基于单片机的锅炉水位控制系统的设计.docx
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基于单片机的锅炉水位控制系统的设计
学号：
**********
XinjiangInstituteofEngineering
毕业设计
设计题目：
基于单片机的锅炉水位控制系统的设计
学生姓名：
××××××
专业：
电气工程及其自动化
班级：
电气工程及其自动化13-2（本）
系部：
电力工程系
指导教师：
××××××
二〇一七年六月五日
摘要
液位控制是工业控制过程中一个重要的参数控制，它的性能和工作质量的优良不仅仅对生产有着巨大的影响，而且也关系着生产的安全。
以前，大量的对液位控制是由相应的人员进行操作的，这样的人工方式带来了很大的弊端，比如液位的控制，夜间的监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易的监测器件损坏，将带来无法弥补的损失，更严重的会危机到生产人员的人身安全等。
所以，如果能够使用精密的而且完全会严格按照生产规定运行的自动化系统，可以最大限度的避免事故的几率，同时也能节省资源并能有效提高生产的效率。
本文通过对液位控制系统的研究，设计了以8051单片机为核心、以光电传感器为检测元件的液位控制系统，实现了报警和自动切换功能。
该系统操作方便、性能良好，比较符合锅炉水位控制的需要。
本文还详细的给出了相关的硬件框图和软件流程图，并编制了汇编语言程序。
关键词：
单片机光电传感器液位报警
Abstract
Liquidlevelcontrolisanimportantparametercontrolintheprocessofindustrialcontrol.Itsperformanceandqualityofworknotonlyhaveagreatimpactonproduction,butalsorelatedtothesafetyofproduction.Previously,alargenumberofliquidlevelcontrolisbythestafftooperate,sothatartificialmeansalotofdrawbacks,suchasliquidlevelcontrol,andsoonthenightofmonitoring,theoperatorslightlynegligence,orsimplymonitorpartsdamaged,willbringirreparableloss,amoreseriouscrisistoproductionpersonnelthepersonalsafety.So,iftheuseofsophisticatedandcompleteproductionwillbeinstrictaccordancewiththeprovisionsoftheoperationoftheautomationsystem,canmaximizethechancesofavoidingaccidents,butalsosaveresourcesandcaneffectivelyimprovetheefficiencyofproduction.
Throughtheresearchoftheliquidlevelcontrolsystem,thispaperdesignedaliquidlevelcontrolsystemwith8051singlechipmicrocomputerasthecoreandphotoelectricsensorasthedetectionelement,andrealizedthealarmandautomaticswitchingfunction.Thesystemiseasytooperateandhasgoodperformance.Itmeetstheneedofboilerwaterlevelcontrol.Thispaperalsogivesthedetailedhardwareblockdiagramandsoftwareflowchart,andcompilestheassemblylanguageprogram.
Keywords:
singlechipmicrocomputer;photoelectricsensor;liquidlevel;alarm
摘要………………………………………………………………………………Ⅰ
ABSTRACT……………………………………………………………………………Ⅱ
1绪论
1.1课题研究背景及意义
液位控制系统是以液位为被控制参数的系统，它在工业生产的很多领域都有普遍的应用。
在工业生产过程中，有些地方需要对容器内的介质进行液位控制，液位控制一般指对某一液位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。
液体液位的自动控制,是近年来新开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术紧密结合的产物,工程作业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直观而集中显示各运行参数,能显示液位状态。
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的上限、下限。
3具有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
