基于单片机的除氧器压力控制系统.docx

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基于单片机的除氧器压力控制系统

摘要

随着锅炉参数的提高和容量的增大，锅炉的用水量也将进一步增大，这给除氧器的除氧控制提高了难度。

除氧器是锅炉以及供热系统的关键设备之一，在锅炉的给水处理过程中，除氧是非常关键的环节，所以对除氧器内的压力，就能更好的控制除氧器的出水的含氧量。

本设计针对除氧器压力进行讨论与设计研究，采用单片机来对除氧器内压力进行精确控制，同时，本设计对系统的人机交互以及与上位机的连接都做了研究，极大的增强了系统的自动化程度以及减小了人工劳动的繁琐。

关键词：

除氧器压力控制单片机锅炉

ABSTRACT

Increasingboilerparametersandimprovethecapacityoftheboiler,thewaterwillbefurtherincreased,whichincreasethedifficultytocontrolthedeaeratordeaerator.Thedeaeratorisoneofthekeyequipmentofboilerandheatingsystem,thewatertreatmentprocessofboilerdeaerator,whichisthekeylink,sothedeaeratorpressure,oxygencontentcontrolofdeaeratorcanbettereffluent.Thedesignofthestudyanddesignofthedeaeratorpressure,usingsingle-chipmicrocomputertocontrolthepressureinsidethedeaerator,atthesametime,thedesignoftheconnectionofhuman-computerinteractionsystemandPCarestudied,greatlyenhancetheautomationdegreeofthesystemandreducesthelabor.

KeyWords:

deaeratorpressurecontrolMicroControlUnitboiler

目录

摘要Ⅰ

ABSTRACTⅡ

目录Ⅲ

CONTENTSⅤ

第1章绪论1

1.1设计背景与研究意义1

1.2国内外研究现状及发展2

1.2.1除氧器压力控制技术发展2

1.2.2单片机技术发展2

1.3设计目标3

第2章压力控制系统实现方案4

2.1系统总体任务4

2.2系统实现方案4

第3章系统的硬件选择和设计7

3.1系统的硬件电路设计7

3.1.1A/D-D/A转换模块设计8

3.1.2通讯传输模块设计11

3.1.3时间模块设计12

3.1.4单片机接口扩展13

3.1.5主控模块设计15

3.1.6线性稳压电源的设计18

3.1.7显示与键盘模块设计19

3.1.8看门狗电路设计21

第4章系统软件设计24

4.1系统软件相关介绍24

4.1.1系统主程序流程图24

4.1.2系统初始化25

4.1.3显示与A/D转换的数据处理26

4.1.4按键部分软件设计29

4.1.5通信协议及通信模块软件设计30

4.1.6时间模块软件设计32

第5章系统软件仿真34

5.1系统仿真软件相关介绍34

5.1.1MATLAB简介34

5.2MATLAB仿真软件相关操作35

5.2.1MATLAB仿真设计35

5.2.2单片机电路设计35

5.2.3MATLAB对串口的编程36

5.2.4MATLAB与单片机测控系统的软件设计37

5.2.5MATLAB仿真程序流程37

第6章经济与社会效益分析39

结论40

致谢41

参考文献42

附录144

附录253

CONTENTS

ChineseAbstractI

EnglishAbstractII

ChineseDirectoryIII

EnglishDirectoryⅣ

ChapterOneTheintroduction1

1.1ProjectbackgroundandResearchsignificance1

1.2Domesticandforeignresearchpresentsituationanddevelopment2

1.2.1Deaeratorpressurecontroltechnologydevelopment2

1.2.2Single-chiptechnologydevelopment2

1.3Researchdesigngoals3

ChapterTwoPressurecontrolsystemimplementationscheme4

2.1Thesystemoverallmission4

2.2Systemimplementationscheme4

ChapterThreeHardwareselectionanddesignofthesystem7

3.1Hardwarecircuitdesignofthesystem7

3.1.1A/D-D/AConversionmoduledesign8

3.1.2Communicationmoduledesign11

3.1.3Timemoduledesign12

3.1.4Singlechipmicrocomputerinterfaceextension13

3.1.5Mastercontrolmoduledesign15

3.1.6Thedesignoflinearregulatedpowersupply18

3.1.7Displayandthekeyboardmoduledesign19

3.1.8Watchdogcircuitdesign21

ChapterFourSystemsoftwaresimulation24

4.1Relatedsystemsoftwareisintroduced24

4.1.1Thesystemmainprogramflowchart24

4.1.2Systeminitialization25

4.1.3DisplayandA/Dconversionofdataprocessing26

4.1.4Keypartofthesoftwaredesign29

4.1.5Communicationandsoftwaredesignofcommunicationmodule30

4.1.6Timemodulesoftwaredesign32

ChapterFiveSystemsoftwaresimulation34

5.1Systemsimulationsoftwarerelatedintroduction34

5.1.1IntroductionoftheMATLAB34

5.2MATLABsimulationsoftwarerelatedoperations35

5.2.1TheMATLABsimulation35

5.2.2Single-chipmicrocomputercircuitdesign35

5.2.3MATLABtoprogrammingoftheserialport36

5.2.4MATLABwiththesinglechipmicrocomputermeasurement37

5.2.5MATLABsimulationprocess37

ChapterSixAnalysisofeconomicandsocialbenefits39

Conclusion40

Acknowlegement41

References42

TheappendixOne44

TheappendixTwo53

第1章绪论

1.1设计背景与研究意义

单片机应用发展迅速而广泛。

在控制系统中，单片机既可作为处理器，也可以作为控制系统的前端机，完成模拟量的采集与开关量的输入、处理和控制计算。

随着科技的发展压力测量控制技术趋于智能化、微型化、可视化。

本设计思想是采用单片机作为处理器与控制器，对除氧器压力进行控制，并要求具有一定的智能化，可操作性与稳定性。

除氧器采用单片机控制具有以下明显优势：

（1）直观而集中的显示除氧器内各运行参数。

能显示压力、温度等的状态。

（2）在运行中可以方便的随时修改各种参数的控制值，并修改系统的控制参数。

可以方便的改变压力的上限值、下限值。

（3）作为除氧器压力控制装置，其主要任务是保证除氧器的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。

在采用单片机控制的除氧器压力控制系统中，有十分周到的安全机制，可以设置报警。

杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。

综合以上各种优点可以预见采用单片机控制除氧器压力系统是行业的大势所趋。

单片机是在一块芯片上集成了所需CPU、存储器、输入、输出等相关部件。

单片机问世以来，性能不断的提高和完善，体积小、速度快、功耗低等的特点使它的应用领域日益广泛。

单片机在控制领域得到了大量广泛的应用。

使用单片控制除氧器压力是很好的选择。

在现代社会中，随着工业的发展，居民生活区的集中热力供应量的需求也越来越大，蒸汽锅炉的容量不断提高，对操作过程要求更加严格，除氧器的压力控制直接影响设备的安全和使用寿命。

传统压力控制不能进行远距离集中控制，自动化程度很低，调节精度比较差等等缺点，而且单靠人工操作不能适应，控制系统改造的必要性随着科学技术的不断进步而提高,被控对象的复杂程度越来越高,人们对控制精度的要求也不断提高。

随着单片机技术以及自动控制技术的发展，利用单片机及其外围芯片实现除氧器压力控制已经成为可能，而且也成为一种发展的趋势，单片机不仅具有体积小，安装方便，功能较齐全等优点，而且拥有很高的性价比，因此应用前景广泛，将保证除氧器正常供水，维持稳定系统，保证安全经济运行。

本设计即是用单片机实现的一种除氧器压力控制系统。

1.2国内外研究现状及发展

1.2.1除氧器压力控制技术发展

由于单片机问世已久，众多企业在单片机测控装置研究、生产、应用中，取得了很大的成绩，总结了很多经验。

目前国内外对除氧器压力控制的方法一般采用单冲量控制。

单冲量控制用于除氧器给水流量较小时的情况。

除氧器工作在给水流量较小时，单冲量控制方式有上限输出。

一般情况下，单冲量控制方式的输出上限为满状态输出的50%。

由于给水流量较小时除氧器压力受其影响变化的扰动也就很小，因此采用单冲量系统既满足调节品质的要求，又可以减小整个给谁全程调节的参数的整定[1]。

1.2.2单片机技术发展

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。

因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分为几个范畴，在智能仪器仪表上的应用，在工业控制中的应用，在家用电器中的应用，在计算机网络和通信领域中的应用，在医用设备领域中的应用，在各种大型电器中的模块化应用，在汽车设备领域中的应用等等[2]。

未来单片机技术将向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、外围电路内装化及片内储存器容量增加的方向发展。

