基于單片機(jī)的余熱鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的余熱鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要過(guò)熱蒸汽溫度是影響余熱鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，蒸汽溫度過(guò)高會(huì)使過(guò)熱器壁的金屬?gòu)?qiáng)度下降，容易燒壞過(guò)熱器。為了保證余熱鍋爐的正常運(yùn)行，要針對(duì)余熱鍋爐的特點(diǎn)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，使出口蒸汽溫度維持在一個(gè)設(shè)定值。1設(shè)計(jì)時(shí)采用單回路控制系統(tǒng)對(duì)余熱鍋爐的過(guò)熱蒸汽溫度進(jìn)行控制，以at89s51單片機(jī)為核心，包括溫度采集模塊、按鍵處理模塊、溫度顯示模塊、控制輸出模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊和通信模塊等組成。12溫度控制的關(guān)鍵在于測(cè)溫和控溫兩個(gè)方面。溫度測(cè)量是溫度控制的基礎(chǔ)，這方面的技術(shù)比較成熟。但由于控制對(duì)象的越來(lái)越復(fù)雜，在溫度控制方面還存在許多問(wèn)題。本論文采用pid算法鍋爐溫度控

2、制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并利用仿真軟件matlabsimulink對(duì)控制算法進(jìn)行了仿真。21關(guān)鍵詞：?jiǎn)位芈?過(guò)熱蒸汽 單片機(jī) 溫度控制iiabstractthe superheated steam temperature is an important parameter that affects the safe operation of the waste heat boiler, the steam temperature is too high will make the metal strength superheater wall down, easy to burn out. in ord

3、er to ensure the normal operation of waste heat boiler, to design characteristic of the control system for waste heat boiler, the outlet steam temperature maintained at a set value. designed with a single loop control system for waste heat boiler superheated steam temperature is controlled to at89s5

4、1 microcontroller as the core, including temperature acquisition module, the key processing module, temperature display module, the control output module, actuator modules and communication modules and other components. temperature control is the key to both temperature and temperature. temperature

5、measurements are the basis for temperature control, this technology is more mature. however, due to more complex control object, the temperature control many problems still exist. this paper uses the pid algorithm boiler temperature control system design, and the use of simulation software matlab /

6、simulink simulation of the control algorithm.keywords: single loop superheated steam microcontroller temperature control iii目 錄摘 要iabstractii第1章 緒論1 1.1 設(shè)計(jì)的背景及意義1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2 1.3 設(shè)計(jì)的目的4第2章 余熱鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6 2.1 控制方案選擇62.1.1 影響過(guò)熱蒸汽溫度的因素62.1.2 單回路控制方案92.1.3串級(jí)控制方案102.1.4 前饋控制方案12 2.2 控制方案的比較和方案確定142.2.1

7、 控制方案的比較142.2.2 方案的確定15第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)17 3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖17 3.2 單片機(jī)與8155的接口電路17 3.3 信號(hào)輸入部分183.3.1 溫度信號(hào)采集與處理183.3.2 a/d轉(zhuǎn)換19 3.4 顯示電路設(shè)計(jì)19 3.5 信號(hào)輸出部分213.5.1 d/a轉(zhuǎn)換213.5.2 4-20ma標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出22 3.6 串口與上位機(jī)通信電路22 3.7 報(bào)警電路設(shè)計(jì)23 3.8 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)24 3.9 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)25 3.10 單片機(jī)最小系統(tǒng)263.10.1時(shí)鐘電路263.10.2復(fù)位電路27第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)28 4.1 軟件設(shè)計(jì)思路28 4.2 系統(tǒng)軟

8、件流程圖284.2.1 主程序流程圖284.2.2 采樣子程序304.2.3 數(shù)字濾波304.2.4 中斷服務(wù)314.2.5 顯示環(huán)節(jié)軟件設(shè)計(jì)334.2.6 上位機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)344.2.7 pid子程序35第5章 系統(tǒng)的仿真38 5.1 仿真工具38 5.2 matlab及其模糊邏輯工具箱和仿真環(huán)境385.2.1 matlab概況385.2.2模糊邏輯工具箱39 5.3 pid算法的設(shè)計(jì)及分析405.3.1控制算法的確定405.3.2數(shù)學(xué)模型的建立41 5.4 基于matlab仿真44結(jié) 論47致 謝48參考文獻(xiàn)49附錄1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)部分源代碼.51附錄2 系統(tǒng)硬件圖.54vicontents

