鍋爐水溫水位控制系統(tǒng)設計

1、【摘要】在現(xiàn)代科學技術(shù)的許多領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)起著愈來愈重要的作用，并且隨著生產(chǎn)和科學技術(shù)的發(fā)展，自動化水平也越來越高。自動控制利用控制裝置使被控對象的某個參數(shù)自動的按照預定的規(guī)律運行。本設計的控制系統(tǒng)就是采用自動控制技術(shù)來實現(xiàn)其功能的，這樣就大大提高了工作的效率，而且整個過程又快又穩(wěn)。本設計采用單片機作為數(shù)據(jù)處理與控制單元，在進行數(shù)據(jù)處理過程中，單片機控制溫度傳感器和液位傳感器進行工作，把溫度信號和液位信號傳遞到單片機上。單片機進行數(shù)據(jù)處理之后，發(fā)出控制信號改變報警和控制執(zhí)行模塊的狀態(tài)，同時將當前溫度信息和液位信息發(fā)送到LED進行顯示。本系統(tǒng)可以實現(xiàn)溫度和液位信號的采集與顯示，可以使用按鍵

2、來設置液位限定值，通過液位數(shù)據(jù)的運算處理，發(fā)出控制信號達到控制液位的目的。本系統(tǒng)以8051為核心，用溫度傳感器AD590采集溫度信號，通過ADC0804進信號的A/D轉(zhuǎn)換與8051通信。同時用超聲波傳感器測量液位，用DS18B20作為溫度補償，以提高精確度。用555定時器組成報警電路進行報警。并且可以通過鍵盤來設定液位的最高值和最低值，從而達到自動控制的目的。關(guān)鍵詞：單片機； 溫度傳感器； 模數(shù)轉(zhuǎn)換； 超聲波The Temperature Detection and Liquid Level Control System of Boiler Based On MicrocontrollersA

3、bstract：In many areas of modern science and technology, automatic control technology plays an increasingly important role, and with production and the development of science and technology, the level of automation is also getting higher and higher. Control device to control the use of a particular o

4、bject in accordance with the parameters of the automatic operation of the law is scheduled. The design of the automatic control to buy a certain object automatically in accordance with the parameters of the scheduled operation.It uses MCU as data process and control unit, and uses MCU to control tem

5、perature sensor and the level of water which transmits data to MCU through single bus. It can send a signal to change the states of alarm, current temperature and the level of water is displayed by LED The system achieves multi-channel temperature and water level signal acquisition and control. This

6、 system is applied in such domains as warehouse detecting temperature and the level of water ；air-conditioner controlling system in building and supervisory productive process etc.8051 to the system as the center, with temperature sensors AD590 temperature signals collected by ADC0804 signal into th

7、e A/D converter and 8051 communications. The level of water is collected by the Ultrasonic sensors. and the temperature of air is measured by DS18B20.while keyboard is used to set a highest level and a lowest level. thus achieving control for automation.Keywords:microcontrollers; temperature sensor;

8、 analog-digitalconversion; ultrasonic鍋爐水溫水位控制系統(tǒng)設計11 緒論21.1 國內(nèi)外鍋爐的發(fā)展現(xiàn)狀21.3 熱水鍋爐溫度檢測與液位控制的工作原理31.4 單片機控制鍋爐的發(fā)展前景32 系統(tǒng)硬件電路設計52.1 系統(tǒng)控制模塊的設計52.1.1 單片機的最小系統(tǒng)設計52.1.2 單片機的I/O口擴展的設計82.1.3 液位控制模塊的設計102.2 系統(tǒng)檢測模塊的設計132.2.1 水溫檢測模塊的設計132.2.2 氣溫檢測模塊的設計172.2.3 液位檢測模塊的設計212.3 系統(tǒng)鍵盤顯示模塊的設計232.3.1 系統(tǒng)鍵盤輸入電路的設計232.3.2 系統(tǒng)顯

9、示電路的設計242.3.3 溫度顯示同步指示電路的設計262.4 系統(tǒng)報警電路的設計27本章小結(jié)303 系統(tǒng)的軟件設計30結(jié)束語35謝辭36參考文獻37附錄1：源程序代碼38附錄2：原理圖441 緒論1.1 國內(nèi)外鍋爐的發(fā)展現(xiàn)狀鍋爐作為一種把煤、石油或天然氣等化石燃料所儲藏的化學能轉(zhuǎn)換成水或水蒸氣的熱能的重要設備，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)和居民生活中都能扮演著極其重要的角色。它己經(jīng)有二百多年的歷史了，但是鍋爐工業(yè)的迅猛發(fā)展卻是近幾十年的事情。國外的鍋爐控制工業(yè)5060年代發(fā)展最快，70年代達到高峰。我國的鍋爐工業(yè)是在新中國成立后才建立和發(fā)展起來的，1953年在上海首創(chuàng)了上海鍋爐廠。從其在生產(chǎn)和生活中

