基于单片机的锅炉控制系统 毕业设计.doc

1 绪论本文详细介绍了一款基于单片机的锅炉监控系统，该系统能根据锅炉现场检测出各个状态，如实现温度、压力、水位、液位等的监控，具有数码管显示、报警的功能。能够快速、稳定、安全、可靠地对工业锅炉进行智能化监控。1.1 背景资料及研究意义当今，环境与发展已成为人类社会面临的两大课题，而这些问题的解决无一不与能源密切相关。我国的锅炉目前以煤为主要燃料，耗煤量接近全国煤产量的三分之一。同时，锅炉燃用的主要是中、低质煤，工业污染十分严重；而且锅炉形式比较陈旧，生产效率和自动化程度低，这又进一步加重了环境污染的程度。因此，调整能源消费结构，逐步提高使用液体燃料和气体燃料的比例是加强环境保护、实施可持续发展战略的措施之一。其中油、气燃料作为优质、高效、环保型清洁能源有着广阔的应用前景。 由于历史条件的原因，我国的锅炉生产自动化程度长期以来一直都较发达国家落后许多。目前运行的各行业的锅炉有50多万台，其中相当一部分还在使用常规仪表进行控制，有的甚至还处在人工加常规仪表的半自动控制状态。这样不仅难以做到平稳操作，安全生产也没有确定的保证，人工的劳动强度大，生产条件差。工业锅炉是工业生产和生活上应用广泛的热能动力设备，锅炉汽包水位的平衡是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的重要指标之一。水位过高会影响汽水分离产生蒸汽带液现象影响汽水分离装置的正常工作，导致锅炉出口蒸汽带水和含盐量过大，使过热器受热面结垢甚至破坏，影响机组的正常运行和经济性指标。若汽包水位过低，会使锅炉水循环工况破坏，导致水冷壁供水不足而烧坏，可能造成重大锅炉事故。工业锅炉汽包水位控制的任务是监测锅炉的蒸发量并及时报警，使汽包水位维持在工艺允许的范围内。所以这就要求我们对锅炉的温度、流量、水位、压力等参数实行实时的监控，以便于工作人员更好地对锅炉进行控制，以免事故的发生。1.2 锅炉控制系统的一般结构与工作原理 锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备.其作用就是有效地把燃料中的化学能转换为热能，或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能量形式，长期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用。锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量(汽压、汽温)和相应数量的蒸汽。它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。“锅”就是锅炉的汽水系统，如图1-1所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水调节阀2、给水母管1及蒸汽母管6等组成。锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包。汽包中的水经下降管进入锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。图1-1锅炉的汽水系统 “炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器等组成。锅炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在空气预热器中吸收烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定的比例进入炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过过热器，形成一定的过热蒸汽，汇集到蒸汽母管。具有一定压力的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。1.3 系统简介 单片机是在一块芯片上集成了一台微型计算机所需的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。工业控制系统的工作环境恶劣，干扰强。故要求控制系统的工作稳定、抗干扰能力强。单片机能满足这些要求，因此单片机在控制领域得到了广泛的应用。使用单片机控制锅炉是很好的选择。为了实现对锅炉的温度、压力、水位、流量的实时监控，本文介绍了一种以at89c52单片机为核心的控制模块，adc0809模数转换器，并结合数码管、报警电路为一体的锅炉监控系统。adc0809连接四个传感器，从传感器中采集模拟信号，然后经过模数转换，把模拟信号转变为电信号，再连接到单片机，以实现信号的处理。单片机连接到显示电路，报警电路，分别对系统温度、压力、流量和水位的信息给予实时的显示及报警。2开发环境简介2.1 altium designer 6.9 简介电路设计自动化 eda（electronic design automation）指的就是将电路设计中各种工作交由计算机来协助完成。