1、本科毕业论文（20 届）基于 C51 单片机的船舶辅锅炉水位自动控制系统设计所在学院专业班级 轮机工程学生姓名指导教师完成日期摘要锅炉水位是锅炉运行时重要的参数，水位过低可能会发生锅炉干烧现象，导致锅炉烧坏。水位过高会导致蒸汽带水过多，蒸汽品质下降，会引起设备腐蚀、水击，烧坏过热器管子。本文在“育鲲”轮辅锅炉现有设备的基础上，设计了一套简易的锅炉水位自动控制系统，由于育鲲轮通常是在航行时使用废气锅炉，停泊时使用燃油锅炉，对水位的控制不需要很精确，所以本系统对燃油锅炉水位采用单冲量控制。系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统和软件系统都采用模块化设计，将系统分为若干模块进行初步设计，然后将
2、各个模块进行整合，经过改进最终形成一个完善的控制系统。用仿真软件 Proteus 和编程软件 Keil 相结合，完成系统硬件设计和软件编程，程序由 C 语言编写。硬件系统以STC89C52 单片机为核心，包括模拟量采集输入模块、单片机最小单元模块、报警模块、键盘模块、显示模块及端口扩展模块。软件系统包括初始化模块、中断模块、数据处理模块、键盘模块、显示模块、A/D 转换模块和报警模块。通过硬件系统和软件系统相结合，实现具有液位检测和控制的双重功能，同时也具有报警和显示的功能，并能通过键盘对参数值进行手动设定。最后，提出了显示模块的合理改进方案，并且在育鲲轮现有的通信网络基础上设计了通信模块，使
3、系统功能更加完善。关键词：锅炉液位，单片机，单冲量控制，模块化ABSTRACTWater level is an important parameter when a boiler is running. The phenomenon of distilling without water may occur when the water level is too low, and the boiler may be burn down finally. Due to high water level, the quality of the steam will become worse. W
4、hats worse, it may also cause corrosion and water attack of equipments, and burn down the super-heater coil.This paper aims at design a simple set of automatic control system of the boilers water level based on existing equipments of the “YU KUN” vessel. Generally, exhaust gas boiler is in service d
5、uring sailing and auxiliary oil-burning boiler is in service in harbor. Thus, the control of water level does not need to be very precisely. This control system applies single pulse control to the water level. It is composed of two parts: hardware system and software system. They are all modularized
6、. Initially, this system is divided into several independent modularization and finally form a concrete system together. Programmer software “Keil uVision3” accomplished the design of the software system. And simulate software “Proteus” accomplished the design of the hardware system. Programs are ac
7、complished with C programming language. Hardware system is based on STC89C52 microcontroller, including the imitation input modularization, the microcontroller least unit modularization, alarm modularization, keyboard modularization, display modularization and I/O extending modularization. Software
8、system includes the initial modularization, interrupt modularization, data handling modularization, the keyboard modularization, display modularization and A/D transform modularization. Hardware system and software system cooperate to accomplish the function of detecting and controlling the water le
