基于单片机的锅炉液位控制系统

1、摘 要本设计对锅炉液位的控制方案进行了简单地介绍，并对其设计方案存在的问题进行分析。论述了改进方案的特点，消除了“虚假水位”的影响。本文还介绍了锅炉汽包水位的动态特性，单冲量、双冲量、三冲量控制方案的特点及工程中需注意的问题，着重介绍了汽包三冲量控制方案。通过对锅炉汽包液位动态特性的分析，介绍了基于51单片机的液位控制系统的软硬件组成，并成功地运用到实际系统中，大大降低了使用成本，提高了系统的性价比，取得了良好的控制效果。关键词：汽包水位；串级三冲量控制；单片机；汽包水位；动态特性；控制方案；单冲量；双冲量；三冲量AbstractThe methods of the boiler liquid

2、 level were introduced simplely in the paper and exsiting questions of the methods in the designing were anylied. Improving methods feature was descriped and faulse liquid levels effection was eliminated.The paper introduced the dynamic characteristics of the level of boiler bubble. The characterist

3、ics of automatic control schemes with one variable or two variables or three variables were discussed,as well as some problems concerned in engineering. The automatic control scheme of boiler bubble with three variables was recommended specially.According to analyzing the boiler liquid levels dynami

4、c characteristics,this paper introduces the liquid level control system of boiler based on single chip computer,including the software and the hardware.This system was used in practice successfully,reduced the cost greatly,increased the ration of the performance and the cost,and achieved good contro

5、l effect.Key words:boiler liquid level;impulse three and serial control;single chip computer;dynamic characteristics; automatic control schemes;one variable;two variables;three variales目 录1.引言：12.锅炉的传热和水循环过程原理12.1锅炉的传热过程原理12.2锅炉的水循环过程原理23.锅炉基本工艺过程分析44.锅炉汽包水位动态特性分析54.1给水流量作用下的动态特性54.2汽包水位在蒸汽扰动下的动态特性6

6、5.锅炉液位的控制方案的选择85.1单冲量控制系统85.2双冲量控制系统95.3三冲量控制系统10三冲量控制方案I-前馈（蒸汽流量）加反馈（液位、给水流量）控制方案10三冲量控制方案II-蒸汽流量前馈-给水流量串级控制系统115.4几种控制方案的比较115.5工程中需要注意的问题14关于汽包液位测量的问题14给水阀的选择问题14给水流量和蒸汽流量的选择146.系统实现156.1硬件实现15输入模块设计28键盘/显示模块设计31报警模块设计33输出模块设计346.2软件设计367.应用368.结束语399.致谢信4010.参考文献411.引言：汽包液位是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标，液位

7、过高，会使蒸汽带水过多，汽水分离差，使后续的过热器管壁结垢，传热效率下降，过热蒸汽温度下降，严重时将引起蒸汽品质下降，影响生产和安全；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而损坏，严重时会发生锅炉爆炸。尤其是大型锅炉，一旦控制不当，容易使汽包满水或汽包内的水全部汽化，造成重大事故。因此，在锅炉运行中，保证汽包水位在正常范围是非常重要的。2.锅炉的传热和水循环过程原理通常将锅炉分为锅和炉两部分。燃料在炉内燃烧使化学能变成热能，热能通过复杂的传热过程传递给盛于锅内的工质。在工业锅炉中称锅炉为将燃料放出的热量传给水产生蒸汽或热水的设备。这就是说，工业锅炉所采用的工质仅仅是水。实际上，

8、目前在工业生产和生活中，还有不少并不以水为工质的锅炉。燃料和空气在锅炉的炉腔里混合燃烧后，放出大量的热，然后通过辐射、对流和导热的热交换过程，把热量传给水。2.1锅炉的传热过程原理燃料在炉腔里燃烧放出的热量，经过一个复杂的传热过程后再传给锅炉里的水。在这个过程中导热、对流和辐射三种方式几乎同时发生，可以用图A、B表示。A是锅炉炉腔的传热状况，由导热、炉水对流受热面导热辐射对流炉腔A对流和辐射三种方式组成。第一步是炉腔里的高温烟气通过辐射和对流把热量传给管壁；第二部是管壁的导热，把热量从烟气侧传到炉水侧；第三步是管壁与炉水之间的对流换热，把热量传给炉水。B是锅炉对流受热面的传热状况，图中所示状况

9、为烟气温度较低处，忽略烟气的辐射放热、传热由对流和导热两种方式组成。烟气通过对流把热量传给受热面管壁，经过管壁的导热把热量从高温侧传到低温侧，然后再通过对流，管壁把热量传给炉水。炉水对流受热面导热对流烟气B2.2锅炉的水循环过程原理锅炉的水冷壁管与对流管束受到高温烟气的辐射和包围，大量的热量经过管壁传给炉水，使它加热升温、汽化、管壁温度介于烟气与炉水温度之间，仅比炉水温度稍高一些，这是因为炉水对金属管壁有良好的冷却作用。管壁把热量传给炉水后，在管壁上会形成小的气泡。如图C所示：这种气泡必须及时离开，并让汽水混合物把热带走，才能保证炉水对管壁的有效冷却。如果形成的气泡停滞在管壁上，因为水蒸气与管

