毕业设计（论文）-基于单片机的电除尘控制系统的设计.doc

辽宁科技大学信息技术学院本科生毕业设计（论文） 第36页基于单片机的电除尘控制系统的设计摘 要随着经济的飞速发展,工业化和现代化进程的不断加快,工业粉尘排量也日益增加,大气污染也变得越来越严重。随着人类环保意识的不断增强,除尘也越来越为人们所重视。电除尘控制器器以除尘效率高、能耗低、占地面积小、可处理大烟气量气体等特点广泛应用于电力、冶金、建材、石油等行业。本文正是在这种背景下设计了以单片机为核心的电除尘控制系统。由于在过去的电除尘电气控制系统中,是高,低压分开控制系统即细化为高压供电控制和低压控制两个系统,也就是两个独立的子系统。由于高、低压控制系统功能互相独立,互不影响,因此,高、低压系统的构成可根据用户要求灵活调整。但高、低分开控制系统割裂了高低压控制系统之间工作过程中的联系,使得此类系统的性能提高受到约束。所以本文依据电除尘工作原理,提出了一种基于单片机的电除尘高低压一体化控制器。本文完成了对高低压一体化电除尘控制器的硬件和软件的设计、实现过程,并进行了硬件、软件的调试。该控制系统以以8051单片机为核心,对数据采集系统电路、过零检测电路、可控硅触发脉冲电路、火花及闪络检测电路过流检测电路、过零检测电路、振打控制电路等外围电路进行了硬件设计，并对每一部分都做了详细的分析。本控制系统采用自动控制模式，在自动方式下，控制系统通过采集调理电路电流、电压参数值，再结合火花跟踪等控制方法，控制触发脉冲的输出，以调节可控硅的导通角，达到对除尘器电极间电压的调节，从而实现闭环控制。关键词：电除尘；单片机；数据采The Design of Ash Control System Based on MCUAbstractWith the rapid development of economy, industrialization and modernization process accelerating, industrial dust emissions was also increasing, air pollution also becomes more and more serious. As the human unceasing enhancement in environmental consciousness, dusting also for people place more and more attention. The ash controller device to dust removal efficiency, low energy consumption, cover an area of an area small, can handle drag characteristics such as gas gas is widely used in electric power, metallurgy, building materials, oil, etc. This paper is designed in this context of based on singlechip ash control system. Because in the past the ash electric control system, is high, low voltage control system is divided into separate high voltage power supply control and low voltage control two system, is also two separate subsystems. Because of high and low voltage control system function independently, and mutual influence, therefore, high and low voltage system structure can according to customer request flexible adjustments. But high and low separate control system lacerate machine-high-low pressure control system in the process of contact between work made such system performance improve restrained. So based on the working principle, the ash is proposed based on the integration of single chip high ash controller. We completed a high ash controller for the integration of the