發(fā)電廠燃煤鍋爐燃燒單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

摘要熱電廠鍋爐的燃燒控制對(duì)整個(gè)發(fā)電過程的安全性與經(jīng)濟(jì)性起著重要的作用，所以對(duì)它高效率的控制是現(xiàn)在熱電廠的一個(gè)重要任務(wù)。本文通過對(duì)整個(gè)燃燒系統(tǒng)的分析和研究，分別確定了鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中的主蒸汽壓力控制系統(tǒng)和爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)的控制方案，然后對(duì)其控制規(guī)律及參數(shù)進(jìn)行選擇和整定。在儀表選型時(shí)，采用了先進(jìn)的數(shù)字式儀表，并利用AT89S51單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套智能燃燒控制系統(tǒng),給出了硬件電路和軟件流程圖。該控制器以新型的AT89S51單片機(jī)為核心,采用模糊PID算法進(jìn)行運(yùn)算和控制,不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬、數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣和處理,而且還可以完成狀態(tài)檢測(cè)和控制、報(bào)警以及故障處理等功能。該控制系統(tǒng)具有速度快、精度高、可靠性高和硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。最后可達(dá)到鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)、高效的運(yùn)行。關(guān)鍵詞:熱電廠；鍋爐燃燒；單片機(jī)；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; controlII目錄1 緒論11.1 研究背景11.2 研究意義11.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.4 主要研究?jī)?nèi)容32 燃煤鍋爐系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案42.1 鍋爐燃燒的生產(chǎn)工藝42.2 燃煤鍋爐系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)方案52.2.1 汽包水位控制62.2.2 爐膛負(fù)壓控制82.2.3 蒸汽壓力控制82.2.4 爐膛溫度控制系統(tǒng)93 溫度控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)113.1 單片機(jī)的介紹和芯片的選型113.1.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介113.1.2 芯片的選型123.2 AT89S51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)123.2.1 AT89S51單片機(jī)的主要特征123.2.2 AT89S51單片機(jī)的引腳介紹133.3 DS18B20溫度傳感器153.4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)173.4.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路173.4.2 顯示電路183.4.3 溫度控制及報(bào)警電路193.4.4 DS18B20溫度傳感器電路194 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)204.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整體思路204.2 系統(tǒng)程序流圖214.2.1 系統(tǒng)主程序214.2.2 讀出溫度子程序224.2.3 復(fù)位、應(yīng)答子程序234.2.4 寫入子程序244.3 系統(tǒng)調(diào)試255 總結(jié)26致謝27參考文獻(xiàn)28附錄：2934西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1 緒論1.1 研究背景我國(guó)的火力發(fā)電廠以煤為主要燃料，煤的成本占整個(gè)發(fā)電成本的70%以上。鍋爐作為電廠實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的主要設(shè)備，是火力發(fā)電機(jī)組的一個(gè)重要組成部分，其運(yùn)行水平和效率對(duì)整個(gè)火力發(fā)電廠的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性具有重大影響。以一臺(tái)300MW的機(jī)組為例，其鍋爐每小時(shí)燃煤約120噸，若使燃燒效率提高1%，以年運(yùn)行7000小時(shí)計(jì)算，共可節(jié)煤8400噸，若每噸煤按220元計(jì)算，則一年可節(jié)約184.8萬(wàn)元。同時(shí)由此產(chǎn)生的有害氣體和煙塵等污染物的排放所產(chǎn)生的環(huán)境效益更是無(wú)法用金錢衡量的。目前我國(guó)發(fā)電廠中仍存在大量中、高壓參數(shù)的高能耗鍋爐，雖然在300MW和600MW的主力機(jī)組中以亞臨界和超臨界壓力的大容量鍋爐為主，但由于設(shè)備本身以及運(yùn)行控制等方面的原因，在供電耗煤和燃煤效率等主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上與世界先進(jìn)水平還有較大差距。在所有發(fā)電方式中，火力發(fā)電是歷史最久的，也是最重要的一種，且火力發(fā)電在近幾年還是主流的，因?yàn)槲覈?guó)的經(jīng)濟(jì)狀況決定了我國(guó)采用什么樣的能源措施。1.2 研究意義熱力電廠的一系列系統(tǒng)和生產(chǎn)流程和生產(chǎn)工藝，這些大致可以分為水處理系統(tǒng)、鍋爐燃燒系統(tǒng)、汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、這樣大的四個(gè)系統(tǒng)，其中鍋爐是發(fā)電過程中必不可少的重要?jiǎng)恿υO(shè)備，它所產(chǎn)生的高壓蒸汽既可以驅(qū)動(dòng)透瓶，又可以作為精餾、干燥、反應(yīng)、加熱等過程的熱源。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷增大，作為動(dòng)力和熱源的鍋爐，也向著大容量、高參數(shù)、高效率的方向發(fā)展。鍋爐的控制主要分為兩大部分:燃燒控制系統(tǒng)和汽包水位控制系統(tǒng)。