10、壁之间的热交换远比水差，管壁就不能得到良好的冷却，易过热而烧坏。为了使汽水混合物及时的离开受热面，必须建立可靠的水循环。锅炉的水循环有自然循环和强制循环两种。受热面蒸汽炉水蒸汽泡CD图中表示水循环回路由上下两个筒和两组管束组成。左边的管束受到高温烟气的加热，管中产生蒸汽，称为上升管。右边管束处于低温烟气或处于空气夹层不受加热，管内不产生蒸汽，称为下降管。由于左边管子里形成汽水混合物，重度较小。右边管子里是饱和水或接近饱和状态的水，重度较大。鉴于两边管子里流体的重度不同，左边管子内的汽水混合物就自然上升，右边的管子里的水汽筒下降管上升管水筒烟气自然循环回路简D图就自然下降，回路中的水和汽水混合物

11、就产生了自然循环。这种循环为自然循环。如果在锅炉水回路中设置循环水泵，使水在外力的驱动下产生运动，这种水循环称为强制循环。3.锅炉基本工艺过程分析87412356图1 锅炉的汽水系统工业锅炉汽水系统如图1所示。汽包及蒸发管道中贮存着蒸汽和水，贮存量的多少，是以被测量水位表征的。给水管道的水经过调节阀，进入省煤器，靠锅炉的烟气加温，然后进入汽包，汽包和上、下行管道内的水被锅炉燃烧系统产生的热量加热成饱和蒸汽，经过加热器加热成过热蒸汽，然后进入主蒸汽管道。当给水流量等于蒸汽流量时，汽包水位就恒定不变。1-给水管； 2-调节阀； 3-省煤器； 4-汽包； 5-下行管； 6-下行管；7-过热器； 8-

12、蒸汽管。4.锅炉汽包水位动态特性分析汽包水位的扰动主要有4个来源：一是给水方面的扰动，包括给水压力的变化和调节阀开度的变化，这个扰动来自给水管道和给水泵；二是蒸汽负荷的扰动，包括蒸汽管道阻力的变化和蒸汽调节阀开度的变化；三是燃料量的变化，包括引起燃料发热量变化的种种因素；四是汽包压力的变化，压力变化对汽包水位的影响是通过汽包内部汽水系统在压力升高时的“自凝结”过程和压力降低时的“自蒸发”过程作用的。由于燃料量对汽包水位的影响有传递滞后和容积滞后，影响十分缓慢，可以略去不计。对于汽包压力的变化往往是由于蒸汽负荷变化引起的，因此，压力的变化可归到蒸汽负荷中去，所以压力变化对汽包水位的影响可略去不计

13、。这样引起汽包水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水量的变化。下面我们将着重分析在给水流量（称为内干扰）和蒸汽流量（称为外干扰）扰动下，汽包水位调节对象的动态特性。4.1给水流量作用下的动态特性如果蒸汽负荷量不变，给水流量产生变化时，汽包水位调节对象的动态方程式可近似表示为其中：S-复参数；-液位的拉氏变换；-给水流量的拉氏变换；-锅炉在给水流量变化时的数学模型；-反映速度，即给水流量改变单位流量时水位的变化速度；-延迟时间。从（1）式中可看出，汽包水位在给水流量作用下的动态特性是由一个积分环节和一个延迟环节所组成。在给水流量扰动下，汽包水位响应曲线如图2所示。如把汽包及水循环系统当作单水槽

14、对象，水位的响应曲线应该如图2的直线所示。考虑到给水温度低于汽包内的饱和水温度，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量，使锅炉的蒸汽产量下降。水面一下的汽包总体积也就相应减少，导致水位下降。对水位的影响可以用图中的曲线表示。水位的实际响应曲线是和的总和。从图2可知，响应过程有一段延迟时间。给水的过冷度越大，纯延迟时间也越大。4.2汽包水位在蒸汽扰动下的动态特性在给水量不变的情况下，当负荷蒸汽量发生阶跃变化后，汽包水位调节对象的动态特性可近似表示为：thh0t图2 给水扰动下的水位响应曲线（2）式中：-蒸汽负荷的拉氏变换；-蒸汽负荷作用下锅炉的数学模型；-响应速度，即蒸汽变化单位流t图3

