精品锅炉水位控制系统毕业论文.docx
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精品锅炉水位控制系统毕业论文
08级电气自动化专业
毕业设计（论文）
题目：
锅炉液位调节系统
学号：
30
姓名：
衣建新
专业：
电气自动化
班级：
电气2班
指导教师：
闫文文
完成时间：
2011年4月10日
目录
摘要………………………………………………………………………………1
Abstract……………………………………………………………………………2
1前言……………………………………………………………………………3
1.1课题背景………………………………………………………………………3
1.2国内外研究的现状……………………………………………………………3
1.3使用单片机实现供暖锅炉温度控制的优点…………………………………4
1.4研究方案及预期结果………………………………………………………4
1.4.1系统的建立…………………………………………………………………4
1.4.2系统总体方案………………………………………………………………5
1.4.3设计的研究进程……………………………………………………………5
2系统硬件设计…………………………………………………………………6
2.1核心芯片8051单片机………………………………………………………7
2.2液位传感器设计……………………………………………………………9
2.3DAC0832DA转换器和ADC0809AD转换器…………………………11
2.3.1DA转换 基本原理及特征………………………………………………11
2.3.2ADC0809转换芯片………………………………………………………13
2.4键盘及显示接口………………………………………………………………14
2.5报警装置……………………………………………………………………16
3传感器的选择设计……………………………………………………………18
3.1液位传感器的选择……………………………………………………………18
3.1.1光电式传感器……………………………………………………………18
3.1.2光电式传感器的基本特征………………………………………………20
3.2温度式传感器的选择………………………………………………………22
3.3压电式传感器的设计………………………………………………………24
3.3.1压电效应和陶瓷压电式传感器选取……………………………………24
3.3.2压电式传感器的测量电路………………………………………………25
4软件的设计……………………………………………………………………28
5结论……………………………………………………………………………34
致谢………………………………………………………………………………35
参考文献…………………………………………………………………………36
摘要
本文主要设计了一种锅炉液位控制器，它以8051作为控制器，通过8051单片机，压力传感器和模数转换器等硬件系统和软件设计方法实现具有液位检测报警和控制双重功能，同时也具有压力报警和显示控制的功能,并对液位和压力值进行显示。
本系统是基于单片机的水暖锅炉控制，在设计中主要有水位检测、温度检测、压力检测、按键控制、水位控制、显示部分、故障报警等几部分组成来实现供暖控制。
主要用水位传感器检测水位，用光纤温度传感器来检测水温，用六个控制按键来实现按健控制，用三位7段LED显示器来完成显示部分，用变频器来控制循环泵的转速，用压力传感器检测锅炉内部压力。
并且通过模数转换把这些信号送入单片机中。
把这些信号与单片机中内部设定的值相比，以判断单片机是否需要进行相应的操作，即是否需要开启补水泵，来实现对液面的控制,从而实现单片机自动控制液面的目的。
本设计用单片机控制易于实现锅炉液位、温度和压力的控制,而且有造价低、程序易于调试、一部分出现故障不会影响其他部分的工作、维修方便、等优点。
关键词：
锅炉;8051单片机;模数转换;水位控制;自动控制
Abstract
Haveintroducedakindofautomobilemuti_functionwarningapparatusbasedonsinglechipmicrocomputer.Itcanguardagainsttheoilpressureofthelubricatesystem、atmosphericpressureofthebrakingsystem、temperatureofthecoolsystem、tyreowingtopressandthethiefofautomobile,andtocarryoutautomaticdetection,andsendsoutthealarmsignalwhendiscoveringunusualconditions.Haveelaboratedthedesignideological、andsoftwaretrainofthoughtofthealarmsystem.
ThesystemicdesignbasescontrollerofCMSwateralarmordertorealizeadoptsSingle-ChipMicrocomputertocontrolboilertheboiler.ItsendsthosesignalstoSCMthroughmodulus,andtheSCMtojudgewhetherSCMneedtocarrythroughrelevantoperationnamely,whetheritneedstoopenafan,whetheritneedstoturnonawaterpump,whetheritneedstoquickenrotatespeedofacyclepumpandsoon.Consequently,itfinishesanaimofSCMauto-controller.ThedesignmakesuseoftheSCMtocontrolboilerwhichiseasytorealizeboilerapartisintrouble,itdoesnotinfectothersanditis
conveniencetomend,itiswidelytousemanyofareas.
