毕业设计（论文）-单片机在干馏气化炉焚烧温度控制系统中的应用

徐州建筑职业技术学院1中文摘要温度是工业对象中主要的被控参数之一，本文主要介绍了单片机在干馏气化炉焚烧温度控制系统中的应用，主要是以MCS51单片机作为控制器的核心，结合温度传感器、变送器、A/D转换器、LED显示器等组成一个温度控制系统。气化炉炉温控制系统的控制过程主要是通过传感器检测到的温度，经A/D转换芯片得到相应的数字量，经过计算机进行数据转换，得到应有的控制量，去控制气化炉风门电调阀，从而实现对温度的控制。控制功能主要是由控制算法来实现，把传统的PID控制和单片机的逻辑判断指令结合起来，使PID控制更为灵活，能满足生产过程的要求，详细描述了系统的工作原理和单片机的硬件组成，软件编制。关键词温度控制单片机PID算法徐州建筑职业技术学院2第一章绪论在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如，在冶金工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工等许多领域，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行监测和控制。采用单片机来对它们进行控制，主要是因为单片机在一块芯片上集成了构成一台微型计算机所需的CPU、ROM、RAM、I/O接口以及定时器/计数器等部件，能满足对硬件的功能要求，并且它面向控制，定时控制功能特别强，CPU可以直接对I/O接口进行各种操作，由于CPU访问存储器、I/O接口的信息传输线（即总线）大多数在芯片内部，因此不易受外界的干扰，不仅如此，它的内部功能特别强，系统控制方便。目前，国内外提供了多种多样的单片机开发工具，它们具有很强的软硬件调试功能和辅助设计的手段，大大地缩短了系统研制的周期，还可方便的实现多机和分布式控制，提高整个控制系统的效率和可靠性。基于上述单片机控制方便、组态简单和灵活性大等优点，所以温度的问题用单片机来控制。而气化炉的温度控制过程对燃烬度、尾气排放及焚烧稳定性有着重要影响，因此设计干馏气化炉的温度控制系统对提高焚烧炉整体性能、焚烧稳定性和自动化程度都有重要意义。徐州建筑职业技术学院3第二章干馏气化炉焚烧概况21干馏的涵义干馏又叫热分解（熔融）、热解或炭化，是指有机物在隔氧条件下加热分解的过程。在实际生产中，按照生产燃料的不同可将热分解分为热解造油和热解造气，热解造油一般采用500以下的温度，在隔氧条件下使有机物裂解，生成燃油；而热解造气主要是将垃圾的有机成分气化和无机成分熔融为一体，得到可燃气体同时回收金属等有用物质。22干馏气化炉的热力学模型固体废物的干馏气化过程比较复杂，通常由热分解、熔融、蒸发和化学反应等传热、传质过程所组成。为了便于更好的认识其焚烧过程和便于干馏气化炉的热平衡计算，在平衡气化期间，我们把干馏气化炉内的燃烧层次从顶部到底部可分为燃气层、传热层、热解层、燃烧层和灰化层，在实际焚烧过程中，各层没有明显的界限，只不过是总体上有时间上的先后差别而已。图21所示在干馏气化炉的热分解过程中，随着底部的燃烧灰化，上部的废气物不断的沉降，首先在传热层（200左右）干燥预热，进入到热解层（200700）后被干馏热解，分解出可燃气体，可燃气体向上经过传热层烘烤顶部废弃物，上升到炉顶燃气层时温度降至200左右，再从出气口导入燃烧炉内完成高温氧化过程，热解层的残留炭化物继续下降，进入燃烧层（600800）后进一步燃烧和气化，最后进入灰化层灰化和冷却。燃气层传热层热解层燃烧层灰化层图21气化炉内燃烧层次分布图徐州建筑职业技术学院423焚烧炉技术的分类和对比目前世界各地应用的焚烧设备的型号达到200多种，其应用广泛，具有代表性的焚烧炉技术主要有四大类，即硫化床焚烧炉（包括RDF焚烧炉）技术、回转窖焚烧炉技术、炉排型焚烧炉技术、热解气化焚烧炉（CAO）技术。硫化床燃烧技术已发展成熟，由于其热强度高，更适宜燃烧发热值低、含水分高的垃圾；同时由于其炉内蓄热量大，在燃烧时基本上可以不用助燃。但由于流化床焚烧炉对垃圾颗粒度要求很高，同时要求进料均匀，对操作运行及维护的要求高，操作运行及维护费用也高，预处理设备的投资成本较高并且预处理中容易造成垃圾臭气外溢，产生环境污染。而这些因素都制约着流化床焚烧技术在我国的广泛应用。回转窑焚烧炉技术的燃烧设备主要是一个缓慢旋转的回转窑，其内塞可采用耐火砖砌筑，也可采用管式水冷壁用以保护滚筒。回转窑式燃烧装置设备费用低，用电耗与其他燃烧方式相比也较少，但焚烧热值较低。炉排型焚烧炉技术发展较为成熟，这种焚烧炉因为具有对预处理要求不高、对热值适应范围广、运行及维护简便等优点，许多国家都普遍采用这种燃烧技术。该类型焚烧炉形式很多，主要有固体炉排、链条炉排、滚动炉排、倾斜顺推往复炉排、倾斜逆推往复炉排等，为了使燃烧过程稳定，炉排型焚烧关键是炉排。炉排的布置、尺寸、形状随着垃圾水分、热值的差异以及生产厂商的不同而不同。现在，世界发达国家开始采用较先进的焚烧技术是热解气化焚烧炉技术，热解气化炉技术（CONTROLLEDAIROXDATION空气氧化控制技术，简称CAO技术）是一种控制空气燃烧技术。CAO系统可分为加热干燥、热解气化、炭化燃烧、可燃气燃烧等4个区域。24基于空气氧化控制（CAO）的焚烧技术CAO垃圾焚烧炉采用气化熔融与高温焚烧相结合的技术，采用气化炉热解气化与燃烧炉高温燃烧分离的燃烧方式，有效控制二恶英等二次污染气体物质的产生，燃烧稳定性较好，燃尽率高。