單片機鍋爐水位微機控制系統(tǒng)設計

1、工業(yè)鍋爐水位微機控制系統(tǒng)1. 設計的目的和意義：工業(yè)鍋爐實現(xiàn)微型計算機控制， 是鍋爐安全生產(chǎn)， 提高熱效率，節(jié)約能源的一大創(chuàng)舉。 鍋爐控制的被調量是汽包水位，而調節(jié)量則是給水流量，通過對給水流量的調節(jié) , 使汽包內部的物料達到動態(tài)平衡， 變化在允許范圍之內。 汽包水位控制系統(tǒng)，實質上是維持鍋爐進出水量平衡的系統(tǒng)。 它是以水位作為水量平衡與否的控制指標， 通過調整進水量的多少來達到進出平衡， 將汽包水位維持在汽水分離界面最大的汽包中位線附近，以提高鍋爐的蒸發(fā)效率，保證生產(chǎn)安全。2. 應解決的主要問題：本設計主要解決傳感器的選擇（溫度，壓力，水位）、輸出道的設計和軟件程序的設計。其所能達到的技術指

2、標為（1）可以對鍋爐水位，蒸汽量和給水量分別采集（2）通過單片機控制，使鍋爐汽包水位維持在正常的范圍內（ 3）具有鍵盤顯示功能（ 4）具有報警功能當水位超過上限或下限時，能及時報警。目前國內外隨便科學技術技術的發(fā)展，都采用三沖量水位自動調節(jié)系統(tǒng)， 該控制引進蒸汽流量和給水流量信號作為控制信號， 系統(tǒng)動作及時， 有較強的抗干擾能力， 因此得到廣泛的應用。1/301 設計方案工業(yè)鍋爐汽包水位的自動控制， 根據(jù)鍋爐容量大小， 供給蒸汽（或熱水）的使用要求不同，通常有單沖量自動控制系統(tǒng)、雙沖量自動控制系統(tǒng)和三沖量自動控制系統(tǒng)三種形式。1.1單沖量水位控制系統(tǒng)1.2雙沖量水位控制系統(tǒng)1.3三沖量水位控制

3、系統(tǒng)蒸汽流量系數(shù)蒸汽流量設定水位+PI 調節(jié)單元給水閥鍋爐汽包-給水流量系數(shù)給水流量抗干擾濾波汽包水位信號圖 1 三沖量框圖工業(yè)鍋爐采用三沖量控制系統(tǒng)時，當蒸汽負荷突然發(fā)生變化，蒸汽流量信號使給水調節(jié)閥一開始就向正確方向移動，即蒸汽流量增加，給水調節(jié)閥開大， 抵消了由于“虛假水位”引起的反向動作，因而減小了水位和給水流量的波動幅度。當由于水壓干擾使給水流量改變時，控制器能迅速消除干擾。如給水流量減少，控制器立即根據(jù)給水流量減少的信號，開大給水閥門， 使水流量保持不變。另外，給水流量信號也是控制器動作后的反饋信號，2/30能使控制器及早知道調節(jié)的效果，所以三沖量給水調節(jié)系統(tǒng)，控制器動作快，還可以

4、避免調節(jié)過頭，減少波動和失調，這樣汽包水位就很少受到影響。從三沖量水位控制系統(tǒng)的可以看出，它由兩個閉合回路組成：（ 1）是由給水量，調節(jié)閥，控制器組成的內回路；（2）由汽包水位對象和內回路構成的主回路，蒸汽流量和分流器均在閉合回路之外，它的引入可以改善調節(jié)質量，但不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量控制的實質是前饋加反饋的控制系統(tǒng)。1.4設計方案的確定設計內容是以鍋爐水位為主控信號， 蒸汽流量為前饋信號給水量為控制器的反饋信號來控制給水量。 通過單片機的控制， 使鍋爐汽包水位維持在正常的范圍內， 當水位超過上限或下限時， 能及時報警并采取相應措施。設計方案是以蒸汽流量為前饋信號，給水量為控制

