基于單片機(jī)的鍋爐液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(范文)按此排版

1、河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院（空行）（全文行間距采用20磅值，正文采用小四號(hào)） 基于單片機(jī)的鍋爐液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（小三黑體）（空行）（鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)機(jī)電工程學(xué)院12數(shù)控 高改會(huì)）（空行）摘要（黑體四號(hào)、加黑）：介紹了用單片機(jī)進(jìn)行鍋爐液位控制的工作原理、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。裝置主要由80C51、四片電位器式傳感器、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809、雙向可控硅驅(qū)動(dòng)電路MOC3041和雙向可控硅TLC336A等組成；能夠可靠地完成鍋爐液位自動(dòng)控制。關(guān)鍵詞（黑體四號(hào)、加黑）：液位 傳感器 單片機(jī) 可控硅驅(qū)動(dòng)電路（空行）Abstract: In this paper, the principles and

2、 design of hardware and software of controlling automatically liquid level of boiler by the Single-Chip Microcomputer 80C51 are described. It chiefly consists of the Single-Chip Microcomputer 80C51, four pieces of electric potential trasducer, analog/digital converter of successive approach, two-way

3、 SCR TLC336A and two-way SCR drive circuit MOC3041.This apparatus can accomplish reliably the controlling automatically liquid level of boiler.Key word: Liquid Leveltrasducer Single-ChipMicrocomputer SCR(Silicon Control Rectifier)SCR drive circuit1引言（一級(jí)標(biāo)題：黑體四號(hào)、加黑；段前1行，段后1行，以下同此）鍋爐液位控制的穩(wěn)定與否，是關(guān)系到生產(chǎn)安全的

4、重要因素之一。液位太高，易使供出的蒸汽帶水，高溫高速的蒸汽水珠會(huì)損壞后工段的工藝設(shè)備；而液位太低，有造成鍋爐燒干的危險(xiǎn)。怎樣把鍋爐液位較好地穩(wěn)定在一個(gè)波動(dòng)較小的位置上，筆者認(rèn)為這關(guān)系到鍋爐液位控制方案的選擇上。（正文均采用小四號(hào)）本文介紹的基于單片機(jī)的鍋爐液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確保水位自動(dòng)控制裝置可靠動(dòng)作，能夠可靠地為用戶提供日用水，而且具有保護(hù)設(shè)備、自動(dòng)化程度高、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外比較先進(jìn)的控制方法是可編程控制器(簡(jiǎn)稱PLC)，不僅造價(jià)高，且功能單一；而本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行效果良好，加之成本不高，非常適用于大量的工業(yè)和日用水的鍋爐供水，具有廣闊的市場(chǎng)前景。（全文行間距采

5、用20磅值，正文均采用小四號(hào)）2系統(tǒng)的工作原理 2.1系統(tǒng)組成（二級(jí)標(biāo)題：黑體小四號(hào)、加黑，段前0.5行，段后0.5行，以下同此；若還有三級(jí)標(biāo)題：黑體小四號(hào)、加黑，段前0.3，段后0.3，以下同此，）本裝置主要由80C51、四片電位器式傳感器、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809、雙向可控硅驅(qū)動(dòng)電路MOC3041和雙向可控硅TLC336A等組成。此外，還有鍵盤/顯示電路、報(bào)警輸出電路等。它們的原理方框圖如圖1所示。圖1 原理方框圖（圖表有時(shí)需按單倍行距處理；圖注應(yīng)從圖1開始進(jìn)行排序，且圖注采用五號(hào)字體；圖中字體采用小五號(hào)字體）2.2裝置說明本裝置主要設(shè)計(jì)液位控制，在鍋爐整個(gè)工作過程中，還有溫度

