发电厂燃煤锅炉燃烧单片机控制系统设计

精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业摘要热电厂锅炉的燃烧控制对整个发电过程的安全性与经济性起着重要的作用，所以对它高效率的控制是现在热电厂的一个重要任务。本文通过对整个燃烧系统的分析和研究，分别确定了锅炉燃烧控制系统中的主蒸汽压力控制系统和炉膛负压控制系统的控制方案，然后对其控制规律及参数进行选择和整定。在仪表选型时，采用了先进的数字式仪表，并利用AT89S51单片机设计了一套智能燃烧控制系统,给出了硬件电路和软件流程图。该控制器以新型的AT89S51单片机为核心,采用模糊PID算法进行运算和控制,不但可以实现对模拟、数字信号进行采样和处理,而且还可以完成状态检测和控制、报警以及故障处理等功能。该控制系统具有速度快、精度高、可靠性高和硬件结构简单的特点。最后可达到锅炉安全、经济、高效的运行。关键词:热电厂；锅炉燃烧；单片机；控制AbstractThermal power plant boiler combustion control plays an important role in security and economy of the entire power generation process, the control of its high efficiency thermal power plant is an important task. In this paper, the analysis and study of the entire combustion system, the boiler combustion control system, main steam pressure control system and the furnace pressure and control system control program, then its control law and parameter selection and tuning. Instrument selection, using advanced digital instrument, and using the AT89S51 microcontroller design an intelligent combustion control system, given the hardware and software flow chart. The controller to the new AT89S51 MCU as the core, the use of fuzzy PID algorithm for computing and control, not only can be analog, digital signal sampling and processing, but also to complete the state detection and control, alarm and fault handling functions. The control system has a fast, high precision, high reliability and a simple hardware structure. Finally, you can reach the boiler safe, economical and efficient operation.Keywords: heat and power plant; boiler combustion; microcontroller; control目录1 绪论1.1 研究背景我国的火力发电厂以煤为主要燃料，煤的成本占整个发电成本的70%以上。锅炉作为电厂实现能量转换的主要设备，是火力发电机组的一个重要组成部分，其运行水平和效率对整个火力发电厂的运行经济性具有重大影响。以一台300MW的机组为例，其锅炉每小时燃煤约120吨，若使燃烧效率提高1%，以年运行7000小时计算，共可节煤8400吨，若每吨煤按220元计算，则一年可节约184.8万元。同时由此产生的有害气体和烟尘等污染物的排放所产生的环境效益更是无法用金钱衡量的。目前我国发电厂中仍存在大量中、高压参数的高能耗锅炉，虽然在300MW和600MW的主力机组中以亚临界和超临界压力的大容量锅炉为主，但由于设备本身以及运行控制等方面的原因，在供电耗煤和燃煤效率等主要经济指标上与世界先进水平还有较大差距。