【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 意外，對(duì)現(xiàn)在舊設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，提高鍋爐的自動(dòng)化程度也是一項(xiàng)重要的途徑。 根據(jù)題目要求，本畢業(yè)課題是單片機(jī)控制的鍋爐防爆控制系統(tǒng)，硬件設(shè)計(jì)模塊主要由探測(cè)模塊，報(bào)警模塊，顯示模塊等組成。 它的基本功能是通過(guò)探測(cè)器準(zhǔn)確探測(cè)溫度值和壓力值，精確判斷爆炸隱患是否啟動(dòng)報(bào)警。所以確定方案如下：用 AT89C51單片機(jī)作為控制核心，外接溫度及壓力探測(cè)模塊、報(bào)警模塊以及顯示模塊，溫度探測(cè)量值傳送到單片機(jī)中，然后傳送到顯示模塊顯示，單片機(jī)作為處理器進(jìn)行比較設(shè)定值的大小及壓力探測(cè)器探測(cè)的電壓變化模擬量和穩(wěn)定探測(cè)器探測(cè)到的溫度，去共同判斷是否報(bào)警。 本設(shè)計(jì)用 AT89C51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)鍋爐防爆控制系統(tǒng)，及時(shí)準(zhǔn)確報(bào)告鍋爐情況，對(duì)系統(tǒng)信息進(jìn)行處理，對(duì)爆炸隱患進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、快速的控制。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)硬件與軟件的工程設(shè)計(jì)，掌握 電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試技能，掌握單片機(jī)的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)技術(shù)。 緒論 第 1 頁(yè)（共 32 頁(yè)） 基于單片機(jī)的鍋爐防爆控制系統(tǒng) 1 緒論 課題背景及研究意義 鍋爐是一種熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備，由鍋和爐兩大主體和保證其安全經(jīng)濟(jì)連續(xù)運(yùn)行的附件，儀表附屬設(shè)備，自控和保護(hù)系統(tǒng)組成，水在鍋中不斷被爐里燃料燃燒釋放出來(lái)的能量加熱，溫度升高并產(chǎn)生帶壓蒸汽，由于水的沸點(diǎn)隨壓力升高而升高，鍋是密封的，水蒸氣在里面的膨脹收到限制而產(chǎn)生壓力形成熱動(dòng)力（嚴(yán)格的說(shuō)鍋爐的水蒸氣是水在鍋筒中定壓加熱至飽和水再汽化形成的）作為一種能源廣泛使用 ???。鍋爐廣泛用于水生產(chǎn)和生活中。 中小型鍋爐作為供暖設(shè)備用于提供熱水，取暖方面得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的鍋爐設(shè)備自動(dòng)化水平低，安全性能差，熱量利用率低，污染嚴(yán)重，生產(chǎn)成本高，司爐工工 作強(qiáng)度高 。 我國(guó)現(xiàn)有大、中型鍋爐 30 多萬(wàn)臺(tái)，每年耗煤量占我國(guó)原煤產(chǎn)量的 2/5，另外 還有更多的小型采暖鍋爐。目前大多數(shù)鍋爐仍處于能耗高、浪費(fèi)大、對(duì)環(huán)境污染比較嚴(yán) 重的生產(chǎn)狀態(tài)，因此，利用單片機(jī)技術(shù)提高鍋爐自動(dòng)化水平，對(duì)節(jié)能、環(huán)保諸方面意義 重大，符合世界高新技術(shù)的發(fā)展潮流，是用低成本自動(dòng)化技術(shù)武裝傳統(tǒng)設(shè)備的一項(xiàng)具有 深遠(yuǎn)意義的工作。 單片機(jī)又稱(chēng)微控制器，是微型計(jì)算機(jī) 的一個(gè)重要分支．單片機(jī)是 70 年代中期發(fā)展起 來(lái)的一種大規(guī)模集成電路芯片，是集 CPU、 ROM、 I/O 口和中斷系統(tǒng)于同一硅片的器件 。 由于單片機(jī)具有功能強(qiáng)，體積小，耗電少，可靠性好和價(jià)格便宜等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，成為傳統(tǒng)工 業(yè)技術(shù)改造和新產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想機(jī)種，具有廣闊的發(fā)展前景 ?3?。 利用單片機(jī)技術(shù)對(duì)鍋爐進(jìn)行自動(dòng)系統(tǒng)改造后，鍋爐的自動(dòng)化水平和熱量利用率大大提高，控制更加精確安全，所需勞動(dòng)力大大減少，勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)環(huán)境也得到很好改善， 成本也大幅度下降。 