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锅炉水位控制系统设计
摘要
本设计任务要求设计一种锅炉液位控制器，它以8051作为控制器，通过8051单片机，压力传感器和模数转换器等硬件系统和软件设计方法实现具有液位检测报警和控制双重功能，同时也具有压力报警和显示控制的功能,并对液位和压力值进行显示。
本设计是基于单片机的水暖锅炉控制，在设计中主要有水位检测、温度检测、压力检测、按键控制、水位控制、显示部分、故障报警等几部分组成来实现供暖控制。
主要用水位传感器检测水位，用光纤温度传感器来检测水温，用六个控制按键来实现按健控制，用三位7段LED显示器来完成显示部分，用变频器来控制循环泵的转速，用压力传感器检测锅炉内部压力。
并且通过模数转换把这些信号送入单片机中。
把这些信号与单片机中内部设定的值相比，以判断单片机是否需要进行相应的操作，即是否需要开启补水泵，来实现对液面的控制，从而实现单片机自动控制液面的目的。
本设计用单片机控制易于实现锅炉液位、温度和压力的控制,而且有造价低、程序易于调试、一部分出现故障不会影响其他部分的工作、维修方便、等优点。
关键词锅炉，8051单片机，模数转换，水位控制，自动控制
ABSTRACT
Thisdesigntaskrequirementlevelcontrollerdesignofaboiler,whichin8051ascontroller,through8051MCU,pressuresensorandthehardwaresystemandsoftwaredesignmethods,suchasimplementationofadchasadualfunction,liquidleveldetectionalarmandcontrolalsohasthefunctionofpressurealarmanddisplaycontrol,andtoshowtheliquidlevelandpressurevalue.
Thewaterheatingboilerdesignisbasedonsinglechipmicrocomputer,aremainlyinthedesignwaterleveldetection,temperaturedetection,pressuretesting,buttoncontrol,waterlevelcontrolanddisplaypart,faultalarmandsoonseveralpartstoachieveheatingcontrol.Mainlyusegroundwaterlevelsensors,opticalfibertemperaturesensorisusedtodetecttemperature,presswithsixcontrolkeystoachievethehealthycontrols,withthree7segmentLEDdisplaytocompletedisplaypart,usefrequencyconvertertocontroltheturningspeedofthecirculationpump,thepressuresensorisusedtoinspectpressurewithintheboiler.AndbythemodulusconversionsignalissenttoMCU.ThesignaliscomparedwiththeinternalsettingvaluesintheMCU,MCUonjudgmentwhethertoneedtocarryonthecorrespondingoperation,whetheritneedtoopenthepump,toachievecontroloftheliquidsurface,soastorealizethesinglechipmicrocomputerautomaticcontrollevel.Thisdesignwiththesinglechipmicrocomputercontroliseasytorealizetheboilerliquidlevel,temperatureandpressurecontrol,andhaslowcost,partprogramiseasytodebug,failurewillnotaffectotherpartsofthework,convenientmaintenance,etc.