在所有发电方式中，火力发电是历史最久的，也是最重要的一种，且火力发电在近几年还是主流的，因为我国的经济状况决定了我国采用什么样的能源措施。1.2 研究意义热力电厂的一系列系统和生产流程和生产工艺，这些大致可以分为水处理系统、锅炉燃烧系统、汽轮机发电系统、供配电系统、这样大的四个系统，其中锅炉是发电过程中必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可以驱动透瓶，又可以作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断增大，作为动力和热源的锅炉，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。锅炉的控制主要分为两大部分:燃烧控制系统和汽包水位控制系统。汽包水位一般采用三冲量控制，能达到较好的控制效果，而锅炉的燃烧过程，是一个多参数、多回路、非线性、大滞后、强祸合的控制系统，较难控制。因此，自二十世纪九十年代以来，随着超大型可编程控制器的出现和模糊控制，国外就将自适应控制等智能控制算法技术应用于锅炉的控制。使锅炉控制水平大大提高，实现了锅炉优化控制。国内研究锅炉自动控制虽然现在也比较成熟，但主要是仪表显示、报表打印等功能，控制水平有限，可靠性不够高。和国外锅炉自动控制比较仍存在一定的差距。1.大多数现有的锅炉控制系统可控制的主要还是开关量设备，如风机、炉排和水泵的开关或者阀门控制。不能对它们精确连续调节，使控制手段单一，控制精度低。2.锅炉控制系统的的控制方案不够合理，锅炉控制器一旦出现故障，只能采取系统断电处理，进行人工操作。若锅炉系统中的传感器、变送器等设备出现故障时，温度、压力等参数就无法达到设定值。因此，本文根据热电厂锅炉控制流程，以AT89S51单片机为核心设计了一种火电厂锅炉燃烧煤空比的控制系统。目的是提高电厂燃煤锅炉的控制水平。节约能源，降低环境污染。系统采用模糊PID算法进行运算和控制,不但可以实现对模拟、数字信号进行采样和处理,而且还可以完成状态检测和控制、报警以及故障处理等功能。该控制系统具有速度快、精度高、可靠性高和硬件结构简单的特点。最后可达到锅炉安全、经济、高效的运行。1.3国内外研究现状锅炉的自动化控制从上世纪三、四十年代就开始了，当时大都为单参数仪表控制，进入上世纪五十年代后，美国、前苏联等国家都开始进行对锅炉的操作和控制的进一步研究。但由于当时科技发展的局限性，对锅炉的控制主要停留在使用汽动仪表(泡括汽动单元组合仪表和汽动基地式仪表)的阶段，而且大多数锅炉只是检测工艺参数，不进行自动控制。到上世纪六十年代，在发达国家，锅炉的控制主要以电动单元组合仪表(相当于我国的DDZ-II, DDZ-III仪表)检测与控制，还是以检测报警为主，控制为辅助功能。到了上世纪七十年代，随着计算机技术和自动控制技术理论的发展，使得锅炉的计算机控制成为可能。尤其是近一、二十年来，随着先进控制理论和计算机技术的飞速发展，加之计算机各种性能的不断增强，价格的大幅度下降，使锅炉应用计算机控制很快得到了普及和应用。许多发达国家都相继开发出了锅炉计算机控制系统。如 今在 国 外，锅炉的控制己基本实现了计算机自动控制，在控制方法上都采用了现代控制理论中的最优控制、多变量频域、模糊控制等方法，因此，锅炉的热效率很高、锅炉运行平稳，而且减少了对环境的污染。在国内，由于经济技术条件的限制，中小企业锅炉设备水平一直比较落后，大多数中小型锅炉水平基本上停留在手动和简单仪表操作的水平。国内供热锅炉燃烧系统自动控制大多在燃油和燃气锅炉上实现的，对于燃煤锅炉，在自动控制研究方面总是得不到满意的效果，存在的主要问题是滞后问题。近几年变频技术在我国的应用领域越来越广，在锅炉控制方面也有应用，主要有三种形式，全自动变频定压；锅炉鼓、引风机变频控制；循环泵变频控制，对系统进行质调节。三种形式均有独立应用的范例，也有组合应用，但主要是以人工控制为主，节能效果仍然取决于司炉人员的经验，水平和责任意识。1.4 主要研究内容此系统主要以单片机为控制器，并对显示电路，温度检测电路，报警电路，执行电路等进行具体设计，以实现锅炉温度的控制。（1）燃煤锅炉燃烧控制系统总体方案设计。（2）选用合适的单片机，设计出功能结构图。（3）设计燃煤锅炉燃烧控制系统程序流程图。（4）进行相应的程序编制。