综合以上的优点可以预见到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,使用单片机控制液体液位是很好的选择[1]。
1.2国内外研究现状
近几十年来，控制系统已被广泛使用，在起研究和发展上也已趋于完备，控制的概念更是应用在许多生活周遭的事物。
液位控制系统已是一般工业界所不可缺少的，举凡蓄水槽、污水处理厂等都需要液位元的控制。
使用液位控制系统来自动维持液位高度，工作人员可以轻易在操作室获知整个设备的储水状况，大大减低工作人员工作的危险性，同时更提高了工作的效率及简便性。
近年来液位控制系统取得了很大的进步，出现了许多新型的液位控制仪，如超声波液位计、雷达液位计、光电液位开关等，这些控制器的出现大大提高了控制系统的精度，实现了控制系统的丰富多样性。
在自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，美国、德国、日本等技术领先国家，生产开发出一系列性能优异、实用性强的液位控制器以及相应的仪器仪表，并广泛应用于生产生活的各个领域。
这些先进的控制器不仅能实现各种复杂环境下的液位控制系统的控制，而且运用先进的算法，采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能及计算机技术，使液位控制器的适用范围更加广泛。
国外的液位控制器在朝着高精度、智能化等方向快速发展。
在我国，虽然液位控制系统在国内生产生活的应用十分广泛，但国内的液位控制器的发展水平还是不高，同先进国家的差距很大。
国内液位控制器以常规的PID控制器为主，无法适用于滞后、复杂、时变的液位系统控制。
智能化、自适应的控制系统，国内还没有相关的成熟技术。
我国相关控制器大量依靠国外的成熟技术，这些都是必须正视的现实。
所以，发展先进的液位控制技术是我们必须重视的趋势。
随着科学技术的不断发展，人们对液位控制系统的要求越来越高，特别是高精度、智能化，人性化得液位控制系统是国内外液位控制系统发展的必然趋势[2]。
1.3本系统设计内容
本控制系统以液位作为研究对象。
设计一个基于单片机的液位控制系统，其中包括液位的检测，信号的处理和控制元器件的选型。
系统的原理是采用液位式传感器测量液体的液位值,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。
2液位控制系统总体方案设计
本设计是采用8051单片机为核心芯片,及其相关硬件来实现液位控制系统,在用液位传感器测液位的同时,CPU循环检测传感器输出状态,并用3位七段LED显示液位高度,检测液位数据,实施报警安全提示,当水体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,系统自动关闭水泵或打开排水泵。
图2-1基于单片机的液位控制系统框图
由图2-1可观察到传感器通过对液面进行测量，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水体的液位进行调节控制,阀门的驱动设备是电动机[3]。
2.1液位控制器系统的必要性及与传统的浮球阀控制系统的比较
水位控制器可以采用水位或时段控制进水（本文采用水位控制）。
把浮球阀改成水位控制器，就相当于无形中增大了水厂清水池，对于水厂的均衡生产势必会带来极大好处
1.安全性：
液位控制器智能程控系统采用：
低电压（12伏电压），微电流作为控制电源，运用稳定高效的智能集成电路根据各种不同类型功能的给排水工程（如建筑楼宇，住宅小区，地铁隧道，工矿企业等）的不同需求，结合“给排水系统”不同时期水位的变化，通过多点接触式感应程序，分级分段控制“给排水系统”运转的原理进行设计。
由于采用独特的多点接触式感应程序，分级分段控制处理水位信息，有效的防止了水池水位过高溢出或缺水，水位过低，断水导致水泵空转损坏。
彻底排除了“给排水系统”发生漏电，断水，浸水给人员，设备，环境带来的安全隐患，从而保障给排水系统的安全畅通，确保用电安全。
传统的浮球阀控制系统采用220V交流电源作控制电源，运用浮球阀在水中上下浮动不同角度的变化，通过阀内的钢珠推动杠杆，启动内置开关来操控水泵或阀门系统工作。
由于受工作环境的影响，浮球阀的电源电缆长期处于阴暗潮湿的地方，在日常清理维护过程中，很容易造成破损，（老鼠也可能造成破坏）；特别是浮球阀长期浸在水中（浮球阀都是由上下两部分粘结合成）一断发生渗漏，破损，即使有少量进水就会造成钢珠生锈，开关等系统失灵，断路，烧毁，甚至可能出现漏电；如此隐患一断发生，轻者造成“给排水系统”失控，水泵烧毁和局部浸水，断水；严重的有可能造成大面积漏电，对人员生命，设备环境将形成极大的威协，后果十分严重！
2.稳定性：
液位控制器智能程控系统采用稳定高效的智能集成电路，根据各种不同功能类型的给排水工程（如住宅楼宇，地下建筑工程 ，地铁隧道，工矿企业等）的不同需求，结合“给排水系统”
不同时段水位的变化，通过多点接触式感应程序，分级分段控制“给排水系统”的运转。
由于我们采用独特的多点接触式感应程序，分级分段控制处理水位信息，独立的缺水保护系统功能，有效确保水泵及设备安全；因此整个系统工作状态，不会受到任何环境的影响（感应触点固定，必要时可加上防护罩）时刻保障“给排水系统”及时畅通无阻。
传统的浮球阀控制系统（即机械浮球阀其主要用材为：
塑料浮球阀，不锈钢浮球阀，铜质浮球阀等）通过浮球阀在水中上下浮动的不同角度，使浮球阀内的钢珠推动杠杆，从而启动内置开关来控制水泵或阀门系统工作。