Keywordboiler，8051singlechipmicrocomputer,modulusconversion,waterlevelcontrol,automaticcontrol
1绪论
1.1课题背景
目前我国的锅炉的数量众多，我国现有中、小型锅炉30多万台,目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。
而锅炉计算机控制系统的产生正是能够有效缓解这一现状的良好契机，锅炉水位控制系统是微型计算机软件，硬件，自动控制，锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，作为锅炉控制装置，其主要目的是保证锅炉的安全稳定经济运行，减少能源的损耗更加合理高效的利用能源，减轻操作人员的劳动程度。
采用微机控制，能对锅炉进行自动的检测、自动控制等多项功能。
提高锅炉工作效率，保证生产安全。
1.2国内外研究的现状
目前在我国的锅炉水位控制系统的研究设计生产中都取得了很大的成效，在各方面的发张过程中多数还只是采用理论的计算的各方面论文很多，但是能够运用的工业生产中的还很少。
而我们现在要把锅炉水位控制系统能够很好地全面的应用到工业生产中这还需要大家的努力。
在我过上海沿海等地生产锅炉水位控制所需要的器材的实力比较雄厚，生产厂商能够让理论产物和实际产物能够很好地结合，生产多高效实际合理的工业设备。
在我国的新型测控装备与系统研究与发达国家还存在着差距但是我国科研人员能够克服困难不断钻研争取，在摸索中前进，有望在相关领域能够赶上并超过发达国家的技术水平。
1.3使用单片机实现锅炉液位控制的优点
当今，随着计算机技术的不断发展，微型计算机的生产及应用已渗透到生产、生活的各个方面。
虽然单片机微型计算机虽然问世不久，然而体积小、廉价、功能强、其销售额已每年近80%的速率增长。
使用单片机控制来实现锅炉水位控制系统的实现具有较高的使用价值和成本较低稳定性较好等特点。
实现锅炉测量水位使用高亮二极管和光敏三极管来实现。
测量温度采用光电耦合器实现光电隔离，方便人员对液位系统的控制且稳定性较好。
对液位压力测量使用电陶瓷传感器，可以大大简化系统的设计方案。
使用单片机控制不仅具有体积小、安装方便，功能较齐全等优点，而且应用前景广、具有很高的性价比。
通过微机控制来实现给水系统的自动控制与调节来保证系统稳定高效安全的运行。
本文采用8051单片机作为核心来对锅炉水位进行自动控制。
具有较高的优越性和使用价值。
1.4研究方案及预期结果
本设计采用8051单片机为核心，及相关硬件来实现锅炉水位控制系统。
在测量液位的同时需要对锅炉压力和温度进行检测。
使用3位七段LED显示液位、温度、压力等数据，从而实现系统的安全控制，及时报警。
1.4.1系统硬件总体方案
系统采用高亮二级管和光敏三极管对液位进行控制。
并通过四对传感器分别安装在锅炉四个不同位置来测量锅炉液位。
使用模数转换把信号传送到单片机中。
通过LED现实出来。
然后根据当前液位值和用户设定的水位来决定水位是否开关水泵。
还采用了光电传感器和电压式传感器来对锅炉温度压力进行测量，因此我们所提到的锅炉常用于供暖而不是工业上的燃烧锅炉。
采用压力传感器只要是为了防止锅炉压力过大对锅炉造成损害甚至爆炸，而压力过低则会导致锅炉无法正常稳定运行。
1.4.2系统软件总体方案
水位检测通过四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，对锅炉里的水位进行检测。
当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平；当水位低于此光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出低电平。
由上至下的第一个位置为水位上限报警线，即当水位高于此位置时，开水阀控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀有可能出故障；第二个位置是自动停止加水线，即当水位高于此位置时，控制系统会自动关闭加水电磁阀，停止加水；第三个位置是自动加水线，即当水位低于此位置时，控制系统会自动接通加水电磁阀，开水加水；第四个位置是水位下限报警线，即当水位低于此位置时，开水房控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀可能出故障。
1.4.3设计的研究进程
本设计第二章对系统进行硬件分析,主要介绍了本设计所使用的核心芯片8051,重要对其端口进行介绍,介绍其功能与用途,还介绍了液位传感器、数模转换ADC0809、执行设备、LED显示和报警装置,介绍了他们的原理、结构和电路连接。
第三章着重介绍了本设计所使用的传感器,因为传感器的性能在整个系统中起着非常重要的作用,尤其对检测精确度起着重要的作用,在其中我重点介绍了液位传感器,光电式传感器和压电式传感器。
第四章介绍了整个系统的软件设计。
2系统硬件设计
