热工测量仪表课程设计
方案设计与分析
1. 系统的工作原理
1.1系统的组成
本装置主要由80C51、4片电位器式传感器、逐次逼近式A/D转换器ADC0809、双向可控硅驱动电路MOC3041和双向可控硅TLC336A 等组成。此外，还有键盘／显示电路、报警输出电路等。原理方框图如图1所示
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图1
1.2装置说明
本装置主要设计液位控制，在锅炉整个工作过程中，还有温度、压力等需要，只需再安装1个温度传感器和1个压力传感器即可，所以在此不再详述。4片电位器式传感器分别安装在锅炉的4个水位处(分别为低水位、高水位、极低水位、极高水位) ，用来采集液位信号。
1.3工作原理
本装置的功能：当液位低至给定的液位时，启动水泵对锅炉进行加水，同时水泵正常工作指示灯亮，呈绿色，表明水泵正常工作；当液位高至给定的液位时，停止水泵对锅炉进行加水，水泵正常工作指示灯不亮，表明水泵停止工作；一旦由于某种特殊原因，液位低于低水位时，仍没有启动水泵进行加水，则达至极低水位时，再次启动水泵进行加水，并进行报警；同理，达至极高水位，停止水泵
进行加水，并进行报警；操作人员听到报警，消除报警，急停锅炉工作，并对锅炉进行维修；极高水位与极低水位对锅炉起到了保护作用。
工作原理：首先，由电位器式传感器每隔5s 对水位进行采样，并输出0-5V 模拟信号，再经A ／D 转换变成相应的数字信号，送入80C51单片机进行数据处理。单片机经运算后，与设定的液位值(低液位H1、高液位H2、极低液位H3、极高液位H4。) 依次进行比较：
若H1
若Hx=H1。，则表示达至低液位，启动水泵供水，水泵工作指示灯亮，呈绿色；
若Hx=H2：，则表示达至高液位，停止水泵供水，水泵作指示灯不亮； 若Hx=H3，则表示达至极低液位，启动报警器报警
若Hx=H4，则表示达至极高液位，启动报警器报警；
如果报警器启动后，设有报警消除按钮，消除报警；有手动和自动转换按钮；有急停按钮，在任何情况下，可以停止锅炉工作。
2硬件设计
2.1硬件总体设计
硬件设计电路图，如图2所示。
图2
本系统以80C51单片机为核心，它有4KEPROM ，所以不需外扩EPROM ，这样可利用P1口作为按键输人口，输入口接有中断式独立式按键电路，向单片机输人命令、功能切换，可以对单片机进行人工干预；另对串行输入口P3．0扩展接口，使用移位寄存器作为锁存或输入信号的接口，可以方便地扩展并行输入口，这种方法不占用片外地址，简单易行，便于操作适合于速度较慢、适时性要求不高的场合，它是利用一片74LSl65与80C5l 的3根端口线相连，可扩展8根并行输入口线，在电位器式传感器采集信号，A ／D 转换器转换信号后，将信号输入到此接口，如图3所示。
由于输出接口比较多，可扩展一片8255可编程接口芯片，利用指令设置各口的工作方式，8255内部有3个并行的8位I ／0接口，分别为A 口、B 口、C 口，8255是8位芯片，有8位数据线，数据线接于80C51的PO 接口，可以用于实现8255与80C5l 之间的数据传输。需要注意一点，使用8255芯片时，首先要对它初始化，也就是对8255的3个端口的工作方式预先设置。扩展口接有4位74LSl64驱动显示器，并有1个报警器(用于极低水位、极高水位报警) ，和3个发光二极管指示灯(用于电源显示、水泵上水显示、水位显示) ；并行输出口接有双向可控硅驱动器电路，来控制电机启停。
2.2输入通道设计
该部分主要由电位器式传感器完成对液位信号的采集，由A ／D 转换器ADC0809转换信号，将转换器输出的8位数字信号输入到扩展的并行输入口线。在过程控制和智能化仪表中通常是用微控制器进行适时控制和数据处理的，为实现人机对话，键盘是个必不可少的功能装置。所以输入通道接有独立式按键电路，向单片机输入数据、传送命令、功能切换，可以对单片机进行人工干预。
图3
2.3输出通道设计
在输出通道中，有显示电路、报警输出电路，驱动电路等，但最重要的是控制水泵启停的双向可控硅驱动电路，我们着重介绍双向可控硅驱动电路MOC3041电路。MOC304 l芯片是一种集成的带有光耦的双向可控硅驱动电路。它内部集成了发光二极管、双向可控硅和过零触发电路等器件，它的内部结构和外部引脚如图4所示。
图4 MOC3041内部结构和外部引脚
从图中可以看出，它由输入和输出两部分组成。输入部分是一个砷化镓发光二极管，在5-15mA 正向电流的作用下，发出足够强度的红外光，去触发输出部分。输出部分包括一个硅光敏双向可控硅和过零触发器。在红外线的作用下，双向可控硅可双向导通，与过零触发器一起输出同步触发脉冲，去控制执行机构一外部的双向可控硅。
由MOC304l 组成的过零触发双向可控硅电路简单可靠，电路图如图5所示。该部分的工作过程是：当单片机的P3．1输出为低电平时，OC3041内部导通，G 端出现同步触发脉冲，控制可控硅导通，打开水泵；当P3．1为高电平时，MOC 3041内部截止，可控硅断开，关闭水泵。
图5 由MOC3041构成的输出通道图
该控制系统的特点是：
(1)实时显示液位所处位置，水泵、电源等工作状态；
(2)以智能化控制对锅炉液位进行控制，在Hx=H1时，启动水泵供水；到Hx=H2：，自动停止水泵供水；
(3)可采用PID 算法和开关控制等方法进行控制；
(4)可随时通过按键修改低水位与高水位；通过报警器件输出报警。