10、所起的作用不同，鍋爐可分為電站鍋爐，主要用于發(fā)電廠；工業(yè)鍋爐，主要用于直接供給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或驅(qū)動機械能源；生產(chǎn)鍋爐，主要用于為居民提供熱水和供居民取暖。應該說鍋爐控制問題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)也就相應的出現(xiàn)了，它長期以來就是控制領(lǐng)域的一個典型問題。伴隨著控制理論和控制技術(shù)的發(fā)展，鍋爐自動化控制的水平也在逐步提高。鍋爐的自動化控制，經(jīng)歷了三四十年代單參數(shù)儀表控制，四五十年代單元組合儀表綜合參數(shù)儀表控制，以及六十年代星期的計算機過程控制幾個階段。隨著六十年代第一臺計算機在控制中的應用以及此后計算機和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機逐漸進入了鍋爐控制領(lǐng)域并正在成為這一領(lǐng)域的主要角色。計算機很強的記憶功能，邏輯判斷

11、功能以及快速計算功能為實現(xiàn)任意的控制算法提供了可能，這樣，先進的控制理論和控制算法進入鍋爐控制己經(jīng)有了可能性。目前，國外鍋爐的控制技術(shù)已日趨成熟，尤其在計算機控制和PLC控制領(lǐng)域得到很好的發(fā)展。我國雖然在鍋爐自動控制領(lǐng)域發(fā)展較快，但整體技術(shù)水平和發(fā)達國家還有一定的差距。1.2 熱水鍋爐溫度檢測與液位控制的背景及意義隨著我國的國民經(jīng)濟快速發(fā)展與人民生活水平的迅速提高，對鍋爐的需求量有日益增加的趨勢。如果鍋爐的控制設備簡陋，控制技術(shù)落后，效率低，就會造成了燃料的大量浪費，而且嚴重污染空氣，也不利于安全生產(chǎn)。而熱水鍋爐的控制雖然沒有工業(yè)鍋爐復雜，精確度要求也沒工業(yè)要求高，但熱水鍋爐的應用也十分廣泛，

12、如果要人工控制就不僅需要很大的工作量，而且不能保證控制的準確性和及時性，因此用采用自動檢測和控制，不僅大大減少工作量，而且準確，既經(jīng)濟又實惠。溫度檢測系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)設計、工程建設及日常生活中的應用越來越廣泛，早期的溫度檢測主要應用于工廠中，在人們的日常生活中，溫度檢測系統(tǒng)的應用和作用也體現(xiàn)到了各個方面。特別是單片機技術(shù)的出現(xiàn)，它給現(xiàn)代工業(yè)控制測控領(lǐng)域帶來了一次新的革命。目前，單片機在工業(yè)控制系統(tǒng)諸多領(lǐng)域得到了極為廣泛的應用。特別是其中的51系列單片機的出現(xiàn)，由于它具有極好的穩(wěn)定性，更快和更準確的運算精度。本次設計就是要通過以51系列單片機為控制核心，通過溫度采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換，LED顯示，實現(xiàn)熱水

13、鍋爐溫度檢測系統(tǒng)的設計，同是采用超聲波傳感器檢測鍋爐內(nèi)水位，并利用單片機來控制水泵，從而達到控制液位的目的。1.3 熱水鍋爐溫度檢測與液位控制的工作原理在熱水鍋爐應用中，如果要準確的檢測水溫有很多方法，本次設計采用集成溫度傳感器AD590來測量水溫，精確到。通過AD590來采集信號，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，與單片機連接，并通過LED顯示出來，同時把采集到的溫度信號與給定值比較，如果溫度高于給定值的最高值或低于給定值的最低值時，系統(tǒng)就會聲光報警。在液位控制系統(tǒng)中，采用超聲波傳感器來測量液位，利用超聲波發(fā)射和接收到反射信號的時間差計算出超聲波走過的距離，從而計算出鍋爐內(nèi)的水位，考慮到溫度對超聲波傳輸速度

14、的影響，因此增加了溫度傳感器DS18B20來測量氣體的溫度，從而減小誤差，精確度±2cm，該系統(tǒng)還可以用鍵盤設定液位的最高值和最低值，并通過單片機來控制，水位低于最低值時系統(tǒng)將自動注水，高于最高值時，自動停止加水，并且能夠同步顯示水位。1.4 單片機控制鍋爐的發(fā)展前景鍋爐微機控制,是近年來新開發(fā)的一項新技術(shù)，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(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，鍋爐采用的是微機控制和原有的儀表控制，微機控制優(yōu)勢明顯，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(jīng)濟運行，減少勞動人員的勞動強度。采用計算機控制的鍋爐系統(tǒng)有十分良好的安全機制：可以置多點的聲光報

15、警和自動連鎖停爐，杜絕人為疏忽造成的重大事故?？梢灶A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(lǐng)域日益廣泛。一般,工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境差，干擾強，利用單片機控制就能克服這些缺點，因此單片機在控制領(lǐng)域得到廣泛的應用，使用單片機控制鍋爐是很好的選擇。目前我國在單片機測控裝置研究、生產(chǎn)、應用中取得了很大的成績，總結(jié)了很多經(jīng)驗，但是各行業(yè)仍處于發(fā)展期，經(jīng)調(diào)查，很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(shù)年來關(guān)于這方面的研究的論文較多，著重生