2 燃煤锅炉系统的总体设计方案2.1 锅炉燃烧的生产工艺热力发电厂是利用煤燃烧的化学能产出电能的工厂，即为燃料的化学能蒸汽的热势能机械能电能。在锅炉中，燃料的化学能转变为蒸汽的热能，在汽轮机中，蒸汽的热能转变为轮子旋转的机械能，在发电机中机械能转变为电能。炉、机、电是火电厂中的主要设备，亦称三大主机。辅助三大主机的设备称为辅助设备简称辅机。主机与辅机及其相连的管道、线路等称为系统，如图2.1锅炉燃烧流程图所示。磨煤系统处理后的水 给煤机 汽包 炉膛热空气 加热空气加强鼓风机初步鼓风机过热器 汽轮机发电机电网 燃烧净化系统烟筒冷凝 泵排汽水处理系统 图2.1锅炉燃烧流程图热力发电厂的原料就是原煤。原煤用车运送到发电厂的储煤场，再用输煤皮带输送到煤斗。再从煤斗落下由给煤机送入磨煤机磨成煤粉，并同时输送热空气来干燥和输送煤粉。最后送入锅炉的炉膛中燃烧。燃料燃烧所需要的热空气由送风机送入锅炉的空气预热器中加热，预热后的热空气，经过风道一部分送入磨煤机作干燥以及送煤粉，另一部分直接引至燃烧器进入炉膛。燃烧生成的高温烟气，在引风机的作用下先沿着锅炉的倒“U”形烟道依次流过炉膛，水冷壁管，过热器，省煤器，空气预热器，同时逐步将烟气的热能传给过热器，省煤器，空气预热器以及空气，自身变成低温烟气，经除尘器和脱硫装置的净化后在排入大气。煤燃烧后生成的灰渣，其中大的灰子会因自重从气流中分离出来，沉降到炉膛底部的冷灰斗中形成固态渣，最后由排渣装置排入灰渣沟，再由灰渣泵送到灰渣场。大量的细小的灰粒（飞灰）则随烟气带走，经除尘器分离后也送到灰渣沟。炉给水先进入省煤器预热到接近饱和温度，后经蒸发器受热面加热为饱和蒸汽，再经过热器被加热为过热蒸汽，此蒸汽又称为主蒸汽。 经过以上流程，就完了燃料的输送和燃烧、蒸汽的生成燃物（灰、渣、烟气）的处理及排出。由锅炉过热器出来的主蒸汽经过主蒸汽管道进入汽轮机膨胀做功，冲转汽轮机，从而带动发电机发电。从汽轮机排出的乏汽排入凝汽器，在此被凝结冷却成水，此凝结水称为主凝结水。主凝结水通过凝结水泵送入低压加热器，有汽轮机抽出部分蒸汽后再进入除氧器，在其中通过继续加热除去溶于水中的各种气体（主要是氧气）。经化学车间处理后的补给水成为锅炉的给水，再经过给水泵升压后送往高压加热器，然后送入锅炉。循环水泵将冷却水（又称循环水）送往凝结器，这就形成循环冷却水系统。以上流程，完成了蒸汽的热能转换为机械能，电能，以及锅炉给水供应的过程。2.2 燃煤锅炉系统控制设计方案在热电厂中，以单位机组为控制对象，可以讨论的控制系统有，锅炉汽包水位控制系统、燃烧过程控制系统以及过热蒸汽温度控制系统，过热蒸汽温度控制又泡括过热蒸汽温度控制和再热蒸汽温度控制。锅炉控制系统可以分为汽包水位控制系统和燃烧控制系统。燃烧控制系统泡括:蒸汽压力控制系统、炉膛负压控制系统和炉膛温度控制系统。如图2.2锅炉控制系统所示。汽包水位控制xitomngh 蒸汽压力控制系统 锅炉燃烧系统 炉膛负压控制系统 燃烧控制系统 炉膛温度控制系统图2.2锅炉控制系统2.2.1 汽包水位控制汽包水位是锅炉安全运行的主要参数之一。水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热器管内结垢，影响传热效率，严重的将引起过热器爆管;水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而爆管。尤其是大型锅炉，例如，30万KW机组的锅炉蒸发量为1024t/h，而汽包的容积较小，一旦控制不当，则会在十几秒内使汽包内的水全部汽化，造成严重的事故。故锅炉汽包给水控制系统的任务就是保证汽包水位在容许的范围内，并兼顾锅炉的平稳运行。锅炉水位自动控制的任务是控制给水流量，使其适应蒸发量的变化，维持汽包水位在允许的范围内。影响汽包水位有四个因素，除了给水量W和输出蒸汽量D外，汽包压力和燃料的变化也会对汽包水位产生影响。此外决定汽包水位的还有汽包中(泡括循环水管)储水量的多少、水位下汽包容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等都有关。在影响汽包水位的诸多因素中，以锅炉蒸汽量D和给水量W为主。1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性，即控制通道特性由于给水温度要比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量增加后，需从原有饱和水中吸取部分热量，使水位下汽包容积减小。