6、、壓力等需要，只需再安裝一個(gè)溫度傳感器和壓力傳感器即可，所以在此不再詳述。四片電位器式傳感器分別安裝在鍋爐的四個(gè)水位處（分別為低水位、高水位、極低水位、極高水位），來采集液位信號(hào)。2.3工作原理本裝置的功能是：當(dāng)液位低至給定的液位時(shí)，啟動(dòng)水泵對(duì)鍋爐進(jìn)行加水，同時(shí)水泵正常工作指示燈亮，呈綠色，表明水泵正常工作；當(dāng)液位高至給定的液位時(shí)，停止水泵對(duì)鍋爐進(jìn)行加水，水泵正常工作指示燈不亮，表明水泵停止工作；一旦由于某種原因，液位低于低水位時(shí)，仍沒有啟動(dòng)水泵進(jìn)行加水，則達(dá)至極低水位時(shí)，再次啟動(dòng)水泵進(jìn)行加水，并進(jìn)行報(bào)警；同理，達(dá)至極高水位，停止水泵進(jìn)行加水，并進(jìn)行報(bào)警；操作人員聽到報(bào)警，消除報(bào)警，急停鍋爐工

7、作，并對(duì)鍋爐進(jìn)行維修；極高水位與極低水位對(duì)鍋爐起到了保護(hù)作用。它的工作原理是：首先，由電位器式傳感器每隔5秒鐘對(duì)水位進(jìn)行采樣，并輸出05V模擬信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，送入80C51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)經(jīng)運(yùn)算后，與設(shè)定的液位值（低液位H1、高液位H2、極低液位H3、極高液位H4）四值依次進(jìn)行比較：若H1<Hx<H2，則表示正常液位，水位指示燈亮，呈綠色；若Hx=H1， 則表示達(dá)至低液位，啟動(dòng)水泵供水，水泵工作指示燈亮，呈綠色； 若Hx=H2， 則表示達(dá)至高液位，停止水泵供水，水泵工作指示燈不亮；若Hx=H3， 則表示達(dá)至極低液位，啟動(dòng)報(bào)警器報(bào)警；若Hx=H4，

8、則表示達(dá)至極高液位，啟動(dòng)報(bào)警器報(bào)警；如果報(bào)警器啟動(dòng)后，設(shè)有報(bào)警消除按鈕，消除報(bào)警；有手動(dòng)和自動(dòng)轉(zhuǎn)換按鈕；有急停按鈕，在任何情況下，可以停止鍋爐工作。3 硬件設(shè)計(jì)3.1硬件總體說明單片機(jī)系統(tǒng)的硬件電路圖，可參見圖2。圖2 系統(tǒng)電路圖本系統(tǒng)以80C51單片機(jī)為核心，它有4KEPROM，所以不需外擴(kuò)EPROM，這樣可利用P1口作為按鍵輸入口，輸入口接有中斷式獨(dú)立式按鍵電路，向單片機(jī)輸入命令、功能切換，可以對(duì)單片機(jī)進(jìn)行人工干預(yù)；另對(duì)串行輸入口P3.0擴(kuò)展接口，使用移位寄存器作為鎖存或輸入信號(hào)的接口，可以方便地?cái)U(kuò)展并行輸入口，這種方法不占用片外地址，簡(jiǎn)單易行，便于操作適合于速度較慢、適時(shí)性要求不高的場(chǎng)合

9、，它是利用一片74LS165與80C51的3根端口線相連，可擴(kuò)展8根并行輸入口線，在電位器式傳感器采集信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換信號(hào)后，將信號(hào)輸入到此接口，如圖3所示；圖3 串行輸出口擴(kuò)展結(jié)構(gòu)框圖由于輸出接口比較多，可擴(kuò)展一片8255可編程接口芯片，利用指令設(shè)置各口的工作方式，8255內(nèi)部有3個(gè)并行的8位I/O接口，分別為A口、B口、C口，8255是8位芯片，有8位數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)線接于80C51的P0接口，可以用于實(shí)現(xiàn)8255與80C51之間的數(shù)據(jù)傳輸。需要注意一點(diǎn)，使用8255芯片時(shí)，首先要對(duì)它初始化，也就是對(duì)8255的3個(gè)端口的工作方式預(yù)先設(shè)置。擴(kuò)展口接有4位74LS164驅(qū)動(dòng)顯示器，并有一個(gè)報(bào)