5、的反饋信號，經(jīng) AD轉換后送入單片機，經(jīng)單片機分析計算后輸出控制信號，通過控制給水流量來控制鍋爐水位， 使鍋爐水位維持在正常的范圍內。 同時系統(tǒng)對溫度和壓力信號進行采集和分析， 可對超標量的進行報警，同時具有鍵盤、顯示電路和看門狗電路。如圖2 所示3/30溫度傳感器DA 轉換調節(jié)閥壓力傳感器水位傳感器蒸汽流量傳感器單A/D轉片換器看門狗鍵盤顯示機給水流量傳報警感器圖 2-2設計方案框圖2 硬件設計2.1最小系統(tǒng)設計2.1.1單片機選擇MCS-51由如下幾個功能部件組成： （1）微處理器（ 2）數(shù)據(jù)存儲器（ 3）程序存儲器（ 4） 4 個 8 位并行 I/O 口（ 5）一個串行口（ 6）2 個

6、16 位定時器 / 計數(shù)器（ 7）中斷系統(tǒng)（ 8）特殊功能寄存器。 MCS-51 單片機的硬件結構具有功能部件種類全，功能強等特點， 特別值得一提的是MCS-51CPU中的位處理器， 它實際上是一個完整的1 位微機算機。這個1 位計算機有自己的CPU，位寄存器， I/O 口和指令集。 1 位機在開關決策，邏輯電路仿真，4/30工業(yè)控制方面非常有效：而 8 位機在數(shù)據(jù)采集， 運算處理方面有明顯的長處。 MCS-51單片機中 8 位機和 1 位機的硬件資源復合在一起，二者相輔相成，它是計算機的技術上的一個突破，本設計采用 89C-51 單片機。89C51其主要特性為（ 1）與 MCS-51 兼容（

7、 2）4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 （ 3）壽命： 1000 寫/ 擦循環(huán)（ 4）數(shù)據(jù)保留時間： 10 年（5）全靜態(tài)工作： 0Hz-24Hz（ 6）三級程序存儲器鎖定（ 7） 128*8 位內部 RAM（8）32 可編程 I/O 線（ 9）兩個 16 位定時器 / 計數(shù)器（ 10）5 個中斷源 （ 11）可編程串行通道（ 12）低功耗的閑置和掉電模式（ 13）片內振蕩器和時鐘電路 。引腳圖如圖3 所示圖 3 89C51 引腳圖 5/302.1.2復位電路設計MCS-51 的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。復位引腳RST通過一個施密特觸發(fā)器與復位電路連接， 施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周

8、期的 S5P2，施密特觸發(fā)器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內部復位操作所需要的信號。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種形式。 上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。 當電源接通時只要 Vcc 的上升時間不超過 1ms,就可以實現(xiàn)自動上電復位，當時鐘頻率選用 6MHz時， C取 22F 時， R取 1K 歐姆。除了上電復位外， 有時還需要按鍵手動復位。 按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。 其中電平復位是通過 RST端經(jīng)電阻與電源接通實現(xiàn)。2.1.3時鐘電路選擇MCS-51單片機各功能部件的運行都是以時鐘控制信號為基準，有條不紊的一拍一拍地工作。 因此，時鐘頻率

9、直接影響單片機的速度，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 本設計采用內部時鐘方式。2.1.4“看門狗”電路本設計采用 MAX690芯片，具有以下性能：具有看門狗電路，進入死循環(huán)的時間間隔超過 1.6s 時，將產(chǎn)生一個復位輸出。具有備用電池切換電路， 備用電池可供電給 RAM芯片，在微處理器上電、掉電及供電電壓時， 產(chǎn)生一個復位輸出信號可用于低電平6/30檢測，看門狗電路如圖4 所示圖 4 看門狗電路2.2前向通道設計2.2.1傳感器的選擇（ 1） 溫度傳感器選擇本設計采用 WP-PT100溫度傳感器， 其特性與應用：抗震性好，耐高壓，多種溫度型號可選擇，安裝方式多元化，可進行OEM定

