毕业设计论文锅炉水位控制器.docx

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毕业设计论文锅炉水位控制器

河南机电高等专科学校

毕业设计论文

论文题目：

锅炉水位控制器

系部：

专业：

班级：

学生姓名：

学号：

指导教师：

2010年04月15日

毕业设计任务书

指导教师

职　称

教研室

学生姓名

班　级

杨其峰

实验讲师

电子通信工程系

张婷婷

应电073

设计题目：

锅炉水位控制器

设计时间：

　　2010年4月7日_-----2010年6月10日　　　　　　　　　　　　　　　　　　

设计任务：

1.水位检测，七路开关信号

2.工作方式，自动手动

3.显示水位LED光柱

4.水位上水，风机起停

5.水位报警

毕业设计成绩

教师评阅成绩

指导老师认定成绩

小组答辩成绩

答辩成绩

答辩委员会评定成绩

答辩委员会主任（签名）

摘要

近年来随着计算机在社会领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。

本单片机系统设计的目的是应用单片机控制技术，以8951单片机为核心控制的水箱的水位，并实现了报警和手动、自动切换功能。

该系统操作方便、性能良好，比较符合电厂生产用水系统控制的需要。

本文还详细的给出了相关的硬件框图和软件流程图，并编制了该汇编语言程序。

关键词：

单片机水位控制报警

Abstract

Inrecentyearsalongwiththecomputerinthesocialdomain'sseepage,monolithicintegratedcircuit'sapplicationwasmovingtowardunceasinglythoroughly,simultaneouslyledthetraditionalcontrolexaminationdatecrecentmoonprofitrenewal.Inthereal-timeexaminationandinautomaticcontrol'smonolithicintegratedcircuitapplicationsystem,themonolithicintegratedcircuitoftenistakesacoreparttouse,onlythemonolithicintegratedcircuitaspectknowledgeisinsufficient,butshouldalsoactaccordingtotheconcretehardwarearchitecture,aswellasinviewoftheconcreteapplicationobjectcharacteristic'ssoftwareunion,makestheconsummation.Thismonolithicintegratedcircuitsystemdesign'sgoalappliesthemonolithicintegratedcircuitcontroltechnology,take8951monolithicintegratedcircuitsasthecorecontrol'swatertank'swaterlevel,andhasrealizedthewarningandmanual,theautomaticcutoverfunction.Thissystemoperationisconvenient,theperformanceisgood,comparedwithmeetsthepowerplantproductionwatersupplysystemscontrolneed.Thisarticledetailedhasalsogiventherelatedhardwarediagramandthesoftwareflowchart,andhasestablishedthisassemblylanguageprocedure.

Keyword:

MonolithicintegratedcircuitWaterlevelControlWarning

毕业设计任务书………………………………………………………………………..1

摘要………………………………………………………..……….….……..…...…..2

绪论……………………………………………………………………………………3

第1章锅炉水位控制器的总体设计…………………………………………………4

1.1锅炉控制器的总体考虑…………………………………………………………4

1.2锅炉控制器的总体方案…………………………………………………………5

第2章单片机的说明…………………………………………………………………7

2.18951单片机简介…………………………………………………………………7

2.2引脚及其功能……………………………………………………………………7

第3章硬件设计………………………………………………………………………11

3.1水箱给水设备系统的构成………………………………………………………11

3.2温度的控制………………………………………………………………………12

3.3数码管显示电路的设计…………………………………………………………14

3.4指示灯的设计……………………………………………………………………22

3.5报警电路…………………………………………………………………………23

3.6风机调速路………………………………………………………………………24

第4章系统介绍………………………………………………………………………26

………………………………………………………26

本系统的工作原理…………………………………………………………………26

…………………………………………………………………………27

……………………………………………………………………30

第5章系统的优点……………………………………………………………………33

结论……………………………………………………………………………………33

致谢……………………………………………………………………………………34

参考文献………………………………………………………………………………34

绪论

长期以来，在各种水位控制系统中，采用的是利用浮球来控制触点的吸合，其触点易损坏，稳定性差，故障多，寿命短，功能单一，不安全，给生产和生活带来极大的安全隐患，且安装造价高，费时费工，适用范围有限。

改革开放以来，我国的经济建设及小城镇建设迅猛发展，企业生产自动化程度大大提高，人们的生活水平迈入小康，对家庭用水质量的提高，尤其是对家庭生活的质量有着更高的要求，必然需求高品质、安全可靠性好的产品。

