脉冲燃烧热水炉控制毕业论文.doc

天津工业大学毕业设计（论文）脉冲燃烧热水炉控制器的设计姓 名： 院(系)别： 电子与信息工程学院专 业： 电子信息科学与技术班 级： 指导教师： 职 称： 2012年 6 月 5 日天津工业大学毕业设计（论文）任务书 题目脉冲燃烧热水炉控制器设计学生姓名学院名称专业班级课题类型 预研课题课题意义 脉冲燃烧热水炉采用先进的脉冲燃烧技术，具有结构简单，燃烧强度大，对环境污染小等突出优点，适用于宾馆、招待所、公寓、机关、学校等集中供热水的单位及地方。其燃气量仅为相同燃烧炉的70%，推广应用对节约能源、缓解城市燃气供需矛盾十分有利，具有广泛的应用前景。任务与进度要求2012.2.28-2012.3.10 查阅相关资料，完成英文翻译；2012.3.11-2012.3.20 明确设计任务，了解设计流程，拟定初步计划；2012.3.21-2012.4.1 确定总体方案，完成硬件电路设计；2012.4.2-2012.5.10 硬件电路原理图绘制；2012.5.11-2012.5.24 软件流程图设计及编程；2012.5.25-2012.6.05 撰写设计论文；主要参考文献1姜正侯等.脉冲燃烧装置的燃烧特性煤.气与热力，1992.No.2: 30322李华等.实用接口技术，北京航天航空大学3章成骏等.脉冲燃烧工业液体加热装置的研制.城市公用事业 4于国锋.脉冲燃烧热水炉的设计与研究.城市公用事业, 1991.NO.4(2): 22305王丽华,郑树展.基于单片机的电加热炉温度控制系统设计.高等职业教育, 2006; 4(15): 51536高正中,刘隆吉,苑红波.基于C8051F的高精度温度控制系统设计.煤 矿机械, 2008; 9(29): 3335起止日期2012.3.052011.6.10备注院长 教研室主任 指导教师 毕业设计（论文）开题报告表 2012年3月05 日姓名学院专业班级题目脉冲燃烧热水炉控制器设计指导教师林志贵一、与本课题有关的国内外研究情况、课题研究的主要内容、目的和意义：实现自动供气、点火、进水；出水温度、水箱水位控制、水温连续检测及数字显示；熄火时，能自行启动的自保护功能和水温超高、水位超限处理能力。脉冲燃烧热水炉采用先进的脉冲燃烧技术，具有结构简单，燃烧强度大，对环境污染小等突出优点，适用于宾馆、招待所、公寓、机关、学校等集中供热水的单位及地方。其燃气量仅为相同燃烧炉的70%，推广应用对节约能源、缓解城市燃气供需矛盾十分有利，具有广泛的应用前景。二、进度及预期结果：起止日期主要内容预期结果11.2.28-3.1011.3.11-3.2011.3.21-4.111.4.2-5.1011.5.11-5.2411.5.25-6.05查阅相关资料，完成英文翻译； 明确设计任务，了解设计流程，拟定初步计划；确定总体方案，完成硬件电路设计；硬件电路原理图及PCB图绘制；软件流程图设计及编程；撰写设计论文； 理解课题任务；熟悉脉冲燃烧热水炉控制器特点，初步计划成型；完成流程图总体设计；完成电路原理图及PCB图的设计；软件设计完毕；完成毕业论文；完成课题的现有条件PC机、MC9S08AW60审查意见指导教师： 年 月 日学院意见主管领导： 年 月 日天津工业大学毕业设计（论文）进度检查记录 题目脉冲燃烧热水炉控制器设计学生姓名学院名称专业班级指导教师姓名林志贵指导教师职称副教授日 期指 导 记 录3.10熟悉课题，收集课题相关资料3.17参考相关文献，研究脉冲燃烧热水炉控制器设计系统的要求和特点3.24学习相关理论知识4.1初步制定设计方案4.8深入了解Protel DXP 2004软件及其开发系统4.15总体方案设计4.22优化方案设计，并设计系统硬件部分4.29设计相关的程序流程图5.6在老师指导下进行软、硬件部分的设计5.10基本完成论文所需的软、硬件设计5.13在老师指导下对方案进行改进5.15撰写论文6.1论文的修改6.5初稿完成6.10定稿，准备答辩 天津工业大学本科毕业设计（论文）评阅表（设计类）毕业设计题目脉冲燃烧热水炉控制器设计学生姓名学生班级指导教师姓名评审项目指标满分评分选题能体现本专业培养目标，题目大小、难度适中；学生工作量饱满，能得到较全面训练。10题目与生产、科研等实际问题结合紧密。10课题调研文献检索能独立查阅文献以及从事其它形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案；有分析整理各类信息从中获取新知识的能力。15外文应用能正确引用外文文献，翻译准确，文字流畅。5设计说明书（论文）设计图纸（插图）简洁、规范、无差错，设计栏目齐全合理，能正确使用国家标准单位。15设计说明书（论文）结构严谨，表达清楚，文字通顺，用语正确，基本无错别字和病句，书写格式符合规范。15能根据毕业设计目标进行实验设计，对数据的运算及处理正确无差错，对实验结果的分析准确。20设计具有创新性或实用价值。