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静电除尘完整版

1概述

我国静电除尘设备的低压控制技术,是跟随着电除尘器本体的设计、制造技术的发展、进步而发展的。

在五、六十年代,国无一家电源制造厂,全部依靠进口,如联、捷克等。

最早的电除尘高压电源是变压器升压的机械整流,它是手工操作,噪音大、效率低。

六十年代半导体器件问世,国制造了饱和电抗器调压的高压整流电源。

饱和电抗器调压虽然不用人工操作,但是自动跟踪性能差,噪音大、耗能高、效率低。

七十年代,因晶体管和可控硅技术的发展,国外有了可控硅调压整流设备,同时也进入中国。

八十年代中期,可控硅调压还是模拟控制,但是性能和可靠性已比较成熟。

推出了具有多种控制特性的产品,如最高平均电压值控制、最佳火花率控制、临界火花跟踪控制、间歇脉冲供电等特性。

这就为八十年代后期集成电路的成熟,由模拟控制过渡到数字控制,即单片机计算机控制,提供了软件思路和硬件基础。

随着集成电路的发展,到了九十年代,采用软、硬件相结合的方法,就使电除尘的控制和管理功能得到了进一步完善,如虎添翼。

使单片机控制电除尘器趋于成熟,控制精度和水平己到了相当的境界。

到了九十后期,电除尘电源技术己到了发展的顶峰时期。

国各制造厂都推出各具特色的智能控制电除尘系统。

虽然特点各异,其实质是将计算机控制技术、自动控制跟踪技术、信息处理技术、测量技术、通讯网络技术和人机接口技术有机地结合起来,对电除尘运行全过程进行监测、控制、操作、管理的一种集散控制系统。

最近来供电与控制技术又有新的发展,即利用电力电子技术的窄脉冲开关电源,它具有更加轻小、紧凑、功率因数高、收尘效率较高等优点,由于是脉冲型的,比常规计算机控制间歇供电对付难收的高比电阻粉尘更为有效。

静电除尘的一般原理是:

当含尘气体通过风机及通风管路被引入除尘器时,在除尘器的两极上通以直流负高压,使电极系统的电压超过临界电压值,产生电晕放电,电子被气体分子吸附,在电晕外区造成大量负离子,气体中粉尘微粒与负离子碰撞使粉尘荷电。

荷电的粉尘微粒在电场的作用下向收尘极运动,当荷电的悬浮粒子十分接近收尘极表面时,粒子与正电极接触失去电荷成为中性而粘附于收尘极表面。

这就是工业上普遍采用的干式负电晕除尘器的荷电粉尘捕集过程。

2设计原理及方案

2.1电除尘器的基本原理

在除尘器的高压部分有高压放电极,放电极产生一个高压脉冲击穿气体使气体导电完成气体电离。

从原子或分子电荷的角度看,电离是分子<或原子>失去<或得到>电子的过程。

这样使空气中的粉尘带电,在电场力的作用下,按"同性相斥、异性相吸"原理,向与各自极性相反的电极驱进,终点是电极,当电极上形成一定的粉尘层后,依靠除尘器的振打装置,使粉尘最终落入灰斗,达到除尘的目的。

低压空制部分的主要作用就是控制高压放电脉冲的宽度,通常使用单片机作为主控芯片,通过它来调整可控硅的导通角,控制升压变压器的一次侧输入电压,从而控制输入的电场的电压。

主控制板的作用主要是对主回路所采集的各个取样信号根据实际需要进行检测、分析及控制。

它是整个控制系统的核心。

触发板主要是给可控硅提供触发脉冲,来触发可控硅的导通角。

主控板输出的触发脉冲信号经脉冲变压器隔离放大后加到可控硅的触发极,来控制可控硅导通角打开的大小。

以此来控制整个控制系统的电流电压的输出。

2.2控制器的设计方案

根据电除尘器的原理和控制要求,确定了主控板主要由以下几个部分构成,最小应用系统、A/D转换、采样保持部分、显示部分、信号的输入部分、信号输出部分、通讯部分、光耦隔离部分和模拟电路部分。

设计方案如下所示。

单片机

显示部分

A/D转换

晶振

复位电路

采样

部分

输出

控制部分

图2-1设计功能结构框图

最小应用系统包括:

51单片机最小应用系统、74HC573<地址数据锁存器>、24C02。

其中单片机主要是对输入信号进行分析,然后给出相应的控制手段。

A/D转换电路是数据采集系统前向通道中的一个环节。

数据采集和转换系统从一个或几个信号源中采集模拟信号,并将这些信号转换为数字形式。

采样/保持电路是在输入逻辑电平控制下,处于"采样"或"保持"两种状态的电路。

显示电路使用LCD液晶显示,这样可以使电路的工作状态和一些需要人机交换的信息详细的显示出来。

通讯电路主要作用是将单个高压整流控制系统与上位机通信联网,从而实现在上位机对整个系统的显示和控制。

为了减少一些不必要的干扰,在单片机处理电路与其他模拟电路和输入、输出电路之间设计了光耦隔离电路。

模拟电路部分主要是将一次电流、一次电压、二次电流、二次电压、浊度五路取样信号经放大后送给A/D转换的模拟量输入端。

控制系统设的计数字信号输入电路主要是由启/停信号、油面、轻瓦斯、重瓦斯和温度,这些信号全部经过隔离后进入单片机。

单片机读入这些信号后执行服务程序去控制输出电路。

输出电路主要包括触发脉冲信号输出和控制信号输出。

触发信号电路的主要作用是将单片机输出的触发信号经过光耦隔离,然后通过驱动电路输出到触发板,从而对可控硅的导通角进行控制。

控制信号输出电路的主要作用是将单片机输出的控制信号经过光耦隔离,然后通过驱动电路驱动输出,去控制继电器,以完成相应的控制。

3硬件系统设计

3.1单片机

此次设计的核心控制元件为89C51单片机,单片机通过I/O口与其他各个部分合理的连接,组成了整个控制系统,它可以对外部进行检测判断,然后做出相应的处理,是整个控制系统的总指挥中心。

89C51单片机是一种带可编程和可擦除只读存储器的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。

随着单片机的不断发展、完善,它已成为科技领域的智能化工具,应用领域广泛。

单片机在今天之所以得到了广泛的应用,是和其特点分不开的,它的主要特点有：

集成度高,控制功能强,低电压、低功耗,性能价格比高。

3.1.189C51的基本组成

图3-1加法器、移位、判断和寄存单片机基本结构框图

上图3-1所示为89C51系列单片机的基本结构框图。

在一小块芯片上,集成了一个微型计算机的各个组成部分。

中央处理单元〔CPU,由运算器和控制器组成,用以完成运算和对全机进行控制的功能,是单片机的核心部分。

运算器主要包括器电路等,用于进行算术运算和逻辑操作；控制器由指令寄存器、指令译码器和控制电路等组成,是整个计算机的中枢,它根据指令码指挥着运算器、存储器和I/O接口协调的工作。

存储器用于存储数据和程序,分为ROM〔只读存储器和RAM〔随机存取存储器两大类。

ROM存储器在正常工作时只能读不能写,通常用来存放固定程序和常数。

RAM存储器在正常工作时既能读又能写,通常用来存放原始数据、中间结果和实时数据等。

总线是用于传送信息的公共途径,分为地址总线、数据总线和控制总线。

地址总线仅传送PMU向存储器或I/O接口发出的地址码,以选择相应的存储器或寄存器。

数据总线是一种双向的通信总线,用于传送MPU、存储器和I/O接口三者之间的数据和指令码。

控制总线用于传送各类控制信号的单向通信总线,每条控制总线最多传送两个控制信号0和1。

I/O接口是架设在微处理器和外设间的桥梁,主要功能是实现两者之间的信号传输和匹配。

3.1.2常用管脚说明

图3-289C51单片机引脚排列图

<1>电源引脚

VCC<40脚>：

接电源+5V；

VSS〔20脚：

接地,也就是GND。

<2>时钟引脚

XTAL1〔19脚和XATL2〔18脚：

接外部石英晶振的引脚,也可引入外部时钟。

<3>控制引脚

〔29脚：

片外ROM选通信号,低电平有效；

ALE/PROG〔30脚：

地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端；

RST/VPD〔9脚：

复位信号输入端/备用电源输入端；

/VPP〔31脚：

外部ROM选择端/片ROM编程电压输入端。

<4>输入/输出〔I/0引脚

P0口〔39-32脚：

即可作地址/数据复用总线使用,又可作为通用I/O口。

使用该引脚时需外接上拉电阻。

P1口〔1-8脚：

通用I/0端口,只用作普通的数据传输；

P2口〔21-28脚准双向I/0口,即可作为通用I/O口,又可作为高8位地址总线；

P3口〔10-17脚：

双功能端口,第一功能为普通I/O口,第二功能定义如下

　　P3.0RXD〔串行输入口

　　P3.1TXD〔串行输出口

　　P3.2/INT0〔外部中断0

　　P3.3/INT1〔外部中断1

　　P3.4T0〔记时器0外部输入

　　P3.5T1〔记时器1外部输入

　　P3.6/WR〔外部数据存储器写选通

　　P3.7/RD〔外部数据存储器读选通

3.1.3部存储器分配　

单片部存储器按功能可以分为两大类,即随机存储器〔RAM和只读存储器〔ROM,单片机能够完成各种功能,都是自动运行指令的结果,在单片机部,专门用来存放程序的是程序存储器〔ROM。

