基于单片机的锅炉控制系统毕业设计论文.docx
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基于单片机的锅炉控制系统毕业设计论文
1绪论
本文详细介绍了一款基于单片机的锅炉监控系统，该系统能根据锅炉现场检测出各个状态，如实现温度、压力、水位、液位等的监控，具有数码管显示、报警的功能。
能够快速、稳定、安全、可靠地对工业锅炉进行智能化监控。
1.1背景资料及研究意义
当今，环境与发展已成为人类社会面临的两大课题，而这些问题的解决无一不与能源密切相关。
我国的锅炉目前以煤为主要燃料，耗煤量接近全国煤产量的三分之一。
同时，锅炉燃用的主要是中、低质煤，工业污染十分严重；而且锅炉形式比较陈旧，生产效率和自动化程度低，这又进一步加重了环境污染的程度。
因此，调整能源消费结构，逐步提高使用液体燃料和气体燃料的比例是加强环境保护、实施可持续发展战略的措施之一。
其中油、气燃料作为优质、高效、环保型清洁能源有着广阔的应用前景。
由于历史条件的原因，我国的锅炉生产自动化程度长期以来一直都较发达国家落后许多。
目前运行的各行业的锅炉有50多万台，其中相当一部分还在使用常规仪表进行控制，有的甚至还处在人工加常规仪表的半自动控制状态。
这样不仅难以做到平稳操作，安全生产也没有确定的保证，人工的劳动强度大，生产条件差。
工业锅炉是工业生产和生活上应用广泛的热能动力设备，锅炉汽包水位的平衡是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的重要指标之一。
水位过高会影响汽水分离产生蒸汽带液现象影响汽水分离装置的正常工作，导致锅炉出口蒸汽带水和含盐量过大，使过热器受热面结垢甚至破坏，影响机组的正常运行和经济性指标。
若汽包水位过低，会使锅炉水循环工况破坏，导致水冷壁供水不足而烧坏，可能造成重大锅炉事故。
工业锅炉汽包水位控制的任务是监测锅炉的蒸发量并及时报警，使汽包水位维持在工艺允许的范围内。
所以这就要求我们对锅炉的温度、流量、水位、压力等参数实行实时的监控，以便于工作人员更好地对锅炉进行控制，以免事故的发生。
1.2锅炉控制系统的一般结构与工作原理
锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备.其作用就是有效地把燃料中的化学能转换为热能，或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能量形式，长期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用。
锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量（汽压、汽温）和相应数量的蒸汽。
它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。
锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。
“锅”就是锅炉的汽水系统，如图1-1所示。
由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水调节阀2、给水母管1及蒸汽母管6等组成。
锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包。
汽包中的水经下降管进入锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。
水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。
汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。
图1-1锅炉的汽水系统
“炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器等组成。
锅炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在空气预热器中吸收烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定的比例进入炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。
然后经过过热器，形成一定的过热蒸汽，汇集到蒸汽母管。
具有一定压力的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。
与此同时，燃烧过程中产生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。
1.3系统简介
单片机是在一块芯片上集成了一台微型计算机所需的CPU、存储器、输入、输出等部件。
单片机自问世以来，性能不断提高和完善，体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。
工业控制系统的工作环境恶劣，干扰强。
故要求控制系统的工作稳定、抗干扰能力强。
单片机能满足这些要求，因此单片机在控制领域得到了广泛的应用。
使用单片机控制锅炉是很好的选择。
为了实现对锅炉的温度、压力、水位、流量的实时监控，本文介绍了一种以AT89C52单片机为核心的控制模块，ADC0809模数转换器，并结合数码管、报警电路为一体的锅炉监控系统。
ADC0809连接四个传感器，从传感器中采集模拟信号，然后经过模数转换，把模拟信号转变为电信号，再连接到单片机，以实现信号的处理。
单片机连接到显示电路，报警电路，分别对系统温度、压力、流量和水位的信息给予实时的显示及报警。
2．开发环境简介
2.1Altiumdesigner6.9简介
电路设计自动化EDA（ElectronicDesignAutomation）指的就是将电路设计中各种工作交由计算机来协助完成。
如电路原理图（Schematic）的绘制、印刷电路板（PCB）文件的制作、执行电路仿真（Simulation）等设计工作。
随着电子科技的蓬勃发展，新型元器件层出不穷，电子线路变得越来越复杂，电路的设计工作已经无法单纯依靠手工来完成，电子线路计算机辅助设计已经成为必然趋势，越来越多的设计人员使用快捷、高效的CAD设计软件来进行辅助电路原理图、印制电路板图的设计，打印各种报表。
