鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)-論文

1、 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 44 頁 共 44 頁1 緒論在21世紀科學技術(shù)發(fā)展中起著極為重要的作用的是智能控制技術(shù)，這項技術(shù)在重工廠、鍋爐廠、電子廠等中被廣泛應用。在這些工廠的生產(chǎn)過程中主要采用的智能控制系統(tǒng)，智能控制技術(shù)使得工廠的生產(chǎn)效率得到了極大的提高，新型的智能控制技術(shù)帶來了技術(shù)革新，給工業(yè)化生產(chǎn)帶來了新的曙光。鍋爐是重要的動力設(shè)備，其任務(wù)是提供合格穩(wěn)定的蒸汽，以滿足機器的運轉(zhuǎn)。汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要參數(shù)，若水位過高，將會破壞汽水分離裝置的正常工作，還會導致蒸汽不純，含水量和含鹽量都過大，增加在管壁上的結(jié)垢，嚴重時可能會破壞過熱器，最終影響整個蒸汽機組的正常運行和經(jīng)濟指

2、標。如果水位過低，則會使鍋爐正常的水循環(huán)被破壞，引起水冷壁管的破裂，嚴重時會造成干鍋，損壞汽包。所以鍋爐汽包水位過高過低都可能鍋爐無法正常工作，甚至可能導致生產(chǎn)事故。在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中被控量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是供水流量，通過對供水流量的調(diào)節(jié)，使汽包水位達到動態(tài)平衡狀態(tài)，從而使汽包水位在安全范圍內(nèi)變化，保證鍋爐能夠安全運行，避免工業(yè)生產(chǎn)事故的發(fā)生。因此，隨著鍋爐朝著大容量、高參數(shù)的發(fā)展，鍋爐汽包也隨著其發(fā)展而發(fā)展，這也給鍋爐汽包水位控制提出了更大的要求，鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)采用智能化控制已越來越成為一種不可逆趨勢，智能化控制系統(tǒng)能實時準確的調(diào)整鍋爐汽包水位，保證鍋爐汽包水位處于安全范圍

3、內(nèi)，使鍋爐能安全穩(wěn)定的運行，這也間接提高了鍋爐的運行效率。由于采用智能化控制系統(tǒng)，所以減少了員工的工作量，也減少了一些不必要的人為因素對汽包水位控制產(chǎn)生不利的影響。無論從經(jīng)濟性方面，還是從實用性方面考慮，采用智能化控制技術(shù)對鍋爐汽包水位進行控制。1.1 課題背景及意義由于智能化控制技術(shù)的日益成熟，在生產(chǎn)生活中的到越來越多的應用。51單片機作為時下相當流行的一種智能芯片，在很多智能控制系統(tǒng)中的到了很大的運用，所以選用51單片機來作為控制鍋爐汽包水位的核心是十分明智的。鍋爐汽包水位極大影響了鍋爐是否能安全高效的運作，這直接導致了工業(yè)生產(chǎn)能否高效的運轉(zhuǎn)。采用智能控制系統(tǒng)可以對鍋爐汽包水位有一個全面的

4、調(diào)控，還可以很好的提高鍋爐的生產(chǎn)效率和安全系數(shù)。此次設(shè)計能更好的了解鍋爐汽包的工作原理，更好的對所學知識有更加深刻的了解和認識。1.2 發(fā)展現(xiàn)狀汽包是鍋爐最重要的設(shè)備，它是加熱、蒸發(fā)、過熱三個環(huán)節(jié)的重要樞紐，在鍋爐汽水系統(tǒng)中有著重要的過渡作用。汽包是由被焊上很多管座，連接各種管子組成的長圓筒形容器。汽包多被懸于爐頂大梁之上，這有利于汽包均勻受熱。汽包的作用如下所述：汽包能很好的連接受熱面管道，水冷壁、省煤器、過熱器以及一些輔助管道等都與汽包相連，形成自然循環(huán)回路；汽包是鍋爐汽、水的集散地，有助于汽水的聚集；汽包能很好的存儲汽、水，可以緩解負荷波動對氣壓的影響，減少鍋爐斷水對鍋爐的危害，有助于穩(wěn)

5、定鍋爐；由于汽包中安裝了汽水分離裝置、連續(xù)排污裝置和蒸汽清洗裝置等設(shè)備，可以有效的進行汽水分離，保持爐水含鹽量的不變，清洗溶解在蒸汽中的鹽，加藥防止蒸發(fā)受熱面結(jié)垢；具有很好的蓄熱能力，能很好的適應外界溫度的變化。鍋爐運行最重要的一項安全性能指標是保持鍋爐汽包水位在安全范圍內(nèi)，由于各種不同的因素，汽包水位會實時的發(fā)生變化。因此通過對汽包水位的監(jiān)視和調(diào)控，保證汽包水位在安全范圍內(nèi)，避免鍋爐燒干，損壞鍋爐。傳統(tǒng)的工業(yè)控制方法是采用PID控制，這種控制技術(shù)是采用可編程控制器（PLC）利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)的。其利用的是比例、積分、微分控制，PID控制器的參數(shù)調(diào)整是PID控制核心，但無論什么方法得到的

