鍋爐液位控制系統(tǒng)設(shè)計

1、1 引言本設(shè)計是采用8051單片機為核心芯片,及其相關(guān)硬件來實現(xiàn)的鍋爐液位控制系統(tǒng),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,檢測液位等數(shù)據(jù),實施報警安全提示,當鍋爐液位低于用戶設(shè)定的值時,系統(tǒng)自動打開泵上水,當水位到達設(shè)定值時,系統(tǒng)自動關(guān)閉水泵。系統(tǒng)原理框圖如下：液位單片機D/A廣義被控對象伺服電機閥門水位檢測變送A/D給定值-圖1 系統(tǒng)原理框圖2 液位控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計2.1 8051單片機引腳功能及復位，時鐘電路計算機芯片MCS-51是一個電腦晶片,英特爾公司生產(chǎn)系列。它是在MCS-48系列的基礎(chǔ)上發(fā)展的高性能的8位單片機。所出的系列產(chǎn)品有8051、8031、8

2、751。其代表就是8051。其他系列的單片機都以它為核心,所以本設(shè)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(zhuǎn)換與分析在LED上顯示及輸出控制;根據(jù)當前的液位值和用戶設(shè)定的水位決定是否進行開關(guān)水泵,以及是否到達危險高、低水位,需要關(guān)閉閥門。 下圖2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。現(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：圖2單片機引腳及時鐘復位電路Pin40:正電源腳，

3、正常工作或?qū)ζ瑑?nèi)EPROM抄寫程序時，接+5V電源。 Pin19:時鐘XTAL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。Pin18:時鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。8051的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)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，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入。本設(shè)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

4、輸入輸出腳，Pin10-Pin17為P3.0-P3.7輸入輸出腳。在對單片機設(shè)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(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)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個時鐘周期以上的高平，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數(shù)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RA

5、M（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)。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(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失, 此設(shè)計采用自動復位電路。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(nèi)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(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P

6、0和P2口上，外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。2.2 接口電路和I/O通道的擴充 本設(shè)計中I/O擴展使用8255A芯片，可以擴展3個8位I/O口，即PA,PB,PC。8255共有40個引腳，其中D0-D7是三態(tài)數(shù)據(jù)線，與單片機數(shù)據(jù)總線連接，用來傳送數(shù)據(jù)信息；A1-A0為內(nèi)部地址線，用來選擇8255內(nèi)部端口。8255有三種基本工作方式，方式0為基本輸入輸出，方式1為選通輸入輸出，方式2為雙向傳送，其中A口可工作于方式0、1、2，而B口只能工作在方式0和1，三種工作方式可以通過改變8255的工作方式控制字來實現(xiàn)。 圖3 8051單片機I/O擴展 2.3 A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)

7、計ADC0809是帶有8為A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及與微型計算機兼容的控制邏輯的CMOS組件，其轉(zhuǎn)換方法是逐次逼近型。采用雙列直插式封裝，共有28條引腳。其內(nèi)部有一個8位“三態(tài)輸出鎖存器”可以鎖存A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，故它本身既可看作一種輸入設(shè)備，也可以認為是并行I/O接口芯片。2.3.1 ADC0809技術(shù)指標(1)單一電源,+5V供電,模擬量輸入范圍為0-5V(2)分辨率為8位(3)最大不可調(diào)誤差:ADC0808<±1/2LSB,ADC0809<±1LSB(4)功耗為15mW(5)轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時鐘頻率。圖4 ADC0809與CPU的接線圖2.4

8、D/A轉(zhuǎn)換器的設(shè)計 模擬量輸出通道的任務是把計算機輸出的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號，以便去驅(qū)動相應的執(zhí)行機構(gòu)，達到控制目的。這個任務主要是有D/A轉(zhuǎn)換器來完成的。D/A轉(zhuǎn)換器就是一種把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號的器件，是模擬量輸出通道必不可少的器件。D/A轉(zhuǎn)換器與計算機的連接方式有3種，直接連接，采用可編程并行接口和采用鎖存器連接。在本設(shè)計中，采用的是直接連接。由于系統(tǒng)中只有一路D/A轉(zhuǎn)換，可采用單緩沖方式接口電路，用P2.6做片選信號。 圖5 8051與DAC0832接口電路3 液位傳感器的設(shè)計我設(shè)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(shè)備。水位檢測是通過四對高亮二極管和

9、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(guān)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

10、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。我設(shè)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(zhuǎn)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(jié)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(shù)載流子的濃度，無光照時P區(qū)中少數(shù)載流子(電子)和N區(qū)中的少數(shù)載流子(空穴)都很少，因此反向電流很小。但是當光照PN結(jié)時，只要光子能量h大于材料的禁帶寬度，就會在PN結(jié)及其附近產(chǎn)生光生電子.空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子濃度大大增加，它們在

11、外加反向電壓和PN結(jié)內(nèi)電場作用下定向運動，分別在兩個方向上渡越PN結(jié)，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(zhuǎn)換成了電信號。而光敏三極管有兩個PN結(jié)，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(jié)構(gòu)如圖6所示。 圖6 光敏三極管的結(jié)構(gòu)示意圖 圖7 基本電路 當光敏三極管按圖7所示的電路連接時，它的集電結(jié)反向偏置，發(fā)射結(jié)正向偏置。無光照時僅有很小的穿透電流流過，當光線通過透明窗口照射集電結(jié)時，和光敏二極管的情況相似，將使流過集電結(jié)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

12、數(shù)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8光電傳感器框圖: 圖8 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

