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【精品】基于51单片机的锅炉液位控制系统毕业论文 摘 要 本文主要设计了一种锅炉液位控制它作为控制器通过单片机压力传感器和模数转换器等硬件系统和软件设计方法实现具有液位检测报警和控制双重功能本系统在设计中主要有水位检测温度检测压力检测按键控制水位控制显示部分故障报警等几部分组成来实现控制主要用位传感器检测位用温度传感器来检测水温用个控制按键来实现按健控制用三位7段led显示器来完成显示部分用来控制泵的用压力传感器检测锅炉内部压力并且通过模数转换把这些信号送入单片机中把这些信号与单片机中内部设定的值相比以判断单片机是否需要进行相应的操作即是否需要开启水泵来实现对液的控制从而实现单片机自动控制液的目的本设计用单片机控制易于实现锅炉液位温度和压力的控制而且有造价低程序易于调试一部分出现故障不会影响其他部分的工作维修方便等优点abstract designed in this paper is a boiler liquid level controll system which stc89c52 as a controller through hardware and software design such as stc89c52 single chip temperature sensorpressure sensor and adc a system of digital display reach to liquid level detection and alarm dual function control the design of the system are mainly include the water level detection temperature detection pressure detection key control water level control display fault alarm such as a few parts to achieve the level control detection of the main level with the water level sensors temperature sensors ds18b20 is used to detected water temperature with three control buttons to achieve the health control with three 7 led display to complete the display using moc3041 triac to control the circulating pump switch with pressure sensors detect the internal pressure of the boiler through analog-to-digital conversion take these signals into the single chip these single-chip signal and the internal set of values compared to determine the need for the corresponding single-chip operation namely the need to open the pump to achieve the level of control thus in order to achieve the purpose of automatic control by single-chip solution the design is easy to implement single-chip boiler liquid level control temperature and pressure control and its low cost and easy to debug the procedure part of the failure will not affect other parts of the work maintenance convenience and so onkey wordsstc89c52 single chip microcomputer level controldisplayalarm目录第一章 绪论111锅炉液位控制的背景112锅炉液位控制国内外发展概况2121国内发展概况2122国外发展概况213本课题研究目的及意义314 系统简介3第二章主要芯片介绍521单片机stc89c52介绍5211 stc89c52单片机的外部引脚说明5212 stc89c52rc单片机的中断系统7213 