基于c51单片机的船舶辅锅炉水位自动控制系统设计.doc资源-CSDN文库

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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

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

ABSTRACT

Water 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. What’s 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 boiler’s

water level based on existing equipments of the “YU KUN” vessel. Generally,

exhaust gas boiler is in service during 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. 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 accomplished 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 system includes the initial modularization, interrupt

1 前言................................................................................................................................................1

1.1 课题意义..............................................................................................................................1

1.2 发展状况..............................................................................................................................1

2 硬件系统设计................................................................................................................................2

2.1 系统总体设计.....................................................................................................................2

2.1.1 系统功能..................................................................................................................2

2.1.2 硬件系统示意图......................................................................................................2

2.2 各硬件模块设计.................................................................................................................3

2.2.1 模拟量采集输入模块..............................................................................................3

2.2.2 单片机最小单元模块..............................................................................................5

2.2.3 I/O 端口扩展模块 ....................................................................................................7

2.2.4 键盘模块..................................................................................................................9

2.2.5 显示模块................................................................................................................11

2.2.6 报警模块................................................................................................................12

2.3 硬件系统总原理图...........................................................................................................13

3 软件系统设计..............................................................................................................................14

3.1 软件系统总体设计...........................................................................................................14

3.1.1 软件程序流程........................................................................................................14

3.1.2 软件程序主函数....................................................................................................15

3.2 软件各模块程序设计.......................................................................................................16

3.2.1 初始化模块............................................................................................................16

3.2.2 AD 转换模块..........................................................................................................17

3.2.3 数据处理模块........................................................................................................18

3.2.4 显示模块................................................................................................................20

3.2.5 报警模块................................................................................................................23

3.2.6 键盘模块................................................................................................................25

3.2.7 中断模块................................................................................................................28

4 系统功能改进与扩展..................................................................................................................30

4.1 显示模块改进...................................................................................................................30

4.1.1 LCD1602 液晶显示.............................................................................................30

4.1.2 液晶显示程序设计..............................................................................................31

4.2 通信功能扩展....................................................................................................................36

4.2.1 RS-485 通信 ...........................................................................................................36

4.2.2 通信模块设计.........................................................................................................36

5 总结...............................................................................................................................................38

参考文献..........................................................................................................................................39

致谢..................................................................................................................................................39

1 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、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：

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