锅炉水位仪设计

内容提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AT89S51单片机作为核心控制器，通过AT89S51单片机，电位器式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、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，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：AT89S51单片机,液位控制，显示，报警目录第一章绪论...............................................................41.1锅炉液位控制的背景.................................错误！未定义书签。1.2锅炉液位控制国内外发展概况.........................错误！未定义书签。1.2.1国内发展概况.................................错误！未定义书签。1.2.2国外发展概况.................................错误！未定义书签。1.3本课题研究目的及意义................................................41.4系统简介...........................................................4第二章.主要芯片介绍........................................................62.1单片机STC89C52介绍.................................................62.1.1STC89C52单片机的外部引脚说明.................................62.1.2STC89C52RC单片机的中断系统...................................62.1.3选择使用STC89C52RC的原因.....................................82.2芯片74LS164介绍...................................................102.2.174LS164的引脚图及引脚功能：.................................112.2.274LS164的内部功能图........................................112.2.374LS164的真值表.............................................122.2.474LS164有如下特点：.........................................122.3模数转换器A/D0809.................................................132.3.1ADC0809的逻辑结构...........................................132.3.2ADC0809的通道选择...........................................132.3.3ADC0809的引脚图及各引脚作用.................................142.4温度传感器DS18B20.................................................152.4.1DS18B20的内部结构及管脚图...................................152.4.2DS18B20技术性能描述.......................................162.4.3DS18B20的温度处理过程.......................................172.5LED数码管显示...................................................192.5.1LED数码管显示器的结构.....................................192.5.2LED数码管显示器的显示段码...................................192.5.3LED显示器的参数............................................21第三章．锅炉液位控制的硬件设计............................错误！未定义书签。3.1系统硬件设计的总体方案及框图.......................错误！未定义书签。3.1.1系统硬件设计总体方案.........................错误！未定义书签。3.1.2系统设计的总体框图...........................错误！未定义书签。3.2键盘控制电路设计..................................错误！未定义书签。3.3复位电路设计......................................错误！未定义书签。3.4显示电路的设计....................................错误！未定义书签。3.4.1静态显示.....................................错误！未定义书签。3.4.2动态显示.....................................错误！未定义书签。3.4.3该设计中显示电路的选择.......................错误！未定义书签。3.5液位控制电路的设计................................错误！未定义书签。3.5.1液位控制电路的工作原理及液位控制状态图.......错误！未定义书签。3.5.2液位控制的控制电路...........................错误！未定义书签。3.5.3液位控制中的“虚假水位”.....................错误！未定义书签。3.6测温电路及温度传感器的选择........................错误！未定义书签。3.6.1温度传感器的选择.............................错误！未定义书签。3.6.2温度检测电路.................................错误！未定义书签。第四章.软件设计及试验运行结果和讨论.......................错误！未定义书签。4.1系统的软件设计....................................错误！未定义书签。4.2试验调试及运行结果.................................错误！未定义书签。4.2.1硬件调试.....................................错误！未定义书签。4.2.2软件调试.....................................错误！未定义书签。4.2.3软硬件实时调试...............................