如电路原理图（schematic）的绘制、印刷电路板（pcb）文件的制作、执行电路仿真（simulation）等设计工作。随着电子科技的蓬勃发展，新型元器件层出不穷，电子线路变得越来越复杂，电路的设计工作已经无法单纯依靠手工来完成，电子线路计算机辅助设计已经成为必然趋势，越来越多的设计人员使用快捷、高效的 cad 设计软件来进行辅助电路原理图、印制电路板图的设计，打印各种报表。 altium designer 6.9 是原 protel 软件开发商 altium 公司于 2006 年推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在 windows xp 操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、pcb 绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案， 使设计者可以轻松进行设计， 熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。 altium designer 6.9 除了全面继承包括protel 99se、protel dxp 在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了 fpga 设计功能和 sopc 设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的 fpga 与 pcb 设计及嵌入式设计集成在一起。2.2 altium designer 6.9 五大模块简介： 1.系统菜单：位于altium designer 6.9界面的上方左侧，启动 altium designer 6.9后，系统显示“dxp”、“file”、“view”、“project”、“window”和“help”基本操作菜单项，用户使用这些菜单项内的命令选项可以设置 altium designer 6.9 中的系统参数，新建各类项目文件，启动对应的设计模块。当设计模块被启动后，主菜单将会自动更新，以匹配设计模块。2.浏览器工具栏：浏览器工具栏位于 altium designer 6.9 界面的上方右侧，由浏览器地址编辑框、后退快捷按钮、前进快捷按钮、回主页快捷按钮和个人喜好快捷按钮组成。其中， 浏览器地址编辑框用于显示当前工作区文件的地址； 单击后退或前进快捷按钮可以根据浏览的次序后退或前进，且通过单击按钮右侧的下拉列表按钮，打开浏览次序列表，用户还可以选择重新打开用户在此之前或之后浏览的页面； 单击回主页快捷按钮，将返回系统默认主页；单击个人喜好快捷按钮，可以将当前页面设置为个人喜好页面。3.系统工具栏：系统工具栏位于系统菜单下方，由快捷工具按钮组成，单击此处按钮等同于选择相应菜单命令。4.工作区：工作区位于 altium designer 6.9 界面的中间，是用户编辑各种文档的区域。在无编辑对象打开的情况下，工作区将自动显示为系统默认主页，主页内列出了常用的任务命令，单击即可快捷启动相应工具模块。5.工作面板窗口：protel dxp 为用户提供了大量的工作区面板窗口，如文件管理面板、项目管理面板、器件库面板等，分别位于 altium designer 6.9 界面的左右两侧和下部。用户可以以用工作区面板右上部分的小按钮移动、修改或修剪面板，单击相应的面板标签还可以显示、隐藏或切换工作面板窗口。2.3 使用altium designer画原理图图2-1 ad原理图界面 (1) 启动 altium designer 6.9 原理图编辑器。 (2) 设置原理图图纸大小以及版面。绘制原理图前，必须根据实际电路的复杂程度来设置图纸的大小，设置图纸的过程实际上是建立工作平面的过程，用户可以设置图纸方向、网格大小以及标题栏等。 (3) 在图纸上放置元件。根据实际电路的需要，从元件库里取出所需的元件放置到工作平面上。设计者可以根据元件之间的走线等关系，对元件在工作平面上的位置进行调整、修改，并对元件的编号、封装进行定义和设定，为下一步工作打好基础。 (4) 对所放置的元件进行布局布线。该过程实际就是画图的过程。设计者可利用 altium designer 6.9 提供的各种工具、命令进行布线，将工作平面上的元件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一个完整的原理图。 (5) 对布局布线后的元件进行调整。在这一过程，设计者利用 altium designer 6.9 的各种功能对所绘制的原理图作进一步的调整和修改，以保证原理图的美观和正确。 (6)电气检查。布线完成后，还需要设置 project options 来编辑当前项目，根据 altium designer 6.9 提供的错误检查报告重新修改原理图。 (7) 保存文档和报表输出。 此阶段可利用报表工具生成各种报表， 如网络表、 元件清单，此时也可设置打印参数并进行打印，从而为生成印制电路板做好准备。