徐州建筑职业技术学院5241气化熔融技术的工作原理通过控制空气供给量，分别控制其所包含两个燃气室的供风量和温度来实现干馏热解气化和燃烧过程。首先在干馏气化炉内将具有一定热值的固体废物在供氧不足的的条件下燃烧，供风量只有理论需要空气量的5080，依靠底部部分废弃物的燃烧热控制温度在600800，使上部废弃物中的可热解物质的化合键断裂，转化为小分子量的可燃气体，然后在燃烧炉内供给充足的空气，供风量为理论需要的130150，使可燃气体完全、充分燃烧，温度可达8501100，并保证停留时间大于2S，使有毒有害物质在高温下完全氧化分解。而固体废物中的能量以可燃气等物质的形式储存起来，成为储藏、运输的有价值的燃料。242气化熔融技术特点1控制二恶英的排放二恶英是一种毒性极强的一类三环芳香族有机化合物，主要包括PCDD和PCDF两类，抑制焚烧过程。二恶英的排放可归纳为以下几点1）燃烧温度一般认为，高温燃烧几乎不生成二恶英，高温下多氯联苯等大部分被分解，另外，高温燃烧促成二恶英合成的媒体氯化铜在高温下被还原，气化熔融炉的飞灰燃烧温度大多在1300以上，所以气化炉中的二恶英的排放量很低。2）停留时间一方面需确保炉内高温燃烧时间足够长；另一方面，对于尾部烟气低温度的二恶英的合成，应尽量缩短烟气在尾部的滞留时间，气化熔融技术一般都采取急速冷却措施。3）混合炉内温度的均匀性非常重要，应保证空气与未燃尽烟气充分混合2实现垃圾的减容飞灰和底渣经熔融处理后，熔渣致密性大大提高，可以减容70左右，同时通过对二恶英的分解和对重金属的固化实现彻底无害化。3废物利用率高可从熔融渣中方便的分离并回收有价值的金属，分离后的残渣可制成建筑材徐州建筑职业技术学院6料，防止了重金属污染。243CAO的焚烧系统的组成结构整个系统由燃烧系统、送引风系统、尾气处理系统、进出料系统、软水系统、控制系统和燃料系统等组成。已研制开发的GL30型干馏气化焚烧炉其主要设计参数有垃圾低位热值4500KJ/KG适应范围400009925KJ/KG垃圾湿度40适应范围2555一燃室温度600变化范围550800二燃室温度1000变化范围8501150过量空气系数135变化范围1315垃圾处理量30M3/D最大处理量60M3/D干馏炉容积30M3X2只干馏气化时间1016H烟气高温燃烧时间2S烟气急冷停留时间1S其中，燃烧系统是整个系统的核心，由两个完全相同的干馏气化炉和一个高温燃烧炉组成，两个干馏气化炉可以交替工作，可使二次高温燃烧炉和后续热力除尘设备连续运行，将高温燃烧炉设计为与气化炉分离，为卧式圆筒燃烧炉，炉体从内向外有火层和走风层。进入高温燃烧炉的二次风经炉体预热后，再从燃烧炉前部进入炉内和气化燃气混合燃烧，其自动控制系统采用了可编程控制器与常规热工仪表设计的方式，以PLC为控制核心，传感器、监测仪表和自动执行装置等为PLC外部设备，确保了热力设备安全高效的运行。对于其硬件系统主要包括PLC控制器、干馏气化炉单片机控制器、现场仪表、强电后备柜与微机控制台；仪器仪表主要包括行程开关、液位开关、温度传感器、流量开关等；执行机构主要有电动风量调节阀等。244CAO焚烧过程及其控制策略1点火阶段及其控制点火前要先将固体废物装入气化炉。首先把气化炉的投料盖顶盖打开，通徐州建筑职业技术学院7过上料斗将固体废物装入气化炉，再把投料盖关上后，启动气化炉点火器，将燃烧火焰从点火喷嘴喷射到气化炉中的废物上，使固体废物的一部分点燃，这时废物开始进行燃烧。当废物开始部分地被烧着后，气化炉下部固体废物的燃烧逐渐地从点火口向对面方向蔓延，消耗大量的曾存在于气化炉中的氧和少量由送风机所提供的氧。由于燃烧产生热量，上部固体废物开始受到干馏热解，随着热解的进行，气化炉中开始产生可燃气体，并经过煤气管道被导引入燃烧炉。引入燃烧炉的可燃气体与燃烧炉中的空气混合并由燃烧炉的燃烧器点燃，这时，气化炉产生的可燃气体开始在燃烧炉中燃烧。此阶段，气化炉出口烟气温度和燃烧炉温度都不断上升，但由于燃烧刚刚开始，产生的可燃气体很少，温度上升相对缓慢。当确定气化炉底部燃烧扩大到周围的废物并变成稳定的燃烧，这时可以关掉点火器，结束点火。然而，当燃烧火焰喷射到废物时，气化炉的温度可能会有暂时急剧地增加，而火势却可能没有很好的在底层废物之间进行传递，燃烧可能不扩大，这种情况下，燃烧变的不稳定并受火焰切断的影响，而使干馏气化停止进行，所以对点火工况的判断很重要。当气化炉出口烟气温度上升至设定值（8501150），关闭点火器后，出口烟气温度有可能下降，并在设定时间段后还没有上升至设定值（8501150），即可以认为气化炉内燃烧有熄灭的趋势确定为点火失效。2燃烧扩大阶段随着燃烧的扩大和稳定化进展，气化炉出口烟气温度继续缓慢上升，燃烧产生热量的增加使上部固体废物的热解加剧，所产生的可燃气体的量也不断增加。从而使燃烧炉的温度持续较快的上升。当燃烧炉出口处的温度传感器监测到燃烧炉的燃烧温度达到预定温度（8501150）时，可以判定可燃气体可以自然燃烧，关闭燃烧炉的燃烧器，燃烧炉温度暂时降低，然而，由于可燃气体的自燃和可燃气体量的增加，燃烧炉温度继续上升。3稳定干馏阶段当可燃气体开始自燃后，控制电调阀调节气化炉进风门的开度，使可燃气体在燃烧炉中的燃烧温度保持在预先设置的8501150左右，在此温度下，可使烟气中的有机毒物质分解、破坏，同时燃烧产生的氧和氮的数量也很少。