【正文】 范圍內(nèi)，當水位超過上限或下限時，能及時報警并采取相應措施。設計方案是以蒸汽流量為前饋信號，給水量為控制的反饋信號，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后送入單片機，經(jīng)單片機分析計算后輸出控制信號，通過控制給水流量來控制鍋爐水位，使鍋爐水位維持在正常的范圍內(nèi)。同時系統(tǒng)對溫度和壓力信號進行采集和分析，可對超標量的進行報警，同時具有鍵盤、顯示電路和看門狗電路。如圖22所示 圖22 設計方案框圖3 硬件設計 最小系統(tǒng)設計 單片機選擇 單片機就是在一塊半導體硅片上集成了微處理器（CPU），存儲器和各種輸入，輸出接口，這樣一塊集成電路芯片具有一臺計算機的屬性，因而被稱為單片機微型機算機，簡稱單片機。MCS是Intel公司生產(chǎn)的單片機的系列符號，例如Intel公司的MCS4MCS5MCCS96系列單片機。MCS51系列單片機包括三個基本型8031，8051，8751。MCS51由如下幾個功能部件組成：（1）微處理器（2）數(shù)據(jù)存儲器（3）程序存儲器（4）4個8位并行I/O口（5）一個串行口（6）2個16位定時器/計數(shù)器（7）中斷系統(tǒng)（8）特殊功能寄存器。MCS51單片機的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強等特點，特別值得一提的是MCS51CPU中的位處理器，它實際上是一個完整的1位微機算機。這個1位計算機有自己的CPU，位寄存器，I/O口和指令集。1位機在開關(guān)決策，邏輯電路仿真，工業(yè)控制方面非常有效：而8位機在數(shù)據(jù)采集，運算處理方面有明顯的長處。MCS51單片機中8位機和1位機的硬件資源復合在一起，二者相輔相成，它是計算機的技術(shù)上的一個突破，本設計采用89C51單片機。89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。89C51其主要特性為（1）與MCS51 兼容（2）4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 （3）壽命：1000寫/擦循環(huán)（4）數(shù)據(jù)保留時間：10年（5）全靜態(tài)工作：0Hz24Hz（6）三級程序存儲器鎖定（7）128*8位內(nèi)部RAM（8）32可編程I/O線（9）兩個16位定時器/計數(shù)器（10）5個中斷源 （11）可編程串行通道（12）低功耗的閑置和掉電模式（13）片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 。引腳圖如圖31所示 圖31 89C51引腳圖引腳說明：電源引腳: Vcc（40腳）：典型值＋5V Vss（20腳）：接低電平外部晶振: XX2分別與晶體兩端相連接。當采用外部時鐘信號時，X2接振蕩信號， X1接地 輸入輸出口引腳: P0口：I/O雙向口。作輸入口時，應先軟件置“ 1”。 P1口：I/O雙向口。作輸入口時，應先軟件置“ 1”。 P2口：I/O雙向口。作輸入口時，應先軟件置“ 1”. P3口：I/O雙向口。作輸入口時，應先軟件置“ 1”?？刂埔_：RST/Vpd、ALE/PROG、PSEN、EA/Vpp組成了MSC51的控制總線。 RST/Vpd（9腳）：復位信號輸入端（高電平有效）。 第二功能：加+5V備用電源，可以實現(xiàn)掉電保護RAM信息不丟失。ALE/PROG(30腳）：地址鎖存信號輸出端。第二功能：編程脈沖輸入。PSEN（29腳）：外部程序存儲器讀選通信號EA/Vpp(31腳）：外部程序存儲器使能端。第二功能：編程電壓輸入端（+21V）。[2] 復位電路設計 MCS51的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。復位引腳RST通過一個施密特觸發(fā)器與復位電路連接，施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2，施密特觸發(fā)器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復位操作所需要的信號。 復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種形式。 上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。