9、abstractiabstractiichapter 1 introduction1 1.1 design background and significance of a1 1.2 research status2 1.3 design objective4chapter 2 hrsg steam temperature control system design6 2.1 control scheme selection6 2.1.1 factors affecting the superheated steam temperature6 2.1.2 single-loop control

10、 scheme9 2.1.3 cascade control programme10 2.1.4 feedforward control program12 2.2 comparison of control schemes and programs identified14 2.2.1 comparison of 11 control scheme14 2.2.2 the program identified15chapter 3 hardware design17 3.1 system block diagram17 3.2 with 8155 microcontroller interf

11、ace circuit17 3.3 signal input section17 3.3.1 the temperature signal acquisition and processing18 3.3.2 a / d converter19 3.4 shows the circuit design19 3.5 signal output section21 3.5.1 d / a converter21 3.5.2 4-20ma standard signal output22 3.6 serial communication between pc circuit22 3.7 alarm

12、circuit design23 3.8 keyboard circuit design24 3.9 regulated power supply circuit design25 3.10 minimum system microcontroller26 3.10.1 clock circuit26 3.10.2 reset circuit27chapter 4 system software design28 4.1 software design ideas28 4.2 system software flow chart28 4.2.1 the main program flow ch

13、art28 4.2.2 the sampling subroutine30 4.2.3 software design display link30 4.2.4 interrupt service31 4.2.5 digital filter33 4.2.6 pc control software design34 4.2.7 pid subroutine35chapter 5 system simulation38 5.1 simulation tools38 5.2 matlab and fuzzy logic toolbox and simulation environment38 5.

14、2.1 matlab overview38 5.2.2 fuzzy logic toolbox39 5.3 pid algorithm design and analysis40 5.3.1 determination of the control algorithm40 5.3.2 mathematical model 41 5.4 based on matlab simulation 44conclusion47acknowledgements48references49appendix 1 design system part of the source code.51appendix

15、2 system hardware chart.54ix第1章 緒論1.1 設(shè)計(jì)的背景及意義余熱鍋爐是專(zhuān)門(mén)用于與轉(zhuǎn)爐配套的熱能利用轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括熱交換、鍋筒、除氧水箱等三部分。它利用轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱?duì)鍋筒中的水循環(huán)加熱，并在鍋筒中進(jìn)行汽水分離，把產(chǎn)生的蒸汽送往廠區(qū)熱力網(wǎng)。其中，鍋筒的給水來(lái)自除氧器，通過(guò)給水調(diào)節(jié)閥門(mén)來(lái)調(diào)整給水流量。11同時(shí)，鍋筒內(nèi)的水通過(guò)循環(huán)泵循環(huán)流經(jīng)熱交換器，吸取熱交換器中煙氣的熱量，以獲得能量。鍋筒內(nèi)的水溫遠(yuǎn)高于水的沸點(diǎn)，由此產(chǎn)生蒸汽，經(jīng)過(guò)蒸汽流量調(diào)節(jié)閥門(mén)送入廠區(qū)熱力網(wǎng)，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。9從轉(zhuǎn)爐來(lái)的煙氣通過(guò)熱交換器后，溫度達(dá)到旋風(fēng)收塵和化工廠所能接受的數(shù)值，參與后

16、續(xù)生產(chǎn)過(guò)程。盡管鍋爐系統(tǒng)種類(lèi)繁多，各種類(lèi)型鍋爐的工藝流程和操作控制各有特點(diǎn)，但對(duì)過(guò)程檢測(cè)、控制的要求是基本相同的。這既包括對(duì)鍋爐產(chǎn)汽量和產(chǎn)汽壓力的要求，也包括對(duì)鍋爐自身安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。鍋爐生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)控制應(yīng)達(dá)到下述基本目的：鍋爐汽包水位必須保持在一定范圍內(nèi)；鍋爐產(chǎn)汽量必須適應(yīng)用汽設(shè)備用汽量變化的要求；鍋爐產(chǎn)汽壓力必須滿足用汽設(shè)備的要求；過(guò)熱蒸汽溫度必須根據(jù)用汽設(shè)備的要求保持在一定的范圍內(nèi)；燃燒系統(tǒng)必須維持安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。過(guò)熱蒸汽溫度是火力發(fā)電廠鍋爐設(shè)備的重要參數(shù)，在熱電廠生產(chǎn)過(guò)程中，整個(gè)汽水通道中溫度最高的是過(guò)熱蒸汽溫度。過(guò)熱器正常工作的溫度，一般要接近于材料允許的最高溫度。如果過(guò)熱蒸