随着我国经济的迅速发展，人们对工作和生活的条件及质量追求越来越高，在水位控制系统中，要求有关设备安全可靠，并能多功能全自动的运行。

为此，经多年研制出了一种优良的多性能、自动的水位控制器。

经一些工厂、单位和家庭长期使用效果很好。

市场前景应用于城市、农村、学校、工矿企事业单位及家庭的供水工程和排水工程，亦适用于太阳能热水器、锅炉及有关循环用水的设备等水箱的水位自动控制及报警。

第1章锅炉水位控制器的总体设计

根据对该控制装置的控制要求，它应需要具备以下几部分电路。

1.1.1单片机控制核心

为了完成对温度的监视、显示和输出，且确保锅炉运行的安全，防止发生温度超限导致锅炉爆炸，本系统采用单片机结构做为控制器的控制核心。

其中一个单片机负责正常的锅炉运转。

TC620可有用户自己控制上、下限控制温度。

当高于上限温度或低于下限温度时，可输出逻辑控制信号，有的还具有温度测量功能。

外围元件少，成本低，可靠性好。

抗静电能力强。

显示部分要求使用2排LED数码管，上排显示测量温度，下排显示设定温度。

设定参数时上排为设定值，下排显示设定参数代号。

在此采用2片Philips公司的SAA1064LED数码管驱动器件（每片驱动4个数码管）。

SAA1064通过I2C接口与89s52接口连接，接收89s52送来的显示数据。

另设6只LED发光管指示锅炉的工作状态（风机、煤机、水泵、循环、超载、超温、温差）。

每只LED发光管由2N5551三极管驱动，三极管由Philips公司生产的I2C接口I/O扩展器PCF8574控制。

PCF8574具有8路I/O接口，数据传输采用I2C接口总线，便于与PIC16F877连接，节省I/O口线。

该设备的操作通过4只按键进行，包括“选择”键、“增加”键、“减少”键和“确认”键。

通过“选择”键可选择不同的参数设定功能（在下排LED数码管显示F1～F11）。

每一功能显示状态下，通过“增加”、“减少”键可修改参数值，但并不记忆，只有按“确认”键后，设定参数方存入EEPROM中。

通过反复按“选择”键，可在正常显示及各设定状态之间转换。

4只按键与RB1、RB2、RB3、RB4单片机I/O口连接，通过读取相应端口可知是否有键按下，从而进行相应操作。

本系统设有风机运行指示灯、水泵运行指示灯、超载指示灯、超温指示灯、循环定时

本系统通过单片机控制一个I/O端口的输出电平的高低的时间长短来控制风机的风速。

从而实现了调速的目的。

由NE555芯片及阻、容器件组成约1000Hz的振荡电路直接驱动扬声器，由单片机控制振荡电路的振荡与否。

综合以上考虑，确定出燃煤锅炉控制器的总体结构框图如图1-1

图1-1锅炉控制器结构框图

第2章单片机的说明

2.18051单片机的说明

8051单片机的介绍

目前，8051单片机在工业检测领域中得到了广泛的应用，因此我们可以在许多单片机应用领域中，配接各种类型的语音接口，构成具有合成语音输出能力的综合应用系统，以增强人机对话的功能。

89S52是Intel公司生产的一种单片机，在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分。

每一个单片机包括：

一个8位的微型处理器CPU；一个256B的片内数据存储器RAM；片内程序存储器ROM；四个8位并行的I/O接口P0-P3，每个接口既可以输入，也可以输出；两个定时器/记数器；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART的串行I/O口；片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。

最高允许振荡频率是12MHZ。

以上各个部分通过内部总线相连接。

40个引脚中有2个专用于主电源引脚，2个外接晶振的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。

下面按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能。

电源引脚Vcc和Vss

Vcc（40脚）：

接+5V电源正端；

Vss（20脚）：

接+5V电源正端。

外接晶振引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1（19脚）：

接外部石英晶体的一端。

在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号

的输入端。

XTAL2（18脚）：

接外部晶体的另一端。

在单片机内部，接至片内振荡器的反

相放大器的输出端。

当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。

对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。

2.2.3输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口

（A）.P0口（39脚～22脚）：

P～P统称为P0口。

当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。

当接有外部程序存储器或扩

展I/O口时，P0口为地址/数据分时复用口。

它分时提供8位双向数据总线。

对于片内含有EPROM的单片机，当EPROM编程时，从P0口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。

（B）.P1口（1脚～8脚）：

P1.0～P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。

对于MCS—52子系列单片机，P和P1.1还有第2功能：

P口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2；P用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。

对于EPROM编程和进行程序校验时，P0口接收输入的低8位地址。

（C）.P2口（21脚～28脚）：

P2.0～P统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。

当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。

对于EPROM编程和进行程序校验时，P2口接收输入的8位地址。

（D）.P3口（10脚～17脚）：

P～P统称为P3口。

它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。

P3口的第2功能见下表2-1

引脚

第2功能

RXD（串行口输入端0）

TXD（串行口输出端）

INT0（部中断0请求输入端，低电平有效）

INT1（中断1请求输入端，低电平有效）

T0（时器/计数器0计数脉冲端）

T1（时器/计数器1数脉冲端）

WR（部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）

RD（部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）

综上所述，MCS—51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：

1）.单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第2功能；

2）.单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用作为数据总线。

附:

89s52的管脚如图

图2-189s52的管脚

第3章硬件的设计

箱给水设备系统的构成

由两台给水泵机组、水箱和三只浮球开关组成，其系统结构如图：

图3-1水箱系统结构图

其中M1、M2为给水泵机组，LG、LD、LDD分别为水位高、水位低、水位低低浮球开关，当水位高（大于90开度）时，LG闭合，当水位低（小于75开度）时，LD闭合，当水位低低（小于50开度）时，LDD闭合。

水箱的控制器由8051系统构成。

为避免电机的起停和电源波动时对电路的影响，输入输出均采用光电隔离。

输出通过继电器，控制水泵机组的起停和报警其

电路图如下：

图3-2

给水泵电机主控回路图如下：

图3-3水泵电机主控回路

TC620这种温度控制器有以下特点；

1.可有用户自己控制上，下限控制温度

2.当高于上限温度或低于下限温度时，可输出逻辑控制信号，有的还具有温度测量功能。

3.外围元件少，成本低，可靠性好。

TC620温度传感器

图3-4是温度传感器的工作原理，它主要有一个PTC热敏电阻式温度传感器，两个运算放大器A1，A2，一个电压比较器A3和基准电压等组成。

内设的PTC热敏电阻接在A1的反相端，外接一个电阻可设定温度的上或下限，叫做设定电阻。

基准电压电路产生1.2V基准电压作为A1和A2的偏置电压。

根据电路原理可知，如果两个运算放大器A1，A2完全一样，反馈电阻Rf1和Rf2相等，热敏电阻RT和设定电阻RS相等时，则两个放大器输出一样。

当温度低于设定的温度时，热敏电阻RT的阻值变小，此时RS>RT，流经RT上的电流增大，在RF1上的压降也相对增大，则运放A1的输出电压减小，而运放A2的输出电压不变，比较A3输出电压是低电平，当温度高于设定温度时，热敏电阻RT的阻值增大，此时RS

这样便可根据需要，利用比较器输出电位变化对温度进行控制或报警。

图3-4温度传感器的工作原理图

TC620型温度控制器的的结构框图3-5所示，运放A1,A2和比较器A3低于温度下陷报警输出Vout1。

运放A2,A4和比较器A5组成高于上限报警输出Vout2.比较器A3输出的信号经反相器反相后与比较器A5输出信号Vout2一起输入Rs触发器，由触发器Q端或Q非端输出温度控制信号，图中Rsl下限温度设定电阻，Rsh为上限温度设定电阻。

芯片内设的PTC热敏电阻RT的温度特性如图3-6所示。

可利用该特性曲线在设定好上下限温度后，从曲线上查找出相应的RSL和RSH。

3-5TC620型温度控制器的的结构框图

图3-6TC620内设热敏电阻温度特性曲线

TC620温度控制器根据型号的不同，其工作温度范围不同，表3-1给出了我们这些参数。

表3-1

型号

工作温度范围

封装形式

TC620*COA

TC620*EOA

TC620*VOA

TC620*CPA

TC620*EPA

0~70

-40~85

-40~125

0~70

-40~85

SOIC

SOIC

SOIC

DIP

DIP

TC620温度控制器的典型应用电路见图3-7所示，其中VD1为低于设定温度报警指示灯，VD2为高于设定温度报警指示灯，它们之间的温度控制若设定为2-3度。

可以防止继电器因频繁工作而损坏，继电器用来控制加热系统。

图3-7TC典型应用电路

3.3数码管显示电路

由于显示键盘部分采用8只数码管、7只LED发光二极管指示灯、4只按键，对于这样一种具体应用，如果采用并行接口连接或单片机直接驱动，都将需要大量的单片机I/O口线，为此采用了I2C总线I/O扩展芯片PCF8574和LED驱动芯片SAA1064，这种方式既发挥了PIC16F877具有I2C总线接口的优点，又使得电路的连接变得十分简洁。

