小区交换站供热系统数据采集模块的设计毕业设计论文.docx

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小区交换站供热系统数据采集模块的设计毕业设计论文

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

1引言

1.1课题研究的意义和目的

以往，我国北方大多采用分散供热的方式。

但是，随着计算机技术的发展以及人们节能降耗和环保意识的增强，分散供暖方式逐渐被集中供暖方式所取代。

在供热系统中，换热站是连接热源和用户的枢纽，是数据监测中心，目前大型热电联产系统大多采用间接连接的供热方式。

热电厂提供的高温过热蒸汽经电厂换热站汽—水换热器形成供暖热水，由一次管网送至各换热站，高温热水再由板式换热器水—水换热器形成供暖热水由二次管网送至用户。

课题主要研究社区交换站供热系统的数据采集模块的设计，通过对热水管网温度、压力、流量等数据参数的采集，实现对供热系统的实时监测。

同时，分布于多个换热站的该供暖换热站运行参数监测装置可采集多个换热站的运行参数，并通过互联网将换热站的运行参数传送到供暖监控中心，集中显示和监测，可使供热调度部门需要对分散在不同地理位置换热站的温度、压力、流量、液位、设备状态等许多参数进行集中实时监测，有效的掌握系统各数据参数的变化和主要设备的运行效率极其变化规律，从而减少各个换热站的工作人员，实现各换热站无人值守，达到了减员增效的目的，提高工作效率和管理水平，同时提高了供暖可靠性，保证供暖质量，为社区交换站供热系统的优化运行管理提供可靠的保证[1]。

1.2国内外发展状况

数据采集系统起始于20世纪中期，在70年代初，原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程控器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。

由微处理器去完成程控，数据处理及大部分逻辑操作，使系统的灵活性和可靠性大大地提高，系统硬件成本和系统的重建费用大大地降低。

近年来，国外数据采集系统快速发展，占据着大量市场，其结构基本上都是与一定个人计算机配套使用的模块化数采单元和系统，无论在性能、工艺或装潢方面都具有较强的竞争力，并由专门的产业集团公司研制和生产，产品也在不断更新换代。

比较典型的有美国的B+F公司、HP公司，英国输力强公司，法国迈威公司的MOVILOG数据采集器等。

我国的数据采集技术也已经有了很大的提高，应用于众多领域。

数据采集的效果，主要是看精度和速度。

作为一个整体来说，数据采集系统的发展受到很多方面的限制，比如：

软件技术、网络技术、测量技术、传感器技术，这些都影响了数据采集的发展。

朱本坤在在其文献中介绍了基于PC的单片机数据采集系统，讨论了PC机和单片机之间的通信原理和通讯方法，同时给出了VB通讯程序的设计要点。

同时，社区交换站供热系统的数据采集与监控也在不断的提高，使我国城市的集中供热的有效运行更加可靠。

例如，有的小区交换站的数据监测模块，采取了一种新型现代化监控器，以保证安全生产和提高运行效率。

针对一些问题，例如目前换热站运行依赖于人力，因此管理水平和运营效率都很低，因此设计了人机交互平台，从此实现了换热站调度、管理、系统仿真的集成化，这对于供热系统的现代化运行和有效管理来说是一个有利的工具[2]。

我国现已实现集中供热智能无人值守换热站自控系统的设计，林舒宜与张炳伟在其文献中阐述了通过对换热站的数据参数进行数据采集、集中管理，通过网络把各个换热站的信息汇总到服务器，增强自动化管理。

通过对曲线进行对比、分析，可对换热站进行宏观调控，动态的修改控制参数，最终达到控制供热质量，节约能源的作用。

另外，王萌也在其论文中阐述了的供暖换热站运行参数监测装置，可采集多个换热站的运行参数，并通过互联网将换热站的运行参数传送到供暖监控中心，集中显示和监测，从而减少各个换热站的工作人员，实现各换热站无人值守，达到了减员增效的目的，同时提高了供暖可靠性，保证供暖质量[3]。

由此可看出我国的城市的集中供暖，换热站的数据采集与自动监控已经取得了显著的成果，实现了监控管理自动化，同时也可以根据监控数据随时调整，达到有效供暖与节约能源双管齐下。

1.3论文主要任务

本课题主要是完成小区交换站供热系统数据采集模块的设计，以单片机为核心器件，达到数据采集、显示、存储以及通信等功能。

课题从初步构思到整体完成所包含的主要任务有：

1）完成了数据采集模块总体框图的设计；

2）完成了器件的选型及硬件电路的设计；

3）完成了软件程序的设计；

4）完成了硬软件的调试；

2课题方案设计

2.1集中供热系统的构成

城市集中供热系统主要包括热力站（或称热源厂）、热水管网、换热站、用户（或称居民社区）等几部分。

 连接于热源厂和热用户之间的供热系统是整个集中供热系统的重要组成部分，居民社区的供热系统主要包括社区的热水管网和热力站，热水管网分为一次网与二次网，一次网是指连接于城市管网与热力站之间的管网，二次网是指连接于热力站与热用户之的管网，热力站通过二次管网把热量送到终端用户。