当水位下汽包容积不再变化时，水位变化就完全反映了因储水量的增加而直线上升。H是水位的实际变化。在给水量作阶跃变化后，汽包水位不会马上增加，而呈现一段起始惯性段。用传递函数来描述时，近似于一个积分环节和纯滞后环节的串联，可表示为： （2.1）其中：飞升速度，给水流量变化单位流量时水位的变化速度； 纯滞后时间，s。给水温度越低，纯滞后时间越大。2. 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，即干扰通道的动态特性当蒸汽流量D突然增加，在燃料量不变的情况下，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量D大于给水量W，设此时的水位变化为。在实际工作中，由于蒸汽用量突然增加，瞬间必导致汽包压力下降，汽包内水沸腾突然加剧，产生闪蒸，水中汽包迅速增加，水位交化表示为。实际显示的水位变化为与的叠加，即表达式=+。当蒸汽量加大时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始，水位不仅不下降反而迅速上升，然后再下降(反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升)。这种现象称为“虚假水位”蒸气流量扰动时，水位变化的动态特性可用传递函数来表示：（2.2）其中：飞升速度，即在蒸汽流量变化单位流量时水位的变化速度； 响应曲线的放大系数； 响应曲线的时间常数。虚假水位的变化大小与锅炉的工作压力和蒸发量等有关。对于一般的中高型锅炉，当负荷变化10时，虚假水位可达30-40ram。虚假水位现象属于反向特性，给控制带来一定的困难，在控制方案设计中，必须引起注意。在设计汽包水位控制系统时，可不考虑燃料扰动和汽包压力扰动对水位的影响，而只考虑给水量扰动和蒸汽负荷扰动对水位的影响，特别是虚假水位的影响汽包水位控制系统中存在薅个难点：一个是蒸汽负荷变化造成的虚假水位现象；当给水量稳定时，蒸汽量阶跃增大。汽包水位应该下降，但是由于汽包内蒸汽处于饱和状态，一旦流量突变，压力也变化，水的沸点也随之变化，造成汽包内汽水混合物体积改变，因此水位不但没有下降，反而有所上升，这就是“虚假水位”。另一个是由于炉体内影响汽水变化的对流管柬的物理特性变化引起的，所以，水位系统是一个慢时变系统。根据锅炉汽包容量大小，阀位变化到水位变化需要一定时间。因此，系统具有延时，而且系统存在着较大的干扰综上所述，汽包水位系统是一个具有大的扰动和非线性特性的滞后系统。2.2.2 炉膛负压控制锅炉在正常运行中，炉膛负压应保持在规定的范围内。负压过大，漏风严重，总的风量增加，烟气热量损失增大，同时引风机的电耗增加，不利于经济燃烧;负压偏正，炉膛要向外喷火，不利于安全生产，有害于环境卫生。所以炉膛负压必须进行自动调节，将其稳定在规定的范围内。本系统利用调节引风挡板的开度，引入送风量作为前馈信号，控制它的引风量来实现。如图2.3炉膛负压调节系统框图所示。+- K送风量风量 负压给定 +压力PID引风挡板 炉膛 压力变送器 负压图2.3炉膛负压调节系统框图当负荷增大时，需要利用调速电机增大煤量。同时，与给煤量成正比例的送风量也要相应增大此时炉膛负压即下降，需要增加引风量以保证炉膛负压稳定由于炉膛负压变化有一段滞后，虽然调节了引风挡板的开度，但在一段时间里炉膛负压仍在下降。因此将送风调节器的输出作为前馈信号，送到炉膛负压调节回路的引风调节器，使送风量变化时引风量也立即变化，以解决滞后问题。2.2.3 蒸汽压力控制蒸汽压力是衡量蒸汽供求关系是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要参数。蒸汽压力过或过高，对于金属导管和负荷设备都是不利的。压力太高，会加速金属的蠕变，压力太低，就不能提供给设备符合质量要求的蒸汽。在锅炉运行过程中，蒸汽压力降低，说明负荷设备的蒸汽消耗量大于锅炉的蒸发量;蒸汽压力升高，表明负荷设备的蒸汽消耗量小于锅炉的蒸发量。因此，控制蒸汽压力，是安全生产的需要，是维持负荷设备正常工作的需要，也是保证燃烧经济性的需要。锅炉蒸汽压力的变化是由于热平衡失调引起的.而影响热平衡的因素主要是燃烧热和蒸汽热，燃烧热的波动引起的热平衡失调称为“内扰”，而蒸汽热波动引起的热平衡失调为了克服内外扰对蒸汽压力的影响，在各个基本的单炉蒸汽压力控制系统中，输入到锅炉的燃烧热必须跟随蒸汽热的变化而变化.