锅炉温度控制系统毕业设计Word文档格式.docx

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Thermocouple;

Thetemperaturesignal

0前言

作为一种热能转换设备，锅炉在生产和生活中被广泛使用。

本设计锅炉温度监测系统是根据燃煤锅炉的发展趋势，针对锅炉炉膛温度进行检测并做出相应的控制，以达到使燃料合理燃烧的目的。

本设计是将检测到的信号经过处理后传送给单片机，单片机将检测到的温度信号显示出来并做出相应控制动作，单片机也将同时显示对应时间，已到达对温度的监测和控制目的。

随着国民经济的不断发展，我国的锅炉产业也取得了长足的进步，目前已经可以生产多种压力等级和容量的锅炉，成为世界上锅炉生产和使用最多的国家。

同时，轻工纺织、能源化工、钢铁煤炭以及集中供热等相关产业的迅速发展，也给锅炉产业得来了更广阔的发展空间和发展动力。

进入21世纪以后，环境污染和能源短缺也成了人类当前共同面临的世纪性难题。

“十二五”计划中也阐述了关于绿色发展，建设资源节约型、环境友好型社会的规划。

我国有近50万台工业锅炉，其中绝大部分是燃煤锅炉，每年耗煤量将近全国总耗煤量的30%左右[]。

但同时，由于我国对于锅炉设备研究进展的缓慢，导致工业锅炉的效率只有西方国家的80%左右。

相对于一些民用锅炉如供热锅炉，由于成本及设备要求等原因，燃烧效率是普遍低于国家规定标准，使锅炉长期处于高能耗、高污染、低负荷的生产状态。

未来工业锅炉产品市场的发展除了会受到国家经济发展速度和投资规模等因素的影响外，随着能源供应结构产生变化，节能环保的要求日益严格，环保要求等的制约，锅炉行业也将面临更大范围的改造和淘汰。

随着社会各方面对城市规模建设的不断扩大，城市居民热化和集中供热事业的不断发展，冬季采用供热锅炉集中供暖的这种方式越来越普遍，体现出生产生活用热源越来越显示出其优越性，以及采暖锅炉非常广阔的市场前景。

温度检测系统在现代工业设计、工程建设及日常生活中的应用越来越广泛，温度检测系统的应用和作用也体现到了各个方面。

随着电子技术和微型计算机技术的飞速发展，微机测量和控制技术也得到了飞速的发展和广泛的应用。

本设计就是利用单片机对温度进行检测与控制的。

1.绪论

1.1选题目的及研究意义

温度是现代工业中一个非常重要的技术参数。

锅炉是一种通过燃料燃烧释放热能或工业生产过程中的余热传递给工质（多数情况下为水），使工质升温达到所需要的温度甚至转变成为具有所需要热力学参数的热水或一定压力蒸汽的换热设备[]。

锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需热能，也可通过发电机将机械能转换为电能。

随着生产力的发展和对锅炉各方面的参数要求的不断提高，对锅炉温度的检测与控制要求也不断提高[]。

如果锅炉的温度过高，那么将会产生锅炉爆炸的危险。

如果，锅炉的温度过低，将无法达到生产和生活的要求。

因此，对锅炉温度的监测与控制是十分重要的。

1.2检测对象的选择

本设计主要以燃煤式锅炉，主要用于供暖方面的供暖锅炉为背景。

供暖锅炉又称供热锅炉，主要应用于城市小区冬季集中供暖中。

供暖锅炉的工艺流程如图1-1所示。

锅炉设备按工作流程可分为三个部分：

煤的燃烧控制设备、烟气排放设备和水循环控制设备[]。

由于本设计系统准要是针对锅炉的温度进行设计的，所以只针对燃烧控制设备做进一步的温度检测与控制部分的设计。

图1-1锅炉工艺流程图

Fig.1-1boilerprocessflowdiagram

炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。

煤的燃烧控制设备包括给煤机、链条炉排、鼓风机、空气预热器等，如图1-1所示。

炉排转速和鼓风机转速决定锅炉燃烧热量[]。

而锅炉燃烧的热量不仅与锅炉中的水的温度有关，也同时反映了燃烧室中燃料煤的燃烧状态。

如果炉膛内的温度过高，一方面会导致水温升高，导致锅炉内压力增强。

另一方面会为煤灰的结焦创造出条件，不利于煤的充分燃烧。

反之，当炉膛温度过低时，不仅水温不会达到生产与生活的要求，也表明燃料煤没有完全燃烧。

因此，本设计选择锅炉炉膛的温度为检测对象，又因为炉排转速和鼓风机转速决定锅炉燃烧热量，故选择在炉排转速一定的条件下，对鼓风机送风情况进行控制，以最简单可行的自动控制办法来完成实现对锅炉温度的检测与控制。

