基于單片機的鍋爐液位控制裝置設計

摘要：文章主要設計了一種鍋爐液位控制器，它以8051作為單片機。通過(guò)8051單片機、液位傳感器和模數轉換器等硬件系統和軟件設計方法，實(shí)現具有液位檢測報警和控制的雙重功能，同時(shí)也具有報警和顯示控制的功能，并對液位和壓力值進(jìn)行顯示。本系統是基于單片機的水暖鍋爐控制系統，在設計中主要有水位檢測、溫度檢測、按鍵控制、水位控制、顯示部分、故障報警等幾部分組成來(lái)實(shí)現供暖控制。
關(guān)鍵詞：鍋爐液位控制；單片機；壓力傳感器；模數轉換器

0 引言
目前我國燃燒鍋爐的數量眾多，現有中、小型鍋爐30多萬(wàn)臺，每年耗煤量占我國原煤產(chǎn)量的四分之一，目前大多數工業(yè)鍋爐仍處于能耗高、浪費大、環(huán)境污染嚴重的生產(chǎn)狀態(tài)。鍋爐微機控制，是近年來(lái)新開(kāi)發(fā)的一項新技術(shù)。它是微型計算機軟件、硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節能等幾項技術(shù)緊密結合的產(chǎn)物，工業(yè)鍋爐采用的是微機控制和原有的儀表控制。由于被控對象和過(guò)程的非線(xiàn)性、時(shí)變性，多參數間的強耦合、隨機干擾等因素，使得建立被控對象的精確數學(xué)模型變得很困難。在這些復雜的系統面前，傳統的控制方法無(wú)法滿(mǎn)足控制精度，而且系統穩定性差。更好地對鍋爐進(jìn)行自動(dòng)化控制，并利用單片機及其外圍芯片實(shí)現鍋爐液位控制已經(jīng)成為可能。

1 系統硬件設計
1．1 核心芯片8051單片機
整個(gè)系統電控部分以ATMEL公司的8051為核心芯片，控制信號采集、處理、輸出三個(gè)過(guò)程。這種芯片內置4kEPROM，因為系統要求控制線(xiàn)較多，如果采用8031外置EPROM程序控制結構，則造成控制線(xiàn)不夠；而8051卻可以利用P0、P2口作控制總線(xiàn)，大大簡(jiǎn)化硬件結構，并可以直接控制鍵盤(pán)參數輸入、LED數據顯示，方便現場(chǎng)調試和維護，使整個(gè)系統的通用性和智能化得到了很大的提高。
本設計采用MCS-8051單片機來(lái)控制系統報警。MCS-51系列單片機中的8051采用40Pin封裝的雙列直插結構。其40個(gè)引腳中，正電源和地線(xiàn)兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線(xiàn)兩根，4組8位共32個(gè)I／O口，中斷口線(xiàn)與P3口線(xiàn)復用。
1．2 模擬信號的采集和處理
為了實(shí)現鍋爐在爐內液位過(guò)高或低液位時(shí)發(fā)出聲光報警，本系統決定采用傳感器來(lái)采集爐內壓力，傳感器輸出的模擬信號均接放大器輸入端，經(jīng)過(guò)放大后送入模數轉換器(ADC)轉換為數字信號，然后把數字信號送入單片機進(jìn)行處理。
所用ADC是0809。該芯片使用逐次逼近法能換開(kāi)關(guān)CD4511將輸入擴展成十五路。ADC0809內部沒(méi)有時(shí)鐘電路，故用8051的ALE為其提供時(shí)鐘脈沖信號。0809要求的時(shí)鐘脈沖頻率不能超過(guò)640kHz(否則轉換精度下降，甚至不能工作)，所以又接一74LS74將8051ALE的1MHz輸出二分頻成500kHz再送入0809。ADC0809的選通信號Y2由74LS138將8051的P2．5至P2．7輸出譯碼提供。
1．3 A／D轉換器
我們采用常見(jiàn)的ADC0809。ADC0809是8位逐次逼近型A／D轉換器。它由一個(gè)8路模擬開(kāi)關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè)A／D轉換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開(kāi)關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A／D轉換器進(jìn)行轉換。三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存A／D
轉換完的數字量，當OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數據。
ADC0809是帶有8位A／D轉換器、8位多路開(kāi)關(guān)以及與微型計算機兼容的控制邏輯的CMOS組件，其轉換方法為逐次逼近型。在A(yíng)／D轉換器內部含有一個(gè)高阻抗斬波穩定比較器，一個(gè)帶有模擬開(kāi)關(guān)樹(shù)組的256電阻分壓器，以及一個(gè)逐次逼近型寄存器。8路的模擬開(kāi)關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個(gè)通道中任意訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)通道的模擬信號。由于多路開(kāi)關(guān)的地址輸入部分能夠進(jìn)行鎖存和譯碼，而且三態(tài)TTL輸出也可以鎖存，所以它易于與微型計算機接口。
A／D轉換電路在控制器中起主導作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號轉換成單片機能處理的數字量。該控制器采用CMOS工藝制造的逐次逼近式8位A／D轉換器芯片ADC0809。在使用時(shí)可選擇中斷、查詢(xún)和延時(shí)等待3種方式編制A／D轉換程序。A／D轉換部分在接線(xiàn)時(shí)先經(jīng)過(guò)運算放大器和分壓電路把傳感器輸出的電流信號轉換成電壓信號，然后輸入到A／D轉換器。
1．4 傳感器
傳感器使用SY-9411L-D型變送器，它內部含有1個(gè)壓力傳感器和相應的放大電路。壓力傳感器是美國SM公司生產(chǎn)的555-2型OEM壓阻式壓力傳感器，具有全溫度補償功能。傳感器是能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，它通常由敏感元件和轉換元件組成。壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數之一，為了保證生產(chǎn)正常運行，必須對壓力進(jìn)行檢測和控制，當被測壓力達到極限值需報警的，則應選用附帶報警裝置的各類(lèi)壓力計。
1．5 液位顯示電路
液位顯示采用數碼管動(dòng)態(tài)顯示，范圍從0～999(單位可自定)，選擇的數碼管是7段共陰極連接，型號是LDS18820。在這里使用到了74LS373，它是一個(gè)8位的D觸發(fā)器，在單片機系統中經(jīng)常使用，可以作地址數據總線(xiàn)擴展的鎖存器，也可以作為普通的LED的驅動(dòng)器件，由于單獨使用CD4511七段譯碼驅動(dòng)顯示器來(lái)完成數碼管的驅動(dòng)顯示，因此74LS373在這里只用作擴展的緩沖。