工业锅炉过热蒸汽温度控制系统设计（大学本科毕业设计）.doc

山东科技大学学士学位论文 摘要摘要在现在的各种工业和企业的动力设备中，锅炉仍然是重要的组成部分。随着现代化工业的快速发展，锅炉作为能源转换的重要设备，其控制和管理要求越来越高。过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点，蒸汽温度过高会使过热器管壁的金属强度下降，以至烧坏过热器的高温段，严重影响生产安全。本文设计的蒸汽温度控制系统结构简单、稳定性好、通用性强，具有一定的实用价值。本设计根据锅炉蒸汽温度控制系统的设计要求，设计了一个精度高、稳定可靠、外围电路简单、通用性强和抗干扰的蒸汽温度测量控制系统。系统以AT89S52单片机为核心，包括温度采集模块、按键输入模块、LED显示模块、控制输出模块、执行机构和通信模块等组成。温度检测采用K型热电偶，输出控制采用晶闸管调功的方式。在硬件设计的基础上完成了系统软件部分的设计。关键词：锅炉，过热蒸汽，单片机，温度控制，AT89S52ABSTRACTIn the present variety of industrial and power equipment business, the boiler is still an important part. With the rapid development of modern industry, boiler equipment, as an important energy conversion, control and management of its increasingly high demand. Superheated steam temperature is the temperature of the boiler water system in the highest point, the steam super heater tube wall temperature is too high, the metal strength decreased, as well as the high temperature super heater section of burned and seriously affect the production safety. This design of the steam temperature control system is simple, stable, versatile, has a certain practical value.The design of the boiler steam temperature control system according to the design requirements, design a high precision, reliable and simple external circuit, versatility and immunity measuring steam temperature control system. AT89S52 microcontroller as the core system, including temperature acquisition module, key input module, LED display module, control output modules, implementing agencies, and communications modules and other components. Temperature was measured with K-type thermocouple, the output is controlled by thyristor power regulator approach. In the hardware design based on the completed part of the design of system software.Keywords：boiler, superheated steam,MCU, temperature control, AT89S52山东科技大学学士学位论文 目录目录目录31绪论11.1锅炉过热温度控制系统课题的提出11.2锅炉温度控制的现状和发展21.3论文的主要工作及重点62系统分析及总体设计方案72.1系统总体分析72.2系统总体方案设计113系统硬件电路设计123.1系统硬件总体结构123.2 CPU的选择及系统板设计123.3传感器选择及外围电路设计163.4人机交互模块203.5输出控制模块电路设计233.6通信电路设计264系统软件设计294.1软件部分的总体设计294.2温度测量模块软件设计314.3数字PID算法软件设计324.5 PWM输出控制模块软件设计334.6人机交互模块软件设计354.7通信模块软件设计365 PID控制算法设计及整定375.1系统数学模型分析375.2 PID算法设计385.3参数整定41抗干扰措施456.1硬件抗干扰措施456.2软件抗干扰措施467总结48参考文献49致谢51附录52山东科技大学学士学位论文 绪论1绪论1.1锅炉过热温度控制系统课题的提出目前，锅炉仍然是各种工企业的动力设备中重要的组成部分。