锅炉水位控制系统设计.docx
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锅炉水位控制系统设计
哈尔滨理工大学荣成学院
专科生毕业设计
题目：
锅炉水位控制系统设计
专业年级：
机电08-2
学生姓名：
孙庆进
学号：
0801070212
指导教师：
宋鸣
哈尔滨理工大学荣成学院
完成时间：
2011年6月15日
哈尔滨理工大学荣成学院
专科生毕业设计（论文）评语
学生姓名：
孙庆进学号：
0801070212
学院：
荣成学院专业：
机电一体化
任务起止时间：
2011年3月14日至2011年6月24日
毕业设计（论文）题目：
锅炉水位控制系统设计
指导教师对毕业设计（论文）的评语：
指导教师签名：
指导教师职称：
评阅教师对毕业设计（论文）的评语：
评阅教师签名：
评阅教师职称：
答辩委员会对毕业设计的评语：
答辩委员会评定，该生毕业设计（论文）成绩为：
答辩委员会主席签名：
职称：
年月日
哈尔滨理工大学荣成学院
专科生毕业设计（论文）任务书
学生姓名：
孙庆进学号：
0801070212
学院：
荣成学院专业：
机电一体化
任务起止时间：
2011年3月14日至2011年6月24日
毕业设计（论文）题目：
锅炉水位控制系统设计
毕业设计工作内容：
１．调查周围各种锅炉的控制系统
２．确定主要单片机型号
３．硬件及软件的设计
４．程序的编辑及调试
资料：
1 王文琦.工业锅炉的检测与控制技术.四川科学技术出版社,1986
2 王骥程.化工过程控制工程.化学工业出版社,1981
3 王文琦.工业锅炉的检测与控制技术.四川科学技术出版社,1986
4 谢自美.电子线路设计、实验与测试.华中科技大学出版社，2003
5 金伟正.单线数字温度传感器的原理及用.电子工业出版社，2000
指导教师意见：
签名：
年月日
系主任意见：
签名：
年月日
第1章绪论
1.1课题背景
锅炉微机控制,是近年来新开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物,工业锅炉采用的是微机控制和原有的仪表控制,微机控制有以下明显优势:
1）直观而集中的显示锅炉各运行参数,能显示液位、压力、温度状态。
2）在运行中可以随时方便的修改各种各样的运行参数的控制值,并修改系统的控制参数,可以方便的改变液位、压力、温度的上限、下限。
3）作为锅炉控制系统装置,其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行,减少劳动人员的劳动强度。
综合以上的种种优点可以预见采用计算机控制系统是行业的大势所趋。
单片机是在一块芯片上集成了一片微型计算机所需的CPU、存储器、输入、输出等部件。
单片机自问世以来,性能不断提高和完善,体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。
1.2国内外研究的现状
1.2.1国内发展状况
目前我国在单片机测控装置研究、生产、应用中,取得了很大的成绩,总结了很多经验,但是各行业仍处于发展期,经调查,更多科研究所在这方面开展的工作更看重的是理论和算法,数年来这方面的研究的论文较多,着重生产实际的很少。
在上海,新型的单片机测控装置与系统研究的生产基础较雄厚,在生产过程中需要新型的测控装置与系统,因此在不断的努力研究与开发。
上海的工程技术研究人员更着重的是生产实际研究,对理论、算法和成果的论文较少;深圳在研制新型的测控装置与系统领域也比较有成就,尽管与其他国家比较尚有差距,但是,深圳的高校、研究院所的最大的特点就是实际,与生产实际应用项目无关的问题基本不去考虑,主要考虑选取什么材料,测控什么物理量,优点是什么,与机器设备的通讯接口等等。
1.2.2国外发展状况
随着各种微处理器的出现和发展，国外对锅炉液位控制系统的研究也在不断发展和完善。
一些发达国家在单片机新型系统研究、制造和应用上,已积累了很多经验,奠定了基础,进入了国际市场。
我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上,与其他发达国家相比还存在差距,但是我国的研究人员已经克服很多困难,并在不断的摸索中前进,有望在相关领域赶上甚至超过发达国家的技术水平,这是发展趋势。
1.3使用单片机实现锅炉液位控制的优点
使用单片机实现锅炉液位控制具有较高的实用价值和稳定性好等特点。
采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器测量水位，可有效保证水位的自动控制，保证水质无污染，能更好地对锅炉进行自动化控制,测量温度时采取光电耦合器,实现光电隔离,避免了工作人员在现场进行检测操控,方便了人员对液位系统的控制,控制方便且系统稳定性能好；采用压力传感器对压力进行测控，采取压电陶瓷传感器,可大大简化设计方案，系统性能也更稳定；单片机不仅有体积小，安装方便，便于控制，功能较齐全等优点，而且有很高的性价比，应用前景广，同时有助于发现可能存在的故障，通过微机实现蒸汽与给水系统的自动控制与调节，将保证锅炉正常供气供暖，维持稳定系统，保证安全经济运行。
本文就是采用8051单片机为核心芯片的一种锅炉控制系统，具有较高的实用价值和优越性。
1.4研究方案及预期结果
本设计是采用8051单片机为核心芯片,及其相关硬件来实现的锅炉液位控制系统,在用液位传感器测液位的同时,又用光电式隔离器和压力传感器对锅炉的温度和压力进行检测，CPU循环检测传感器输出状态,并用3位七段LED显示示液位高度,检测液位、温度和压力等数据,实施报警安全提示,当锅炉液位低于用户设定的值时,系统自动打开泵上水,当水位到达设定值时,系统自动关闭水泵。
1.4.1系统硬件总体方案
系统的原理是采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器对液面进行控制,通过四对传感器分别安装在锅炉内四个不同的位置，由上至下测量锅炉液位值,。
并把这四个液位状态通过模数转换器ADC0809传到单片机中,在通过3位七段LED显示器显示出液位的四种状态及报警安全提示。
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,需要是否开启和关闭驱动阀门的电动机。
本设计运用了多种传感器,在使用液位传感器测液位的同时,我还选用了压电式传感器和光电式传感器来对锅炉的压力和温度进行测量,因为我们所提到的锅炉常用于供暖,所以温度的检测很重要,至于选用压力传感器主要是出于安全考虑的,压力过大有可能对锅炉造成损害甚至造成爆炸,压力过低会导致锅炉控制系统无法正常运行。
所以我在第三章着重介绍了这3种传感器。
1.4.2软件总体方案
