遼寧工程技術(shù)大學畢業(yè)設計 (論文 ) 目錄 摘要 Abstract 1 前言 1 1.1 課題背景 1 1.2 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 2 1.3 使用單片機實現(xiàn)供暖鍋爐溫度控制的優(yōu)點 2 1.4 研究方案及預期結(jié)果 3 1.4.1 系統(tǒng)的建立 3 1.4.2 系統(tǒng)總體方案 3 1.4.3 設計的研究進程 4 2 系統(tǒng)硬件設計 5 2.1 核心芯片 8051 單片機 5 2.2 液位傳感器設計 8 2.3 DAC0832 D/A 轉(zhuǎn)換器 和 ADC0809 A/D 轉(zhuǎn)換器 10 2.3.1 D/A 轉(zhuǎn)換 基本原理 及特征 11 2.3.2ADC0809 轉(zhuǎn)換芯片 12 2.4鍵盤及顯示接口 14 2.5 報警裝置 15 3 傳感器的選擇設計 17 3.1液位 傳感器的選擇 17 3.1.1 光電式傳 感器 17 3.1.2 光 電式傳感器的基本特征 19 3.2 溫度式 傳感器的選擇 22 曹德寶 :鍋爐液位控制系統(tǒng) 3.3 壓電式 傳感器的設計 23 3.3.1 壓電效應和陶瓷壓電式傳感器選取 23 3.3.2 壓電式傳感器的測量電路 25 4 軟件的設計 28 5 技 術(shù)經(jīng)濟分析 34 6 結(jié)論 35 致謝 36 參考文獻 37 附錄 A 譯文 38 附錄 B 外文摘要 42 遼寧工程技術(shù)大學畢業(yè)設計 (論文 ) 摘要 本文主要設計了一種鍋爐液位控制器，它以 8051 作為控 制器，通過 8051 單片機，壓力傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等硬件系統(tǒng)和軟件設計方法實現(xiàn)具有液位檢測報警和控制雙重功能，同時也具有壓力報警和顯示控制的功能 ,并對液位和壓力值進行顯示。 本系統(tǒng)是基于單片機的水暖鍋爐控制，在設計中主要有水位檢測、溫度檢測、壓力檢測、按鍵控制、水位控制、顯示部分、故障報警等幾部分組成來實現(xiàn)供暖控制。主要用水位傳感器檢測水位，用光纖溫度傳感器來檢測水溫，用六個控制按鍵來實現(xiàn)按健控制，用三位 7 段 LED 顯示器來完成顯示部分，用變頻器來控制循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，用壓力傳感器檢測鍋爐內(nèi)部壓力。并且通過模數(shù)轉(zhuǎn)換 把這些信號送入單片機中。把這些信號與單片機中內(nèi)部設定的值相比，以判斷單片機是否需要進行相應的操作，即是否需要開啟補水泵，來實現(xiàn)對液面的控制 ,從而實現(xiàn)單片機自動控制液面的目的。本設計用單片機控制易于實現(xiàn)鍋爐液位、溫度和壓力的控制 ,而且有造價低、程序易于調(diào)試、一部分出現(xiàn)故障不會影響其他部分的工作、維修方便、等優(yōu)點。 關鍵詞：鍋爐 ; 8051 單片機 ; 模數(shù)轉(zhuǎn)換 ; 水位控制 ; 自動控制 曹德寶 :鍋爐液位控制系統(tǒng) Abstract Have introduced a kind of automobile muti_function warning apparatus based on single chip microcomputer. It can guard against the oil pressure of the lubricate system、 atmospheric pressure of the braking system、 temperature of the cool system、 tyre owing to press and the thief of automobile, and to carry out automatic detection , and sends out the alarm signal when discovering unusual conditions .Have elaborated the design ideological、 hardware composition and software train of thought of the alarm system. The systemic design bases controller of CMS water heating of a boiler , it mostly makes up of measuring water level ,measuring a water temperature ,controlling a keys-press ,controlling a water temperature ,controlling water level ,controlling circulate ,controlling pressure ,showing a part ,giving an alarm order to realize heating controller ,the design adopts Single-Chip Microcomputer to control boiler heating .It mostly uses a temperature sensor to measure water temperature ,uses water level sensor to measure water level , uses a transducer to control cycle pumps rotate speed ,uses five keys-press to control key-press ,uses three light-emitting diodes display to finish a display parts ,uses a transducer to control rotate speed of cycle pump ,uses a press