SAA1064是PHILIPS公司生产的带I2C总线接口的４位ＬＥＤ驱动器，为双极型电路。

该电路是特别为驱动４位带有小数点的七段显示器而设计的，通过多路开关可对两个２位显示器进行切换显示。

该器件内部带有I2C总线从发送接收器，可以通过地址引脚ＡＤＲ的输入电平编程为４个不同的从器件地址。

该芯片的SCL、SDA引出引脚可直接与单品机的两个输出/输入引脚相连，完成单片机对SAA1064的加载。

SAA1064对输入的显示数据所存，利用其内部的多路开分时扫描驱动LED数码管显示。

SAA1064LED数码管的最高电压可达15V，最大电流可达21mA，且该输出电流可程控，以适应不同的显示亮度。

其I2C总线的器件地址为0111。

LED数码驱动器SAA1064内部结构如图3-8，外部引脚及其说明图3.3.2，其封装形式为双列直插式封装。

图3-8SAA1064内部结构

SAA1064采用24脚DIP和SOT两种封装形式，下图所示为24脚DIP封装的引脚排列。

各主要引脚的功能如下：

ADR模拟输入电压寻址端；

CEXT内部振荡器电容输入端，典型值为2.7nF；

MX1多路选择开关输出1；

MX2多路选择开关输出2；

P1～P8段数据输出口1；

P9～P16段数据输出口2；

SDAI2C串行数据线；

SCLI2C串行时钟线；

VEE地线；

Vcc电源，可为4.5V～15V

图3-9SAA1064外部引脚接线图

3.3.2LED数码驱动器SAA1064工作原理和使用说明

（1）模拟输入电压寻址端ADR的用法

SAA1064通过ADR脚输入不同的模拟电压，以确定其不同的器件地址。

这一是有别于其他数字集成电路地址信号的接法。

SAA1064规定输入该脚的电压值VEE、3/8VCC、5/8VCC和VCC，分别对应于16进制地址70H、72H、74H、76H（写操作时）和71H、73H、75H和77H（读操作时），其他地址不为该器件所响应因此在同一I2C总线上最多可并联四片SAA1064。

下表3-2是ADR引脚电平与引脚地址的关系表。

表3-2

引脚地址

ADR引电平范围

读/写操作从地址

0

A1

A0

min

typ

max

（01110A1A0R/W）

0

0

0

VEE

VEE

3/16

Vcc

70H/71H

0

0

1

5/16

Vcc

3/8

Vcc

7/16

Vcc

72H/73H

0

1

0

9/16

Vcc

5/8

Vcc

11/16

Vcc

74H/75H

0

1

1

13/16

Vcc

Vcc

Vcc

76H/77H

ADR引脚电平与引脚地址的关系表

（2）时钟频率外部电容输入端

CEXT为外部控制输入端，当工作于两路复用显示方式时，该端外接一只电容器，可使内部多路转换的振荡器工作，用以决定扫描频率；当工作于静态显示方式时，因为不需要振荡器工作，该输入端接VEE或VDD或开路。

（3）LED亮度控制

SAA1064供给数码管的显示电流来自片内程控电流源。

该程控位由控制字节中D6、D5和D4位状态决定。

由于占了3个控制位，故该电源有8种电流输出，用于控制P1—P16段输出脚上的LED数码管的亮度。

（4）双路复用输出

动态显示方式时，MX1和MX2为复用控制输出端，用以切换两对数码管轮流显示。

该轮流导通的频率由CEXT端的电容器大小决定，电路原理图如图6，SAA1064的SCL、SDA分别与PIC16CF877的RC3、RC4相连，且经上拉电阻接到+5V，而SAA1064的Vcc和数码管的供电电压相同。

根据数码管要求的电压决定该电压大小，但最高不能超过+15V。

图中数码管要求电压为+5V，数码管必须为共阳接法。

静态显示方式时，一片SAA1064只能驱动两只LED数码管，此时MX1为高电平，MX2为低电平，空着不用。

（5）SDA、SCL

SDA、SCL分别为I2C总线的数据线和时钟线。

为防止这些引脚上出现过压

脉冲，应接一个稳压管（5.5V）至VEE，即正常的线电压不应超过5.5V。

正常情况下，数据在响应位的时钟上跳变锁存。

（6）上电复位上电复位信号是在SAA1064芯片的内部产生的，该信号能使内部各位清0而显示全暗，此时只有掉电标志置位。

（7）段数据输出端P1～P16是吸收电流可控的段数据输出端，可用相应的数字位控制其导通，并由C4、C5、C6控制位控制其电流的大小。

3、LED数码驱动器SAA1064通信模式

主器件CPU通过I2C总线对SAA1064进行读或写，读／写方式中I2C总线上的信息传送格式下：

SAA1064与主机之间的通信方式有两种模式：

主发送从接收模式和主接收从发送模式。

（1）主发送从接收模式（写方式）

主发送从接收模式的数据桢格式如下所示。

图中，S为起始位，A为从机应答位，P为停止位。

主发送从接收模式数据珍格式

其他位说明如下：

1SLAW位从机地址和写操作字节，格式如表3-3所示。

其中A1和A0是芯片地址位，对应ADR引脚上用不同的模拟电平输入表示的2位引脚地址，用以区分多片扩展系统中的不同SAA1064芯片。

2SUBADR为片内子地址字节，