畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于單片機(jī)的鍋爐液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　1 前 言</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　目前我國(guó)的燃燒鍋爐的數(shù)量眾多,我國(guó)現(xiàn)有中、小型鍋爐30多萬臺(tái),每年耗媒量占我國(guó)原煤產(chǎn)量的四分之一,目前大多數(shù)工業(yè)鍋爐仍處于能耗高、浪費(fèi)大、環(huán)境污染嚴(yán)重的生產(chǎn)狀態(tài)。國(guó)家在第10到第11個(gè)五年計(jì)劃的科技創(chuàng)新指南中,對(duì)光電一體化

2、、資源與環(huán)境、新能源與高效節(jié)能的指導(dǎo)性課題中明確指出:需要自動(dòng)化程度高、節(jié)能潛力大、提高安全系數(shù)、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、價(jià)格低的新型測(cè)控裝置。要求節(jié)約率達(dá)到百分之5以上,裝置投資的回收期在1年以內(nèi),采暖鍋爐為3年以內(nèi)。如小型鏈條式工業(yè)鍋爐用的是新型測(cè)控裝置。因此這個(gè)課題有現(xiàn)實(shí)的意義且市場(chǎng)的前景良好。</p><p>　　鍋爐微機(jī)控制,是近年來新開發(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)

3、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):</p><p>　　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)。</p><p>　　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。</p><p>　　3)提高鍋爐的熱效率,采用計(jì)算機(jī)控制后

4、熱效率可以比以前提高百分之5到百分之10,據(jù)統(tǒng)計(jì),120噸的鍋爐,全年平均負(fù)荷為百分之70左右,以平均熱效率提高百分之5計(jì)算,全年節(jié)約800噸。</p><p>　　4)鍋爐系統(tǒng)中包含鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和給水泵等大功率電動(dòng)機(jī),由于鍋爐本身特性和選型的因素,這些風(fēng)機(jī)大部分不會(huì)滿負(fù)荷輸出的,原有的方式采用閥門和擋板控制流量,浪費(fèi)非常嚴(yán)重。通過對(duì)鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和給水泵進(jìn)行微機(jī)控制可以平均節(jié)電達(dá)到百分之30到百分之40左右。

5、</p><p>　　5)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。采用計(jì)算機(jī)控制的鍋爐系統(tǒng)有十分周到的安全機(jī)制,可以置多點(diǎn)的聲光報(bào)警和自動(dòng)連鎖停爐,杜絕人為疏忽造成的重大事故。</p><p>　　綜合以上的種種優(yōu)點(diǎn)可以預(yù)見采用計(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

6、片機(jī)自問世以來,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。一般,工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境差,干擾強(qiáng),利用單片機(jī)控制就能克服這些缺點(diǎn),因此單片機(jī)在控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,使用單片機(jī)控制鍋爐是很好的選擇。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀</p><p>　　目前我國(guó)在單片機(jī)測(cè)控裝置研究、生產(chǎn)、應(yīng)用中,取得了很大的成績(jī),總結(jié)了很多經(jīng)驗(yàn),但是各行業(yè)仍處于發(fā)

7、展期,經(jīng)調(diào)查,更多科研究所在這方面開展的工作更看重的是理論和算法,數(shù)年來這方面的研究的論文較多,著重生產(chǎn)實(shí)際的很少。在上海,新型的單片機(jī)測(cè)控裝置與系統(tǒng)研究的生產(chǎn)基礎(chǔ)較雄厚,在生產(chǎn)過程中需要新型的測(cè)控裝置與系統(tǒng),因此在不斷的努力研究與開發(fā)。上海的工程技術(shù)研究人員更著重的是生產(chǎn)實(shí)際研究,對(duì)理論、算法和成果的論文較少;深圳在研制新型的測(cè)控裝置與系統(tǒng)領(lǐng)域也比較有成就,盡管與其他國(guó)家比較尚有差距,但是,深圳的高校、研究院所的最大的特點(diǎn)就是實(shí)際,與

8、生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目無關(guān)的問題基本不去考慮,主要考慮選取什么材料,測(cè)控什么物理量,優(yōu)點(diǎn)是什么,與機(jī)器設(shè)備的通訊接口等等。</p><p>　　一些發(fā)達(dá)國(guó)家在單片機(jī)新型系統(tǒng)研究、制造和應(yīng)用上,已積累了很多經(jīng)驗(yàn),奠定了基礎(chǔ),進(jìn)入了國(guó)際市場(chǎng)。我國(guó)在新型測(cè)控裝置與系統(tǒng)研究、制造、應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)上,與其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在差距,但是我國(guó)的研究人員已經(jīng)克服很多困難,并在不斷的摸索中前進(jìn),有望在相關(guān)領(lǐng)域趕上甚至超過發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)水平,

9、這是發(fā)展趨勢(shì)。</p><p>　　1.3 使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)鍋爐液位控制的優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)鍋爐液位控制具有較高的實(shí)用價(jià)值和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。采用高亮二極管和光敏三級(jí)管所組成的液位傳感器測(cè)量水位，可有效保證水位的自動(dòng)控制，保證水質(zhì)無污染，能更好地對(duì)鍋爐進(jìn)行自動(dòng)化控制,測(cè)量溫度時(shí)采取光電耦合器,實(shí)現(xiàn)光電隔離,避免了工作人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)操控,方便了人員對(duì)液位系統(tǒng)的控制,控制

10、方便且系統(tǒng)穩(wěn)定性能好；采用壓力傳感器對(duì)壓力進(jìn)行測(cè)控，采取壓電陶瓷傳感器,可大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)性能也更穩(wěn)定；單片機(jī)不僅有體積小，安裝方便，功能較齊全等優(yōu)點(diǎn)，而且有很高的性價(jià)比，應(yīng)用前景廣，同時(shí)有助于發(fā)現(xiàn)可能存在的故障，通過微機(jī)實(shí)現(xiàn)蒸汽與給水系統(tǒng)的自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)，將保證鍋爐正常供氣供暖，維持穩(wěn)定系統(tǒng)，保證安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。本文就是采用8051單片機(jī)為核心芯片的一種鍋爐控制系統(tǒng)，具有較高的實(shí)用價(jià)值和優(yōu)越性。</p><p&

11、gt;　　本系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)相比大大降低了使用成本,提高了控制運(yùn)行速度。根據(jù)仿真模擬運(yùn)行的結(jié)果表明,該系統(tǒng)能很好的克服“假水位”現(xiàn)象,將鍋爐汽包液位控制在給定的范圍內(nèi),對(duì)壓力不足和壓力過大進(jìn)行安全報(bào)警,穩(wěn)定性能好,容易操作和控制,保證了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。</p><p>　　1.4 研究方案及預(yù)期結(jié)果</p><p>　　本設(shè)計(jì)是采用8051單片機(jī)為核心芯片,及其相關(guān)硬件來實(shí)現(xiàn)的鍋爐液位