选择使用stc89c52rc的原因922芯片74ls164介绍9221 74ls164的引脚图及引脚功能10222 74ls164的内部功能图10223 74ls164的真值表11224 74ls164有如下特点1123 模数转换器ad080912231 adc0809的逻辑结构12232 adc0809 的通道选择12233 adc0809的引脚图及各引脚作用1324 温度传感器ds18b2014241 ds18b20的内部结构及管脚图14242 ds18b20技术性能描述15243 ds18b20的温度处理过程1625 led数码管显示17251 led数码管显示器的结构18252 led数码管显示器的显示段码18253 led显示器的参数19第三章锅炉液位控制的硬件设计2131系统硬件设计的总体方案及框图21311系统硬件设计总体方案21312 系统设计的总体框图2132 键盘控制电路设计2233 复位电路设计2334 显示电路的设计24341静态显示24342 动态显示25343 该设计中显示电路的选择2535 液位控制电路的设计26351 液位控制电路的工作原理及液位控制状态图26352 液位控制的控制电路27353 液位控制中的虚假水位2836 测温电路及温度传感器的选择31361 温度传感器的选择31362 温度检测电路32第四章软件设计及试验运行结果和讨论3341 系统的软件设计3342试验调试及运行结果34421硬件调试34422软件调试35423 软硬件实时调试35424系统实际调试结果3643试验中遇到的问题及讨论36论文小结38致谢40参考文献41附录一 设计程序清单42附录二 电路原理图51附录三 硬件实物图52代做本论文毕业设计实物代做专科本科各个专业毕业论文代做电子机械类专业毕业设计完全按照毕业设计指导书做指导毕业答辩淘宝交易zylwcc2005taobaocom 1226388638第一章 绪论11锅炉液位控制的背景目前我国的燃煤锅炉数量众多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14目前大多数工业锅炉仍处于能耗高浪费大环境污染严重的生产状态国家在第10到第n个五年计划的科技创新指南中对光机电一体化资源与环境新能源与高效节能的指导性课题中明确指出需要开发研制自动化程度高节能潜力大提高安全系数减轻环境污染减轻劳动强度价格低的新型测控装置要求节煤率达到5以上装置投资的回收期在1年以内采暖锅炉为3年以内如中小型链条式工业锅炉用的新型测控装置因此这个课题有现实意义且市场前景良好锅炉微机控制是近年来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微机控制和原有的仪表控制方式相比具有以下明显优势 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的状态 2 在运行中可以随时方便的修改各种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等的上限下限 3 提高锅炉的热效率采用计算机控制后热效率可比以前提高5一10据用户统计一台20t的锅炉全年平均负荷70以平均热效率提高5计全年节煤800吨 4 锅炉系统中包含鼓风机引风机给水泵等大功率电动机由于锅炉本身特性和选型的因素这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的原有方式采用阀门和挡板控制流量浪费非常严重通过对风机水泵进行微机控制可以平均节电达到30一40 5 作为锅炉控制装置其主要任务是保证锅炉的安全稳定经济运行减轻操作人员的劳动强度在采用计算机控制的锅炉控制系统中有十分周到的安全机制可以设置多点声光报警和自动连锁停炉杜绝由于人为疏忽造成的重大事故综合以上种种优点可以预见采用计算机控制锅炉系统是行业的大势所趋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控制锅炉是很好的选择12锅炉液位控制国内外发展概况121国内发展概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在这个行业仍处于发展期经调查北京天津的高校科研院所在这方面开展的工作更看重的是理论算法研究出来的成果是论文的较多看重在生产实际应用的较少在上海新型单片机测控装置与系统的研究生产基础较雄厚在生产中需要新型测控装置与系统也就努力研究开发因此上海的工程技术和科研人员需要的是应用技术更看重的是生产实际应用对研究理论算法成果是论文的较少深圳在研制新型测控装置与系统领域也比较有成绩尽管与其他国家开发者比尚有距离但是深圳的高校科研院所的最大特点就是实际与生产实际应用项目无关的问题基本上不去考虑这里的工程技术和科研人员关心的不是理论不是算法不是论文而考虑是用