遼 東 學 院 本 科 畢 業 論 文（設 計）家用智能電加熱鍋爐設計與實現With the implementation of household intelligent electric heating boiler design學 生 姓 名： 學 院： 專 業： 班 級： 學 號： 指 導 教 師： 審 閱 教 師： 完 成 日 期： 遼 東 學 院Eastern Liaoning University獨創性說明作者鄭重聲明：本畢業論文（設計）是我個人在指導教師指導下進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注和致謝的地方外，畢業論文（設計）中不包含其他人已經發表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得遼東學院或其他單位的學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 院 本 科 畢 業 論 文 （ 設 計 ） 題 目- I -摘 要本設計是基于單片機的家用智能電加熱鍋爐設計與實現，以 85c51 單片機作為核心控制，運用溫度傳感器 DS18B20 進行溫宿采集，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，可設定運行和停止的時間間隔和次數。溫度傳感器與單片機的緊密結合構成溫度閉環實現了智能電加熱鍋爐的設計與實現。充分發揮了單片機的性能。其優點硬件電路簡單，軟件功能完善，控制系統可靠，性價比較高，具有一定的使用和參考價值。系統配有功能鍵盤接口：定時功能選擇、時間調整功能、控制溫度調整功能、功能退出；關鍵詞：單片機；加熱爐；1602 液晶；DS18B20遼 東 學 院 本 科 畢 業 論 文 （ 設 計 ） 題 目- II -目 錄摘 要 .I一、緒論 .1（一）本設計的意義及目的.1（二）智能加熱爐的國內外現狀.2（三）本文主要內容.3二、系統總體方案的設計 .4三、單片機硬件部分設計 .5（一）溫度測控系統選型.5（二）控制器芯片方案.10（三）單片機外圍電路的設計.121復位電路設計.122時鐘電路設計.14（四）LED 顯示電路與鍵盤電路 .14四、軟件部分的設計 .18（一）主程序設計.18（二）模式設定函數設計.21（三）編程環境的介紹.29結 論 .33參 考 文 獻 .34附錄 A 整體電路圖 .35附錄 B 程序代碼 .36致 謝 .55遼 東 學 院 本 科 畢 業 論 文 （ 設 計 ） 題 目1一、緒論（一）本設計的意義及目的目前市場上的家用熱水器控制系統大多存在功能單一、操作復雜、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生過燒，從而浪費電能，甚至會引起火災等重大事故，造成人身及財產損失。國內在近十年對智能溫度控制系統進行了研究，并在一些領域得到應用，如微波爐、加熱箱、蔬菜大棚。本文設計的系統可對一定容量的清水進行加熱控制，水溫可以在一定范圍內設定 ，并保持設定溫度基本不變，同時具備水位檢測控制及報警功能。本系統成本低廉、安裝方便、運行可靠，并且在保證水溫智能可控的前提下實現節能環保的要求。隨著社會的發展、科技的進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用，日常生活中許多場合都需要依據實際情況，更加人性化地實現多方面的控制。電熱水鍋爐是將電能轉化為熱能的裝置，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保鍋爐。電加熱鍋爐具有以下特點：無污染、能量轉化效率高、鍋爐本體結構簡單、安全性好，并且可采用計算機監控，完全實現自動化，因而在現實生活中使用起來更加方便。單片機應用廣泛，發展迅速。在 過 程 控 制 中 ， 單 片 機 既 可 作 為 主 計 算 機 ， 又 可 作為 分 布 式 計 算 機 控 制 系 統 中 的 前 端 機 ， 完 成 模 擬 量 的 采 集 和 開 關 量 的 輸 入 、 處 理 和控 制 計 算 ， 然 后 輸 出 控 制 信 號 。 