Keywords：
Boiler;8051Singlechipmicrocomputer;Digital-to-analoguechanges;waterlevelcontrol;Auto-control
1前言
1.1课题背景
目前我国的燃烧锅炉的数量众多,我国现有中、小型锅炉30多万台,每年耗媒量占我国原煤产量的四分之一,目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。
国家在第10到第11个五年计划的科技创新指南中,对光电一体化、资源与环境、新能源与高效节能的指导性课题中明确指出:
需要自动化程度高、节能潜力大、提高安全系数、减轻劳动强度、价格低的新型测控装置。
要求节约率达到百分之5以上,装置投资的回收期在1年以内,采暖锅炉为3年以内。
如小型链条式工业锅炉用的是新型测控装置。
因此这个课题有现实的意义且市场的前景良好。
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）提高锅炉的热效率,采用计算机控制后热效率可以比以前提高百分之5到百分之10,据统计,120吨的锅炉,全年平均负荷为百分之70左右,以平均热效率提高百分之5计算,全年节约800吨。
4）锅炉系统中包含鼓风机、引风机和给水泵等大功率电动机,由于锅炉本身特性和选型的因素,这些风机大部分不会满负荷输出的,原有的方式采用阀门和挡板控制流量,浪费非常严重。
通过对鼓风机、引风机和给水泵进行微机控制可以平均节电达到百分之30到百分之40左右。
5）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。
采用计算机控制的锅炉系统有十分周到的安全机制,可以置多点的声光报警和自动连锁停炉,杜绝人为疏忽造成的重大事故。
综合以上的种种优点可以预见采用计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。
一般,工业控制系统的工作环境差,干扰强,利用单片机控制就能克服这些缺点,因此单片机在控制领域得到广泛的应用,使用单片机控制锅炉是很好的选择。
1.2国内外研究的现状
目前我国在单片机测控装置研究、生产、应用中,取得了很大的成绩,总结了很多经验,但是各行业仍处于发展期,经调查,更多科研究所在这方面开展的工作更看重的是理论和算法,数年来这方面的研究的论文较多,着重生产实际的很少。
在上海,新型的单片机测控装置与系统研究的生产基础较雄厚,在生产过程中需要新型的测控装置与系统,因此在不断的努力研究与开发。
上海的工程技术研究人员更着重的是生产实际研究,对理论、算法和成果的论文较少;深圳在研制新型的测控装置与系统领域也比较有成就,尽管与其他国家比较尚有差距,但是,深圳的高校、研究院所的最大的特点就是实际,与生产实际应用项目无关的问题基本不去考虑,主要考虑选取什么材料,测控什么物理量,优点是什么,与机器设备的通讯接口等等。
一些发达国家在单片机新型系统研究、制造和应用上,已积累了很多经验,奠定了基础,进入了国际市场。
我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上,与其他发达国家相比还存在差距,但是我国的研究人员已经克服很多困难,并在不断的摸索中前进,有望在相关领域赶上甚至超过发达国家的技术水平,这是发展趋势。
1.3使用单片机实现锅炉液位控制的优点
使用单片机实现锅炉液位控制具有较高的实用价值和稳定性好等特点。
采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器测量水位，可有效保证水位的自动控制，保证水质无污染，能更好地对锅炉进行自动化控制,测量温度时采取光电耦合器,实现光电隔离,避免了工作人员在现场进行检测操控,方便了人员对液位系统的控制,控制方便且系统稳定性能好；采用压力传感器对压力进行测控，采取压电陶瓷传感器,可大大简化设计方案，系统性能也更稳定；单片机不仅有体积小，安装方便，功能较齐全等优点，而且有很高的性价比，应用前景广，同时有助于发现可能存在的故障，通过微机实现蒸汽与给水系统的自动控制与调节，将保证锅炉正常供气供暖，维持稳定系统，保证安全经济运行。
本文就是采用8051单片机为核心芯片的一种锅炉控制系统，具有较高的实用价值和优越性。
本系统与PLC控制系统相比大大降低了使用成本,提高了控制运行速度。
根据仿真模拟运行的结果表明,该系统能很好的克服“假水位”现象,将锅炉汽包液位控制在给定的范围内,对压力不足和压力过大进行安全报警,稳定性能好,容易操作和控制,保证了生产的正常进行。
1.4研究方案及预期结果
本设计是采用8051单片机为核心芯片,及其相关硬件来实现的锅炉液位控制系统,在用液位传感器测液位的同时,又用光电式隔离器和压力传感器对锅炉的温度和压力进行检测，CPU循环检测传感器输出状态,并用3位七段LED显示示液位高度,检测液位、温度和压力等数据,实施报警安全提示,当锅炉液位低于用户设定的值时,系统自动打开泵上水,当水位到达设定值时,系统自动关闭水泵。
1.4.1系统硬件总体方案
系统的原理是采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器对液面进行控制,通过四对传感器分别安装在锅炉内四个不同的位置，由上至下测量锅炉液位值,。
并把这四个液位状态通过模数转换器ADC0809传到单片机中,在通过3位七段LED显示器显示出液位的四种状态及报警安全提示。
用LED显示是因为它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长等特点，根据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进行开、关水泵,需要是否开启和关闭驱动阀门的电动机。