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想 目前，世界計(jì)算機(jī)市場(chǎng)上出現(xiàn)了專(zhuān)門(mén) 用于工業(yè)控制的單片機(jī)系列產(chǎn)品，單片機(jī)以其體積小、重量輕、功耗低、價(jià)格便宜、功能強(qiáng)的特點(diǎn)，在工業(yè)控制的實(shí)踐中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用單片機(jī)不僅可以實(shí)現(xiàn)各種常規(guī)的控制，還可以根據(jù)被控對(duì)象的特性， 基于單片機(jī)的鍋爐防爆控制系統(tǒng) 第 2 頁(yè)（共 32 頁(yè)） 充分利用控制理論的最新研究成果，采用更完善的控制方式，以獲得更好的控制效果。目前，由于家用鍋爐屬于批量生產(chǎn)，而且每臺(tái)鍋爐需要一套完整的控制系統(tǒng)，針對(duì)這些特點(diǎn)，尤其從產(chǎn)品成本角度出發(fā)，以 MCS51 為核心器件組成的控制系統(tǒng)是比較理想的選擇。此外， MCS51 系列單片機(jī)運(yùn)算能力、完備的控制功能、加上完善的外部接口電路，對(duì)中小型鍋 爐控制系統(tǒng)完全可以勝任。在外圍芯片選取時(shí)，盡量選取典型的、易于擴(kuò)展和替換的芯片和電路，并本著節(jié)約成本的思想。選用基于單總線的數(shù)字溫度傳感器 DS18B MPX4115 壓力傳感器 和 LCD 液晶顯示器。 DS18B20 溫度傳感器采用美國(guó) DALLAS 公司生產(chǎn)的 DS18B20 可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域 ???； MPX4115 壓力傳感器具有抗震動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓，使用于狹小空間工業(yè)設(shè)備測(cè)溫和控制 ???； LCD 液晶顯示 器為平面超薄的顯示設(shè)備，它由一定數(shù)量的彩色或黑白像素組成，放置于光源或者反射面前方。液晶顯示器功耗很低，因此倍受工程師青睞，適用于使用電池的電子設(shè)備。它的主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面配合背部燈管構(gòu)成畫(huà)面。它們二者與單片機(jī)的接口比較簡(jiǎn)單，而且編程強(qiáng)度不大，既保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又縮短了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本。 系統(tǒng)在軟件上采取模塊化的程序結(jié)構(gòu)。主程序作為控制程序，為整個(gè)系統(tǒng)軟件的一條主線，其它功能模塊均采用子程序調(diào)用、查詢(xún)等方式，為調(diào)試和擴(kuò)充提供了方便。 本系統(tǒng)的電源采用市場(chǎng)上常見(jiàn)的 W7800(7800)系列 7805 電源穩(wěn)壓芯片，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)分別用單獨(dú)的供電回路，以避免電源干擾。利用溫度傳感器 DS18B20采集測(cè)量鍋爐水溫；使用 LCD 液晶顯示器顯示預(yù)先設(shè)定的溫度、壓力報(bào)警值和當(dāng)前采集的溫度、壓力值。利用繼電器控制燃燒器的加熱。當(dāng)鍋爐內(nèi)的水的實(shí)際水溫超過(guò)報(bào)警溫度值，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音，這時(shí)接在單片機(jī)一端的繼電器動(dòng)作，燃燒器斷電。此時(shí)溫度傳感器實(shí)時(shí)對(duì)鍋爐溫度檢測(cè)，當(dāng)溫度降到設(shè)定值的下限時(shí)，繼電器重新通電。燃燒器電源重新接通，鍋爐繼續(xù)加熱。如此反復(fù)監(jiān)控溫度。這樣對(duì)鍋爐溫度控制不僅可以節(jié)約能 源，提高能源的使用率。 鍋爐防 爆設(shè)計(jì)方案 第 3 頁(yè)（共 32 頁(yè)） 2 鍋爐防爆設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 微控制器方案選擇 模擬量經(jīng)輸入通道處理后要送到微機(jī)控制電路進(jìn)行信號(hào)的分析處理，得到控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如進(jìn)行及時(shí)的聲光報(bào)警功能，選用一款好的微機(jī)成為本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，因?yàn)槲C(jī)電路本身的性能有時(shí)候決定整個(gè)設(shè)計(jì)的成敗。 方案一 采用 AT89C51 的 8 位單片機(jī)， AT89C51 單片機(jī)是在美國(guó) ATMEL 公司 于 20 世紀(jì) 80 年代的產(chǎn)品，它在單一的芯片內(nèi)集成了并行 I/O 口、異步串行口、 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、以及其他一些功能。此單片機(jī)是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器 ?6?。