电锅炉自控系统的设计.docx

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1、序号（学号）： 021241129长 春 大 学毕 业 设 计（论 文）电锅炉自控系统的设计姓 名 母志龙学 院电子信息工程学院专 业自动化班 级 自动化12411指导教师王宪伟（副教授）2016年5月31日装订线长 春 大 学 毕业设计（论文）纸电锅炉自控系统的设计摘要：锅炉的原理是对炉内的水进行高温加热，使水汽化产生带压蒸汽，以此作为生产的动力，广泛应用于供暖、化工、制造等行业，是全厂生产的重要动力设备。随着工业生产水平的不断提高，老式锅炉已经不能满足现代化生产的需要，对锅炉的控制方式进行研究和设计将对提高生产的效率与安全性等方面有积极的作用。本次设计的锅炉是以单片机为核心的自动控制系统，

2、能对锅炉的水温、液位、压力等重要数值进行检测和控制。按各部分功能可分为键盘设定模块、传感器检测模块、数据处理模块、显示模块、控制模块、报价模块、电路保护模块等，使用键盘输入等方式预先设定各量的正常范围，由传感器对相关量进行检测并传送至单片机进行处理，经PID运算后判断是否异常。如炉内某些量的数值处于日常，则可以控制相关部件进行调节或启动报警电路发出，使炉内相关量恢复正常范围，排除安全隐患防止事故的发生。关键字：电锅炉；自动控制系统；单片机；数值的设定与检测；PID运算i装订线长 春 大 学 毕业设计（论文）纸Design of Automatic Control System for Elec

3、tric BoilerAbstract：Boiler principle is water in the furnace for high temperature heating, the water vaporization with pressure steam. This is a driving force for the production. It is widely used in heating, chemical, manufacturing and other industries, is an important power equipment factory produ

4、ction. With the continuous improvement of the level of industrial production, the old boiler has been unable to meet the needs of modern production, the research and design of the control mode of the boiler will have a positive effect on improving the efficiency and safety of the production. The des

5、ign of the boiler is a single chip microcomputer as the core of the automatic control system, the boiler water temperature, liquid level, pressure and other important values for the detection and control. According to the function of each part can be divided into the keyboard setting module, sensor

6、module, data processing module, display module, control module, quotation module, circuit protection module, set in advance of the normal range of the quantity of using keyboard input, etc., by the sensor the relevant quantities were detected and transmitted to the microcontroller processing, by the

7、 PID operation to determine whether abnormal. If the value of some of the furnace in the daily, you can control the relevant parts to adjust or start the alarm circuit, so that the amount of the furnace to return to the normal range, excluding security risks to prevent the occurrence of accidents.Ke

8、y words：Electric boiler; Automatic control system; Single chip microcomputer; Numerical simulation and detection; PID operation目 录第1章 绪论11.1课题研究的目的11.2 课题研究的意义11.3课题目前的研究现状21.4本设计需要解决的主要问题3第2章 总体方案的设计42.1系统总体设计方案42.2水温检测方案的选择42.3压力检测方案的选择52.4液位检测方案的选择5第3章 硬件电路的设计63.1液位的检测控制部分63.1.1液位检测电路63.1.2液位的A/D

9、转换电路73.1.3液位控制电路73.2水温的检测控制部分73.2.1水温检测部分73.2.2温度传感器的接口电路83.2.3温度控制电路83.3炉内压力的检测部分103.4越限报警部分103.5单片机最小系统113.5.1单片机的选择113.5.2晶振电路123.5.3复位电路123.6键盘电路133.7显示电路133.8稳压电源部分143.9电路原理图的绘制15第4章系统程序方案的设计164.1确定系统控制算法164.2系统流程图的设计16II4.3液位、温度和压力检测程序流程图174.4显示模块程序流程图184.5外部中断子程序流程图19第5章系统软件部分的设计215.1系统软件的确定2

