基于单片机的锅炉防爆控制系统_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的锅炉防爆控制系统_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

意外，对现在旧设备进行技术改造，提高锅炉的自动化程度也是一项重要的途径。 根据题目要求，本毕业课题是单片机控制的锅炉防爆控制系统，硬件设计模块主要由探测模块，报警模块，显示模块等组成。 它的基本功能是通过探测器准确探测温度值和压力值，精确判断爆炸隐患是否启动报警。 所以确定方案如下：用 AT89C51单片机作为控制核心，外接温度及压力探测模块、报警模块以及显示模块，温度探测量值传送到单片机中，然后传送到显示模块显示，单片机作为处理器进行比较设定值的大小及压力探测器探测的电压变化模拟量和稳定探测器探测到的温度，去共同判断是否报警。 本设计用 AT89C51 单片机实现锅炉防爆控制系统，及时准确报告锅炉情况，对系统信息进行处理，对爆炸隐患进行实时、准确、快速的控制。 通过对系统硬件与软件的工程设计，掌握 电子系统的设计、调试技能，掌握单片机的应用与开发技术。 绪论 第 1 页（共 32 页） 基于单片机的锅炉防爆控制系统 1 绪论 课题背景及研究意义 锅炉是一种热能转换设备，由锅和炉两大主体和保证其安全经济连续运行的附件，仪表附属设备，自控和保护系统组成，水在锅中不断被炉里燃料燃烧释放出来的能量加热，温度升高并产生带压蒸汽，由于水的沸点随压力升高而升高，锅是密封的，水蒸气在里面的膨胀收到限制而产生压力形成热动力（严格的说锅炉的水蒸气是水在锅筒中定压加热至饱和水再汽化形成的）作为一种能源广泛使用 。 锅炉广泛用于水生产和生活中。 中小型锅炉作为供暖设备用于提供热水，取暖方面得到了广泛应用。 传统的锅炉设备自动化水平低，安全性能差，热量利用率低，污染严重，生产成本高，司炉工工 作强度高。 我国现有大、中型锅炉 30 多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的 2/5，另外 还有更多的小型采暖锅炉。 目前大多数锅炉仍处于能耗高、浪费大、对环境污染比较严 重的生产状态，因此，利用单片机技术提高锅炉自动化水平，对节能、环保诸方面意义 重大，符合世界高新技术的发展潮流，是用低成本自动化技术武装传统设备的一项具有 深远意义的工作。 单片机又称微控制器，是微型计算机 的一个重要分支．单片机是 70 年代中期发展起 来的一种大规模集成电路芯片，是集 CPU、 ROM、 I/O 口和中断系统于同一硅片的器件。 由于单片机具有功能强，体积小，耗电少，可靠性好和价格便宜等独特优点，成为传统工 业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有广阔的发展前景 3。 利用单片机技术对锅炉进行自动系统改造后，锅炉的自动化水平和热量利用率大大提高，控制更加精确安全，所需劳动力大大减少，劳动强度和劳动环境也得到很好改善， 成本也大幅度下降。 系统的总体设计思想 目前，世界计算机市场上出现了专门 用于工业控制的单片机系列产品，单片机以其体积小、重量轻、功耗低、价格便宜、功能强的特点，在工业控制的实践中得到越来越广泛的应用单片机不仅可以实现各种常规的控制，还可以根据被控对象的特性， 基于单片机的锅炉防爆控制系统 第 2 页（共 32 页） 充分利用控制理论的最新研究成果，采用更完善的控制方式，以获得更好的控制效果。 目前，由于家用锅炉属于批量生产，而且每台锅炉需要一套完整的控制系统，针对这些特点，尤其从产品成本角度出发，以 MCS51 为核心器件组成的控制系统是比较理想的选择。 此外， MCS51 系列单片机运算能力、完备的控制功能、加上完善的外部接口电路，对中小型锅 炉控制系统完全可以胜任。 在外围芯片选取时，尽量选取典型的、易于扩展和替换的芯片和电路，并本着节约成本的思想。 选用基于单总线的数字温度传感器 DS18B MPX4115 压力传感器 和 LCD 液晶显示器。 DS18B20 温度传感器采用美国 DALLAS 公司生产的 DS18B20 可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域 ； MPX4115 压力传感器具有抗震动、稳定性好、准确度高、耐高压，使用于狭小空间工业设备测温和控制 ； LCD 液晶显示 器为平面超薄的显示设备，它由一定数量的彩色或黑白像素组成，放置于光源或者反射面前方。 