transducer to measure press in the boiler .It sends those signals to SCM through modulus ,and hold those signals to compare with enactment in the SCM to judge whether SCM need to carry through relevant operation namely ,whether it needs to open a fan ,whether it needs to turn on a water pump ,whether it needs to quicken rotate speed of a cycle pump and so on .Consequently ,it finishes an aim of SCM auto-controller .The design makes use of the SCM to control boiler which is easy to realize boiler heating ,it is cheap to manufacture ,it is easy to debug its procedure .When a part is in trouble ,it does not infect others and it is convenience to mend ,it is widely to use many of areas. Key words： Boiler; 8051 Single chip microcomputer ; Digital-to-analogue changes; water level control; Auto-control 遼寧工程技術(shù)大學畢業(yè)設計 (論文 ) 1 前言 1.1 課題背景 目前我國的燃燒鍋爐的數(shù)量眾多 ,我國現(xiàn)有中、小型鍋爐 30 多萬臺 ,每年耗媒量占我國原煤產(chǎn)量的四分之一 ,目前大多數(shù)工業(yè)鍋爐仍處于能耗高、浪費大、環(huán)境污染嚴重的生產(chǎn)狀態(tài)。國家在第 10 到第 11 個五年計劃的科技創(chuàng)新指南中 ,對光電一體化、資源與環(huán)境、新能源與高效節(jié)能的指導性課 題中明確指出 :需要自動化程度高、節(jié)能潛力大、提高安全系數(shù)、減輕勞動強度、價格低的新型測控裝置。要求節(jié)約率達到百分之 5 以上 ,裝置投資的回收期在 1 年以內(nèi) ,采暖鍋爐為 3 年以內(nèi)。如小型鏈條式工業(yè)鍋爐用的是新型測控裝置。因此這個課題有現(xiàn)實的意義且市場的前景良好。 鍋爐微機控制 ,是近年來新開發(fā)的一項新技術(shù) ,它是微型計算機軟件、硬件、自動控制、鍋爐節(jié)能等幾項技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物 ,工業(yè)鍋爐采用的是微機控制和原有的儀表控制 ,微機控制有以下明顯優(yōu)勢 : 1)直觀而集中的顯示鍋爐各運行參數(shù) ,能顯示液位、壓力、溫度狀態(tài)。 2)在運行中 可以隨時方便的修改各種各樣的運行參數(shù)的控制值 ,并修改系統(tǒng)的控制參數(shù) ,可以方便的改變液位、壓力、溫度的上限、下限。 3)提高鍋爐的熱效率 ,采用計算機控制后熱效率可以比以前提高百分之 5 到百分之 10,據(jù)統(tǒng)計 ,120 噸的鍋爐 ,全年平均負荷為百分之 70 左右 ,以平均熱效率提高百分之 5 計算 ,全年節(jié)約 800 噸。 4)鍋爐系統(tǒng)中包含鼓風機、引風機和給水泵等大功率電動機 ,由于鍋爐本身特性和選型的因素 ,這些風機大部分不會滿負荷輸出的 ,原有的方式采用閥門和擋板控制流量 ,浪費非常嚴重。通過對鼓風機、引風機和給水泵進行微機控制可以平均 節(jié)電達到百分之 30 到百分之 40 左右。 5)作為鍋爐控制系統(tǒng)裝置 ,其主要任務是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行 ,減少勞動人員的勞動強度。采用計算機控制的鍋爐系統(tǒng)有十分周到的安全機制 ,可以置多點的聲光報警和自動連鎖停爐 ,杜絕人為疏忽造成的重大事故。 綜合以上的種種優(yōu)點可以預見采用計算機控制系統(tǒng)是行業(yè)的大勢所趨。單片機是在一塊芯片上集成了一片微型計算機所需的 CPU、存儲器、輸入、輸出等部件。單片機自問世以來 ,性能不斷提高和完善 ,體積小、速度快、功耗低的特點使它的應用領域日益廣泛。一般 ,工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境差 ,干擾 強 ,利用單片機控制就能克服這些缺點 ,因此單片機在曹德寶 :鍋爐液位控制系統(tǒng) 控制領域得到廣泛的應用 ,使用單片機控制鍋爐是很好的選擇。 1.2 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 目前我國在單片機測控裝置研究、生產(chǎn)、應用中 ,取得了很大的成績 ,總結(jié)了很多經(jīng)驗 ,但是各行業(yè)仍處于發(fā)展期 ,經(jīng)調(diào)查 ,更多科研究所在這方面開展的工作更看重的是理論和算法 ,數(shù)年來這方面的研究的論文較多 ,著重生產(chǎn)實際的很少。在上海 ,新型的單片機測控裝置與系統(tǒng)研究的生產(chǎn)基礎較雄厚 ,在生產(chǎn)過程中需要新型的測控裝置與系統(tǒng) ,因此在不斷的努力研究與開發(fā)。上海的工程技術(shù)研究人員更著重的是生產(chǎn)實際研究 ,對理論、算法和成果的論文較少 ;深圳在研制新型的測控裝置與系統(tǒng)領域也比較有成就 ,盡管與其他國家比較尚有差距 ,但是 ,深圳的高校、研究院所的最大的特點就是實際 ,與生產(chǎn)實際應用項目無關的問題基本不去考慮 ,主要考慮選取什么材料 ,測控什么物理量 ,優(yōu)點是什么 ,與機器設備的通訊接口等等。 