本设计运用了多种传感器,在使用液位传感器测液位的同时,我还选用了光电式传感器和压电式传感器来对锅炉的温度和压力进行测量,因为我们所提到的锅炉常用于供暖,所以温度的检测很重要,至于选用压力传感器主要是出于安全考虑的,压力过大有可能对锅炉造成损害甚至造成爆炸,压力过低会导致锅炉控制系统无法正常运行。
所以我在第三章着重介绍了这3种传感器。
1.4.2软件总体方案
水位检测是通过四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，实时对锅炉里的水位进行检测。
当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平；当水位低于此光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出低电平。
由上至下的第一个位置为水位上限报警线，即当水位高于此位置时，开水阀控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀有可能出故障；第二个位置是自动停止加水线，即当水位高于此位置时，控制系统会自动关闭加水电磁阀，停止加水；第三个位置是自动加水线，即当水位低于此位置时，控制系统会自动接通加水电磁阀，开水加水；第四个位置是水位下限报警线，即当水位低于此位置时，开水房控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀可能出故障。
本系统所使用的传感器性能稳定,测量准确,大大简化现场安装,具有较高的性价比,有较大的工程应用价值,而且利用计算机与组态软件技术对锅炉生产过程进行自动控制有着重要的意义。
其优越性主要在于：
首先，通过对锅炉燃烧过程进行有效控制，使燃烧在充分的情况下进行，可以提高燃烧效率。
由于工业锅炉耗煤量大，燃烧热效率每提高1％都会产生巨大的经济效益。
其次，锅炉控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修正运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。
随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，工业锅炉的微机控制必将得到更加广泛的应用。
1.4.3设计的研究进程
本设计第二章对系统进行硬件分析,主要介绍了本设计所使用的核心芯片8051,重要对其端口进行介绍,介绍其功能与用途,还介绍了液位传感器、数模转换ADC0809、执行设备、LED显示和报警装置,介绍了他们的原理、结构和电路连接。
第三章我着重介绍了本设计所使用的传感器,因为传感器的性能在整个系统中起着非常重要的作用,尤其对检测精确度起着重要的作用,在其中我重点介绍了液位传感器,光电式传感器和压电式传感器。
第四章我介绍了整个系统的软件设计。
2系统硬件设计
锅炉自动控制包括对锅炉的液位，压力，温度等的控制，本系统只侧重于介绍锅炉的液位控制。
液位控制是利用由高亮二级管和光敏三级管所组成的液位传感器把液位的状态转换成模拟信号,再通过模数转换器ADC0809把输出状态直接接到单片机的IO接口，单片机经过运算控制，输出数字信号，输出接口接LED进行显示,实现液位报警和键盘显示与控制；其压力控制是通过压电传感器将接受的信号转变成电信号，通过模数转换ADC0809进行转换后与8051单片机接口相连，使其与设定值相比较从而实现压力报警和控制;其温度检测选用的是光电隔离器,实行光电隔离,有利于人员对温度的检测,再通过模数转换器ADC0809进行转换后与8051单片机接口相连，使其与设定值相比较从而实现温度报警；
而本设计主要是对液位进行控制,下图是锅炉液位控制系统。
图2-1基于单片机的锅炉液位控制系统
Fit2-1singlerchip-basedboilercontorlssystermblockplan
由上图可观察到传感器通过对液面、温度和压力进行测量，输出模拟信号，再通过模数转换器把输入的模拟信号转换成数字信号，通过8051单片机的运算控制，在通过LED进行显示,通过报警装置进行报警,报警显示之后再通过对阀门的开启实现对锅炉的液位进行调节控制,阀门的驱动设备是电动机。
2.1核心芯片8051单片机
计算机芯片MCS-51是一个电脑晶片,英特尔公司生产系列。
它是在MCS-48系列的基础上发展的高性能的8位单片机。
所出的系列产品有8051、8031、8751。
其代表就是8051。
其他系列的单片机都以它为核心,所以本设计采用的核心芯片是8051单片机。
CPU是它的核心设备,从功能上看,CPU包括两个部分:
运算器和控制器,它执行对输入信号的分析和处理。
整个系统电控部分以ATMEL公司的8051为核心芯片，控制信号采集、处理、输出三个过程。
这种芯片内置4KEPROM，因为系统要求控制线较多，如果采用8031外置EPROM程序控制结构，则造成控制线不够；而8051却可以利用P0、P2口作控制总线，大大简化了硬件结构，并可以直接控制键盘参数输入、LED数据显示，方便现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到了很大的提高。
系统的原理是采用液位式传感器测量锅炉液位值,通过单片机的转换与分析在LED上显示及输出控制;根据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进行开关水泵,以及是否到达危险高、低水位,需要关闭阀门。
图2-28051引脚图
Fit2-2diagramof8051pins
上图是8051的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个IO口，中断口线与P3口线复用。
现在我们对这些引脚的功能加以说明：
Pin40:
正电源脚，正常工作或对片内EPROM抄写程序时，接+5V电源。
Pin19:
时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。
Pin18:
时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。
8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体（2-12MHz）和振荡电容,振荡电容的值一般取10p-30p。
另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。
本设计采用外部时钟电路，外接晶振和电容组成振荡器。
输入输出（IO）引脚：
Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚，Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚,Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚。
在对单片机设计中，P0口作为程序存储器扩展口，且是扩展并行输入输出接口的接口，另外也作为模数转换的数据传输口,P2口为程序存储器扩展口的高八位地址总线口，P1口为输入输出口。
Pin9:
RESETVpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高平，系统即初始复位。
初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。
RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。
然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态如下
表2-1寄存器初始状态
Chart2-1register’soriginalstate
特殊功能寄存器
初始态
特殊功能寄存器
初始态
ACC
PSW
07H
DPL
IP
IE
TMOD
SCON
P0-P3
B
SP
TH0
TL0
TH1
TL1
TCON
SBUF
PCON
00H
07H
00H
00H
00H
00H
00H
00H
0xxxxxxxB
8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见图2-3。
此外，RESETVpd还是一复用脚，Vcc掉电期间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失,
此设计采用自动复位电路。
图2-3复位电路
Fit2-3resetcircuit
Pin30:
ALE当访问外部程序器时，ALE（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。
而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个16时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。
更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。
如果单片机是EPROM，在编程其间,prog将用于输入编程脉冲。
Pin29:
当访问外部程序存储器时,此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。
在编程时，EAVpp脚还需加上21V的编程电压。
2.2液位传感器设计
在锅炉液位控制系统中,传感器的选择是非常重要的,传感器是能感受规定的被测量,并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,它通常由敏感元件和转换元件组成,它的性能直接影响到整个检测系统,对检测精确度起着重要的作用。
传感器的种类很多,有温度传感器,加速度传感器,光学传感器,压力传感器的,本设计主要采用的是由高亮二级管和光敏三级管所组成的液位传感器来对液位进行控制，又用光电式传感器和压电式传感器来对温度和压力进行检测,在把检测的电信号输入到单片机进行分析,这个设计的重点是液位的控制,所以下面我要对液位传感器进行设计。
我采用的是四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器，这种液位传感器如下图
图2-4液位传感器
Fit2-4leveltransducer
由图2-4可知，液位传感器的主要元件是高亮二极管和光敏三极管,它们都属于光电元件,光电元件主要采用的是光电效应,光电效应分外光电效应、内光电效应和光生伏特效应,光电效应的原理是PN结加反向电压时，反向电流的大小取决于P区和N区中少数载流子的浓度，无光照时P区中少数载流子（电子）和N区中的少数载流子（空穴）都很少，因此反向电流很小。
但是当光照PN结时，只要光子能量h大于材料的禁带宽度，就会在PN结及其附近产生光生电子、空穴对，从而使P区和N区少数载流子浓度大大增加，它们在外加反向电压和PN结内电场作用下定向运动，分别在两个方向上渡越PN结，使反向电流明显增大。
如果入射光的照度变化，光生电子,空穴对的浓度将相应变动，通过外电路的光电流强度也会随之变动，光电效应的原理就是光电二极管的原理,光敏二极管就把光信号转换成了电信号,它是最简单的光学元件。
图2-5a光敏三极管的结构示意图图2-5b基本电路
Fit2-8aphotosensitivediodestructureschemaFit28bfundamentalcircuit
而光敏三
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