基于單片機(jī)的鍋爐水位控制設(shè)計(jì)

1、摘 要本文描述以單片機(jī)為基礎(chǔ)，以MCS-2051單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)利用水的導(dǎo)電性，使用電極作為水位敏感元件檢測(cè)水位變化的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水位顯示及報(bào)警等功能。實(shí)驗(yàn)證明，純凈水幾乎是不導(dǎo)電的，但自然界存在的以及人們?nèi)粘Ｊ褂玫乃紩?huì)含有一定的鎂，鈣等離子，它們的存在使水導(dǎo)電。檢測(cè)技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)和源頭，也是人們認(rèn)識(shí)和改造世界的一種必不可少的重要手段。從大的方面來(lái)講，檢測(cè)技術(shù)是對(duì)被測(cè)量進(jìn)行檢出，變換，分析，處理和控制的綜合認(rèn)識(shí)過(guò)程。利用單片機(jī)軟硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程、數(shù)據(jù)處理及輸出的自動(dòng)化, 利用水的導(dǎo)電性大大提高了測(cè)量精度。系統(tǒng)采用MCS-51結(jié)構(gòu)，然后在MCS-51結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出具體的水位報(bào)警

2、器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。并對(duì)數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊進(jìn)行仔細(xì)的分析。在水位超過(guò)或低于正常水位時(shí)蜂鳴報(bào)警器會(huì)發(fā)出警報(bào)。MCS-2051 A boiler is a very important device using in the department of giving electricity. A the pedestal boiler wants can safe, dependable, effectively of movement, the movement parameter can arrive the design value, besides boiler onesel

3、f the difference between different from every kind only of machine outside must still request to automate gauge work normally with the design project of the automatic control system rightly, for boiequipments and its control request should adopt the homologous control project design.This paper based

4、 on the single chip computer description, with MCS-2051 single-chip processor core design using the conductivity of the water, the use of electrode as water level detection of water sensitive components change system, realize water level display and alarm functions. Experiments show, pure water is a

5、lmost nonconductive, but the nature of existence and People's Daily use of water will contain certain magnesium, calcium plasma, their existence is the water electricity. Detection is the foundation of the modern information technology and source, is also the understanding of and change the worl

6、d a kind of indispensable important means. In a large extent, testing technique is to be measured for detection, transform, analysis, processing, and control of the comprehensive understanding process. Using single chip computer software and hardware technology to achieve the measurement process, da

7、ta processing and output of automation, use water conductivity greatly improve the measuring precision. System USES MCS-51 structure, and then in the MCS-51 based on structure, the design gives the specific level alarm system structure. And the data detection module, data processing module and data

8、output module careful analysis. In the water level or below the normal water level more than when the buzzer an alarm.Keywords: single chip microcomputer control Water level MCS-2051 alarm 目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論31.1課題的背景31.2.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀4國(guó)外研究現(xiàn)狀4國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀4第2章 鍋爐水位控制的設(shè)計(jì)72.1水位測(cè)量方法概述82.1.1 水位測(cè)量方案概述8水位測(cè)量方案原理9水位

9、檢測(cè)顯示系統(tǒng)92.2主控方法的選擇10使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)鍋爐液位控制的優(yōu)點(diǎn)102.2.2 單片機(jī)的選取10第3章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理133.1水位測(cè)量控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述133.2 主控制器的特性143.3 水位測(cè)量電路163.4 水位狀態(tài)的顯示173.4.1 LED的選擇173.4.2 138譯碼器原理183.5 報(bào)警電路20第4章 軟件設(shè)計(jì)214.1 水位測(cè)量軟件流程圖21第5章 結(jié)論22參 考 文 獻(xiàn)23致 謝24附 錄 A25第1章 緒論1.1課題的背景長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)汽包水位認(rèn)識(shí)深化緩慢的重要原因之一在于，汽包水位測(cè)量問(wèn)題屬于熱控與鍋爐兩專業(yè)之間的邊緣課題，理論深化研究與許多具體技術(shù)問(wèn)題的解決必然涉

10、及到兩專業(yè)，而兩專業(yè)相互合作較差，影響了科研部門和高等院校的課題研究攻關(guān)。電廠、基建、設(shè)計(jì)院的專業(yè)習(xí)慣分工尤為分明，熱控方提出需要解決的問(wèn)題，由鍋爐方負(fù)責(zé)解決，雙方往往相互推委，以致有些問(wèn)題長(zhǎng)期不能解決。 鍋爐水位控制的背景水是生產(chǎn)、生活中必不可少的物質(zhì), 如對(duì)水塔、水箱及機(jī)艙水柜中水位的檢測(cè)與控制顯得十分重要, 它關(guān)系到生產(chǎn)、生活正常進(jìn)行。對(duì)水位檢測(cè)控制方法有很多, 按原理分常用的方法有繼電器開(kāi)關(guān)式、電容式、超聲波式、壓力傳感器式。選用何種方法, 要根據(jù)系統(tǒng)的具體要求, 選擇技術(shù)上可行, 最經(jīng)濟(jì)的方案。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息技術(shù)的高速發(fā)展, 數(shù)字化、智能化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應(yīng)用日趨廣泛。當(dāng)

