《基于单片机的锅炉水位检测系统设计与实现》7700字

1基于单片机的锅炉水位检测系统设计与实现水位控制在日常生活及工业领域中应用非常的广泛，如作为城市、乡村生活用水储备，太阳能热水器饮水机储水设备等，又比如模温机、加湿器、锅炉水箱等情况下的水位控制。而以往水位的监测是由人工完成的，值班人员全天候对水位的变化进行监测，手动采集记录数据然后进行后续的操作。很显然上述重复性的工作无论是从人员、时间、还是资金上都将造成很大的浪费。同时也容易出错。针对以上问题，本文设计了一款锅炉水位检测系统，基于单片机的锅炉水位监测系统功能锅炉水位检测、液晶显示控制、按键、报警等功能，系统实时采集锅炉水位，如果小于系统设置的锅炉水位报警数据，则进行报警，测量锅炉水位障碍物之间的锅炉水位报警值可以进行调节，同时数码管实时显示锅炉水位数据。关键词：水位；超声波；报警；数码管；单片机目录1前言 11.1研究目的与意义 11.2研究现状 11.3研究内容 12系统整体方案 32.1系统整体方案设计 32.2主控制器方案 32.3锅炉水位检测方案 32.4显示方案 43系统硬件设计 53.1单片机最小系统 53.2锅炉水位电路 63.3按键电路 73.4显示电路 73.5报警电路 84系统软件设计 94.1软件整体设计 94.2锅炉水位检测软件设计 94.3按键软件设计 104.4显示软件设计 115系统测试 135.1系统仿真 135.2系统报警值设置仿真 135.3系统报警仿真 14参考文献 15附录 171前言1.1研究目的与意义随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，在当前社会，水位控制不仅用于工业生产，也被用于生活的各个方面。在工业生产和家庭生活中的很多产品都用到了水位的检测和控制。在气象观测中很多场景也都需要水位以及水位数据，用于监控。而在这些产品当中，单片机起到了最关键的作用，如生活工具空调、工业生产中的自动化控制设备、数控机床等。“特别是采用单片机对传统设备进行改造，具有性价比高、减小设备的体积、提高设备自动化程度等特点。水位控制经常用于现代工业设计、工程建设和日常生活中。早期水位控制主要用于工厂，如工厂中的大型锅炉。为了保证系统的正常运行，有必要实时掌握锅炉的水位。目前的水位控制也已应用到生活中，如电水塔的日常水沸腾，当水位达到一定的极限或温度达到所需的值，它会给相应的提示告诉人们。”这将是对水资源实现科学管理的一个重要手段。也是用现代化技术对传统工业设备进行改良的典型应用。1.2研究现状国内研究现状：针对不同的需求和应用，液位测量方法的方法不尽相同，如浮力式、电容式、激光式等[7]。郭星辰在2020年提出了一种利用超声波脉冲回波检测原理进行液位测量的设计方法，介绍了其工作原理,系统结构及软件编程方法。以STC12C5A60S2单片机作为处理器，“硬件部分设计了超声波驱动电路、回波信号接收、处理电路以及显示、报警等电路[7]。”软件设计采用系统中断，滤波等方法减少误差[2]。通过实际使用发现，该超声波液位计使用方便、性能稳定，具有一定的工程价值。战洪帅在2020年提出了一种精确水位控制系统，具有水位监测，水位限设定和水位控制功能。采用LCD1602液晶显示器作为显示设备，能够实时显示测量得到的水位值。通过扩散硅压力传感器测量压强信息，进一步得到水位信息。此外，文章采用了主从机的设计，主机可以通过串行接口与从机进行数据交换和远程控制。系统实现了远程监测，控制水位的功能，能够较好地满足工业生产中对水位控制的要求。国外研究现状：YWang在2019年提出了，在理论和实践的基础上，简要阐述了51单片机的基本功能和结构，分析了基于51单片机的液位检测系统的优点，提出了三个具体的设计思想：硬件设计、软件设计和采集系统程序设计，希望能提高液位检测的准确性帮助和参考。