12、控制系統(tǒng),在用液位傳感器測(cè)液位的同時(shí),又用光電式隔離器和壓力傳感器對(duì)鍋爐的溫度和壓力進(jìn)行檢測(cè)，CPU循環(huán)檢測(cè)傳感器輸出狀態(tài),并用3位七段LED顯示示液位高度,檢測(cè)液位、溫度和壓力等數(shù)據(jù),實(shí)施報(bào)警安全提示,當(dāng)鍋爐液位低于用戶設(shè)定的值時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)打開泵上水,當(dāng)水位到達(dá)設(shè)定值時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉水泵。</p><p>　　1.4.1 系統(tǒng)硬件總體方案</p><p>　　系統(tǒng)的原理是采用高亮二極管和

13、光敏三級(jí)管所組成的液位傳感器對(duì)液面進(jìn)行控制,通過四對(duì)傳感器分別安裝在鍋爐內(nèi)四個(gè)不同的位置，由上至下測(cè)量鍋爐液位值,。并把這四個(gè)液位狀態(tài)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809傳到單片機(jī)中,在通過3位七段LED顯示器顯示出液位的四種狀態(tài)及報(bào)警安全提示。用LED顯示是因?yàn)樗哂酗@示清晰、亮度高、使用電壓低、光電轉(zhuǎn)換效能高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)前的液位值和用戶設(shè)定的水位決定是否進(jìn)行開、關(guān)水泵,需要是否開啟和關(guān)閉驅(qū)動(dòng)閥門的電動(dòng)機(jī)。本設(shè)計(jì)運(yùn)用了多種傳感器,在

14、使用液位傳感器測(cè)液位的同時(shí),我還選用了光電式傳感器和壓電式傳感器來對(duì)鍋爐的溫度和壓力進(jìn)行測(cè)量,因?yàn)槲覀兯岬降腻仩t常用于供暖,所以溫度的檢測(cè)很重要,至于選用壓力傳感器主要是出于安全考慮的,壓力過大有可能對(duì)鍋爐造成損害甚至造成爆炸,壓力過低會(huì)導(dǎo)致鍋爐控制系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。所以我在第三章著重介紹了這3種傳感器。</p><p>　　1.4.2 軟件總體方案</p><p>　　水位檢測(cè)是通過四

15、對(duì)高亮二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器分別安裝在四個(gè)不同的位置，由上至下四個(gè)輸出端口分別接單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，實(shí)時(shí)對(duì)鍋爐里的水位進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)水位到達(dá)某一光敏三極管的位置時(shí)，其輸出端口就向單片機(jī)輸出高電平；當(dāng)水位低于此光敏三極管的位置時(shí)，其輸出端口就向單片機(jī)輸出低電平。由上至下的第一個(gè)位置為水位上限報(bào)警線，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，開水閥控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個(gè)位

16、置是自動(dòng)停止加水線，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉加水電磁閥，停止加水；第三個(gè)位置是自動(dòng)加水線，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)接通加水電磁閥，開水加水；第四個(gè)位置是水位下限報(bào)警線，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，開水房控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。</p><p>　　本系統(tǒng)所使用的傳感器性能穩(wěn)定,測(cè)量準(zhǔn)確,大大簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)安裝,具有較高的性價(jià)比,有較大的工程應(yīng)用價(jià)值,而且利用計(jì)

17、算機(jī)與組態(tài)軟件技術(shù)對(duì)鍋爐生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)控制有著重要的意義。其優(yōu)越性主要在于：首先，通過對(duì)鍋爐燃燒過程進(jìn)行有效控制，使燃燒在充分的情況下進(jìn)行，可以提高燃燒效率。由于工業(yè)鍋爐耗煤量大，燃燒熱效率每提高1％都會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。其次，鍋爐控制過程的自動(dòng)化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機(jī)界面，操作人員在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上能根據(jù)控制效果及時(shí)修正運(yùn)行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)性、安全性。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用的普及、可靠性的

18、提高及價(jià)格的下降，工業(yè)鍋爐的微機(jī)控制必將得到更加廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　1.4.3 設(shè)計(jì)的研究進(jìn)程</p><p>　　本設(shè)計(jì)第二章對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件分析,主要介紹了本設(shè)計(jì)所使用的核心芯片8051,重要對(duì)其端口進(jìn)行介紹,介紹其功能與用途,還介紹了液位傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換ADC0809、執(zhí)行設(shè)備、LED顯示和報(bào)警裝置,介紹了他們的原理、結(jié)構(gòu)和電路連接。第三章我著重介紹了本設(shè)計(jì)所使用的傳感器

19、,因?yàn)閭鞲衅鞯男阅茉谡麄€(gè)系統(tǒng)中起著非常重要的作用,尤其對(duì)檢測(cè)精確度起著重要的作用,在其中我重點(diǎn)介紹了液位傳感器,光電式傳感器和壓電式傳感器。第四章我介紹了整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　鍋爐自動(dòng)控制包括對(duì)鍋爐的液位，壓力，溫度等的控制，本系統(tǒng)只側(cè)重于介紹鍋爐的液位控制。液位控制是利用由高亮二級(jí)管和光敏三級(jí)

20、管所組成的液位傳感器把液位的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809把輸出狀態(tài)直接接到單片機(jī)的I/O接口，單片機(jī)經(jīng)過運(yùn)算控制，輸出數(shù)字信號(hào)，輸出接口接LED進(jìn)行顯示,實(shí)現(xiàn)液位報(bào)警和鍵盤顯示與控制；其壓力控制是通過壓電傳感器將接受的信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC0809進(jìn)行轉(zhuǎn)換后與8051單片機(jī)接口相連，使其與設(shè)定值相比較從而實(shí)現(xiàn)壓力報(bào)警和控制;其溫度檢測(cè)選用的是光電隔離器,實(shí)行光電隔離,有利于人員對(duì)溫度的檢測(cè),再通過模數(shù)

21、轉(zhuǎn)換器ADC0809進(jìn)行轉(zhuǎn)換后與8051單片機(jī)接口相連，使其與設(shè)定值相比較從而實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警； </p><p>　　而本設(shè)計(jì)主要是對(duì)液位進(jìn)行控制,下圖是鍋爐液位控制系統(tǒng)。</p><p>　　圖2-1 基于單片機(jī)的鍋爐液位控制系統(tǒng)</p><p>　　由上圖可觀察到傳感器通過對(duì)液面、溫度和壓力進(jìn)行測(cè)量，輸出模擬信號(hào)，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通

22、過8051單片機(jī)的運(yùn)算控制，在通過LED進(jìn)行顯示,通過報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警,報(bào)警顯示之后再通過對(duì)閥門的開啟實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐的液位進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,閥門的驅(qū)動(dòng)設(shè)備是電動(dòng)機(jī)。</p><p>　　2.1 核心芯片8051單片機(jī)</p><p>　　計(jì)算機(jī)芯片MCS-51是一個(gè)電腦晶片,英特爾公司生產(chǎn)系列。它是在MCS-48系列的基礎(chǔ)上發(fā)展的高性能的8位單片機(jī)。所出的系列產(chǎn)品有8051、8031、8751。其

