锅炉温度监测系统毕业设计Word文档格式.docx
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本设计锅炉温度监测系统是根据燃煤锅炉的发展趋势,针对锅炉炉膛温度进行检测并做出相应的控制,以达到使燃料合理燃烧的目的。
本设计是将检测到的信号经过处理后传送给单片机,单片机将检测到的温度信号显示出来并做出相应控制动作,单片机也将同时显示对应时间,已到达对温度的监测和控制目的。
随着国民经济的发展,我国的锅炉产业取得了长足的进步,目前已经可以生产多种压力等级和容量的锅炉,成为世界上锅炉生产和使用最多的国家。
同时,轻工纺织、能源化工、钢铁煤炭以及集中供热等相关产业的迅速发展给锅炉产业得来了更广阔的发展空间和发展动力。
进入21世纪以来,环境污染与能源短缺也成了人类当前共同面临的世纪性难题。
“十二五”计划中也阐述了关于绿色发展,建设资源节约型、环境友好型社会的规划。
我国逾50万台工业锅炉中绝大部分是燃煤锅炉,每年耗煤量将近全国总耗煤量的30%[]。
但同时,由于我国对于锅炉设备研究的缓慢,导致工业锅炉的效率只有西方国家的80%左右。
相对于一些民用锅炉如供热锅炉,由于成本及设备要求等原因,燃烧效率普遍低于国家规定标准,使锅炉长期处于高能耗、高污染、低负荷的生产状态。
未来工业锅炉产品市场发展除了受国民经济的发展速度和投资规模等因素影响外,随着能源供应结构的变化和节能环保要求日益严格,越来越受到能源政策和节能、环保要求的制约,锅炉行业也将面临更大范围的淘汰和改造趋势。
随着社会各方对锅炉城市建设规模的不断扩大,城市民用热化和集中供热事业的发展,冬季采用供热锅炉集中供热的方式越来越普遍,体现出生产生活用热源越来越显示出其独特的优越性,以及广阔的采暖锅炉市场前景。
温度检测系统在现代工业设计、工程建设及日常生活中的应用越来越广泛,温度检测系统的应用和作用也体现到了各个方面。
随着电子技术和微型计算机的迅速发展,微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。
本设计就是利用单片机对温度进行检测与控制的。
1.绪论
1.1问题提出
温度是现代工业中一个非常重要的技术参数。
锅炉是一种通过燃料燃烧释放热能或工业生产过程中的余热传递给工质(多数情况下为水),使工质升温达到所需要的温度甚至转变成为具有所需要热力学参数的热水或一定压力蒸汽的换热设备[]。
锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需热能,也可通过发电机将机械能转换为电能。
随着生产力的发展和对锅炉各方面的参数要求的不断提高,对锅炉温度的检测与控制要求也不断提高[]。
如果锅炉的温度过高,那么将会产生锅炉爆炸的危险。
如果,锅炉的温度过低,将无法达到生产和生活的要求。
因此,对锅炉温度的监测与控制是十分重要的。
1.2检测对象的选择
本设计主要以燃煤式锅炉,主要用于供暖方面的供暖锅炉为背景。
供暖锅炉又称供热锅炉,主要应用于城市小区冬季集中供暖中。
供暖锅炉的工艺流程如图1-1所示。
锅炉设备按工作流程可分为三个部分:
煤的燃烧控制设备、烟气排放设备和水循环控制设备[]。
由于本设计系统准要是针对锅炉的温度进行设计的,所以只针对燃烧控制设备做进一步的温度检测与控制部分的设计。
图1-1锅炉工艺流程图
Figure1-1boilerprocessflowdiagram
炉膛又称燃烧室,是供燃料燃烧的空间。
煤的燃烧控制设备包括给煤机、链条炉排、鼓风机、空气预热器等,如图1-1所示,炉排转速和鼓风机转速决定锅炉燃烧热量[][]。
而锅炉燃烧的热量不仅与锅炉中的水的温度有关,也同时反映了燃烧室中燃料煤的燃烧状态。
如果炉膛内的温度过高,一方面会导致水温升高,导致锅炉内压力增强。
另一方面会为煤灰的结焦创造条件,不利于煤的燃烧。
反之,当炉膛温度过低时,不仅水温不会达到生产与生活的要求,也表明燃料煤没有充分燃烧。
因此,本设计选择锅炉炉膛温度为检测对象,又因为炉排转速和鼓风机转速决定锅炉燃烧热量,故选择在炉排转速一定的条件下,对鼓风机送风情况进行控制,以最简单可行的自动控制办法来完成实现对锅炉温度的检测与控制。
1.3系统的总体设计思想
由于我国的基本国情与资源现状决定了在未来相当长的时间内,燃煤型锅炉仍将是我国锅炉的主导产品[]。
为了提高燃煤锅炉的效率,本设计采用K型热电偶测量锅炉炉膛温度,以通过锅炉炉膛内的温度值的大小判断炉膛内的燃烧情况。
并且,由于热电偶采集到的温度信号值一般较小并且为模拟信号,不利于单片机对温度信号进行处理。
故由热电偶采集到的温度信号要经过放大,滤波,以及A/D转换等一系列的处理后在传送到单片机内。
根据系统的应用要求以及使用情况等方面因素综合,选择采用AT89C52单片机作为主控芯片。
输入到单片机的温度信号经过数字滤波程序部分进行进一步的软件滤波,使处理过的温度信号更加准确,尽最大可能减少杂波的携带,增加准确度。
经过数字滤波后的温度信号,通过PID计算,去除由于延时所造成的误差,使系统更加稳定。
经过处理后的温度值会显示在1602液晶屏幕上。
除此之外,经过处理之后的温度信号将会通过串口向上位机进行数据的传输,以方便工作人员对温度值进行观察和记录。
由于时间关系,本设计将不设计上位机的有关软件设计。
由于锅炉炉膛的温度与燃烧方和煤质等有关,一般温度控制在900℃~1100℃较为合适。
超过1200℃,燃料中的灰大多呈现液态或软化状态,原因是煤的灰熔点一般在1200℃一下。