10、警器（用來極低水位、極高水位報(bào)警），和三個(gè)發(fā)光二極管指示燈（用來電源顯示、水泵上水顯示、水位顯示）；并行輸出口接有雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器電路，來控制電機(jī)啟停。3.2輸入通道設(shè)計(jì)該部分主要完成對(duì)液位信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換工作，分別由電位器式傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809完成。電位器式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但缺點(diǎn)是精度不高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，不宜作精密測(cè)量或快速變化量的測(cè)量；但用在此要求不太精密的場(chǎng)合，也有它非常大的優(yōu)勢(shì)。A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，它是采用CMOS工藝制成的8位8通道逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)8路模擬信號(hào)的分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可用單一電源供電，此時(shí)模擬電壓輸入范圍為05伏，無需調(diào)零和滿刻度調(diào)整

11、；三態(tài)鎖存輸出，低功耗型。經(jīng)過采集、轉(zhuǎn)換信號(hào)，將轉(zhuǎn)換器輸出的8位數(shù)字信號(hào)輸入到擴(kuò)展的并行輸入口線。在過程控制和智能化儀表中通常是用微控制器進(jìn)行適時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理的，為實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，鍵盤是個(gè)必不可少的功能裝置，所以輸入通道接有獨(dú)立式按鍵電路，向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令、功能切換，可以對(duì)單片機(jī)進(jìn)行人工干預(yù)；如圖2所示電路中的鍵盤電路，這是最簡(jiǎn)單的鍵盤電路，各個(gè)鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵獨(dú)立地與一根數(shù)據(jù)輸入線相連接，其中兩路是中斷方式，任何一個(gè)按鍵按下時(shí)通過門電路都會(huì)向CPU申請(qǐng)中斷，在中斷服務(wù)程序中，讀入P1口的值，從而判斷是哪一個(gè)按鍵被按下；另外六路為查詢方式，在平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)輸入線都通過上拉電阻被

12、連接成高電平，當(dāng)任何一個(gè)按鍵被按下時(shí)與之連接的數(shù)據(jù)輸入線將被拉成低電平，要判斷是否有鍵被按下，只要用位處理指令即可。對(duì)按鍵是否被按下，需采用軟件消抖的辦法，以消除按鍵在閉合和斷開瞬間所伴隨有一連串抖動(dòng)所帶來的不利影響。這種鍵盤的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，但隨著鍵數(shù)增加所占用的I/O口線增加。在使用鍵數(shù)不多的單片機(jī)系統(tǒng)中，使用這種鍵盤非常方便。3.3輸出通道設(shè)計(jì)在輸出通道中，有顯示電路、報(bào)警輸出電路，驅(qū)動(dòng)電路等，但最重要的是控制水泵啟停的雙向可控硅驅(qū)動(dòng)電路，我們著重介紹雙向可控硅驅(qū)動(dòng)電路MOC3041電路。過去，在我們?cè)O(shè)計(jì)輸出控制通道時(shí)往往選用繼電器，但由于其噪聲大和機(jī)械性能方面的原因，現(xiàn)在已很

13、少見。隨之而來的是無觸點(diǎn)開關(guān)雙向可控硅的使用，但在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，需要采用同步過零觸發(fā)電路進(jìn)行同步觸發(fā)。由于這部分電路包括比較器、單穩(wěn)態(tài)電路和光電隔離器等器件，芯片多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中容易出故障，給用戶帶來很多不便。在設(shè)計(jì)當(dāng)中，我們充分總結(jié)了過去的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，在原有電路的基礎(chǔ)上采納了MOTOROLA公司推出的單片集成可控硅驅(qū)動(dòng)器MOC3041，從而順利地解決了這一問題。MOC3041芯片是一種集成的帶有光耦的雙向可控硅驅(qū)動(dòng)電路。它內(nèi)部集成了發(fā)光二極管、雙向可控硅和過零觸發(fā)電路等器件，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳如圖4所示。 圖4 MOC3041內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳從圖中可以看出，它由輸入和輸出