15、 蒸汽流量扰动下的水位响应曲线hht量时，水位的变化速度；-响应曲线的放大系数；-响应曲线的时间常数。在蒸汽流量扰动下，汽包水位响应曲线如图3所示。汽包水位的特性曲线可分为和两部分，图3中是仅考虑当蒸汽负荷增加，即用汽量增加时由于蒸汽流量和给水流量不平衡引起的水位变化；是由于蒸汽流量的扰动，改变了汽包的气压而引起“虚假水位”的变化。“虚假水位”产生的主要原因是蒸汽流量增加，汽包内的气压下降，炉水沸点降低，使炉管和汽包混合物中的汽容积增加，体积膨大，引起汽包水位上升。这给控制带来很大困难，在设计控制方案时，必须有效克服“虚假水位”的影响。5.锅炉液位的控制方案的选择5.1单冲量控制系统单冲量控制

16、系统（冲量一词指的是变量，单冲量即汽包液位）是采用汽包液位直接控制给水调节阀（如图4所示），它是汽包液位自动控制中最简单最基本的一种形式，是典型的单回路定值控制系统。该系统结构简单、投资少、结构易实现，用于小型低压锅炉。因为这种锅炉的蒸汽负荷比较稳定，汽包的相对容积大，用户对蒸汽的要求往往不十分严格，该控制系统若再配上一些报警联锁装置，也可以满足生产要求。在停留时间较短，负荷变化较大时，就不能采用单冲量液位控制系统。这是因为：1) 负荷变化时产生的“虚假液位”将使调节器反向错位动作，负荷增大时反而关小给水调节阀，当闪急汽化平息下来时，LTLC省煤器图4 单冲量控制系统方框图蒸汽会使水位严重下降

17、，产生剧烈波动，调节的动态品质很差。2) 负荷变化时，从负荷变化到水位下降再到调节阀动作，滞后时间太长，如果水位过程时间常数很小，偏差必然很显著。3) 给水系统扰动时，例如给水泵压力变化，进水量立即变化，而到水位产生偏差时才使调节阀动作，同样不够及时。5.2双冲量控制系统在汽包的水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化，那么引入蒸汽流量来校正，不仅可以补偿“虚假水位”所引起的误动作，而且使给水调节阀的动作及时，这就构成了双冲量控制系统。从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈（蒸汽流量FTS）加单回路反馈控制系统构成的复合控制系统。加法器的输出=+初始偏差。如果高压蒸汽供给蒸汽透平压缩机，为保护设备，

18、给水阀宜选用气开（F.C）阀，当蒸汽流量加大时，给水流量亦要相应增加，此时选用气开阀，加法器的输出应增加，即应该取正号。如果蒸汽作为工艺生产中的热源时，为保护设备，给水阀宜选用气关（F.O）阀，当蒸汽流量加大时，给水流量亦要相应增加，此时选用气关阀，加法器的输出应减小，即应该取负号。为了兼顾上述两种要求，宜选带保位装置（F.L）的给水阀，即事故状态该阀停在原位。初始偏差设置的目的是：正常负荷下，调节器和加法器的输出都能有一个比较适中的数值，最好在正常负荷下初始偏差与前馈（蒸汽流量FTs）项恰好抵消。图5为双冲量控制系统方框图图5 双冲量控制系统方框图LCFTs省煤器蒸汽给水PsPc5.3三冲量

19、控制系统双冲量控制系统有两个缺点：1) 调节阀的工作特性不一定完全是线性，这样要做到静态补偿就比较困难；2) 对于给水系统的扰动不能直接补偿。为此将引入给水流量信号，构成三冲量控制系统。三冲量控制方案I-前馈（蒸汽流量）加反馈（液位、给水流量）控制方案该系统可看作三冲量的综合信号作为被控变量的单回路控制系统，投运和整定与单回路控制系统一样，但是如果系统参数设置不能确保物料平衡，则负荷变化时，水位将有余差。图6为三冲量控制方案I方框图图6 三冲量控制系统I方框图LTFTs省煤器蒸汽给水PsPcLCFTsPw关于系数和作用与设置1) 用来保证物料平衡即在的条件下，蒸汽流量信号与给水流量信号应相等，

20、依据这条原则，可以确定和的比值。2) 用来确定前馈作用的强弱从（1）物料平衡中知道和的比值，其大小应依据过程特性确定，越大其前馈作用越强，则扰动出现时，调节阀开度的变化亦越大。三冲量控制方案II-蒸汽流量前馈-给水流量串级控制系统方案I与方案II相似，仅是加法器位置从调节器前移至调节器后。该方案不管与如何设置，当负荷变化时，液位可以保持无差，以改善负荷扰动下的调节品质。加法器的输出=催化裂化装置产汽及余锅汽包采用气关（F.O）式的保位给水阀，当蒸汽流量加大时，给水流量亦要相应增加，此时选用气关阀，加法器的输出应减小，即应取减号。当给水流量增加时，此时选用气关阀，加法器的输出应增大，即Pc应该取

21、正号。5.4几种控制方案的比较 单冲量液位控制是汽包液位自动控制中最简单最基本的一种形式，是典型的单回路定值控制系统，但它不能克服“虚假液位”的影响，而且没有给水流量信号的反馈，所以液位波动较大。双冲量液位控制系统是在单冲量控制的基础上，引进蒸汽流量作为前馈信号。该控制系统的特点是：引入的蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假液位”对调节品质的影响，当蒸汽流量变化时，就有一个给水量与蒸汽量向同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假液位”引起的给水量与蒸汽量反方向变化的误动作，使调节阀从一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量与液位的波动，缩短调节的时间。而且引入的蒸汽流量的前馈信号，能改善调节