10合计100意见及建议评阅人签名：年 月 日天津工业大学毕业设计（论文）成绩考核表学生姓名学院名称专业班级题目脉冲燃烧热水炉控制器设计1毕业设计（论文）指导教师评语及成绩： 成绩： 指导教师签字： 年 月 日2毕业设计（论文）答辩委员会评语及成绩：成绩：答辩主席（或组长）签字： 年 月 日3毕业设计（论文）总成绩：a.指导教师给定成绩b.评阅教师给定成绩c.毕业答辩成绩总成绩(a0.5+b0.2+c0.3)摘 要脉冲燃烧热水炉采用先进的脉冲燃烧技术，具有结构简单，燃烧强度大，对环境污染小等突出优点，适用于宾馆、招待所、公寓、机关、学校等集中供热水的单位及地方。其燃气量仅为相同燃烧炉的70%，推广应用对节约能源、缓解城市燃气供需矛盾十分有利，具有广泛的应用前景。在能源日趋紧张环境保护日益受到重视的今天，脉冲燃烧技术的研究应用具有特别重要的意义。本文采用MC9S08AW60最小系统作为本系统的核心控制芯片，成功实现了脉冲燃烧热水炉的自动控制，完成了控制系统的硬件电路设计和需要的软件设计。系统以MC9S08AW60为控制核心，整个系统包含了串口通信模块、电源模块、A/D转换模块、显示模块、振荡电路、电磁阀驱动电路等与本系统相关的电路，并配备有相应的外部中断程序、A/D转换程序、显示程序、标度转换程序等。本系统的特点是硬件电路模块清晰，电路原理图未采用繁琐的布线形势而是采取了接口名称，增强了整体电路原理图的易读性，能较好的实现系统的各个功能要求，具有很好的使用价值和推广价值。关键词：脉冲燃烧技术；热水炉；自动控制；MC9S08AW60 ABSTRACTThe pulse combustion water heater using advanced pulse combustion technology, which has the advantages of simple structure, combustion intensity, small environmental pollution and so on; adjusting to hotels, hostels, apartments, offices, schools and other water heating units or places. The volume of gas is only 70% as the same of combustion furnace. Its popularization and application benefit for saving energy, alleviating the contradiction between the supply and demand of city gas, with wide application prospect. Nowdays, as the energy shortage and environmental protection being taken seriously increasingly, the technology research of pulse combustion and application is of particular importance.This thesis uses the MC9S08AW60 minimum system as the core of the system control chip, achieves the implementation of automatic control of the pulse combustion water heater, completes the control system hardware circuit design and the need for software design. The system which takes MC9S08AW60 as the control core, includes communications module, power module, the A/D conversion module, display module, oscillation circuit, an electromagnetic valve driving circuit and other circuits associated with this system. It also contains the corresponding external interrupt procedures, the A/D conversion program, display program, scale conversion program.The system has the characteristics