23、代表就是8051。其他系列的單片機(jī)都以它為核心,所以本設(shè)計(jì)采用的核心芯片是8051單片機(jī)。CPU是它的核心設(shè)備,從功能上看,CPU包括兩個(gè)部分:運(yùn)算器和控制器,它執(zhí)行對(duì)輸入信號(hào)的分析和處理。</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)電控部分以ATMEL公司的8051為核心芯片，控制信號(hào)采集、處理、輸出三個(gè)過程。這種芯片內(nèi)置4KEPROM，因?yàn)橄到y(tǒng)要求控制線較多，如果采用8031外置EPROM程序控制結(jié)構(gòu)，則造成控制線不夠；而

24、8051卻可以利用P0、P2口作控制總線，大大簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，并可以直接控制鍵盤參數(shù)輸入、LED數(shù)據(jù)顯示，方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)，使整個(gè)系統(tǒng)的通用性和智能化得到了很大的提高。</p><p>　　系統(tǒng)的原理是采用液位式傳感器測(cè)量鍋爐液位值,通過單片機(jī)的轉(zhuǎn)換與分析在LED上顯示及輸出控制;根據(jù)當(dāng)前的液位值和用戶設(shè)定的水位決定是否進(jìn)行開關(guān)水泵,以及是否到達(dá)危險(xiǎn)高、低水位,需要關(guān)閉閥門。</p><p&

25、gt;　　圖2-2 8051引腳圖</p><p>　　上圖是8051的引腳配置，40個(gè)引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根，4組8位共32個(gè)I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用。現(xiàn)在我們對(duì)這些引腳的功能加以說明：</p><p>　　Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi)EPROM抄寫程序時(shí)，接+5V電源。</p><p>　　Pin19:時(shí)鐘XT

26、AL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。</p><p>　　Pin18:時(shí)鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。</p><p>　　8051的時(shí)鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時(shí)鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容,振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時(shí)鐘方式，即將XTAL1接地，外部時(shí)鐘信號(hào)從XTAL2腳輸入。本設(shè)計(jì)采用外部時(shí)鐘電路，外接晶振和電容組成振

27、蕩器。 </p><p>　　輸入輸出(I/O)引腳：Pin39-Pin32為P0.0-P0.7輸入輸出腳，Pin1-Pin1為P1.0-P1.7輸入輸出腳,Pin21-Pin28為P2.0-P2.7輸入輸出腳，Pin10-Pin17為P3.0-P3.7輸入輸出腳。</p><p>　　在對(duì)單片機(jī)設(shè)計(jì)中，P0口作為程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展口，且是擴(kuò)展并行輸入/輸出接口的接口，另外也作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)

28、傳輸口,P2口為程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展口的高八位地址總線口，P1口為輸入/輸出口。</p><p>　　Pin9:RESET/Vpd復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳，當(dāng)8051通電，時(shí)鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計(jì)數(shù)器PC指向0000H， P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始

29、執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)如下</p><p>　　表2-1 寄存器初始狀態(tài)</p><p>　　8051的復(fù)位方式可以是自動(dòng)復(fù)位，也可以是手動(dòng)復(fù)位，見圖2-3。此外，RESET/Vpd還是一復(fù)用腳，Vcc掉電期間，此腳可接上備用電源，以保證單片機(jī)內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失,</p><p>　　此設(shè)計(jì)采用

30、自動(dòng)復(fù)位電路。</p><p><b>　　圖2-3 復(fù)位電路</b></p><p>　　Pin30:ALE/當(dāng)訪問外部程序器時(shí)，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)，ALE端將有一個(gè)1/6時(shí)鐘頻率的正脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以用于識(shí)別單片機(jī)是否工作，也可以當(dāng)作一個(gè)時(shí)鐘向外輸出。更有一個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器，ALE會(huì)跳過一個(gè)脈沖。

31、</p><p>　　如果單片機(jī)是EPROM，在編程其間,prog將用于輸入編程脈沖。</p><p>　　Pin29:當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí),此腳輸出負(fù)脈沖選通信號(hào)，PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲(chǔ)器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。在編程時(shí)，EA/Vpp腳還需加上21V的編程電壓。</p><p>　　2.2 液位傳感器設(shè)計(jì)&

32、lt;/p><p>　　在鍋爐液位控制系統(tǒng)中,傳感器的選擇是非常重要的,傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量,并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置,它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成,它的性能直接影響到整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)檢測(cè)精確度起著重要的作用。</p><p>　　傳感器的種類很多,有溫度傳感器,加速度傳感器,光學(xué)傳感器,壓力傳感器的,本設(shè)計(jì)主要采用的是由高亮二級(jí)管和光敏三級(jí)管所組成的液位傳感器來

33、對(duì)液位進(jìn)行控制，又用光電式傳感器和壓電式傳感器來對(duì)溫度和壓力進(jìn)行檢測(cè),在把檢測(cè)的電信號(hào)輸入到單片機(jī)進(jìn)行分析,這個(gè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是液位的控制,所以下面我要對(duì)液位傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　我采用的是四對(duì)高亮二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器，這種液位傳感器如下圖</p><p>　　圖2-4 液位傳感器</p><p>　　由圖2-4可知，液位傳感器的主要元件

34、是高亮二極管和光敏三極管,它們都屬于光電元件,光電元件主要采用的是光電效應(yīng),光電效應(yīng)分外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng), 光電效應(yīng)的原理是PN結(jié)加反向電壓時(shí)，反向電流的大小取決于P區(qū)和N區(qū)中少數(shù)載流子的濃度，無光照時(shí)P區(qū)中少數(shù)載流子(電子)和N區(qū)中的少數(shù)載流子(空穴)都很少，因此反向電流很小。但是當(dāng)光照PN結(jié)時(shí)，只要光子能量h大于材料的禁帶寬度，就會(huì)在PN結(jié)及其附近產(chǎn)生光生電子、空穴對(duì)，從而使P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子濃度大大增加，它們?cè)?/p>

35、外加反向電壓和PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)，分別在兩個(gè)方向上渡越PN結(jié)，使反向電流明顯增大。如果入射光的照度變化，光生電子,空穴對(duì)的濃度將相應(yīng)變動(dòng)，通過外電路的光電流強(qiáng)度也會(huì)隨之變動(dòng)，光電效應(yīng)的原理就是光電二極管的原理,光敏二極管就把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào),它是最簡(jiǎn)單的光學(xué)元件。</p><p>　　圖2-5 a 光敏三極管的結(jié)構(gòu)示意圖 圖2-5 b基本電路</p><p

36、>　　而光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)，因而可以獲得電流增益，它比光敏二極管具有更高的靈敏度,也是把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。</p><p>　　光敏三級(jí)管是由高亮二極管進(jìn)行發(fā)光的, 高亮二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。它的原理和光敏二極管相似,也是產(chǎn)生光電效應(yīng)。只不過原理正好相反,當(dāng)有電流導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生光電流,照射在PN結(jié)上,在內(nèi)部產(chǎn)生光電流,</p><p>　　它具有體積小、功耗低