AltiumDesigner6.9是原Protel软件开发商Altium公司于2006年推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在WindowsXP操作系统。
这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。
AltiumDesigner6.9除了全面继承包括Protel99SE、ProtelDXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。
该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。
2.2Altiumdesigner6.9五大模块简介：
1.系统菜单：
位于AltiumDesigner6.9界面的上方左侧，启动Altiumdesigner6.9后，系统显示“DXP”、“File”、“View”、“Project”、“Window”和“Help”基本操作菜单项，用户使用这些菜单项内的命令选项可以设置AltiumDesigner6.9中的系统参数，新建各类项目文件，启动对应的设计模块。
当设计模块被启动后，主菜单将会自动更新，以匹配设计模块。
2.浏览器工具栏：
浏览器工具栏位于AltiumDesigner6.9界面的上方右侧，由浏览器地址编辑框、后退快捷按钮、前进快捷按钮、回主页快捷按钮和个人喜好快捷按钮组成。
其中，浏览器地址编辑框用于显示当前工作区文件的地址；单击后退或前进快捷按钮可以根据浏览的次序后退或前进，且通过单击按钮右侧的下拉列表按钮，打开浏览次序列表，用户还可以选择重新打开用户在此之前或之后浏览的页面；单击回主页快捷按钮，将返回系统默认主页；单击个人喜好快捷按钮，可以将当前页面设置为个人喜好页面。
3.系统工具栏：
系统工具栏位于系统菜单下方，由快捷工具按钮组成，单击此处按钮等同于选择相应菜单命令。
4.工作区：
工作区位于AltiumDesigner6.9界面的中间，是用户编辑各种文档的区域。
在无编辑对象打开的情况下，工作区将自动显示为系统默认主页，主页内列出了常用的任务命令，单击即可快捷启动相应工具模块。
5.工作面板窗口：
ProtelDXP为用户提供了大量的工作区面板窗口，如文件管理面板、项目管理面板、器件库面板等，分别位于AltiumDesigner6.9界面的左右两侧和下部。
用户可以以用工作区面板右上部分的小按钮移动、修改或修剪面板，单击相应的面板标签还可以显示、隐藏或切换工作面板窗口。
2.3使用Altiumdesigner画原理图
图2-1AD原理图界面
（1）启动AltiumDesigner6.9原理图编辑器。
（2）设置原理图图纸大小以及版面。
绘制原理图前，必须根据实际电路的复杂程度来设置图纸的大小，设置图纸的过程实际上是建立工作平面的过程，用户可以设置图纸方向、网格大小以及标题栏等。
（3）在图纸上放置元件。
根据实际电路的需要，从元件库里取出所需的元件放置到工作平面上。
设计者可以根据元件之间的走线等关系，对元件在工作平面上的位置进行调整、修改，并对元件的编号、封装进行定义和设定，为下一步工作打好基础。
（4）对所放置的元件进行布局布线。
该过程实际就是画图的过程。
设计者可利用AltiumDesigner6.9提供的各种工具、命令进行布线，将工作平面上的元件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一个完整的原理图。
（5）对布局布线后的元件进行调整。
在这一过程，设计者利用AltiumDesigner6.9的各种功能对所绘制的原理图作进一步的调整和修改，以保证原理图的美观和正确。
（6）电气检查。
布线完成后，还需要设置ProjectOptions来编辑当前项目，根据AltiumDesigner6.9提供的错误检查报告重新修改原理图。
（7）保存文档和报表输出。
此阶段可利用报表工具生成各种报表，如网络表、元件清单，此时也可设置打印参数并进行打印，从而为生成印制电路板做好准备。
3．设计原理与芯片介绍
3.1设计原理
3.1.1单片机
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU来表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。
二十世纪七十年代单片机的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑，因为单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。
计算机两大分支的产生大大促进了现代计算机技术的飞速发展。
通用计算机系统以发展海量高速数值计算为己任，不必兼顾控制功能，其数据总线宽度不断更新，迅速从8位、16位过渡到32位、64位，不断完善其通用操作系统，突出发展海量高速数值计算能力，并在数据处理、模拟仿真、人工智能图像处理、多媒体、网络通信中得到了广泛的应用；单片机则以面向对象的实时控制为己任，目前仍以8位机为主流，不断增强控制能力，降低成本，减小体积，改善开发环境，以空前的速度迅速而广泛地取代经典电子系统。
单片机应用在检测、控制领域中具有如下特点，单片机具有体积小、重量轻、功能强、功耗低、运行速度快、抗干扰能力强、性价比高、可靠性高等特点，结构灵活，数据基本上都在单片机内部传送，易于组成各种微机应用系统。
它既可用于工业自动控制等场合，又可用于机电一体化产品、智能仪器、测量仪器、医疗仪器、家用电器等领域，在过程控制、计算机网络及通讯等方面得到广泛应用。
单片微型计算机经历了1位、4位、8位、16位及32位的发展阶段，世界上一些著名的半导体器件厂家都开发了单片微型计算机，如Intel，Motorola，Zilog（泽洛格公司）、Fairchild（仙童摄像机与仪器公司）、Mostek（莫斯蒂克公司）等，单片机的品种日益增加。
8051是美国INTEL公司在1980年推出的MCS-51系列的第一个成员，MCS是INTEL公司的注册商标。
其它公司生产的以8051为核心单元的其它派生单片微机只能称为8051系列。
8051系列泛指所有公司（也包括INTEL公司）生产的以8051为核心单元的所有单片微机。
80C51系列包括Intel公司的MCS-51，又包括了以8051为核心单元的世界许多公司生产的单片微机，比如PHILIPS的83C552及51LPC系列等、SIEMENS的SAB80512等、AMD（先进微器件公司）的8053等、OKI（日本冲电气公司）的MSM80C154等、ATMEL公司的89C51等、DALLAS公司的DS5000/DS5001等、华邦公司的W78C51及W77C51等。