液晶显示器功耗很低，因此倍受工程师青睐，适用于使用电池的电子设备。 它的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。 它们二者与单片机的接口比较简单，而且编程强度不大，既保证了系统的稳定性，又缩短了系统的开发周期，节约了开发成本。 系统在软件上采取模块化的程序结构。 主程序作为控制程序，为整个系统软件的一条主线，其它功能模块均采用子程序调用、查询等方式，为调试和扩充提供了方便。 本系统的电源采用市场上常见的 W7800(7800)系列 7805 电源稳压芯片，模拟信号和数字信号分别用单独的供电回路，以避免电源干扰。 利用温度传感器 DS18B20采集测量锅炉水温；使用 LCD 液晶显示器显示预先设定的温度、压力报警值和当前采集的温度、压力值。 利用继电器控制燃烧器的加热。 当锅炉内的水的实际水温超过报警温度值，系统会发出报警声音，这时接在单片机一端的继电器动作，燃烧器断电。 此时温度传感器实时对锅炉温度检测，当温度降到设定值的下限时，继电器重新通电。 燃烧器电源重新接通，锅炉继续加热。 如此反复监控温度。 这样对锅炉温度控制不仅可以节约能 源，提高能源的使用率。 锅炉防 爆设计方案 第 3 页（共 32 页） 2 锅炉防爆设计方案 系统结构框图 图 1 系统结构框图 微控制器方案选择 模拟量经输入通道处理后要送到微机控制电路进行信号的分析处理，得到控制信号驱动执行机构，例如进行及时的声光报警功能，选用一款好的微机成为本设计的重点，因为微机电路本身的性能有时候决定整个设计的成败。 方案一 采用 AT89C51 的 8 位单片机， AT89C51 单片机是在美国 ATMEL 公司 于 20 世纪 80 年代的产品，它在单一的芯片内集成了并行 I/O 口、异步串行口、 16 位定时器 /计数器、中断系统、以及其他一些功能。 此单片机是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器 6。 该器件采用高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 AT89C51 单 片 机 8255 扩 展 芯 片 声音报警器 键盘 模 数 信 号 转 换 电 路 LCD 显示器 信 号 放 大 电 路 压力传感器 温度传感器 继电器 基于单片机的锅炉防爆控制系统 第 4 页（共 32 页） 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器。 AT89C51 为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 方案二 采用可编程逻辑器件 PLC 进行数据 分析及控制， PLC 具有高可靠性和强抗干扰能力，丰富的 I/O 接口模块，为了适应各种工业控制的需要，除了一些小型 PLC 以外，采用模块式的结构，灵活性好。 系统安装及维修方便。 方案决策 二者均可达到本设计想要的功能，但从性价比上讲， AT89C51 单片机价格低廉，而 PLC 一般用在大型的控制系统中，价格不低廉，故不采用。 因此，本设计选择方案一。 温度传感器的选择 方案一 采用温度传感器 DS18B20 完成温度测量，并将温度测量值直接通过单总线电路输出到 AT89C51 单片机处理，不需要 A/D 转换电路。 DSl8820 主要特性 如下： 用户可自设定报警上下限温度值； （ 1） 不需要外部组件，可实现对 —55℃ ～ +125℃ 范围内的温度测量； （ 2） —10℃ ～ +85℃ 测量温度的误差在 177。 ℃ ； （ 3） 实际报警器的分辨率可单独设定； （ 4） 保存在 EEPROM 中，即使断电也能够保存； （ 5） 独特的单总线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条线即可实现与微处理器双向通讯。 锅炉防 爆设计方案 第 5 页（共 32 页） 方案二 采用 ADC590 温度传感器完成温度测量并转换成模拟电压信号，经由 A/D 转换器 ADC0804 转换成数字信号 送到 AT89C51 单片机中。 