17、汽溫度過(guò)高，則過(guò)熱器易損壞，還會(huì)使汽輪機(jī)內(nèi)部引起過(guò)度的熱膨脹，嚴(yán)重影響生產(chǎn)運(yùn)行的安全；如果過(guò)熱蒸汽溫度偏低，則設(shè)備的效率將會(huì)降低，同時(shí)使通過(guò)汽輪機(jī)最后幾級(jí)的蒸汽濕度增加，引起葉片的磨損。因此，在鍋爐運(yùn)行中，保證過(guò)熱蒸汽的溫度在正常范圍內(nèi)是非常重要的。另外，在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開(kāi)關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)，人們都需要對(duì)各類(lèi)加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。可以說(shuō)幾乎80%的工業(yè)部門(mén)都不得不考慮著溫度的因素。因此，這就需要在現(xiàn)有鍋爐控制技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種性價(jià)比合理的、使用和維護(hù)方便的鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)。此外，如果過(guò)熱

18、蒸汽溫度變化過(guò)大，還會(huì)引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和汽缸的漲差變化，甚至?xí)a(chǎn)生劇烈振動(dòng)，危及到機(jī)組的運(yùn)行安全。因此，必須相當(dāng)嚴(yán)格地將過(guò)熱汽溫控制在給定值附近。一般中、高壓鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度的暫時(shí)偏差不允許超過(guò)10，長(zhǎng)期偏差不允許超過(guò)5，這個(gè)要求對(duì)過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常高的。所以對(duì)鍋爐蒸汽溫度的控制非常必要。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，國(guó)外利用余熱發(fā)電的新趨勢(shì)，是單機(jī)功率小，載熱體溫度低（即利用中低溫余熱發(fā)電）。或內(nèi)也有一些利用余熱發(fā)電，如炭黑工業(yè)中的低熱值尾氣余熱和硫酸工業(yè)中的硫酸余熱發(fā)電等，所發(fā)的電能主要工廠自用。目前，已把如何利用中低溫的低品位余熱發(fā)電，作為開(kāi)發(fā)節(jié)能新技術(shù)的重要課題。余熱鍋爐是一種

19、理想的節(jié)能設(shè)備，它不但能節(jié)約能源，而且對(duì)提高主流程的質(zhì)量，減輕公害和滿足某些工藝流程要求，都起著十分重要的作用?，F(xiàn)有的余熱鍋爐按進(jìn)鍋爐的介質(zhì)特性，有以下幾種主要型式：1）廢煙氣不需要進(jìn)一步處理的余熱鍋爐；2）廢煙氣需要進(jìn)一步處理的余熱鍋爐；3）廢煙氣要進(jìn)一步處理，且其冷卻在給定時(shí)間內(nèi)完成的余熱鍋爐；4）固體顯熱的余熱鍋爐。近十幾年，余熱鍋爐技術(shù)發(fā)展十分迅猛。七十年代初我國(guó)著手并開(kāi)始實(shí)施發(fā)展余熱鍋爐的規(guī)劃。從1974年到1980年，先后投資擴(kuò)建余熱鍋爐研究和制造基地，現(xiàn)已形成具有一定的余熱鍋爐研制能力以及科研基地。至今已開(kāi)發(fā)并制造了涉及15個(gè)類(lèi)別、74個(gè)品種、101個(gè)規(guī)格的余熱鍋爐2000余臺(tái)。