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目前国内对锅炉液位控制的方法大体有以下几种1改进内模控制算法改进之处即在itae性能指标下确定入参数值然后通过qxlpc-过程控制实验装置和西门子s7-300控制器用改进内模控制算法对锅炉液位进行控制结果表明这种方法具有良好的控制效果先导出了锅炉液位的非线性模型然后基于后推设计方法和自适应模糊控制理论提出了锅炉液位的稳定控制律理论分析证明液位控制的跟踪误差收敛到零仿真结果表明该方法有良好的动态性能和稳态精度在现代社会中随着工业的发展居民生活区的集中热力供应量的需求也越来越大蒸汽锅炉的容量不断提高对操作过程要求更加严格锅炉的液位控制直接影响人们自身和设备的安全液位过低可能使锅炉出现干烧现象液位过高又会使锅炉蒸汽压力过高发生危险传统的液位控制不能进行远距离的集中控制自动化程度低调节精度差等缺点且单靠人工操作已不能适应控制系统改造的必要性随着科学技术的不断进步被控对象越来越复杂人们对控制精度的要求不断提高由于被控对象和过程的非线性时变性多参数间的强耦合随机干扰等因素使得建立被控对象的精确数学模型变得很困难在这些复杂的系统面前传统的控制方法无法满足控制精度而且系统稳定性差更好地对锅炉进行自动化控制同时随着单片机技术自动控制技术的迅速发展利用单片机及其外围芯片实现锅炉液位控制已经成为可能而且也成为一种发展的趋势单片机不仅有体积小安装方便功能较齐全等优点而且有很高的性价比因此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燃烧与给水系统的自动控制与调节将保证锅炉正常供气供水维持稳定系统保证安全经济运行本文即是用单片现的一种锅其有较高的实用价值和优越以作为控制器通过单片机压力传感器和模数转换器等硬件系统和软件设计方法实现具有液位报警和控制双重功能同时也具有压力和显示控制的功能并对和压力值进行显示芯片为核心采集和设定部分键盘显示部分ad变换部分报警部分等部分组成vcc40脚 5v主电源xtal1和xtal2xtal119脚接外部晶体的一端在片内它是振荡电路反相放大器的输入端在采用外部时钟时对于hmos单片机该端引脚必须接地对于chmos单片机此引脚作为驱动端xtal218脚 接外部晶体的另一端在片内它是一个振荡电路反相放大器的输出端振荡电路的频率是晶体振荡频率若需采用外部时钟电路对于hmos单片机该引脚输入外部时钟脉冲对于chmos单片机此引脚应悬浮rst9脚 单片机刚接上电源时其内部各寄存器处于随机状态在该脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位resetpsen29脚 在访问片外程序存储器时此端输出负脉冲作为存储器读选通信号cpu在向片外存储器取指令期间psen信号在12个时钟周期中两次生效不过在访问片外数据存储器时这两次有效psen信号不出现psen端同样可驱动8个lsttl负载我们根据psenale和xtal2输出端是否有信号输出可以判别8c52是否在工作aleprog30脚在访问片外程序存储器时此端输出负脉冲作为存储器读选通信号cpu在向片外存储器取指令期间psen信号在12个时钟周期中两次生效不过在访问片外数据存储器时这两次有效psen信号不出现psen端同样可驱动8个lsttl负载我们根据psenale和xtal2输出端是否有信号输出可以判别80c51是否在工作eavpp31脚 当ea端输入高电平时cpu从片内程序存储器地址0000h单元开始执行程序当地址超出4kb时将自动执行片外程序存储器的程序当ea输入低电平时cpu仅访问片外程序存储器在对87c51eprom编程时此引脚用于施加编程电压vpp输入输出引脚p0口32-39脚p0口是一个漏极开路的8位准双向i0口作为漏极开路的输出端口每位能驱动8个ls型ttl负载p0口有个功能外部扩充存储器时当作数据总线d0d7外部扩充存储器时当作地址总线a1a7不扩充时可做一般io口使用但内部没有上拉电阻作为输入或输出时应在外部接上拉电阻p1口1-8脚p1口是一个带内部上接电阻的准双向io口p1的每一位能驱动4个ls型ttl负载在p1口作为输入口使用时应先向p1口锁存器地址90h写入全1此时p1引脚由内部上接电阻接成高电平tc2的复用 3 p2口21-28脚p2口是一个带内部上接电阻的8位准双向io口p2口每一位能驱动4个ls型ttl负载p2口有两个功能扩充外部存储器时当作地址总线a8a15使用做一般io口使用其内部有上拉电阻p3口p3口是一个带内部上接电阻的8位准双向io口p3口每一位能驱动4个ls型ttl负载p3口与其它io口有较大区别每个引脚还具有专门功能除了作为io口使用外内部有上拉电阻还有一些特殊功能由特殊寄存器来设置端口123有内部上拉电阻当作为输入时其电位被拉高若输入为低电平可提供电流源其作为输出时可驱动4个ls ttl而端口0作为输入时处在高阻抗的状态其输出缓冲器可驱动8个ls