但是，在我们国内除了一些大中型锅炉采用了先进的现代控制技术，如DCS、FCS等，一般的小型锅炉的控制仍然比较落后，很多场合仍在使用模拟仪表、继电器作为主要的控制手段，需要很多的技术人员参与工作，不仅工作人员的劳动强度大，工作条件差，而且锅炉的热效率很低，资源浪费相当严重。虽然现在的仪表不少已渐趋智能化并在锅炉上也一定程度的实现了自动或半自动控制，但是，由于其高昂的价格、系统复杂等种种原因，其应用受到很大限制。锅炉过热蒸汽的温度是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标之一，温度过高，会使蒸汽带水过多，汽水分离差，使后续的过热器管壁结垢，传热效率下降，过热蒸汽温度下降，严重时将引起蒸汽品质下降，影响生产和安全；温度过低又将破坏部分水冷壁的水循环不能满足工艺要求，严重时会发生锅炉爆炸。尤其对于大型锅炉，一旦控制不当，容易使汽包满水或汽包内的水全部汽化，从而造成重大事故。因此，在锅炉运行中，保证过热蒸汽的温度在正常范围是非常重要的。另外，当今的大部分中小企业使用的锅炉容量普遍很小，锅炉只有两三台，企业由于其经济上的承受能力，一般都不大可能选用价格昂贵的大型控制系统。但是，随着能源问题的日渐突出，现代化企业管理水平的提高，还有政府、企业和公民的环保意识的增强，作为能源转换的重要设备之一的锅炉，其控制和管理的要求越来越高，现在的企业中的小型锅炉的控制技术急需改进以适应生产的需要。因此，这就需要在现有锅炉控制技术的基础上进行一定的改进，设计一种性价比合理的、使用和维护方便的锅炉过热蒸汽温度控制系统。11.2锅炉温度控制的现状和发展锅炉是工业生产中的重要设备，同时又是耗能极大的设备，作为一次能源(煤炭、石油、天然气等)转换为二次能源(蒸汽)的重要动力设备，锅炉在石油、化工、发电等工业生产过程中发挥中举足轻重的作用，它所产生的高压蒸汽既可以作为驱动设备的动力源，又可作为蒸馏、干燥、反应、加热等过程的热源。工业锅炉的发展经历了由简单到复杂、由低参数到高参数、由单一品种到系列化产品的发展过程。锅炉控制技术的发展经历了主要几个历史阶段:(1)纯手动阶段在60年代以前，由于自动化技术与电子技术发展还不成熟，工程人员的自动化观念还比较淡薄，此时期的锅炉一般采用纯手动的控制方式，即由操作工人通过经验决定送风、给水、引风、给煤的多少，通过手动操作器等方式来达到控制锅炉的目的。这样就要求司炉人员必须有丰富的经验，增加了工人的劳动强度，精度不准，事故率高，更谈不上保证锅炉的高效率运行。(2)自动化单元组合仪表控制阶段随着自动化技术与电子技术的发展，国外己经渐渐开发并广泛应用了全自动工业锅炉控制技术。60年代前期，我国工业锅炉的控制技术开始发展，60年代后期我国引进了国外的全自动燃油工业锅炉的控制技术，70年代后期己经研制了一些工业锅炉的自动化仪表，正式将自动化技术应用于工业锅炉控制领域，因而热效率有所提高，事故率也有所下降。(3)采用微机测控阶段随着电子技术的发展，高集成度、高可靠性、价格低廉的微型计算机、单板机、单片机、工业专用控制计算机的出现以及在我国的广泛应用，为锅炉控制领域开辟了一片广阔的天地。运用计算机技术的高效率、高可靠性、全自动的微机工业测控系统开始日益得到重视。80年代后期至今，国内己经陆续出现了各种各样的锅炉微机测控系统，明显地改善了锅炉的运行状况，但还不够完善，并对环境和抗干扰要求较高。(4)智能控制理论的广泛应用阶段由于现代控制理论的发展以及在各方面的应用，解决了传统控制理论难以解决的问题，给工业过程控制带来了崭新的应用前景，并取得了前所未有的效果，成为目前正在迅速发展的一个领域。各种形式的控制系统、智能控制器不断地开发和利用。目前常用的有:多递阶智能控制；专家控制系统与专家控制器；仿人智能控制器；自寻优模糊智能控制系统；自学习控制系统；基于神经网络的控制系统。除此之外还有综合了几种控制形式的混合式智能控制器等多种形式，如以模糊控制为基础的专家模糊控制系统，最常见的是以常规PID数字控制为基础，通过专家系统在线实时整定PID控制参数，即所谓的智能(或专家)自适应PID控制器。本设计的控制对象YG-75/3.82-M1型锅炉是一种高效，低污染的新型锅炉。该炉采用了循环流化床燃烧方式，其煤种的适应性好，可以燃用烟煤、无烟煤、贫煤，也可以褐煤、煤泥、煤矸石等较低热值燃料，燃烧效率达95-99%，由于采用分段燃烧方式、可大幅度降低NOx的排放，尤其可燃用含硫较高的燃料，通过向炉内添加石灰石，能显著降低SO2的排放，可降低硫对设备的腐蚀和烟气对环境的污染。另外，灰渣活性好可以做水泥等材料的掺合料。此外，本锅炉是一种高压、单汽包、自然循环的水管锅炉。采用由膜式壁、高温旋风分离器、返料器、硫化床组成的循环燃烧系统，炉膛为膜式水冷壁结构，过热器分级布置，中间设级喷水减温器，尾部设三级省煤器和一、二次风预热器。其额定蒸发量为75t/n，过热蒸汽压力：3.82Mpa，过热蒸汽温度：450。