11、今社會(huì)許多工業(yè)控制系統(tǒng)，自然科學(xué)研究會(huì)需要對(duì)水位的監(jiān)測(cè)。比如海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)開(kāi)始，它是獲取長(zhǎng)期、連續(xù)的海洋環(huán)境資料的唯一途徑。能夠直接為沿海工程、港口建設(shè)、交通運(yùn)輸、海洋生物資源開(kāi)發(fā)、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、濕地保護(hù)及近岸海洋開(kāi)發(fā)提供研究、評(píng)價(jià)和作業(yè)必不可少的依據(jù)。又比如在工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)中對(duì)水位的監(jiān)測(cè)要求也是很高的，現(xiàn)今大多數(shù)電廠都采用工業(yè)鍋爐采用微機(jī)控制，它可以直觀而集中的顯示鍋爐各運(yùn)行參數(shù)。能快速計(jì)算出機(jī)組在正常運(yùn)行和啟停過(guò)程中的有用數(shù)據(jù)，能在顯示器上同時(shí)顯示鍋爐運(yùn)行的水位、壓力、爐膛負(fù)壓、煙氣含量、測(cè)點(diǎn)溫度、燃煤量等數(shù)十個(gè)運(yùn)行參量的瞬時(shí)值、累計(jì)值及給定值，并能按需要在鍋爐的結(jié)構(gòu)示意畫(huà)面的相應(yīng)位置上顯

12、示出參數(shù)值。因此，水位傳感器的研究對(duì)實(shí)際有很大的現(xiàn)實(shí)意義。基于對(duì)水位測(cè)量原理的研究和水位傳感器的分析，在本水位測(cè)試系統(tǒng)中采用超聲波水位傳感器和單片機(jī)智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的測(cè)量。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先對(duì)單片機(jī)、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器、超聲波傳感器的工作原理進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)之上，對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，整個(gè)電路包括超聲波傳感器、信號(hào)輸入電路、基準(zhǔn)電壓電路、看門狗電路和單片機(jī)和AD之間的接口五部分電路組成。然后根據(jù)整個(gè)電路的設(shè)計(jì)原理圖，編制相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的自動(dòng)測(cè)量。該采集電路具有采集速度快、精度高和可靠性高等特點(diǎn)。1.2.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 河北

13、馬頭發(fā)電總廠8號(hào)爐和江蘇華能淮陰電廠2號(hào)爐都以電接點(diǎn)水位計(jì)為監(jiān)視主表控制水位運(yùn)行三四年后，實(shí)際測(cè)量汽包水跡中心線與鍋爐廠規(guī)定的0水線的偏差，分別偏低23 mm、10 mm。表明質(zhì)量水位已接近實(shí)際水位，用質(zhì)量水位控制實(shí)際水位運(yùn)行完全能達(dá)到鍋爐廠的要求。19821985年度水利電力部系統(tǒng)發(fā)電鍋事故統(tǒng)計(jì)分析水電部生產(chǎn)司錢祥鵬指出，4年鍋爐啟動(dòng)升壓過(guò)程中，蒸汽對(duì)汽包上壁放熱系數(shù)比水對(duì)下壁放熱系數(shù)大幾倍，上壁溫升快，溫度高于下壁。停爐后汽包冷卻時(shí)，上壁對(duì)蒸汽放熱系數(shù)比下壁對(duì)水的放熱系小，上壁溫降慢，溫度亦高于下壁。上下壁溫差超限使汽包壁產(chǎn)生很大的附加熱應(yīng)力，加快壽命損耗。上下壁溫差愈大，汽包變形愈大，而

14、與汽包連接的很多管子受安裝約束不能自由變形，熱應(yīng)力易使管座焊縫產(chǎn)生裂紋。因此，近十年來(lái)一些大型鍋爐在啟動(dòng)或停爐后為防止汽包壁溫差超限，采取特別措施：有的鍋爐高水位啟動(dòng)，水位甚至高出監(jiān)視主表量程上限較多，以便盡量減少補(bǔ)水次數(shù)；在“四管”泄漏停爐或正常檢修停爐后，為縮短停爐待檢時(shí)間，將汽包上滿水，降壓快冷。這些措施的安全條件是，水不能進(jìn)入過(guò)熱器，需要量程上限在汽包之上的大量程水位計(jì)（也有稱作滿水水位計(jì)），以便上水操作和滿水狀態(tài)之監(jiān)視。據(jù)資料報(bào)道，唐山陡河電廠200MW機(jī)組鍋爐滿水快冷，能使停爐后待檢時(shí)間縮短1416小時(shí)，對(duì)于電力緊張的今天顯然有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。水位計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確性、可靠性與

