单片机的锅炉系统

1、微处理器原理与接口课程设计设计题目：单片机的锅炉报警系统学 院：电子工程学院年 级：专 业：姓 名：学 号：指导教师： 年 月 日目录1绪论.1 1.1背景资料.1 1.2锅炉系统的一般结构及工作原理.1 1.3系统简介.22设计原理及论证.3 2.1设计原理.3 2.2方案论证.33系统硬件设计.4 3.1单片机最小系统.4 3.2A/D转换电路.5 3.3热敏电阻电路.5 3.4显示电路.6 3.5报警电路.84软件设计.8 4.1主程序流程图设计.8 4.2AD转换及LED显示流程图.95相关程序.106结论.13参考文献.141.绪论 1.1背景资料当今，环境与发展已成为人类社会面临的

2、两大课题，而这些问题的解决无一不与能源密切相关。我国的锅炉目前以煤为主要燃料，耗煤量接近全国煤产量的三分之一。同时，锅炉燃用的主要是中、低质煤，工业污染十分严重；而且锅炉形式比较陈旧，生产效率和自动化程度低，这又进一步加重了环境污染的程度。因此，调整能源消费结构，逐步提高使用液体燃料和气体燃料的比例是加强环境保护、实施可持续发展战略的措施之一。其中油、气燃料作为优质、高效、环保型清洁能源有着广阔的应用前景。我国的锅炉生产自动化程度长期以来一直都较发达国家落后许多。目前运行的各行业的锅炉有50多万台，其中相当一部分还在使用常规仪表进行控制，有的甚至还处在人工加常规仪表的半自动控制状态。这样不仅难

3、以做到平稳操作，安全生产也没有确定的保证，人工的劳动强度大，生产条件差。工业锅炉现在仍然是工业生产和生活上应用广泛的热能动力设备，如果能顺应发展将其智能化，不仅能节省人力物力，还能有效的防止事故的发生。 1.2锅炉系统的一般结构及工作原理锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备.其作用就是有效地把燃料中的化学能转换为热能，或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能量形式，长期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用。锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量(汽压、汽温)和相应数量的蒸汽。它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源，而

4、且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。“锅”就是锅炉的汽水系统，如图1-1所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水调节阀2、给水母管1及蒸汽母管6等组成。锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包。汽包中的水经下降管进入锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管

5、子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。图1-1锅炉的汽水系统“炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器等组成。锅炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在空气预热器中吸收烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定的比例进入炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过过热器，形成一定的过热蒸汽，汇集到蒸汽母管。具有一定压力的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。 1.3系统简介 单片机是现当今

6、非常实用的操控系统，很多的智能化控制都可以用其实现。单片机由CPU、存储器、输入、输出等部件组成，相当于一台微型计算机。随着技术的进步它的性能不断提高和完善，具有体积小、速度快、功耗低、工作稳定、抗干扰能力强的特点。为了实现对锅炉的温度监测和报警本文介绍了一种以单片机i80c31为核心的控制模块，ADC0809模数转换器，并结合数码管、报警电路为一体的锅炉监控系统。将热敏电阻传感器采集到的模拟量传给ADC0809进行模数转换，再传给单片机进行控制，实现温度显示和报警。2.设计原理及论证 2.1设计原理利用51单片机作为主控制器，将热敏电阻组成的传感器采集到的数据经过ADC0809进行转换，转换

7、后的结果发送给单片机，单片机根据接收到的数据首先进行LED显示，然后判断此温度值与事先设定的锅炉温度上下限度的大小关系，如果低于下限黄灯亮，如果高于上限值绿灯亮，正常则无变化。整体框图如下：LED显示单片机温度传感器LED灯报警A/D 2.2方案论证单片机应用在检测、控制领域中具有如下特点，单片机具有体积小、重量轻、功能强、功耗低、运行速度快、抗干扰能力强、性价比高、可靠性高等特点，结构灵活，数据基本上都在单片机内部传送，易于组成各种微机应用系统。它既可用于工业自动控制等场合，又可用于机电一体化产品、智能仪器、测量仪器、医疗仪器、家用电器等领域，在过程控制、计算机网络及通讯等方面得到广泛应用。

8、A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。以上两个方面就可以看出设计的方案的主要部分理论是可以实现的，并且根据现在的热门发展方向用单片机制作有很多的优势和便利，所用到的ADC0809也是极其普遍常用的模块，由于本设计并不需要太高的精度，不必使用位数更高的AD来进行设计。3.系统硬件设计3.1单片机最小系统该设计中除了热敏电阻电路其余电路均由实验台提供