汽包水位一般采用三沖量控制，能達(dá)到較好的控制效果，而鍋爐的燃燒過程，是一個(gè)多參數(shù)、多回路、非線性、大滯后、強(qiáng)禍合的控制系統(tǒng)，較難控制。因此，自二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，隨著超大型可編程控制器的出現(xiàn)和模糊控制，國(guó)外就將自適應(yīng)控制等智能控制算法技術(shù)應(yīng)用于鍋爐的控制。使鍋爐控制水平大大提高，實(shí)現(xiàn)了鍋爐優(yōu)化控制。國(guó)內(nèi)研究鍋爐自動(dòng)控制雖然現(xiàn)在也比較成熟，但主要是儀表顯示、報(bào)表打印等功能，控制水平有限，可靠性不夠高。和國(guó)外鍋爐自動(dòng)控制比較仍存在一定的差距。1.大多數(shù)現(xiàn)有的鍋爐控制系統(tǒng)可控制的主要還是開關(guān)量設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、爐排和水泵的開關(guān)或者閥門控制。不能對(duì)它們精確連續(xù)調(diào)節(jié)，使控制手段單一，控制精度低。2.鍋爐控制系統(tǒng)的的控制方案不夠合理，鍋爐控制器一旦出現(xiàn)故障，只能采取系統(tǒng)斷電處理，進(jìn)行人工操作。若鍋爐系統(tǒng)中的傳感器、變送器等設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，溫度、壓力等參數(shù)就無(wú)法達(dá)到設(shè)定值。因此，本文根據(jù)熱電廠鍋爐控制流程，以AT89S51單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一種火電廠鍋爐燃燒煤空比的控制系統(tǒng)。目的是提高電廠燃煤鍋爐的控制水平。節(jié)約能源，降低環(huán)境污染。系統(tǒng)采用模糊PID算法進(jìn)行運(yùn)算和控制,不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬、數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣和處理,而且還可以完成狀態(tài)檢測(cè)和控制、報(bào)警以及故障處理等功能。該控制系統(tǒng)具有速度快、精度高、可靠性高和硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。最后可達(dá)到鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)、高效的運(yùn)行。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀鍋爐的自動(dòng)化控制從上世紀(jì)三、四十年代就開始了，當(dāng)時(shí)大都為單參數(shù)儀表控制，進(jìn)入上世紀(jì)五十年代后，美國(guó)、前蘇聯(lián)等國(guó)家都開始進(jìn)行對(duì)鍋爐的操作和控制的進(jìn)一步研究。但由于當(dāng)時(shí)科技發(fā)展的局限性，對(duì)鍋爐的控制主要停留在使用汽動(dòng)儀表(泡括汽動(dòng)單元組合儀表和汽動(dòng)基地式儀表)的階段，而且大多數(shù)鍋爐只是檢測(cè)工藝參數(shù)，不進(jìn)行自動(dòng)控制。到上世紀(jì)六十年代，在發(fā)達(dá)國(guó)家，鍋爐的控制主要以電動(dòng)單元組合儀表(相當(dāng)于我國(guó)的DDZ-II, DDZ-III儀表)檢測(cè)與控制，還是以檢測(cè)報(bào)警為主，控制為輔助功能。到了上世紀(jì)七十年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)理論的發(fā)展，使得鍋爐的計(jì)算機(jī)控制成為可能。尤其是近一、二十年來(lái)，隨著先進(jìn)控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，加之計(jì)算機(jī)各種性能的不斷增強(qiáng)，價(jià)格的大幅度下降，使鍋爐應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制很快得到了普及和應(yīng)用。許多發(fā)達(dá)國(guó)家都相繼開發(fā)出了鍋爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。如 今在 國(guó) 外，鍋爐的控制己基本實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，在控制方法上都采用了現(xiàn)代控制理論中的最優(yōu)控制、多變量頻域、模糊控制等方法，因此，鍋爐的熱效率很高、鍋爐運(yùn)行平穩(wěn)，而且減少了對(duì)環(huán)境的污染。在國(guó)內(nèi)，由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的限制，中小企業(yè)鍋爐設(shè)備水平一直比較落后，大多數(shù)中小型鍋爐水平基本上停留在手動(dòng)和簡(jiǎn)單儀表操作的水平。國(guó)內(nèi)供熱鍋爐燃燒系統(tǒng)自動(dòng)控制大多在燃油和燃?xì)忮仩t上實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于燃煤鍋爐，在自動(dòng)控制研究方面總是得不到滿意的效果，存在的主要問題是滯后問題。近幾年變頻技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，在鍋爐控制方面也有應(yīng)用，主要有三種形式，全自動(dòng)變頻定壓；鍋爐鼓、引風(fēng)機(jī)變頻控制；循環(huán)泵變頻控制，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)調(diào)節(jié)。三種形式均有獨(dú)立應(yīng)用的范例，也有組合應(yīng)用，但主要是以人工控制為主，節(jié)能效果仍然取決于司爐人員的經(jīng)驗(yàn)，水平和責(zé)任意識(shí)。1.4 主要研究?jī)?nèi)容此系統(tǒng)主要以單片機(jī)為控制器，并對(duì)顯示電路，溫度檢測(cè)電路，報(bào)警電路，執(zhí)行電路等進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)鍋爐溫度的控制。（1）燃煤鍋爐燃燒控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。（2）選用合適的單片機(jī)，設(shè)計(jì)出功能結(jié)構(gòu)圖。（3）設(shè)計(jì)燃煤鍋爐燃燒控制系統(tǒng)程序流程圖。（4）進(jìn)行相應(yīng)的程序編制。2 燃煤鍋爐系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案2.1 鍋爐燃燒的生產(chǎn)工藝熱力發(fā)電廠是利用煤燃燒的化學(xué)能產(chǎn)出電能的工廠，即為燃料的化學(xué)能蒸汽的熱勢(shì)能機(jī)械能電能。