該器件采用高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 AT89C51 單 片 機(jī) 8255 擴(kuò) 展 芯 片 聲音報(bào)警器 鍵盤(pán) 模 數(shù) 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 電 路 LCD 顯示器 信 號(hào) 放 大 電 路 壓力傳感器 溫度傳感器 繼電器 基于單片機(jī)的鍋爐防爆控制系統(tǒng) 第 4 頁(yè)（共 32 頁(yè)） 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器。 AT89C51 為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 方案二 采用可編程邏輯器件 PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù) 分析及控制， PLC 具有高可靠性和強(qiáng)抗干擾能力，豐富的 I/O 接口模塊，為了適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要，除了一些小型 PLC 以外，采用模塊式的結(jié)構(gòu)，靈活性好。系統(tǒng)安裝及維修方便。 方案決策 二者均可達(dá)到本設(shè)計(jì)想要的功能，但從性?xún)r(jià)比上講， AT89C51 單片機(jī)價(jià)格低廉，而 PLC 一般用在大型的控制系統(tǒng)中，價(jià)格不低廉，故不采用。因此，本設(shè)計(jì)選擇方案一。 溫度傳感器的選擇 方案一 采用溫度傳感器 DS18B20 完成溫度測(cè)量，并將溫度測(cè)量值直接通過(guò)單總線電路輸出到 AT89C51 單片機(jī)處理，不需要 A/D 轉(zhuǎn)換電路。 DSl8820 主要特性 ???如下： 用戶(hù)可自設(shè)定報(bào)警上下限溫度值； （ 1） 不需要外部組件，可實(shí)現(xiàn)對(duì) —55℃ ～ +125℃ 范圍內(nèi)的溫度測(cè)量； （ 2） —10℃ ～ +85℃ 測(cè)量溫度的誤差在 177。℃ ； （ 3） 實(shí)際報(bào)警器的分辨率可單獨(dú)設(shè)定； （ 4） 保存在 EEPROM 中，即使斷電也能夠保存； （ 5） 獨(dú)特的單總線接口方式，與微處理器連接時(shí)僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)與微處理器雙向通訊。 鍋爐防 爆設(shè)計(jì)方案 第 5 頁(yè)（共 32 頁(yè)） 方案二 采用 ADC590 溫度傳感器完成溫度測(cè)量并轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，經(jīng)由 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0804 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào) 送到 AT89C51 單片機(jī)中。 ADC590 功能單一（僅測(cè)量溫度）、測(cè)溫誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等優(yōu)點(diǎn)，適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫、控溫，不需要進(jìn)行 非線性校準(zhǔn)。外圍電路簡(jiǎn)單。 決策方案 溫度的采集是整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)之一，在眾多的環(huán)境監(jiān)測(cè)中， ADC590 由于成本低而用得較多，但后續(xù)電路復(fù)雜，輸出模擬信號(hào)較弱，需要進(jìn)行放大后再通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換電路得到溫度值，不僅復(fù)雜，而且提高了系統(tǒng)的功耗，降低了整個(gè)系統(tǒng)的性能。所以，本系統(tǒng)采用可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 進(jìn)行溫度采集。 壓力傳感器的選擇 方案一 采用 MPX115 壓力傳感器完成壓力測(cè)量，經(jīng)由 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到AT89C51 單片機(jī)中。 MPX4115 主要特性 ???如下： （ 1）在 0℃ 85℃ 的溫度下誤差不超過(guò) %； （ 2）溫度補(bǔ)償是 40℃ ~+125℃ ； （ 3）偏置穩(wěn)定性 %VFSS 方案二 采用 EPCOS 生產(chǎn)的 T5300 數(shù)字壓力傳感器進(jìn)行壓力檢測(cè)， T5300 數(shù)字壓力傳感器可將壓力測(cè)量量經(jīng)過(guò)單總線輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，不需要 A/D 轉(zhuǎn)換。 