15、穩(wěn)定性是運(yùn)行人員的信任基礎(chǔ)。在描述汽包水位時(shí)，教科書(shū)和一些文獻(xiàn)使用了諸如“虛假水位”、“膨脹水位”、“冷縮水位”、“實(shí)際水位”等概念，這在火電廠熱工測(cè)量參數(shù)中是絕無(wú)僅有的。使用這些概念無(wú)疑地加重了汽包水位神秘性，使那些和汽包水位打交道、又想了解它的人們望而卻步。以致很多人，其中包括一些熱工和鍋爐運(yùn)行人員，僅知道嚴(yán)重的汽包水位事故會(huì)損壞鍋爐或汽輪機(jī)，而對(duì)汽包水位參數(shù)缺乏進(jìn)一步了解。盡管大型汽包鍋爐運(yùn)行已有很多年歷史，但在汽包水位基本理論、測(cè)量監(jiān)控技術(shù)、水位運(yùn)行研究等方面，“不清楚”之處甚多，仍然有很多問(wèn)題有很好解決，這在火電廠熱工測(cè)量參數(shù)中也是絕無(wú)僅有的。對(duì)于鍋爐汽包水位計(jì)，我國(guó)相關(guān)規(guī)程、規(guī)定在

16、近十年來(lái)屢屢進(jìn)行修改，表明原有關(guān)條款確有“說(shuō)不清道不明”、“難以執(zhí)行”的不切實(shí)際之處，甚至有明顯錯(cuò)誤。國(guó)家級(jí)規(guī)定尚且如此，足見(jiàn)汽包水位的確是最令人難以捉摸的、甚至是令人煩惱的參數(shù)。實(shí)際水位就是汽水模糊層濕度沿高度變化曲線的拐點(diǎn)面。它是客觀存在的，不是假想的。利用水和水蒸氣對(duì)射線的吸收率不同可以尋找汽水混合層濕度變化率最大部位，也可以測(cè)量實(shí)際水位。不過(guò)，射線水位計(jì)會(huì)逸散射線，影響人體健康，人們對(duì)射線水位計(jì)有恐懼感，又因?yàn)楸仨氃阱仩t壓力、負(fù)荷和水位穩(wěn)定時(shí)才能準(zhǔn)確測(cè)量，一些電廠安裝這種水位計(jì)后只好拆掉。本系統(tǒng)使用一臺(tái)主機(jī)和多臺(tái)分機(jī)，主機(jī)發(fā)送的信息可被各分機(jī)接收，而各分機(jī)發(fā)送的信息只能被主機(jī)接收，分機(jī)

17、與分機(jī)之間不能互相直接通信。系統(tǒng)分機(jī)采用8031單片機(jī)，工作于串口方式3，利用SCON串行接口控制寄存器的SM2位控制多機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)。處于接收狀態(tài)時(shí)，若SM21且接收到的第九位數(shù)據(jù)為0時(shí)，則不能激活接收中斷標(biāo)志RI，接收數(shù)據(jù)無(wú)效；若SM2=1且接收到的第9位數(shù)據(jù)為1時(shí)，則RI不僅被激活而且可以向CPU請(qǐng)求中斷，接收數(shù)據(jù)才有效。當(dāng)主機(jī)想發(fā)命令給某一個(gè)分機(jī)時(shí)，首先發(fā)出需要通信的分機(jī)的地址信號(hào)，通過(guò)串口通信線路傳輸至所有分機(jī)，地址相符的分機(jī)收到主機(jī)呼叫信號(hào)后應(yīng)答。向主機(jī)返回本機(jī)地址核對(duì)，核對(duì)無(wú)誤后，被尋址的從機(jī)的SM2位清零，其余從機(jī)的SM2位不變。主機(jī)開(kāi)始向被尋址從機(jī)發(fā)送命令，通知從機(jī)是接收數(shù)據(jù)還

18、是發(fā)送數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)幀的TB8=0,且未被尋址的從機(jī)的SM2=1,則只有被尋址從機(jī)滿足接收條件，接收主機(jī)命令，開(kāi)始主從機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。當(dāng)主機(jī)改為與其他從機(jī)通信時(shí)，可再發(fā)地址幀尋址從機(jī)，原先被尋址的從機(jī)其SM2位恢復(fù)為1，不能接收主機(jī)的數(shù)據(jù)幀。主程序流程,采用人性化設(shè)計(jì),用戶不必作任何操作,智能運(yùn)行。本智能儀有三種上水方法:缺水上水、溫控上水和手動(dòng)上水,前兩種在主程序中實(shí)現(xiàn)。初次安裝投入使用或停水后突然來(lái)水,水箱缺水,若溫度低于100,打開(kāi)電磁閥上水至設(shè)置水位(初始預(yù)置水位50% ) ;若溫度高于100,不上水,防止空曬后上水而炸管。太陽(yáng)曬后,當(dāng)水溫上升,溫度超過(guò)60 且水未滿時(shí),打開(kāi)電磁閥上

