传感器与检测技术期末作业-基于单片机的锅炉液位控制系统.doc

传感器与检测技术期末作业锅炉集中控制方案班级：电气08-4班姓名： 学号： 摘 要 本文主要设计了一种基于单片机的锅炉液位控制系统，它以STC89C52单片机作为核心控制器，通过STC89C52单片机，温度传感器、压力传感器和模数转换器，数码管显示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.本系统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液位控制。主要用液位传感器检测液位，用DS18B20温度传感器来检测水温，用三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MOC3041双向可控硅来控制水泵的开关，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，即是否需要开启水泵，来实现对液位的控制,从而实现单片机自动控制液位的目的。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：STC89C52单片机,液位控制，显示，报警温度传感器DS18B20DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式；温度测量范围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。这些特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。2.4.1 DS18B20的内部结构及管脚图DS18B20的内部结构如图2-7所示，主要由4部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。该装置信号线高的时候，内部电容器储存能量通由1线通信线路给片子供电，而且在低电平期间为片子供电直至下一个高电平的到来重新充电。DS18B20的电源也可以从外部3V-5.5V的电压得到。图 2-7 DS18B20的内部结构DS18B20的管脚排列如图2-8所示，DQ为数字信号输入输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。 该图引自单片机课程设计实例指导图 2-8 DS18B20的管脚排列2.4.2 DS18B20技术性能描述(1) 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。(2) 测温范围 55125，固有测温分辨率0.5。(3) 支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。(4) 工作电源: 35V/D.C；在使用中不需要任何外围元件。(5) 测量结果以912位数字量方式串行传送。(6) 适用于DN1525,DN40DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温。(7) PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。2.4.3 DS18B20的温度处理过程2.4.3.1 DS18B20的初始化（1） 先将数据线置高电平“1”。（2） 延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）。（3） 数据线拉到低电平“0”。（4） 延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。（5） 数据线拉到高电平“1”。（6） 延时等待（如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。（7） 若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要480微秒。（8） 将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。其时序如图2-9所示： 该图引自单片微型计算机原理及接口技术 图2-9 初始化时序2.4.3.2 DS18B20的写操作（1） 数据线先置低电平“0”。（2） 延时确定的时间为15微秒。（3） 按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。（4） 延时时间为45微秒。（5） 将数据线拉到高电平。（6） 重复上（1）到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。