1、 基于單片機液位鍋爐控制系統(tǒng)（電路硬件部分）專業(yè)名稱測控技術與儀器班級學號 學生姓名指導教師 宋愛娟16 目錄一、前言.32、 系統(tǒng)的工作原理.42.1 系統(tǒng)組成.42.2 裝置說明.42.3 工作原理.4三、硬件設計.53.1硬件總體說明.53.2輸入通道設計.63.3輸出通道設計.74、 軟件設計.84.1工作流程.94.2程序設計.105、 程序清單. 115.1 鍵盤顯示子程序清單.115.2 鍵盤掃描子程序清單.115.3 報警子程序清單.135.4 INTO中斷服務程序清單.145.5 數(shù)據(jù)采集子程序清單.145.6 中斷服務程序清單.145.7 主程序清單.156、 參考文獻.1

2、6七、課設總結.17八、附錄.18 基于單片機液位鍋爐控制系統(tǒng)一、前言 鍋爐液位控制的穩(wěn)定與否，是關系到生產(chǎn)安全的重要原因之一。液位太高，容易使供出的蒸汽帶水，高溫高速的蒸汽水珠會損壞工藝設備，而液位太低，就會造成鍋爐水燒干的危險，可見如何將鍋爐液位較好的穩(wěn)定在一個波動比較小的位置上將是我們研究的重點，基于此我們設計了一套穩(wěn)定的鍋爐液位控制系統(tǒng)。圖1是我們常見的鍋爐控制系統(tǒng)： 圖1 鍋爐液位控制 我們考慮到基于單片機的液位測量裝置具有測量準確、重復性好、功耗低、使用壽命長的特點，是廣泛采用的技術。通過我們小組的學習和討論，我們在基于單片機的液位測量裝置基礎上，擴展實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、液位校準等

3、功能，從而能夠通過科學的方法將液位測量與統(tǒng)計科學結合，合理調(diào)度水資源，降低能源消耗。本系統(tǒng)介紹了單片機進行鍋爐液位控制工作原理、硬件設計和軟件設計，該裝置由80C51單片機、四片電位器式傳感器、8位AD轉(zhuǎn)換器ADC0809、雙向可控硅驅(qū)動電路、電磁閥等組成能夠可靠的完成鍋爐液位自動控制。本文介紹的鍋爐液位控制設計，確保了水位自動控制裝置可靠運作，當水罐液位低時，可以變送器反饋調(diào)節(jié)，打開電磁閥，向鍋爐里注水；當液位過高時，液位傳感器檢測到高于報警值，發(fā)出液位報警，并將數(shù)值發(fā)送到數(shù)碼管，同時相應的執(zhí)行器關閉電磁閥或減小進水量，從而達到設定的液位值，圖2為常見的過程控制系統(tǒng)方框圖： 圖2 過程控制系

4、統(tǒng)方框圖 二、系統(tǒng)的工作原理2.1系統(tǒng)組成 本裝置主要有有80C51、四片電位式傳感器、AD轉(zhuǎn)換器ADC0809、雙向可控硅等電路組成，此外還要鍵盤、顯示電路、報警輸出電路等，它們的原理方框圖如圖3所示。報警顯示鍵盤 電磁閥執(zhí)行機構 單片機 給定值r eADC0809 傳感器 鍋爐 圖3 系統(tǒng)原理方框圖2.2 裝置說明 本裝置主要涉及液位控制，在鍋爐整個工作過程中，還有溫度、壓力等需要，只需要再安裝一個溫度傳感器和壓力傳感器即可。四片電位器式傳感器分別安裝在鍋爐的四個水位處，即極低水位、低水位、高水位和極高水位，以此來采集液位信號。2.3 工作原理 該液位控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是：當液位低至給定的

5、液位時，啟動電磁閥對鍋爐進行加水，同時丹麥泵正常工作指示燈，呈紅色，表明水泵正常工作；當液位高至給定液位時停止水泵對鍋爐進行加水，水泵正常工作指示燈不亮，表明水泵停止工作；一旦由于某種原因，液位低于低水位時，仍沒有啟動水泵進行加水，則達到極低水位時，再次啟動水泵進行加水，并進行報警；同樣，達到極高水位時，停止泵進行加水，并進行報警；操作人員聽到報警，消除報警，急停鍋爐工作，并對鍋爐參數(shù)進行修正。極高水位和極低水位對鍋爐起到了保護作用。 它的工作原理是：首先，有電位式傳感器每隔五秒鐘對水位對水位進行采樣，并輸出05V的模擬信號，在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器變成相應的數(shù)字信號，送入到AT89S51單片機進行