37、、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計(jì)算機(jī)、儀器儀表和自動(dòng)控制設(shè)備中。</p><p>　　水位檢測(cè)是通過四對(duì)高亮二極管和光敏三極管分別安裝在四個(gè)不同的位置，由上至下四個(gè)輸出端口分別接單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，實(shí)時(shí)對(duì)鍋爐里的水位進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)水位到達(dá)某一光敏三極管的位置時(shí)，其輸出端口就向單片機(jī)輸出高電平；當(dāng)水位低于此光敏三極管的位置時(shí)，其輸出端口就向單片

38、機(jī)輸出低電平。由上至下的第一個(gè)位置為水位上限報(bào)警線，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，開水房控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個(gè)位置是自動(dòng)停止加水線，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉加水電磁閥，停止加水；第三個(gè)位置是自動(dòng)加水線，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)接通加水電磁閥，開水加水；第四個(gè)位置是水位下限報(bào)警線，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，開水房控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。&

39、lt;/p><p>　　2.3 ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器</p><p>　　A/D是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),把由傳感器傳來的液位控制的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),然后再通過8051單片機(jī)的分析處理進(jìn)行LED顯示和液位、壓力和溫度的報(bào)警。</p><p>　　2.3.1 D／A轉(zhuǎn)換基本原理</p><p>　　D／A轉(zhuǎn)換接口技術(shù)是應(yīng)用系統(tǒng)后向通道

40、典型應(yīng)用技術(shù)之一。它涉及了D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇參考電壓源的配置、數(shù)字輸入碼與模擬輸出電壓的極性等問題，而其中最核心的問題是D／A轉(zhuǎn)換芯片的選擇與應(yīng)用問題。</p><p>　　D／A轉(zhuǎn)換器的基本功能是將一個(gè)用二進(jìn)制表示的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的基本方法是對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制的每一位，產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電流，而這個(gè)電流的大小正比于相應(yīng)的二進(jìn)制位的權(quán)。D／A轉(zhuǎn)換器主要由三部分構(gòu)成，即加權(quán)電阻解碼網(wǎng)、受輸入數(shù)字量控

41、制的電子開關(guān)組和由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流轉(zhuǎn)換器。電子開關(guān)組受輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù)D7～DO控制，當(dāng)某一位為“1”時(shí)，則電子開關(guān)閉合，基準(zhǔn)電壓Vin接電阻解碼網(wǎng)絡(luò)，使某一支路電阻上有電流流過。當(dāng)某一位為“0”時(shí)，則電子開關(guān)斷開，該支路電阻上無電流流過。加權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)各支路的電阻值與二進(jìn)制數(shù)據(jù)D7～DO的“權(quán)”相對(duì)應(yīng)，“權(quán)”大的電阻值小，“權(quán)”小的電阻值大。因此各支路的電流不僅決定于輸入數(shù)字量的值(0或1)，還決定于“權(quán)”，各支路的電流如下：&l

42、t;/p><p>　　因此，總電流為Iout：</p><p>　　該總電流經(jīng)電流轉(zhuǎn)換器后有: </p><p><b>　　其中</b></p><p>　　由式（2-6）看出，盡管使用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，但對(duì)于D／A轉(zhuǎn)換器的輸入輸出來說是等效的。就8位D／A轉(zhuǎn)換器而言，每一數(shù)字輸入位所代表的輸出模擬量是其相鄰的2倍，這樣就組

43、成二進(jìn)制數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　D／A轉(zhuǎn)換芯片的主要性能指標(biāo)如下:</p><p>　　1)分辨率。表征D／A轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入量的敏感程度，通常用數(shù)字量的數(shù)位表示，如8位、12位、14位等。分辨率為10位的D／A轉(zhuǎn)換器，表示它可以對(duì)滿量程的1／1024的增量做出反應(yīng)。</p><p>　　2)相對(duì)精度。在滿刻度已校準(zhǔn)的前提下，在整個(gè)刻度范圍內(nèi)，

44、對(duì)于任一數(shù)碼的模擬量輸出與它的理論值之差。通常用偏差幾個(gè)ISB來表示和該偏差相對(duì)滿刻度的百分比表示。</p><p>　　3)轉(zhuǎn)換時(shí)間。數(shù)字變化量是滿刻度時(shí)，達(dá)到終值±LSB／2所需要的時(shí)間，通常為幾十納秒至幾微秒。</p><p>　　4)非線性誤差。通常給出在一定溫度下的最大非線性度，一般為0.l％～0.03％。</p><p>　　其工作過程是：比較

45、開始時(shí)，首先對(duì)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(輸出鎖存器)的最高位置“1”，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換、比較判斷。若模擬輸入U(xiǎn)in大于Ui，比較器輸出為1，則使輸出鎖存器的最高位保持為1。然后對(duì)較低的位依次按照該辦法進(jìn)行比較和調(diào)整，無論哪種情況，均應(yīng)繼續(xù)比較下一位，直到最末位為止。此時(shí)D／A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入(輸出鎖存器內(nèi)容)即為對(duì)應(yīng)模擬輸入信號(hào)的數(shù)字量。將此數(shù)字量輸出就完成了A／D轉(zhuǎn)換過程。這種方法好比用天平稱一個(gè)物體的重量，第一次放最大的砝碼，若不合適，就改放小一號(hào)

46、的，依次類推。一旦天平指示砝碼太重說明剛才放進(jìn)去的那個(gè)應(yīng)當(dāng)取走，顯然對(duì)于n位的轉(zhuǎn)換器，總共需要重復(fù)這種過程n次。</p><p>　　2.3.2 ADC0809轉(zhuǎn)換芯片</p><p>　　本開發(fā)系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)硬件主要是由ADC0809轉(zhuǎn)換芯片和四個(gè)可變電位器組成的。ADC0809是8位8通路逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，輸入電壓在(O～5)V，最大不可調(diào)誤差小±1LSB，它具有

47、高速、高精度、溫度依賴度低以及在長(zhǎng)期工作條件下能耗小、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。ADC0809芯片的引腳圖如圖2-6所示。由圖2-6可看芯片主要是由一個(gè)8位A／D轉(zhuǎn)換器、8路模擬輸入選通開關(guān)、地址鎖存及譯碼電路工作和三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器組成。為實(shí)現(xiàn)8路模擬通道能有條不紊地工作，首先通過地址譯碼鎖存器選通所要開通的8路模擬通道中的一路開關(guān)，將模擬信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)A/D的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)放到三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器中等待CPU來取，取后由CPU啟動(dòng)新

48、一次的地址譯碼，重復(fù)以上完成新一次的A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809芯片提供了高轉(zhuǎn)換速度、高精密度、環(huán)境影響小和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。下圖為ADC0809芯片的引腳圖。</p><p>　　圖2-6 ADC0809 芯片的引腳圖</p><p>　　ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及與微型計(jì)算機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件，其轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近型。在A/D轉(zhuǎn)