由于受工作环境的影响，浮球阀的浮动容易受到外部环境的干扰（如杂物等），很难准确体现实时的水位信息；此外由于浮球阀是由两部分粘结合成，容易发生渗漏，破裂，即使有少量的积水，都会造成钢珠锈蚀，开关失灵断路，严重的有可能使“给排水系统”失控，相关设备水泵等烧毁导致局部断水或浸水。
造成重大经济损失和极坏的社会影响。
3.经济性：
液位控制器智能程控系统由于采用稳定高效的智能集成电路，与目前普遍使用的“给排水系统”的配电，监控管理系统设施能有机的结合，形成配套系统。
因此不会影响工程成本。
但在管理成本，维修维护费用方面，液位控制器智能程控系统比传统的浮球阀控制系统节省费用90％左右。
由此可见液位控制器智能程控系统使用的经济价值远远大于传统的浮球阀控制系统。
2.2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现场的四个不同的位置，由上至下测量水体的液位值，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。
本设计主要运用了液位传感器测液位,第三章将着重介绍。
2.3系统软件总体方案
水位检测是通过四对由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，实时对水位进行检测。
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工业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，通过对水体液位进行的简易方便的操纵，可以准确得控制水泵进行添加水或放水以适应工作的需要.
2.4本章小结
本章在分析了基于单片机的液位控制系统设计任务后，有针对性的提出了任务的解决方法，给出了系统设计的整体方案。
并对系统的各个模块根据其功能做出了合理的划分，并论述它们之间的关系。
根据实际设计的具体要求，选择了合理的解决办法。
在后面的几章，将对各个模块进行详细的阐述，并给出具体的实现方法。
3液位控制系统硬件的设计
广泛的液位控制系统包括对水体的液位，压力等的控制，本系统只侧重于介绍液位的控制。
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I/O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,实现液位的报警和键盘的显示与控制[5]。
3.1核心芯片8051单片机
的系列产品有8051、8031、8051。
其中影响极为深远就是8051。
很多其他系列的单片机都以它的技术为核心,所以本设计所采用核心芯片是8051单片机。
CPU是它的核心设备,从运用功能上看,CPU其中包含两个部分：
运算器和控制器以及对输入信号的分析和处理[6]。
控制信号采集、处理、输出三个过程。
这种芯片内置4KEPROM，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。
系统的原理是运用液位式传感器测量液体的液位值,通过单片机的转换与分析，在LED上显示及输出控制。
根据当前的液位值以及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,必要时关闭阀门。
外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。
8051单片机引脚功能：
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（I/O）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[7]。
8051的初始态如表3-1。
特殊功能寄存器
初始态
特殊功能寄存器
初始态
ACC
00H
B
00H
PSW
00H
SP
07H
07H
00H
TH0
00H
DPL
00H
TL0
00H
IP
xxx00000B
TH1
00H
IE
0x00000B
TL1
00H
TMOD
00H
TCON
00H
SCON
xxxxxxxxB
SBUF
00H
P0-P3
1111111B
PCON
0xxxxxxxB
表3-1寄存器初始状态
8051的复位方式可以是自动复位见图3-2。
此外，RESET/Vpd还是一复用脚，此设计采用自动复位电路。
3.2液位传感器
在液体液位控制系统中,传感器的选择是极为重要的,传感器是能感受规定的被测量数据,并按照一定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,有光学传感器，加速度传感器,压力传感器，温度传感器,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光电传感器来对液位进行控制，再把检测到的电信号通过ADC0809输入单片机进行分析,接着由LED进行显示和键盘控制,实行对液位的报警，进而控制液体液位。
光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。
本设计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，这种液位传感器如图3-3所示：
图3-3液位传感器
由图3-3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。