22、系统的静特性，提高调节质量。双冲量液位控制系统适用于小型低压而且给水压力较稳定的锅炉。当给水压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量控制；另外在大型锅炉的控制中，锅炉容易越大，压力越来越高，汽包的相对容水量就越小，允许波动的储水量就更少。为了把液位控制平稳，在双冲量液位调节的基础上引入了给水流量信号，由液位、蒸汽流量和给水流量就构成了三冲量液位控制系统，在这个系统里，汽包液位是被控变量，是主冲量信号，蒸汽流量、给水量是两个辅助冲量信号。三冲量液位控制系统抗干扰能力强，适用于大中型中压锅炉。三冲量控制方案I：方案I宜作为一般锅炉液位的控制方案，其特点是使用的设备少，整定方

23、法比较简单，调节机构动作比较平稳。三冲量控制方案II：与方案I比较，其加法器从调节器前移至调节器后，即使出现物料不平衡的现象，只要液位有偏差，调节器的积分作用就能消除偏差。通过比较和针对以上对汽包动态特性的分析，为了有效地克服“虚假水位”的影响，我们采用三冲量（即用液位LT、给水量FTw、蒸汽负荷FTs三个变量作为被控量）串级控制方案II来控制汽包液位，其控制简化方框图如图7所示，它实际是把一个蒸汽流量作为前馈信号的串级控制系统。系统中的锅炉水位H被控变量，是主控制变量，蒸汽流量FTs和给水流量FTw是两个辅助控制变量，由蒸汽前馈及补偿系统通过相应的计算和输出来保证水位稳定。在三冲量控制中，水

24、位调节器作为主调节器，用于稳定水位，它可抑制闭环内一切引起水位波动的扰动，给水流量调节器作为副调节器，用于消除各种引起水位波动的二次扰动，使水位更加稳定，蒸汽流量作为前馈信号，用于抑制蒸汽负荷波动对水位的影响。当蒸汽负荷突然增大，蒸汽流量信号使给水调节阀阀门开度增大，大大削弱了由于“虚假水位”引起的误动作，因而减小了水位和给水流量的波动幅度。当由于水压干扰使给水流量改变时，调节器能迅副调节器执行机构锅炉汽包给水流量变送器汽包液位变送器主调节器图7三冲量串级控制系统FTs变送器FTwLT速消除干扰。另外，给水流量信号也是调节器动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，所以三冲量控制系统调节

25、器动作快，还可以避免调节过头，减少波动和失控。这样，汽包水位就很少受到影响。主调节器采用PID控制算法，副调节器采用P控制算法。由于水位调节器测量值是汽包水位信号，因此，当水位调节器具有积分控制作用时，该控制方案可实现汽包水位无余差控制。5.5工程中需要注意的问题关于汽包液位测量的问题由于汽包液位波动较大，一般选用平衡容器测量汽包液位。平衡容器连通管中的液位始终与汽包液位等高，上端的蒸汽冷凝后会在托盘上形成水柱，若水柱高出托盘自溢口后自溢，并经平衡阀返回汽包，进行热量与水量的交换，以求达到汽包内部液体与平衡容器内部的液体比重一致且恒定。将托盘液面高于正取压端口做负迁移，则差压变送器量程所对应的

26、平衡管正压端水柱压力的变化就能真实反映汽包液位的变化。给水阀的选择问题1) 关于给水调节阀的气开气关的选择，一般都是从安全角度考虑的。如果高压蒸汽供给蒸汽透平压缩机的重要负荷，为保护这些设备以选用气开（F.C）阀为宜。如果蒸汽作为工艺生产中的热源时，为保护锅炉，以选用气关（F.O）阀为宜。综合起来考虑，一般选带保护装置（F.L）的给水阀，即事故状态停在原位。2) 关于给水调节阀型号的选择。由于流经给水阀的除氧水压力为6.0MPa，温度为104，极宜产生汽蚀现象。对于轻度汽蚀，一般给水阀的阀芯，底座选用司钛莱合金堆焊即可。对于重度汽蚀，一般给水阀选用多级高压调节阀，使高压除氧水在流过调节阀多级节

27、流孔后逐渐降压，而每级阀芯上只承担一部分压差，使节流后的压力在阀的部分恢复不到流体的饱和蒸汽压力，可以有效的避免汽蚀现象，也有效的防止了汽蚀引起的噪声振动和对阀芯底座的侵蚀。给水流量和蒸汽流量的选择给水流量和蒸汽流量的一次元件如果选用节流装置，则差压变送器输出的信号叠加。这样可以减少非线性对系统调节品质的影响。若是选用流量变送器则不必加开方器。它们的显示仪表的量程应选择的相同，其范围应比额定蒸汽负荷大一些，以保证锅炉在额定负荷下的给水流量有波动的余地。6.系统实现6.1硬件实现器件选择：本设计主要有51单片机、8155、555定时器等器件，现分别介绍如下：Ø 51单片机的结构和原理：