49、換器內(nèi)部含有一個(gè)高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個(gè)帶有模擬開關(guān)樹組的256電阻分壓器，以及一個(gè)逐次逼近型寄存器。8路的模擬開關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個(gè)通道中任意訪問一個(gè)通道的模擬信號(hào)。由于多路開關(guān)的地址輸入部分能夠進(jìn)行鎖存和譯碼，而且三態(tài)TTL輸出也可以鎖存，所以它易于與微型計(jì)算機(jī)接口。</p><p>　　2.4 鍵盤及顯示接口</p><p>　　顯示部分我采用三位7段LED顯示器

50、，LED顯示器是單片機(jī)應(yīng)用中最常用的輸出部件，它是由若干發(fā)光二極管組成，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)光，不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。用LED是因?yàn)樗哂酗@示清晰、亮度高、使用電壓低、光電轉(zhuǎn)換效能高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。LED（發(fā)光二極管）最早出現(xiàn)在19世紀(jì)60年代，現(xiàn)在我們可以經(jīng)常在電氣和電子設(shè)備上看到這些二極管作為指示燈來用。LED就是一種半導(dǎo)體元件，其電氣性能與普通二極管相同，不同之處在于當(dāng)給LED通電流時(shí)，

51、它會(huì)發(fā)光。由于LED是固態(tài)的，所以它能延長(zhǎng)傳感器的使用壽命。因而使用LED的光電傳感器能被做得更小，且比白熾燈傳感器更可靠。不像白熾燈那樣，LED抗震動(dòng)抗沖擊，并且沒有燈絲。另外，LED所發(fā)出的光能只相當(dāng)于同尺寸白熾燈所產(chǎn)生光能的一部分。</p><p>　　在微型機(jī)系統(tǒng)中，LED常用的顯示方法有兩種。一種是靜態(tài)顯示，一種是動(dòng)態(tài)顯示。所謂的靜態(tài)顯示是由單片機(jī)一次輸出后就能顯示后就能保持，直到下次送新的顯示模式為止

52、。這種顯示占用機(jī)少，顯示可靠；缺點(diǎn)是使用元件多，且線路比較復(fù)雜，因而成本比較高。這種顯示器顯示方式的每一個(gè)七位顯示器需要一個(gè)八位輸出控制，我的設(shè)計(jì)就是采用的就是靜態(tài)顯示。所謂動(dòng)態(tài)顯示就是單片機(jī)定時(shí)的對(duì)顯示器進(jìn)行掃描。這種方法中，顯示器件分時(shí)工作，每次只能有一個(gè)器件顯示，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺到所有的器件都“同時(shí)”顯示。這種顯示方法的優(yōu)點(diǎn)是使用硬件少，因而價(jià)格低，但占用機(jī)時(shí)多，只要單片機(jī)不執(zhí)行顯示程序，就立刻停止顯示。動(dòng)態(tài)顯

53、示的亮度與導(dǎo)電電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間比例有關(guān)。</p><p>　　鍵盤是有若干按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是最簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備，通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，來實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話。鍵盤可分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤兩種。非編碼鍵盤有并行接口掃描和串聯(lián)接口掃描，我采用的是串行接口，它的組成是由移位寄存器74LS164和六個(gè)鍵組成，74LS164是一個(gè)14位腳的寄存器，集成電路芯片，由8051串行接口的TXD端輸出列

54、掃描信號(hào)到74LS164的1、2引腳，鍵閉合信號(hào)則用端口P3.3、P3.4、P3.5輸入8051單片機(jī)，由8051單片機(jī)的TXD引腳輸出移位時(shí)鐘脈沖到74LS164的時(shí)針輸入端（CLK）。還有非前者用軟件來識(shí)別和產(chǎn)生代碼，后者則用鍵盤來識(shí)別，鍵盤處理程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)鍵盤的管理，顯示具體見下圖。</p><p>　　圖2-7 LED顯示器</p><p>　　2.5 自動(dòng)報(bào)警電路</p>

55、;<p>　　下列四種情況發(fā)生系統(tǒng)報(bào)警。 </p><p>　　1)當(dāng)鍋爐達(dá)到上限極限水位時(shí)報(bào)警，爐內(nèi)的水位到達(dá)上限極限水位時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警；</p><p>　　2)鍋爐內(nèi)壓力過高報(bào)警，壓力傳感器檢測(cè)到鍋爐內(nèi)壓力過高與設(shè)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警;</p><p>　　3)鍋爐內(nèi)壓力過低報(bào)警，壓力傳感器檢測(cè)到鍋爐內(nèi)壓力過低與設(shè)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警;</p>

56、<p>　　4)循環(huán)泵故障報(bào)警，當(dāng)循環(huán)泵開啟后，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。</p><p>　　圖2-8 自動(dòng)報(bào)警電路的接線圖</p><p>　　3 傳感器的選擇設(shè)計(jì)</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中,傳感器的選擇是非常重要的,傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置,它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元

57、件組成,它的性能直接影響到整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)檢測(cè)精確度起著重要的作用。</p><p>　　傳感器的種類很多,有溫度傳感器,加速度傳感器,光學(xué)傳感器,壓力傳感器等,本設(shè)計(jì)主要采用的是電容式傳感器、光電式傳感器和壓電式傳感器來對(duì)液位、溫度和壓力進(jìn)行檢測(cè),在把檢測(cè)的電信號(hào)通過ADC0809入到單片機(jī)進(jìn)行分析,在由LED進(jìn)行顯示和鍵盤控制,實(shí)行對(duì)液位、溫度和壓力的報(bào)警。</p><p>　　3.1

58、 液位傳感器的設(shè)計(jì)</p><p>　　我設(shè)計(jì)的液位傳感器主要是由高亮二極管和光敏三極管所組成的設(shè)備。水位檢測(cè)是通過四對(duì)高亮二極管和光敏三極管分別安裝在四個(gè)不同的位置，由上至下四個(gè)輸出端口分別接單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，實(shí)時(shí)對(duì)鍋爐里的水位進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)水位到達(dá)某一光敏三極管的位置時(shí)，其輸出端口就向單片機(jī)輸出高電平；當(dāng)水位低于此光敏三極管的位置時(shí)，其輸出端口就向單片機(jī)輸出低電平。由上至下的第一

59、個(gè)位置為水位上限報(bào)警線，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，開水房控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個(gè)位置是自動(dòng)停止加水線，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉加水電磁閥，停止加水；第三個(gè)位置是自動(dòng)加水線，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)接通加水電磁閥，開水加水；第四個(gè)位置是水位下限報(bào)警線，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，開水房控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。</p><

60、;p>　　高亮二極管和光敏三極管都屬于光電傳感器，下面介紹光電式傳感器。</p><p>　　3.1.1光電式傳感器</p><p>　　光電傳感器是一種小型電子設(shè)備，它可以檢測(cè)出其接收到的光強(qiáng)的變化。早期的用來檢測(cè)物體有無的光電傳感器是一種小的金屬圓柱形設(shè)備，發(fā)射器帶一個(gè)校準(zhǔn)鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器出電纜將這套裝置接到一個(gè)真空管放大器上。在金屬圓筒內(nèi)有一個(gè)小的白熾燈作為光源