3设计原理与芯片介绍3.1 设计原理3.1.1 单片机 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（microcontroller unit），常用英文字母的缩写mcu来表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。二十世纪七十年代单片机的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑，因为单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。计算机两大分支的产生大大促进了现代计算机技术的飞速发展。通用计算机系统以发展海量高速数值计算为己任，不必兼顾控制功能，其数据总线宽度不断更新，迅速从8位、16位过渡到32位、64位，不断完善其通用操作系统，突出发展海量高速数值计算能力，并在数据处理、模拟仿真、人工智能图像处理、多媒体、网络通信中得到了广泛的应用；单片机则以面向对象的实时控制为己任，目前仍以8位机为主流，不断增强控制能力，降低成本，减小体积，改善开发环境，以空前的速度迅速而广泛地取代经典电子系统。单片机应用在检测、控制领域中具有如下特点，单片机具有体积小、重量轻、功能强、功耗低、运行速度快、抗干扰能力强、性价比高、可靠性高等特点，结构灵活，数据基本上都在单片机内部传送，易于组成各种微机应用系统。它既可用于工业自动控制等场合，又可用于机电一体化产品、智能仪器、测量仪器、医疗仪器、家用电器等领域，在过程控制、计算机网络及通讯等方面得到广泛应用。单片微型计算机经历了1位、4位、8位、16位及32位的发展阶段，世界上一些著名的半导体器件厂家都开发了单片微型计算机，如intel，motorola，zilog(泽洛格公司)、fairchild(仙童摄像机与仪器公司)、mostek(莫斯蒂克公司)等，单片机的品种日益增加。8051是美国intel公司在1980年推出的mcs-51系列的第一个成员，mcs是intel公司的注册商标。其它公司生产的以8051为核心单元的其它派生单片微机只能称为8051系列。8051系列泛指所有公司（也包括intel公司）生产的以8051为核心单元的所有单片微机。80c51系列包括intel公司的mcs-51，又包括了以8051为核心单元的世界许多公司生产的单片微机，比如philips 的83c552及51lpc系列等、siemens 的sab80512等、amd(先进微器件公司) 的8053等、oki(日本冲电气公司) 的msm80c154等、atmel公司的89c51等、dallas公司的ds5000/ds5001等、华邦公司的w78c51及w77c51等。从mcs48单片微机发展到如今的新一代单片微机，大致经历了三代。如以 intel 8位单片微机为例，第一代：以mcs48系列为代表，属于低性能单片微机阶段。第二代：以mcs5l系列的8051、8052为代表。主要的技术特征是为单片微机配置了完善的外部并行总线（ab、db、cb）和具有多机识别功能的串行通信接口（uart），规范了功能单元的特殊功能寄存器（sfr）控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统，为发展具有良好兼容性的新一代单片微机奠定了良好的基础。第三代：以80c51系列为代表。它包括了intel公司发展mcs51系列的新一代产品，如8xc152、80c51fa/fb、80c5lga/gb、8xc451、8xc452，还包括了phlips、siemens、adm、fujutsu、oki、atmel等公司以80c51为核心推出的大量各具特色、与mcs51兼容的单片微机。在众多的通用型单片机里，以intel公司的mcs-51系列单片微型计算机最为著名。mcs-51单片机系列有：普通型：51子系列8051/8751/8031；增强型：52子系列8052/8752/8032；低功耗型：80c51/87c51/80c31；80c52/87c52/80c32。 低功耗型单片机采用c110半导体，用字母c0ms工艺型号中标识。如8051功耗为630mw，而80c51功耗仅为120mw，适于便携式或野外作业仪器设备中使用。特别值得一提的是mcs-51的布尔处理器。它实际上是一个完整的一位微计算机，这个一位机有自己的cpu，位寄存器，i/o口和指令集。把八位微机和一位微机结合在一起是微机技术上的一个突破。一位机在开关决策，逻辑电路仿真和实时控制方面非常有效；而八位机在运算处理、数据采集方面有明显的长处，在mcs-51单片机中，八位机和一位机(布尔处理器)的硬件资源是复合在一起的，二者相辅相承，这是mcs-51在设计上的精美之处，也是一般微机所不具备的，而且具有特殊的多机通讯功能，可作为多机系统的一个子系统。很多智能性应用场合，智能型产品都用到了单片微型计算机，单片微型计算机应用开发一直受到人们的重视，并且日益强劲。mcs-51单片机的应用设计一般包括两大方面，即硬件接口设计和软件设计。软件设计中又分为与接口硬件有关的驱动程序的设计以及与接口硬件无关的数据运算和处理程序的设计。3.1.2 ad转换 a/d转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在a/d转换前，输入到a/d转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。