16、產(chǎn)實際的很少。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(jīng)驗，奠定了基礎(chǔ)，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(jīng)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(jīng)克服很多困難，并在不斷的摸索中前進，有望在相關(guān)領(lǐng)域趕上甚至超過發(fā)達國家的技術(shù)水平，這是發(fā)展趨勢。2 系統(tǒng)硬件電路設計硬件電路是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，本設計是在硬件電路的基礎(chǔ)上，通過軟件來完善系統(tǒng)的功能。一般在軟件可以完成硬件功能的情況下，盡量用軟件來實現(xiàn)，從而使系統(tǒng)硬件電路盡可能簡單，如下便對系統(tǒng)的硬件電路進行詳細介紹。2.1 系統(tǒng)控制模塊的設計本設計用單片機作為系統(tǒng)的控制核心，根據(jù)系統(tǒng)設

17、計的要求與要實現(xiàn)的功能，可選用的單片機有多種，本次畢業(yè)設計選用8051單片機作為系統(tǒng)的控制核心。 單片機的最小系統(tǒng)設計8051單片機如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、并行I/O口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。8051單片機引腳圖如圖2-1所示。圖2-1 8051單片機引腳單片機的復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。最簡單的上電自動復位電路中上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來

18、實現(xiàn)的。只要Vcc的上升時間不超過1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復位。時鐘頻率用6MHZ時C取22uF，R2取1K,R1取100K。除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。本設計就是用的按鍵手動復位。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Vcc接通而實現(xiàn)的。單片機的時鐘電路由兩個電容和一個晶振組成，單片機的最小系統(tǒng)見圖2-2所示。圖2-2 單片機最小系統(tǒng) 單片機的I/O口擴展的設計8155作擴展I/O口使用時，IO/引腳必須置高電平。這時，PA、PB、PC的口地址的低8位分別為01H、02H、03H（設地址無關(guān)位為0時）。8155的I/O工作方式選擇，是通過對

19、8155內(nèi)部命令寄存器（命令口）設定命令控制字來實現(xiàn)的。命令寄存器的低8位地址為00H。8155的A口和B口都可以工作在輸入方式或輸出方式，但A口和B口是工作在基本方式還是選通方式卻不是有A口和B口的方式?jīng)Q定的，而是由C口的方式?jīng)Q定。8155的C口可以設置成四種工作方式，即可以設置為輸入方式，輸出方式，A口的控制端口（只用C口三條線，還有三條線為輸出方式），以及作為A口和B口的控制端口。表1給出了在不同工作方式下C口各位的功能。I/O口的工作方式選擇基本I/O工作方式：當8155被編程為ALT1，ALT2時，A，B，C口均為基本輸入/輸出方式，而用命令寄存器的D0和D1位選定A口和B口為輸出還

20、是輸入工作方式；由D2和D3選定C口為輸出還是輸入工作方式。選通I/O工作方式：當8155被編程為ALT3時，A口定義為選通I/O，B口定義為基本I/O。編程為ALT4時，A口和B均定義為選通I/O工作方式。當C口工作于ALT3或者ALT4方式時，可以為A口及B口提供對外的聯(lián)絡信號。但是，8155的聯(lián)絡信號不像8255A那樣輸入、輸出兩組，而是只有A、B各一組。因此，在輸入和輸出操作時，聯(lián)絡信號的意義和作用有所不同。在輸入操作時，是外設送來的選通信號。當有效后（低電平），把輸入數(shù)據(jù)裝入8155，然后BF信號變高，以反映8155的緩沖器以裝滿；在信號恢復為高電平時，INTR信號變高，向CPU申請

21、中斷；當CPU開始讀取輸入數(shù)據(jù)（信號下降沿）時，INTR信號恢復低電平；讀取數(shù)據(jù)完畢后（信號上升沿），使BF信號恢復低電平，一次數(shù)據(jù)輸入結(jié)束。在輸出操作時，是外設的應答信號。當外設接收并處理完數(shù)據(jù)后，發(fā)出負脈沖；在變高之后使INTR有效，開始申請中斷，即要求CPU發(fā)送下一個數(shù)據(jù)；CPU在中斷服務中把數(shù)據(jù)寫到8155，并使BF變高，以通知外設可以開始接收和處理數(shù)據(jù)；外設處理完數(shù)據(jù)后，再以信號來應答。A口和B口是否工作在中斷方式下，除了由C口的方式?jīng)Q定是否提供聯(lián)絡信號之外，還要在初始化時規(guī)定是否允許A口或B口中斷。INTR為中斷請求輸出線，作為單片機的外部中斷源，高電平有效。當8155的A口（或B

22、口）緩沖器接收到設備輸入的數(shù)據(jù)或設備從緩沖器中取走數(shù)據(jù)時，中斷請求線INTR變高（僅當命令寄存器相應中斷允許位為1時），向單片機請求中斷，單片機對8155的相應I/O口進行一次讀/寫操作后，INTR變?yōu)榈碗娖?。BF為緩沖器狀態(tài)標準輸出線。緩沖器有數(shù)據(jù)時，BF為高電平，否則為低電平。為設備選通信號輸入線，低電平有效。I/O的狀態(tài)查詢8155用狀態(tài)寄存器鎖存I/O口和定時器的當前狀態(tài)，供單片機查詢用。因為狀態(tài)寄存器和命令寄存器共用一個地址，因此認為8155的00H口是命令/狀態(tài)（C/S）寄存器。對其寫入時，作為命令寄存器，寫入的是命令；而對其讀出時，作為狀態(tài)寄存器，讀出的是當前I/O口和定時器的狀

