单片机锅炉水位微机控制系统设计(20210112003057)

1、工业锅炉水位微机控制系统 1.设计的目的和意义： 工业锅炉实现微型计算机控制，是锅炉安全生产，提高热 效率,节约能源的一大创举。锅炉控制的被调量是汽包水位, 而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节，使汽包 内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围之内。汽包水位 控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以 水位作为水量平衡及否的控制指标，通过调整进水量的多少 来达到进出平衡,将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽 包屮位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。 本设计主要解决传感器的选择（温度，压力，水位）、输 出道的设计和软件程序的设计。其所能达到的技术指标为 （1）可以对锅炉水

2、位，蒸汽量和给水量分别采集（2）通过 单片机控制，使锅炉汽包水位维持在正常的范围内（3）具 有键盘显示功能（4）具有报警功能当水位超过上限或下限 时，能及时报警。 目前国内外随便科学技术技术的发展，都采用三冲量水 位自动调节系统，该控制引进蒸汽流量和给水流量信号作为 控制信号，系统动作及时，有较强的抗干扰能力，因此得到 广泛的应用。 1设计方案 工业锅炉汽包水位的自动控制，根据锅炉容量大小，供给蒸汽 （或热水）的使用要求不同，通常有单冲量自动控制系统、双冲 量自动控制系统和三冲量自动控制系统三种形式。 1.1单冲量水位控制系统 1.2双冲量水位控制系统 1.3三冲量水位控制系统 图1三冲量框图

3、 工业锅炉采用三冲量控制系统时，当蒸汽负荷突然发生变化， 蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即蒸汽流 量增加，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的反向 动作，因而减小了水位和给水流量的波动幅度。当由于水压干扰 使给水流量改变时，控制器能迅速消除干扰。如给水流量减少， 控制器立即根据给水流量减少的信号，开大给水阀门，使水流量 保持不变。另外，给水流量信号也是控制器动作后的反馈信号， 能使控制器及早知道调节的效果，所以三冲量给水调节系统，控 制器动作快，还可以避免调节过头，减少波动和失调，这样汽包 水位就很少受到影响。 从三冲量水位控制系统的可以看出，它由两个闭合回路组成：(

4、1) 是由给水量，调节阀，控制器组成的内回路；(2)由汽包水位对 彖和内回路构成的主回路，蒸汽流量和分流器均在闭合回路之 外，它的引入可以改善调节质量，但不影响闭合回路工作的稳定 性。所以三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。 1.4设计方案的确定 设计内容是以锅炉水位为主控信号，蒸汽流量为前馈信号给水 量为控制器的反馈信号来控制给水量。通过单片机的控制，使锅 炉汽包水位维持在正常的范围内，当水位超过上限或下限时，能 及时报警并采取相应措施。 设计方案是以蒸汽流量为前馈信号，给水量为控制的反馈信 号，经AD转换后送入单片机，经单片机分析计算后输出控制信 号，通过控制给水流量来控制锅炉水位，使

5、锅炉水位维持在正常 的范围内。同时系统对温度和压力信号进行采集和分析，可对超 标量的进行报警，同时具有键盘、显示电路和看门狗电路。如图 2所示 调节阀 2硬件设计 2. 1最小系统设计 2. 1.1单片机选择 MCS-51由如下几个功能部件组成：(1)微处理器(2)数据存 储器(3)程序存储器(4) 4个8位并行I/O 口 (5) 一个串行 口 (6) 2个16位定时器/计数器(7)中断系统(8)特殊功能 寄存器。MCS-51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能 强等特点，特別值得一提的是MCS-51CPU屮的位处理器，它实际 上是一个完整的1位微机算机。这个1位计算机有自己的CPU, 位

6、寄存器，I/O 口和指令集。1位机在开关决策，逻辑电路仿真, 4/30 工业控制方面非常有效：而8位机在数据采集，运算处理方面有 明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合 在一起，二者相辅相成，它是计算机的技术上的一个突破，本设 计采用89C-51单片机。 89C51其主要特性为(1)及MCS-51兼容(2) 4K字节可编程 闪烁存储器(3)寿命:1000写/擦循环(4)数据保留时间： 10年(5)全静态工作：0Hz-24Hz (6)三级程序存储器锁定(7) 128*8位内部RAM (8) 32可编程I/O线(9)两个16位定时器/ 计数器(10) 5个中断源(11)可编程

