基于传感器的锅炉液位控制系统设计.doc

摘要 锅炉是发电，炼油，化工等工业部门的重要能源设备。一台锅炉要能安全，可靠，有效的运行，运行参数能够到达设计值，除了锅炉本身设备和各种辅机完好外，还必须要求自动化仪表工作正常和自动控制系统的设计方案正确。锅炉微机控制,是近年来新开发的一项新技术,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,本设计是采用单片机为核心芯片,及其相关硬件来实现的锅炉液位控制系统,在用液位传感器测液位的同时,又用压电式传感器对锅炉的压力进行检测，CPU循环检测传感器输出状态,并用LED显示示液位高度,检测液位、温度和压力等数据,实施报警安全提示,当锅炉液位低于用户设定的值时,系统自动打开泵上水,当水位到达设定值时,系统自动关闭水泵。本设计过程中主要采用了传感技术、单片机技术、光报警技术。关键字: 液位控制 单片机 传感器目录摘要- 2 -一 系统总体设计- 4 -1.1 系统硬件总体设计- 4 -1.2 系统软件总体设计- 4 -二 系统硬件设计- 5 -2.1单片机最小系统电路设计- 5 -2.2 ADC0809A/D转换器- 6 -2.2.1 DA转换基本原理- 6 -2.2.2 ADC0809转换芯片- 7 -2.3光报警电路的设计- 8 -2.4 传感器的选择设计- 9 -2.4.1 液位传感器的设计- 9 -2.4.2 压电式传感器的设计- 10 -2.4.3 压电效应和陶瓷压电式传感器选取- 10 -2.4.4压电式传感器的测量电路- 10 -三 系统软件的设计- 12 -3.1 系统软件的设计- 12 -3.2单片机源程序- 13 -3.1水位检测主程序- 14 -四 结论- 16 -参考文献- 17 -一 系统总体设计1.1 系统硬件总体设计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，通过模数转换进行转换后与单片机接口相连，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。CPULED显示传感器报警装置控制执行装置图1 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,阀门的驱动设备是电动机。1.2 系统软件总体设计水位检测是通过四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，实时对锅炉里的水位进行检测。当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口向单片机输出高电平；当水位低于此光敏三极管的位置时，其输出端口向单片机输出低电平。由上至下的第一个位置为水位上限报警线，即当水位高于此位置时，开水阀控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀有可能出故障；第二个位置是自动停止加水线，即当水位高于此位置时，控制系统会自动关闭加水电磁阀，停止加水；第三个位置是自动加水线，即当水位低于此位置时，控制系统会自动接通加水电磁阀，开水加水；第四个位置是水位下限报警线，即当水位低于此位置时，开水房控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀可能出故障。本系统所使用的传感器性能稳定,测量准确,安装方便,性价比较高,有较大的工程应用价值,而且利用计算机与组态软件技术对锅炉生产过程进行自动控制有着重要的意义。二 系统硬件设计2.1单片机最小系统电路设计AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大at89c2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。 本设计中单片机采用AT89C2051，它是一种高性能低价格单片机。引脚(20个)和指令系统与8031单片机完全兼容。片内有2 K字节的闪速程序存储器(采用电擦除编程, 可重复编程1000次,数据可保10年),除没有P0口、P2口外,具有8031所有功能结构,即一片AT89C2051相当于8031、373 、2716 组成的最小系统。用它构成的测量、控制系统具有电路简单、可靠性好、体积小和成本低等优点。AT89C2051 的P1 口为八位双向I/ O 口, P1.2P1.7有内部上拉电阻, P1.0与P1.1无内部上拉电阻。P1.0与P1.1具有第二功能, 分别作为片内精密比较器的同相、反相输入端。P1 口输出驱动器能提供20mA 的灌电流驱动能力, 其锁存器写1 时可作为输入口。AT89C2051 的P3 口为七位双向I/ O 口, 有内部上拉电阻, P3 口输出驱动器能提供20mA 灌电流驱动能力, 其锁存器写1 时可作输入口。P316作为输入线与片内精密比较器输出端在片内相连, 故无引出线, 但可读该位的值。P310 P315的第二功能与8031 P3 口相应口线的第二功能完全相同。综上所述, P1 和P3 口中的各口线可直接驱动发光二极管, 不用再配置发光二极管驱动电路,P1.0与P1.1具有第二功能, 不用再配置比较器, 从而简化了控制电路的结构。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。2.2.1 DA转换基本原理DA转换接口技术是应用系统后向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DA转换芯片的选择与应用问题。DA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。DA转换芯片的主要性能指标如下:1)分辨率。表征DA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DA转换器，表示它可以对满量程的11024的增量做出反应。2)相对精度。