6、參數(shù)在實際生產(chǎn)中隨著裝置的磨損，消耗，參數(shù)都有可能發(fā)生變化，需要重新計算，這就給在實際的生產(chǎn)控制中帶來了不便，所以全新的智能化控制技術(shù)得到了原來越多的發(fā)展。由傳感器實時采集模擬信號，通過轉(zhuǎn)換模擬信號為數(shù)字信號給PC，然后PC通過與預設(shè)的值的對比，進行判斷，來實時調(diào)控機器的運轉(zhuǎn)。智能化控制技術(shù)能更好的提供對工業(yè)生產(chǎn)的控制，所以智能化控制是未來工業(yè)生產(chǎn)的必然趨勢。1.3 課題的任務(wù)鍋爐汽包水位控制的任務(wù)是通過實時監(jiān)控汽包水位情況，控制汽包水位在工藝允許的安全范圍內(nèi)。采用以單片機為主，設(shè)計鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的硬件電路，以達到對鍋爐汽包水位的智能控制。2 總體方案論證本設(shè)計中對鍋爐汽包水位進行實時的

7、監(jiān)控和控制。首先采集水位信號，通過電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機可以處理的數(shù)字信號，再經(jīng)過程序運行，得出水位的高度，將實時水位高度與預設(shè)安全水位高度進行對比，判斷水位是否處于安全范圍內(nèi)，然后再將其數(shù)字信號利用A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬信號，通過電機控制電路對鍋爐汽包水位進行控制，從而保證鍋爐汽包水位處于安全范圍內(nèi)。2.1 系統(tǒng)方案2.1.1 設(shè)計要求（1）系統(tǒng)總體方案的設(shè)計；（2）設(shè)計顯示電路和輸出電路；（3）編寫信號采集、處理、顯示、輸出程序；（4）以STC89C52單片機為核心設(shè)計鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)。2.1.2 系統(tǒng)設(shè)計以單片機為控制核心，設(shè)計一個能顯示水位高度，可以根據(jù)水位變化對水位進行調(diào)整

8、，且對水位有預警功能的鍋爐汽包水位控制裝置。使用時可以根據(jù)實際情況來設(shè)定水位的安全范圍，設(shè)置報警電路。設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。鍋爐汽包水位采集電路單片機STC89C52電機控制電路液晶顯示電路顯示電路報警電路圖2.1 系統(tǒng)框圖基于單片機的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計是以STC89C52單片機為核心部件，由LCD電路、報警電路、電機控制電路等組成。工作過程如下：水位高度由滑動變阻器模擬，滑動變阻器將信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入單片機，由單片機輸出，傳至LCD顯示水位高度。當水位不在安全范圍內(nèi)時，啟動報警電路，控制電機正反轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)水位處于安全范圍內(nèi)。2.2 設(shè)計方案的基本原理鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的基本原

9、理是：單片機STC89C52通過檢測到的鍋爐汽包水位信號，根據(jù)系統(tǒng)的不同要求編寫相應的單片機工作程序進行處理。得出結(jié)果后，判斷是否要啟動或停止電機運轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)電機以達到對鍋爐汽包水位的控制，同時驅(qū)動顯示電路來顯示當前水位所處的狀態(tài)。首先，電路采用接觸式來拾取水位信號，在鍋爐中安裝壓力傳感器來了解水位的變化，通過壓力變送器來轉(zhuǎn)換采集的鍋爐汽包水位信號輸入給單片機。然后由單片機STC89C52對測得的水位信號進行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果，單片機輸出相應的控制信號控制電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止。當鍋爐的水位下降，達到下限時，報警電路預警，需要正轉(zhuǎn)電機給鍋爐供水；當鍋爐的水位達到上限后，報警電路預警，反轉(zhuǎn)電

10、機給鍋爐排水。鍋爐汽包水位變化的全程都有液晶顯示器顯示相應的水位，顯示電路可以反映出實時的水位。3 硬件設(shè)計硬件電路由鍋爐汽包水位采集電路，電機控制電路，液晶顯示電路，鍵盤控制電路，報警電路等組成。3.1 鍋爐汽包水位采集電路該電路的目的是產(chǎn)生單片機可以接收的輸入信號，將該電路設(shè)計成由水位的上升、下降使壓力傳感器接受實時信號。主要是通過壓力傳感器將水產(chǎn)生的壓力輸入給單片機，通過單片機來控制整個電路的工作。3.1.1 壓力變送器的選擇變送器的作用是分別將各種不同的模擬變量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的電氣變量，這樣便于信號的輸入輸出。本設(shè)計中采用的壓力變送器為WT-1151GP型電容式壓力變送器，它是一種新型產(chǎn)品

11、，因其能夠很好的轉(zhuǎn)換各種模擬信號，所以在現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)中得到了很大程度的推廣使用1。WT-1151GP型電容式壓力變送器主要特點：（1）智能電子部件僅有一塊板組成、體積小、重量輕；（2）精準度高；（3）具有良好的可靠性；（4）量程為0KPa42000KPa，量程調(diào)節(jié)的可調(diào)節(jié)范圍大，而且?guī)в姓撨w移機構(gòu)；（5）過載性能好；（6）具有可調(diào)阻尼裝置，可用于脈動流體的測量；（7）變送器可分為普通型、隔爆型和本質(zhì)安全型；（8）符合HART協(xié)議，可用HART通訊器268、275與本智能表進行雙向通訊而不中斷輸出信號；（9）在采用HART協(xié)議的分散控制系統(tǒng)中同主機進行雙向通訊；（10）具有自我診斷和遠方診斷