1.3系统设计的总体思想

由于我国的基本国情与煤炭资源的现状决定了在未来相当长的一段时间里，燃煤型锅炉仍然是我国锅炉的主导产品[]。

为了提高燃煤锅炉的效率，可设计以监测锅炉内温度的系统是很有必要的。

本设计采用K型热电偶测量锅炉炉膛温度，以通过锅炉炉膛内的温度值的大小判断炉膛内的燃烧情况。

并且，由于热电偶采集到的温度信号值一般较小并且为模拟信号，而且被测量点不仅为一点，不利于单片机对温度信号进行处理。

故由热电偶采集到的温度信号要经过放大，信号通路的选择，简单滤波，以及A/D转换等一系列的处理后在传送到单片机内。

根据系统的应用要求以及使用情况等方面因素的综合，选择采用AT89C52单片机作为主控芯片。

输入到单片机的温度信号经过数字滤波程序进行进一步的软件滤波，使处理过的温度信号更加准确，尽最大可能减少杂波的携带，增加准确度。

经过数字滤波后的温度信号，通过PID计算，使系统更加稳定。

经过处理后的温度值会显示在1602液晶屏幕上。

并且，通过DS1302时钟芯片将日期，时间等信息同时显示在液晶屏上。

并且，可以通过按键来设置或者改变时间的设定值。

除此之外，经过处理之后的温度信号将会通过串口向上位机进行数据的传输，以方便工作人员对温度值进行观察和记录。

由于时间关系，本设计将不对与上位机的有关软件进行设计。

由于锅炉炉膛的温度与燃烧方和煤质等因素有关，一般温度控制在900℃~1100℃较为合适。

超过1200℃，燃料中的灰大多呈现液态或软化状态，原因是煤灰的熔点一般在1200℃以下。

本设计中将温度控制在900℃~1000℃之间，当炉膛的温度低于900℃时，开启送风口，使空气可以进入锅炉的燃烧室，达到助燃的目的。

当温度高于1000℃时，关闭送风口，相当于起到减少助燃剂的目的。

由于锅炉燃烧室内的空气量减少，从而使支持燃烧的氧气量减少，从而燃料不再继续过度燃烧，燃烧室的温度将降低。

当温度降低到低于900℃时，送风口再次打开，如此反复循环控制温度。

并且，当温度超过1000℃时，报警器将响起，提醒工作人员温度过高。

工作人员可以通过警铃取消按键关闭报警。

系统整体原理框图如图1-2。

图1-2系统原理框图

Fig.1-2systemprincipleblockdiagram

2.系统硬件电路设计

本设计系统的硬件电路由热电偶测温，信号选通以及处理部分，单片机最小系统部分以及液晶显示等部分组成。

本章将对系统各部分电路进行介绍并且说明选件原因及应用原理。

2.1热电偶传感器

温度测量中使用的传感器有热膨胀温度传感器、热电偶、辐射式温度仪表、石英温度传感器等几种常见的类型。

其中热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。

其优点是：

因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响所以测量精度高。

测量范围广，构造简单，使用方便。

热电偶是由两种不同的金属焊接一起所构成的，它是热电效应的具体应用。

热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并且把温度信号转换成热电动势信号，在通过电气仪表转换成被测对象的温度[]。

热电偶的基本结构是热电极，绝缘材料和保护管。

在工作现场多与显示仪表，记录仪表或者计算机等一起使用。

在现场使用时根据具体的环境，被测对象等多种因素研制成适合各种环境的热电偶。

热电偶可以简单分为装配式热电偶，铠装式的热电偶和特殊形式热电偶。

按具体使用环境可细分有耐高温热电偶，耐高压热电偶，高温热风炉用热电偶，渗碳炉用热电偶，铜、铁及钢水用热电偶，真空炉用热电偶。

热电偶又分为两大类，标准热电偶和非标准热电偶。

标准热电偶是指国家规定其热电势与温度的关系，允许误差，并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其相应配套的显示仪表可供选用。

非标准热电偶是指使用范围或数量级上均不及标准热电偶，它一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊的场合的测量。

我国热电偶和热电阻全部按照IEC国际标准进行生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为统一设计型热电偶。

