基于GPRS的恒温锅炉控制系统的设计

杨保亮，秦小虎，郝 华

(重庆文理学院电子电气工程学院，重庆 永川 402160)

基于GPRS的恒温锅炉控制系统的设计

杨保亮，秦小虎，郝 华

(重庆文理学院电子电气工程学院，重庆 永川 402160)

锅炉是重要的热能动力设备，在工业生产和日常生活中都占有重要的地位，锅炉控制质量的优劣对热能转化效率和控制环境污染起决定性的作用.文章设计了一种新型锅炉控制系统，采用STC公司生产的STC15F2K61S2单片机为主控制器，配合一定数量的传感器和相应的外围电路实现对锅炉温度的采集和水位的控制.为了实现控制系统的远程管理，编写了基于 VC++6.0的上位机监控软件，以实现锅炉控制系统参数设定、数据采集的波形显示、数据的整理和保存.运行试验表明，系统结构简单，工作稳定可靠，具有一定的市场推广价值.

GPRS;锅炉控制;STC15F2K61S2;VC++60;上位机

锅炉作为一种能量转换工具广泛应用于工业生产和人民生活中，工业锅炉是我国重要的热能动力设备，截至2008年底，我国有各类工业锅炉56.9万台，总蒸发量达到2 943.5万 t/h(含6 000 kW以下热电联产锅炉)［1-2］.我国是当今世界燃煤工业锅炉生产与使用最多的国家，工业锅炉是我国耗能大户，每年燃用全国原煤产量的1/3.工业锅炉又排放大量的烟尘以及 SO2和NOx等污染物，成为我国大气主要的煤烟型污染源之一.然而，锅炉控制的水平也对我们的生产和生活起着决定性的影响.随着微机技术的快速发展，微机已经广泛应用于工业锅炉控制当中，为了实现控制系统的智能化、准确化，各种控制算法也应用于工业锅炉控制系统中，如最优控制、自校正控制、模糊控制等.本文设计了基于STC15F2K61S2单片机的锅炉控制系统，该系统具有恒温、定容量、定温度、防干烧、具有远程控制和保护的锅炉控制系统的功能，具有一定的实用价值.

1 系统的结构框图

该锅炉控制系统的结构框图如图1所示，主要由基于STC15F2K61S2芯片为控制核心的主控单元、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

单片机可以自动检测当前的工作状态进行工作;在工作的过程中，单片机可以接收来自键盘、GPRS、上位机的数据及时地进行数据参数的更新;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;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.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.为了提高系统的控制精度和抗干扰能力，本文采用经典的PID控制算法.

2 系统硬件电路的设计

2.1 CPU 的选择

本系统采用STC的STC15F2K61S2单片机.SC15F2K61S2单片机是STC生产的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的51单片机，具有超强抗干扰、高速、高可靠、低功耗的性能，速度比一般单片机快8～12倍.特点:(1)大容量2 048字节片内RAM数据存储器;(2)在线编程，无需编程器和仿真器;(3)用户可在用户区直接编辑修改用户程序;(4)增强型8051内核，速度比平常的8051单片机快7～12倍;(5)告诉ADC，共8通道10位;(6)USB线可实现系统供电，程序下载，通信功能;(7)接口扩展齐全;(8)不需要外部晶振和复位电路;(9)低功耗，低价格.

2.2 电源电路的设计

本系统需要供电的模块很多，有3种电压供电，分别是220 V的交流电、12 V的直流电压和5 V的直流电压.单片机核处理器、温度测量单元、数据显示单元和水位监测单元都是5 V供电;电磁阀、GSM数据通信模块是12 V电压供电;220 V给500 W电热棒供电.在电源的设计过程中，我们首先把220 V经过变压器变压为12 V和24 V的两种电压，然后经7815稳压到DC15V，同时经过稳压芯片7812稳压到12 V，最后通过7805稳压5 V的直流电压.在电源电路的设计中，为了使电源能稳定可靠地工作，添加了电源自动保护电路.在电源电压高于某个值的时候，由继电器控制的保护电路自动切断电源.其中恒温锅炉控制系统电源电路图如图2所示.

图2 恒温锅炉控制系统电源电路图

2.3 驱动电路的设计

在锅炉控制系统中，为了使系统能可靠地执行设计的三个继电器控制电路，在单片机发出来的控制信号经过光耦隔离以后，经过8050三极管后驱动继电器，然后继电器驱动水泵、电磁阀和电热棒.为了使系统工作稳定，继电器大小为220V7A，驱动电路的电路图如图3所示.

图3 驱动电路电路图

2.4 通信电路的设计

恒温锅炉控制系统在工作的时候要把数据及时传输到计算机控制软件，也可以接收上位机发来的各种控制命令，同时本系统也要通过GPRS通信模块接收手机发来的各种控制命令.为了使系统简单，这里采用STC15单片机的两个串口来显示数据通信.STC15内部中有2个串口(串口1和串口2)，其中一个负责单片机与上位机通信，让PC机能够及时显示温度曲线，另一个用来接收SIM900A通信模块发来的各种控制短信命令.

(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，为了达到点评的匹配，这里采用了MAX232芯片来实现TTL电平和RS232电平的变换，其电路图如图4所示.

图4 计算机通信串口电路

(2)SIM900A通信

在系统工作的过程中通过SIM900A通信模块来接收手机等平台发来的控制命令，这里采用的是串口 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;从中提取出有效短信信息需要在程序中编程实现.

3 系统的软件设计

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稳定地工作，我们采用了C语言开发软件系统，在keiI的集成开发环境下进行开发.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程序模块的设计和超声波测水位设计，还有PID控制算法的实现、各种自动检测模块的设计以及串口通信模块的设计，另外我们用了MFC开发温控系统的上位机软件.单片机控制程序的流程图如图5所示.

图5 单片机控制程序的流程图

4 结论

本文在分析了我国锅炉控制水平发展的技术上，提出了一种基于STC公司单片机的设计恒温锅炉控制系统的设计方案，该方案以SC15F2K61S2单片机为核心控制芯片，结合内部各种资源和外部传感器实现温度液位的采集和数据的显示等，系统的工作界面如图6所示.

图6 系统的工作界面

［1］郭奎建.2008年特种设备统计分析［J］.中国特种设备安全，2008，25(5):42-46.

［2］中国电力企业联合会.中国电力行业年度发展报告［M］.北京:中国市场出版社，2009.

［3］吴中芳，闫学文.基于 DSP2812的锅炉控制系统的研究［J］.工业控制计算机，2012(10):4-8.

［4］杨保亮.基于GPRS的大屏幕LED显示系统的设计和实现［J］.微型机与应用，2011(19):40-51.

［5］丁向荣.单片微机原理与接口技术——基于STC15系列单片机［M］.北京:电子工业出版社，2012.

［6］梁康有.基于 TMS320LF2407的 LED显示屏的设计［J］.重庆文理学院学报，2013(3):52-54.

(责任编辑 吴 强)

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

国家级大学生创新创业训练计划项目(201210642003).

杨保亮(1979-)，男，山东枣庄人，讲师，硕士，主要从事嵌入式开发方面的研究.