作为锅炉控制系统中的一个重要环节，温度传感器技术也一直伴随着整个工业技术的发展而发展，时至今日，温度传感器大致发展成如下几个主要的分类：(1)热膨胀式温度计热膨胀式温度计的工作原理为利用物质（如水或气体等）的热膨胀(体膨胀或线膨胀)性质与温度的关系来测量温度。这种温度计测温精度较高，且能适应各种工作环境，是传统测温中应用相当多的一类温度计，但其主要缺点是通常很难输出电信号，因此在测量数据的实时处理及控制方面已经很难再适应现代工业的要求。(2)热电阻温度计热电阻是利用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的。现在一般所说的热电阻主要是指基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的热电阻。热电阻温度计的特点是其灵敏度高，稳定性强，可以远传电信号，互换性以及准确性都比较好；但是需要电源激励，不能够瞬时测量温度的变化。工业用热电阻一般采用Pt100，Pt10，Cu50，Cu100，铂热电阻的测温的范围一般为零下200-800，铜热电阻为零下40到140。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅被广泛应用于工业测温，而且还被制成标准的温度基准仪。(3)热电偶温度计热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件，热电偶的测温原理是基于热电效应。将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，这种现象称为热电效应，又称为塞贝克效应。它的主要特点就是测温范围宽，性能比较稳定，同时结构简单，动态响应好，能够远传4-20mA电信号，便于自动控制和集中控制的实现。目前国际上应用的热电偶具有一个标准规范，国际上规定热电偶分为八个不同的分度，分别为B，R，S，K，N，E，J和T，其测量温度最低可测零下270，最高可达1800，其中B，R，S属于铂系列的热电偶，由于铂属于贵重金属，所以他们又被称为贵金属热电偶，而剩下的几个则称为廉价金属热电偶。不同的热电偶需要不同的补偿导线，其主要作用就是与热电偶连接，使热电偶的参比端远离被测物体，从而使参比端温度稳定。一般的补偿导线的材质大部分都采用铜镍合金。热电偶的缺点是它的输出信号和温度示值间是非线性关系，在测温下限的灵敏度较低。(4)辐射温度计辐射温度计是以热辐射测量为基础的非接触测温仪器。它的测量不干扰被测温场，不影响温场分布，从而具有较高的测量准确度。辐射测温的另一个特点是在理论上无测量上限，所以它可以测到相当高的温度。此外，其探测器的响应时间短，易于快速与动态测量。在一些特定的条件下，例如核子辐射场，辐射测温可以进行准确而可靠的测量。辐射测温法的主要缺点在于它不能直接测得被测对象的实际温度。要得到实际的温度值，需要进行材料发射率的修正，而发射率是一个相当复杂的参数。这就增加了对测量结果进行处理的难度。而且，由于辐射测温的相对复杂的原理、温度计的结构也相对复杂，从而其价格较高。这也限制了辐射温度计在某些方面的使用。2上述几种温度测量传感器在工业控制领域都有相应的应用，对于不同的控制要求，选用合适的传感器是精确控制和系统可实现的必要条件。1.3论文的主要工作及重点本设计以YG-75/3.82-M1型锅炉过热蒸汽温度控制系统为研究对象，主要做了以下几个方面的工作:(1)了解锅炉过热蒸汽的工艺过程，对被控对象进行整体分析，设计整体系统方案；(2)根据锅炉过热蒸汽温度控制系统的特点，完成系统的硬件设计，包括温度采样电路、A/D转换电路、主控制电路、抗干扰电路等；(3)在硬件设计的基础上，完成系统软件部分的设计，包括主程序模块、检测滤波模块、键盘显示模块等；(4) 建立温度控制系统的数学模型，并在系统数学模型的基础上，确定PID控制策略。83山东科技大学学士学位论文 系统分析及总体设计方案2系统分析及总体设计方案2.1系统总体分析首先分析锅炉过热蒸汽温度控制对象的动静态特性。目前，火电机组厂锅炉广泛采用喷水减温的方式来控制过热蒸汽温度。影响蒸汽温度变化的因素很多，但主要的有蒸汽流量、烟气传热量和减温水量等。在各种扰动下，蒸汽温度控制对象的特点是有延迟、惯性和自平衡能力。(1)蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的特性YG-75/3.82-M1型锅炉采用复合式过热器，当锅炉负荷增加时，锅炉燃烧率增加，通过过热器的烟气量增加，而且蒸汽温度也随负荷的增大而升高，这两个因素都使对流式过热器的气温升高。然而，当负荷增加时，炉膛温度的升高并不明显，由炉膛辐射传给过热器的热量比锅炉蒸汽量增加所需热量少，因此使辐射式过热器的出口温度有所下降。可见，这两种型式的过热器对蒸汽流量的扰动的反映恰好相反，使过热器出口蒸汽温度随蒸汽流量变化的影响减小。综合而言，过热器出口蒸汽温度是随流量D的增加而升高的，特性曲线如图1.1(a)所示。蒸汽流量扰动时，沿过热器长度上各点的温度几乎是同时变化的，延迟时间较小，约为15s左右。