當電源接通時只要Vcc的上升時間不超過1ms,就可以實現(xiàn)自動上電復位，當時鐘頻率選用6MHz時，C取22F時，R取1K歐姆。 除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過RST端經(jīng)電阻與電源接通實現(xiàn)。[2] 時鐘電路選擇MCS51單片機各功能部件的運行都是以時鐘控制信號為基準，有條不紊的一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性，常用的時鐘電路設計有兩種方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另外一種為外部時鐘方式。（1）內(nèi)部時鐘方式MCS51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反向放大器的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個引腳跨接晶振和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個自激振蕩器。（2）外部時鐘方式外部時鐘方式是使用外部振蕩脈沖信號，常用于多片MCS51單片機同時工作，以便于多片單片機之間的同步，一般低于12MHz的方波。本設計采用內(nèi)部時鐘方式。如圖32。 圖32 內(nèi)部時鐘電路電路中的電容C1和C2典型值通常取為30pF左右。對外接電容的值雖然沒有嚴格要求，但電容的大小會影響振蕩器頻率的高低，振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性，~12MHZ。晶振的頻率越高，單片機的運行速度也越快。[2] “看門狗”電路MCS51的PC受到干擾而失控，引起程序亂飛，可能會使程序陷入死循環(huán)。指令和軟件陷阱技術(shù)不能使失控的程序擺脫死循環(huán)的困境，這時系統(tǒng)將完全癱瘓。如果操作人員在場，可按下人工復位按鈕強制系統(tǒng)復位。但操作人員不能一直監(jiān)視著系統(tǒng)，即使監(jiān)視系統(tǒng)，也往往引起不良后果后才復位，這就得采用“看門狗”技術(shù)來解決這一問題?！翱撮T狗”技術(shù)就是使用一個計數(shù)器來不斷計數(shù)，監(jiān)視程序循環(huán)運行，若發(fā)現(xiàn)時間超過已知循環(huán)設定時間，則認為系統(tǒng)陷入了死循環(huán)，這時計數(shù)器溢出，然后強迫系統(tǒng)復位，在復位入口0000H處安排一個出錯處理程序，使系統(tǒng)運行正軌。目前“看門狗”電路和掉電保護電路，都已經(jīng)集成在一片微處理器芯片中，因此MCS51只需擴展一片微處理器監(jiān)控芯片即可。本設計采用MAX690芯片。MAX690是美國MAXIM公司的產(chǎn)品，具有以下性能：（1） 具有看門狗電路，將產(chǎn)生一個復位輸出。（2） 具有備用電池切換電路，備用電池可供電給RAM芯片（3） 在微處理器上電、掉電及供電電壓時，產(chǎn)生一個復位輸出信號（4） 可用于低電平檢測[3]看門狗電路如圖33所示 圖33 看門狗電路 前向通道設計 傳感器的選擇 傳感器是一種能將與待測量的能量形式，轉(zhuǎn)化成另一種可供處理查詢的能量形式的裝置。信號處理電路用于處理信息，而輸出器件是一種利用已處理過的信號的裝置、顯示或動作。 傳感器不但對被測信號敏感，而且具有把它對被測變量的響應送出去的功能。也就是說，傳感器不是一般的敏感元件，它的輸出響應還必須易于傳送的物理量。例如彈性膜盒的輸出響應是形變，是微小的幾何量（位移）不便于遠距離傳送。如果把膜盒中心的位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙輼O板的間隙變化，就稱為輸出響應是電容量的壓力傳感器。倘若，再通過適當?shù)碾娐肥闺娙萘康拇笮檎袷庮l率的高低，就演變成輸出響應是頻率值的壓力傳感器。某些敏感元件的輸出響應本來就能夠傳送到別處測量，例如，鉑電阻應變電阻的阻值，熱電偶的電動勢等，把這些敏感元件稱為傳感器也未嘗不可。由于電信號便于遠距離傳送，所以絕大多數(shù)傳感器的輸出是電量的形式，如電壓、電流、電阻、電感、電容、頻率等。也有利用壓縮空氣的壓力大小傳送信息的這種方法在抗電磁干擾和防報安全方面比電傳送要優(yōu)越，但氣源和線路上的投資較大，而且傳送速度較低。近年來利用光纖傳送信號信息的傳感器正在發(fā)展，其抗干擾、防爆、快速性都有突出的優(yōu)點?？傊?，傳感器的輸出物理量不拘一格，其數(shù)值范圍也沒有一定的范圍限制。