锅炉液位控制系统设计

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1、淮海工学院课程设计报告书课程名称： 专业综合课程设计题 目： 锅炉液位控制系统设计系 （院）：电子工程学院学期：2011-2012-1专业班级： 自动化081姓名：yzj学号：0308511341 引言锅炉参数控制，是过程控制的典型实例。锅炉微计算机控制，是近年来开发 的一项新技术，它是微型计算机软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结 合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的 1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。设锅炉控 制系统的原理框图如下。广义彼轻对象A/

2、iJ 应诩环甘+图 1-1 锅炉控制系统的原理框图1.1 锅炉液位控制系统设计1.1.1 系统的基本原理控制系统原理图如图 1 所示，设广义被控对象的传递函数为出（沪r = o.55被控对象简图如图 2 所示。图 1-2 锅炉液位示意图1.1.2 大林算法对于大多数工业对象，都具有较大的滞后，使控制系统的性能下降，稳定性 降低，过渡过程特性变坏，引起超调和持续的振荡。大林算法的设计目标是设计一 个合适的数字控制器，使整个闭环系统所期望的传递函数相当于一个带有纯滞后的 一阶惯性环节，从而是系统不产生超调，同时保证系统的稳定性。大林算法要求在 选择闭环脉冲传递函数时，采用相当于连续一阶惯性环节的脉

3、冲传递函数来代替最 少拍多项式。1.1.3 设计内容1）设计必要的硬件电路（单片机电路） 输入、输出通道扩展； 报警电路； 人机交互（键盘、显示）。2）设计控制算法（大林算法），并进行仿真，给出仿真结果。3）数字控制器的实现方法设计。4）写出系统整体软件流程。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

4、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，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。图 1-3 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

5、备是电动机。2 液位控制系统的硬件电路设计2.1 核心芯片8051 单片机计算机芯片 MCS-51 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

6、达危险高、低水位，需要关闭阀门。512L111GJO图2-1 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。Pinl9: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(2T2MHz)和振荡电容,振荡电容的值一般取10p-30p。另外一种是外部时 钟方式

7、，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。本设计采用外部时钟电 路，外接晶振和电容组成振荡器。输入输出（I/O）引脚：Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚，Pinl-Pinl为 P1.0-P1.7 输入输出脚,Pin21-Pin28 为 P2.0-P2.7 输入输出脚，Pin10-Pin17 为 P3. 0-P3. 7输入输出脚。在对单片机设计中，P0 口作为程序存储器扩展口，且是扩展并行输入/输出 接口的接口，另外也作为模数转换的数据传输口,P2 口为程序存储器扩展口的高八 位地址总线口，P1 口为输入/输出口。Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当805

8、1通电，时钟电路开始工作，在 RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高平，系统即初始复位。初始化后，程序 计数器PC指向OOOOH，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H,其它专 用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始 执行程序。然而，初始复位不改变RAM （包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的 初始态如下表2-1 寄存器初始状态特殊功能寄器初始态特殊功能寄存器初始态ACC00HB00HPSW00HSP07H07H00HTH000HDPL00HTL000HIPxxx00000BTH100HIE0x00000BTL100HTMOD00

9、HTCON00HSCONxxxxxxxxBSBUF00HP0-P31111111BPCON0xxxxxxxB8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见图 2-3。此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电期间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内 部 RAM 的数据不丢失, 此设计采用自动复位电路。图 2-2 自动复位电路图 2-3 手动复位电路Pin30:ALE/FROG当访问外部程序器时，ALE（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内 部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于 识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有

10、一个特点，当访问外部 程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程其间,prog将用于输入编程脉冲。Pin29:当访问外部程序存储器时,此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现 在P0和P2 口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0 口上，由CPU读入并执 行。在编程时，EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。2.2 ADC0809A/D 转换器A/D是把模拟信号转换成数字信号,把由传感器传来的液位控制的模拟信号转 换成数字信号，然后再通过8051单片机的分析处理进行LED显示和液位、压力和温 度的报警。2.2.1D/A转换基本原理D/A转换接口技术是应用系统后向

11、通道典型应用技术之一。它涉及了 D/A转 换芯片的选择参考电压源的配置、数字输入码与模拟输出电压的极性等问题，而其 中最核心的问题是D / A转换芯片的选择与应用问题。D / A转换器的基本功能是将一个用二进制表示的数字量转换成相应的模拟 量。实现这种转换的基本方法是对应于二进制的每一位，产生一个相应的电流，而 这个电流的大小正比于相应的二进制位的权。D / A转换芯片的主要性能指标如下:1）分辨率。表征D/A转换器对微小输入量的敏感程度，通常用数字量的数位 表示，如8位、12位、14位等。分辨率为10位的D/A转换器，表示它可以对满 量程的1/1024的增量做出反应。2）相对精度。在满刻度已

12、校准的前提下，在整个刻度范围内，对于任一数码 的模拟量输出与它的理论值之差。通常用偏差几个ISB来表示和该偏差相对满刻度 的百分比表示。3）转换时间。数字变化量是满刻度时，达到终值土LSB/2所需要的时间，通 常为几十纳秒至几微秒。4）非线性误差。通常给出在一定温度下的最大非线性度，一般为0.1% 0.03。其工作过程是：比较开始时，首先对二进制计数器（输出锁存器）的最高位置“1”，然后进行转换、比较判断。若模拟输入Uin大于Ui,比较器输出为1,则 使输出锁存器的最高位保持为1。然后对较低的位依次按照该办法进行比较和调 整，无论哪种情况，均应继续比较下一位，直到最末位为止。此时D/A转换器的

13、 数字输入（输出锁存器内容）即为对应模拟输入信号的数字量。将此数字量输出就完 成了 A/D转换过程。这种方法好比用天平称一个物体的重量，第一次放最大的砝 码，若不合适，就改放小一号的，依次类推。一旦天平指示砝码太重说明刚才放进 去的那个应当取走，显然对于n位的转换器，总共需要重复这种过程n次。2.2.2 ADC0809转换芯片本开发系统的A / D转换实验硬件主要是由ADC0809转换芯片和四个可变电位 器组成的。ADC0809是8位8通路逐次逼近式A/D转换器，输入电压在（O5）V， 最大不可调误差小1LSB，它具有高速、高精度、温度依赖度低以及在长期工作条 件下能耗小、重复性好等优点。AD

14、C0809芯片的引脚图如图2-4所示。由图2-4可 看芯片主要是由一个8位A/D转换器、8路模拟输入选通开关、地址锁存及译码 电路工作和三态数据输出锁存器组成。为实现 8 路模拟通道能有条不紊地工作，首 先通过地址译码锁存器选通所要开通的 8 路模拟通道中的一路开关，将模拟信号送 入 A/D 转换器中实现 A/D 的转换，转换后的数据放到三态数据锁存器中等待 CPU 来 取，取后由CPU启动新一次的地址译码，重复以上完成新一次的A/D转换。ADC0809 芯片提供了高转换速度、高精密度、环境影响小和低功耗等优点，被广泛 应用于各种控制领域。下图 2-4 为 ADC0809 芯片的引脚图。继续阅读