基于单片机的除氧器液位控制系统毕业论文

1、摘要随着电力增长的需要,我国的火电建设如火如荼。锅炉参数的提高和容量的增大,锅炉的用水量也将进一步增大,这给除氧器的除氧控制提高了难度。除氧器是锅炉以及供热系统的关键设备之一,在锅炉的给水处理过程中,除氧是非常关键的环节,所以对除氧器内的水位控制,就能更好的控制除氧器的出水的含氧量。本论文针对除氧器液位控制这一课题进行讨论与设计研究,方案采用单片机来对除氧器内液位实行精确控制,对本系统的人机交互以及与上位机的连接都做了研究,极大的增强了系统的自动化程度以及减小了人工劳动的繁琐。关键词:除氧器液位;水位控制;单片机;锅炉。AbstractTo meet the rising demand for

2、 electricity, the construction of thermal power in our country developed rapidly these years. As both the parameters and capacity of boiler become higher and higher, the water consumption of boiler increases at the same time, which also means a stricter requirement for the deaerator. Deaerator is on

3、e of the most important apparatuses in the boiler and heat supply system. During the process of the water supply of boiler, deaeration is an extremely critical point. Therefore, a good liquid level control of the deaerator can definitely improve the control of oxygen level in the water supply of boi

4、ler. This paper focuses on the topic of liquid level control of deaerator. A design of using Micro Control Unit (MCU to make a precise control of liquid level in the deaerator is discussed. The human-computer interaction for the system and the connection with the host computer is also been included,

5、 which highly enhance the automation of the whole system and reduce cost for manual labor.Key Words: the liquid level of deaerator ; liquid level control ; Micro Control Unit ; boiler .目录摘要. I Abstract . II 目录. III CONTENTS . V 第一章绪论 (11.1 课题背景与研究意义 (11.2 国内外研究现状及发展 (21.3研究设计目标 (4第二章液位控制系统实现方案 (52.1

6、 系统总体任务 (52.2系统实现方案 (5第三章系统的硬件选择和设计 (93.1系统的硬件电路设计 (9第四章系统软件设计 (314.1 系统软件相关介绍 (31第五章可靠性分析 (415.1 系统中干扰信号的种类 (415.2 系统中单片机的抗干扰设计 (415.3 提高元器件的可靠性 (435.4软件抗干扰技术 (435.5采用备份系统提高可靠性 (44第六章经济与社会效益分析 (46结论 (47致谢 (48参考文献 (49附录 (51CONTENTSABSTRACT(CHINESE . 错误!未定义书签。ABSTRACT . 错误!未定义书签。CONTENTS(CHINESE . 错误

7、!未定义书签。CONTENTS . 错误!未定义书签。CHAPTER 1 INTRODUCTION . 错误!未定义书签。1.1 Background . 错误!未定义书签。1.2 Current Situation. 错误!未定义书签。1.3 The Goal . 错误!未定义书签。CHAPTER 2 SYSTEM PROJECT . 错误!未定义书签。2.1 The Task . 错误!未定义书签。2.2 Blue Print . 错误!未定义书签。CHAPTER 3 HARDWARE DESIGN . (93.1 The System Circuit (9CHAPTER 4 SYSTEM

8、 SOFTWARE DESIGN (314.1 Introduction of Soft (31CHAPTER 5 RELIABILITY (415.1 Interfering Signals in System (415.2 SMCs Anti-Jamming (425.3 Components Reliability (435.4 Soft Anti-jamming (435.5 Backup System (44CHAPTER 6 ECONOMIC AND SOCIAL ANALYSIS (46CONCLUSION (47THANKS TO (48REFERENCES (49APPEND

9、IX (51第一章绪论1.1 课题背景与研究意义单片机应用发展迅速而广泛。在控制系统中,单片机既可作为处理器,也可以作为控制系统的前端机,完成模拟量的采集与开关量的输入、处理和控制计算。随着科技的发展液位测量控制技术趋于智能化、微型化、可视化。本设计思想是采用单片机作为处理器与控制器,对除氧器液位进行控制,并要求具有一定的智能化,可操作性与稳定性。除氧器采用单片机控制具有以下明显优势:(1直观而集中的显示除氧器内各运行参数。能显示液位、压力、温度等的状态。(2在运行中可以方便的随时修改各种参数的控制值,并修改系统的控制参数。可以方便的改变液位的上限、下限。(3作为除氧器液位控制装置,其主要任务