9、vel. Also, the system has functions of displaying and alarming. Whats more, the system parameters data can be programmed manually through keyboard. Finally, a more reasonable suggestion of display modularization can be achieved. And communication modularization is designed on basic of communications
10、 network that “YU KUN” vessel is applying in order to make the system more complete.Keywords: Boiler, Water level, Microcontroller, Single pulse control, Modularization目录1 前言 .11.1 课题意义 .11.2 发展状况 .12 硬件系统设计 .22.1 系统总体设计 .22.1.1 系统功能 .22.1.2 硬件系统示意图 .22.2 各硬件模块设计 .32.2.1 模拟量采集输 入模块 .32.2.2 单片机最小单元模块
11、 .52.2.3 I/O 端口扩展模块 .72.2.4 键盘模块 .92.2.5 显示模块 .112.2.6 报警模块 .122.3 硬件系统总原理图 .133 软件系统设计 .143.1 软件系统总体设计 .143.1.1 软件程序流程 .143.1.2 软件程序主函数 .153.2 软件各模块程序设计 .163.2.1 初始化模块 .163.2.2 AD 转换模块 .173.2.3 数据处理模块 .183.2.4 显示模块 .203.2.5 报警模块 .233.2.6 键盘模块 .253.2.7 中断模块 .284 系统功能改进与扩展 .304.1 显示模块改进 .304.1.1 LCD1
12、602 液晶显示 .304.1.2 液晶显示程序设计 .314.2 通信功能扩展 .364.2.1 RS-485 通信 .364.2.2 通信模块设计 .365 总结 .38参考文献 .39致谢 .3911 前言1.1 课题意义 在以内燃机为动力装置的船上，辅锅炉是船舶的重要设备，产生的蒸汽主要用于加热主、副机所用的燃油，以及供厨房及空调等用汽。因此具有蒸发量较小、工作压力较低、对水位控制质量要求不高的特点 4。而锅炉水位是锅炉运行时重要的参数，水位过低可能会发生锅炉干烧现象，导致锅炉烧坏。水位过高会导致蒸汽带水过多，蒸汽品质下降，会引起设备腐蚀、水击，烧坏过热器管子。当前船舶机舱自动化的要求
13、越来越高，锅炉的自动控制在实现无人机舱中是必不可少的。目前，国内较数船舶的辅锅炉的自动控制仍由继电器、接触器、时间继电器等组成，实现各种控制功能，它们的共同特点是线路复杂、可靠性差、有时容易出现误动作，特别是触头氧化及铁芯与衔铁弄脏后的吸力不足，机械运动部件运动不灵活而出现被卡烧坏线圈等故障，给维护过程带来极大不便，甚至会影响正常营运工作，而且，控制设备体积大、数量多、重量重、价格贵。因此应用更先进的控制方法是很有必要的。目前应用较为广泛的可作为传统继电接触器控制系统的替代产品主要有可编程控制器（PLC）和单片机（MCU） ，都可以通过软件来改变控制过程，而且都具有体积小、组装灵活、编程简单、
14、抗干扰及可靠性高等特点。锅炉自控系统是一个典型的大惯性、大滞后、多变量的过程控制系统 ,其涉及到压力、温度、水位等多个物理参数检测与控制 ,需要同时控制循环泵、补水泵、加热装置 自动排除故障等。由于模拟输入量多 ,需要的硬件电路也多 ,控制起来不简单。现阶段 ,很多厂家都是利用 PLC 对锅炉进行控制 ,其自动化程度和可靠性较高 ,但是成本也很高 ,而且程序修改和参数设置比较困难。以单片机为控制核心的智能控制系统由于成本低、可靠性好、安全性高 ,受到了更多企业的喜爱 16。总之，以单片机为核心的控制系统经济性更高，体积更小，控制更灵活，并可以以模块化更换来代替维修。单片机控制系统必然会得到更广
15、泛的应用，在工业控制现场具有良好的应用前景。本设计以锅炉液位的自动控制为例，实现了以单片机为核心的自动控制系统，克服了传统控制锅炉液位的缺陷，突显了单片机控制系统的优势。1.2 发展状况 锅炉作为能源转换和消耗的设备已有两百多年的历史了，处于历史的原因，我国锅炉自动控制的水平一直都较低，锅炉微机控制是近几年是近年来开发的新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术密结合的产物。工业锅炉采用微机控制和原有控制方式相比具有明显优势，能够直观而集中的显示锅炉各运行参数，显示液位压力温度的状态。而作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、济运行，减轻操作人员的劳动强度。在采
16、用计算机控制的锅炉控制系统中，有十分周到的安全机制，能够杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。 锅炉工业的迅猛发展是近几年的事情，国外的锅炉工业 50 年代发展最快，70 年代达到高峰。一直以来，用单片机实现锅炉的控制是控制2领域的一个典型的问题，伴随着控制理论和技术的法发展，锅炉自动化控制水平也在逐渐提高，锅炉的自动控制，经历了 30 年代的单参数仪表控制，40 年代的组成仪表复合参数仪表控制，以及 60 年代兴起的计算机过程控制几个阶段。而用单片机实现锅炉的控制，也是近几年才发展起来的，是一个逐渐深入的过程，虽然与其他发达国家相比还存在差距，但是在此方面的进步却是很大的 13。现在船舶上应用最多