28、i. 51单片机的结构：51单片机是INTEL公司生产的一个单片机系列的名称。该公司继1976年推出48系列8位单片机之后，又于1980年推出了51系列高档8位单片机。属于这一系列的单片机芯片有许多种，如8051，8031，8751，80C51BH，80C31BH等等，它们的基本组成、基本性能和指令都是相同的。为了叙述方便，今后如不作说明，则常用8051代表51系列单片机。ii. 51单片机的基本组成：在一块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分。每一个单片机包括：1) 一个8位的微处理器（CPU）。2) 片内数据存储器RAM（128B/256B），用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结

29、果、最终结果以及欲显示的数据等。3) 一个8位的微处理器（CPU）。4) 片内数据存储器RAM（128B/256B），用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。外部时钟源振荡器和时序OSC程序存储器4KBROM数据存储器256BRAM/SFR2X16位定时器/计数器8051CPU64KB总线扩展控制器可编程I/O可编程全双工串行口外中断内中断并行口串行通信外部事件计数图8 8051单片机结构框图控制5) 片内程序存储器ROM/EPROM（4KB/8KB），用以存放程序、一些原始数据和表格。但也有一些单片机内部不带ROM/EPROM，如8031，8032，80C31

30、等。6) 四个8位并行I/O接口P0P3，每个口即可以用作输入，也可以用作输出。7) 两个定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。8) 五个中断源的中断控制系统。9) 一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的通信。10) 片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率为12MHZ。以上各个部分通过内部数据总线相连接。8051片内除具有CPU（包括控制器与运算器）外，还包括ROM，RAM，4X8位的并行口，串行口和

31、2X16位定时器/计数器。它是一个功能很强的单片微型计算机，但由于8051片内为掩膜ROM，内部程序不能改写，不便于实验和开发。如在实验调试中使用8051，需在片外扩展可改写的EPROM。Ø 51单片机内部结构8051/8751/8031芯片的外部引脚和指令系统完全兼容，其内部结构除ROM/EPROM不同外，其完全相同。8051单片机内部结构如图9所示。一个完整的计算机应该由运算器、控制器、存储器（ROM及RAM）和I/O接口组成。一般微处理器（如Z80）只包括运算器和控制器两部分。和一般微处理器相比，8051增加了四个8位I/O口、一个串行口、4KBROM、128BRAM、很多工作

32、寄存器及特殊功能寄存器（SFR）。各部分功能简述如下。一、 中央处理单元（CPU）CPU是单片机的核心，是计算机的控制和指挥中心，由运算器和控制器组成。1. 运算器运算器包括一个可进行8位算术运算和逻辑运算的单元ALU，8位的暂存器1、暂存器2、8位的累加器ACC、寄存器B和程序状态寄存器PSW等。ALU：可对4位（半字节）、8位（一字节）和16位（双字节）数据进行操作。能做加、减、乘、除、加1、减1、BCD数十进制调整及比较等算术运算和与、或、异或、求补及循环移位等逻辑操作。ACC：累加器ACC经常作为一个运算数经暂存器2进入ALU的输入端，与另一个来自暂存器1的运算数进行运算，运算结果又送

33、回ACC。除此之外，ACC在8051内部经常作为数据传送的中转站。同一般微处理一样，它是最繁忙的一个寄存器了。在指令中用助记符A来表示。PSW：程序状态字寄存器，8位，用于指示指令执行后的状态信息，相当于一般微处理器的标志寄存器。PSW中各位状态供程序查询和判别用。B：8位寄存器，在乘、除运算时，B寄存器用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一个分结果；若不做乘、除运算时，则可作为通用寄存器使用。另外，8051片内还有一个布尔处理器，它以PSW中的进位标志CY为累加器（在布尔处理器及其指令中以C代替CY），专门用于处理位操作；可执行置位、位清0、位取反、位等于1转移、位等于0转移、位等于1转移

34、并清0以及位累加器C与其他可位寻址的空间之间进行信息传送等位操作，也能使C与其他可寻址位之间进行逻辑“与”、逻辑“或”操作，结果存放在进位标志位（位累加器）C中。2. 控制器控制器包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、振荡器及定时电路等。程序计数器PC：由两个8位的计数器PCH及PCL组成，共16位。PC实际上是程序的字节地址计数器。PC中的内容是将要执行的下一条指令的地址。改变PC的内容就可改变程序执行的方向。PC可对64KB的ROM（程序存储器）直接寻址，也可对8051片外RAM（数据存储器）寻址。指令寄存器IR及指令译码器ID：由PC中的内容指定ROM地址，取出来的指令经指

