畢業(yè)設計鍋爐水位控制系統(tǒng)設計

1、哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 哈爾濱理工大學榮成學院?？粕厴I(yè)設計題 目：鍋爐水位控制系統(tǒng)設計專業(yè)年級： 機電08-2 學生姓名： 孫慶進 學 號： 0801070212 指導教師： 宋 鳴 哈爾濱理工大學榮成學院完成時間： 2011 年 6 月 15 日哈爾濱理工大學榮成學院?？粕厴I(yè)設計（論文）評語學生姓名： 孫慶進 學號：0801070212學 院：榮成學院 專業(yè)：機電一體化任務起止時間：2011 年 3 月 14日至 2011 年 6 月 24 日畢業(yè)設計（論文）題目：鍋爐水位控制系統(tǒng)設計指導教師對畢業(yè)設計（論文）的評語：指導教師簽名： 指導教師職稱： 評閱教師對畢業(yè)設計（論文）的評語

2、：評閱教師簽名： 評閱教師職稱： 答辯委員會對畢業(yè)設計的評語：答辯委員會評定，該生畢業(yè)設計（論文）成績?yōu)椋?答辯委員會主席簽名： 職稱： 年 月 日哈爾濱理工大學榮成學院專科生畢業(yè)設計（論文）任務書學生姓名：孫慶進 學號：0801070212學 院：榮成學院 專業(yè)：機電一體化任務起止時間： 2011年 3 月 14日至 2011 年 6 月 24 日畢業(yè)設計（論文）題目：鍋爐水位控制系統(tǒng)設計畢業(yè)設計工作內容：調查周圍各種鍋爐的控制系統(tǒng)確定主要單片機型號硬件及軟件的設計程序的編輯及調試資料：1王文琦.工業(yè)鍋爐的檢測與控制技術.四川科學技術出版社,19862王驥程.化工過程控制工程.化學工業(yè)出版社

3、,19813王文琦.工業(yè)鍋爐的檢測與控制技術. 四川科學技術出版社,19864謝自美.電子線路設計、實驗與測試.華中科技大學出版社，20035金偉正.單線數字溫度傳感器的原理及用.電子工業(yè)出版社，2000指導教師意見： 簽名：年 月 日系主任意見：簽名：年 月 日23目 錄目 錄i第1章 緒論11.1 課題背景11.2 國內外研究的現(xiàn)狀11.2.1國內發(fā)展狀況11.2.2 國外發(fā)展狀況11.3 使用單片機實現(xiàn)鍋爐液位控制的優(yōu)點21.4 研究方案及預期結果21.4.1 系統(tǒng)硬件總體方案21.4.2 軟件總體方案2第2章 系統(tǒng)硬件設計42.1 核心芯片8051單片機42.2 adc0809a/d轉

4、換器72.2.1 da轉換基本原理72.2.2 adc0809轉換芯片82.3 鍵盤及顯示接口92.4 自動報警電路9第3章 傳感器的選擇設計113.1 液位傳感器的設計113.2 溫度傳感器的設計133.3 壓電式傳感器的設計143.3.1 壓電效應和陶瓷壓電式傳感器選取143.3.2 壓電式傳感器的測量電路14第4章 系統(tǒng)軟件的設計174.1單片機源程序174.2水位檢測主程序19結論21參考文獻22致謝23第1章 緒論1.1 課題背景鍋爐微機控制,是近年來新開發(fā)的一項新技術,它是微型計算機軟件、硬件、自動控制、鍋爐節(jié)能等幾項技術緊密結合的產物,工業(yè)鍋爐采用的是微機控制和原有的儀表控制,微

5、機控制有以下明顯優(yōu)勢:1)直觀而集中的顯示鍋爐各運行參數,能顯示液位、壓力、溫度狀態(tài)。2)在運行中可以隨時方便的修改各種各樣的運行參數的控制值,并修改系統(tǒng)的控制參數,可以方便的改變液位、壓力、溫度的上限、下限。3)作為鍋爐控制系統(tǒng)裝置,其主要任務是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經濟運行,減少勞動人員的勞動強度。綜合以上的種種優(yōu)點可以預見采用計算機控制系統(tǒng)是行業(yè)的大勢所趨。單片機是在一塊芯片上集成了一片微型計算機所需的cpu、存儲器、輸入、輸出等部件。單片機自問世以來,性能不斷提高和完善,體積小、速度快、功耗低的特點使它的應用領域日益廣泛。1.2 國內外研究的現(xiàn)狀1.2.1國內發(fā)展狀況目前我國在單片機測