software and hardware design, implementation process, and the hardware and software of the debugging. This control system to the core, with 8051 single-chip processor for data acquisition systems circuit, zero detection circuit, SCR triggering pulse circuits, sparks and flash winding detection electricity pass by flow detection circuit, zero detection circuit, vibration dozen control circuit etc peripheral circuit hardware design, and for each part of the to do a detailed analysis. This control system adopts automatic control mode, in automatic mode, control system through the acquisition regulate circuit current, voltage parameters such as, combine spark tracking control method, control the output pulse, to trigger the conduction angles are controlled adjustment of precipitator, achieve the adjustment between voltage electrode, so as to realize closed loop control Key words：electrostatic precipitator，single-chip，data Acquisition目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1概述11.2电除尘技术的发展情况21.2.1国外电除尘发展状况21.2.2国内电除尘发展状况31.3主要设计内容31.3.1设计目标31.3.2硬件部分设计41.3.3软件部分设计4第2章电除尘控制系统的设计52.1总体设计方案52.2高压部分52.3低压控制部分6第3章电除尘控制系统硬件设计73.1硬件总体设计73.2单片机的选型83.3启停控制电路设计93.4数据采集电路设计103.4.1一次电流采集电路设计133.4.2一次电压采集电路设计133.4.3二次电流采集电路设计143.4.4二次电压采集电路设计143.5过零检测电路设计153.6可控硅触发电路设计163.7火花检测电路设计173.8过流保护电路设计183.9振打控制电路19第4章系统软件设计214.1软件总体设计214.2模拟量采集设计224.3过零中断及输出脉冲设计244.4火花跟踪控制设计254.5启停控制设计274.6振打控制设计28结论30致谢31参考文献32附录134附录237附录341第1章 绪论1.1概述随着工业化、城市化进程的快速发展，我国将面临各种环境问题的严重挑战，大自然和人类生存的环境受到越来越多的破坏。为了进一步提高人民的生活水平及生活质量，国家实施了可持续发展的战略目标，提高了环境排放标准的要求，加大了环境保护的力度。因此,保护环境日益重要，防止大气污染便是其中一个重要方面1。为了减少工业生产中粉尘的排放量，保护大气环境，人们采用各种除尘装置来控制污染源排放的颗粒物对大气的污染。根据除尘机理不同，除尘器分为利用颗粒自身重力除尘的各种沉降室、各种旋风除尘器，利用水来除尘的各种湿式除尘器。利用各种过滤材料来除尘的过滤式除尘器，其中用的最多的就是利用高压静电场力来除尘的各种高压静电除尘器2。电除尘器是美国工程师E.G科特雷尔在1906年研制成功的，是一种利用电场力使气溶胶粒子从气体中分离出来的除尘装置。静电除尘器是利用直流高压源产生的强电场是气体电离，产生电晕放电，进而使悬浮尘粒荷电，并在电场力的作用下，将悬浮尘粒从气体中分离出来并加以不及的除尘装置。因此，除尘过程可以概括为以下四个阶段：气体的电离、粉尘的荷电、荷电粉尘的沉集、清灰3。作为大气污染治理的主要设备之一，电除尘器设备发挥着举足轻重的作用，它已广泛应用于电力、建材、冶金、化工、轻工、电子等行业4。它将工业窑炉产生的烟尘、烟气加以吸收净化使之不能直接经过烟囱排入天空，达到净化蓝天、控制大气污染的目的。以电力行业的燃煤锅炉机组为例，一般每台锅炉机组需要配备一至两台电除尘器，每台电除尘器由机械本体和电气控制两种设备组成5。当前，我国的经济建设高速发展，人民的生活水平不断提高，社会对环境保护的要求也越来越高，作为控制固定污染源中颗粒物对大气污染的主要设备-除尘设备面临巨大的发展机遇。