电锅炉温度智能控制系统设计.doc

电锅炉温度智能控制系统设计I目录摘 要IAbstractII第一章 电锅炉温度智能控制系统简介11.1 简介11.2设计作用与目的11.3设计要求1第二章 电锅炉温度智能控制系统方案分析32.1设计思想32.2方案设计32.2.1基于分立元件的电锅炉温度智能控制系统32.2.2基于单片机技术的电锅炉温度智能控制系统32.2.3基于嵌入式系统的稳定控制器42.3三种方案比较4第三章 电锅炉温度智能控制系统电路设计53.1温度检测53.2 ADC0809采样电路62.3温度显示单元电路7第四章 电锅炉温度智能控制系统仿真分析94.1 电路仿真结果9总结11参考文献12致 谢13附录1电锅炉温度智能控制系统总电路图14附录2 源程序15摘 要电锅炉温度智能控制系统在工业生产和科研工作中占有重要的地位。基于单片机技术实现的电锅炉温度智能控制系统主要由三个部分组成:温度检测与调理电路、温度控制电路、温度显示电路。在温度检测电路中，选用了完全符合测量温度范围要求且工作一致性很好的WP6250热电偶温度变送器作为温度传感器来实现数据采集，使用仪表放大电路对电压信号进行放大，实现了对温度的检测和信号的传输；在温度控制电路中，通过单片机对所采集的数据进行处理后，在进行相应的控制，从而实现对温度的控制；在温度显示电路中，采用LCM1602液晶显示器将处理的数据进行实时显示。运用Protel99SE软件绘制了单元电路以及总体电路图；借助Protuse仿真软件对单元电路进行了虚拟实验，并根据设计电路进行了实际制作和测试分析，达到了预期的要求。关键词 单片机；热电偶温度变送器；LCM；ADCIIAbstractAnnealing temperature intelligent control system in industrial production and scientific research occupies an important position. The annealing furnace based on microcontroller technology Intelligent Temperature Control System consists of three main components: a temperature detection and conditioning circuit, the temperature control circuit, the temperature display circuit. In the temperature detection circuit, the selected temperature range of measurement requirements in full compliance and consistency in the work of a good WP6250 Thermocouple Temperature Transmitter as a temperature sensor for data collection, using the instrumentation amplifier circuit to amplify the voltage signal to achieve the right temperature detection and signal transmission; in the temperature control circuit, through the microcontroller for processing the data collected after carrying out the corresponding control in order to achieve temperature control; at a temperature display circuit, the use of liquid crystal display will handle LCM1602 real-time display of data. Protel99SE drawn using the software as well as the overall cell circuit diagram; with Protuse unit circuit simulation software to the virtual experiments, carried out in accordance with circuit design and test analysis of actual production to achieve the desired requirements.Key words MCU; Thermocouple temperature transmitter; LCM; ADC第一章 电锅炉温度智能控制系统简介随着电子技术的发展，在电子技术领域中，实现温度智能控制的方法和手段有很多种，本章对其中的几种方案进行了设计与分析。