一些發(fā)達國家在單片機新型系統(tǒng)研究、制造和應用上 ,已積累了很多經(jīng)驗 ,奠定了基礎 ,進入了國際市場。我國在新型測控裝置與系統(tǒng)研究、制造、應用和經(jīng)驗上 ,與其他發(fā)達國家相比還存在差距 ,但是我國的研究人員已經(jīng)克服很多困難 ,并在不斷的摸索中前進 ,有望在 相關領域趕上甚至超過發(fā)達國家的技術(shù)水平 ,這是發(fā)展趨勢。 1.3 使用單片機實現(xiàn)鍋爐液位控制的優(yōu)點 使用單片機實現(xiàn)鍋爐液位控制具有較高的實用價值和穩(wěn)定性好等特點。采用高亮二極管和光敏三級管所組成的液位傳感器測量水位，可有效保證水位的自動控制，保證水質(zhì)無污染，能更好地對鍋爐進行自動化控制 ,測量溫度時采取光電耦合器 ,實現(xiàn)光電隔離 ,避免了工作人員在現(xiàn)場進行檢測操控 ,方便了人員對液位系統(tǒng)的控制 ,控制方便且系統(tǒng)穩(wěn)定性能好；采用壓力傳感器對壓力進行測控，采取 壓電陶瓷傳感器 ,可大大簡化設計方案，系統(tǒng)性能也更穩(wěn)定；單片機不僅 有體積小，安裝方便，功能較齊全等優(yōu)點，而且有很高的性價比，應用前景廣，同時有助于發(fā)現(xiàn)可能存在的故障，通過微機實現(xiàn)蒸汽與給水系統(tǒng)的自動控制與調(diào)節(jié)，將保證鍋爐正常供氣供暖，維持穩(wěn)定系統(tǒng)，保證安全經(jīng)濟運行。本文就是采用 8051單片機為核心芯片的一種鍋爐控制系統(tǒng)，具有較高的實用價值和優(yōu)越性。 本系統(tǒng)與 PLC控制系統(tǒng)相比大大降低了使用成本 ,提高了控制運行速度。根據(jù)仿真模擬運行的結(jié)果表明 ,該系統(tǒng)能很好的克服 “假水位 ”現(xiàn)象 ,將鍋爐汽包液位控制在給定的范圍內(nèi) ,對壓力不足和壓力過大進行安全報警 ,穩(wěn)定性能好 ,容易操作和控制 ,保 證了生產(chǎn)的正常進行。 遼寧工程技術(shù)大學畢業(yè)設計 (論文 ) 1.4 研究方案及預期結(jié)果 本設計是采用 8051單片機為核心芯片 ,及其相關硬件來實現(xiàn)的鍋爐液位控制系統(tǒng) ,在用液位傳感器測液位的同時 ,又用光電式隔離器和壓力傳感器對鍋爐的溫度和壓力進行檢測，CPU循環(huán)檢測傳感器輸出狀態(tài) ,并用 3位七段 LED顯示示液位高度 ,檢測液位、溫度和壓力等數(shù)據(jù) ,實施報警安全提示 ,當鍋爐液位低于用戶設定的值時 ,系統(tǒng)自動打開泵上水 ,當水位到達設定值時 ,系統(tǒng)自動關閉水泵。 1.4.1 系統(tǒng)硬件總體方案 系統(tǒng)的原理是采用高亮二極管和光敏三級管所組成的液位傳感器對液面進行控制 ,通過四對傳感器分別安裝在鍋爐內(nèi)四個不同的位置，由上至下 測量鍋爐液位值 ,。并把這四個液位狀態(tài)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809 傳到單片機中 ,在通過 3 位七段 LED 顯示器顯示出液位的四種狀態(tài) 及報警安全提示 。用 LED 顯示是因為它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、光電轉(zhuǎn)換效能高、壽命長等特點， 根據(jù)當前的液位值和用戶設定的水位決定是否進行開、關水泵 ,需要是否開啟和關閉驅(qū)動閥門的電動機。本設計運用了多種傳感器 ,在使用液位傳感器測液位的同時 ,我還選用了光電式傳感器和壓電式傳感器來對鍋爐的溫度和壓力進行測量 ,因為我們所提到的鍋爐常 用于供暖 ,所以溫度的檢測很重要 ,至于選用壓力傳感器主要是出于安全考慮的 ,壓力過大有可能對鍋爐造成損害甚至造成爆炸 ,壓力過低會導致鍋爐控制系統(tǒng)無法正常運行。所以我在第三章著重介紹了這 3 種傳感器。 1.4.2 軟件總體方案 水位檢測是通過四對高亮二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器分別安裝在四個不同的位置，由上至下四個輸出端口分別接單片機的 P1.0、 P1.1、 P1.2、 P1.3口，實時對鍋爐里的水位進行檢測。當水位到達某一光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出高電平；當水位低于此光敏三極管的位置時，其輸出 端口就向單片機輸出低電平。由上至下的第一個位置為水位上限報警線，即當水位高于此位置時，開水閥控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個位置是自動停止加水線，即當水位高于此位置時，控制系統(tǒng)會自動關閉加水電磁閥，停止加水；第三個位置是自動加水線，即當水位低于此位置時，控制系統(tǒng)會自動接通加水電磁閥，開水加水；第四個位置是水位下限報警線，即當水位低于此位置時，開水房控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。 本系統(tǒng)所使用的傳感器性能穩(wěn)定 ,測量準確 ,大大簡化現(xiàn)場安裝 ,具 有較高的性價比 ,有曹德寶 :鍋爐液位控制系統(tǒng) 較大的工程應用價值 ,而且 利用計算機與組態(tài)軟件技術(shù)對鍋爐生產(chǎn)過程進行自動控制有著重要的意義。其優(yōu)越性主要在于：首先，通過對鍋爐燃燒過程進行有效控制，使燃燒在充分的情況下進行，可以提高燃燒效率。由于工業(yè)鍋爐耗煤量大，燃燒熱效率每提高 1都會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。其次，鍋爐控制過程的自動化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機界面，操作人員在監(jiān)控計算機上能根據(jù)控制效果及時修正運行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實時性、安全性。