1.3研究内容系统是基于单片机的锅炉水位监测系统。设计路线安排如下，第一章需要查阅很多设计系统相关的背景资料，了解当下先关技术领域的现状，分析不同技术的优势，分析现有产品的优点以及不足，以便于更好的设计系统功能，更加完善的完成系统设计要求，这样就可以确定系统的最终功能，便于进行后续的设计。第二章需要对系统要实现的功能进行设计，完成系统的功能架构，分析各个功能之间的连接关系、逻辑功能关系。对其关键的部分及要实现的功能进行详细的分析，有哪些相关的技术可以实现此功能，并进行对比分析，最终选择出最合适的技术方案实现对应的功能，技术方案对应着详细的器件清单，为后续的硬件电路设计做好准备工作。第三章是对系统电路部分进行设计，有了具体的器件型号，以核心的器件为基础，进行外围电路的设计，对所有的功能进行硬件电路设计，进行原理分析，设计出所有功能的电路图。第四章对系统的软件部分进行开发，硬件设计好后，只有配合软件代码系统才可以实现功能，对各个功能进行单独的软件设计，最终实现软件功能。第五章将设计好的硬件和软件进行组合，调试前几章节设计的内容，对整个系统进行测试，实现系统要求功能。2系统整体方案2.1系统整体方案设计在进行各个功能方案选择之前，先对系统整个功能架构进行设计，对系统功能之间的逻辑关系进行设计，分析设计出各个功能之间的连接关系，采集数据符合控制功能的部分，这两部分都需要通过主控部分进行处理，通过功能的模块化处理，在后续的设计中更加方便。基于单片机的锅炉水位监测系统功能锅炉水位检测、液晶显示控制、按键、报警等功能，系统实时采集锅炉水位，如果小于系统设置的锅炉水位报警数据，则进行报警，测量锅炉水位障碍物之间的锅炉水位报警值可以进行调节，同时数码管实时显示锅炉水位数据，如图2-1所示。图2-SEQ图\*ARABIC\s11系统图2.2主控制器方案单片机是整个系统的核心部分，所有功能都需要单片机的支持才可以完成。本设计采用STC89C52实现系统功能。单片机芯片中有数据存储器、代码存储器、定时功能、中断功能、串口通信功能等很多配置，单片机兼容MCS-51指令，在软件设计上可以应用C语言进行设计。STC89C52的能耗低、稳定性强，单片机内部使用51内核，这种内核是最基础的内核，开发使用起来简单方便。STC89C52是每个工程师入门必备、必学的一款单片机，因此很多产品都在应用这款单片机进行开发设计。单片机内部可以存储的用户程序为8K，如果用户代码量超过8K，还可以增加外部存储器用于存储超过8K的用户代码。基于此款单片机的特点和本设计要实现的功能选择了此款单片机。2.3锅炉水位检测方案锅炉水位检测选择HC-SR04模块，此模块应用超声波技术实现锅炉水位采集，可以测量2cm到400cm之间的水位。HC-SR04模块发射超声波信号后，经过前方锅炉水面反射超声波信号，HC-SR04传感器通过接收到反射后的超声波信号就实现了对锅炉水位检测。HC-SR04模块包括超声波发射端和超声波接收端。超声波信号发射端发出超声波信号，遇到障碍物会反射超声波信号，超声波信号接收端就收到超声波信号，表示检测到锅炉水位。通过这样的方式就可以实现锅炉水位检测功能。2.4显示方案数码管能够显示数字和一些简单信息的电子元器件。数码管的别名又叫做LED发光管。常用的数码管都是以数字显示为主。常见的数码管一般由8部分组成，组成一个数字8和一个小数点，就能够实现0到9的数字显示。内部的显示通过发光二极管实现。由于发光二极管电路设计的不同，数码管的种类包括共阳和共阴数码管。