10、15.2总程序的设计215.3子程序225.3.1温度提取子程序225.3.2 A/D转换的子程序245.3.3判断子程序255.3.4按键扫描子程序265.3.5按键查询与执行子程序275.3.6显示子程序285.4系统软件部分的编程与调试29第6章 结束语30致谢31参考文献32附录1系统硬件原理图33II第1章 绪论1.1设计研究的目的本次设计要设计一个电锅炉自动控制系统，该系统由单片机及其外接电路组成，能对电锅炉内各项数据进行设定、检测、PID控制运算，并由通过传感器采集到的数据结果与设定的数值比较，从而进行相应的处理，由此改变电锅炉的运行状态，使炉内各项数值恢复至正常范围内，以此达到

11、电锅炉的自动控制，防止事故的发生。1.2设计研究的意义锅炉生产过程中重要的动力设备，这是一种热能转换设备，用来输出合格的蒸汽作为动力，因此锅炉的发汽量要满足生产的需要，因此要保证生产过程中各个主要工艺参数处于正常范围。传统锅炉的组成部分包括锅和炉这两个主体、保证锅炉持续运转的部件、测量仪表器件，控制及保护系统等，工作原理为在锅中加入大量的水，由于锅中的水不断被炉中添加的燃料燃烧所释放出的能量加热，水的温度不断升高最终汽化，产生带压蒸气。锅是封闭的容器，随着水的不断汽化锅内部的压力不断升高，又因为水的沸点随着锅内压力的升高而升高，因而导致水蒸气在锅炉内部膨胀产生压力，进而形成热动力，由此作为一种

12、动力能源广泛用于生产中。锅炉因其成本低与效率高而广泛用于广泛用于化工，发电，炼油等工业生产工程中。传统的锅炉的控制全靠操作人员的经验，有时不能及时发现炉内环境的异常，由此导致的事故不胜枚举，严重时甚至会导致锅炉爆炸，造成人员和财产的损失。而本设计提出一种新型的锅炉加热与压力控制方法，能够实现自动检测与控制，利用传感器自动检测锅炉内各项数值，并且当数值异常时自动采取相应措施，排除安全隐患防止事故的发生。同时摒弃传统的燃料加热方法，转而使用电加热的方法，不仅节省能源，还能达到对系统各部分的准确控制，同时在控制系统中又加入了控制与报警电路，这样整个系统就达到了全自动化水平。在锅炉运行时，要对生产锅炉

13、内部压力、水温、液位这几个主要参数进行准确地测量和及时有效地，这是保证高效和安全生产的重要保障。但由于控制设备自身的一些特点，如惯性大、滞后现象严重、难以建立精确的数学模型等，传统的PID控制由于其参数恒定，不能及时跟踪对象特性变化，造成控制系统性能不佳。本次设计要求现场炉内各项数值可处理和显示。由此可见，本课题的设计方案对于实际生产有一定的可行性和推广性，如果在企业生产中得以使用，可以提高企业自动化生产水平、降低生产过程中的成本。同时在防止事故发生、减轻工人劳动强度等方面也能发挥到积极有益的作用。1.3课题目前的研究现状自从工业革命以来，锅炉作为重要的动力设备一直大量用于工业生产中。然而过去

14、的锅炉都是使用单仪表，技术上十分落后不能满足安全高效的生产要求。直到20世纪三四十年代，美国、英国、苏联等工业发达国家都逐渐重视开始对锅炉的运行与控制展开深入的研究。然而，受限于当时的科技水平，尚不能设计出先进的锅炉，锅炉的检测与控制的发展仍然要依靠各种仪表，就是说只能在检测方面对锅炉进行改进，无法实现对锅炉的自动控制。直到60年代仍以电动组合仪表对锅炉进行检测与控制，而且主要还是用来检测与故障报警，难以实现对锅炉的自动控制。直到二十世纪七十年代，随着计算机技术的发展，以及对自动控制理论上的研究取得突破，人们意识到可以利用计算机实现对锅炉的自动控制。近二十年以来，凭借着先进的自动控制理论研究，

