单片机技术应用于锅炉液位控制系统设计文档格式.docx

单片机技术应用于锅炉液位控制系统设计文档格式.docx

《单片机技术应用于锅炉液位控制系统设计文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机技术应用于锅炉液位控制系统设计文档格式.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

现在我们对这些引脚的功能加以说明：

图2单片机引脚及时钟复位电路

Pin40:

正电源脚，正常工作或对片内EPROM抄写程序时，接+5V电源。

Pin19:

时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。

Pin18:

时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。

8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体（2-12MHz）和振荡电容,振荡电容的值一般取10p-30p。

另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。

本设计采用外部时钟电路，外接晶振和电容组成振荡器。

输入输出（I/O）引脚：

Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚，Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚,Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚。

在对单片机设计中，P0口作为程序存储器扩展口，且是扩展并行输入/输出接口的接口，另外也作为模数转换的数据传输口,P2口为程序存储器扩展口的高八位地址总线口，P1口为输入/输出口。

Pin9:

RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高平，系统即初始复位。

初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。

RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。

然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态。

RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电期间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失,此设计采用自动复位电路。

Pin30:

ALE/

当访问外部程序器时，ALE（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。

而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。

更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。

如果单片机是EPROM，在编程其间,prog将用于输入编程脉冲。

Pin29:

当访问外部程序存储器时,此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。

2.2接口电路和I/O通道的扩充

本设计中I/O扩展使用8255A芯片，可以扩展3个8位I/O口，即PA,PB,PC。

8255共有40个引脚，其中D0-D7是三态数据线，与单片机数据总线连接，用来传送数据信息；

A1-A0为内部地址线，用来选择8255内部端口。

8255有三种基本工作方式，方式0为基本输入输出，方式1为选通输入输出，方式2为双向传送，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1，三种工作方式可以通过改变8255的工作方式控制字来实现。

图38051单片机I/O扩展

2.3A/D转换器的设计

ADC0809是带有8为A/D转换器、8路多路开关以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其转换方法是逐次逼近型。

采用双列直插式封装，共有28条引脚。

其内部有一个8位“三态输出锁存器”可以锁存A/D转换后的数字量，故它本身既可看作一种输入设备，也可以认为是并行I/O接口芯片。

2.3.1ADC0809技术指标

（1）单一电源,+5V供电,模拟量输入范围为0-5V

（2）分辨率为8位

（3）最大不可调误差:

ADC0808<

±

1/2LSB,ADC0809<

1LSB

（4）功耗为15mW

（5）转换速度取决于芯片的时钟频率。

图4ADC0809与CPU的接线图

2.4D/A转换器的设计

模拟量输出通道的任务是把计算机输出的数字量信号转换成模拟电压或电流信号，以便去驱动相应的执行机构，达到控制目的。

这个任务主要是有D/A转换器来完成的。

D/A转换器就是一种把数字信号转换成模拟电信号的器件，是模拟量输出通道必不可少的器件。

D/A转换器与计算机的连接方式有3种，直接连接，采用可编程并行接口和采用锁存器连接。

在本设计中，采用的是直接连接。

由于系统中只有一路D/A转换，可采用单缓冲方式接口电路，用P2.6做片选信号。

图58051与DAC0832接口电路

三液位传感器的设计

我设计的液位传感器主要是由高亮二极管和光敏三极管所组成的设备。

水位检测是通过四对高亮二极管和光敏三极管分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，实时对锅炉里的水位进行检测。

当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平；

当水位低于此光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出低电平。

由上至下的第一个位置为水位上限报警线，即当水位高于此位置时，开水房控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀有可能出故障；

第二个位置是自动停止加水线，即当水位高于此位置时，控制系统会自动关闭加水电磁阀，停止加水；

第三个位置是自动加水线，即当水位低于此位置时，控制系统会自动接通加水电磁阀，开水加水；

第四个位置是水位下限报警线，即当水位低于此位置时，开水房控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀可能出故障。

