基于单片机的锅炉水位控制系统设计.docx
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基于单片机的锅炉水位控制系统设计
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毕业设计（论文）
基于单片机的锅炉水位控制系统设计
Microcontrollerbasedwaterlevelcontrolsystemdesign
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摘要
伴随国内经济的快速发展，锅炉水位控制也迎来了发展的春天。
人们在传统控制技术的基础上，不断的研究新的控制方法和控制技术，以实现水位控制的自动化。
现在我们国家很多的研究人员一直在对锅炉的水位控制系统进行研究，不过这些研究大部分都是在供水还有注水泵的方面，对于锅炉的水位研究还是很少的。
因此，对锅炉水位控制技术的研究显得尤为有意义。
本文设计的主要内容是通过单片机对锅炉水位的控制系统进行设计。
我们确定的是该锅炉的结构的方案，我们需要对锅炉的零件进行设计分析，同时也得把电路设计好；通过cad二维绘图软件绘制出了系统装配图和电路控制图。
关键词锅炉；水位控制；单片机
Abstract
Withtherapiddevelopmentofthedomesticeconomy,boilerwaterlevelcontrolalsousheredinthespringofdevelopment.Peopleinthetraditionalcontroltechnology,continuousresearchandnewcontrolmethodsandcontroltechnologiestoachievewaterlevelcontrolautomation.Nowmanyofournationalresearchershasbeenworkingontheboilerwaterlevelcontrolsystemwerestudied,butmostofthesestudiesareinthewateraswellaswaterinjectionpump,thewaterlevelintheboiler,orverylittle.Therefore,thestudyofboilerwaterlevelcontroltechnologyisparticularlymeaningful.
Themaincontentsofthisdesignisthroughthemicrocontrollerofboilerwaterlevelcontrolsystemdesign.Thisdesignisviewedabroadonthepremiseofboilerwaterlevelcontroldatacarriedoutbyresearchinternshipsandcollatingdata,completedtheopeningreport,foreignlanguagetranslationandotherpreliminaryinformation.Theoverallschemeofboilerwaterlevelcontrolsysteminthemechanicalstructuredesign,analysisanddeterminedthatoneoftheimportantpartsofthedetaileddesign,verificationandthelike;boilerwaterlevelcontrolsysteminthecontrolcircuitdesign;bycaddrawingtwo-dimensionalgraphicssoftwareacontrolsystemassemblydrawingsandcircuitdiagram;finallypreparedthepresentdesignoftheinstructions.
Bydesignwecanfind,controltechnologyThedesignoftheboilerwaterlevelcontrolsystemdesignisreasonable,practical,simplemechanicalstructure,andthemanufacturingcostisnothigh,sousealotinpractice.
Throughthisdesign,theuniversityistodeepentheunderstandingofknowledgeinpractice,carriedoutacomprehensivereview.
KeywordsBoiler;watercontrol;SCM;mechanicalstructure;design
目录
摘要I