锅炉自动控制包括对锅炉的液位，压力，温度等的控制，本设计主要介绍锅炉的液位控制。
液位控制是利用由高亮二级管和光敏三级管所组成的液位传感器把液位的状态转换成模拟信号，再通过模数转换器ADC0809把输出状态直接接到单片机的I/O接口，单片机经过运算控制，输出数字信号，输出接口接LED进行显示,实现液位报警和键盘显示与控制；其压力控制是通过压电传感器将接受的信号转变成电信号，通过模数转换ADC0809进行转换后与8051单片机接口相连，使其与设定值相比较从而实现压力报警和控制；其温度检测选用的是光电隔离器，实行光电隔离，有利于人员对温度的检测,再通过模数转换器ADC0809进行转换后与8051单片机接口相连，使其与设定值相比较从而实现温度报警。
而本设计主要是对液位进行控制,下图是锅炉液位控制系统
图2.1基于单片机的锅炉液位控制系统
由上图可观察到传感器通过对液面、温度和压力进行测量，输出模拟信号，再通过模数转换器把输入的模拟信号转换成数字信号，通过8051单片机的运算控制，在通过LED进行显示,通过报警装置进行报警,报警显示之后再通过对阀门的开启实现对锅炉的液位进行调节控制,阀门的驱动设备是电动机。
2.1核心芯片8051单片机
计算机芯片MCS-51是一个电脑晶片,英特尔公司生产系列。
它是在MCS-48系列的基础上发展的高性能的8位单片机。
在51子系列中，主要有8051、8031、8751三种机型。
其代表就是8051。
其他系列的单片机都以它为核心,所以本设计采用的核心芯片是8051单片机。
CPU是它的核心设备,从功能上看,CPU包括两个部分:
运算器和控制器,它执行对输入信号的分析和处理。
采用8051用P0、P2口作控制总线，可以直接控制键盘参数输入、LED数据显示，方便现场调试和维护，使整个控制系统的通用性和智能化得到了很大的提高。
系统的原理是采用液位式传感器测量锅炉液位值,通过单片机的转换与分析在LED上显示及输出控制;根据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进行开关水泵,以及是否到达危险高、低水位,需要关闭阀门。
图2.28051引脚图
上图是8051的引脚配置，40个引脚中，正电源一根，地线一根，石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，P3与中断口线P3口线复用。
下面对引脚加以说明：
Pin18:
时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。
Pin19:
时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。
Pin40:
正电源脚，正常工作或对片内EPROM抄写程序时，接+5V电源。
8051的时钟可分为两种方式：
一种为片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体（2-12MHz）和振荡电容,振荡电容的值一般取10p-30p。
另一种为外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。
本设计采用外部时钟电路及外接晶振和电容组成振荡器。
输入输出（I/O）引脚：
Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚，
Pin1-Pin8为P1.0-P1.7输入输出脚,
Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，
Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚。
在对单片机设计中，P0口作为程序存储器扩展口，且是扩展并行输入/输出接口的接口，另外也作为模数转换的数据传输口,P2口为程序存储器扩展口的高八位地址总线口，P1口为输入/输出口。
Pin9:
RESET/Vpd复位信号复用脚，通电，时钟电路开始工作，系统初始复位。
程序计数器PC将指向0000H，P0-P3输出口为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器清“0”。
RESET由高电平变为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。
初始复位将不改变RAM的状态，8051的初始态如下：
表2.1寄存器初始状态
特殊功能寄存器
初始态
特殊功能寄存器
初始态
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
8051的复位方式分为手动和自动复位。
RESET/Vpd是一个复用脚，在Vcc掉电期间，可以使用后备电源使单片机RAM数据不丢失。
图2.3复位电路
Pin30:
ALE/
当访问外部程序器时，ALE（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。