ROM是一种写入信息后不能改写,只能读出的存储器。

断电后,ROM中的信息保留不变,所以,ROM用来存放固定的程序或数据。

存储容量是存储器存储信息量大小的指标,通常用字节表示,一个字节由8个信息位组成。

不同型号的单片机,其部存储器容量也有所差异,8051单片机在芯片部设置了4KB的ROM,地址围为0000H-0FFFH。

宏晶公司生产的STC89C51单片机的部ROM容量已达到64KB,地址围为0000H-FFFFH。

在程序的执行过程中,总有一些暂时性的数据或中间结果等信息需要存储。

而ROM中的容在单片机工作状态下是不允许更改的,为此单片机中专门设立了数据存储器RAM,在关闭电源时,其所存储的信息将丢失。

89C51单片机部数据存储器在结构上可以分为两个不同的存储空间,即低128单元的数据存储器空间<00H～7FH>和高128单元的具有特殊功能的专用寄存器存储器空间<80H～FFH>。

这两个空间是连续的,但只有低128单元才能真正地作为数据存储器提供给用户使用。

在单片机中,尽管片RAM的容量不大,但它的功能多,使用灵活。

128B的片RAM分成工作寄存器区、位地址区、通用RAM区3部分。

其中个存储器相互协调工作,使单片机有了强大的功能,每个存储区域的功能在这里不在做详细的描述。

3.212864液晶显示部分

本设计的显示部分使用了12864液晶显示模块,它是汉字图形点阵液晶显示模块,可显示汉字及图形,置8192个中文汉字〔16X16点阵、128个字符〔8X16点阵及64X256点阵显示RAM〔GDRAM。

供电方便3.5V—5V均可,配置有可调的背景光,且还有光标显示、画面移位、自定义字符等强大的软件功能。

3.2.1模块引脚功能

12864的封装为单排二十个管脚,如下图所示,其各个管脚的定义如下；

图3-312864引脚排列图

〔1电源引脚

VSS〔1脚：

模块的电源地

VDD〔2脚：

模块的电源正端

V0〔3脚：

LCD驱动电压输入端

LED_A〔19脚：

背光源正极〔LED+5V

LED_K〔20脚：

背光源负极〔LED-OV

〔2控制引脚

RS<4脚>：

H/L并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号

R/W<5脚>：

H/L并行的读写选择信号；串行的数据口

E<6脚>：

H/L并行的使能信号；串行的同步时钟

PSB〔15脚：

H/L并/串行接口选择：

H-并行；L-串行

/RET〔17脚：

H/L复位低电平有效

〔3数据端

DB0—DB7<7—14脚>：

并行数据口

R/W<5脚>：

串行数据口

〔4未定义管脚

NC〔16、18脚：

这两管脚为空余管脚,在使用中不用考虑

3.2.2接口时序与常用指令集

模块有并行和串行两种连接方法〔时序如下：

8位并行连接时序

MPU写资料到模块

MPU从模块读出资料

串行数据传送共分三个字节完成：

第一字节：

串口控制—格式11111ABC

A为数据传送方向控制：

H表示数据从LCD到MCU,L是从MCU到LCD

B为数据类型选择：

H表示数据是显示数据,L表示数据是控制指令

C固定为0

第二字节：

<并行>8位数据的高4位—格式DDDD0000

第三字节：

<并行>8位数据的低4位—格式0000DDDD

时序图如下：

12864液晶显示模块为可编程控制器件,其时序问题非常重要,在编写程序时,要严格按照时序进行编写,如果时序问题没有掌握好,就会导致读写数据操作失败。

还有一点需要注意的就是其指令格式,它的常用指令见下表；

表3-1用户指令集

指令

指令码

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2

DB1

DB0

清除显示

地址归位

进入点设定

I/D

显示状态开/关

读取判忙标志BF

AC6

AC5

AC4

AC3

AC2

AC1

AC0

设定CGRAM地址

AC5

AC4

AC3

AC2

AC1

AC0

设定DDRAM地址

AC6

AC5

AC4

AC3

AC2

AC1

AC0

写RAM

读RAM

当12864显示模块在接受指令前,微处理器必须先确认模块部处于非忙碌状态,即读取BF标志时BF需为0,方可接受新的指令；如果在送出一个指令前并不检查BF标志,那么在前一个指令和这个指令中间必须延迟一段时间,即是等待前一个指令确实执行完成。