在满刻度已校准的前提下，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LSB2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.l0.03。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DA转换器的数字输入(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AD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AD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AD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。ADC0809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AD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。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其转换方法为逐次逼近型。在A/D转换器内部含有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关树组的256电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个通道的模拟信号。由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码，而且三态TTL输出也可以锁存，所以它易于与微型计算机接口。图2 ADC0809 芯片的引脚图2.3光报警电路的设计发光二极管（LED）是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型。发光二极管的发光原理同样可以用PN结的能带结构来解释。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。，而当给PN结加以正向电压时，沟区导带中的电子则可逃过PN结的势垒进入到P区一侧。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合。这种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度Eg。本电路采用不同颜色的发光二极管来表示不同的情况。即红灯亮，他两灯不亮表示是锅炉达到上限极限水位，；绿灯亮，其他两灯不亮表示锅炉内压力过高，压力传感器检测到锅炉内压力过高与设定值时发出报警；黄灯发亮，其他两灯不亮为锅炉内压力过低，压力传感器检测到锅炉内压力过低与设定值时发出报警，三灯闪烁表示循环泵故障报警，当循环泵开启后，出水与回水温度的差值很大，认为循环泵故障，报警系统报警。图3 光报警电路的原理图此电路采用的是共阳极的，所以只有当单片机给发光二极管为低电平时才能推动发光二极管点亮。其中R14、R15、R16为上拉电阻起限压控流作2.4 传感器的选择设计在本设计中,传感器的选择是非常重要的,传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,它通常由敏感元件和转换元件组成,它的性能直接影响到整个检测系统,对检测精确度起着重要的作用。本设计主要采用的是电容式传感器、光电式传感器和压电式传感器来对液位、温度和压力进行检测,在把检测的电信号通过ADC0809入到单片机进行分析,在由LED进行显示和键盘控制,实行对液位、温度和压力的报警。2.4.1 液位传感器的设计我设计的液位传感器主要是由高亮二极管和光敏三极管所组成的设备。水位检测是通过四对高亮二极管和光敏三极管分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，实时对锅炉里的水位进行检测。当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平；当水位低于此光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出低电平。由上至下的第一个位置为水位上限报警线，即当水位高于此位置时，开水房控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀有可能出故障；第二个位置是自动停止加水线，即当水位高于此位置时，控制系统会自动关闭加水电磁阀，停止加水；第三个位置是自动加水线，即当水位低于此位置时，控制系统会自动接通加水电磁阀，开水加水；第四个位置是水位下限报警线，即当水位低于此位置时，开水房控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀可能出故障。2.4.2 压电式传感器的设计因为要对压力过大或压力不够实行报警,所以要对压力进行测量,我采用的是压电式传感器来对压力进行检测,压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。近年来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。 2.4.3 压电效应和陶瓷压电式传感器选取压电式传感器的基本原理是物质的压电效应。压电效应是某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应的在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。它可以测量最终能变换为力的各种物理量，例如力、压力、加速度等。我采用的是压电陶瓷是一种多晶铁电体，它是具有电畴结构的压电材料。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中无规则排列，它们的极化效应互相抵消。