12、的功能；（11）帶有EPROM非易失性存儲器不怕斷電丟失數(shù)據(jù)。壓力變送器的工作原理：壓力變送器被測介質(zhì)的兩種壓力通過高低兩壓力室，作用在敏感元件的兩側(cè)隔離膜片上，通過隔離膜片和元件內(nèi)的填充液傳送到量測膜片量測。量測膜片和量測絕緣片上的電極各組成一個電容器。當兩側(cè)壓力不一致時，導致量測膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側(cè)電容量就不等，通過振蕩和解調(diào)環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)變成于壓力成正比的信號。壓力變送器和差壓變送器的原理相同，所不同的是低壓室壓力是大氣壓或真空。A/D轉(zhuǎn)換器將解調(diào)器的電流轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，其值被微處理器用來判定輸入壓力值。微處理器控制變送器的工作。另外，它進行傳感器線性化。重置測量范圍。

13、工程單位換算、阻尼、開方、傳感器微調(diào)等運算以及診斷和數(shù)字通信。本微處理器中有16字節(jié)程序的RAM，并有3個16位數(shù)字器，其中之一執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)儲存在EEPROM內(nèi)，及時斷電也保存完整。數(shù)字通信線路為變送器提供一個于外部設(shè)備的連接接口。D/A轉(zhuǎn)換器吧微處理器來的并進行校正過的數(shù)字信號微調(diào)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用變送器軟件來修改。此線路檢測疊加在4mA20mA信號的數(shù)字信號，并通過回路傳送所需要耳朵信號。采用移頻控制FSK技術(shù)2。3.1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路本設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換電路選用PCF8591轉(zhuǎn)換芯片，PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591

14、具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I²C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0、 A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I²C總線上接入8個PCF8591器件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I²C總線以串行的方式進行傳輸。PCF8591的功能包括多路模擬輸入、內(nèi)置跟蹤保持、8-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換和8-bit數(shù)模轉(zhuǎn)換。PCF8591的最大轉(zhuǎn)化速率由I²C總線的最大速率決定。下面是PCF8591的一些特性:（1）采用獨立供電方式；（2）PCF8591的操作電壓范圍2.5V6V；（3）低待機電流；

15、（4）通過I²C總線串行輸入/輸出；（5）PCF8591通過3個硬件地址引腳尋址；（6）PCF8591的采樣率由I²C總線速率決定；（7）4個模擬輸入可編程為單端型或差分輸入；（8）自動增量頻道選擇；（9）PCF8591的模擬電壓范圍從VSS到VDD；（10）PCF8591內(nèi)置跟蹤保持電路；（11）8-bit逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器；（12）通過1路模擬輸出實現(xiàn)DAC增益。PCF8591引腳功能表如表3.1所示。表3.1 PCF8591引腳功能表引腳名稱引腳功能定義AIN0AIN3模擬信號輸入端A0A3引腳地址端VDD、VSS電源端（2.5V6V）SDA、SCLI²C

16、總線的數(shù)據(jù)線、時鐘線OSC外部時鐘輸入端，內(nèi)部時鐘輸出端EXT內(nèi)部、外部時鐘選擇線，使用內(nèi)部時鐘時EXT接地AGND模擬信號地AOUTD/A轉(zhuǎn)換輸出端VREF基準電源端由PCF8591構(gòu)成的A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3.1所示。圖3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路3.2 電機控制電路隨著嵌入式系統(tǒng)在日常生活中的廣泛應用，步進電機在各行各業(yè)的使用也日益增加。3.2.1 單片機的選擇單片機也可稱為單片微控制器（MCU），是一種把計算機系統(tǒng)集成在一塊芯片上的微機。芯片內(nèi)包含了微處理器（CPU）、只讀存儲器（ROM）、隨機存取存儲器RAM、定時器/計數(shù)器、串行I/O口、并行I/O口、中斷控制、系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等3。在設(shè)

17、計中選用的單片機是51系列單片機中的STC89C52，STC89C52是51系列單片機中的一種型號，它是由宏晶公司生產(chǎn)采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，片內(nèi)含有8K的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），能夠與標準MCS-51指令系統(tǒng)兼容，具有低電壓，高性能的優(yōu)點。STC89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，但卻不可以在線編程。因其功能強大，實用性強，所以在很多的控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用4。STC89C52的主要功能特性：（1）兼容MCS-51指令系統(tǒng)；（2）8k可反復擦寫（>1000次）Flash ROM；（3）32個雙向I/O口，2

18、56×8bit內(nèi)部RAM；（4）3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷 ,時鐘頻率0MHz24MHz；（5）2個串行中斷；（6）可編程UART串行通道；（7）2個外部中斷源；（8）共8個中斷源；（9）2個讀寫中斷口線；（10）3級加密位；（11）低功耗空閑和掉電模式；（12）軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能。3.2.2 STC89C52單片機的引腳功能MCS-51系列單片機一般采用40個引腳，雙列直插式封裝，用HMOS工藝制造，單片機引腳圖如圖3.2所示。圖3.2 單片機引腳圖（1）主電源引腳Vcc（40腳）：接5V電源正端Vss（20腳）：接5V電源地端一般Vcc和Vss間應接高頻去耦電容和低頻濾

19、波電容。（2）外接晶體引腳XTAL1（19腳）：接外部晶振的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當采用外部時鐘時，此引腳應接地。XTAL2（18腳）：接外部晶振的另一個引腳。在片內(nèi)接至反相放大器的輸出端和內(nèi)部時鐘電路的輸入端。當采用外部時鐘時，此腳作為外部振蕩信號的輸出端。（3）控制信號線RST/（9腳）：RST就是RESET，是備用電源，該引腳是復位信號輸入端或復位/掉電時內(nèi)部RAM的備用電源輸入端。ALE/（30腳）：允許地址鎖存/編程脈沖輸入。在對片外程序存儲期間，用ALE鎖存從P0口輸出的低8位地址；在對片內(nèi)EPROM編程期間，編程脈沖由此引

