【正文】 others and it isconvenience to mend ,it is widely to use many of areas.Key words：Boiler。 Digitaltoanalogue changes。 Autocontrol1 前言 課題背景目前我國的燃燒鍋爐的數(shù)量眾多,我國現(xiàn)有中、小型鍋爐30多萬臺(tái),每年耗媒量占我國原煤產(chǎn)量的四分之一,目前大多數(shù)工業(yè)鍋爐仍處于能耗高、浪費(fèi)大、環(huán)境污染嚴(yán)重的生產(chǎn)狀態(tài)。要求節(jié)約率達(dá)到百分之5以上,裝置投資的回收期在1年以內(nèi),采暖鍋爐為3年以內(nèi)。因此這個(gè)課題有現(xiàn)實(shí)的意義且市場(chǎng)的前景良好。2)在運(yùn)行中可以隨時(shí)方便的修改各種各樣的運(yùn)行參數(shù)的控制值,并修改系統(tǒng)的控制參數(shù),可以方便的改變液位、壓力、溫度的上限、下限。4)鍋爐系統(tǒng)中包含鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和給水泵等大功率電動(dòng)機(jī),由于鍋爐本身特性和選型的因素,這些風(fēng)機(jī)大部分不會(huì)滿負(fù)荷輸出的,原有的方式采用閥門和擋板控制流量,浪費(fèi)非常嚴(yán)重。5)作為鍋爐控制系統(tǒng)裝置,其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,減少勞動(dòng)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。綜合以上的種種優(yōu)點(diǎn)可以預(yù)見采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是行業(yè)的大勢(shì)所趨。單片機(jī)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(diǎn)使它的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀目前我國在單片機(jī)測(cè)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(yàn),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(shí)際的很少。上海的工程技術(shù)研究人員更著重的是生產(chǎn)實(shí)際研究,對(duì)理論、算法和成果的論文較少。一些發(fā)達(dá)國家在單片機(jī)新型系統(tǒng)研究、制造和應(yīng)用上,已積累了很多經(jīng)驗(yàn),奠定了基礎(chǔ),進(jìn)入了國際市場(chǎng)。 使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)鍋爐液位控制的優(yōu)點(diǎn)使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)鍋爐液位控制具有較高的實(shí)用價(jià)值和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。本文就是采用8051單片機(jī)為核心芯片的一種鍋爐控制系統(tǒng)，具有較高的實(shí)用價(jià)值和優(yōu)越性。根據(jù)仿真模擬運(yùn)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(duì)壓力不足和壓力過大進(jìn)行安全報(bào)警,穩(wěn)定性能好,容易操作和控制,保證了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。 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(jí)管所組成的液位傳感器對(duì)液面進(jìn)行控制,通過四對(duì)傳感器分別安裝在鍋爐內(nèi)四個(gè)不同的位置，由上至下測(cè)量鍋爐液位值,。用LED顯示是因?yàn)樗哂酗@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(diǎn)，根據(jù)當(dāng)前的液位值和用戶設(shè)定的水位決定是否進(jìn)行開、關(guān)水泵,需要是否開啟和關(guān)閉驅(qū)動(dòng)閥門的電動(dòng)機(jī)。所以我在第三章著重介紹了這3種傳感器。當(dāng)水位到達(dá)某一光敏三極管的位置時(shí)，其輸出端口就向單片機(jī)輸出高電平；當(dāng)水位低于此光敏三極管的位置時(shí)，其輸出端口就向單片機(jī)輸出低電平。本系統(tǒng)所使用的傳感器性能穩(wěn)定,測(cè)量準(zhǔn)確,大大簡化現(xiàn)場(chǎng)安裝,具有較高的性價(jià)比,有較大的工程應(yīng)用價(jià)值,而且利用計(jì)算機(jī)與組態(tài)軟件技術(shù)對(duì)鍋爐生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)控制有著重要的意義。由于工業(yè)鍋爐耗煤量大，燃燒熱效率每提高1％都會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用的普及、可靠性的提高及價(jià)格的下降，工業(yè)鍋爐的微機(jī)控制必將得到更加廣泛的應(yīng)用。第三章我著重介紹了本設(shè)計(jì)所使用的傳感器,因?yàn)閭鞲衅鞯男阅茉谡麄€(gè)系統(tǒng)中起著非常重要的作用,尤其對(duì)檢測(cè)精確度起著重要的作用,在其中我重點(diǎn)介紹了液位傳感器,光電式傳感器和壓電式傳感器。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)鍋爐自動(dòng)控制包括對(duì)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。其溫度檢測(cè)選用的是光電隔離器,實(shí)行光電隔離,有利于人員對(duì)溫度的檢測(cè),再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809進(jìn)行轉(zhuǎn)換后與8051單片機(jī)接口相連，使其與設(shè)定值相比較從而實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警； 而本設(shè)計(jì)主要是對(duì)液位進(jìn)行控制,下圖是鍋爐液位控制系統(tǒng)。 核心芯片8051單片機(jī)計(jì)算機(jī)芯片MCS51是一個(gè)電腦晶片,英特爾公司生產(chǎn)系列。所出的系列產(chǎn)品有8058038751。其他系列的單片機(jī)都以它為核心,所以本設(shè)計(jì)采用的核心芯片是8051單片機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)電控部分以ATMEL公司的8051為核心芯片，控制信號(hào)采集、處理、輸出三個(gè)過程。