锅炉液位控制系统的设计

锅炉液位控制系统的设计

摘要：设计了一种数字式锅炉液位控制系统，并给出了硬件原理图和软件流程图。该控制系统主要由8051单片机、传感器、L E D显示、声光报警、电机驱动、键盘输入等相关硬件来实现,利用传感器(干簧管阵列)监测锅炉液位、ＣＰＵ循环检测传感器的输出状态,并用光柱和数码管L E D指示液位高度。当液位达到设定值时，系统自动关闭水泵停止上水。当水位处于危险高水位和危险低水位时，单片机发出信号，触发蜂鸣器报警装置，蜂鸣器发出响声。同时，和它并联的发光二极管发光，提醒工作人员采取相应措施，进而避免危险事故发生。该系统结构简单，性能可靠、具有很好的容错能力,简化了系统安装和维护，具有较高的性价比,能很好地完成锅炉液位控制的要求。

关键词;锅炉液位；单片机；传感器；干簧管；报警

0引言

锅炉的液位监控是锅炉运行过程中的一个重要环节。在锅炉运行中，要同时控制锅炉的液位、流量按一定规律变化，才能保证锅炉的正常运行。

目前常用的液位传感器有：旋转编码浮子式传感器(机械式和光电式)、非接触式超声波传感器、压力式传感器、磁浮子接点式传感器(连续式和液位开关式)等。其分辨率从毫米级到厘米级不等，测量范围从几十厘米到几十米。除磁浮子接点式传感器外，其余传感器均比较适合测量范较宽的应用场合。一般压力式和超声波传感器均带有变送部分，即将液位信号转换成标准电流信号(4~20mA)。旋转编码浮子式传感器分为机械式和光电式两种，光电式又分为绝对型和增量型。除智能型一体化传感器外(压力式或超声波)，其他传感器一般没有就地显示和数字通信功能，控制和使用都很不方便。

为此，设计了一种数字式锅炉液位控制系统,该系统采用干簧管阵列作为传感器，利用单片机循环检测其输出状态，从而控制锅炉液位达到用户预先设定的高度。当水位超过最高水位或低于最低水位时,系统报警，同时控制停炉。

1锅炉液位测量系统概述

1.1系统结构及测量原理

用单片机实现的锅炉液位测量是基于干簧管和浮子,该浮子(即磁钢浮子)是一种特制的不锈钢圆筒,圆筒内附有磁铁，像原来浮子测量液位一样,是通过水位计与锅筒汽水连管结合处的专用连接三通,将锅炉汽水引至传感器外套筒内,使磁钢浮子在套筒内与锅炉水位同步升降,浮子的磁场力作用在套筒外的磁控开关阵上，当液位高时,浮子上移,与浮子磁铁对应处的干簧管吸合,其他的干簧管则处于断开状态,ＣＰＵ循环检测干簧管阵列中某一个或几个干簧管触点闭合状态来表示浮子位置，即液面位置,从而控制液位高度，其测量原理如图3-2所示。

图3-2 锅炉液位测量原理

锅炉允许液位波动范围小于20cm,要求传感器测量精度为1cm,在安全与非安全界限处要求传感器的测量精度为0.5cm.所以设计传感器时,使最高安全液位界限处的干簧管与上、下相邻的干簧管中心距为0.5cm;使最低安全液位界限处的干簧管与上、下相邻的干簧管中心距为0.5cm.根据以上要求需要22个干簧管，液位值为-75cm 处表示最低安全界限,那么表示液位值为-70cm 和-80cm 的干簧管与表示液位值为-75cm 的干簧管中心距为0.5cm;同理,表示液位值为75cm 处表示最高安全界限,那么表示液位值为70cm 和80cm 的干簧管与表示液位值为75的干簧管中心距为0.5cm.其余的干簧管间距1cm.

干簧管 干簧管

1.2系统测量特点

一般的检测方法是采用电阻分压方式，其输出电压Vo是第i个闭合干簧管的分压值。这种测量方法需精确稳定的电源Ve和分压电阻R，通过适当的变换电路(V/I)，可获得4~20mA标准电流输出。但是，如果多个干簧管同时接通，就会影响其分压电阻比，产生较大的测量误差。若在测量中产生一个或多个干簧管永久性导通(干簧管失效)，则测量无法正常进行。

数字式锅炉液位的测量机理与原模拟系统相似,其差别是用微处理器来读取干簧管的工作状态,与浮子正对的干簧管吸合,则CPU读取该位的数据为“0 ”,否则为“1”，不同的液位必对应不同的干簧管状态,那么,微处理器读到的数据也不同，由软件对数据进行一系列处理,最后,取得表征液位的编码,通过微处理器的串口与上位机相连,这样就达到了数字化的要求，由于每一个干簧管与CPU的P1,P2,P0端口相连,每一个端口对应一段液位,测量液位就是读取P1,P2,P0口的数据[1],将这些数据组合表征了液位的高低。