从MCS－48单片微机发展到如今的新一代单片微机，大致经历了三代。
如以Intel8位单片微机为例，
第一代：
以MCS－48系列为代表，属于低性能单片微机阶段。
第二代：
以MCS－5l系列的8051、8052为代表。
主要的技术特征是为单片微机配置了完善的外部并行总线（AB、DB、CB）和具有多机识别功能的串行通信接口（UART），规范了功能单元的特殊功能寄存器（SFR）控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统，为发展具有良好兼容性的新一代单片微机奠定了良好的基础。
第三代：
以80C51系列为代表。
它包括了Intel公司发展MCS－51系列的新一代产品，如8XC152、80C51FA/FB、80C5lGA/GB、8XC451、8XC452，还包括了Phlips、Siemens、ADM、Fujutsu、OKI、ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色、与MCS－51兼容的单片微机。
在众多的通用型单片机里，以Intel公司的MCS-51系列单片微型计算机最为著名。
MCS-51单片机系列有：
普通型：
51子系列8051/8751/8031；
增强型：
52子系列8052/8752/8032；
低功耗型：
80C51/87C51/80C31；80C52/87C52/80C32。
低功耗型单片机采用C110半导体，用字母C0MS工艺型号中标识。
如8051功耗为630mW，而80C51功耗仅为120mW，适于便携式或野外作业仪器设备中使用。
特别值得一提的是MCS-51的布尔处理器。
它实际上是一个完整的一位微计算机，这个一位机有自己的CPU，位寄存器，I/O口和指令集。
把八位微机和一位微机结合在一起是微机技术上的一个突破。
一位机在开关决策，逻辑电路仿真和实时控制方面非常有效；而八位机在运算处理、数据采集方面有明显的长处，在MCS-51单片机中，八位机和一位机（布尔处理器）的硬件资源是复合在一起的，二者相辅相承，这是MCS-51在设计上的精美之处，也是一般微机所不具备的，而且具有特殊的多机通讯功能，可作为多机系统的一个子系统。
很多智能性应用场合，智能型产品都用到了单片微型计算机，单片微型计算机应用开发一直受到人们的重视，并且日益强劲。
MCS-51单片机的应用设计一般包括两大方面，即硬件接口设计和软件设计。
软件设计中又分为与接口硬件有关的驱动程序的设计以及与接口硬件无关的数据运算和处理程序的设计。
3.1.2AD转换
A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。
模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。
但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。
A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。
AD转换主要有以下三种方法：
（1）逐次逼近法
逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。
采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。
基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。
逐次逼近法转换过程是：
初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为Vo，与送入比较器的待转换的模拟量Vi进行比较，若Vo然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的Vo再与Vi比较，若Vo重复此过程，直至逼近寄存器最低位。
转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。
逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。
（2）双积分法
采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。
基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。
双积分法A/D转换的过程是：
先将开关接通待转换的模拟量Vi，Vi采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间T的正向积分，时间T到后，开关再接通与Vi极性相反的基准电压VREF，将VREF输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。
Vi越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。
计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Vi所对应的数字量，实现了A/D转换。
（3）电压频率转换法
采用电压频率转换法的A/D转换器，由计数器、控制门及一个具有恒定时间的时钟门控制信号组成。
它的工作原理是V/F转换电路把输入的模拟电压转换成与模拟电压成正比的脉冲信号。
电压频率转换法的工作过程是：
当模拟电压Vi加到V/F的输入端，便产生频率F与Vi成正比的脉冲，在一定的时间内对该脉冲信号计数，时间到，统计到计数器的计数值正比于输入电压Vi，从而完成A/D转换。
3.1.3传感器
（1）传感器的定义
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：
“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
（2）传感器的分类
a、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器。
b、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。
c、按传感器输出信号的性质分类，可分为：
输出为开关量（“1”和"0”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。