AbstractII
目录III
1绪论5
1.1本课题研究的背景5
1.2国内外锅炉水位控制技术的研究现状5
1.2.1国内锅炉水位控制技术的研究现状5
1.2.2国外锅炉水位控制技术的研究现状6
1.3单片机的简介6
1.3.1单片机的定义6
1.3.2单片机的发展历程7
1.3.3单片机的应用领域7
1.4单片机实现锅炉水位控制的优点7
1.5本课题研究的目及意义8
1.6本课题解决的主要问题8
2总体方案的设计与确定9
2.1水位控制系统的主要功能9
2.2水位控制方案的确定10
2.3控制方案的框架结构12
2.4机械结构设计方案和控制参数的确定12
2.5锅炉型号及参数的确定13
2.6水泵选型的确定13
3机械结构的设计与计算13
4硬件电路设计16
4.1单片机STC89C52介绍16
4.1.1STC89C52单片机的外部引脚说明16
4.1.2STC89C52单片机的中断系统16
4.2芯片74LS164介绍17
4.2.174LS164的引脚图及引脚功能17
4.2.274LS164的内部功能图18
4.2.374LS164的真值表18
4.3模数转换器A/D080918
4.3.1ADC0809的逻辑结构18
4.3.2ADC0809的通道选择19
4.3.3ADC0809的引脚图及各引脚作用19
4.4温度传感器DS18B2020
4.5LED数码管显示20
4.5.1LED数码管显示器的结构20
4.5.2LED数码管显示器的显示段码21
4.5.3LED显示器的参数22
4.6系统硬件设计的总体方案及框图22
4.6.1系统硬件设计总体方案22
4.6.2系统设计的总体框图23
4.7键盘控制电路设计23
4.8复位电路设计24
4.9显示电路的设计24
4.9.1静态显示24
4.9.2动态显示24
4.9.3该设计中显示电路的选择24
4.10水位控制电路的设计25
4.10.1水位控制电路的工作原理及水位控制状态图25
4.10.2水位控制的控制电路25
4.10.3水位控制中的“虚假水位”26
4.11测温电路及温度传感器的选择27
4.11.1温度传感器的选择27
4.11.2温度检测电路28
5系统软件设计29
结论30
参考文献32
致谢33
1绪论
1.1本课题研究的背景
现在我们国家有很多的锅炉，使用的燃料是煤炭，我们国家现在又中型的锅炉再加上小型的锅炉一共有三十多万台，每一年，这些锅炉消耗煤炭的总产量的四分之一，所以由此我们可以看到，我们国家使用的这些工业锅炉消耗的能源还是很高，浪费很多，对环境的污染也是很大的。
早在第十个的五年计划里面，我们国家就将光机电一体化，节约能约，能约最大化的利用提到课题上面来，一定要尽快的研究生产出来一种新的控制装置，这种装置的自动化程度要高，消耗的能源要低，安全性能要好，对环境污染小，工人的劳动强度低，成本还不能高。
对于这种新型的控制装置，在对煤炭的使用上面，要能够节约嫩远达到百分之五以上，这种装置的成本可以再一年以内回收回来，采暖的锅炉成本可以再三年之内回收回来。
比方说中型，或者是小型的链条式的锅炉所使用的新型的控制设备。
所以，我们从市场前景上可以看到，这种控制装置的需要还是很大的。
通过单片机对锅炉进行控制，这个技术是最近这几年新研发出来的，这种技术结合了微电脑软件，硬件，自动控制，锅炉节能等等方面，原来我们工业上使用的锅炉在进行控制的时候使用的是微机控制还有仪表控制，在采用微机控制的时候，有下面几个方面的好处：
1、我们肉眼可以直接看到锅炉在工作时候的各项的参数，可以明确的了解锅炉实时的水位，压力，温度等等。
2、锅炉在工作的时候，我们也可以随时随地的进行参数的设置或者是改变已经设置好的参数，可以将锅炉里面的水压，温度都进行调整。
3、这个锅炉的控制系统设备，它是用来确保锅炉工作的安全性，稳定性，让锅炉对能源的消耗尽量的减少，可以让工人的劳动强度降低一些。
结合上面的这些好处，我们可以看出来，将来锅炉进行微电脑控制是必然的。
单片机就是在一个芯片上面装上了电脑所需要的CPU，内存，输入，输出等装置。
自从单片机被研制出来以后，它的性能还有结构都是在不停的完善的，它的体积很小，运行时候的速度很快，消耗的能量又是很低的，所以单片机现在使用的范围是很广的。
基于上述背景，我们对锅炉水位通过单片机控制是非常有意义的。
1.2国内外锅炉水位控制技术的研究现状
1.2.1国内锅炉水位控制技术的研究现状
现在我们国家在对单片机的研究，还有生产，对单片机的使用都有很大的进展，关于单片机的使用累积了很多的实际经验。
但在这个行业，仍处于发展期。
通过相关调查可以知道，在北方地区的高等学校还有科研单位里面，对单片机进行研究的时候，侧重点是在理论上面，研发出来很多的成果都是论文的形式，对于实际应用的开发还是很少的；在南方地区，比方说伤害，在对单片机进行研发的时候，侧重点是在单片机在实际里面的应用，他们对于理论的研究没有多少；在深圳这个地方，不管是高校还是科研单位，他们对单片机进行研发的时候，重要的就是实际，跟实际的生产没有关系的，他们根部不考虑，在深圳的科研人员在对单片机进行研发的时候，考虑的不是理论上的需要，也不是怎么计算，更不会去思考论文怎么写，他们考虑的是单片机的材料是什么，单片机在进行测量还是控制的是什么数据，好处是什么，还有单片机怎么跟机械装置进行连接。