[3]（1） 溫度傳感器選擇 本設計采用WPPT100溫度傳感器，其特性與應用：抗震性好，耐高壓，多種溫度型號可選擇，安裝方式多元化，可進行OEM定做，應用與化纖，橡塑，石油，造紙，水電，食品等設備的過程溫度測量與控制。其主要技術(shù)參數(shù)測溫元件K，E，J，T，PT100，Cu50測溫范圍50600℃1300℃精度等級CLassA；+（+%t）；CLassB；+（+%t）信號輸出：420 mADC二線制供電電壓：24Vdc,1236Vdc安裝方式：螺紋安裝，法蘭安裝，活套安裝應用領(lǐng)域：采用歐美鉑電阻元件，利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化，并呈一定函數(shù)關(guān)系的特性來進行測溫。（2） 壓力傳感器選擇我們在進行流量、壓力的信號測量時，所使用的流量傳感器、壓力傳感器都統(tǒng)一裝在了變送器上，即信號同時在變送器中測知，并且把它變成4~20mA的電信號。 本設計采用PT112型壓力傳感器。 PT112/123/133/142高溫熔體壓力傳感器采用進口元件，與同類進口產(chǎn)品如 Dynisco Gefran 互換，應用于橡膠、塑料、化纖滌綸錦綸、聚脂、蒸汽等高溫的精確測量和控制。 PT112系列高溫熔體壓力傳感器是一種基于惠斯登電橋原理而工作的，其耐高溫特性可以應用于特殊的的工業(yè)，使其成為橡塑，化纖等機械設備中高溫流體壓力測量與控制的理想產(chǎn)品。 其主要技術(shù)參數(shù)為： 量 程：0～450MPa 綜合精度：%FS %FS %FS %FS 輸 出 ： 。4～20mA。0～5V。1～5V。0～10V 工作溫度：10～200～450℃； 供電電壓： 傳感器:10VDC(612VDC) 變送器:24VDC(9～36 V) 長期穩(wěn)定性：%FS/年 負載阻抗：電流型最大800Ω 電壓型50KΩ以上 絕緣電阻：大于2000MΩ 100VDC 振動影響：對于20HZ1KHZ的機械振動，%FS 密封等級：IP65 信號引出：六芯鍍金進口接插件 螺紋連接：1/220UNF M20* M22* G1/2 NTP1/4 M16* 其它螺 紋可按用戶要求設計 PT112引進美國最新傳感器技術(shù)和全套先進電路及元器件生產(chǎn)的高精度壓傳感器，,高穩(wěn)定性壓力傳感器組件,經(jīng)過高可靠的放大電路及溫度補償,性能更好。外盒采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性。該產(chǎn)品有多種接口形式和多種引線 方式,能夠最大限度滿足客戶的需要,適用于工業(yè)設備、水利、化工、 醫(yī)療、電力，空調(diào)、金剛石壓機、冶金、車輛制動、樓宇供水等壓力測量與控制。[5]（3）水位傳感器選擇本設計采用CR601C型水位傳感器CR60系列電容式液位變送器，適用于高溫高壓、強腐蝕、易結(jié)晶、易堵塞等惡劣條件下連續(xù)檢測可導電的液體。特別適合測量酸堿溶液和鍋爐的水位。整機無任何可動或彈性部件，耐沖擊、安裝方便、可靠性高、精度高、性能價格比好。替代傳統(tǒng)的浮球式、投入式、差壓式等液位變送器在各種場合下應用有不可比擬的優(yōu)勢。 其性能指標： 檢測范圍：～100m 精 度: 、 承壓范圍: ～32MPa 環(huán)境溫度:20～85℃ 輸出信號:4～20mA、0～10 mA、0～20 mA、1～5V、0～5V、0～10V 供電電源:負載電阻0～750Ω DC24V 固定方式:螺紋安裝MM272， 法蘭安裝DN2DNDN50。特殊規(guī)格可按要求定制 現(xiàn)場顯示：模擬顯示0~100%或者直接顯示液位高度 CR60系列電容式液位變送器可將各種液位參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成標準電流信號、遠傳至操作控制室，供二次儀表或計算機裝置進行集中顯示、報警或自動控制。其良好的結(jié)構(gòu)及安裝方式，可適用于高壓、強腐蝕、易結(jié)晶、易堵塞、防冷結(jié)等特殊條件下液位的連續(xù)檢測，可廣泛應用于電力、冶金、化工、食品、制藥等各行業(yè)和污水處理、鍋爐汽包、煤粉包等場所的液位測量。儀表特點：結(jié)構(gòu)簡單，無任何可動或彈性元部件，因此可靠性極高，維護量極少。一般情況下，不必進行常規(guī)的大、中、小維修：多種信號輸出，方便不同系統(tǒng)配置；可用于高溫高壓容器的液位測量，且測量值不受被測液體的溫度、比重及容器的形狀、壓力影響；特別適用于酸、堿等強腐蝕性液體的測量；完善的過流