以尽量保持热量平衡同时根据蒸汽压力与给定值的偏差适当增减燃料量以增加或减少蒸汽压力。如图2.4锅炉压力控制系统原理所示。压力输出值+主调节器副调节器执行器控制对象 前馈 燃料变送蒸汽压力变送压力给定值蒸汽流量-图2.4锅炉压力控制系统框图主环压力控制根据蒸汽压力与设定值的偏差来调节燃料量以保证压力的稳定。副环燃料控制器根据主环输出与前馈信号(即外扰)的合成指令去控制进入锅炉的燃料量，克服燃料量波动，从而使压力保持在稳定范围之内。2.2.4 炉膛温度控制系统这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。本设计是对炉膛温度进行实时监测与控制，温度传感器DS18B20从设备环境的不同位置采集温度，单片机AT89S51获取采集的温度值，经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，再根据当前设定的温度上下限值，通过加热和降温对当前温度进行调整。设计的炉膛温度控制系统实现了基本的温度控制功能：当炉膛温度低于设定下限温度时，系统自动启动加热继电器加温，使炉膛温度上升，同时绿灯亮。当炉膛温度上升到下限温度以上时，停止加温；当炉膛温度高于设定上限温度时，系统自动启动风扇降温，使炉膛温度下降，同时红灯亮。当炉膛温度下降到上限温度以下时，停止降温。炉膛温度在上下限温度之间时，执行机构不执行。三个数码管即时显示炉膛温度，精确到小数点一位。当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。 系统中将通过串口通讯连接PC机存储温度变化时的历史数据，以便观察整个温度的控制过程及监控温度的变化全过程。如图2.5炉膛温度控制系统框图所示。 PC机DS18B20温度芯片数据传输 电源 AT89S51 单 片 机LED数据显示 报警器 继电器1 继电器2 制冷器 加热器图2.5炉膛温度控制系统框图由上面的四个控制系统设计，可以看出锅炉的燃烧控制是锅炉控制中的一大难题，生产过程中的燃烧对象是典型的多变量组合、大时延、非线性且时变的对象，难以保证燃料量、烟气含氧量的准确测量，以及锅炉运行的最佳效率和安全稳定。所以接下来采取炉膛温度控制系统进行研究和设计。3 温度控制系统硬件电路设计开发设计一个单片机应用系统或者设计或者设计一种智能化的仪器，首先要明白做什么然后才是怎么做。目标任务即系统要求实现的功能以及指标。应用的场合不同具体的要求也会不同。其次是根据功能以及技术指标的要求，确定系统的总体设计方案。系统的总体设计方案包括单片机的选择、重要环节关键器件的选型、技术指标的实现、硬件设计功能的划分等。3.1 单片机的介绍和芯片的选型3.1.1 单片机简介单片机也被称为（Microcontroller Unit），是微型计算机中的一类是将CPU、存储器、总线、I/O接口电路集成在一块大规模集成电路芯片上。常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错 获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着 INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。 单片机比专用处理器更适合应用于，因此它得到了最多的应用。事实上单片机 是世界上数量最多的。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、家用电器、电子玩具、以及鼠 标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作,单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯 片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。3.1.2 芯片的选型ATMEL公司是世界上高级半导体产品设计、制造和行销的领先者，产品包括了微处理器、可编程逻辑器件、非易失性存储器、安全芯片、混合信号及RF射频集成电路。ATMEL公司在AT89C系列单片机的基础上，推出了以MSC-51核心技术为其内核，采用该公司高性能、低功耗、非易失性存储器技术的AT89S系列单片机，包括AT89S51、AT89S52、AT89S53和AT89S8252。