23、態(tài)。本次畢業(yè)設計用兩片8155來擴展單片機8051的P0口，并用74X139作為8155的片選信號控制，74X139的高位輸入A1接地，低位輸入A0接單片機的P20口，輸出端Y0和Y1分別接8155，這樣無論P20口輸出高電平還是低電平，都會選擇一片8155與單片機進行通訊。只要讓單片機的P20口輸出0.5HZ的脈沖，就能實現(xiàn)兩片8155分別占用P20口2秒的功能。單片機的I/O口擴展電路圖如2-3所示。圖2-3 單片機的I/O口擴展 液位控制模塊的設計液位控制液位控制輸入模塊和控制水泵模塊，液位控制輸入模塊的作用是設定液位的最高值和最低值，控制水泵模塊的作用是控制水泵開關(guān)是否導通，從而達到控

24、制液位的目的。（1）液位控制系統(tǒng)框圖使用單片機實現(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。采用由超聲波電路所組成的液位傳感器測量水位，可有效保證水位的自動控制，保證水質(zhì)無污染，能更好地對鍋爐進行自動化控制，而且控制方便且系統(tǒng)穩(wěn)定性能好；單片機不僅有體積小，安裝方便，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)給水系統(tǒng)的自動控制與調(diào)節(jié)，將保證鍋爐正常供水供暖，維持穩(wěn)定系統(tǒng)，保證安全經(jīng)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)，如圖2-4具有較高的實用價值和優(yōu)越性。圖2-4液位控制系統(tǒng)框圖（2）超聲波測距原理如圖2-5示意

25、了超聲波測距的原理，即超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出的一個超聲波信號，當超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接受。這樣只要計算出發(fā)生信號到接受返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。 距離計算公式：d=s/2=(c*t)/2 *d為被測物與測距器的距離，s為聲波的來回路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時間與聲速c與溫度有關(guān)，如溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返時間，即可求得距離。在系統(tǒng)加入溫度傳感器來監(jiān)測環(huán)境溫度，可進行溫度被償。這里可以用DS18B20測量環(huán)境溫度，根據(jù)不同

26、的環(huán)境溫度確定聲速提高測距的穩(wěn)定性。為了增強系統(tǒng)的可靠性，應在軟硬件上采用抗干擾措施。圖2-5 超聲波測距的原理聲波在介質(zhì)中傳播的速度稱為聲速，單位為米/秒。聲速的大小，與聲波藉以傳播的介質(zhì)有關(guān)。不同的介質(zhì)聲速不同。固體介質(zhì)、液體介質(zhì)和氣體介質(zhì)三者之中，固體介質(zhì)中的聲速最大，液體次之，氣體最小。即使在空氣介質(zhì)中，聲速還與空氣的壓強和溫度有關(guān)。在理論上，有 （2-1）式中；C為聲波在空氣中的傳播速度；為空氣的比熱比，且；為大氣靜壓強，且（）；為空氣密度，且（）；因此，可算得。上式表示的是溫度為，空氣中的聲速。如果溫度改變了，則聲速的值也就不同。對于空氣，可按下式算得不同溫度下的聲速： （2-2）

27、由上式即可算得常溫（20）下空氣中的聲速為在本次畢業(yè)設計中，由于熱水鍋爐的壓強對聲速不是很大，對系統(tǒng)的結(jié)果影響不大，因此不考慮，只考慮溫度的影響。如圖2-1為超聲波聲速表;表2-1 不同溫度下的超聲波聲速表（3）控制水泵電路的設計如圖2-6所示，使繼電器觸頂導通，必須三級管的基極為高電平，所以P2.6口輸出高電平，水泵就打開；當P2.6口輸出為低電平，三級管截止，繼電器觸點斷開，水泵關(guān)閉。如果當顯示到達設定的最大值，水泵要關(guān)閉，當顯示到達設定的最小值，水泵要打開了。采用一個繼電器和一個三級管來實現(xiàn)，這里的續(xù)流二級管要特別注意，它是來保護繼電器，消除浪涌電流。如圖2-6所示。圖2-6 驅(qū)動水泵電

28、路2.2 系統(tǒng)檢測模塊的設計本次畢業(yè)設計的檢測模塊包括水溫檢測模塊、氣溫檢測模塊和液位檢測模塊，其中水溫檢測模塊采用集成溫度傳感器AD590，水溫檢測模塊采用DS18B20，液位檢測模塊采用超聲波電路實現(xiàn)液位檢測功能。 水溫檢測模塊的設計在熱水鍋爐中，只需把水加熱到100，然后保溫，因此必須要采用測量量程大于100的溫度傳感器，該系統(tǒng)是溫度檢測系統(tǒng)，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進行A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機進行數(shù)據(jù)的處理，同時可以將被測溫度顯示出來。（1）水溫檢測系統(tǒng)框圖通過對系統(tǒng)大致程序量的估計和系統(tǒng)工作速度的估計以及I/O口需求量的估