10、是保证除氧器的安全、稳定、经济运行,减轻操作人员的劳动强度。在采用单片机控制的除氧器液位控制系统中,有十分周到的安全机制,可以设置报警。杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。综合以上各种优点可以预见采用单片机控制除氧器液位系统是行业的大势所趋。单片机是在一块芯片上集成了所需的CPU、存储器、输入、输出等相关部件。单片机问世以来,性能不断的提高和完善,体积小、速度快、功耗低等的特点使它的应用领域日益广泛。单片机在控制领域得到了大量广泛的应用。使用单片控制除氧器液位是很好的选择。在现代社会中,随着工业的发展,居民生活区的集中热力供应量的需求也越来越大,蒸汽锅炉的容量不断提高,对操作过程要求更加严格,除氧

11、器的液位控制直接影响设备的安全和使用寿命。传统液位控制不能进行远距离集中控制,自动化程度很低,调节精度比较差等等缺点,而且单靠人工操作不能适应,控制系统改造的必要性随着科学技术的不断进步而提高,被控对象的复杂程度越来越高,人们对控制精度的要求也不断提高。随着单片机技术以及自动控制技术的发展,利用单片机及其外围芯片实现除氧器液位控制已经成为可能,而且也成为一种发展的趋势,单片机不仅具有体积小,安装方便,功能较齐全等优点,而且拥有很高的性价比,因此应用前景广泛,将保证除氧器正常供水,维持稳定系统,保证安全经济运行。本文即是用单片机实现的一种除氧器液位控制系统。1.2 国内外研究现状及发展由于单片机

12、问世已久,众多企业在单片机测控装置研究、生产、应用中,取得了很大的成绩,总结了很多经验。目前国内外对除氧器液位控制的方法大体有以下几种法案:(1采用三冲量控制方式三冲量系统是电厂锅炉给水自动调节系统的一个名词,根据汽包水位,给水流量,蒸汽流量三个冲量经过PID计算来调节给水阀门开度,从而达到自动控制给水的目的。一般三冲量调节是针对汽包,而在现代工业应用当中,为了能够精确控制除氧器水位,往往也采用三冲量控制方式来控制除氧器内液位。在三冲量控制方式下,整个除氧器水位调节系统有了一定的自适应能力。从而可以大大的改善除氧器水位从低负荷时到高负荷整负荷范围内的调节品质。该控制方法适用于除氧器给水流量较大

13、的情况下1。采用三冲量控制方式可以保证除氧器水位在不同的负荷下均有良好的控制品质,在不同负荷下相当于副调节器能够有不同的参数整,控制系统有一定的自适应能力2。(2采用单冲量控制方式。单冲量控制用于除氧器给水流量较小时的情况。除氧器工作在给水流量较小时,单冲量控制方式有上限输出。一般情况下,单冲量控制方式的输出上限为满状态输出的50%3。由于给水流量较小时除氧器水位受其影响变化的扰动也就很小,因此采用单冲量系统既满足调节品质的要求,又可以减小整个给谁全程调节的参数的整定。目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通

14、讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分为几个范畴,在智能仪器仪表上的应用,在工业控制中的应用,在家用电器中的应用,在计算机网络和通信领域中的应用,在医用设备领域中的应用,在各种大型电器中的模块化应用,

15、在汽车设备领域中的应用等等4。未来单片机技术将向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、外围电路内装化及片内储存器容量增加的方向发展。所以本课题将采用单片机来实现对除氧器内液位的控制。1.3研究设计目标本课题的研究对象为除氧器的液位,对其液位进行控制。基本思想是以单片机作为控制器,通过单片机、压力传感器和数模转换器等硬件系统和软件方法设计实现具有液位报警和控制的双重功能,同时也具有压力显示的功能。系统的硬件部分包括以下几个部分:单片机作为核心控制器、压力采集部分、键盘显示部分、A/D变换部分、报警部分、液位控制等部分组成。可以达到的具体控制参数如下:(1除氧器液位测量范围:01400mm。(2

16、除氧器压力测量范围:0100Kpa。(3除氧器液位控制点:1200mm。(4液位高报警点:1300mm。第二章液位控制系统实现方案2.1 系统总体任务本文主要设计的系统实现的功能有:(1当除氧器内液位低于控制液位点时,开启给水水阀对除氧器进行加水。(2当除氧器内液位高于控制液位点时,停止对除氧器内进行加水。(3当由于某种特殊原因,液位高于控制点水位时,仍然没有关闭给水水阀,则达到上限水位时,进行报警,关闭给水水阀。(4设计消除报警按钮,当有报警时操作人员在知道的情况下可以按下消除报警并去做相应的处理工作。(5设计紧急停止按钮,在遇到紧急情况是可以停止系统的运行。(6设计实验按钮,在系统启动之前