1.2电除尘技术的发展情况1.2.1国外电除尘发展状况从20世纪初叶开始，西欧各个工业发达国家相继开展电除尘技术的研究工作。特别是第二次世界大战以后，一些发达的资本主义国家，在发展工业的同时，出现了大气污染的环境问题。国外五、六十年代频频发生的“公害事件”以及方兴未艾的环境运动，直接推动了发达国家除尘设别的发展。在几十年间，经历了“先污染，后治理”，从公害防治到“改善以人为中心的环境质量”，从生产、生活环境到全球环境，最后到“可持续发展”战略的提出和实施等发展阶段，迅速发展而形成一个新兴行业。在这种背景下，电除尘器以其独特的优越性而兴盛起来。发达国家的除尘设备行业以雄厚的经济实力为基础，以环境立法为动力，以先进的科学技术和制造工业为依托，在剧烈的国家市场竞争的刺激下，政府和大型企业共同参与，以技术起点高、发展速度快为特点，构成了一个基础庞大、门类齐全、品种繁杂的环保产业体系。目前世界环保产业市场基本为发达国家所占领19。近十年来国外致力于改进原有产品设计和结构、以扩大应用范围，提高净化效率，并应用最新的科技成果,特别是新科技电子技术，开发新一代的高效节能的除尘设备。由于对环境要求的提高，对有害气体如SO2、NO等也要求控制。在国外发展较快的一种形式是在喷雾吸收有害气体的同时，用电除尘器或袋式除尘器回收其中的固体颗粒，这样除尘设备成为气体净化系统中的重要组成之一。为了降低粉尘比电阻，国外很早就已经采用了在烟气中加入调质剂的技术，例如在干法水泥窑的烟气中广泛采用高压喷雾增湿6。近年来，意大利、日本以及我国的许多单位，都在开展用脉冲供电的电除尘器来同时清除烟气中的SO2,并取得了较好的效果。由于各国排放标准日趋提高，特别是对微粒控制的要求越来越严，致使高效除尘设备得到特别迅速的发展，同时也促进了高效除尘器的研究和开发，其中最为突出的是电除尘器和袋式除尘器7。1.2.2国内电除尘发展状况我国属于一个发展中国家，由于环境科学和机械工业相结合的除尘装备既有新兴产业发展较快的特点，又有工业技术薄弱、工业体系尚不完善的问题8。1949年以前，我国工业落后，因此,全国只有屈指可数的几台电除尘器，其性能差，结构陈旧。到了20世纪70年代中期，我国电除尘器的试验研究工作纵深发展，在常规电除尘器方面，除对极板和板线的形式进行研究外，还对电除尘器的气流分布，清灰振打强度，粉尘比电阻的测试方法以及用喷雾增湿方法对烟气进行调质等方面，进行了大量的试验研究，这些试验对保证电除尘器的正常运行和提高电除尘器的性能都起到了积极的作用。有的研究成果已赶上了世界先进水平9。从20世纪80年代开始，随着我国工业生产的飞速发展和对环境保护要求的日益严格，我国电除尘产业得到了迅猛的发展，在我国出现了几十家电除尘器本体和供电电源专业工厂，一大批专业技术骨干转行从事电除尘器的科研，教学，设计，制造，安装和调试工作，涌现出大量研究成果，使我国的电除尘技术水平得到迅速提高10。进入90年代，我国电除尘器本体技术水平基本上接近或者部分达到了国际先进水平。我国的电除尘设备经过六、七十年代的初创、八十年代的高速发展及九十年代的稳步提高，已成为新的经济增长点，电除尘器、袋式除尘器等产品水平接近国际先进水平，锅炉烟气除尘器和工业粉尘除尘设备已可立足国内市场，并由部分产品打入国际市场，出口额逐年增长。总之，如今电除尘器在我国的环保产业中，已经成为技术力量较为雄厚，装备水平较高，开发能力很强的行业之一。国产电除尘器本体和供电控制技术已达到世界水平。中国已成为世界上电除尘大国，并在跻身世界电除尘强国之林。1.3主要设计内容1.3.1设计目标设计一个由单片机为主控制器的电除尘控制系统，可以实时检测电路的状态、电压和电流数据，按照一定规则去触发控制电路，以实现电除尘功能，系统要符合准确、稳定、安全的控制要求。1.3.2硬件部分设计电除尘控制系统应该包括机械和电气两部分，在本体安装正常的情况下，除尘器的运行和除尘效率主要是由电气设备来控制检测。电气设备主要由高压部分和低压控制部分组成，而本设计题目是基于单片机的电除尘控制系统，因此，本设计中主要侧重于电除尘控制系统的控制部分。本文设计该控制系统主要是以8051单片机为核心，实时检测电路的状态，对数据采集电路、可控硅触发脉冲电路、火花检测电路、过流检测电路、过零检测电路、振打控制电路等外围电路的进行硬件设计。1.3.3软件部分设计系统软件设计的主要任务是完成电压、电流的数据采集以及火花的判断,检测按键,当电压和电流超限时发出报警。CPU监控程序包括:数据采集、过零检测、可控硅驱动控制、启停控制程序。CPU主循环程序中,主要包括: A/D采样处理程序、振打控制程序。第2章 电除尘控制系统的设计2.1总体设计方案电除尘控制系统主要由除尘器的本体（机械）和电气两部分组成。本设计总体包括：电除尘控制系统的控制器外围电路硬件部分和软件部分的设计。系统结构框图如图1-1所示。图1-1 系统结构框图除尘器本体：电除尘控制系统的本体部分。主要完成烟气的除尘工作，也是电除尘控制系统的控制对象，被安装在烟气经过的烟囱里。