ADC590 功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等优点，适合远距离测温、控温，不需要进行 非线性校准。 外围电路简单。 决策方案 温度的采集是整个系统的重点之一，在众多的环境监测中， ADC590 由于成本低而用得较多，但后续电路复杂，输出模拟信号较弱，需要进行放大后再通过 A/D 转换电路得到温度值，不仅复杂，而且提高了系统的功耗，降低了整个系统的性能。 所以，本系统采用可编程单总线数字式温度传感器 DS18B20 进行温度采集。 压力传感器的选择 方案一 采用 MPX115 压力传感器完成压力测量，经由 A/D 转换器转换成数字信号送到AT89C51 单片机中。 MPX4115 主要特性 如下： （ 1）在 0℃ 85℃ 的温度下误差不超过 %； （ 2）温度补偿是 40℃ ~+125℃ ； （ 3）偏置稳定性 %VFSS 方案二 采用 EPCOS 生产的 T5300 数字压力传感器进行压力检测， T5300 数字压力传感器可将压力测量量经过单总线输入到单片机中进行处理，不需要 A/D 转换。 T5300压力传感器的特点如下： （ 1）直 接数字量输出，无信号传输损失，无信号采集误差。 （ 2） 5～ 3 0 V D C 激励， 供电电压波动对测量零影响。 （ 3）几乎无零漂、高稳定性、高分辨率。 基于单片机的锅炉防爆控制系统 第 6 页（共 32 页） 决策方案 对于二者来说， T5300 压力传感器比 MPX4115 都可以达到设计的要求，但是T5300 相对于 MPX4115 来说，价格要高出许多。 因此采用方案一。 A/D 转换芯片选择 方案一 采用 8 位 8 通道模数转换的专业芯片，安置于 A/D 转换电路，温度和压力改变引起的信号传递在通过信号调理电路将其与 ADC0809 的 INO 和 IN1 进 行链接，这样就形成了完整的模拟信号数字信号之间的转换，并输入单片机。 方案二 采用美国 TI 公司的 1l通道 12 位 A/D 转换器 TLC2543。 TLC2543 是采用 CMOS技术制作的 12 位开关电容逐次逼近型模数转换器，采用 SPI 通信方式可以节省单片机 I/O 资源，便于系统的扩展。 A/D 转换的基准源采用 MAX675 5V 芯片，它能提供精准的 5V 参考电压。 决策方案 由于本文要求实现一般步骤的 A/D 转换功能，选择 8 位 8 通道的 ADC0809 即可。 显示电路选择 方案一 显示单元 主要由 LED 数码管及显示驱动单元组成。 显示电路采用 8 位 LED 数字显示，显示内容主要包括当前温度及压力。 方案二 采用 LCD 液晶显示器显示锅炉当前的温度和压力。 显示电路采用液晶显示模块，体积小，功耗低，操作方便。 使用液晶显示模块，可以对模式选择位写入命令，从而调节 LCD 的工作模式，分时进行命令和数据写入。 锅炉防 爆设计方案 第 7 页（共 32 页） 决策方案 从操作简洁性和方便性来讲， LCD 液晶显示器要比数码显示器有优势，数码显示器组成的显示电路需要接很多外围设备，引脚越多，越容易出故障，故这里选择用LCD液晶显示器。 有两种液晶 显示器，一种是 LCD1602，两行显示；一种是 LCD12864，还可以用于显示曲线；因为本系统需要显示的数据不是很多，只需显示传感器数据，故选用 LCD1602 液晶显示器即可。 最终方案决策 经过上述分析选择，最终确定各模块方案如下： （ 1） 微控制器选用 ATMEL 的 AT89C51； （ 2） 采用可编程单总线数字式温度传感器 DS18B20 进行温度采集； （ 3） 采用 MPX4115 压力传感器进行压力探测； （ 4） 选择 8 位 8 通道的 ADC0809 进行模数转换； （ 5） 采用 LCD1602 液晶显示器显示传感 器探测信号； 基于单片机的锅炉防爆控制系统 第 8 页（共 32 页） 3 硬件电路设计 单片机模块 该锅炉防爆系统是以 89C51 单片机为核心器件，此单片机模块的工作原理是：加载相应程序的 AT89C51 单片机把水位和测温模块传来的数据加以处理，送 LCD 显示屏显示。 单片机简介 AT89C51 是美国 ATMEL 生产的低功耗，高性能 CMOS8 位单片机。 它集 Flash程序存储器既可在线编程（ ISP）也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片机芯。