15、加上计算机技术飞速发展，其性能的不断提高与优化、硬件成本的大大下降，使计算机在工业控制中得以迅速推广和应用。各个工业发达的国家都先后成功制定了以计算机为核心的锅炉自动控制系统。时至今日，在发达国家，传统的使用仪表的锅炉已经被淘汰，基本上全部使用计算机来控制锅炉的运行，能源上也使用电力而不是燃煤的方式。既提高了锅炉的生产效率与安全性，又节约资源，减少污染物的排放。然而在我国，受成本和技术水平的制约，很多中小企业的锅炉还停留在仪表驱动、使用煤炭等传统能源和完全人工操作的水平，远远落后于西方发达国家。不仅在生产过程中浪费大量资源，排放污染物，而且生产效率低下，事故频发，无法满足当下对工业生产的要求。

16、在上世纪80年代末我国引进了西方国家较为先进的锅炉控制技术，并开始研究如何使用计算机来控制锅炉的运行。至90年代，锅炉的自动控制已经成为工业界的热门话题，人们意识到可以使用可编程序控制器作为系统的核心，并将自动控制理论中先进的研究成果应用在实践中。然而于一个单一的控制量或者控制算法建立的模型往往不能反映锅炉在生产过程中实际的运行状况，因此这一时期的研究不能很好地应用于锅炉的升级改造之中，设计的产品效果也不尽如人意。直到本世纪初，随着自动控制和人工智能的理论水平进一步提高，智能控制技术的推广应用，以及国家严抓安全生产并大力号召节能减排，对以电力为能源的新型锅炉自动控制系统的取得突破。然而因成本较

17、高、技术水平尚不完善，新型锅炉控制系统还不能完全普及到各个中小企业中。如果能进一步设计出低成本、高效、安装使用简单的锅炉自动控制系统，定能得以广泛应用。1.4本设计需要解决的主要问题1.如何设定炉内温度、水位、压力的正常范围。2.如何检测和显示电锅炉内的水温，并在水温高于或低于设定温度时停止加热或进行加热使温度恢复至正常范围。3.如何检测电锅炉内的水位，并在水位过高或过低时自动采取放水或加水等措施以使水位恢复至正常范围。4.如何检测锅炉内的压力，并在炉内压力过高时自动报警通知值班人员处理。第2章 总体方案的设计2.1系统总体设计方案本次设计的电锅炉自动控制系统以STC12C5A60S2型单片机

18、为核心，使用多种传感器对锅炉内温度等量的数据进行检测，并将检测到的数据传送至单片机进行处理，继而根据处理结果控制和改变锅炉的运行状态，使其能保持正常运转，相关程序由C语言实现，最终实现电锅炉的自动控制。本次设计的自动控制系统主要由单片机、键盘与显示模块、液位检测与控制模块、压力检测模块、液位检测与控制模块、控制模块、液晶显示模块、报警模块等部分组成，以此达到能够对电锅炉系统内水位、水温、压力等变量检测与控制的目的。设计方案如图2.1所示。图 2.1 系统总体结构图2.2 水温检测方案的选择PT100型热电阻是一种在工业上常用的温度检测器，其工作原理是因金属导体的电阻值随着温度的变化而变化，通过

19、检测当前金属导体的电阻就能计算出环境的实时温度。测量温度为-200850，适用于测量水温，而且这种热电阻化学稳定性好，测量精度很高。然而这种热电阻也有缺点：在还原介质中，尤其高温环境下容易被氧化物中还原出来的蒸汽污染，导致铂材料变脆进而影响检测结果。由于锅炉环境较为复杂不排除这种现象发生的可能性，所以我们不选用这种方案。而温度传感器DS18B20是较为理想的选择，其测量范围为-55+125，适合对水温进行检测，而且还具有检测精度高、与单片机连接简单、体积小、稳定性好抗干扰能力强的优点。所以我们采用DS18B20型温度传感器对水温进行检测.2.3 压力检测方案的选择压力传感器种类繁多，包括电容式