a/d转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。ad转换主要有以下三种方法：（1）逐次逼近法 逐次逼近式a/d是比较常见的一种a/d转换电路，转换的时间为微秒级。采用逐次逼近法的a/d转换器是由一个比较器、d/a转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入d/a转换器，经d/a转换后生成的模拟量送入比较器，称为 vo，与送入比较器的待转换的模拟量vi进行比较，若vovi，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送d/a转换器，输出的 vo再与vi比较，若vovi，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。（2）双积分法 采用双积分法的a/d转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。 双积分法a/d转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量vi，vi采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间t的正向积分，时间t到后，开关再接通与vi极性相反的基准电压vref，将vref输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0v时停止积分。vi越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数 值，就是输入模拟电压vi所对应的数字量，实现了a/d转换。（3）电压频率转换法 采用电压频率转换法的a/d转换器，由计数器、控制门及一个具有恒定时间的时钟门控制信号组成。它的工作原理是v/f转换电路把输入的模拟电压转换成与模拟电压成正比的脉冲信号。电压频率转换法的工作过程是：当模拟电压vi加到v/f的输入端，便产生频率f与vi成正比的脉冲，在一定的时间内对该脉冲信号计数，时间到，统计到计数器的计数值正比于输入电压vi，从而完成a/d转换。3.1.3 传感器（1）传感器的定义 国家标准gb7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 （2）传感器的分类 a、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器。b、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。 c、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“1”和0”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。 （3）、传感器的静态特性 传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。 （4）、传感器的动态特性 所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。 （5）、传感器的线性度 通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。 （6）、传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化y对输入量变化x的比值。 它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度s是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。 灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mv，则其灵敏度应表示为200mv/mm。 当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。 提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。 （7）、传感器的分辨力 分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。 （8）、电阻式传感器 电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。 （9）、电阻应变式传感器 传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。 （10）、压阻式传感器 压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。 