6、控裝置研究、生產、應用中,取得了很大的成績,總結了很多經驗,但是各行業(yè)仍處于發(fā)展期,經調查,更多科研究所在這方面開展的工作更看重的是理論和算法,數年來這方面的研究的論文較多,著重生產實際的很少。在上海,新型的單片機測控裝置與系統(tǒng)研究的生產基礎較雄厚,在生產過程中需要新型的測控裝置與系統(tǒng),因此在不斷的努力研究與開發(fā)。上海的工程技術研究人員更著重的是生產實際研究,對理論、算法和成果的論文較少;深圳在研制新型的測控裝置與系統(tǒng)領域也比較有成就,盡管與其他國家比較尚有差距,但是,深圳的高校、研究院所的最大的特點就是實際,與生產實際應用項目無關的問題基本不去考慮,主要考慮選取什么材料,測控什么物理量,優(yōu)點

7、是什么,與機器設備的通訊接口等等。1.2.2 國外發(fā)展狀況隨著各種微處理器的出現(xiàn)和發(fā)展，國外對鍋爐液位控制系統(tǒng)的研究也在不斷發(fā)展和完善。一些發(fā)達國家在單片機新型系統(tǒng)研究、制造和應用上,已積累了很多經驗,奠定了基礎,進入了國際市場。我國在新型測控裝置與系統(tǒng)研究、制造、應用和經驗上,與其他發(fā)達國家相比還存在差距,但是我國的研究人員已經克服很多困難,并在不斷的摸索中前進,有望在相關領域趕上甚至超過發(fā)達國家的技術水平,這是發(fā)展趨勢。1.3 使用單片機實現(xiàn)鍋爐液位控制的優(yōu)點使用單片機實現(xiàn)鍋爐液位控制具有較高的實用價值和穩(wěn)定性好等特點。采用高亮二極管和光敏三級管所組成的液位傳感器測量水位，可有效保證水位的

8、自動控制，保證水質無污染，能更好地對鍋爐進行自動化控制,測量溫度時采取光電耦合器,實現(xiàn)光電隔離,避免了工作人員在現(xiàn)場進行檢測操控,方便了人員對液位系統(tǒng)的控制,控制方便且系統(tǒng)穩(wěn)定性能好；采用壓力傳感器對壓力進行測控，采取壓電陶瓷傳感器,可大大簡化設計方案，系統(tǒng)性能也更穩(wěn)定；單片機不僅有體積小，安裝方便，便于控制，功能較齊全等優(yōu)點，而且有很高的性價比，應用前景廣，同時有助于發(fā)現(xiàn)可能存在的故障，通過微機實現(xiàn)蒸汽與給水系統(tǒng)的自動控制與調節(jié)，將保證鍋爐正常供氣供暖，維持穩(wěn)定系統(tǒng)，保證安全經濟運行。本文就是采用8051單片機為核心芯片的一種鍋爐控制系統(tǒng)，具有較高的實用價值和優(yōu)越性。1.4 研究方案及預期結

9、果本設計是采用8051單片機為核心芯片,及其相關硬件來實現(xiàn)的鍋爐液位控制系統(tǒng),在用液位傳感器測液位的同時,又用光電式隔離器和壓力傳感器對鍋爐的溫度和壓力進行檢測，cpu循環(huán)檢測傳感器輸出狀態(tài),并用3位七段led顯示示液位高度,檢測液位、溫度和壓力等數據,實施報警安全提示,當鍋爐液位低于用戶設定的值時,系統(tǒng)自動打開泵上水,當水位到達設定值時,系統(tǒng)自動關閉水泵。1.4.1 系統(tǒng)硬件總體方案系統(tǒng)的原理是采用高亮二極管和光敏三級管所組成的液位傳感器對液面進行控制,通過四對傳感器分別安裝在鍋爐內四個不同的位置，由上至下測量鍋爐液位值,。并把這四個液位狀態(tài)通過模數轉換器adc0809傳到單片機中,在通過3

10、位七段led顯示器顯示出液位的四種狀態(tài)及報警安全提示。根據當前的液位值和用戶設定的水位決定是否進行開、關水泵,需要是否開啟和關閉驅動閥門的電動機。本設計運用了多種傳感器,在使用液位傳感器測液位的同時,我還選用了壓電式傳感器和光電式傳感器來對鍋爐的壓力和溫度進行測量,因為我們所提到的鍋爐常用于供暖,所以溫度的檢測很重要,至于選用壓力傳感器主要是出于安全考慮的,壓力過大有可能對鍋爐造成損害甚至造成爆炸,壓力過低會導致鍋爐控制系統(tǒng)無法正常運行。所以我在第三章著重介紹了這3種傳感器。1.4.2 軟件總體方案水位檢測是通過四對高亮二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器分別安裝在四個不同的位置，由上至下四個