因此，在原始状态压电陶瓷呈现中性，不具有压电效应。当在一定的温度条件下，对压电陶瓷进行极化处理，即以强电场使电畴规则排列，这时压电陶瓷就具有了压电性，在极化电场去除后，电畴基本上保持不变，留下了很强的剩余极化。2.4.4压电式传感器的测量电路1)等效电路 压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为 （2-1） 式中，0为真空介电常数：为压电材料的相对介电常数；h为压电元件的厚度；A为压电元件极板面积。因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，如图3所示 图4 压电式传感器并联电荷源 压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容CC，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra。 2)基本测量电路 压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱，因此一般不能直接显示和记录。QCaCcCiRaRiCfRfN压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。压电传感器的前置放大器有两个作用：一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。压电传感器的发大电路有电压放大器和电荷放大器,而我采用的是电荷放大电路。电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。它实际上是一个具有反馈电容的高增益运算放大器。图3-6是电荷放大器连接的等效电路。 图5 电荷放大器等效电路如果忽略电阻Ra、Ri及Rf的影响，则输入到放大器的电荷量为 （2-2）式中，A为开环放大系数。所以有 （2-3）故放大器的输出电压为 （2-4） 当A1，而(1+A)Cf时，放大器输出电压可以表示为 （2-5）由式中可以看出，由于引入了电容负反馈，电荷放大器的输出电压仅与传感器产生的电荷量及放大器的反馈电容有关，电缆电容等其他因素对灵敏度的影响可以忽略不计。电荷放大器的灵敏度为 （2-6） 放大器的输出灵敏度取决于Cf。在实际电路中，是采用切换运算放大器负反馈电容Cf的办法来调节灵敏度的。Cf越小则放大器的灵敏度越高。为了放大器的工作稳定，减小零漂，在反馈电容Cf两端并联了一反馈电阻，形成直流负反馈，用以稳定放大器的直流工作点。三 系统软件的设计3.1 系统软件的设计下图为软件设计流程图图6软件设计流程图 该系统硬件系统完全，但系统的运算与控制必须靠软件支持，本控制系统采用的是控制，由于模糊控制量的求取是采用查表法，因此软件程序较简单，整个软件部分分为以下几个部分。3.2单片机源程序ORG 0000H AJMP MAINORG 0003hAJMP MAINORG 000bhAJMP MAIN ORG 0013hAJMP MAINORG 001bhAJMP MAINORG 0023H AJMP MAIN ORG 0030HMAIN: CLR p3.6 MOV p0,#0ffh ACALL QL; MOV 3BH ,#95MAIN1: MOV 3bh,#95 ACALL SHUICPM ;水位检测子程序 ACALL BAOJING ;报警子程序 ACALL DELAY2 AJMP MAIN1; BBB1: MOV A,37H ADD A,#10 CLR C SUBB A,3BH JNC OK2; CLR P2.1; MOV A,37H ADD A,#20 CLR C SUBB A,3BH JNC OK2 CLR P2.1; SETB 20H.0 RETok2: CLR 20H.0 RET3.1水位检测主程序这是程序运行的主要程序段，主要实现启动ADC0809转换器，并从A/D转换器采集信号。SHUICPM:MOV A,P1 ANL A,#0FH MOV 30H,#0FH ;00001111 CJNE A,30H,AAA1 SETB P2.0 SETB 20H.1 ;setb水位状态标志位 AJMP OUT2AAA1: MOV 30H,#0EH ;00001110 CJNE A,30H,AAA2 SETB P2.0 CLR 20H.1 AJMP OUT2AAA2: MOV 30H,#0CH ;00001100 CJNE A,30H,AAA3 CLR 20H.1 CLR p2.0 AJMP OUT2AAA3: MOV 30H,#08H ;00001000 CJNE A,30H,AAA4 CLR P2.0 CLR 20H.1 AJMP OUT2AAA4: MOV 30H,#00H ;00000000 CJNE A,30H,AAA5 setb P2.0 SETB 20H.1 AJMP OUT2AAA5: SETB 20H.2 RETOUT2: CLR 20H.2 RETBAOJING: JB 20H.3,OUT6 MOV A,20H MOV 30H,#00H CJNE A,30H,OUT5 AJMP OUT6OUT5: SETB P3.6 JB 20H.4,OUT9 SETB P0.1OUT10: JB 20H.2,OUT11 SETB P0.2OUT12: JB 20H.1,OUT13 SETB P0.3OUT14: JB 20H.0,OUT15 SETB P0.4OUT16: RETOUT6: CLR P3.6 RET OUT9: CLR P0.1 AJMP OUT10 OUT11: CLR P0.2 AJMP OUT12 OUT13: CLR P0.3 AJMP OUT14 OUT15: CLR P0.4四 结论本系统主要介绍了锅炉的液位检测控制，还介绍了对温度和压力的检测控制，介绍了单片机和其它一些单片机在锅炉控制系统中的应用，介绍了它们的引脚和在系统中的电路图，本设计还采用了多种传感器来对液位、温度和压力的信号采集，利用LED来进行信号的输出显示,我设计的硬件系统的结构简化,系统精度高，具有良