隨著計算機控制技術(shù)應用的普及、可靠性的提高及價格的下降，工業(yè)鍋 爐的微機控制必將得到更加廣泛的應用。 1.4.3 設計的研究進程 本設計第二章對系統(tǒng)進行硬件分析 ,主要介紹了本設計所使用的核心芯片 8051,重要對其端口進行介紹 ,介紹其功能與用途 ,還介紹了液位傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換 ADC0809、執(zhí)行設備、LED顯示和報警裝置 ,介紹了他們的原理、結(jié)構(gòu)和電路連接。第三章我著重介紹了本設計所使用的傳感器 ,因為傳感器的性能在整個系統(tǒng) 中起著非常重要的作用 ,尤其對檢測精確度起著重要的作用 ,在其中我重點介紹了液位傳感器 ,光電式傳感器和壓電式傳感器。第四章我介紹了整個系統(tǒng)的軟件設計。 遼寧工程技術(shù)大學畢業(yè)設計 (論文 ) 2 系統(tǒng)硬件設計 鍋爐自動控制包括對鍋爐的液位，壓力，溫度等的控制，本系統(tǒng)只側(cè)重于介紹鍋爐的液位控制。液位控制是利用由高亮二級管和光敏三級管所組成的液位傳感器把液位的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成模擬信號 ,再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809把輸出狀態(tài)直接接到單片機的 I/O接口，單片機經(jīng)過運算控制，輸出數(shù)字信號，輸出接口接 LED進行顯示 ,實現(xiàn)液位報警和鍵盤顯示與控制；其壓力控制是通過壓電傳感器將接受的信號轉(zhuǎn)變成電信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換 ADC0809進行轉(zhuǎn)換后與 8051單片機接口相連，使其與設定值相比較從而 實現(xiàn)壓力報警和控制 ;其溫度檢測選用的是光電隔離器 ,實行光電隔離 ,有利于人員對溫度的檢測 ,再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809進行轉(zhuǎn)換后與 8051單片機接口相連，使其與設定值相比較從而實現(xiàn)溫度報警； 而本設計主要是對液位進行控制 ,下圖是鍋爐液位控制系統(tǒng)。 圖 2-1 基于單片機的鍋爐液位控制系統(tǒng) Fit 2-1 singler chip-based boiler contorls systerm block plan 由上圖可觀察到傳感器通過對液面、溫度和壓力進行測量 ，輸出模擬信號，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過 8051 單片機的運算控制，在通過 LED進行顯示 ,通過報警裝置進行報警 ,報警顯示之后再通過對閥門的開啟實現(xiàn)對鍋爐的液位進行調(diào)節(jié)控制 ,閥門的驅(qū)動設備是電動機。 2.1 核心芯片 8051單片機 計算機芯片 MCS-51 是一個電腦晶片 ,英特爾公司生產(chǎn)系列。它是在 MCS-48 系列的基控 制執(zhí)行裝置 C P U LED 顯示 報警裝置 傳感器 曹德寶 :鍋爐液位控制系統(tǒng) 礎上發(fā)展的高性能的 8 位單片機。所出的系列產(chǎn)品有 8051、 8031、 8751。其代表就是 8051。其他系列的單片機都以它為核心 ,所以本設計采用的核心芯片是 8051 單片機。 CPU 是它的核心設備 ,從功能上看 ,CPU 包括兩個部分 :運算器和控制器 ,它執(zhí)行對輸入信號的分析和處理。 整個系統(tǒng)電控部分以 ATMEL 公司的 8051 為核心芯片，控制信號采集、處理、輸出三個過程。這種芯片內(nèi)置 4KEPROM，因為系統(tǒng)要求控制線較多，如果采用 8031 外置 EPROM程序控制結(jié)構(gòu)，則造成控制線不夠；而 8051 卻可以利用 P0、 P2 口作控制總線，大大簡化了硬件結(jié)構(gòu)，并可以直接控制鍵盤參數(shù)輸入、 LED 數(shù)據(jù)顯示，方便現(xiàn)場調(diào)試和維護，使整個系統(tǒng)的通用性和智能化得到了很大的提高。 系統(tǒng)的原理是采用液位式傳感器測量鍋爐液 位值 ,通過單片機的轉(zhuǎn)換與分析在 LED上顯示及輸出控制 ;根據(jù)當前的液位值和用戶設定的水位決定是否進行開關水泵 ,以及是否到達危險高、低水位 ,需要關閉閥門。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12ABCD121110987654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eA1D a t e : 2 4 - J u n - 2 0 0 7 S h e e t o f F i l e : E : 曹德寶 大圖 B a c k u p o f B A C K U P 1 4 . D D BD r a w n B y :E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 1 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 0 039P 0 138P 0 237P 0 336P 0 435P 0 534P 0 633P 0 732P 2 021P 2 122P 2 223P 2 324P 2 425P 2 526P 2 627P 2 728P S E N29A L E / P30T X D11R X D108 0 5 1圖 2-2 8051 引腳圖 Fit 2-2 diagram of 8051 pins 上圖是 8051 的引腳配置， 40 個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根， 4 組 8 位共 32 個 I/O 口，中斷口線與 P3 口線復用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明： Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi) EPROM 抄寫程序時，接 +5V 電源。 