【正文】 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1 緒論本文詳細(xì)介紹了一款基于單片機(jī)的鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能根據(jù)鍋爐現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)出各個(gè)狀態(tài)，如實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、水位、液位等的監(jiān)控，具有數(shù)碼管顯示、報(bào)警的功能。能夠快速、穩(wěn)定、安全、可靠地對(duì)工業(yè)鍋爐進(jìn)行智能化監(jiān)控。 背景資料及研究意義當(dāng)今，環(huán)境與發(fā)展已成為人類社會(huì)面臨的兩大課題，而這些問題的解決無(wú)一不與能源密切相關(guān)。我國(guó)的鍋爐目前以煤為主要燃料，耗煤量接近全國(guó)煤產(chǎn)量的三分之一。同時(shí)，鍋爐燃用的主要是中、低質(zhì)煤，工業(yè)污染十分嚴(yán)重；而且鍋爐形式比較陳舊，生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度低，這又進(jìn)一步加重了環(huán)境污染的程度。因此，調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，逐步提高使用液體燃料和氣體燃料的比例是加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)、實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的措施之一。其中油、氣燃料作為優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保型清潔能源有著廣闊的應(yīng)用前景。 由于歷史條件的原因，我國(guó)的鍋爐生產(chǎn)自動(dòng)化程度長(zhǎng)期以來(lái)一直都較發(fā)達(dá)國(guó)家落后許多。目前運(yùn)行的各行業(yè)的鍋爐有50多萬(wàn)臺(tái)，其中相當(dāng)一部分還在使用常規(guī)儀表進(jìn)行控制，有的甚至還處在人工加常規(guī)儀表的半自動(dòng)控制狀態(tài)。這樣不僅難以做到平穩(wěn)操作，安全生產(chǎn)也沒有確定的保證，人工的勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)條件差。工業(yè)鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)和生活上應(yīng)用廣泛的熱能動(dòng)力設(shè)備，鍋爐汽包水位的平衡是保證鍋爐安全生產(chǎn)運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常生產(chǎn)運(yùn)行的重要指標(biāo)之一。水位過高會(huì)影響汽水分離產(chǎn)生蒸汽帶液現(xiàn)象影響汽水分離裝置的正常工作，導(dǎo)致鍋爐出口蒸汽帶水和含鹽量過大，使過熱器受熱面結(jié)垢甚至破壞，影響機(jī)組的正常運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。若汽包水位過低，會(huì)使鍋爐水循環(huán)工況破壞，導(dǎo)致水冷壁供水不足而燒壞，可能造成重大鍋爐事故。工業(yè)鍋爐汽包水位控制的任務(wù)是監(jiān)測(cè)鍋爐的蒸發(fā)量并及時(shí)報(bào)警，使汽包水位維持在工藝允許的范圍內(nèi)。所以這就要求我們對(duì)鍋爐的溫度、流量、水位、壓力等參數(shù)實(shí)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，以便于工作人員更好地對(duì)鍋爐進(jìn)行控制，以免事故的發(fā)生。 鍋爐控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)與工作原理 ，或再通過相應(yīng)設(shè)備將熱能轉(zhuǎn)化為其它生產(chǎn)和生活所需的能量形式，長(zhǎng)期以來(lái)在生產(chǎn)和居民生活中都起很重要的作用。鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備，鍋爐的任務(wù)是根據(jù)外界負(fù)荷的變化，輸送一定質(zhì)量(汽壓、汽溫)和相應(yīng)數(shù)量的蒸汽。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅能夠?yàn)檎麴s、化學(xué)反應(yīng)、干燥等過程提供熱源，而且還可以作為風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵類驅(qū)動(dòng)透平的動(dòng)力源。鍋爐是由“鍋”和“爐”兩部分組成的。“鍋”就是鍋爐的汽水系統(tǒng)，如圖11所示。由省煤器汽包下降管過熱器上升管給水調(diào)節(jié)閥給水母管1及蒸汽母管6等組成。鍋爐的給水用給水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收煙氣的熱量，使溫度升高到本身壓力下的沸點(diǎn)，成為飽和水然后引入汽包。汽包中的水經(jīng)下降管進(jìn)入鍋爐底部的下聯(lián)箱，又經(jīng)爐膛四周的水冷壁進(jìn)入上聯(lián)箱，隨即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收爐內(nèi)火焰直接輻射的熱，在溫度不變的情況下，一部分蒸發(fā)成蒸汽，成為汽水混合物。