【文章內(nèi)容簡介】 機(jī)不僅可以實(shí)現(xiàn)各種常規(guī)的控制，還可以根據(jù)被控對象的特性，充分利用控制理論的最新研究成果，采用更完善的控制方式，以獲得更好的控制效果。目前，由于家用鍋爐屬于批量生產(chǎn)，而且每臺鍋爐需要一套完整的控制系統(tǒng)，針對這些特點(diǎn)，尤其從產(chǎn)品成本角度出發(fā)，以MCS51為核心器件組成的控制系統(tǒng)是比較理想的選擇。此外，MCS51系列單片機(jī)運(yùn)算能力、完備的控制功能、加上完善的外部接口電路，對中小型鍋爐控制系統(tǒng)完全可以勝任。在外圍芯片選取時(shí)，盡量選取典型的、易于擴(kuò)展和替換的芯片和電路，并本著節(jié)約成本的思想。選用基于單總線的數(shù)字溫度傳感器DS18BMPX4115壓力傳感器和LCD液晶顯示器。DS18B20溫度傳感器采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，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4]；MPX4115壓力傳感器具有抗震動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓，使用于狹小空間工業(yè)設(shè)備測溫和控制5]；LCD液晶顯示器為平面超薄的顯示設(shè)備，它由一定數(shù)量的彩色或黑白像素組成，放置于光源或者反射面前方。液晶顯示器功耗很低，因此倍受工程師青睞，適用于使用電池的電子設(shè)備。它的主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面配合背部燈管構(gòu)成畫面。它們二者與單片機(jī)的接口比較簡單，而且編程強(qiáng)度不大，既保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，節(jié)約了開發(fā)成本。系統(tǒng)在軟件上采取模塊化的程序結(jié)構(gòu)。主程序作為控制程序，為整個(gè)系統(tǒng)軟件的一條主線，其它功能模塊均采用子程序調(diào)用、查詢等方式，為調(diào)試和擴(kuò)充提供了方便。本系統(tǒng)的電源采用市場上常見的W7800(7800)系列7805電源穩(wěn)壓芯片，模擬信號和數(shù)字信號分別用單獨(dú)的供電回路，以避免電源干擾。利用溫度傳感器DS18B20采集測量鍋爐水溫；使用LCD液晶顯示器顯示預(yù)先設(shè)定的溫度、壓力報(bào)警值和當(dāng)前采集的溫度、壓力值。利用繼電器控制燃燒器的加熱。當(dāng)鍋爐內(nèi)的水的實(shí)際水溫超過報(bào)警溫度值，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音，這時(shí)接在單片機(jī)一端的繼電器動(dòng)作，燃燒器斷電。此時(shí)溫度傳感器實(shí)時(shí)對鍋爐溫度檢測，當(dāng)溫度降到設(shè)定值的下限時(shí)，繼電器重新通電。燃燒器電源重新接通，鍋爐繼續(xù)加熱。如此反復(fù)監(jiān)控溫度。這樣對鍋爐溫度控制不僅可以節(jié)約能源，提高能源的使用率。第31頁（共32頁）鍋爐防爆設(shè)計(jì)方案2 鍋爐防爆設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖繼電器溫度傳感器壓力傳感器信號放大電路LCD顯示器模數(shù)信號轉(zhuǎn)換電路鍵盤聲音報(bào)警器8255擴(kuò)展芯片AT89C51單片機(jī)圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 微控制器方案選擇模擬量經(jīng)輸入通道處理后要送到微機(jī)控制電路進(jìn)行信號的分析處理，得到控制信號驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如進(jìn)行及時(shí)的聲光報(bào)警功能，選用一款好的微機(jī)成為本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，因?yàn)槲C(jī)電路本身的性能有時(shí)候決定整個(gè)設(shè)計(jì)的成敗。 方案一采用AT89C51的8位單片機(jī)，AT89C51單片機(jī)是在美國ATMEL公司于20世紀(jì)80年代的產(chǎn)品，它在單一的芯片內(nèi)集成了并行I/O口、異步串行口、16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、以及其他一些功能。此單片機(jī)是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器6]。