在鍋爐中，燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝臒崮埽谄啓C(jī)中，蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩喿有D(zhuǎn)的機(jī)械能，在發(fā)電機(jī)中機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。爐、機(jī)、電是火電廠中的主要設(shè)備，亦稱三大主機(jī)。輔助三大主機(jī)的設(shè)備稱為輔助設(shè)備簡(jiǎn)稱輔機(jī)。主機(jī)與輔機(jī)及其相連的管道、線路等稱為系統(tǒng)，如圖2.1鍋爐燃燒流程圖所示。磨煤系統(tǒng)處理后的水 給煤機(jī) 汽包 爐膛熱空氣 加熱空氣加強(qiáng)鼓風(fēng)機(jī)初步鼓風(fēng)機(jī)過熱器 汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)電網(wǎng) 燃燒凈化系統(tǒng)煙筒冷凝 泵排汽水處理系統(tǒng) 圖2.1鍋爐燃燒流程圖熱力發(fā)電廠的原料就是原煤。原煤用車運(yùn)送到發(fā)電廠的儲(chǔ)煤場(chǎng)，再用輸煤皮帶輸送到煤斗。再?gòu)拿憾仿湎掠山o煤機(jī)送入磨煤機(jī)磨成煤粉，并同時(shí)輸送熱空氣來(lái)干燥和輸送煤粉。最后送入鍋爐的爐膛中燃燒。燃料燃燒所需要的熱空氣由送風(fēng)機(jī)送入鍋爐的空氣預(yù)熱器中加熱，預(yù)熱后的熱空氣，經(jīng)過風(fēng)道一部分送入磨煤機(jī)作干燥以及送煤粉，另一部分直接引至燃燒器進(jìn)入爐膛。燃燒生成的高溫?zé)煔?，在引風(fēng)機(jī)的作用下先沿著鍋爐的倒“U”形煙道依次流過爐膛，水冷壁管，過熱器，省煤器，空氣預(yù)熱器，同時(shí)逐步將煙氣的熱能傳給過熱器，省煤器，空氣預(yù)熱器以及空氣，自身變成低溫?zé)煔?，?jīng)除塵器和脫硫裝置的凈化后在排入大氣。煤燃燒后生成的灰渣，其中大的灰子會(huì)因自重從氣流中分離出來(lái)，沉降到爐膛底部的冷灰斗中形成固態(tài)渣，最后由排渣裝置排入灰渣溝，再由灰渣泵送到灰渣場(chǎng)。大量的細(xì)小的灰粒（飛灰）則隨煙氣帶走，經(jīng)除塵器分離后也送到灰渣溝。爐給水先進(jìn)入省煤器預(yù)熱到接近飽和溫度，后經(jīng)蒸發(fā)器受熱面加熱為飽和蒸汽，再經(jīng)過熱器被加熱為過熱蒸汽，此蒸汽又稱為主蒸汽。 經(jīng)過以上流程，就完了燃料的輸送和燃燒、蒸汽的生成燃物（灰、渣、煙氣）的處理及排出。由鍋爐過熱器出來(lái)的主蒸汽經(jīng)過主蒸汽管道進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，沖轉(zhuǎn)汽輪機(jī)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。從汽輪機(jī)排出的乏汽排入凝汽器，在此被凝結(jié)冷卻成水，此凝結(jié)水稱為主凝結(jié)水。主凝結(jié)水通過凝結(jié)水泵送入低壓加熱器，有汽輪機(jī)抽出部分蒸汽后再進(jìn)入除氧器，在其中通過繼續(xù)加熱除去溶于水中的各種氣體（主要是氧氣）。經(jīng)化學(xué)車間處理后的補(bǔ)給水成為鍋爐的給水，再經(jīng)過給水泵升壓后送往高壓加熱器，然后送入鍋爐。循環(huán)水泵將冷卻水（又稱循環(huán)水）送往凝結(jié)器，這就形成循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。以上流程，完成了蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，電能，以及鍋爐給水供應(yīng)的過程。2.2 燃煤鍋爐系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)方案在熱電廠中，以單位機(jī)組為控制對(duì)象，可以討論的控制系統(tǒng)有，鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)、燃燒過程控制系統(tǒng)以及過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)，過熱蒸汽溫度控制又泡括過熱蒸汽溫度控制和再熱蒸汽溫度控制。鍋爐控制系統(tǒng)可以分為汽包水位控制系統(tǒng)和燃燒控制系統(tǒng)。燃燒控制系統(tǒng)泡括:蒸汽壓力控制系統(tǒng)、爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)和爐膛溫度控制系統(tǒng)。如圖2.2鍋爐控制系統(tǒng)所示。汽包水位控制xitomngh 蒸汽壓力控制系統(tǒng) 鍋爐燃燒系統(tǒng) 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng) 燃燒控制系統(tǒng) 爐膛溫度控制系統(tǒng)圖2.2鍋爐控制系統(tǒng)2.2.1 汽包水位控制汽包水位是鍋爐安全運(yùn)行的主要參數(shù)之一。水位過高會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水進(jìn)入過熱器并在過熱器管內(nèi)結(jié)垢，影響傳熱效率，嚴(yán)重的將引起過熱器爆管;水位過低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過熱而爆管。尤其是大型鍋爐，例如，30萬(wàn)KW機(jī)組的鍋爐蒸發(fā)量為1024t/h，而汽包的容積較小，一旦控制不當(dāng)，則會(huì)在十幾秒內(nèi)使汽包內(nèi)的水全部汽化，造成嚴(yán)重的事故。故鍋爐汽包給水控制系統(tǒng)的任務(wù)就是保證汽包水位在容許的范圍內(nèi)，并兼顧鍋爐的平穩(wěn)運(yùn)行。鍋爐水位自動(dòng)控制的任務(wù)是控制給水流量，使其適應(yīng)蒸發(fā)量的變化，維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。影響汽包水位有四個(gè)因素，除了給水量W和輸出蒸汽量D外，汽包壓力和燃料的變化也會(huì)對(duì)汽包水位產(chǎn)生影響。此外決定汽包水位的還有汽包中(泡括循環(huán)水管)儲(chǔ)水量的多少、水位下汽包容積與鍋爐的負(fù)荷、蒸汽壓力、爐膛熱負(fù)荷等都有關(guān)。在影響汽包水位的諸多因素中，以鍋爐蒸汽量D和給水量W為主。1 汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性，即控制通道特性由于給水溫度要比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水流量增加后，需從原有飽和水中吸取部分熱量，使水位下汽包容積減小。當(dāng)水位下汽包容積不再變化時(shí)，水位變化就完全反映了因儲(chǔ)水量的增加而直線上升。H是水位的實(shí)際變化。在給水量作階躍變化后，汽包水位不會(huì)馬上增加，而呈現(xiàn)一段起始慣性段。