13、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(shù)的不斷發(fā)展，光電傳感器在價錢方面可以同用其他技術(shù)制造的傳感器競爭。4 鍵盤/顯示接口設(shè)計4.1 鍵盤選擇 本系統(tǒng)采用非編碼行列式鍵盤，即用I/O口線組成行列式結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點上。在按鍵數(shù)較多時，可節(jié)省I/O口線。該鍵盤采用的工作方式為編程掃描工作方式，它是利用CPU在完成其他工作的空余，調(diào)用鍵盤掃描子程序，來響應鍵輸入要求。在執(zhí)行鍵功能程序時，CPU不再響應鍵輸入要求。編程掃描工作方式只有在CPU

14、空閑時才調(diào)用鍵盤掃描子程序。鍵盤采用的掃描法掃描方式，掃描法是在判定有鍵按下后逐行（或列）置低電平，同時讀入行（或列）狀態(tài)，如果行（或列）狀態(tài)出現(xiàn)非全1狀態(tài)，這時0狀態(tài)的行、列交點的鍵就是所按下的鍵。 圖9鍵盤接口電路4.2 LED顯示器LED顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，常使用七段LED。這種顯示塊有共陰極與共陽極兩種接法。N位LED顯示器有N根位選線和8×N根段選線。根據(jù)顯示方式不同，位選線與段選線的連接方法不同。段選線控制字符選擇，位選線控制顯示器的亮暗。LED顯示方式有靜態(tài)顯示方式（因其占用 I/O資源較多，故在位數(shù)較多時不采用）和動態(tài)顯示方式，如八位LED動態(tài)顯示

15、電路只需要兩個8位I/O口。其中一個控制段選碼，另一個控制位選碼。由于所有位的段選碼皆由一個I/O控制，因此，在每個瞬間，八位LED只可能顯示相同的字符，必須采用掃描顯示方式。即在每一瞬間只使某一位顯示相應字符。在此瞬間，段選控制I/O口輸出相應字符段選碼，位選控制I/O口在該顯示位送入選通電平以保證該位顯示相應字符。如此輪流，使每位顯示該位應顯示字符，并保持延時一段時間，以造成視覺暫留效果。段選、位選碼每送一次后延時15ms。 圖10 LED數(shù)碼管顯示接口電路5 聲光報警電路如圖11聲光報警電路所示：當流量高于上限流量、低于下限流量或者在誤輸入時，單片機P1.1口給warn一個低電平信號來導

16、通三極管8550以驅(qū)動蜂鳴器和LED燈，進行系統(tǒng)聲光報警。當溫度恢復到設(shè)置范圍內(nèi)后，聲光報警自動撤銷。 圖11聲光報警電路6 電源本設(shè)計中,各芯片以及外圍電路均采用的是+5V直流電源供電，由下圖12所示電路實現(xiàn)。200V交流電源經(jīng)過變壓器降壓到較低的9V交流電，再經(jīng)過二極管橋式整流電路變換為脈動直流電壓，經(jīng)平緩電容濾波變?yōu)槠交绷鳎詈蠼?jīng)集成穩(wěn)壓塊7805獲得穩(wěn)定輸出電壓。圖12 直流供電電源7 數(shù)字控制對于大多數(shù)工業(yè)對象，都具有較大的滯后，使控制系統(tǒng)的性能下降，穩(wěn)定性降低，過渡過程特性變壞，容易引起超調(diào)和持續(xù)的振蕩。對于時候時間比較長的系統(tǒng)個，人們更為感興趣的是要求系統(tǒng)沒有超調(diào)量或是很少超調(diào)

17、量，而調(diào)節(jié)時間則允許在較多的采樣周期內(nèi)結(jié)束，因此，穩(wěn)定性，不產(chǎn)生超調(diào)是主要設(shè)計指標。大林算法正是針對這種系統(tǒng)的一種算法，大林算法的設(shè)計目標是設(shè)計一個合適的數(shù)字控制器，使整個閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)相當于一個帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，從而是系統(tǒng)不產(chǎn)生超調(diào)，同時保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。大林算法要求在選擇閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)時，采用相當于連續(xù)一階慣性環(huán)節(jié)的脈沖傳遞函數(shù)來代替最少拍多項式。7.1建模廣義被控對象的傳遞函數(shù)為。采樣周期T=0.5s。由傳遞函數(shù)知，。連同零階保持器在內(nèi)的系統(tǒng)廣義被控對象的函數(shù)：由此可以求出廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)：按照大林算法就是設(shè)計一個數(shù)字控制器，使整個閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)相當于一

18、個帶有純滯后的一節(jié)慣性環(huán)節(jié)，設(shè)T0=0.1s可得: 由上式，D（z）有3個極點，z=1處的的極點不會引起振鈴現(xiàn)象，所以引起振鈴現(xiàn)象的極點為：令z=1，代入上式即可消除振鈴現(xiàn)象，此時D(z)零階保持器被控對象c(t)c(s)G(z)_7.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖13 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7.3 Simulink仿真根據(jù)3.1大林算法的設(shè)計步驟，設(shè)計出的數(shù)字控制器D（z）,將設(shè)計的數(shù)字控制器運用到下圖14。圖14 大林算法控制系統(tǒng)simulink框圖設(shè)置采樣周期為0.5s，延遲時間為0.1s，仿真得到下圖，可以看到，8s以后，經(jīng)過數(shù)字控制器D(z)的調(diào)整，系統(tǒng)已趨于穩(wěn)定，并且沒有超調(diào)。圖15 仿真結(jié)果曲線開始計算誤差值大林算法控制液位數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換求出控制量送D/A轉(zhuǎn)換器液位值送LED顯示控制量輸出至執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)自檢讀取鍵盤輸入系統(tǒng)正常？系統(tǒng)自調(diào)整系統(tǒng)初始化8 系統(tǒng)軟件流程 NYNY圖16 系統(tǒng)軟件流程圖9 參考文獻1 范立南，李雪飛.計算