热电偶的分度号有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。

其中S、R、B等属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T等属于廉金属热电偶。

热电偶的测温原理是基于塞贝克发现的温差电现象，又称为第一热电效应。

第一热电效应是指由于两种不同的导体或者半导体的温度差异，而引起两种物质间的电压的现象。

具体的说，是两种金属A、B组成闭合回路，若两金属两端节点的温度不同，则会在电路中产生温差电动势，既为塞贝克电动势。

在塞贝克之后，珀尔帖和汤姆逊也分别对这一现象做了实验研究，得出了塞贝克效应是接触电动势和温差电动势综合作用的结果。

基于此理论，得到了热电偶回路中热电势的计算公式如下式所示[]：

（2-1）

式中，

表示热电偶的两端A（所处温度为T）、B（所处温度为

）的热电势，K为波尔兹曼常数，e为电子电荷，

、

为材料A、B的自由电子密度，它们都是温度t的函数。

其中，

称为热电偶的塞贝克系数。

由（2-1）式可知，热电偶的热电势和单位体积中自由电子数

以及两接点温度T、

有关。

取决于热电偶的材料特性，而且随温度变化而变化。

组成热电偶两电极A、B的材料确定后，其总电动势

成为温度T和

的函数差即：

（2-2）

式（2-2）即为热电偶测温的理论公式。

一般的，取

=0作为热电偶冷端的温度值。

理论上讲，对于一个固定的热电偶，其热电动势与温度值是呈现一一对应的关系。

因此，可将热电势与温度T的函数关系通过实验数据制成分度表。

这样，只要测得热电动势

，通过计算就可得到被测温度T。

由式（2-2）可以看出，热电动势是热电偶两端温度函数的差。

若取

为一定值，例如0℃，则热电动势

与待测温度T呈现一定的线性关系。

我们可以直接通过测量热电动势来获得待测温度T[]。

但实际上由于热电动势的变化一般只有几十uV/℃（K型热电偶约为41uV/℃），这种微小的信号很难直接测量出来，需要对热电动势进行放大处理后，利用电压测量工具获得放大后的电动势，然后通过电路计算放大倍数，求出热电偶热电势的大小进而求出温度值T。

本设计采用的是K型热电偶作为温度传感器[]。

K型热电偶是目前用量较大的廉金属热电偶。

正极的名义化学成分为Ni：

Cr=90：

10，负极的名义化学成分为Ni：

Si=97：

3，工作温度范围为-200~1300℃。

K型热电偶具有线性度好、热电动势较大（约为41uV/℃）、灵敏度高、稳定性和均匀性较好、抗氧化性能强、价格便宜等优点、引入的误差最大不超过0.6℃、能用于氧化性惰性气氛中。

因此K型热电偶被广泛的应用。

2.2单片机系统硬件电路

在本设计中，考虑到系统的功能需求以及目前市场上的单片机的价格与使用情况，并与单片机学习情况相结合。

本设计采用AT89C52单片机进行设计[]。

AT89C52是ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机。

器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH由存储单元。

AT89C52单片适用于许多较为复杂控制应用场合。

AT89C52提供以下标准功能：

8字节FLASH闪速存储器，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，256字节内部RAM，片内振荡器及时钟电路，一个全双工串行通信口。

同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电上作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作时禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

2.2.1时钟电路

AT89C52的时钟可由内部产生也可以由外部产生。

在本设计中只采用了内部产生，利用芯片内部振荡电路，在XTAL1，XTAL2（18，19脚）的引脚上外接定时元件，内部振荡器便能产生自激振荡。

定时元件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路，它与单片机的接法的如图2-1所示。

晶振可以在1.2MHz~12MHz之间进行选择，电容可以在20~60pF之间选择，通常选择30pF左右，电容C1，C2的大小对振荡频率有微小的影响，可起频率微调作用，一般采用瓷片电容。

图2-1时钟电路

Fig.2-1clockcircuit

2.2.2复位电路

单片机上电后，在其9脚（RESET）出现24个振荡周期以上的高电平后，单片机内部初始复位。

为了确保单片机正常复位，必需使其第9脚上出现的高电平保持2μs以上。

复位电路如图2-2所示。

系统的复位电路是由RC电路组成，外加一个手动复位按钮。

刚上电时或者触动按钮后C3两端的电压为0，这时RST为高电平，而其高电平保持时间是由R和C的时间常数决定，由公式（2-3）可知，C3充电的时间常数τ等于0.22ms，远远大于2μs，即使RST高电平的时间保持2μs以上，确保了单片机正常复位。

