工业锅炉安全检测系统设计

摘要在我国工矿企业中，许多中小型锅炉的自动化程度较低，造成锅炉热效率低下及环境污染。利用单片机对工业锅炉进行检测，可大幅度提高对工业锅炉安全运行状态的检测和处理能力，提高效率，节能环保，同时也保证了锅炉工作的可靠性。本文以一台中/小型工业蒸汽锅炉为背景，以AT89C51单片机为核心，设计了一套工业锅炉安全检测系统，实现了对该蒸汽锅炉的温度、压力数字化测量与实时显示及进水状况的自动启停，若蒸汽锅炉的正常工作状况有异，则发出声、光报警信号并切断燃油（气）的供给。本设计的硬件部分由AT89C51单片机、ADC0809A/D转换器、PT100铂电阻、NS-17型压力变送器、PY210液位传感器、键盘及LED数码管显示器组成。设计的软件部分采用C语言与模块化结构的结合进行编程，由主程序，水温、蒸汽压力、水位、键盘输入与显示输出子程序组成。其工作原理是ADC0809A/D转换器将传感器传来的模拟信号转化为电压数字信号，传送给AT89C51单片机进行数据处理，数据处理的结果由LED显示器显示和蜂鸣报警进行提示。蜂鸣报警时，用键盘输入，进行报警停止。最后，本文利用Proteus仿真软件对本设计进行硬/软件仿真实验，实验结果验证了本设计的合理性和有效性。关键词：AT89C51单片机；PT100铂电阻；ProteusAbstractInourcountry,thereisacircumstancewhereloadsofthesmallandmedium-sizedindustrialboilerscannotsatisfysuchastrongautomaticity,thisphenomenoncausesanegativeboilersthermalefficiencyandatthemeantimeaseriousenvironmentalpollution.However,testingtheindustrialboilerbyusingthesinglechipcanenhancedigitalinformationandprocessingcapacityrapidly,atthesametime,itshighperformancecannotonlyhelpwithenergyconservationandenvironmentprotection,butalsocansavehumanresources.Thisessaysdesignissecuritydetectionsystemforindustrialboilers,whichisbuiltunderabackgroundofindustrialboilerandAT89C51singlechipasacoretoachieveseveralfunctions,forexample,todigitallymeasureandreal-timedisplaythetemperatureandthepressure,theautomaticallystartandstopfunctionforwaterflowsituationoftheboiler,soifthereisanyunusualsituationhappenedduringtherunningtime,itmustgiveanalarmbysoundandlightthencutoffthesupplyoffueloil(gas).ThehardwarepartconsistsofAT89C51SingleChips,ADC0809A/DSwitch,PT100PlatinumResistor,NS-17PressureTransmitter,PY210LiquidLevelSensor,KeyboardandLEDDigitalTubeDisplay,Forthesoftwarepart,itusesthemodularizationstructuretoprogram,consistingofthemainprogram,watertemperature,steampressure,waterlevel,keyboardinputandthesubprogramofthedisplayoutput.Itsoperatingprinciplewouldbe:ADC0809A/DSwitchtransformstheanalogsignalfromSensorintovoltagedigitalsignals,thentransmitsthesignalstoAT89C51SingleChiptoproceedthedataprocessingandafterthattheresultsfromdataprocessingwillbedisplayedbyLEDandpromptedbybuzzingalarm.Whenthealarmbuzzing,usingkeyboardinputtostopthealarm.Atlast,todothesimulationexperimentforthisdesignbyusingProteussimulationsoftwareandtheexperimentresulthasverifiedthatthisdesignisreasonableandvalid.Keywords:AT89C51SingleChip,PT100Platinumresistor,Proteus目录1绪论.11.1课题研究背景及意义.11.2工业锅炉安全检测系统发展.11.3工业锅炉检测系统概述.22设计任务与要求.32.1设计目标.32.2技术要求.33总体方案设计.43.1系统方案设计构思.43.2系统方案设计工作原理.54系统硬件设计.64.1工业立式蒸汽锅炉.64.2单片机.74.2.1单片机介绍.84.2.2单片机的接口设计.124.3水温检测电路.124.4压力检测电路.144.5水位检测电路.154.5.1PY210液位传感器.164.5.2继电器控制.174.6A/D转换器.184.7键盘及显示接口.204.7.1显示接口.204.7.2键盘.224.8自动声光报警.234.9系统硬件设计结果.255系统软件设计.265.1软件系统主程序设计.265.2水温子程序设计.275.3蒸汽压力子程序设计.285.4水位子程序设计.295.5键盘输入子程序设计.305.6显示输出子程序设计.315.7外部中断子程序设计.326仿真结果与调试.336.1Proteus仿真软件介绍.336.2仿真结果.367结论.37参考文献.38附录.39程序源代码.39翻译部分.45英文原文.45中文翻译.53致谢.591绪论1.1课题研究背景及意义工业锅炉是工业生产和集中供热过程中重要的动力设备，工业锅炉数量众多，能耗也比较大,提高其生产效率不仅具有可观的经济效益,还有重要的环保意义，但是我国目前运行的大多数锅炉系统控制水平不高,操作工人水平参差不齐,经常是凭感觉和经验去操作,易使锅炉处在能耗高、环境污染严重的工作状态。据有关资料显示,世界85%的人口正陆续进入工业化阶段,全球性的人口、资源、环境矛盾尖锐,使我国的现代化面临严峻的挑战,即使国际市场能够弥补中国资源的不足,生态和环境破坏的沉重代价也难以承受。工业锅炉生产效率会受到诸多因素的影响，炉体本身的生产状况是影响锅炉产热效率的重要因素,但是国内很多供热单位的锅炉炉龄较长，生产状况远低于设计标准,要彻底的更新换代,需要很大的投资,这是大多数的供热单位不能承受的,也不符合我国现在的基本国情，然而锅炉设备是一个复杂的控制对象,作为一个长期运行的设备,其控制系统的优劣也是影响锅炉生产效率的重要因素。应用计算机技术对锅炉生产过程的相关环节进行自动化控制,能够有效地提高锅炉运行可靠性和生产效率。从20世纪80年代之后，我国的经济情况发生了日新月异的变化，锅炉行业尤为突出，全国锅炉制造企业大幅度增加，并且形成了自主独立开发、研制一代又一代新产品的能力，产品的技术性能已与发达国家水平相当。锅炉行业是经济发展的道路上不可或缺的产品、值得我们进行深度研究。1.2工业锅炉安全检测系统发展随着高性能产品的普及应用和产品质量的不断提高，未来工业锅炉市场的发展，除受我国国民经济的发展速度和投资规模等因素的影响之外，更加会受到到能源政策和节能、环保要求的制约。未来小容量燃煤锅炉在大中城市的比重还将会显著下降，采用清洁燃烧技术的锅炉，例如循环流化床锅炉等将会得到较快的发展，燃用生活垃圾和生活杂等物质的锅炉市场潜力较大，燃气锅炉还将会有长久的发展空间，随着电力工业改革和发展，蓄热式电热锅炉系统在市场将会进一步拓宽。因此采用清洁燃料，采用洁净燃烧技术的工业锅炉，将高效、节能、低污染融为一体，将是工业锅炉产品长久发展的趋势。随着工业锅炉的大型化，其检测控制系统也将越来越复杂化。同时对工业锅炉工作人员的要求也将越来越高。工作人员除需要熟悉锅炉操作规程外，还需要练就快速处理运行当中出现的各种故障的能力。我国工业锅炉安全、环保和节能综合监管体制已经初步确立，在此体制之下，工业锅炉的技术创新及节能装置研制势在必行，全面推进我国工业锅炉节能减排事业快速发展的时机已经到来。“十一五”期间，我们基本上凝练出工业锅炉节能减排的基础研究、关键技术及装置研制的技术路线，在高效煤粉工业锅炉替代技术、抛煤机和层燃链条炉排锅炉改良技术、烟气污染物控制技术、煤炭燃料选煤和加工技术、动力配煤及优质化技术等方面取得一系列的成果。在“十一五”研究推广的基础上，“十二五”期间，我们应逐步加强工业锅炉节能监管和技术创新的综合治理，进一步研发燃煤工业锅炉大型化后高效燃烧关键技术及节能减排装置;同时，重点开展燃煤工业锅炉燃烧和烟气综合脱除污染物技术研发，重点关注通过燃烧和烟气联合脱除NO的研究和工业实践，同时，推动燃煤工业锅炉余热利用技术进步。前瞻产业研究院发布的2014-2018年中国工业锅炉行业市场需求与投资规划分析报告前瞻显示，至2012年底，单机容量30万千瓦及以上火电机组占全部火电机组容量的60%以上。火电行业的“上大压小”也推动了电站锅炉向高参数、大容量方向发展。此外，循环流化床、IGCC等清洁煤技术逐渐成熟，应用也日益广泛，从而推动了CFB锅炉与IGCC气化炉的发展。