11、輸出端口分別接單片機的p1.0、p1.1、p1.2、p1.3口，實時對鍋爐里的水位進行檢測。當水位到達某一光敏三極管的位置時，其輸出端口向單片機輸出高電平；當水位低于此光敏三極管的位置時，其輸出端口向單片機輸出低電平。由上至下的第一個位置為水位上限報警線，即當水位高于此位置時，開水閥控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個位置是自動停止加水線，即當水位高于此位置時，控制系統(tǒng)會自動關閉加水電磁閥，停止加水；第三個位置是自動加水線，即當水位低于此位置時，控制系統(tǒng)會自動接通加水電磁閥，開水加水；第四個位置是水位下限報警線，即當水位低于此位置時，開水房控制系統(tǒng)就會自動報警

12、，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。本系統(tǒng)所使用的傳感器性能穩(wěn)定,測量準確,安裝方便,性價比較高,有較大的工程應用價值,而且利用計算機與組態(tài)軟件技術對鍋爐生產過程進行自動控制有著重要的意義。第2章 系統(tǒng)硬件設計鍋爐自動控制包括對鍋爐的液位，壓力，溫度等的控制，本系統(tǒng)只側重于介紹鍋爐的液位控制。液位控制是利用由高亮二級管和光敏三級管所組成的液位傳感器把液位的狀態(tài)轉換成模擬信號,再通過模數轉換器adc0809把輸出狀態(tài)直接接到單片機的i/o接口，單片機經過運算控制，輸出數字信號，輸出接口接led進行顯示,實現(xiàn)液位報警和鍵盤顯示與控制；其壓力控制是通過壓電傳感器將接受的信號轉變成電信號，通過模

13、數轉換adc0809進行轉換后與8051單片機接口相連，使其與設定值相比較從而實現(xiàn)壓力報警和控制;其溫度檢測選用的是光電隔離器,實行光電隔離,有利于人員對溫度的檢測,再通過模數轉換器adc0809進行轉換后與8051單片機接口相連，使其與設定值相比較從而實現(xiàn)溫度報警； 而本設計主要是對液位進行控制,下圖是鍋爐液位控制系統(tǒng)。cpu傳感器led顯示報警裝置控制執(zhí)行裝置圖2-1 基于單片機的鍋爐液位控制系統(tǒng)由上圖可觀察到傳感器通過對液面、溫度和壓力進行測量，輸出模擬信號，再通過模數轉換器把輸入的模擬信號轉換成數字信號，通過8051單片機的運算控制，在通過led進行顯示,通過報警裝置進行報警,報警顯示

14、之后再通過對閥門的開啟實現(xiàn)對鍋爐的液位進行調節(jié)控制,閥門的驅動設備是電動機。2.1 核心芯片8051單片機計算機芯片mcs-51是一個電腦晶片,英特爾公司生產系列。它是在mcs-48系列的基礎上發(fā)展的高性能的8位單片機。所出的系列產品有8051、8031、8751。其代表就是8051。其他系列的單片機都以它為核心,所以本設計采用的核心芯片是8051單片機。整個系統(tǒng)電控部分以atmel公司的8051為核心芯片，控制信號采集、處理、輸出三個過程。系統(tǒng)的原理是采用液位式傳感器測量鍋爐液位值,通過單片機的轉換與分析在led上顯示及輸出控制;根據當前的液位值和用戶設定的水位決定是否進行開關水泵,以及是否

15、到達危險高、低水位,需要關閉閥門。圖2-2 8051引腳圖上圖是8051的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個i/o口，中斷口線與p3口線復用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：pin40:正電源腳，正常工作或對片內eprom抄寫程序時，接+5v電源。pin19:時鐘xtal1腳，片內振蕩電路的輸入端。pin18:時鐘xtal2腳，片內振蕩電路的輸出端。8051的時鐘有兩種方式，一種是片內時鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12mhz)和振蕩電容,振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時鐘方式，即將xtal1接地，外部時

16、鐘信號從xtal2腳輸入。本設計采用外部時鐘電路，外接晶振和電容組成振蕩器。 輸入輸出(i/o)引腳：pin39-pin32為p0.0-p0.7輸入輸出腳，pin1-pin1為p1.0-p1.7輸入輸出腳,pin21-pin28為p2.0-p2.7輸入輸出腳，pin10-pin17為p3.0-p3.7輸入輸出腳。在對單片機設計中，p0口作為程序存儲器擴展口，且是擴展并行輸入/輸出接口的接口，另外也作為模數轉換的數據傳輸口,p2口為程序存儲器擴展口的高八位地址總線口，p1口為輸入/輸出口。pin9:reset/vpd復位信號復用腳，當8051通電，時鐘電路開始工作，在reset引腳上出現(xiàn)24個時