該器件采用高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 方案二采用可編程邏輯器件PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及控制，PLC具有高可靠性和強(qiáng)抗干擾能力，豐富的I/O接口模塊，為了適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要，除了一些小型PLC以外，采用模塊式的結(jié)構(gòu)，靈活性好。系統(tǒng)安裝及維修方便。 方案決策二者均可達(dá)到本設(shè)計(jì)想要的功能，但從性價(jià)比上講，AT89C51單片機(jī)價(jià)格低廉，而PLC一般用在大型的控制系統(tǒng)中，價(jià)格不低廉，故不采用。因此，本設(shè)計(jì)選擇方案一。 溫度傳感器的選擇 方案一采用溫度傳感器DS18B20完成溫度測量，并將溫度測量值直接通過單總線電路輸出到AT89C51單片機(jī)處理，不需要A/D轉(zhuǎn)換電路。DSl8820主要特性7]如下：用戶可自設(shè)定報(bào)警上下限溫度值；（1） 不需要外部組件，可實(shí)現(xiàn)對—55℃～+125℃范圍內(nèi)的溫度測量；（2） —10℃～+85℃測量溫度的誤差在177?！?；（3） 實(shí)際報(bào)警器的分辨率可單獨(dú)設(shè)定；（4） 保存在EEPROM中，即使斷電也能夠保存；（5） 獨(dú)特的單總線接口方式，與微處理器連接時(shí)僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)與微處理器雙向通訊。 方案二采用ADC590溫度傳感器完成溫度測量并轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送到AT89C51單片機(jī)中。ADC590功能單一（僅測量溫度）、測溫誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等優(yōu)點(diǎn)，適合遠(yuǎn)距離測溫、控溫，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)。外圍電路簡單。 決策方案溫度的采集是整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)之一，在眾多的環(huán)境監(jiān)測中，ADC590由于成本低而用得較多，但后續(xù)電路復(fù)雜，輸出模擬信號較弱，需要進(jìn)行放大后再通過A/D轉(zhuǎn)換電路得到溫度值，不僅復(fù)雜，而且提高了系統(tǒng)的功耗，降低了整個(gè)系統(tǒng)的性能。所以，本系統(tǒng)采用可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度采集。 壓力傳感器的選擇 方案一采用MPX115壓力傳感器完成壓力測量，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送到AT89C51單片機(jī)中。MPX4115主要特性8]如下：（1）在0℃85℃%；（2）溫度補(bǔ)償是40℃~+125℃；（3）%VFSS 方案二 采用EPCOS生產(chǎn)的T5300數(shù)字壓力傳感器進(jìn)行壓力檢測，T5300數(shù)字壓力傳感器可將壓力測量量經(jīng)過單總線輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，不需要A/D轉(zhuǎn)換。T5300壓力傳感器的特點(diǎn)如下：（1）直接數(shù)字量輸出，無信號傳輸損失，無信號采集誤差。（2）5～3 0 V D C 激勵(lì)， 供電電壓波動(dòng)對測量零影響。（3）幾乎無零漂、高穩(wěn)定性、高分辨率。 決策方案 對于二者來說，T5300壓力傳感器比MPX4115都可以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，但是T5300相對于MPX4115來說，價(jià)格要高出許多。因此采用方案一。 A/D轉(zhuǎn)換芯片選擇 方案一采用8位8通道模數(shù)轉(zhuǎn)換的專業(yè)芯片，安置于A/D轉(zhuǎn)換電路，溫度和壓力改變引起的信號傳遞在通過信號調(diào)理電路將其與ADC0809的INO和IN1進(jìn)行鏈接，這樣就形成了完整的模擬信號數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換，并輸入單片機(jī)。 方案二采用美國TI公司的1l通道12位A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543。