而光敏三极管有两个PN结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度，也是把光信号转化成电信号。
光敏三级管是由高亮二极管进行发光的,高亮二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。
它的原理和光敏二极管相似,也是产生光电效应。
只不过原理正好相反,当有电流导体内部产生光电流,照射在PN结上,在内部产生光电流,它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。
因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。
由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件（光学测控系统）输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲（开关）式光电传感器。
模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。
而本设计的液位传感器的主要组成光敏三级管就是属于模拟式光电传感器。
通过吸收高亮二极管的光来测量液位的高度,在转化成光电流传到模拟传感器ADC0809中。
a光敏三极管的结构示意图b基本电路
图3-4光敏三极管
这样集电极电流IC将随入射光照度的改变而更加明显地变化。
光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成,如图3-5光电传感器框图:
图3-5光电传感器框图
光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，如图3-5所示。
图中，Ф1是光源发出的光信号，Ф2是光电器件接受的光信号，被测量可以是x1或者x2，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号I。
光电传感器设计灵活，形式多样，在越来越多的领域内得到广泛的应用[10]。
3.3光电式传感器的基本特性
3.3.1光谱特性
在入射光照度一定时，光敏晶体管的相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一种光敏晶体管只对一定波长范围的人射光敏感，这就是光敏晶体管的光谱特性，见图3-6。
由曲线可以看出，当入射光波长增加时，相对灵敏度要下降，这是因为光子能量太小。
当人射光波长太短时，光波穿透能力下降，却不能达到PN结，因此相对灵敏度也下降。
从曲线还可以看出，不同材料的光敏晶体管，光谱峰值波长不同。
硅管的峰值波长为0.9μm左右，锗管的峰值波长为1.5μm左右。
由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管性能较差。
因此在探测可见光或赤热物体时，多采用硅管。
但对红外光进行探测时，采用锗管较为合适[11]。
3.3.2伏安特性
如图3-7所示。
在这里改变光照就相当于改变一般三极管的基极电流，从而得到这样一簇曲线。
3.3.3光电特性
一般说来，光敏二极管光电特性的线性较好，而光敏三极管在照度小时，光电流随照度增加较小，。
这是由于光敏三极管的电流放大倍数在小电流和大电流时都下降的缘故。
3.3.4温度特性
温度的变化对光敏晶体管的亮电流影响较小，但是对暗电流的影响却十分显著。
因此，光敏晶体管在高照度下工作时，由于亮电流比暗电流大得多，温度的影响相对来说比较小。
但在低照度下工作时，因为亮电流较小，暗电流随温度变化就会严重影响输出信号的温度稳定性。
在这种情况下，应当选用硅光敏管，这是因为硅管的暗电流要比锗管小几个数量级。
同时还可以在电路中采取适当的温度补偿措施，或者将光信号进行调制，对输出的电信号采用交流放大，利用电路中隔直电容的作用，就可以隔断暗电流，消除温度的影响。
3.3.5频率特性
光敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性。
如图3-6所示。
减少负载电阻能提高响应频率，但输出降低。
一般来说，光敏三极管的频响比光敏二极管差得多，锗光敏三极管的频响比硅管小一个数量级。
图3-6光敏晶体管的光谱特性
图3-7光敏三极管的伏安特性
光电传感器的敏感范围远远超过了电感、电容、磁力、超声波传感器的敏感范围。
此外，光电传感器的体积很小，而敏感范围很宽，加上机壳有很多样式，几乎可以到处使用。
最后，随着技术的不断发展，光电传感器在价钱方面也可以同其他传感器相比有优势。
3.4A/D转换器ADC0809
A/D是把模拟信号转换成数字信号,把由传感器传来的液位控制的模拟信号转换成数字信号,然后再通过8051单片机的分析处理进行LED显示和液位及压力的报警。
3.4.1A／D转换基本原理
A／D转换接口技术是应用系统后向通道典型应用技术之一。
它涉及了A/D转换芯片的选择参考电压源的配置、数字输入码与模拟输出电压的极性等问题，而其中最核心的问题是A／D转换芯片的选择与应用问题。
A/D转换器的基本功能是将一个用二进制表示的数字量转换成相应的模拟量。
实现这种转换的基本方法是对应于二进制的每一位，产生一个相应的电流，而这个电流的大小正比于相应的二进制位的
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