20、压力传感器、压电传感器、变磁阻式压力传感器、谐振式压力传感器等等。本次设计采用压电式压力传感器，这种压力传感器具有体积小、稳定性好、灵敏度高，工作频带宽、低频特性差等优点，适用于对锅炉的压力进行精确的动态测量。2.4 液位检测方案的选择判断液位是否处于正常范围的方法很多，包括浮筒式液位传感器、浮球式液位传感器、静压式液位传感器等都可以通过测量出液位的具体数值并与预先设定值进行比较，再判断液位舒服正常。本设计使用电极式液位传感器，将设定水位的上下限处各放置一个电极，此外还有一个接5V电压的公共电极。利用水的导电性进而通过液位判断上下限处电极的通电情况来判断液位是否处于正常范围，在设计与使用过程中

21、上更为简单。第3章 硬件电路的设计3.1液位的检测控制部分3.1.1液位检测电路为了检测液位采用不绣钢管作为测量液位的器件，放于设定锅炉液位的上下限部位作为设定水位的范围，水位控制原理如图3.1所示图3.1水位控制原理图图中虚线部分为设定的正常水位范围，其中金属棒B置于水位下限，金属棒C置于水位上限。而金属棒A接5V电源，由于水有导电性，通过检测金属棒B、C是否处于导电状态来判断水位是否处于设定范围。当水位下降到液位下限以下时B、C没有导电处于低电平，启动水泵加大加水。当水位处于设定范围内时B通电为高电平，C不通电为低电平，水阀处于正常状态。当水位超过设定范围时B、C均通电，处于高电平，使水泵

22、关闭停止加水。由于水的导电性较弱，因此电极传送的电信号也比较微弱，要对电信号进行放大处理。为此我们选用PNP三极管开关电路，电路接法如图3.2所示。图3.2水位控制电路图3.1.2 液位的A/D转换电路 传感器检测到的液位信号需要进行A/D转换传送至单片机处理。由于系统中使用的是STC12C5A60S2型单片机，其自身含有AD转换器，也就是自带AD转换功能，所以不必再外接AD转换芯片，有利于简化程序和节约成本。单片机中的P1管脚为AD转换口，是一个具有7路AD转换输入口的转换口，其转换周期为90个机器周期，转换精度可达10位，其转换精度和速度都适用于电锅炉系统中，足以应对锅炉环境的要求。由于传

23、感器接5V，所以返回的数值为0-5V，对应测得的数值。3.1.3 液位控制电路本系统通过控制水泵的加水状况来控制液位，水位的控制电路如图3.3所示。图3.3 水位控制电路本系统使用的水阀是ZCW-2型直流电磁阀，这种电磁阀是一种常闭型电磁阀，可以在温度达100的介质中正常运转，适合对液位进行控制。然而单片机的输出信号不能直接控制电磁阀的通断，还要再加上继电器来控制电磁阀。此外还要加上一个光耦，用来将单片机和电磁阀分离。当液位传感器检测到液位低于正常值时单片机向i/0口输出低电平，光耦处于导通状态，继电器处于吸合状态，继而导致电磁阀得电导通，并向锅炉内加水。水位达到正常范围后则单片机输出高电平，

24、光耦断开，继而继电器分离，停止加水。3.2水温的检测控制部分3.2.1 水温检测部分本系统中的温度检测电路使用的是DS18B20型温度传感器，其结构如图2.5所示，这是一种单线的数字型温度传感器，这种传感器的温度测量范围为-55+125，测量精度达+/-0.5，其测量范围和测量精度适合对水温进行检测，使其广泛应用于对水温的检测。DS18B20结构上采用单线总线结构，不但可以测量温度而且还具有A/D转换功能，可以通过I/O线直接输出数字量，向单片机传送数据。图3.4 DS18B20的结构3.2.2 温度传感器的接口电路在温度传感器电路中有一个上拉电阻，阻值为4.7K。单片机的引脚P2.0可以用来

