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
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1、 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
2、,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
3、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
4、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:
5、 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
6、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
7、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 L
8、ED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
9、,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
10、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L
11、ED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073。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
12、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
13、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H
14、1、上限液位H2、下下限液位H3、上上限液位H4)依次进行比较:若H1HXH2: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=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
15、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
16、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
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