19、水至50 。晚上, 若熱水已用完,延時(shí)15 分,進(jìn)行缺水上水;若熱水未用完,不上水,以保證熱水充分利用。第二天太陽(yáng)出來(lái)后,利用溫控上水。在上水過(guò)程中,水壓過(guò)低或停水, 智能儀會(huì)自動(dòng)進(jìn)入低水壓上水模式:低水壓聲光報(bào)警, 間隔30 分鐘啟動(dòng)上水,若30 分鐘內(nèi)不能使水位上升一檔,則停止30 分鐘,然后再啟動(dòng),反復(fù)循環(huán),以免電磁閥長(zhǎng)時(shí)間通電而燒毀。在主程序中, 15 分鐘和30 分鐘的延時(shí),通過(guò)多次調(diào)用顯示子程序來(lái)實(shí)現(xiàn);檢測(cè)低水壓循環(huán)上水時(shí),也調(diào)用顯示子程序;所以智能儀在自動(dòng)上水的同時(shí), 也實(shí)時(shí)顯示水溫和水位。第2章 鍋爐水位控制的設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用MCS-2051結(jié)構(gòu)，然后在MCS-MCS-2051結(jié)構(gòu)

20、基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出具體的水位報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。并對(duì)數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊進(jìn)行仔細(xì)的分析。2.1水位測(cè)量方法概述 水位測(cè)量方案概述 水位測(cè)量方式很多，一般可分為：(1)電容式；(2) 超聲波式；(3)式；(4)式。其原理分別為：壓力傳感器安裝于水箱的底部, 根據(jù)流體的性質(zhì), 傳感器檢測(cè)的壓力大小只與水箱中水位的高度成正比, 而與水箱的截面積無(wú)關(guān)。防爆型、防腐型壓力傳感器可檢測(cè)易燃性液體、腐蝕性液體液位。用壓力傳感器檢測(cè)船舶機(jī)艙內(nèi)液柜的液位, 可減少船舶搖擺帶來(lái)的誤差。壓力傳感器與智能數(shù)字儀表或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成的控制系統(tǒng)可精確控制液位的高度, 并適時(shí)地顯示打印各測(cè)點(diǎn)液位數(shù)值。這是當(dāng)今技術(shù)

21、發(fā)展的潮流, 也是自動(dòng)化工廠采取的方案4。2.1.2水位測(cè)量方案原理 本文選擇了設(shè)計(jì)基于單片機(jī)，利用水的導(dǎo)電性，使用電極作為水位敏感元件檢測(cè)水位變化的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水位顯示及報(bào)警等功能。在水位超過(guò)或低于正常水位時(shí)蜂鳴報(bào)警器會(huì)發(fā)出警報(bào)。+12V電極1電極2電極3電極4單片機(jī)根據(jù)不同的輸入發(fā)出不同的響應(yīng)。用戶通過(guò)鍵盤控制可以選擇上水的方式和加水位置；實(shí)際的水位通過(guò)水位測(cè)量電路進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行分析判斷，決定下一步該發(fā)出什么命令給其它電路。電極5 +12V 圖2.1 水位測(cè)量顯示圖如圖2.1所示，如果經(jīng)過(guò)低于正常水位的話，就發(fā)出命令給執(zhí)行電路，進(jìn)行加水。正常狀態(tài)時(shí)再不顯示電路中顯示水位。當(dāng)缺水時(shí)

22、(處于缺水檔)，單片機(jī)響應(yīng)報(bào)警電路。2.1.3水位檢測(cè)顯示系統(tǒng)水位測(cè)試系統(tǒng)與單片機(jī)的并行I0口、電阻、電源及LED發(fā)光二極管共同組成水位檢測(cè)顯示系統(tǒng)，如圖1.1所示。電極K1、K2和K3的另一端分別與單片機(jī)的并行IC口P11、P12和P13相連，而對(duì)應(yīng)的lO口則通過(guò)電阻串LED接電源的正極。當(dāng)水位達(dá)到水滿位置時(shí)，此時(shí)通過(guò)水的導(dǎo)電，電極開(kāi)關(guān)K1、K2和K3都導(dǎo)通，相應(yīng)Pl口接地置低，3個(gè)發(fā)光二極管都點(diǎn)亮；當(dāng)水位達(dá)到正常水位時(shí)，K2和K3導(dǎo)通，而K1斷開(kāi)，相應(yīng)P12和P13置低，2個(gè)二極管點(diǎn)亮;當(dāng)水位達(dá)到缺水位置時(shí)，此時(shí)只有K3導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)只有IJFD3被點(diǎn)亮。通過(guò)二極管燈點(diǎn)亮個(gè)數(shù)的顯示，在現(xiàn)場(chǎng)給水