所以本课题将采用单片机来实现对除氧器内压力的控制。

1.3设计目标

本课题的研究对象为除氧器的压力，对其压力进行控制。

基本思想是以单片机作为控制器，通过单片机、压力传感器和数模转换器等硬件系统和软件方法设计实现具有压力报警和控制的双重功能，同时也具有压力显示的功能。

系统的硬件部分包括以下几个部分：

单片机作为核心控制器、压力采集部分、键盘显示部分、A/D变换部分、报警部分、压力控制等部分组成。

第2章压力控制系统实现方案

2.1系统总体任务

本文主要设计的系统实现的功能有：

（1）当除氧器内压力低于控制压力值时，开启给水水阀对除氧器进行加水。

（2）当除氧器内压力高于控制压力值时，停止对除氧器内进行加水。

（3）当由于某种特殊原因，压力高于控制点压力时，仍然没有关闭给水水阀，则达到上限压力值时，进行报警，关闭给水水阀。

（4）设计消除报警按钮，当有报警时操作人员在知道的情况下可以按下消除报警并去做相应的处理工作。

（5）设计紧急停止按钮，在遇到紧急情况是可以停止系统的运行。

（6）设计实验按钮，在系统启动之前进行调试实验，确保系统可以正常运行及报警。

（7）安装温度、压力传感器，可以进行温度与压力值的显示。

2.2系统实现方案

根据上面对系统任务的简单描述，将系统功能进行细分，此系统从整体看可以分为五部分：

调节阀控制部分，信号采集部分，通信部分，数据处理部分，人机交互部分。

调节阀控制部分主要完成对调节阀的控制，从而控制除氧器内压力值大小。

信号采集部分则用于采集压力等相关参量。

通信部分主要完成与上位机的通信任务。

数据处理部分主要完成PID运算和数据运算功能，而人机交互部分用来显示除氧器运行状态和相应的按键控制。

在稳定除氧器内压力时，可行性较大的方式主要有二种：

因为测量压力范围最高值在100kpa，压力比较小，比较好实现压力的控制。

本方案就通过控制检测压力即测量压力，并通过PID运算等控制系统输出，从而实现压力的控制。

图2-1方案一

第二种是考虑到除氧器内本身存在的压力和温度对除氧器内压力的影响。

由于除氧原理多采用加热式除氧，所以计算实际压力值时应当考虑到水温变化与当前压力的变化，所以要对实际压力值进行一定的补偿计算[3]。

图2-2方案二

经过二个方案比较后发现方案一比方案二少了一个前馈，。

所以当系统运行在不同状态时时，除氧器内的压力会随着温度和当前压力的变化而变化。

如果只对单一量进行补偿，系统的稳定性和抗干扰能力就会相对差一些，所以选择方案二来设计系统的控制。

在方案二中，当除氧器内的实际压力和水温都在不断变化时，单片机输出的调节信号也会发生相应变化，调节阀接到信号后也会自动变化，控制除氧器给水水量的大小，从而实现除氧器内压力稳定的目的。

第3章系统的硬件选择和设计

系统方案选择完毕之后，希望实现系统应有的功能，须选择合适的硬件和设计才能完成设计意图。

3.1系统的硬件电路设计

基于单片机的除氧器压力控制系统有单片机、调节阀、差压变送器、上位机等构成。

系统采用一台单个单片机来对调节阀控制，实现调节阀控制给水水量的大小来实现除氧器内压力的稳定。

通过差压变送器采样来自除氧器内的压力，配合压力传感器的压力补偿，将数据传送回单片机进行PID运算，发出控制信号，控制调节阀。

单片机连接上位机，上位机装有监控软件，对除氧器内压力进行监控。

整个系统结构框图如图3-1所示[4]。

图3-1整体方框图

3.1.1A/D-D/A转换模块设计

A/D是指模/数转换器，是模/数转换器的缩写。

是将连续的模拟量（如象元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。

尽管ADC芯片的品种、型号很多，其内部功能强弱、转换速度快慢、转换精度高低有很大差别，但从外特性看，无论哪种芯片，都必不可少地要包括以下四种基本信号引脚端：

模拟信号输入端（单极性或双极性）；数字量输出端（并行或串行）；转换启动信号输入端；转换结束信号输出端。

除此之外，各种不同型号的芯片可能还会有一些其他各不相同的控制信号端。

这里，我们选用ADC0809。

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口，由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成[5]。

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[6]。

ADC0809对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是0~5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

