基于单片机的锅炉水位控制设计.docx

1、基于单片机的锅炉水位控制设计摘 要本文描述以单片机为基础，以MCS-2051单片机为核心设计利用水的导电性，使用电极作为水位敏感元件检测水位变化的系统，实现水位显示及报警等功能。实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含有一定的镁，钙等离子，它们的存在使水导电。检测技术是现代信息技术的基础和源头，也是人们认识和改造世界的一种必不可少的重要手段。从大的方面来讲，检测技术是对被测量进行检出，变换，分析，处理和控制的综合认识过程。利用单片机软硬件技术实现测量过程、数据处理及输出的自动化, 利用水的导电性大大提高了测量精度。系统采用MCS-51结构，然后在MCS-51结构

2、基础上，设计出具体的水位报警器系统结构。并对数据检测模块，数据处理模块和数据输出模块进行仔细的分析。在水位超过或低于正常水位时蜂鸣报警器会发出警报。MCS-2051 A boiler is a very important device using in the department of giving electricity. A the pedestal boiler wants can safe, dependable, effectively of movement, the movement parameter can arrive the design value, besides

3、 boiler oneself the difference between different from every kind only of machine outside must still request to automate gauge work normally with the design project of the automatic control system rightly, for boiequipments and its control request should adopt the homologous control project design.Th

4、is paper based on the single chip computer description, with MCS-2051 single-chip processor core design using the conductivity of the water, the use of electrode as water level detection of water sensitive components change system, realize water level display and alarm functions. Experiments show, p

5、ure water is almost nonconductive, but the nature of existence and Peoples Daily use of water will contain certain magnesium, calcium plasma, their existence is the water electricity. Detection is the foundation of the modern information technology and source, is also the understanding of and change

6、 the world a kind of indispensable important means. In a large extent, testing technique is to be measured for detection, transform, analysis, processing, and control of the comprehensive understanding process. Using single chip computer software and hardware technology to achieve the measurement pr

7、ocess, data processing and output of automation, use water conductivity greatly improve the measuring precision. System USES MCS-51 structure, and then in the MCS-51 based on structure, the design gives the specific level alarm system structure. And the data detection module, data processing module

8、and data output module careful analysis. In the water level or below the normal water level more than when the buzzer an alarm.Keywords: single chip microcomputer control Water level MCS-2051 alarm 第1章 绪论1.1课题的背景长期以来，对汽包水位认识深化缓慢的重要原因之一在于，汽包水位测量问题属于热控与锅炉两专业之间的边缘课题，理论深化研究与许多具体技术问题的解决必然涉及到两专业，而两专业相互合作较

9、差，影响了科研部门和高等院校的课题研究攻关。电厂、基建、设计院的专业习惯分工尤为分明，热控方提出需要解决的问题，由锅炉方负责解决，双方往往相互推委，以致有些问题长期不能解决。1.1.2 锅炉水位控制的背景水是生产、生活中必不可少的物质, 如对水塔、水箱及机舱水柜中水位的检测与控制显得十分重要, 它关系到生产、生活正常进行。对水位检测控制方法有很多, 按原理分常用的方法有继电器开关式、电容式、超声波式、压力传感器式。选用何种方法, 要根据系统的具体要求, 选择技术上可行, 最经济的方案。随着计算机技术、自动控制技术、信息技术的高速发展, 数字化、智能化产品开发应用日趋广泛。当今社会许多工业控制系

10、统，自然科学研究会需要对水位的监测。比如海洋环境监测开始，它是获取长期、连续的海洋环境资料的唯一途径。能够直接为沿海工程、港口建设、交通运输、海洋生物资源开发、海洋环境监测、湿地保护及近岸海洋开发提供研究、评价和作业必不可少的依据。又比如在工业锅炉控制系统中对水位的监测要求也是很高的，现今大多数电厂都采用工业锅炉采用微机控制，它可以直观而集中的显示锅炉各运行参数。能快速计算出机组在正常运行和启停过程中的有用数据，能在显示器上同时显示锅炉运行的水位、压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、燃煤量等数十个运行参量的瞬时值、累计值及给定值，并能按需要在锅炉的结构示意画面的相应位置上显示出参数值。因此，水