1.1 简介现实生活中，很多场所都要对温度进行检测和控制，温度控制器的应用领域非常广泛。在工业生产中，温度往往是一个很重要的参数，许多物理过程和化学反应都必须在特定的温度下才能进行，一旦温度不达标，生产的成品率也会大打折扣，并且有些设备需要合适的温度才能稳定地运行，生产的产品需要适宜的温度才能保存和使用；在农业生产中，农作物的生长要求合适的温度，蓄养的动物有时也要保持适宜的温度，如热带鱼水箱、孵化小鸡、电热水器、培养菌种等场所的温度控制；在家庭生活中，一些家用电器设备需要温度的控制和调节，如电热毯、电磁炉等。温度控制器的设计方案有很多：有用专用芯片设计的、有用复杂可编程逻辑电路设计的、有用单片机设计制作的、有用可编程控制器设计完成的，还可以采用数字电路或模拟与数字电路相结合的方式以及EDA技术等。1.2课题发展现状和前景展望未来锅炉技术的发展除了受经济发展速度和投资规模等因素影响外，能源政策和节能、环保要求的制约越来越严重。随着高性能产品的普及和质量的提高，在20002010年每年将有约5万蒸吨的工业锅炉需要更新，2010年后，每年将有约7万蒸吨的工业锅炉需要更新，再加上新增装机，从需求上讲，到2010年每年工业锅炉需求量约为1012万蒸吨。今后大中城市的小容量燃煤锅炉的比重将会显著下降，采用清洁燃烧技术的锅炉将得到较快的发展，燃气锅炉将会有长足的进步，蓄热式电热锅炉系统随着电力工业改革和发展其市场将进一步拓宽。因此采用清洁燃料和洁净燃烧技术的高效、节能、低污染工业锅炉将是工业锅炉产品发展的趋势，并向高端和高附加值的产品市场发展。锅炉的自动监测和自动控制，不仅是保证锅炉安全极其重要的手段，而且还在控制锅炉燃烧，提高锅炉效率和性能方面起着非常重要的作用。相对而言，我国在燃煤锅炉方面的开发投入很少，绝大多数在用锅炉的运行只达到机械运行的程度，而已有的控制手段也只是确保锅炉安全运行的保护控制或简单的操作控制，远没有达到以提高锅炉运行效率的最佳运行状态为目的的智能化动态监控运行的程度。1.3设计作用与目的本设计主要通过单片机系统对某厂两座电锅炉温度进行控制，以保持电锅炉温度稳定在100040。电锅炉的温度必须保证在一定范围内才能保证成品加工的合格率。用单片机来对温度进行智能控制，既满足了课题的要求，又拥有很高的性价比。1.4设计要求控制其变化范围为100040，采用热电偶连续对炉温进行检测采样，记录、调节炉温，采样周期0.1秒，利用1602液晶进行显示，每座电锅炉采样10次后求平均值用作对阀门开度控制，要求有电路原理图和程序框图并且分析和论述系统采用的主要控制和保护单元的工作原理和特性；根据设计题目的要求，结合实验室现有设备，查阅和收集相关资料，进行系统的总体设计，并绘制电路原理图；对所设计的系统进行全面分析，论述其结构特点、工作原理、动态过程及波形、静态特性，选用并分析系统的保护环节；正确评价所设计系统的优缺点及使用场合并分析该系统的可靠性；对主电路和控制电路进行设计与分析；对设计相关系统进行调试并书写调试报告；编写课程设计报告，字数要求不少于5000字，文字力求说理透彻且简练。23第二章 电锅炉温度智能控制系统方案分析电锅炉在工业生产中有较广泛的应用,而温度控制是电锅炉的关键技术之一。本文结合企业实际生产需要,对燃油电锅炉温度控制系统进行了系统深入的研究,并结合工厂的实际要求,设计了电锅炉温度智能控制系统。2.1设计思想温度是一种典型的模拟信号，用数字电路来进行检测、控制并显示，首先必须将这一非电量先变换成电量（电压或电流），然后再采用电子电路实现课题要求。可以采用温度传感器将温度变换转变成相应的电信号，并通过放大、滤波后经A/D转换器变换成数字信号，经译码显示而得到对应的数字。而对温度的控制，可以将要控制的温度所对应的电压值作为基准电压，用实际测量值与之相比较，比较结果（输出状态）自动的控制、调节系统温度，并通过LCM液晶显示器显示所需的内容。2.2方案设计2.2.1基于分立元件的电锅炉温度智能控制系统采用温度检测与调理电路、温度控制电路和显示电路来组成温度控制器，其原理框图如图2.1所示。具体实现方法：在温度检测与调理电路中，采用铂热电阻为温度传感器检测温度，用仪用放大电路对电压信号进行放大；温度控制部分通过设定一个与温度对应的电压值与当前的温度进行比较，从而驱动印制板继电器工作，开启加热装置来实现温度的控制；在显示电路中，ADC转换采用集成模数转换芯片TLC0820，使用74185进行二BCD码转换，显示采用7448芯片驱动共阴极LED，实现温度的实时显示。图2.1 基于分元件的温度控制器设计框图放大器A/D转换器输出控制温度设置译码电路温度传感器LED显示加热装置比较器2.2.2基于单片机技术的电锅炉温度智能控制系统近年来，单片机发展迅速，如果以单片机为核心制作温度控制器，不仅制作过程简单，而且安装、维护也简单，可靠性与准确性也会有很大提高，且液晶显示器的现实界面优美，显示清晰，可现实的信息量大，其框图如图2.2所示。单片机图2.2 基于单片机的温度控制器设计框图放大器A/D转换器输出控制温度传感器LCM显示加热装置设定输入2.2.3基于嵌入式系统的稳定控制器采用微处理器，利用嵌入式系统的设计方法及测试技术，除了可以实现对温度的采集、处理和控制之外，还可实现PC机利用ISP技术对系统进行远程加载和升级。