τ＝R×

C（2-3）

图2-2复位电路

Fig.2-2resetcircuit

2.2.3单片机最小系统

单片机最小系统，或者称为最小应用系统。

是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，是单片机工作时的最小单位。

最小系统一般应该包括：

单片机、电源、晶振电路和复位电路。

图2-3为单片机最小系统电路图。

图2-3单片机最小系统

Fig.2-3singlechipmicrocomputerminimumsystem

2.3冷端补偿

热电偶在进行温度测量时，理论上应将热电偶的冷端置于0度的冰水混合物中，此时的测量值为准确值。

但是在实际测温过程中，为了方便测量，通常冷端并不能置于0度的冰水混合物中，而是置于常温环境下。

由于热电偶的冷端温度的上升，造成热电势的减小（通常测量温度为正值），从而会造成测量产生误差。

同时，热电偶在测温时要求冷端保持稳定，这样热电势的大小才能与测量温度呈现一定的比例关系。

但在室温环境下热电偶的冷端会随环境温度变化而产生变化，这样会影响热电偶测量的精确性。

在以上情况时就需要考虑到热电偶的冷端补偿[]。

冷端补偿的原理是在冷端增加一个能随温度变化而变化的附加电压，使得信号调理放大电路输入端的电压与冷端处于0度时的情况一样。

热电偶冷端补偿方法很多如冰点法、补偿电桥、PN结温度传感器补偿、辅助热电偶补偿、热电偶冷端补偿器等[]。

在本设计中，热电偶的冷端补偿采用LT1025芯片作为热电偶冷端补偿器的方法。

LT1025芯片是一个微功率热电偶冷端补偿器。

它可用于E、J、K、R、S和T型热电偶的冷端补偿。

由于热电偶测温的非线性，在其测温范围内其电压与温度的关系并不是完全的线性关系，而LT1025芯片利用特殊的曲线修正电路，保证了热电偶在较大的温度区间的冷端补偿精度。

LT1025工作电压范围是4V到36V。

这里要注意的是：

LT1025必须要和热电偶的冷端直接连接，或者是与冷端非常靠近。

实际工作中如果不能做到这点，则可以用两根同样金属材料的引线把冷端引到LT1025附近来确保测温精度[]。

图2-4为LT1025冷端补偿芯片电路。

图2-4冷端补偿电路

Fig.2-4coldjunctioncompensationcircuit

2.4信号放大电路部分设计

由于热电偶测量出的信号较小（K型热电偶提供41uV/℃的电压输出），经过热电阻测量完成的信号最大为毫伏级，在锅炉开始启动时的信号很有可能只有微伏级，所以从热电偶测出的温度信号要经过放大处理后，信号放大到一定程度时才能满足后续电路的要求。

并且在信号传输的过程中可能会夹杂着一些噪声信号，所以需要在硬件电路中进行一些简单的滤波处理。

本设计采用OP-07实现信号放大的处理。

OP-07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。

由于OP-07具有非常低的输入失调电压，所以OP-07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

由于电源采用5V供电，为保证系统的放大倍数本设计是采用OP-07芯片构建两级放大电路，图2-5与图2-6为放大部分的电路原理图。

图2-5所示为第一级放大电路，OP-07构成了同相放大电路。

T+是热电偶在经过冷端补偿之后输出的电压信号，输入正向输入端。

理论上此放大电路的放大倍数b=（

+

）÷

。

电路中的电容有简单滤波的作用，并且电容

与电阻

和

可以构成滤波电路。

为可变电阻，其作用为可以根据实际应用情况简单调整所需的放大倍数，防止在实际情况下信号有过多的损耗。

放大倍数b的范围为5倍~15倍，系统初始设计为放大倍数b为9倍，即系统中的滑动变阻器的阻值为4K。

输入的温度信号的范围大致为0~0.0492V，经过第一级放大电路后的信号范围大致为0~0.4428V。

放大后的温度信号由6脚输出到第二级放大电路中经行第二步放大。

经过第一级放大之后的温度信号依然比较小，需要进行进一步的放大处理，所以继续采用OP-07芯片构建第二级放大电路。

图2-6为第二级放大电路，第二级放大电路依然为同向放大电路。

第二级放大电路理论上的放大倍数b=

÷

=5，也就是说经过第一级放大后的温度信号，到第二级放大继续进行10倍的放大。

输入到第二级放大的温度信号理论上为0~0.0492V，经过第二级放大的温度信号范围为0~2.2214V，输出的信号范围是可以满足后续电路的要求。

在第二级放大电路的输出端进行了简单RC滤波处理，

与

构成低通滤波电路，对放大后的信号进行简单的硬件电路滤波。

与第一级的放大电路相同的是电路中的电容有简单滤波的作用。

图2-5为第一级放大电路。

图2-5一级放大电路

Fig.2-5Level1amplifyingcircuit

图2-6为第二级放大电路。

图2-6第二级放大电路

Fig.2-6Level2amplifyingcircuit

图2-7为整体放大电路。

图2-7放大电路

Fig.2-7amplifyingcircuit

2.5信号选通电路

在实际的工作环境下，仅对炉膛内一点的温度进行测量不足以能证明此时锅炉温度的稳定性。

所以，在设计中，采用多点测温的方法，设置四个测温点对锅炉炉膛内的温度进行测量。

因为本文设计的是多通道的热电偶测温，控温电路，不可能对每一路分别处理显示。

所以在信号放大后通过一个选通器，选择其中一路信号进行A/D转换处理，处理完成后再选择处