到现在位置，我们国家进行锅炉的水位控制，方式大概有下面几类：
：
（1）将里面的模的控制计算的方法改变。
这个方法改变的地方就是，可以再ITAE这个性能指标的下面，将参数值确定下来，这个参数值确定下来之后再经过相应装置和控制器，将内模控制的计算方法改变了这样对锅炉的水位再去进行控制，实际的结果显示，这种方法在对锅炉进行控制的时候，效果是比较好的。
（2）模糊控制方法。
我们在运用这种控制方法的时候首先得把锅炉的模型做出来，再根据我们的设计理念再进行合理的设计，把锅炉水位的规律设计出来，我们只有经过一些的分析才能够使我们的误差到结束。
进行仿真的实验以后显示，这种控制方法的动态性能还有稳定的精确度都是很好的。
上面我们阐述的对于锅炉水位进行控制的方面，只是很多研究里面的一个小分支，我们国家还有国外的很多科研人员对于锅炉水位控制的研究还有很多。
1.2.2国外锅炉水位控制技术的研究现状
因为科学技术的发展，现在有很多种的微处理器，在国外一些发达国家，对锅炉的水位控制系统的研究也很多，发展的很快，有的国家在这个方面，已经在实际中累积了很多的经验，并且将这种控制系统带到了市场里面去。
我们国家的这种对于锅炉水位控制系统的装置现在还是在研究阶段，在实际的应用上面，跟发达国家的差距还是很大的，不过，我们国家的科研人员不怕困难，向前摸索，希望可以在有的领域上面可以跟国外的水平齐平，甚至希望可以超过发达国家。
1.3单片机的简介
1.3.1单片机的定义
单片机的设计的理念非常的先进，它不需要太复杂的结构，只需要一个简单的芯片。
不过，虽然在一块芯片上面有很多的集成功能板块，不过这个芯片的组成跟一个计算机的主要装置是一样的，都有CPU，有内存，还有内部还有外部的总线的系统，到现在为止，很多的单片机还是会有外存的。
而且还有通讯的接口，定时器，时钟等等这些部分。
目前，功能最齐全的单片机的系统可以有声音，图像，网络，还有输出输入系统，这些都是在同一块芯片上面的。
单片机，我们还可以把它叫做是微控制器，因为单片机最早的应用就是进行工业控制。
单片机最先开发的时候很小，芯片里面只有一个简单的CPU。
一开，对单片机设计的时候就是将很多电脑外围的装置还有CPU都装在一个芯片里面，这样计算机的系统就小很多，这样就可以将计算机安装进去系统复杂，但是对于体积的要求很高的控制装置里面去。
我们经常用的处理器,就是用这种理念反应出来的，从这里可以看出，单片机的发展已经开始朝不同的方向进行成长了。
单片机应用的范围非常的广，它的使用非常的方便，使我们计算中使用最多的。
在现代化的生活里面，基本上没一件电子产品或者是机械产品都要用到单片机，比方说，收集，计算机，家电，弯矩，甚至鼠标等等，这些里面至少要有一到两部的单片机。
在个人的电脑里面有很多的单片机，在汽车的上面通常都装了四十多部的单片机，在工业上使用的控制装置里面有的甚至会有几百部的单片机在进行工作，单片机现在使用的数量之多是非常惊人的。
1.3.2单片机的发展历程
单片机出现在1970年左右，它分了3个时间段发展，
。
SCM也就是单片机处在微型计算机的时候，那个时候主要是为了找到最好的嵌入到系统里面最佳的形式。
在创新模式成功了以后，这样就让SCM跟计算机走上了完全不一样的发展方向。
在这个嵌入式的系统进行发展的路上，英特尔公司起了至关重要的作用。
MCU即也就是单片机进入了微控制的时代，这个时代单片机的发展是要将嵌入的应用不停的扩展，单片机控制系统所需要的一些外围的电路还有接口电路，显示出来的是对控制对象进行智能化控制。
在这个阶段，它关系到的领域都跟他控制的这个系统是有关系的，所以，在这个时代，MCU主要是用在电气，电子行业上面。
从这个时候开始，英特尔就慢慢退出了这方面的发展。
在对MCU发展最有名的还是飞利浦，这家公司很快就将单片微型计算机发展到了微控制器上面。
单片机向着嵌入式的系统自己单独发展的导路上，是向着MCU发展的重要的一点，也就是要找到在芯片上面应用系统怎么才能最大化的解决。
所以这样，单片机的发展就向着SoC化趋势。
时代的大背景就是微电机的技术，IC的设计，还有各种开发软件工具的不断发展，所以SoC发展就会很快。
所以，我们要向对单片机充分掌握，只有从不同的方面进行分析，理解，最终得出结论。
1.3.3单片机的应用领域
单片机在实际的应用非常的多，在我们生活的各个方面都能应用到。
现在我们生活当中几乎都离不开单片机。
全自动洗衣机，轿车，智能卡片，电子玩具等等，这些都是单片机的应用。
更加不要说一些高科技的产业了。
1.4单片机实现锅炉水位控制的优点