(2)蒸汽温度在减温水量扰动下的特性当减温水量发生变化时，虽然减温器出口处蒸汽温度已经发生变化，但要经过较长的过热器管道才能使出口的蒸汽温度发生变化，其扰动地点（过热器入口）与测量蒸汽温度的地点（过热器出口）之间有着较大的距离，此时过热器是一个有纯滞后的多容对象。动态曲线图如图1.1(b)所示。当扰动发生后，要隔较长的时间才能使蒸汽温度发生变化，滞后时间比较大，滞后时间约为30-60s。图2.1 蒸汽温度控制特性 综上所述，可归纳出蒸汽温度控制对象的特性有以下几点：(1)过热器出口蒸汽温度对象在扰动下具有延迟和惯性，而且有自平衡能力。改变任何一个输入参数（扰动），其他的输入参数都可能直接或间接的影响出口蒸汽温度，这使得控制对象的动态过程十分复杂。(2)在减温水流量扰动下，过热器出口蒸汽温度对象具有较大的传递滞后和容量滞后，缩减减温器与蒸汽温度控制点之间的距离，可以改善其动态特性。评价一个控制系统的好坏，其指标是多种多样的，但对控制系统的基本要求即控制系统所需的基本性能却是基本一致的。一般可归纳为稳定性、准确性、快速性即稳、准、快的要求。(1)稳定性稳定性是保证控制系统正常工作的前提条件。一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望的初始偏差随时间的增长逐渐减小并趋于零。具体来说，对于稳定的恒指控制系统，被控量因扰动偏离期望值后，经过一个过渡过程时间，被控量应恢复到原来的期望值状态；对于稳定的随动系统，被控量应能够始终跟随给定量的变化。(2)快速性为了很好的完成控制任务，控制系统仅仅满足稳定性要求还是不够的，还必须对其过渡过程的形式和快慢提出一定的要求，一般称为动态性能。在选取和设计的硬件对温度信号的变化是否反应灵敏，就对系统的控制是否具有快速性有明显的影响。(3)准确性理想情况下，当过渡过程结束时，被控量达到的稳态值应该与期望值一致。但实际上，由于系统结构、干扰等非线性因素的影响，被控量的稳态值与期望值之间会有误差存在，称为稳态误差。3锅炉过热蒸汽温度控制系统的示意图如图2.2所示。由过热器出来的过热蒸汽经过热电偶检测并处理后送入单片机，单片机再根据控制要求控制输出量，输出量即蒸汽出口温度如果没有达到设定值此过程循环往复，一直达到稳定。图2.2 蒸汽温度控制系统示意图锅炉过热蒸汽温度控制系统的控制方式分多种，其中反馈控制是自动控制系统最基本的控制方式，也是应用最广泛的控制方式。除此之外，还有开环控制方式和复合控制方式，它们都有各自的特点和适用的场合。近几十年来，以现代数学为基础，应用电子计算机的新的控制方式也有较大发展，如最优控制、模糊控制、自适应控制等。(1)反馈控制方式反馈控制方式是按偏差进行控制的，其特点是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生相应的控制作用去减小或消除这个误差，使被控量与期望值保持一致。按反馈控制方式组成的反馈控制系统，具有抑制任何内、外扰动对被控量产生的影响的能力，有较高的控制精度。它是一种重要的且应用广泛的控制方式。(2)开环控制方式开环控制方式是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反相联系的控制过程，按这种方式组成的系统称为开环控制系统，其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。开环控制系统可以按给定量控制方式组成，也可以按扰动控制方式组成。(3)复合控制方式按扰动控制方式在技术上较按偏差控制方式简单，但它只适用于扰动是可测量的场合，而且一个补偿装置只能补偿一种扰动因素的影响，对其余扰动均不起补偿作用。因此，比较合理的一种控制方式是把按偏差控制与按扰动控制方式结合起来，对于主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时，再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。这样，系统的主要扰动已被补偿，反馈控制系统比较容易设计，控制效果也比较好，但这样的方式显然需要更复杂的理论分析和硬件设计，实现起来不太容易。4由系统原理可画出系统的结构框图为图2.3 系统闭环框图2.2系统总体方案设计根据系统模型框图，一个温度控制点的闭环回路如图2.4所示，单片机把通过由人机界面即键盘显示电路给出的给定温度值和反馈检测得到的实际温度值进行比较得到偏差值，然后根据数字PID控制算法，算出相应的控制量，然后再给到输出，经过转换、驱动后控制电阻丝和喷水器的电压从而控制热量的大小与快慢，以达到控制要求。图2.4 控制系统总体框图在图2.4所示控制系统总体框图中，GC(s)是被控对象的连续传递函数，D(z)是数字控制器的脉冲传递函数，H(s)是零阶保持器的传递函数，T是采样周期。根据锅炉蒸汽温度控制系统的设计要求，设计的控制系统的总体框图如图2.5所示。5图2.5 系统总体框图山东科技大学学士学位论文 系统硬件电路设计3系统硬件电路设计3.1系统硬件总体结构根据锅炉过热蒸汽温度控制系统的特点和要求，系统硬件总体结构如图3.1所示。