29、計，考慮價格因素、元器件市場因素，選定8051單片機作為系統(tǒng)的主要控制芯片。各種模擬信號均需通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，考慮到被測量的有效位數(shù)及其富裕量，選ADC0804芯片作A/D轉(zhuǎn)換器。由于鍋爐的內(nèi)的溫度可能超過100，選用AD590芯片作為溫度傳感器。采用LED數(shù)碼管動態(tài)顯示測得的數(shù)值，采用一片8路三態(tài)反相緩沖器74LS240作為字形碼鎖存驅(qū)動器，報警電路采用555定時器組成的振蕩電路。由溫度傳感器AD590采集溫度信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機，并由單片機控制LED顯示出來，該系統(tǒng)同時有報警功能，當溫度符合報警條件時，單片機的P2.7口輸出高電平，控制555定時器組成的報警

30、電路報警。如圖2-7為水溫監(jiān)測系統(tǒng)框圖;圖2-7水溫檢測系統(tǒng)框（2）水溫檢測電路的設計采用集成溫度傳感器AD590測量水溫，AD590是利用PN結(jié)構(gòu)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器（熱敏器件）。AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下：1、流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度（開爾文）度數(shù)，即：mA/K式中：流過器件（AD590）的電流，單位為mA；T熱力學溫度，單位為K。2、AD590的測溫范圍為-55+150。3、AD590的電源電壓范圍為4V30V。電源電壓可在4V-6V范圍變化，電流 變化1mA，相當于溫度變化1K。AD

31、590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。4、輸出電阻為710MW。5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55+150范圍內(nèi)，非線性誤差為±。AD590的外形與小功率晶體管相仿，共有3個管腳：1腳為正極，2腳為負極，3腳接管殼。使用時將3腳接地，可起到屏蔽作用。AD590的測溫范圍是-55+150，最大線性誤差為±，響應時間僅20µs，重復性誤差低至±，功耗約2mW。其輸出電流是以絕對溫度零度(-273)為基準，每增加1，它會增加1A輸出電流，因此在室溫25時，其輸出電流Io=(273+25

32、)=298A。Vo的值為Io乘上10K，以室溫25而言，輸出值為2.98V(10K×298A)。測量Vo時，不可分出任何電流，否則量測值會不準。AD590等效于一個高阻抗的恒流源。在工作電壓+4+30V，測量范圍-55+155范圍之內(nèi)，對應于熱力學溫度T每變化1K，就輸出1µA的電流。這就表明，其輸出電流I（µA）與熱力學溫度T(K)嚴格成正比。電流靈敏度表達式為：I/T=3K8/eR。式中的K、e分別為波爾茲曼常數(shù)和電子電量，R是內(nèi)部集成化電阻。將K/e=0.0862mV/K，R=538µA/K因此，輸出電流的微安數(shù)就代表著被測溫度的熱力學溫標數(shù)。AD

33、590溫度與電流的關(guān)系如表2-2所示。表2-2 AD590溫度與電流的關(guān)系A(chǔ)D590測溫電路輸出的電壓信號為模擬信號，要進行數(shù)碼顯示，還需將此信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。為此我們通過A/D轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，經(jīng)8051單片機處理后輸出到P1以控制溫度顯示電路。ADC0804是用CMOS集成工藝制成的逐次比較型摸數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，分辨率8位，轉(zhuǎn)換時間100s，輸入電壓范圍為05V，增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為5V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當與計算機連接時，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接在CPU數(shù)據(jù)總線上，無須附加邏輯接口電路。ADC0804與ADC0809有相同的功能，引腳與ADC0809

34、不同，ADC0804有20個引腳，模擬信號從Vin(+)輸入，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號從DB0到DB7口輸出，ADC0804的引腳如圖2-8所示。圖2-8 ADC0804的引腳水溫檢測電路由溫度傳感器AD590，模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0804構(gòu)成檢測輸入模塊，溫度傳感器AD590采集到得溫度信號是模擬信號，因此要通過A/D轉(zhuǎn)換后方可與8155連接，如圖所示，AD590輸出的電流信號將直接與ADC0804的Vin(+)相連，Vin(-)端接地，DBO到DB7端分別與8155的A口PA0到PA7連接，鍋爐內(nèi)水溫的變化將引起AD590的電阻值發(fā)生變化，從而使輸出電流發(fā)生改變，ADC0804將電流值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸送

35、到8155，并通過8155發(fā)送到單片機，單片機根據(jù)不同的電流所對應的溫度值便可以得出鍋爐內(nèi)的水溫，其中不同的電流所對應的溫度值可以在所給出的表中查的，其中電路的連接如圖2-9所示，AD590與+5V電源連接，并通過電阻接地，ADC0804的Vcc端直接接高電平，對ADC0804進行單獨供電可以保證其正常工作。圖2-9水溫檢測電路 氣溫檢測模塊的設計氣溫檢測選用溫度傳感器DS18B20，DS18B20的內(nèi)部測溫電路框圖如圖2-10所示，低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，為計數(shù)器提供一頻率穩(wěn)定的計數(shù)脈沖。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變