20、腳輸入。（29腳）：作為外部程序存儲器讀選通信號的輸入端，對低電平有效。/（31腳）：允許訪問外部存儲器/編程電壓輸入。為高電平時，訪問內(nèi)部存儲器；低電平時，只訪問外部存儲器。（4）多功能I/O口引腳8051單片機設(shè)有4個雙向I/O口（P0、P1、P2、P3），每一組I/O口線都可以獨立地用作輸入或輸出口，其中：（a）P0口（3239腳）雙向口，可作為輸入/輸出口，可驅(qū)動8個LSTTL門電路。在實際應用中，P0口常作為分時使用的地址/數(shù)據(jù)總線口，在對外部程序或數(shù)據(jù)存儲器尋址時和低8位地址與數(shù)據(jù)總線分時使用P0口。（b）P1口（18腳）準雙向口，可驅(qū)動4個LSTTL門電路。用作輸入線時，口鎖存器

21、必須由單片機先寫入“1”，每一位都可編程為輸入或輸出線。對于52子系列，P1.0和P1.1還有第二功能。（c）P2口（2128腳）準雙向口，可驅(qū)動4個LSTTL門電路?？勺鳛檩斎?輸出口，實際應用中一般作為地址總線的高8位，與P0口一起組成16位地址總線，用于對片外外部存儲器的接口電路進行尋址。（d）P3口（1017腳）準雙向口，可驅(qū)動4個LSTTL門電路。雙功能口，作為第一功能使用時，與P1口一樣；作為第二功能使用時，每一位都有特定用途，其特殊用途如表3.2所示5。表3.2 P3口第二功能表端口引腳第二功能注 釋P3.0串行口數(shù)據(jù)接收端P3.1串行口數(shù)據(jù)發(fā)送端P3.2外部中斷0請求輸入端P3

22、.3外部中斷1請求輸入端P3.4T0定時/計數(shù)器0外部計數(shù)信號輸入端P3.5T1定時/計數(shù)器1外部計數(shù)信號輸入端P3.6外部RAM寫選通信號輸出端P3.7外部RAM讀選通信號輸出端3.2.3 單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)是由單片機、程序存儲器、復位電路和時鐘電路組成的。單片機最小系統(tǒng)是指能使單片機正常運行程序，進行工作的最簡單電路系統(tǒng)，能保障單片機正常工作的必備電路，其組成部分必須全部擁有。因為STC89C52單片機片內(nèi)自帶存儲器，所以對于STC89C52單片機而言，這類單片機最小系統(tǒng)只要包含STC89C52單片機，復位端接復位電路，時鐘端接時鐘電路就可以了6。單片機復位電路單片機通常有上電復

23、位和按鈕復位兩種方式。上電復位即是指在單片機接通電源的瞬間，要在單片機的9腳即RST引腳上出現(xiàn)大于10ms的正脈沖，從而使單片機進入到復位狀態(tài)。按鈕復位是指按下“復位”按鈕后，使得單片機進入復位狀態(tài)的一種復位方式7。在圖3.3中則選用的是按鈕復位。單片機時鐘電路單片機片內(nèi)時鐘分為內(nèi)部時鐘和外部時鐘。當選用內(nèi)部時鐘方式時，片內(nèi)高增益反相放大器通過XTAL1、XTAL2外接作為反饋元件的晶體（呈感性）與電容組成的并聯(lián)諧振回路，構(gòu)成一個自激振蕩器向內(nèi)部時鐘電路提供振蕩時鐘。振蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率，一般晶體可在1.2MHz12MHz之間任選；電容的值則有微調(diào)的作用，通常選擇30pF左右8

24、。在圖3.3中時鐘電路選用的晶體Y1為12MHz，電容C2、C3為30pF。單片機最小系統(tǒng)如圖3.3所示。圖3.3 單片機最小系統(tǒng)3.2.4 電機的選擇步進電機是一種專門用于速度和位置精確控制的特種電機，它可以將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或線位移，其步距角和轉(zhuǎn)速不受電壓波動、負載變化、溫度變化等因素的影響，它旋轉(zhuǎn)是以固定角度（步距角）運行的，常用于要求較高的自動化控制系統(tǒng)中。步進電機因其良好的性能和抗干擾能力，被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中。步進電機的特性（1）三相步進電機的步進角度為7.5度，一圈360度，需要48個脈沖完成。（2）步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。（3）改變脈沖的順序，可以方便

25、的改變轉(zhuǎn)動的方向。（4）步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)，驅(qū)動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進電機靜止，如果加入適當?shù)拿}沖信號，就會以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。3.2.5 電機驅(qū)動選擇步進驅(qū)動器是一種能使步進電機運轉(zhuǎn)的功率放大器，能把控制器發(fā)來的信號轉(zhuǎn)化為步進電機的角位移，電機的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，所以控制脈沖頻率可以精確調(diào)速，控制脈沖數(shù)就可以精確定位。步進驅(qū)動器按照單片機發(fā)來的脈沖或方向指令對步進電機的線圈電流進行控制，從而控制步進電機的位置和速度。步進驅(qū)動器由ULN2003構(gòu)成，ULN2003具有電流增益高，工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點，