7、串行通道(12)低功耗 的闲置和掉电模式(13)片内振荡器和时钟电路。引脚图如图 3所示 VCC PO.O/ATjO XTAIU PO. 1/JW1 XTAJL2 P0.2/ATJ2 P0.3/Ar：3 P0.4/JW4 P0.5/ATJ5 P0.6/AD6 P0.7/AIJ7 RST EJWPP P1.O7T2 PSEbT Pl. 1/T2EX 7LLEZPROG P1.2/E-CI 89C51 P 1.3/CEXO P1.4/CEX1 P1.5/CEX2 P3.1/TkD P1.6/CEX3 P3.2ZLbTTU P1.7/CEX4 P3.3ZLbTTl P3.4/T0 P2.0/A.8

8、P3.5/T1 P2.1/A.9 P3.6/WK P3.7ZKXT P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 VSS P2.6/A14 P2.7/A15 40 fcsritsr芝 20 图389C51引脚图 5/30 2. 1.2复位电路设计 MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST 通过一个施密特触发器及复位电路连接，施密特触发器用来抑制 噪声，在每个机器周期的S5P2,施密特触发器的输岀电平由复 位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。 复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种形式。上电自 动复位是通过外部复位电路的电容充电

9、来实现的。当电源接通时 只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位，当 时钟频率选用6MHz时,C取22F时,R取1K欧姆。 除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。按键手动复位有 电平方式和脉冲方式两种。其屮电平复位是通过RST端经电阻及 电源接通实现。 2. 1.3时钟电路选择 MCS-51单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准, 有条不紊的一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的 速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性，本设计 采用内部时钟方式。 2. 1.4 “看门狗”电路 本设计采用MAX690芯片，具有以下性能：具有看门狗电路， 进入死循环的时

10、间间隔超过1.6s时，将产生一个复位输出。具 有备用电池切换电路，备用电池可供电给RAM芯片，在微处理器 上电、掉电及供电电压时，产生一个复位输出信号可用于低电平 检测，看门狗电路如图4所示 图4看门狗电路 2.2前向通道设计 2. 2.1传感器的选择 （1）温度传感器选择 本设计采用WP-PT100温度传感器，其特性及应用：抗震性好, 耐高压，多种温度型号可选择，安装方式多元化，可进行OEM定 做，应用及化纤，橡塑，石油，造纸，水电，食品等设备的过程 温度测量及控制。 （2）压力传感器选择 本设计采用PT112型压力传感器，PT112系列高温熔体压力传 感器是一种基于惠斯登电桥原理而工作的，

11、其耐高温特性可以应 用于特殊的的工业，使其成为橡塑，化纤等机械设备屮高温流体 压力测量及控制的理想产品。 （3）水位传感器选择 本设计采用CR-601C型水位传感器，CR-60系列电容式液位变 送器，适用于高温高压、强腐蚀、易结晶、易堵塞等恶劣条件下 连续检测可导电的液体。特别适合测量酸碱溶液和锅炉的水位。 整机无任何可动或弹性部件，耐冲击、安装方便、可靠性高、精 度高、性能价格比好。替代传统的浮球式、投入式、差压式等液 位变送器在各种场合下应用有不可比拟的优势。 (4) 流量传感器选择 本设计采用LUGB-21/ZX涡街流量传感器,可以用于多种数据散 集系统，及XS型流量显示仪配套组成流量计

12、，用于测量管道屮 液体、气体、蒸汽的瞬时流量和累积流量，并输出信号控制相应 设备。该传感器广泛用于电力、机械、轻工、冶金、石油、化工、 造纸、科研及城市供水、供热、供气以及各种工业过程控制、能 源管理和环境工程等领域。 2. 2.2 A/D转换芯片的选择 本设计采用A/D转换器ADC0809o 10/30 V+) 昭) EN2 EN3 3-T4 ALE CLK ADC0809 ALE START :驀Gl 莎Y6Y5Y4亦互YlYO D7 D6 D5 D4 D3 D2 DI DO Q D Q CK ion T0.1 RD 102 103 P2.7 JO.4 P05 P2j6 P0/5 107