61、。這些小而堅(jiān)固的白熾燈傳感器就是今天光電傳感器的雛形。</p><p>　　光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。</p><p>　　由光通量對(duì)光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件(光學(xué)測(cè)控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖(開關(guān))式光電傳感

62、器。模擬式光電傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測(cè)量間呈單值關(guān)系。</p><p>　　而我設(shè)計(jì)的液位傳感器的主要組成光敏三級(jí)管就是屬于模擬式光電傳感器。通過吸收高亮二極管的光來測(cè)量液位的高度,在轉(zhuǎn)化成光電流傳到模擬傳感器ADC0809中。光電傳感器中的工作原理都基于不同形式的光電效應(yīng),通常把光電效應(yīng)分為三類：</p><p>　　1)在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為

63、外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等。</p><p>　　2)在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管等。</p><p>　　3)在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。。</p><p>　　我們知道，PN結(jié)加反向電壓時(shí)，

64、反向電流的大小取決于P區(qū)和N區(qū)中少數(shù)載流子的濃度，無光照時(shí)P區(qū)中少數(shù)載流子(電子)和N區(qū)中的少數(shù)載流子(空穴)都很少，因此反向電流很小。但是當(dāng)光照PN結(jié)時(shí)，只要光子能量h大于材料的禁帶寬度，就會(huì)在PN結(jié)及其附近產(chǎn)生光生電子.空穴對(duì)，從而使P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子濃度大大增加，它們?cè)谕饧臃聪螂妷汉蚉N結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)，分別在兩個(gè)方向上渡越PN結(jié)，使反向電流明顯增大。如果入射光的照度變化，光生電子.空穴對(duì)的濃度將相應(yīng)變動(dòng)，通過外電路的光電

65、流強(qiáng)度也會(huì)隨之變動(dòng)，光敏二極管就把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)。而光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)，因而可以獲得電流增益，它比光敏二極管具有更高的靈敏度。其結(jié)構(gòu)如圖2-11所示。</p><p>　　a 光敏三極管的結(jié)構(gòu)示意圖 b 基本電路</p><p>　　Fit 2-9 a photistor structure schema Fit2-9 b fundamental

66、 circuit </p><p>　　當(dāng)光敏三極管按圖2-8所示的電路連接時(shí)，它的集電結(jié)反向偏置，發(fā)射結(jié)正向偏置。無光照時(shí)僅有很小的穿透電流流過，當(dāng)光線通過透明窗口照射集電結(jié)時(shí)，和光敏二極管的情況相似，將使流過集電結(jié)的反向電流增大，這就造成基區(qū)中正電荷的空穴的積累，發(fā)射區(qū)中的多數(shù)載流子(電子)將大量注人基區(qū)，由于基區(qū)很薄，只有一小部分從發(fā)射區(qū)注入的電子與基區(qū)的空穴復(fù)合，而大部分電子將穿過基區(qū)流向與電源正極相接的

67、集電極，形成集電極電流IC。這個(gè)過程與普通三極管的電流放大作用相似，它使集電極電流IC是原始光電流的(l+β)倍。這樣集電極電流IC將隨入射光照度的改變而更加明顯地變化。光電傳感器通常由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成,如下圖光電傳感器框圖:</p><p>　　圖2-10 光電傳感器框圖</p><p>　　Fit 2-10 photoelectric sensor’ block

68、diagram</p><p>　　光電傳感器通常由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成，如圖2-12所示。圖中，Ф1是光源發(fā)出的光信號(hào)，Ф2是光電器件接受的光信號(hào)，被測(cè)量可以是x1或者x2，它們能夠分別造成光源本身或光學(xué)通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號(hào)I。光電傳感器設(shè)計(jì)靈活，形式多樣，在越來越多的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　光敏三級(jí)管是由高亮二極管進(jìn)行發(fā)光的, 高亮二

69、極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計(jì)算機(jī)、儀器儀表和自動(dòng)控制設(shè)備中。</p><p>　　3.1.2光電式傳感器的基本特性</p><p><b>　　1)光譜特性</b></p><p>　　在入射光照度一定時(shí)，光敏晶體管的相對(duì)靈敏度隨光波波長(zhǎng)

70、的變化而變化，一種光敏晶體管只對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的人射光敏感，這就是光敏晶體管的光譜特性，見圖2-11。</p><p>　　由曲線可以看出，當(dāng)入射光波長(zhǎng)增加時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降，這是因?yàn)楣庾幽芰刻?，不足以激發(fā)電子—空穴對(duì)。當(dāng)人射光波長(zhǎng)太短時(shí)，光波穿透能力下降，光子只在半導(dǎo)體表面附近激發(fā)電子—空穴對(duì)，卻不能達(dá)到PN結(jié)，因此相對(duì)靈敏度也下降。</p><p>　　從曲線還可以看出，不同材料的光

71、敏晶體管，光譜峰值波長(zhǎng)不同。硅管的峰值波長(zhǎng)為0.9μm左右，鍺管的峰值波長(zhǎng)為1.5μm左右。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管性能較差。因此在探測(cè)可見光或赤熱物體時(shí)，多采用硅管。但對(duì)紅外光進(jìn)行探測(cè)時(shí)，采用鍺管較為合適。</p><p><b>　　2)伏安特性</b></p><p>　　光敏三極管在不同照度下的伏安特性，就象普通三極管在不同基極電流下的輸出特性一樣，

72、如圖2-11所示。在這里改變光照就相當(dāng)于改變一般三極管的基極電流，從而得到這樣一簇曲線。</p><p><b>　　3)光電特性</b></p><p>　　它指外加偏置電壓一定時(shí)，光敏晶體管的輸出電流和光照度的關(guān)系。一般說來，光敏二極管光電特性的線性較好，而光敏三極管在照度小時(shí)，光電流隨照度增加較小，并且在光照足夠大時(shí)，輸出電流有飽和現(xiàn)象。這是由于光敏三極管的電流

73、放大倍數(shù)在小電流和大電流時(shí)都下降的緣故。</p><p><b>　　4)溫度特性</b></p><p>　　溫度的變化對(duì)光敏晶體管的亮電流影響較小，但是對(duì)暗電流的影響卻十分顯著，如圖7.2.10所示。因此，光敏晶體管在高照度下工作時(shí)，由于亮電流比暗電流大得多，溫度的影響相對(duì)來說比較小。但在低照度下工作時(shí)，因?yàn)榱岭娏鬏^小，暗電流隨溫度變化就會(huì)嚴(yán)重影響輸出信號(hào)的溫度穩(wěn)