ADC0809是单路8位输入A/D转换器，转换时间小于

。

量化间隔：

（3-1）

绝对量化误差：

（3-2）

相对量化误差：

（3-3）

在压力传感器误差与参考电压误差不大的情况下，ADC0809是完全满足设计误差要求的[7]。

在本设计中，单片机通过锁存器74HC373锁存，再经过IO扩展芯片8255输出端与ADC0809通信，其启动信号直接由单片机输出控制。

片选信号由单片机输出给8255，从而接受ADC0809的数据或向其发送数据。

本设计当中的单片机ADC0809模数转换器如图3-2所示。

图3-2ADC0809数模转换器

数模转换器，又称D/A转换器，简称DAC，它是把数字量转变成模拟的器件。

D/A转换器基本上由4个部分组成，即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。

这里我们采用DAC0832。

D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。

DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。

DAC0832有三种工作方式，分别为直通方式，单缓冲方式和双缓冲方式。

本设计采用了单缓冲的工作方式，输入寄存器和DAC寄存器共用一个地址，同时选通输出，输入数据在控制信号作用下，直接进入DAC寄存器中。

和

同时进行，并且与单片机的

端相连接，单片机对DAC0832执行一次写操作，将数据直接写入DAC寄存器中。

本设计当中的单片机DAC0832数模转换器连接如图3-3所示[8]。

图3-3DAC0832数模转换器

3.1.2通讯传输模块设计

通讯模块是单片机与上位机进行数据通讯的处理芯片及其外围电路。

目前单片机与上位机通讯采用两种方式，一种是常见的USB接口；第二种是采用美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种串行物理接口解决方案。

采用USB接口设计作为备用接口。

USB设计采用器件MAX232来实现。

MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电，是一种把电脑的串行口rs232信号电平（-10，+10v）转换为单片机所用到的TTL信号点平（0，+5）的芯片。

其中MAX232通信原理图如图3-4所示[9]。

图3-4MAX232通信原理图

本设计提供的USB物理接头使单片机和上位机之间可以通过USB线进行连接。

整个USB转串口线不需要外接电源，直接使用USB供电即可。

3.1.3时间模块设计

通过单片机的定时器，可以设计时间功能，然而单片机自身的产生时间数据大大占用了系统的资源，降低了工作效率，甚至影响了其他功能的实现，因此在本设计方案中，采用了外部芯片提供时间信号，用以系统记录时间信息。

DS1302因其较小的体积，占用I/O口资源少等特点，是常用的时间芯片。

此次设计采用DIP-8封装。

DS1302中Vcc1为后备电源，Vcc2为主电源。

在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。

DS1302由Vcc1或Vcc2两者中电压较大者供电。

当Vcc2大于Vcc1＋0.2V时，Vcc2供电，当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。

本设计中直接把芯片的2脚接高电平，由其给芯片供电。

X1和X2是振荡源接口，外接32.768kHz晶振。

RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传输。

RST输入有两种功能：

首先RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。

当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。

如果传送过程中RST置为低电平，则会终止此次传输，I/O引脚变为高阻态。

上电运行时，在Vcc≥2.5V之前，RST必须保持低电平。

只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。

I/O为串行数据输入输出端。

SCLK始终是输入端，用来输入串行时钟信号。

根据DS1302的特点，设计电路如图3-5所示[10]。

图3-5DS1302时间模块

在实际应用中，起控制、输入输出的三个端口上拉较弱，容因产生信号串扰，因此加上了上拉电阻，加强信号的稳定性。

3.1.4单片机接口扩展

因为本设计中有键盘输入控制与显示器等设备，而单片机接口数量有限，为解决这一问题，我们选择常见的可编程并行I/O接口芯片8255。

8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。

具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。

其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。

下面简单介绍一下8255的各个接口功能。

D0～D7：

三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。

PA0～PA7：

端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入锁存器。

工作于三种方式中的任何一种。

PB0～PB7：

端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器，一个8位的输入输出缓冲器。

PC0～PC7：

端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。

端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。

其设计图如图3-6所示[11]。

4

图3-68255扩口

8255A有三种工作方式，分别是方式0：

基本输入输出方式；方式1：

选通输入输出方式；方式2：

双向输入输出方式。

在本设计当中，我们使用8255A的方式0这种工作方式，即基本输入输出方式。

这种工作方式的基本特点是任何一个端口可以作为输入口，也可以作为输出口，各个端口之间没有规定的必然联系。

各个端口的输入或者输出，可以有不同的组合。

3.1.5主控模块设计

主控模块即是整个系统的控制与主要数据运算单元。

本设计采用单片机来作为主控模块的主要组成部分。

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RA