17、鐘周期以上的高平，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數器pc指向0000h， p0-p3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07h，其它專用寄存器被清“0”。reset由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000h地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復位不改變ram（包括工作寄存器r0-r7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)如下表2-1 寄存器初始狀態(tài) 特殊功能寄器初始態(tài)特殊功能寄存器初始態(tài)accpsw07hdplipietmodsconp0-p300h00h00h00hxxx00000b0x00000b00hxxxxxxxxb1111111bbspth0tl0th1tl1tconsbufpcon00h07h00h00

18、h00h00h00h00h0xxxxxxxb8051的復位方式可以是自動復位，也可以是手動復位，見圖2-3。此外，reset/vpd還是一復用腳，vcc掉電期間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內部ram的數據不丟失, 此設計采用自動復位電路。圖2-3 復位電路pin30:ale/當訪問外部程序器時，ale(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內部程序存儲器時，ale端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當作一個時鐘向外輸出。更有一個特點，當訪問外部程序存儲器，ale會跳過一個脈沖。如果單片機是eprom，在編程其間,prog將用于輸入編程脈

19、沖。pin29:當訪問外部程序存儲器時,此腳輸出負脈沖選通信號，pc的16位地址數據將出現(xiàn)在p0和p2口上，外部程序存儲器則把指令數據放到p0口上，由cpu讀入并執(zhí)行。在編程時，ea/vpp腳還需加上21v的編程電壓。2.2 adc0809a/d轉換器a/d是把模擬信號轉換成數字信號,把由傳感器傳來的液位控制的模擬信號轉換成數字信號,然后再通過8051單片機的分析處理進行l(wèi)ed顯示和液位、壓力和溫度的報警。2.2.1 da轉換基本原理da轉換接口技術是應用系統(tǒng)后向通道典型應用技術之一。它涉及了d/a轉換芯片的選擇參考電壓源的配置、數字輸入碼與模擬輸出電壓的極性等問題，而其中最核心的問題是da轉

20、換芯片的選擇與應用問題。da轉換器的基本功能是將一個用二進制表示的數字量轉換成相應的模擬量。實現(xiàn)這種轉換的基本方法是對應于二進制的每一位，產生一個相應的電流，而這個電流的大小正比于相應的二進制位的權。da轉換芯片的主要性能指標如下:1)分辨率。表征da轉換器對微小輸入量的敏感程度，通常用數字量的數位表示，如8位、12位、14位等。分辨率為10位的da轉換器，表示它可以對滿量程的11024的增量做出反應。2)相對精度。在滿刻度已校準的前提下，在整個刻度范圍內，對于任一數碼的模擬量輸出與它的理論值之差。通常用偏差幾個isb來表示和該偏差相對滿刻度的百分比表示。3)轉換時間。數字變化量是滿刻度時，達

21、到終值lsb2所需要的時間，通常為幾十納秒至幾微秒。4)非線性誤差。通常給出在一定溫度下的最大非線性度，一般為0.l0.03。其工作過程是：比較開始時，首先對二進制計數器(輸出鎖存器)的最高位置“1”，然后進行轉換、比較判斷。若模擬輸入uin大于ui，比較器輸出為1，則使輸出鎖存器的最高位保持為1。然后對較低的位依次按照該辦法進行比較和調整，無論哪種情況，均應繼續(xù)比較下一位，直到最末位為止。此時da轉換器的數字輸入(輸出鎖存器內容)即為對應模擬輸入信號的數字量。將此數字量輸出就完成了ad轉換過程。這種方法好比用天平稱一個物體的重量，第一次放最大的砝碼，若不合適，就改放小一號的，依次類推。一旦天

22、平指示砝碼太重說明剛才放進去的那個應當取走，顯然對于n位的轉換器，總共需要重復這種過程n次。2.2.2 adc0809轉換芯片本開發(fā)系統(tǒng)的ad轉換實驗硬件主要是由adc0809轉換芯片和四個可變電位器組成的。adc0809是8位8通路逐次逼近式ad轉換器，輸入電壓在(o5)v，最大不可調誤差小1lsb，它具有高速、高精度、溫度依賴度低以及在長期工作條件下能耗小、重復性好等優(yōu)點。adc0809芯片的引腳圖如圖2-4所示。由圖2-4可看芯片主要是由一個8位ad轉換器、8路模擬輸入選通開關、地址鎖存及譯碼電路工作和三態(tài)數據輸出鎖存器組成。為實現(xiàn)8路模擬通道能有條不紊地工作，首先通過地址譯碼鎖存器選通