of clear hardware circuit module, whose circuit diagram take the interface name instead of using the tedious wiring situation; enhance the overall circuit diagram legibility. It can realize the system functional requirements better, has the very good application value and popularization value.Key words：Pulse combustion technology; Water heater; Automatic control; MC9S08AW60 目 录第一章 绪 论11.1 脉冲燃烧的简介11.2 脉冲燃烧热水炉的设计要求21.3 热水炉控制器现状31.3.1 仪表控制31.3.2 模糊控制41.3.3 集散控制（DCS）51.3.4 可编程控制（PLC）61.4 本章小结7第二章 系统的总体设计方案82.1 系统任务82.2 脉冲燃烧热水炉的工作原理82.3 系统方案设计92.4 器件的选择102.4.1 微型震动传感器102.4.2 ADC0809芯片112.4.3 74LS373芯片132.4.4 串通信模块（SCI）152.4.5 主控制器的选择162.4.6 显示模块（LCD HS1926）18第三章 系统的硬件设计203.1 AW60最小系统203.1.1 晶振电路203.1.2 复位电路213.2 按键电路223.3 水位传感器电路233.4 熄火检测电路233.5 A/D转换模块243.6 显示模块（LCD电路）253.7 电源电路263.8 串口通信电路273.9报警电路273.10 电磁阀驱动电路28第四章 系统软件设计294.1 设计思路294.2 设计方案294.2.1 主程序304.2.2 外部中断1处理程序304.2.3 水温采样程序314.2.4 标度转换服务程序324.2.5 高温处理程序334.2.6 低温处理程序344.2.7 定时器溢出中断处理程序35第五章 系统调试365.1 主程序365.2 定时器中断365.3 外部中断37结束语40参考文献41附 录42附件一：程序代码42附件二：电路原理图48外文资料50中文翻译54谢 辞58第一章 绪 论脉冲燃烧是一种非常规燃烧技术 ,与常规的燃烧方式相 比,脉冲燃烧是一种类似于内燃机烧过程的 不连续的周 期性燃烧方式。其燃烧频率通常控制在几十HZ,有时可高达 150HZ左右 。脉冲燃烧具有低污染排放 、燃烧强度大 、换热系数大、热效率高、正压排烟 、结构简单、对外界能源依赖性少、易在低压供气无鼓风条件下实现大负荷燃烧等优点。在能源 日趋紧张 ,环境保护 日益受到重视的今天 ,脉冲燃烧技术的研究应用具有特别重要的意义。脉冲燃烧是当代世界各国研究应用越来越多的非常规燃烧技术。与常规的燃烧方式相比，脉冲燃烧是一种类似于内燃机燃烧过程的不连续的周期性燃烧方式。其燃烧频率通常控制在几十赫兹，有时可高达150赫兹左右。脉冲燃烧具有低污染排放、燃烧强度大、换热系数大、热效率高、正压排烟、结构简单、对外界能源依赖性少、易在低压供气无鼓风条件下实现大负荷燃烧等优点。在能源日趋紧张环境保护日益受到重视的今天，脉冲燃烧技术的研究应用具有特别重要的意义。1.1 脉冲燃烧的简介脉动燃烧的特点优点与基于稳态燃烧的常规燃烧相比，脉动燃烧具有独特的优点，主要是燃烧过程的脉动性，强化了燃烧和排出气流中质量、动量和热量的传递。1、燃烧效率高。由于燃烧化学反应充分，在很低的过量空气条件下燃烧效率可达到非常高的值(98%-100%)。2、燃烧强度大。脉动燃烧器中特有的强烈的气流脉动，极大地改善了反应物间的扩散掺混和传热传质过程，从而大幅度提高燃烧强度。据报道，燃烧强度可达5.8万kw，而常规燃烧器最大燃烧强度只能达到840kw。3、热效率高。脉动燃烧充分，所需过量空气少，且具有自行排气功能，故可大大降低排气热损失，使总热效率提高到95铸左右，有的可达到98%。4、传热系数大。脉动燃烧的湍流扰动作用，使传热边界层变得薄而不稳定，因而极大地降低了热量传递的阻力，使燃烧室和排气管的传热系数可达到93W-174W，比非脉动燃烧装置高1倍。5、排烟污染小。脉动燃烧器内强烈的气流脉动，改善了燃烧室内的混合过程，使燃烧充分，排出尾气中的CO，NO二和烟尘等含量降低。由于燃烧过剩空气少、燃烧室温度较低，NO二排放量只有(20-50)x10一6;采用某些措施后，NO二排放量可降低到(5-7)x10一6。6、脉动燃烧器结构简单、体积小，除单向阀外，几乎没有运动部件。7、具有自吸、自燃及正压排气的特点。脉动燃烧的主要缺点:l、脉动燃烧本身就是噪声源，所以噪声大是其主要缺点。