汽水混合物在汽包中分離成水和汽，水和給水一起再進(jìn)入下降管參加循環(huán)，汽則由汽包頂部的管子引往過熱器，蒸汽在過熱器中吸熱、升溫達(dá)到規(guī)定溫度，成為合格蒸汽送入蒸汽母管。圖11鍋爐的汽水系統(tǒng) “爐”就是鍋爐的燃燒系統(tǒng)，由爐膜、煙道、噴燃器、空氣預(yù)熱器等組成。鍋爐燃料燃燒所需的空氣由送風(fēng)機(jī)送入，通過空氣預(yù)熱器，在空氣預(yù)熱器中吸收煙氣熱量，成為熱空氣后，與燃料按一定的比例進(jìn)入爐膛燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽。然后經(jīng)過過熱器，形成一定的過熱蒸汽，匯集到蒸汽母管。具有一定壓力的過熱蒸汽，經(jīng)過負(fù)荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥供負(fù)荷設(shè)備使用。與此同時(shí)，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，其中含有大量余熱，除了將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還預(yù)熱鍋爐給水和空氣，最后經(jīng)煙囪排入大氣。 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 單片機(jī)是在一塊芯片上集成了一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)所需的CPU、存儲(chǔ)器、輸入、輸出等部件。單片機(jī)自問世以來(lái)，性能不斷提高和完善，體積小、速度快、功耗低的特點(diǎn)使它的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣，干擾強(qiáng)。故要求控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)。單片機(jī)能滿足這些要求，因此單片機(jī)在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。使用單片機(jī)控制鍋爐是很好的選擇。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐的溫度、壓力、水位、流量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，本文介紹了一種以AT89C52單片機(jī)為核心的控制模塊，ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并結(jié)合數(shù)碼管、報(bào)警電路為一體的鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)。ADC0809連接四個(gè)傳感器，從傳感器中采集模擬信號(hào)，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再連接到單片機(jī)，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理。單片機(jī)連接到顯示電路，報(bào)警電路，分別對(duì)系統(tǒng)溫度、壓力、流量和水位的信息給予實(shí)時(shí)的顯示及報(bào)警。2．開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介 Altium designer 簡(jiǎn)介電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化 EDA（Electronic Design Automation）指的就是將電路設(shè)計(jì)中各種工作交由計(jì)算機(jī)來(lái)協(xié)助完成。如電路原理圖（Schematic）的繪制、印刷電路板（PCB）文件的制作、執(zhí)行電路仿真（Simulation）等設(shè)計(jì)工作。隨著電子科技的蓬勃發(fā)展，新型元器件層出不窮，電子線路變得越來(lái)越復(fù)雜，電路的設(shè)計(jì)工作已經(jīng)無(wú)法單純依靠手工來(lái)完成，電子線路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已經(jīng)成為必然趨勢(shì)，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)人員使用快捷、高效的 CAD 設(shè)計(jì)軟件來(lái)進(jìn)行輔助電路原理圖、印制電路板圖的設(shè)計(jì)，打印各種報(bào)表。 Altium Designer 是原 Protel 軟件開發(fā)商 Altium 公司于 2006 年推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，主要運(yùn)行在 Windows XP 操作系統(tǒng)。這套軟件通過把原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、PCB 繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)的完美融合，為設(shè)計(jì)者提供了全新的設(shè)計(jì)解決方案， 使設(shè)計(jì)者可以輕松進(jìn)行設(shè)計(jì)， 熟練使用這一軟件必將使電路設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率大大提高。 Altium Designer 除了全面繼承包括Protel 99SE、Protel DXP 在內(nèi)的先前一系列版本的功能和優(yōu)點(diǎn)外，還增加了許多改進(jìn)和很多高端功能。