11、位传感器的研究对实际有很大的现实意义。基于对水位测量原理的研究和水位传感器的分析，在本水位测试系统中采用超声波水位传感器和单片机智能系统实现对水位的测量。在设计的过程中，首先对单片机、AD模数转换器、超声波传感器的工作原理进行研究，在此基础之上，对整个数据采集电路进行了设计，整个电路包括超声波传感器、信号输入电路、基准电压电路、看门狗电路和单片机和AD之间的接口五部分电路组成。然后根据整个电路的设计原理图，编制相应的数据采集程序，实现对水位的自动测量。该采集电路具有采集速度快、精度高和可靠性高等特点。1.2.国内外研究现状1.2.1国外研究现状 1.2.2国内研究现状 河北马头发电总厂8号炉和

12、江苏华能淮阴电厂2号炉都以电接点水位计为监视主表控制水位运行三四年后，实际测量汽包水迹中心线与锅炉厂规定的0水线的偏差，分别偏低23 mm、10 mm。表明质量水位已接近实际水位，用质量水位控制实际水位运行完全能达到锅炉厂的要求。19821985年度水利电力部系统发电锅事故统计分析水电部生产司钱祥鹏指出，4年锅炉启动升压过程中，蒸汽对汽包上壁放热系数比水对下壁放热系数大几倍，上壁温升快，温度高于下壁。停炉后汽包冷却时，上壁对蒸汽放热系数比下壁对水的放热系小，上壁温降慢，温度亦高于下壁。上下壁温差超限使汽包壁产生很大的附加热应力，加快寿命损耗。上下壁温差愈大，汽包变形愈大，而与汽包连接的很多管子

13、受安装约束不能自由变形，热应力易使管座焊缝产生裂纹。因此，近十年来一些大型锅炉在启动或停炉后为防止汽包壁温差超限，采取特别措施：有的锅炉高水位启动，水位甚至高出监视主表量程上限较多，以便尽量减少补水次数；在“四管”泄漏停炉或正常检修停炉后，为缩短停炉待检时间，将汽包上满水，降压快冷。这些措施的安全条件是，水不能进入过热器，需要量程上限在汽包之上的大量程水位计（也有称作满水水位计），以便上水操作和满水状态之监视。据资料报道，唐山陡河电厂200MW机组锅炉满水快冷，能使停炉后待检时间缩短1416小时，对于电力紧张的今天显然有明显的经济效益和社会效益。水位计的测量准确性、可靠性与稳定性是运行人员的信

14、任基础。在描述汽包水位时，教科书和一些文献使用了诸如“虚假水位”、“膨胀水位”、“冷缩水位”、“实际水位”等概念，这在火电厂热工测量参数中是绝无仅有的。使用这些概念无疑地加重了汽包水位神秘性，使那些和汽包水位打交道、又想了解它的人们望而却步。以致很多人，其中包括一些热工和锅炉运行人员，仅知道严重的汽包水位事故会损坏锅炉或汽轮机，而对汽包水位参数缺乏进一步了解。尽管大型汽包锅炉运行已有很多年历史，但在汽包水位基本理论、测量监控技术、水位运行研究等方面，“不清楚”之处甚多，仍然有很多问题有很好解决，这在火电厂热工测量参数中也是绝无仅有的。对于锅炉汽包水位计，我国相关规程、规定在近十年来屡屡进行修改

15、，表明原有关条款确有“说不清道不明”、“难以执行”的不切实际之处，甚至有明显错误。国家级规定尚且如此，足见汽包水位的确是最令人难以捉摸的、甚至是令人烦恼的参数。实际水位就是汽水模糊层湿度沿高度变化曲线的拐点面。它是客观存在的，不是假想的。利用水和水蒸气对射线的吸收率不同可以寻找汽水混合层湿度变化率最大部位，也可以测量实际水位。不过，射线水位计会逸散射线，影响人体健康，人们对射线水位计有恐惧感，又因为必须在锅炉压力、负荷和水位稳定时才能准确测量，一些电厂安装这种水位计后只好拆掉。本系统使用一台主机和多台分机，主机发送的信息可被各分机接收，而各分机发送的信息只能被主机接收，分机与分机之间不能互相直