9、，实验台上提供了51单片机的最小系统并做了相关设定。1）、微处理器：i80c31，它的P1口、P3口皆对用户开放，供用户使用。2）、时钟频率：6.0MHz3）、存储器：程序存储器与数据存储器统一编址，最多可达64k，板载ROM(监控程序27C256)12k；RAM1(程序存储器6264)8k供用户下载实验程序，可扩展达32k；RAM2(数据存储器6264)8k供用户程序使用，可扩展达32k。(RAM程序存储器与数据存储器不可同时扩至32k，具体与厂家联系)。（见图1-1：存储器组织图）。在程序存储器中，0000H-2FFFH为监控程序存储器区，用户不可用，4000H-5FFFH为用户实验程序存

10、储区，供用户下载实验程序。数据存储器的范围为：6000H-7FFFH，供用户实验程序使用。注意：因用户实验程序区位于4000H-5FFFH，用户在编写实验程序时要注意，程序的起始地址应为4000H，所用的中断入口地址均应在原地址的基础上，加上4000H。例如：外部中断0的原中断入口为0003H，用户实验程序的外部中断0的中断程序入口为4003H。中断名称 8051原中断程序入口 用户实验程序响应程序入口外中断0 0003H 4003H定时器0中断 000BH 400BH外中断1 0013H 4013H定时器1中断 001BH 401BH串行口中断 0023H 4023H表1-1：用户中断程序入

11、口表利用这些提供的基本硬件电路就可以进行相关的设计。 3.2 A/D转换电路电路原理：八路八位A/D实验电路由一片ADC0809，一片74LS04，一片74LS32组成，该电路中，ADIN0ADIN7是ADC0809的模拟量输入插孔，CS0809是0809的AD启动和片选的输入插孔，EOC是0809转换结束标志，高电平表示转换结束。齐纳二极管LM336-5提供5V的参考电源，ADC0809的参考电压，数据总线输出，通道控制线均已接好。由于本设计只需要一个模拟输入量，规定运用IN0口，在设计时将片选信号CS0809接CS0口，转换结束标志位EOC接INT0，然后通过编程进行控制，下图为实验台AD

12、0809模数转换部分。 3.3热敏电阻电路热敏电阻为一种阻值随温度变化的电阻，按其变化关系可分为两类：正温度系数（简称PTC）和负温度系数（简称NTC）。PTC元件的阻值随温度的上升而上升，NTC元件的阻值随温度的上升而下降。本模块中使用的为NTC型热敏电阻,在常温(25)下其阻值为10K。通过热敏电阻的电阻随着温度变化的特点，再通过公式计算可以得出电压和温度变化的关系，再将得到的电压值送给AD转换为八位二进制数，再通过公式转换为温度值给显示电路显示。其电路如下：图中J1、J2、J3分别对应于模块上的V1、Vzero、Vout插孔，R3对应与ZERO电位器，用于偏置电压调节；R9对应于GAIN

13、电位器，用于增益调节。使用时，可先将电路增益调节为1，具体做法如下：调节ZERO电位器，使Vzero为0V，用万用表分别测量V1、VOUT端电压，调节GAIN电位器，使V1=Vzero，此时电路增益为1。这样输出的电压就可以直接带入计算公式算出相应温度。 3.4显示电路单片机应用系统最常用的显示器是LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器），这两种显示器可显示数字、字符及系统的状态，它们的驱动电路简单、易于实现且价格低廉，因此，得到广泛应用。常用的LED显示器有LED状态显示器（俗称发光二极管）、LED七段显示器（俗称数码管）和LED十六段显示器。发光二极管可显示两种状态，用于系统状态显

14、示；数码管用于数字显示；LED十六段显示器用于字符显示。由于本系统中没有显示字符，故而选择数码管就可以满足要求了。本系统选用数码管来显示锅炉的运行是否正常。数码管静态显示是指数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。这种显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定接地（共阴极）或接正电源（共阳极）。每个数码管的8个字段分别与一个8位I/O口地址相连，I/O口只要有段码输出，相应字符即显示出来，并保持不变，直到I/O口输出新的段码。动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。通常，各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制；各位的位选线

15、（公共阴极或阳极）由另外的I/O口线控制。动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使其稳定显示必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另一位数码管，并送出相应的段码，依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的字符，虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人同时显示的感觉。采用动态显示方式比较节省I/O口，硬件电路也较静态显示方式简单，但其亮度不如静态显示方式，而且在显示位数较多时，CPU要依次扫描，占用CPU较多的时间。黄灯报警Y各个模块初始化LED显示红灯报警AD信号采集处理NAD值是否越上界Y主