高压控制部分：包括高压升压、整流部分，经高压部分整流后的直流电压加到除尘器本体的两极上进而实现将气体电离、粉尘荷电等除尘工作。控制部分：实时检测电路状态，对数据采集电路、过零检测电路、可控硅触发脉冲电路、火花检测电路、过流检测电路、振打控制电路等外围电路的进行了硬件设计。控制器：控制除尘器运行的高低压设备，是电除尘控制系统的关键部分，其性能的优劣，直接影响到除尘的效率。本控制器采用了单片机进行全时域控制，并设计了比较先进的外围电路对电除尘控制系统进行检测和控制。2.2高压部分高压主回路工作原理：单相交流380V的电压经过升压、整流产生数万伏的直流高压，加到电场，使烟气通过电场时荷电。荷电的粉尘在电场的作用下被吸附到电极，通过振打装置，粉尘跌落到集尘设备，从而净化燃煤烟气11。静电除尘器的高压电源由升压变压器经高压整流器整流后供给。早期的静电除尘器都用机械整流，目前已为硅整流所取代。硅整流元件具有体积小、重量轻、寿命长、耐震、省电等优点，可以和变压器铁芯一起浸在一个油箱内，使高压设备集中。整流变压器的一次侧绕组通常设3到5个抽头，可设整流器输出不同的电压，以适应不同使用条件的需求。一般在变压器的二次侧由若干绕组，分别接至若干组桥式高压整流器上。每个桥路由四只高压硅堆组成，将桥路的直流输出端串联得到高压直流电压。高压直流的负极经阻尼电阻后用高压电缆送到除尘器上。阻尼电阻可缓冲顺势火花放电的电流，并起到一直高频分量的作用3。一次电流值由互感器提取，加到控制器作为一次参数取样。一次电压值，从高压变压器的输入端提取，并经变压器耦合，作为一次电压取样。二次电流值为整流器高压侧的取样电阻提取。二次电压值由整流器高压侧分压电阻分压提取，送至控制器。2.3低压控制部分低压控制原理：燃煤烟气通过高压电场时，烟气中的粉尘因电离而荷电，荷电的粉尘被吸附到极板，通过振打极板使粉尘跌落到集尘装置，经运输装置清运，达到净化烟气的目的，低压控制的功能就是控制电机，振打极板。由于烟气是顺序通过几个电场，各电场的粉尘扑集量不同，各电场阳极振打装置应设不同的振打时间和周期，从而避免粉尘二次飞扬或反电晕现象出现。由于阴极线不起扑集粉尘的作用，且集灰量小。为了达到理想效果，对每一个振打电机的振打时间都需要实地测试，测定一个最佳振打时间12。低压控制部分采用自动控制模式，在自动方式下，控制系统通过检测高压主回路电流、电压参数值，再结合火花跟踪控制等方法，控制触发脉冲的输出，以调节可控硅的导通角，达到对除尘器电极间电压的调节，从而实现闭环控制。第3章 电除尘控制系统硬件设计3.1硬件总体设计本电除尘控制系统硬件部分采用8051单片机，配以其他电路共同开发而成。电除尘控制系统硬件功能框图如图3-1所示。图3-1电除尘控制系统硬件功能框图采样电路: 对需要采集模拟量进行放大、保持等调理后送入 A/D转换,将模拟量进行采集转换成数字量,送入单片机。过零检测电路:从工频交流信号(50Hz)提取正弦波的正负过零点,经运放组成的比较电路消去正弦波的负半波,最后经光耦隔离后送入单片机。产生的中断脉冲,每 10ms触发一次用于同步可控硅导通控制脉冲的相位。可控硅触发电路：从单片机输出两个矩形波信号,相隔 10ms,分别控制交流波的正半波和负半波,产生可控硅触发脉冲,由脉冲变压器放大后控制可控硅的导通。火花检测电路:要想提高电除尘的除尘效率,电除尘应该工作在最佳火花率下，以得到最大的收尘功率。振打控制电路：静电除尘的金属极板上的烟尘，需用振打电机定时进行振打，将灰尘打落，收集在箱内运走。振打电机转动的时间就是振打时间，设计为l12s，而停转时间为112min。3.2单片机的选型8051是美国Intel公司的8位高档单片机，8051单片机内部包含了作为微型计算机所必需的基本功能部件，各功能部件相互独立地集成在同一块芯片上。8051引脚如图3-2所示。图3-2 8051单片机本系统设计中所涉及到的单片机管脚介绍：主电源引脚VCC和VSS： VCC（40脚）：接+5V电压； VSS（20脚）：接地。 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2：XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。 XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。 输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根） 1.P0口（32脚至39脚）：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。 2.P1口（1脚至8脚）：是准双向8位I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。 3.P2口（21脚至28脚）：是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。 