36、，很敏感的振蕩器，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，為計數(shù)器2提供一個頻率隨溫度變化的計數(shù)脈沖。圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55所對應的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在-55所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器1的預將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減

37、法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值。-5.5V（在寄生電源接線方式時接地）。圖2-10 DS18B20內(nèi)部測溫電路框圖DS18B20中的溫度傳感器用于完成對溫度的測量，它的測量精度可以配置成9位，10位，11位或12位4種狀態(tài)。溫度傳感器在測量完成后將測量的結(jié)果存儲在DS18B20的兩個8BIT的RAM中，單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后數(shù)據(jù)的存儲格式如表2-3（以12位轉(zhuǎn)化為例）。

38、表2-3溫度信號寄存器格式這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在DS18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。例如：+12525的數(shù)字輸出為0191H，-25.0625的數(shù)字輸出為FF6FH，-55的數(shù)字輸出為FC90H。DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與TH，TL作比較，若T>TH或T<TL，則將該器件內(nèi)的告警標志置位，并對主機發(fā)出的告警搜索命令作出響應。因此，可用多只DS18

39、B20同時測量溫度并進行告警搜索。DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10us。采用寄生電源供電方式時VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。在12位有效、標準溫度下傳感器的數(shù)據(jù)輸出見表2-4。表2-4一部分溫度對應值表本系統(tǒng)所采用的是電源直接供電

40、，其接法如圖2-11所示。DS18B20的DQ端直接與單片機的P2.3口相連，VDD端接+5V電源，DQ端與+5V電源之間通過電阻相連，GND接地。DS18B20可以直接將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，因此不需要連接A/D轉(zhuǎn)換器，DS18B20與單片機之間直接進行單線傳輸，因此與單片機連接相當簡單，采用電源直接供電則DQ端與單片機直接進行數(shù)據(jù)傳輸，不需要通過單片機來給DS18B20供電，保證了DS18B20工作的可靠性。圖2-11 DS18B20與單片機的接口 液位檢測模塊的設計液位檢測采用超聲波傳感器，超聲波頻率為40kHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳；同時，為了方便處理，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成4

41、0kHz左右、具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號。測距系統(tǒng)由超聲波發(fā)送、接收、時間計測三個部分組成。超過波從發(fā)射到接收的間隔時間的測定是由單片機內(nèi)部的計數(shù)器T1來完成的。（1）超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路由主要由振蕩電路和邏輯門電路構(gòu)成，如圖2-12所示，電源電壓采用15V，超聲波傳感器的驅(qū)動電壓峰值可到15V，因此這種電路可得到較大輸出功率。振蕩頻率f0=1/(R1RP1C)，調(diào)整RP1使振蕩頻率f0=40KHZ。從而使超聲波的發(fā)射頻率為40KHZ。（2）超聲波接收電路如圖2-12所示，采用運算放大器的超聲波接收電路，電路由兩級放大電路、整流電路、濾波電路和比較電路組成。放大電路具有頻率選擇性，僅

42、放大40KHZ頻率的信號，峰值頻率為40.8KHZ，增益為10倍。通過整流和濾波后，只讓40 KHZ頻率的信號通過。整流電路采用1個運算放大器構(gòu)成半波整流電路，也可以采用二極管整流電路。對于比較器，是根據(jù)接收信號電平調(diào)整其門限電平，這里采用運算放大器，也可以采用其他器件組成。圖2-12 超聲波發(fā)射和接收電路2.3 系統(tǒng)鍵盤顯示模塊的設計液位和溫度公用一個顯示電路，由4個LED構(gòu)成的動態(tài)顯示，為了區(qū)分顯示的是液位還是溫度，增加了一個溫度顯示同步指示電路，當顯示溫度時發(fā)光二極管點亮，顯示液位時，發(fā)光二極管不亮。鍵盤輸入由4行4列的鍵盤構(gòu)成。 系統(tǒng)鍵盤輸入電路的設計液位控制輸入模塊由鍵盤來設定液位的

43、最高值和最低值，鍵盤的結(jié)構(gòu)有行列式、獨立式兩種。見圖2-13鍵盤電路采用的是行列式。按鍵數(shù)較多時，為了少占用I/O口線，通常采用矩陣式又稱行列式鍵盤接口。CPU對鍵盤的掃描可采取程序控制的隨機方式，即CPU空閑時掃描鍵盤；也可以采用定時控制方式，即每隔一定時間CPU對鍵盤掃描一次；也可以采用中斷方式，即每當鍵盤上有鍵閉合時，向CPU請求中斷，CPU響應鍵盤輸入的中斷，對鍵盤進行掃描，以識別哪個鍵處于閉合狀態(tài)，并對鍵盤輸入的信息做出相應處理。CPU對鍵盤上閉合鍵的鍵號確定，可以根據(jù)行線和列線的狀態(tài)計算求得，也可以根據(jù)行線和列線的狀態(tài)查表求得。本次畢業(yè)設計采用4行4列式的鍵盤，當系統(tǒng)初始化后，便等