26、可以直接處理原先需要用標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)，適用于各種要求的大功率驅(qū)動系統(tǒng)，它是功率驅(qū)動電路中重要的組成部分。選用由ULN2003構(gòu)成的步進驅(qū)動器可以很好的對步進電機進行驅(qū)動控制，步進電機穩(wěn)定正常的工作運行。3.2.6 電機控制電路設(shè)計電機控制電路是整個電路設(shè)計中最重要也是最難的地方。其最主要目的就是要控制電機的工作，通過控制電機的工作來控制鍋爐汽包水位處于安全范圍內(nèi)，這也就是本實驗的最主要設(shè)計目的9。電機控制電路是由單片機、步進電機驅(qū)動模塊和步進電機組成。單片機從信號采集電路中得到的信號，進過處理，顯示出水位高度，判斷水位高度情況，根據(jù)水位變化情況從而控制電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止，保證水位

27、處于安全范圍內(nèi)。當水位到達安全范圍下限時，報警電路預警，電機工作正轉(zhuǎn)，鍋爐汽包進水；當水位處于安全范圍內(nèi)時，電機不轉(zhuǎn)；當水位達到安全范圍上限時，報警電路預警，電機工作反轉(zhuǎn)，鍋爐汽包出水。這樣就能控制鍋爐汽包水位在安全范圍內(nèi)。電機控制電路圖如圖3.4所示。圖3.4 電機控制電路3.3 液晶顯示電路液晶是一種高分子材料，因為它具有特殊的物理，化學和光學特性，20世紀中期開始廣泛應用于輕薄型顯示器上。3.3.1 顯示器的選擇液晶顯示器的主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點，線，面并配合背部燈管構(gòu)成畫面。通常各種液晶顯示器也都被直接叫做液晶。在單片機系統(tǒng)中應用液晶顯示器作為輸出器件有以下幾個優(yōu)點：（1）

28、由于液晶顯示器每個點在收到信號后就一直保持那種彩色和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器那樣需要不斷刷新亮點，因此，液晶顯示質(zhì)量高且不會閃爍；（2）數(shù)字式接口和單片機系統(tǒng)的連接更加簡單可靠，操作更加方便；（3）液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示的目的，從而使得自身體積小、重量輕；（4）由于液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。但是它有一個致命的缺點，它使用的溫度范圍很小，通用型液晶正常工作的溫度范圍是0+55，存儲溫度范圍是-20+60,即使是寬溫級液晶，它的正常工作溫度范圍也僅僅只有-20+70,存儲溫度范圍是-30+80，

29、因此在設(shè)計相應產(chǎn)品時，要考慮周全，選取合適的液晶使用。市場上LCD1602液晶并行操作方式居多，但也有串口，并口操作方式共存的，用戶可以選用并口或串口操作方式。（1）LCD1602液晶顯示器主要技術(shù)參數(shù)如表3.3所示。表3.3 LCD1602主要技術(shù)參數(shù)顯示容量16×2個字符芯片工作電壓4.5V5.5V工作電流20mA（5.0V）模塊最佳工作電壓5.0V字符尺寸2.95×4.35（W×H）mm（2）LCD1602液晶顯示器的引腳定義如表3.4所示。表3.4 LCD1602引腳功能引腳號引腳名稱引腳功能定義1VSS電源接地引腳（GND）2VDD電源正極引腳（VCC）

30、3VO液晶顯示驅(qū)動電源（0V5V），可接滑動變阻器4RS數(shù)據(jù)指令選擇控制端，RS=0：命令/狀態(tài)；RS=1：數(shù)據(jù)5RW讀寫控制線，高讀低寫6E數(shù)據(jù)讀寫操作控制位，E線向LCD發(fā)送一個脈沖，LCD與單片機之間將進行一次數(shù)據(jù)交換714DB0DB7數(shù)據(jù)線，可以用8位連接，也可以只用高四位連接，節(jié)約單片機資源15A背光電源正極16K背光電源負極3.3.2 顯示電路設(shè)計LCD1602液晶顯示器的D0D7口分別和單片機的P0.0P0.7相連，數(shù)據(jù)指令選擇控制端RS與單片機端口P1.0相連，讀寫控制線RW與單片機端口P1.1相連，數(shù)據(jù)讀寫操作控制端E與單片機端口P1.2相連，這就形成了由單片機和LCD160

31、2組成的顯示電路。顯示電路如圖3.5所示。圖3.5 顯示電路3.4 鍵盤控制電路該電路通過用鍵盤調(diào)節(jié)汽包水位，設(shè)置不同的汽包水位安全范圍以適應不同規(guī)格的鍋爐，這樣才能使設(shè)計的裝置能在不同規(guī)格的鍋爐中使用，保持鍋爐汽包水位在安全范圍內(nèi)，使鍋爐能安全的使用10。通常在單片機應用時，有兩種設(shè)置按鍵的方式，一種是獨立式，一種是行列式（矩陣式）。這兩種方式各有特點。獨立式按鍵電路通常是每個獨立的按鍵只占用單片機的一個輸入或輸出口，并且每個按鍵相互獨立互不影響。獨立按鍵的優(yōu)點就在于按鍵較少，成本較低，總體來說就是簡單實用，但對于較復雜的設(shè)計來說，這種方式就不能滿足要求，在這種情況下，本設(shè)計選用行列式按鍵電