本设计中将温度控制在900℃~1000℃之间,当炉膛的温度低于900℃时,开启送风口,使空气可以进入锅炉的燃烧室,达到助燃的目的。
当温度高于1000℃时,关闭送风口,相当于起到减少助燃剂的目的。
由于锅炉燃烧室内的空气量减少,支持燃烧的氧气减少,从而燃料不再继续过度燃烧,燃烧室的温度将降低。
当温度降低到低于900
℃时,送风口再次打开,如此反复循环控制温度。
并且,当温度超过1000℃时,报警器将响起,提醒工作人员温度过高。
工作人员可以通过警铃取消按键关闭报警。
系统整体原理框图如图1-2。
图1-2系统原理框图
Figure1-2systemprincipleblockdiagram
2.系统硬件电路设计
本设计系统的硬件电路由热电偶测温,信号处理部分,单片机最小系统部分以及液晶显示等部分组成。
本章将对系统各部分电路进行介绍并且说明选件原因及应用原理。
2.1热电偶传感器
2.1.1热电偶的种类以及热电势
温度测量中使用的传感器有热膨胀温度传感器、热电偶、辐射式温度仪表、石英温度传感器等几种常见的类型[]。
热电偶因其成本低,结构简单,坚固耐用等特点被广泛应用在各种温度控制现场。
热电偶是由两种不同的金属焊接一起构成的,它是热电效应的具体应用。
热电偶是一种感温元件,它直接测量温度,并且把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表转换成被测对象的温度[]。
热电偶的基本结构是热电极,绝缘材料和保护管,在工作现场多与显示仪表,记录仪表或者计算机等一起使用。
在现场使用中根据具体环境,被测对象等多种因素研制成适合各种环境的热电偶。
热电偶可以简单分为装配式热电偶,这种铠装式的热电偶和特殊形式热电偶。
按具体使用环境可细分有耐高温热电偶,耐磨热电偶,耐腐热电偶,耐高压热电偶,隔爆热电偶,循环硫化床用热电偶,阳极焙烧炉用热电偶,高温热风炉用热电偶,汽化炉用热电偶,渗碳炉用热电偶,高温盐浴炉用热电偶,铜、铁及钢水用热电偶,真空炉用热电偶,铂铑热电偶等多种。
热电偶又分为两大类,标准热电偶和非标准热电偶。
标准热电偶是指国家规定了其热电势与温度的关系,允许误差,并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其相应配套的显示仪表可供选用。
非标准热电偶是指使用范围或数量级上均不及标准热电偶,它一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊的场合的测量。
我国从1988年起,热电偶和热电阻全部按照IEC国际标准进行生产,并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。
热电偶的分度号有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。
其中S、R、B属于贵金属热电偶,N、K、E、J、T属于廉金属热电偶[]。
热电偶的测温机理是基于塞贝克于发现的温差电现象,又称第一热电效应。
第一热电效应是指由于两种不同的导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压的现象。
具体的说,是两种金属A、B组成闭合回路,若两金属两端节点的温度不同,则会在电路中产生温差电动势,既
为塞贝克电动势[]。
在塞贝克之后,珀尔帖和汤姆逊也分别对这一现象做了实验研究,得出了塞贝克效应是接触电动势和温差电动势综合作用的结果。
基于此理论,得到了热电偶回路中热电势的计算公式如下式所示[]:
(2-1)
式中,
表示热电偶的两端A(所处温度为T)、B(所处温度为
)的热电势,K为波尔兹曼常数,e为电子电荷,
、
为材料A、B的自由电子密度,它们都是温度t的函数。
其中,
称为热电偶的塞贝克系数。
由(2-1)式可知,热电偶的热电势和单位体积中自由电子数
、
以及两接点温度T、
有关。
取决于热电偶的材料特性,而且随温度变化而变化。
组成热电偶两电极A、B的材料确定后,其总电动势
成为温度T和
的函数差即:
(2-2)
式(2-2)即为热电偶测温的理论公式。
一般的,取
=0作为热电偶冷端的温度值,理论上讲,对于一个固定的热电偶,其热电动势与温度值呈现一一对应的关系。
因此,可将热电势与温度T的函数关系通过实验数据制成分度表,这样,只要测得热电动势
,通过计算就可得到被测温度T。
2.1.2热电偶测温原理
由式(2-2)可以看出,热电动势是热电偶两端温度函数的差。
若取
为一定值,例如0℃,则热电动势
与待测温度T呈现一定的线性关系。
我们可以直接通过测量热电动势来获得待测温度T[]。
但实际上由于热电动势的变化一般只有几十uV/℃(K型热电偶约为41uV/℃),这样微小的信号很难直接测量出来,需要对热电动势进行放大处理后,利用电压测量工具获得放大后的电动势,然后通过电路计算放大倍数,求出热电偶热电势的大小进而求出温度值T。
2.1.3本设计热电偶选择
本设计采用的是K型热电偶(镍铬-镍硅热电偶)作为温度传感器[][]。
K型热电偶是目前用量较大的廉金属热电偶。
正极(KP)的名义化学成分为Ni:
Cr=90:
10,负极(KN)的名义化学成分为Ni:
Si=97:
3,工作温度范围为-200~1300
℃。
K型热电偶具有线性度好、热电动势较大(约为41uV/℃)、灵敏度高、稳定性和均匀性较好、抗氧化性能强、价格便宜等优点,引入的误差最大不超过0.6℃[]能用于氧化性惰性气氛中。