25、与温度传感器进行通信。接口电路通过BS2接口来连接温度传感器，这样就可以实现对水温的检测，之后通过引脚2对单片机传送检测到的数据。温度传感器的接口电路图如图3.5所示。图3.5温度传感器的接口电路3.2.3温度控制电路为了实现对水温的控制，系统采用固态继电器SSR决定对水的加热，这是一种无触点的通断电子开关，工作原理为利用发光二极体等发光元件与光电晶体等光接收元件组合形成光电耦合器，能够接收低压的模拟或信号输入，并输出高压驱动，具有隔离输入输出和控制高功率输出的功能。同时利用电子元件的开关特性，可以安全地接通和断开电路，SSR的优点包括：（1）电磁兼容性好，控制功率小，固态继电器的输入电压范围

26、较宽且驱动功率较低，可以兼容多数逻辑集成电路而不需额外加驱动缓冲器。（2）寿命和可靠性高:SSR内没有运动的机械零件，而是靠固体器件完成来实现触点功能，能承受振动及高冲击的环境，因此固态继电器SSR的寿命和可靠性高（3）电磁干扰小:由于固态继电器内没有触点燃弧、输入线圈和回跳，故而电磁干扰很小。多数交流输出固态继电器是一个0电压开关，在0电压处导通，0电流处关断，由于减少了电流波形的忽然中断，因此几乎没有开关瞬态效应。（4）转换速度快:因固态继电器采用固体器件，转换速度仅为几毫秒甚至几微秒。固态继电器由输入电路、隔离耦合电路和输出电路组成。输入电路根据输入电压的方式不同可分为交流输入、直流输入

27、和交直流输入电路三种。按开关型式可分为常开型和常闭型，根据隔离的形式可分为、变压器隔离型、光电隔离型和混合型，实际应用中多使用光电隔离型。按照固态继电器输出电路的输出电流不同，可分为直流输出，交流输出和交直流输出电路等，直流输出时一般是用双极型器件或功率场效应管。而在交流输出时一般可以使一个双向可控硅或用两个可控硅。同时输入电路还能和CMOS和TTL兼容，与之组合起来可以使输入电路拥有反相和正负逻辑控制等各种功能。为了能够正常使用，还要对固态继电器的输入电路和输出电路分离开来。添加一个隔离耦合电路就可以将它们分离，隔离耦合的方式也分为有变压器耦合和光电耦合。固态继电器SSR在结构上是一种四端有

28、源器件，其中两个端子是输入控制端，另外两端做为输出受控端。器件中使用高耐压的光电耦合器来实现输入端与输出端的电气隔离。当对其施加输入信号后，主回路处于导通状态，没有输入信号则处于阻断状态。器件中没有触电和可动部件，可以代替常用继电器的功能。固态继电器SSR的开断由单片机端口输出的PWM方波控制，由此控制电阻炉的开断频率，进而控制电热丝的功率大小，最终达到加热目的。温度控制电路如图3.6所示。图3.6 温度控制电路图3.3炉内压力的检测部分压力是锅炉的重要参数之一，对锅炉的运行至关重要。若炉内压力不足，则锅炉输出的蒸汽达不到生产要求，无法为其他设备提供足够的动力。若炉内压力过高则可能会引发锅炉爆

29、炸，造成严重的事故。因此绝对不能忽视对锅炉压力的检测。本次设计中使用压电式传感器对锅炉压力进行检测，其工作原理基于压电效应，即介质材料在受到外力的作用而产生形变时，介质材料表面会产生一定的电荷，处于带电状态，而且两个相反的表面所带电荷的符号也是相反的，这样也导致介质材料内部产生极性；当外力消失后材料表面的电荷又会消失，表面重新回到不带电的状态；而所受外力的方向改变时，介质材料内部的极性也会随之改变，这种现象称为压电效应。由于压电传感器具有成本低、体积小、结构简单、工作频带宽、灵敏度较高等优点，因此广泛应用于各种需要对压力进行检测的电路中。压电传感器介质材料的选择对压力的检测十分重要，按介质材料