ttl需要外部的上拉电阻 p30rxd串行输入口 p31txd串行输出口 p32int0外部中断 p33int1外部中断 p34t0timer0的外部输入脚 p35t1timer1的外部输入脚 p36wr外部数据存储器的写入控制信号 p37rd外部数据存储器的读取控制信号8052 完全兼容优先级可设为4 级另增加2 个外部中断int2p43int3p42其优先级设置如表2-2中断源中断查询次序中断优先级设置优先级0优先级1优先级2优先级3中断请求int00 最优先 px0hpx000011011ie0timer01pt0hpt000011011tf0int12px1hpx100011011ie1timer13pt1hpt100011011tf1uart4pshps00011011rititimer25pt2hpt200011011tf2exf2int26px2hpx200011011ie2int37 最低 px3hpx300011011ie3 表2-2 中断优先级设置表2123中断响应的条件及过程单片机响应中断的条件为中断源有请求中断允许寄存器ie相应位置1且cpu开中断即ea 1掉电模式 典型功耗 01 a正常工作模式 典型功耗 4ma - 7ma掉电模式可由外部中断唤醒适用于电池供电系统如水表气表便携设备等2超强抗干扰高抗静电e s d 保护轻松过2 k v 4 k v 快速脉冲干扰 e f t 测试宽电压 不怕电源抖动宽温度范围 - 4 0 8 5 3三大降低单片机时钟对外部电磁辐射的措施禁止a l e 输出如选6 时钟 机器周期外部时钟频率可降一半单片机时钟振荡器增益可设为1 2 g a i n 4加密性强5在系统可编程 无需编程器 无需仿真器6可供应内部集成m a x 8 1 0 专用复位电路的单片机只有d 版本才有内部集成专用复位电路原复位电路可以保留也可以不用不用时r e s e t 脚接1 k 电阻到地22芯片74ls164介绍74ls164是一个串行输入并行输出的移位寄存器并带有清除端其中q0q7为并行输出端常用于扩展并行口ab为串行数据输入端clock为时钟端clear为清除端当清除端clear为低电平时输出端qaqh均为低电平串行数据输入端ab可控制数据当ab 任意一个为低电平则禁止新数据输入在时钟端clock脉冲上升沿作用下q0 为低电平当ab 有一个为高电平则另一个就允许输入数据并在clock 上升沿作用下决定q0 的状态221 74ls164的引脚图及引脚功能 图 2-2 74ls164的引脚图clear 9脚 高电平有效低电平时使所有输出 qaqh 为低电平 clock 8脚 上升输出移位其余状态保持a 1脚 b 2脚 输入逻辑与关系即全高为高见低为低qh输出并行输出口222 74ls164的内部功能图 图 2-3 74ls164的内部功能图74ls164的内部实质上是8个sr触发器 223 74ls164的真值表 inputs outputsclearclocka bqa qbqh l h h h h x l x xx xh hl xx l l l lqa0 qb0 qh0h qan qgnl qan qgnl qan qgn 表2-3 74ls164的真值表 h高电平 l低电平 x任意电平 低到高电平跳变 qa0qb0qh0 规定的稳态条件建立前的电平qanqgn 时钟最近的前的电平224 74ls164有如下特点1串行输入带锁存 2时钟输入串行输入带缓冲 3异步清除 4最高时钟频率可高达36mhz 功耗10mwbit 74系列工作温度 0c to 70c vcc最高电压7v 输入最高电压7v 最大输出驱动能力 高电平04ma 低电平8maadc0809是典型的8位8通道逐次逼近型ad转换器采用cmos工艺制造它由一个8路模拟开关一个地址锁存译码器一个ad转换器和一个三态输出锁存器组成见图2-5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ad转换器进行转换三态输出锁器用于锁存ad 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 图 2-5 adc0809的内部结构232 adc0809 的通道选择地址锁存与译码电路完成对abc3个地址位进行锁存和译码其译码输出用于通道的选择通道选择如表2-4所示 c addc b addb a adda 选择的通道 0 0 0 in0 0 0 1 in1 0 1 0 in2 1 1 1 in3 1 0 0 in4 1 0 1 in5 1 1 0 in6 1 1 1 in7表2-4 adc00809的通道选择233 adc0809的引脚图及各引脚作用adc0809芯片为28引脚双列直插式封装其引脚排列见图2-6 图2-6 