图3.1 系统硬件总体结构图由图可以看出蒸汽温度控制系统主要分为三大块：一是温度检测模块，用于温度的测量转换；一是CPU模块，用于数字信号的处理及提供良好的人机界面；一是输出控制和通信模块，用于温度的及时控制及把温度信号传送到网络中的其他设备中去。3.2 CPU的选择及系统板设计将单片机渗透到测量控制领域并充分发挥其优点，是现代检测控制技术发展的必然，也是目前智能测量控制仪器的一般设计方法。目前市场上的单片机，从数据总线宽度上来分主要有8位机、16位机、32位机，其中的32位单片机近年来在信号分析与处理、数字图象处理、语音处理等数字信号处理运用领域得到广泛的运用，但在工业测控现场，由于成本和工程师的使用习惯等，占主导地位的还是8位机和16位机。对于本设计涉及的是锅炉蒸汽温度的测量与控制，设计的主要目的是构成一个具有一定判断、运算能力以及具有存储、显示、控制等功能的智能测量控制设备。锅炉属于大型工业设备，而对蒸汽温度的精度要求并不是特别高，它所处理的信息量和复杂程度用8位机已经足够了。目前，生产单片机的厂商有很多，尤其是近年来电子技术、计算机技术的飞速发展，比较著名的有Intel、Philips、Microchip、Motorola、Zilog、Atmel等半导体企业。在上述几家著名的半导体企业产品中，尤其在工业测控场合，运用较多的为Intel公司的MCS-51系列、Microchip公司的PIC系列。近年来，随着Intel公司对8031内核的公开以及各半导体企业在关键技术上的相互渗透，不仅Intel公司，而且Philips公司、Atmel公司等企业目前都生产MCS-51系列的CPU。近十年来在工业测控领域，国内运用最多的恐怕就是Atmel公司的AT89系列，它的标准型产品不仅在指令上，而且在管脚上都兼容Intel公司的MCS-51系列的第一代CPU 8031，并在片内存储器、振荡电路、功耗、软件加密以及内置看门狗等技术水平上均有很大程度的提高，使国内的智能仪表行业的设计与开发者越来越感到使用和设计上的方便。根据实验室硬件条件和设计人员的熟练程度，本设计最终选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52作为本系统的CPU。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能:8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。图3.2 89S52封装AT89S52的MCS-51核有两种总线，一是核内总线，该总线在微处理器内部使用，并不对用户开放。核内总线数据线：D0-D7共8位；地址线A0-A7也只有8位。所以，从理论上说，内总线只能管理256个地址单元。256个单元包括：核内RAM、特殊功能寄存器SFR、通用寄存器。对这些资源，处理器是通过核内总线进行读写管理的；一是核外总线，核外总线是相对核内总线而命名的，它可以扩展到单片机芯片外。早期的单片机8031、8032就是如此设计的。89S52中核外总线也被放到芯片内，可同时扩展到芯片外。MCS-51核有管理核外总线的能力，可以同时管理片内和片外扩展的核外总线。核外总线管理的RAM成为核外RAM，简称XRAM，核外总线管理的I/O称为核外I/O。核外总线由8位数据线D0-D7，16位地址线A0-A15和/WR、/RD、/PSEN等控制总线构成，可以管理64KB核外RAM-XRAM,同时管理64KB核外程序存储器(ROM或EEPROM或Flash ROM)。核外RAM、ROM可以放到芯片内，也可以放到芯片外。中央处理器CPU包括运算器、控制器和位处理器三部分。运算器包括算术逻辑单元ALU、累加器A、寄存器B、暂存器TEMP及程序状态寄存器PSW等。运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算，还可以对单字节、半字节等数据进行操作；能完成加减乘除、加1、减1、BCD码十进制调整、比较等算术运算，还能实现与、或、非、异或等逻辑操作，还具有数据传送、移位、判断和程序转移等功能；控制器是控制单片机工作的神经中枢，它包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、数据指针DPTR、堆栈指针SP、RAM地址寄存器、时钟发生器、定时控制逻辑等。控制器以主振频率为时钟基准发出CPU的控制时序，从程序存储器取出指令，放在指令寄存器IR,然后对指令进行译码，并通过定时和控制逻辑电路，在规定的时刻发出一定序列的微操作控制信号，协调CPU各部分的工作，以完成指令所规定的操作。其中一些控制信号通过芯片的引脚送到片外，控制扩展芯片的工作；MCS-51的CPU内有一个一位处理机子系统，是MCS-51系列单片机的一个重要特征。这是出于实际应用需要而设置的，是以位(bit)为单位进行操作的。它相当于一个完整的位单片机，每次处理的数据只有一位，以进位标志作为累加器，以内部RAM可寻址的128个位为存储位。他能完成逻辑与、或、非、异或等各种逻辑运算。用于逻辑电路的仿真、开关量的控制及状态标志位的设置。