【正文】 機所需的CPU、存儲器、輸入、輸出等部件。單片機自問世以來,性能不斷提高和完善,體積小、速度快、功耗低的特點使它的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。一般,工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境差,干擾強,利用單片機控制就能克服這些缺點,因此單片機在控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,使用單片機控制鍋爐是很好的選擇。 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀目前我國在單片機測控裝置研究、生產(chǎn)、應(yīng)用中,取得了很大的成績,總結(jié)了很多經(jīng)驗,但是各行業(yè)仍處于發(fā)展期,經(jīng)調(diào)查,更多科研究所在這方面開展的工作更看重的是理論和算法,數(shù)年來這方面的研究的論文較多,著重生產(chǎn)實際的很少。在上海,新型的單片機測控裝置與系統(tǒng)研究的生產(chǎn)基礎(chǔ)較雄厚,在生產(chǎn)過程中需要新型的測控裝置與系統(tǒng),因此在不斷的努力研究與開發(fā)。上海的工程技術(shù)研究人員更著重的是生產(chǎn)實際研究,對理論、算法和成果的論文較少。深圳在研制新型的測控裝置與系統(tǒng)領(lǐng)域也比較有成就,盡管與其他國家比較尚有差距,但是,深圳的高校、研究院所的最大的特點就是實際,與生產(chǎn)實際應(yīng)用項目無關(guān)的問題基本不去考慮,主要考慮選取什么材料,測控什么物理量,優(yōu)點是什么,與機器設(shè)備的通訊接口等等。一些發(fā)達國家在單片機新型系統(tǒng)研究、制造和應(yīng)用上,已積累了很多經(jīng)驗,奠定了基礎(chǔ),進入了國際市場。我國在新型測控裝置與系統(tǒng)研究、制造、應(yīng)用和經(jīng)驗上,與其他發(fā)達國家相比還存在差距,但是我國的研究人員已經(jīng)克服很多困難,并在不斷的摸索中前進,有望在相關(guān)領(lǐng)域趕上甚至超過發(fā)達國家的技術(shù)水平,這是發(fā)展趨勢。 使用單片機實現(xiàn)鍋爐液位控制的優(yōu)點使用單片機實現(xiàn)鍋爐液位控制具有較高的實用價值和穩(wěn)定性好等特點。采用高亮二極管和光敏三級管所組成的液位傳感器測量水位，可有效保證水位的自動控制，保證水質(zhì)無污染，能更好地對鍋爐進行自動化控制,測量溫度時采取光電耦合器,實現(xiàn)光電隔離,避免了工作人員在現(xiàn)場進行檢測操控,方便了人員對液位系統(tǒng)的控制,控制方便且系統(tǒng)穩(wěn)定性能好；采用壓力傳感器對壓力進行測控，采取壓電陶瓷傳感器,可大大簡化設(shè)計方案，系統(tǒng)性能也更穩(wěn)定；單片機不僅有體積小，安裝方便，功能較齊全等優(yōu)點，而且有很高的性價比，應(yīng)用前景廣，同時有助于發(fā)現(xiàn)可能存在的故障，通過微機實現(xiàn)蒸汽與給水系統(tǒng)的自動控制與調(diào)節(jié)，將保證鍋爐正常供氣供暖，維持穩(wěn)定系統(tǒng)，保證安全經(jīng)濟運行。本文就是采用8051單片機為核心芯片的一種鍋爐控制系統(tǒng)，具有較高的實用價值和優(yōu)越性。本系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)相比大大降低了使用成本,提高了控制運行速度。根據(jù)仿真模擬運行的結(jié)果表明,該系統(tǒng)能很好的克服“假水位”現(xiàn)象,將鍋爐汽包液位控制在給定的范圍內(nèi),對壓力不足和壓力過大進行安全報警,穩(wěn)定性能好,容易操作和控制,保證了生產(chǎn)的正常進行。 研究方案及預(yù)期結(jié)果本設(shè)計是采用8051單片機為核心芯片,及其相關(guān)硬件來實現(xiàn)的鍋爐液位控制系統(tǒng),在用液位傳感器測液位的同時,又用光電式隔離器和壓力傳感器對鍋爐的溫度和壓力進行檢測，CPU循環(huán)檢測傳感器輸出狀態(tài),并用3位七段LED顯示示液位高度,檢測液位、溫度和壓力等數(shù)據(jù),實施報警安全提示,當鍋爐液位低于用戶設(shè)定的值時,系統(tǒng)自動打開泵上水,當水位到達設(shè)定值時,系統(tǒng)自動關(guān)閉水泵。 系統(tǒng)硬件總體方案系統(tǒng)的原理是采用高亮二極管和光敏三級管所組成的液位傳感器對液面進行控制,通過四對傳感器分別安裝在鍋爐內(nèi)四個不同的位置，由上至下測量鍋爐液位值,。并把這四個液位狀態(tài)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809傳到單片機中,在通過3位七段LED顯示器顯示出液位的四種狀態(tài)及報警安全提示。用LED顯示是因為它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、光電轉(zhuǎn)換效能高、壽命長等特點，根據(jù)當前的液位值和用戶設(shè)定的水位決定是否進行開、關(guān)水泵,需要是否開啟和關(guān)閉驅(qū)動閥門的電動機。本設(shè)計運用了多種傳感器,在使用液位傳感器測液位的同時,我還選用了光電式傳感器和壓電式傳感器來對鍋爐的溫度和壓力進行測量,因為我們所提到的鍋爐常用于供暖,所以溫度的檢測很重要,至于選用壓力傳感器主要是出于安全考慮的,壓力過大有可能對鍋爐造成損害甚至造成爆炸,壓力過低會導(dǎo)致鍋爐控制系統(tǒng)無法正常運行。所以我在第三章著重介紹了這3種傳感器。 軟件總體方案水位檢測是通過四對高亮二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器分別安裝在四個不同的位置，、實時對鍋爐里的水位進行檢測。