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1、哈尔滨理工大学荣成学院专科生毕业设计题 目：锅炉水位控制系统设计专业年级： 机电08-2 学生姓名： 学 号： 指导教师： 哈尔滨理工大学荣成学院完成时间： 2011 年 6 月 15 日哈尔滨理工大学荣成学院专科生毕业设计（论文）评语学生姓名： 学号：学 院：荣成学院 专业：机电一体化任务起止时间：2011 年 3 月 14日至 2011 年 6 月 24 日毕业设计（论文）题目：锅炉水位控制系统设计指导教师对毕业设计（论文）的评语：指导教师签名： 指导教师职称： 评阅教师对毕业设计（论文）的评语：评阅教师签名： 评阅教师职称： 答辩委员会对毕业设计的评语：答辩委员会评定，该生毕业设计（论文
2、）成绩为： 答辩委员会主席签名： 职称： 年 月 日哈尔滨理工大学荣成学院专科生毕业设计（论文）任务书学生姓名： 学号：学 院：荣成学院 专业：机电一体化任务起止时间： 2011年 3 月 14日至 2011 年 6 月 24 日毕业设计（论文）题目：锅炉水位控制系统设计毕业设计工作内容：调查周围各种锅炉的控制系统确定主要单片机型号硬件及软件的设计程序的编辑及调试资料：1王文琦.工业锅炉的检测与控制技术.四川科学技术出版社,19862王骥程.化工过程控制工程.化学工业出版社,19813王文琦.工业锅炉的检测与控制技术. 四川科学技术出版社,19864谢自美.电子线路设计、实验与测试.华中科技大
3、学出版社，20035金伟正.单线数字温度传感器的原理及用.电子工业出版社，2000指导教师意见： 签名：年 月 日系主任意见：签名：年 月 日目 录目 录I第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国内外研究的现状11.2.1国内发展状况11.2.2 国外发展状况11.3 使用单片机实现锅炉液位控制的优点21.4 研究方案及预期结果21.4.1 系统硬件总体方案21.4.2 软件总体方案2第2章 系统硬件设计42.1 核心芯片8051单片机42.2 ADC0809A/D转换器72.2.1 DA转换基本原理72.2.2 ADC0809转换芯片82.3 键盘及显示接口92.4 自动报警电路9第3章
4、传感器的选择设计113.1 液位传感器的设计113.2 温度传感器的设计133.3 压电式传感器的设计143.3.1 压电效应和陶瓷压电式传感器选取143.3.2 压电式传感器的测量电路14第4章 系统软件的设计174.1单片机源程序174.2水位检测主程序19结论21参考文献22致谢23第1章 绪论1.1 课题背景锅炉微机控制,是近年来新开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物,工业锅炉采用的是微机控制和原有的仪表控制,微机控制有以下明显优势:1)直观而集中的显示锅炉各运行参数,能显示液位、压力、温度状态。2)在运行中可以随时方便的修改各种各样的
5、运行参数的控制值,并修改系统的控制参数,可以方便的改变液位、压力、温度的上限、下限。3)作为锅炉控制系统装置,其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行,减少劳动人员的劳动强度。综合以上的种种优点可以预见采用计算机控制系统是行业的大势所趋。单片机是在一块芯片上集成了一片微型计算机所需的CPU、存储器、输入、输出等部件。单片机自问世以来,性能不断提高和完善,体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。1.2 国内外研究的现状1.2.1国内发展状况目前我国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,但是各行业仍处于发展期,经调查,更多科研究所在这方面开展的工作更看
6、重的是理论和算法,数年来这方面的研究的论文较多,着重生产实际的很少。在上海,新型的单片机测控装置与系统研究的生产基础较雄厚,在生产过程中需要新型的测控装置与系统,因此在不断的努力研究与开发。上海的工程技术研究人员更着重的是生产实际研究,对理论、算法和成果的论文较少;深圳在研制新型的测控装置与系统领域也比较有成就,尽管与其他国家比较尚有差距,但是,深圳的高校、研究院所的最大的特点就是实际,与生产实际应用项目无关的问题基本不去考虑,主要考虑选取什么材料,测控什么物理量,优点是什么,与机器设备的通讯接口等等。1.2.2 国外发展状况随着各种微处理器的出现和发展，国外对锅炉液位控制系统的研究也在不断发
7、展和完善。一些发达国家在单片机新型系统研究、制造和应用上,已积累了很多经验,奠定了基础,进入了国际市场。我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上,与其他发达国家相比还存在差距,但是我国的研究人员已经克服很多困难,并在不断的摸索中前进,有望在相关领域赶上甚至超过发达国家的技术水平,这是发展趋势。1.3 使用单片机实现锅炉液位控制的优点使用单片机实现锅炉液位控制具有较高的实用价值和稳定性好等特点。采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器测量水位，可有效保证水位的自动控制，保证水质无污染，能更好地对锅炉进行自动化控制,测量温度时采取光电耦合器,实现光电隔离,避免了工作人员在现场进行检测操