燃烧徐州建筑职业技术学院8温度可通过电调阀控制燃烧炉风门开度调节，但要保证可燃气体完全燃烧所必须的氧量。在此期间，气化炉中固体废物的燃烧和热解是稳定进行的，并且气化炉的内部空间出现从底部到顶部连续分布的灰化层、燃烧层、热解层、传热层和燃气层。随着固体废物部分燃烧的发展，燃烧产生的灰化层将向上扩展，燃烧层也有一定的向上转移，上层废物不断沉降，可以热解的固体废物的量不断减少，可燃气体量不断减少，减少到一定程度，燃烧炉温度开始快速下降。4灰化前助燃阶段当气化炉不能产生使燃烧炉温度基本保持在8501150左右的足够大量的可燃气体时，燃烧炉内可燃气体的燃烧温度快速下降。同时，由于气化炉内热解和干燥所需热量的减少，气化炉出口烟气的温度会快速的上升。燃烧温度下降到低于设定温度8501150时，因可燃气体量少，焚烧炉内的燃烧会不稳定，有轻微爆燃现象，通过监视器观察炉内火焰忽明忽暗，压差波动很大，温度低于可燃气体的自燃温度时，可燃气体没有经完全燃烧，直接排放，造成二次污染。所以，当温度低于设定温度时，就要启动燃烧炉的燃烧器，进行喷油助燃，一方面稳定燃烧，另一方面避免二次污染气体的排放，当喷油助燃时燃烧温度都低于一设定温度时，说明气化炉的可燃气体已经非常少了，可以关闭燃烧。5灰化冷却阶段燃烧炉燃烧器关闭后，燃烧炉已不再工作，此时，气化炉内可燃物质已非常少了，可以适当开大风门，使空气过量，使剩余可燃残渣在气化炉内加速燃烧，直到气化炉内所有可燃废物燃尽灰化后，气化炉温度在一设定温度以下，可以停止焚烧系统的运行，使残灰自然冷却。徐州建筑职业技术学院9第三章系统的总体设计31系统的分析与总体的设计311对温度控制系统的要求1温度测量。要有温度测量电路，被测量为模拟量，要求微机具有相应的通道。2温度给定。要有相应的给定输入装置。3温度显示。按要求实时显示装置的温度值。4报警。当温度超过要求的范围时，发出报警信号。312硬件和软件功能划分根据系统的要求，硬件系统应该包括以下电路温度测量电路（包括传感器、放大器、A/D转换器及接口）、温度控制电路、温度显示电路和输出报警电路等。软件功能包括温度检测功能、温度控制的实现功能、温度显示功能和报警功能。32控制器的总体设计321干馏气化炉控制器的方案选择工业控制系统的种类很多，根据不同的应用场所和采用芯片的不同可以分为工控机控制、可编程控制器（PLC）控制、单片机控制等。由于工控机一方面继承了个人计算机丰富的软件资源，使其软件开发更加方便，可以采用高级语言编程，设计友好的工作界面，利用计算机强大的计算功能，编制复杂的软件。此外，其接口都是标准接口，易于与各系统之间进行通讯与连接。另一方面又具有可靠性高、抗干扰能力强等优点，但其价格偏高。对于中等徐州建筑职业技术学院10规模的控制系统，为了加快系统的开发速度，可尽量选用现成的工控机。对于可编程控制逻辑器其具有可靠性高，编程容易，组合灵活，输入/输出功能模块齐全等优点，一般用于对可靠性要求高的场合。而单片机介于工业控制计算机和可编程控制器之间，具有较强的控制能力，它是把微型计算机主要部件都集成在一块芯片上，因此单片机又可看成是一个不带外部设备的微计算机。由于单片机具有功能强、体积小、可靠性高、价格低廉等优点，因而在工业、农业、国防、交通、民用消费品等各个领域得到了广泛的应用，有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代。在本焚烧系统中，针对干馏气化炉控制器自动控制系统，选用单片机具有如下特点1可靠性好。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，其抗工业噪声干扰优于一般通用CPU；程序指令及常数、表格固化在ROM中不易破坏；许多信号通道均在一个芯片内，大大缩短了系统内信号传送距离从而提高了抗干扰能力。另外，由于单片机体积小，适应温度范围宽，在应用环境比较差的情况下，容易对系统采取电磁屏蔽措施，在各种恶劣的情况下都能可靠工作。2易扩展。片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。3控制功能强。为了满足工业控制要求，采用面向控制的软、硬件设计并且一般单片机的指令系统中均有极丰富的条件分支转移指令、I/O的逻辑操作以及位处理功能，且内无监控程序或系统通用管理软件，只放置有用户调试好的应用程序。4较多的引脚具有复用功能，可由指令设置或机器状态来区分。5成本低，易开发。随着其技术含量不断提高，这为开发廉价的控制系统提供了可能；另外，单片机的应用已相当广泛，适于构建简单、体积小的测控系统。综上所述，所以采用单片机方案既满足控制系统的工作要求又可以节省成本。徐州建筑职业技术学院11322干馏气化炉控制器的功能配置在整个焚烧系统中，由于有较多辅助控制设备，这些辅助设备的各种开关量和模拟输入量输送到单片机的处理系统，具体如下1控制输出有报警控制、气化炉风门电调阀控制、气化炉点火器控制。2启动开关有手动/自动开关、PLC启动控制信号、投料盖顶盖行程开关、出灰盖底盖行程开关。3模拟输入有气化炉出口烟气温度、气化炉中部温度、燃烧炉温度等。徐州建筑职业技术学院12第四章硬件设计41MCS51系列单片机简介及系统的单片机选型近几年来，虽然系列单片机得到了广泛的应用，但由于其昂贵的价格，相比之下，MCS51系列具有价格低廉等优点，因此被广泛应用于各个领域。