35、令寄存器IR送至指令译码器ID，由ID对指令译码并送PLA产生一定序列的控制信号，以执行指令所规定的操作。例如，控制ALU的操作、在8051片内工作寄存器间传送数据，以及发出ACC与I/O口（P0P3）或存储器之间通信的控制信号等等。振荡器及定时电路：8051单片机内有振荡电路，只需外接石英晶体和频率微调电容（2个30PF左右），其频率范围为1.2MHZ12MHZ。该脉冲信号就作为8051工作的基本节拍，即时间的最小单位。8051同其他计算机一样，在基本节拍的控制下协调地工作，就像一个乐队按着指挥的节拍演奏一样。二、 存储器8051片内有ROM（程序存储器，只读）和RAM（数据存储器，可读可写

36、）两类，它们有各自独立的存储地址空间，与一般微机的存储器配置方式很不相同。1. 程序存储器（ROM）8051及8751的片内承袭存储器容量为4KB，地址从0000H开始，用于存放程序和表格常数。2. 数据存储器（RAM）8051/8751/8031片内数据存储器均为128KB，地址为00H7FH，用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据缓冲等。3. 数据存储器（RAM）8051/8751/8031片内数据存储器均为128KB，地址为00H7FH，用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据缓冲等。在这128B的RAM中，有32个字节单元可指定为工作寄存器，这同一般微处理器不同。8051的片内RAM

37、和工作寄存器排在一个队列里统一编址。由上图可见，8051单片机内部还有SP、DPTR、PCON，、，IE、IP等特殊功能寄存器，它们也同128字节RAM在一个队列里编址，地址为80HFFH。在128字节RAM单元中有21个特殊功能寄存器图9 8051单片机内部结构图VCCP2.0P2.7P0.0P0.7P2驱动器P0驱动器VSSRAM地址寄存器4KBROMP2锁存器128BRAMP0锁存器RSTEAPSENALEP3.0P3.7.P1.0P1.7XTAL2XTAL1、B寄存器暂存器1暂存器2ACCSPALUPSW中断、串行口和定时器P1锁存器P3锁存器P1驱动器P3驱动器OSC程序地址寄存器缓

38、冲器PC增1DPTRPC定时控制指令译码器指令寄存器（SFR），这些特殊功能寄存器还包括P0P3口锁存器。三、 I/O接口8051有四个8位并行接口，即P0P3。它们都是双向端口，每个端口各有8条I/O口线，均可输入/输出。P0P3口四个锁存器同RAM统一编址，可以把I/O口当作一般特殊功能寄存器来寻址。Ø 51单片机引脚及其功能（附图10）图10各引脚功能简要说明如下：1. 电源引脚Vcc和VssVcc(40脚)：电源端，为+5V。Vss（20脚）：接地端。2. 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL2（18脚）：接外部晶体和微调电容的一端；在8051片内它是振荡电路反相放大器

39、的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。要检查8051/8031的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。XTAL1（19脚）：接外部晶体和微调电容的另一端；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，该引脚必须接地。3. 控制信号引脚RST，ALE，和 RST/(9脚)：RST是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。RST引脚的第二功能是，即备用电源的输入端。当主电源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时，将+5V电源自动接入RST端，为

40、RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信息不丢失，从而使复位后能继续正常运行。ALE/（ADDRESS LATCH ENABLE/PROGRAMMING,30脚）：地址锁存允许信号端。当8051上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。平时不访问片外存储器时，ALE端也以振荡频率的1/6固定输出正脉冲，因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。如果想确定8051/8031芯片的好坏，可用示波器查ALE端是否有脉冲信号输出，如有脉冲信号输出，则8051/8031基本上是好的。ALE端的

41、负载驱动能力为8个LS型TTL（低功耗甚高速TTL）负载。（PROGRAM STORE ENABLE，29脚）：程序存储允许输出信号端。在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。此引脚接EPROM的端。PSEN端有效，即允许读出EPROM/ROM中的指令码。端同样可驱动8个LS型TTL负载。要检查一个8051/8031小系统上电后CPU能否正常到EPROM/ROM中读取指令码，也可用示波器看端有无脉冲输出。如有则说明基本上工作正常。/（ENABLE ADDRESS/VOLTAGE PULSE OF PROGRAMMING，31脚）：外部程序存储器地址允许输入端/固化

42、编程输入端。当引脚接高电平时，CPU只访问片内EPROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令，但当PC（程序计数器）的值超过0FFFH时，将自动转去执行片外程序存储器内的程序。当输入信号引脚接低电平（接地）时，CPU只访问外部EPROM/ROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。4. 输入/输出端口P0，P1，P2和P3P0口（P0.0P0.7，3932脚）：P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。当P0口作为输入口使用时，应先向口锁存器（地址80H）写入全1，此时P0口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。作输入口