74、定性。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)選用硅光敏管，這是因?yàn)楣韫艿陌惦娏饕孺N管小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)還可以在電路中采取適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償措施，或者將光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，對(duì)輸出的電信號(hào)采用交流放大，利用電路中隔直電容的作用，就可以隔斷暗電流，消除溫度的影響。 </p><p><b>　　5)頻率特性</b></p><p>　　光敏晶體管受調(diào)制光照射時(shí)，相對(duì)靈敏度與調(diào)制頻率的關(guān)系稱為頻率特性

75、。如圖2-12所示。減少負(fù)載電阻能提高響應(yīng)頻率，但輸出降低。一般來說，光敏三極管的頻響比光敏二極管差得多，鍺光敏三極管的頻響比硅管小一個(gè)數(shù)量級(jí)。</p><p>　　光電傳感器的敏感范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電感、電容、磁力、超聲波傳感器的敏感范圍。此外，光電傳感器的體積很小，而敏感范圍很寬，加上機(jī)殼有很多樣式，幾乎可以到處使用。最后，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，光電傳感器在價(jià)錢方面可以同用其他技術(shù)制造的傳感器競(jìng)爭(zhēng)。</p&g

76、t;<p>　　圖2-12 光敏三極管的伏安特性 </p><p>　　Fit 2-12 Photistor I-V</p><p>　　3.2溫度傳感器的設(shè)計(jì)</p><p>　　我選用的是光電式傳感器來對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量因?yàn)樗哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，價(jià)格低廉，經(jīng)久耐用，使用范圍廣等特點(diǎn)。</p><p>　　有上節(jié)了解到了光電式

77、傳感器,光電式溫度傳感器是利用導(dǎo)光管為感溫器件，能使所接受的信息比較真實(shí)地輻射出來。光電式傳感器利用爐溫的光輻射，通過導(dǎo)光管進(jìn)入，經(jīng)聚焦照射在敏感元件上，光敏元件在光的照射下，便產(chǎn)生光電流，其強(qiáng)弱隨著爐溫的增高或下降而變化，在通過LED的顯示判斷是否實(shí)行報(bào)警。由于有導(dǎo)光管保護(hù)而不受光路污染，從而達(dá)到高精度、高靈敏度。正常的爐膛內(nèi)的溫度能夠確保鍋爐安全的使用,鍋爐的設(shè)計(jì)工作溫度一般低于90°C，工作壓力小于0.7bar(絕對(duì)壓力

78、)，屬真空容器，在正常運(yùn)行時(shí)絕無汽爆的可能，本設(shè)計(jì)選用的是高靈敏度的溫度傳感器:光電溫度傳感器,與鍋爐控制器相連，當(dāng)熱媒水溫度超過設(shè)定溫度時(shí)，燃油、燃?xì)忮仩t的燃燒裝置就自動(dòng)停止一切輸出，燃煤鍋爐就會(huì)報(bào)警提醒操作人員，限制鍋爐的燃燒強(qiáng)度。</p><p>　　我采用的器件是光電耦合器件,它是利用發(fā)光元件與光敏元件封裝為一體而構(gòu)成電-光-電轉(zhuǎn)換的器件,加到發(fā)光器件上的電信號(hào)為耦合器的輸入信號(hào),接收器件的輸出信號(hào)為耦合

79、器的輸出信號(hào)。當(dāng)有信號(hào)電壓加到光電耦合器的輸入端時(shí),放光器放光,光敏器受光照而產(chǎn)生光電流,使出端產(chǎn)生相應(yīng)的的電信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)了電-光-電的傳輸和轉(zhuǎn)換。</p><p>　　光電耦合器采用密封管殼,不受外界光的干擾,具有其穩(wěn)定性,同時(shí)器件利用光作為信號(hào)傳輸介質(zhì),輸入端和輸出端之間在電氣上是完全絕緣的?？闺姶鸥蓴_能力也很強(qiáng),諸多優(yōu)點(diǎn)讓我選擇它作為鍋爐爐膛內(nèi)的溫度檢測(cè)元件,下圖為光電耦合器傳輸隔離示意圖:</p&

80、gt;<p>　　圖2-13 傳輸隔離電路圖</p><p>　　3.3 壓電式傳感器的設(shè)計(jì)</p><p>　　因?yàn)橐獙?duì)壓力過大或壓力不夠?qū)嵭袌?bào)警,所以要對(duì)壓力進(jìn)行測(cè)量,我采用的是壓電式傳感器來對(duì)壓力進(jìn)行檢測(cè),壓電式傳感器是以某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器。所謂壓電效應(yīng)是某些晶體，在一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)地在晶體的兩個(gè)表

81、面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力作用除去時(shí)，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體等。它可以測(cè)量最終能變換為力的各種物理量，例如力、壓力、加速度等。</p><p>　　壓電式傳感器具有體積小、重量輕、頻帶寬、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。近年來壓電測(cè)試技術(shù)發(fā)展迅速，特別是電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使壓電式傳感器的應(yīng)用越來越廣泛。 &l

82、t;/p><p>　　3.3.1 壓電效應(yīng)和陶瓷壓電式傳感器選取</p><p>　　壓電式傳感器的基本原理是物質(zhì)的壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是某些晶體，在一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)的在晶體的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力作用除去時(shí)，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體等。</p>

83、<p>　　選取合適的壓電材料是壓電式傳感器的關(guān)鍵，一般應(yīng)考慮以下主要特性進(jìn)行選擇：</p><p>　　1)具有較大的壓電常數(shù)。</p><p>　　2)壓電元件的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大并具有較高的固有振動(dòng)頻率。</p><p>　　3)具有高的電阻率和較大的介電常數(shù)，以減少電荷的泄漏以及外部分布電容的影響。</p><p>　　4

84、)具有較高的壓電性能破壞時(shí)的溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)。轉(zhuǎn)變電高可以得到較寬的工作溫度范圍。</p><p>　　5)壓電材料的壓電特性隨時(shí)間蛻變，有較好的時(shí)間穩(wěn)定性。</p><p>　　我采用的是壓電陶瓷是一種多晶鐵電體，它是具有電疇結(jié)構(gòu)的壓電材料。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向。在無外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體中無規(guī)則排列，它們的極化效應(yīng)互相抵消。因此，在原始狀態(tài)壓電陶瓷呈現(xiàn)中性，不具

85、有壓電效應(yīng)。</p><p>　　當(dāng)在一定的溫度條件下，對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行極化處理，即以強(qiáng)電場(chǎng)使電疇規(guī)則排列，這時(shí)壓電陶瓷就具有了壓電性，在極化電場(chǎng)去除后，電疇基本上保持不變，留下了很強(qiáng)的剩余極化。</p><p>　　對(duì)于壓電陶瓷，通常取它的極化方向?yàn)閆軸。當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時(shí)，則在垂直于Z軸的表面上將會(huì)出現(xiàn)電荷，見圖2-14，其電荷量q與作用力F成正比，即</p>&

86、lt;p>　　q=dzzF (2-7)</p><p>　　式中，dzz為縱向壓電系數(shù)。 </p><p><b>　　（2-8）</b></p><p>　　式中，AX為極化面面積；AY為受力面面積。</p><p>　　壓電陶瓷在