17、进行调试实验,确保系统可以正常运行及报警。(7安装温度、压力传感器,可以进行温度与压力值的显示。2.2系统实现方案根据上面对系统任务的简单描述,将系统功能进行细分,此系统从整体看可以分为五部分:调节阀控制部分,信号采集部分,通信部分,数据处理部分,PID PID 温度补偿水位测量水位设定测量水位实际水位-+人机交互部分。调节阀控制部分主要完成对调节阀的控制,从而控制除氧器内液位。信号采集部分来采集液位,压力等相关参量。通信部分主要完成与上位机的通信任务。数据处理部分主要完成PID 运算和数据运算功能,而人机交互部分用来显示除氧器运行状态和按键控制。在稳定除氧器内液位时,可行性较大的方式有三种:

18、一种是不考虑除氧器内的压力,仅考虑除氧器内的水温变化对水位变化的影图2.1 方案一响。因为测量压力范围最高值在100kpa ,压力非常小,所以可以认为对除氧器内液位影响不大,不考虑压力对液位的影响。因为不同的温度下水的体积是变化的,所以本方案仅考虑温度对液位变化的影响。其结构图如图2.1所示第二种是考虑到除氧器内压力对水位的高低的影响,由于除氧器内存在一定的压力,而且是变压力,而压力的大小会决定密闭空间内水的体积大小,所以会对除氧器内水位造成一定影响。其结构图如图2.2所示。图2.2 方案二第三种是考虑到除氧器内压力和温度高地对除氧器内的水位影响。由于除氧原理多采用加热式除氧,所以计算水位时应

19、当考虑到水温变化与压力变化时,对水位进行一定的补偿计算,从而达到更精准的控制精度和准确度。本方案即是国内外对除氧器水位控制的三冲量系统。其结构图如图2.3所示。图2.3方案三 PID PID 压力补偿水位测量水位设定测量水位实际水位-+PID PID 温度补偿水位测量水位设定测量水位实际水位压力补偿-+经过三个方案比较后发现方案一,方案二比方案三少了一个前馈,即方案三为三冲量控制方式。所以当系统运行在不同状态时时,除氧器内的水位会随着温度和压力的变化而变化。如果只对单一量进行补偿(如方案一和方案二,系统的稳定性和抗干扰能力就会相对差一些,所以我选择方案三的控制系统设计。在方案三中,当除氧器内的

20、压力和水温都在不断变化时,单片机输出的调节信号也会发生相应变化,调节阀接到信号后也会自动变化,控制除氧器给水水量的大小,从而始终实现除氧器内水位稳定的目的。方案三利用8位单片机实现对除氧器内水位进行温度,压力测量补偿,也使得方案的经济性更强。故选择方案三,其基本控制方案如图2.4所示。图2.4系统基本控制方案PID水位变化补偿设定水位压差传感器调节阀给水水量测量水位水位反馈-+第三章 系统的硬件选择和设计系统方案选择完毕之后,希望实现系统应有的功能,须选择合适的硬件和设计才能完成设计意图。3.1系统的硬件电路设计基于单片机的除氧器液位控制系统有单片机、调节阀、差压变送器、上位机等构成。系统采用

21、一台单个单片机来对调节阀控制,实现调节阀控制给水水量的大小来实现除氧器内液位的稳定。通过差压变送器采样来自除氧器内的水位,配合压力传感器的压力补偿,温度传感器的温度补偿,将数据传送回单片图3.1 系统整体框图 MCU通信模块键盘显示A/D 模块调节阀控制电源模块上位机时间模块D/A 模块机进行PID运算,发出控制信号,控制调节阀。单片机连接上位机,上位机装有监控软件,对除氧器内水位进行检监测控制。整个系统结构框图如图3.1:主控模块即是整个系统的控制与主要数据运算单元。本设计采用单片机来作为主控模块的主要组成部分。单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处

22、理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。根据性价比以及被控对象接口数量,运算要求等方面的综合考虑,我们选用STC公司的STC89C51型单片机。STC89C51型单片机工作电压为5.5V3.4V,其工作频率范围为0.40MHz,完全能够满足控制系统的设计要求。STC89C51单片机有40个引脚,采用双列直插(DIP方式封装。单片机最小系统一般应该包括单片机、晶振电路、复位电路。晶振采用12MHz晶振,保证单片机有所需的机器周