最终设计的最小系统板如图3.3所示，电源选用5V直流电源。复位电路如图所示，晶振工作时，RST引脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位，在此只设计了上电复位功能。系统时钟电路设计采用内部方式。AT89S52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成了一个自激振荡器，外接晶体谐振器以及电容构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。本系统电路采用的晶体振荡器频率为11.O592MHz。采用这种频率的晶体振荡器的原因是可以方便的获得标准的波特率以方便通信。图3.3 最小系统板3.3传感器选择及外围电路设计系统输入通道的作用是将锅炉过热蒸汽的温度(非电量)通过传感器电路转化为电量(电压或电流)输出，再送入单片机已进行下一步的处理。首先面临的问题是传感器的选择。在1.2章节我们讨论了各种温度传感器的特点，结合蒸汽温度控制系统的要求，我们选用热电偶作为本设计输入通道的一次器件。热电偶属于接触式温度测量仪表，是工业生产中最常用的温度检测仪表之一。其特点为测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触所以不受中间介质的影响。设计要求的蒸汽温度范围为450，因此可以选用常用的K型热电偶。K型热电阻的测温范围为-200-1300，对应输出电压为-5.891-52.410mV，将热电偶应用在基于单片机的嵌入式测量控制系统时，需要考虑以下几个方面的问题：(1)非线性：热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系，因此在应用时必须进行线性化处理；(2)冷端补偿：热电偶输出的热电势为冷端保持为0时与测量端的电势差值，而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的,故需进行冷端补偿；(3)数字化输出：与单片机数字系统接口必然要采用数字化输出及数字化接口，而作为模拟小信号测温元件的热电偶显然无法直接满足这个要求。因此，需进行复杂的信号放大、A/D转换、查表线性化、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计。6若将上述问题一一考虑到，则设计出的电路不免会略显复杂且调试麻烦。经查阅和参考相关设计，我们最终选择MAXIM公司生产的K型热电偶串行模数转换器MAX6675作为热电偶的输入处理芯片。MAX6675不但可将模拟信号转换成12位对应的数字量，而且内部集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换电路以及SPI串口。其温度分辨能力达0.25,完全可以满足本设计的需要。MAX6675采用SO-8封装,体积小,可靠性好。其管脚图如图3.4所示。图3.4 MAX6675管脚图MAX6675的主要特性如下：(1)简单的SPI串行口温度值输出；(2)0+1024的测温范围；(3)12位0.25的分辨率；(4)片内冷端补偿；(5)高阻抗差动输入；(6)热电偶断线检测；(7)单一+5V的电源电压；(8)低功耗特性；(9)工作温度范围-20+85；(9)2000V的ESD保护。MAX6675的内部结构如图3.5所示。该器件是一复杂的单片热电偶数字转换器，MAX6675内部具有将热电偶信号转换为与ADC输入通道兼容电压的信号调节放大器，T+和T-输入端连接到低噪声放大器A1，以保证检测输入的高精度，同时使热电偶连接导线与干扰源隔离。热电偶输出的热电势经低噪声放大器A1放大，再经过A2电压跟随器缓冲后，被送至ADC的输入端。在将温度电压值转换为相等价的温度值之前，它需要对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0实际参考值之间的差值。对于K型热电偶，电压变化率为41V/，电压可由线性公式Vout=(41V/)*(tRtAMB) 式(3.1)来近似热电偶的特性。上式中，Vout为热电偶输出电压（mV），tR是测量点温度；tAMB是周围温度。图3.5 MAX6675内部结构图热电偶的功能是检测冷热两端温度的差值，热电偶热节点温度可以在0+1023.75范围变化。冷端即安装MAX6675的电路板周围温度，此温度在-20+85范围内变化。当冷端温度波动时，MAX6675仍能精确检测热端的温度变化。此外，MAX6675还具有热补偿、噪声补偿以提高测温的精度。图3.6 输入电路图根据MAX6675的接线要求，最终设计的输入电路图如图3.6所示，热电偶通过插针用螺丝安装在电路板上，即图示端口；电源端通过一个0.1uF的电容接地以滤除上电干扰；用单片机的普通I/O口来模拟SPI接口。3.4人机交互模块输入输出模块是测量控制仪器仪表的重要组成部分，在开发阶段，其为开发人员编程与测试带来极大的方便；在应用阶段，为用户设置系统工作参数，温度控制值、运行状态及温度校准等功能提供必要的输入输出接口；并且在工业生产的网络化与信息技术快速发展的今天，实现工业生产过程中现场参数的实时显示和网络通信是技术发展的必然。