MCS51系列单片机是把微型计算机的基本功能部件（又称为高档8位单片机）集成在一块超大规模集成电路上构成的微型计算机。该类单片机具有I/O接口和两个以上16位定时器/计数器，具有较丰富的多级中断系统，用其对温度进行控制，不仅控制方便、组态简单且灵活性大，同时还可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。其结构图如图41时钟定时器/计数器接口图41单片机结构框图1基本特性为1）8位CPU。2）片内带振荡器，振荡器的频率范围为12MHZ12MHZ,有时钟输出。3）128字节的片内数据存储器。4）4K字节的片内程序存储器。5）程序存储器的寻址范围为64K字节。6）片外数据存储器的寻址范围为64K字节。徐州建筑职业技术学院137）21个字节专用寄存器。8）4个并行I/O接口P0、P1、P2、P3。9）1个全双工的串行I/O接口，可多机通信。10）2个16位定时器/计数器。11）中断系统有5个中断源，可编程为两个优先级。12）111条指令，含乘法指令和除法指令。13）有较强的位寻址、位处理能力。14）片内采用单总线结构。15）用单一5V电源。2引脚资源的分配如图42和逻辑符号如图43所示图42引脚资源的分配P30P31P32P33P34P35P36P37徐州建筑职业技术学院14VSSVCCRST/VPDXTAL1XTAL2图43逻辑符号3引脚功能为8051单片机芯片采用40引脚双列直插封装方式。1）主电源引脚V和V。V电源端，工作电源和编程校验为5V,V接地。2）时钟振荡电路引脚XTAL1和XTAL2。XTAL1和XTAL2分别用作晶体振荡电路的反相器输入和输出端。在使用内部振荡电路时，这两个端子用来外接石英晶体，振荡频率为晶振频率，振荡信号送至内部时钟电路产生时钟脉冲信号；若采用外部振荡电路，则XTAL2用于输入外部振荡信号，该信号直接送至内部时钟电路，而XTAL1必须接地。3）控制信号引脚RST/V、ALE/ERROR、ERROR和ERROR/V。（1）RST/VRST为复位信号输入端。当RST端保持两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时，使单片机完成复位操作。第二功能V为内部RAM的备用电源输入端。当主电源V一旦发生断电（称掉电或失电），降到一ALE/ERRORTXDERRORT0T188ERROR/VPPERRORRXDERRORERRORERRORP0口8P1口P2口805180318P3口徐州建筑职业技术学院15定低电压值时，可以通过V为单片机内部RAM提供电源，以保护片内RAM中的信息不丢失，使上电后能继续正常运行。（2）ALE/ERRORALE为地址锁存允许信号。在访问外部存储器时，ALE用来锁存P0扩展地址低8位的信号；在不访问外部存储器时，ALE以时钟振荡频率的1/6的速率输出，因而它又可以用作外部定时或其他需要。但是，在遇到访问外部数据存储器时，会丢失一个ALE脉冲。ALE能驱动8个LSTTL门输入。第二功能ERROR是作为8751内部EPROM编程时的编程脉冲输入端。（3）ERROR外部程序的读选通信号。当访问外部ROM时，ERROR产生负脉冲作为外部ROM的选通信号；在访问外部数据RAM或片内ROM时，不会产生有效的ERROR信号，ERROR可以驱动8个LSTTL门输入端。（4）ERROR/VERROR为访问外部程序存储器控制信号。对于8051它的片内有4KB程序存储器。当ERROR为高电平时，CPU访问程序存储有两种情况第一种情况，访问的地址空间为04KB范围内，CPU访问片内程序存储器；第二种情况，访问的地址范围超过4KB时，CPU将自动执行。4）4个8位I/O端口P0、P1、P2、P3P0口有两种功能它可以作为地址/数据分时复用总线和通用I/O接口使用；P1口只有一种功能作为内部带上拉电阻的准双向I/O口，具有输出、输入、端口操作三种工作方式；P3口除了作为准双向通用I/O使用外，每一根线还具有第二种功能，P3口用作I/O接口时，其功能与P1口相同，P3口作为第二功能使用时其锁存器端必须为高电平。如下表41所示表41MCS51接口功能表P3口引脚第二功能P3口引脚第二功能P30RXDP34T0P31TXDP35T1P32INT0P36WRP33INT1P37RD由于本例对控制精度要求不高，控制功能一般，故选择常用的MCS51系列徐州建筑职业技术学院16单片机中的8051作为处理器。片外程序存储器选用2732，容量为4K8位。因采集和处理的数据不多同时不需要保留，估计数据存储器使用片内的即能满足要求。42系统的硬件结构框图主机确定后，就可以围绕主机，根据以上的设计要求构建一个单片机应用系统。一个单片机系统的硬件电路设计包括两部分内容一是系统扩展，即当单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O等容量不能满足系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、A/D转换器等。要设计合适的接口电路，在系统的扩展和配置设计中，应遵循以下原则1尽可能选择典型电路，为硬件系统的标准化、模块化打下基础。