用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感 材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。 （11）、热电阻传感器 热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200+500范围内的温度。 （12）、传感器的迟滞特性 迟滞特性表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程间输出一输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值max与满量程输出fs的百分比表示。 迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。3.2 at89c52芯片介绍定时/计数器中断系统cpu存储器并行i/o口串口i/o口txdtxdrxdtintp0-p3图3-1 单片机内部结构示意图1.中央处理器（cpu）中央处理器是单片机最核心的部分，主要完成运算和控制功能。2.内部存储器内部存储器包括内部数据存储器（内部ram）和内部程序存储器。存储器是由大量的寄存器所组成，其中每一个寄存器就称为一个存储单元。3.定时/计数器单片机的定时器和计数器是同一结构，只是计数器记录的是单片机外部发生的事件，由单片机的外部电路提供计数信号；而定时器是由单片机内部提供一个非常稳定的计数信号。4.中断系统中断系统在计算机中起着十分重要的作用，是现代计算机系统中广泛采用的一种实时控制技术，能对突发事件进行及时处理，从而大大提高系统的实时性能。5.串行i/o接口串行i/o口的数据各位按顺序传输，其特点是需要一对传输线，成本低；但速度慢，效率低，适合静态显示。6.并行i/o接口并行i/o接口的数据所有位同时传送。其特点是传输速度快，效率高；但传送多少位就需要多少根传输线，因此传送成本高，适合动态显示。3.2.1单片机的引脚功能介绍图3-2 at89c52引脚图at89c52的主要管脚功能如下：（1）p0.0p0.7：p0口是一组8位漏极开路型双向i/o口，也是地址/数据总线复用口。（2）p1.0p1.7：p1是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口。（3）p2.0p2.7：p2是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口。（4）p3.0p3.7：p3是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口。（5）ale：地址锁存控制信号。在系统扩展时，ale用于控制把p0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。此外，由于ale是以晶振16的固定频率输出的正脉冲，因此，可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。（6）：外部程序存储器读选通信号。在读外部rom时，有效(低电平)，以实现外部rom单元的读操作。（7）：访问程序存储控制信号。当信号为低电平时，对rom的读操作限定在外部程序存储器；当信号为高电平时，对rom的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。（8）rst：复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。（9）xtal1和xtal2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。（10）vss：地线。 （11）vcc：+5v电源。3.2.2 时钟电路的设计时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。at89c52片内由一个反相放大器构成振荡器，可以由它产生时钟。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。本设计采用前者。单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入为芯片引脚xtal1，输出端为引脚xtal2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和电容，就构成一个稳定的自激振荡器，外围电路如图3-3所示。电路中的电容c1和c2常选择为30p左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。而外接晶体的振荡频率的大小，主要取决于单片机的工作频率范围，每一种单片机都有自己的最大工作频率，外接的晶体振荡频率不大于单片机的最大工作频率即可。此外，如果单片机有串行通信，则应该选择振荡频率除以串行通信频率可以除尽的晶体。图3-3 时钟电路3.2.3复位电路的设计at89c52单片机的复位输入引脚ret为at89c52提供了初始化的手段。