6、數(shù)據(jù)處理。單片機經(jīng)過運算后測得液位值HX，與設定值(極低液位H1、低液位H2、高液位H3、極高液位H4)四個設定值進行比較；1、 若HX=H1，則表示此時液位達到極低液位，啟動報警器報警。2、 若HX=H4，則表示此時液位達到極高液位，啟動報警器報警。3、 若HX=H2，則表示此時液位達到低液位，啟動丹麥泵供水，水泵指示燈亮，呈紅色。4、 若HX=H3，則表示此時液位達到高液位，關閉丹麥泵，水泵指示燈不亮。5、 若H2<HX<H3，則表示此時液位正常，水位指示燈亮，呈紅色。注：如果報警器啟動后，設有報警消除按鈕，消除報警；有手動和自動轉(zhuǎn)換按鈕；有急停按鈕，在任何情況下可以停止鍋爐工

7、作，也可以關閉電源啟動按鈕。三、 硬件設計3.1 硬件總體說明 單片機的系統(tǒng)硬件電路圖如圖4所示： 圖4 電路主題部分 本系統(tǒng)以80C51單片機為核心，它有4K的可編程制度儲存器EPROM，因此沒必要再外擴展EPROM，這樣可以利用P1.0口作為按鍵輸入口，輸入口接有中斷式獨立式按鍵電路，向單片機輸入命令、功能切換，可以對單片機進行人工干預；另外對串行輸入口P3.0擴展接口，使用移位寄存器作為鎖存或輸入信號的接口，可以方便的擴展并行輸入口，這種方法不占用片外地址，便于操作適合于速度較慢、適時性要求不高的場所，它是利用一片74LS165與51單片機的3根端口線相連，可擴展8根并行輸入線，在電位器

8、式傳感器采集信號，A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換信號，將信號輸入到此接口，如圖5所示： 80C51P1.0P3.0P3.1 74LS165D0D1D2 S/LD3 D4 QHD5D6 CLKD7 SER ADC 0809四路傳感器驅(qū)動電路 圖5 串行輸出口擴展結構框圖由于輸出接口比較多，可擴展一片8255可編程接口芯片，利用指令設置各口的工作方式，8255內(nèi)部有三個并行的8位I/O接口，分別為A口、B口、C口，8255是8位芯片，有8位數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)線接于51單片機的P0接口，可以用于實現(xiàn)8255與51單片機的數(shù)據(jù)傳輸，需要注意的一點是，使用8255芯片時，首先要對它初始化，也就是對8255的3個端口的工作方

9、式預先設置，擴展口接有4位74LS164驅(qū)動顯示器，并有一個報警器（用來極低水位，極高水位的報警）和三個發(fā)光二極管指示燈（用來電源顯示、水泵上水顯示、水位顯示），并行輸出口接有雙向可控硅驅(qū)動電路，來控制電機啟動停止。3.2 輸入通道設計 該部分主要完成對液位信號的采集、轉(zhuǎn)換工作，分別由電位器式傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809完成。電位器式傳感器結構簡單，價格便宜，用在此有非常大的優(yōu)勢。A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，它是采用CMOS工藝制成的8位8通道逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)8路模擬信號的分時進行轉(zhuǎn)換，可用單一電源供電，此時模擬電壓輸入范圍為05V，無需調(diào)零和滿刻度調(diào)整；三態(tài)鎖存輸出，低功耗

10、型。經(jīng)過采集、轉(zhuǎn)換信號，將轉(zhuǎn)換器輸出的8位數(shù)字信號輸入到擴展的并行輸入口線。在過程控制和智能化儀表中通常是微控制器進行適控制和數(shù)據(jù)處理的，為實現(xiàn)人機對話，鍵盤是個必不可少的功能裝置，所以輸入通道接有獨立式按鍵電路，向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令、功能切換，可以對單片機進行人工干預。 圖6 鍵盤電路部分 如圖所示為電路中的鍵盤電路，這是簡單的鍵盤電路，各個鍵盤相互獨立，每個按鍵獨立的與一根數(shù)據(jù)輸入線相連接，其中兩路是中斷方式，任何一個按鍵按下時通過門電路都會向CPU申請中斷，在中斷的服務程序中，讀入P1.0口的值，從而判斷是哪一個按鍵被按下；另外六路為查詢方式，在平時，所有的數(shù)據(jù)輸入線都通過上拉電阻