10、做，應用與化纖，橡塑，石油，造紙，水電，食品等設備的過程溫度測量與控制。（ 2） 壓力傳感器選擇本設計采用 PT112型壓力傳感器， PT112系列高溫熔體壓力傳感器是一種基于惠斯登電橋原理而工作的，其耐高溫特性可以應用于特殊的的工業(yè)， 使其成為橡塑， 化纖等機械設備中高溫流體壓力測量與控制的理想產(chǎn)品。（ 3）水位傳感器選擇本設計采用 CR-601C型水位傳感器， CR-60 系列電容式液位變送器，適用于高溫高壓、強腐蝕、易結晶、易堵塞等惡劣條件下7/30連續(xù)檢測可導電的液體。特別適合測量酸堿溶液和鍋爐的水位。整機無任何可動或彈性部件，耐沖擊、安裝方便、可靠性高、精度高、性能價格比好。替代傳統(tǒng)

11、的浮球式、投入式、差壓式等液位變送器在各種場合下應用有不可比擬的優(yōu)勢。（ 4）流量傳感器選擇本設計采用 LUGB-21/ZX渦街流量傳感器 , 可以用于多種數(shù)據(jù)散集系統(tǒng)，與XS 型流量顯示儀配套組成流量計，用于測量管道中液體、氣體、蒸汽的瞬時流量和累積流量，并輸出信號控制相應設備。該傳感器廣泛用于電力、機械、輕工、冶金、石油、化工、造紙、科研及城市供水、供熱、供氣以及各種工業(yè)過程控制、能源管理和環(huán)境工程等領域。2.2.2 A/D轉換芯片的選擇本設計采用 A/D 轉換器 ADC0809。8/30圖 5 ADC0809接線圖2.3后向通道設計2.3.1 DA轉換本設計采用 DA轉換器 DAC083

12、2。9/30圖 6 DAC0832 引腳圖DAC0832與單片機接線圖7 所示。圖 7 DAC0832 與單片機接線2.3.2 V/I轉換芯片選擇本設計采用 V/I 轉換芯片 AD694,AD694產(chǎn)品是一個單片電流變送器接受高層次的信號輸入標準4 -20毫安電流回路為控制閥門，執(zhí)行器和其他裝置中常用的過程控制。10/302.3.3調節(jié)閥本設計采用 HRTP-64KE電動調節(jié)閥。 HRL電動執(zhí)行器采用一體化結構設計，具有自診斷功能，使用和調校十分方便。有數(shù)字顯示窗口，可看到控制信號值、閥位值。2.4鍵盤顯示電路設計2.4.1鍵盤電路的設計本設計采用行列式鍵盤。為進一步提高單片機掃描鍵盤的工作效

13、率，可采用中斷掃描方式，既只有在鍵盤有鍵按下時，才執(zhí)行鍵盤掃描程序并執(zhí)行該按鍵功能程序，如果無鍵按下， 單片機將不理睬鍵盤。2.4.2顯示電路設計2.4.3利用并行 I/O 芯片 8155H實現(xiàn)鍵盤 / 顯示89C-51 單片機用擴展I/O 接口芯片 8155H實現(xiàn) 4 為 LED顯示和12 鍵的鍵盤 / 顯示接口電路。其單片機與8155H 的 接口電路如圖8所示。11/30圖 8 單片機與 8155H接口電路2.5報警電路設計2.5.1蜂鳴音報警本設計采用蜂鳴音樂報警裝置，如圖9 所示圖 9 蜂鳴報警電路12/303 軟件設計3.1主程序設計開初始開中掃描鍵顯圖 10 主程序流程圖13/30

14、3.2 T0定時中斷子程序設計中 斷 開保護現(xiàn)關中到1N一秒單元Y六秒單到六濾Y濾標度變報警處PID運14/30調樣子程調采樣子程標度轉D/A輸重新載入時恢復現(xiàn)啟動T0，開15/30中 斷返圖 11 T0 定時中斷子程序流程圖3.3采樣子程序設計采樣子程序是1 對蒸汽流量和給水流量進行采集，采樣子程序2 是對溫度、壓力、液位、蒸汽流量和給水流量進行采集。設 N=2調樣子程返圖 12 采樣子程序 1 流程圖設 N=5調樣子程返圖 13 采樣子程序 2 流程圖16/30開選擇0809 的啟動A/D延時讀取結指向下一個存N采集 四YN路采集Y返圖 14 采樣子程序流程圖3.4顯示子程序的設計開置顯示