有了它可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器中的0000h地址单元开始执行程序。在89c52的时钟电路工作后，只要在ret引脚上出现两个机器周期以上的高电平时，单片机内部则初始复位。只要ret保持高电平，则89c52循环复位。只有当ret由高电平变成低电平以后，89c52才从0000h地址开始执行程序。本系统的复位电路是采用按键复位的电路，如图3-3所示，是常用复位电路之一。单片机复位通过按动按钮产生高电平复位称手动复位。上电时，刚接通电源，电容c相当于瞬间短路，+5v立即加到ret端，该高电平使89c52全机自动复位，这就是上电复位；若运行过程中需要程序从头执行，只需按动按钮即可。按下按钮，则直接把+5v加到了ret端从而复位称为手动复位。复位后，p0到p3并行i/o口全为高电平，其它寄存器全部清零，只有sbuf寄存器状态不确定。工作原理：通电瞬间，rc电路充电，rst引脚出现高电平，只要rst端保持10ms以上高电平，就能使单片机有效地复位。图3-4 复位电路3.3 adc0809芯片介绍adc0809 是带有 8 位 a/d 转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 cmos 组件。它是逐次逼近式 a/d 转换器，可以和单片机直接接口。3.3.1 adc0809的内部逻辑结构图3-5 adc0809的内部逻辑结构由上图可知，adc0809 由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个 a/d 转换器和一个三态输出锁存器组成。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。3.3.2 adc0809引脚功能介绍图3-6 adc0809引脚图1、adc0809 各脚功能如下：d7-d0：8 位数字量输出引脚。in0-in7：8 位模拟量输入引脚。vcc：+5v 工作电压。gnd：地。ref（+）：参考电压正端。ref（-）：参考电压负端。start：a/d 转换启动信号输入端。ale：地址锁存允许信号输入端。（以上两种信号用于启动 a/d 转换）.eoc：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。oe：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。clk：时钟信号输入端（一般为 500khz）2、adc0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是 05v，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。地址输入和控制线共4 条，ale 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当 ale 线为高电平时，地址锁存与译码器将 a、b、c 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。a、b 和 c 为地址输入线，用于选通 in0in7 上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。图3-7 adc0809通道选择表数字量输出及控制线共11 条，st 为转换启动信号。当 st 上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行 a/d 转换；在转换期间，st 应保持低电平。eoc 为转换结束信号。当 eoc 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行 a/d 转换。oe 为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。oe1，输出转换得到的数据；oe0，输出数据线呈高阻状态。d7d0 为数字量输出线。clk 为时钟输入信号线。因 adc0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为 500khz，vref（），vref（）为参考电压输入。3.4 74hc573芯片介绍芯片74hc573是8位三态锁存器. 74hc573和74ls373原理一样，主要用于数码管、按键等等的控制。sl74hc573 跟 ls/al573的管脚一样。器件的输入是和标准 cmos输出兼容的；加上拉电阻，他们能和 ls/alsttl 输出兼容。当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。图3-8 74hc573引脚图如上图所示，0d7d为数据输入端，0q7q为数据输出端，le为锁存控制端，oe为使能端。其内部原理图和真值表如下：图3-9 74hc573内部原理图输入输出输出使能锁存使能dqlhhhlhllllx不变hxxz附：x：不用关心 z：高电阻图3-10 74hc573真值表 4.