11、被連接成高電平，當任何一個按鍵被按下時與之連接的數(shù)據(jù)輸入線將被拉成低電平，要判斷是否有按鍵被按下，只要用位處理指令即可。對按鍵是否被按下，需要用軟件消除抖動的方法，以消除按鍵在閉合時和斷開瞬間所伴隨有一連串的抖動所帶來的不穩(wěn)定因素以及不利的影響。這種鍵盤的優(yōu)點是結構簡單、使用方便，但隨著鍵盤增加所占用的I/O口線增加。在使用鍵盤不多的單片機系統(tǒng)中，使用這種鍵盤非常方便。3.3 輸出通道設計 在輸出通道中，有顯示電路、報警輸出電路、驅(qū)動電路等，但最重要的是通知水泵啟動停止的雙向可控硅驅(qū)動電路，下面我們著重介紹雙向可控硅驅(qū)動電路MOC3041電路。 過去，我們在設計輸出通道時往往選用繼電器，但由于

12、其噪聲大和機械性能方面的原因，現(xiàn)在都已經(jīng)很少見到，隨之而來的是無觸點開關雙向可控硅的使用，但在實際設計工作中，需要采用同步過零觸發(fā)器進行同步觸發(fā)。由于這部分電路包括比較器、單穩(wěn)態(tài)電路和光電驅(qū)離等器件，芯片多，結構較復雜，在實際應用中容易出故障，給用戶帶了很多不方便。在設計當中，我們充分總結了過去的經(jīng)驗和教訓，在原有的電路基礎上采納了MOTOROL公司推出的單片集成可控硅驅(qū)動器，從而順利的解決了這一問題。雙向可控硅芯片是一種集成的帶有光耦的驅(qū)動電路，它內(nèi)部集成了發(fā)光二極管、雙向可控硅和過零觸發(fā)器等器件，它的內(nèi)部結構和外部引腳如下圖所示： 圖7 MOC3021內(nèi)部結構和外部引腳從圖中可以看出，它是

13、由輸入和輸出兩部分組成。輸入部分是哪一個砷化鎵發(fā)光二極管，在515mA正向電流的作用下，發(fā)出足夠的強度的紅外線，去觸發(fā)輸出部分。輸出部分包括一個硅光敏雙向可控硅和過零觸發(fā)器。在紅外線的作用下，雙向可控硅可雙向?qū)?，與過零觸發(fā)器一起輸出同步觸發(fā)脈沖，去控制執(zhí)行機構外部的雙向可控硅。由MOC3021組成的過零觸發(fā)雙向可控硅電路簡單，電路如下圖所示： 圖8 由MOC3021構成的輸出通道圖其中： R1，限流電阻，控制LED的觸發(fā)電流。 R2，門極電阻，提高控制級的抗干擾能力。 R3，控制回路限流電阻，保護3021中的雙向可控硅。 C構成吸收回路，承受反向電壓。該部分的工作過程是：當單片機的P3.1輸

14、出為低電平時，3021內(nèi)部導通，G端出現(xiàn)同步觸發(fā)脈沖，控制可控硅導通，打開水泵，當P3.1出現(xiàn)高電平時，3021內(nèi)部截止，可控硅斷開，關閉水泵。四、軟件設計 4.1工作流程 本裝置的軟件包括主程序、液位設定子程序以及有關8255芯片的程序（初始化子程序、寫程序和讀程序），鍵盤設定子程序，報警輸出子程序等。這里主要介紹主程序。 主程序完成的功能是：啟動傳感器采集信號，輸入轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，輸入單片機進行數(shù)據(jù)處理，將處理結果與給定值作比較，比較結果進入輸出通道；若HX=H2，則表示達到低液位，置于P3.1為低電平，可控硅導通，啟動水泵供水，此時，進入供水階段。在該過程中繼續(xù)對液位進行檢測。當HX=H

15、3，則表示達到高液位，置P3.1為高電平，斷開可控硅，停止水泵供水。等待下一次的啟動命令。4.2 程序設計本控制系統(tǒng)的設計框圖如下： 開始 初始化原始參數(shù) 設置檢測按鍵 等待定時復位 倒計時 計數(shù)到0采集信號 A/D轉(zhuǎn)換 控制水泵控制雙向可控硅 報警信號處理 等待定時復位 PI計算 D/A輸出 查詢報警信號 圖9 主程序流程圖 五、程序清單： 各個子程序清單5.1 DIR顯示子程序清單如下：DIR: MOV R0, #7EH MOV R2, #01H ;顯示緩沖區(qū)地址 R0 MOV A, R2 DIR1: MOV DPTR, #7F01H ;8255PB口地址 DPTR MOV DPTR, A

16、 INC DPTR ;數(shù)據(jù)指針指向8255PC口 MOV A,R0 ;取顯示數(shù)據(jù) ADD A ,#0DH ;加上偏移量 MOVC A,A+PC ;取出字型碼 MOVX DPTR, A ;送出顯示 ACALL YS11 ;調(diào)出延時子程序 DEC R0 ;數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址減1 MOV A, R2 JB ACC.5, LED1 ;掃描到最左邊的顯示器數(shù)碼 RL A ;若沒有到，左移一位 MOV R2, A AJMP DIR1LED1: RET DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH DB 7DH,07H,7FH,6FH,77H,7CH DB 39H,5EH,79H,71H,73H,3EH