（3）、传感器的静态特性
传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。
因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。
表征传感器静态特性的主要参数有：
线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。
（4）、传感器的动态特性
所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。
在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。
这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。
最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
（5）、传感器的线性度
通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。
在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。
拟合直线的选取有多种方法。
如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
（6）、传感器的灵敏度
灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。
它是输出一输入特性曲线的斜率。
如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。
否则，它将随输入量的变化而变化。
灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。
例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。
当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。
提高灵敏度，可得到较高的测量精度。
但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。
（7）、传感器的分辨力
分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。
也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。
当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。
只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。
通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。
上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。
（8）、电阻式传感器
电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。
主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。
（9）、电阻应变式传感器
传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。
电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。
半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。
（10）、压阻式传感器
压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。
其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。
当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。
用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。
（11）、热电阻传感器
热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。
在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。
目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。
用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。
（12）、传感器的迟滞特性
迟滞特性表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程间输出一输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值△MAX与满量程输出F·S的百分比表示。
迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。
3.2AT89C52芯片介绍
图3-1单片机内部结构示意图
1.中央处理器（CPU）
中央处理器是单片机最核心的部分，主要完成运算和控制功能。
2.内部存储器
内部存储器包括内部数据存储器（内部RAM）和内部程序存储器。
存储器是由大量的寄存器所组成，其中每一个寄存器就称为一个存储单元。
3.定时/计数器
单片机的定时器和计数器是同一结构，只是计数器记录的是单片机外部发生的事件，由单片机的外部电路提供计数信号；而定时器是由单片机内部提供一个非常稳定的计数信号。
4.中断系统
中断系统在计算机中起着十分重要的作用，是现代计算机系统中广泛采用的一种实时控制技术，能对突发事件进行及时处理，从而大大提高系统的实时性能。
5.串行I/O接口
串行I/O口的数据各位按顺序传输，其特点是需要一对传输线，成本低；但速度慢，效率低，适合静态显示。
6.
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