14、兩部分組成。輸入部分是一個(gè)砷化鎵發(fā)光二極管，在515mA正向電流的作用下，發(fā)出足夠強(qiáng)度的紅外光，去觸發(fā)輸出部分。輸出部分包括一個(gè)硅光敏雙向可控硅和過零觸發(fā)器。在紅外線的作用下，雙向可控硅可雙向?qū)?，與過零觸發(fā)器一起輸出同步觸發(fā)脈沖，去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)外部的雙向可控硅。由MOC3041組成的過零觸發(fā)雙向可控硅電路簡(jiǎn)單可靠，電路如圖5所示。圖5 由MOC3041構(gòu)成的輸出通道圖其中：R1：限流電阻，控制LED的觸發(fā)電流；Rg：門極電阻，提高控制極的抗干擾能力；R：控制回路限流電阻，保護(hù)3041中的雙向可控硅；Cp：構(gòu)成吸收回路，承受反向電壓。該部分的工作過程是：當(dāng)單片機(jī)的P3.l輸出為低電平時(shí)，304

15、1內(nèi)部導(dǎo)通，G端出現(xiàn)同步觸發(fā)脈沖，控制可控硅導(dǎo)通，打開水泵；當(dāng)P3.1為高電平時(shí)，3041內(nèi)部截止，可控硅斷開，關(guān)閉水泵；4軟件設(shè)計(jì)4.1工作流程本裝置的軟件包括主程序、液位設(shè)定子程序以及有關(guān)8255芯片的程序(初始化子程序、寫程序和讀程序)，鍵盤設(shè)定子程序，報(bào)警輸出子程序等。這里主要介紹主程序，工作流程如圖6所示。主程序完成的功能是：?jiǎn)?dòng)傳感器采集信號(hào)，輸入轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理結(jié)果與給定值比較，比較結(jié)果進(jìn)入輸出通道：若Hx=H1，則表示達(dá)至低液位，置P3.1為低電平，可控硅導(dǎo)通，啟動(dòng)水泵供水；此時(shí)，進(jìn)入供水階段。在該過程中繼續(xù)對(duì)液位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)Hx=H2，則表示達(dá)至

16、高液位，置P3.1為高電平，斷開可控硅，停止水泵供水。等待下一次的啟動(dòng)命令。4.2程序設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)程序見附錄。圖6 主程序流程圖5結(jié)束語(yǔ)經(jīng)過兩年來的應(yīng)用和改進(jìn)，目前該裝置運(yùn)行可靠，效果良好。它的特點(diǎn)是：·實(shí)時(shí)顯示液位所處位置，水泵、電源等工作狀態(tài)；·以智能化控制對(duì)鍋爐液位進(jìn)行控制，在Hx=H1時(shí)，啟動(dòng)水泵供水；到Hx=H2，自動(dòng)停止水泵供水；·可采用PID算法和開關(guān)控制等方法進(jìn)行控制；·可隨時(shí)通過按鍵修改低水位與高水位；通過報(bào)警器件輸出報(bào)警。參考文獻(xiàn)1高鋒. 單片微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù). 北京：科學(xué)出版社，20032鄭風(fēng)翼. 電工儀表與測(cè)量. 北京：

17、人民郵電出版社，19993房小翠,王金鳳. 單片機(jī)實(shí)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù). 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，19994肖洪兵，李朝暉，吳新峰等. 單片機(jī)控制的自來水節(jié)能加熱裝置. 自動(dòng)化博覽，1999，3：20225解宏基，任光. 一種多功能變頻恒壓供水單片機(jī)控制系統(tǒng). 自動(dòng)化博覽，1999，6：10126尹明，閆可銀. 鍋爐補(bǔ)水控制系統(tǒng)的研制. 高師理科學(xué)刊，2003，3：15177張津，陳惠明，張文建等. 8098單片機(jī)控制的自動(dòng)加氨裝置. 電測(cè)與儀表，1994，2：29318王化祥，張淑英. 傳感器原理及應(yīng)用. 天津：天津大學(xué)出版社，2004謝 詞經(jīng)過了兩個(gè)多月的努力，終于完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)