遼寧工程技術(shù)大學畢業(yè)設計 (論文 ) Pin19:時鐘 XTAL1 腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。 Pin18:時鐘 XTAL2 腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。 8051 的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需在 18 和 19 腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容 ,振蕩電容的值一般取 10p-30p。另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1 接地，外部時鐘信號從 XTAL2 腳輸入。本設計采用外部時鐘電路，外接晶振和電容組成振蕩器。 輸入輸出 (I/O)引腳： Pin39-Pin32 為 P0.0-P0.7 輸入輸出腳， Pin1-Pin1 為 P1.0-P1.7 輸入輸出腳 ,Pin21-Pin28 為 P2.0-P2.7 輸入輸出腳， Pin10-Pin17 為 P3.0-P3.7 輸入輸出腳。 在對單片機設計中， P0 口作為程序存儲器擴展口，且是擴展并行輸入 /輸出接口的接口，另外也作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸口 ,P2 口為程序存儲器擴展口的高八位地址總線口，P1 口為輸入 /輸出口。 Pin9:RESET/Vpd 復位信號復用腳，當 8051 通電，時鐘電路開始工作，在 RESET 引腳上出現(xiàn) 24 個時鐘周期以上的高平，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數(shù)器 PC 指向 0000H， P0-P3 輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入 07H，其它專用寄存器被清 “0”。 RESET 由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從 0000H 地址開始執(zhí)行程序 。 然而，初始復位不改變 RAM（包括工作寄存器 R0-R7）的狀態(tài)， 8051 的初始態(tài)如下 表 2-1 寄存器初始狀態(tài) Chart 2-1 registers original state 特殊功能寄存器 初始態(tài) 特殊功能寄存器 初始態(tài) ACC PSW 07H DPL IP IE TMOD SCON P0-P3 00H 00H 00H 00H xxx00000B 0x00000B 00H xxxxxxxxB 1111111B B SP TH0 TL0 TH1 TL1 TCON SBUF PCON 00H 07H 00H 00H 00H 00H 00H 00H 0xxxxxxxB 曹德寶 :鍋爐液位控制系統(tǒng) 8051 的復位方式可以是自動復位，也可以是手動復位，見圖 2-3。此外， RESET/Vpd還是一復用腳， Vcc 掉電期間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù)不丟失 , 此設計采用自動復位電路。 8 0 5 1R E S E TR E S E T 8 0 5 1V c c V c cS W2 2 u1 K91 K4 7 0 R2 2 u9上 電 自 動 復 位 手 動 復 位 電 路圖 2-3 復位電路 Fit 2-3 reset circuit Pin30:ALE/ 當訪問外部程序器時， ALE(地址鎖存 )的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲器時， ALE 端將有一個 1/6 時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當作一個時鐘向外輸出。更有一個特點，當訪問外部程序存儲器， ALE 會跳過一個脈沖。 如果單片機是 EPROM，在編程其間 ,prog 將用于輸入編程脈沖。 Pin29: 當訪問外部程序存儲器時 ,此腳輸出負脈沖選通信號， PC 的 16 位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在 P0 和 P2 口上，外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到 P0 口上，由 CPU 讀入并執(zhí)行。在編程時， EA/Vpp 腳還需加上 21V 的編程電壓。 2.2 液位傳感器設計 在鍋爐液位控制系統(tǒng)中 ,傳感器的選擇是非常重要的 ,傳感器是能感受規(guī)定的被測量 ,并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置 ,它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成 ,它遼寧工程技術(shù)大學畢業(yè)設計 (論文 ) 的性能直接影響到整個檢測系統(tǒng) ,對檢 測精確度起著重要的作用。 傳感器的種類很多 ,有溫度傳感器 ,加速度傳感器 ,光學傳感器 ,壓力傳感器的 ,本設計主要采用的是由高亮二級管和光敏三級管所組成的液位傳感器來對液位進行控制，又用光電式傳感器和壓電式傳感器來對溫度和壓力進行檢測 ,在把檢測的電信號輸入到單片機進行分析 ,這個設計的重點是液位的控制 ,所以下面我要對液位傳感器進行設計。 