河南科技学院新科学院 单片机课程设计报告
题目：基于单片机的锅炉水位控制器
专业班级：电气工程及其自动化104 姓 名： _ 时 间：2012.12.03～2012.12.21 指导教师： 邵峰、徐君鹏、张素君
2012年12月20日
基于单片机控制的锅炉水位控制器设计任务书
一. 设计要求 (一) 基本功能
1.具有手动和自动两种操作模式
2.能够实现多点水位数据采集，并实时进行水位状态显示 3.具有多种连锁保护和报警功能 具体工作过程如下：
控制器上电后，首先处于自动工作模式，程序开始扫描当前锅炉的水位和压力状态，如果水位低于正常水位，发出报警信后，同时启动水泵上水，经过一定时间后，如水位到达正常水位，报警将自冻结除，同时如果压力为低压状态则马上启动鼓风机和引风机，否则控制器自动关闭鼓风机和引风机。如果水位达到最高水位和压力超过设定压力时自动报警，同时关闭水泵和风机。系统时刻跟踪显示水位和压力状态。如果你想手动操作，你可以通过手动/自动转换键把系统置为手动工作模式，此时可由人工控制水泵和风机的运行，水位和压力检测由控制器自动完成，且当水位过低时不能手动停止水泵，过高时不能启动水泵，压力过低不能停止风机，过高不能启动风机，从而实现安全联锁保护控制。 （二）扩展功能
1.系统具备一定的硬件抗干扰能力 2.系统增加软件看门狗功能 二．计划完成时间 三周
1.第一周完成软件和硬件的整体设计，同时按要求上交设计报告一份。 2.第二周完成软件的具体设计和硬件的制作。 3.第三周完成软件和硬件的联合调试。
目录
1引言……………………………………………………………………………… 1 2总体设计方案…………………………………………………………………… 1 2.1设计思路 …………………………………………………………………… 2 2.2设计方框
图 ……………………………………………………………………2
3设计组成及原理分析…………………………………………………………… 3 3.1水位检测电路设计…………………………………………………………… 3 3.2驱动电路
设计………………………………………………………………… 4
3.3报警电路设计………………………………………………………………… 4 3.4复位电路 ………………………………………………………………………5 3.5振荡电路……………………………………………………………………… 5 3.6水位指示电路 ……………………………………………………………… 6 3.7手动自动路…………………………………………………………………… 6 4总结与体会……………………………………………………………………… 7 参考文献…………………………………………………………………………… 8附录1
…………………………………………………………………………… 9附录2 …………………………………………………………………………… 10附录3 …………………………………………………………………………… 11附录4……………………………………………………………………………… 12
基于单片机控制的锅炉水位控制器设计任务书
摘 要：该设计是由ATS51单片机控制的锅炉水位控制器，它主要有硬件和软件部分共同完成控制系统功能。其中硬件部分主要由水位检测电路、驱动电路、水位指示电路以及压力自动控制模拟和手动控制等部分组成；软件部分主要由汇编语言所编写的程序组成。本系统可实现水位报警、控制和压力控制等功能，并对水位进行数字显示。
关键词：单片机、锅炉、水位控制、水位数字显示、数码管
1 引言 目前我国燃烧锅炉的数量众多，现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原
煤产量的四分之一，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。锅炉微机控制，是近年来新开发的一项新技术。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，工业锅炉采用的是微机控制和原有的仪表控制。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。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量越来越大，蒸汽锅炉的容量不断高，对操作过程的要求更加严格，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越来越高。随着单片机技术和自动控制技术的发展，利用单片机及外围芯片实现锅炉液位控制已经成为一种趋势，单片机体积小，安装方便，功能齐全，性价比好，应用前景广。本系统即是基于单片机ATS51单片机设计的，有着较高的实用价值和优越性。本系统若用于高级工业控制，可进行相应功能，为人们提供更多的工业自动化控制便利，节约工业成本，节省人力资源，避免了一些不必要的安全事故。
