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基于GPRS恒温锅炉系统的设计

高工
2014-02-26 17:31:12    评分

申报单位名称:重庆文理学院电子电气工程学院

参赛者姓名:秦小虎,胡江南,王毅

指导教师姓名:杨宝亮,杨守良


作品简介

开发背景

      锅炉作为一种能量转换工具广泛的应用工业生产和人民生活中,锅炉控制的水平也对我们的生产和生活起了决定性的影响,传统的恒温锅炉设备有很多不足之处。例如饮水机,虽使用广泛,经常用作烧开水,但饮水机加热只能到80多度,引用这样的水质对身体有伤害。而大型开水机虽然能加热到100度,但是会进行循环加热,产生亚硝酸盐,对身体也不利。在工业生产中的锅炉,由于没有做好及时的保护和信息的传递,也给我们的生活带来了灾难。这里设计一套具有恒温、定容量、定温度、防干烧、具有远程控制和保护的锅炉系统。

结构说明

该锅炉控制系统的结构框图如图1所示,主要有基于STC15F2K61S2芯片为控制核心主控单元、LCD显示模块、矩阵键盘、数据通信模、锅炉水箱、数据采集模块、加热模块、水量控制、PC机控制软件构成。

图1 恒温锅炉控制系统结构框图


功能说明

1.单片机可以自动检测当前的工作状态进行工作;

2.在工作的过程中,单片机可以接收来自键盘、GPRS、上位机的数据及时的进行数据参数的更新;

3.本系统可以通过GPRS、上位机进行远程控制,也可以通过键盘进行参数的设置;

4.本系统的各种参数可以通过12864的液晶进行显示,也可以通过上位机软件显示温度曲线。

5.在工作状态时,单片机自动采集温度和液位的变化,按照用户设置的参数进行控制,这里我们选择PID控制算法;

本系统的工作界面如图2示:


图2 系统的工作界面



使用说明

1.先启动SIM900A,在启动单片机,最后启动上位机软件,不然单片机不能正常工作;

2.矩阵键盘或是短信输入数据,设置需加热的温度容量;

3.可以通过设定界面的“放弃任务?”来取消任务;

4.上位机反映温度曲线,若“自动取水?”开启,温度到达设定时,电磁阀自动打开。



 图3 主页面                                            图4设定页面


作品特色

实用性:

1.      解决了加热不够和循环加热,产生亚硝酸盐,对身体也不利;

2.      本作品可以实现定温自动放水功能,能解决这一问题;

3.      可以用在工业上的温度控制系统的同时,也可以用在我们家庭用水上。

4.      为了智能家居的电器开发奠定了扎实的实践基础。

创新性:

1.本系统采用了GPRS通信模块,可以进行远程控制;

2.本系统采用智能的PID控制算法实现水温的控制;

3.本系统采用上位机软件进行数据管理和显示等;

4.采用非接触传感器测控水位,提高系统精度的同时避免的干扰。

稳定性:

1.本作品采用了防水型18B20,通过万用表测得阻值为兆欧级。

2.电热棒的220V也不会产生问题,

3.模型和电磁阀的选材都是耐温120℃以上。

4.系统采用自动检测报警机制,随时进行保护。

平台选型说明

该作品选用单片机开发板(以STC15F2K61S2芯片为控制核心),下面对开发板上使用到的电路或器件进行简述说明。

 

主控芯片

本作品主控芯片STC15F2K61S2是主办规定的,STC15是89S52的升级版本。简述一下,在性能方面相对于89C51来说已经提高了很多。比如寄存器、管脚复用、内部RC晶振电路等。本作品如果用89S52来实现的话,内部寄存器如定时器,串口会缺失不足,所以本作品正好能开发合理利用STC15F2K61S2单片机。


设计说明

原理图

本作品有三种电压提供供电。220V,DC12V,DC5V。变压器变压DC12V,7805降压DC5V,单片机18B20,水泵,12864都是5V供电;电磁阀GSM是12V电压供电,220V给500W电热棒供电。

 


图5 原理总图

单片机管脚使用情况



图6单片机管脚


超声波测水位使用管脚:P2.4P2.3

12864 使用管脚   P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7P2.0P2.1P4.5P5.5P5.4

输出驱动水泵     P1.2

输出驱动电磁阀   P1.6

输出驱动电热棒   P1.7

18 B20           P2.5

GSM通信        P1.0P1.1

上位机通信       P3.0P3.1

设计方案——硬件部分

 

硬件部分总的模块可分为DAC12V水泵、矩阵键盘、12864、超声波测水位、DAC12V电磁阀、电热棒、18B20、继电器、单片机等;但是大体可分为3个部分:传感器、输入设备、输出设备。

 

  1、传感器

    a.水温度传感器18B20  

常用的水温传感器有AD590和18B20,AD590输出的是电压信号,还需要功放放大,较为繁琐。相比较而言,18B20输出的数字信号、绝缘电阻达几十兆欧而且能直接与单片机连接更为适合。

    b.水体容量传感器超声波测距

事实上讲,并没有测容量这样的传感器,因为根据容器大小不同,根本没办法检测。本作品测容量的原理是:因为锅炉模型是方形的,可以通过检测水面与顶部的高度来计算出水面与底部的高度,然后计算出体积的方式来操作的。