共阳数码管内部将8个发光二极管的阳极统一连接在一起，而阴极是各自独立，所以只需要控制阴极信号是否有效，就可以实现显示内容的控制，在控制显示时，阳极统一接电源，控制阴极是否接地即可，接地的发光二极管亮，不接地的发光二极管灭，行成显示数字的效果。共阴数码管内部将8个发光二极管的阴极统一连接在一起，而阳极是各自独立，所以只需要控制阳极信号是否有效，就可以实现显示内容的控制，在控制显示时，把数码管的阴极统一接地，控制阳极是否接电源即可，接通电源的发光二极管亮，不接电源的发光二极管灭，形成显示数字的效果[4]。两种数码管在控制上原理相同，所以选择哪一种都可以。3系统硬件设计3.1单片机最小系统主控制器是系统的关键部分，所有功能的实现都离不开主控制器，所以主控制器的稳定运行关系这整个系统的稳定运行。通过主控制器控制数据采集部分获取数据，通过主控制器控制功能部分实现控制功能。STC89C52的体积因封装的不同而不同，具体封装包括直插式、贴片式。直插的封装适合纯手工制作，在手工焊接情况下，直插封装更容易焊接，便于调试。而贴片封装包括LAFP、PQFP等，贴片封装更适合在量产中应用，在产品量产中使用贴片封装可以适应机器焊接，加快生产效率[5]。在本设计中选择的是直插封装，便于手工焊接开发调试，更加适合本设计制作。STC89C52中的C表示电源信息，电源为3.3V到5.5V都可以使用。系统选择5V电源供电，配合其他模块一起使用。对于其他功能模块电源也是5V，所以系统选择5V电源最为合适，不需要再进行单独的电源转换设计。52表示程序存储空间为8K字节，对于大多数的项目完全够用。具体引脚图如图3-1单片机引脚说明所示。图3-1单片机最小系统电路STC89C52具有大量的外设IO接口，包括P0、P1、P2、P3口。P0口在单片机的32到39脚，此组接口可以做为信号输入也可以作为信号输出接口，还可以用作地址或者数据复用接口。在这里最为重要的一点是P0口内部并没有设计上拉电阻，所以在作为信号输入或者信号输出使用时，需要单独外接上拉电阻。P1口在单片机的1到8脚，P1口在内部已经设计了上拉电阻，所以P1口信号会自动钳位到高电平，由于无法对信号进行锁存，因此P1口属于准双向。在用于程序要应用P1口之前，需要专门对P1口输出高电平，这是P1正常使用之前需要进行的初始化工作，之后P1口就可以作为输入或者输出实现系统要求的功能，这种接口也统称为为准双向IO口。P2口在单片机的21到28脚，此组接口也属于准双向，P2口在内部已经设计了上拉电阻，所以可以作为输入或者输出去应用在用户程序中。还可以作为高8位的地址操作接口。在本设计中显示电路接到该接口上，选用的24到27脚作为输出，输出检测的水位。P3口在单片机的10到17脚，此组接口功能较多，不仅具有其他IO口具有的功能，还有一些特殊功能，P3.0的特殊功能是串口接收数据，P3.1的特殊功能是串口发送数据，P3.2的特殊功能是外部中断0信号接收引脚，P3.3的特殊功能是外部中断1信号接收引脚，P3.4的特殊功能是定时器0信号接收引脚，P3.5的特殊功能是定时器1信号接收引脚，P3.6的特殊功能是芯片外部存储器写入信号引脚，P3.7的特殊功能是芯片外部存储器读取信号引脚。29脚为PSEN，此接口为低电平有效，如果此引脚输入低电平，表示单片机的存储器选择为外部存储器，用户程序就会存储在外置的存储器中。所以单片机需要外置存储器时，此引脚必须为低电平，有效信号输入后，单片机才可以对外置存储器进行操作。30脚为ALE/PROG，在PSEN输入有效低电平时，ALE引脚输入的编程脉冲才有效，此时配合P0口和P2的作为地址口，就可以访问外置存储器的地址，地址确定之后，通过P0获取数据，就可以将外置存储器的用户程序读取到单片机，单片机按照用户程序去执行。