2 总体设计方案
本系统是由硬件和软件共同构成。硬件部分有水位监测电路，驱动电路，手动自动切换电路，水位显示电路，光报警电路，声报警电路。而软件部分由烧进单片机ATS51的汇编程序构成。当水位低于设定的低水位时，发光管亮，蜂鸣器响，即光报警和声报警，水泵开始工作。然后报警解除。当水位高于设定的高水位时，开始报警，水泵停止工作。同时这个系统还可以实现手动自动转换。满足现在的需求。而且还能实现联保功能：当水位低于低水位时不能停止水泵工作，当水位高于高水位时不能启动水泵。在保证了这个系统的正常工作同时还减少了系统故障的发生。整个系统的原理图见附录1。仿真图见附录2。程序流程图见附录3。程序见附录4。
2.1 设计思路
电路主要实现功能是水位检测和报警，然后控制水泵的启停。水位控制主要的控制的对象是水泵，容器是锅炉，水位的检测可根据探测器探测得到。水位正常情况下控制在一定测量点距离段之间，当水位低于或高于正常水位段下限和上限是进行光报警与声报警，若水位在正常水位时，则解除报警。当水位低于水位下限时，水泵一直注水，而高于上限时则关闭水泵，并且当水位处于不同探测电时，可显示相应数字来显示水位。压力检测主要由一个开关来模拟压力的高低，并用指示灯的亮灭来模拟风机的运行和停止，另设手动操作按钮，用以人为启动水泵和风机。 2.2 总体设计框图
光报警 声报警 手动操作
检测电路 ATS51
执行电路 驱动电路 水位指示电复位电路 晶振电路 图1设计方框图
3 设计原理分析
3.1 水位检测电路设计
单片机锅炉水位控制原理如图2所示。图中的虚线表示允许水位变化的上、下限位置。在正常情况下，水位应控制在虚线范围之内。在锅炉内的不同高度处，安装固定不变的3根金属棒A、B、C，用以反映水位变化的情况。其中，B棒处于下限水位，C棒位于上限水位，A棒接5V电源，B、C通过电阻接地。当水位下降到下限时，B、C棒不能与A棒连通，B、C为低电平，应启动电机供水。水位处于上下限之间时，A、B连通，B为高电平，C为低电平，此时，电机保持原有工作状态。当水位达到上限时，B、C棒接通高电平，此时应停止电机和水泵工作。
图2锅炉水位控制原理图
在锅炉的内部我们设计一个简易的水位探测传感器用来探测三个水位，即低水位，
正常水位，高水位。低水位时送给单片机一个高电平，驱动水泵加水，红灯亮，蜂鸣器响；正常范围的水位时，水泵加水，绿灯亮，蜂鸣器不响；高水位时，水泵不加水，黄灯亮，蜂鸣器响。
而水位的情况将通过数码管显示出来，当水位为下限时，数码管显示为1，当水位为正常水位时数码管显示为2，当水位为上限水位时，数码管显示为3，当出现故障时，数码管显示为从而根据不同的关系来控制输出电路其具体逻辑关系如下表1所示。水位用开关模拟如图3所示 表1逻辑关系图 上限 故障 正常 下限 R51kP3.0 220P3.1 1 0 1 0 1 1 0 R130 220R4光报警 报警 报警 不报警 报警 Q3NPN声报警 报警 报警 不报警 报警 数码管显示(P2) 3 4 2 1 R61k 图3水位模拟开关
3.2驱动电路
该电路时用开关来模拟实现。当开关按下时，电机即水泵开始工作。当开关 断开时，水泵停止工作。电路图如图4所示 R54.7k 图4开关模拟驱动电路
3.3报警电路
该电路是由光报警电路和声报警电路共同组成。光报警电路由三个发光二极管代替，分别为红，黄，绿。声报警电路由蜂鸣器构成。当红色的亮时，说明水位低，蜂鸣器响，系统启动水泵开始工作。当绿色的亮时，蜂鸣器不响，水泵继续工作。当黄色的亮时，蜂鸣器响，水泵停止工作。当三个都亮时，故障。光报警电路如图5所示，声报警电路如图6所示 D3LED-REDD4R9220R10220LED-YELLOWD5R11220LED-GREEN 图5光报警电路 Q5R23100R10200C3NPN22uFBUZ1R111k图6BUZZER声报警电路
3.4复位电路 该电路采用开关使系统具有复位功能。如需复位时，按下开关则恢复到原来状态。电路图如图7
图7复位电路
3.5振荡电路
该电路为振荡电路，由晶振构成。晶振不同，振荡频率不同。本电路用的是12MHZ的晶振。振荡电路是为了给单片机提供工作频率。电容是起振作用的。电路图如图8所示
C130pFX1CRYSTALC230pF
图8振荡电路
3.6水位指示电路
水位指示电路电路是用数码管和电阻构成。主要是使用输出端口的信号驱动数码管显示，根据信号的不同将显示不同的数字。当水位低于下限水位时，将显示1，当水泵工作时，显示2，当水位高于高水位时将显示3，当出现故障时将显示4。电路图如图9所示