ad0809的管脚图1in0in78条模拟量输入通道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2addaaddbaddc模拟通道地址线这3根地址线用于对模拟通道进行选择其译码关系如表所示adda为低位地址addc为高位地址3ale地址锁存信号对应于ale上跳沿时addaaddbaddc地址状态送入地址锁存器中4start转换启动信号在start信号上跳沿时所有内部寄存器清0在start下跳沿时开始进行ad转换在ad转换期间start信号应保持低电平该信号可简写为st5d0d7数据输出线该数据输出线为三态缓冲输出形式可以和单片机的数据总线直接相连6oe输出允许信号它用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换后的数据oe 0时输出数据线呈高阻态oe 1时输出允许7ds18b20是dallas公司生产的一线式数字温度传感器具有3引脚to92小体积封装形式温度测量范围为55125可编程为9位12位ad转换精度测温分辨率可达00625被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出其工作电源既可在远端引入也可采用寄生电源方式产生多个ds18b20可以并联到3根或2根线上cpu只需一根端口线就能与诸多ds18b20通信占用微处理器的端口较少可节省大量的引线和逻辑电路特点使ds18b20非常适用于远距离多点温度检测系统内部结构如图所示主要由4部分组成64位光刻rom温度传感器非挥发的温度报警触发器th和tl配置寄存器该装置信号线高的时候内部电容器储存能量通由1线通信线路给片子供电而且在低电平期间为片子供电直至下一个高电平的到来重新充电ds18b20的电源也可以从外部3v-55v的电压得到图ds18b20的内部结构ds18b20的管脚排列如图所示dq为数字信号输入输出端gnd为电源地vdd为外接供电电源输入端图ds18b20的管脚排列 独特的单线接口方式ds18b20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与ds18b20的双向通讯 测温范围 55125固有测温分辨率05 支持多点组网功能多个ds18b20可以并联在唯一的三线上实现多点测温 工作电源 35vdc在使用中不需要任何外围元件 测量结果以912位数字量方式串行传送 适用于dn1525dn40dn250各种介质工业管道和狭小空间设备测温 pvc电缆直接出线或德式球型接线盒出线便于与其它电器设备连接ds18b20的初始化1 先将数据线置高电平12 延时该时间要求的不是很严格但是尽可能的短一点3 数据线拉到低电平04 延时750微秒该时间的时间范围可以从480到960微秒5 数据线拉到高电平16 延时等待如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由ds18b20所返回的低电平0据该状态可以来确定它的存在但是应注意不能无限的进行等待不然会使程序进入死循环所以要进行超时控制7 若cpu读到了数据线上的低电平0后还要做延时其延时的时间从发出的高电平算起第5步的时间算起最少要480微秒8 将数据线再次拉高到高电平1后结束其时序如图所示初始化时序ds18b20的写操作1 数据线先置低电平02 延时确定的时间为15微秒3 按从低位到高位的顺序发送字节一次只发送一位4 延时时间为45微秒5 将数据线拉到高电平6 重复上1到6的操作直到所有的字节全部发送完为止7 最后将数据线拉高ds18b20的写操作时序图如图所示写时序 ds18b20的读操作1将数据线拉高1 延时2微秒将数据线拉低0 延时15微秒将数据线拉高1 延时15微秒读数据线的状态得到1个状态位并进行数据处理延时30微秒ds18b20的读操作时序图如图所示时序led显示器是一种由发光二极管显示字段的显示器件也可称为数码管单片机系统中通常使用8段led数码显示器其外形及引脚如图2-12a所示由图可见8段led显示器由8个发光二极管组成其中7个长条形的发光二极管排列成日字形另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用通过不同的组合可用来显示各种数字包括af在内的部分英文字母和小数点 等字样 图 2-12 led数码管显示的结构led显示器有两种不同的形式一种是8个发光二极管的阳极都连在一起构成公共阳极使用时公共阳极接5v每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连当阴极端输入低电平时段发光二极管就导通点亮而输入高电平时不点亮称为共阳极led显示器另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起构成公共阴极使用时公共阴极接地每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连当阳极端输入高电平时段发光二极管就导通点亮而输入低电平时不点亮称为共阴极led显示器如图2-12b所示252 