    超声波模块测量范围为2mm到40000mm,精度在3mm内。


模型的尺寸为:

    高 122      mm  

    宽 162      mm          

    长 226      mm       

    体积公式:V=  (122-TOP)*162*226/1000;

    注:TOP为超声波测量到的水位高度。

工作过程:模块有4个管脚:电源、地、TRIG,ECHO。当只要给TRIG加载一个持续10us的高电平,则ECHO端输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

距离公式:TOP=(高电平时间*340)/2;

温度检测电路

这两个模块是单片机上自带,红外接收头与18B20温度传感器。红外与18B20都可以直接接在单片机上,随着社会进步,这两个模块发展都比较成熟了,网络上都有现成模块程序,可以适当利用。

电路图如下图7


图7 红外线、温度检测电路

2、输入设备

    a.SIM900A通信模块

在本作品中引入了远程短信控制功能,大大提高了系统的稳定性和可靠性能。

    短信编码规则如下:

    规则是:"W00000000"。

    A、必须加大写字母'W';

    B、"00000000"表示八位阿拉伯数字数。前三位为温度,最高为100,大于100自动变为100;

    C、第四位到第七位是容量,最高为4000,大于该数自动变为4000,单位为毫升(ML);

    D、第八位为“是否自动取水”。1为"是",其他为"否";

    E、W后不足八位数的,后面自动补充0;如果八位数其中有不是阿拉伯数字的,那么不是数字的字符自动变为0;

    F、"CLOSE"为关闭系统,停止加热。



b.矩阵键盘

矩阵键盘是常用的多按钮键盘,能充分的节约单片机I/O口。键值如图8

矩阵按键及作用


0-9 :阿拉伯数字0-9的数据输入;

设定:进入设定页面(设定页面如图4);

放水:取消当前任务,直接电磁阀放水;

上移:在设定页面,向上移动光标;

下移:在设定页面,向下移动光标;

取消:返回主页面(主页面如图3),清除设定的数据,但是无法清除被确认的数据;

确认:在设定数据时,按下该键保存数据;温度数据最大为100℃,超过时变为100;容量最大为4000ML,超过时自动变为4000ML,在设定“自动放水”时,按一下0键,为“是”,在按一下为“否”。

3、输出设备

     a、继电器

本作品共使用了三个继电器,主要是驱动水泵,电磁阀,电热棒。因为水中要放入18B20温度采集,采用继电器也具有隔离作用继电器大小为220V7A。电路如图9


图9 继电器驱动电路


b、12864液晶显示

    12864显示分为了两个页面:主页面和设定数据页面;按下“设定”按钮后进入设定页面。



图 10 面                                               图11设定页面

c、其他输出设备

电磁阀:DVC12V电磁阀是当选中“自动取水?”后,温度达到设定值后,电磁阀便自动打开,放水到容器中;

电热棒:水位达到设定值后,便启动电热棒,但必须大于安全容量;

水泵  :设定的容量值大于安全电压,并按下确认后就开水工作;

通信部分

串口电路

串口电路是实现单片机与上位机通信的电路,STC15内部中有2个串口(串口1和串口2),而本作品也需要两个通信电路;1、单片机与上位机通信,PC机显示温度曲线;2、SIM900A通信模块接收短信。

1、单片机通信PC机电路

   该串口使用串口1,管脚(P3.0/RxD,P3.1/TxD)没有复用。主要功能是实现向上位机持续传送温度数据,上位机软件根据接收到的数据绘制温度曲线(上位机曲线在“作品简介”中)。电路图如下图12


图12 串口1通信电路

USB下载电路

下载电路可控烧写程序也可以直接给单片机供电5V,本次实验中,只是供电而已,下载和串口都使用的是串口通信电路。电路图如下图13


图13  USB下载电路


SIM900A通信

   SIM900A通信模块使用的是串口2,管脚复用(P1.0/RxD,P1.1/TxD)。其主要功能是通过SIM900A与单片机通信,SIM900A通信模块接收到短信通过串口2发送到单片机处理。单片机接收到的数据里面包含有号码信息、接收到短信的日期信息、其他代码和短信等;得从中提出有效短信信息得在程序中编程实现。

设计方案——软件部分

本系统的软件设计是整个系统的灵魂,为了单片机各个模块能够协调的稳定的工作,我们采用了C语言开发了软件系统,在keiI的集成开发环境下开发的,程序主要采用模块化编程,主要包括,系统主程序的设计,182B20程序模块设计,GPRS程序模块的设计,12864程序模块的设计,超声波测水位设计等,PID控制算法的实现、各种自动检测模块的设计等,串口通信模块的设计,还有我们用了MFC开发温控系统的上位机软件。图15为主程序流程图。


图15 程序流程图

此文档的视频来自:http://v.eepw.com.cn/video/play/id/13363









关键词: GPRS     恒温     锅炉    

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