3.2.3模块与单片机的连接

由于此次设计的系统所包含的器件较多,而单片机的I/O又有限,所以12864的数据端与控制端使用了74HC573锁存器,74HC573为八位数据所存器,通过它可以达到扩展单片机I/O口的目的,具体连接框图如下；

图3-4单片机与显示模块连接图

3.324C02外部存储器

本设计中,电路的启动与关闭时,有一些数据需要记忆,所以加入了存储模块,在单片机电路的设计中,24C02是一种常用的外部存储器件,它采用I2C总线方式,这种总线方式操作简单,被广泛的应用。

3.3.1器件简介

24C02支持I2C总线数据传送协议,I2C总线协议规定：

任何将数据传送到总线的器件作为发送器,任何从总线接收数据的器件为接收器,数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的,主器件和从器件都可以作为发送器或接收器,但由主器件控制传送数据、发送或接收的模式,通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个24C02器件连接到总线上。

24C02为标准的DIP8双列直插式封装,它有三个地址选择端,一个串行数据端,一个时钟端和一个写保护端。

其引脚排列如下图所示；

图3-524C02引脚排列图

管脚介绍：

A0、A1、A2是地址选择端,这些输入脚用于多个器件级联时设置器件地址,当这些脚悬空时默认值为0,如果只有一个24C02被总线寻址,这三个地址输入脚A0、A1、A2可悬空或连接到Vss。

SCL串行时钟,串行时钟输入管脚用于产生器件所有数据发送或接收的时钟,这是一个输入管脚。

SDA串行数据/地址,双向串行数据/地址管脚用于器件所有数据的发送或接收,SDA是一个漏极开路输出管脚,可与其它漏极开路输出或集电极开路输出进行线或逻辑关系的连接。

WP写保护,如果WP管脚连接到Vcc所有的容都被写保护,只能读。

当WP管脚连接到Vss或悬空,允许器件进行正常的读/写操作。

VCC、VSS是供电端,接到+5V电源上,给整个器件供电。

I2C总线协议定义如下

1、只有在总线空闲时才允许启动数据传送。

2、在数据传送过程中,当时钟线为高电平时,数据线必须保持稳定状态,不允许有跳变,时钟线为高电平时,数据线的任何电平变化将被看作总线的起始或停止信号。

起始信号：

时钟线为高电平期间,数据线电平从高到低的跳变为I2C总线的起始信号。

停止信号：

时钟线为高电平期间,数据线电平从低到高的跳变为I2C总线的停止信号。

应答信号：

I2C总线数据传送时,每成功地传送一个字节数据后,接收器都必须产生一个应答信号,应答的器件在第9个时钟周期时将SDA线拉低,表示其已收到一个8位数据。

3.3.2器件的硬件连接

24C02采用I2C总线协议传输数据,且只有一个存储器件,所以在该设计中将其地址端和写保护端直接与地相连,这样只需数据线与单片机相连,但其数据线需要接上拉电阻,连接电路图如下所示；

图3-6存储器与单片机的连接

3.4触发电路与控制电路

此设计的主要目的是触发及控制高压电路。

触发电路的作用就是单片机给高压部分的可控硅一个触发脉冲,使其产生高压放电脉冲。

电除尘控制器的主要功能是对电除尘器供电变压器的供电实施控制,包括一次电压、一次电流、二次电压、二次电流及火化率等。

所有这些控制都是通过控制可控硅触发角来实现的。

可控硅的控制极由单片机控制,剩余的两个主电极接在高压电路中,这样一来,单片机的低压部分电路就有可能收到干扰,为了避免这种干扰,本设计使用了光电耦合器,把单片机的处理电路与其他的电路进行了隔离。

由于单片机的驱动能力有限,所以使用了大电流驱动阵列ULN2003,以增加单片机的驱动能力。

控制电路的作用是当单片机检测到高压电路有故障时,此部分电路产生动作,防止故障恶化。

控制电路主要是由继电器组成,继电器的线圈由单片机通过大电流驱动来控制,触发电路与控制电路的硬件连接如下图所示；

图3-7触发与控制连接图

3.5采样电路

电除尘器是一个控制实时性比较强的设备,放电设备的一次电压、一次电流、二次电压、二次电流以及其他模拟信号是整个控制的关键所在,对这些信号的采集必须做到失真小、灵敏度高和实时性。