23、期。复位电路采用常用的按键复位。本设计当中的单片机最小系统如图3.2所示。 图3.2单片机最小系统对于单片机最小系统的各个部分,都有相应的电容电阻等的元件,选择正确的阻值大小与电容大小是单片机最小系统正常运行的关键所在。晶振计算:为了对CPU时序进行分析,首先要为它定义一种能够度量各时序信号出现时间的尺度。最常用的尺度包括时钟周期、机器周期和指令周期。时钟周期又称振荡周期,由单片机片内振荡电路OSC产生,常定义为时钟脉冲频率的倒数。机器周期定义为实现特定功能所需的时间,对于此款单片机来说,机器周期由十二个时钟周期T 构成。指令周期定义为执行一条指令所需的时间。为了方便我们编程以及定时的准确性,

24、我们采用12MHz 晶振作为单片机的晶振源。计算如下:12oscT f =1T s = 此时单片机的机器周期为1s ,如此方便计算与编程。复位电路RC 计算:单片机复位电路可以正常引导单片机到正确的程序执行位置,复位电路不正常会导致程序错乱甚至不能运行。此单片机复位电路为按键式高电平复位,即正常工作时复位引脚为低电平,按下复位按键时,复位脚为高电平并维持两个机器周期(24个振荡周期或以上。假设高电平复位有效,舍去充放过程中较低的电平,一般的单片机复位脉冲宽度为0.71ms ,RC 计算公式为:R C F Time =;10C F =;1R K =0.01100Time s ms =。计算延时时

25、间:这里我们取经验值电容为1K,电容为10FTime=÷=Time s0.01根据RC计算公式,计算出延时时间为100ms,满足单片机的按键复位要求5。A/D是指模/数转换器,是模/数转换器的缩写。是将连续的模拟量(如象元的灰阶、电压、电流等通过取样转换成离散的数字量。尽管ADC芯片的品种、型号很多,其内部功能强弱、转换速度快慢、转换精度高低有很大差别,但从外特性看,无论哪种芯片,都必不可少地要包括以下四种基本信号引脚端:模拟信号输入端(单极性或双极性;数字量输出端(并行或串行;转换启动信号输入端;转换结束信号输出端。除此之外,各种不同型号的芯片可能还会有一些其他各不相同的控制信号端

26、。这里,我们选用ADC0809。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器,可以和单片机直接接口,由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道,允许8路模拟量分时输入,共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量,当OE 端为高电平时,才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。ADC0809对输入模拟量要求:信号单极性,电压范围是05V ,若信号太小,必须进行放大;输入的模拟量在转换过程中应该保持不变,如若模拟量变化太快,则需在输入前

27、增加采样保持电路。ADC0809是单路8位输入A/D 转换器,转换时间小于s 100。量化间隔:mV V 53125.19258= 绝对量化误差:mV 765625.92= 相对量化误差: %195.02118=+在液位传感器误差与参考电压误差不大的情况下,ADC0809是完全满足设计误差要求的。芯片执行一条输出指令时,WR和地址译码输出信号同时有效,ALE、START 信号启动芯片开始A/D转换。当单片机向ADC0809芯片执行一条输入指令时, RD和地址信号同时有效,这是输出允许OE有效,ADC0809的输出三态门被打开,已经转换好的数据就出现在单片机上,单片机接收读取了转换结果。ADC0

28、809工作的时序图3.3如下: ADDA-ADDB ALE/STARTEOC OE D0D7图3.3ADC0809工作时序图数模转换器,又称D/A转换器,简称DAC,它是把数字量转变成模拟的器件。D/A转换器基本上由4个部分组成,即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。这里我们采用DAC0832。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。DAC0832有三种工作方式,分别为直通方式,单缓冲方式和双缓冲方式。本设计采用了单缓冲的工作方式,输入寄存器和DAC寄存器共用一个地址,同时选通输出,输入数据在控

29、制信号作用下,直接进入DAC 寄存器中。1WR 和2WR 同时进行,并且与单片机的WR 端相连接,单片机对DAC0832执行一次写操作,将数据直接写入DAC 寄存器中。 对于本设计来说,当连接引脚1WR 、2WR 、CS 、XFER ,使得两个锁存器的 图3.4 DAC0832设计图 一个处于直通状态,另一个处于受控状态,或者两个被控制同时导通,DAC0832就工作于单缓冲方式。本设计中,只要数据DAC0832写入8位输入锁存器,就立即开始转换,转换结果通过输出端输出。具体设计如图3.4。通讯模块是单片机与上位机进行数据通讯的处理芯片及其外围电路。目前单片机与上位机通讯采用两种方式,一种是常见