16、接通信。系统分机采用8031单片机，工作于串口方式3，利用SCON串行接口控制寄存器的SM2位控制多机通信的实现。处于接收状态时，若SM21且接收到的第九位数据为0时，则不能激活接收中断标志RI，接收数据无效；若SM2=1且接收到的第9位数据为1时，则RI不仅被激活而且可以向CPU请求中断，接收数据才有效。当主机想发命令给某一个分机时，首先发出需要通信的分机的地址信号，通过串口通信线路传输至所有分机，地址相符的分机收到主机呼叫信号后应答。向主机返回本机地址核对，核对无误后，被寻址的从机的SM2位清零，其余从机的SM2位不变。主机开始向被寻址从机发送命令，通知从机是接收数据还是发送数据。由于数据

17、帧的TB8=0,且未被寻址的从机的SM2=1,则只有被寻址从机满足接收条件，接收主机命令，开始主从机之间的数据通信。当主机改为与其他从机通信时，可再发地址帧寻址从机，原先被寻址的从机其SM2位恢复为1，不能接收主机的数据帧。主程序流程,采用人性化设计,用户不必作任何操作,智能运行。本智能仪有三种上水方法:缺水上水、温控上水和手动上水,前两种在主程序中实现。初次安装投入使用或停水后突然来水,水箱缺水,若温度低于100,打开电磁阀上水至设置水位(初始预置水位50% ) ;若温度高于100,不上水,防止空晒后上水而炸管。太阳晒后,当水温上升,温度超过60 且水未满时,打开电磁阀上水至50 。晚上,

18、若热水已用完,延时15 分,进行缺水上水;若热水未用完,不上水,以保证热水充分利用。第二天太阳出来后,利用温控上水。在上水过程中,水压过低或停水, 智能仪会自动进入低水压上水模式:低水压声光报警, 间隔30 分钟启动上水,若30 分钟内不能使水位上升一档,则停止30 分钟,然后再启动,反复循环,以免电磁阀长时间通电而烧毁。在主程序中, 15 分钟和30 分钟的延时,通过多次调用显示子程序来实现;检测低水压循环上水时,也调用显示子程序;所以智能仪在自动上水的同时, 也实时显示水温和水位。第2章 锅炉水位控制的设计系统采用MCS-2051结构，然后在MCS-MCS-2051结构基础上，设计出具体的

19、水位报警器系统结构。并对数据检测模块，数据处理模块和数据输出模块进行仔细的分析。2.1水位测量方法概述2.1.1 水位测量方案概述 水位测量方式很多，一般可分为：(1)电容式；(2) 超声波式；(3)式；(4)式。其原理分别为：压力传感器安装于水箱的底部, 根据流体的性质, 传感器检测的压力大小只与水箱中水位的高度成正比, 而与水箱的截面积无关。防爆型、防腐型压力传感器可检测易燃性液体、腐蚀性液体液位。用压力传感器检测船舶机舱内液柜的液位, 可减少船舶摇摆带来的误差。压力传感器与智能数字仪表或计算机系统组成的控制系统可精确控制液位的高度, 并适时地显示打印各测点液位数值。这是当今技术发展的潮流

20、, 也是自动化工厂采取的方案4。2.1.2水位测量方案原理 本文选择了设计基于单片机，利用水的导电性，使用电极作为水位敏感元件检测水位变化的系统，实现水位显示及报警等功能。在水位超过或低于正常水位时蜂鸣报警器会发出警报。单片机根据不同的输入发出不同的响应。用户通过键盘控制可以选择上水的方式和加水位置；实际的水位通过水位测量电路进入单片机，单片机对其进行分析判断，决定下一步该发出什么命令给其它电路。电极5 +12V 图2.1 水位测量显示图如图2.1所示，如果经过低于正常水位的话，就发出命令给执行电路，进行加水。正常状态时再不显示电路中显示水位。当缺水时(处于缺水档)，单片机响应报警电路。2.1