32、路。行列式按鍵電路是采用I/O排列成行與列交叉的結(jié)構(gòu)，按鍵就設(shè)置在行與列的交叉點上11。本設(shè)計采用的是獨立式按鍵電路，因為設(shè)計較為簡單，需要的按鍵不多，只需要加減按鍵。按鍵電路如圖3.6所示，圖中K1實現(xiàn)設(shè)置功能，K2實現(xiàn)UP功能，K2實現(xiàn)DOWN功能。圖3.6 按鍵電路3.5 報警電路蜂鳴器是采用一種直流電壓供電的一體化結(jié)構(gòu)電子發(fā)聲器，在電腦，各種報警器，電話，電子手表等常見的電子產(chǎn)品中作為簡單的發(fā)聲裝置，在日常生活中的得到了廣泛的應用。本設(shè)計采用的蜂鳴器為電磁式蜂鳴器。電磁式蜂鳴器是由振蕩器、磁鐵、電磁線圈、振動膜片以及外殼等組成。電磁式蜂鳴器基本原理：在電源接通后，在電磁線圈和磁鐵的相互

33、作用下，振蕩膜片周期性的振動發(fā)聲。因為蜂鳴器通常工作電流較大，但是單片機的I/O口輸出的電流很小驅(qū)動不了蜂鳴器，所以還得選用NPN型三極管來驅(qū)動蜂鳴器12。當鍋爐汽包水位不在安全范圍內(nèi)時，報警電路就會預警。報警電路可以讓工作人員及時的了解鍋爐汽包水位是否處于安全范圍內(nèi)，這樣有助于更及時的控制電機轉(zhuǎn)動，從而保證鍋爐汽包水位處于安全范圍內(nèi)，保證鍋爐的安全使用，報警電路如圖3.7所示。圖3.7 報警電路4 軟件設(shè)計單片機是否能實現(xiàn)對整個系統(tǒng)控制最重要的部分是能否編輯正確的軟件程序。軟件程序要根據(jù)已經(jīng)確定的硬件原理圖來繪制相應的流程圖，主要包括程序的初始化、信息的采集、程序的處理、譯碼和驅(qū)動程序以及顯

34、示程序。當然最主要目的是控制單片機系統(tǒng)按照預定操作方式運轉(zhuǎn)，完成對預定任務(wù)的實現(xiàn)和既定的顯示13。軟件設(shè)計主要采用C語言進行編程，運用Keil軟件編寫程序，在Keil中調(diào)試運行程序，最重要的程序模塊是顯示部分和單片機對電機的控制部分14。將鍋爐汽包水位采集電路的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳到STC89C52，STC89C52中燒錄程序的比較語句對鍋爐汽包的水位做出判斷，執(zhí)行該水位狀態(tài)下相應的程序，輸出相應的控制信號，控制電機執(zhí)行正反轉(zhuǎn)或停止指令，實現(xiàn)對鍋爐汽包水位的智能化控制。4.1 電機控制部分流程圖和程序4.1.1 電機控制部分流程圖通過信號采集電路將輸入信號到單片機，根據(jù)輸入的信號判斷，然后

35、控制電機的正反轉(zhuǎn)，控制進水還是出水，從而達到控制鍋爐汽包水位在安全范圍內(nèi)。電機控制流程圖如圖4.1所示。不啟動電機開始初始化讀取鍋爐汽包水位顯示鍋爐汽包水位設(shè)定鍋爐汽包水位預警值水位>預設(shè)值？水位>預設(shè)值10mm？水位<預設(shè)值10mm？啟動電機電機正轉(zhuǎn)電機反轉(zhuǎn)NNYYY啟動報警N結(jié)束圖4.1 電機控制流程圖4.1.2 電機控制部分程序#define MotorData P2 /步進電機控制接口定義uchar phasecw4 =0x01,0x02,0x04,0x08;/反轉(zhuǎn) 電機導通相序 D-C-B-Auchar phaseccw4=0x08,0x04,0x02,0x01;/

36、正轉(zhuǎn) 電機導通相序 A-B-C-D/順時針轉(zhuǎn)動void MotorCW（void）static uchar i; /for（i=0;i<4;i+）/ MotorData=phasecwi; i+; if（i=4） i=0;/ /逆時針轉(zhuǎn)動void MotorCCW（void）static uchar i; /for（i=0;i<4;i+）/ MotorData=phaseccwi; i+; if（i=4） i=0;/ /停止轉(zhuǎn)動void MotorStop（void）MotorData=0x00;以上程序控制電機的正反轉(zhuǎn)和停止。4.2 LCD1602顯示流程圖和程序4.2.1 LC

37、D1602顯示流程圖初始化液晶顯示LCD1602，先延時一段時間，通過輸入的數(shù)據(jù)顯示模擬量高度，通過觀察高度，對比觀察電機的轉(zhuǎn)動從而知道鍋爐進水還是出水。這樣能更好的控制鍋爐中汽包的水位，從而保護鍋爐的安全。LCD1602顯示流程圖如圖4.2所示。入口對1602初始化寫入顯示設(shè)置命令延時一段時間檢查標志BF7？N設(shè)置字符顯示位置向1602中寫入數(shù)據(jù)LCD顯示內(nèi)容返回主程序Y是圖4.2 LCD1602顯示流程圖4.2.2 LCD1602顯示程序（1）1602初始化函數(shù)：void lcd_init（） lcd_wcom（0x38）; /選擇8位數(shù)據(jù)接口，兩行顯示，選用5×7字形 lcd_