错误！未定义书签。4.2.4系统实际调试结果.............................错误！未定义书签。4.3试验中遇到的问题及讨论.............................错误！未定义书签。论文小结..................................................错误！未定义书签。致谢......................................................错误！未定义书签。参考文献..................................................错误！未定义书签。附录一设计程序清单.....................................错误！未定义书签。附录二电路原理图.......................................错误！未定义书签。附录三硬件实物图.......................................错误！未定义书签。第一章绪论1.1本课题研究目的及意义在现代社会中，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，锅炉的液位控制直接影响人们自身和设备的安全。液位过低可能使锅炉出现干烧现象，液位过高又会使锅炉蒸汽压力过高，发生危险，传统的液位控制不能进行远距离的集中控制，自动化程度低，调节精度差等缺点，且单靠人工操作已不能适应，控制系统改造的必要性随着科学技术的不断进步,被控对象越来越复杂,人们对控制精度的要求不断提高。由于被控对象和过程的非线性、时变性,多参数间的强耦合、随机干扰等因素,使得建立被控对象的精确数学模型变得很困难。在这些复杂的系统面前,传统的控制方法无法满足控制精度,而且系统稳定性差。更好地对锅炉进行自动化控制，同时随着单片机技术，自动控制技术的迅速发展，利用单片机及其外围芯片实现锅炉液位控制已经成为可能，而且也成为一种发展的趋势，单片机不仅有体积小，安装方便，功能较齐全等优点，而且有很高的性价比，因此应用前景广，同时有助于发现可能存在的故障，通过微机实现燃烧与给水系统的自动控制与调节，将保证锅炉正常供气供水，维持稳定系统，保证安全经济运行。本文即是用单片现的一种锅其有较高的实用价值和优越性。1.4系统简介本课题的研究对象为锅炉的液位，对其液位进行控制。基本思想是以AT89S51作为控制器，通过AT89S51单片机，电位器式传感器（DS18B20）和模数转换器（ADC0809）等硬件系统和软件设计方法实现具有液位报警和控制的双重功能，同时也具有压力和温度显示控制的功能,并对温度和压力值交替进行显示。系统硬件设计包括以下几部分：AT89S51芯片为核心控制器，液位数据采集，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。可实现的具体功能如下：（1）当液位低至给定的下限液位时，启动水泵对锅炉进行加水，同时水泵工作状态指示灯亮2个，表明水泵以中速在加水。（2）当液位高至给定上限的液位时，停止水泵对锅炉进行加水，水泵工作状态指示灯全灭，表明水泵停止工作。（3）当由于某种特殊原因，液位低于下下限水位时，仍没有启动水泵进行加水，则达至极低水位时，再次启动水泵进行加水，并进行报警。（4）当液位高于上上限水位时，停止水泵加水，并进行报警。（5）有消除报警按钮，当有报警时操作人员在知道的情况下可以按下其其消除报警并去做相应的处理工作。（6）有紧急停止按钮，在遇到紧急情况时可以停止系统的运行。（7）采用双向可控硅来控制水泵的开与关，比电机控制简单。（实际设计中用三个发光二极管来表示水泵的开度，即流量。）第二章.主要芯片介绍2.1AT89S51单片机介绍AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。2.1.1AT89S51单片机的外部引脚说明AT89S51单片机有40个引脚，采用双列直插（DIP）方式封装，其引脚图如图2-1所示。图2-1AT89S51的管脚图AT89S51单片机的40个管脚中有2个专用于电源的引脚。2个外接晶体的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能。VCC：电源电压输入端。GND：电源地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能：P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（T0定时器的外部计数输入）P3.5T1（T1定时器的外部计数输入）P3.6/WR（外部数据存储器的写选通）P3.7/RD（外部数据存储器的读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。RST：复位输入端，高电平有效。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲信号端。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号，低电平有效。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：外部程序存储器访问允许。当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端。2.1.2AT89S51单片机的中断系统1中断：程序执行过程中，允许外部或内部事件通过硬件打断程序的执行，使其转向为处理内部事件的中断服务程序中去；完成中断服务的程序后，CPU继续原来被打断的程序，这样的过程称为中断过程。2中断源：能产生中断的外部和内部事件。89S51有5个中断源：(1)INT0：外部中断0请求，低电平有效。通过P3.2引脚输入。(2)INT1：外部中断1请求，低电平有效。通过P3.3引脚输入。(3)T0：定时器/计数器0溢出中断请求。(4)TI：定时器/计数器1溢出中断请求。(5)TXD/RXD：串行口中断请求。当串行口完成一帧数据的发送或接收时，便请求中断。每一个中断源都对应一个中断请求标志位，它们设置在特殊功能寄存器TCON和SCON中。当这些中断源请求中断时，相应的标志分别有TCON和SCON中的相应位来锁存。389S51中断系统有以下4个特殊功能寄存器：（1）定时器控制寄存器TCON（用6位）；（2）串行口控制寄存器SCON（用2位）；（3）中断允许寄存器IE；（4）中断优先级寄存器IP。其中，TCON和SCON只有一部分用于中断控制。通过对以上各特殊功能寄存器的各位进行置位或复位等操作，可实现各种中断控制功能。4中断的响应过程及中断矢量地址中断处理过程可分为3个阶段：中断响应、中断处理和中断返回。89C51的CPU在每个机器周期的S5P2期间顺序采样每个中断源，CPU在下一个机器周期S6期间按优先级顺序查询中断标志。如查询到某个中断标志为1，则将在接下来的机器周期S1期间按优先级进行中断处理。中断系统通过硬件自动将相应的中断矢量地址装入PC，以便进入相应的中断服务程序。表2既是各个中断源对应的中断矢量地址。中断服务程序从矢量地址开始执行，一直到返回指令RETI为止。RETI指令的操作一方面告诉中断系统该中断服务程序已执行完毕，另一方面把原来压入堆栈保护断点地址从栈顶弹出，装入程序寄存器PC，使程序返回到被中断的程序断点处继续执行。