基于单片机的锅炉液位控制系统设计论文Word文件下载.docx
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因此这个课题有现实意义且市场前景良好。
锅炉微机控制,是近年来开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物,工业锅炉采用微机控制和原有的仪表控制方式相比具有以下明显优势:
(1)直观而集中的显示锅炉各运行参数。
能显示液位、压力、温度的状态。
(2)在运行中可以随时方便的修改各种运行参数的控制值,并修改系统的控制参数。
可以方便的改变液位、压力、温度等的上限、下限。
(3)提高锅炉的热效率。
采用计算机控制后热效率可比以前提高5一10%,据用户统计,一台20T的锅炉,全年平均负荷70%,以平均热效率提高%5计,全年节煤800吨。
(4)锅炉系统中包含鼓风机、引风机、给水泵等大功率电动机,由于锅炉本身特性和选型的因素,这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的,原有方式采用阀门和挡板控制流量,浪费非常严重。
通过对风机、水泵进行微机控制可以平均节电达到30%一4%0。
(5)作为锅炉控制装置,其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行,减轻操作人员的劳动强度。
在采用计算机控制的锅炉控制系统中,有十分周到的安全机制,可以设置多点声光报警和自动连锁停炉。
杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。
综合以上种种优点可以预见采用计算机控制锅炉系统是行业的大势所趋。
单片机是在一块芯片上集成了一台微型计算机所需的CPU、存储器、输入、输出等部件。
单片机自问世以来,性能不断提高和完善,体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。
工业控制系统的工作环境恶劣,干扰强。
故要求控制系统的工作稳定、抗干扰能力强。
单片机能满足这些要求,因此单片机在控制领域得到了广泛的应用。
使用单片控制锅炉是很好的选择。
1.2锅炉液位控制国内外发展概况
1.2.1国内发展概况
目前我国在单片机测控装置研究、生产、应用中,取得了很大的成绩,总结了很多经验。
但在这个行业,仍处于发展期。
经调查,北京、天津的高校、科研院所在这方面开展的工作更看重的是理论、算法,研究出来的成果是论文的较多,看重在生产实际应用的较少;
在上海,新型单片机测控装置与系统的研究、生产基础较雄厚,在生产中需要新型测控装置与系统,也就努力研究、开发。
因此,上海的工程技术和科研人员需要的是应用技术,更看重的是生产实际应用,对研究理论、算法、成果是论文的较少;
深圳在研制新型测控装置与系统领域也比较有成绩,尽管与其他国家开发者比尚有距离,但是,深圳的高校、科研院所的最大特点就是实际,与生产实际应用项目无关的问题基本上不去考虑,这里的工程技术和科研人员关心的不是理论、不是算法、不是论文,而考虑,是用什么材料、测控什么物理量、优点是什么、与机器设备的通讯接口等等。
目前,国内对锅炉液位控制的方法大体有以下几种:
(1)改进内模控制算法的方法。
该方法的改进之处,即在ITAE性能指标下确定入参数值.然后,通过QXLPC-Ⅲ过程控制实验装置和西门子S7-300控制器,用改进内模控制算法对锅炉液位进行控制,结果表明这种方法具有良好的控制效果.