2数字式锅炉液位控制系统硬件设计

2．1控制系统结构框图及工作原理

系统由数据采集、显示报警、电机驱动、键盘输入几个模块组成。结构如图3-1所示。该系统采用传感器（干簧管阵列）测量锅炉液位值，由单片机循环检测干簧管阵列中某一个或几个干簧管触点闭合状态来表示浮子位置，即液面位置,从而控制液位高度，然后分别在LED 上显示；根据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进行开、关水泵，以及是否到达危险高、低水位报警，同时关闭加热用的鼓风机。

图3-1系统硬件原理图

2．2控制核心—8051

1．8051是MCS51系列单片机的一个产品。MCS51系列单片机是Intel公司推出的通用型单片机，其结构特点如下：

（1）8位CPU；

（2）片内震荡及时钟电路；

（3）32根I/O线；

（4）外部存储器寻址范围ROM、RAM各64K；

（5）2个16位的定时器/计数器；

（6）5个中断源，2个中断优先级；

（7）全双工串行接口。

2.8051系列单片机的内部结构

8051系列的内部结构可以划分为CPU、存储器、并行口、串行口、定时器/计数器、中断逻辑几部分。

并行口：P0，P1，P2，P3；

中断口：IE，IP；

定时器/计数器：TMOD，TCON，T0，T1（分别由两个8位寄存器TL0和THO，TL1和TH1组成）；

串行口：SCON，SBUF，PCON。

3．其引脚功能说明如下：

Vcc:+5V电源线。

VSS:接地线。

XTAL1和XTAL2:片内振荡电路输入线。这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，在石英晶体的两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。即用来连接8051片内OSC的定时反馈回路，石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，

以便使MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常，OSC的输出时钟频率fOSC为0.5MHz-16MHz，典型值为12MHz或者11.0592MHz。电容C1和C2可以帮助起振，典型值为30pF，调节它们可以达到微调fOSC的目的。

RST:复位信号输入端。单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位后是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便可实现初始化状态复位。

P1端口：这八条引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同情况之下。第一种情况是8051不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O 接口用，P0.7-P0.0用于传送CPU的输入/输出数据。这时，输出数据得到锁存，不许外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据的可靠性。第二种情况是8051带片外存储器，P0.7-P0.0在CPU访问片外存储器时先用于传送片外存储器的地8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。

P2端口：这组引脚的第一功能与上述引脚的第一功能相同，它可以作为通用I/O接口使用，它的第二功能和P0口的引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高八位地址，共同选中片外存储器单元，但并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。

P3端口：这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同。第二功能作控制用，每个引脚并不完全相同，如表3-2所列。

本设计采用8051的P1.3～P1.6口作为键盘控制口，P1.7作为报警电路控制口，T1,T0直接接光电耦合放大电路去驱动停水电机和停炉电机，P3.P3.3为检测电路输入口，RXD,TXD口用来驱动74LS164移位寄存器，进行光柱显示，P3.6,P3.7用来驱动两片74LS373,显示液位值。

4.时钟电路：

单片机的时钟电路可以有两种方式产生：内部时钟方式和外部时

钟方式。本系统采用内部时钟方式，即利用8051芯片内部振荡电路，在X1和X2引脚上外接晶振元件，并接两个电容到地，如图3-12。C1和C2取30pf ，晶振频率为6MHz 。

表3-2 P 3口各位的第二功能

5.复位电路

复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把单片机初始化为0000H ，使单片机从

0000H 单元开始执行程序。

RST 复位信号是高电平有效。若使用频率为6MHz 的晶振，则复位信号持续时间应超过4us 才能完成复位操作，在本系统中采用按键手动复位中的电平

方式，即按键电平复位。电路图如图3-13。

电路图中的电容参数适合于6MHz 晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于两个机器周期。

S35SW -PB

图3-12 时钟电路图 图3-13 复位电路图

2.3传感器部分

2．3．1干簧管简介传感器由干簧管阵列组成,干簧管是外部用玻璃封装的一种磁力开关,它是能检测磁场位置的一种测量元件，由于干簧管工作在与锅炉汽水相连的外套筒上,当锅炉压力较大时温度很高,干簧管工作在高温且温度变化剧烈的温度场内，由于干簧管的结构组分不同,即金属和玻璃产生的形变大小不同,这样就可能造成干簧管的玻璃与金属接合处产生裂纹,甚至破裂，另外,干簧管在安装时需要将两端折弯,在折弯的过程中外部封装上下易损伤(特别是暗伤,不易被人发现),现场运行时温度变化剧烈,必然导致损伤程度加重,严重时干簧管出现故障，一旦干簧管出现故障,会造成液位测量的数据不正确，这样一来,会导致发出一系列错误的命令,轻者造成系统故障,严重者可能发生锅炉爆炸等危险事故，所以必须采取相应措施

