摘要：文章主要設計了一種鍋爐液位控制器，它以8051作為單片機。通過8051單片機、液位傳感器和模數轉換器等硬件系統和軟件設計方法，實現具有液位檢測報警和控制的雙重功能，同時也具有報警和顯示控制的功能，并對液位和壓力值進行顯示。本系統是基于單片機的水暖鍋爐控制系統，在設計中主要有水位檢測、溫度檢測、按鍵控制、水位控制、顯示部分、故障報警等幾部分組成來實現供暖控制。
關鍵詞：鍋爐液位控制；單片機；壓力傳感器；模數轉換器
0 引言
目前我國燃燒鍋爐的數量眾多，現有中、小型鍋爐30多萬臺，每年耗煤量占我國原煤產量的四分之一，目前大多數工業鍋爐仍處于能耗高、浪費大、環境污染嚴重的生產狀態。鍋爐微機控制，是近年來新開發的一項新技術。它是微型計算機軟件、硬件、自動控制、鍋爐節能等幾項技術緊密結合的產物，工業鍋爐采用的是微機控制和原有的儀表控制。由于被控對象和過程的非線性、時變性，多參數間的強耦合、隨機干擾等因素，使得建立被控對象的精確數學模型變得很困難。在這些復雜的系統面前，傳統的控制方法無法滿足控制精度，而且系統穩定性差。更好地對鍋爐進行自動化控制，并利用單片機及其外圍芯片實現鍋爐液位控制已經成為可能。
1 系統硬件設計
1．1 核心芯片8051單片機
整個系統電控部分以ATMEL公司的8051為核心芯片，控制信號采集、處理、輸出三個過程。這種芯片內置4kEPROM，因為系統要求控制線較多，如果采用8031外置EPROM程序控制結構，則造成控制線不夠；而8051卻可以利用P0、P2口作控制總線，大大簡化硬件結構，并可以直接控制鍵盤參數輸入、LED數據顯示，方便現場調試和維護，使整個系統的通用性和智能化得到了很大的提高。
本設計采用MCS-8051單片機來控制系統報警。MCS-51系列單片機中的8051采用40Pin封裝的雙列直插結構。其40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I／O口，中斷口線與P3口線復用。
1．2 模擬信號的采集和處理
為了實現鍋爐在爐內液位過高或低液位時發出聲光報警，本系統決定采用傳感器來采集爐內壓力，傳感器輸出的模擬信號均接放大器輸入端，經過放大后送入模數轉換器(ADC)轉換為數字信號，然后把數字信號送入單片機進行處理。
所用ADC是0809。該芯片使用逐次逼近法能換開關CD4511將輸入擴展成十五路。ADC0809內部沒有時鐘電路，故用8051的ALE為其提供時鐘脈沖信號。0809要求的時鐘脈沖頻率不能超過640kHz(否則轉換精度下降，甚至不能工作)，所以又接一74LS74將8051ALE的1MHz輸出二分頻成500kHz再送入0809。ADC0809的選通信號Y2由74LS138將8051的P2．5至P2．7輸出譯碼提供。
1．3 A／D轉換器
我們采用常見的ADC0809。ADC0809是8位逐次逼近型A／D轉換器。它由一個8路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個A／D轉換器和一個三態輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A／D轉換器進行轉換。三態輸出鎖存器用于鎖存A／D
轉換完的數字量，當OE端為高電平時，才可以從三態輸出鎖存器取走轉換完的數據。
ADC0809是帶有8位A／D轉換器、8位多路開關以及與微型計算機兼容的控制邏輯的CMOS組件，其轉換方法為逐次逼近型。在A／D轉換器內部含有一個高阻抗斬波穩定比較器，一個帶有模擬開關樹組的256電阻分壓器，以及一個逐次逼近型寄存器。8路的模擬開關由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個通道中任意訪問一個通道的模擬信號。由于多路開關的地址輸入部分能夠進行鎖存和譯碼，而且三態TTL輸出也可以鎖存，所以它易于與微型計算機接口。
A／D轉換電路在控制器中起主導作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號轉換成單片機能處理的數字量。該控制器采用CMOS工藝制造的逐次逼近式8位A／D轉換器芯片ADC0809。在使用時可選擇中斷、查詢和延時等待3種方式編制A／D轉換程序。A／D轉換部分在接線時先經過運算放大器和分壓電路把傳感器輸出的電流信號轉換成電壓信號，然后輸入到A／D轉換器。
1．4 傳感器
傳感器使用SY-9411L-D型變送器，它內部含有1個壓力傳感器和相應的放大電路。壓力傳感器是美國SM公司生產的555-2型OEM壓阻式壓力傳感器，具有全溫度補償功能。傳感器是能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，它通常由敏感元件和轉換元件組成。壓力是工業生產中的重要參數之一，為了保證生產正常運行，必須對壓力進行檢測和控制，當被測壓力達到極限值需報警的，則應選用附帶報警裝置的各類壓力計。
1．5 液位顯示電路
液位顯示采用數碼管動態顯示，范圍從0～999(單位可自定)，選擇的數碼管是7段共陰極連接，型號是LDS18820。在這里使用到了74LS373，它是一個8位的D觸發器，在單片機系統中經常使用，可以作地址數據總線擴展的鎖存器，也可以作為普通的LED的驅動器件，由于單獨使用CD4511七段譯碼驅動顯示器來完成數碼管的驅動顯示，因此74LS373在這里只用作擴展的緩沖。
2 軟件設計
2．1 鍵盤程序
由于鍵盤采用的是4×4結構，因此可使用的鍵有16個，根據需要分別定義各鍵，0～9號為數字鍵，10～15號分別是確定鍵、修改鍵、移位鍵、加／減鍵、取消鍵和復位鍵。程序如下：
2．2 A／D轉換子程序
程序設計內容：
(1)進行A／D轉換時，采用查詢EOC的標志信號開檢測A／D轉換是否完畢，若完畢則把數據通過P0口讀入，經過數據處理之后在數碼管上顯示。
(2)進行A／D轉換之前，要啟動轉換的方法：ABC=110選擇第三通道；ST=0，ST=1，ST=0產生啟動轉換的正確脈沖信號。
3 總結
采用MCS-8051單片機設計出的工業鍋爐控制器，能夠針對水位的不同狀態和不同外界條件進行控制，單片機運行穩定、控制品質良好、控制效果明顯改善；同時大大提高了控制系統的抗干擾能力，保證了工業鍋爐的穩定運行。工業鍋爐控制器充分利用了單片機的特點，較好地解決了高性能與低成本之間的矛盾。控制裝置具有成本低、抗干擾能力強、控制性能好等優點，且系統硬、軟件維護簡單方便，尤其適用于工業控制現場，具有良好的應用前景。