在设计中人机交互模块包括三个方面的内容，一是键盘电路，一是LED显示电路，一是声光指示电路。下面详细介绍各个模块的功能实现。图3.7 键盘电路键盘电路，键盘是人工干预系统工作的主要手段，输入数据、查询及控制系统的工作状态都要用到键盘。单片机系统所用的键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘采用硬件线路来实现键盘编码，每按下一个键，键盘能自动生成按键代码，键数较多，而且还具有去抖动功能，这种键盘使用方便，但硬件较为复杂，PC机所用的键盘就属于这种。非编码键盘仅提供按键开关的工作状态，其他工作由软件完成，这种键盘键数较少，硬件简单，一般在单片机应用系统中广泛应用。该系统采用普通非编码键盘，具体电路如图3.7所示。显示电路，在单片机系统中，常用LED数码管来显示各种数字或符号。由于它具有价钱低廉，性能稳定，显示清晰，亮度高，使用电压低，寿命长等特点，所以应用非常广泛。本设计就选用8段LED数码管来显示。LED数码管的结构简单，以本文所用的八段共阴管为例，它有8个发光二极管(其中一个用来显示SP，即显示点)，每个发光二极管的阴极或阳极连在一起，这样，一个LED数码管就有1根位选线和8根段选线，要想显示一个数值，就要分别对它们的高低电平进行控制。一般的显示电路由多个数码管构成，根据位选线和段选线的连接方式的不同，单片机对LED显示管的显示主要有 静态显示和动态显示两种方式，静态显示是各个LED管上能稳定地同时显示各自的字符并维持不变，直到显示下一个字符为止；动态显示是指各个LED数码显示管轮流地一遍一遍显示各自要显示的字符，利用人眼视觉的暂留效果，感觉所有的LED管均被点亮，获得稳定的视觉效果，从而可以实现字符的显示功能。考虑到编程的方便等因素，本设计采用静态显示方案。选用四个LED数码管，如果用并行连接方式，显然51单片机的管脚都用来做显示都不够了，因此我们选用串并转换芯片74HC164用在显示电路上。图3.8 74HC164管脚图74HC164是高速CMOS器件，与低功耗肖特基型TTL(LSTTL)器件的引脚兼容。74HC164是8位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（A或B）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。时钟(CP)每次由低变高时，数据右移一位，输入到Q0，Q0是两个数据输入端（A和B）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。主复位(MR)输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。74HC164管脚图如图3.8所示。在设计电路时将片选段MR直接接到电源VCC上，即芯片一直被选用。将四个芯片的时钟端CP并连在一起，接到单片机的普通I/O口上，由于通信的缘故，只能用普通I/O口来模拟74HC164所需的时序。然后将A、B端并接，作为串行数据的入口。将前一个74HC164的最高位Q7接到下一个74HC164的串行输入端即A、B并联端，从而解决了串入并出的问题。显示部分电路设计如图3.9所示。图3.9 显示部分电路图另外，电路中还设计了声光指示报警电路，用于系统工作状态的指示以及在系统出现异常时能及时的反映到界面上。声光指示电路如图3.10所示。图3.10 声光指示部分电路图3.5输出控制模块电路设计系统对温度控制采用双向可控硅调功的方式实现。通常，采用可控硅进行功率调节的方式有两种：可控硅调压方式和可控硅调功方式。前一种方法是控制可控硅的导通角，用同步检测电路检出电网电压信号的过零点，并形成同步过零信号。根据控制器输出的信号，延时脉冲发生电路调节触发脉冲相对一于电网过零点的延迟时间，从而实现对电压的调节，达到调节功率的目的。此方式电路复杂且易造成电网污染。本系统采用了PWM调功方式，这种方法把可控硅导通的起始点始终限制在电源电压过零点，抑制了高次谐波分量的产生，避免电压瞬间大幅度下降。具体的功率调节过程为：由带过零触发检测单元的可控硅驱动器检测电压的过零点，在电压每次过零时控制其本周期是否导通。在固定控制周期Tc内，假设这个控制周期Tc=1S，即有50个电压周波，那么就可以通过改变加在电阻丝上交流电压周波的个数来调节加热器的发热量。若实际导通周波个数为n，则加热器的平均输出功率为： 式(3.2)式中，Pmax为可控硅全导通时电阻丝或喷水阀获得的最大功率，n为每个控制周期导通的周波数，由式可知，电路输出功率P与n成正比，在Tc=1S，即有50个电压周波的条件下，n=0代表停止加热，n=100代表全速加热。可控硅调功方式的示意图如图3.11所示，由图可以看到，调功方式不控制元件的导通角，只是控制加在元件上的周波数，因此此法更适合需要功率调节的场合。图3.11 调功方式示意图脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，PWM)，简称脉宽调制，是将模拟信号转换为脉冲信号的一种技术，一般转换后脉冲波的周期固定，但占空比会依信号的大小而有所改变。