led数码管显示器的显示段码为了显示字符要为led显示器提供显示段码或称字形代码组成一个8字形字符的7段再加上1个小数点位共计8段因此提供给led显示器的显示段码为1个字节各段码位的对应关系如表2-5 表2-5 段码位的对应表段码位 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0显示段 dp g f e d c b a用led显示器显示十六进制数和空白字符与p的显示段码如表2-6所示字型共阳极段码共阴极段码 字型共阳极段码共阴极段码 0 c0h 3fh 9 90h 6fh 1 f9h 06h a 88h 77h 2 a4h 5bh b 83h 7ch 3 b0h 4fh c c6h 39h 4 99h 66h d a1h 5eh 5 92h 6dh e 86h 79h 6 82h 7dh f 84h 71h 7 f8h 07h 空白 ffh 00h 8 80h 7fh p 8ch 73h 表2-6 十六进制数和空白字符与p的显示段码共阴和共阳结构的led显示器各笔划段名和安排位置是相同的当二极管导通时相应的笔划段发亮由发亮的笔划段组合从而显示各种字符8个笔划段dpgfedcba对应于1b8位的d7d6d5d4d3d2d1d0于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码例如对于共阴极led显示器当公共阴极接地为零电平而阳极dpgfedcba各段为01110011时显示器显示p字符即对于共阴极led显示器p字符的字形码是073如果是共阳极led显示器公共阳极接高电平显示p字符的字形代码应为100011000x8c这里必须注意的是很多产品为方便接线常不按规则的方法去对应字段与位的关系这时字形码就必须根据接线自行设计了 由于led显示器是以led为基础的所以它的光电特性及极限参数意义大部分与发光二极管的相同但由于led显示器内含多个发光二极管所以需有如下特殊参数发光强度比 由于数码管各段在同样的驱动电压时各段正向电流不相同所以各段发光强度不同所有段的发光强度值中最大值与最小值之比为发光强度比比值可以在1523间最大不能超过25 脉冲正向电流 若笔画显示器每段典型正向直流工作电流为if则在脉冲下正向电流可以远大于if脉冲占空比越小脉冲正向电流可以越大89c52rc4个液位传感器1个温度传感器ds18b20逐次逼近式ad换器adc0809双向可控硅驱动电路moc3041和双向晶闸管z0409mf等此外还有键盘显示电路报警输出电路等由于资金原因及市场上很难买到4个液位传感器用一个10k的电位器模拟水泵的状态用3个发光二极管模拟它的工作流程如下开始由电位器每隔5s对水位进行采样并输出0-5v模拟信号再经ad转换变成相应的数字信号送入stc89c52单片机进行数据处理单片机经运算后与设定的液位值 下限液位h1上限液位h2下下限液位h3上上限液位h4 依次进行比较若h1 hx h2则表示正常液位水位指示灯亮呈红色水泵工作开度最小其指示灯有一个亮呈红色若h3 hx h1则表示处于下下限与下限液位之间水泵处于正常开度状态有俩个工作指示灯亮呈红色若h2 hx h4则表示处于上限与上上限液位之间停止水泵供水水泵工作指示灯全灭液位正常指示灯灭若hx h3则表示达至下下限液位水泵处于最大开度状态加水三个工作指示灯全亮并启动报警器报警若hx h4则表示达至上上限液位水泵处于全关状态三个工作指示灯全灭并启动报警器报警同时数字温度传感器ds18b20把采集到的温度值送到单片机中经处理后通过74ls164驱动的静态数码管显示其采集到的温度值压力传感器把采集到的数据经ad0809转换之后送到单片机经过处理后也通过数码管显示其压力值在设计中有一个温度与压力值交替显示的按键它可以按人们的意愿去选择显示温度值还是压力值如果报警器启动后设有报警消除按钮消除报警有温度和压力转换按钮可以轮流显示温度和压力值312 系统设计的总体框图 在实际的硬件电路中用3个发光二极管来模拟水泵的全开半开全关三种状态4个液位传感器用一个电位器来模拟通过调节电位器的电压值大小来模拟液位的几种状态执行机构为moc3041双向可控硅来驱动水泵的工作报警器件选择压电蜂鸣器32 键盘控制电路设计为了便于实现各种的控制要求智能调节器必须具备快速设置被控参数且操作方便还必须增加键盘装置键盘控制有矩阵式和独立式两中 矩阵式键盘又有编码式和非编码式单片机系统中普遍使用非编码式键盘这类键盘应主要解决以下几个问题键的识别如何消除键的抖动键的保护在以上几个问题中最主要的是键的识别对于键的识别既可以采用程序扫描的方法也可以采用专用的可编程键盘显示接口8279独立式按键就是各按键相互独立每个按键单独占用一根io口线每根io口线的按键工作状态不会影响其他io口线上的工作状态因此通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了优点电路配置灵活缺点每个按键需占用一根io口线在按键数量较多时io口浪费大电路结构显得复杂因此此键盘是用于按键较少或操作速度较高的场合 