而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，确定单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。
而且当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。
如果单片机是EPROM，在编程其间,prog将用于输入编程脉冲。
Pin29:
当访问外部程序存储器时,此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。
在编程时，EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。
2.2液位传感器设计
在锅炉液位控制系统中,传感器的选择是非常重要的,传感器是能感受规定的被测量,并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,它通常由敏感元件和转换元件组成,它的性能直接影响到整个检测系统,对检测精确度起着重要的作用。
传感器的种类很多,有温度传感器,加速度传感器,光学传感器,压力传感器的,本设计主要采用的是由高亮二级管和光敏三级管所组成的液位传感器来对液位进行控制，又用光电式传感器和压电式传感器来对温度和压力进行检测,在把检测的电信号输入到单片机进行分析,这个设计的重点是液位的控制,所以下面我要对液位传感器进行设计。
采用的是四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器，这种液位传感器如下图
图2.4液位传感器
由图2.4可知，液位传感器的主要元件是高亮二极管和光敏三极管,它们都属于光电元件,光电元件主要采用的是光电效应,光电效应分外光电效应、内光电效应和光生伏特效应,光电效应的原理是PN结加反向电压时，反向电流的大小取决于P区和N区中少数载流子的浓度，当光照PN结时，光子能量h大于材料的禁带宽度，在PN结及其附近产生光生电子、空穴对，从而使P区和N区少数载流子浓度增加，载流子在外加反向
电压和PN结内电场作用下定向运动，分别在两个方向上渡越PN结，使反向电流明显增大。
如果入射光照强度变化，光生电子及空穴对的浓度将相应变动，通过外电路的光电流强度也会随之变动。
光敏二极管的作用就把光信号转换成了电信号。
图2.5.a光敏三极管的结构示意图图2.5.b基本电路
而光敏三极管有两个PN结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度,也是把光信号转化成电信号。
光敏三级管是由高亮二极管进行发光的,高亮二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。
它的原理和光敏二极管相似,也是产生光电效应。
只不过原理正好相反,当有电流导体内部产生光电流,照射在PN结上,在内部产生光电流,
它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。
因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。
水位检测是通过四对高亮二极管和光敏三极管分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，实时对锅炉里的水位进行检测。
当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平；当水位低于此光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出低电平。
由上至下的第一个位置为水位上限报警线，即当水位高于此位置时，开水房控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀有可能出故障；第二个位置是自动停止加水线，即当水位高于此位置时，控制系统会自动关闭加水电磁阀，停止加水；第三个位置是自动加水线，即当水位低于此位置时，控制系统会自动接通加水电磁阀，开水加水；第四个位置是水位下限报警线，即当水位低于此位置时，开水房控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀可能出故障。
2.3ADC0809A/D转换器
A/D是把模拟信号转换成数字信号,把由传感器传来的液位控制的模拟信号转换成数字信号,然后再通过8051单片机的分析处理进行LED显示和液位、压力和温度的报警。
2.3.1D／A转换基本原理
D／A转换器的功能是将数字信号转换成模拟信号。
使每一个二进制信号产生一个相应的电流，电流的大小则正比于相应的二进制位的权。
输入二进制数据D7～DO控制电子开关组，当某一位为“1”时，则电子开关闭合，基准电压Vin接电阻解码网络，使某一支路电阻上有电流流过。
当某一位为“0”时，则电子开关断开，该支路电阻上无电流流过。
加权电阻解码网络各支路的电阻值与二进制数据D7～DO的“权”相对应，“权”大的电阻值小，“权”小的电阻值大。