通过单片机来控制锅炉的水位，好的地方是实用性很高，而且在控制的时候稳定性能也很好。
我们使用的传感器是高亮二极管还有光敏三极管，这样可以确保对水位进行自动控制，可以保证水不会受到污染，从而就可以更好的进行锅炉的自动化的控制了，在进行锅炉里面水的温度测量的时候，使用的是光电耦合器，这样可以对光还有电进行隔离，就不需要人工在现场进行测量了，不仅便于我们的工作人员对于锅炉里面水位的控制，而且在进行控制的时候很方便，整个系统也是很稳定的。
在对锅炉里面的压力进行测量还有控制，是通过压力传感器来进行的，不过，如果我们使用压电陶瓷传感器的话，这样整体的设计方案就会简单很多，整个系统的稳定性也就更好了；单片机的体积是很小的，进行安装的时候非常方便，控制的时候也是很方便的，功能还很多很全，性价比很高，而且一旦有什么问题出现，很容易就排查出来了，我们使用微机以后就可以对蒸汽还有给水系统进行自动化的控制还有调节，这样可以确保锅炉进行供气或者是供暖了，这样可以保证系统的稳定性，可以保证系统安全的工作。
1.5本课题研究的目及意义
由于人们对动力的要求越来越高了，我们需要更大功率的锅炉容量，所以需要我们不断的改进自己的设计，在对蒸汽锅炉进行控制的时候要求就更高了。
在这种大容量的锅炉进行操作的时候，锅炉里面的水位会直接关系到操作工人的安全。
水位太低了，锅炉就会干烧，水位太高了，锅炉里面的压力就会太大，容易出现危险，所以原来我们对锅炉里面的水位进行控制的时候，纯粹就是依靠人工，现在科技发展的很快，我们需要控制的项目还有产品越来越多，也是越来越复杂，单纯的人工控制已经没有办法适应实际的需要了。
为了对锅炉进行自动化的控制，再加上现在单片机发展的很快，自动控制系统发展的也是很快，所以通过单片机来控制锅炉的水位是一种发展的趋势了，单片机的体积很小，在进行安装的时候很方便，功能也是很强大的，而且性价比很高，如果有问题出现的时候，很容易就可以将问题排查出来，这样我们就可以通过微机对锅炉的燃烧，还有锅炉的给水系统进行控制还有调节了，这样就可以保证供气还有供水的正常了，系统就很稳定的进行工作了。
对锅炉的水位进行控制使用单片机，这样我们不仅可以知道锅炉的发展过程还有现在的状况。
因为现在对于控制时候的精确性还有对于环境的要求都是很高的，原来的控制方法已经没有办法实现了，所以，我们需要通过单片机来进行控制，比方说锅炉里面的水位，锅炉里面的压力等等。
我们在完成这次毕业论文的同时，还学到很多其他方面的知识。
1.6本课题解决的主要问题
2总体方案的设计与确定
根据任务书可知本次是对锅炉水位控制系统进行设计。
其设计思路为：
提出合适的控制方案并设计合理的控制电路。
然后在按照我们已经设计出来的控制电路，变频器还有传感器这些装置选好，然后安装好，最后接好线，这样我们整个控制系统的硬件就是设计好了。
硬件是设计好了，但是我们也需要看看软件，把需要的各个程序编好。
我们对整个锅炉水位控制系统进行设计要达到高的可靠性，还有高稳定性，还有高抗干扰性。
我们需要很好的控制好单片机的运转速度，这样我们水泵的工作效率才会提高，而且工作的时候很安全，这样就可以节约能约了。
2.1水位控制系统的主要功能
结论
毕业论文其实就是对我们大学四年所学知识的一次综合的运用。
在进行毕业设计的这段日子里面，我通过各种途径查阅有关的资料，这样让我进一步对锅炉有所了解。
熟悉了锅炉水位系统控制的设计过程和步骤，通过锅炉水位计算机控制系统的设计，巩固了前段时间所学的知识。
同时，对锅炉的结构设计和水位系统的设计计算，也提高了对将知识转化为动手计算的实践能力。
设计中首先了解了单片机的主要结构工作原理，为接下来以单片机为主导的设计做了良好的准备。
然后制订了总体的方案，其中包括水位控制方案，控制方案的框架结构，机械结构设计方案，控制参数锅炉型号和参数的确定以及水泵的确定。
接下来完成了机械结构的设计和计算，其中有主要零件的设计和计算，包括材料的确定，法兰盘的设计，公称直径公称压力的选择，垫片的选择还有密封设计。
接下来就是电路的设计，选用了STC89C52单片机，把其中断系统设计好，逻辑，还有通道选择确定好，并且确定了系统硬件设计的总体方案及框图，和温度检测等等。
在完成这次论文的过程里面，我不仅将这四年所学的知识又重新复习了一遍，而且还学习到了一些课外的知识。
到现在，我论文的这个内容已经有课很成熟的科研成果还有理论知识，所以现在我们对这个项目进行研究的目的就是为了让我们学习过的计算机控制，过程控制，还有单片机等等专业知识进一步了解还有掌握。
这么说吧，将毕业设计完成，我得到最大的感悟就是团结力量大，大家相互协作，才能将效益发挥到最大化。
我的本科就快要结束了，毕业论文是我给我的大学生活画上一个句号。
经过这次毕业论文，让我很多方面的能力提高了很多，特别是理论和实际结合的能力，还有遇到问题解决问题的能力。
致谢
参考文献
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