（7） 最后将数据线拉高。DS18B20的写操作时序图如图2-10所示。 该图引自单片微型计算机原理及接口技术 图2-10 写时序2.4.3.3 DS18B20的读操作（1）将数据线拉高“1”， 延时2微秒。（2）将数据线拉低“0”， 延时15微秒。（3）将数据线拉高“1”， 延时15微秒。（4）读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。（5）延时30微秒。DS18B20的读操作时序图如图2-11所示。该图引自单片微型计算机原理及接口技术图 2-11读时序2.5 LED数码管显示2.5.1 LED数码管显示器的结构LED显示器是一种由发光二极管显示字段的显示器件，也可称为数码管。单片机系统中通常使用8段LED数码显示器，其外形及引脚如图2-12（a）所示，由图可见8段LED显示器由8个发光二极管组成。其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，通过不同的组合可用来显示各种数字，包括AF在内的部分英文字母和小数点“ ”等字样。 图 2-12 LED数码管显示的结构LED显示器有两种不同的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V,每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。当阴极端输入低电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时不点亮。称为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时不点亮。称为共阴极LED显示器。如图2-12（b）所示。2.5.2 LED数码管显示器的显示段码为了显示字符，要为LED显示器提供显示段码（或称字形代码），组成一个“8”字形字符的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED显示器的显示段码为1个字节。各段码位的对应关系如表2-5： 表2-5 段码位的对应表段码位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0显示段 dp g f e d c b a用LED显示器显示十六进制数和空白字符与P的显示段码如表2-6所示。字型共阳极段码共阴极段码 字型共阳极段码共阴极段码 0 C0H 3FH 9 90H 6FH 1 F9H 06H A 88H 77H 2 A4H 5BH B 83H 7CH 3 B0H 4FH C C6H 39H 4 99H 66H D A1H 5EH 5 92H 6DH E 86H 79H 6 82H 7DH F 84H 71H 7 F8H 07H 空白 FFH 00H 8 80H 7FH P 8CH 73H 表2-6 十六进制数和空白字符与P的显示段码共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的，当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合从而显示各种字符。8个笔划段dpgfedcba对应于1B（8位）的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0，于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。例如，对于共阴极LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极dpgfedcba各段为01110011时，显示器显示“P”字符，即对于共阴极LED显示器，“P”字符的字形码是0×73。如果是共阳极LED显示器，公共阳极接高电平，显示“P”字符的字形代码应为10001100（0x8C）。这里必须注意的是：很多产品为方便接线，常不按规则的方法去对应字段与位的关系，这时字形码就必须根据接线自行设计了。 2.5.3 LED显示器的参数 由于LED显示器是以LED为基础的，所以它的光、电特性及极限参数意义大部分与发光二极管的相同。但由于LED显示器内含多个发光二极管，所以需有如下特殊参数：(1) 发光强度比 由于数码管各段在同样的驱动电压时，各段正向电流不相同，所以各段发光强度不同。所有段的发光强度值中最大值与最小值之比为发光强度比。比值可以在1.52.3间，最大不能超过2.5。 (2) 脉冲正向电流 若笔画显示器每段典型正向直流工作电流为IF，则在脉冲下，正向电流可以远大于IF。