基于单片机的锅炉液位控制装置设计

摘要：文章主要设计了一种锅炉液位控制器，它以8051作为单片机。通过8051单片机、液位传感器和模数转换器等硬件系统和软件设计方法，实现具有液位检测报警和控制的双重功能，同时也具有报警和显示控制的功能，并对液位和压力值进行显示。本系统是基于单片机的水暖锅炉控制系统，在设计中主要有水位检测、温度检测、按键控制、水位控制、显示部分、故障报警等几部分组成来实现供暖控制。
关键词：锅炉液位控制；单片机；压力传感器；模数转换器

0 引言
    目前我国燃烧锅炉的数量众多，现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的四分之一，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。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，工业锅炉采用的是微机控制和原有的仪表控制。由于被控对象和过程的非线性、时变性，多参数间的强耦合、随机干扰等因素，使得建立被控对象的精确数学模型变得很困难。在这些复杂的系统面前，传统的控制方法无法满足控制精度，而且系统稳定性差。更好地对锅炉进行自动化控制，并利用单片机及其外围芯片实现锅炉液位控制已经成为可能。

1 系统硬件设计
1．1 核心芯片8051单片机
    整个系统电控部分以ATMEL公司的8051为核心芯片，控制信号采集、处理、输出三个过程。这种芯片内置4kEPROM，因为系统要求控制线较多，如果采用8031外置EPROM程序控制结构，则造成控制线不够；而8051却可以利用P0、P2口作控制总线，大大简化硬件结构，并可以直接控制键盘参数输入、LED数据显示，方便现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到了很大的提高。
    本设计采用MCS-8051单片机来控制系统报警。MCS-51系列单片机中的8051采用40Pin封装的双列直插结构。其40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I／O口，中断口线与P3口线复用。
1．2 模拟信号的采集和处理
    为了实现锅炉在炉内液位过高或低液位时发出声光报警，本系统决定采用传感器来采集炉内压力，传感器输出的模拟信号均接放大器输入端，经过放大后送入模数转换器(ADC)转换为数字信号，然后把数字信号送入单片机进行处理。
    所用ADC是0809。该芯片使用逐次逼近法能换开关CD4511将输入扩展成十五路。ADC0809内部没有时钟电路，故用8051的ALE为其提供时钟脉冲信号。0809要求的时钟脉冲频率不能超过640kHz(否则转换精度下降，甚至不能工作)，所以又接一74LS74将8051ALE的1MHz输出二分频成500kHz再送入0809。ADC0809的选通信号Y2由74LS138将8051的P2．5至P2．7输出译码提供。
1．3 A／D转换器
    我们采用常见的ADC0809。ADC0809是8位逐次逼近型A／D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A／D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A／D转换器进行转换。三态输出锁存器用于锁存A／D
转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
    ADC0809是带有8位A／D转换器、8位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。
    A／D转换电路在控制器中起主导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。该控制器采用CMOS工艺制造的逐次逼近式8位A／D转换器芯片ADC0809。在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制A／D转换程序。A／D转换部分在接线时先经过运算放大器和分压电路把传感器输出的电流信号转换成电压信号，然后输入到A／D转换器。
1．4 传感器
    传感器使用SY-9411L-D型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。压力传感器是美国SM公司生产的555-2型OEM压阻式压力传感器，具有全温度补偿功能。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。压力是工业生产中的重要参数之一，为了保证生产正常运行，必须对压力进行检测和控制，当被测压力达到极限值需报警的，则应选用附带报警装置的各类压力计。
1．5 液位显示电路
    液位显示采用数码管动态显示，范围从0～999(单位可自定)，选择的数码管是7段共阴极连接，型号是LDS18820。在这里使用到了74LS373，它是一个8位的D触发器，在单片机系统中经常使用，可以作地址数据总线扩展的锁存器，也可以作为普通的LED的驱动器件，由于单独使用CD4511七段译码驱动显示器来完成数码管的驱动显示，因此74LS373在这里只用作扩展的缓冲。
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2 软件设计
2．1 键盘程序
    由于键盘采用的是4×4结构，因此可使用的键有16个，根据需要分别定义各键，0～9号为数字键，10～15号分别是确定键、修改键、移位键、加／减键、取消键和复位键。程序如下：
   
2．2 A／D转换子程序
    程序设计内容：
    (1)进行A／D转换时，采用查询EOC的标志信号开检测A／D转换是否完毕，若完毕则把数据通过P0口读入，经过数据处理之后在数码管上显示。
    (2)进行A／D转换之前，要启动转换的方法：ABC=110选择第三通道；ST=0，ST=1，ST=0产生启动转换的正确脉冲信号。
   
   

3 总结
    采用MCS-8051单片机设计出的工业锅炉控制器，能够针对水位的不同状态和不同外界条件进行控制，单片机运行稳定、控制品质良好、控制效果明显改善；同时大大提高了控制系统的抗干扰能力，保证了工业锅炉的稳定运行。工业锅炉控制器充分利用了单片机的特点，较好地解决了高性能与低成本之间的矛盾。控制装置具有成本低、抗干扰能力强、控制性能好等优点，且系统硬、软件维护简单方便，尤其适用于工业控制现场，具有良好的应用前景。