为消除噪声，不仅会增添燃烧器设计的难度，还使成本和装置的质量加大。2、脉动燃烧器内的压力脉动，会诱发系统组件的振动，这对构件的强度和工作可靠性造成不利影响。3、只有在一定的热负荷内，才能保证良好的运行稳定性。在结构设计中必须严格保证一定的声学条件和某些部件的强度。这就使脉动燃烧器设计和应用的难度比普通燃烧器大。锅炉与采暖。出于节能、环保和小巧灵便的考虑，脉动燃烧技术被用于锅炉和采暖领域。目前世界各国对脉冲燃烧的研究应用越来越多,由于脉冲燃烧过程中的流体力学及燃烧化学反应动力学问题都是正在积极研究尚无定论的理论难题 ,因而脉冲燃烧的理论研究举步维艰 ,难有突破。国内对脉冲燃烧的研究起步晚 ,同时由于种种客观条件的限制，对脉冲燃烧的实验研究和认识还都很不够.要掌握、开发脉冲燃烧技术还需要做许多工作。在西方国家，这方面的研究主要集中在小型热水器上。1.2 脉冲燃烧热水炉的设计要求在燃料热值较高的情况下, 使用少量的燃料就可以满足加热工艺的需要,燃料和空气的流量均比较小,输送燃料管路的截面也较小,如果采用传统的连续控制方式,控制燃料和空气的蝶阀就要做的较小,导致蝶阀工作在非线性死区。而控制系统的响应能力无法满足流量变化的需要, 因此控制的温度误差较大, 为了解决这些问题, 脉冲控制技术产生了。脉冲燃烧热水炉主要有降噪保温外壳、水箱、小风机、空气及燃气去藕室、排烟去藕室、空气及排烟消音器、空气及燃气瓣阀、混合器、燃烧室、尾管、二次换热器、自动控制系统等组成。其中小风机用于热水炉启动和意外故障停机时吹扫，正常运行时小风机处于停止状态，因为脉冲燃烧所特有的自吸作用在热水炉正常运行时会把燃烧所需要的空气自动吸人混合器，因此风机的功率往往不需太大。空气及燃气去藕室能阻断燃烧室内的压力波动向空气管线和燃气管线上游传播，保护管线上的诸如电磁阀一类的控制元件，降低外界气流对热水炉稳定性的影响。排烟去藕室能减弱燃烧室内的压力波动向烟气管线下游传播，降低外界气流对热水炉稳定性的影响，还可以扩大换热面去藕室的设计关键在于选取适当的体积，连接方式及形状的选择自由度很大。排烟消音器用于消除沿空气管线和排烟管外泄的噪声。空气及燃气瓣阀、混合器、燃烧室、尾管共同构成燃烧系统一一脉冲燃烧的核心部分。二次换热器具有提供足够换热面确保冷凝式排烟的作用。自动控制系统使得热水炉运行更可靠、安全、方便，简化启动过程，自动监控水温和热水炉的安全运行。众所周知,火焰炉内工件加热质量的提高与燃烧控制技术有着密切关系。电子计算机在工业炉上的推广应用,带来了燃烧控制技术的革命,脉冲燃烧(他激式)的出现就是一例。对一台间歇式火焰炉而言,通常炉子工作时整个周期内的加热温度是不同的,而且装炉量也常发生变化。而炉子上所配备的烧嘴都是根据最大装炉量时的燃料消耗量来选择的,因此,燃烧系统的调节是不可避免的。1.3 热水炉控制器现状目前，国内的热水炉可分为容积式、悬挂式、链条式等。作为其加热的燃料也是纷繁复杂的，有石油、棕榈油、煤、煤气、天然气及太阳能等。在本文的讨论中，作为热水炉的核心设备，自动控制系统是热水炉的重要组成部分，而燃烧系统的控制优势自控系统中最为关键的内容。以下是集中控制方案的比较。在西方国家，这方面的研究主要集中在小型热水器上。如美国Lennox公司生产的系列脉动燃烧热水器，其功率为12kw-38kw;日本东芝公司生产的系列脉动燃烧热水器的功率为6-18kw;美国Hydotherm公司推出的“Hydropuls。”牌热水器使用气、液燃料，对于额定功率为23kw的家用热水器，其外形尺寸为0.85mx-0.5mx-0.35m，质量60kg，由于采取了隔音措施，lm以外处的噪声小于50dB，排气污染很小，燃烧效率可达92%-99%，比普通热水器节省燃烧10%-30%，且使用操作方便。美国Forbes公司于80年代末推出了146.5kw的中小型蒸汽锅炉，蒸发量为200kg，总热效率提高到86%，整个装置的体积只有0.914ml，可用于旅店、饭店、洗衣房等。目前，国内的热水炉可分为容积式、悬挂式、链条式等。作为其加热的燃料也是纷繁复杂的，有石油、棕榈油、煤、煤气、天然气及太阳能等。在本文的讨论中，作为热水炉的核心设备，自动控制系统是热水炉的重要组成部分，而燃烧系统的控制优势自控系统中最为关键的内容。以下是集中控制方案的比较 在西方国家，这方面的研究主要集中在小型热水器上，可用于旅店、饭店、洗衣房等。1.3.1 仪表控制控制仪表(control instrument )，自动控制被控变量的仪表。它将测量信号与给定值比较后，对偏差信号按一定的控制规律进行运算，并将运行结果以规定的信号输出。工程上将构成一个过程控制系统的各个仪表统称为控制仪表。在化工生产中，又称控制器或调节仪表。是将被控变量按一定精确度自动控制在设定值附近的化工仪表。它把所需控制的被控变量的测量值与要求的设定值进行比较，得出偏差，按照一定的函数关系(称为控制规律)发生控制作用，操纵控制阀或其他执行器以实现对生产过程的控制。