另一方面，利用RS232串行通信技术，可以实现PC机与系统间的通信，并可对系统进行远程控制。从而实现了微机控制系统中的主从式系统控制结构，其原理框图如图2.3所示。温度传感器阵列CPU小键盘显示并行通信步进电机图2.3 基于嵌入式系统的温度控制器设计框图输出控制加热装置2.3三种方案比较在设计过程中，方案的选择必须与实际情形联系起来，要从各个方面考虑设计的可行性，即不仅要考虑其先进性，也要考虑其现实性，从多方面综合分析，寻求最佳方案。在方案一中，利用电子技术，采用分立元件构成数字集成电路，能够简单的实现温度控制的各个单元环节，达到设计要求。它有利于我们深入掌握电子技术的基础知识和实践方法，在今后进行复杂电路设计时能更好的应用，但其性能相比较而言不太稳定，实际中应用较少。在方案二和方案三中，使用单片机和嵌入式系统构成的温度控制器，其技术相对先进，并且兼有软件的设计，而且电路较简单，具有功耗小、反应快、功能齐全、实用性强的特点，是较好的设计方案。方案三有其优点，但由于所耗费的资金较多，并需要通过仿真器、应用软件、计算机等辅助设备才能验证完成，不适合初学者设计和制作。因此最终决定采用方案二进行设计。第三章 电锅炉温度智能控制系统电路设计单元电路设计包括电路结构以及元器件的选择。元器件选择一般遵循的原则是：先“性能”、次“货源”、再“价格”、后“体积”。设计中，多查阅器件手册和有关的科技资料，熟悉常用的元器件的型号、性能及价格。关于集成电路与分立元件电路的选择问题，一般优选集成电路。设计中，需要对各组元件性能参数进行综合性分析，具体包括：考虑到环境温度的变化和交流电网电压的波动等工作条件的影响时，计算参数时应按最不利的情形考虑；各元器件的实际工作电压、电流、频率、功耗等应在参数允许的范围内，并留有一定的裕量，一般可按1.5倍左右的余量来考虑，电阻值应尽可能选在1M范围以内，最大不应超过10M。无极性电容尽可能选在100pF至0.1F范围内，最大不超过1F。还有最后选定的电阻、电容值均应是手册上相近的标称系列值。在保证电路性能的前提下，尽可能减少元器件的品种，尽可能选择性价比高、体积小、易购买的元器件。3.1温度检测图3.1 温度检测电路温度检测与调理电路是将温度这一非电量信号转换为电压信号，再经过电压信号放大输出到下一级电路。本电路包括温度的采集和信号的放大两部分，具体电路如图3.1所示。为了提高灵敏度，温度采集检测部分采用惠式电桥。选用的温度传感器为WP625热电偶温度变送器。WP625热电偶温度变送器的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，在实际中得到了广泛应用。WP6250系列热电偶温度变送器是一种模块化结构导轨式仪表 ，它将热电偶的变化转换为与温度成线性关系的（420）mA DC或(15）V DC隔离信号输出。由于电桥的电阻不相等其它因素的影响，电桥会不平衡，为使电桥平衡，增加了RP1和R1。当温度为0时，电压输出不为零，这时需要调节RP1，使输出电压为零。3.2 ADC0809采样电路图3.2 AD0809内部结构图A-ANOLOG模拟量，D-DIGITAL数字量AD很多时候称做ADC，这里的C是CONVERTER，转换器。ADC-就是模拟量转换成数字量。数据采集卡最基本的ADC是电压转换成数字量，所以先从最经典的8位模数转换芯片0809谈起。ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。它的内部结构如图3.2所示。由上图可以看出ADC0809四个关键部分组成，译码器、多路开关、AD转换器和三态门电路组成。首先通过译码器，指定通道，然后多路开关打开，外部电压进入ADC0809。START信号有高到抵，在脉冲的下降沿ADC0809开始转换，同时状态管脚EOC自动变低，表示转换正在进行，每个时钟CLK的脉冲转换一位。转换完成后，EOC自动变高。如果在START端外部也加一个时钟，这样ADC0809就可以自动不断地采集数据。START每个时钟的下降沿，都会采集一个数据，如果需要采集1000个数据，START端只需要有1000个脉冲就可以了。对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：IN7IN0模拟量输入通道ALE地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持 低电平。本信号有时简写为ST。图3.3 1602液晶引脚A、B、C地址线。 通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。CLK时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号。EOC转换结束信号。EOC=0，正在进行转换；EOC=1，转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高。OE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。