锅炉自动给水系统论文杨洋要点.docx
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锅炉自动给水系统论文杨洋要点
毕业设计(论文)
锅炉自动给水系统设计
系别:
机械与电子工程系
专业(班级):
电子信息工程09级2班
作者(学号):
指导教师:
完成日期:
2013年5月18日
蚌埠学院教务处制
目录
1引言5
1.1国内外锅炉的发展现状5
1.2锅炉温度检测与液位控制的背景及意义6
1.3单片机控制锅炉的发展前景6
2系统硬件电路设计8
2.1系统控制模块的设计8
2.1.1单片机的最小系统设计8
2.1.2液位控制模块的设计11
2.2系统检测模块的设计12
2.2.1水温检测模块的设计12
2.2.2液位检测模块的设计13
2.3系统驱动模块的设计13
2.4系统显示模块的设计15
2.5系统串口通信电路设计18
3.系统软件电路设计20
结论22
谢辞23
参考文献24
附录:
源程序设计代码25
插图清单
图2-1ST89C52RC引脚图9
图2-2单片机复位电路9
图2-3单片机最小系统10
图2-4时钟电路11
图2-5液位控制系统框图12
图2-6水位检测电路13
图2-7继电器模块14
图2-9ULN2004引脚图14
图2-10LCD1602液晶显示器17
图2-11MAX232引脚图18
图3-1键盘输入中断流程图20
图3-2温度检测主程序流程图21
锅炉自动给水系统设计
摘要:
在当今现代科学技术的诸多领域中,随着科学技术的发展,自动控制技术
越来越成熟,在生产建设中起着愈来愈重要的作用,随着人们对物质生活
的追求,人们对自动化水平的要求也越来越高。
本设计的控制系统就是采
用自动控制技术来实现其功能的,这样不仅大大提高了生产效率,而且降
低了危险系数,保障了人身安全。
本设计采用STC89C52单片机作为数据处
理与控制单元,在进行数据处理过程中,单片机控制温度传感器和液位传
感器进行工作,并且把温度信号和液位信号传递到单片机上。
单片机进行
数据处理之后,发出控制信号来控制执行模块的状态,并能将当前温度和
液位高度发送到液晶显示器进行显示。
此设计不仅可以实现温度和液位信
号的采集与显示,且能够使用按键来设置温度和液位限定值,通过对数据
的运算处理,发出控制信号达到控制液位的目的。
本系统以STC89C52为
核心,用温度传感器DS18B20来采集温度信号,同时用浮球式液位传感器
来测量液位,并通过键盘来设定液位的最高值和最低值,从而达到自动控
制的目的。
关键词:
单片机;温度传感器;液位传感器;驱动电路
Designofboilerautomaticwater
supplysystem
Abstract:
Inmanyfieldsofmodernscienceandtechnology,withthedevelopmentofscienceandtechnology,automaticcontroltechnologybecomesmoremature,playsamoreandmoreimportantroleintheproductionandconstruction,withpeople'spursuitofmateriallife,peopleonthelevelofautomationismoreandmorehigh.Thecontrolsystemofthedesignistheuseofautomaticcontroltechnologytorealizeitsfunction,whichnotonlygreatlyimprovestheproductionefficiency,butalsoreducesthedangercoefficient,protectthepersonalsafety.ThisdesignusesSTC89C52microcontrollerasthedataprocessingandcontrolunit,dataprocessing,controlthetemperaturesensorandtheliquidlevelsensor,andpassthesignaloftemperatureandliquidlevelsignaltothemicrocontroller.Afterthesingle-chipmicrocomputerfordataprocessing,sendsacontrolsignaltocontroltheexecutionmodulestate,andthetemperatureandliquidlevelheightissenttotheLCDdisplay.Acquisitionanddisplaythisdesigncannotonlyrealizethetemperatureandliquidlevelsignal,andcanusethebuttonstosetthetemperatureandliquidlevellimitvalue,throughtheoperationtothedataprocessing,sendsacontrolsignaltocontroltheliquidleveloftheobjective.ThissystemusesSTC89C52asthecore,usingthetemperaturesensorDS18B20tocollecttemperaturesignal,atthesametimewiththeballfloattypeliquidlevelsensortomeasureliquidlevel,maximumandminimumvalueandthroughthekeyboardtosetthelevel,soastoachievethepurposeofautomaticcontrol.