与AT89C系列相比，AT89S系列的运算速度有了很大的提高，在功能上新增加了双数据指针、定时监视器等，能更好地满足各种不同的应用需要。本节重点介绍AT89S51单片机的硬件组成结构及其引脚功能。3.2 AT89S51单片机的基本结构AT89S51是一个低功耗，高性能 8位，片内含4k Bytes (In-system programmable)的可反复擦写1000次的只读程序存储器，器件采用的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。3.2.1 AT89S51单片机的主要特征主要特征：1、4k Bytes Flash片内程序存储器； 2、128 bytes的随机存取数据存储器（）； 3、32个外部双向输入/输出（I/O）口； 4、5个、2层中断； 5、6个中断源； 6、2个16位可编程/； 7、2个全双工串行通信口； 8、（）电路； 9、片内和； 10、与MCS-51兼容； 11、全静态工作：0Hz-33MHz； 12、三级程序存储器保密锁定； 13、可编程串行通道； 14、低功耗的闲置和掉电模式。3.2.2 AT89S51单片机的引脚介绍AT89S51主要有PDIP封装、PLCC封装和TQFP封装。虽然封装形式不同但是各引脚的功能相同。接下来详细的介绍AT89S51单片机引脚排列及功能。如图3.1 AT89S51引脚图所示。图3.1 AT89S51引脚图引脚功能：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能： P3.0 /RXD（串行输入口） P3.1 /TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 /T0（记时器0外部输入） P3.5 /T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3.3 DS18B20温度传感器DS18B20温度传感器是美国达拉斯(DALLAS)半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。该器件将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上。它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，特别适合用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（按9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片，它具有三引脚TO-92小体积封装形式，温度测量范围55125，可编程为912位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，业可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到三根或者两根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。DS18B20温度传感器只有三根外引线：单线数据传输总线端口DQ ，外供电源线VDD，共用地线GND。DS18B20有两种供电方式：一种为数据线供电方式，此时VDD接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，相应的完成温度转换的时间较长。这种情况下，用单片机的一个I/O口来完成DS18B20总线的上拉。另一种是外部供电方式(VDD接+5V)，相应的完成温度测量的时间较短。如图3.2 DS18B20三引脚所示。图3.2 DS18B20三引脚DS18B20主要由斜率累加器、温度系数振荡器、减法计数器、温度寄存器等部分组成。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的欲置值。温度系数振荡器用于产生减法计数脉冲信号，其中低温度系数振荡器受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数振荡器随温度变化其振荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入.减法计数器对脉冲信号进行减法计数。温度寄存器暂存温度数值。DS18B20的测温原理如图3.3所示。 