該平臺(tái)拓寬了板級(jí)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)界面，全面集成了 FPGA 設(shè)計(jì)功能和 SOPC 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能，從而允許工程設(shè)計(jì)人員能將系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的 FPGA 與 PCB 設(shè)計(jì)及嵌入式設(shè)計(jì)集成在一起。 Altium designer 五大模塊簡(jiǎn)介： ：位于Altium Designer ，啟動(dòng) Altium designer ，系統(tǒng)顯示“DXP”、“File”、“View”、“Project”、“Window”和“Help”基本操作菜單項(xiàng)，用戶使用這些菜單項(xiàng)內(nèi)的命令選項(xiàng)可以設(shè)置 Altium Designer 中的系統(tǒng)參數(shù)，新建各類項(xiàng)目文件，啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)模塊。當(dāng)設(shè)計(jì)模塊被啟動(dòng)后，主菜單將會(huì)自動(dòng)更新，以匹配設(shè)計(jì)模塊。：瀏覽器工具欄位于 Altium Designer 界面的上方右側(cè)，由瀏覽器地址編輯框、后退快捷按鈕、前進(jìn)快捷按鈕、回主頁(yè)快捷按鈕和個(gè)人喜好快捷按鈕組成。其中， 瀏覽器地址編輯框用于顯示當(dāng)前工作區(qū)文件的地址； 單擊后退或前進(jìn)快捷按鈕可以根據(jù)瀏覽的次序后退或前進(jìn)，且通過單擊按鈕右側(cè)的下拉列表按鈕，打開瀏覽次序列表，用戶還可以選擇重新打開用戶在此之前或之后瀏覽的頁(yè)面； 單擊回主頁(yè)快捷按鈕，將返回系統(tǒng)默認(rèn)主頁(yè)；單擊個(gè)人喜好快捷按鈕，可以將當(dāng)前頁(yè)面設(shè)置為個(gè)人喜好頁(yè)面。：系統(tǒng)工具欄位于系統(tǒng)菜單下方，由快捷工具按鈕組成，單擊此處按鈕等同于選擇相應(yīng)菜單命令。：工作區(qū)位于 Altium Designer 界面的中間，是用戶編輯各種文檔的區(qū)域。在無(wú)編輯對(duì)象打開的情況下，工作區(qū)將自動(dòng)顯示為系統(tǒng)默認(rèn)主頁(yè)，主頁(yè)內(nèi)列出了常用的任務(wù)命令，單擊即可快捷啟動(dòng)相應(yīng)工具模塊。：Protel DXP 為用戶提供了大量的工作區(qū)面板窗口，如文件管理面板、項(xiàng)目管理面板、器件庫(kù)面板等，分別位于 Altium Designer 界面的左右兩側(cè)和下部。用戶可以以用工作區(qū)面板右上部分的小按鈕移動(dòng)、修改或修剪面板，單擊相應(yīng)的面板標(biāo)簽還可以顯示、隱藏或切換工作面板窗口。 使用Altium designer畫原理圖圖21 AD原理圖界面 (1) 啟動(dòng) Altium Designer 原理圖編輯器。 (2) 設(shè)置原理圖圖紙大小以及版面。繪制原理圖前，必須根據(jù)實(shí)際電路的復(fù)雜程度來(lái)設(shè)置圖紙的大小，設(shè)置圖紙的過程實(shí)際上是建立工作平面的過程，用戶可以設(shè)置圖紙方向、網(wǎng)格大小以及標(biāo)題欄等。 (3) 在圖紙上放置元件。根據(jù)實(shí)際電路的需要，從元件庫(kù)里取出所需的元件放置到工作平面上。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)元件之間的走線等關(guān)系，對(duì)元件在工作平面上的位置進(jìn)行調(diào)整、修改，并對(duì)元件的編號(hào)、封裝進(jìn)行定義和設(shè)定，為下一步工作打好基礎(chǔ)。 (4) 對(duì)所放置的元件進(jìn)行布局布線。該過程實(shí)際就是畫圖的過程。設(shè)計(jì)者可利用 Altium Designer 提供的各種工具、命令進(jìn)行布線，將工作平面上的元件用具有電氣意義的導(dǎo)線、符號(hào)連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)完整的原理圖。 (5) 對(duì)布局布線后的元件進(jìn)行調(diào)整。在這一過程，設(shè)計(jì)者利用 Altium Designer 的各種功能對(duì)所繪制的原理圖作進(jìn)一步的調(diào)整和修改，以保證原理圖的美觀和正確。 (6)電氣檢查。布線完成后，還需要設(shè)置 Project Options 來(lái)編輯當(dāng)前項(xiàng)目，根據(jù) Altium Designer 提供的錯(cuò)誤檢查報(bào)告重新修改原理圖。 (7) 保存文檔和報(bào)表輸出。 此階段可利用報(bào)表工具生成各種報(bào)表， 如網(wǎng)絡(luò)表、 元件清單，此時(shí)也可設(shè)置打印參數(shù)并進(jìn)行打印，從而為生成印制電路板做好準(zhǔn)備。3．設(shè)計(jì)原理與芯片介紹 設(shè)計(jì)原理 單片機(jī) 單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫MCU來(lái)表示單片機(jī)，單片機(jī)又稱單片微控制器，它不是完成某一邏輯功能的芯片，而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。單片機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備構(gòu)成，相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)（最小系統(tǒng)），和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)缺少了外圍設(shè)備等。