R21R141kR151kR161kR171kR181kR191k1k1kR20 图9水位指示电路 3.7手动自动切换电路 该图用开关S6、S8分别模拟高低压和过高过低压。当S6按下时，系统实现自动控制。当S6断开时，可以实现手动控制水泵的开关。S8按下时，水泵开始抽水，当开D5关断开时，可以停止水泵抽水。从而实现了手动自动的切换。电路图如图10 LED-GREENR1210kS6D210A01Q4NPNS8 图10手动自动切换电路
4 总结与体会
这次设计我选的是锅炉水位控制器这个题目。经过三个星期的努力做出来的系统基本能实现基本要求。首先，这个系统可以实现手动自动两种操作模式。我用一个开关来切换手动和自动控制：开关按下时可以自动操作，当开关断开时就可以实现手动操作。其次，这个系统可以实现报警要求。当水位过低时，红灯亮，蜂鸣器也响。当水位介于
低水位和高水位之间时，绿灯亮，表示还在注水。当水位高于高水位时，黄灯亮，蜂鸣器响。如果系统出现故障时，不仅三个灯都亮，蜂鸣器也还响。这样可以及时提醒人来维护，从而可以避免一些不必要的安全事故和人身财产伤害，大大提高了工作效率和安全指数。不仅如此，本系统还有数码管，可以显示水位状态，使人可以一目了然锅炉中水位。及时来做出判断。本系统还可以实现联保功能，当水位低于低水位时，手动不能操控来停止水泵的工作，而当水位高于高水位时，手动同样不能启动水泵注水，这样就避免了一些因人为的操作不当而造成的错误结果。这次试验由于从选题到制作电路板再到调试程序都是我们两个人做的，所以会遇到很多的问题。选过题目以后，我们开始制作原理图。一个人作另一个在旁边看着以免出错，结果还是出现了一些错误，当生成PCB图时由于一些线没连好造成出现错误提醒。我们又慢慢认真的检查了一遍，排查出错误后才顺利的完成了第一步。接着制板时由于操作不当，致使一些线路断了。我们只有用跳线来连接。调试程序时费得功夫最多。等调好仿真好后开始烧程序。然而烧好后才发现硬件并没那么好。接着就开始一部分一部分开始检查修改。最后结果还是不太如人愿。这次实习让我也收获不小。学到的知识可以实现出来真的挺让人振奋的。我也从中认识到自己的不足之处，以后一定好好学习弥补这些不足。
参考文献
[1] 叶挺秀.应用电子学［Ｍ］.杭州：浙江大学出版社，1994
[2] 阎石.数字电子技术基础（第三版）［Ｍ］. 北京：高等教育出版社，19
[3] 李旭东，宗光华，毕树生，等.生物工程微操作机器人视觉系统的研究［Ｊ］.北京航空航天大学学报，2002，28(3)：249～252
附录1
附录2
10kR22C222pfC1X1CRYSTAL1819U1XTAL2XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4393837363534
附录3
重 新 扫 描
附录4
开始初始化重新扫描P1.1=0 P1.2=0(P1)=#00H?YP1.3=1 P1.4=1水泵抽水，红灯亮延时0.5秒NP1.1=0 P1.3=0(P1)=#01H?YP1.2=1 P1.4=1水泵抽水，绿灯亮NP1.1=1 P1.2、(P1)=#02H?YP1.3 、P1.4同时变为0或1水泵停止抽水，灯闪烁NP1.1=1 P1.4=0(P1)=#03H?YP1.3=1 P1.2=1水泵停止抽水，黄灯亮 ORG 0000H
START: SETB P1.0 SETB P1.1 RESTART: MOV A,P1 ANL A,#00000011B
CJNE A,#00H,LOOP1 ;在低水位之下，开启电动机，亮红灯 SETB P3.2 SETB P3.3 CLR P3.0 CLR P3.1 LCALL DELAY LJMP RESTART
LOOP1: CJNE A,#01H,LOOP2 ;当超过低水位，并且未达到高水位时，保持电动机转动，亮绿灯 SETB P3.2 SETB P3.1 CLR P3.0 CLR P3.3 LCALL DELAY LJMP RESTART
LOOP2: CJNE A,#02H,LOOP3 ; 系统故障（达到高水位，却没达到低水位）红，黄，绿灯均闪烁 SETB P3.0 CLR P3.3 CLR P3.2 CLR P3.1 LCALL DELAY SETB P3.3 SETB P3.2 SETB P3.1 LCALL DELAY LJMP RESTART
LOOP3: CJNE A,#03H,RESTART ;当达到高水位时，停止电动机，亮黄灯 SETB P3.1 SETB P3.0 SETB P3.3
CLR P3.2 LCALL DELAY LJMP RESTART DELAY: MOV R0,#250 DELAY3: MOV R1,#200 DELAY2: MOV R2,#5 DELAY1: DJNZ R2,DELAY1 DJNZ R1,DELAY2 DJNZ R0,DELAY3 RET END