30、的种类可分为压电晶体和压电陶瓷。本设计采用的压电陶瓷作为压电材料，其晶体内部含有许多自发的极化电筹，在受外电场力作用下这些电筹具有一定的极化方向产生电场，而没有受外力时恢复中性，所以通过测量压电陶瓷的带电量就能判断锅炉的压力是否符合要求，当压力传感器检测到炉内压力过高或过低时立即报警，使值班人员能及时进行相应处理以防事故的发生适合用于本次设计的要求。锅炉压力检测部分结构图如图3.7所示。图3.7压力检测部分3.4越限报警部分越限报警部分使用蜂鸣器进行声音报警，当单片机接收到报警信号时，驱动蜂鸣器发出报警声音，使值班人员能立刻发现并排除隐患，避免事故的发生。越限报警电路如图3.7所示图3.8 越

31、限报警电路3.5单片机最小系统一个最基本的微型计算机由中央处理器、存储器、并行和串行输入、输出接口、定时器、计数器，中断管理系统等部分构成，而单片机将这几部分都集成到一块芯片内，所以单片机芯片只需在外围附加少量元器件即可构成一个具备基本功能的简单计算机。单片机的特点是集成度高，功耗低，速度快，体积小，系列齐全，易于实现功能扩展，性能可靠，价格低廉，适用于电锅炉自控系统的设计。3.5.1单片机的选择单片机是系统的核心，不但是整个电锅炉系统的总控制器，也是各种信息的处理器。为了能实现系统的所需要功能，本次设计采用STC12C5A60S2型单片机，这种单片机的指令代码与传统的8051完全兼容，但运行

32、速度比后者快8到12倍，运算速度很快，自身带有AD转换功能，抗干扰能力强，十分适合对电锅炉系统的要求。STC12C5A60S2型单片机内部含有中央处理器，数据存储器，程序存储器，A/D转换接口，16位的定时器/计时器，UART串口，通用I/0接口，SPI接口，看门狗，外部晶振电路，内用集成的MAX复位电路，外部掉电检测电路，时钟源，PCA等模块，几乎包含了所有数据采集和控制的单元模块，功能十分强大。其结构如图3.9所示。图3.9 STC12C5A60S2的结构图3 .5.2晶振电路由于单片机发出的指令都是按照机器周期严格执行的，系统中需要晶振电路来提供时钟周期。同时为了给单片机提供一个稳定的时

33、钟周期，需要给单片机外接一个晶振电路，由此组成了自激振荡器，并产生震荡时钟，给单片机提供稳定的时钟。晶振电路图如图3.10所示。图3.10 晶振电路图3.5.3复位电路复位电路的作用相当于提供电脑的重启功能。当单片机系统运行时受各方面因素影响出现跑飞、死机等意外状况使，按下复位电路中的复位按钮就可以使程序自动重新从头执行。在复位电路的电容上并联一个开关就构成了复位按钮，当复位按钮被按下后电容放电，RST被上拉到高电平。由于电容的充电效应可以保持一段时间的高电平，让单片机进行复位。复位电路图如图3.11所示.图3.11 复位电路图3.6 键盘电路键盘电路用来预先设定系统的温度。键盘由两个常开按键

34、组成，其中按下PLAS键来增加设定数值，SUBS键来减少温度。当不按键时按键处于断开状态，按下按键后接地为低电平，单片机在按键数据为低电平时才读取并进行处理。3.7显示电路需要实时显示测得的水度，以供操作人员参考，适时调整供电的功率。我们采用7段LED数码管作为显示屏。数码管按连接方法分为共阴极和共阳极，虽然电源极性不同，相应的硬件电路也会有差异，但发光原理是相同的。为了能使显示屏显示出正确的数值，我们使用74HC95芯片来驱动显示屏，这种芯片是一种三态并行输出并带有锁存功能的存储状态寄存器，可以实现8位输入或输出功能，能直接控制数码管的八个端，因此广泛应用于显示屏中。DS18B20检测到的温