43、使用时要先写1，这就是准双向的含义。P1口（P1.0P1.7，18脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。P1口的每一位能驱动（灌入或输出电流）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口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。P2口（P2.0P2.7，2128脚）：P2口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。P2口的每一位能驱动（灌入或输出电流）4个LS型TTL负载。在访问片外EPROM/RAM时，它输出高8位地址。P3口（P3.0P3.7，1017脚）：P3口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。P3口的每一位能驱动

44、（灌入或输出电流）4个LS型TTL负载。P3口与其他I/O端口有很大区别，它除了作为一般准双向I/O口外，每个引脚还具有第二功能。Ø 8155引脚及其功能引脚如图11所示：I/O口部分包括三个通用I/O接口，其中之一可编程为联络信号线引出端，可使其他两个I/O接口以带联络线的信号变换方式工作。芯片内有一个14位二进制可编程定时器/计数器，它是以二进制“减1”计数器作为分频器，可提供各种脉冲及方波信号。RESET：4引脚。功能：复位信号，输入，是系统（如8051的RESET，输出）提供的复位信号，它将系统复位于初始状态。这条输入线为高电平时，将该芯片复位并置三个I/O接口为输入方式。R

45、ESET脉冲宽度最少为640ns。AD0AD7：1219引脚。功能：这些是三态地址/数据总线，与8051地址/数据总线联接。它的分时复用功能和8051的P0口完全一致。低8位地址在ALE的下降沿时送入地址锁存器。该地址由IO/M输入信号的极性决定是存储器区域还是I/O区域。配合RD或WR输入信号，在ALE的上升沿把片内数据读出或把数据写入芯片。：8脚。功能：片选端，输入，低电平有效（CE为8156片图11选端）。：9脚。功能：在有效且该线为低电平时，AD0AD7的缓冲器能动作。如果IO/输入端为低电平，RAM中的内容读出到AD总线；否则，被选中的I/O接口内容读出到AD总线。：10脚。功能：在

46、有效且该线输入低电平时，按照IO/的极性，AD线上的数据写入RAM或I/O接口。ALE：11脚。功能：输入，地址锁存允许信号。在ALE的下降沿将AD0AD7地址，IO/以及的状态锁存在芯片内。IO/：7脚。功能：输入，I/O接口和存储器选择信号。这条线为低电平时选中存储器，否则，选中I/O接口寄存器。PA0PA7：2128脚。功能：这8条引脚为8位通用I/O接口，输入/输出的流向可由程序控制。PB0PB7：2936脚。这8条引脚为8位通用I/O接口，输入/输出的流向可由程序控制。PC0PC5：对应的引脚分别是37、38、39、1、2、5。功能分别是AINTRA口中断申请线，ABFA口缓冲器满，

47、ASTBA口选通，BINTRB口申请中断线，BBFB口缓冲器满，BSTBB口选通。TIMER IN：3脚。功能：定向器输入端。TIMER OUT：6脚。功能：定向器输出端。此输出按定时的方式即可输出方波，又可输出脉冲信号。Vcc：40脚。功能：+5V电源。Vss：20脚。功能：地。555定时器的电路结构及其功能：555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。电路图如图12所示：它由比较器C1和C2、基本RS触发器和集电极

48、开路的放电三极管三部分组成。是比较器C1的输入端（也称阈值端，用TH标注），是比较器C2的输入端（也称触发端，用标注）。C1和C2的参考电压（电压比较的基准）和由经三个5电阻分压给出。在控制电压输入端悬空时，如果外接固定电压，则，。是置零输入端。只要在端加上低电平，输出端便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。正常工作时必须使处于高电平。图中的数码18为器件引脚的编号。由图12可知，当、时，比较器C1的输出、比较器C2的输出=1，基本RS触发器被置0，导通，同时为低电平。当、时，、=1，触发器的状态保持不变， 因而和输出的状态也维持不变。当、时，、=0，故触发器被置1，为高电平，同时截止

49、。当、，、=0，触发器处于的状态，处于高电平，同时截止。可以设想，如果使和的低电平信号发生在输入电压信号的不同电平，那么输出与输入之间的关系将为施密特触发特性；如果在加入一个低电平触发信号以后，经过一定的时间能在输入端自动产生一个低电平信号，就可以得到单稳态触发器；如果能使和的低电平信号交替地反复出现，就可以得到多谐振荡器。本设计就是利用555定时器在一定条件下得到多谐振荡器这一功能来设计的。方法是：只要将555定时器的和连在一起接成施密特触图12发器，然后再将经积分电路接回输入端就可以了。本系统以51单片机作为控制系统的中央处理单元，完成对数据采样、运算、8155初始化、内部资源初始化、定时

50、器初始化，以及键盘扫描、显示、报警等内容的循环处理。硬件组成可分为输入模块、键盘/显示模块、报警模块及输出模块。整个控制系统的硬件结构如图13所示。输入模块设计1. 器件选择本设计中使用到了ADC0809和8155（在这里8155作I/O口使用）这两个器件。现分别介绍如下：Ø ADC0809引脚如图14所示：图14ADC0809引脚功能说明如下：IN0IN78个输入通道的模拟输入端。D0（）D7（）8位数字量输入端。START启动信号，加上脉冲之后，A/D转换开始进行。ALE地址锁存信号。由低至高电平时把三位地址信号送入地址锁存器，并经译码器得到地址输出，以选择相应的模拟输入通道。E