在化工生产中常见的被控变量有温度、流量、压力、液位和成分等。常规的控制仪表内部用模拟信号联系和运算，故称模拟控制仪表，也称调节器。控制仪表内部用数字信号联系和运算的，称为数字式控制仪表，也称数字调节器。锅炉控制的仪表控制主要是通过电动单元组合仪表来实现。现在的发展的只能仪表在功能上大大增强，也具备了通讯功能，但仍摆脱不了仪表控制的固有缺陷。同时，随着仪表功能的增多、增强，其价格也越来越贵，逐渐失去价格优势。1.3.2 模糊控制利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是工程师便利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。如图1-1所示。图1-1 模糊控制目前，在锅炉控制方面，模糊控制主要应用于一些大中型锅炉的控制中，由于其成本仍然相对较高，所以小型热水炉的控制中很少应用。1.3.3 集散控制（DCS） 分布式控制系统（DCS，Distributed Control System），习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。其技术特点是一机多控，即一套PLC主控系统控制多台锅炉运行，这样就简化和方便司炉人员的操作，有利于微机系统的使用，在不增加设备造价的情况下，提高和方便思路人员的操作，有利于微机系统的使用，在不增加设备造价的情况下，提高了主控系统硬件档次。系统可靠性高，这主要有PLC主控系统柜的可靠性和软件的适应性保证的，不但提高了控制精度，而且节省了大量的电能。随着时间的推移和人们对控制要求的提高，它的弊端也逐渐暴露出来：价格偏高，系统开放性差，控制仍然相对集中。图1-2为集散控制系统结构图：图1-2 集散控制1.3.4 可编程控制（PLC） 可编程控制器是指可通过编程或软件配置改变控制对策的控制器。 可编程控制器简称PC（英文全称：Programmable Controller），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。对于锅炉燃烧的PLC控制系统来说，采用可编程控制器PLC进行智能化控制后，组成的系统自动化程度高，提高了机组的经济性和运行可靠性，操作更方便，为了这一环保节能设备的推广的应用创造了有利条件。PLC通过检测温度、水位、压力，给出控制信号控制燃烧机、真空泵、热水循环泵、电磁阀等输出设备PLC的特点：第一， 可靠性高，抗干扰能力强PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。第二，硬件配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。第三，易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。第四，容易改造系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。第五，体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。它的重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。随着网络通信哦那个能的不断增强，PLC与PLC及计算机的互联可以形成大规模控制系统，在其中挂接在线通用计算机，实现在线组态、编程和下装，进行在线监控整个生产过程，这样就已经具备了集散控制系统的形态，加上PLC价格和可靠性优势，使之可与传统的集散控制相竞争。综上所述，本文采用MCU设计，功能基本满足要求，但同PLC相比，价格要便宜的多。1.4 本章小结本章主要介绍了脉冲燃烧热水炉的当前发展现状及未来应用的展望，介绍了目前的四种控制方式并选择MCU控制作为本系统的控制方式。本文之后章节有如下安排：第二章为本文所设计系统的总体方案及所选用器件的介绍。第三章为系统硬件电路的设计及介绍。第四章为系统软件设计及流程图介绍。第五章为系统调试，并介绍所设计系统的运行结果。第二章 系统的总体设计方案2.1 系统任务 实现自动供气、点火、进水；出水温度、水箱水位控制、水温连续检测及数字显示；熄火时，能自行启动的自保护功能和水温超高、水位超限处理能力。 单片机采用MC9S08AW60作为控制器，输出部分包括输出驱动及报警电路和显示电路。主要内容涉及到自动供气、点火、进水，出水温度、水箱水位控制、水温连续监测及数字显示，熄火时能自行启动的自保护功能和水温超高、水位超限处理能力。2.2 脉冲燃烧热水炉的工作原理 热水炉燃烧原理如下图所示：燃气和空气经混合室混合后，进入燃烧室。电火花点火，开始燃烧，由于气体膨胀，压力升高使单向进气阀关闭。推动烟气通过换热管道排出。