16、程序的设计从初始化各个模块开始，然后通过AD0809完成对信号的采集与处理，将模拟信号变为数字信号以后，所采集的信号输入单片机，通过单片机判断所采集的数据和预设的数据相比较，看是否所采集的数据超过了预设的数据，若超出预设数据，则程序直接跳入报警电路，若没有越界则在数码管上循环显示。4.2 AD转换及LED显示流程图开始从R1,R2,R3中取转换结果，前半字节分别送50，52，54H，后半字节送52,53,55H单元启动通道0通道号00送R4关中断开中断写显示缓冲器RAM命令字等待启动通道1显示单元首址50H送R0通道号01送R4从显码表中取相应的段显码段显码输出开中断等待R0指向下一个显示单元

17、启动通道2R7计数值减一，等于0？通道02送R4延时开中断 等待通过以上的程序流程图设计AD转换程序，可以将电压值转换为二进制数，在实际操作中发现AD采样会因为干扰而产生误差导致温度产生误差，可以通过多次采样来判断到底是干扰还是正确值。最终可以在数码管上看到测量温度。4. 相关程序根据所学知识设计中相应的程序利用汇编语言编写。AD0809IN0 EQU 0CFA0H ;ADC0809的CS信号，选中IN0CON8279EQU 0CFE9H ;8279控制口地址DATA8279 EQU 0CFE8H ;8279数据口地址ORG 0000HLJMP START0ORG 0100HSTART0:MO

18、V DPTR,#CON8279 ;8279命令口地址MOV A,#0D1H ;清显示命令字MOVX DPTR,AWAIT: MOVX A,DPTRJB ACC.7,WAITSTART: MOV DPTR,#AD0809IN0 ;启动通道0MOVX DPTR,AMOV R6,#0FFHLOOP1: DJNZ R6,LOOP1 ;等待转换结果MOVX A,DPTRMOV R1,AL0: MOV A,R1SUBB A,#54HJNC L1MOV R2,#0AHMOV R3,#03BHMOV R4,#19HMOV 50H,#01H ;10摄氏度MOV 51H,#00HMOV R7,#00HLCALL

19、JIALCALL CLLJMP LOOPL1:MOV A,R1SUBB A,#6FHJNC L2MOV R2,#09HMOV R3,#054HMOV R4,#19HMOV 50H,#02HMOV 51H,#00HMOV R7,#01HLCALL JIALCALL CLLJMP LOOPL2:MOV A,R1SUBB A,#7DHJNCL3MOV R2,#05HMOV R3,#06FHMOV R4,#0DHMOV 50H,#02H ;25摄氏度MOV 51H,#05HMOV R7,#02HLCALL JIALCALL CLLJMP LOOPL3:MOV A,R1SUBB A,#8AHJNC L4

20、MOV R2,#05HMOV R3,#7DHMOV R4,#0EHMOV 50H,#03H ;30摄氏度MOV 51H,#00HMOV R7,#02HLCALL JIAMOV A,50H ;如果是20几度要加5摄氏度SUBB A,#03HJNC TECLR CMOV A,51HADD A,#05HMOV 51H,ATE:LCALL CLLJMP LOOPL4:MOV A,R1SUBB A,#0A3HMOV R2,#0AHMOV R3,#8AHMOV R4,#19HMOV 50H,#04H ;40摄氏度MOV 51H,#00HMOV R7,#03HLCALL JIALCALL CLLJMP LO

21、OPLOOP: MOV DPTR,#CON8279 ;写显示RAM命令字 MOV A,#90H ;选中LEDMOVX DPTR,AMOV R0,#50H ;存放转换结果地址初值送R0MOV R1,#02H ;保证50，51H中数据都显示MOV DPTR,#DATA8279 ;8279数据口地址DL0: MOV A,R0ACALL TABLE ;转换为显码MOVX DPTR,A ;送显码输出INC R0DJNZ R1,DL0LCALL DEL1LJMP STARTDEL1: MOV R6,#255 ;延时一段时间使显示稳定DEL2: MOV R5,#255DEL3: DJNZ R5,DEL3DJ

22、NZ R6,DEL2RET CL:MOV A,50H ;报警程序MOV R0,#51HSWAP AORL A,R0 ;将模拟量高低位结合C0: CJNE A,#16,C1LCALL CHAJMP CENDLC1:DEC AJNZ C0SETB P1.1 ;小于10摄氏度CLR P1.0CENDL: NOP RETCH: MOV A,50HMOV R0,#51HSWAP AORL A,R0C2: CJNE A,#48,C3SETB P1.0 ;大于30摄氏度AJMP CENDHC3:DEC ACJNE A,#0AH,C2CLR P1.0 ;正常范围CENDH: CLR P1.1RETJIA:CLR C ;模拟量转换为温度值MOV A,R1SUBB A,R3MOV B,R2MUL ABMOV B,R4DIV ABMOV 52