系統(tǒng)的原理是采用液位式傳感器測(cè)量鍋爐液位值,通過單片機(jī)的轉(zhuǎn)換與分析在LED上顯示及輸出控制。圖22 8051引腳圖 Fit 22 diagram of 8051 pins上圖是8051的引腳配置，40個(gè)引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根，4組8位共32個(gè)I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用。Pin19:時(shí)鐘XTAL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。8051的時(shí)鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時(shí)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。本設(shè)計(jì)采用外部時(shí)鐘電路，外接晶振和電容組成振蕩器。在對(duì)單片機(jī)設(shè)計(jì)中，P0口作為程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展口，且是擴(kuò)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(chǔ)器擴(kuò)展口的高八位地址總線口，P1口為輸入/輸出口。初始化后，程序計(jì)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”。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(dòng)復(fù)位，也可以是手動(dòng)復(fù)位，見圖23。圖23 復(fù)位電路Fit 23 reset circuitPin30:ALE/當(dāng)訪問外部程序器時(shí)，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。更有一個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器，ALE會(huì)跳過一個(gè)脈沖。Pin29:當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí),此腳輸出負(fù)脈沖選通信號(hào)，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(chǔ)器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。 液位傳感器設(shè)計(jì)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(cè)量,并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)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(gè)檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)檢測(cè)精確度起著重要的作用。我采用的是四對(duì)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(shí)，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(shí)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。如果入射光的照度變化，光生電子,空穴對(duì)的濃度將相應(yīng)變動(dòng)，通過外電路的光電流強(qiáng)度也會(huì)隨之變動(dòng)，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(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào),它是最簡單的光學(xué)元件。光敏三級(jí)管是由高亮二極管進(jìn)行發(fā)光的, 高亮二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。只不過原理正好相反,當(dāng)有電流導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生光電流,照射在PN結(jié)上,在內(nèi)部產(chǎn)生光電流,它具有體積小、功耗低、壽命長、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。水位檢測(cè)是通過四對(duì)高亮二極管和光敏三極管分別安裝在四個(gè)不同的位置，、實(shí)時(shí)對(duì)鍋爐里的水位進(jìn)行檢測(cè)。由上至下的第一個(gè)位置為水位上限報(bào)警線，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，開水房控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個(gè)位置是自動(dòng)停止加水線，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉加水電磁閥，停止加水；第三個(gè)位置是自動(dòng)加水線，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)接通加水電磁閥，開水加水；第四個(gè)位置是水位下限報(bào)警線，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，開水房控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。 D／A轉(zhuǎn)換基本原理D／A轉(zhuǎn)換接口技術(shù)是應(yīng)用系統(tǒng)后向通道典型應(yīng)用技術(shù)之一。D／A轉(zhuǎn)換器的基本功能是將一個(gè)用二進(jìn)制表示的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。D／A轉(zhuǎn)換器主要由三部分構(gòu)成，即加權(quán)電阻解碼網(wǎng)、受輸入數(shù)字量控制的電子開關(guān)組和由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流轉(zhuǎn)換器。當(dāng)某一位為“0”時(shí)，則電子開關(guān)斷開，該支路電阻上無電流流過。因此各支路的電流不僅決定于輸入數(shù)字量的值(0或1)，還決定于“權(quán)”，各支路的電流如下：因此，總電流為Iout： 該總電流經(jīng)電流轉(zhuǎn)換器后有: 其中 由式（26）看出，盡管使用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，但對(duì)于D／A轉(zhuǎn)換器的輸入輸出來說是等效的。D／A轉(zhuǎn)換芯片的主要性能指標(biāo)如下:1)分辨率。分辨率為10位的D／A轉(zhuǎn)換器，表示它可以對(duì)滿量程的1／1024的增量做出反應(yīng)。