35、度与设定温度进行比较，单片机根据当前炉内温度和预设温度进行比较结果，进行PID控制运算，运算后的温度值用数码管进行实时显示。显示电路如图3.12所示.图3.12 显示电路图3.8稳压电源部分由于锅炉系统在运行时环境较为复杂，因此还要加入稳压电源电路，这样即使系统的输入电压、环境内部的温度、负载等参数发生变化时仍能输出恒定的输出电压。对于稳压电压部分我们使用LM7805型三端稳压器。这种芯片的输出电压是5V，刚好符合系统硬件电路中单片机等芯片和器件运行所需的电压，因此适用于系统中。另外这种芯片使用起来十分简单，为它设计一个简单的稳压电路就能实现稳压的功能。 在稳压电源电路中我们使用SBKA双路自

36、锁开关作为电源部分的总开关，输入端的输入电流为12V，CP5作为输入电源的接口插头。电路中的保护二极管使用的是IN4007型二极管，如果输入电源被反接接话能阻止反向电源输入电路，因此能保护电源电路不被击穿。为了使输入的电流更加稳定，我们加入稳波电容C1C4。此外如果输入电源很大的话还要给稳压器加上散热片。本系统的稳压电路如图2.10所示。由于系统系统主控制部分要用5V的直流电压供电，而电磁阀需要24V的直流电，所以我们要将220V的电网单相交流电经过整流电路、滤波电路、电源变压器、稳压电路这几部分转换为稳定的幅值较为稳定的5V和24V的直流电压。然而直接使用电网电力作为输入电压的话电压的有效值

37、大大高于相关器件所需要的输入电压，因此使用电源变压器来降压。然而电网电压是交流电压，而器件要求输入的是直流电压，因此还要加入整流电路将交流电压转换为直流电压。然而交流电压在整流之后还有一定的交流分量，将这样的电压输入到电路中不能保证负载电路能正常的工作。所以还要加入滤波电路，对电压进行滤波，从而输出符合电路要求的直流电压。最后加入稳压电路，稳压电路使用7805和7812型稳压芯片，分别对应所需的5V与24V的直流电压，这样能使电路输出的直流电压保持稳定，不受环境温度、输入电压波动等因素的影响，由此获得稳定的直流电压。图3.12稳压电源电路3.9电路原理图的绘制本次设计使用protel99绘制系

38、统的电路原理图。这是由美国的软件开发商Altium公司设计的一种电子产品开发系统，因其功能强大、方便易学，深受国内电子设计爱好者和电子产品设计者的青睐。Protel99可以为电子产品的一体化开发提供所有需要的技术与功能，还能在单一设计环境中实现对FPGA系统和集成板级电路进行设计、对基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发以及PCB版图设计和调试等功能，此外并集成了现代设计数据管理功能。基于其大的功能和简洁的操作，十分适用于对系统硬件电路进行绘制并进行调试。绘制过程为在打开protel软件后首先建立一个新的DDB文件，设计中设计到的数据和绘制出的电路图都在这个文件库中，并在新建好项目存放方式和

39、文件库存储位置后再建立一个SCH文件，存放绘制的电路图。准备工作完成后就可以开始绘制了，电路所需的元件可以在软件提供或自己添加的元件库中查找并直接使用，也可以自行进行绘制。添加好所需的各种元件并正确的连接，就初步完成了对电路图的绘制。此外还可以利用protel99的调试功能对硬件电路图进行调试，从而修正电路。第4章 系统程序方案的设计4.1确定系统控制算法系统中单片机的控制方式为采样控制，其PID算法公式近似为: (4-1） （4-2）可得增量式的算法公式为： （4-3） （4-4）这个计算的过程可用一个简单的程序来实现。算法框图如图4.1所示y(t)e(t) 图4.1控制系统系统4.2系统流