13、P25 WR 89C51 74LS138 图5 ADC0809接线图 2.3后向通道设计 2. 3. 1 DA 转换 本设计采用DA转换器DAC0832o 3 To CS ILE XFER VDD DZO VREF DAC0832 九g DZ3 DI4 IOUT1 DI5 IOUT2 DI6 DF7 GND GND 20 8 9 11 工 图6 DAC0832引脚图 DAC0832及单片机接线图7所示。 WR wT SSC5 P2 7 P20 P25 P0 7 PO0 P0 5 P0.4 P03 P0 2 P0.1 POO B C 74LS13$ 02A -L YDV1Y2Y3V4Y3W芮 +

14、5V O- XF ILE cT DGND DACte32 D17 D16 Di5 D14 DI3 D12 Dll DIO为 loutl Iour2 0 *5V O 107 图7 DAC0832及单片机接线 2. 3. 2V/I转换芯片选择 本设计采用V/I转换芯片AD694, AD694产品是一个单片电流变 送器接受高层次的信号输入标准4 -20毫安电流回路为控制阀 门，执行器和其他装置屮常用的过程控制。 10 / 30 2. 3. 3调节阀 本设计采用HRTP-64KE电动调节阀。HRL电动执行器采用一体 化结构设计，具有自诊断功能，使用和调校十分方便。有数字显 示窗口，可看到控制信号值、阀

15、位值。 2.4键盘显示电路设计 2.4.1键盘电路的设计 本设计采用行列式键盘。为进一步提高单片机扫描键盘的工 作效率，可采用屮断扫描方式，既只有在键盘有键按下时，才执 行键盘扫描程序并执行该按键功能程序，如果无键按下，单片机 将不理睬键盘。 2. 4. 2显示电路设计 2. 4. 3利用并行I/O芯片8155H实现键盘/显示 89C-51单片机用扩展I/O接口芯片8155H实现4为LED显示和 12键的键盘/显示接口电路。其单片机及8155H的接口电路如 图8所示。 P2.7 P2.6 P2.5 D2A Ql A Y7Y6巧Y4Y3X2YIY0 乂 MLS傑 20 / 30 SSC51 RD

16、 ALE PO? ro.6 ro.5 ro.4 P0.3 P02 ro.i ro.o WR RD ALE_ lOfM L35H Vcc Vsc RESRT 图8单片机及8155H接口电路 2.5报警电路设计 2. 5.1蜂鸣音报警 本设计采用蜂鸣音乐报警装置，如图9所示 300Q P1.6 89C51 P1.7 LEDO 3.3K 11T K KV 1 sl 7 TTT*7 ORG OOOOH AJMP MAIN ORG 0003H AJMP WATCHDOG ORG OOOBH AJMP INTI ORG 0100H MAIN: MOV SP, #60H ACALL INTOO ZZ： LC

17、ALL KEY LCALL DIR SETB EA AJMP ZZ END *T0 定时屮断 了 程序 TTTr、T厂 T.、 INTI; MOVE TMOD, #06H MOVE TLO, #OFFH MOVE THO, #OFFH SETB TRO SETB ETO SETB EA ACALL AD A CALL LB ACALL BDBH ACALL PID MOVE TLO, #OFFH MOVE THO, #OFFH SAVGFIL: MOV R2, #n-l MOV RO, #32H MOV Rl, #33H LOOPMOV A, R0 DEC RO DEC RO MOV RO,

18、A MOV A, RO ADD A, #04H MOV RO, A MOV A, R1 DEC R1 DEC R1 MOV R1, A MOV A,R1 ADD A, #04H MOV Rl, A DJNZ R2, LOO MOV RO, 2EH MOV R1, 2FH ACALL AVGFIL RET * 采 样 子 程 序 MAIN: LOOP MOV Rl, #data MOV DPTR, #7FF8H MOV R7,#04H MOVX DPTR,A T*.、T夕.、Y T T.、T夕（、夕.、T MOV R6,#OH DELAY NOP NOP NOP DJNZ R6,DELA MOVX A ,DPTR MOV R1, A INC DPTR INC R1 DJNZ R7, LOOP RET * 键盘显示程序 i DIR: MOV RO, #79H MOV R3, #01H MOV A, R3 LDO: MOV DPTR