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1、大学本科生毕业设计（论文）基于单片机的汽包液位检测与显示摘 要本次设计是以煤气发生炉中汽包为背景的，煤气发生炉生成的水煤气作为燃料，具有解决冒黑烟，二氧化硫超标和燃油，天然气锅炉运行成本高的优点，在生产中具有重要作用，汽包是煤气发生炉的重要组成部分，汽包液位在正常范围内是设备正常运行的一项重要的工作指标和安全性能指标，所以液位的准确检测与显示就尤为重要。本文介绍了以液位传感器，A/D转换芯片ADC0809，以及MCS51单片机作为主控元件的液位检测系统的设计方法。本文分别从液位检测，A/D转换，LED显示，超限报警等几个方面对硬件电路进行了比较详细的介绍，然后对A/D转换程序，LED显示程序，
2、超限报警程序等做了比较详细的阐述，并用流程图做进一步的解释。通过软件和硬件的联合调试，实现了在一定范围内对液位的调节，动态显示出液位结果，完全实现了任务书上的要求。关键词：液位检测、A/D转换、液位传感器目录第1章 绪论11.1应用环境简介 11.2本次课程设计的意 11.3 本次课程设计的任务 2第2章 硬件电路设计32.1 硬件电路工作原理 32.2 硬件电路设计 32.2.1 系统总体设计框图 32.2.2 核心部件的介绍 42.3 硬件电路各模块设计102.3.1 电源电路设计102.3.2 单片机最小系统电路设计102.3.3 显示电路设计112.3.4 液位传感器的接口电路设计12
3、2.3.5 AT89C51与ADC0809的接口电路设计132.3.6 报警电路设计142.4 硬件电路总结14第3章 软件设计 153.1 AT89C51的I/O口应用 153.1.1 P0口的信号输入 153.1.2 P1口的信号输入 163.1.3 P2口的信号输入 163.1.4 P3口的信号输入 163.2 软件模块设计173.2.1 主程序的设计173.2.2 A/D转换的设计183.2.3 显示子程序的设计203.2.4 报警子程序的设计223.3 软件设计总结24第4章 调试254.1 仿真电路调试 254.2软件程序调试264.3软件程序调试出现的问题及解决方法 27第5章
4、结论28参考文献 28附录 29第1章 绪 论 1.1 应用环境简介 此次课程设计是应用与煤气发生炉中汽包的液位检测与显示。煤气发生炉是为机械、冶金、建材、轻工、化工、耐材等行业热加工车间提供混合发生炉煤气的设备。煤气发生炉工作原理是以煤为原料生产煤气，供燃气设备使用的装置。固体原料煤从炉顶部加入，随煤气炉的运行向下移动，在与从炉底进入的气化剂（空气、蒸汽）逆流相遇的同时，受炉底燃料层高温气体加热，发生物理、化学反应，产生粗煤气。此粗煤气（即热煤气）经粗除尘后可直接供燃烧设备使用。汽包的概念是指气压通过水循环导致气压下降或上升，也可以理解为汽包是气体和水分融合后形成的气压变化，极限压力中的空气
5、与水分子会提高气体的压力上升，导致高压达到一定数值后产生的压力集分子。工业中汽包罐是能够承受汽包产生的空气压力和水位压力的一种工业设备。汽包的作用主要有：1：是工质加热、蒸发、过热三过程的连接枢纽，保证锅炉正常的水循环；2：内部有汽水分离装置和连续排污装置，保证锅炉蒸汽品质；3：有一定水量，具有一定蓄热能力，缓和汽压的变化速度；4：汽包上有压力表、水位计、事故放水、安全阀等设备，保证锅炉安全运行。1.2 本次课程设计的意义本次设计是以煤气发生炉中汽包为背景的，煤气发生炉生成的水煤气作为燃料，具有解决冒黑烟，二氧化硫超标和燃油，天然气锅炉运行成本高的优点，在生产中具有重要作用，汽包是煤气发生炉的
6、重要组成部分，汽包液位在正常范围内是设备正常运行的一项重要的工作指标和安全性能指标，所以液位的准确检测与显示就尤为重要。1.3 本次课程设计的任务以煤气发生炉汽包水位控制为背景，利用单片机技术实现对汽包水位的采集与显示。具体要求如下：1. 掌握计算机控制系统中模拟量输入通道的的设计方法，以及程序设计方法。2. 选择合适的液位传感器，量程为01.2m，要求测量精度不超过1%。3. 掌握常用接口芯片的工作原理与接口设计。4. 选用MCS-51单片机，完成对汽包水位的定时采样和处理，并通过LED电路显示。5. 绘制硬件系统原理和软件程序流程图，并编写用户程序。6. 撰写课程设计报告一份，要求字数30
7、00-5000字。第2章 硬件电路设计2.1 硬件电路工作原理该系统以AT89C51作为核心控制部件，外加传感器，一片A/D转换芯片和数码管来完成系统的预期任务，即液位的检测、显示和超限报警。传感器实现液位信号到电压信号的转换，再由8位A/D转换芯片ADC0809将模拟信号转换为数字信号，实现液位信息的输入，AT89C51从ADC0809读取液位信息后进行数据处理和超限判断，随后将处理过的数据输出到数码管显示，设置最高液位和最低液位，若液位超限则由单片机报警。2.2 硬件电路设计2.2.1 系统总体设计框图图21 系统总体设计框图各部分功能：1. 电源部分提供+5V电压供系统各部分使用。2.