23、所要開通的8路模擬通道中的一路開關，將模擬信號送入a/d轉換器中實現(xiàn)a/d的轉換，轉換后的數據放到三態(tài)數據鎖存器中等待cpu來取，取后由cpu啟動新一次的地址譯碼，重復以上完成新一次的a/d轉換。adc0809芯片提供了高轉換速度、高精密度、環(huán)境影響小和低功耗等優(yōu)點，被廣泛應用于各種控制領域。下圖2-4為adc0809芯片的引腳圖。adc0809是帶有8位a/d轉換器、8路多路開關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/d轉換器內部含有一個高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個帶有模擬開關樹組的256電阻分壓器，以及一個逐次逼近型寄存器。8路的模擬開關由地址鎖存器和譯碼

24、器控制，可以在8個通道中任意訪問一個通道的模擬信號。由于多路開關的地址輸入部分能夠進行鎖存和譯碼，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。圖2-4 adc0809 芯片的引腳圖2.3 鍵盤及顯示接口顯示部分我采用三位7段led顯示器，led顯示器是單片機應用中最常用的輸出部件，它是由若干發(fā)光二極管組成，當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)光，不同組合的二極管導通，就能顯示出各種字符。用led是因為它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、光電轉換效能高、壽命長的特點。鍵盤是有若干按鍵組成的開關矩陣，它是最簡單的單片機輸入設備，通過鍵盤輸入數據或命令，來實現(xiàn)簡單的人機對話。鍵

25、盤可分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤兩種。非編碼鍵盤有并行接口掃描和串聯(lián)接口掃描，我采用的是串行接口，它的組成是由移位寄存器74ls164和六個鍵組成，74ls164是一個14位腳的寄存器，集成電路芯片，由8051串行接口的txd端輸出列掃描信號到74ls164的1、2引腳，鍵閉合信號則用端口p3.3、p3.4、p3.5輸入8051單片機，由8051單片機的txd引腳輸出移位時鐘脈沖到74ls164的時針輸入端（clk）。還有非前者用軟件來識別和產生代碼，后者則用鍵盤來識別，鍵盤處理程序實現(xiàn)對鍵盤的管理，顯示具體見下圖。圖2-5 led顯示器2.4 自動報警電路下列四種情況發(fā)生系統(tǒng)報警。 1)當鍋爐達

26、到上限極限水位時報警，爐內的水位到達上限極限水位時系統(tǒng)發(fā)出報警；2)鍋爐內壓力過高報警，壓力傳感器檢測到鍋爐內壓力過高與設定值時發(fā)出報警;3)鍋爐內壓力過低報警，壓力傳感器檢測到鍋爐內壓力過低與設定值時發(fā)出報警;4)循環(huán)泵故障報警，當循環(huán)泵開啟后，出水與回水溫度的差值很大，認為循環(huán)泵故障，報警系統(tǒng)報警。圖2-6 自動報警電路的接線圖第3章 傳感器的選擇設計在本設計中,傳感器的選擇是非常重要的,傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)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,它的性能直接影響到整個檢測系統(tǒng),對檢測精確度起著重要的作用。本設計主要采用的是電容式傳感器、光電式

27、傳感器和壓電式傳感器來對液位、溫度和壓力進行檢測,在把檢測的電信號通過adc0809入到單片機進行分析,在由led進行顯示和鍵盤控制,實行對液位、溫度和壓力的報警。3.1 液位傳感器的設計我設計的液位傳感器主要是由高亮二極管和光敏三極管所組成的設備。水位檢測是通過四對高亮二極管和光敏三極管分別安裝在四個不同的位置，由上至下四個輸出端口分別接單片機的p1.0、p1.1、p1.2、p1.3口，實時對鍋爐里的水位進行檢測。當水位到達某一光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出高電平；當水位低于此光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出低電平。由上至下的第一個位置為水位上限報警線，即當水位高于

28、此位置時，開水房控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個位置是自動停止加水線，即當水位高于此位置時，控制系統(tǒng)會自動關閉加水電磁閥，停止加水；第三個位置是自動加水線，即當水位低于此位置時，控制系統(tǒng)會自動接通加水電磁閥，開水加水；第四個位置是水位下限報警線，即當水位低于此位置時，開水房控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。高亮二極管和光敏三極管都屬于光電傳感器，下面介紹光電式傳感器。光電傳感器是一種小型電子設備，它可以檢測出其接收到的光強的變化。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此,