我设计的液位传感器的主要组成光敏三级管就是属于模拟式光电传感器。

通过吸收高亮二极管的光来测量液位的高度,在转化成光电流传到模拟传感器ADC0809中。

光电传感器中的工作原理都基于不同形式的光电效应,

我们知道，PN结加反向电压时，反向电流的大小取决于P区和N区中少数载流子的浓度，无光照时P区中少数载流子（电子）和N区中的少数载流子（空穴）都很少，因此反向电流很小。

但是当光照PN结时，只要光子能量h大于材料的禁带宽度，就会在PN结及其附近产生光生电子.空穴对，从而使P区和N区少数载流子浓度大大增加，它们在外加反向电压和PN结内电场作用下定向运动，分别在两个方向上渡越PN结，使反向电流明显增大。

如果入射光的照度变化，光生电子.空穴对的浓度将相应变动，通过外电路的光电流强度也会随之变动，光敏二极管就把光信号转换成了电信号。

而光敏三极管有两个PN结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度。

其结构如图6所示。

图6光敏三极管的结构示意图图7基本电路

当光敏三极管按图7所示的电路连接时，它的集电结反向偏置，发射结正向偏置。

无光照时仅有很小的穿透电流流过，当光线通过透明窗口照射集电结时，和光敏二极管的情况相似，将使流过集电结的反向电流增大，这就造成基区中正电荷的空穴的积累，发射区中的多数载流子（电子）将大量注人基区，由于基区很薄，只有一小部分从发射区注入的电子与基区的空穴复合，而大部分电子将穿过基区流向与电源正极相接的集电极，形成集电极电流IC。

这个过程与普通三极管的电流放大作用相似，它使集电极电流IC是原始光电流的（l+β）倍。

这样集电极电流IC将随入射光照度的改变而更加明显地变化。

光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成,如下图8光电传感器框图:

图8光电传感器框图

光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，如图3-3所示。

图中，Ф1是光源发出的光信号，Ф2是光电器件接受的光信号，被测量可以是x1或者x2，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号I。

光电传感器的敏感范围远远超过了电感、电容、磁力、超声波传感器的敏感范围。

此外，光电传感器的体积很小，而敏感范围很宽，加上机壳有很多样式，几乎可以到处使用。

最后，随着技术的不断发展，光电传感器在价钱方面可以同用其他技术制造的传感器竞争。

四、键盘/显示接口设计

4.1键盘选择

本系统采用非编码行列式键盘，即用I/O口线组成行列式结构，按键设置在行列的交点上。

在按键数较多时，可节省I/O口线。

该键盘采用的工作方式为编程扫描工作方式，它是利用CPU在完成其他工作的空余，调用键盘扫描子程序，来响应键输入要求。

在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求。

编程扫描工作方式只有在CPU空闲时才调用键盘扫描子程序。

键盘采用的扫描法扫描方式，扫描法是在判定有键按下后逐行（或列）置低电平，同时读入行（或列）状态，如果行（或列）状态出现非全1状态，这时0状态的行、列交点的键就是所按下的键。