脉冲占空比越小，脉冲正向电流可以越大。第三章锅炉液位控制的硬件设计3.1系统硬件设计的总体方案及框图3.1.1系统硬件设计总体方案系统的硬件结构主要包括：STC89C52RC、4个液位传感器、1个温度传感器DS18B20、逐次逼近式A/D换器ADC0809、双向可控硅驱动电路MOC3041和双向晶闸管Z0409MF等。此外，还有键盘显示电路、报警输出电路等。（由于资金原因及市场上很难买到，4个液位传感器用一个10K的电位器模拟，水泵的状态用3个发光二极管模拟。）它的工作流程如下：开始，由电位器每隔5s对水位进行采样，并输出0-5V模拟信号，再经AD转换变成相应的数字信号，送入STC89C52单片机进行数据处理。单片机经运算后,与设定的液位值(下限液位H1、上限液位H2、下下限液位H3、上上限液位H4)依次进行比较：若H1<HX<H2：则表示正常液位，水位指示灯亮，呈红色，水泵工作开度最小，其指示灯有一个亮，呈红色；若H3<=HX<=H1：则表示处于下下限与下限液位之间，水泵处于正常开度状态，有俩个工作指示灯亮，呈红色；若H2<=HX<=H4：则表示处于上限与上上限液位之间，停止水泵供水，水泵工作指示灯全灭；液位正常指示灯灭；若HX<=H3：则表示达至下下限液位，水泵处于最大开度状态加水，三个工作指示灯全亮，并启动报警器报警；若HX>=H4：则表示达至上上限液位，水泵处于全关状态，三个工作指示灯全灭，并启动报警器报警；同时数字温度传感器DS18B20把采集到的温度值送到单片机中经处理后，通过74LS164驱动的静态数码管显示其采集到的温度值。压力传感器把采集到的数据经A/D0809转换之后送到单片机经过处理后，也通过数码管显示其压力值。在设计中有一个温度与压力值交替显示的按键，它可以按人们的意愿去选择显示温度值还是压力值。如果报警器启动后，设有报警消除按钮，消除报警；有温度和压力转换按钮，可以轮流显示温度和压力值。3.1.2 系统设计的总体框图单片机STC89C52执行机构水泵ADC0809锅炉传感器键盘显示报警给定值图3-1 系统的总体框图 在实际的硬件电路中，用3个发光二极管来模拟水泵的全开，半开，全关三种状态。4个液位传感器用一个电位器来模拟，通过调节电位器的电压值大小，来模拟液位的几种状态。执行机构为MOC3041双向可控硅来驱动水泵的工作，报警器件选择压电蜂鸣器。示方法有静态显示和动态显示两种。3.4.1静态显示所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。3.4.2 动态显示如果要在同一时刻显示不同的字符，从电路上看，这是办不到的。因此只能利用人眼视觉的残留效应，采用动态扫描显示的方法，逐个地循环点亮各位数码管，每位显示1ms左右，是人眼看起来就好像在同时显示不同的字符一样。 在进行动态显示时，往往事先并不知道应显示什么内容，这样也就可以选择被显示字符的显示段码。为此，一般采用查表的方法，由待显示的字符通过查表得到其对应的显示段码。3.4.3 该设计中显示电路的选择可以提供单独锁存的I/O接口电路很多，且静态显示的软件设计比较容易。所以在设计中选择常用的串并转换电路74LS164静态显示电路。STC89C52单片机串行口方式0为移位寄存器方式，外接3片74LS164作为3位LED显示器的静态显示接口，把STC89C52的RXD作为数据输出线，TXD作为移位时钟脉冲。74LS164为TTL单向8位移位寄存器，可实现串行输入，并行输出。其中A、B（第1、2脚）为串行数据输入端，2个引脚按逻辑与运算规律输入信号，共一个输入信号时可并接。T（第8脚）为时钟输入端，可连接到串行口的TXD端。每一个时钟信号的上升沿加到T端时，移位寄存器移一位，8个时钟脉冲过后，8位二进制数全部移入74LS164中。R（第9脚）为复位端，当R=0时，移位寄存器各位复0，只有当R=1时，时钟脉冲才起作用。Q1Q8（第3-6和10-13引脚）并行输出端分别接LED显示器的hg···a各段对应的引脚上。在给出了8个脉冲后，最先进入74LS164的第一个数据到达了最高位，再来一个脉冲，第一个脉冲就会从最高位移出。该电路中3片7LS164首尾相串，而时钟端则接在一起，这样，当输入8个脉冲时，从单片机RXD端输出的数据就进入到了第一片74LS164中了，而当第二个8个脉冲到来后，这个数据就进入了第二片74LS164，而新的数据则进入了第一片74LS164，这样，当第3个8个脉冲完成后，首次送出的数据被送到了最低位的164中，其他数据依次出现在第一、二片74LS164中。显示电路图如图3-6所示： 图 3-6 显示电路图3.5 液位控制电路的设计3.5.1 液位控制电路的工作原理及液位控制状态图 在设计中，液位的几种状态是通过电位器的不同电压来模拟的，采用的电位器电压范围为05V。