二十世紀(jì)七十年代單片機(jī)的出現(xiàn)是近代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的誕生標(biāo)志著計(jì)算機(jī)正式形成了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩大分支。計(jì)算機(jī)兩大分支的產(chǎn)生大大促進(jìn)了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展。通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以發(fā)展海量高速數(shù)值計(jì)算為己任，不必兼顧控制功能，其數(shù)據(jù)總線寬度不斷更新，迅速?gòu)?位、16位過渡到32位、64位，不斷完善其通用操作系統(tǒng)，突出發(fā)展海量高速數(shù)值計(jì)算能力，并在數(shù)據(jù)處理、模擬仿真、人工智能圖像處理、多媒體、網(wǎng)絡(luò)通信中得到了廣泛的應(yīng)用；單片機(jī)則以面向?qū)ο蟮膶?shí)時(shí)控制為己任，目前仍以8位機(jī)為主流，不斷增強(qiáng)控制能力，降低成本，減小體積，改善開發(fā)環(huán)境，以空前的速度迅速而廣泛地取代經(jīng)典電子系統(tǒng)。單片機(jī)應(yīng)用在檢測(cè)、控制領(lǐng)域中具有如下特點(diǎn)，單片機(jī)具有體積小、重量輕、功能強(qiáng)、功耗低、運(yùn)行速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高、可靠性高等特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)靈活，數(shù)據(jù)基本上都在單片機(jī)內(nèi)部傳送，易于組成各種微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。它既可用于工業(yè)自動(dòng)控制等場(chǎng)合，又可用于機(jī)電一體化產(chǎn)品、智能儀器、測(cè)量?jī)x器、醫(yī)療儀器、家用電器等領(lǐng)域，在過程控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通訊等方面得到廣泛應(yīng)用。單片微型計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了1位、4位、8位、16位及32位的發(fā)展階段，世界上一些著名的半導(dǎo)體器件廠家都開發(fā)了單片微型計(jì)算機(jī)，如Intel，Motorola，Zilog(澤洛格公司)、Fairchild(仙童攝像機(jī)與儀器公司)、Mostek(莫斯蒂克公司)等，單片機(jī)的品種日益增加。8051是美國(guó)INTEL公司在1980年推出的MCS51系列的第一個(gè)成員，MCS是INTEL公司的注冊(cè)商標(biāo)。其它公司生產(chǎn)的以8051為核心單元的其它派生單片微機(jī)只能稱為8051系列。8051系列泛指所有公司（也包括INTEL公司）生產(chǎn)的以8051為核心單元的所有單片微機(jī)。80C51系列包括Intel公司的MCS51，又包括了以8051為核心單元的世界許多公司生產(chǎn)的單片微機(jī)，比如PHILIPS 的83C552及51LPC系列等、SIEMENS 的SAB80512等、AMD(先進(jìn)微器件公司) 的8053等、OKI(日本沖電氣公司) 的MSM80C154等、ATMEL公司的89C51等、DALLAS公司的DS5000/DS5001等、華邦公司的W78C51及W77C51等。從MCS－48單片微機(jī)發(fā)展到如今的新一代單片微機(jī)，大致經(jīng)歷了三代。如以 Intel 8位單片微機(jī)為例，第一代：以MCS－48系列為代表，屬于低性能單片微機(jī)階段。第二代：以MCS－5l系列的8058052為代表。主要的技術(shù)特征是為單片微機(jī)配置了完善的外部并行總線（AB、DB、CB）和具有多機(jī)識(shí)別功能的串行通信接口（UART），規(guī)范了功能單元的特殊功能寄存器（SFR）控制模式及適應(yīng)控制器特點(diǎn)的布爾處理系統(tǒng)和指令系統(tǒng)，為發(fā)展具有良好兼容性的新一代單片微機(jī)奠定了良好的基礎(chǔ)。第三代：以80C51系列為代表。它包括了Intel公司發(fā)展MCS－51系列的新一代產(chǎn)品，如8XC1580C51FA/FB、80C5lGA/GB、8XC458XC452，還包括了Phlips、Siemens、ADM、Fujutsu、OKI、ATMEL等公司以80C51為核心推出的大量各具特色、與MCS－51兼容的單片微機(jī)。在眾多的通用型單片機(jī)里，以Intel公司的MCS51系列單片微型計(jì)算機(jī)最為著名。MCS51單片機(jī)系列有：普通型：51子系列8051/8751/8031；增強(qiáng)型：52子系列8052/8752/8032；低功耗型：80C51/87C51/80C31；80C52/87C52/80C32。 低功耗型單片機(jī)采用C110半導(dǎo)體，用字母C0MS工藝型號(hào)中標(biāo)識(shí)。如8051功耗為630mW，而80C51功耗僅為120mW，適于便攜式或野外作業(yè)儀器設(shè)備中使用。特別值得一提的是MCS51的布爾處理器。它實(shí)際上是一個(gè)完整的一位微計(jì)算機(jī)，這個(gè)一位機(jī)有自己的CPU，位寄存器，I/O口和指令集。把八位微機(jī)和一位微機(jī)結(jié)合在一起是微機(jī)技術(shù)上的一個(gè)突破。一位機(jī)在開關(guān)決策，邏輯電路仿真和實(shí)時(shí)控制方面非常有效；而八位機(jī)在運(yùn)算處理、數(shù)據(jù)采集方面有明顯的長(zhǎng)處，在MCS51單片機(jī)中，