基于GPRS的恒溫鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊保亮，秦小虎，郝 華

(重慶文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，重慶 永川 402160)

基于GPRS的恒溫鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊保亮，秦小虎，郝 華

(重慶文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，重慶 永川 402160)

鍋爐是重要的熱能動(dòng)力設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中都占有重要的地位，鍋爐控制質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)熱能轉(zhuǎn)化效率和控制環(huán)境污染起決定性的作用.文章設(shè)計(jì)了一種新型鍋爐控制系統(tǒng)，采用STC公司生產(chǎn)的STC15F2K61S2單片機(jī)為主控制器，配合一定數(shù)量的傳感器和相應(yīng)的外圍電路實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐溫度的采集和水位的控制.為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理，編寫了基于 VC++6.0的上位機(jī)監(jiān)控軟件，以實(shí)現(xiàn)鍋爐控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集的波形顯示、數(shù)據(jù)的整理和保存.運(yùn)行試驗(yàn)表明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠，具有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值.

GPRS;鍋爐控制;STC15F2K61S2;VC++60;上位機(jī)

鍋爐作為一種能量轉(zhuǎn)換工具廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中，工業(yè)鍋爐是我國重要的熱能動(dòng)力設(shè)備，截至2008年底，我國有各類工業(yè)鍋爐56.9萬臺(tái)，總蒸發(fā)量達(dá)到2 943.5萬 t/h(含6 000 kW以下熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐)［1-2］.我國是當(dāng)今世界燃煤工業(yè)鍋爐生產(chǎn)與使用最多的國家，工業(yè)鍋爐是我國耗能大戶，每年燃用全國原煤產(chǎn)量的1/3.工業(yè)鍋爐又排放大量的煙塵以及 SO2和NOx等污染物，成為我國大氣主要的煤煙型污染源之一.然而，鍋爐控制的水平也對(duì)我們的生產(chǎn)和生活起著決定性的影響.隨著微機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，微機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)鍋爐控制當(dāng)中，為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化、準(zhǔn)確化，各種控制算法也應(yīng)用于工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)中，如最優(yōu)控制、自校正控制、模糊控制等.本文設(shè)計(jì)了基于STC15F2K61S2單片機(jī)的鍋爐控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有恒溫、定容量、定溫度、防干燒、具有遠(yuǎn)程控制和保護(hù)的鍋爐控制系統(tǒng)的功能，具有一定的實(shí)用價(jià)值.

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

該鍋爐控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由基于STC15F2K61S2芯片為控制核心的主控單元、LCD顯示模塊、矩陣鍵盤、數(shù)據(jù)通信模、鍋爐水箱、數(shù)據(jù)采集模塊、加熱模塊、水量控制、PC機(jī)控制軟件構(gòu)成.

圖1 恒溫鍋爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

單片機(jī)可以自動(dòng)檢測(cè)當(dāng)前的工作狀態(tài)進(jìn)行工作;在工作的過程中，單片機(jī)可以接收來自鍵盤、GPRS、上位機(jī)的數(shù)據(jù)及時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)參數(shù)的更新;本系統(tǒng)可以通過GPRS、上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，也可以通過鍵盤進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置;本系統(tǒng)的各種參數(shù)可以通過12864的液晶進(jìn)行顯示，也可以通過上位機(jī)軟件顯示溫度曲線.在工作狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)采集溫度和液位的變化，按照用戶設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行控制.為了提高系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力，本文采用經(jīng)典的PID控制算法.

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 CPU 的選擇

本系統(tǒng)采用STC的STC15F2K61S2單片機(jī).SC15F2K61S2單片機(jī)是STC生產(chǎn)的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的51單片機(jī)，具有超強(qiáng)抗干擾、高速、高可靠、低功耗的性能，速度比一般單片機(jī)快8～12倍.特點(diǎn):(1)大容量2 048字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器;(2)在線編程，無需編程器和仿真器;(3)用戶可在用戶區(qū)直接編輯修改用戶程序;(4)增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度比平常的8051單片機(jī)快7～12倍;(5)告訴ADC，共8通道10位;(6)USB線可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電，程序下載，通信功能;(7)接口擴(kuò)展齊全;(8)不需要外部晶振和復(fù)位電路;(9)低功耗，低價(jià)格.