T5300壓力傳感器的特點(diǎn)如下： （ 1）直 接數(shù)字量輸出，無(wú)信號(hào)傳輸損失，無(wú)信號(hào)采集誤差。 （ 2） 5～ 3 0 V D C 激勵(lì)， 供電電壓波動(dòng)對(duì)測(cè)量零影響。 （ 3）幾乎無(wú)零漂、高穩(wěn)定性、高分辨率。 基于單片機(jī)的鍋爐防爆控制系統(tǒng) 第 6 頁(yè)（共 32 頁(yè)） 決策方案 對(duì)于二者來(lái)說(shuō)， T5300 壓力傳感器比 MPX4115 都可以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，但是T5300 相對(duì)于 MPX4115 來(lái)說(shuō)，價(jià)格要高出許多。因此采用方案一。 A/D 轉(zhuǎn)換芯片選擇 方案一 采用 8 位 8 通道模數(shù)轉(zhuǎn)換的專(zhuān)業(yè)芯片，安置于 A/D 轉(zhuǎn)換電路，溫度和壓力改變引起的信號(hào)傳遞在通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路將其與 ADC0809 的 INO 和 IN1 進(jìn) 行鏈接，這樣就形成了完整的模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，并輸入單片機(jī)。 方案二 采用美國(guó) TI 公司的 1l通道 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 TLC2543。 TLC2543 是采用 CMOS技術(shù)制作的 12 位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用 SPI 通信方式可以節(jié)省單片機(jī) I/O 資源，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展。 A/D 轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)源采用 MAX675 5V 芯片，它能提供精準(zhǔn)的 5V 參考電壓。 決策方案 由于本文要求實(shí)現(xiàn)一般步驟的 A/D 轉(zhuǎn)換功能，選擇 8 位 8 通道的 ADC0809 即可。 顯示電路選擇 方案一 顯示單元 主要由 LED 數(shù)碼管及顯示驅(qū)動(dòng)單元組成。顯示電路采用 8 位 LED 數(shù)字顯示，顯示內(nèi)容主要包括當(dāng)前溫度及壓力。 方案二 采用 LCD 液晶顯示器顯示鍋爐當(dāng)前的溫度和壓力。顯示電路采用液晶顯示模塊，體積小，功耗低，操作方便。使用液晶顯示模塊，可以對(duì)模式選擇位寫(xiě)入命令，從而調(diào)節(jié) LCD 的工作模式，分時(shí)進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)寫(xiě)入。 鍋爐防 爆設(shè)計(jì)方案 第 7 頁(yè)（共 32 頁(yè)） 決策方案 從操作簡(jiǎn)潔性和方便性來(lái)講， LCD 液晶顯示器要比數(shù)碼顯示器有優(yōu)勢(shì)，數(shù)碼顯示器組成的顯示電路需要接很多外圍設(shè)備，引腳越多，越容易出故障，故這里選擇用LCD液晶顯示器。有兩種液晶 顯示器，一種是 LCD1602，兩行顯示；一種是 LCD12864，還可以用于顯示曲線；因?yàn)楸鞠到y(tǒng)需要顯示的數(shù)據(jù)不是很多，只需顯示傳感器數(shù)據(jù)，故選用 LCD1602 液晶顯示器即可。 最終方案決策 經(jīng)過(guò)上述分析選擇，最終確定各模塊方案如下： （ 1） 微控制器選用 ATMEL 的 AT89C51； （ 2） 采用可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 進(jìn)行溫度采集； （ 3） 采用 MPX4115 壓力傳感器進(jìn)行壓力探測(cè)； （ 4） 選擇 8 位 8 通道的 ADC0809 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換； （ 5） 采用 LCD1602 液晶顯示器顯示傳感 器探測(cè)信號(hào)； 基于單片機(jī)的鍋爐防爆控制系統(tǒng) 第 8 頁(yè)（共 32 頁(yè)） 3 硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)模塊 該鍋爐防爆系統(tǒng)是以 89C51 單片機(jī)為核心器件，此單片機(jī)模塊的工作原理是：加載相應(yīng)程序的 AT89C51 單片機(jī)把水位和測(cè)溫模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)加以處理，送 LCD 顯示屏顯示。 單片機(jī)簡(jiǎn)介 AT89C51 是美國(guó) ATMEL 生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8 位單片機(jī)。它集 Flash程序存儲(chǔ)器既可在線編程（ ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8 位微處理器于單片機(jī)芯