44、待鍵盤輸入，當按下退出鍵時表示輸入完畢。當系統(tǒng)正在運行時，也可以根據(jù)需要，隨時輸入液位值，只要按下鍵盤啟動鍵，便向CPU請求中斷，CPU響應鍵盤輸入的中斷，對鍵盤進行掃描，當輸入完畢后，按下退出鍵時，CPU響應中斷完畢，釋放中斷，系統(tǒng)正常運行。液位控制輸入圖如2-13所示。圖2-13 鍵盤輸入電路 系統(tǒng)顯示電路的設計動態(tài)顯示電路由顯示塊、字形碼鎖存驅(qū)動器、字位鎖存驅(qū)動器三部分組成。如圖所示為4位LED動態(tài)顯示器接口電路。采用8155作為單片機應用系統(tǒng)擴展的I/O口，占用片外數(shù)據(jù)存儲器空間。圖中，由4個LED顯示器組成了4位顯示塊；8155的A口和一片8路三態(tài)反相緩沖器74LS240共同作為字形

45、碼鎖存驅(qū)動器，8155的A口作字符段碼輸出口，通過74LS240向LED顯示塊提供段選信號；8155的C口和一片6路集電極開路反相門電路7406共同作為字位鎖存驅(qū)動器，C口作LED的位選輸出口，通過7406向LED顯示塊提供字位選擇驅(qū)動信號。4個數(shù)碼管的8段段選線分別與74LS240的輸出對應相連，而4個LED共陰極端與7406的輸出端Y0到Y(jié)3對應相連。當要顯示信息時，由A口輸出字形段碼的低電平，經(jīng)74LS240反相為高電平有效，C口4路字位信號中每次僅選通一路輸出高電平（其余字位為0），反相后為低電平有效選中相應的LED，則要顯示的字符在該LED上顯示出來。在這種顯示電路中，一個字位一個字

46、位地輪流點亮各個LED，每一位停留1ms左右，由于人的視覺暫留，好像4只LED是同時點亮的，并不覺察有閃爍現(xiàn)象。這種動態(tài)LED顯示接口由于所有數(shù)碼管共用一個段碼輸出口，分時輪流通電，從而大大簡化了硬件線路，降低了成本。不過在這種方式的數(shù)碼管接口電路中，數(shù)碼管不宜太多，一般在8個以內(nèi)，否則每個數(shù)碼管所分配到的實際導通時間會太少，亮度不足。若LED位數(shù)較多時應采用增加驅(qū)動能力，以提高顯示亮度的措施。LED的連接如圖2-14所示。圖2-14 系統(tǒng)顯示電路 溫度顯示同步指示電路的設計由于溫度顯示和液位顯示共用一個顯示器，采用分時顯示的方式，因此，如何確定某一時刻顯示器顯示的是溫度值還是液位值尤為關(guān)鍵，

47、為了準確的判斷顯示器顯示的是溫度還是液位，同時又要求硬件電路簡單，本設計采用發(fā)光二極管來直觀地判斷，將發(fā)光二極管與三極管相連，三極管的基極通過電阻與單片機的P2.1口相連，二極管的另一極與+5V高電平相連，當單片機控制顯示器顯示溫度值時，同時在P2.1口輸出高電平，此時點亮LED，當單片機控制顯示器顯示液位時，P2.1口輸出低電平，LED不亮。這樣就可以通過軟件控制P2.1口輸出高低電平，安裝時將發(fā)光二極管與顯示器安裝在比較接近的地方，這樣便可以準確地判斷顯示器顯示的是溫度還是液位。電路連接圖如2-15所示。圖2-15 溫度顯示同步指示電路2.4 系統(tǒng)報警電路的設計報警電路由555定時器構(gòu)成多

48、諧振蕩電路，通過控制它的起振使喇叭發(fā)出聲響，并使發(fā)光二極管發(fā)光，使用時與單片機的P2.7口相連。圖2-16 555定時器的電路結(jié)構(gòu)555時基集成芯片的電路結(jié)構(gòu)和芯片引腳圖如圖2-16所示。他含有兩個電壓比較器C1、C2，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關(guān)管Td，比較器的參考電壓由三只5K的電阻構(gòu)成的分壓器提供。分壓器分別使高電平比較器C1的同相輸入端和低電平比較器C2的反相輸入端的參考電平為2Vcc/3和Vcc/3。C1、C2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當輸入信號從6腳輸入并超過參考電平2Vcc/3時，觸發(fā)器復位，555的輸出3腳為低電平，同時放電開關(guān)管導通。當輸入信號從2腳輸入

49、并低于Vcc/3時，基本RS觸發(fā)器置位，555的輸出Vo為高電平，同時放電開關(guān)管截止。4腳是復位腳，當為低電平時，555輸出低電平。平時4腳開路或接Vcc。5腳是外加控制電壓輸入端，當5腳外接一個輸入電壓時，則改變比較器的參考電壓，不接外加電壓時，5腳通常接一個0.01uF的電容到地，用來消除外來的干擾，以確保參考電平穩(wěn)定。Td是放電管，當Td導通時，為放電端7腳提供低阻抗放電通路。555定時器主要通過電阻R和電容C構(gòu)成充放電電路，并由兩個比較器來檢測電容上的電壓，以確定輸出電平的高低和放電開關(guān)管的通斷。利用它可以構(gòu)成從微秒到數(shù)十分鐘的延時電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)