23、池注水時(shí)，就能很清楚的知道水位的狀況，這樣就能夠正確的注水了。圖1.1 水位檢測(cè)顯示系統(tǒng)2.2主控方法的選擇使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)鍋爐液位控制的優(yōu)點(diǎn)鍋爐微機(jī)控制,是近年來(lái)新開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù),它是微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物,工業(yè)鍋爐采用的是微機(jī)控制和原有的儀表控制,微機(jī)控制有以下明顯優(yōu)勢(shì):1)直觀而集中的顯示鍋爐各運(yùn)行參數(shù),能顯示液位、壓力、溫度狀態(tài)。2)在運(yùn)行中可以隨時(shí)方便的修改各種各樣的運(yùn)行參數(shù)的控制值,并修改系統(tǒng)的控制參數(shù),可以方便的改變液位、壓力、溫度的上限、下限。3)作為鍋爐控制系統(tǒng)裝置,其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,減少勞動(dòng)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

24、綜合以上的種種優(yōu)點(diǎn)可以預(yù)見(jiàn)采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是行業(yè)的大勢(shì)所趨。單片機(jī)是在一塊芯片上集成了一片微型計(jì)算機(jī)所需的CPU、存儲(chǔ)器、輸入、輸出等部件。單片機(jī)自問(wèn)世以來(lái),性能不斷提高和完善,體積小、速度快、功耗低的特點(diǎn)使它的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。 2.2.2 單片機(jī)的選取 如圖2.2所示為MCS-51圖2.2 8051單片機(jī)框圖它包括了下列幾個(gè)部件:(1)一個(gè)8位中央處理器CPU；(2)一個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)序電路；(3)4KB程序存儲(chǔ)器ROM；(4)128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM；(5)兩個(gè)16位可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；(6) 1個(gè)可編程的全雙工串行口；(7) 4個(gè)8位可編程并行I/O端口,即P0口,P1口P2口

25、,P3口；(8)64KB片外程存儲(chǔ)器ROM和64KB片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM的擴(kuò)展控制電路；(9)兩個(gè)優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu),5個(gè)中斷源.以上各部分通過(guò)內(nèi)部總線相連接。8051系列微處理器采用基于簡(jiǎn)化的嵌入式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于從軍事到自動(dòng)控制再到PC 機(jī)的各種應(yīng)用系統(tǒng)上。51系列單片機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)在于低廉的價(jià)格。但隨著各種控制及應(yīng)用程序的發(fā)展，它的一個(gè)先天缺陷非常明顯地暴露了出來(lái)。那就是它的尋址空間只有64kB，這是它的指令集決定的。MCS-2051適合于家用電器控制，分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，I/O量不足不是很大的應(yīng)用系統(tǒng)。MCS-2051在內(nèi)部I/O控制上繼承了MCS51的特性：5路2級(jí)優(yōu)待中斷，串等

26、口，2路定時(shí)器/計(jì)數(shù)器對(duì)于一些不大復(fù)雜的控制電路我們就可以增加少量元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如，對(duì)溫度的控制，過(guò)壓的控制等。本文之所以使用了MCS-2051單片機(jī)，是因?yàn)楸疚闹皇呛?jiǎn)單的測(cè)量水位的幾個(gè)狀態(tài),不需要太復(fù)雜的單片機(jī)。 第3章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理3.1水位測(cè)量控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述 單片機(jī)復(fù)位時(shí)鐘振蕩報(bào)警點(diǎn)按鍵調(diào)整主 控 制 器LED顯示水位傳感器設(shè)計(jì)基于單片機(jī)，利用水的導(dǎo)電性，使用電極作為水位敏感元件檢測(cè)水位變化的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水位顯示及報(bào)警等功能。在水位超過(guò)或低于正常水位時(shí)蜂鳴報(bào)警器會(huì)發(fā)出警報(bào)。檢測(cè)探頭系在一根均勻的金屬導(dǎo)線上，導(dǎo)線的另一端連接到檢測(cè)電路。平時(shí)探頭處于測(cè)位管管口的部位，檢測(cè)電路輸出一低電平信

27、號(hào)，需檢測(cè)水位時(shí)，單片機(jī)控制電路掃描水位的情況。當(dāng)水面下降接觸到探頭時(shí)，檢測(cè)電路輸出的低電平變?yōu)楦唠娖?，單片機(jī)檢測(cè)到電路的輸出變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，控制報(bào)警電路使蜂鳴器發(fā)出響應(yīng)。然后控制復(fù)位電路使單片機(jī)復(fù)位，一次檢測(cè)工作完畢。檢測(cè)水位完成后，通過(guò)串行接口將檢測(cè)的水位數(shù)據(jù)發(fā)送回主機(jī)。如圖3.1所示。如圖3.2可以看出,水位傳感器是在一根探棒上等間隔布置5 個(gè)電極,電極與一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)(R6R9) 相連,它們一起構(gòu)成分壓電路,設(shè)計(jì)時(shí)要恰當(dāng)?shù)剡x擇這些電阻的阻值,使得探棒懸空時(shí)有一個(gè)恰當(dāng)?shù)碾妷褐怠Ｌ桨羯钊胨袝r(shí),每淹沒(méi)一個(gè)電極,由于水電阻的作用, 的電壓值都會(huì)發(fā)生變化。不同的電壓值代表了被水淹沒(méi)的不同的電極。R