传感器的选择4.1温度传感器的选择 温度是表征物体冷热程度的物理量,它可以通过物体随温度变化的某些特性（如电阻、电压变化等特性）来间接测量，通过研究发现，金属铂(pt)的电阻值随温度变化而变化,并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器， 通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100,电阻变化率为0.3851/。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200650）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准使用。其特性与应用：抗震性好，耐高压，多种温度型号可选择，安装方式多元化，可进行oem定做，应用与化纤，橡塑，石油，造纸，水电，食品等设备的过程温度测量与控制。本设计采用pt100温度传感器。图4-1 pt100温度传感器其主要技术参数测温元件k，e，j，t，pt100，cu50测温范围-50-600-1300精度等级classa：+（0.15+0.2%t）；classb；+（0.3+0.5%t）信号输出：4-20 madc二线制供电电压：24vdc，12-36vdc安装方式：螺纹安装，法兰安装，活套安装应用领域：采用欧美铂电阻元件，利用铂电阻的阻值随温度变化而变化，并呈一定函数关系的特性来进行测温。4.2 压力传感器的选择压力传感器的工作原理，本质上是惠斯通电桥，这里采用的是最常见的电阻应变片式的压力传感器。它得到广泛应用的原因是温度特性好，减小温度变化带来的误差。膜片上的压力使得电桥不平衡，从而产生一个差动的输出信号，这种结构的基本特性之一是它的差动输出电压u与偏置电压成正比关系，这种关系隐含压力测量精度直接决定偏置电源的容限值，当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出同时，它也能提供一种温度补偿最通用的方法。本设计采用pt112型压力传感器，pt112系列高温熔体压力传感器是一种基于惠斯登电桥原理而工作的，其耐高温特性可以应用于特殊的的工业，使其成为橡塑，化纤等机械设备中高温流体压力测量与控制的理想产品。图4-2 pt112型压力传感器.其主要技术参数为：量 程：0450mpa综合精度：0.1%fs 0.2%fs 0.5%fs 1.0%fs输 出 ： 2.0mv/v；3.33mv/v；420ma；05v；15v；010v工作温度：-10200450；供电电压： 传感器：10vdc(6-12vdc) 变送器：24vdc(936 v)负载阻抗：电流型最大800 电压型50k以上绝缘电阻：大于2000m 100vdc振动影响：对于20hz-1khz的机械振动，输出变化小于0.1%fs密封等级：ip65信号引出：六芯镀金进口接插件螺纹连接：1/2-20unf m20*1.5 m22*1.5 g1/2 ntp1/4 m16*1.5 其它螺纹可按用户要求设计pt112引进美国最新传感器技术和全套先进电路及元器件生产的高精度压传感器，一体化的不锈钢外壳封装和输出标准信号.芯片采用特殊进口材质，高稳定性压力传感器组件，经过高可靠的放大电路及温度补偿，性能更好。外盒采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。该产品有多种接口形式和多种引线 方式，能够最大限度满足客户的需要，适用于工业设备、水利、化工、 医疗、电力，空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制。4.3水位传感器的选择cr-60系列电容式液位变送器，适用于高温高压、强腐蚀、易结晶、易堵塞等恶劣条件下连续检测可导电的液体。特别适合测量酸碱溶液和锅炉的水位。整机无任何可动或弹性部件，耐冲击、安装方便、可靠性高、精度高、性能价格比好。替代传统的浮球式、投入式、差压式等液位变送器在各种场合下应用有不可比拟的优势。图4-3 cr60水位传感器其性能指标：检测范围：0.1100m精 度： 0.2级、0.5级承压范围： -0.1mpa32mpa环境温度：-2085输出信号：420ma、010 ma、020 ma、15v、05v、010v供电电源：负载电阻0750 dc24v固定方式：螺纹安装m201.5、m272，法兰安装dn25、dn40、dn50。特殊规格可按要求定制现场显示：模拟显示0100%或者直接显示液位高度cr-60系列电容式液位变送器可将各种液位参数的变化转换成标准电流信号、远传至操作控制室，供二次仪表或计算机装置进行集中显示、报警或自动控制。其良好的结构及安装方式，可适用于高压、强腐蚀、易结晶、易堵塞、防冷结等特殊条件下液位的连续检测，可广泛应用于电力、冶金、化工、食品、制药等各行业和污水处理、锅炉汽包、煤粉包等场所的液位测量。仪表特点：结构简单，无任何可动或弹性元部件，因此可靠性极高，维护量极少。