用傳遞函數(shù)來(lái)描述時(shí)，近似于一個(gè)積分環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)，可表示為： （2.1）其中：飛升速度，給水流量變化單位流量時(shí)水位的變化速度； 純滯后時(shí)間，s。給水溫度越低，純滯后時(shí)間越大。2. 汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，即干擾通道的動(dòng)態(tài)特性當(dāng)蒸汽流量D突然增加，在燃料量不變的情況下，從鍋爐的物料平衡關(guān)系來(lái)看，蒸汽量D大于給水量W，設(shè)此時(shí)的水位變化為。在實(shí)際工作中，由于蒸汽用量突然增加，瞬間必導(dǎo)致汽包壓力下降，汽包內(nèi)水沸騰突然加劇，產(chǎn)生閃蒸，水中汽包迅速增加，水位交化表示為。實(shí)際顯示的水位變化為與的疊加，即表達(dá)式=+。當(dāng)蒸汽量加大時(shí)，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在一開始，水位不僅不下降反而迅速上升，然后再下降(反之，蒸汽流量突然減少時(shí)，則水位先下降，然后上升)。這種現(xiàn)象稱為“虛假水位”蒸氣流量擾動(dòng)時(shí)，水位變化的動(dòng)態(tài)特性可用傳遞函數(shù)來(lái)表示：（2.2）其中：飛升速度，即在蒸汽流量變化單位流量時(shí)水位的變化速度； 響應(yīng)曲線的放大系數(shù)； 響應(yīng)曲線的時(shí)間常數(shù)。虛假水位的變化大小與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量等有關(guān)。對(duì)于一般的中高型鍋爐，當(dāng)負(fù)荷變化10時(shí)，虛假水位可達(dá)30-40ram。虛假水位現(xiàn)象屬于反向特性，給控制帶來(lái)一定的困難，在控制方案設(shè)計(jì)中，必須引起注意。在設(shè)計(jì)汽包水位控制系統(tǒng)時(shí)，可不考慮燃料擾動(dòng)和汽包壓力擾動(dòng)對(duì)水位的影響，而只考慮給水量擾動(dòng)和蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)對(duì)水位的影響，特別是虛假水位的影響汽包水位控制系統(tǒng)中存在薅個(gè)難點(diǎn)：一個(gè)是蒸汽負(fù)荷變化造成的虛假水位現(xiàn)象；當(dāng)給水量穩(wěn)定時(shí)，蒸汽量階躍增大。汽包水位應(yīng)該下降，但是由于汽包內(nèi)蒸汽處于飽和狀態(tài)，一旦流量突變，壓力也變化，水的沸點(diǎn)也隨之變化，造成汽包內(nèi)汽水混合物體積改變，因此水位不但沒有下降，反而有所上升，這就是“虛假水位”。另一個(gè)是由于爐體內(nèi)影響汽水變化的對(duì)流管柬的物理特性變化引起的，所以，水位系統(tǒng)是一個(gè)慢時(shí)變系統(tǒng)。根據(jù)鍋爐汽包容量大小，閥位變化到水位變化需要一定時(shí)間。因此，系統(tǒng)具有延時(shí)，而且系統(tǒng)存在著較大的干擾綜上所述，汽包水位系統(tǒng)是一個(gè)具有大的擾動(dòng)和非線性特性的滯后系統(tǒng)。2.2.2 爐膛負(fù)壓控制鍋爐在正常運(yùn)行中，爐膛負(fù)壓應(yīng)保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。負(fù)壓過大，漏風(fēng)嚴(yán)重，總的風(fēng)量增加，煙氣熱量損失增大，同時(shí)引風(fēng)機(jī)的電耗增加，不利于經(jīng)濟(jì)燃燒;負(fù)壓偏正，爐膛要向外噴火，不利于安全生產(chǎn)，有害于環(huán)境衛(wèi)生。所以爐膛負(fù)壓必須進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，將其穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi)。本系統(tǒng)利用調(diào)節(jié)引風(fēng)擋板的開度，引入送風(fēng)量作為前饋信號(hào)，控制它的引風(fēng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖2.3爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖所示。+- K送風(fēng)量風(fēng)量 負(fù)壓給定 +壓力PID引風(fēng)擋板 爐膛 壓力變送器 負(fù)壓圖2.3爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，需要利用調(diào)速電機(jī)增大煤量。同時(shí)，與給煤量成正比例的送風(fēng)量也要相應(yīng)增大此時(shí)爐膛負(fù)壓即下降，需要增加引風(fēng)量以保證爐膛負(fù)壓穩(wěn)定由于爐膛負(fù)壓變化有一段滯后，雖然調(diào)節(jié)了引風(fēng)擋板的開度，但在一段時(shí)間里爐膛負(fù)壓仍在下降。因此將送風(fēng)調(diào)節(jié)器的輸出作為前饋信號(hào)，送到爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)回路的引風(fēng)調(diào)節(jié)器，使送風(fēng)量變化時(shí)引風(fēng)量也立即變化，以解決滯后問題。2.2.3 蒸汽壓力控制蒸汽壓力是衡量蒸汽供求關(guān)系是否平衡的重要指標(biāo)，是蒸汽的重要參數(shù)。蒸汽壓力過或過高，對(duì)于金屬導(dǎo)管和負(fù)荷設(shè)備都是不利的。壓力太高，會(huì)加速金屬的蠕變，壓力太低，就不能提供給設(shè)備符合質(zhì)量要求的蒸汽。在鍋爐運(yùn)行過程中，蒸汽壓力降低，說明負(fù)荷設(shè)備的蒸汽消耗量大于鍋爐的蒸發(fā)量;蒸汽壓力升高，表明負(fù)荷設(shè)備的蒸汽消耗量小于鍋爐的蒸發(fā)量。因此，控制蒸汽壓力，是安全生產(chǎn)的需要，是維持負(fù)荷設(shè)備正常工作的需要，也是保證燃燒經(jīng)濟(jì)性的需要。鍋爐蒸汽壓力的變化是由于熱平衡失調(diào)引起的.而影響熱平衡的因素主要是燃燒熱和蒸汽熱，燃燒熱的波動(dòng)引起的熱平衡失調(diào)稱為“內(nèi)擾”，而蒸汽熱波動(dòng)引起的熱平衡失調(diào)為了克服內(nèi)外擾對(duì)蒸汽壓力的影響，在各個(gè)基本的單爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)中，輸入到鍋爐的燃燒熱必須跟隨蒸汽熱的變化而變化.以盡量保持熱量平衡同時(shí)根據(jù)蒸汽壓力與給定值的偏差適當(dāng)增減燃料量以增加或減少蒸汽壓力。如圖2.4鍋爐壓力控制系統(tǒng)原理所示。