(2)模糊控制方法。
该方法先导出了锅炉液位的非线性模型,然后基于后推设计方法和自适应模糊控制理论,提出了锅炉液位的稳定控制律,理论分析证明,液位控制的跟踪误差收敛到零。
仿真结果表明,该方法有良好的动态性能和稳态精度。
上诉的控制方法仅是锅炉液位控制系统应用和研究的一个侧面,国内外还有许多学者对此进行了不同程度的研究。
1.2.2国外发展概况
随着各种微处理器的出现和发展,国外对锅炉液位控制系统的研究也在不断发展和完善。
一些发达国家在单片机新型测控装置与系统研究、制造、应用上,已积累了经验,奠定了基础,进入了国际市场。
我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上,有一定的基础,与其他发达国家相比还存在距离,但是,我国的科研人员能够克服很多困难,有望在相关领域赶上甚至超过发达国家的技术水平,这是发展趋势。
1.3本课题研究目的及意义
在现代社会中,随着工业的发展,居民生活区的集中热力供应量的需求也越来越大,蒸汽锅炉的容量不断提高,对操作过程要求更加严格,锅炉的液位控制直接影响人们自身和设备的安全。
液位过低可能使锅炉出现干烧现象,液位过高又会使锅炉蒸汽压力过高,发生危险,传统的液位控制不能进行远距离的集中控制,自动化程度低,调节精度差等缺点,且单靠人工操作已不能适应,控制系统改造的必要性随着科学技术的不断进步,被控对象越来越复杂,人们对控制精度的要求不断提高。
由于被控对象和过程的非线性、时变性,多参数间的强耦合、随机干扰等因素,使得建立被控对象的精确数学模型变得很困难。
在这些复杂的系统面前,传统的控制方法无法满足控制精度,而且系统稳定性差。
更好地对锅炉进行自动化控制,同时随着单片机技术,自动控制技术的迅速发展,利用单片机及其外围芯片实现锅炉液位控制已经成为可能,而且也成为一种发展的趋势,单片机不仅有体积小,安装方便,功能较齐全等优点,而且有很高的性价比,因此应用前景广,同时有助于发现可能存在的故障,通过微机实现燃烧与给水系统的自动控制与调节,将保证锅炉正常供气供水,维持稳定系统,保证安全经济运行。
本文即是用单片现的一种锅其有较高的实用价值和优越性。
1.4系统简介
本课题的研究对象为锅炉的液位,对其液位进行控制。
基本思想是以STC89C52作为控制器,通过STC89C52单片机,压力传感器、温度传感器(DS18B20)和模数转换器(ADC0809)等硬件系统和软件设计方法实现具有液位报警和控制的双重功能,同时也具有压力和温度显示控制的功能,并对温度和压力值交替进行显示。
系统硬件设计包括以下几部分:
STC89C52芯片为核心控制器,温度采集和温度设定部分、键盘显示部分、A/D变换部分、报警部分、液位控制等部分组成。
可实现的具体功能如下:
(1)当液位低至给定的下限液位时,启动水泵对锅炉进行加水,同时水泵工作状态指示灯亮2个,表明水泵以中速在加水。
(2)当液位高至给定上限的液位时,停止水泵对锅炉进行加水,水泵工作状态指示灯全灭,表明水泵停止工作。
(3)当由于某种特殊原因,液位低于下下限水位时,仍没有启动水泵进行加水,则达至极低水位时,再次启动水泵进行加水,并进行报警。
(4)当液位高于上上限水位时,停止水泵加水,并进行报警。
(5)有消除报警按钮,当有报警时操作人员在知道的情况下可以按下其其消除报警并去做相应的处理工作。
(6)有紧急停止按钮,在遇到紧急情况时可以停止系统的运行。
(7)有温度和压力传感器,同时可以交替显示其温度和压力值。
(8)采用双向可控硅来控制水泵的开与关,比电机控制简单。
(实际设计中用三个发光二极管来表示水泵的开度,即流量。
)
第二章.主要芯片介绍
2.1单片机STC89C52介绍
STC89C52单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机,指令代码完全兼容传统的8051单片机,12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择,最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。
2.1.1STC89C52单片机的外部引脚说明
STC89C52单片机有40个引脚,采用双列直插(DIP)方式封装,其引脚图如图2-1所示。
图2-1STC89C52的管脚图
STC89C52单片机的40个管脚中有2个专用于电源的引脚。
2个外接晶体的引脚,4个控制或与其它电源复用的引脚,以及32条输入输出I/O引脚。
按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能。
2.1.1.1主电源引脚Vcc和Vss
VCC(40脚):
+5V主电源正端Vss(20脚):
+5V主电源地端
2.1.1.2外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1(19脚):
接外部晶体的一端。