我采用的是四對高亮二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器，這種液位傳感器如下圖 1 2 3 4ABCD4321DCBALED1K1KGND設 計班 級指導教師日 期遼寧工程技術(shù)大學電氣與控制工程學院曹 德 寶自動化 0 3 - 6閻 馨2007 年 6 月 24 日鍋爐液位控制系統(tǒng)圖 2-4 液位傳感器 Fit 2-4 level transducer 由圖 2-4 可知，液 位傳感器的主要元件是 高亮二極管和光敏三極管 ,它們都屬于光電元件 ,光電元件主要采用的是 光電效應 ,光電效應分外光電效應、內(nèi)光電效應和光生伏特效應 , 光電效應的原理是 PN 結(jié)加反向電壓時，反向電流的大小取決于 P 區(qū)和 N 區(qū)中少數(shù)載流子的濃度，無光照時 P 區(qū)中少數(shù)載流子 (電子 )和 N 區(qū)中的少數(shù)載流子 (空穴 )都很少，因此反向電流很小。但是當光照 PN 結(jié)時，只要光子能量 h 大于材料的禁帶寬度，就會在 PN 結(jié)及其附近產(chǎn)生光生電子、空穴對，從而使 P 區(qū)和 N 區(qū)少數(shù)載流子濃度大大增加，它們在外加反向電壓和 PN 結(jié)內(nèi)電場作用下定向運動，分別在兩個方 向上渡越 PN 結(jié)，使反向電流明顯增大。如果入射光的照度變化，光生電子 ,空穴對的濃度將相應變動，通過外電路的光電流強度也會隨之變動，光電效應的原理就是光電二極管的原理 ,光敏二極管就把光信號轉(zhuǎn)換成了電信號 ,它是最簡單的光學元件。 曹德寶 :鍋爐液位控制系統(tǒng) 圖 2-5 a 光敏三極管的結(jié)構(gòu)示意圖 圖 2-5 b 基本電路 Fit 2-8 a photosensitive diode structure schema Fit 2 8 b fundamental circuit 而光敏三極管有兩個 PN 結(jié)，因而可以獲得電流增益，它比光敏二極管具有更高的靈敏度 ,也是把光信號轉(zhuǎn)化成電信號。 光敏三級管是由高亮二極管進行發(fā)光的 , 高亮二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導體器件。它的原理和光敏二極管相似 ,也是產(chǎn)生光電效應。只不過原理正好相反 ,當有電流導體內(nèi)部產(chǎn)生光電流 ,照射在 PN 結(jié)上 ,在內(nèi)部產(chǎn)生光電流 , 它具有體積小、功耗低、壽命長、響應快、機械強度高等優(yōu)點，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計算機、儀器儀表和自動控制設備中。 水位檢測是通過四對高亮二極管和光敏三極管分別安裝在四個不 同的位置，由上至下四個輸出端口分別接單片機的 P1.0、 P1.1、 P1.2、 P1.3 口，實時對鍋爐里的水位進行檢測。當水位到達某一光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出高電平；當水位低于此光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出低電平。由上至下的第一個位置為水位上限報警線，即當水位高于此位置時，開水房控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個位置是自動停止加水線，即當水位高于此位置時，控制系統(tǒng)會自動關閉加水電磁閥，停止加水；第三個位置是自動加水線，即當水位低于此位置時，控 制系統(tǒng)會自動接通加水電磁閥，開水加水；第四個位置是水位下限報警線，即當水位低于此位置時，開水房控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。 2.3 ADC0809A/D 轉(zhuǎn)換器 AEV-+I 結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號 基本電路a )b )EU 0ceI cR LNNPa )結(jié)構(gòu)示意圖 b) 基本電路 AEV-+I 結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號基本電路a )b )EU 0ceI cR LNNPa )結(jié)構(gòu)示意圖 b) 基本電路遼寧工程技術(shù)大學畢業(yè)設計 (論文 ) A/D 是把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 ,把由傳感器傳來的液位控制的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 ,然后再通過 8051 單片機的分析處理進行 LED 顯示和液位、壓力和溫度的報警 。 2.3.1 D A轉(zhuǎn)換基本原理 D A 轉(zhuǎn)換接口技術(shù)是應用系統(tǒng)后向通道典型應用技術(shù)之一。它涉及了 D/A 轉(zhuǎn)換芯片的選擇參考電壓源的配置、數(shù)字輸入碼與模擬輸出電壓的 極性等問題，而其中最核心的問題是 D A 轉(zhuǎn)換芯片的選擇與應用問題。 D A 轉(zhuǎn)換器的基本功能是將一個用二進制表示的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應的模擬量。實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的基本方法是對應于二進制的每一位，產(chǎn)生一個相應的電流，而這個電流的大小正比于相應的二進制位的權(quán)。 D A 轉(zhuǎn)換器主要由三部分構(gòu)成，即加權(quán)電阻解碼網(wǎng)、受輸入數(shù)字量控制的電子開關組和由運算放大器構(gòu)成的電流轉(zhuǎn)換器。電子開關組受輸入二進制數(shù)據(jù) D7 DO 控制，當某一位為 “1”時，則電子開關閉合，基準電壓 Vin 接電阻解碼網(wǎng)絡，使某一支路電阻上有電流流過。當某一位為 “0”時，則電 子開關斷開，該支路電阻上無電流流過。加權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡各支路的電阻值與二進制數(shù)據(jù) D7 DO 的 “權(quán) ”相對應， “權(quán) ”大的電阻值小， “權(quán) ”小的電阻值大。