基于單片機的鍋爐防爆控制系統_畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 意外，對現在舊設備進行技術改造，提高鍋爐的自動化程度也是一項重要的途徑。 根據題目要求，本畢業課題是單片機控制的鍋爐防爆控制系統，硬件設計模塊主要由探測模塊，報警模塊，顯示模塊等組成。 它的基本功能是通過探測器準確探測溫度值和壓力值，精確判斷爆炸隱患是否啟動報警。所以確定方案如下：用 AT89C51單片機作為控制核心，外接溫度及壓力探測模塊、報警模塊以及顯示模塊，溫度探測量值傳送到單片機中，然后傳送到顯示模塊顯示，單片機作為處理器進行比較設定值的大小及壓力探測器探測的電壓變化模擬量和穩定探測器探測到的溫度，去共同判斷是否報警。 本設計用 AT89C51 單片機實現鍋爐防爆控制系統，及時準確報告鍋爐情況，對系統信息進行處理，對爆炸隱患進行實時、準確、快速的控制。通過對系統硬件與軟件的工程設計，掌握 電子系統的設計、調試技能，掌握單片機的應用與開發技術。 緒論 第 1 頁（共 32 頁） 基于單片機的鍋爐防爆控制系統 1 緒論 課題背景及研究意義 鍋爐是一種熱能轉換設備，由鍋和爐兩大主體和保證其安全經濟連續運行的附件，儀表附屬設備，自控和保護系統組成，水在鍋中不斷被爐里燃料燃燒釋放出來的能量加熱，溫度升高并產生帶壓蒸汽，由于水的沸點隨壓力升高而升高，鍋是密封的，水蒸氣在里面的膨脹收到限制而產生壓力形成熱動力（嚴格的說鍋爐的水蒸氣是水在鍋筒中定壓加熱至飽和水再汽化形成的）作為一種能源廣泛使用 ???。鍋爐廣泛用于水生產和生活中。 中小型鍋爐作為供暖設備用于提供熱水，取暖方面得到了廣泛應用。傳統的鍋爐設備自動化水平低，安全性能差，熱量利用率低，污染嚴重，生產成本高，司爐工工 作強度高 。 我國現有大、中型鍋爐 30 多萬臺，每年耗煤量占我國原煤產量的 2/5，另外 還有更多的小型采暖鍋爐。目前大多數鍋爐仍處于能耗高、浪費大、對環境污染比較嚴 重的生產狀態，因此，利用單片機技術提高鍋爐自動化水平，對節能、環保諸方面意義 重大，符合世界高新技術的發展潮流，是用低成本自動化技術武裝傳統設備的一項具有 深遠意義的工作。 單片機又稱微控制器，是微型計算機 的一個重要分支．單片機是 70 年代中期發展起 來的一種大規模集成電路芯片，是集 CPU、 ROM、 I/O 口和中斷系統于同一硅片的器件 。 由于單片機具有功能強，體積小，耗電少，可靠性好和價格便宜等獨特優點，成為傳統工 業技術改造和新產品更新換代的理想機種，具有廣闊的發展前景 ?3?。 利用單片機技術對鍋爐進行自動系統改造后，鍋爐的自動化水平和熱量利用率大大提高，控制更加精確安全，所需勞動力大大減少，勞動強度和勞動環境也得到很好改善， 成本也大幅度下降。 系統的總體設計思想 目前，世界計算機市場上出現了專門 用于工業控制的單片機系列產品，單片機以其體積小、重量輕、功耗低、價格便宜、功能強的特點，在工業控制的實踐中得到越來越廣泛的應用單片機不僅可以實現各種常規的控制，還可以根據被控對象的特性， 基于單片機的鍋爐防爆控制系統 第 2 頁（共 32 頁） 充分利用控制理論的最新研究成果，采用更完善的控制方式，以獲得更好的控制效果。目前，由于家用鍋爐屬于批量生產，而且每臺鍋爐需要一套完整的控制系統，針對這些特點，尤其從產品成本角度出發，以 MCS51 為核心器件組成的控制系統是比較理想的選擇。此外， MCS51 系列單片機運算能力、完備的控制功能、加上完善的外部接口電路，對中小型鍋 爐控制系統完全可以勝任。在外圍芯片選取時，盡量選取典型的、易于擴展和替換的芯片和電路，并本著節約成本的思想。選用基于單總線的數字溫度傳感器 DS18B MPX4115 壓力傳感器 和 LCD 液晶顯示器。 DS18B20 溫度傳感器采用美國 DALLAS 公司生產的 DS18B20 可組網數字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域 ???； MPX4115 壓力傳感器具有抗震動、穩定性好、準確度高、耐高壓，使用于狹小空間工業設備測溫和控制 ???； LCD 液晶顯示 器為平面超薄的顯示設備，它由一定數量的彩色或黑白像素組成，放置于光源或者反射面前方。