图 3-2 键盘控制电路图本电路中独立式按键电路各按键开关均采用了上拉电阻是为了保证在按键断开时各io有确定的高电平如输入口线内部已有上拉电阻则外电路的上拉电阻可省去键盘工作方式的选取原则是既要保证能及时响应按键操作又要不过多占用的工作时间所谓静态显示就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的iocpu的开销小342 动态显示如果要在同一时刻显示不同的字符从电路上看这是办不到的因此只能利用人眼视觉的残留效应采用动态扫描显示的方法逐个地循环点亮各位数码管每位显示1ms左右是人眼看起来就好像在同时显示不同的字符一样 在进行动态显示时往往事先并不知道应显示什么内容这样也就可以选择被显示字符的显示段码为此一般采用查表的方法由待显示的字符通过查表得到其对应的显示段码343 该设计中显示电路的选择可以提供单独锁存的io接口电路很多且静态显示的软件设计比较容易所以在设计中选择常用的串并转换电路74ls164静态显示电路stc89c52单片机串行口方式0为移位寄存器方式外接3片74ls164作为3位led显示器的静态显示接口把stc89c52的rxd作为数据输出线txd作为移位时钟脉冲74ls164为ttl单向8位移位寄存器可实现串行输入并行输出其中ab第12脚为串行数据输入端2个引脚按逻辑与运算规律输入信号共一个输入信号时可并接t第8脚为时钟输入端可连接到串行口的txd端每一个时钟信号的上升沿加到t端时移位寄存器移一位8个时钟脉冲过后8位二进制数全部移入74ls164中r第9脚为复位端当r 0时移位寄存器各位复0只有当r 1时时钟脉冲才起作用q1q8第3-6和10-13引脚并行输出端分别接led显示器的hga各段对应的引脚上在给出了8个脉冲后最先进入74ls164的第一个数据到达了最高位再来一个脉冲第一个脉冲就会从最高位移出该电路中3片7ls164首尾相串而时钟端则接在一起这样当输入8个脉冲时从单片机rxd端输出的数据就进入到了第一片74ls164中了而当第二个8个脉冲到来后这个数据就进入了第二片74ls164而新的数据则进入了第一片74ls164这样当第3个8个脉冲完成后首次送出的数据被送到了最低位的164中其他数据依次出现在第一二片74ls164中显示电路图如图3-6所示 图 3-6 显示电路图35 液位控制电路的设计351 液位控制电路的工作原理及液位控制状态图 在设计中液位的几种状态是通过电位器的不同电压来模拟的采用的电位器电压范围为05v加水装置水泵的各种状态由三个发光二极管模拟由于设计只是模拟系统压力传感器不易买到所以压力的显示直接采用软件赋值的方式 设定电位器的电压值为1v表示下下限2v表示下限3v表示上限4v表示上上限当电位器电压值0x 1时说明液位处于下下限以下此时水泵加水开度最大水泵工作指示灯p24亮且三个发光二极管全亮p13p15 a 水泵开度大小的模拟电路 b c 液位报警电路 图 3-7 液位控制状态电路图352 液位控制的控制电路在设计中采用了双向可控硅moc3041驱动电路控制水泵的启停的moc304l芯片是一种集成的带有光耦的双向可控硅驱动电路它内部集成了发光二极管双向可控硅和过零触发电路等器件它的内部结构和外部引脚如图3-8所示 图 3-8 moc3041 的内部结构从图中可以看出它由输入和输出两部分组成输入部分是一个砷化镓发光二极管在5-15ma正向电流的作用下发出足够强度的红外光去触发输出部分输出部分包括一个硅光敏双向可控硅和过零触发器在红外线的作用下双向可控硅可双向导通与过零触发器一起输出同步触发脉冲去控制执行机构一外部的双向可控硅由moc304l组成的过零触发双向可控硅电路简单可靠液位控制电路图如图3-9所示图 3-9 液位控制电路图该部分的工作过程是当单片机的p25输出为低电平时图3-9所示的moc3041构成的输出通道图moc3041内部导通g端出现同步触发脉冲控制可控硅导通打开水泵当p25为高电平时moc3041内部截止可控硅断开关闭水泵设计中用一个二极管来模拟水泵的开与关353 液位控制中的虚假水位影响汽包液位的因素除了加热汽化这一正常因素外还有蒸汽负荷和给水流量的波动当负荷突然增大汽包压力突然降低水就会急剧汽化出现大量气泡形成了虚假液位如果使用简单的锅炉汽包液位的单冲量控制系统 如图所示 一旦负荷急剧变化虚假液位的出现调节器就会误以为液位升高而关小供水阀门影响了生产甚至造成危险 图 3-10 