30、的USB接口;第二种是采用美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association制定的一种串行物理接口解决方案。因为RS232接口信号电平值较高,易损坏接口电路的芯片,传输速率较低,抗噪声干扰性弱,传输距离有限等等缺点,又考虑到USB接口在工业上应用不多,故本设计在液位控制系统与上位机的通讯中,采用了MAX485芯片为通讯进行服务。采用USB接口设计作为备用接口。USB设计采用器件PL2303来实现。PL2303是Prolific公司生产的一种高度集成的RS232-USB接口转换器,可提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB功能接口便利连接的解决方案。其

31、中AMX485通信原理图如图3.5所示。MAX485仅有8个管脚,电路设计比较简单。RO引脚接到单片机串口接收引脚RXD(P3.0,DI引脚接到单片机串口发送引脚TXD(P3.1。由于MAX485为半双工通信方式,不能同时发送和接收数据,只能通过控制RE和DE引脚的状态来进行发送数据和接收数据的转换。为了节省单片机I/O口资源,将RE和DE引脚连在一起,输入低电平时,MAX485处于接收状态;输入高电平时,其处于发送数据状态。定义RE和DE连接在一起的网络标号为E,接入单片机P1口,用于发送与接收的转换。A,B端为发送接收差分信号端,一般需在A,B端之间加匹配电阻,匹配电阻为1206。 图3.

32、5MAX485通信原理图USB采用的是PL2303芯片,具有成熟的接口应用技术。PL2303的高兼容驱动可在大多操作系统上模拟成传统COM 端口,并允许基于COM端口应用可方便地转换成USB接口应用,通讯波特率高达 6 Mb/s。在工作模式和休 图3.6 USB通信原理图眠模式时都具有功耗低,是嵌入式系统手持设备的理想选择7。USB原理图如图3.6所示。USB转串口主芯片是电路的核心部分,提供USB和串口的桥转换。它主要由三部分组成,分别是USB转串口主芯片PL2303、PL2303工作晶振和PL2303外围电路。在本设计中,为PL2303提供12M晶振保证其正常工作机器周期与单片机同步,配置

33、两个22pF电容保证晶振正常起振。本设计提供的USB物理接头使单片机和上位机之间可以通过USB线进行连接。整个USB转串口线不需要外接电源,直接使用USB供电即可8。通过单片机的定时器,可以设计时间功能,然而单片机自身的产生时间数据大大占用了系统的资源,降低了工作效率,甚至影响了其他功能的实现,因此在本设计方案中,采用了外部芯片提供时间信号,用以系统记录时间信息。DS1302因其较小的体积,占用I/O口资源少等特点,是常用的时间芯片。此次设计采用DIP-8封装。DS1302中Vcc1为后备电源,Vcc2为主电源。在主电源关闭的情况下,也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者

34、中电压较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时,Vcc2供电,当Vcc2小于Vcc1时,DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源接口,外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线,通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传输。RST输入有两种功能:首先RST接通控制逻辑,允许地址/命令序列送入移位寄存器;其次,RST 提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时,所有的数据传送被初始化,允许对DS1302进行操作。如果传送过程中RST置为低电平,则会终止此次传输,I/O引脚变为高阻态。上电运行时,在Vcc2.5V之前,RST 必须保持低电平。只有在SCLK为低电

35、平时,才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端。SCLK始终是输入端,用来输入串行时钟信号。根据DS1302的特点,设计电路如图3.7所示: 图3.7DS1302时间模块在实际应用中,起控制、输入输出的三个端口上拉较弱,容因产生信号串扰,因此加上了上拉电阻与单片机P2口相连,加强信号的稳定性;为了保证时钟的可靠性,在Vcc1上使用了CR2032纽扣电池作为备用电源,输出电压为3V,从而保证了系统掉电状态下,时钟能够继续保持运行。因为本设计中有键盘输入控制与显示器等设备,而单片机接口数量有限,为解决这一问题,我们选择常见的可编程并行I/O接口芯片8255。8255是Intel 公司生产

36、的可编程并行I/O接口芯片,有3个8位并行I/O口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片(40引脚。其各口功能可由软件选择,使用灵活,通用性强。下面简单介绍一下8255的各个接口功能。D0D7:三态双向数据总线,8255与CPU数据传送的通道,当CPU执行输入输出指令时,通过它实现8位数据的读/写操作,控制字和状态信息也通过数据总线传送。PA0PA7:端口A输入输出线,一个8位的数据输出锁存器/缓冲器,一个8位的数据输入锁存器。工作于三种方式中的任何一种。PB0PB7:端口B输入输出线,一个8位的I/O锁存器,一个8位的输入输出缓冲器。PC0PC7:端口C输入输出线,一个8位的数据输出