17、的锅炉自动控制系统基本由国外公司所垄断，国内公司自主开发的锅炉自动控制系统存在许多的缺陷，可靠性不高，包括制造工艺和技术等各方面的问题。导致船舶锅炉控制的市场份额基本被国外公司所占据，因此设计具有自主知识产权的高可靠性的船舶锅炉自动控制系统是很有必要的。2 硬件系统设计2.1 系统总体设计2.1.1 系统功能本系统采用单冲量的控制方法来完成对燃油锅炉水位的控制，确保锅炉运行的安全性。本系统能够完成以下功能：a）能够显示锅炉当前水位值；b）当水位高于最高水位和低于最低水位时能够发出报警，并能够自动控制供水泵的启停和燃烧器供油的紧急切断；c）能够通过键盘对最高/低水位、供水泵启停水位和燃烧器供油切
18、断水位进行人工调节。本系统以 STC89C52 单片机为核心，包括模拟量采集输入模块、单片机最小单元模块、端口扩展模块、报警模块、按键及显示模块、数字量输出模块。模拟量采集输入模块包括液位传感器、A/D 转换器，将模拟量转换成数字量，再将数据传给单片机进行处理。单片机单元模块即单片机最小单元，使单片机能正常工作。串口扩展模块通过端口扩展芯片8255A 完成人机交互的一些功能。按键及显示模块由独立式按键键盘和 3 位数码管及相应的驱动电路组成。报警模块将单片机的控制数据通过驱动芯片控制相应发光二极管、继电器和报警器的工作，实现对燃油锅炉各种工作状态的监视报警。2.1.2 硬件系统示意图硬件系统是
19、由多个子模块连接而成的，以 STC89C52 单片机为核心，包括模拟量采集输入模块、单片机最小单元模块、报警模块、键盘模块、显示模块及端口扩展模块。硬件系统示意图如图 1 所示：3STC89C52 单片机时钟电路独立按键键盘水位监测单元A/D转换器报警模块8255A I/O 扩展 显示模块图 1 硬件系统示意图2.2 各硬件模块设计2.2.1 模拟量采集输入模块本模块采用 NRGT26-1S 型水位监测单元来采集炉内水位，输出的电流模拟信号经电流电压转换电路转换成电压信号，模数转换器(ADC0804)将采集到的电压信号转换为数字信号，然后把数字信号经过 8255A 扩展芯片送入单片机进行处理。
20、此模块原理图如图 2 所示图 2 模拟量采集输入模块原理图4（1）水位监测单元NRGT26-1S 型水位监测单元，根据电容测量原理，可以监测导电性和绝缘的液体液位差。在电极盒内有一个液位变送器，可以产生 4-20mA 的输出电流，不需要额外的转换设备，特别适合持续监测和远程指示液位。最大工作压力/温度：2bar/238C。水位检测单元接线图 17和外形示意图 17如图 3、4 所示：图 3 水位监测单元接线图 图 4 水位监测单元示意图（2）电流电压转换电路水位监测单元产生的是 4-20mA 的标准电流，要对模拟量信号在 ADC 中进行 AD 转换就要将电流信号转换成电压信号。应用运放进行电流
21、测量有两种方法，一是利用电流在电阻上的压降（电路初步设计阶段就采用的此方法） ，再进行电压放大；二是直接将电流注入运放的求和点。应用这样的电路，转换得到的电压信号可以直接加在运放的输入端。这种转换方式有两个不妥之处：首先，电阻的加入会破坏电路原来的状态，带来测量上的误差；其次，运放的失调电压也会被运放自己放大，并加到测量的输出结果上。使用“电流-电压”转换电路可以避免上述两个不足，其电路结构如图 5 所示：图 5 电流-电压转换电路5输入电流直接接入运放的求和点（反相输入端） ，运放输出端将通过 R1 向求和点提供同样大小的电流以达到平衡，电路的增益由 R1 决定，Uout=IinR。该电路唯
22、一的误差来源于偏置电流，偏置电流作为误差与输入电流进行了代数叠加。（3）A/D 转换器A/D 转换器的作用是将模拟量信号转换成数字量信号。不同的 AD 转换方式具有各自的特点，在要求转换速度高的场合，选用并行 AD 转换器；在要求精度高的情况下，可采用双积分型 AD 转换器，也可以选择分辨率更高的其他形式的转换器，但成本会增加。而逐次比较性 AD 转换器在一定程度上兼有以上两种转换器的优点，应用较多，ADC0804 就是此类单片集成 AD 转换器。ADC0804 采用 CMOS 工艺 20 引脚集成芯片，分辨率为 8 位，转换时间为 100us，输入电压范围是 05V，由一个 8 位 AD 转
23、换器、一个 8 路模拟量开关、8 路模拟量地址锁存译码器和一个三态数据输出锁存器组成。在 AD 转换器内部含有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关树组的 256 电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器。8 路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在 8 个通道中任意访问一个通道的模拟信号。由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码，而且三态 TTL 输出也可以锁存，所以它易于与微型计算机接口。内部结构原理图15如图 6 所示，引脚图如图 7 所示;图 6 内部结构原理图 图 7 引脚图2.2.2 单片机最小单元模块单片机最小单元是保证单片机能正常的最基本的电路，本文采用 STC89C5
24、2 芯片为核心芯片，采用内部时钟电路和上电复位电路。本模块原理图如图 8 所示D / A 转换器N 位寄存器控制逻辑V I NS T A R TE O CV NV R E F锁存缓存器D 7D 0D 3D 5D 1D 2D 4D 6O E6图 8 单片机最小单元模块原理图（1） STC89C52 单片机整个系统以 STC 公司生产的 89C52 为核心芯片。该芯片为 8051 内核芯片，内部含Flash E2PROM 存储器，芯片内部程序存储空间为 8KB，内部 RAM 为 512B，PDIP（双列直插）式封装，芯片外观如图 9 所示，引脚图如图 10 所示：STC89C52 单片机具有以下优点 14：a)加密性强b)抗干扰能力强，高抗静电，宽电压、不怕电源抖动，宽温度范围：-40 到 80 摄氏度c)价格低廉d)超低功耗e)速度快，可靠性高图 9 STC89C52 外观图 7 图 10 STC89C52 引脚图 7