因此各支路的電流不僅決定于輸入數(shù)字量的值 (0 或 1)，還決定于 “權(quán) ”，各支路的電流如下： 12 2 268222r e f r e fVVI D DRR 0008811 1 178222222r e f r e fr e f r e fVVIDRRVVI D DRR 33 3 35844 4 44855 5 53866 6 62877 7 7182222.222.222.222r e f r e fr e f r e fr e f r e fr e f r e fr e f r e fVVI D DRRI D DI D DRRVVI D DRRVVI D DRR 曹德寶 :鍋爐液位控制系統(tǒng) 因此，總電流為 Iout： 70 1 2 3 4 5 6 7 8 0 2 ( 2 4 )2 r e f io u t iiVI I I I I I I I I DR 70 1 2 3 4 5 6 7 8 02 (2 4)2ref iout iiVI I I I I I I I I DR 該總電流經(jīng)電流轉(zhuǎn)換器后有 : 708 0 22 r e f io u t o u t iiVV R I D E N (2 5) 其中 70 8 0, 2 ( 2 6 )2r e f i iiVE N D 70 80, 2 (2 6)2ref i iiVE N D 由式（ 2-6）看出，盡管使用的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)不同，但對于 D A 轉(zhuǎn)換器的輸入輸出來說是等效的。就 8 位 D A 轉(zhuǎn)換器而言，每一數(shù)字輸入位所代表的輸出 模擬量是其相鄰的 2 倍，這樣就組成二進制數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換器。 D A 轉(zhuǎn)換芯片的主要性能指標如下 : 1)分辨率。表征 D A 轉(zhuǎn)換器對微小輸入量的敏感程度，通常用數(shù)字量的數(shù)位表示，如 8 位、 12 位、 14 位等。分辨率為 10 位的 D A 轉(zhuǎn)換器，表示它可以對滿量程的 1 1024的增量做出反應。 2)相對精度。在滿刻度已校準的前提下，在整個刻度范圍內(nèi)，對于任一數(shù)碼的模擬量輸出與它的理論值之差。通常用偏差幾個 ISB 來表示和該偏差相對滿刻度的百分比表示。 3)轉(zhuǎn)換時間。數(shù)字變化量是滿刻度時，達到終值 LSB 2 所需要的時間，通 常為幾十納秒至幾微秒。 4)非線性誤差。通常給出在一定溫度下的最大非線性度，一般為 0.l 0.03。 其工作過程是：比較開始時，首先對二進制計數(shù)器 (輸出鎖存器 )的最高位置 “1”，然后進行轉(zhuǎn)換、比較判斷。若模擬輸入 Uin 大于 Ui，比較器輸出為 1，則使輸出鎖存器的最高位保持為 1。然后對較低的位依次按照該辦法進行比較和調(diào)整，無論哪種情況，均應繼續(xù)比較下一位，直到最末位為止。此時 D A 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入 (輸出鎖存器內(nèi)容 )即為對應模擬輸入信號的數(shù)字量。將此數(shù)字量輸出就完成了 A D 轉(zhuǎn)換過程。這種方法好比用天平稱一個物 體的重量，第一次放最大的砝碼，若不合適，就改放小一號的，依次類推。一旦天平指示砝碼太重說明剛才放進去的那個應當取走，顯然對于 n 位的轉(zhuǎn)換器，總共需要重復這種過程 n 次。 2.3.2 ADC0809轉(zhuǎn)換芯片 遼寧工程技術(shù)大學畢業(yè)設計 (論文 ) 本開發(fā)系統(tǒng)的 A D 轉(zhuǎn)換實驗硬件主要是由 ADC0809 轉(zhuǎn)換芯片和四個可變電位器組成的。 ADC0809 是 8 位 8 通路逐次逼近式 A D 轉(zhuǎn)換器，輸入電壓在 (O 5)V，最大不可調(diào)誤差小 1LSB，它具有高速、高精度、溫度依賴度低以及在長期工作條件下能耗小、重復性好等優(yōu)點。 ADC0809 芯片的引腳圖如圖 2-6 所示。由圖 2-6 可看芯片主要是由一個 8位 A D 轉(zhuǎn)換器、 8 路模擬輸入選通開關、地址鎖存及譯碼電路工作和三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器組成。為實現(xiàn) 8 路模擬通道能有條不紊地工作，首先通過地址譯碼鎖存器選通所要開通的 8 路模擬通道中的一路開關，將模擬信號送入 A/D 轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn) A/D 的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)放到三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器中等待 CPU 來取，取后由 CPU 啟動新一次的地址譯碼，重復以上完成新一次的 A/D 轉(zhuǎn)換。 ADC0809 芯片提供了高轉(zhuǎn)換速度、高精密度、環(huán)境影響小和低功耗等優(yōu)點，被廣泛應用于各種控制領域。下圖為 ADC0809 芯片的引腳圖。 