4. P3口（10脚至17脚）：是准双向8位I/O口，在MCS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载13。P3口各位第二功能如表3-1所示。表3-1 P3口各位的第二功能P3口的位第二功能注释P3.0串行数据接受口P3.1串行数据发送口P3.2外中断0输入P3.3外中断1输入P3.4计数器0计数输入P3.5计数器1计数输入P3.6外部RAM写选通信号P3.7外部RAM读选通信号3.3启停控制电路设计本控制器有启动和停止两个状态，启停两种状态由接在单片机P2.0管脚上的按键统一控制。按键按下控制启动，即接通电源，允许高压输出，按键按起表示控制停止，即断开电源，停止高压输出。8051所接按键是独立式按键，按键对应I/O口的一位，没有按键闭合时，处于高电平，当有键按下时，就使该位接地为低电平 18。这样，当CPU检测到P2.0为“0”，便可辨别出按键按下，此时，单片机的P2.7口发出低电平，控制光耦的导通，通过三极管的电流放大，控制固态继电器吸合，使系统设备得到启动控制信号；当检测到P2.0为“1”时，P2.7口发出高电平，光耦截止，使系统设备得到停止控制信号。控制电除尘控制器工作的启动和停止。启停控制电路如图3-3所示。图3-3启停控制电路图3.4数据采集电路设计电除尘器是一个控制实时性比较强的设备，其一次电压、一次电流、二次电压、二次电流以及其他模拟信号是整个控制的关键所在，对这些信号的采集必须做到失真小、灵敏度高和实时性。电除尘器的电场阻抗随不同工况、不同规格和不同使用年限而异，要求高压整流设备在运行时不能超过其容量。也就是说一次电压、一次电流、二次电压、二次电流都不能超过极限值，否则就会烧坏升压变压器14。为了实现极限值控制和提高除尘效率，首先,必须检测这几个值运行时的实际值。需要检测的模拟量有一次电压V1,一次电流I1，二次电压V2、二次电流I2的平均值及二次电流的峰值，分别进行调理，送入A/D转换器，进行数据采集。四路模拟量值通常都较大，在接入调理电路前需经现场取样，电流取样采样互感器，电压取样采用电阻分压，取样比例试现场情况而定。数据采集是采集一次电流、电压，二次电压的平均值和峰值。一次参数的设置：额流：285 A，限流：185 A，额压：380 V,限压：260 V。二次参数的设置：额流：1000 mA，限流：185mA，额压：72 KV,限压：30 KV。单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 分别与EOC、时钟、地址、数据输出端分别相连，不需要选片，因此片选信号接地，REF-直接接地。本控制系统中，A/D除了要完成对现场采集来的四路模拟量进行A/D转换之外，还要将CD4051中OUT输出的模拟量转换成数字量送到单片机中。CD4051中的OUT脚与A/D的A4引脚相连。数据采集核心电路图如图3-4所示。图3-4 数据采集核心电路图模数转换器TLC1543介绍TLC1543 是由 TI公司开发的开关电容式 A/D转换器,10 位精度、11 通道、三种内建的自测模式，提供 EOC，单片机的接口采用串行接口方式。其中 A0A10是11路输入，VCC 和 GND 分别是电源引脚，REF+和 REF-分别是参考电源的正负引脚，使用时将 REF-接地，达到一点接地的要求，以减少干扰。其余的引脚是TLC1543 与 CPU 的接口，其中 CS 为片选端，如不需选片，可直接接地。I/O CLOCK 是芯片的时钟端，ADDRESS是地址选择端，DATA OUT是数据输出端，这三根引脚分别接到 CPU 的三个 I/O 端即可。EOC 用于指示一次 A/D 转换已完成，CPU 可以读取数据，该引脚是低电平有效，根据需要，该引脚可接入 CPU 的中断引脚，一旦数据转换完成，向 CPU 提出中断请求；此外，也可将该引脚接入一个普通的 I/O引脚，CPU通过查询该引脚的状态来了解当前的状态，甚至该引脚也可以不接，在CPU向TLC1543发出转换命令后，过一段固定的时间去读取数据即可15。其引脚功能见表3-2。表3-2 TLC1543引脚功能介绍引脚引脚名称I/O功能1-911、12A0-A10I模拟量输入端15I片选端。的下降沿使能ADDRESS，DATA OUT和I/O CLOCK17ADDRESSI串行数据输入端。数据在I/O CLOCK的上升沿写入。前4位数据位模拟电压的通道号或片内自测电压通道号，高位在先16DATA OUTO串行数据输出端。数据在I/O CLOCK的下降沿写入。在无效或进行A/D转换时，该脚保持高阻状态。在数据数据输出时，由软件编程决定是高位在先还是低在先19EOCO转换结束标志。在输入串行数据的最后一个时钟周期的下降沿，即开始A/D转换时，EOC脚位变低，直到转换结束后变高。数据准备完毕，可以输出10GND地，REF-接该脚18I/O CLOCKII/O时钟14REF+I正参考电压端，一般情况接VCC13REF-I负参考电压端，一般情况接地20VCC正电源电压输入端，电压为5V0.5V注：TLC1543的EOC口接到单片机P1.1上，单片机采取扫描的方式来检测EOC的状态。