29、光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件(光學測控系統(tǒng))輸出量性質可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖(開關)式光電傳感器。而我設計的液位傳感器的主要組成光敏三級管就是屬于模擬式光電傳感器。通過吸收高亮二極管的光來測量液位的高度,在轉化成光電流傳到模擬傳感器adc0809中。光電傳感器中的工作原理都基于不同形式的光電效應,我們知道，pn結加反向電壓時，反向電流的大小取決于p區(qū)和n區(qū)中少數載流子的濃度，無光照時p區(qū)中少數載流子(電子)和n區(qū)中的少數載流子(空穴)都很少，因此反向電流很小。但是當光照pn結時，只要光子能量h大

30、于材料的禁帶寬度，就會在pn結及其附近產生光生電子.空穴對，從而使p區(qū)和n區(qū)少數載流子濃度大大增加，它們在外加反向電壓和pn結內電場作用下定向運動，分別在兩個方向上渡越pn結，使反向電流明顯增大。如果入射光的照度變化，光生電子.空穴對的濃度將相應變動，通過外電路的光電流強度也會隨之變動，光敏二極管就把光信號轉換成了電信號。而光敏三極管有兩個pn結，因而可以獲得電流增益，它比光敏二極管具有更高的靈敏度。其結構如圖3-1所示。圖3-1 光敏三極管的結構示意圖圖3-2 基本電路當光敏三極管按圖3-2所示的電路連接時，它的集電結反向偏置，發(fā)射結正向偏置。無光照時僅有很小的穿透電流流過，當光線通過透明窗

31、口照射集電結時，和光敏二極管的情況相似，將使流過集電結的反向電流增大，這就造成基區(qū)中正電荷的空穴的積累，發(fā)射區(qū)中的多數載流子(電子)將大量注人基區(qū)，由于基區(qū)很薄，只有一小部分從發(fā)射區(qū)注入的電子與基區(qū)的空穴復合，而大部分電子將穿過基區(qū)流向與電源正極相接的集電極，形成集電極電流ic。這個過程與普通三極管的電流放大作用相似，它使集電極電流ic是原始光電流的(l+)倍。這樣集電極電流ic將隨入射光照度的改變而更加明顯地變化。光電傳感器通常由光源、光學通路和光電元件三部分組成,如下圖3-3光電傳感器框圖:圖3-3 光電傳感器框圖光電傳感器通常由光源、光學通路和光電元件三部分組成，如圖3-3所示。圖中，1

32、是光源發(fā)出的光信號，2是光電器件接受的光信號，被測量可以是x1或者x2，它們能夠分別造成光源本身或光學通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號i。光電傳感器的敏感范圍遠遠超過了電感、電容、磁力、超聲波傳感器的敏感范圍。此外，光電傳感器的體積很小，而敏感范圍很寬，加上機殼有很多樣式，幾乎可以到處使用。最后，隨著技術的不斷發(fā)展，光電傳感器在價錢方面可以同用其他技術制造的傳感器競爭。3.2溫度傳感器的設計我選用的是光電式傳感器來對溫度進行測量因為它具有結構簡單，使用方便，價格低廉，經久耐用，使用范圍廣等特點。有上節(jié)了解到了光電式傳感器,光電式溫度傳感器是利用導光管為感溫器件，能使所接受的信息比較真實地

33、輻射出來。光電式傳感器利用爐溫的光輻射，通過導光管進入，經聚焦照射在敏感元件上，光敏元件在光的照射下，便產生光電流，其強弱隨著爐溫的增高或下降而變化，在通過led的顯示判斷是否實行報警。由于有導光管保護而不受光路污染，從而達到高精度、高靈敏度。正常的爐膛內的溫度能夠確保鍋爐安全的使用,鍋爐的設計工作溫度一般低于90c，工作壓力小于0.7bar(絕對壓力)，屬真空容器，在正常運行時絕無汽爆的可能，本設計選用的是高靈敏度的溫度傳感器:光電溫度傳感器,與鍋爐控制器相連，當熱媒水溫度超過設定溫度時，燃油、燃氣鍋爐的燃燒裝置就自動停止一切輸出，燃煤鍋爐就會報警提醒操作人員，限制鍋爐的燃燒強度。我采用的器