壓力輸出值+主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器執(zhí)行器控制對(duì)象 前饋 燃料變送蒸汽壓力變送壓力給定值蒸汽流量-圖2.4鍋爐壓力控制系統(tǒng)框圖主環(huán)壓力控制根據(jù)蒸汽壓力與設(shè)定值的偏差來(lái)調(diào)節(jié)燃料量以保證壓力的穩(wěn)定。副環(huán)燃料控制器根據(jù)主環(huán)輸出與前饋信號(hào)(即外擾)的合成指令去控制進(jìn)入鍋爐的燃料量，克服燃料量波動(dòng)，從而使壓力保持在穩(wěn)定范圍之內(nèi)。2.2.4 爐膛溫度控制系統(tǒng)這類控制對(duì)象慣性大,滯后現(xiàn)象嚴(yán)重,存在很多不確定的因素,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型,從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能不佳,甚至出現(xiàn)控制不穩(wěn)定、失控現(xiàn)象。采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，因其內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，使得電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，而且減少了溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換時(shí)的精度損失，使得測(cè)量溫度更加精確。數(shù)字溫度傳感器DS18B20只用一個(gè)引腳即可與單片機(jī)進(jìn)行通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機(jī)更加具有擴(kuò)展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通過單跳數(shù)據(jù)線就可以和主電路連接，故可以把數(shù)字溫度傳感器DS18B20做成探頭，探入到狹小的地方，增加了實(shí)用性。能串接多個(gè)數(shù)字溫度傳感器DS18B20進(jìn)行范圍的溫度檢測(cè)。本設(shè)計(jì)是對(duì)爐膛溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，溫度傳感器DS18B20從設(shè)備環(huán)境的不同位置采集溫度，單片機(jī)AT89S51獲取采集的溫度值，經(jīng)處理后得到當(dāng)前環(huán)境中一個(gè)比較穩(wěn)定的溫度值，再根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的溫度上下限值，通過加熱和降溫對(duì)當(dāng)前溫度進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計(jì)的爐膛溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基本的溫度控制功能：當(dāng)爐膛溫度低于設(shè)定下限溫度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)加熱繼電器加溫，使?fàn)t膛溫度上升，同時(shí)綠燈亮。當(dāng)爐膛溫度上升到下限溫度以上時(shí)，停止加溫；當(dāng)爐膛溫度高于設(shè)定上限溫度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)扇降溫，使?fàn)t膛溫度下降，同時(shí)紅燈亮。當(dāng)爐膛溫度下降到上限溫度以下時(shí)，停止降溫。爐膛溫度在上下限溫度之間時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不執(zhí)行。三個(gè)數(shù)碼管即時(shí)顯示爐膛溫度，精確到小數(shù)點(diǎn)一位。當(dāng)由于環(huán)境溫度變化太劇烈或由于加熱或降溫設(shè)備出現(xiàn)故障，或者溫度傳感頭出現(xiàn)故障導(dǎo)致在一段時(shí)間內(nèi)不能將環(huán)境溫度調(diào)整到規(guī)定的溫度限內(nèi)的時(shí)候，單片機(jī)通過三極管驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出警笛聲。 系統(tǒng)中將通過串口通訊連接PC機(jī)存儲(chǔ)溫度變化時(shí)的歷史數(shù)據(jù)，以便觀察整個(gè)溫度的控制過程及監(jiān)控溫度的變化全過程。如圖2.5爐膛溫度控制系統(tǒng)框圖所示。 PC機(jī)DS18B20溫度芯片數(shù)據(jù)傳輸 電源 AT89S51 單 片 機(jī)LED數(shù)據(jù)顯示 報(bào)警器 繼電器1 繼電器2 制冷器 加熱器圖2.5爐膛溫度控制系統(tǒng)框圖由上面的四個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以看出鍋爐的燃燒控制是鍋爐控制中的一大難題，生產(chǎn)過程中的燃燒對(duì)象是典型的多變量組合、大時(shí)延、非線性且時(shí)變的對(duì)象，難以保證燃料量、煙氣含氧量的準(zhǔn)確測(cè)量，以及鍋爐運(yùn)行的最佳效率和安全穩(wěn)定。所以接下來(lái)采取爐膛溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。3 溫度控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)開發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)或者設(shè)計(jì)或者設(shè)計(jì)一種智能化的儀器，首先要明白做什么然后才是怎么做。目標(biāo)任務(wù)即系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的功能以及指標(biāo)。應(yīng)用的場(chǎng)合不同具體的要求也會(huì)不同。其次是根據(jù)功能以及技術(shù)指標(biāo)的要求，確定系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案包括單片機(jī)的選擇、重要環(huán)節(jié)關(guān)鍵器件的選型、技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)、硬件設(shè)計(jì)功能的劃分等。3.1 單片機(jī)的介紹和芯片的選型3.1.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介單片機(jī)也被稱為微控制器（Microcontroller Unit），是微型計(jì)算機(jī)中的一類是將CPU、存儲(chǔ)器、總線、I/O接口電路集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上。常用英文字母的縮寫MCU表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來(lái)。