Vcc +5V电源。Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V，Vref(-)=-5V)。2.3温度显示单元电路所谓1602是指显示的内容为16*2,即可以显示两行，每行16个字符。目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。字符型LCD1602通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样，引脚定义如图3.3所示：图3.4 屏幕与地址对应表HD44780内置了DDRAM、CGROM和CGRAM。DDRAM就是显示数据RAM，用来寄存待显示的字符代码。共80个字节，其地址和屏幕的对应关系如图3.4所示：它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置指令2：光标复位，光标返回到地址00H 指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效指令4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示；C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标；B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标指令6：功能设置命令DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F： 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符指令7：字符发生器RAM地址设置指令8：DDRAM地址设置指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据指令11：读数据第四章 电锅炉温度智能控制系统仿真分析借助Protues 7.0对电路进行仿真。Protues软件是英国Labcenter 公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows 操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路。Proteus 与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU 的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。4.1 电路仿真结果两座电锅炉温度分别由两个滑动变阻器分压来模拟热电偶的采样电压值经仪用放大器放大之后的电压值0-5V，用两个数字电压表显示出来实时电压值的变化。采样后得到的数据经ADC0809输入单片机经过处理后，通过LCM1602液晶显示器将其显示出来。ADC0809的输入时钟由单片机的定时器提供，这样，不仅节省DQ触发器等硬件，也能保证程序的稳定输出。本次仿真通过用4个LED灯代替四个继电器，用来对升温、降温闸的控制。当温度处于正常时，4个LED灯都不亮；当温度过高时，1号和3号灯亮；当温度过低时，2号和4号灯亮，其仿真图如图4.1，图4.2和图4.3所示。图4.1 正常温度时的仿真界面图4.2温度过高时的仿真界面图4.3温度过低时的仿真界面总结该电锅炉温度智能控制系统由温度检测电路、温度控制电路和显示电路三部分组成。在温度检测电路中，选用了完全符合测量温度范围要求且工作一致性很好的WP6250热点偶温度变送器作为温度传感器来实现数据采集，使用仪表放大电路对电压信号进行放大，实现了对温度的检测和信号的传输；在温度控制电路中，通过单片机对所采集的数据进行处理后，在进行相应的控制，从而实现对温度的控制；在温度显示电路中，采用LCM1602液晶显示器将处理的数据进行实时显示。运用Protel99SE软件绘制了单元电路以及总体电路图；借助Protuse7.0仿真软件对单元电路和总体电路进行了仿真虚拟实验，实现了温度的检测、控制和显示功能。参考文献1郁有文等.传感器原理及工程应用M.西安：西安电子科技大学出版社，2003.2松井邦彦.传感器实用电路设计与制作M.北京：科学出版社，2005.3谢自美.电子线路设计.实验.测试M.武汉：华中科技大学出版，2000.4彭介华.电子技术课程设计指导M.北京：高等教育出版社，2005.5华成英，童诗白.模拟电子技术基础（第四版）M.北京：高等教育出版社，2006.6康华光.电子技术基础数字部分（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.7李群芳.单片微型计算机与接口技术(第二版).北京：电子工业出版社，20058蒋立培.单片危机系统使用教程.北京：机械工业出版社，20049凌玉华.单片机原理及应用系统设计.长沙：中南大学出版社，200610王琼.单片机原理及应用实践教程.合肥：合肥工业大学出版社，200511刘丹.例说8051.北京：人民邮电出版社，200612李全虎，仲兆楠，李彦丽.