2系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。3硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。4系统中相关器件要尽可能做到性能匹配。5可靠性及抗干扰设计是硬件设计不可缺少的一部分，包括芯片、器件的选择、去耦滤波等。6单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。按照以上原则并结合干馏气化炉控制器的特点和功能，首先初步确定了应用系统，设计系统硬件框图如图43所示。然后按模块分别对各单元电路进行电路设计，接下来进行硬件合成，即将各单元电路按硬件框图将各部分电路组合到一起，构成一个完整的电路图。在整个控制系统图中，通过外围电路采集模拟量，经A/D转换并输入到单片机的控制口，通过单片机处理后然后输出到控制部分，执行相应的动作，完成整个系统的控制。徐州建筑职业技术学院17图43硬件框图43系统的硬件电路硬件电路主要包括温度检测与变送环节的设计，模数转换接口电路的设计，人机交互接口的设计，报警电路的设计以及电源电路的设计。其工作过程为首先是通过热电偶温度传感器将检测的温度值转变为15V标准电压信号，经采样放大器，进入A/D转换器转换成数字信号进入单片机内部，将检测的温度值利用幅值检测程序判断是否超过所设定的温度范围。431输入通道的设计输入通道只有一个，包括温度传感器、放大器和A/D转换器三部分。1温度传感器的选择温度传感器是一种能将温度转换成电信号的传感器，而其一般在微机的外部，因此需要把传感器检测的信号从传感器所在的位置传送到微机的端口并变换成能够输入微机的形式后，再输入微机，在变换与传送中必须保持必要的精度和速度。D/A转换控温执行机构控制系统传感器放大器A/D转换报警电路温度显示电路键盘输入电源电路时钟电路徐州建筑职业技术学院18集成温度传感器是把感温元件（常为PN结）与有关的电子线路集成在很小的硅片上封装而成，由于PN结不能耐高温所以集成温度传感器通常测量150以下的温度。所以，在这里选用热电偶传感器，其构造简单、使用方便、测量范围宽、系统具有较高的精确性和稳定性。它是将两种不同金属的两端相接构成闭合回路，当这两个连接点的温度不同（有一个温差）时，会在回路中产生一个电动势而流过一个电流，该热电偶的电动势可用电压表测量，就能求出连接点的温差，由此可以计算出被测物体的温度。然而当冷接点为非0的常温时，如果不对热电偶进行温度补偿，就不能得到正确的测量结果，其测量范围为2002400左右，因此能测量高温。此外，由于热电偶的电动势很小，因此在将热电偶产生的信号输入给微机处理前还需要对该信号进行放大处理。2A/D转换芯片介绍传感器一般在微机的外部，因此需要把传感器检测的信号从传感器所在的位置传送到微机的端口并变换成能够输入微机的形式后，再输入微机，在变换与传送中必须保持必要的精度和速度。而传感器检测的信号，其输出大多数是模拟信号，但微机只接受数字信号，因此传感器的输出要经过模数转换器（A/D）才能与微机相连。8位A/D转换芯片ADC0809。1）ADC0809结构ADC0809采用逐位逼近式原理内部结构,主要有8路模拟量选通开关,8位A/D转换器和三态数据锁存器三部分组成。采用28脚双列直插式封装,其性能一般,价格便宜,便于与单片机连接,因而应用十分广泛。2）ADC0809引脚功能ADC0809引脚功能排列如图44所示徐州建筑职业技术学院19图44ADC0809引脚图各引脚功能说明如下（1）VV8路05VDC模拟量输入端。0IN7I（2）A、B、C3位地址线,地址译码与输入通路相对应，其关系如表42表42ADC0809输入通道选择表地址线CBA通道输入0000INV0011I0102IN0113IV1004IN1015I1106INV1117I徐州建筑职业技术学院20（3）ALE允许地址锁存信号,输入,高电平有效。将转换通道地址送入锁存器中，下降沿时降三位地址线A、B、C锁存到地址锁存器中。（4）CLK输入时钟脉冲端,由于该芯片内无时钟，所以必须靠外部提供时钟，外部时钟的频率范围为101280HZ，标准频率为640HZ。（5）START启动控制输入端口信号，上升沿将SAR清零,下降沿开始A/D转换。（6）EOC转换结束信号，EOC0说明A/D正在转换中,EOC1说明A/D转换结束，同时把转换结果锁在输出锁存器中。（7）DO0DO78位输出数据线,三态输出锁存,可与CPU数据直接相连。（8）OE允许输出信号,输出,高电平有效。在A/D转换过程中,OE为低电平，D0D7呈高阻状态。当A/D转换完毕,OE为高电平,且输出D0D7状态。（9）REF、REF为参考电源输入端，基准电压源正、负端标准值5VDC。一般REF（）与VCC连接在一起，REF（）与GND连接在一起。（10）VCC为主电源输入端，单一的5V供电。（11）GND为电源地端。3）ADC0809性能指标（1）总分辨率8位。（2）转换时间100US。（3）具有锁存控制功能的8路模拟开关,能对8路模拟电压信号进行转换。（4）单一5V电源供电。基准电压由外部提供,典型值为5V,此时允许模拟量输入范围为05V。3温度设定电路温度设定可以采用转换开关、拨码盘接口电路来实现，这里我们用矩阵键盘。因为独立的键盘输入电路每一个键要占1位I/O线，当按键数较多时，显示I/O线利用率不高。