3.4.1一次电流采集电路设计一次电流采集电路设计原理：现场采集的一次电流经过电流互感器转换比例为300:5，经过采样电阻转换成交流电压。进入全波精密整流电路（由半波整流电路和加法电路组成），通过VR1可调整增益，使一次电流符合现场采样，电容为滤波电容。调整成A/D转换器可接受的电压信号，调理后进入A/D的采样比例为100(A):1（V）。一次电流采集电路如图3-6所示。图3-6 一次电流采集电路图3.4.2一次电压采集电路设计图3-7一次电压采集电路图一次电压采集电路设计原理：现场采集的一次电压经过降压变压中器比例为100:1，经过全波精密整流电路（由半波整流电路和加法电路组成），通过VR3可调整增益，使一次电压符合现场采样，电容为滤波电容。调整成A/D转换器可接受的电压信号，调理后进入A/D的采样比例为100:1。一次电压采集电路如图3-7所示。3.4.3二次电流采集电路设计二次电流采集电路设计原理：现场采集的二次电流经过电阻转换成电压后，经过比例调整电路，通过VR2可调整分压比例，使二次电流符合现场采样（二次电流表显示），调整成A/D转换器可接受的电压信号，调理后进入A/D的采样比例为1000（mA）:1（V）。运算放大器AR2的放大比例是10。二次电流采集电路如图3-8所示。 图3-8二次电流采集电路图3.4.4二次电压采集电路设计图3-9 二次电压采集电路图二次电压采集电路设计原理：现场采集的二次电压经过分压后，经过比例调整电路，调理成A/D转换器可接受的电压信号，通过VR4可调节分压比例，使二次电压符合现场采样，调理后进入A/D的采样比例为100（KV）:5（V）。二次电压为脉动的直流电压。运算放大器AR5的放大比例是5。二次电压采集电路如图3-9所示。3.5过零检测电路设计过零检测简单的说就是输入的工频交流信号每经过一次零点，输出就发出一次脉冲20。过零检测输出信号作为单片机的一个外部中断信号，每10ms触发一次，配合软件，可控制任何周期为10ms倍数的动作，如定时测量。过零检测电路图如图3-10所示。图3-10过零检测电路图过零检测的工作原理是：变压器输出9V的正弦波，经过电阻分压后，经过由运放LM393组成的零电压比较电路消去正弦波的负半波，电压比较器LM393将50HZ正弦交流电压变成方波，在交流电每次过零点都会输出脉冲，其正负过零点产生两个下降沿，加到从CPU的中断输入脚INT0和INT1上，产生中断。此中断每10ms产生一次。过零检测的作用可以理解为给主芯片提供一个标准，为单片机提供10ms的间隔时间，这个标准的起点就是零电压，可控硅的导通角就是依据这个标准，而每个导通角的导通时间是从零电压开始计算的，导通的时间不一样，导通的角度就不一样。为了保护可控硅，设置了交流电过零检测电路，本设计采用过零电压比较的方法，设计了过零检测电路21。该电路由电压比较器，光耦，二极管，及非门组成。用来检测出交流电的零点，在控制双向可控硅时在交流电的零点附近导通，以防止因导通时电流过大而烧毁可控硅。3.6可控硅触发电路设计电除尘器的主要功能是对电除尘器供电变压器实施控制,包括一次电压、一次电流、二次电压、二次电流及火花率等。所有这些控制都是通过控制可控硅导通角来实现的。可控硅调压装置由两只反向并联的可控硅组成，接在电源和整流变压器间。两个可控硅分别控制 380V交流电的正半波和负半波。可控硅触发脉冲信号必须与 380V交流信号同步。只要控制加在可控硅控制极上的触发脉冲信号，就能改变可控硅的导通角，使整流变压器的一次侧获得大小可调的交流电压，电源和可控硅之间还串有电抗器，不过若采用高阻抗整流变压器时可不设电抗器。本论文设计的就是采用过零触发脉冲的方法。二极管均采用快速二极管，三极管起功率放大作用，脉冲由脉冲变压器输出电源为+12V。电路原理：本控制器脉冲触发电路设计主要包括脉冲放大器和脉冲变压器。当过零中断发生时，装入T0初值，此值与导通角相对应。并启动定时器T0。当T0溢出产生中断，由单片机输出的触发脉冲经光电隔离后控制三极管导通，脉冲变压器T一次侧作为三极管集电极负载，电源为+12V，当三极管导通时，为脉冲变压器一次侧提供电流形成触发脉冲。直到三极管截止，脉冲被封锁。产生的正负触发脉冲加到可控硅的G、K极上，由于两只可控并硅为反并联，其A、K极上是正弦波信号。当正半周出现在第一只可控硅的A、K极间时，其G、K上的正脉冲，将触发导通。而另一只的A、K极上为负半周。G、K上的脉冲不能触发，在负半周时则相反。一周中，两只可控硅轮流导通。当正弦过零点时，可控硅截止。可见导通时间决定于触发脉冲的相位，也就是决定于8051的T0的溢出时刻，即T0的初装值。改变T0初始值，就改变了可控硅的导通角。可控硅触发电路如图3-11所示。图3-11 可控硅触发电路图3.7火花检测电路设计虽然提高静电除尘器的运行电压可以使不及效率增大，但是除尘器的运行电压终将受到电晕电极和集尘电极间火花放电的影响，而不可能任意提高。