17、 DB 31H,6EH,1CH,23H,40H,03H DB 18H,00H,00H,00HYS11: MOV R7,#02HYS: MOV R6,#0FFH ;延時1ms子程序YS1： DJNZ R6，DL1 DJNZ R7，DL RET5.2 鍵盤掃描子程序清單KD1: MOV A, #00000011H MOV DPTR,#7F00H MOVX DPTR,AKEY1： ACALL KS1 JNZ LK1 ACALL DIS AJMP KEY1LK1： ACALL DIS ACALL DIS ACALL KS1 JNZ LK2 ACALL DIS AJMP KEY1LK2： MOV R2，

18、#0FEH MOV R4，#00HLK4： MOV DPTR,#7F01H MOV A, R2 MOVX DPTR, A INC DPTR INC DPTR MOVX A ,DPTR JB ACC.0， LONE MOV A,#00H AJMP LKPLONE: JB ACC.1，LTWO MOV A,#08H AJMP LKPLTWO:JB ACC.2，LTHR MOV A, #10H AJMP LKPLTHR: JB ACC.3，NEXT MOV A,#18HLKP: ADD A,R4 PUSH ACCLK3：ACALL DIS ACALL KS1LKP: ADD A,R4 PUSH AC

19、CLK3：ACALL DIS ACALL KS1 JNZ LK3 POP ACC RETNEXT: INC R4 MOV A ,R2 JNB ACC.7，KND RL A MOV R2，A AJMP LK4KND: AJMP KEY1KS1：MOV DPTR,#7F01H MOV A ,#00H MOVX DPTR, A INC DPTR MOVX A ,DPTR CPL A ANL A,#0FH RET5.3 報警子程序清單： ORG 4000H ALARM: MOV DPTR,# SAMP ;采樣存放首地址 MOV A ,DPTR MOV 20H,#00H ;清“0”報警標識單元 ALAP

20、M0：CJNE A,30H,AA ;水位>上限嗎？ ALARM1: CINE A,31H,BB ;水位<上限嗎？ DONZ: MOV A ,#00H CJNE A,20H,FF ;有報警應轉(zhuǎn)FF SETB 05H ;若無報警05H置“1” MOV A 20H; MOV P1 ,A ;置紅燈亮 RET FF: SETB 07H ;置報警聲音標志位 MOV A,20H MOV P1,A ;輸出報警 RET AA: JNC AOUT1;X1>MAX1轉(zhuǎn)AOUT1 AJMP ALARM1 BB: JC AOUT2 ;若X1<MIN1轉(zhuǎn)AOUT1 AJMP ALARM2 AOUT

21、1：SETB 00H ;水位上限報警 MOV A,20H MOV P1,A LACALL FF AJMP FF AJMP ALARM2 AOUT2: SETB 01H ;水位下限報警 MOV A ,20H MOV P1,A LACALL FF AJMP DONE5.4 INTO中斷服務程序清單： INTO: CLR EA PUSH ACC PUSH PSW SETB EA MOVX A ,DPTR MOVR0， A CLR EA POP PSW POP ACC SETB EA RET15.5 數(shù)據(jù)采集子程序清單： ORG 0013H START: MOV R0，#0A00H MOV R2，#0

22、8H SETB INT1 SETB EA SETB EX1 MOV DPTR,#OFEF8H READ1：MOVX DPTR, A HERE : SJMP HERE DJNZ R2，READ15.6 中斷服務程序清單： ORG 0025H INT1: MOVX ADPTR MOVX R0, A INC DPTR INC R0 RET15.7 主程序清單： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0030H LJMP KD1 ORG 00BH LJMP DIR ORG 0013H LJMP START ORG 0025H LJMP INT1 ORG 0040H LJMP ALARM MAIN: MOV P2，#00H MOV R0，#30H MOV R4 ,#08H MOV R2, #00H SETB EA SETB EX1 SETB IT1 MOV R1，#0013H ;ADC0809地址 MOV A ,R2 MOVX R1,A SJMP $ END六、參考文獻1、童詩白、華成英主編，模擬電子技術基礎。 高等教育出版社，20052、 邱關源主編，羅先覺修訂，電路。 高等教育出版社，20053、 閻石主編，數(shù)字電子技術基礎。 高等教育出版社，20064、 馬淑華、王鳳文、張美金編著，單片機原理與接口技術。北京郵