它是有仪器生产厂自己设计制造的，一般与计算机的并行口连接，通过并行口将用户对键盘的操作读入计算机，然后经过译码识别出所按下的键。电路如图45所示徐州建筑职业技术学院21图45矩阵式键盘接口电路1）工作原理为矩阵式键盘是由行线和列线组成，按键位于行线和列线的交叉点上，行线和列线分别连接按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到5V上，平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定，列线电平如果为低，则行线电平亦为低；列线电平如果为高，则行线电平亦为高，这一点是识别矩阵键盘按键是否被按下的关键所在。在键盘扫描程序中首先使所有的行线为0，读入列线数据取反，取反后的数据不为0时，有键按下，否则无按键按下。当有键按下时，再从第0行开始，逐行为0读入列值取反，一直到非0时为止，此时所对应的行和列值计算出是行0行1行2列0列4列35V列2列1行301234567891011121314151617181910K5PB3PB2PB1PB0PC0PC1PC2PC3PC48155徐州建筑职业技术学院22哪一个键按下。在上图中的五条列线分别接8155C口经反向输出的五条线ERROR0ERROR4，四条行线一端通过上拉电阻接到5V电源，另一端分别接到8155B口的4条线PB0PB3，把8155C口设置为输出方式，B口设置为输入方式，在没有任何键闭合时，所有行线PB0PB3输入都为高电平，当基本一个键闭合时，该键所对应的行线和列线短路，通过软件来解决出现的键的识别、防止抖动以及产生键码等一系列的问题。为了从键盘上获取有特定含义的数据，键盘扫描程序必须解决以下几个问题（1）检测出当前是否有键被按下，检测方法是输出全为0信号，（即ERROR4ERROR000000）到键盘的列线上，然后读键盘的行线PB3PB0的状态，若PB3PB0为全1（1111），则无键闭合，若有某一行线为（即PB3PB0不为全1），就表示有键闭合。（2）当有键闭合时，需要去抖动。最简单的方法是在有键闭合时延迟一段时间，等待按键可靠接触后，才来确定是哪一个按键按下。延迟时间为10MS20MS，当系统中有显示器时，可调用几次显示子程序来达到延迟去抖动的目的。（3）在确认键已稳定闭合后，需要进一步判断是哪一个键闭合。方法是对键盘进行扫描，所谓扫描就是依次给每一条列线送出0电平，其于各列都为1，并检测每次扫描时所对应的行状态，表43为8155C0依次输出表438155C口输出PC4PC3PC2PC1PC011110111011101110111扫描过程01111每当扫描输出某一列为0时，相继读入行线PB0PB3的状态，在依次读入PB0PB3时，若为全1，表示为0的这一列上没有键闭合，否则不为全1。表徐州建筑职业技术学院23示为0的这一列上有键闭合，而且闭合键所在的行就是PB0PB3中为0的行，确定了闭合键的位置后，就要计算出键值，则产生键码，这里把键的编号就作为键盘的编码，则闭合键的数值0的行的首键号0的列号例如当PC4PC0扫描输出为01111，读PB3PB0的状态为1011，则为0的行是行2，为0的列则是列4，行2和列4相交处的键处于闭合状态，行2的首键号为10，列4的列号就是4，则闭合键的键值为10414（4）为了保证键的一次闭合，CPU只作一次处理，所以必须等待闭合键释放以后才对键入值进行处理。48155芯片介绍8155是一种可编程接口芯片，除可扩展2个8位、1个6位的可编程并行I/O口外，还具有2568位静态RAM和一个14位减法计数器，可直接与单片机连接，不需要增加任何硬件逻辑。8155的引脚功能如图46和结构框图如图47和所示图468155芯片引脚功能图该芯片由并行I/O接口，存储器和定时器/计数器三部分组成。8155共40徐州建筑职业技术学院24个引脚，一般为双列直插DIP封装，40个引脚可分为与CPU连接的地址数据线、控制线、与外围设备连接的I/O线，现分别说明其功能1）AD0AD7地址/数据总线。单片机和8155芯片之间的地址数据、命令、状态信息都通过它传送，在地址锁存允许信号ALE的下降沿将地址锁存在内部地址寄存器中，该地址既可作为I/O口的地址，又可以作为存储器的8位地址，它由IO/ERROR引脚的信号状态决定。AD0AD7上出现的数据，其传送方向由控制信号ERROR和ERROR决定。IO/ERRORERRORALEERRORERRORRESETTIMERINTIMEROUTAD0AD7PA0PA7PB0PB7PC0PC72568位静态RAM定时器A口B口C口图478155芯片结构框图2）ERROR片选信号线，输入，低电平有效。3）ERROR读信号，输入，低电平有效。4）ERROR写信号，输入，低电平有效。5）ALE地址锁存允许信号，输入，在ALE信号下降沿时，锁存AD0AD7端线上的8位地址及I/O信号。徐州建筑职业技术学院256）IO/ERRORI/O或RAM选择信号，输入。当IO/ERROR1时，选择8155的I/O口；当IO/ERROR0时，选择8155片内256字节RAM（寻址范围为00HFFH）。7）PA0PA7A口8位通用I/O线。8）PB0PB7B口8位通用I/O线。9）PC0PC5C口6位I/O线，既可用作通用I/O线，又可作A口和B口工作于选通方式下的控制信号。10）TIMERIN定时/计数器计数脉冲输入端。