28、3、R4 將其轉(zhuǎn)換為適于單片機(jī)MCS-2051工作的電壓值,該電壓代表了水位的高低。把它接入MCS-2051 的P1.6。3. 4. 5點(diǎn)如同2點(diǎn)一樣，它們分別與P1.7，P1.4 P1.5 相連。它們代表了：2點(diǎn) 超高3點(diǎn) 高水位傳感器按如圖3.1所示的過(guò)程來(lái)執(zhí)行操作。3.2 主控制器的特性 它有以下一些特點(diǎn):2. 76V 工作電壓范圍;1k (或2k) 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器,編程次數(shù)可達(dá)1000 次, 同時(shí)數(shù)據(jù)可保存10 年以上;64 ×8 (AT89CMCS-2051 為128 ×8) 字節(jié)SRAM ;15 個(gè)可編程I/ O 口線; 1 個(gè)16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器(A

29、T89CMCS-2051 為2 個(gè)) ;I/ O 口線可直接驅(qū)動(dòng)LED 顯示器;與MCS - 51 產(chǎn)品完全兼容;全靜態(tài)操作,工作頻率為024MHz ;兩級(jí)程序加密防盜;片內(nèi)含一模擬比較器;具有空閑和掉電工作模式;三個(gè)(AT89CMCS-2051 為五個(gè)) 中斷源,二級(jí)中斷優(yōu)先級(jí);全雙工串行口( 只有AT89CMCS-2051 具有) , 內(nèi)部結(jié)構(gòu)管腳圖框圖如圖2.1 所示, 主要由算術(shù)邏輯運(yùn)算單元(ALU) 、各種寄存器單元、端口鎖存器及驅(qū)動(dòng)器和閃爍存儲(chǔ)器等組成。各引腳功能為:(1) RST :復(fù)位端,高電平復(fù)位,復(fù)位后所有I/ O 口均為高電平,除SP 為07 外,其余寄存器均清零。(2)

30、 XATL1 , XTAL2 : 分別為片內(nèi)振蕩器中反相放大器的輸入和輸出端, 接晶體振蕩器和陶瓷振蕩器均可以, 連接方式如圖2.2 所示。采用晶體振蕩器時(shí), C1 , C2 值可選用30p F ±10p F ,采用陶瓷振蕩器時(shí), C1 , C2 值可選用40p F ±10p F。當(dāng)外接時(shí)鐘信號(hào)時(shí),可直接連至XTAL1 端,并將XTAL2 懸空。(3) P1 口: 8 位雙向I/ O 口, P1. 2P1. 7 均有內(nèi)部上拉電阻, 而P1. 0、P1. 1 因具有第二功能,分別作為片內(nèi)精密比較器的同相、反相輸入端, 內(nèi)部沒(méi)有上拉電阻。P1 在閃爍存儲(chǔ)器編程、校驗(yàn)時(shí),接收和輸

31、出數(shù)據(jù)用。(4) P3 口: P3. 0P3. 5 和P3. 7 是7 位雙向I/ O 口, 均有內(nèi)部上拉電阻,同P1 口一樣, 能提供20mA 的驅(qū)動(dòng)吸收電流。P3. 6 口為內(nèi)部比較器的輸出端, 沒(méi)有硬件輸出引線, 其中P3. 0P3. 5 還具有第二功能,如表1 所示。P3口在閃爍存儲(chǔ)器編程和校驗(yàn)時(shí)主要作控制信號(hào)用。為了增加對(duì)模擬量的輸入功能，MCS-2051在內(nèi)部構(gòu)造了一個(gè)模擬信號(hào)比較器，其輸入端連到P1.0和P1.1口，比較結(jié)果存入P3.6對(duì)應(yīng)寄存器，（P3.6在MCS-2051外部無(wú)引腳），原理見(jiàn)上圖。3.3 水位測(cè)量電路 水位測(cè)量電路圖如圖3.4所示的是利用水的導(dǎo)電性, 設(shè)置上限

32、位、下限位電極, 當(dāng)水位浸沒(méi)上限位電極, 上、下電極導(dǎo)通而引起繼電器動(dòng)作，電壓為正，所以為高電平；當(dāng)水位浸沒(méi)上上限位電極時(shí)，電位如上；當(dāng)水位低于下限位電極時(shí)，上、下電極不導(dǎo)通而引起繼電器動(dòng)作，電壓為負(fù)，所以為低電平；當(dāng)水位低于下限位電極時(shí)，電位如上。3.4 水位狀態(tài)的顯示 水位狀態(tài)顯示圖如上圖3.5所示，當(dāng)水位浸沒(méi)上限位電極, 電位為高電平，二極管L2亮；當(dāng)水位浸沒(méi)上上限位電極時(shí)，電位為超高電平，二極管L1亮；當(dāng)水位低于下限位電極時(shí)，電位為低電平，二極管L4亮；當(dāng)水位低于下下限位電極時(shí)，電位為超低電平，二極管L5亮；當(dāng)水位處于正常水位時(shí)，二極管L3亮。 LED的選擇LED顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)