因此K型热电偶被广泛的应用。
2.2单片机系统硬件电路
2.2.1单片机选择
在本设计中,考虑到系统的功能需求以及目前市场上的单片机使用情况,并与单片机学习情况相结合。
本设计采用AT89C52单片机进行设计[]AT89C52是ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机。
片内含8K的byTES的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256位byTES的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度,非易失性存储技术生产,与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容,片内置通用8位中央处理器(CPU)和FLASH由存储单元,功能强大。
AT89C52单片适用于许多较为复杂控制应用场合。
2.2.2AT89C52简介
主要性能参数:
与Mcs-51产品指令和引脚完全兼容。
2)8字节可重擦写FLASH闪速存储器
3)1000次擦写周期
4)全静态操作:
0HZ-24MHZ
5)三级加密程序存储器
6)256×
8字节内部RAM
7)32个可编程I/0口线
8)3个16位定时/计数器
9)8个中断源
10)可编程串行UART通道
11)低功耗空闲和掉电模
功能引脚说明:
1)Vcc:
电源电压
2)GND:
地
3)P0:
P0口是一组8位漏极开路型双向1/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时。
每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在FLASH由编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节。
校验时,要求外接上拉电阻。
4)P1口:
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,Pl的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
5)P2
口:
P2
是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑电路。
对端口P2写“l”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时,P2送出高8
位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
FLASH编程或校验时,P2亦接收高位地址和一些控制信号。
6)P3口:
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。
P3口除了作为一般的I/0口线外,更重要的用途是它的第二功能,如下表2-1所示。
此外,P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
表2-1P3口第二功能表
Table2-1P3functioninthesecondtable
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD(串行输入口〕
P3.1
TXD(串行输出口〕
P3.2
INT0(外中断0〕
P3.3
INT1(外中断l)
P3.4
T0(定时/计数器0)
P3.5
T1(定时/计数器l)
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)
7)RST:
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
8)ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节.一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
9)PSEN:
程序储存允许PSEN输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C52由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。
在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。
10)EA/VPP:
外部访问允许。
欲使CPU
仅访问外部程序存储器,EA端必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LBI被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接VCC端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时,该
引脚加上+12V的编程允许电源VPP
,当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。
11)XTAL1:
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端.