在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。
在采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该端引脚必须接地;
对于CHMOS单片机,此引脚作为驱动端。
XTAL2(18脚):
接外部晶体的另一端。
在片内它是一个振荡电路反相放大器的输出端,振荡电路的频率是晶体振荡频率。
若需采用外部时钟电路,对于HMOS单片机,该引脚输入外部时钟脉冲;
对于CHMOS单片机,此引脚应悬浮。
2.1.1.3控制信号或与其它电源复用引脚
RST(9脚):
单片机刚接上电源时,其内部各寄存器处于随机状态,在该脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位(RESET)
PSEN(29脚):
在访问片外程序存储器时,此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。
CPU在向片外存储器取指令期间,PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。
不过,在访问片外数据存储器时,这两次有效PSEN信号不出现。
PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。
我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出端是否有信号输出,可以判别89C52是否在工作。
ALE/PROG(30脚):
在访问片外程序存储器时,此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。
我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出端是否有信号输出,可以判别80C51是否在工作。
EA/VPP(31脚):
当EA端输入高电平时,CPU从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序。
当地址超出4KB时,将自动执行片外程序存储器的程序。
当EA输入低电平时,CPU仅访问片外程序存储器。
在对87C51EPROM编程时,此引脚用于施加编程电压VPP。
2.1.1.4输入/输出引脚P0口、P1口、P2口及P3口
(1)P0口(32-39脚):
P0口是一个漏极开路的8位准双向I/0口。
作为漏极开路的输出端口,每位能驱动8个LS型TTL负载。
P0口有三个功能:
①外部扩充存储器时,当作数据总线(D0~D7);
②外部扩充存储器时,当作地址总线(A1~A7)。
③不扩充时,可做一般I/O口使用,但内部没有上拉电阻,作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。
(2)P1口(1-8脚):
P1口是一个带内部上接电阻的准双向I/O口。
P1的每一位能驱动4个LS型TTL负载。
在P1口作为输入口使用时,应先向P1口锁存器(地址90H)写入全1,此时P1引脚由内部上接电阻接成高电平。
P1.0和P1.1多了T/C2的复用。
(3)P2口(21-28脚):
P2口是一个带内部上接电阻的8位准双向I/O口。
P2口每一位能驱动4个LS型TTL负载。
P2口有两个功能:
①扩充外部存储器时,当作地址总线(A8~A15)使用。
②做一般I/O口使用,其内部有上拉电阻。
(4)P3口:
P3口是一个带内部上接电阻的8位准双向I/O口。
P3口每一位能驱动4个LS型TTL负载。
P3口与其它I/O口有较大区别,每个引脚还具有专门功能,除了作为I/O口使用外(内部有上拉电阻),还有一些特殊功能,由特殊寄存器来设置。
P3口的第2功能见表2-1。
端口1、2、3有内部上拉电阻,当作为输入时,其电位被拉高,若输入为低电平可提供电流源;
其作为输出时可驱动4个LSTTL。
而端口0作为输入时,处在高阻抗的状态,其输出缓冲器可驱动8个LSTTL(需要外部的上拉电阻)。
引脚
第2功能
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
INT0(外部中断)
P3.3
INT1(外部中断)
P3.4
T0(TIMER0的外部输入脚)
P3.5
T1(TIMER1的外部输入脚)
P3.6
WR(外部数据存储器的写入控制信号)
P3.7
RD(外部数据存储器的读取控制信号)
表2-1P3口的第2功能表
2.1.2STC89C52RC单片机的中断系统
计算机暂时中止正在执行的主程序,转去执行中断服务程序,并在中断服务程序完了之后能自动回到原主程序处继续执行,这个过程叫做“中断”。
大体来说,采用中断系统改善了计算机的性能,主要表现在以下几个方面:
(1)有效地解决了快速CPU与慢速外设之间的矛盾,可使CPU与外设并行工作,大大提高了工作效率。