33、中常用的廉價(jià)輸出設(shè)備。它是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的，發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)一個(gè)筆劃發(fā)光，控制某幾段發(fā)光二極管導(dǎo)通，就能顯示某個(gè)數(shù)碼或字符。LED顯示有動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示之分。在靜態(tài)顯示系統(tǒng)中，每位顯示器都應(yīng)該有各自的鎖存器，譯碼器與驅(qū)動(dòng)器，用以瑣存各自待顯示數(shù)字的BCD碼或字段碼。因此，靜態(tài)顯示系統(tǒng)在每一位顯示輸出后能夠保持顯示不變僅在待顯示數(shù)字需要修改時(shí)，才更新其數(shù)字顯示器中瑣存的容內(nèi)容。這種顯示占用CPU的時(shí)間少，顯示穩(wěn)定可靠。缺點(diǎn)是，當(dāng)顯示的位數(shù)較多時(shí)，占用的I/O較多。在動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)中CPU需定時(shí)地對(duì)每位LED顯示器進(jìn)行掃描，每位LED顯示器分時(shí)輪流工作，每次只能使一位LED顯示，但由

34、于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，仍感覺(jué)所有的LED顯示器都在同時(shí)顯示。這種顯示的優(yōu)點(diǎn)是使用硬件少，占用I/O口少。缺點(diǎn)是占用CPU的時(shí)間長(zhǎng)，只要不執(zhí)行顯示程序，就立刻停止顯示。之所以選用89CMCS-2051單片機(jī)設(shè)計(jì)了LED顯示器，是因?yàn)樵谇度胧接?jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,經(jīng)常要考慮鍵盤顯示裝置的設(shè)置問(wèn)題。盡管有多種方案可以滿足鍵盤顯示的要求,但是這些方案都各有其優(yōu)缺點(diǎn),比如采用專用的鍵盤顯示器管理芯片8279,在系統(tǒng)的按鍵及顯示器位數(shù)較多時(shí)是一種好的方案,但目前鍵 盤的設(shè)置趨于簡(jiǎn)單化（即采用一鍵多用方式或利用增加鍵和減少鍵來(lái)取代數(shù)字鍵等）,因此,一般系統(tǒng)按鍵不多,其顯示器的位數(shù)一般也不超過(guò)8位。這樣,采用827

35、9由于需要較多的外圍電路器件,因此顯得不是很方便了。而14499是顯示器管理芯片,它雖然可以管理四位顯示器,但它沒(méi)有按鍵管理功能。此外,PS7219是高性能的多位LED顯示驅(qū)動(dòng)器, 可管理8位顯示器,并有很強(qiáng)的顯示管理功能,如位閃、復(fù)位等功能,但其售價(jià)較高,且不能獨(dú)立管理鍵盤。 3.4.2 138譯碼器原理譯碼是編碼的逆過(guò)程, 在編碼時(shí), 每一種二進(jìn)制代碼狀態(tài)都賦予了特定的含義, 即都表示一個(gè)確定的信號(hào)或者對(duì)象。把代碼狀態(tài)的特定含義翻譯出來(lái)的過(guò)程稱為譯碼。在數(shù)字電路中, 能夠?qū)崿F(xiàn)譯碼功能的邏輯部件稱為譯碼器(Decoder) 。實(shí)際上, 譯碼器就是把一種代碼轉(zhuǎn)換為另一種代碼的電路。如圖3.6所

36、示，用來(lái)表示輸入變量狀態(tài)的譯碼器是一種二進(jìn)制譯碼器, 輸入輸出代碼之間的關(guān)系可由真值表表示。n個(gè)輸入代碼就有2n 個(gè)輸入狀態(tài), 因此譯碼器就有2n個(gè)輸出和輸入狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。每個(gè)輸出的特定電位狀態(tài)表示輸入代碼的一種組合。74LS138 芯片有3 條譯碼輸入線和8 條譯碼輸出線, 是一種3 線- 8 線全譯碼器。74LS138 的邏輯符號(hào)和真值表分別如圖2.1 和表2 所示。譯碼器原理圖表1 3 線- 8 線譯碼器真值表Sb + Sc SaA2 A1 A0 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y71* * *1111111*0 * *111111101 0 00011111101 0 0110

37、1111101 0 10110111101 0 11111011101 1 00111111101 1 01111101101 1 10111110101 1 1111111103 線- 8 線譯碼器74LS138 有3 個(gè)使能輸入端, 其中Sa 是高電平使能, Sb 和Sc 是低電平使能。合理使用這些使能輸入端, 不附加其它電路即可擴(kuò)展其譯碼功能, 構(gòu)成4 線- 16 線譯碼器、5 線- 32線譯碼器、6 線- 64 線譯碼器, 甚至于更多線的譯碼器。擴(kuò)展3 線- 8 線譯碼器74LS138 芯片為4 線- 16線譯碼器并實(shí)現(xiàn)任意4 位二進(jìn)制編碼的譯碼, 例如循環(huán)碼的譯碼和BCD 碼的譯碼。