當水位到達某一光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出高電平；當水位低于此光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出低電平。由上至下的第一個位置為水位上限報警線，即當水位高于此位置時，開水閥控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個位置是自動停止加水線，即當水位高于此位置時，控制系統(tǒng)會自動關(guān)閉加水電磁閥，停止加水；第三個位置是自動加水線，即當水位低于此位置時，控制系統(tǒng)會自動接通加水電磁閥，開水加水；第四個位置是水位下限報警線，即當水位低于此位置時，開水房控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。本系統(tǒng)所使用的傳感器性能穩(wěn)定,測量準確,大大簡化現(xiàn)場安裝,具有較高的性價比,有較大的工程應(yīng)用價值,而且利用計算機與組態(tài)軟件技術(shù)對鍋爐生產(chǎn)過程進行自動控制有著重要的意義。其優(yōu)越性主要在于：首先，通過對鍋爐燃燒過程進行有效控制，使燃燒在充分的情況下進行，可以提高燃燒效率。由于工業(yè)鍋爐耗煤量大，燃燒熱效率每提高1％都會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。其次，鍋爐控制過程的自動化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機界面，操作人員在監(jiān)控計算機上能根據(jù)控制效果及時修正運行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實時性、安全性。隨著計算機控制技術(shù)應(yīng)用的普及、可靠性的提高及價格的下降，工業(yè)鍋爐的微機控制必將得到更加廣泛的應(yīng)用。 設(shè)計的研究進程 本設(shè)計第二章對系統(tǒng)進行硬件分析,主要介紹了本設(shè)計所使用的核心芯片8051,重要對其端口進行介紹,介紹其功能與用途,還介紹了液位傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換ADC080執(zhí)行設(shè)備、LED顯示和報警裝置,介紹了他們的原理、結(jié)構(gòu)和電路連接。第三章我著重介紹了本設(shè)計所使用的傳感器,因為傳感器的性能在整個系統(tǒng)中起著非常重要的作用,尤其對檢測精確度起著重要的作用,在其中我重點介紹了液位傳感器,光電式傳感器和壓電式傳感器。第四章我介紹了整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計鍋爐自動控制包括對鍋爐的液位，壓力，溫度等的控制，本系統(tǒng)只側(cè)重于介紹鍋爐的液位控制。液位控制是利用由高亮二級管和光敏三級管所組成的液位傳感器把液位的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成模擬信號,再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809把輸出狀態(tài)直接接到單片機的I/O接口，單片機經(jīng)過運算控制，輸出數(shù)字信號，輸出接口接LED進行顯示,實現(xiàn)液位報警和鍵盤顯示與控制；其壓力控制是通過壓電傳感器將接受的信號轉(zhuǎn)變成電信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC0809進行轉(zhuǎn)換后與8051單片機接口相連，使其與設(shè)定值相比較從而實現(xiàn)壓力報警和控制。其溫度檢測選用的是光電隔離器,實行光電隔離,有利于人員對溫度的檢測,再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809進行轉(zhuǎn)換后與8051單片機接口相連，使其與設(shè)定值相比較從而實現(xiàn)溫度報警； 而本設(shè)計主要是對液位進行控制,下圖是鍋爐液位控制系統(tǒng)。CPULED顯示傳感器報警裝置控制執(zhí)行裝置圖21 基于單片機的鍋爐液位控制系統(tǒng)Fit 21 singler chipbased boiler contorls systerm block plan 由上圖可觀察到傳感器通過對液面、溫度和壓力進行測量，輸出模擬信號，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過8051單片機的運算控制，在通過LED進行顯示,通過報警裝置進行報警,報警顯示之后再通過對閥門的開啟實現(xiàn)對鍋爐的液位進行調(diào)節(jié)控制,閥門的驅(qū)動設(shè)備是電動機。 核心芯片8051單片機計算機芯片MCS51是一個電腦晶片,英特爾公司生產(chǎn)系列。它是在MCS48系列的基礎(chǔ)上發(fā)展的高性能的8位單片機。所出的系列產(chǎn)品有8058038751。其代表就是8051。其他系列的單片機都以它為核心,所以本設(shè)計采用的核心芯片是8051單片機。CPU是它的核心設(shè)備,從功能上看,CPU包括兩個部分:運算器和控制器,它執(zhí)行對輸入信號的分析和處理。整個系統(tǒng)電控部分以ATMEL公司的8051為核心芯片，控制信號采集、處理、輸出三個過程。這種芯片內(nèi)置4KEPROM，因為系統(tǒng)要求控制線較多，如果采用8031外置EPROM程序控制結(jié)構(gòu)，則造成控制線不夠；而8051卻可以利用P0、P2口作控制總線，大大簡化了硬件結(jié)構(gòu)，并可以直接控制鍵盤參數(shù)輸入、LED數(shù)據(jù)顯示，方便現(xiàn)場調(diào)試和維護，使整個系統(tǒng)的通用性和智能化得到了很大的提高。系統(tǒng)的原理是采用液位式傳感器測量鍋爐液位值,通過單片機的轉(zhuǎn)換與分析在LED上顯示及輸出控制。