2．3．2干簧管与单片机的连接传感器由22个干簧管组成,如果直接将22个干簧管CPU直接相连,占用系统I/O口线,所以将22个干簧管与3片多路选择开关74LS151的输入端I0,I1,I6…I7相连,将3片74LS151的输出端Z连在一起送往CPU的P1.0口,通过4-16译码器74LS154来选择哪个74LS151工作,当某片74LS151工作时,通过输入3根线A,B,C选择8个输入通道中的一个输出到输出管脚Z,CPU通过采集输出管脚的信号即可判断当前的液位值。原理图如图1-1所示。2．3．3 74LS151简介74LS151是一种典型的集成电路数据选择器，它有3个地址输入端CBA，可选择D0～D7 ８个数据源，具有两个互补输出端，同相输出端Ｙ和反相输出端Ｗ。其逻辑图和引脚图分别如图2-1所示：由逻辑图可知，该逻辑电路的基本结构为“与一或一非”

形式。输入使能Ｇ为低电平有效。输出Ｙ的表达式为:式中Mi为CBA的最小项。例如，当CBA＝010时，根据最小项性质，只有M2为１，其余各项为０，故得Ｙ＝D2，即只有D2传送到输出端。上面所讨论的是１位数据选择器，如需要选择多位数据时，可由几个

１位数据选择器并联组成，即将它们的使能端连在一起，相应的选择输入端连在一起。当需要进一步扩充位数时，只需相应地增加器件的数目。

图1-1传感器测量原理图

图2-174L S151的结构图

2.3.4 74LS154的介绍74LS154的引脚图如图2-2所示, 译码芯片

74LS154是四—十六译码器。G1、G2为使能端。A、B、C、D为四个输入端。0—15为输出端，输出低电平有效。D为高端A为低端，A—D 从0000—1111输入，则输出端轮流输出一个低电平。只要G1、G2符合要求，无论A—D什么组合输入，输出都是有效的。

图2-2 74L S154的引脚图

2．4液位指示部分

2．4．1 LED数码显示

1.显示原理

通常所说的LED显示由7个发光二极管组成，因此也称之为七段LED显示器。此外，显示器中还有一个圆点形发光二极管，用于显示小数点。通过七段发光二极管亮暗的不同组合，可以显示不同的数字，字母以及其它符号。LED显示器的发光二极管有两种连接方法：（1）共阳极接法：

把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接+5伏。这样阴极端输入低电平的发光段二极管就导通点亮，而输入高电平的则不点亮。

（2）共阴极接法：

把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。使用时公共阴极接地，这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电

平的则不点亮。在使用LED显示器时要区别这两种不同的接法。为了显示数字或符号，要为LED显示器提供代码，因为这些代码是为了显示字型，因此称之为字型代码。

显示器是有六位共阴极LED （数码）构成的，采用动态扫描的方法进行显示，即逐个的循环点亮各位。

2. LED驱动电路

在数据总线和LED显示器之间，必须有锁存器或I/O接口电路,此外还需有专用的译码器/驱动器.译码驱动器可以实现BCD码到七位段码的转换，完成一位LED显示器的接口。使用专用的七位段码的译码器驱动器，可以把一位十六位进制数译码为相应的字型代码，并提供足够的功率去驱动发光二极管。

本系统通过3位LED显示液位值，第一位为显示液位的正负号，后面两位显示液位值。用两片74LS373锁存段码和位码数据，锁存后的数据段控通过74LS244对LED进行驱动以输出8位字形码，由于位控的驱动电流较大，八段全亮时约为40—60mA，因此在输出加74LS06进行反向驱动和提高驱动能力，然后再接各LED显示器的位控端。如图3-3所示。

(1) 锁存器74LS373

74LS373是一种8D锁存器，具有三态驱动输出，其结构图如图3-4所示，从图可见，该锁存器由8个D门组成，有8个输入端1D～8D，8个输出端1Q～8Q，2个控制端—G和OE，使能端G有效时，将D端数据打入锁存器中D门，当输出允许端OE有效时，将锁存器中锁存的数据送到输出端Q，当使能端G为高电平时，同时输出允许端OE为低电平，则输出Q=输入D；当使能端G为低电平，而输出允许端OE也为低电平时，则输出Q=QO（原状态，即使能端G由高电平变为低电平前，输出端Q的状态，这就是“锁存”的意义）。当输出允许端OE为高电平时，不论使能端G为何值，输出端Q总为高阻态。74LS373锁存器主要用于锁存地址信息、数据信息以及DMA页面地址信息等。