设置/清除 最低有效位停止 斜率累加器预置低温度系数振荡器高温度系数振荡器 减法计算器 1 减法计算器 2 计算比较器 温度寄存器减到零 预置减到零增加图3.3 DS18B20的测温原理图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55 所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。3.4 系统硬件电路设计3.4.1 单片机最小系统电路单片机最小系统指的是由最基本的电路元件组成的，外接部分简单的电路就能够独立成一定的工作任务的单片机系统。51单片机的最小系统由单片机芯片、电源、时钟电路、和复位电路组成。如图3.4 单片机最小系统电路所示。图3.4 单片机最小系统电路3.4.2 显示电路显示电路采用了7段共阴数码管扫描电路，节约了单片机的输出端口，便于程序的编写。如图3.5显示电路图所示。图3.5显示电路图3.4.3 温度控制及报警电路当采集的温度经处理后超过规定温度上限时，单片机通过 P1.4 输出控制信号驱动三极管 D1 ，使继电器 K1 开启降温设备：当采集的温度经处理后低于设定温度下限时，单片机通过 P1.5 输出控制信号驱动三极管 D2 ，使继电器 K2 开启升温设备。当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。具体电路连接如图 3.6温度控制及报警电路所示。图 3.6温度控制及报警电路3.4.4 DS18B20温度传感器电路如图3.7 DS18B20温度传感器电路引脚图所示。图3.7 DS18B20温度传感器电路引脚图4 温度控制系统软件设计4.1 系统软件设计整体思路一个应用系统要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得很简单，如数字滤波，信号处理等。因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源，采用与S51系列单片机相对应的51汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程。程序设计语言有三种：机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言是机器唯一能“懂”的语言，用汇编语言或高级语言编写的程序（称为源程序）最终都必须翻译成机器语言的程序（成为目标程序），计算机才能“看懂”，然后逐一执行。高级语言是面向问题和计算过程的语言，它可通过于各种不同的计算机，用户编程时不必仔细了解所用的计算机的具体性能与指令系统，而且语句的功能强，常常一个语句已相当于很多条计算机指令，于是用高级语言编制程序的速度比较快，也便于学习和交流，但是本系统却选用了汇编语言。原因在于，本系统是编制程序工作量不大、规模较小的单片机微控制系统，使用汇编语言可以不用像高级语言那样占用较多的存储空间，适合于存储容量较小的系统。同时，本系统对位处理要求很高，需要解决大量的逻辑控制问题。MCS51指令系统的指令长度较短，它在存储空间和执行时间方面具有较高的效率，编成的程序占用内存单元少，执行也非常的快捷，与本系统的应用要求很适合。而且MCS51指令系统有丰富的位操作（或称位处理）指令，可以形成一个相当完整的位操作指令子集，这是MCS51指令系统主要的优点之一。对于要求反应灵敏与控制及时的工控、检测等实时控制系统以及要求体积小、系统小的许多“电脑化”产品，可以充分体现出汇编语言简明、整齐、执行时间短和易于使用的特点。本装置的软件包括主程序、读出温度子程序、复位应答子程序、写入子程序、以及有关DS18B20的程序（初始化子程序、写程序和读程序）。4.2 系统程序流图系统程序主要包括系统主程序，读出温度子程序，复位应答子程序，写入子程序等。4.2.1 系统主程序主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，如图4.1系统主流程图所示。程序见附录。 初始化DS18B20 设定温度上、下限 判断当前温度值 显示当前温度 超过设定 温度上限 低于设定 温度下限 绿灯亮 启动升温设备 开始红灯亮启动降温设备 YNYN图4.1系统主流程图4.2.2 读出温度子程序读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。