15、緩沖區(qū)置位選碼初8155初 始位選碼查段碼段碼延時調整位選17/30指向下一顯示緩圖 15 顯示子程序流程圖3.5濾波子程序設計在此系統(tǒng)中數(shù)字濾波采用算術平均濾波法。18/30開始取 4 次采樣數(shù)據(jù)求算術平均值返回圖 16 濾波流程圖3.6標度變換標度變換是將測量的模擬量（電壓 或電流）轉換成可以顯示的數(shù)值。測控系統(tǒng)中的被測變量如溫度、 壓力等的單位與數(shù)值都不相同。但它們經(jīng)傳感器轉換成電信號后又經(jīng)信號調理轉換成統(tǒng)一的 0-5V、 1-5v 等信號 , 然后經(jīng) AD 轉換變成 00H-FFH(8 位) 或000H-FFFH(12 位）等的數(shù)字信號。測控系統(tǒng)的監(jiān)測裝置要求按被測變量的工程單位進行顯

16、示，因此，還需把上述的數(shù)字信號轉換成帶有不同工程單位的測量值，這項工作標度變換程序完成。線性儀表的標度變換公式為：AX=A0+(Am-A0)*(Nx-N0)/(Nm-N0)AX 儀表測量值A0 一次測量儀表的下限Am 一次測量儀表的上限N0 儀表下限對應的數(shù)字量19/30Nm 儀表上限對應的數(shù)字量Nx 測量值所對應的數(shù)字量其中 A0、Am、N0、Nm對于某一個固定的被測參數(shù)而言都是常數(shù),對不同的參數(shù)各有不同的值。為簡化標度變換程序, 通常把被測參數(shù)的起點 A0（輸入信號的下限） 所對應的 AD轉換后的數(shù)字量為0，即 N0=0，則上式可簡化為 AX=(Am-A0)*Nx/Nm+A0開AX=(Am

17、-A0)*Nx/Nm+A0返圖 17標度變換流程圖3.7 PID運算PID 參數(shù)的整定有兩種可用的方法，理論設計法及實驗確定法。用理論設計法確定PID 控制參數(shù)的前提是要有被控對象準確的數(shù)學模型，這在工業(yè)過程中是很難做到的。因此，用實驗確定法來選擇 PID 控制參數(shù)的方法便成為經(jīng)常采用而行之有效的辦法。試湊法20/30試湊法是通過仿真或實際運行，觀察系統(tǒng)對典型輸入作用的響應曲線，根據(jù)各控制參數(shù)對系統(tǒng)的影響，反復調節(jié)試湊，直到滿意為止，從而確定PID 參數(shù)。我們知道， PID 控制器各參數(shù)對系統(tǒng)的影響是；增大開環(huán)比例系數(shù) Kp ，一般將加快系統(tǒng)的影響速度，在有靜差的情況下則有利于減小靜差； 但過

18、大的比例系數(shù)又會加大系統(tǒng)超調，甚至產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。在試湊時，實行先比例、后積分、再微分的反復調整。其步驟如下：1）整定比例部分，先置PID 控制器中的T1=、 T2=0，使之成為比例控制器，再將比例系數(shù)Kp 由小變大，觀察相應的響應，使系統(tǒng)的過渡過程達到4:1 的衰減振蕩和較小的靜差。如果系統(tǒng)靜差已小到允許范圍內，并且已達到4：1 衰減的響應曲線，那么只需用比例控制器既可，最優(yōu)比例度就由此確定。2）加入積分環(huán)節(jié)，如果只用比例控制，系統(tǒng)的靜差不能滿足要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時，先將比例系統(tǒng)減小10 20%，以補償因加入積分作用而引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，然后由大到小調節(jié)Ti ，在保持系統(tǒng)