37、锁存器/缓冲器,一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口,每个4位的端口包含一个4位的锁存器,分别与端口A和端口B配合使用,可作为控制信号输出或状态信号输入端口。其设计图如图3.8所示。 图3.88255扩口8255A有三种工作方式,分别是方式0:基本输入输出方式;方式1:选通输入输出方式;方式2:双向输入输出方式。在本设计当中,我们使用8255A 的方式0这种工作方式,即基本输入输出方式。这种工作方式的基本特点是任何一个端口可以作为输入口,也可以作为输出口,各个端口之间没有规定的必然联系。各个端口的输入或者输出,可以有不同的组合。稳压电源通常分为线性稳压电源和

38、开关稳压电源。线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源。线性稳压直流电源的特点是:输出电压比输入电压低;反应速度快,输出纹波较小;工作产生的噪声低:效率较低,产生的热量大。线性稳压电源一般由电源变压器、整流、滤波电路及稳压电路组成,其基本流程为变压,蒸馏,滤波,稳压,输出。本设计中电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。变压器的副边与原边的功率比为P2/P1=,式中为变压器的效率。采用变压器,将市电220V/50Hz变为15V/50Hz的交流电,然后通过整流电路,将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。这里我们采用的整流电路为全波整流电路,以此来保证输

39、出电压有效值。然后将此脉动直流电压进行滤波处理,即通过电容将脉动直流电压的文波减小或者消除,此时电压基本稳定,再通过稳压电路来稳定输出电压。同时,本设计涉及到传感器以及调节阀,需要用到放大器,例如DAC0832相连接的LM336放大器。LM336需要用到12V电源,以及-12V电源,所以,我们通过7812和7912芯片来输出12V与-12V电源。满足设计全局的供电需求。这里,将15V输出电压变为12V电压,我们采用的是LM7812芯片。用LM7812三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜。相应的使用7912来输出

40、-12V电压。7805在测试条件下输出电压最小值为4.8/4.75V,最大值为5.2/5.25V,典型值为5V,输出峰值电流为2.2A,满足系统设计要求。输出+5V电压可以给单片机等工作模块供电9。其设计图如图3.9所示。 图3.9线性电源显示模块设计:本设计采用12864液晶进行显示。该点阵的成本相对较低,适用于各类仪器,小型设备的显示领域。液位控制系统中的温度压力水位等等参数将通过12864液晶进行显示,同时,系统的运行状态也将通过液晶显示。考虑到液晶屏有可能损坏,本文将液晶屏连接接头做成插头形式,方便更换与维护。其具体硬件连接如图3.10。 图3.10显示模块按键设计:因为除氧器液位控制

41、系统目的之一是减少人工劳动的繁琐,基本上是全自动运行,不需要过多的人工控制,所以设计按键较少。键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件,它能实现向单片机输入数据、发送命令等功能,是人工干预单片机系统的主要手段。考虑到本设计实际需要的按键较少,故采用独立式键盘接口电路即可。设计按键分别执行功能为:1、当除氧器液位过高时报警,消除报警;2、当液位控制系统运行之前,实验按钮测试保证所需报警等功能完好运行:3、系统紧急关闭按钮;4、设定值增量按钮,即“+”按钮。5、设定值减量按钮,即“-”按钮。6、系统预留按钮。按键的处理可以采用中断方式,也可以采用查询方式。键盘工作方式的选取原则是既要保证能及时响应

42、按键操作,又要不过多占用单片机的工作时间。所以选择中断方式处理按键。按键设计如图3.11所示。 图3.11按键设计看门狗电路它实质上是一个可由CPU复位的定时器,它的定时时间是固定不变的,一旦定时时间到,电路就产生复位信号或中断信号。当程序正常运行时,在小于定时时间隔内,单片机输出一信号刷新定时器,定时器处于不断的重新定时过程,因此看门狗电路就不会产生复位信号或中断信号,反之,当程序因出现干扰而“跑飞”时,单片机不能刷新定时器,产生复位信号或产生中断信号使单片机复位或中断,在中断程序中使其返回到起始程序,恢复正常。本设计采用MAX813L 看门狗电路监控单片机的工作,如果单片机工作不正常,看门