31脚为EA，系统选择外部存储器作为用户代码存储空间，EA脚必须输入低电平，此时单片机默认用户程序存储在外置存储器中。反之EA脚必须输入高电平，系统默认选择内部存储器作为用户代码存储空间[6]。3.2锅炉水位电路超声波HC-SR04模块电源选择系统5V电源，工作电流为15mA。超声波射程在2cm到400cm。HC-SR04模块一共有四个引脚，单片机可以通过P22脚TRIG接口进行控制、启动测距，启动信号要求10微秒TTL高电平，HC-SR04模块通过其P23脚ECHO接口采集回应信号，回应信号高电平有效，超声波信号从发射到返回的时间就是高电平持续的时间，通过时间和超声波传播速度就可以得到锅炉水位数据。超声波锅炉水位检测电路如图3-2所示HC-SR04HC-SR04图3-2水位检测电路3.3按键电路按键控制通过轻触按键完成。轻触按键需要通过人手轻轻的按下，按键就会接通，人手离开按计件，按键就会断开。轻触按键的性能由很多因素决定，比如制作材料、焊接牢固性、生命周期、灵敏度、生成工艺等因素。轻触按键就是实现开关控制，所以需要选择电阻率小的材料，比如黄铜或磷铜，在焊接的时候按键的引脚会上一层锡，通过高温会引脚按键引脚的电阻率，所以厂家一般会对按键的引脚做镀银处理，避免电阻率的变化。镀银后的引脚也容易被氧化，所以还需要进一步的处理，避免氧化[7]。普通的按键在对PCB进行洗板的时候就会被腐蚀，导致按键使用出现异常。按键按下之后是否接通要看按键内部触点和弹片是否接触，如果触点或者弹片损坏，则按键会失效。只有包子触点和弹片有效的接触，按键才会正常工作，最终弹片和触点接触就会传递信号，进而形成按键控制功能。这样就实现了按键的动作检测，所以按键一段接低电平即可。S1接到P14脚为设置输入，按下后可设置报警水位高度；S2接到P15脚为加输入，按下增加报警水位高度；S3接到P16脚为减输入，按下降低报警水位高度，通过这三个按键对锅炉水位报警数据进行设置。按键电路如图3-3所示。图3-3按键电路3.4显示电路系统选择四位数码管显示锅炉水位数据。在硬件电路连接上有动态连接和静态连接两种方式。四位数码管有四位位选信号和8个数据接口控制信号[8]。如果是静态控制电路，四位数码管就需要4个8位数据口，就是32个脉冲信号，加上4位位选信号，一共就需要36个IO接口，这种电路占用资源太大，电路设计复杂，所以不可取。动态电路连接方式是将4个8位数据口进行复用，用一组8位数据接口进行控制，通过4个位选信号选择具体是哪一位的数据，如果第一位位选信号有效，则输入的8位数据是第一位的数据，这样只需要12个IO口就可以对4位数码管实现控制[9]。数码管的位选接单片机的P24、P25、P26、P27，数码管的段选接单片机的P0口，硬件设计如图3-4。图3-4显示电路3.5报警电路蜂鸣器的控制通过单片机输出电压即可，但是由于单片机输出的信号电流较小，而蜂鸣器对驱动信号的电流有一定的要求，从数据手册中可以看到要求的电流达到30mA，因此需要设计驱动电路才可以对蜂鸣器进行控制。选择PNP三极管驱动蜂鸣器，电路如图3-5所示，通过单片机的P20进行控制，单片机输出低电平时，蜂鸣器响，单片机输出高电平是蜂鸣器不响，同时搭配了发光二极管进行光提示。当水位超过或者低于报警值时该电路报警。图3-5报警电路4系统软件设计4.1软件整体设计系统首先对锅炉水位检测机接口、液晶显示控制接口、按键控制接口、报警控制接口进行初始化，系统实时采集锅炉水位，如果小于系统设置的锅炉水位报警数据，则进行报警，测量锅炉水位障碍物之间的锅炉水位报警值可以进行调节，同时数码管实时显示锅炉水位数据，整体软件设计流程图见图4-1所示。