Keywords:
singlechipmicrocomputer;temperaturesensor;liquidlevelsensor;drivecircuit
锅炉自动给水系统设计
1引言
1.1国内外锅炉的发展现状
锅炉作为一种把煤,石油或天然气等化石燃料所储藏的化学能转换成水或水蒸气的热能的重要设备,是现代生活中不可缺少的动力设备,长期以来在国家的工业生产和居民的生活中都能起着极其重要的重用。
它已经有二百多年的历史了,但是近几十年锅炉工业才取得的巨大的进步,国外的锅炉控制工业发展最快的时间在50~60年代,70年代大致达到高峰,而我国的锅炉工业却仅在新中国成立后才开始着手建立和发展,1953年在上海才建立第一个锅炉厂。
从锅炉给人们带来的在生产和生活中所起的不同作用,锅炉可分为电站锅炉、工业锅炉和生产锅炉。
电站锅炉主要用于发电厂;工业锅炉,主要用于直接供给工农业生产或驱动机械能源;生产锅炉,主要用于为居民提供热水和供居民取暖,我国的燃烧锅炉的数量众多,目前我国现有中小型锅炉55万台左右,由于我国的能源结构,除少数大都市及少数旅游城市开始采用清洁能源,如天然气作为锅炉的燃料,绝大多数使用的一次能源以煤炭为主,因此我国的锅炉总体上仍处于能耗高,浪费大,环境污染严重且安全系数低的生产状态。
就生产中锅炉所出现的问题而言,应该说锅炉控制问题一直是伴随着锅炉,虽然锅炉控制问题在随着控制领域的理论和技术的发展,锅炉控制化问题一直在不断地提高,但是一直没有得到很好的解决。
目前国内外对锅炉水位的控制大部分采用常规PID控制,此方式是根据被控对象的数学模型建立,使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量,以为此气泡水位在规定的范围内,同时保持稳定的给水流量,而气泡水位是以一个重要的监控参数,反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系,另外还有单冲量,双冲量及三冲量气泡水位控制方式,其中市场上最先进锅炉自动给水系统的调节方法是三冲量给水自动调节方法。
但锅炉汽泡水位不仅受给水量和蒸发量的之间平衡关系的影响,同时还受到其水循环管路,汽水容积变化影响,还有燃料量的变化,汽包压力的变化,,蒸汽量的扰动等诸多因素对水位均会产生影响,就中国的具体情况而言,虽然三冲量的优势相对与其它的控制方式有很大的优势,但基于三冲量实现的锅炉自动给水系统的使用污染性较大,耗能高的限制,使用范围狭窄,燃料供应量又难以满足人们日益增长的物质需求,且不利于环境,因此低功耗,安全,价格低廉的锅炉自动给水系统才能受到中国及世界各国消费者的青睐。
我国虽然在锅炉控制领域发展较快,但整体技术水平和发达国家还是有一定的差距。
1.2锅炉温度检测与液位控制的背景及意义
随着我国的国民经济快速发展与人民生活水平质量的迅速提高,国民对锅炉的需求量日益增加。
而我国的锅炉总体上处于控制设备简陋,技术落后,效率低的生产状态,不仅造成燃料的大量浪费,而且严重污染空气,也不利于安全生产。
而热水锅炉的控制虽然没有工业锅炉复杂,精确度要求也没工业要求高,但热水锅炉的应用也十分广泛,如果要人工控制不仅需要很大的工作量,而且不能保证控制的准确性和及时性,因此如果采用自动检测和控制,不仅大大减少工作量,而且准确,既经济方便而又实惠。
温度检测系统在现代化的工业设计、工程建设以及日常生活中的应用越来越广泛,早期的温度检测主要应用于工厂中,而如今,在人们的日常生活中,温度检测系统的应用也体现的淋漓尽致,人们越来越离不开它。
尤其是在单片机技术出现之后,由于它具有极好的稳定性,更快和更准确的运算精度,它给现代工业控制测控领域带来了极大的方便。
目前,单片机在工业控制系统等诸多领域得到了极为广泛的应用。
本设计也是采用单片机作为系统的控制核心,根据系统设计的要求与要实现的功能,本次毕业设计采用STC89C52RC单片机为控制核心,通过DS18B20采集温度,然后通过模数转换,与单片机连接,并通过LED1602显示出来,同时把采集到的温度信号与给定值比较,如果温度高于给定值的最高值或低于给定值的最低值时,系统就会自动的进行的停止加水和开始加水,从而实现热水锅炉温度检测系统的设计,本设计还采用浮球式液位传感器检测锅炉内的水位,并利用单片机来控制水泵,从而达到控制液位的目的。
1.3单片机控制锅炉的发展前景