我国锅炉制造行业能取得今天的进步，已经可以生产出多种不同压力等级和容量的锅炉，已跻身成为当今世界上锅炉生产和使用量最多的国家。同时，锅炉行业也给轻工纺织业、能源化工业、钢铁煤炭业等锅炉相关产业的迅速发展带来了辽阔的发展空间和发展动力。1.3工业锅炉检测系统概述检测系统一直以来都是是人们生活和工业生产方面的重要组成部分。最初的检测都是来源于生产和生活的需要。检测系统以电子技术、信息处理、自动化、控制工程、计算机科学为理论基础,以检测技术、人工智能、测控系统设计、工业计算机集散控制等技术为专业基础,同时与材料科学、电子与信息、控制工程、自动化、机械等学科之间互相渗透,协调合作共同。完成高尖端测量与自动化控制领域的实际工作。现代检测系统主要由传感器、变送器、信号采集与电路转换、上位机程序三部分组成。传感器是敏感元件,功能是感知被测参数(如温度、压力、流量、速度等)的变化。传感器一般检测到的都很微弱的信号,检测的同时还可能伴随着各种噪声和干扰等信号,按照实际的测量与控制要求,要把传感器输出信号进行放大。滤波,从中选取有效信号,再将选取的有效信号进行演算、处理和转换,然后通过采样保持电路和A/D转换,使传感器传来的模拟信号转换为可以处理的数字信号,再根据被测信号及控制要求,由控制计算机决定检测系统的工作方式,从而完成整个检测系统预定的工作任务。工业锅炉安全检测系统能实时实现从锅炉点火、升温、加负荷直至额定负荷的全工况仿真，包括冷态起动、热态起动、正常停炉、热态停炉（压火）、紧急停炉等过程。整个过程中锅炉各部位的压力、温度、流量、液位等热力参数及其变化趋势与真实锅炉过程一致。本课题主要对工业蒸汽锅炉的水位，水温和蒸汽压力进行安全检测,采用现代传感器技术，高可靠性的单片机，对工业蒸汽锅炉的测试提供高效、准确、智能的安全检测手段。2设计任务与要求2.1设计目标要求为一台立式燃油（气）蒸汽锅炉设计一套安全检测系统，利用单片机和传感器，实现对该蒸汽锅炉的温度、压力、进水状况的数字化测量与显示。若蒸汽锅炉的正常工作状况有异，则必须发出声、光报警并切断燃油（气）的供给，以保证该蒸汽锅炉的工作安全性。2.2技术要求1、学习并了解LHS0.2型工业立式燃油（气）蒸汽锅炉的特性与参数；2、利用单片机和温度、压力传感器，实现对该蒸汽锅炉的温度、压力、进水状况的数字化测量与显示。3、测温范围：0200；压力范围：0.11.0Mpa。皆3位数字显示。4、对于LHS0.2型锅炉，当其压力QBQC.QH；下降沿移位寄存器数据不变。（脉冲宽度：5V时，大于几十纳秒）RCK(12脚)：上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿时存储寄存器数据不变。通常我将RCK置为低电平，当移位结束后，在RCK端产生一个正脉冲更新显示数据。/G(13脚):高电平时禁止输出（高阻态）。如果单片机的引脚不紧张，用一个引脚控制它，可以方便地产生闪烁和熄灭效果。74595的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪烁感。图4.1474LS595引脚图数据显示时，采用软件译码实现。在CPU中存储LED数码管的段码表，如表4.7所示；显示数据时，从段码表中查出要显示的段码，从并行接口输出。表4.27段LED数码管显示段码表段码D7D6D5D4D3D2D1D0显示数据abcdefg000000101H1100111120010010300001104100110050100100601000007000111180000000900000/1100图4.156位7段数码管显示电路4.7.2键盘键盘是应用最广泛的单片机的输入设备，可实现操作人员与单片机简单的人机通信。键盘由若干个常开型按钮开关按键的组合而成，本设计采用独立式非编码键盘，独立式按键是最简单的键盘结构，即一个按键接通一条数据线。按下一个按键时，与其连接的的输入数据线就为低电平（0），没有被按下的时候，就为高电平（1）。图4.16键盘电路在本设计中，设计三个按键，分别对水温，水位和蒸汽压力的红色声光报警进行及时人为中断操作。当水位的红色指示灯蜂鸣报警提示发生的情况下，工作人员前来关断K1按钮，当水温的红色指示灯蜂鸣报警提示发生的情况下，工作人员前来关断K2按钮，当蒸汽压力的红色指示灯蜂鸣报警提示发生的情况下，工作人员前来关断K3按钮，证明故障已被工作人员及发现，以便及时处理故障。