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。早期的單片機(jī)都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因?yàn)楹?jiǎn)單可靠而性能不錯(cuò) 獲得了很大的好評(píng)。此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機(jī)系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢r(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90年代后隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大提高。隨著 INTEL i960系列特別是后來(lái)的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機(jī)迅速取代16位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場(chǎng)。而傳統(tǒng)的8位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的32位單片機(jī)主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。 單片機(jī)比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī) 是世界上數(shù)量最多的計(jì) 算機(jī)。現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠 標(biāo)等電腦配件中都配有1-2部單片機(jī)。而個(gè)人電腦中也會(huì)有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。汽車上一般配備40多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺(tái)單片機(jī)在同時(shí)工作,單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過PC機(jī)和其他計(jì)算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。 單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個(gè)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。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。3.1.2 芯片的選型ATMEL公司是世界上高級(jí)半導(dǎo)體產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和行銷的領(lǐng)先者，產(chǎn)品包括了微處理器、可編程邏輯器件、非易失性存儲(chǔ)器、安全芯片、混合信號(hào)及RF射頻集成電路。ATMEL公司在AT89C系列單片機(jī)的基礎(chǔ)上，推出了以MSC-51核心技術(shù)為其內(nèi)核，采用該公司高性能、低功耗、非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)的AT89S系列單片機(jī)，包括AT89S51、AT89S52、AT89S53和AT89S8252。與AT89C系列相比，AT89S系列的運(yùn)算速度有了很大的提高，在功能上新增加了雙數(shù)據(jù)指針、定時(shí)監(jiān)視器等，能更好地滿足各種不同的應(yīng)用需要。本節(jié)重點(diǎn)介紹AT89S51單片機(jī)的硬件組成結(jié)構(gòu)及其引腳功能。3.2 AT89S51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，AT89S51在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。3.2.1 AT89S51單片機(jī)的主要特征主要特征：1、4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器； 2、128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）； 3、32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口； 4、5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)、2層中斷嵌套中斷； 5、6個(gè)中斷源； 6、2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器； 7、2個(gè)全雙工串行通信口； 8、看門狗（WDT）電路； 9、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路； 10、與MCS-51兼容； 11、全靜態(tài)工作：0Hz-33MHz； 12、三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密鎖定； 13、可編程串行通道； 14、低功耗的閑置和掉電模式。3.2.2 AT89S51單片機(jī)的引腳介紹AT89S51主要有PDIP封裝、PLCC封裝和TQFP封裝。雖然封裝形式不同但是各引腳的功能相同。接下來(lái)詳細(xì)的介紹AT89S51單片機(jī)引腳排列及功能。如圖3.1 AT89S51引腳圖所示。圖3.1 AT89S51引腳圖引腳功能：VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口除了作為普通I/O口，還有第二功能： P3.0 /RXD（串行輸入口） P3.1 /TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 /T0（記時(shí)器0外部輸入） P3.5 /T1（記時(shí)器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 I/O口作為輸入口時(shí)有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時(shí)實(shí)際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線，經(jīng)過某種運(yùn)算或變換后再寫回到端口鎖存器。只有讀端口時(shí)才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。89C51的P0、P1、P2、P3口作為輸入時(shí)都是準(zhǔn)雙向口。除了P1口外P0、P2、P3口都還有其他的功能。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。 PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 3.3 DS18B20溫度傳感器DS18B20溫度傳感器是美國(guó)達(dá)拉斯(DALLAS)半導(dǎo)體公司推出的應(yīng)用單總線技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器。該器件將半導(dǎo)體溫敏器件、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器等做在一個(gè)很小的集成電路芯片上。它具有微型化、低功耗、高性能抗干擾能力、強(qiáng)易配處理器等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于構(gòu)成多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)（按9位二進(jìn)制數(shù)字）給單片機(jī)處理，且在同一總線上可以掛接多個(gè)傳感器芯片，它具有三引腳TO-92小體積封裝形式，溫度測(cè)量范圍55125，可編程為912位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，業(yè)可采用寄生電源方式產(chǎn)生，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到三根或者兩根線上，CPU只需一根端口線就能與多個(gè)DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。DS18B20溫度傳感器只有三根外引線：?jiǎn)尉€數(shù)據(jù)傳輸總線端口DQ ，外供電源線VDD，共用地線GND。DS18B20有兩種供電方式：一種為數(shù)據(jù)線供電方式，此時(shí)VDD接地，它是通過內(nèi)部電容在空閑時(shí)從數(shù)據(jù)線獲取能量，來(lái)完成溫度轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的完成溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間較長(zhǎng)。這種情況下，用單片機(jī)的一個(gè)I/O口來(lái)完成DS18B20總線的上拉。另一種是外部供電方式(VDD接+5V)，相應(yīng)的完成溫度測(cè)量的時(shí)間較短。如圖3.2 DS18B20三引腳所示。圖3.2 DS18B20三引腳DS18B20主要由斜率累加器、溫度系數(shù)振蕩器、減法計(jì)數(shù)器、溫度寄存器等部分組成。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的欲置值。溫度系數(shù)振蕩器用于產(chǎn)生減法計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，其中低溫度系數(shù)振蕩器受溫度的影響很小,用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器1,高溫度系數(shù)振蕩器隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變,所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入.減法計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。溫度寄存器暫存溫度數(shù)值。DS18B20的測(cè)溫原理如圖3.3所示。 設(shè)置/清除 最低有效位停止 斜率累加器預(yù)置低溫度系數(shù)振蕩器高溫度系數(shù)振蕩器 減法計(jì)算器 1 減法計(jì)算器 2 計(jì)算比較器 溫度寄存器減到零 預(yù)置減到零增加圖3.3 DS18B20的測(cè)溫原理圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來(lái)決定，每次測(cè)量前，首先將-55 所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55 所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。3.4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.4.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路單片機(jī)最小系統(tǒng)指的是由最基本的電路元件組成的，外接部分簡(jiǎn)單的電路就能夠獨(dú)立成一定的工作任務(wù)的單片機(jī)系統(tǒng)。51單片機(jī)的最小系統(tǒng)由單片機(jī)芯片、電源、時(shí)鐘電路、和復(fù)位電路組成。如圖3.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路所示。圖3.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路3.4.2 顯示電路顯示電路采用了7段共陰數(shù)碼管掃描電路，節(jié)約了單片機(jī)的輸出端口，便于程序的編寫。如圖3.5顯示電路圖所示。圖3.5顯示電路圖3.4.3 溫度控制及報(bào)警電路當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后超過規(guī)定溫度上限時(shí)，單片機(jī)通過 P1.4 輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)三極管 D1 ，使繼電器 K1 開啟降溫設(shè)備：當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后低于設(shè)定溫度下限時(shí)，單片機(jī)通過 P1.5 輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)三極管 D2 ，使繼電器 K2 開啟升溫設(shè)備。當(dāng)由于環(huán)境溫度變化太劇烈或由于加熱或降溫設(shè)備出現(xiàn)故障，或者溫度傳感頭出現(xiàn)故障導(dǎo)致在一段時(shí)間內(nèi)不能將環(huán)境溫度調(diào)整到規(guī)定的溫度限內(nèi)的時(shí)候，單片機(jī)通過三極管驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出警笛聲。具體電路連接如圖 3.6溫度控制及報(bào)警電路所示。圖 3.6溫度控制及報(bào)警電路3.4.4 DS18B20溫度傳感器電路如圖3.7 DS18B20溫度傳感器電路引腳圖所示。圖3.7 DS18B20溫度傳感器電路引腳圖4 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整體思路一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)要完成各項(xiàng)功能，首先必須有較完善的硬件作保證。