模拟信号是否能使用PWM进行编码调制，仅仅依赖于要求带宽，这即意味着只要有足够的带宽，任何模拟信号值均可以采用PWM技术进行调制编码，一般而言，负载需要的调制频率要高于10Hz，在实际应用中，频率约在1kHz到10kHz之间。将PWM波加到功率调节器件上，就将信号解调还原成了模拟信号，本系统中为实现精确性和稳定性的控制目标，采用了1KHz的PWM调制波，由于51系列单片机不带PWM模块，因此采用定时器来产生需要的脉冲波形。传统的可控硅的过零触发器由同步脉冲产生电路、过零检测电路、隔离保护电路组成，结构复杂，可靠性差，而且由于采用分立元件，器件的离散性和温漂严重影响了调功器件的控制精度和使用寿命。7本设计选用的MOC3081系列光电双向可控硅驱动器是美国摩托罗拉公司的光电新器件。该系列器件的特点是大大加强了静态dv/dt能力,保证了电感负载稳定的开关性能。由于输入与输出采用光电隔离, 绝缘电压可达7500V。MOC3081系列可以用来驱动工作电压为220V(240V)的交流双向可控硅。当交流负载电流较小时,如200mA以下,也可以直接用它驱动负载。MOC3081集光电隔离、过零检测功能于一身，具有体积小、功耗低、无噪声、抗干扰能力强等优点，它的使用让调功电路变得非常简练。可控硅选用16A四象限双向可控硅(TRIACs)BTA16-600B，其主要特性如表所示表3.1 BTA16-600特性品牌韩国KCD型号BTA16-600B封装TO-220AB控制方式双向极数三极额定正向平均电流16A正向重复峰值电压600V控制极触发电压1.55V控制极触发电流100mA额定结温125可控硅是一种功率半导体器件，简称SCR，也称晶闸管。它分为单向可控硅和双向可控硅，在控制系统中，可作为功率调节器件。可控硅具有控制功率小、无触点、长寿命等优点，在交流电机调速、调功、随动等系统中有着广泛的应用。双向可控硅相当于两个单向可控硅反向并联。双向可控硅与单向可控硅的区别是：(1)它在触发之后是双向导通；(2)在控制极上不管是加正的还是负的触发信号，一般都会使双向可控硅导通。因此双向可控硅特别适合用作交流无触点开关。图3.12 控制电路本设计采用MOC3081和双向可控硅配合，具体实现过程为：双向可控硅和电阻丝和喷水阀串接在交流电回路中，系统将所得的PWM控制脉冲送至MOC3081，直接形成驱动信号，控制可控硅的导通与关断，改变平均电压的大小值，形成最佳温度控制方式，从而实现对温度的控制。具体电路图如图3.12所示，图中的39欧电阻和0.01uF电容组成浪涌吸收电路，防止浪涌电压损坏双向可控硅。83.6通信电路设计单片机与外部设备或单片机与单片机之间的数据传输称为通信，其传输介质称为通信接口。按信号传输方式，通信可分为并行通信与串行通信两种基本方式。并行通信通常是将数据的各位用多条数据线同时进行传输，多位传输线由数据线、地址线和通信线组成。并行通信的优点是传输效率高，缺点是传输成本高，可靠性差，只适用于近距离传输。如计算机与外部设备之间，计算机与打印机之间的数据传输，可以采用并行通信方式。串行通信是将数据分成一位一位的形式在一条数据线上逐个的传送，串行通信的优点是传输线少，长距离传送时成本低，缺点是传输效率低。克服传输效率低的有效方法可以通过电平转换成标准串行通信接口，是通信距离得到极大的提高。目前，广泛使用的串行数据接口标准有RS-232、RS422和RS-485三种。其中RS-232是美国电子工业协会(EIA)正式公布的串口总线标准，也是目前最为常用的串行接口标准，用来实现计算机与计算机之间，计算机与外设之间的数据通讯。串行通信接口的基本任务是实现数据标准化。来自CPU的是普通的并行数据，接口电路应具有实现不同串行通信方式下的数据格式化的任务。具体任务是：(1)进行并-串转换；(2)控制数据传输速率；(3)进行错误检测；(4)进行TTL与EIA电平转换；(5)提供EIA-RS-232接口标准所要求的信号线。图3.13 MAX232封装由于CMOS电平和RS-232电平不匹配，因此要实现单片机和PC机之间的通信，必须在它们之间加接电平转换器。本系统设计采用MAXIN公司的RS-232接口芯片MAX232，这是一种标准的RS-232接口芯片。MAX232只需5V电源供电，其内部的电源变化成适用于RS-232通信的电平。该芯片集成有两路收发器，可将单片机输入的TTL/CMOS电平转换为RS232电平发送给PC机，或将从PC机接收的RS232电平转换为TTL/CMOS电平发送给单片机。MAX232为双列直插16脚封装，其封装形式如图3.13所示。图3.14 通信电路图3.13 通信电路具体通信电路图如图3.14所示，其中T2in连接单片机串口的TXD端，R2out连接上位机串口的RXD端，T2in和R2out是TTL/CMOS发送器的输入和输出端，分别连接单片机的RXD(P3.O)和TXD(P3.l)端。山东科技大学学士学位论文 系统软件电路设计4系统软件设计4.1软件部分的总体设计在单片机测控系统中，软件与硬件好像左右手，互为补充相互配合。硬件是系统的躯体，软件则是系统