38、實(shí)現(xiàn)74LS138 芯片的擴(kuò)展: 假定D 為最高位,將D 信號(hào)接74LS138 ( I) 的控制端口Sb 與Sc 和74LS138 ( II) 的控制端口Sa 。CBA 分別接74LS138 ( I) 、74LS138 ( II) 的A2 ,A1 ,A0 。也就是說(shuō),只有當(dāng)D = 0時(shí),74LS138 ( I) 芯片才處于正常的譯碼狀態(tài);只有當(dāng)D = 1時(shí),74LS138 ( II) 芯片才處于正常的譯碼狀態(tài)。利用擴(kuò)展的74LS138芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)4位二進(jìn)制編碼的譯碼。表3列出了用擴(kuò)展的74LS138實(shí)現(xiàn)常用BCD 譯碼器的輸出選擇情況,其中D0D9為BCD 譯碼輸出,低電平有效。71LS138有

39、三個(gè)附加的控制端、和。當(dāng)、時(shí)，輸出為高電平（S1），譯碼器處于工作狀態(tài)。否則，譯碼器被禁止，所有的輸出端被封鎖在高電平，如表所示。這三個(gè)控制端也叫做“片選”輸入端，利用片選的作用可以將多篇連接起來(lái)以擴(kuò)展譯碼器的功能。無(wú)論從邏輯圖還是功能表我們都可以看到74LS138的八個(gè)輸出引腳，任何時(shí)刻要么全為高電平1芯片處于不工作狀態(tài)，要么只有一個(gè)為低電平0，其余7個(gè)輸出引腳全為高電平1。如果出現(xiàn)兩個(gè)輸出引腳同時(shí)0的情況，說(shuō)明該芯片已經(jīng)損壞6。3.5 報(bào)警電路水位傳感器利用水的導(dǎo)電性,結(jié)合MCS-2051, 產(chǎn)生脈沖信號(hào),從T0 、T1 引腳輸入單片機(jī)。經(jīng)轉(zhuǎn)換計(jì)算,將實(shí)測(cè)的水位值存入數(shù)顯緩沖區(qū)。將MCS-

40、2051 的P1. 0 P1. 6 通過(guò)電阻接到VDD ,每個(gè)口線可提供20mA 的吸入電流,直接驅(qū)動(dòng)LED, 顯示水溫; LED 采用共陽(yáng)極接法,其輸出電流雖小,但驅(qū)動(dòng)水位顯示指示燈已足夠。由單片機(jī)控制通過(guò)P3 口動(dòng)態(tài)顯示實(shí)測(cè)的水位。報(bào)警電路圖如圖3.7所示，開(kāi)關(guān)有定時(shí)、上水和水位設(shè)置三個(gè)功能鍵,利用MCS-2051 的P0 口鍵盤中斷,實(shí)現(xiàn)定時(shí)時(shí)間的設(shè)定、手動(dòng)上水和水位的設(shè)置等。相應(yīng)的聲光報(bào)警電路, 采用高亮度LED 和高響度蜂鳴器,由單片機(jī)控制,發(fā)出不同的聲光報(bào)警。第4章 軟件設(shè)計(jì)4.1 水位測(cè)量軟件流程圖顯示水位發(fā)出報(bào)警掃描水位高水位向單片機(jī)發(fā)送檢測(cè)信息超高水位低水位YYYNNNY超低

41、水位N水位測(cè)量軟件流程圖下列五種情況發(fā)生系統(tǒng)報(bào)警。 1)當(dāng)鍋爐達(dá)到上限極限水位時(shí)，顯示水位，發(fā)出報(bào)警；2)當(dāng)鍋爐超過(guò)上限極限水位時(shí)，顯示水位，發(fā)出報(bào)警；3)當(dāng)鍋爐達(dá)到下限極限水位時(shí)，顯示水位，發(fā)出報(bào)警；4當(dāng)鍋爐達(dá)到下限極限水位時(shí)，顯示水位，發(fā)出報(bào)警；5)循環(huán)泵故障報(bào)警，當(dāng)循環(huán)泵開(kāi)啟后，出水與回水溫度的差值很大，認(rèn)為循環(huán)泵故障，報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警。第5章 結(jié)論本系統(tǒng)硬件采用MCS-2051 系列單片機(jī)構(gòu)成，采用單片機(jī)來(lái)作系統(tǒng)的控制部分，完全可以實(shí)現(xiàn)水位報(bào)警器的功能并達(dá)到要求。目前，單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)很成熟，而且單片機(jī)的價(jià)格比較便宜，開(kāi)發(fā)的時(shí)間又短。在能達(dá)到要求的情況下，用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)水位報(bào)警器的設(shè)計(jì)較為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。但對(duì)于程序設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)就必須對(duì)硬件要有足