基于單片機的鍋爐液位控制裝置設計

摘要：文章主要設計了一種鍋爐液位控制器，它以8051作為單片機。通過8051單片機、液位傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等硬件系統(tǒng)和軟件設計方法，實現(xiàn)具有液位檢測報警和控制的雙重功能，同時也具有報警和顯示控制的功能，并對液位和壓力值進行顯示。本系統(tǒng)是基于單片機的水暖鍋爐控制系統(tǒng)，在設計中主要有水位檢測、溫度檢測、按鍵控制、水位控制、顯示部分、故障報警等幾部分組成來實現(xiàn)供暖控制。
關鍵詞：鍋爐液位控制；單片機；壓力傳感器；模數(shù)轉(zhuǎn)換器

0 引言
    目前我國燃燒鍋爐的數(shù)量眾多，現(xiàn)有中、小型鍋爐30多萬臺，每年耗煤量占我國原煤產(chǎn)量的四分之一，目前大多數(shù)工業(yè)鍋爐仍處于能耗高、浪費大、環(huán)境污染嚴重的生產(chǎn)狀態(tài)。鍋爐微機控制，是近年來新開發(fā)的一項新技術。它是微型計算機軟件、硬件、自動控制、鍋爐節(jié)能等幾項技術緊密結(jié)合的產(chǎn)物，工業(yè)鍋爐采用的是微機控制和原有的儀表控制。由于被控對象和過程的非線性、時變性，多參數(shù)間的強耦合、隨機干擾等因素，使得建立被控對象的精確數(shù)學模型變得很困難。在這些復雜的系統(tǒng)面前，傳統(tǒng)的控制方法無法滿足控制精度，而且系統(tǒng)穩(wěn)定性差。更好地對鍋爐進行自動化控制，并利用單片機及其外圍芯片實現(xiàn)鍋爐液位控制已經(jīng)成為可能。

1 系統(tǒng)硬件設計
1．1 核心芯片8051單片機
    整個系統(tǒng)電控部分以ATMEL公司的8051為核心芯片，控制信號采集、處理、輸出三個過程。這種芯片內(nèi)置4kEPROM，因為系統(tǒng)要求控制線較多，如果采用8031外置EPROM程序控制結(jié)構，則造成控制線不夠；而8051卻可以利用P0、P2口作控制總線，大大簡化硬件結(jié)構，并可以直接控制鍵盤參數(shù)輸入、LED數(shù)據(jù)顯示，方便現(xiàn)場調(diào)試和維護，使整個系統(tǒng)的通用性和智能化得到了很大的提高。
    本設計采用MCS-8051單片機來控制系統(tǒng)報警。MCS-51系列單片機中的8051采用40Pin封裝的雙列直插結(jié)構。其40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I／O口，中斷口線與P3口線復用。
1．2 模擬信號的采集和處理
    為了實現(xiàn)鍋爐在爐內(nèi)液位過高或低液位時發(fā)出聲光報警，本系統(tǒng)決定采用傳感器來采集爐內(nèi)壓力，傳感器輸出的模擬信號均接放大器輸入端，經(jīng)過放大后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后把數(shù)字信號送入單片機進行處理。
    所用ADC是0809。該芯片使用逐次逼近法能換開關CD4511將輸入擴展成十五路。ADC0809內(nèi)部沒有時鐘電路，故用8051的ALE為其提供時鐘脈沖信號。0809要求的時鐘脈沖頻率不能超過640kHz(否則轉(zhuǎn)換精度下降，甚至不能工作)，所以又接一74LS74將8051ALE的1MHz輸出二分頻成500kHz再送入0809。ADC0809的選通信號Y2由74LS138將8051的P2．5至P2．7輸出譯碼提供。
1．3 A／D轉(zhuǎn)換器
    我們采用常見的ADC0809。ADC0809是8位逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器。它由一個8路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個A／D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A／D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存A／D
轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。
    ADC0809是帶有8位A／D轉(zhuǎn)換器、8位多路開關以及與微型計算機兼容的控制邏輯的CMOS組件，其轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近型。在A／D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部含有一個高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個帶有模擬開關樹組的256電阻分壓器，以及一個逐次逼近型寄存器。8路的模擬開關由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個通道中任意訪問一個通道的模擬信號。由于多路開關的地址輸入部分能夠進行鎖存和譯碼，而且三態(tài)TTL輸出也可以鎖存，所以它易于與微型計算機接口。
    A／D轉(zhuǎn)換電路在控制器中起主導作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機能處理的數(shù)字量。該控制器采用CMOS工藝制造的逐次逼近式8位A／D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809。在使用時可選擇中斷、查詢和延時等待3種方式編制A／D轉(zhuǎn)換程序。A／D轉(zhuǎn)換部分在接線時先經(jīng)過運算放大器和分壓電路把傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后輸入到A／D轉(zhuǎn)換器。
1．4 傳感器
    傳感器使用SY-9411L-D型變送器，它內(nèi)部含有1個壓力傳感器和相應的放大電路。壓力傳感器是美國SM公司生產(chǎn)的555-2型OEM壓阻式壓力傳感器，具有全溫度補償功能。傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)之一，為了保證生產(chǎn)正常運行，必須對壓力進行檢測和控制，當被測壓力達到極限值需報警的，則應選用附帶報警裝置的各類壓力計。
1．5 液位顯示電路
    液位顯示采用數(shù)碼管動態(tài)顯示，范圍從0～999(單位可自定)，選擇的數(shù)碼管是7段共陰極連接，型號是LDS18820。在這里使用到了74LS373，它是一個8位的D觸發(fā)器，在單片機系統(tǒng)中經(jīng)常使用，可以作地址數(shù)據(jù)總線擴展的鎖存器，也可以作為普通的LED的驅(qū)動器件，由于單獨使用CD4511七段譯碼驅(qū)動顯示器來完成數(shù)碼管的驅(qū)動顯示，因此74LS373在這里只用作擴展的緩沖。
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2 軟件設計
2．1 鍵盤程序
    由于鍵盤采用的是4×4結(jié)構，因此可使用的鍵有16個，根據(jù)需要分別定義各鍵，0～9號為數(shù)字鍵，10～15號分別是確定鍵、修改鍵、移位鍵、加／減鍵、取消鍵和復位鍵。程序如下：
   
2．2 A／D轉(zhuǎn)換子程序
    程序設計內(nèi)容：
    (1)進行A／D轉(zhuǎn)換時，采用查詢EOC的標志信號開檢測A／D轉(zhuǎn)換是否完畢，若完畢則把數(shù)據(jù)通過P0口讀入，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后在數(shù)碼管上顯示。
    (2)進行A／D轉(zhuǎn)換之前，要啟動轉(zhuǎn)換的方法：ABC=110選擇第三通道；ST=0，ST=1，ST=0產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)換的正確脈沖信號。
   
   

3 總結(jié)
    采用MCS-8051單片機設計出的工業(yè)鍋爐控制器，能夠針對水位的不同狀態(tài)和不同外界條件進行控制，單片機運行穩(wěn)定、控制品質(zhì)良好、控制效果明顯改善；同時大大提高了控制系統(tǒng)的抗干擾能力，保證了工業(yè)鍋爐的穩(wěn)定運行。工業(yè)鍋爐控制器充分利用了單片機的特點，較好地解決了高性能與低成本之間的矛盾。控制裝置具有成本低、抗干擾能力強、控制性能好等優(yōu)點，且系統(tǒng)硬、軟件維護簡單方便，尤其適用于工業(yè)控制現(xiàn)場，具有良好的應用前景。