采用单片机控制锅炉,是近年来新研究的一项技术,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,锅炉采用的是微机控制和原有的仪表控制,微机控制优势明显,作为锅炉控制系统装置:
其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行,并减少劳动人员的劳动强度和提高安全系数。
采用计算机控制锅炉系统有十分良好的安全机制。
可以预想在不久的将来采用计算机控制系统是必然的趋势。
单片机又称单片微控制器,是典型的微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成在一个芯片上。
单片机由运算器,控制器,存储器,输入输出设备构成,相当于一个微型的计算机,起着有人类大脑作用,它若出了毛病,整个装置就瘫痪了。
单片机自问世以来,随着时间的推移,性能不断提高和完善,由于单片机的体积小、速度快、功耗低,成本低,易于产品化等优点,并能方便的组装成各种智能式控制设备以及各种智能仪表,从而使它的应用领域日益广泛。
一般如果工业控制系统的工作环境差,干扰强,利用单片机控制就能有效的克服这些缺点,而且还能减小危险程度。
此时若使用单片机控制锅炉是个非常好的选择。
目前我国在单片机测控装置的研究生产、应用中都取得了很大的进步,总结了很多经验,各行各业都取得了骄人的成绩。
现实生活中所用电子产品中几乎都会集成有单片机,如计算机、游戏机、微波炉、飞机、以及电子手表等电子产品中都会含有单片机,汽车上的单片机一般配备都达到40多片,一些复杂的工业控制系统上甚至都达到数百片单片机,我们现代化生活中使用的单片机的数量甚至比人类的数量还要高。
目前单片机的发展趋势主要体现在一下方面,第一,制程工艺CMOS化,更小的光刻工艺提高了集成度,从而使芯片更小,成本更低,工作电压更低,功耗更低。
第二,CPU的改进。
采用双CPU结构,增加数据总线的宽度,提高数据处理的速度和能力。
第三,增大存储容量,片内EPROM的E2PROM化,程序的保密化。
第四,提高并行口驱动能力,以减少外围驱动芯片,增加外围I/O口逻辑功能和控制的灵活性。
第五,以串行方式为主的外围扩展。
第六,外围电路的内装化。
第七,互联网连接已是一种明显的走向。
第八,可靠性及应用水平越来越高。
现在一些发达国家在单片机新型系统研究、制造和应用上,已积累了很多经验,较早的进入了国际市场。
而我国在单片机测控装置的研究、生产和应用上,虽然也取得了骄人的成绩,做到了很大的改善,但与其他发达国家相比还存在一定的差距,但是我国的研究人员已经克服了很多困难,并在不断的摸索中前进,相信在不远的将来定能赶上甚至超过发达国家的技术水平,这就是当今的发展趋势。
2系统硬件电路设计
硬件电路是系统功能实现的基础,本设计是在硬件电路的基础上,通过软件来完善系统的功能。
一般在软件可以完成硬件功能的情况下,尽量用软件来实现,从而使系统硬件电路尽可能简单,如下便对系统的硬件电路进行详细介绍。
2.1系统控制模块的设计
本设计是以单片机作为系统的控制核心,根据系统设计的要求与要实现的功能,可选用的单片机有多种,而本次毕业设计选用STC89C52单片机作为系统的控制核心。
2.1.1单片机的最小系统设计
STC89C52RC单片机是以8051的经典结构为基础延伸出来的芯片,虽然其内部工艺和部分扩展功能不同,但指令和引脚基本上可以通用,具有类似的部件组成,它仍有中央处理单元、寄存器、程序存储器,、串行输入/输出口、并行输入/输出口(I\O口)、定时器/计数器、中断系统、时钟电路等构成。
其基本结构依旧是在CPU上再添加外围芯片的结构模式。
但对各种功能部件的控制却是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。
STC89C52RC单片机引脚图如图2-1,其引脚其功能如下:
1-8脚:
通用I/O接口
9脚:
RESET复位键
10,11脚:
RXD串口输入TXD串口输出
12-19:
I/OP3接口(12,13脚INT0中断0,INT1中断)
6,17:
WR写控制,RD读控制输出端
18,19:
晶振谐振器20地线
21-28p2接口高8位地址总线
29:
PSEN片外ROM选通端,单片机对片外ROM操作时,29脚(PSEN)输出低电平30:
ALE/PROG地址锁存器
31:
EAROM取指令控制器,高电平片内取,低电平片外取
32-39:
(注意此接口的顺序与其他I/O接口不同,与引脚号的排列顺序相反)
40:
电源+5V
图2-1STC89C52RC引脚图
单片机的复位方式通常有上电自动复位和按键手动复位两种。
最简单的上电自动复位的实现方式是由电容的充放电来实现。
除了上面所说的上电自动复位方式之外,有时按键手动复位也会用到。
手动电平方式和脉冲方式是常见的两种按键手动复位方式,而电平复位是由RST两端将电阻与电源VCC接通,从而实现此功能的。
单片机的时钟电路由通常由两个电容和一个晶振而组成,本设计的单片机复位电路如下图2-2所示,单片机最小系统如图2-3所示:
图2-2单片机复位电路
图2-3单片机最小系统
STC89C52是一款低功耗,高性能的CMOS8位微控制器。
它使用经典的MCS-51内核,再此基础上做了很多的改进,使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上,不仅具有灵巧的8位CPU,而且具有系统可编程FLASH能力,使得STC89C52解决了很多嵌入式控制系统中所面临的问题,得到了人们的普遍应用。
它具有以下主要结构:
8K字节FLASH,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,4KBEPROM,MAX810复位电路,16位定时器/计数器,4个外部中断,一个7向量4级中断结构,全双工串行口等。
另外当STC89C52降至0HZ静态逻辑操作时,支持两种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,此时允许RAM、定时器/计数器、串口、中断仍可连续工作。
掉电保护模式下,RAM内容将被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
其最高运作频率35MHZ,6T/12T可选。
STC89C52同样具有32个通用I/O口,复位后为P0/P1/P2/P3是准双向口,P0是漏极开路输出,作为总线扩展使用时不需加上拉电阻,但作为I/O使用时需加上拉电阻。
STC89C52RC内部有一个高增益的反相放大器,可用于振荡器。
其输入端引脚是RXD,而TXD则是其输出端引脚。
时钟电路的产生方式有内部或外部两种方式。
其内部方式的时钟电路产生方式是在RXD和TXD引脚上外接定时元器件,此时内部振荡器将会产生自激震荡,从而满足要求。
定时元件的并联谐振回路通常选用石英晶体和电容组成。
根据所实际选用的电容的大小值,从而达到对频率的微调作用。
本设计的时钟电路如图2-4所示:
图2-4时钟电路
复位是单片机的初始化操作,其重要功能是把PC初始化为0000H,是单片机从0000H单元开始执行程序。
出了进入系统的正常初始化之外,当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时,也需要复位键重新启动。
除PC之外,复位操作还对其它一些寄存器有影响,他们的复位状态如表2-1所示:
表2-1单片机复位状态
寄存器
PC
ACC
PSW
SP
DPTR
P0-P3
复位状态
0000H
00H
00H
07H
0000H
FFH
寄存器
TCON
TL0
TH0
TL1
TH1
SCON
复位状态
00H
00H
00H
00H
00H
00H
RST引脚是复位信号的输入端,复位信号是高电平有效,其有效时间应持续24个振荡周期(即二个周期)以上。
2.1.2液位控制模块的设计
液位传感器有雷达液位传感器、超声波液位传感器、浮球式液位传感器等,本系统采用浮球式液位传感器(优点:
在界面测量方面有稳定的性能,缺点:
精度不高),实验时浮球式液位传感器在锅炉的上下各一个,当水位低于最低水位时液位传感器将收集来的信号发送至单片机,单片机控制水泵对锅炉将自动进行加水,同理,当加水到达最高水位时,单片机接收到信号时,控制水泵自动停止进行加水
使用单片机实现锅炉液位控制具有较高的实用价值和稳定性好等优点。
采用由液位传感器所组成的传感器测量水位,可有效保证水位的自动控制,保证水质无污染,可以很好的对锅炉进行自动化控制,而且控制方便且系统稳定性能好;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,应用前景广,同时有助于发现可能存在的故障,通过微机实现给水系统的自动控制与调节,将保证锅炉正常供水供暖,维持稳定系统,保证安全经济运行。