50、生或波形變換電路。用555定時器組成的多諧振蕩器如圖所示，P2.7口輸出高電平后，電容C被充電，當Vc上升到2Vcc/3時，使Vo為低電平，同時放電三極管T導通，此時電容C通過R2和T放電，Vc下降。當下降到Vcc/3時，Vo翻轉(zhuǎn)為高電平。這樣就可以在Q端輸出一個周期性的矩形波，并使揚聲器發(fā)聲。如圖2-7為系統(tǒng)報警電路圖圖2-17系統(tǒng)報警電路本章主要講述了硬件電路系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，本設計是在硬件電路的基礎(chǔ)上，通過軟件來完善系統(tǒng)的功能。一般在軟件可以完成硬件功能的情況下，盡量用軟件來實現(xiàn)，從而使系統(tǒng)硬件電路盡可能簡單。本設計用單片機作為系統(tǒng)的控制核心，根據(jù)系統(tǒng)設計的要求與要實現(xiàn)的功能，可選用的單片

51、機有多種，本次畢業(yè)設計選用8051單片機作為系統(tǒng)的控制核心。3 系統(tǒng)的軟件設計在進行微機控制系統(tǒng)設計時，除了系統(tǒng)硬件設計外，大量的工作就是如何根據(jù)每個生產(chǎn)對象的實際需要設計應用程序。因此，軟件設計在微機控制系統(tǒng)設計中占重要地位。對于本系統(tǒng)，軟件更為重要。在單片機控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標度變換等。過程控制程序主要是使單片機按一定的方法進行計算，然后再輸出，以便控制生產(chǎn)。計算溫度子程序?qū)AM中讀取值進行BCD碼的轉(zhuǎn)換運算，并進行溫度值正負的判定，其程序流程圖如下圖所示。圖 3-1計算機溫度流程圖圖3-2溫度檢測主程序流程圖圖3

52、-3 外部中斷流程圖圖3-4定時中斷流程圖圖3-5 鍵盤輸入中斷流程圖圖3-6 鍵輸入子程序流程圖結(jié)束語本設計介紹了鍋爐溫度檢測與液位控制的一種設計方案，設計用51單片機來實現(xiàn)。使用單片機控制系統(tǒng)，可提高效率，保證鍋爐安全經(jīng)濟地運行。另外，還可降低工人的勞動強度，大大提高勞動效率。在本次畢業(yè)設計中遇到一些問題，比如元器件的誤差，受環(huán)境的影響，溫度的影響，人為操作不良導致的誤差，軟件導致的誤差等，本次畢業(yè)設計除了受誤差的影響外，仍然有不足之處，那就是系統(tǒng)沒有故障自動檢測功能，在某種特殊的情況下，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，工作人員并不知道，仍然認為系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，因此系統(tǒng)有待進一步完善。本次畢業(yè)設計的系

53、統(tǒng)設計方案，不僅適用于單個鍋爐，也適用于多個鍋爐系統(tǒng)，只要把系統(tǒng)進一步擴展，然后把每個系統(tǒng)都與計算機連接起來，就可以構(gòu)成一個龐大鍋爐控制系統(tǒng)，只要把每個系統(tǒng)的單片機都與上位機連接起來，計算機便可以與每個系統(tǒng)進行通信，這樣計算機可以控制任何一個系統(tǒng)。將控制范圍擴展到鍋爐群，將會大大節(jié)省人力、物力、財力，既經(jīng)濟實惠又快捷準確，其應用前景十分廣闊。畢業(yè)設計完成了，我也意識到了自己的不足之處，通過這次作畢業(yè)設計，我發(fā)現(xiàn)我有很多基本知識不會，同時我從中學到許多東西，特別是單片機方面的知識，雖然以前學過，但不會用，通過這次畢業(yè)設計，我對以前學過的知識有了一個比較全面的匯總。謝 辭在本次畢業(yè)設計中，我學到了

54、很多東西，在作畢業(yè)設計的過程中，我遇到了很多問題，通過查資料和詢問同學和老師，把問題都解決了。特別是張老師給我進行了耐心地輔導，張老師認真負責的工作態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神和深厚的理論水平令我受益匪淺。他無論在理論上還是在實踐中，都給予我很大的幫助，使我得到了不少的提高。這些對我以后的工作和學習都有很大的幫助，感謝他細心而又耐心的輔導。另外，在做畢業(yè)設計的過程中周圍的同學也給予我很大的幫助，幫我解決了不少的難點，從而讓我如期完成了這次設計，這里一起表示感謝。這次做論文的經(jīng)歷也讓我獲益非淺，我覺得做論文是要用心去做的一件事，是自己學習的過程和研究的過程，沒有學習就不可能有研究的能力，沒有自己的研究，就不會有所突破，因此自己也不會有什么提高。我想這次的經(jīng)歷會激勵我在以后的學習中繼續(xù)進步?；仡櫞髮W三年感慨萬分,自己能順利畢業(yè)和老師的辛勤教育,同學們的熱心幫助分不開的。為此我要向西安航空職業(yè)技術(shù)學院的所有的老師和同學說聲：謝謝了。參考文獻1張毅剛，MC