12)XTAL1:
振荡器反相放大器的输出端。
图2-1为AT89C52单片机的引脚图。
图2-1AT89C52引脚图
Figure2-1AT89C52pindrawing
2.2.3时钟电路
AT89C52的时钟可由内部产生也可以由外部产生。
在本设计中只采用了内部产生,利用芯片内部振荡电路,在XTAL1,XTAL2(18,19脚)的引脚上外接定时元件,内部振荡器便能产生自激振荡,用示波器便可观察到XTAL2(19脚)输出的正弦波,定时元件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路,它与单片机的接法的如图2-2所示。
晶振可以在1.2MHz~12MHz之间进行选择,电容可以在20~60pF之间选择,通常选择30pF左右,电容C1,C2的大小对振荡频率有微小的影响,可起频率微调作用。
在设计印制板时,晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近,以减少寄生电容,保证振荡器可靠工作,一般采用瓷片电容。
图2-2时钟电路
Figure2-2clockcircuit
2.2.4复位电路
单片机上电后,在其9脚(RESET)出现24个振荡周期以上的高电平后,单片机内部初始复位。
为了确保单片机正常复位,必需使其第9脚上出现的高电平保持2μs以上。
复位电路如图2-3所示。
系统的复位电路是由RC电路组成,外加一个手动复位按钮。
刚上电时或者触动按钮后C3两端的电压为0,这时RST为高电平,而其高电平保持时间是由R和C的时间常数决定,由公式(2-3)可知,C充电的时间常数τ等于0.22ms,远远大于2μs,即使RST高电平的时间保持2μs以上,确保了单片机正常复位。
τ=R*C(2-3)
图2-3复位电路
Figure2-3resetcircuit
2.2.5单片机最小系统
单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
最小系统一般应该包括:
单片机、电源、晶振电路、复位电路。
图2-4为单片机最小系统电路图。
图2-4单片机最小系统
Figure2-4singlechipmicrocomputerminimumsystem
2.3冷端补偿
为了使系统的集成度与可靠性得到提高,本设计将采用比较成熟稳定的凌力尔特公司的冷端补偿芯片LT1025进行冷端补偿。
热电偶在进行温度测量时,理论上应将热电偶的冷端置于0度的冰水混合物中,此时热电偶的测量值为准确值。
但是在实际测温过程中,为了方便测温,通常冷端的温度不是在0度的冰水混合物中,而是在常温环境。
由于热电偶的冷端温度的上升,造成热电势的减小(通常测量温度为正值),从而会造成测量产生误差。
同时,热电偶在测温时要求冷端保持稳定,这样热电势的大小才能与测量温度呈现一定的比例关系。
但在室温环境下热电偶的冷端会随环境温度变化而产生变化,这将会影响测量的精确性。
在以上情况下就需要考虑到热电偶的冷端补偿[]。
冷端补偿的原理是通过在冷端增加一个能随温度变化的附加电压,使得信号调理放大电路输入端的电压与冷端处于0度时的情况一样。
热电偶冷端补偿方法很多如冰点法、补偿电桥、PN结温度传感器补偿、辅助热电偶补偿、热电偶冷端补偿器等[][]。
在本设计中,热电偶的冷端补偿采用LT1025芯片作为热电偶冷端补偿器的方法
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