TLC2543是采用CMOS技術(shù)制作的12位開關(guān)電容逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用SPI通信方式可以節(jié)省單片機(jī)I/O資源，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展。A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)源采用MAX675 5V芯片，它能提供精準(zhǔn)的5V參考電壓。 決策方案由于本文要求實(shí)現(xiàn)一般步驟的A/D轉(zhuǎn)換功能，選擇8位8通道的ADC0809即可。 顯示電路選擇 方案一顯示單元主要由LED數(shù)碼管及顯示驅(qū)動(dòng)單元組成。顯示電路采用8位LED數(shù)字顯示，顯示內(nèi)容主要包括當(dāng)前溫度及壓力。 方案二采用LCD液晶顯示器顯示鍋爐當(dāng)前的溫度和壓力。顯示電路采用液晶顯示模塊，體積小，功耗低，操作方便。使用液晶顯示模塊，可以對模式選擇位寫入命令，從而調(diào)節(jié)LCD的工作模式，分時(shí)進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)寫入。 決策方案從操作簡潔性和方便性來講，LCD液晶顯示器要比數(shù)碼顯示器有優(yōu)勢，數(shù)碼顯示器組成的顯示電路需要接很多外圍設(shè)備，引腳越多，越容易出故障，故這里選擇用LCD液晶顯示器。有兩種液晶顯示器，一種是LCD1602，兩行顯示；一種是LCD12864，還可以用于顯示曲線；因?yàn)楸鞠到y(tǒng)需要顯示的數(shù)據(jù)不是很多，只需顯示傳感器數(shù)據(jù)，故選用LCD1602液晶顯示器即可。 最終方案決策經(jīng)過上述分析選擇，最終確定各模塊方案如下：（1） 微控制器選用ATMEL的AT89C51；（2） 采用可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度采集；（3） 采用MPX4115壓力傳感器進(jìn)行壓力探測；（4） 選擇8位8通道的ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；（5） 采用LCD1602液晶顯示器顯示傳感器探測信號；硬件電路設(shè)計(jì)3 硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)模塊該鍋爐防爆系統(tǒng)是以89C51單片機(jī)為核心器件，此單片機(jī)模塊的工作原理是：加載相應(yīng)程序的AT89C51單片機(jī)把水位和測溫模塊傳來的數(shù)據(jù)加以處理，送LCD顯示屏顯示。AT89C51是美國ATMEL生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)。它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片機(jī)芯片中，可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。1. AT89C51 主要功能列表9]如下：(1) 為一般控制應(yīng)用的8位單芯片。(2) 晶片內(nèi)部具有時(shí)鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至12MHZ）。(3) 內(nèi)部程序存儲器（ROM為4 KB）。(4) 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM為12 B）。(5) 32調(diào)雙向輸入輸出錢，且每條均可以單獨(dú)做I/O的控制。(6) 5個(gè)中斷向量源。(7) 2組獨(dú)立的16位定時(shí)器。(8) 單芯片提供位邏輯運(yùn)算指令。2. AT89C51管腳排列及系統(tǒng)所用管腳介紹。管腳排列如圖2所示，下面介紹引腳的功能。圖2 AT89C51引腳排列圖（1） VCC（40）：＋5V。（2）GND（20）：接地。（3）P0口（39－32）：P0口為8位漏極開路雙向I/O口，每引腳可吸收8個(gè)TTL門電流。（4）P1口（1－8）：P1口是從內(nèi)部提供上拉電阻器的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收和輸出4個(gè)TTL門電流。（5）P2口（21－28）：P2口為內(nèi)部上拉電阻器的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收和輸出4個(gè)TTL門電流。（6）P3口（10－17）：P3口是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻器的雙向I/O口，可接收和輸出4個(gè)TTL門電流，P3口也可作