11）TIMEROUT定时/计数器输入引脚。8155内部有6个寄存器A口寄存器（001）、B口寄存器、C口寄存器、命令状态寄存器（000）、定时/计数器低8位寄存器（100）、定时/计数器高6位加2位输出方式寄存器，片内6个寄存器地址的寻址由AD0、AD1、AD2来实现。12）RESET复位信号，输入，高电平有效。复位后8155命令状态寄存器清“0”，3个I/O口被置输入工作方式，定时/计数器停止工作。13）VCC5V电压。14）VSS接地。5常用存储器芯片2732AEPROM本设计中采用2732AEPROM，它是容量为4KB的EPROM芯片，紫外线擦除、电编程、采用双列直插式封装，共24只引脚。A0A11为地址线、D0D7为数据线、ERROR是片选线、ERROR是数据输出选通线。使用单一的5V工作电压VCC、编程电压为21V、标准的2732A的存储时间为250NS，引脚图如47P所示。74LS373是具有8个锁存器芯片，其引脚图如图48和功能表如表43所示。它有1个使能端G，一个输出控制端E，8个输入端D1D8，8个输出端Q1Q8，该芯片又叫作透明的D型锁存器，透明是指当使能端G端为高电平时，输出端Q端将随输入端D端的变化而变化，锁存功能体现在当使能端为低时，Q端的输出将锁存在自己建立的电平状态，而不管此时输入端D的状态如何。徐州建筑职业技术学院26123459786101112A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVCCA8A9A11ERROR/VPPA10ERRORD7D6D5D4D32732A241314151617181920212223图472732芯片引脚图表4374LS373功能表输入输出OEGDQLHHHLHLLLL不变徐州建筑职业技术学院27H高阻GND74LS3G5QD68DQVC1219201098654Q2D1QE图4874LS373引脚图432输出通道的设计输出通道根据输出的信号形式也分为数字（开关）量输出通道和模拟量输出通道两类。1温度显示电路温度值采用LED（半导体发光二极管组成的数码显示器）显示，每段发光二极管需串接限流电阻，改变阻值可调整亮度。LED显示器内部由七个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成。根据各管的亮暗组合成十六进制数、小数点和有限个字符，常见LED显示器的内部结构有共阳极和共阴极两种不同形式，其中COM为公共点，当显示器的某一个发光二极管通电时，该二极管发光，由接口电路控制某几个发光管通电，就可以显示出某数码或字符。共阳极的COM端一般接电源的5V，共阴极的COM端一般接电源的“地”，徐州建筑职业技术学院28其于各端分别经限流电阻接各自不同的段码驱动端。由显示器的结构可知，直接将要显示的数码或字符发送到显示器的驱动端是不可能正确显示的，七段LED显示器所显示的字形是由对应的字形代码确定的，包括小数点DP，可用一个字节来显示，根据字形显示代码，共阴极LED的字形显示代码。表44如十六进制代码3FH显示字符0D7D6D5D4D3D2D1D0DPGFEDCBA00111111在本设计中，采用硬件译码功能，通过将CPU输出的BCD码译成LED显示器需要的字段驱动码。选用BCD码七段码十六进制锁存译码器芯片构成接口电路。BCD码七段码十六进制锁存译码驱动芯片，它能将4位二进制编码的十进制数BCD码转换为7段显示器的字符码，同时是具有锁存和驱动功能。逻辑图和引脚图如图49所示，各引脚功能如下1）A、B、C、DBCD码输入端。2）ERROR锁存允许端，当ERROR0时，4位BCD码进入锁存器；ERROR1时，输入的数据被锁存。3）AG七段字码的输出端。4）ERROR数据标志端。输入数据为15（1111B）时，ERROR0，当输入数据为其他值时，ERROR端为高阻状态。如图410示为利用多位LED显示电路，LED为共阴极结构，采用静态显示方式。图410中各片的BCD码输入端都接到8051的P10P13,ERROR信号由P14P16经74LS138议码后提供。徐州建筑职业技术学院29地址译码和笔段阵列锁存器图49MC14495逻辑图和引脚图图410LED显示器接口电路当P171时,38译码器开通，由P14、P15、P16经译码器控制ERROR选中某一芯片，然后从P10P13选出要在该位显示的二进制数据，在使P170（ERROR1）时，四位二进制数据被锁存于芯片，经译码驱动后显示。MC14495为并行输入BCD码的译码芯片，占用的I/O口线较多，硬件译码要减少I/O口线，可以采用串行输入的译码驱动芯片。徐州建筑职业技术学院302D/A转换器芯片的介绍。它主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、采用R2R电阻网络的8位D/A转换器以及输入控制电路四部分组成。由于它有两个可以分别控制的数据寄存器，使用时有较大的灵活性，可根据需要接成不同的工作方式。另外，芯片内部有电阻RFB，它可用作直流运算放大器的反馈电阻，以便于芯片直接与运算放大器连接。DAC0832的分辨率为8位，电流输出,稳定时间为1US。采用20脚双列直插式封装，各引脚功能如下1）DI0DI7数据输入线，其中DI0为最低有效位LSB，DI7为最高有效位MSB。