21、.3水位检测显示系统水位测试系统与单片机的并行I0口、电阻、电源及LED发光二极管共同组成水位检测显示系统，如图1.1所示。电极K1、K2和K3的另一端分别与单片机的并行IC口P11、P12和P13相连，而对应的lO口则通过电阻串LED接电源的正极。当水位达到水满位置时，此时通过水的导电，电极开关K1、K2和K3都导通，相应Pl口接地置低，3个发光二极管都点亮；当水位达到正常水位时，K2和K3导通，而K1断开，相应P12和P13置低，2个二极管点亮;当水位达到缺水位置时，此时只有K3导通，对应只有IJFD3被点亮。通过二极管灯点亮个数的显示，在现场给水池注水时，就能很清楚的知道水位的状况，这样

22、就能够正确的注水了。图1.1 水位检测显示系统2.2主控方法的选择2.2.1使用单片机实现锅炉液位控制的优点锅炉微机控制,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

23、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。 2.2.2 单片机的选取 如图2.2所示为MCS-51图2.2 8051单片机框图它包括了下列几个部件:(1)一个8位中央处理器CPU；(2)一个片内振荡器和时序电路；(3)4KB程序存储器ROM；(4)128字节数据存储器RAM；(5)两个16位可编程的定时器/计数器；(6) 1个可编程的全双工串行口；(7) 4个8位可编程并行I/O端口,即P0口,P1口P2口,P3口；(8)64KB片外程存

24、储器ROM和64KB片外数据存储器RAM的扩展控制电路；(9)两个优先级嵌套中断结构,5个中断源.以上各部分通过内部总线相连接。8051系列微处理器采用基于简化的嵌入式控制系统结构，被广泛应用于从军事到自动控制再到PC 机的各种应用系统上。51系列单片机最大的优势在于低廉的价格。但随着各种控制及应用程序的发展，它的一个先天缺陷非常明显地暴露了出来。那就是它的寻址空间只有64kB，这是它的指令集决定的。MCS-2051适合于家用电器控制，分布式测控网络，I/O量不足不是很大的应用系统。MCS-2051在内部I/O控制上继承了MCS51的特性：5路2级优待中断，串等口，2路定时器/计数器对于一些不

25、大复杂的控制电路我们就可以增加少量元件来实现，例如，对温度的控制，过压的控制等。本文之所以使用了MCS-2051单片机，是因为本文只是简单的测量水位的几个状态,不需要太复杂的单片机。 第3章 系统结构原理3.1水位测量控制的系统结构概述 设计基于单片机，利用水的导电性，使用电极作为水位敏感元件检测水位变化的系统，实现水位显示及报警等功能。在水位超过或低于正常水位时蜂鸣报警器会发出警报。检测探头系在一根均匀的金属导线上，导线的另一端连接到检测电路。平时探头处于测位管管口的部位，检测电路输出一低电平信号，需检测水位时，单片机控制电路扫描水位的情况。当水面下降接触到探头时，检测电路输出的低电平变为高

26、电平，单片机检测到电路的输出变为高电平时，控制报警电路使蜂鸣器发出响应。然后控制复位电路使单片机复位，一次检测工作完毕。检测水位完成后，通过串行接口将检测的水位数据发送回主机。如图3.1所示。如图3.2可以看出,水位传感器是在一根探棒上等间隔布置5 个电极,电极与一个电阻网络(R6R9) 相连,它们一起构成分压电路,设计时要恰当地选择这些电阻的阻值,使得探棒悬空时有一个恰当的电压值。探棒深入水中时,每淹没一个电极,由于水电阻的作用, 的电压值都会发生变化。不同的电压值代表了被水淹没的不同的电极。R3、R4 将其转换为适于单片机MCS-2051工作的电压值,该电压代表了水位的高低。把它接入MCS

27、-2051 的P1.6。3. 4. 5点如同2点一样，它们分别与P1.7，P1.4 P1.5 相连。它们代表了：2点 超高3点高水位传感器按如图3.1所示的过程来执行操作。3.2 主控制器的特性 它有以下一些特点:2. 76V 工作电压范围;1k (或2k) 字节可编程闪烁存储器,编程次数可达1000 次, 同时数据可保存10 年以上;64 8 (AT89CMCS-2051 为128 8) 字节SRAM ;15 个可编程I/ O 口线; 1 个16 位定时器/ 计数器(AT89CMCS-2051 为2 个) ;I/ O 口线可直接驱动LED 显示器;与MCS - 51 产品完全兼容;全静态操作