图9键盘接口电路

4.2LED显示器

LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件，常使用七段LED。

这种显示块有共阴极与共阳极两种接法。

N位LED显示器有N根位选线和8×

N根段选线。

根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。

段选线控制字符选择，位选线控制显示器的亮暗。

LED显示方式有静态显示方式（因其占用I/O资源较多，故在位数较多时不采用）和动态显示方式，如八位LED动态显示电路只需要两个8位I/O口。

其中一个控制段选码，另一个控制位选码。

由于所有位的段选码皆由一个I/O控制，因此，在每个瞬间，八位LED只可能显示相同的字符，必须采用扫描显示方式。

即在每一瞬间只使某一位显示相应字符。

在此瞬间，段选控制I/O口输出相应字符段选码，位选控制I/O口在该显示位送入选通电平以保证该位显示相应字符。

如此轮流，使每位显示该位应显示字符，并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果。

段选、位选码每送一次后延时1～5ms。

图10LED数码管显示接口电路

五、声光报警电路

如图11声光报警电路所示：

当流量高于上限流量、低于下限流量或者在误输入时，单片机P1.1口给warn一个低电平信号来导通三极管8550以驱动蜂鸣器和LED灯，进行系统声光报警。

当温度恢复到设置范围内后，声光报警自动撤销。

图11声光报警电路

六、电源

本设计中,各芯片以及外围电路均采用的是+5V直流电源供电，由下图12所示电路实现。

200V交流电源经过变压器降压到较低的9V交流电，再经过二极管桥式整流电路变换为脉动直流电压，经平缓电容滤波变为平滑直流，最后经集成稳压块7805获得稳定输出电压。

图12直流供电电源

七、数字控制

对于大多数工业对象，都具有较大的滞后，使控制系统的性能下降，稳定性降低，过渡过程特性变坏，容易引起超调和持续的振荡。

对于时候时间比较长的系统个，人们更为感兴趣的是要求系统没有超调量或是很少超调量，而调节时间则允许在较多的采样周期内结束，因此，稳定性，不产生超调是主要设计指标。

大林算法正是针对这种系统的一种算法，大林算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器，使整个闭环系统所期望的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，从而是系统不产生超调，同时保证系统的稳定性。

大林算法要求在选择闭环脉冲传递函数时，采用相当于连续一阶惯性环节的脉冲传递函数来代替最少拍多项式。

7.1建模

广义被控对象的传递函数为

。

采样周期T=0.5s。

由传递函数知，

连同零阶保持器在内的系统广义被控对象的函数：

由此可以求出广义对象的脉冲传递函数：

按照大林算法就是设计一个数字控制器，使整个闭环系统的脉冲传递函数相当于一个带有纯滞后的一节惯性环节，设T0=0.1s可得:

由上式，D（z）有3个极点

，z=1处的的极点不会引起振铃现象，所以引起振铃现象的极点为：

令z=1，代入上式即可消除振铃现象，此时

7.2控制系统结构图

图13控制系统结构图

7.3Simulink仿真

根据3.1大林算法的设计步骤，设计出的数字控制器D（z）,将设计的数字控制器运用到下图14。

图14大林算法控制系统simulink框图

设置采样周期为0.5s，延迟时间为0.1s，仿真得到下图，可以看到，8s以后，经过数字控制器D（z）的调整，系统已趋于稳定，并且没有超调。

图15仿真结果曲线

八、系统软件流程

图16系统软件流程图

九、参考文献

[1]范立南，李雪飞.计算机控制技术.北京：

机械工业出版社.2009

[2]陈夕松，汪木兰.过程控制系统.北京：

科学出版社,2005

[3]潘新民.微型计算机与传感器技术.北京：

人民邮电出版社,1996

[4]刘玉强，刘晓为等.高温扩散炉恒温区温度的自动控制.哈尔滨工业大学学报,1999

[5]黄胜军.微机控制应用实验与实例.第一版.北京：

清华大学出版社,1999

[6]曹天汗.单片机原理与接口技术.第一版.北京:

电子工业出版社,2003

[7]胡汉才.单片机原理及其接口技术.第二版.北京:

清华大学出版社,2003

[8]杨光友，朱宏辉.单片微型计算机原理及接口技术.第一版.北京:

中国水利水电出版社,2002

[9]陈伟人.MCS-51系列单片机实用子程序集锦.第一版.北京:

[10]张俊漠.单片机中级教程-单片机原理及应用.北京:

航空航天大学出版社,2001

[11]童诗白.模拟电子技术基础.北京：

高等教育出版社，1993

[12]阎石.数字电子技术基础.北京：

[13]胡寿松.自动控制原理.北京：

国防工业出版社，1990

[14]黄俊.半导体变流技术.北京：

冶金出版社，1986

[15]于长官.现代控制理论.北京：

国防出版社，1996

[16]黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真.北京：

国防工业出版社，2001

[17]陈夕松.过程控制系统.北京：

科学出版社，2009

[18]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：

机械工业出版社，1991