由于惯性作用，导致燃烧室内形成负压，于是又打开单向进气阀，吸入混合气体，并在此被前次燃烧产生的热量点燃。如此反复燃烧-吸气-再燃烧，周期性坚持下去。系统框图如图2-1所示。图2-1 系统框图2.3 系统方案设计 本方案以控制器位核心（AW60最小系统），实现对热水炉的全自动管理：自动供气、自动点火、自动进水、出水温度、水箱水位控制、水温连续监测及数字显示；熄火时，能自动启动的自我保护功能和水温超高、水位超限处理能力。使热水炉在无人情况下能安全、可靠的运行。 完成以上要求，所需要的主要参量如图2-2所示：图2-2 系统控制参量在以上的分析下，可设计出控制器的结构框图，如图2-3所示：图2-3 控制器的结构框图 1、 温度采集模块：对温度进行采集和处理。测温电路由半导体测温电阻、分压电阻和ADC0809转换电路组成。从使用角度出发，在此系统中，热水炉的出水温度无需精确的控制。因热水炉出来的热水需要进入一个保温性好的贮水水箱后，才能供给用户。水温升高或降低太快对输出的水温不会带来太大的变化，用户完全可以承受。另外，要精确控制水温，必须获取热水炉较精确的数学模型，简历复杂的控制算法，使用较昂贵的执行机构，这将增大系统软、硬件的复杂程度，提高成本。故在温度控制系统中，没有使用专用传感设备，而是采用较简单的分压设备。温度测量在计算程序后，精度可达1摄氏度，采样通过LCD动态显示，可设置时间间隔。 2、 虚火检测电路模块：由于脉冲燃烧炉具有其独特的燃烧原理，所以不能用一般的方法来检测其燃烧情况。在此系统中将工作时产生的震动作为其是否停机的判断标准，可使用运放获震动传感器和单稳连接电路来检测震动的存在。 3、 水位采集模块：对水位的高限及低限水位进行采集。水位传感器可输出高限及低限两个开关信号，开关闭合为有效。在电路中先通过一电阻上拉，使开关断开时为高电平，而水位到限，相应开关闭合，从而送出高限及低限水位信号。 4、单片机芯片处理模块：执行系统的开关控制。从系统的成本及稳定性来说，此处，采用电磁阀位主要执行器件的开关控制方案。此方案的基本思想是对水温作定时采样，当温度在低限以下时，进水阀关闭；当水温在低限以上后，允许进水阀开启；温度在高限以下并且在低限以上时，系统正常运行；当在高限以上时，关闭燃气阀，等待水温回落至正常范围。对于水位来说，当在低限以下时，开启进水阀；当低于高限并且高于低限时系统正常运行；当在高限以上时，关闭进水阀，待水位回落至正常范围才可以开启进水阀。这样，只需选择适当的采样时间、水温及水温控制范围，就可得到较好的控制效果。 5、LCD显示、报警模块：现场显示各监测点的温度；非正常熄火或水温超过上限时，发出警报。2.4 器件的选择2.4.1 微型震动传感器 由于脉冲燃烧炉具有独特的燃烧原理，所以不能用一般的方法来检验其燃烧情况。在此系统中将工作时产生的震动作为其是否停机的判断标准，所以可用震动传感器来完成对熄火信号的检测。震动传感器的输出信号将输入到单片机内考虑到信号的形势及电流的大小。本文选择了微型震动传感器(如下图)。其可以将机械式震动传感器微型化，将震动体碳化并进行密封处理，其工作性能更可靠。输出开关信号可直接与TTL电路或单片机电路输入电路相连接，电路简单。输出阻抗高，静态工作电流小。本文选择了微型震动传感器(如图2-4)：图2-4微型传感器2.4.2 ADC0809芯片 图2-5所示为ADC0809器件引脚图及外观图。图2-5 ADC0809器件引脚图及外观图本方案中，选择ADC0809作为模数转换器。ADC0809是一种比较典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换CMOS工艺，可实现8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100us左右，采用双排28引脚封装，可以喝单片机直接接。上图所示为ADC0809器件引脚图及外观图ADC0809的内部逻辑结构 ：由下图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图2-6为引脚图。图2-6 引脚图ADC0809各脚功能如下：D7-D0：8位数字量输出引脚。IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。VCC：+5V工作电压。GND：地。REF(+)：参考电压正端。REF(-)：参考电压负端。START：A/D转换启动信号输入端。ALE：地址锁存允许信号输入端。（以上两种信号用于启动A/D转换）.EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端（一般为500KHz）。A、B、C：地址输入线。 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4条。