28、,工作频率为024MHz ;两级程序加密防盗;片内含一模拟比较器;具有空闲和掉电工作模式;三个(AT89CMCS-2051 为五个) 中断源,二级中断优先级;全双工串行口( 只有AT89CMCS-2051 具有) , 内部结构管脚图框图如图2.1 所示, 主要由算术逻辑运算单元(ALU) 、各种寄存器单元、端口锁存器及驱动器和闪烁存储器等组成。各引脚功能为:(1) RST :复位端,高电平复位,复位后所有I/ O 口均为高电平,除SP 为07 外,其余寄存器均清零。(2) XATL1 , XTAL2 : 分别为片内振荡器中反相放大器的输入和输出端, 接晶体振荡器和陶瓷振荡器均可以, 连接方式如

29、图2.2 所示。采用晶体振荡器时, C1 , C2 值可选用30p F 10p F ,采用陶瓷振荡器时, C1 , C2 值可选用40p F 10p F。当外接时钟信号时,可直接连至XTAL1 端,并将XTAL2 悬空。(3) P1 口: 8 位双向I/ O 口, P1. 2P1. 7 均有内部上拉电阻, 而P1. 0、P1. 1 因具有第二功能,分别作为片内精密比较器的同相、反相输入端, 内部没有上拉电阻。P1 在闪烁存储器编程、校验时,接收和输出数据用。(4) P3 口: P3. 0P3. 5 和P3. 7 是7 位双向I/ O 口, 均有内部上拉电阻,同P1 口一样, 能提供20mA 的

30、驱动吸收电流。P3. 6 口为内部比较器的输出端, 没有硬件输出引线, 其中P3. 0P3. 5 还具有第二功能,如表1 所示。P3口在闪烁存储器编程和校验时主要作控制信号用。为了增加对模拟量的输入功能，MCS-2051在内部构造了一个模拟信号比较器，其输入端连到P1.0和P1.1口，比较结果存入P3.6对应寄存器，（P3.6在MCS-2051外部无引脚），原理见上图。3.3 水位测量电路 水位测量电路图如图3.4所示的是利用水的导电性, 设置上限位、下限位电极, 当水位浸没上限位电极, 上、下电极导通而引起继电器动作，电压为正，所以为高电平；当水位浸没上上限位电极时，电位如上；当水位低于下限

31、位电极时，上、下电极不导通而引起继电器动作，电压为负，所以为低电平；当水位低于下限位电极时，电位如上。3.4 水位状态的显示 水位状态显示图如上图3.5所示，当水位浸没上限位电极, 电位为高电平，二极管L2亮；当水位浸没上上限位电极时，电位为超高电平，二极管L1亮；当水位低于下限位电极时，电位为低电平，二极管L4亮；当水位低于下下限位电极时，电位为超低电平，二极管L5亮；当水位处于正常水位时，二极管L3亮。 3.4.1 LED的选择LED显示器是单片机应用系统中常用的廉价输出设备。它是由若干个发光二极管组成的，发光二极管导通时，相应一个笔划发光，控制某几段发光二极管导通，就能显示某个数码或字符

32、。LED显示有动态显示和静态显示之分。在静态显示系统中，每位显示器都应该有各自的锁存器，译码器与驱动器，用以琐存各自待显示数字的BCD码或字段码。因此，静态显示系统在每一位显示输出后能够保持显示不变仅在待显示数字需要修改时，才更新其数字显示器中琐存的容内容。这种显示占用CPU的时间少，显示稳定可靠。缺点是，当显示的位数较多时，占用的I/O较多。在动态显示系统中CPU需定时地对每位LED显示器进行扫描，每位LED显示器分时轮流工作，每次只能使一位LED显示，但由于人的视觉暂留现象，仍感觉所有的LED显示器都在同时显示。这种显示的优点是使用硬件少，占用I/O口少。缺点是占用CPU的时间长，只要不执行显示程序，就立刻停止显示。之所以选用89CMCS-2051单片机设计了LED显示器，是因为在嵌入式计算机系统设计中,经常要考虑键盘显示装置的设置问题。尽管有多种方案可以满足键盘显示的要求,但是这些方案