因此各支路的电流不仅决定于输入数字量的值（0或1），还决定于“权”，各支路的电流如下：
式（2.1）
因此，总电流为Iou
式（2.2）
该总电流经电流转换器后有:
式（2.3）
其中
式（2.4）
由式（2.4）看出，尽管使用的网络结构不同，但对于D／A转换器的输入输出来说是等效的。
就8位D／A转换器而言，每一数字输入位所代表的输出模拟量是其相邻的2倍，这样就组成二进制数字量到模拟量的转换器。
D／A转换芯片的主要性能指标如下:
分辨率。
信号的敏感程度数字量的数位表示，分辨率为n位的D／A转换器，可以对满量程的1／2n的增量做出反馈。
相对精度。
在校准前提下有效刻度内模拟量的输出与理论值之差，用ISB来表示和该偏差相对满刻度的百分比。
转换时间。
数字变化量是满刻度时，达到终值±LSB／2所需要的时间，通常为几十纳秒至几微秒。
非线性误差。
通常给出在一定温度下的最大非线性度，一般为0.l％～0.03％。
其工作步骤是：
比较开始时，首先对二进制计数器的最高位置“1”，然后进行转换和比较判断。
如果模拟输入Uin大于Ui，比较器输出为1，输出锁存器的最高位保持为1。
依照此方法从低到高依次进行比较。
将数字信号转换成模拟信号来完成A/D转换。
总共需要重复这种过程n次。
2.3.2ADC0809转换芯片
本次设计的A／D转换实验硬件是由ADC0809转换芯片和四个可变电位器组成的。
ADC0809是8位8通路逐次逼近式A／D转换器，输入电压在（O～5）V，最大不可调误差小±1LSB。
ADC0809芯片的引脚图如图2-6所示。
8路模拟通道要能正常工作，首先通过地址译码锁存器选通所要开通的8路模拟通道中的一路开关，将模拟信号进行A/D的转换，转换后的数据放到三态数据锁存器中，由CPU读取后由CPU启动新一次的地址译码，重复以上完成新一次的A/D转换。
下图为ADC0809芯片的引脚图。
图2.6ADC0809芯片的引脚图
2.4键盘及显示接口
采用三位7段LED显示器，LED显示器是单片机应用中最常用的输出部件，它是由若干发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光，不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。
用LED是因为它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长的特点。
LED（发光二极管）最早出现在19世纪60年代，现在我们可以经常在电气和电子设备上看到这些二极管作为指示灯来用。
在微型机系统中，LED常用的显示方法有两种。
一种是静态显示，一种是动态显示。
所谓的静态显示是由单片机一次输出后就能显示后就能保持，直到下次送新的显示模式为止。
这种显示占用机少，显示可靠；缺点是使用元件多，且线路比较复杂，因而成本比较高。
这种显示器显示方式的每一个七位显示器需要一个八位输出控制，我的设计就是采用的就是静态显示。
所谓动态显示就是单片机定时的对显示器进行扫描。
这种方法中，显示器件分时工作，每次只能有一个器件显示，但由于人的视觉暂留现象，所以，仍感觉到所有的器件都“同时”显示。
这种显示方法的优点是使用硬件少，因而价格低，但占用机时多，只要单片机不执行显示程序，就立刻停止显示。
动态显示的亮度与导电电流有关，也与点亮时间和间隔时间比例有关。
键盘是有若干按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，通过键盘输入数据或命令，来实现简单的人机对话。
键盘可分为非编码键盘和编码键盘两种。
非编码键盘有并行接口扫描和串联接口扫描，我采用的是串行接口，它的组成是由移位寄存器74LS164和六个键组成，74LS164是一个14位脚的寄存器，集成电路芯片，由8051串行接口的TXD端输出列扫描信号到74LS164的1、2引脚，键闭合信号则用端口P3.3、P3.4、P3.5输入8051单片机，由8051单片机的TXD引脚输出移位时钟脉冲到74LS164的时针输入端（CLK）。
还有非前者用软件来识别和产生代码，后者则用键盘来识别，键盘处理程序实现对键盘的管理，显示具体见下图。
图2.7LED显示电路
2.5自动报警电路
下列四种情况发生系统报警：
当锅炉达到上限极限水位时报警，炉内的水位到达上限极限水位时系统发出报警；
锅炉内压力过高报警，压力传感器检测到锅炉内压力过高与设定值时发出报警；
锅炉内压力过低报警，压力传感器检测到锅炉内压力过低与设定值时发出报警；
循环泵故障报警，当循环泵开启后，出水与回水温度的差值很大，认为循环泵故障，报警系统报警。
图2.8自动报警电路的接线图
3传感器的选择设计
在本设计中，传感器的选择是非常重要的，传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可
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