基于单片机的水浴温度控制系统的设计J.内蒙古大学学报，2003，(6)，696-699.13 http:/ 14 致 谢 感谢我的指导老师，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。篇幅所限，不便把各位恩师一一列举出来，表达我的感激之情，在此对电气其他专业老师一并表示感谢。各位老师鲜明地个性特点和人格魅力将是我回忆中的大学生涯重要的组成部分。 感谢我的朋友们，从不同的地方来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情。 感谢我的父母，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。 在这份毕业论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！“不积跬步，无以至千里”，这次毕业论文能够最终顺利完成，归功于各位老师的认真负责，使我能够很好的掌握专业知识，并在毕业论文中得以体现。也正是你们长期不懈的支持和帮助才使得我的毕业论文最终顺利完成。附录1电锅炉温度智能控制系统总电路图附录2 源程序#include#include#include#define Data P0 /数据端口unsigned int hour,minute,second,count;sbit RS = P20;/Pin4sbit RW = P21; /Pin5sbit E = P22;/Pin6char data TimeNum= ;char data Test1= ;bit flag=0,a=0;sbit eoc=P31; /判断是否转换完毕sbit oe=P33; /判断是否允许输出端sbit st=P30; /启动sbit clk=P35; /时钟sbit chanel=P34; /通道选择/sbit P37=P37;/第一个炉状态sbit led0=P23;sbit led1=P24;sbit led2=P25;/第一个炉状态sbit led3=P26;sbit led4=P27;sbit led5=P36;char table=0123456789;char tab10=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90; /数码管09char scan4=0x01,0x02,0x04,0x08; /扫描信号char disp4=0xc0,0xc0,0xc0,0xc0; /显示数组char disp14=0xc0,0xc0,0xc0,0xc0;char scann=0; /用于扫描的变量char count1=0; /用于计数的变量unsigned int temp; /用于转换的变量unsigned int res;unsigned int stadc0808(); /启动AD0809函数unsigned int temp0,temp1,a1,a2;void delay(int); /延时函数/*/* 函数声明 */*/void DelayUs(unsigned char us)/delay us unsigned char uscnt; uscnt=us1;/* Crystal frequency in 12MHz*/ while(-uscnt);/*/void DelayMs(unsigned char ms)/delay Ms while(-ms) DelayUs(250); DelayUs(250); DelayUs(250); DelayUs(250); void WriteCommand(unsigned char c) DelayMs(5);/short delay before operation E=0; RS=0; RW=0; _nop_(); E=1; Data=c; E=0;/*/void WriteData(unsigned char c) DelayMs(5); /short delay before operation E=0; RS=1; RW=0; _nop_(); E=1; Data=c; E=0; RS=0;/*/void ShowChar(unsigned char pos,unsigned char c) unsigned char p; if (pos=0x10) p=pos+0xb0; /是第二行则命令代码高4位为0xc else p=pos+0x80; /是第二行则命令代码高4位为0x8 WriteCommand (p);/write command WriteData (c); /write data/*/void ShowString (unsigned char line,char *ptr) unsigned char l,i; l=line4; for (i=0;i=133) /温度超过a2=0;if(temp1=123&temp1=133)a2=1;if(temp1123)a2=2; switch (a2)case 0:led3=0;led4=1;led5=1;break;c