱棒電熱鍋爐、電極式電熱鍋爐、電熱板電熱鍋爐、感應(yīng)式電熱鍋爐。當(dāng)前，國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的電熱鍋爐絕大部分是電熱管電熱鍋爐，其原理是電能通過電熱管電阻轉(zhuǎn)換成熱能。其中電熱管是電熱鍋爐的核心，電熱管質(zhì)量的高低直接影響電熱鍋爐的運(yùn)行可靠性和使用壽命。國家大力引進(jìn)蓄熱電熱鍋爐，積極引進(jìn)開發(fā)電極式電熱鍋爐。電熱鍋爐在我國起步較晚，其應(yīng)用和發(fā)展是我國電力工業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)要求相互作用的必然結(jié)果。盡管處于發(fā)展初期，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和使用過程中還存在很多問題，但隨著人們對電熱鍋爐認(rèn)識的深入以及生產(chǎn)廠家的技術(shù)進(jìn)步，電熱鍋爐一定會得到長足發(fā)展，成為新世紀(jì)廣泛使用的新型綠色環(huán)保鍋爐。工業(yè)控制在理論上大概分為三個階段，第一階段為以經(jīng)典控制理論為主要控制方案的初級階段，可以用 PID 控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定系統(tǒng)和定值控制；第二階段為以現(xiàn)代控制理論為主要控制方案的發(fā)展階段，以微型計(jì)算機(jī)為工具，對復(fù)雜現(xiàn)象進(jìn)行控制，克服干擾和模型變化，以滿足復(fù)雜的工藝要求，提高控制質(zhì)量。第三階段為高級階段，控制方法主要朝著綜合化和智能化的方向發(fā)展。智能控制理論中，專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制系統(tǒng)為最有潛力的三種方法，其中模糊控制不僅有行之有效的模糊控制理論遼 東 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 論 文 （ 設(shè) 計(jì) ） 題 目3為基礎(chǔ)，而且能夠表達(dá)出確定性和不確定性的兩類經(jīng)驗(yàn)，并提煉成為知識進(jìn)而改善已有控制。（三）本文主要內(nèi)容設(shè)計(jì)開始對設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析整理，對本設(shè)計(jì)的市場現(xiàn)狀及技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行整體分析，確定整體的設(shè)計(jì)方案。本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括加熱爐的溫度檢測部分、加熱爐的工作模式設(shè)定部分和加熱爐的加熱控制部分。溫度檢測部分包括傳感器檢測爐內(nèi)溫度和控制面板的溫度顯示；加熱模式的設(shè)定包括按鍵的設(shè)計(jì)，顯示屏的設(shè)計(jì)，通過按鍵選取加熱爐的工作模式，再對每個模式下的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，最后進(jìn)入工作狀態(tài)；控制加熱部分包括執(zhí)行裝置既繼電器動作部分以及控制繼電器開合的電路設(shè)計(jì)，加熱裝置的設(shè)計(jì)。最后,對本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié),創(chuàng)新之處和不足之處進(jìn)行了說明,并進(jìn)行了一些展望。遼 東 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 論 文 （ 設(shè) 計(jì) ） 題 目4二、系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)控制器溫度檢測電源模塊按鍵輸入 顯示屏輸出加熱控制繼電器加熱絲圖 2.1 整體設(shè)計(jì)方案根據(jù)設(shè)計(jì)要求，智能家用電加熱鍋爐設(shè)計(jì)包括溫度檢測模塊、電源模塊、人機(jī)接口和執(zhí)行單元。溫度檢測模塊由溫度傳感器檢測爐內(nèi)溫度，將溫度傳給控制器，是整個設(shè)計(jì)中的重要部分；控制器是整個系統(tǒng)的控制核心，在本設(shè)計(jì)中是由單片機(jī)作為控制器，負(fù)責(zé)把檢測回來的溫度進(jìn)行處理?？刂破魍瑫r驅(qū)動顯示屏和鍵盤輸入進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和設(shè)定及工作模式的顯示與設(shè)置?？刂破鬏敵隹刂菩盘柦o驅(qū)動電路部分，控制其進(jìn)行加熱；加熱控制繼電器是將控制信號轉(zhuǎn)為加熱動作；加熱絲在鍋爐內(nèi)進(jìn)行加熱以提高溫度；按鍵輸入和顯示屏輸出作為人機(jī)接口部分，將設(shè)定值和工作狀態(tài)輸入給控制器，同時控制器通過顯示屏將其工作狀態(tài)及具體參數(shù)顯示給用戶。遼 東 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 論 文 （ 設(shè) 計(jì) ） 題 目5三、單片機(jī)硬件部分設(shè)計(jì)（一）溫度測控系統(tǒng)選型市場上有多種傳感器可供選擇：方案一：由于本設(shè)計(jì)是測溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，這種設(shè)計(jì)需要用到 A/D 轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。方案二：選用 DS18B20：DS18B20 單總線數(shù)字溫度計(jì)提供 9 位溫度讀數(shù)，指示器件的溫度，信息經(jīng)過單線接口送入 DS18B20，中央處理器到 DS18B20 僅需連接一條線和地。讀寫和完成溫度變換所需的電源可以有數(shù)據(jù)線本身提供，不需要外接電源?？梢灾苯訉囟葌鹘o處理器處理顯示數(shù)據(jù)。且目前市場價 10 元左右。通過比較以上兩種方案，決定采用方案二，方案二電路圖設(shè)計(jì)簡單，相對其它器件容易控制，性價比高。而且可以多點(diǎn)采集溫度，更容易實(shí)現(xiàn)智能控制。溫度傳感器特性和參數(shù)圖 3.1 DS18B20 封裝圖下表為 DS18B20 的引腳定義及描述DS18B20 是一種可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。遼 東 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 論 文 （ 設(shè) 計(jì) ） 題 目6獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。測溫范圍 55125，固有測溫分辨率 0.5。支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián) 8 個，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。工作電源為 35V/DC。在使用中不需要任何外圍元件，測量結(jié)果以 912 位數(shù)字量方式串行傳送。不銹鋼保護(hù)管直徑 6，適用于 DN1525, DN40DN250 各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測溫，標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋 M10X1, M12X1.5, G1/2”任選，PVC 電纜直接出線或德式球型接線盒出線,便于與其它電器設(shè)備連接。負(fù)壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀， 但不能正常工作。DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64 位光刻 ROM 、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。DS18B20 的外形及管腳排列見圖 2.8 所示。該產(chǎn)品適用于冷凍庫，糧倉，儲罐，電訊機(jī)房，電力機(jī)房，電纜線槽等測溫和控制領(lǐng)域、軸瓦，缸體，紡機(jī)，空調(diào)，等狹小空間工業(yè)設(shè)備測溫和控制、供熱/制冷管道熱量計(jì)量，中央空調(diào)分戶熱能計(jì)量和工業(yè)領(lǐng)域測溫和控制、汽車空調(diào)、冰箱、冷柜、以及中低溫干燥箱等。DS18B20 溫度傳感器是美國 DALLAS 半導(dǎo)體公司最