液晶顯示器功耗很低，因此倍受工程師青睞，適用于使用電池的電子設備。它的主要原理是以電流刺激液晶分子產生點、線、面配合背部燈管構成畫面。它們二者與單片機的接口比較簡單，而且編程強度不大，既保證了系統的穩定性，又縮短了系統的開發周期，節約了開發成本。 系統在軟件上采取模塊化的程序結構。主程序作為控制程序，為整個系統軟件的一條主線，其它功能模塊均采用子程序調用、查詢等方式，為調試和擴充提供了方便。 本系統的電源采用市場上常見的 W7800(7800)系列 7805 電源穩壓芯片，模擬信號和數字信號分別用單獨的供電回路，以避免電源干擾。利用溫度傳感器 DS18B20采集測量鍋爐水溫；使用 LCD 液晶顯示器顯示預先設定的溫度、壓力報警值和當前采集的溫度、壓力值。利用繼電器控制燃燒器的加熱。當鍋爐內的水的實際水溫超過報警溫度值，系統會發出報警聲音，這時接在單片機一端的繼電器動作，燃燒器斷電。此時溫度傳感器實時對鍋爐溫度檢測，當溫度降到設定值的下限時，繼電器重新通電。燃燒器電源重新接通，鍋爐繼續加熱。如此反復監控溫度。這樣對鍋爐溫度控制不僅可以節約能 源，提高能源的使用率。 鍋爐防 爆設計方案 第 3 頁（共 32 頁） 2 鍋爐防爆設計方案 系統結構框圖 圖 1 系統結構框圖 微控制器方案選擇 模擬量經輸入通道處理后要送到微機控制電路進行信號的分析處理，得到控制信號驅動執行機構，例如進行及時的聲光報警功能，選用一款好的微機成為本設計的重點，因為微機電路本身的性能有時候決定整個設計的成敗。 方案一 采用 AT89C51 的 8 位單片機， AT89C51 單片機是在美國 ATMEL 公司 于 20 世紀 80 年代的產品，它在單一的芯片內集成了并行 I/O 口、異步串行口、 16 位定時器 /計數器、中斷系統、以及其他一些功能。此單片機是一種帶 4K 字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器 ?6?。該器件采用高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 AT89C51 單 片 機 8255 擴 展 芯 片 聲音報警器 鍵盤 模 數 信 號 轉 換 電 路 LCD 顯示器 信 號 放 大 電 路 壓力傳感器 溫度傳感器 繼電器 基于單片機的鍋爐防爆控制系統 第 4 頁（共 32 頁） 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器。 AT89C51 為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。 方案二 采用可編程邏輯器件 PLC 進行數據 分析及控制， PLC 具有高可靠性和強抗干擾能力，豐富的 I/O 接口模塊，為了適應各種工業控制的需要，除了一些小型 PLC 以外，采用模塊式的結構，靈活性好。系統安裝及維修方便。 方案決策 二者均可達到本設計想要的功能，但從性價比上講， AT89C51 單片機價格低廉，而 PLC 一般用在大型的控制系統中，價格不低廉，故不采用。因此，本設計選擇方案一。 溫度傳感器的選擇 方案一 采用溫度傳感器 DS18B20 完成溫度測量，并將溫度測量值直接通過單總線電路輸出到 AT89C51 單片機處理，不需要 A/D 轉換電路。 DSl8820 主要特性 ???如下： 用戶可自設定報警上下限溫度值； （ 1） 不需要外部組件，可實現對 —55℃ ～ +125℃ 范圍內的溫度測量； （ 2） —10℃ ～ +85℃ 測量溫度的誤差在 177。℃ ； （ 3） 實際報警器的分辨率可單獨設定； （ 4） 保存在 EEPROM 中，即使斷電也能夠保存； （ 5） 獨特的單總線接口方式，與微處理器連接時僅需要一條線即可實現與微處理器雙向通訊。 鍋爐防 爆設計方案 第 5 頁（共 32 頁） 方案二 采用 ADC590 溫度傳感器完成溫度測量并轉換成模擬電壓信號，經由 A/D 轉換器 ADC0804 轉換成數字信號 送到 AT89C51 單片機中。 ADC590 功能單一（僅測量溫度）、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等優點，適合遠距離測溫、控溫，不需要進行 非線性校準。