此外还要进行信号隔离输入。

以防外部强电信号串入摧毁整个MCU控制系统。

本部分的基本设计思路将这些模拟信号经过放大,送给模数转换器转换成数字信号,在经过光耦隔离送给单片机进行判断,是成本低廉的光电耦合器件来担当此重任。

电除尘器的电场阻抗随不同工况、不同规格和不同使用年限而异,要求高压整流设在运行时不能超过其容量。

也就是说一次电压、一次电流、二次电压、二次电流都不能超过极限值,否则就会烧坏升压变压器,所以采样电路的精确性非常重要,本设计由我和同学共同设计,本部分的详细介绍由同学进行详细的解说,在此我不再进行更多的阐述。

4软件系统设计

整个控制系统的程序设计分为三大部分：

数据采集处理、过零中断及输出脉冲、按键和显示处理。

具体流程图如下所示。

初始化

上电自

检,复位程序

工作模式选择

模式1

信号采集

数据处理

输出控制

图4-1程序流程图

模式2

数据显示

4.1数据采集程序设计

单片机在每个循环里都会对ADC0809转换的数据进行采集,首先要通过I/O口发送不同的地址编码,选择一个模拟通道,然后起动ADC0809的转换,在转换起动以后,要经过一定的延时,以等待转化的结束,然后才能读取数据。

在此以读取一个通道的数据为例给出部分子程序,如下所示；

MAIN:

CLROE

CLRSTAR；初始化

MOVP0,#04H；转换通道选择

SETBSTAR

CLRSTAR；启动转换

JNBEOC,$；等待转换结束

SETBOE；允许输出

MOVA,P1；读入转换结果

RET

4.2过零中断及输出脉冲设计

此部分的软件设计是单片机外部中断的一个典型应用,51单片机有五个中断方式,在这应用的外部中断0,用单片机外部中断0检测外部的交流电源,当交流电过零时,单片机检测到中断信号,产生中断,然后对可控硅发出控制信号,可控硅导通后,在交流电过零时自动截止,这样就完成了一个触发周期,字部分的程序流程如下图所示；

初始化

开启

外部中断零

检测

到中断信号

发出

控制脉冲

中断返回

中

执

行

序

断

成

图4-2控制脉冲程序流程图

4.3按键和显示处理部分

图4-2按键和显示处理程序流程图

初始化

检测按键

有按

键按下吗？

停止按键

检测更新显示

显示

更新程序

等待

更新完成

跳

转

否

是

图4-3

这部分是人机操作界面部分,操作者可通过按键对这个系统进行操作,如工作方式,显示所需数据等,显示部分可以显示触发时间、外部环境等；外部显示部分使用的是可编程器件12864,可编程器件的使用,减少了许多软件编程方面的工作,下图是此部分的程序流程图；

5结束语

本文从理论设计与实际制作出发,对基于单片机的高压整流控制系统展开分析与研究。

在传统的高压整流控制系统的基础上,从以下几方面入手加以改进,设计出新一代的高压整流控制系统,这几个方面是:

<1>在电路设计上采用了高线性模拟量光耦传输,具有很高的可靠性与控制精度。

而且很大程度上提高了反馈信号电路的抗千扰能力。

<2>在控制上增加许多新功能,如对外界环境的检测、过流保护、故障控制等。

使得整个系统的工作性能更加完善,从而大大提高静电除尘系统的效率。

<3>在设计时留有232通讯接口,使得整个系统的同上位机通讯成为可能,便于整个静电除尘系统的集中管理和显示。

总之,随着电除尘理论的日益完善及先进的控制理论,会使电除尘控制器有更好的发展前景,可以想像,随着科学技术的不断发展,以及理论与实践的进一步结合,电除尘器会得到更广泛的应用。

通过这一阶段的毕业设计,我受益匪浅,在本设计中,自己经历了失败和成功。

得到了许多的经验与教训,失败使自己认识到知识和经验的不足,基础的不牢固。

在以后的学习工作中我将认真地总结自己的得与失,更加努力的学习基础知识。

回顾此次毕业设计,是大学三年所学知识很好的总结。

相信这次毕业设计对我今后的发展会有一定的帮助。

所以,我很用心的把它完成。

在设计中体味艰辛,在艰辛中体味快乐。

附录

附录1电路原理图

参考资料

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