38、wcom（0x0c）; /開啟顯示屏，關(guān)光標，光標不閃爍 lcd_wcom（0x06）; /顯示地址遞增，即寫一個數(shù)據(jù)后，顯示位置右移一位，畫面不移動 lcd_wcom（0x01）; /清屏 （2）延時函數(shù)static void delayms（unsigned int n）unsigned int x,y;for（x=n;x>0;x-）for（y=110;y>0;y-）;（3）1602寫數(shù)據(jù)函數(shù)void lcd_wdat（unsigned char dat） rs=1; /選擇數(shù)據(jù)寄存器 rw=0; /選擇寫 P0=dat; /把要顯示的數(shù)據(jù)送入P2 delayms（5）; /延

39、時一小會兒，讓1602準備接收數(shù)據(jù) en=1; /使能線電平變化，數(shù)據(jù)送入1602的8位數(shù)據(jù)口 en=0; 5 仿真與調(diào)試在制作實物之前先做仿真可以避免在制作實物是出現(xiàn)問題，在做仿真時出現(xiàn)問題可以很好的直接進行糾正，做實物時出現(xiàn)問題糾正較為困難，可能導致前面做的部分一起修改，之前的努力就都白費了，最重要的就是仿真能很好的模擬顯示實物要達到的效果，修改方便15。5.1 仿真制作在調(diào)試階段出現(xiàn)過一些問題，例如：顯示部分顯示的是電壓不是高度，通過修改模擬量，改為高度，單位毫米，這樣可以更直觀的知道鍋爐汽包水位的情況；還有就是由于成本問題，在實物上信號采集電路中并沒有采用WT-1151GP型電容式壓力

40、變送器，這個成本太高，實物設(shè)計時就用的滑動變阻器代替采集來的信號，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器來改變輸入的信號大小，從而達到控制電機轉(zhuǎn)動的效果。5.2 仿真調(diào)試及其結(jié)果仿真調(diào)試步驟：在仿真軟件中首先雙擊STC89C52芯片，在彈出的Edit Component菜單中找到Program File選項，然后加載由Keil編譯生成的HEX文件，最后加載后點擊OK即可完成準備工作，點擊主界面左下角的黑色三角形按鈕或點擊調(diào)試中的開始/重新開始調(diào)試按鈕，再點擊執(zhí)行按鈕即可開始仿真。本設(shè)計的鍋爐汽包水位的安全范圍在預設(shè)值上下10mm之間，超過或達到臨界點都會觸發(fā)電機轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)水位高低，使其在安全范圍內(nèi)。開啟電源，

41、當前預設(shè)值為50mm，液晶顯示當前水位高度如圖5.1所示和滑動變阻器當前的位置如圖5.2所示。圖5.1 液晶顯示當前水位高度圖5.2 滑動變阻器當前的位置當前情況下，電機不轉(zhuǎn)，因為水位處于安全范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)滑動變阻器，使模擬水位高度達到29mm，滑動變阻器模擬水位高度低于預設(shè)值10mm以下，處于安全范圍外，液晶顯示當前水位高度如圖5.3所示，滑動變阻器處于當前位置圖5.4所示。圖5.3 液晶顯示當前水位高度圖5.4 滑動變阻器處于當前位置此時的電機反轉(zhuǎn)，表示正在向鍋爐中進水，保證水位的上升，使水位控制在安全范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)滑動變阻器，使模擬水位達到58mm，滑動變阻器模擬水位高度處于當前位置，此時的

42、水位在安全范圍內(nèi)，液晶顯示安全范圍內(nèi)如圖5.5所示，滑動變阻器處于當前位置如圖5.6所示。圖5.5 液晶顯示安全范圍內(nèi)圖5.6 滑動變阻器處于當前位置此時的電機不轉(zhuǎn)，表示不往鍋爐中進水，也不從鍋爐中排水。調(diào)節(jié)滑動變阻器，使模擬水位達到97mm，電位器模擬水位高度處于當前位置，此時水位處于安全范圍以外，液晶顯示當前水位高度如圖5.7所示，滑動變阻器處于當前位置如圖5.8所示。圖5.7 液晶顯示當前水位高度圖5.8 滑動變阻器處于當前位置此時電機正轉(zhuǎn)，表示從鍋爐中排水，保證水位下降，使其處于安全范圍內(nèi)，避免事故的發(fā)生，確保安全生產(chǎn)。由于在實際成產(chǎn)中不同廠家生產(chǎn)的鍋爐汽包的規(guī)格不同，所以此次設(shè)計的鍋

43、爐汽包水位控制系統(tǒng)中增加了可調(diào)節(jié)控制汽包安全水位的按鍵，這樣的設(shè)計有助于這個自動化調(diào)節(jié)裝置在不同型號的鍋爐汽包中得到運用。本次設(shè)計的實物圖如圖5.9所示。圖5.9 實物圖按鍵控制可以設(shè)置預設(shè)值為40mm，上水位到達56mm時電機正轉(zhuǎn)，出水。實物顯示水位在56mm如圖5.10所示。圖5.10 實物顯示水位結(jié)束語基于單片機的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計是以STC89C52單片機為核心部件，水位高度由滑動變阻器模擬，滑動變阻器將信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入單片機，由單片機輸出信號，傳至LCD顯示電路水位高度，根據(jù)單片機的輸出信號控制電機的轉(zhuǎn)動。通過Keil軟件和Proteus軟件的聯(lián)機并用，完成對整個設(shè)計的仿真