外圍電路簡單。 決策方案 溫度的采集是整個系統的重點之一，在眾多的環境監測中， ADC590 由于成本低而用得較多，但后續電路復雜，輸出模擬信號較弱，需要進行放大后再通過 A/D 轉換電路得到溫度值，不僅復雜，而且提高了系統的功耗，降低了整個系統的性能。所以，本系統采用可編程單總線數字式溫度傳感器 DS18B20 進行溫度采集。 壓力傳感器的選擇 方案一 采用 MPX115 壓力傳感器完成壓力測量，經由 A/D 轉換器轉換成數字信號送到AT89C51 單片機中。 MPX4115 主要特性 ???如下： （ 1）在 0℃ 85℃ 的溫度下誤差不超過 %； （ 2）溫度補償是 40℃ ~+125℃ ； （ 3）偏置穩定性 %VFSS 方案二 采用 EPCOS 生產的 T5300 數字壓力傳感器進行壓力檢測， T5300 數字壓力傳感器可將壓力測量量經過單總線輸入到單片機中進行處理，不需要 A/D 轉換。 T5300壓力傳感器的特點如下： （ 1）直 接數字量輸出，無信號傳輸損失，無信號采集誤差。 （ 2） 5～ 3 0 V D C 激勵， 供電電壓波動對測量零影響。 （ 3）幾乎無零漂、高穩定性、高分辨率。 基于單片機的鍋爐防爆控制系統 第 6 頁（共 32 頁） 決策方案 對于二者來說， T5300 壓力傳感器比 MPX4115 都可以達到設計的要求，但是T5300 相對于 MPX4115 來說，價格要高出許多。因此采用方案一。 A/D 轉換芯片選擇 方案一 采用 8 位 8 通道模數轉換的專業芯片，安置于 A/D 轉換電路，溫度和壓力改變引起的信號傳遞在通過信號調理電路將其與 ADC0809 的 INO 和 IN1 進 行鏈接，這樣就形成了完整的模擬信號數字信號之間的轉換，并輸入單片機。 方案二 采用美國 TI 公司的 1l通道 12 位 A/D 轉換器 TLC2543。 TLC2543 是采用 CMOS技術制作的 12 位開關電容逐次逼近型模數轉換器，采用 SPI 通信方式可以節省單片機 I/O 資源，便于系統的擴展。 A/D 轉換的基準源采用 MAX675 5V 芯片，它能提供精準的 5V 參考電壓。 決策方案 由于本文要求實現一般步驟的 A/D 轉換功能，選擇 8 位 8 通道的 ADC0809 即可。 顯示電路選擇 方案一 顯示單元 主要由 LED 數碼管及顯示驅動單元組成。顯示電路采用 8 位 LED 數字顯示，顯示內容主要包括當前溫度及壓力。 方案二 采用 LCD 液晶顯示器顯示鍋爐當前的溫度和壓力。顯示電路采用液晶顯示模塊，體積小，功耗低，操作方便。使用液晶顯示模塊，可以對模式選擇位寫入命令，從而調節 LCD 的工作模式，分時進行命令和數據寫入。 鍋爐防 爆設計方案 第 7 頁（共 32 頁） 決策方案 從操作簡潔性和方便性來講， LCD 液晶顯示器要比數碼顯示器有優勢，數碼顯示器組成的顯示電路需要接很多外圍設備，引腳越多，越容易出故障，故這里選擇用LCD液晶顯示器。有兩種液晶 顯示器，一種是 LCD1602，兩行顯示；一種是 LCD12864，還可以用于顯示曲線；因為本系統需要顯示的數據不是很多，只需顯示傳感器數據，故選用 LCD1602 液晶顯示器即可。 最終方案決策 經過上述分析選擇，最終確定各模塊方案如下： （ 1） 微控制器選用 ATMEL 的 AT89C51； （ 2） 采用可編程單總線數字式溫度傳感器 DS18B20 進行溫度采集； （ 3） 采用 MPX4115 壓力傳感器進行壓力探測； （ 4） 選擇 8 位 8 通道的 ADC0809 進行模數轉換； （ 5） 采用 LCD1602 液晶顯示器顯示傳感 器探測信號； 基于單片機的鍋爐防爆控制系統 第 8 頁（共 32 頁） 3 硬件電路設計 單片機模塊 該鍋爐防爆系統是以 89C51 單片機為核心器件，此單片機模塊的工作原理是：加載相應程序的 AT89C51 單片機把水位和測溫模塊傳來的數據加以處理，送 LCD 顯示屏顯示。 單片機簡介 AT89C51 是美國 ATMEL 生產的低功耗，高性能 CMOS8 位單片機。它集 Flash程序存儲器既可在線編程（ ISP）也可用傳統方法進行編程及通用 8 位微處理器于單片機芯