在滿刻度已校準(zhǔn)的前提下，在整個(gè)刻度范圍內(nèi)，對(duì)于任一數(shù)碼的模擬量輸出與它的理論值之差。3)轉(zhuǎn)換時(shí)間。LSB／2所需要的時(shí)間，通常為幾十納秒至幾微秒。通常給出在一定溫度下的最大非線性度，％～％。若模擬輸入U(xiǎn)in大于Ui，比較器輸出為1，則使輸出鎖存器的最高位保持為1。此時(shí)D／A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入(輸出鎖存器內(nèi)容)即為對(duì)應(yīng)模擬輸入信號(hào)的數(shù)字量。這種方法好比用天平稱一個(gè)物體的重量，第一次放最大的砝碼，若不合適，就改放小一號(hào)的，依次類推。 ADC0809轉(zhuǎn)換芯片本開發(fā)系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)硬件主要是由ADC0809轉(zhuǎn)換芯片和四個(gè)可變電位器組成的。1LSB，它具有高速、高精度、溫度依賴度低以及在長期工作條件下能耗小、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。由圖26可看芯片主要是由一個(gè)8位A／D轉(zhuǎn)換器、8路模擬輸入選通開關(guān)、地址鎖存及譯碼電路工作和三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器組成。ADC0809芯片提供了高轉(zhuǎn)換速度、高精密度、環(huán)境影響小和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。圖26 ADC0809 芯片的引腳圖Fit26 diagram of ADC0809pins ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及與微型計(jì)算機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件，其轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近型。8路的模擬開關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個(gè)通道中任意訪問一個(gè)通道的模擬信號(hào)。 鍵盤及顯示接口顯示部分我采用三位7段LED顯示器，LED顯示器是單片機(jī)應(yīng)用中最常用的輸出部件，它是由若干發(fā)光二極管組成，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)光，不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。LED（發(fā)光二極管）最早出現(xiàn)在19世紀(jì)60年代，現(xiàn)在我們可以經(jīng)常在電氣和電子設(shè)備上看到這些二極管作為指示燈來用。由于LED是固態(tài)的，所以它能延長傳感器的使用壽命。不像白熾燈那樣，LED抗震動(dòng)抗沖擊，并且沒有燈絲。在微型機(jī)系統(tǒng)中，LED常用的顯示方法有兩種。所謂的靜態(tài)顯示是由單片機(jī)一次輸出后就能顯示后就能保持，直到下次送新的顯示模式為止。這種顯示器顯示方式的每一個(gè)七位顯示器需要一個(gè)八位輸出控制，我的設(shè)計(jì)就是采用的就是靜態(tài)顯示。這種方法中，顯示器件分時(shí)工作，每次只能有一個(gè)器件顯示，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺到所有的器件都“同時(shí)”顯示。動(dòng)態(tài)顯示的亮度與導(dǎo)電電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間比例有關(guān)。鍵盤可分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤兩種。還有非前者用軟件來識(shí)別和產(chǎn)生代碼，后者則用鍵盤來識(shí)別，鍵盤處理程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)鍵盤的管理，顯示具體見下圖。 1)當(dāng)鍋爐達(dá)到上限極限水位時(shí)報(bào)警，爐內(nèi)的水位到達(dá)上限極限水位時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警；2)鍋爐內(nèi)壓力過高報(bào)警，壓力傳感器檢測(cè)到鍋爐內(nèi)壓力過高與設(shè)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警。4)循環(huán)泵故障報(bào)警，當(dāng)循環(huán)泵開啟后，出水與回水溫度的差值很大，認(rèn)為循環(huán)泵故障，報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警。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,壓力傳感器等,本設(shè)計(jì)主要采用的是電容式傳感器、光電式傳感器和壓電式傳感器來對(duì)液位、溫度和壓力進(jìn)行檢測(cè),在把檢測(cè)的電信號(hào)通過ADC0809入到單片機(jī)進(jìn)行分析,在由LED進(jìn)行顯示和鍵盤控制,實(shí)行對(duì)液位、溫度和壓力的報(bào)警。水位檢測(cè)是通過四對(duì)高亮二極管和光敏三極管分別安裝在四個(gè)不同的位置，、實(shí)時(shí)對(duì)鍋爐里的水位進(jìn)行檢測(cè)。由上至下的第一個(gè)位置為水位上限報(bào)警線，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，開水房控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個(gè)位置是自動(dòng)停止加水線，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉加水電磁閥，停止加水；第三個(gè)位置是自動(dòng)加水線，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)接通加水電磁閥，開水加水；第四個(gè)位置是水位下限報(bào)警線，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，開水房控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。光電傳感器是一種小型電子設(shè)備，它可以檢測(cè)出其接收到的光強(qiáng)的變化。在金屬圓筒內(nèi)有一個(gè)小的白熾燈作為光源。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。模擬式光電傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測(cè)量間呈單值關(guān)系。通過吸收高亮二極管的光來測(cè)量液位的高度,在轉(zhuǎn)化成光電流傳到模擬傳感器ADC0809中。2)在光線作用下能使物體的電阻率