8、传感器实现液位信息到电压信号的转换。3. ADC0809将传感器输出的电压信号经A/D转换后送到单片机。4. MCS51为处理器，实现液位信息的接收、数据处理、和输出到数码管。5. 蜂鸣器部分在单片机检测到液位超限是由单片机驱动LED灯亮灭报警。6. 单片机对液位数据处理后输出，数码管显示。2.2.2 核心芯片的介绍（1）单片机AT89C51MCS-51单片机是在一块芯片中集成了CPU，RAM，ROM、定时器/计数器和多种功能的I/O线等一台计算机所需要的基本功能部件。MCS-51单片机内包含下列几个部件： 一个8位CPU； 一个片内振荡器及时钟电路； 4K字节ROM程序存储器； 128字节R
9、AM数据存储器； 两个16位定时器/计数器； 可寻址64K外部数据存储器和64K外部程序存储器空间的控制电路； 32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）； 一个可编程全双工串行口； 具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构。振荡器及定时电路8051CPU4K字节ROM128字节RAM2个16位定时器/计数器64K总线扩展控制可编程I/O可编程串行串行口频率基准源 计数器 中断 控制 并行 I/O 口 串行输入 串行输出 图2-2 8051单片机框图（2）A/D转换器ADC0809A/D转换芯片ADC0809为8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路
10、，其转换时间为100s左右。1 ADC0809的内部结构：图23 ADC0809的内部逻辑结构图图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，图24 ADC0809的通道选择表 图25 ADC0809引脚图2 ADC0809功能介绍：分辨率为8位；最大不可调误差小于+_1LSB；单一+5V供电，模拟输入范围05V；具有锁存控制的8路模拟开关；可锁存三态输出，输出与TT
11、L兼容；功耗为15mw；不必进行零点和满度调整；转换速度取决芯片的始终频率，它的时钟为10kHZ1.2MHZ.当时钟为500KHZ，转换速度为100us。3 ADC0809的原理ADC0809是一款8位AD转换器，数据获取的关键部分是它的8位模/数转换器。这个部分主要由N位逐次逼近寄存器SAR,D/A转换器，比较器，置数选择电路组成。转换过程如下：A选选置数电路置SAR的最高位为“1”，其余位为“0”，经D/A转换器转换成的模拟电压Uo与输入模拟电压Ui在电压比较器进行比较，若Ui大于等于Uo,则保留最高位“1”，若Ui小于Uo，则最高位为“0”。B置次高位为“1”，低位全为“0”，按上述步骤
12、进行转换，比较，判断。C重复此过程，直到确定SAR的最低位的值取“1”，还是“0”为止。此时，SAR内容就是对应的输入模拟电压转换后的数字量。（3）液压传感器常用基本的液位传感器原理，分为差压式水位计，电极式水位计和电容式液压传感器1.差压式水位计根据液体静力学原理，通过测量变动水位和恒定水位之间的静压差，将差压值转换为水位值，再通过差压变送器将汽包水位转换为随水位连续变化的电信号，作为自动给水控制系统中的重要参数。实际应用中差压式水位计存在的问题是：测量锅炉汽包水位时，汽包压力变化使得“水位差压”的关系也发生变化，因而给测量带来很大的误差。现在普遍采用具有汽包压力补偿作用的平衡容器测量方法，但其准确度仍受到很大限制。因为设计计算的平衡容器补偿装置是按水位处于零水位情况下得出的，而运行中锅炉水位偏离零水位时，就会引起测量误差。当蒸汽压力突然下降时，正压容器内的凝结水被蒸发掉还会导致仪表指示失常。这些都给锅炉运行操作造成很大困难，尤其投入自动给水调节时将产生错误动作，导致锅炉事故发生。差压式水位计比较适合于锅炉稳定运行时的水位测量，当运行参数变化很大时误差也就很大。因此在实际运行中尽量避免在差压测量系统上工作( 例如排污、
