1、华北科技学院毕业设计（论文）第 1 页 共 46 页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
2、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
3、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基于单片机的锅炉监控系统设计第 2 页 共 46 页能转换为热能，或再通过
4、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
5、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。燃烧室燃 料空 气12345687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
6、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，燃烧过程中产生华北科技学院毕业设计（论文）第 3 页 共 46 页的烟气，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
7、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。基于单片机的锅炉监控系统设计第 4 页 共 46 页2开发环境简介2.1 Altium
8、designer 6.9 简介电路设计自动化 EDA（Electronic Design Automation）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。 Altium Designer 6.9 是原 Prote
9、l 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 Windows XP 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。 Altium Designer 6.9 除了全面继承包括 Protel 99SE、Protel DXP 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 SOP
10、C 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。2.2 Altium designer 6.9 五大模块简介：1.系统菜单：位于 Altium Designer 6.9 界面的上方左侧，启动 Altium designer 6.9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 Altium Designer 6.9 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
11、模块。华北科技学院毕业设计（论文）第 5 页 共 46 页2.浏览器工具栏：浏览器工具栏位于 Altium Designer 6.9 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
12、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 Altium Designer 6.9 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：Protel DXP 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 Altium Designer 6.9 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 Altium de
13、signer 画原理图基于单片机的锅炉监控系统设计第 6 页 共 46 页图 2-1 AD 原理图界面(1) 启动 Altium Designer 6.9 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
14、进行布局布线。该过程实际就是画图的过程。设计者可利用 Altium Designer 6.9 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 Altium Designer 6.9 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 Project Options 来编辑当前项目，根据 Altium Designer 6.9 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
15、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。华北科技学院毕业设计（论文）第 7 页 共 46 页基于单片机的锅炉监控系统设计第 8 页 共 46 页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（Microcontroller Unit） ，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
16、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
17、，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)、Fairc
18、hild( 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 为核心单元的所有华北科技学院毕业设计（论文）第 9 页 共 46 页单片微机。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 8
19、3C552 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 MCS48 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 Intel 8 位单片微机为例，第一代：以 MCS48 系列为代表，属于低性能单片微机阶段。第二代：以 MCS5l 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
20、 、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 MCS51 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 MCS51 兼容的单片微机。在众多的通用型单片机里，以 Intel
21、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
22、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 在基于单片机的锅炉监控系统设计第 10 页 共 46 页设计上的精美之处，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
23、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。3.1.2 AD 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
24、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 VoVi，该位 1 被保留，否则被清除。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 VoVi，该位 1 被保留，否则被清除。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，