43、狗电路在规定时是内得不到刷新复位,就输出信号强制单片机复位重新启动工作,保证仪器正常工作10。本设计利用了MAX813L 的手动复位输入端。只要程序一旦跑飞引起程序“死机”,0WD 端电平由高到低,当0WD 变低超过140ms ,将引起MAX813L 产生一个200ms 的复位脉冲。同时使看门狗定时器清0和使0WD 脚变成高电平。也可以随时使用手动复位按扭使MAX813L 产生复位脉冲,由于为产生复位脉冲MR 端要求低电平至少保持140ms 以上,故可以有效地消除开关抖动。该电路可以适时地监控电源故障(掉电、电压降低等。图中RI 的一端接未经稳压的直流电源。电源正常时,确保R9上的电压高于 1

44、.26V ,即保证MAX813L 的PFI 输入端电平高于1.26V 。当电源发生故障,PFI 输入端的电平低于1.25V 时,电源故障输出端0PF 电平由高变低,引起单片机0INT 中断,CPU 响应中断,执行相应的中断服务程序,保护数据,断开外部用电电路等。程序正常运行时,由主程序在小于 1.6s 的时间间隔内周期性地从P1.7端向MAX813L 的P1.7输入端发送一个脉冲信号,以消除芯片内部的看门狗定时器。实现指令为:若超过1.6s 该输入端收不到脉冲信号,则内部看门狗定时器溢出,8号引脚由高电平变为低电平。引起MAX813L 产生一个200ms 的复位脉冲。同时使看门狗定时器清零和使

45、8号引脚变成高电平。需要引起注意的是,整个单片机系统完成复位后,在PC指针的指针下整个程序将从0000H地址处重新开始初始化运行,而这在很多情况下是不允许的(如连续的工艺流程,为此必须采取相应的措施。首先在对单片机系统完成复位后,程序应该先判断是开机运行(冷启动还是运行过程中“死机”之后的重新加载运行(热启动。因此一般情况下在这两种启动方式下,系统程序在进入主流程在进入主流程前所要做的工作往往不同。如冷启动后,系统程序在初始化程序往往要进行系统资源的自检以及将各外围设备修改设置,只是对单片机系统本身的一些资源进行必要的设置工作。其次,在大多数情况下,我们总可以把一个连续的过程分解开来,把它变成

46、一个个独立的子过程(状态组成的连续过程。在主程序运行过程中,适时保存相应状态和该状态下的相关参数。 图3.12 看门狗电路这样当程序运行出现“死机”,在MAX813L作用下系统复位和初始化后,将首先查询事先保存的状态参数,然后根据此参数决定程序的流向。同时把该状态下事先保存的参数取出,对系统外围设备进行必要的恢复设置工作和引导程序继续运行。其设计如图3.12所示。除氧器液位控制系统采用调节阀来控制除氧器给水水量,从而达到除氧器内液位的稳定。所谓电动调节阀,是工业自动化过程控制中的重要执行单元仪表。随着工业领域的自动化程度越来越高,正被越来越多的应用在各种工业生产领域中。与传统的气动调节阀相比具

47、有明显的优点:节电动调节阀能(只在工作时才消耗电能,环保(无碳排放,安装快捷方便(无需复杂的气动管路和气泵工作站11。电动调节阀通过接受工业自动化控制系统的信号(4-20mA,来驱动阀门改变阀芯和阀座之间的截面积大小控制管道介质的流量,实现自动化调节功能。考虑到设计成本和稳定运行等的因素,本文采用常见的西门子二通直行程调节阀。角行程调节阀是在0.90度范围内类往复旋转运动,来控制阀门开度的,典型的产品有蝶阀、球阀、偏心旋转阀、山武的VY51系列电动调节阀和VY53系列电动球阀以及瑞士belimoR球阀系列都是角行程。直行程调节阀是在上下直线上往复运动来实现调节,一般我们所知的行程在20-40毫

48、米,典型的产品有单座阀、双座阀、套筒阀、三通阀;例如山武的V5064A、V5063A、V5065A 系列、BELIMO座阀、西门子的三通、二通调节阀都是直行程调节阀10。角行程调节阀具有快速切断性以及耐气蚀、高压差、寿命长、易维护和流阻小等特点。直行程调节阀具有动作稳定、无气蚀、噪音小、寿命长、动作灵敏、结构紧凑、不减少、易维修等特点。系统参数的测量对一个系统来说是很重要的,因此对于传感器的选择,就要更加认真慎重。本系统将要测量的参数有除氧器内的气压,除氧器内液体的温度,以及水位的变化等。除氧器内的气压测量选用华天CYB系列高温压力变送器。它采用“粒子束溅射薄膜”技术,在金属弹性体上淀积合金薄