34、件是光電耦合器件,它是利用發(fā)光元件與光敏元件封裝為一體而構成電-光-電轉換的器件,加到發(fā)光器件上的電信號為耦合器的輸入信號,接收器件的輸出信號為耦合器的輸出信號。當有信號電壓加到光電耦合器的輸入端時,放光器放光,光敏器受光照而產生光電流,使出端產生相應的的電信號,從而實現(xiàn)了電-光-電的傳輸和轉換。光電耦合器采用密封管殼,不受外界光的干擾,具有其穩(wěn)定性,同時器件利用光作為信號傳輸介質,輸入端和輸出端之間在電氣上是完全絕緣的?？闺姶鸥蓴_能力也很強,諸多優(yōu)點讓我選擇它作為鍋爐爐膛內的溫度檢測元件。3.3 壓電式傳感器的設計因為要對壓力過大或壓力不夠實行報警,所以要對壓力進行測量,我采用的是壓電式傳感

35、器來對壓力進行檢測,壓電式傳感器是以某些晶體受力后在其表面產生電荷的壓電效應為轉換原理的傳感器壓電式傳感器具有體積小、重量輕、頻帶寬、靈敏度高等優(yōu)點。近年來壓電測試技術發(fā)展迅速，特別是電子技術的迅速發(fā)展，使壓電式傳感器的應用越來越廣泛。 3.3.1 壓電效應和陶瓷壓電式傳感器選取壓電式傳感器的基本原理是物質的壓電效應。壓電效應是某些晶體，在一定方向受到外力作用時，內部將產生極化現(xiàn)象，相應的在晶體的兩個表面產生符號相反的電荷；當外力作用除去時，又恢復到不帶電狀態(tài)。當作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。具有壓電效應的物質很多，如石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導體等。它可以測量

36、最終能變換為力的各種物理量，例如力、壓力、加速度等。我采用的是壓電陶瓷是一種多晶鐵電體，它是具有電疇結構的壓電材料。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向。在無外電場作用時，各個電疇在晶體中無規(guī)則排列，它們的極化效應互相抵消。因此，在原始狀態(tài)壓電陶瓷呈現(xiàn)中性，不具有壓電效應。當在一定的溫度條件下，對壓電陶瓷進行極化處理，即以強電場使電疇規(guī)則排列，這時壓電陶瓷就具有了壓電性，在極化電場去除后，電疇基本上保持不變，留下了很強的剩余極化。3.3.2 壓電式傳感器的測量電路1)等效電路 壓電傳感器在受外力作用時，在兩個電極表面將要聚集電荷，且電荷量相等，極性相反。這時它相當于一個以壓電材料為電介

37、質的電容器，其電容量為 （3-1） 式中，0為真空介電常數：為壓電材料的相對介電常數；h為壓電元件的厚度；a為壓電元件極板面積。因此可以把壓電式傳感器等效成一個與電容相并聯(lián)的電荷源，如圖3-4所示 圖3-4 壓電式傳感器并聯(lián)電荷源 壓電傳感器與測量儀表聯(lián)接時，還必須考慮電纜電容cc，放大器的輸入電阻ri和輸入電容ci以及傳感器的泄漏電阻ra。圖3-5畫出了壓電傳感器完整的等效電路 圖3-5 壓電傳感器的等效電路2)基本測量電路 壓電傳感器的內阻抗很高，而輸出的信號微弱，因此一般不能直接顯示和記錄。壓電傳感器要求測量電路的前級輸入端要有足夠高的阻抗，這樣才能防止電荷迅速泄漏而使測量誤差變大。壓電

38、傳感器的前置放大器有兩個作用：一是把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是把傳感器的微弱信號進行放大。壓電傳感器的發(fā)大電路有電壓放大器和電荷放大器,而我采用的是電荷放大電路。電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。它實際上是一個具有反饋電容的高增益運算放大器。圖3-6是電荷放大器連接的等效電路。 圖3-6 電荷放大器等效電路 如果忽略電阻ra、ri及rf的影響，則輸入到放大器的電荷量為 （3-2）式中，a為開環(huán)放大系數。所以有 （3-3）故放大器的輸出電壓為 （3-4） 當a1，而(1+a)cf時，放大器輸出電壓可以表示為 （3-5）由式中可以看出，由于引入了電容負反饋，電荷

39、放大器的輸出電壓僅與傳感器產生的電荷量及放大器的反饋電容有關，電纜電容等其他因素對靈敏度的影響可以忽略不計。電荷放大器的靈敏度為 （3-6） 放大器的輸出靈敏度取決于cf。在實際電路中，是采用切換運算放大器負反饋電容cf的辦法來調節(jié)靈敏度的。cf越小則放大器的靈敏度越高。為了放大器的工作穩(wěn)定，減小零漂，在反饋電容cf兩端并聯(lián)了一反饋電阻，形成直流負反饋，用以穩(wěn)定放大器的直流工作點。第4章 系統(tǒng)軟件的設計下圖為軟件設計流程圖圖4-1軟件設計流程圖 該系統(tǒng)硬件系統(tǒng)完全，但系統(tǒng)的運算與控制必須靠軟件支持，本控制系統(tǒng)采用的是控制，由于模糊控制量的求取是采用查表法，因此軟件程序較簡單，整個軟件部分分為以