水位检测是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，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。
本系统所使用的传感器性能稳定,测量准确,安装方便,性价比较高,有较大的工程应用价值,而且利用计算机与组态软件技术对锅炉生产过程进行自动控制有着重要的意义。
第2章系统硬件设计
锅炉自动控制包括对锅炉的液位，压力，温度等的控制，本系统只侧重于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。
所出的系列产品有8051、8031、8751。
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。
整个系统电控部分以ATMEL公司的8051为核心芯片，控制信号采集、处理、输出三个过程。
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，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。
现在我们对这些引脚的功能加以说明：
Pin40:
正电源脚，正常工作或对片内EPROM抄写程序时，接+5V电源。
Pin19:
时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。
Pin18:
时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。
8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，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。
另外一种是外部时钟方式，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，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-Pin1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，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高平，系统即初始复位。
初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。
RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。
然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）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的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见图2-3。
此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电期间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失,此设计采用自动复位电路。
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，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。
更有一个特点，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。
2.2ADC0809A/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。
2.2.1D／A转换基本原理
D／A转换接口技术是应用系统后向通道典型应用技术之一。
它涉及了D/A转换芯片的选择参考电压源的配置、数字输入码与模拟输出电压的极性等问题，而其中最核心的问题是D／A转换芯片的选择与应用问题。
D／A转换器的基本功能是将一个用二进制表示的数字量转换成相应的模拟量。
实现这种转换的基本方法是对应于二进制的每一位，产生一个相应的电流，而这个电流的大小正比于相应的二进制位的权。
D／A转换芯片的主要性能指标如下:
1）分辨率。
表征D／A转换器对微小输入量的敏感程度，通常用数字量的数位表示，如8位、12位、14位等。
分辨率为10位的D／A转换器，表示它可以对满量程的1／1024的增量做出反应。
2）相对精度。
在满刻度已校准的前提下，在整个刻度范围内，对于任一数码的模拟量输出与它的理论值之差。
通常用偏差几个ISB来表示和该偏差相对满刻度的百分比表示。
3）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。
4）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％。
其工作过程是：
比较开始时，首先对二进制计数器（输出锁存器）的最高位置“1”，然后进行转换、比较判断。
若模拟输入Uin大于Ui，比较器输出为1，则使输出锁存器的最高位保持为1。
然后对较低的位依次按照该办法进行比较和调整，无论哪种情况，均应继续比较下一位，直到最末位为止。
此时D／A转换器的数字输入（输出锁存器内容）即为对应模拟输入信号的数字量。
将此数字量输出就完成了A／D转换过程。
这种方法好比用天平称一个物体的重量，第一次放最大的砝码，若不合适，就改放小一号的，依次类推。
一旦天平指示砝码太重说明刚才放进去的那个应当取走，显然对于n位的转换器，总共需要重复这种过程n次。
2.2.2ADC0809转换芯片
本开发系统的A／D转换实验硬件主要是由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，它具有高速、高精度、温度依赖度低以及在长期工作条件下能耗小、重复性好等优点。
ADC0809芯片的引脚图如图2-4所示。
由图2-4可看芯片主要是由一个8位A／D转换器、8路模拟输入选通开关、地址锁存及译码电路工作和三态数据输出锁存器组成。
为实现8路模拟通道能有条不紊地工作，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，将模拟信号送入A/D转换器中实现A/D的转换，转换后的数据放到三态数据锁存器中等待CPU来取，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。
ADC0809芯片提供了高转换速度、高精密度、环境影响小和低功耗等优点，被广泛应用于各种控制领域。
下图2-4为ADC0809芯片的引脚图。