19、良好動態(tài)性能的情況下消除靜差。這一步可以反復進行，以期得到滿意的效果。3）加入微分環(huán)節(jié)，在整定時，先置T 為零，然后，在第2 步整定的基礎上再增大T，同時相應地改變比例系數(shù)K 和積分時間T，逐步試湊以獲得的控制效果和控制參數(shù)。21/30臨界比例度法擴充臨界比例度法是模擬控制器使用的臨界比例度法的擴充，它用來整定數(shù)字PID 控制器的參數(shù)。其整定步驟如下：1）被控系統(tǒng)穩(wěn)定后，把控制器的積分時間放到最大，微分時間放到零。2）通過外界干擾或使控制器設定值作一階躍變化，觀察由此而引起的測量值振蕩。3）從大到小的，逐步把控制器的比例度減小，看測量值振蕩的變化是發(fā)散的還是衰減的?如是衰減的則應把比例度繼續(xù)減

20、小；如是發(fā)散的則應把比例度放大。4）連續(xù)重復 2、3 步，直至測量值按恒定幅度和周期發(fā)生振蕩，即持續(xù) 4 5 次等幅振蕩為止。此時的比例度示值就是臨界比例度 PB。然后根據(jù)臨界振蕩公式進行 PID 計算。響應曲線法擴充響應曲線法是將模擬控制器響應曲線法推廣用來求數(shù)字 PID 控制器參數(shù)。 這個方法首先要經(jīng)過試驗測定開環(huán)系統(tǒng)對階躍輸入信號的響應曲線，具體步驟如下：1）數(shù)字控制器，使系統(tǒng)在手動狀態(tài)下工作，人為地改變手動信22/30號，給被控對象一個階躍輸入信號2）用儀表記錄下被控參數(shù)在此階躍輸入作用下的變化過程曲線，即對象的階躍響應曲線。2）對象的響應曲線上，過拐點P 作切線，求出等效滯后時間和等

21、效時間常數(shù)Tm，并算出它們的比值Tm/ 。3）選擇控制度。根據(jù)所求得的、 Tm和 Tm/ 的值，查下表?？刂贫瓤刂埔?guī)律TKpTiTd1.05PI0.03Tr0.53Kr0.88TrPID0.014Tr0.63Kr0.49Tr0.14Tr1.50PI0.14Tr0.42Kr0.99TrPID0.09Tr034Kr0.43Tr0.20Tr2.0PI0.22Tr0.36Kr1.05TrPID0.16Tr0.27Kr0.40Tr0.22Tr模擬控制PI0.57Kr0.83Tr器PID0.70Kr0.50Tr0.13Tr臨界比例PI0.45Kr0.83Tr度法PID0.60Kr0.50Tr0.125Tr

22、4 總結全文主要采用三沖量水位控制系統(tǒng)，以鍋爐水位為主控信號，蒸汽流量為前饋信號，給水量為控制器的反饋信號來控制給水量這樣就實現(xiàn)了鍋爐的控制，通過單片機的控制， 使鍋爐汽包23/30水位維持在正常的范圍內，當水位超過上限或下限時，能及時報警并采取相應的措施。鍋爐是人類供熱， 取暖的主要來源， 它在我們日常生活中無處不在，但是它的控制技術還很薄弱，然而，在這科技日益發(fā)展的今天，我們相信有一天， 鍋爐技術會得到突飛猛進的發(fā)展。如在鍋爐控制系統(tǒng)中，真正體現(xiàn)無人操作，偌大的一個廠房，沒有一個工人，全都由計算機控制。更有可能在能源方面，實現(xiàn)燃料無污染化，從而使大氣的污染減少，成為綠色鍋爐！24/30附錄

23、 1*主程序*ORG0000HAJMPMAINORG0003HAJMPWATCHDOGORG000BHAJMPINT1ORG0100HMAIN:MOVSP，#60HACALL INT00ZZ：LCALLKEYLCALLDIRSETB EA25/30AJMPZZEND*T0定時中斷子程序*INT1;MOVETMOD,#06HMOVETL0,#0FFHMOVETH0,#0FFHSETBTR0SETBET0SETBEAACALL ADA CALL LBACALL BDBHACALL PIDMOVETL0,#0FFHMOVETH0,#0FFHSAVGFIL: MOVR2,#n-1MOVR0,#32HMOVR1,#33HLOOPMOVA,R0DECR0DECR026/30MOVR0,AMOVA,R0ADDA,#04HMOVR0,AM