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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：P2.4、P2.3

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

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        ：P1.0、P1.1

上位机通信       ：P3.0、P3.1

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。

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;

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

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