一方面当运行电压接近或达到火花放电电压时，静电除尘器可以有很高的捕集效率；另一方面，一旦出现过于频繁的火花放电，除尘器会因为运行电压的迅速下降而失去除尘作用，如果火花放电转变为弧光放电，还会是极板烧蚀。因此，如何控制火花放电时保证电除尘器安全运行和提高其除尘效率的关键。可控硅的触发角和导通角的改善，可以以给定量和反馈量为依据，由自动控制回路自动调节。自动控制回路由多种多样，即火花率控制、最高电平电压控制、脉冲供电和间歇供电控制、零界火花控制等。本控制系统中利用火花信号作为反馈指令来实现调节。为了安全起见，本控制器除了软件上的火花检测外，在硬件上还有设计了火花检测电路。除尘器正常工作时允许有一定的火花率，但为了避免由火花放电过度到电弧放电，除了要有阻尼电阻之外，除尘器一旦出现火花放电后，可控硅不封锁，只减小其导通角的火花控制方式，这样反复循环使除尘器保持在一定的火花率下运行3。高压控制器的核心是智能单片处理机。首先，采样一次、二次电流、电压的波形计算他们的平均值和峰值，分析和统计其变化规律，特别是二次电流、电压的变化特征，找到电流突变的特征点，即：发生“火花”的特征点，从而调整可控硅的导通角，控制高压输出，实现自动跟踪电场变化，达到最佳除尘效果。火花检测电路如图3-12所示。图3-12火花检测电路图为保证在安全放电时间内判断出放电从而作出反应，本控制器在硬件上采用直接比较的方法，这也是火花检测独立与测量而单独存在的原因。本论文采用比较器TL082，MC14538增加了检测的稳定性，完成比较的功能。以二次电流作为测量作为输入，与可调比较量相比，比较结果作为数字量作为输出。检测的原理：当产生火花放电时，会引起二次电流的发幅度增加，利用这一特性可以检测火花放电现象16。二次电流经调理后接比较器的同向输入端。电位器VR5用来调节火花放电和电弧放电判断的值，当发生火花放电时，二次电流上升，输入比较器同向输入端的电压上升，比较器输出为正，触发器发生翻转。经过光耦进行光电隔离，通过P1.4送入单片机内部，对火花进行计数。MC14538是触发器。3.8过流保护电路设计为了使系统能够正常工作，保护升压变压器。本控制器设计了过流保护电路，该电路具有结构简单、成本低、保护可靠且容易实现等特点。其设计原理为：单片机将采集到的一次电流值实时地存储于单片机的存储器中，在单片机软件将存储器中存储的一次电流与预定的一次电流门限值进行比较，当一次电流高于一次电流门限值时，单片机P1.5口输出高电平，此时光耦导通，三极管导通，继电器吸合并向主控制器发出报警指令，要求控制器立即作出处理。过流检测电路如图3-13所示。图3-13过流检测电路图3.9振打控制电路本系统振打控制器设计最小定时时间为1ms，其它定时时间为1ms的整数倍，振打时间设计为1-12s；停转时间为1-12min。时间控制为4路输出，也可扩展到更多路，循环控制或单独控制可任意选择。其电原理如图3-14所示。图3-14振打控制电路图CD4051的每个输入端由电位器、电阻和电容器串联组成，要求电阻值的变化范围是550千欧。其中，IN0IN3依次输入设置的4个振打电机的转动时间，l12s可调，由W0W3的阻值来设定转动时间;IN4IN7，依次输人设置的4个振打电机的停转时间，112min可调，由W4W7的阻值来设定停转时间;P0.0P0.3输出控制4个电机(编号为03)的转停信号，P0.4P0.6输出CD4051八选一的地址码ABC。4个电机的编号为03，其转停分别由4个继电器J0J3来控制.继电器型号JZC20F，为超小型、中功率继电器，特点是灵敏度高、负载能力较强，线圈工作电压9V。本设计电除尘器的4个电机依次工作，如果4个电机不是依次工作而要求单独工作，只需调整一下软件设计便可使用。使用时，电位器W0W7，上有刻度1 12，旋转电位器到设定的时间。把继电器J0J3触点分别串接到4个电机的控制电路中，通电后立刻工作。对每一个振打电机都要确定一个最佳振打时间，选振打效果最好的振打时间就是最佳振打时间，以后由W0W3来设定最佳振打时间。如果最佳振打时间超过12s，则应减小该振打电机的停转时间。模拟转换开关CD4051：CD4051由地址译码器和多路双向模拟开关组成,可通过外部地址(C,B,A端)输入，经内部地址译码后,接通OUT引脚与地址相对应的其中一个开关(IN0IN7),允许八线到一线的多路开关连接或一线到八线的多路分配连接;VCC和VEE提供工作电源，NH为控制输入,输入高电平时,多路开关中各开关均不通,输出呈高阻17。CD4051真值表如表3-3所示。表3-3 CD4051真值表输 入 端与OUT端导通的通道NHCBA0000IN00001IN10010IN20011IN30100IN40101IN50110IN6011lIN7lXXX高阻第4章 系统软件设计4.1软件总体设计如果把整个控制系统看做是一个总体，那么8051单片机控制器是控制系统的“大脑”，外围电路时控制系统的躯干，运行在处理器上的系统软件就是“灵魂和思想”。在系统软件设计之前，首先针对高电压静电除尘控制系统的功能需求做了分析，然后根据分析得到的功能需求，构建软件整体框架，最后实现具体的功能模块。