DS18B20的各个命令对时序的要求特别严格，所以必须按照所要求的时序才能达到预期的目的，同时，要注意读进来的是高位在后低位在前，共有12位数，小数4位，整数7位，还有一位符号位。如图4.2 读出温度子程序流程图所示。DS18B20复位、应答子程序跳过ROM匹配命令 写入子程序温度转换命令写入子程序DS18B20复位、应答子程序显示子程序(延时) 写入子程序跳过ROM匹配命令读温度命令子程序 终止图4.2 读出温度子程序流程图4.2.3 复位、应答子程序如图4.3复位、应答子程序所示。 开始P1.0口清0 延时537usP1.0口置150us是否有低电平 标志位置1有234us低电平 P1.0口置1 终止 标志位置1Y NY N图4.3复位、应答子程序4.2.4 写入子程序如图4.4 写入子程序所示。 开始 进位C清0 P1.0清0 延时12us带进位右移延时46us P1.0置 0R2是否为0 终止图4.4 写入子程序4.3 系统调试主程序的功能是：启动DS18B20测量温度，将测量值与给定值进行比较，若测得温度小于设定值，则进入加热阶段，置P1.1为低电平，这期间继续对温度进行监测，直到温度在设定范围内，置P1.1为高电平断开可控硅，关闭加热器，等待下一次的启动命令。当测得温度大于设定值，则进入降温阶段，则置P1.2为低电平，这期间继续对温度进行监测，直到温度在设定范围内，置P1.2为高电平断开，关闭风扇，等待下一次的启动命令。第一次接电调试，设置温度上限，温度下限。加热后，温度有时超过温度上限却不报警，后经检查，发现是进位C没有清0，于是在如下写入程序中加入进位C清零，便排除了这个异常。程序如下： WR1: CLR P1.0MOV R3, #6DJNZ R3, $RRC AMOV P1.0, CMOV R3, #23DJNZ R3, $SETB P1.0NOPDJNZ R2, WR1RET; 读DS18B2再经实际接电调试，一切运行正常。加热到上限温度时，红灯亮起，自动降温设备启动，而低于下限温度时，绿灯亮起，自动升温设备启动。5 总结本系统通过数字传感器DS18B20感知锅炉中温度，由AT89S51单片机来接收温度信号并进行分析处理，本论文着重分析各单元电路的设计。最后还给出系统的软件的设计过程，使用了汇编语言进行程序设计。本文是采用模块化的方式进行叙述，对各模块的设计进行了比较详细地阐述，主要进行了软件的编写和系统的大量调试和探索，基本完成了系统的设计工作，但是仍处在理论向实际的转化过程中，要达到能真正应用于实际还有很大差距。由于时间和个人能力的限制，部分工作尚未完成，尤其是在程序方面，工作做得比较差，目前调试仍在继续。通过这次毕业设计，我更加深刻地认识到只有将理论与具体的实践相结合，才会有真正的收获，才能巩固自已的所学，加深对理论知识的理解，深刻的认识到自己的不足。致谢在本次毕业设计中，我得到了指导老师的热心指导。自始至终关心督促毕业设计进程和进度。帮助解决毕业设计中遇到的许多问题。还不断向我们传授分析问题和解决问题的办法，并指出了正确的努力方向，使我在毕设过程中少走很多弯路。杜学然和李俊华老师渊博的知识、严谨务实的治学态度、开拓进取的工作作风，对知识永无止境的追求，对生活积极乐观情绪，令我受益匪浅。在这里非常感谢杜学然和李俊华老师的指导和帮助，并致以诚挚的谢意！同时身边的同学给了我许多的帮助。在此，我向身边关心我的同学致以真挚的谢意！参考文献1 李朝青.单片机原理及接口技术M.北京:北京航空航天大学出版社,1998.46- 652 李广弟.单片机基础M.北京:北京航空航天大学出版社,1994.214-2323 王锦标,方崇智.过程计算机控制.北京:清华大学出版社,1992.115-1344 刘豹.热工过程自动调节原理和应用.北京:水利电力出版社,1982.234-2565 于海生.微型计算机控制技术M.北京:清华大学出版社,1999.84-866 蒋廷彪,刘电霆.单片机原理及其应用M.重庆:重庆大学出版社,2006.139- 148,85-897 邵裕森，巴莜云.过程控制系统及仪表M.北京:机械工业出版社,1999.153- 1558 胡寿松.自动控制原理M.北京:科学出版社,2001.39-409 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JNB P1.0, TSR3 ;等待DS18B20回应 DJNZ R0, TSR2 LJMP TSR4 ; 延时 TSR3: SETB FLAG1