1 2 3 4ABCD4321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eL e t t e rD a t e : 1 9 - J u n - 2 0 0 7 S h e e t o f F i l e : E : 曹德寶 2 2 B A C K U P 1 1 1 1 1 . B k p D r a w n B y :I N - 026m s b 2 - 1212 - 220I N - 1272 - 3192 - 418I N - 2282 - 582 - 615I N - 312 - 714l s b 2 - 817I N - 42E O C7I N - 53A D D - A25I N - 64A D D - B24A D D - C23I N - 75A L E22r e f ( - )16E N A B L E9S T A R T6r e f ( + )12C L O C K10A D C 0 8 0 9圖 2-6 ADC0809 芯片的引腳圖 Fit2-6 diagram of ADC0809pins ADC0809 是帶有 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、 8 路多路開關以及與微型計算機兼容的控制邏輯的CMOS 組件，其轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近型。在 A/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部含有一個高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個帶有模擬開關樹組的 256 電阻分壓器，以及一個逐次逼近型寄存器。 8 路的模擬開關由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在 8 個通道中任意訪問一個通道的模擬信號。由于多路開關的地址輸入部分能夠進行鎖存和譯碼，而且三態(tài) TTL 輸 出也可以鎖存，所以它易曹德寶 :鍋爐液位控制系統(tǒng) 于與微型計算機接口。 2.4 鍵盤及顯示接口 顯示部分我采用三位 7 段 LED 顯示器， LED 顯示器是單片機應用中最常用的輸出部件，它是由若干發(fā)光二極管組成，當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)光，不同組合的二極管導通，就能顯示出各種字符。用 LED 是因為它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、光電轉(zhuǎn)換效能高、壽命長的特點。 LED（發(fā)光二極管）最早出現(xiàn)在 19 世紀60 年代，現(xiàn)在我們可以經(jīng)常在電氣和電子設備上看到這些二極管作為指示燈來用。 LED 就是一種半導體元件，其電氣性能與普通二極管相同，不 同之處在于當給 LED 通電流時，它會發(fā)光。由于 LED 是固態(tài)的，所以它能延長傳感器的使用壽命。因而使用 LED 的光電傳感器能被做得更小，且比白熾燈傳感器更可靠。不像白熾燈那樣， LED 抗震動抗沖擊，并且沒有燈絲。另外， LED 所發(fā)出的光能只相當于同尺寸白熾燈所產(chǎn)生光能的一部分。 在微型機系統(tǒng)中， LED 常用的顯示方法有兩種。一種是靜態(tài)顯示，一種是動態(tài)顯示。所謂的靜態(tài)顯示是由單片機一次輸出后就能顯示后就能保持，直到下次送新的顯示模式為止。這種顯示占用機少，顯示可靠；缺點是使用元件多，且線路比較復雜，因而成本比較高。這種顯 示器顯示方式的每一個七位顯示器需要一個八位輸出控制，我的設計就是采用的就是靜態(tài)顯示。所謂動態(tài)顯示就是單片機定時的對顯示器進行掃描。這種方法中，顯示器件分時工作，每次只能有一個器件顯示，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺到所有的器件都 “同時 ”顯示。這種顯示方法的優(yōu)點是使用硬件少，因而價格低，但占用機時多，只要單片機不執(zhí)行顯示程序，就立刻停止顯示。動態(tài)顯示的亮度與導電電流有關，也與點亮時間和間隔時間比例有關。 鍵盤是有若干按鍵組成的開關矩陣，它是最簡單的單片機輸入設備，通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，來實現(xiàn)簡單的人機 對話。鍵盤可分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤兩種。非編碼鍵盤有并行接口掃描和串聯(lián)接口掃描，我采用的是串行接口，它的組成是由移位寄存器 74LS164和六個鍵組成， 74LS164 是一個 14 位腳的寄存器，集成電路芯片，由 8051 串行接口的 TXD端輸出列掃描信號到 74LS164 的 1、 2 引腳，鍵閉合信號則用端口 P3.3、 P3.4、 P3.5 輸入8051 單片機，由 8051 單片機的 TXD 引腳輸出移位時鐘脈沖到 74LS164 的時針輸入端（ CLK）。還有非前者用軟件來識別和產(chǎn)生代碼，后者則用鍵盤來識別，鍵盤處理程序?qū)崿F(xiàn)對鍵盤的管理，顯 示具體見下圖。 遼寧工程技術(shù)大學畢業(yè)設計 (論文 ) 1 2 3 4ABCD4321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eA4D a t e : 2 4 - J u n - 2 0 0 7 S h e e t o f F i l e : C : D o c u m e n t s a n d S e t t i n g s A d m i n i s t r a t o r 桌面 加油 大圖 曹德寶大圖 . d d bD r a w n B y :A1B2QA3QB4QC5QD6CLK8CLR9QE10QF11QG12QH137 4 L S 1 6 4abfcgdeV C C1234567abcdefg8dpdp9A M B E R C A1K 1K1K1K1K1K1K 1KA17A18A19A20A21A22A23A24A 1 7A 1 8A 1 9A 2 0A 2 1A 2 2A 2 3A 2 4圖 2-7 LED 顯示器 Fit2-7 LED display 2.5 自動報警電路 下列四種情況發(fā)生系統(tǒng)報警。 1)當鍋爐達到上限極限水位時報警，爐內(nèi)的水位到達上限極限水位時系統(tǒng)發(fā)出報警； 2)鍋爐內(nèi)壓力過高報警，壓力傳感器檢測到鍋爐內(nèi)壓力過高與設定值時發(fā)出報警 ; 3)鍋爐內(nèi)壓力過低報警，壓力傳感器檢測到鍋爐內(nèi)壓力過低與設定值時發(fā)出報