本文就是采用STC89C52单片机为核心芯片的一种锅炉控制系统具有较高的实用价值和优越性。
其液位控制框图如2-5所示:
图2-5液位控制系统框图
2.2系统检测模块的设计
本次毕业设计的检测模块主要采用了水温检测模块和液位检测模块,其中水温检测模块采用温度传感器DS18B20,液位检测模块采用液位传感器进行检测功能。
温度传感器和液位传感器可以时刻将信息发送给单片机,并通过单片机进行控制。
2.2.1水温检测模块的设计
通过对系统大致程序量的估计和系统工作速度的估计以及I/O口需求量的估计,考虑价格因素、元器件市场等等因素,本设计选用了STC89C52单片机作为系统的主要控制芯片。
各种模拟信号均需通过A/D转换器转换成数字量,考虑到被测量的有效位数及其精度,而且锅炉内的温度还有可能超过100℃,选用温度传感器DS18B20作为本设计的温度传感器,DS18B20的主要特征如下:
(1)全数字温度转换及输出。
(2)先进的单总线数据通信。
(3)最高12位分辨率,精度可达0.5摄氏度。
(4)12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。
(5)可选择寄生工作方式。
(6)检测温度范围为–55°C~+125°C(–67°F~+257°F)
(7)内置EEPROM,限温报警功能。
(8)64位光刻ROM,内置产品序列号,方便多机挂接。
(9)多样封装形式,适应不同硬件系统[1]。
本设计同时采用了LCD1602液晶显示器作为显示所测的数据,由温度传感器
DS18B20采集温度信号,并转换成数字信号送入单片机,由单片机控制LED显示出来.
2.2.2液位检测模块的设计
在热水锅炉应用中,检测液位有很多种方法,本设计是采用浮球式液位传感器来检测锅炉内的水位,误差精确度为±2cm,该系统还可以用按键设定液位的最高值和最低值,并通过单片机来控制,水位低于最低值时系统将自动注水,高于最高值时,自动停止加水。
浮球式液位传感器是一种结构简单,使用方便的液位控制零件,它设有复杂的电路,不会受到干扰,只要材质选择正确,任何性质液体、压力、温度皆可以使用。
但在使用浮球液位控制器时必须考虑液体介质性质与浮球的关系:
a.液体比重不同时,浮球的位置将有所变动,一般SG比水小时,浮球浸在液体中部分将相对增多。
b.浮球开关产品参考比重以水(SG=1),所以使用时在选用浮球时必须考虑液位的比重SG,一定大于浮球规格所标示,否则,浮球开关无法浮动。
本设计的水位监测电路如图2-6所示:
图2-6水位检测电路
2.3系统驱动模块的设计
驱动电路的主要作用实现单片机与继电器通信来控制外围电路,本设计的驱动模块采用继电器驱动,继电器就起在电路中的作用,他是以一定的输入信号(如电流、电压、或其他热、光、非电信号)实现自动切换电路的开关,在电路中起着自动调节,减小危险系数,转换电路等作用,所以它是一种自动远动电器元件,另外,继电器也不单是作为一个简单的开关使用。
它还有其他的控制作用,通常都用于自动化的电路。
当继电器作为一种电控制电器来使用时,它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)两个系统,继电器之所以能够起到控制作用是因为当输入量(激励量)的变化达到规定要求时,在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃,本设计中的继电器模块如下图:
继电器模块中的主要作用是当水位达到一定高度时,继电器发生跳跃,继电器触发指示灯点亮,以达到自动给水的任务。
本设计继电器模块如图2-8所示:
图2-7继电器模块
本设计中以芯片ULN2004完成继电器的驱动,而ULN2004是一款高耐压,大电流的达林顿管驱动器,包含7个NPN达林顿管,ULN2004是必不可少的钳位二极管,用于电感性负载开关,它主要应用于继电器驱动,电灯驱动和显示器(LED)驱动,如图2-8,其主要特性如下:
(1)输出电流(单通道输出):
500mA
(2)高输出击穿电压:
50V(最小)
图2-8ULN2004的引脚图
(3)输出钳位二极
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