集中供热系统的构成如图2.1所示。

二次网回水

用户户

换热站

热源源

循环泵

本课题的研究设计主要是实现基于以单片机为核心的对供热系统温度、压力、流量等模拟量及循环泵和补水泵启停控制等开关量的数据采集模块的设计，具体包括：

1）、热交换站一次侧总管的供水温度和回水温度（两路温度信号） 

2）、热交换站二次侧总管的供水温度和回水温度（两路温度信号）

3）、热交换站一次侧供水总管压力和回水总管压力（两路压力信号）

4）、热交换站二次侧供水总管压力和回水总管压力（两路压力信号）

5）、热力站补水管网的的流量（一路流量信号） 

6）、热力站一次管网的流量（一路流量信号）

7）、循环泵和补水泵的启停（开关量信号）

2.2方案总体设计框图

根据本课题的设计要求，数据采集模块包括单片机最小系统、电源电路、数据采集模块、数据采集与输入模块、数据通信模块、数据存储模块。

总体的方案原理图设计如图2.2所示。

2.3单片机的选择

本课题要求完成对温度、压力、流量等模拟量的采集，为了尽可能降低成本，简化电路，本课题采用自带8路A/D转换的单片机STC12C5A60S2。

STC12C5A60S2是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合[5]。

本课题采用40引脚封装的单片机型号：

PDIP-40，单片机STC12C5A60S2芯片及引脚如图2.3所示：

图2.3单片机STC12C5A60S2的引脚图

2.4传感器的选择

1）温度传感器的选择

本设计中，要求水温测量范围0°C~120°C,误差为±0.5°C。

DS18B20单总线数字温度传感器的测温范围可达-55°C~+125°C，精度可达±0.5°C，完全可以满足所要求的测量范围和精度，因此，选择DS18B20作为本次设计的温度传感器。

DS18B20数字温度计提供9~12位摄氏温度测量而且有一个由高低电平触发的可不因电源消失而改变的报警功能。

DS18B20通过一个单线界面发送或接受信息，因此在中央处理器和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线），直接从单线通讯在线汲取能量，除去了对外部电源的需求。

2）压力传感器的选择

考虑到工业实际环境和要求，压力传感器采用工业中的压力变送器，它能够接收气体液体等压力信号并将其转换成电流信号，以供记录仪、报警仪等仪器进行测量。

本论文要求的压力变送器需要输出4~20mA的电流信号，能够测得0~20Mpa的压力，供电电压为24V，且量程可调。

压力变送器具有优良的可靠性，广泛的适应性以及很强的适应性和多样性，可广泛用于石油、化工、电力等领域。

3）流量传感器的选择

本课题采用电磁流量计测量一、二次管网的流量，电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的流量计。

电磁流量计的优点是压损极小，可测流量范围大。

最大流量与最小流量的比值一般为20：

1以上，适用的工业管径范围宽，最大可达3m，输出信号和被测流量成线性，精确度较高，可测量电导率≥5μs/cm的酸、碱、盐溶液、水、污水、腐蚀性液体以及泥浆、矿浆、纸浆等的流体流量。

电磁流量计测量范围度大，通常为20：

1~50：

1，可选流量范围宽；电磁流量计的口径范围比其他品种流量仪表宽，从几毫米到3米；可测量正反双向流量，也可测脉动流量，只要脉动频率低于激磁频率很多；仪表输出本质上是线性的；易于选择与流体接触件的材料品种，可应用于腐蚀性流体等优点。

由于电磁流量计测量含有悬浮固体或污脏体的机会远比其他流量仪表多，出现内壁附着层产生的故障概率也就相对较高。

　若附着层电导率与液体电导率相近，仪表还能正常输出信。

基于以上特点，本课题最终选用电磁流量计作为测量元件[6]。

2.5显示器的选择

本课题要求显示4路温度、四路压力、两路流量数据，以及两路开关量，本课题采用LCD1602液晶显示器进行温度、压力、流量等数据显示，用两只二极管的亮灭分别代表循环泵和补水泵的启停状态等开关量。

LCD是液晶显示器的简称，具有功耗低、体积小、无电磁辐射、显示量大、易于彩色化等一系列优点。

液晶显示器的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面并配合背部灯管构成画面。

工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。

（16列2行）1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。

1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。

1602采用标准的16脚界面，其引脚图如图2.5所示：

3硬件电路的设计

3.1单片机最小系统的设计

单片机STC12C5A60S2外部晶振为12MHz,一个指令周期为1/12us，其最小系统包括复位电路和时钟电路。

时钟电路用于产生单片机工作时所需的时钟控制信号，AT89C52单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准的，有条不紊的一拍一拍的工作，时钟信号直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也可以直接影响单片机的系统稳定性。

常用的时钟信号电路设计两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式，本设计从简化电路方面考虑，采用内部时钟方式。

STC12C5A60S2单片机内有一个用于构成振荡器的高增益的反相放大器，该高增益反相放大器的输人端为芯片引脚（XTAL1），输出端为芯片引脚（XTAL2），这两个引脚接石英晶体振荡器（简称晶振）和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。