加水装置水泵的各种状态由三个发光二极管模拟，由于设计只是模拟系统，压力传感器不易买到，所以压力的显示直接采用软件赋值的方式。 设定电位器的电压值为1V表示下下限，2V表示下限，3V表示上限，4V表示上上限。当电位器电压值0X<1时，说明液位处于下下限以下，此时水泵加水开度最大，水泵工作指示灯P2.4亮,且三个发光二极管全亮（P1.3P1.5），同时启动报警装置进行报警，当操作人员听到报警声时，可以按下消除报警按钮(P1.0)停止报警，并对系统做相应的处理；当电位器的电压值1X<2时，说明液位处于下限与下下限之间，此时水泵依然加水（P2.4依然亮），开度处于正常流量，有俩个二极管亮(P1.3和P1.4)；当电位器的电压值2X<3时，说明液位处于下限与上限之间，此时液位处于正常状态，液位正常指示灯P2.3亮，此时水泵依然加水（P2.4依然亮），开度最小，有一个二极管亮(P1.3) ，用于维持正常的液位；当电位器的电压值3X<4时，说明液位处于上限限与上上限之间，此时停止水泵加水（水泵工作指示灯P2.4灭），正常液位指示灯P2.3同时熄灭；当电位器的电压值4X时，说明液位超过上上限，启动报警装置报警，此时水泵依然不工作（水泵工作指示灯P2.4灭）。其液位状态表示电路图如图3-7所示(其中图（a）所示是水泵开度大小的指示模拟电路，图（b）为液位正常与不正常时的指示灯电路，图（c）是液位报警电路)。 (a) 水泵开度大小的模拟电路 （b） 液位正常与不正常时的指示灯电路 (c) 液位报警电路 图 3-7 液位控制状态电路图3.5.2 液位控制的控制电路在设计中采用了双向可控硅MOC3041驱动电路控制水泵的启停的。MOC304l芯片是一种集成的带有光耦的双向可控硅驱动电路。它内部集成了发光二极管、双向可控硅和过零触发电路等器件，它的内部结构和外部引脚如图3-8所示。 图 3-8 MOC3041 的内部结构从图中可以看出，它由输入和输出两部分组成。输入部分是一个砷化镓发光二极管，在5-15mA正向电流的作用下，发出足够强度的红外光，去触发输出部分。输出部分包括一个硅光敏双向可控硅和过零触发器。在红外线的作用下，双向可控硅可双向导通，与过零触发器一起输出同步触发脉冲，去控制执行机构一外部的双向可控硅。由MOC304l组成的过零触发双向可控硅电路简单可靠，液位控制电路图如图3-9所示。 图 3-9 液位控制电路图该部分的工作过程是：当单片机的P2.5输出为低电平时，图3-9所示的MOC3041构成的输出通道图MOC3041内部导通，G端出现同步触发脉冲，控制可控硅导通，打开水泵；当P2.5为高电平时，MOC3041内部截止，可控硅断开，关闭水泵。（设计中用一个二极管来模拟水泵的开与关。）3.5.3 液位控制中的“虚假水位”影响汽包液位的因素除了加热汽化这一正常因素外,还有蒸汽负荷和给水流量的波动。当负荷突然增大,汽包压力突然降低,水就会急剧汽化,出现大量气泡,形成了“虚假液位”。    如果使用简单的锅炉汽包液位的单冲量控制系统(如图3-10所示) ,一旦负荷急剧变化,虚假液位的出现,调节器就会误以为液位升高而关小供水阀门。影响了生产甚至造成危险。 图 3-10 锅炉汽包液位的单冲量控制图    为此,图3-11采取了锅炉汽包液位的双冲量控制,它在单冲量的基础上,再加一个蒸汽冲量,以克服“虚假液位”。其中调节阀为气关阀,液位调节器采用正作用,调节器输出信号在加法器内与蒸汽流量信号相减。双冲量实际上是前馈与反馈调节相结合的调节系统。当负荷突然变化时,蒸汽的流量信号通过加法器,使它的作用与水位信号的作用相反;假液位出现时,液位信号a 要关小给水阀, 而蒸汽信号b是开大给水阀,这就能克服“虚假液位”的影响。但是如果给水压力本身有波动时,双冲量控制也不能克服给水量波动的影响。 图 3-11 锅炉汽包液位的双冲量控制图    这就要用如图3-12 所示的锅炉汽包液位的三冲量调节系统。即再加一个给水流量的冲量c ,使它与液位信号的作用方向一致,这种调节系统由于引进了液位、给水流量及蒸汽流量三个参数,叫做三冲量调节系统。根据三个冲量在调节系统中引入位置不同,三冲量调节系统有多种方案,下面讨论一种常见的三冲量调节系统:蒸汽流量和给水流量前馈与汽包液位反馈所组成的三冲量系统。图3-12 中所示的三冲量系统,汽包液位是被控变量,是主冲量信号,蒸汽流量和给水流量是辅助冲量信号。系统将蒸汽流量和给水流量前馈到汽包液位调节系统中去,一旦蒸汽流量或给水流量发生波动,不是等到影响到液位才进行调节,而是在这两个流量改变之时就能通过加法器立即去改变调节阀开度进行校正,故大大提高了液位这个被调参数的调节精度。 