2.2 電源電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要供電的模塊很多，有3種電壓供電，分別是220 V的交流電、12 V的直流電壓和5 V的直流電壓.單片機(jī)核處理器、溫度測(cè)量單元、數(shù)據(jù)顯示單元和水位監(jiān)測(cè)單元都是5 V供電;電磁閥、GSM數(shù)據(jù)通信模塊是12 V電壓供電;220 V給500 W電熱棒供電.在電源的設(shè)計(jì)過程中，我們首先把220 V經(jīng)過變壓器變壓為12 V和24 V的兩種電壓，然后經(jīng)7815穩(wěn)壓到DC15V，同時(shí)經(jīng)過穩(wěn)壓芯片7812穩(wěn)壓到12 V，最后通過7805穩(wěn)壓5 V的直流電壓.在電源電路的設(shè)計(jì)中，為了使電源能穩(wěn)定可靠地工作，添加了電源自動(dòng)保護(hù)電路.在電源電壓高于某個(gè)值的時(shí)候，由繼電器控制的保護(hù)電路自動(dòng)切斷電源.其中恒溫鍋爐控制系統(tǒng)電源電路圖如圖2所示.

圖2 恒溫鍋爐控制系統(tǒng)電源電路圖

2.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

在鍋爐控制系統(tǒng)中，為了使系統(tǒng)能可靠地執(zhí)行設(shè)計(jì)的三個(gè)繼電器控制電路，在單片機(jī)發(fā)出來的控制信號(hào)經(jīng)過光耦隔離以后，經(jīng)過8050三極管后驅(qū)動(dòng)繼電器，然后繼電器驅(qū)動(dòng)水泵、電磁閥和電熱棒.為了使系統(tǒng)工作穩(wěn)定，繼電器大小為220V7A，驅(qū)動(dòng)電路的電路圖如圖3所示.

圖3 驅(qū)動(dòng)電路電路圖

2.4 通信電路的設(shè)計(jì)

恒溫鍋爐控制系統(tǒng)在工作的時(shí)候要把數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)控制軟件，也可以接收上位機(jī)發(fā)來的各種控制命令，同時(shí)本系統(tǒng)也要通過GPRS通信模塊接收手機(jī)發(fā)來的各種控制命令.為了使系統(tǒng)簡(jiǎn)單，這里采用STC15單片機(jī)的兩個(gè)串口來顯示數(shù)據(jù)通信.STC15內(nèi)部中有2個(gè)串口(串口1和串口2)，其中一個(gè)負(fù)責(zé)單片機(jī)與上位機(jī)通信，讓PC機(jī)能夠及時(shí)顯示溫度曲線，另一個(gè)用來接收SIM900A通信模塊發(fā)來的各種控制短信命令.

(1)單片機(jī)通信PC機(jī)電路

該串口使用串口 1，管腳(P3.0/RxD，P3.1/TxD)沒有復(fù)用.主要功能是實(shí)現(xiàn)向上位機(jī)持續(xù)傳送溫度數(shù)據(jù)，上位機(jī)軟件根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)繪制溫度曲線，為了達(dá)到點(diǎn)評(píng)的匹配，這里采用了MAX232芯片來實(shí)現(xiàn)TTL電平和RS232電平的變換，其電路圖如圖4所示.