图4-1软件设计流程图4.2锅炉水位检测软件设计超声波HC-SR04模块的软件设计，单片机对超声波HC-SR04模块的TRIG接口和ECHO接口进行控制。需要进行测距时，单片机给HC-SR04模块的TRIG接口输入10微秒TTL高电平启动信号，HC-SR04模块启动开发发射超声波信号。之后单片机实时扫描ECHO接口，判断超声波信号经过障碍物发射回模块的时间。采集到的回应信号脉宽和最终的锅炉水位数据成正比，超波速’度为340米/秒，回应信号脉宽是从发射到接收，是来回的脉宽，所以脉宽的一半是锅炉水位数据，回应信号脉宽时间*（340米/秒）/2。“在进行距离障碍物的距离测量时，如果介质传播的温度没有出现较大的变化时，我们可以将超声波的速度近似的认为在传输过程中未发生变化，只要测量出超声波往返障碍物的时间，就可以得到距离障碍物的实际距离[4]。”锅炉水位检测设计如图4-2所示。图4-2锅炉水位检测软件设计流程图4.3按键软件设计按键的软件代码设计很重要，如果按键判断错误，那整个系统的控制就会有问题。按键动作的关键主要在软件代码设计上，首先要分析按键动作机制，了解清楚按键动作才可以更好的设计软件代码。理论上按键就是开关动作，但是由于实际情况是机械动作转换为电信号，机械动作难免存在摩擦等情况，因为人手按下按键的机械动作存在抖动以及摩擦，所以在按按键的时候，真实情况是抖动的，所以导致按键开关是抖动开关，输出的电信号也是抖动状态，即为高低电平抖动，等人手按下按键稳定后，才输出稳定的低电平，这个抖动过程一般是3到5毫秒，因此在单片机扫描按键电信号的时候，需要在按键按下状态稳定后检测电信号，在软件代码扫描中第一次扫描到按键有效信号，此时并非真正的稳定信号，而是抖动开始或者干扰信号，所以待3到5毫秒后继续扫描，如果仍然是稳定信号，则表示按键按下。按键按下后信号传输到单片机，对数据进行处理。按键扫描软件设计流程图如图4-3所示。图4-3按键软件设计4.4显示软件设计数码管的控制是动态控制原理，由于数码管的数据口是复用的，所以同时间不可能输入四位数码管所有的显示数据，只能一位一位的输入[9]。通过单片机编程为四位数码管依次输入数据，由于并不是同一时间输入，所以在显示效果上是一位一位的亮，并不是同时亮。可以通过控制闪烁时间来实现显示效果，这就应用到了人眼的视觉暂留原理，如果灯光闪烁太快的情况下，闪烁间隔时间小于人眼的视觉暂留时间，肉眼看到的最终效果是实时显示的状态[12]。所以软件设计流程如下，第一步输入第一位显示数据，第二步稍作延时后，第三步控制第一位位选信号有效，第四步输入第二位显示数据，第五步稍作延时后，第六步控制第二位位选信号有效，接着对第三位和第四位数码管进行控制，进而显示水位。显示软件设计流程图如图4-4所示。图4-4显示流程图5系统测试5.1系统仿真Proteus是一款用于对电路进行模拟验证的EDA工具。能够对常用的电路进行仿真验证，还可以对单片机相关控制电路进行验证，验证电路以及软件设计的正确性。这款软件介于理论设计和实物制作之间，可以在理论设计完成后，实物制作之前对设计进行验证，更早的发现设计问题。软件内部支持很多款单片机型号，随着软件的更新升级，不断加入更多的器件，支持更多仿真电路。很多学校都开设了关于Proteus仿真的课程，对于没有条件的情况下，可以借助这款软件对电路和单片机相关设计进行学习，通过在仿真中进行模拟，可以更方便得多学习单片机等相关理论知识。Proteus结合相应的代码编程开发工具实现联合调试，通过仿真对软件代码进行验证，即验证了电路，也对软件代码进行了验证。设计如图5.4所示，仿真锅炉水位检测，数码管显示、按键控制。最终实现了系统预期的功能，仿真锅炉水位检测5-1。图5-1系统锅炉水位检测仿真5.2系统报警值设置仿真通过按键设置锅炉水位