基于单片机的锅炉水温与水位控制设计

【摘 要】系统使用STC89C52单片机为核心，以DS18B20温度传感器为主要感应元件，并通过在不同水位设置金属棒来感应水位的变化。该系统以温度控制为主要目的，同时保证水位处在安全区域。外部通过LCD1602显示温度和矩阵键盘实现人机对话，并可以通过串行通信来实现对程序的载入和修改。整个系统通过电热丝来加热水温，使用电机来降低水温和控制锅炉水位。通过外部键盘设定好温度后，系统即可自动控制，无需人工管理，自动化程度较高，达到了节能减排的目的，同时也减少了工人工作量。

【关键词】单片机；控制；水温；水位

0 绪论

我国目前大多数的锅炉仍处于高能耗、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控制水平，从环境保护来看，对于减少煤炭的消耗，提高供暖发电效率和节能、环保等方便意义重大，即符合国家提出的“节能减排”的现代化要求，又符合世界高新技术绿色化发展的潮流；从市场角度来看，将温度水位控制系统引入锅炉生产控制，可以降低消耗，减少运营成本，减少人力劳工需求，提高生产效率。总体来说，这是用低成本自动化武装传统设备的一项代表工程，利国又利民。

1 系统的总体设计

本次设计需完成的系统功能如下：

1）能通过外接键盘设定所需温度；

2）实时测量当前温度值，并能在液晶显示屏上实时显示；

3）当锅炉内水位过低时，优先锅炉进水，防止出现干烧情况，再加热；

4）当锅炉内水位过高时，优先锅炉排水，防止锅炉内压力过大，再加热；

5）当锅炉内温度低于设定温度时，系统能自动检测到，并自动加热；

6）当锅里内温度高于设定温度时，系统能自动检测到，停止加热，并向锅炉内进水来降温至设定温度；

7）具有较高的可靠性，能进行人机交互，并可以与计算机通讯，采用串行通讯方式，能在电脑上编程并将程序下载入单片机内；

8）要求达到的性能指标：测量温度0℃—100℃；测温精度±1℃。

如图1所示，该系统主要由单片机系统、水温检测与控制模块、水位检测与控制模块、键盘与显示模块等几部分组成。主要器件有：单片机STC89C52，水位检测电路，LCD1602液晶显示器，温度传感器DS18B20，PL2303数据线等。

图1 总体设计方案

2 系统的硬件设计

2.1 单片机最小系统

单片机最小系统包括单片机芯片，晶振电路和复位电路。

2.2 水位控制系统的设计

利用水能导电的原理，将不同的金属棒放在不同的液位，这样由不同位置的金属棒的得电情况来判断水位，如图3所示，将A金属棒置于锅炉靠近底部处，将B金属棒置于低水位界限处，将C金属棒置于高水位界限处在正常情况下，应保持水位在金属棒B和C之间。

图2 水位检测原理图

水位模块设计要求L298N芯片能够控制一台直流电机进行正反转操作，如图4所示接线，L298N芯片的6、11、9引脚接VCC +5V，4引脚接电机电压+12V，13、14引脚接直流电机的正负极两端，1、15、8引脚接地，5，7引脚接单片机的P2.0和P2.1端。如此，水位信号从P1.0和P1.1口输入单片机，单片机从P2.0和P2.1输出信号控制L298N芯片来驱动电机正反转，从而达到控制水位的目的。

图3 单片机控制L298N原理图

2.3 温度控制系统设计

图4是单片机控制电热丝加热的原理图，锅炉的温度由温度传感器DS18B20转换为数字信号，经过单片机处理判断后，发出信号，发出的电流信号经过三极管放大后控制继电器的闭合来控制电热丝加热锅炉水温。

图4 电热丝加热原理图

（上接第93页）2.4 键盘与显示设计

本系统需要显示的内容为当前锅炉温度与设定温度，LCD1602液晶显示能够显示英文和数字，所以满足设计要求。

为了保证每按一次按键，CPU仅作一次识别按键，必须编程设定延迟，来消除按键释放时的抖动，这可以在程序的编写中解决。

3 系统的软件设计

图5 主程序流程图

程序包括LCD1602液晶模块的初始化程序、1602液晶模块的显示子程序、水温水位控制子程序、温度显示程序、键盘处理程序等等。开始是程序的初始化及各管脚定义，设定好需要的温度后，进入循环，系统自动检测温度控制水位，该循环里包括各主要程序的运行，主程序流程图如图5所示。

4 结论

系统实现的效果良好，达到了测温精度误差不超过1℃，测量范围0℃至100℃，能满足大部分锅炉温度测量所需。本系统也设计了人机交互界面，通过液晶显示屏，可以方便查看锅炉温度，通过外接键盘来设定所需温度，通过数据线能也上位机PC进行串行通讯。温度设定之后系统能自动对温度进行调整，使其维持在设定的温度上。此外，本系统还能预防锅炉干烧和炉内压力过大的危险情况，当锅炉内水位过低时，优先锅炉进水，防止出现干烧情况，再加热；当锅炉内水位过高时，优先锅炉排水，防止锅炉内压力过大，再加热；此系统大大提高了的自动化水平，而且本系统的性价比高，抗干扰能力强，在普通的锅炉控制中应用前景广大。

【参考文献】

[1]孙宁，胡兆刚，编.基于DS18B20的温度采集系统[J].空中交通管理，2010，09.

[2]周润景，张丽娜.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京航空航天大学出版社，2006：321-326.

[3]潘晓贝，郭志冬，编.基于单片机的水温水位控制器的设计[J].三门峡职业技术学院学报，2010，06，09（02）.

[4]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京：清华大学出版社，2010，05.

[5]张仪和，等，编.例说51单片机：C语言版[M].3版.北京：人民邮电出版社，2010，6：5-7，117-119.