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表2-1所示。表2-1 信道选择CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7 数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ， VREF（），VREF（）为参考电压输入。 ADC0809应用说明： 1、ADC0809内部带有输出锁存器，可以与MC9S08AW60单片机直接相连。 2、初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 3、送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端上。 4、在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 5、是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。 6、当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。 2.4.3 74LS373芯片图2-7为74LS373引脚图及实物图：图 2-7 74LS373引脚图及实物图简要说明：373为三态输出的8D透明锁存器，共有 54S373 和 74LS373 两种线路结构型式，其主要电器特性的典型值如下(不同厂家具体值有差别)：型号 TPD、PD54S373/74S373 7ns 525mW、54LS373/74LS373 17ns 120mW373 的输出端 00-07 可直接与总线相连。当三态允许控制端 OE 为低电平时，Q0Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时，Q0Q7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端 LE 为高电平时，Q 随数据 D 而变。当 LE 为低电平时，D 被锁存在已建立的数据电平。当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV。引出端符号：D0D7 数据输入端OE 三态允许控制端（低电平有效）LE 锁存允许端Q0Q7 输出端表2-2为其真值表。表2-2 真值表DnLEOEOnHHLHLHLLXLLQ0XXH高阻态2.4.4 串通信模块（SCI） 串行接是一种可以将接受来自CPU的并行数据字符转换为连续的串行数据流发送出去，同时可将接受的串行数据流转换为并行的数据字符供给CPU的器件。一般完成这种功能的电路，我们称为串行接电路。 串是计算机上一种非常通用设备通信的协议。大多数计算机包含两个基于RS232的串。串同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232。同时，串通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。 串通信（Serial Communications）的概念非常简单，串按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总长不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串而言，长度可达1200米。典型地，串用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成：（1）地线，（2）发送，（3）接收。由于串通信是异步的，端能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但不是必须的。串通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端，这些参数必须匹配。 所用芯片： 1、MX232芯片：MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。 引脚介绍：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。 其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。 8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。 主要特点：1、符合所有的RS-232C技术标准 2、只需要单一+5V电源供电 3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、 V- 4、功耗低，典型供电电流5mA 5