一般情况下，不必进行常规的大、中、小维修：多种信号输出，方便不同系统配置；可用于高温高压容器的液位测量，且测量值不受被测液体的温度、比重及容器的形状、压力影响；特别适用于酸、碱等强腐蚀性液体的测量；完善的过流、过压、电源极性保护。4.4流量传感器的选择lugb21/zx涡街流量传感器是一种新型流量传感器，可以用于多种数据散集系统，与xs型流量显示仪配套组成流量计，用于测量管道中液体、气体、蒸汽的瞬时流量和累积流量，并输出信号控制相应设备。该传感器广泛用于电力、机械、轻工、冶金、石油、化工、造纸、科研及城市供水、供热、供气以及各种工业过程控制、能源管理和环境工程等领域。lugb21/zx涡街流量传感器工作原理：“卡门涡街”原理，当流体流经传感器本体内的三角柱时，柱体两侧交错产生两列有规则的旋涡，使柱体后的探头体产生交变应力；埋设在探头体内的压电元件受交变应力作用产生的交变电荷分别送给二个电荷转换器，经检测放大器信号处理，转变为脉冲信号或标准电流信号。图4-4 lugb21/zx流量传感器lugb21/zx涡街流量传感器主要特点： 流量传感器的感应元件不直接与被测介质接触，故性能稳定，可靠性高，流量传感器内无可动部件，结构简单牢固，因而压损小，维护量小，使用寿命长，测量范围度宽，可达15：1、20：1。lugb21/zx涡街流量传感器主要技术参数：型号说明：lugb-21不带现场显示、lugb-zx带现场显示，可显示瞬时流量和累积流量。测量介质：液体、气体、过热/饱和蒸汽。环境温度：-2555，湿度：85%介质温度：（1）普通型：-40130，-10250（2）高温型：-10300，-10380（3）防爆型：-4080精度等级：液体1%；气体1%；蒸汽1.5%输出信号：（1）三线制电压脉冲低电平01v；高电平4v；占空比为50%（2）二线制电流信号420ma供电：24vdc 工作压力：02.5mpa5系统硬件设计5.1 系统总体设计上面的总体设计结构图清晰的将整个锅炉监控系统的各个组成部分呈现了出来，其中包括a/d转换模块、单片机系统控制模块、i/o扩展模块、显示模块、按键模块以及报警模块，各个模块之间通过单片机连接在一起，共同实现了对锅炉内部实时监控的功能。下面将对各个模块一一进行介绍。5.2单片机的最小系统图5-1 单片机的最小系统 单片机最小系统“最小”就是指一个单片机能开始独立工作所需的最基本的外部电路连接。具体是指vcc 脚接电源，gnd接地，接好晶振，连上rc复位电路，另外勿忘ea脚接高电平，这样就搭建成了一个最小的系统。该模块为整个系统的中心模块，实现了对信息的接收和处理，并传出指令，保证输出电路的功能能够得以正常实现，从而达到对系统的实时监控。其中，p0口连接排阻，通过排阻连接到驱动电路部分，使输出端口扩展到16位。p1口连接到ad0809芯片上，用以接收从a/d转换器那里采集到的信号。p2口一部分连接到按键电路，用以接收外部的中断信号，另一部分连接到ad0809芯片的地址锁存器与译码器端口，在ale为高电平时，用以选择in0in7模拟量的输入端口。x1、x2连接的是时钟电路的外围电路，由于该芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，所以无需在外部添加时钟振荡器，内部时钟通过x1、x2和石英晶体、电容相连，就构成了一个稳定的自激振荡器。5.3 a/d转换模块前文已经详细介绍了逐次逼近式a/d转换原理，现在在此基础上具体设计本系统中的a/d转换电路。 图5-2 adc0809连接图 在adc0809接线图中，in0in7接传感器的输出端，ref(-)接地，ref（+）结5v的电源，msb2-1msb2-8接单片机的p1口，用于将数字信号输出，eoc是转换结束信号输出引脚，a、b、c是地址锁存器与译码器的地址输入端，连接到单片机的p2口，用于单片机控制模拟信号的选通输入。ale连接rd，单片机工作的时候始终让ale处于高电平，这样才能使锁存器正常工作。start端是数模转换的启动信号输入端，它连接到单片机的中断口，用以控制数模转换的发生。5.4 驱动电路模块图5-3 驱动电路模块接线图该模块是由74hc573芯片构成，它实现了端口的扩展功能，其内部是一个功率放大电路，提高了电路的功率，从而满足了负载的额定功率使得负载可以正常工作，从而可以响应微弱的输入信号。在这里，该芯片d1d8口接的是单片机的p0口，1q8q分别接的是ah、we1we6端口，分别对应的是显示电路的数码管的管脚和放大电路的输入端。5.5显示电路模块单片机应用系统最常用的显示器是led（发光二极管显示器）和lcd（液晶显示器），这两种显示器可显示数字、字符及系统的状态，它们的驱动电路简单、易于实现且价格低廉，因此，得到广泛应用。常用的led显示器有led状态显示器（俗称发光二极管）、led七段显示器（俗称数码管）和led十六段显示器。发光二极管可显示两种状态，用于系统状态显示；数码管用于数字显示；led十六段显示器用于字符显示。由于本系统中没有显示字符，故而选择数码管就可以满足要求了。本系统选用数码管来显示锅炉的运行是否正常。数码管，简称led(light emitting diode)，led有七段和八段之分，也有共阴极和共阳极两种。共阴极led显示块与发光二极管的阴极连在一起，通常此公共阴极接地，当某个发