电路中电容C1和C2通常选择30pF左右，电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。

晶体振荡器的频率范围通常是在1.2MHz~12MHz之间，晶振频率越高，则系统的时钟频率就越高，单片机也就运行更快[7]。

复位电路单片机的初始化操作，可以初始化系统，摆脱由于程序运行出错和操作失误造成的系统死锁状态。

STC12C5A60S2单片机是通过外部复位电路实行复位功能的，复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

本课题采用手动复位。

单片机最小系统电路图如图3.1所示。

3.2数据采集电路的设计

1）温度采集模块的设计

DS18B20有8引脚的SO封装、8引脚μSOP封装以及3引脚TO—92封装3种形式。

本设计采用的只有三引脚的DS18B20封装形式，三个引脚分别是GND接地引脚，DQ数据输入或者输出引脚，VCC电源引脚或者工作在寄生电源时该引脚接地。

接线图如图3.2所示。

图3.2DS18B20温度传感器与单片机连接图

2）压力采集模块的设计

压力变送器所采集的压力范围为0~20MPa，输出的是4~20mA的直流信号，因为单片机具有A/D转换功能的P1口输入的模拟信号是1~5V的电压信号，因此，需要将压力变送器输出的4~20mA的电流经250Ω的电阻变成1~5V的电压，经电容滤波后连接到自带A/D转换的单片机的P1口，其信号处理电路如图3.3所示[8]。

3）流量采集模块的设计

电磁流量计的测量范围为1~10000（m3/h），输出信号为4~20mA电流输出，须经250Ω电阻转换成1~5V的电压信号，再经电容滤波后送至单片机的P1口，其信号处理电路如图3.4所示。

4）开关量采集模块的设计

光电耦合器亦称光电隔离器，简称光耦。

光电耦合器以光为媒介传输电信号。

它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，光耦合器一般由三部分组成：

光的发射、光的接收及信号放大。

输入的电信号驱动发光二极管，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。

这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。

由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力[9]。

本课题须采集循环泵、补水泵启停状态等开关量，设计电路为上电后分别用一个开关代表控制两个泵启停的接触器线圈的吸合状态，输出的信号经过光电耦合器传送至单片机，其电路图如图3.5所示。

3.3键盘与显示电路的设计

1）显示电路

LCD1602与单片机的连接图如图3.6所示：

图3.6LCD1602液晶界面

2）键盘电路

键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。

在一般情况下，键盘是由一组排列规则的按键组成的，但键盘实际上是一组按键开关的集合。

通常，键盘开关利用了机械触点的闭合和断开作用，一个电压信号通过键盘开关机械触电的断开和闭合，输出一个电压波形。

常用的键盘界面分为独立式键盘界面和行列式键盘界面。

由于本设计中只有两个按键，故采用设计简便的独立式键盘界面。

独立式界面键盘是最简单的键盘，各键相互独立，直接用I/O口线的构成单个按键电路，通过检测输入线的电平状态就可以很容易的判断出是哪个按键按下。

本设计中的键盘界面电路如图3.7所示。

此键盘电路共2个按键，分别与单片机的P3.2、P3.3，两个按键分别为开始翻页键K1和数据存储键K2组成。

当按下K1时，LCD液晶显示器显示不同的工程量；按下K2键，数据暂停与上位机进行数据通信，开始进行数据存储[10]。

3.4通信模块的设计

本课题的通信模块采用标准RS232串行通信标准进行与上位机的数据通讯，RS-323C标准是美国EIA（电子工业联合会）与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。

它适合于数据传输速率在0～20000b/s范围内的通信。

这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电气特性都作了明确规定。

由于通行设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。

目前大多数计算机的RS-232C通信接口都使用了DB9连接器，由于RS-232规定的电平和一般微处理器的逻辑电平不一致，必须进行电平转换，本课题采用MAX232芯片将TTL电平转换成RS232标准串行通讯电信号[11]。

MAX232是MAXIM公司生产的，包含两路驱动器和接收器的RS232转换芯片。

MAX232符合所有的RS-232C技术标准；只需要单一+5V电源供电；功耗低，典型供电电流5mA；内部集成2个RS-232C驱动器；高集成度，片外最低只需4个电容即可工作；芯片内部有一个电压转换器，片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-，将输入的+5V电压转换为RS232接口所需的±10V电压，尤其适用于没有±12V的单电源系统。

基于以上特点，本课题最终选用MAX232芯片进行电瓶的转换，其引脚图如图3.8所示。

第一部分是电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。

功能是产生+10v和-10v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

　　第二部分是数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。

其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。

TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）输入转换成RS-232数据从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）送到电脑DB9插头;DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出。

第三部分是供电。

15脚GND、16脚VCC（+5v）。

本课题采用第一数据通道，TTL/CMOS电平的T1IN引脚应接STC12C5A60S2的串行发送引脚TXD,R1OUT接AT89C52的串行接收引脚RXD；与之对应，T1OUT、