基于單片機(jī)的鍋爐液位控制裝置設(shè)計(jì)

摘要：文章主要設(shè)計(jì)了一種鍋爐液位控制器，它以8051作為單片機(jī)。通過8051單片機(jī)、液位傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等硬件系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)具有液位檢測報(bào)警和控制的雙重功能，同時(shí)也具有報(bào)警和顯示控制的功能，并對(duì)液位和壓力值進(jìn)行顯示。本系統(tǒng)是基于單片機(jī)的水暖鍋爐控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)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(bào)警等幾部分組成來實(shí)現(xiàn)供暖控制。
關(guān)鍵詞：鍋爐液位控制；單片機(jī)；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(tái)，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(fèi)大、環(huán)境污染嚴(yán)重的生產(chǎn)狀態(tài)。鍋爐微機(jī)控制，是近年來新開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)。它是微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，工業(yè)鍋爐采用的是微機(jī)控制和原有的儀表控制。由于被控對(duì)象和過程的非線性、時(shí)變性，多參數(shù)間的強(qiáng)耦合、隨機(jī)干擾等因素，使得建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型變得很困難。在這些復(fù)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(duì)鍋爐進(jìn)行自動(dòng)化控制，并利用單片機(jī)及其外圍芯片實(shí)現(xiàn)鍋爐液位控制已經(jīng)成為可能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 核心芯片8051單片機(jī)
    整個(gè)系統(tǒng)電控部分以ATMEL公司的8051為核心芯片，控制信號(hào)采集、處理、輸出三個(gè)過程。這種芯片內(nèi)置4kEPROM，因?yàn)橄到y(tǒng)要求控制線較多，如果采用8031外置EPROM程序控制結(jié)構(gòu)，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(gòu)，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(hù)，使整個(gè)系統(tǒng)的通用性和智能化得到了很大的提高。
    本設(shè)計(jì)采用MCS-8051單片機(jī)來控制系統(tǒng)報(bào)警。MCS-51系列單片機(jī)中的8051采用40Pin封裝的雙列直插結(jié)構(gòu)。其40個(gè)引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根，4組8位共32個(gè)I／O口，中斷口線與P3口線復(fù)用。
1．2 模擬信號(hào)的采集和處理
    為了實(shí)現(xiàn)鍋爐在爐內(nèi)液位過高或低液位時(shí)發(fā)出聲光報(bào)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(hào)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(hào)，然后把數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行處理。
    所用ADC是0809。該芯片使用逐次逼近法能換開關(guān)CD4511將輸入擴(kuò)展成十五路。ADC0809內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，故用8051的ALE為其提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)。0809要求的時(shí)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(hào)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(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)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(dāng)OE端為高電平時(shí)，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(guān)以及與微型計(jì)算機(jī)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(gè)高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個(gè)帶有模擬開關(guān)樹組的256電阻分壓器，以及一個(gè)逐次逼近型寄存器。8路的模擬開關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個(gè)通道中任意訪問一個(gè)通道的模擬信號(hào)。由于多路開關(guān)的地址輸入部分能夠進(jìn)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(jì)算機(jī)接口。
    A／D轉(zhuǎn)換電路在控制器中起主導(dǎo)作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)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(shí)可選擇中斷、查詢和延時(shí)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(shí)先經(jīng)過運(yùn)算放大器和分壓電路把傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，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(gè)壓力傳感器和相應(yīng)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(bǔ)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(hào)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(yùn)行，必須對(duì)壓力進(jìn)行檢測和控制，當(dāng)被測壓力達(dá)到極限值需報(bào)警的，則應(yīng)選用附帶報(bào)警裝置的各類壓力計(jì)。
1．5 液位顯示電路
    液位顯示采用數(shù)碼管動(dòng)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(hào)是LDS18820。在這里使用到了74LS373，它是一個(gè)8位的D觸發(fā)器，在單片機(jī)系統(tǒng)中經(jīng)常使用，可以作地址數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展的鎖存器，也可以作為普通的LED的驅(qū)動(dòng)器件，由于單獨(dú)使用CD4511七段譯碼驅(qū)動(dòng)顯示器來完成數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)顯示，因此74LS373在這里只用作擴(kuò)展的緩沖。
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2 軟件設(shè)計(jì)
2．1 鍵盤程序
    由于鍵盤采用的是4×4結(jié)構(gòu)，因此可使用的鍵有16個(gè)，根據(jù)需要分別定義各鍵，0～9號(hào)為數(shù)字鍵，10～15號(hào)分別是確定鍵、修改鍵、移位鍵、加／減鍵、取消鍵和復(fù)位鍵。程序如下：
   
2．2 A／D轉(zhuǎn)換子程序
    程序設(shè)計(jì)內(nèi)容：
    (1)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換時(shí)，采用查詢EOC的標(biāo)志信號(hào)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(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換之前，要啟動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)換的正確脈沖信號(hào)。
   
   

3 總結(jié)
    采用MCS-8051單片機(jī)設(shè)計(jì)出的工業(yè)鍋爐控制器，能夠針對(duì)水位的不同狀態(tài)和不同外界條件進(jìn)行控制，單片機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、控制品質(zhì)良好、控制效果明顯改善；同時(shí)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(yùn)行。工業(yè)鍋爐控制器充分利用了單片機(jī)的特點(diǎn)，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(qiáng)、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，且系統(tǒng)硬、軟件維護(hù)簡單方便，尤其適用于工業(yè)控制現(xiàn)場，具有良好的應(yīng)用前景。