單 片 機 廣 泛 用 于 儀 器 儀 表 中 ， 與 不 同 類 型 的 傳 感 器相 結 合 ， 實 現 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 設備 中 ， 單 片 機 已 廣 泛 用 于 電 視 機 、 電 冰 箱 、 電 飯 鍋 等 各 種 家 電 設 備 中 。 總 之 ， 使 用單 片 機 來 實 現 電 熱 水 鍋 爐 的 多 個 參 數 控 制 ， 既 滿 足 實 際 生 活 和 工 業 控 制 的 需 求 ， 又滿 足 當 今 社 會 發 展 的 需 要 。鍋爐控制是一種過程控制，其多個參數的變化（如溫度、水位等）具有非線性的特點，單純用數學方法建立精確的模型，顯然不切實際，因此首先選擇合適的控制算法，對實現電鍋爐的穩定控制和提高系統的經濟性十分重要。通過對“家用智能電加熱鍋爐設計與實現” 的研究，并結合自己所學知識，完成基于單片機技術的家用智能電加熱鍋爐設計與實現。本設計著重研究內容主要包括：實用系統分析、控制方案確定、功能設計、線路設計與線路板制作、元件采購與焊接、系統總裝與調試等。將自己所學應用于實際當中，為自己以后的發展奠定基礎。遼 東 學 院 本 科 畢 業 論 文 （ 設 計 ） 題 目2本設計主要應用 89C52 作為控制核心，運用到外端的接口技術以及 A/D 及 D/A 轉換器的工作原理及應用，溫度傳感器與單片機的連接處理同時還運用到 LCD 顯示。充分發揮了單片機的性能。其優點硬件電路簡單，軟件功能完善，控制系統可靠，性價比較高等特點，具有一定的使用和參考價值。（二）智能加熱爐的國內外現狀隨著我國電力行業的迅速發展，電力供應緊張的局面已經趨于緩和，為實現可持續發展，國家推廣使用燃氣鍋爐和電鍋爐。然而，現今環境污染問題嚴重，而且由于燃氣鍋爐投資過大，管道鋪設受到城市發展的制約，這就為電熱鍋爐提供了良好的發展空間。電熱鍋爐同其他燃料鍋爐相比，具有無污染、熱效率高、體積小等優點，并且可以實現無人監控的全自動化控制，控制系統可采用 PLC 控制，也可以采用電腦控制，同時均可轉為手動；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。從以上優點可以看出，電熱鍋爐代表了當今環保鍋爐的發展趨勢，在人們崇尚回歸自然，世界各國環保要求日趨嚴格的今天，電熱鍋爐必定會獲得長足發展。電熱鍋爐根據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、感應式電熱鍋爐。當前，國內企業生產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換成熱能。其中電熱管是電熱鍋爐的核心，電熱管質量的高低直接影響電熱鍋爐的運行可靠性和使用壽命。國家大力引進蓄熱電熱鍋爐，積極引進開發電極式電熱鍋爐。電熱鍋爐在我國起步較晚，其應用和發展是我國電力工業發展和環境保護要求相互作用的必然結果。盡管處于發展初期，產品的設計和使用過程中還存在很多問題，但隨著人們對電熱鍋爐認識的深入以及生產廠家的技術進步，電熱鍋爐一定會得到長足發展，成為新世紀廣泛使用的新型綠色環保鍋爐。工業控制在理論上大概分為三個階段，第一階段為以經典控制理論為主要控制方案的初級階段，可以用 PID 控制實現穩定系統和定值控制；第二階段為以現代控制理論為主要控制方案的發展階段，以微型計算機為工具，對復雜現象進行控制，克服干擾和模型變化，以滿足復雜的工藝要求，提高控制質量。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展。智能控制理論中，專家系統、神經網絡、模糊控制系統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 院 本 科 畢 業 論 文 （ 設 計 ） 題 目3為基礎，而且能夠表達出確定性和不確定性的兩類經驗，并提煉成為知識進而改善已有控制。（三）本文主要內容設計開始對設計要求進行分析整理，對本設計的市場現狀及技術現狀進行整體分析，確定整體的設計方案。本設計主要內容包括加熱爐的溫度檢測部分、加熱爐的工作模式設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溫度和控制面板的溫度顯示；加熱模式的設定包括按鍵的設計，顯示屏的設計，通過按鍵選取加熱爐的工作模式，再對每個模式下的參數進行設定，最后進入工作狀態；控制加熱部分包括執行裝置既繼電器動作部分以及控制繼電器開合的電路設計，加熱裝置的設計。