49、膜应变电阻而制成高温压力传感器。该传感器的合金薄膜应变电阻与金属薄膜“溶”为一体,取代了传统的应变式压力传感器中的粘贴工艺,消除了胶层引起的蠕变、老化等缺陷,而且无需充注硅油,力敏芯片直接感受介质压力,弥补了扩散硅传感器受温度影响大,无法在高温区使用的弊端。华天CYB系列高温压力变送器工作介质温度为-50+205。而本设计当中所需测量的压力为蒸汽压力,该变送器符合了蒸汽压力的高温特性。并且该变送器采用两线制输出信号,输出05V信号,便于采样。故选用该变送器。除氧器内液体的温度测量选用华天CW型水温变送器。CW型水温变送器采用精度高,性能稳定的温度传感器,经过严格精密的温度和非线性补偿,采用性能

50、良好的模块化信号处理工艺技术,对介质温度进行测量校准。华天CW 型水温变送器具有精度高,抗干扰,功耗低,重复性稳定性好,互换性强等特点。华天CW型水温变送器储运温度为-40+120。符合了除氧器内水温测量要求。并且该变送器内置温度补偿,有抗干扰设计,完全符合工业生产需求。故本设计选用华天CW型水温变送器。水位检测采用华天CYB系列高温导压式液位变送器。它的传感器部分与信号处理电路做在接线盒内部,由投入液体集气筒内的气体与介质接触,通过到气管将压力传递给传感器,避免了传感器与被测介质的直接接触,有效的解决了高温液体液位测量困难的问题。华天CYB系列高温导压式液位变送器的使用温度为-30+250,

51、满足了除氧器内水温较高这一环境特点。同时该液位变送器可靠性很高,稳定性较好,符合本设计要求,故选用该液位变送器12。第四章系统软件设计4.1 系统软件相关介绍8051系类单片机共拥有111条系统指令,可实现51种基本操作。然而汇编语言指令却有程序的可读性低,程序开发人员的开发时间长与开发难度大,程序移植性差等缺点。C语言是一种编译型程序设计语言。它兼顾了多种高级语言的特点,并具备汇编语言的功能。用C语言来编写目标系统软件,会大大缩短开发周期,增加软件的可读性,便于改进和扩充。用C语言进行51系列单片机程序设计是单片机开发与应用的必然趋势。KEIL C51开发工具套件可用于汇编C语言程序、汇编源

52、程序,链接和定位目标文件和库,创建HEX文件以及调试目标程序13。本设计使用KEIL C51 Vision3为开发编译环境,使用C语言编写程序,实现各模块功能设计。系统主程序的功能主要是完成对单片机的初始化,设置警戒液位的上下限,实时显示液位值以及键盘扫描等工作。主程序流程图如图4.1所示14。该模块在系统上电开机时将系统端口、数据存储区、标志位、指针、地址等赋予有含义的值。具体分为以下几个模块列表描述15。如表4.1。系统启动CPU 初始化参数设定按键输入按键处理采样子程序显示实时液位数据处理子程序控制调节阀显示开关是否是图4.1 主程序流程图表4.1 初始化参数及含义模块变量/端口初始值功

53、能控制端口初始化adRD/P1.3 1A/D转换芯片数据读入控制,初始为不读入adWR/P1.4 0 A/D转换芯片转换控制,初始为停止E/P1.5 0 通信接收发送控制,初始为接收DIS/P1.6 0 显示数据锁存控制,初始为保持RELAY/P1.7 1 继电器控制,初始状态为断开波特率发生器初始化TMOD 0x22 单片机片内定时/计数器工作在方式二SCON 0x40 串行口为8位UART工作方式TH1 0xf4波特率设置为4800bpsTL1 0xf4IE 0 禁止定时器中断TR1 1 启动定时器REN 1 允许串行口接收数据数据参数初始化xmark 0x7531 数据存储状态标志字节指针numtab 0x0001 数据存储区指针Uplq 0xCF 高液位警戒高度,初始值downlq 0x10 低液位警戒高度,初始值初始化过程中,调用A/D转换模块获得首次液位数据,同时将其显示,完成初始化工作系统中,显示输出的要求为压缩BCD码,而A/D转换输入的数据是8位16进制码,因此在实现显示之前需要编码的转换。对8位A/D转换器而言,其十六进制、相对满偏电压比率、相对电压幅值的关系对应如表4.2:表4.2 A/D转换幅值数据关系对照表十六进制二进制满刻度比率相对