图 3-12 锅炉汽包液位的三冲量控制图    在稳定状态下,液位测量信号等于给定值,液位调节器的输出,蒸汽流量及给水流量等三个信号,通过加法器得到的输出电流为:I0 = K1I1-K2I2+K3I3式中,I1为液位调节器的输出电流；I2为蒸汽流量变送器的电流；I3为给水流量变送器的电流；K1、K2、K3分别为加法器各通道的衰减系数。设计K2I2=K3I3此时I0正是调节阀处于正常开度时所需要的电流信号(为了安全调节阀必须用气关阀) 。假定在某一时刻,蒸汽负荷突然增加,蒸汽流量变送器的输出电流I2 相应增加,加法器的输出电流I0 就减少,从而开大给水调节阀。但是与此同时出现了假液位现象,液位调节器输出电流I1 将增大。由于进入加法器的两个信号相反, 蒸汽流量变送器的输出电流I2会抵消一部分假液位输出电流I1,所以,假液位所带来的影响将局部或全部被克服。待假液位过去,水位开始下降,液位调节器输出电流I1开始减小,此时,它与蒸汽流量信号变化的方向相反,因此加法器的输出电I0 减小,意味着要求增加给水量,以适应新的负荷需要并补充液位的不足。调节过程进行到液面重新稳定在给定值,给水量和蒸发量达到新的平衡为止。当蒸汽负荷不变,给水量本身因压力波动而变化时,加法器的输出相应变化,去调节阀门开度,直至给水量恢复到所需的数值为止。由于引进了蒸汽流量和给水流量两个辅助冲量,起到了“超前信号”的作用,使给水阀一开始就向正确的方向移动, 因而大大减小了液位的波动幅度,抵消了虚假液位的影响,并缩短了过渡过程时间。图3-13为三冲量液位调节方案图。图 3-13 为三冲量液位调节方案图从上面分析可以看出三冲量调节系统能及时克服负荷(蒸汽量)和给水流量的干扰作用,调节精度高,适用于汽包容积较小、负荷和给水干扰较大的场合。单冲量适合在汽包容积较大、负荷变化比较小的场合。双冲量调节适合于锅炉容积较小,给水压力波动不大的场合。锅炉汽包液位采用三冲量调节系统,实践证明效果良好。 在这次设计中，“虚假水位”只做理论参考，实际设计也不会出现“虚假水位”，故没有这部分的处理。3.6 测温电路及温度传感器的选择3.6.1 温度传感器的选择目前我们可选择许多类型的IC温度传感器与多种多样的应用相匹配。从简单的模拟输出温度传感器到数字输出的本地传感器再到具有远程温度监测功能和复杂风扇控制算法的高度集成的温度监视系统。（1） 模拟温度传感器初期的IC温度传感器是提供一个与温度成比例的输出电压或电流。通过改变热敏电阻，使其为电阻随温度呈非线性关系变化的特性。现在的模拟温度传感器无需附加线性化电路来校准热敏电阻的非线性，当要求电压与温度之间呈线性关系时，它是良好的选择。虽然新的数字输出温度传感器已经在许多应用中取代了模拟输出温度传感器，但是模拟输出温度传感器仍然有用武之地。例如，AD590电流输出温度传感器。该器件经常用于远程温度检测，因为高阻抗电流输出使其对长线路传输的电压降不敏感，并且还能用于多种多样的温度检测器应用，具有+4 V +30 V宽工作电压范围。（2） 数字输出温度传感器在许多应用中，最终需要以数字形式提供温度数据。这可以通过将一个模拟温度传感器的输出接到一个模数转换器（ADC）来实现。然而，随着IC产品制造技术的进步，将这种ADC和许多其它功能一起集成到温度传感器的管芯上已经成为经济有效的方法。它能降低成本、印制电路板（PCB）面积和功耗，同时简化系统设计工程师的任务。数字温度传感器类似于模拟温度传感器，但是它的输出不是以电流或电压形式而是将其转换为1或0形式的数字量。因此，数字输出温度传感器适合于连接到一个MCU。3.6.2 温度检测电路在该设计中温度的测量是采用了数字温度传感器DS18B20。DS18B20为一线式数字温度传感器，它只有3个引脚，体积小，分辨率高，与单片机连线只需要一个I/O口就可以，可节省大量的引线和逻辑电路，硬件电路简单且价格也不贵。故采用此传感器来实现温度的检测。（关于DS18B20的具体介绍在第二章的芯片资料）图3-14 温度测试电路图参考文献1高锋 单片微型计算机原理与接口技术M 北京：科学出版社.20032郑风翼 电工仪表与测量M一E 北京：人民邮电出版社.19993房小翠，王金凤 单片机实用系统设计技术M 北京：国防工业出版社.19994肖洪兵.李朝晖吴新峰等 单片机控制的自来水节能加热装置J自动化博览，1999(3)：20-225王化祥，张淑英传感器原理及应用M 天津：天津大学出版社2004 (编辑明涛)6 于凤明主编. 单片机原理及接口技术M. 中国轻工业出版社.1998年9月版7 赵佩华主编. 单片机接口技术及应用M. 机械工业出版社.2003年1月版. 8 王福瑞主编. 单片微机测控系统设计大全M. 北京航天航空大学出版社.9 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