87、受到如圖2-14所示的作用力F時(shí)，在垂直于Z軸的上下平面上分別出正、負(fù)電荷，即</p><p>　　圖2-14 壓電陶瓷的壓電原理</p><p>　　3.3.2 壓電式傳感器的測(cè)量電路</p><p><b>　　1)等效電路 </b></p><p>　　壓電傳感器在受外力作用時(shí)，在兩個(gè)電極表面將要聚集電荷，且電荷量

88、相等，極性相反。這時(shí)它相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為</p><p>　　式中，ε0為真空介電常數(shù)：ε為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；h為壓電元件的厚度；A為壓電元件極板面積。</p><p>　　因此可以把壓電式傳感器等效成一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，如圖2-15所示 </p><p><b>　　。 </b></p>

89、<p>　　圖2-15 壓電式傳感器并聯(lián)電荷源 </p><p>　　壓電傳感器與測(cè)量?jī)x表聯(lián)接時(shí)，還必須考慮電纜電容CC，放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及傳感器的泄漏電阻Ra。圖2-16畫出了壓電傳感器完整的等效電路 </p><p>　　圖2-16 壓電傳感器的等效電路</p><p><b>　　

90、2)基本測(cè)量電路 </b></p><p>　　壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高，而輸出的信號(hào)微弱，因此一般不能直接顯示和記錄。</p><p>　　壓電傳感器要求測(cè)量電路的前級(jí)輸入端要有足夠高的阻抗，這樣才能防止電荷迅速泄漏而使測(cè)量誤差變大。壓電傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：一是把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是把傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。壓電傳感器的發(fā)大電路有電壓放大器和電荷

91、放大器,而我采用的是電荷放大電路。電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。它實(shí)際上是一個(gè)具有反饋電容的高增益運(yùn)算放大器。圖2-17是電荷放大器連接的等效電路。</p><p>　　圖2-17電荷放大器等效電路</p><p>　　如果忽略電阻Ra、Ri及Rf的影響，則輸入到放大器的電荷量為</p><p><b>　　(2-10)</

92、b></p><p>　　式中，A為開環(huán)放大系數(shù)。所以有 </p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　故放大器的輸出電壓為</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　當(dāng)A>>1，而(1+A)Cf>

93、>時(shí)，放大器輸出電壓可以表示為</p><p><b>　　(2-13)</b></p><p>　　由式中可以看出，由于引入了電容負(fù)反饋，電荷放大器的輸出電壓僅與傳感器產(chǎn)生的電荷量及放大器的反饋電容有關(guān)，電纜電容等其他因素對(duì)靈敏度的影響可以忽略不計(jì)。電荷放大器的靈敏度為</p><p>　　(2-14) </p>

94、;<p>　　放大器的輸出靈敏度取決于Cf。在實(shí)際電路中，是采用切換運(yùn)算放大器負(fù)反饋電容Cf的辦法來調(diào)節(jié)靈敏度的。Cf越小則放大器的靈敏度越高。</p><p>　　為了放大器的工作穩(wěn)定，減小零漂，在反饋電容Cf兩端并聯(lián)了一反饋電阻，形成直流負(fù)反饋，用以穩(wěn)定放大器的直流工作點(diǎn)。</p><p>　　綜合上述,下圖就是我要檢測(cè)壓力的檢測(cè)電路。

95、 </p><p><b>　　4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　該系統(tǒng)硬件系統(tǒng)完全，但系統(tǒng)的運(yùn)算與控制必須靠軟件支持，本控制系統(tǒng)采用的是控制，由于模糊控制量的求取是采用查表法，因此軟件程序較簡(jiǎn)單，整個(gè)軟件部分分為以下幾個(gè)部分。</p><p>　　圖4-1為軟件設(shè)計(jì)流程圖

96、 </p><p>　　圖4-1軟件設(shè)計(jì)流程圖</p><p><b>　　4.1單片機(jī)源程序</b></p><p>　　ORG 0000H</p><p>　　AJMP MAIN</p><p>　　ORG 000

97、3h</p><p>　　AJMP MAIN</p><p>　　ORG 000bh</p><p>　　AJMP MAIN</p><p>　　ORG 0013h</p><p>　　AJMP MAIN</p><p>　　ORG 001bh</

98、p><p>　　AJMP MAIN</p><p>　　ORG 0023H </p><p>　　AJMP MAIN</p><p>　　ORG 0030H</p><p>　　MAIN: CLR p3.6</p><p>　　MOV p0

99、,#0ffh</p><p>　　ACALL QL;</p><p>　　MOV 3BH ,#95</p><p>　　MAIN1: MOV 3bh,#95</p><p>　　ACALL SHUICPM ;水位檢測(cè)子程序]</p><p>　　ACALL BAOJING ;報(bào)警子程序&l

100、t;/p><p>　　ACALL DELAY2</p><p>　　AJMP MAIN1;;;; </p><p>　　BBB1: MOV A,37H</p><p>　　ADD A,#10</p><p>　　CLR C</p><p>　　

101、SUBB A,3BH</p><p>　　JNC OK2;</p><p>　　CLR P2.1; </p><p>　　MOV A,37H</p><p>　　ADD A,#20</p><p>　　CLR C</p><p>　　SU

102、BB A,3BH</p><p>　　JNC OK2</p><p>　　CLR P2.1; </p><p>　　SETB 20H.0</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　ok2: CLR 20H.0</p&g

103、t;<p><b>　　RET</b></p><p>　　4.2 水位檢測(cè)主程序</p><p>　　這是程序運(yùn)行的主要程序段，主要實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)ADC0809轉(zhuǎn)換器，并從A/D轉(zhuǎn)換器采集信號(hào)，</p><p>　　SHUICPM:MOV A,P1</p><p>　　ANL A,#0FH

104、</p><p>　　MOV 30H,#0FH ;00001111</p><p>　　CJNE A,30H,AAA1</p><p>　　SETB P2.0</p><p>　　SETB 20H.1 ;setb水位狀態(tài)標(biāo)志位</p><p>　　AJMP OUT

105、2</p><p>　　AAA1: MOV 30H,#0EH ;00001110</p><p>　　CJNE A,30H,AAA2</p><p>　　SETB P2.0</p><p>　　CLR 20H.1</p><p>　　AJMP OUT2<

106、/p><p>　　AAA2: MOV 30H,#0CH ;00001100</p><p>　　CJNE A,30H,AAA3</p><p>　　CLR 20H.1</p><p>　　CLR p2.0</p><p>　　AJMP OUT2</p>

107、<p>　　AAA3: MOV 30H,#08H ;00001000</p><p>　　CJNE A,30H,AAA4</p><p>　　CLR P2.0</p><p>　　CLR 20H.1</p><p>　　AJMP OUT2</p><

108、;p>　　AAA4: MOV 30H,#00H ;00000000</p><p>　　CJNE A,30H,AAA5</p><p>　　setb P2.0</p><p>　　SETB 20H.1</p><p>　　AJMP OUT2</p><p>