根據(jù)當前的液位值和用戶設(shè)定的水位決定是否進行開關(guān)水泵,以及是否到達危險高、低水位,需要關(guān)閉閥門。圖22 8051引腳圖 Fit 22 diagram of 8051 pins上圖是8051的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi)EPROM抄寫程序時，接+5V電源。Pin19:時鐘XTAL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。Pin18:時鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。8051的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(212MHz)和振蕩電容,振蕩電容的值一般取10p30p。另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入。本設(shè)計采用外部時鐘電路，外接晶振和電容組成振蕩器。 輸入輸出(I/O)引腳：，,。在對單片機設(shè)計中，P0口作為程序存儲器擴展口，且是擴展并行輸入/輸出接口的接口，另外也作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸口,P2口為程序存儲器擴展口的高八位地址總線口，P1口為輸入/輸出口。Pin9:RESET/Vpd復(fù)位信號復(fù)用腳，當8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H， P0P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0R7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)如下表21 寄存器初始狀態(tài)Chart 21 register’s original state 特殊功能寄存器初始態(tài)特殊功能寄存器初始態(tài)ACCPSW07HDPLIPIETMODSCONP0P300H00H00H00Hxxx00000B0x00000B00HxxxxxxxxB1111111BBSPTH0TL0TH1TL1TCONSBUFPCON00H07H00H00H00H00H00H00H0xxxxxxxB8051的復(fù)位方式可以是自動復(fù)位，也可以是手動復(fù)位，見圖23。此外，RESET/Vpd還是一復(fù)用腳，Vcc掉電期間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失,此設(shè)計采用自動復(fù)位電路。圖23 復(fù)位電路Fit 23 reset circuitPin30:ALE/當訪問外部程序器時，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲器時，ALE端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當作一個時鐘向外輸出。更有一個特點，當訪問外部程序存儲器，ALE會跳過一個脈沖。如果單片機是EPROM，在編程其間,prog將用于輸入編程脈沖。Pin29:當訪問外部程序存儲器時,此腳輸出負脈沖選通信號，PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。在編程時，EA/Vpp腳還需加上21V的編程電壓。 液位傳感器設(shè)計在鍋爐液位控制系統(tǒng)中,傳感器的選擇是非常重要的,傳感器是能感受規(guī)定的被測量,并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置,它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成,它的性能直接影響到整個檢測系統(tǒng),對檢測精確度起著重要的作用。傳感器的種類很多,有溫度傳感器,加速度傳感器,光學(xué)傳感器,壓力傳感器的,本設(shè)計主要采用的是由高亮二級管和光敏三級管所組成的液位傳感器來對液位進行控制，又用光電式傳感器和壓電式傳感器來對溫度和壓力進行檢測,在把檢測的電信號輸入到單片機進行分析,這個設(shè)計的重點是液位的控制,所以下面我要對液位傳感器進行設(shè)計。我采用的是四對高亮二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器，這種液位傳感器如下圖圖24 液位傳感器Fit 24 level transducer由圖24可知，液位傳感器的主要元件是高亮二極管和光敏三極管,它們都屬于光電元件,光電元件主要采用的是光電效應(yīng),光電效應(yīng)分外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng), 光電效應(yīng)的原理是PN結(jié)加反向電壓時，反向電流的大小取決于P區(qū)和N區(qū)中少數(shù)載流子的濃度，無光照時P區(qū)中少數(shù)載流子(電子)和N區(qū)中的少數(shù)載流子(空穴)都很少，因此反向電流很小。但是當光照PN結(jié)時，只要光子能量h大于材料的禁帶寬度，就會在PN結(jié)及其附近產(chǎn)生光生電子、空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子濃度大大增加，它們在外加反向電壓和PN結(jié)內(nèi)電場作用下定向運動，分別在兩個方向上渡越PN結(jié)，使反向電流明顯增大。如果入射光的照度變化，光生電子,空穴對的濃度將相應(yīng)變動，通過外電路的光電流強度也會隨之變動，光電效應(yīng)的原理就是光電二極管的原理,光敏二極管就把光信號轉(zhuǎn)換成了電信號,它是最簡單的光學(xué)元件。 圖25 a 光敏三極管的結(jié)構(gòu)示意圖 圖25 b基本電路Fit 28 a photosens