(2)可以及时处理控制系统中许多随机产生的参数与信息,即计算机具有实时处理的能力,从而提高了控制系统的性能。
(3)使系统具备了处理数据的能力,提高了系统自身的可靠性。
由此可见,“中断”已成为现代计算机的1种重要功能,而中断系统功能的强弱已称为衡量1台计算机功能完善与否的重要标志之一。
2.1.2.1中断源
所谓中断源就是引起中断的事件,亦即是什么部件要求中断。
STC89C52单片机提供了8个中断源:
4个外部中断请求INT0、INT1、INT2和INT3,3个片内定时器/计数器T0、T1和T2的溢出中断请求TF0、TF1和TF2及串行口中断请求TI或RI(合为一个中断源)。
2.1.2.2中断的优先级
中断与普通8052完全兼容,优先级可设为4级,另增加2个外部中断INT2/P4.3,INT3/P4.2。
其优先级设置如表2-2。
中断源
中断查询次序
中断优先级设置
优先级0
优先级1
优先级2
优先级3
中断请求
INT0
0(最优先)
PX0H,PX0
0,0
0,1
1,0
1,1
IE0
Timer0
1
PT0H,PT0
TF0
INT1
2
PX1H,PX1
IE1
Timer1
3
PT1H,PT1
TF1
UART
4
PSH,PS
RI+TI
Timer2
5
PT2H,PT2
TF2+EXF2
INT2
6
PX2H,PX2
IE2
INT3
7(最低)
PX3H,PX3
IE3
表2-2中断优先级设置表
2.1.2.3中断响应的条件及过程
单片机响应中断的条件为中断源有请求(中断允许寄存器IE相应位置1),且CPU开中断(即EA=1)。
这样,在每个机器周期内,单片机对所有中断源都进行顺序检测,并可在任1个周期的S6期间,找到所有有效的中断请求,还对其优先级进行排队。
但是,必须满足下列条件:
(1)无同级或高级中断正在服务;
(2)现行指令执行到最后1个机器周期且已结束;
(3)若现行指令为RETI或需访问特殊功能寄存器IE或IP的指令时,执行完该指令且紧随其后的另1条指令也已执行完。
单片机便在紧接着的下1个机器周期的S1期间响应中断。
否则,将丢弃中断查询的结果。
中断响应的过程:
单片机一旦响应中断,首先对相应的优先级有效触发器置位。
然后执行1条由硬件产生的子程序调用程序,把断点地址压入堆栈,再把与各中断服务程序的入口地址送入程序计数器PC,同时清除中断请求标志,从而程序便转到中断服务程序。
2.1.3选择使用STC89C52RC的原因
(1)超低功耗:
①掉电模式:
典型功耗<
0.1μA
②正常工作模式:
典型功耗4mA-7mA
③掉电模式可由外部中断唤醒,适用于电池供电系统,如水表、气表、便携设备等。
(2)超强抗干扰:
①高抗静电(ESD保护)
②轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰(EFT测试)
③宽电压,不怕电源抖动;
宽温度范围,-40℃~85℃
(3)三大降低单片机时钟对外部电磁辐射的措施:
①禁止ALE输出;
②如选6时钟/机器周期,外部时钟频率可降一半;
③单片机时钟振荡器增益可设为1/2gain。
(4)加密性强
(5)在系统可编程,无需编程器,无需仿真器
(6)可供应内部集成MAX810专用复位电路的单片机,只有D版本才有内部集成专用复位电路,原复位电路可以保留,也可以不用,不用时RESET脚接1K电阻到地。
2.2芯片74LS164介绍
74LS164是一个串行输入并行输出的移位寄存器,并带有清除端。
其中,Q0—Q7为并行输出端,常用于扩展并行口,A、B为串行数据输入端,CLOCK为时钟端,CLEAR为清除端。
当清除端(CLEAR)为低电平时,输出端(QA-QH)均为低电平。
串行数据输入端(A,B)可控制数据。
当A、B任意一个为低电平,则禁止新数据输入,在时钟端(CLOCK)脉冲上升沿作用下Q0为低电平。
当A、B有一个为高电平,则另一个就允许输入数据,并在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态。
2.2.174LS164的引脚图及引脚功能:
图2-274LS164的引脚图
CLEAR(9脚):
高电平有效,低电平时使所有输出(Qa~Qh)为低电平。
Clock(8脚):
上升沿输出移位,其余状态保持。
A(1脚)/B(2脚)输入:
逻辑与关系,即全高为高,见低为低。
QA—QH输出:
并行输出口。
2.2.274LS164的内部功能图
图2-374LS164的内部功能图
74LS164的内部实质上是8个SR触发器。
2.2.374LS164的真值表
INPUTS
OUTPUTS
CLEAR
CLOCK
AB
QAQB……………QH
L
H
X
↑
XX
HH
LX
XL
LLL
QA0QB0QH0
HQAnQGn
LQAn
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