4.8自动声光报警下列情况发生时，系统给予红色指示灯及蜂鸣报警，并切断燃油（气）的供给1）当压力0.75Mpa时；2）当锅炉水温在180时；下列情况发生时，系统给予黄色指示灯报警1）当压力为0.70.75Mpa时；2）当锅炉水温在170180时；下列情况发生时，系统给予绿色指示灯1）当其压力#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitK1=P10;/报警解除引脚定义sbitK2=P11;sbitK3=P12;sbitLoad=P32;/74ls595控制引脚定义sbitDI=P13;sbitSCK=P14;sbitSTART=P33;/adc0809控制引脚定义sbitEOC=P34;sbitOE=P35;sbitADDA=P36;sbitADDB=P37;sbitShuiWeiLedGreen=P20;/定义水位报警的引脚sbitShuiWeiLedRed=P22;sbitShuiWeiLedYellow=P21;sbitShuiWenLedGreen=P23;/定义水温报警的引脚sbitShuiWenLedYellow=P24;sbitShuiWenLedRed=P25;sbitQiYaLedGreen=P26;/定义气压报警的引脚sbitQiYaLedRed=P17;sbitQiYaLedYellow=P27;sbitSpk=P16;/蜂鸣器sbitJdp=P15;/继电器控制引脚切断和导通燃气ucharDispBuf6=0,0,0,0,1,0;bitflag_shuiwen,flag_shuiwei,flag_qiya;/3个参数报警标志/*/函数名称：voidsendbyte(unsignedintbyte);/功能：根据byte值，模拟SPI发送出去一个字节/入口参数：byte值，/出口参数：无/*voidsendbyte(unsignedcharbyte)unsignedcharnum;/定义需要发送的数据unsignedcharc;/定义发送一个字节的变量num=byte;/根据byte值取出tab数组中的数据，存入发送数据变量中for(c=0;c=1;/将需要发送的数据左移一位/*/函数名称：ucharRead0809(unsignedcharadd);/功能：读取0809的转换结果/入口参数：add值，表示3个不同的输入通道/出口参数：转换结果/*ucharRead0809(unsignedcharadd)ucharbuf;if(add=0)ADDA=0;ADDB=0;elseif(add=1)ADDA=1;ADDB=0;elseif(add=2)ADDA=0;ADDB=1;else;START=0;_nop_();_nop_();_nop_();START=1;_nop_();_nop_();_nop_();START=0;_nop_();_nop_();_nop_();while(EOC=0);_nop_();_nop_();_nop_();OE=1;_nop_();_nop_();_nop_();buf=P0;OE=0;returnbuf;voidDisp6()/显示函数codeucharTab10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;uchari,j;Load=0;for(i=0;i50)&(ShuiWei100)&(ShuiWei200)/判断水位处于哪个状态LED做出相应的指示ShuiWeiLedGreen=1;ShuiWeiLedYellow=1;ShuiWeiLedRed=0;if(ShuiWen100)&(ShuiWen170)&(ShuiWen180)/判断水温处于哪个状态LED做出相应的指示ShuiWenLedGreen=1;ShuiWenLedYellow=1;ShuiWenLedRed=0;if(QiYa70)&(QiYa=75)/判断气压处于哪个状态LED做出相应的指示QiYaLedGreen=1;QiYaLedYellow=1;QiYaLedRed=0;if(QiYa=75)|(ShuiWen180)/水温或者气压达到某个值Jdp=1;/切断燃气elseJdp=0;/否则开启燃气if(ShuiWei100)&(flag_shuiwei=0)|(ShuiWen170)&(flag_shuiwen=0)|(QiYa70)&(flag_qiya=0)Spk=0;/蜂鸣器响声光报警elseSpk=1;/报警停止if(K1=0)/水位报警解除flag_shuiwei=1;if(K2=0)/水温报警解除flag_shuiwen=1;if(K3=0)/气压报警解除flag_qiya=1;Disp6();/数码管显示程序翻译部分英文原文INTRODUCTIONABOUTISISManyCADusersdismissschematiccaptureasanecessaryevilintheprocessofcreatingPCBlayoutbutwehavealwaysdisputedthispointofview.WithPCBlayoutnowofferingautomationofbothcomponentplacementandtrackrouting,gettingthedesignintothecomputercanoftenbethemosttimeconsumingelementoftheexercise.Andifyouusecircuitsimulationtodevelopyourideas,youaregoingtospendevenmoretimeworkingontheschematic.ISIShasbeencreatedwiththisinmind.Ithasevolvedovertwelveyearsresearchanddevelopmentandhasbeenprovenbythousandsofusersworldwide.Thestrengthofitsarchitecturehasallowedustointegratefirstconventionalgraphbasedsimulationandnow-withPROTEUSVSM-interactivecircuitsimulationintothedesignenvironment.Forthefirsttimeeveritispossibletodrawacompletecircuitforamicro-controllerbasedsystemandthentestitinteractively,allfromwithinthesamepieceofsoftware.Meanwhile,ISISretainsahostoffeaturesaimedatthePCBdesigner,sothatthesamedesigncanbeexportedforproductionwithARESorotherPCBlayoutsoftware.Fortheeducationaluserandengineeringauthor,ISISalsoexcelsatproducingattractiveschematicslikeyouseeinthemagazines.Itprovidestotalcontrolofdrawingappearanceintermsoflinewidths,fillstyles,coloursandfonts.Inaddition,asystemoftemplatesallowsyoutodefineaousestyle?andtocopytheappearanceofonedrawingtoanother.Othergeneralfeaturesinclude:?RunsonWindows98/Me/2k/XPandlater.?Automaticwireroutinganddotplacement/removal.?Powerfultoolsforselectingobjectsandassigningtheirproperties.?Totalsupportforbusesincludingcomponentpins,inter-sheetterminals,moduleportsandwires.?BillofMaterialsandElectricalRulesCheckreports.?NetlistoutputstosuitallpopularPCBlayouttools.ForthePoweruserISISincorporatesanumberoffeatureswhichaidinthemanagementoflargedesigns.Indeed,anumberofourcustomershaveusedittoproducedesignscontainingmanythousandsofcomponents.?Hierarchicaldesignwithsupportforparameterizedcomponentvaluesonsub-circuits.?DesignGlobalAnnotationallowingmultipleinstancesofasub-circuittohavedifferentcomponentreferences.?AutomaticAnnotation-theabilitytonumberthecomponentsautomatically.?ASCIIDataImport-.thisfacilityprovidesthemeanstoautomaticallybringcomponentstockcodesandcostsintoISISdesignorlibraryfileswheretheycanthenbeincorporatedoreventotaledupintheBillofMaterialsreport.UsersofARES,orindeedotherPCBsoftwarewillfindsomeofthefollowingPCBdesignspecificfeaturesofinterest:?SheetGlobalNetPropertieswhichallowyoutoefficientlydefinearoutingstrategyforallthenetsonagivensheet(e.g.apowersupplyneedingPOWERwidthtracks).?Physicalterminalswhichprovidethemeanstohavethepinsonaconnectorscatteredalloveradesign.?Supportforheterogeneousmulti-elementdevices.Forexample,arelaydevicecanhavethreeelementscalledRELAY:A,RELAY:BandRELAY:C.RELAY:AisthecoilwhilstelementsBandCareseparatecontacts.Eachelementcanbeplacedindividuallywhereveronthedesignismostconvenient.?Supportforpin-swapandgate-swap.ThisincludesboththeabilitytospecifylegalswapsintheISISlibrarypartsandtheabilitytoback-annotatechangesintoaschematic.AvisualpackagingtoolwhichshowsthePCBfootprintanditspinnumbersalongsidethelistofpinnamesfortheschematicpart.Thisfacilitateseasyanderrorfreeassignmentofpinnumberstopinnames.Inadditional,multiplepackagingsmaybecreatedforasingleschematicpart.AfullchapterisprovidedonhowtouseISISandAREStogether.ISISprovidesthedevelopmentenvironmentforPROTEUSVSM,ourrevolutionaryinteractivesystemlevelsimulator.Thisproductcombinesmixedmodecircuitsimulation,micro-processormodelsandinteractivecomponentmodelstoallowthesimulationofcompletemicro-controllerbaseddesigns.ISISprovidesthemeanstoenterthedesigninthefirstplace,thearchitectureforrealtimeinteractivesimulationandasystemformanagingthesourceandobjectcodeassociatedwitheachproject.Inaddition,anumberofgraphobjectscanbeplacedontheschematictoenableconventionaltime,frequencyandsweptvariablesimulationtobeperformed.MajorfeaturesofPROTEUSVSMinclude:?TrueMixedModesimulationbasedonBerkeleySPICE3F5withextensionsfordigitalsimulationandtruemixedmodeoperation.?Supportforbothinteractiveandgraphbasedsimulation.?CPUModelsavailableforpopularmicrocontrollerssuchasthePICand8051series.?InteractiveperipheralmodelsincludeLEDandLCDdisplays,auniversalmatrixkeypad,anRS232terminalandawholelibraryofswitches,pots,lamps,LEDsetc.?VirtualInstrumentsincludevoltmeters,ammeters,adualbeamoscilloscopeanda24channellogicanalyser.?On-screengraphing-thegraphsareplaceddirectlyontheschematicjustlikeanyotherobject.Graphscanbemaximisedtoafullscreenmodeforcursorbasedmeasurementandsoforth.?GraphBasedAnalysistypesincludetransient,frequency,noise,distortion,ACandDCsweepsandfouriertransform.AnAudiographallowsplaybackofsimulatedwaveforms.?DirectsupportforanaloguecomponentmodelsinSPICEformat.?Openarchitecturefor憄lugin?componentmodelscodedinC+oroth