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其转换方法为逐次逼近型。
在A/D转换器内部含有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关树组的256电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器。
8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个通道的模拟信号。
由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码，而且三态TTL输出也可以锁存，所以它易于与微型计算机接口。
图2-4ADC0809芯片的引脚图
2.3键盘及显示接口
显示部分我采用三位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。
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2-5LED显示器
2.4自动报警电路
下列四种情况发生系统报警。
1）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；
2）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;
3）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;
4）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2-6自动报警电路的接线图
第3章传感器的选择设计
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。
本设计主要采用的是电容式传感器、光电式传感器和压电式传感器来对液位、温度和压力进行检测,在把检测的电信号通过ADC0809入到单片机进行分析,在由LED进行显示和键盘控制,实行对液位、温度和压力的报警。
3.1液位传感器的设计
我设计的液位传感器主要是由高亮二极管和光敏三极管所组成的设备。
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。
高亮二极管和光敏三极管都属于光电传感器，下面介绍光电式传感器。
光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。
光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。
由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件（光学测控系统）输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲（开关）式光电传感器。
而我设计的液位传感器的主要组成光敏三级管就是属于模拟式光电传感器。
通过吸收高亮二极管的光来测量液位的高度,在转化成光电流传到模拟传感器ADC0809中。
光电传感器中的工作原理都基于不同形式的光电效应,
我们知道，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，无光照时P区中少数载流子（电子）和N区中的少数载流子（空穴）都很少，因此反向电流很小。
但是当光照PN结时，只要光子能量h大于材料的禁带宽度，就会在PN结及其附近产生光生电子.空穴对，从而使P区和N区少数载流子浓度大大增加，它们在外加反向电压和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。
如果入射光的照度变化，光生电子.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，光敏二极管就把光信号转换成了电信号。
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。
其结构如图3-1所示。
图3-1光敏三极管的结构示意图
图3-2基本电路
当光敏三极管按图3-2所示的电路连接时，它的集电结反向偏置，发射结正向偏置。
无光照时仅有很小的穿透电流流过，当光线通过透明窗口照射集电结时，和光敏二极管的情况相似，将使流过集电结的反向电流增大，这就造成基区中正电荷的空穴的积累，发射区中的多数载流子（电子）将大量注人基区，由于基区很薄，只有一小部分从发射区注入的电子与基区的空穴复合，而大部分电子将穿过基区流向与电源正极相接的集电极，形成集电极电流IC。
这个过程与普通三极管的电流放大作用相似，它使集电极电流IC是原始光电流的（l+β）倍。
这样集电极电流IC将随入射光照度的改变而更加明显地变化。
光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成,如下图3-3光电传感器框图:
图3-3光电传感器框图
光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，如图3-3所示。
图中，Ф1是光源发出的光信号，Ф2是光电器件接受的光信号，被测量可以是x1或者x2，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号I。
光电传感器的敏感范围远远超过了电感、电容、磁力、超声波传感器的敏感范围。
此外，光电传感器的体积很小，而敏感范围很宽，加上机壳有很多样式，几乎可以到处使用。
最后，随着技术的不断发展，光电传感器在价钱方面可以同用其他技术制造的传感器竞争。
3.2温度传感器的设计
我选用的是光电式传感器来对温度进行测量因为它具有结构简单，使用方便，价格低廉，经久耐用，使用范围广等特点。
有上节了解到了光电式传感器,光电式温度传感器是利用导光管为感温器件，能使所接受的信息比较真实地辐射出来。
光电式传感器利用炉温的光辐射，通过导光管进入，经聚焦照射在敏感元件上，光敏元件在光的照射下，便产生光电流，其强弱随着炉温的增高或下降而变化，在通过LED的显示判断是否实行报警。
由于有导光管保护而不受光路污染，从而达到高精度、高灵敏度。
正常的炉膛内的温度能够确保锅炉安全的使用,锅炉的设计工作温度一般低于90°C，工作压力小于0.7bar（绝对压力），属真空容器，在正常运行时绝无汽爆的可能，本设计选用的是高灵敏度的温度传感器:
光电温度传感器,与锅炉控制器相连，当热媒水温度超过设定温度时，燃油、燃气锅炉的燃烧装置就自动停止一切输出，燃煤锅炉就会报警提醒操作人员，限制锅炉的燃烧强度。
我采用的器件是光电耦合器件,它是利用发光元件与光敏
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