5在编写中断服务程序时应注意：（1）在中断矢量地址单元处存放一条无条件转移指令（如LJMP××××H），使中断程序可灵活的安排在64KB程序存储器的任何空间。（2）在中断服务程序中，用户应注意用软件保护现场，以免中断返回后丢失原寄存器、累加器中的信息。（3）若要在执行当前中断程序时禁止更高优先级中断，则可先用软件关闭CPU中断或禁止某中断源中断，在中断返回前在开放中断。2.1.3选择使用AT89S51的原因AT89S51具有完整的输入输出、控制端口、以及内部程序存储空间。与我们通常意义上的微机原理类似，可以通过外接A/D，D/A转换电路及运放芯片实现对传感器传送信息的采集，且能够提供以点阵或LCD液晶及外接按键实现人机交互，能对内部众多I/O端口连接步进电机对外围设备进行精确操控，具有强大的工控能力。2.2芯片74LS164介绍74LS164是一个串行输入并行输出的移位寄存器,并带有清除端。其中，Q0—Q7为并行输出端，常用于扩展并行口，A、B为串行数据输入端，CLOCK为时钟端，CLEAR为清除端。当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA－QH）均为低电平。串行数据输入端（A，B）可控制数据。当A、B任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0为低电平。当A、B有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态。2.2.174LS164的引脚图及引脚功能：图2-274LS164的引脚图CLEAR(9脚):高电平有效,低电平时使所有输出(Qa～Qh)为低电平。Clock(8脚):上升沿输出移位，其余状态保持。A(1脚)/B(2脚)输入：逻辑与关系，即全高为高，见低为低。QA—QH输出：并行输出口。2.2.274LS164的内部功能图图2-374LS164的内部功能图74LS164的内部实质上是8个SR触发器。2.2.374LS164的真值表表2-374LS164的真值表H－高电平L－低电平X－任意电平↑－低到高电平跳变。QA0、QB0、QH0－规定的稳态条件建立前的电平。QAn、QGn－时钟最近的↑前的电平2.2.474LS164有如下特点：（1）串行输入带锁存。（2）时钟输入,串行输入带缓冲。（3）异步清除。（4）最高时钟频率可高达36Mhz（5）功耗：10mW/bit（6）74系列工作温度：0°Cto70°C（7）Vcc最高电压：7V；输入最高电压：7V（8）最大输出驱动能力：高电平：－0.4mA低电平：8mA2.3模数转换器A/D08092.3.1ADC0809的逻辑结构ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近型A/D转换器，采用CMOS工艺制造。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成（见图2-5）。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。图2-5ADC0809的内部结构2.3.2ADC0809的通道选择地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道的选择。通道选择如表2-4所示：表2-4ADC00809的通道选择2.3.3ADC0809的引脚图及各引脚作用ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装，其引脚排列见图2-6。图2-6AD0809的管脚图（1）IN0－IN7：8条模拟量输入通道。ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，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，则需在输入前增加采样保持电路。（2）ADDA、ADDB、ADDC：模拟通道地址线。这3根地址线用于对模拟通道进行选择，其译码关系如表所示，ADDA为低位地址，ADDC为高位地址。（3）ALE:地址锁存信号。对应于ALE上跳沿时，ADDA、ADDB、ADDC地址状态送入地址锁存器中。（4）START:转换启动信号。在START信号上跳沿时，所有内部寄存器清0；在START下跳沿时，开始进行A/D转换。在A/D转换期间，START信号应保持低电平。该信号可简写为ST。（5）D0~D7:数据输出线。该数据输出线为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据总线直接相连。（6）OE:输出允许信号。它用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换后的数据。OE=0时输出数据线呈高阻态；OE=1时输出允许。（7）CLK:时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，通常使用频率为500kHZ的时钟信号。（8）EOC:转换结束状态信号。当EOC=0时，表示正在进行转换；EOC=1时，表示转换结束。实际使用中该状态信号既可以作为查询的状态标志，还可以作为中断请求信号使用。（9）Vef：参考电压。参考电压作为逐次逼近的基准，并用来与输入的模拟信号进行比较。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V、Vref(-)=0)。2.4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TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达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。2.4.1DS18B20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2-7DS18B20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2-8DS18B20的管脚排列2.4.2DS18B20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－55℃～＋125℃，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:3～5V/D.C；在使用中不需要任何外围元件。(5)测量结果以9～12位数字量方式串行传送。(6)适用于DN15～25,DN40～DN250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。2.4.3DS18B20的温度处理过程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2.5LED数码管显示2.5.1LED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A～F在内的部分英文字母和小数点“．”等字样。HYPERLINK"/retype/zoom/9568e6959b89680202d82566?pn=19&x=0&y=174&raww=5