圖4 計(jì)算機(jī)通信串口電路

(2)SIM900A通信

在系統(tǒng)工作的過程中通過SIM900A通信模塊來接收手機(jī)等平臺(tái)發(fā)來的控制命令，這里采用的是串口 2，管腳復(fù)用(P1.0/RxD，P1.1/TxD).其主要功能是通過SIM900A與單片機(jī)通信，SIM900A通信模塊接收到短信通過串口2發(fā)送到單片機(jī)處理.單片機(jī)接收到的數(shù)據(jù)里面包含有號(hào)碼信息、接收到短信的日期信息、其他代碼和短信等;從中提取出有效短信信息需要在程序中編程實(shí)現(xiàn).

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，為了單片機(jī)各個(gè)模塊能夠協(xié)調(diào)穩(wěn)定地工作，我們采用了C語言開發(fā)軟件系統(tǒng)，在keiI的集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行開發(fā).程序主要采用模塊化編程，主要包括系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)、182B20程序模塊設(shè)計(jì)、GPRS程序模塊的設(shè)計(jì)、12864程序模塊的設(shè)計(jì)和超聲波測(cè)水位設(shè)計(jì)，還有PID控制算法的實(shí)現(xiàn)、各種自動(dòng)檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)以及串口通信模塊的設(shè)計(jì)，另外我們用了MFC開發(fā)溫控系統(tǒng)的上位機(jī)軟件.單片機(jī)控制程序的流程圖如圖5所示.

圖5 單片機(jī)控制程序的流程圖

4 結(jié)論

本文在分析了我國鍋爐控制水平發(fā)展的技術(shù)上，提出了一種基于STC公司單片機(jī)的設(shè)計(jì)恒溫鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案以SC15F2K61S2單片機(jī)為核心控制芯片，結(jié)合內(nèi)部各種資源和外部傳感器實(shí)現(xiàn)溫度液位的采集和數(shù)據(jù)的顯示等，系統(tǒng)的工作界面如圖6所示.

圖6 系統(tǒng)的工作界面

［1］郭奎建.2008年特種設(shè)備統(tǒng)計(jì)分析［J］.中國特種設(shè)備安全，2008，25(5):42-46.

［2］中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).中國電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告［M］.北京:中國市場(chǎng)出版社，2009.

［3］吳中芳，閆學(xué)文.基于 DSP2812的鍋爐控制系統(tǒng)的研究［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012(10):4-8.

［4］楊保亮.基于GPRS的大屏幕LED顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2011(19):40-51.

［5］丁向榮.單片微機(jī)原理與接口技術(shù)——基于STC15系列單片機(jī)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012.

［6］梁康有.基于 TMS320LF2407的 LED顯示屏的設(shè)計(jì)［J］.重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2013(3):52-54.

(責(zé)任編輯 吳 強(qiáng))

The design of boiler tem perature control system based on GPRS

HAO Hua，QIN Xiaohu，YANG Baoliang
(Schoolof Electronic and Electronics Engineering，Chongqing University of Arts and Sciences，Yongchuan Chongqing 402160，China)

Boiler is an important heat generating device in China，which occupies an important position in both industrial production and daily life，boiler quality control level not only impact on the conversion efficiency of heat energy，but also the environment.Here，we design a new system for boiler control，the system adopts the STC company STC15F2K61S2 MCU as themain controller，and then with a variety of a number of sensors and corresponding peripheral circuit to realize the control of temperature and water level of boiler.In order to remotemanagementandmonitoring the system quickly，The PCmonitor software based on VC++6.0 software，which can receives the boiler control system parameter，data acquisition and waveform display，collation and preservation of data.And the relatedmodule and the problems encountered in the control process is illustrated.Experiments show that，the system has the advantages of simple structure，stable and reliable work，which has some value in practice.

GPRS;boiler control system;STC15F2K61S2;VC++;host computer

G71

A

1673-8004(2014)05-0085-04

2014-03-15

國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201210642003).

楊保亮(1979-)，男，山東棗莊人，講師，碩士，主要從事嵌入式開發(fā)方面的研究.