51、OC转换结束信号，是芯片的输出信号。转换开始后，EOC信号变低；转换结束时，EOC返回高电平。这个信号可以作为A/D转换器的状态信号来查询，也可以直接用作中断请求信号。OE输出允许控制端。CLK时钟信号。最高允许值为640KHZ。和A/D转换器的参考电压。电源电压。由于是CMOS芯片，允许的电压范围较宽，可以是+5V+15V。Ø 8155作8051外扩I/O口使用介绍：8155作扩展I/O口使用时，IO/ 引脚必须置高电平。这时，PA、PB、PC的口地址的低8位分别为01H、02H、03H（设地址无关位为0时）。8155的I/O工作方式选择，是通过对8155内部命令寄存器（命令口）设

52、定命令控制字来实现的。命令寄存器的低8位地址为00H。8155的A口和B口都可以工作在输入方式或输出方式，但A口和B口是工作在基本方式还是选通方式却不是有A口和B口的方式决定的，而是由C口的方式决定。8155的C口可以设置成四种工作方式，即可以设置为输入方式，输出方式，A口的控制端口（只用C口三条线，还有三条线为输出方式），以及作为A口和B口的控制端口。表1给出了在不同工作方式下C口各位的功能。1) I/O口的工作方式选择基本I/O工作方式：当8155被编程为ALT1，ALT2时，A，B，C口均为基本输入/输出方式，而用命令寄存器的D0和D1位选定A口和B口为输出还是输入工作方式；由D2和D3

53、选定C口为输出还是输入工作方式。选通I/O工作方式：当8155被编程为ALT3时，A口定义为选通I/O，B口定义为基本I/O。编程为ALT4时，A口和B均定义为选通I/O工作方式。当C口工作于ALT3或者ALT4方式时，可以为A口及B口提供对外的联络信号。但是，8155的联络信号不象8255A那样输入、输出两组，而是只有A、B各一组。因此，在输入和输出操作时，联络信号的意义和作用有所不同。在输入操作时，是外设送来的选通信号。当有效后（低电平），把输入数据装入8155，然后BF信号变高，以反映8155的缓冲器以装满；在信号恢复为高电平时，INTR信号变高，向CPU命令引脚ALT1（方式1）ALT

54、2（方式2）ALT3（方式3）ALT4（方式4）PC0输入线输出线A INTR（A口中断）A INTR（A口中断）PC1输入线输出线A BF（A口缓冲器满）A BF（A口缓冲器满）PC2输入线输出线A STB（A口选通）A STB（A口选通）PC3输入线输出线输出线B INTR（B口中断）PC4输入线输出线输出线B BF（B口缓冲器满）PC5输入线输出线输出线B STB（B口选通）表1申请中断；当CPU开始读取输入数据（信号下降沿）时，INTR信号恢复低电平；读取数据完毕后（信号上升沿），使BF信号恢复低电平，一次数据输入结束。在输出操作时，是外设的应答信号。当外设接收并处理完数据后，发出负脉

55、冲；在变高之后使INTR有效，开始申请中断，即要求CPU发送下一个数据；CPU在中断服务中把数据写到8155，并使BF变高，以通知外设可以开始接收和处理数据；外设处理完数据后，再以信号来应答。A口和B口是否工作在中断方式下，除了由C口的方式决定是否提供联络信号之外，还要在初始化时规定是否允许A口或B口中断。INTR为中断请求输出线，作为单片机的外部中断源，高电平有效。当8155的A口（或B口）缓冲器接收到设备输入的数据或设备从缓冲器中取走数据时，中断请求线INTR变高（仅当命令寄存器相应中断允许位为1时），向单片机请求中断，单片机对8155的相应I/O口进行一次读/写操作后，INTR变为低电平

56、。BF为缓冲器状态标准输出线。缓冲器有数据时，BF为高电平，否则为低电平。为设备选通信号输入线，低电平有效。2) I/O的状态查询8155用状态寄存器锁存I/O口和定时器的当前状态，供单片机查询用。因为状态寄存器和命令寄存器共用一个地址，因此认为8155的00H口是命令/状态（C/S）寄存器。对其写入时，作为命令寄存器，写入的是命令；而对其读出时，作为状态寄存器，读出的是当前I/O口和定时器的状态。2. 输入模块设计功能及图（图15）功能:本系统以一片ADC0809作为数据采样的接口单元，可通过编程来选通相应的采样模拟量输入通道。系统需要对蒸汽量、给水量、汽包压力、水位（差压）等参数进行采集，每路参数的0-10MA滞留电流经500电阻转换成0-5V的直流电压信号。由于单片机的I/O口有限，