40、下幾個部分。4.1單片機源程序org 0000h ajmp main org 0003h ajmp mainorg 000bh ajmp main org 0013h ajmp main org 001bh ajmp main org 0023h ajmp main org 0030hmain: clr p3.6 mov p0,#0ffh acall ql; mov 3bh ,#95 main1: mov 3bh,#95 acall shuicpm ;水位檢測子程序 acall baojing ;報警子程序 acall delay2 ajmp main1; bbb1: mov a,37h ad

41、d a,#10 clr c subb a,3bh jnc ok2; clr p2.1; mov a,37h add a,#20 clr c subb a,3bh jnc ok2 clr p2.1; setb 20h.0 retok2: clr 20h.0 ret4.2 水位檢測主程序這是程序運行的主要程序段，主要實現(xiàn)啟動adc0809轉換器，并從a/d轉換器采集信號。shuicpm:mov a,p1 anl a,#0fh mov 30h,#0fh ;00001111 cjne a,30h,aaa1 setb p2.0 setb 20h.1 ;setb水位狀態(tài)標志位 ajmp out2aaa1:

42、 mov 30h,#0eh ;00001110 cjne a,30h,aaa2 setb p2.0 clr 20h.1 ajmp out2aaa2: mov 30h,#0ch ;00001100 cjne a,30h,aaa3 clr 20h.1 clr p2.0 ajmp out2aaa3: mov 30h,#08h ;00001000 cjne a,30h,aaa4 clr p2.0 clr 20h.1 ajmp out2aaa4: mov 30h,#00h ;00000000 cjne a,30h,aaa5 setb p2.0 setb 20h.1 ajmp out2aaa5: setb

43、 20h.2 retout2: clr 20h.2 retbaojing: jb 20h.3,out6 mov a,20h mov 30h,#00h cjne a,30h,out5 ajmp out6out5: setb p3.6 jb 20h.4,out9 setb p0.1out10: jb 20h.2,out11 setb p0.2out12: jb 20h.1,out13 setb p0.3out14: jb 20h.0,out15 setb p0.4out16: retout6: clr p3.6 ret out9: clr p0.1 ajmp out10 out11: clr p0

44、.2 ajmp out12 out13: clr p0.3 ajmp out14 out15: clr p0.4結論本系統(tǒng)主要介紹了鍋爐的液位檢測控制，還介紹了對溫度和壓力的檢測控制，介紹了8051單片機和其它一些單片機在鍋爐控制系統(tǒng)中的應用，介紹了它們的引腳和在系統(tǒng)中的電路圖，本設計還采用了多種傳感器來對液位、溫度和壓力的信號采集，利用led來進行信號的輸出顯示,我設計的硬件系統(tǒng)的結構簡化,系統(tǒng)精度高，具有良好的人機交互功能,并設有液位報警、高壓、低壓和閥門失靈等故障報警，有問題立即就能發(fā)現(xiàn)。通過自動調節(jié)控制液位并實現(xiàn)鍋爐內溫度和水位的報警。液位控制在設定值上正常運行不需要人工干預，操作人員

45、勞動強度小。采用單片機設計出的工業(yè)鍋爐控制器,能夠針對汽包水位的不同狀態(tài)和不同外界條件進行控制,汽包水位運行穩(wěn)定、控制品質良好、控制效果明顯改善;同時大大提高了控制系統(tǒng)的抗干擾能力,保證了工業(yè)鍋爐的穩(wěn)定運行?？刂蒲b置具有成本低、抗干擾能力強、控制性能好等優(yōu)點,且系統(tǒng)硬、軟件維護簡單方便,尤其適用于工業(yè)控制現(xiàn)場,具有良好的應用前景。本系統(tǒng)所采用的傳感器性能穩(wěn)定,測量準確,大大簡化現(xiàn)場安裝,具有較高的性價比,有較大的工程應用價值,而且利用計算機單片機技術對鍋爐生產過程進行自動控制有著重要的意義。其優(yōu)越性主要在于：首先，通過對鍋爐燃燒過程進行有效控制，使燃燒在合理的空燃比條件下進行，可以提高燃燒效率。由于工業(yè)鍋爐耗煤量大，燃燒熱效率每提高 1都會產生巨大的經濟效益。其次，鍋爐控制過程的自動化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機界面