2）ERROR片选信号，输入线,低电平有效。3）ERROR写信号1，输入线,低电平有效。4）ERROR写信号2，输入线,低电平有效。图411DAC0832引脚图5）ILE允许输入寄存器锁存信号，输入线,高电平有效。6）ERROR允许DAC锁存器寄存信号，输入线，电平有效。7）IOUT1DAC电流输出端1，输出信号一般作为放大器差动输入信号之一。8）IOUT2DAC电流输出端2，此输出信号一般作为运算放大器差动输入信号之一。9）R该电阻可用作外部运算放大器反馈电阻，接于运算放大器的输EB出端。徐州建筑职业技术学院3110）基准电压源端，输入线，10VDC。REFV11）AGND模拟电路地线。当ILE、ERROR和ERROR同时有效时，8位输入寄存器ERROR端为高电平“1”，此时第一级输入寄存器的输出端Q跟随输入端D的电平变化；反之，当ERROR端为低电平“0”时，原D端输入数据被锁存于端Q,而且在锁存期间D端电平的变化不影响Q端。当ERROR和ERROR同时有效时，8位DAC寄存器的ERROR端为高电平“1”，此时将第一级8位输入寄存器的状态锁存到第二级8位DAC寄存器中，以便D/A转换。通常，把CPU的写信号WR作为WR1和WR2的信号，把接口地址信号作为CS信号。如无特殊要求可将ILE接高电位，XFER接地。一般情况下把ERROR和ERROR接地，置成单级输入方式，以便简化接口电路。特殊情况下可采用双级输入方式，例如，要求多个D/A转换器同步工作时，首先将D/A转换数据逐个置入寄存器，然后用统一信号（ERROR和ERROR）再置入8位DAC寄存器，以便实现多个D/A转换器同步输出。2报警电路报警电路仅需要1位开关量输出控制，采用8051的I/O口线即可。图412报警电路1）控制系统的输入、输出（光电隔离电路）控制系统中的信息最终要通过接口电路输出给外部设备，为了防止外设发生故障，对计算机造成不良的影响，所以在功率放大电路与接口电路之间增加光电隔离电路。这样，计算机接口电路的输出引脚和外部设备功放电路的输入徐州建筑职业技术学院32引脚经光电隔离元件隔离，外部设备一旦发生短路不会损坏计算机电路。图413光电隔离电路输出12V5V徐州建筑职业技术学院33第五章系统的软件设计与分析随着单片机在控制领域中的广泛应用，单片机以它优异的性能使控制系统中硬件电路的设计变得更为简单，代之而来的是程序设计的任务则更加繁重。因此，坚持正确的设计原则，掌握灵活的设计方法，对于提高整个控制系统的质量是极为重要的。在单片机控制软件的中所应遵循的一个重要原则就是软件要最大限度地与硬件配合，充分发挥各自的效能以满足不同控制系统的需要。原则上，在系统允许的情况下，尽可能采用软件，减少硬件的使用。其原因是，这样可以节省经费开支，减少因硬件的增加而降低系统可靠性的隐患，并且软件设计灵活、方便、易于修改，在许多方面可以取代甚至超过硬件的功效。但是这种“以软代硬”是以占用更多的计算机为代价的，在微处理器技术高速发展的时代，这种影响已经微不足道了。干馏气化炉控制器软件设计的要求是要实现从气化炉点火到固体废物燃尽灰化整个流程的过程控制，控制气化炉风门电调阀、报警灯、等输出，并实现对气化炉温度状况的监控。51温度控制的算法通常气化炉的温度控制采用偏差控制法，偏差控制的原理是先求出实测温度对所需温度的偏差值，然后对偏差值处理而获得控制信号去调节温度控制阀的开阀大小，以实现对气化炉内温度的控制。在工业上，偏差控制又称为PID控制（是比例PROPORTIONAL、积分INTEGRAL、微分DIFFERENTIAL三者的缩写），这是工业过程控制中应用最为广泛的一种控制形式，一般都能收到令人满意的效果。PID控制的理想微分方程为（51）DTETTETKTUTIP10式中调节器的输出控制电压信号T徐州建筑职业技术学院34调节器的偏差信号,作为温度调节器的输入信号,等于给定值TE与测量值之差,即为TRYETRYT调节器的比例系数PK积分时间常数IT微分时间常数D由于计算机控制是一种采样控制，只能处理数字信号，故上述数字方程必须加以变换，进行离散化处理。若设温度的采样周期为T，第N次采样得到的输入偏差为，调节器输出为，则有NENU微分用增量式即差分代替11DETENETTA（52）积分用求和代替（53）000NNNJJETDETTA这样,将（52）和（53）代入（51）便可得到离散的PID表达式为（54）01NPDJIENUNKEETT式中采样周期,必须使T足够小,才能保证系统有一定的精度TTA第N次采样时的偏差值E第N1次采样时的偏差值1采样序号，0、1、2第N次采样时调节器的输出U根据递推原理5501211NPDJIENTKEET用（54）减去（55），可得212PINDUNENEKEN徐州建筑职业技术学院35（56）式中积分系数IPITK微分系数DDP52温度控制程序本系统中要实现的是对气化炉温度的控制及对气化炉中的温度超限报警等功能。通过A/D转换程序把模拟的电压量转换成数字量，为了提高准确性，之后又必须有数据处理程序对采集进来的数据进行处理，若不在所需的范围内，则启动报警程序进行报警，为了能够把测量的温度用LED显示，又必须通过数据转换程序，同时也要有键盘输入程序才能对温度进行控制。其温度控制程序应考虑如下问题1扫描、键码识别和温度显示2温度采样3数据处理4超限报警和处理5PID计算。上述功能的温度控制由相应的程序组成，该系统软