锅炉汽包液位的冲量为此图采取了锅炉汽包液位的双冲量控制它在单冲量的基础上再加一个蒸汽冲量以克服虚假液位其中调节阀为气关阀液位调节器采用正作用调节器输出信号在加法器内与蒸汽流量信号相减双冲量实际上是前馈与反馈调节相结合的调节系统当负荷突然变化时蒸汽的流量信号通过加法器使它的作用与水位信号的作用相反假液位出现时液位信号a要关小给水阀而蒸汽信号b是开大给水阀这就能克服虚假液位的影响但是如果给水压力本身有波动时双冲量控制也不能克服给水量波动的影响 图 3-11 锅炉汽包液位的冲量这就要用如图3所示的锅炉汽包液位的三冲量调节系统即再加一个给水流量的冲量c使它与液位信号的作用方向一致这种调节系统由于引进了液位给水流量及蒸汽流量三个参数叫做三冲量调节系统根据三个冲量在调节系统中引入位置不同三冲量调节系统有多种方案下面讨论一种常见的三冲量调节系统蒸汽流量和给水流量前馈与汽包液位反馈所组成的三冲量系统图3中所示的三冲量系统汽包液位是被控变量是主冲量信号蒸汽流量和给水流量是辅助冲量信号系统将蒸汽流量和给水流量前馈到汽包液位调节系统中去一旦蒸汽流量或给水流量发生波动不是等到影响到液位才进行调节而是在这两个流量改变之时就能通过加法器立即去改变调节阀开度进行校正故大大提高了液位这个被调参数的调节精度 图 3-12 锅炉汽包液位的冲量在稳定状态下液位测量信号等于给定值液位调节器的输出蒸汽流量及给水流量等三个信号通过加法器得到的输出电流为i0 k1i1-k2i2k3i3中i1为液位调节器的输出电流i2为蒸汽流量变送器的电流i3为给水流量变送器的电流k1k2k3分别为加法器各通道的衰减系数设计k2i2 k3i3此时i0正是调节阀处于正常开度时所需要的电流信号 为了安全调节阀必须用气关阀 假定在某一时刻蒸汽负荷突然增加蒸汽流量变送器的输出电流i2相应增加加法器的输出电流i0就减少从而开大给水调节阀但是与此同时出现了假液位现象液位调节器输出电流i1将增大由于进入加法器的两个信号相反蒸汽流量变送器的输出电流i2会抵消一部分假液位输出电流i1所以假液位所来的影响将局部或全部被克服待假液位过去水位开始下降液位调节器输出电i1开始减小此时它与蒸汽流量信号变化的方向相反因此加法器的输出电i0减小意味着要求增加给水量以适应新的负荷需要并补充液位的不足调节过程进行到液面重新稳定在给定值给水量和蒸发量达到新的平衡为止当蒸汽负荷不变给水量本身因压力波动而变化时加法器的输出相应变化去调节阀门开度直至给水量恢复到所需的数值止由于引进了蒸汽流量和给水流量两个辅助冲量起到了超前信号的作用使给水阀一开始就向正确的方向移动因而大大减小了液位的波动幅度抵消了虚假液位的影响并缩短了过渡过程时间图为三冲量液位调节方案图图为三冲量液位调节方案图从上面分析可以看出三冲量调节系统能及时克服负荷 蒸汽量 和给水流量的干扰作用调节精度高适用于汽包容积较小负荷和给水干扰较大的场合单冲量适合在汽包容积较大负荷变化比较小的场合双冲量调节适合于锅炉容积较小给水压力波动不大的场合锅炉汽包液位三冲量调节系统实践证明效果良好目前我们可许多类型的ic温度传感器与多种多样的应用相匹配从简单的模拟输出温度传感器到数字输出的本地传感器再到具有远程温度监测功能和复杂风扇控制算法的高度集成的温度监视系统模拟温度传感器初期的ic温度传感器提供一个与温度成比例的输出电压或电流热敏电阻电阻随温度呈非线性关系变化的特性现在的模拟温度传感器无需附加线性化电路来校准热敏电阻的非线性当要求电压与温度之间呈线性关系时它是良好的选择虽然新的数字输出温度传感器已经在许多应用中取代了模拟输出温度传感器但是模拟输出温度传感器仍然有用武之地例如ad590电流输出温度传感器该器件经常用于远程温度检测因为高阻抗电流输出使其对长线路传输的电压降不敏感并且还能用于多种多样的温度检测器应用具有4 v 30 v宽工作电压范围数字输出温度传感器在许多应用中最终需要以数字形式提供温度数据这可以通过将一个模拟温度传感器的输出接到一个模数转换器adc来实现然而随着ic产品制造技术的进步将这种adc和许多其它功能一起集成到温度传感器的管芯上已经成为经济有效的方法它能降低成本印制电路板pcb面积和功耗同时简化系统设计工程师的任务数字温度传感器类似于模拟温度传感器但是它的输出不是以电流或电压形式而是将其转换为1或0形式的数字量因此数字输出温度传感器适合于连接到一个mcu图3-14 温度测试电路图第四章软件设计及试验运行结果和讨论41 系统的软件设计整个系统软件主要由主程序中断服务程序显示模块各种故障处理及报警子程序和延时子程序等组成主程序主要是完成系统初始化中断设置串口设置等功能中断程序主要是完成判断极限信号然后转到相应的处理程序检测模块主要是完成信号的输入并经过一系列的转换之后判断它属于哪一个区域内然后去处理相应的程序报警模块主要是完成越限报警的工作显示模块主要是完成温度及压力值的显示工作系统开始后进行初始化初始化主要是开中断及设置串口的工作方式输入开启ad转换的标志等工作然后系统去检测并开始接受检测信号如果信号没有越过我们设定的报警限那么系统会去显示检测到的温度值压力值及判断现在所处于哪一种状态去执行每种状态所对应的功能并继续检测如果信号越过报警限并开始报警按下按键系统会