40、程图的设计 运行系统时首先要使系统初始化，之后再调用程序。然后扫描程序，之后对按键做出相应处理。键盘设定初始值后对采集带的数据进行A/D转换和PID运算处理。根据所得结果与设定的数值比较，由此控制相关部分的运行。系统的主程序流程图如图4.2所示。 开始 系统初始化键盘扫描设定标准值键值处理是否获取采样数据进行A/D转换PID计算输出控制NY 图4.2 主程序流程图4.3 液位、温度和压力检测程序流程图首先要对单片机进行初始化操作设定各项数值的初始值，之后再启动A/D转换功能，等待传感器检测相关数据并传送过来。传感器传送过来的是模拟信号，而单片机不能直接读取模拟信号，因此还需要进行A/D转换，将

41、传送过来的模拟信号转换为数字信号后再送至单片机进行处理，单片机进而进行PID计算得出结果并与设定值进行比较，如果计算出的结果不在设定范围内，说明炉内该项数值异常，立刻启动报警模块进行报警，否则不用进行报警。运算结束后单片机又恢复初始状态。检测模程序流程图如图4.3所示。Y返回A/D转换完毕？符合报警条件？启动报警输出结果单片机初始化启动A/D转换接收数据 接收完毕？等待A/D转换NNYYN 图4.3检测程序的流程图4.4显示模块程序流程图显示模块的子程序如图4.4所示，首先需要设置显示屏串口的工作方式、之后要设置地址指针和取段码。段码左移一位就输出一个一位的脉冲。断码停止移位则停止取断码。输出

42、一位移位脉冲YN段码移位结束结束取段码结束开始选择串口工作方式设置地址指针取段码段码左移一位输出一位断段码NY 图4.4显示子程序流程图4.5外部中断子程序流程图外部中断是指处理器遇到外部发出的中断请求后停止处理当前的事件，转而去处理中断请求的来源事件，即中断源，待解决中断源之后再回来处理之前的事件。在设计外部中断程序是首先要设置外部中断的入口，收到中断请求信号之后关闭外部中断，单片机转而去读取传感器检测并传送来的液位、压力和温度等相关量的数据，进行运算处理后输出控制数据。完成中断源的处理后开启外部中断，并恢复初始的状态。外部中断程序的流程图如图4.5所示。外部中断入口关外部中断返回关闭外部中

43、断读取温度和压力值输出结果外部中断入口 图4.5外部中断流程图第5章系统程序的设计5.1 系统软件的确定设计完硬件部分后就要着手设计系统的软件部分了。微机的程序是一种代码化或可以被转换为代码的指令序列和语句序列，由计算机等能进行信息处理的设备进行执行以得到想要的结果。为了使系统能按我们所要求的去运行，准确的程序是必不可少的。本次设计使用C语言作为汇编语言，这种语言运算简单，稳定性好，易于调试，可移植性高，广泛用于程序的汇编之中。开发C语言汇编平台为keil，可以对程序进行编程，调试和模拟仿真，可以满足系统的需要。本设计软件部分实现的功能主要有：与A/D转换芯片的数据通信、显示部分与显示屏之间的

44、通信、温度数据采集与DS18B20之间的通信、键盘电路对按键的判断与执行程序的编写等。5.2 总程序的设计如图3.1所示为软件程序的总体流程图，其中主程序由各个模块的组合而成，单片机复位后，程序进入，先从main()函数开始执行，首先进行程序的初始化设置，设置的主要部分有，开机提示蜂鸣器蜂鸣，然后进行AD转换设置，设置P1.0与P1.1为AD转换端口，分别用来转换压力值与液位值，然后对显示屏进行初始化设置，设置成功后会提示初始化设置成功，并保持2秒钟的显示状态后清屏。并且的检测DS18B20传感器是否出现故障，如果出现故障，程序将不能向下运行，同时产生报警，然后进行第一次启动温度转换，启动后，然后显示该设计中所用的静态显示数据，该部分数据在显示过程中不做更改，到此，初始化的部分已经完成。下面将进入while(1) 语句1；语句