最后,對本系統實現過程中的重點和難點進行了總結,創新之處和不足之處進行了說明,并進行了一些展望。遼 東 學 院 本 科 畢 業 論 文 （ 設 計 ） 題 目4二、系統總體方案的設計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 整體設計方案根據設計要求，智能家用電加熱鍋爐設計包括溫度檢測模塊、電源模塊、人機接口和執行單元。溫度檢測模塊由溫度傳感器檢測爐內溫度，將溫度傳給控制器，是整個設計中的重要部分；控制器是整個系統的控制核心，在本設計中是由單片機作為控制器，負責把檢測回來的溫度進行處理?？刂破魍瑫r驅動顯示屏和鍵盤輸入進行數據顯示和設定及工作模式的顯示與設置。控制器輸出控制信號給驅動電路部分，控制其進行加熱；加熱控制繼電器是將控制信號轉為加熱動作；加熱絲在鍋爐內進行加熱以提高溫度；按鍵輸入和顯示屏輸出作為人機接口部分，將設定值和工作狀態輸入給控制器，同時控制器通過顯示屏將其工作狀態及具體參數顯示給用戶。遼 東 學 院 本 科 畢 業 論 文 （ 設 計 ） 題 目5三、單片機硬件部分設計（一）溫度測控系統選型市場上有多種傳感器可供選擇：方案一：由于本設計是測溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進行 A/D 轉換后，就可以用單片機進行數據的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，這種設計需要用到 A/D 轉換電路，感溫電路比較麻煩。方案二：選用 DS18B20：DS18B20 單總線數字溫度計提供 9 位溫度讀數，指示器件的溫度，信息經過單線接口送入 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據線本身提供，不需要外接電源。可以直接將溫度傳給處理器處理顯示數據。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，方案二電路圖設計簡單，相對其它器件容易控制，性價比高。而且可以多點采集溫度，更容易實現智能控制。溫度傳感器特性和參數圖 3.1 DS18B20 封裝圖下表為 DS18B20 的引腳定義及描述DS18B20 是一種可組網數字溫度傳感器芯片，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備數字測溫和控制領域。遼 東 學 院 本 科 畢 業 論 文 （ 設 計 ） 題 目6獨特的單線接口方式，DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。測溫范圍 55125，固有測溫分辨率 0.5。支持多點組網功能，多個 DS18B20 可以并聯在唯一的三線上，最多只能并聯 8 個，如果數量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸的不穩定，實現多點測溫。工作電源為 35V/DC。在使用中不需要任何外圍元件，測量結果以 912 位數字量方式串行傳送。不銹鋼保護管直徑 6，適用于 DN1525, DN40DN250 各種介質工業管道和狹小空間設備測溫，標準安裝螺紋 M10X1, M12X1.5, G1/2”任選，PVC 電纜直接出線或德式球型接線盒出線,便于與其它電器設備連接。負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發熱而燒毀， 但不能正常工作。DS18B20 內部結構主要由四部分組成：64 位光刻 ROM 、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器 TH 和 TL、配置寄存器。DS18B20 的外形及管腳排列見圖 2.8 所示。該產品適用于冷凍庫，糧倉，儲罐，電訊機房，電力機房，電纜線槽等測溫和控制領域、軸瓦，缸體，紡機，空調，等狹小空間工業設備測溫和控制、供熱/制冷管道熱量計量，中央空調分戶熱能計量和工業領域測溫和控制、汽車空調、冰箱、冷柜、以及中低溫干燥箱等。DS18B20 溫度傳感器是美國 DALLAS 半導體公司最