18、中，感謝院系領(lǐng)導(dǎo)給我們創(chuàng)造良好的環(huán)境和機(jī)會(huì)，讓我們能夠?qū)⑺鶎W(xué)得的知識(shí)學(xué)以所用；更感謝這次設(shè)計(jì)的指導(dǎo)老師劉法治的不倦教導(dǎo)和大力幫助，也感謝我的同學(xué)對(duì)我的幫助，讓我順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。通過這次設(shè)計(jì)也使我了解和學(xué)得了許多專業(yè)的前沿知識(shí)，最終得以圓滿地完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，在此表示最衷心的感謝！ - 14 -附錄：（另起一頁(yè)）參考程序清單DIR顯示子程序清單如下：DIR：MOV R0，#7EH ；顯示緩沖區(qū)末地址R0MOV R2，#01HMOV A，R2DIR1：MOV DPTR，#7F01H；8255PB口地址DPTRMOV DPTR, AINC DPTR ；數(shù)據(jù)指針指向8255PC口 MOV A,R0

19、 ；取顯示數(shù)據(jù)ADD A,#0DH ；加上偏移量MOVC A,A+PC ；取出字型碼MOVX DPTR,A ；送出顯示ACALL YS11 ; 調(diào)出延時(shí)子程序DEC R0 ；數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址減1MOV A, R2 JB ACC.5,LD1 ；掃描到最左邊的顯示器嗎？ RL A ；沒有到，左移一位MOV R2, AAJMP DIR1LD1: RETDB 3FH, 06H, 5BH, 4FH, 66H, 6DHDB 7DH, 07H, 7FH, 6FH, 77H, 7CHDB 39H, 5EH, 79H, 71H, 73H, 3EHDB 31H, 6EH, 1CH, 23H, 40H, 03HDB

20、18H, 00H, 00H, 00H, YS11: MOV R7,#02H ；延時(shí)1ms子程序YS: MOV R6, #0FFHYS1: DJNZ R6, DL1DJNZ R7, DLRET鍵盤掃描子程序清單：KD1: MOV A, #00000011HMOV DPTR, #7F00HMOVX DPTR, AKEY1: ACALL KS1JNZ LK1ACALL DISAJMP KEY1LK1: ACALL DISACALL DISACALL KS1JNZ LK2ACALL DISAJMP KEY1LK2: MOV R2, #0FEHMOV R4, #00HLK4: MOV DPTR, #7F

21、01HMOV A, R2MOVX DPTR, AINC DPTR INC DPTRMOVX A, DPTRJB ACC.0, LONEMOV A, #00HAJMP LKPLONE: JB ACC.1, LTWO MOV A, #08H AJMP LKPLTWO: JB ACC.2, LTHR MOV A, #10H AJMP LKPLTHR: JB ACC.3, NEXT MOV A, #18HLKP: ADD A, R4 PUSH ACCLK3: ACALL DIS ACALL KS1 JNZ LK3 POP ACC RETNEXT: INC R4 MOV A, R2 JNB ACC.7,

22、 KND RL A MOV R2, A AJMP LK4KND: AJMP KEY1KS1: MOV DPTR, #7F01H MOV A, #00H MOVX DPTR, A INC DPTR INC DPTR MOVX A, DPTR CPL A ANL A, #0FHRET報(bào)警子程序：ORG 4000HALARM:MOV DPTR,#SAMP;采樣存放首地址MOVX A,DPTRMOV20H,#00H;清“0”報(bào)警標(biāo)志單元ALAPM0: CJNEA,30H,AA ;水位>上限嗎？ALARM1: CJNEA,31H,BB ; 水位<上限嗎？DONZ: MOVA,#00HCJNEA,20H,FF ;有報(bào)警應(yīng)轉(zhuǎn)FFSETB 05H ;若無報(bào)警，05H置“1”，置綠燈標(biāo)志MOVA,20H;MOVP1,A ;置綠燈亮RETFF:SETB07H ;置電笛標(biāo)志位MOVA,20HMOVP1,A ;輸出報(bào)警RETAA:JNC AOU