同時(shí)還必須得到相應(yīng)設(shè)計(jì)合理的軟件的支持，尤其是微機(jī)應(yīng)用高速發(fā)展的今天，許多由硬件完成的工作，都可通過軟件編程而代替。甚至有些必須采用很復(fù)雜的硬件電路才能完成的工作，用軟件編程有時(shí)會(huì)變得很簡(jiǎn)單，如數(shù)字濾波，信號(hào)處理等。因此充分利用其內(nèi)部豐富的硬件資源和軟件資源，采用與S51系列單片機(jī)相對(duì)應(yīng)的51匯編語(yǔ)言和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法進(jìn)行軟件編程。程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言有三種：機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言。機(jī)器語(yǔ)言是機(jī)器唯一能“懂”的語(yǔ)言，用匯編語(yǔ)言或高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序（稱為源程序）最終都必須翻譯成機(jī)器語(yǔ)言的程序（成為目標(biāo)程序），計(jì)算機(jī)才能“看懂”，然后逐一執(zhí)行。高級(jí)語(yǔ)言是面向問題和計(jì)算過程的語(yǔ)言，它可通過于各種不同的計(jì)算機(jī)，用戶編程時(shí)不必仔細(xì)了解所用的計(jì)算機(jī)的具體性能與指令系統(tǒng)，而且語(yǔ)句的功能強(qiáng)，常常一個(gè)語(yǔ)句已相當(dāng)于很多條計(jì)算機(jī)指令，于是用高級(jí)語(yǔ)言編制程序的速度比較快，也便于學(xué)習(xí)和交流，但是本系統(tǒng)卻選用了匯編語(yǔ)言。原因在于，本系統(tǒng)是編制程序工作量不大、規(guī)模較小的單片機(jī)微控制系統(tǒng)，使用匯編語(yǔ)言可以不用像高級(jí)語(yǔ)言那樣占用較多的存儲(chǔ)空間，適合于存儲(chǔ)容量較小的系統(tǒng)。同時(shí)，本系統(tǒng)對(duì)位處理要求很高，需要解決大量的邏輯控制問題。MCS51指令系統(tǒng)的指令長(zhǎng)度較短，它在存儲(chǔ)空間和執(zhí)行時(shí)間方面具有較高的效率，編成的程序占用內(nèi)存單元少，執(zhí)行也非常的快捷，與本系統(tǒng)的應(yīng)用要求很適合。而且MCS51指令系統(tǒng)有豐富的位操作（或稱位處理）指令，可以形成一個(gè)相當(dāng)完整的位操作指令子集，這是MCS51指令系統(tǒng)主要的優(yōu)點(diǎn)之一。對(duì)于要求反應(yīng)靈敏與控制及時(shí)的工控、檢測(cè)等實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)以及要求體積小、系統(tǒng)小的許多“電腦化”產(chǎn)品，可以充分體現(xiàn)出匯編語(yǔ)言簡(jiǎn)明、整齊、執(zhí)行時(shí)間短和易于使用的特點(diǎn)。本裝置的軟件包括主程序、讀出溫度子程序、復(fù)位應(yīng)答子程序、寫入子程序、以及有關(guān)DS18B20的程序（初始化子程序、寫程序和讀程序）。4.2 系統(tǒng)程序流圖系統(tǒng)程序主要包括系統(tǒng)主程序，讀出溫度子程序，復(fù)位應(yīng)答子程序，寫入子程序等。4.2.1 系統(tǒng)主程序主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示、讀出并處理DS18B20的測(cè)量的當(dāng)前溫度值，溫度測(cè)量每1s進(jìn)行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測(cè)量一次被測(cè)溫度，如圖4.1系統(tǒng)主流程圖所示。程序見附錄。 初始化DS18B20 設(shè)定溫度上、下限 判斷當(dāng)前溫度值 顯示當(dāng)前溫度 超過設(shè)定 溫度上限 低于設(shè)定 溫度下限 綠燈亮 啟動(dòng)升溫設(shè)備 開始紅燈亮啟動(dòng)降溫設(shè)備 YNYN圖4.1系統(tǒng)主流程圖4.2.2 讀出溫度子程序讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時(shí)需進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)有錯(cuò)時(shí)不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。DS18B20的各個(gè)命令對(duì)時(shí)序的要求特別嚴(yán)格，所以必須按照所要求的時(shí)序才能達(dá)到預(yù)期的目的，同時(shí)，要注意讀進(jìn)來(lái)的是高位在后低位在前，共有12位數(shù)，小數(shù)4位，整數(shù)7位，還有一位符號(hào)位。如圖4.2 讀出溫度子程序流程圖所示。DS18B20復(fù)位、應(yīng)答子程序跳過ROM匹配命令 寫入子程序溫度轉(zhuǎn)換命令寫入子程序DS18B20復(fù)位、應(yīng)答子程序顯示子程序(延時(shí)) 寫入子程序跳過ROM匹配命令讀溫度命令子程序 終止圖4.2 讀出溫度子程序流程圖4.2.3 復(fù)位、應(yīng)答子程序如圖4.3復(fù)位、應(yīng)答子程序所示。 開始P1.0口清0 延時(shí)537usP1.0口置150us是否有低電平 標(biāo)志位置1有234us低電平 P1.0口置1 終止 標(biāo)志位置1Y NY N圖4.3復(fù)位、應(yīng)答子程序4.2.4 寫入子程序如圖4.4 寫入子程序所示。 開始 進(jìn)位C清0 P1.0清0 延時(shí)12us帶進(jìn)位右移延時(shí)46us P1.0置 0R2是否為0 終止圖4.4 寫入子程序4.3 系統(tǒng)調(diào)試主程序的功能是：?jiǎn)?dòng)DS18B20測(cè)量溫度，將測(cè)量值與給定值進(jìn)行比較，若測(cè)得溫度小于設(shè)定值，則進(jìn)入加熱階段，置P1.1為低電平，這期間繼續(xù)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，直到溫度在設(shè)定范圍內(nèi)，置P1.1為高電平斷開可控硅，關(guān)閉加熱器，等待下一次的啟動(dòng)命令。當(dāng)測(cè)得溫度大于設(shè)定值，則進(jìn)入降溫階段，則置P1.2為低電平，這期間繼續(xù)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，直到溫度在設(shè)定范圍內(nèi)，置P1.2為高電平斷開，關(guān)閉風(fēng)扇，等待下一次的啟動(dòng)命令。第一次接電調(diào)試，設(shè)置溫度上限，溫度下限。加熱后，溫度有時(shí)超過溫度上限卻不報(bào)警，后經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)是進(jìn)位C沒有清0，