8、控,方便了人员对液位系统的控制,控制方便且系统稳定性能好；采用压力传感器对压力进行测控，采取压电陶瓷传感器,可大大简化设计方案，系统性能也更稳定；单片机不仅有体积小，安装方便，便于控制，功能较齐全等优点，而且有很高的性价比，应用前景广，同时有助于发现可能存在的故障，通过微机实现蒸汽与给水系统的自动控制与调节，将保证锅炉正常供气供暖，维持稳定系统，保证安全经济运行。本文就是采用8051单片机为核心芯片的一种锅炉控制系统，具有较高的实用价值和优越性。1.4 研究方案及预期结果本设计是采用8051单片机为核心芯片,及其相关硬件来实现的锅炉液位控制系统,在用液位传感器测液位的同时,又用光电式隔离器和压
9、力传感器对锅炉的温度和压力进行检测，CPU循环检测传感器输出状态,并用3位七段LED显示示液位高度,检测液位、温度和压力等数据,实施报警安全提示,当锅炉液位低于用户设定的值时,系统自动打开泵上水,当水位到达设定值时,系统自动关闭水泵。1.4.1 系统硬件总体方案系统的原理是采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器对液面进行控制,通过四对传感器分别安装在锅炉内四个不同的位置，由上至下测量锅炉液位值,。并把这四个液位状态通过模数转换器ADC0809传到单片机中,在通过3位七段LED显示器显示出液位的四种状态及报警安全提示。根据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进行开、关水泵,需要是否开启和关
10、闭驱动阀门的电动机。本设计运用了多种传感器,在使用液位传感器测液位的同时,我还选用了压电式传感器和光电式传感器来对锅炉的压力和温度进行测量,因为我们所提到的锅炉常用于供暖,所以温度的检测很重要,至于选用压力传感器主要是出于安全考虑的,压力过大有可能对锅炉造成损害甚至造成爆炸,压力过低会导致锅炉控制系统无法正常运行。所以我在第三章着重介绍了这3种传感器。1.4.2 软件总体方案水位检测是通过四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，实时对锅炉里的水位进行检测。当水位到达某一光敏三极管的位置时，
11、其输出端口向单片机输出高电平；当水位低于此光敏三极管的位置时，其输出端口向单片机输出低电平。由上至下的第一个位置为水位上限报警线，即当水位高于此位置时，开水阀控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀有可能出故障；第二个位置是自动停止加水线，即当水位高于此位置时，控制系统会自动关闭加水电磁阀，停止加水；第三个位置是自动加水线，即当水位低于此位置时，控制系统会自动接通加水电磁阀，开水加水；第四个位置是水位下限报警线，即当水位低于此位置时，开水房控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀可能出故障。本系统所使用的传感器性能稳定,测量准确,安装方便,性价比较高,有较大的工程应用价值,
12、而且利用计算机与组态软件技术对锅炉生产过程进行自动控制有着重要的意义。第2章 系统硬件设计锅炉自动控制包括对锅炉的液位，压力，温度等的控制，本系统只侧重于介绍锅炉的液位控制。液位控制是利用由高亮二级管和光敏三级管所组成的液位传感器把液位的状态转换成模拟信号,再通过模数转换器ADC0809把输出状态直接接到单片机的I/O接口，单片机经过运算控制，输出数字信号，输出接口接LED进行显示,实现液位报警和键盘显示与控制；其压力控制是通过压电传感器将接受的信号转变成电信号，通过模数转换ADC0809进行转换后与8051单片机接口相连，使其与设定值相比较从而实现压力报警和控制;其温度检测选用的是光电隔离器
13、,实行光电隔离,有利于人员对温度的检测,再通过模数转换器ADC0809进行转换后与8051单片机接口相连，使其与设定值相比较从而实现温度报警； 而本设计主要是对液位进行控制,下图是锅炉液位控制系统。CPU传感器LED显示报警装置控制执行装置图2-1 基于单片机的锅炉液位控制系统由上图可观察到传感器通过对液面、温度和压力进行测量，输出模拟信号，再通过模数转换器把输入的模拟信号转换成数字信号，通过8051单片机的运算控制，在通过LED进行显示,通过报警装置进行报警,报警显示之后再通过对阀门的开启实现对锅炉的液位进行调节控制,阀门的驱动设备是电动机。2.1 核心芯片8051单片机计算机芯片MCS-5
14、1是一个电脑晶片,英特尔公司生产系列。它是在MCS-48系列的基础上发展的高性能的8位单片机。所出的系列产品有8051、8031、8751。其代表就是8051。其他系列的单片机都以它为核心,所以本设计采用的核心芯片是8051单片机。整个系统电控部分以ATMEL公司的8051为核心芯片，控制信号采集、处理、输出三个过程。系统的原理是采用液位式传感器测量锅炉液位值,通过单片机的转换与分析在LED上显示及输出控制;根据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进行开关水泵,以及是否到达危险高、低水位,需要关闭阀门。图2-2 8051引脚图上图是8051的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：Pin40:正电源脚，正常工作或对片内EPROM抄写程序时，接+5V电源。Pin19:时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。Pin18:时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容,振荡电容的值一般取10p-30