44、。仿真可實現(xiàn)顯示水位高度的變化。此次對鍋爐汽包水位控制的設(shè)計，使我更加深刻的掌握了單片機軟、硬件設(shè)計的一些基本思路與設(shè)計原則，同時對Keil、Proteus等軟件的使用更加熟練。對于此次畢業(yè)設(shè)計，我先從很多地方尋找相關(guān)的資料有從網(wǎng)上找的，有從圖書館借的書中看的，看網(wǎng)上的相關(guān)視頻等，然后設(shè)計相關(guān)的方案，在拿方案給指導老師看，指導老師指出其中的一些問題，我再回去查資料，和同學討論修改，然后再去詢問指導老師，最終拿出一份比較完美的設(shè)計方案。在整個設(shè)計過程中運用了很多大學四年來所學的理論知識，以及從圖書館查閱的圖書，還有指導老師提出的建議，這使整個設(shè)計過程有一個良好的環(huán)境。通過這次的畢業(yè)設(shè)計使我更加完

45、善和總結(jié)了在大學四年來所學的知識，更讓我深刻的認識到學以致用的真正含義，也讓我更加珍惜這次畢業(yè)設(shè)計的機會，更加努力的去完成這次畢業(yè)設(shè)計。本文在設(shè)計時可能還有一些我沒發(fā)現(xiàn)的不足，希望各位老師可以批評指正，我將認真聽取，并加以改正。致 謝本次畢業(yè)設(shè)計是在指導老師的悉心指導下，同組同學的幫助下和自己的努力下完成的。因此首先要感謝指導老師孔令榮老師，他嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，求實的科研作風，和藹的待人態(tài)度給我很深的影響。而我也通過這次設(shè)計，鞏固了基礎(chǔ)知識，受益匪淺，在這個過程中不斷的發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題，學到了不少知識，提高了理論與實踐相結(jié)合的本領(lǐng)。最后，向擔任本次畢業(yè)設(shè)計評審工作的各位老師們表示衷心的感謝！

46、參 考 文 獻1 王化祥. 傳感器原理及應用M. 天津：天津大學出版社，1998.2 來清民. 傳感器與單片機接口及實例M. 北京：北京航空航天大學出版社， 2008.3 張俊芳，張忠民，劉利民. 智能單片機溫度控制系統(tǒng)J. 遼寧工程技術(shù)大學學報，2004，6（23）：6971.4 房小翠. 單片機實用系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)M. 北京：國防工業(yè)出版社，1999.5 彭偉. 單片機C語言程序設(shè)計實訓100例M. 北京：電子工業(yè)出版社，2009.6 何立民. 單片機應用技術(shù)選編M. 北京：北京航空航天大學出版社，1999. 7 沙占友，王彥朋，孟志永. 單片機外圍電路設(shè)計M. 北京：電子工業(yè)出版社，2003

47、.8 吳國經(jīng). 單片機應用技術(shù)M. 北京：中國電力出版社，2004.9 吳金戊，沈慶陽，郭庭吉. 8051單片機實踐于應用M. 北京：高等教育出版社，2004.10 賴麒文. 8051單片機C語言徹底應用M. 北京：科學出版社，2002.11 張毅剛. MCS-51單片機應用設(shè)計M. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2004.12 張重雄. 微機化測試系統(tǒng)M. 南京：南京理工大學，1998.13 舒懷林. 單片機原理與接口技術(shù)M. 武漢：華中科技大學出版社，2001.14 竇振中. 模糊邏輯控制技術(shù)及其應用M. 北京：機械工業(yè)出版社，2005. 15 侯寶玉. 基于Proteus的51系列單片機

48、設(shè)計與仿真M. 北京：電子工業(yè)出版社，2001.附錄A 本設(shè)計整體電路圖附錄B 程序清單#include<reg52.h>#include<intrins.h>#include "lcd1602.h"#include"motor.h"#define uchar unsigned char#define uint unsigned int #define Write_PCF8591 0x90#define Read_PCF8591 0x91#define Control_Byte 0x40sbit SCL=P32;sbit SDA=

49、P33;sbit key1=P36;sbit key2=P34;sbit key3=P35;int k;uchar temp,temp1;uchar m;uchar num="000mm"uchar motor=0;bit flag=1;float flt=0.0;uchar max=50;bit flg=1;bit wt=1;void delay()_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();uchar getkey()if(key1=0)delayms(15);if(key1=0)whi

50、le(!key1);return 1;if(key2=0)delayms(15);if(key2=0)while(!key2);return 2;if(key3=0)delayms(15);if(key3=0)while(!key3);return 3;return 0;void init_IIC()SDA=1;delay();SCL=1;delay();void start()SDA=1;delay();SCL=1;delay();SDA=0;delay();void stop()SDA=0;delay();SCL=1;delay();SDA=1;delay();void ack()ucha

51、r i=0;SCL=1;delay();while(SDA=1)&&(i<250) i+;SCL=0;delay();void noack()SDA=1;delay();SCL=1;delay();SCL=0;delay();void Write_Byte(uchar dat)uchar i;for(i=0;i<8;i+)SCL=0;delay();if(dat&0x80)SDA=1;elseSDA=0;dat=dat<<1;SCL=1;delay();SCL=0;delay();SDA=1;delay();uchar Read_Byte()uchar i,dat;SCL=0;delay();SDA=1;delay();for(i=0;i<8;i+)SCL=1;delay();dat=dat<<1;if(SDA)dat+;SCL=0;delay();return dat;void DAC_PCF8591(uchar add,uchar dat)start();Write_Byte(add);ack();Write_Byte(Control_Byte);ack();Write_Byte(dat);ack();stop();uchar ADC_Re