8051单片机CPU的主程序流程如图4-1所示。图4-1 主程序流程图软件的简要说明：1自检过程：包括CPU的自检，外围元器件的自检过程，同时包括一些初始化过程。自检功能，控制器在每次上电时，执行自诊断程序。当检测设备周边电路无误时，发设备准备妥信号，否则启动无效，并终止程序运行。2启动过程：当设备自检通过后，主要是同步过零信号正常、采样回路正常、主回路已经带电，控制器逐步升高参数，设备开始启动。3正常运行过程：运行周期：在过零信号出现以后，首先根据上个过零中断确定的控制角值，设定定时器值,当可控硅触发后，采集二次电压值，作为二次电压的谷值，然后不间断采集二次电流的峰值，直到连续三次采到下降值，认为已经采到二次电流峰值，此时采二次电压值作为二次电压峰值，把采到的二次电流峰值与上一周期采到的二次电流值比较，进行火花判断，然后根据预订的规则设定可控硅的控制角。通讯周期：通讯周期时导通角设置为上个周期的一半，确保不发生火花，控制振打设备。故障周期：当发生可控硅击穿的现象时，立即跳开主回路接触器；发生二次开路时，逐步降低参数后跳开主回路接触器；发生二次短路时，控制器停止发出触发脉冲，不跳主回路接触器，过5分钟后，重新发出触发脉冲，判断短路现象是否已消除。停止过程：收到指令后，逐步降低参数，当一次电流值降至零以后，跳开主回路接触器。4.2模拟量采集设计模拟量采集任务主要是完成一次电流、一次电压、二次电流、二次电压四路模拟量和CD4051的OUT端输出模拟量的采集与数据处理工作。采用的是A/D转换器为TLC1543。控制字的格式：从ADDRESS端串行输入的8位数据，它规定了TLC1543要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度、输出数据的格式。其中高4位(D7D4)决定通道号，对于0通道至10通道，该4位分别为00001010H，当为10111101时，用于对TLC1543的自检，当为1110时，TLC1543进入休眠状态。低4位决定输出数据长度及格式，其中D3、D2决定输出数据长度，01表示输出数据长度为8位，11表示输出数据长度为16位，其他为10位。D1决定输出数据是高位先送出，还是低位先送出，为0表示高位先送出。D0决定输出数据是单极性(二进制)还是双极性(2的补码)，若为单极性，该位为0，反之为1。转换过程：上电后，CS接地为低电平，I/O CLOCK、ADDRESS使能，DATA OUT脱离高阻状态。时钟信号从I/O CLOCK端依次加入，随着时钟信号的加入，控制字从ADDRESS一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC1543(高位先送入)，同时上一周期转换的A/D数据，即输出数据寄存器中的数据从DATA OUT一位一位地移出。TLC1543收到第4个时钟信号后，通道号也已收到，此时TLC1543开始对选定通道的模拟量进行采样， EOC变低，开始对本次采样的模拟量进行A/D转换，转换时间约需10s，转换完成后EOC变高，转换的数据在输出数据寄存器中，待下一个工作周期输出。此后，进入新的工作周期。模拟量采集流程图如图4-2所示。图4-2 模拟量采集设计流程图4.3过零中断及输出脉冲设计工频交流电为50HZ，周期是20ms，故过零脉冲中断每20ms发生一次。过零脉冲中断程序的主要功能是完成可控硅触发脉冲的输出。电除尘器供电主回路用到两个可控硅，在设计中用两个I/O输出正负触发脉冲，分别控制相应的可控硅，两个触发脉冲相隔10ms。可控硅触发脉冲准备输出的具体实现方法是：过零中断触发定时器开始定时计数，定时时间到输出可控硅正触发脉冲，10ms输出可控硅负触发脉冲。过零中断采用外部中断INT0，是一次电压每经过一次零点，都有过零中断检测电路给微处理器一个中断信号，过零中断子程序按照每180导通角对应10ms的比例，将当前导通角转换为时间值，然后将时间付给TO定时/计数器，在其中断程序里由微处理器对可控硅导通角进行控制。过零脉冲中断程序流程如图4-3所示。图4-3过零脉冲中断程序流程图在可控硅触发脉冲电路中，当过零中断发生时，装入T0初值，此值与导通角相对应。并启动定时器T0。当T0溢出产生中断，CPU输出触发脉冲加到可控硅的G、K极上，由于两只可控硅为反并联，其A、K极上是正弦波信号。当正半周出现在第一只可检测T0值是否在规定范围内设置T0参数，T0启动延时控硅的A、K极间时，其G、K上的正脉冲，将触发导通。而另一只的A、K极上为负半周。G、K上的脉冲不能触发，在负半周时则相反。一周中，两只可控硅轮流导通，T0中断子程序流程图如图4-4所示。图4-4 T0中断子程序流程图当交流正弦过零点时，可控硅自行截止。可见导通时间决定于触发脉冲的相位，也就是决定于8051的T0的溢出时刻，即T0的初装值。改变T0初始值，就改变了可控硅的导通角。4.4火花跟踪控制设计能量判别的依据是：当产生火花时的电流峰值大于火花前电流峰值的一个设定的倍数。火花检出方式如图4-5所示。图4-5 火花检出方式火花控制方式：减少导通角。用这种控制特