20、我國(guó)余熱鍋爐產(chǎn)品技術(shù)水品，除少數(shù)接近或到達(dá)國(guó)際上同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平外，大多數(shù)相當(dāng)于國(guó)外五、六十年代的水平，其主要差距反應(yīng)在以下幾個(gè)方面：1）熱利用率低；2）自控水平落后；3）積灰率高和清除效果差（特別是有色冶煉工藝中的余熱鍋爐）。實(shí)踐證明，余熱鍋爐在各企業(yè)的節(jié)能中發(fā)揮了相當(dāng)有效的作用，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，其投資一般可在34年內(nèi)回收。余熱鍋爐的作用現(xiàn)已超越了單純的余熱利用，事實(shí)上它的作用與工藝流程現(xiàn)代化和防止環(huán)境污染方面已無(wú)法截然分開(kāi)，所以各種類(lèi)型的余熱鍋爐相繼問(wèn)世。我國(guó)近幾年產(chǎn)量每年約在400500蒸噸之間，尚不能滿足市場(chǎng)的需要。據(jù)預(yù)測(cè)，1990年，全國(guó)余熱鍋爐需要量在1000蒸噸/年以上。

21、隨著技術(shù)的進(jìn)步，今后工業(yè)部門(mén)將普遍采用高能效的先進(jìn)工藝流程，這樣能源的有效利用率提高，高溫余熱資源總量相應(yīng)減少，而中、低溫余熱資源相應(yīng)增長(zhǎng)。因此，余熱利用技術(shù)將由高溫余熱回收技術(shù)轉(zhuǎn)向中，低溫和固體顯熱的余熱回收利用技術(shù)，但在近期仍以發(fā)展高溫余熱回收的鍋爐產(chǎn)品為主。如干法熄焦余熱鍋爐，化鐵爐余熱鍋爐，轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐等。當(dāng)然也必須為今后發(fā)展中、低溫和固體顯熱回收的余熱利用技術(shù)以及城市垃圾焚燒余熱鍋爐開(kāi)展一些科研工作，以加快設(shè)計(jì)，制造各種類(lèi)型、容量和參數(shù)的余熱鍋爐，來(lái)滿足是長(zhǎng)的需求。余熱鍋爐是機(jī)械產(chǎn)品及余熱發(fā)電設(shè)備的一個(gè)重要組成部分，因此發(fā)展余熱鍋爐，振興余熱鍋爐行業(yè)，也是振興機(jī)械工業(yè)和電力工業(yè)，促進(jìn)

22、產(chǎn)品質(zhì)量、上品種和上水平不可缺少的環(huán)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，建議采取以下措施：1）改進(jìn)老式產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，趕上世界先進(jìn)水平；2）在產(chǎn)品發(fā)展中，科研設(shè)計(jì)要與推廣應(yīng)用相結(jié)合；3）加強(qiáng)與國(guó)外的技術(shù)交流，借鑒國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)；4）制定必要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)政策，發(fā)揮科研人員的工作積極性。1.3 設(shè)計(jì)的目的余熱鍋爐是燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電的主設(shè)備之一。和常規(guī)鍋爐不同，余熱鍋爐中不發(fā)生燃燒過(guò)程，也沒(méi)有燃燒相關(guān)的設(shè)備，從本質(zhì)上講，它只是一個(gè)燃?xì)馑羝膿Q熱器。其與燃?xì)廨啓C(jī)配合，燃?xì)廨啓C(jī)的排氣(溫度約在500600）進(jìn)入余熱鍋爐，加熱受熱面中的水，水吸熱變?yōu)楦邷馗邏旱恼羝龠M(jìn)入汽輪機(jī)，完成聯(lián)合循環(huán)。鍋爐是火力發(fā)電廠單元機(jī)

23、組中的主要設(shè)備之一，它是一種系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大和昂貴上的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，其內(nèi)部發(fā)生的物理化學(xué)過(guò)程非常復(fù)雜，而且各種過(guò)程機(jī)密耦合，他們相互制約、相互影響。對(duì)于余熱鍋爐動(dòng)態(tài)的研究，往往借助于為它建立的某種簡(jiǎn)化模型。然而，對(duì)于鍋爐內(nèi)部的某些工作機(jī)理，人們至今尚未充分掌握。因此，如何建立比較符合實(shí)際而又相當(dāng)簡(jiǎn)單的鍋爐數(shù)學(xué)模型，尚待研究和值得研究。本文的設(shè)計(jì)目的，就是針對(duì)過(guò)熱蒸汽溫度的特點(diǎn)，在深入分析過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的過(guò)程，過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對(duì)象的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性以及過(guò)熱蒸汽溫度控制的設(shè)計(jì)難的基礎(chǔ)上，確定在過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用單回路控制的可行性，并考慮根據(jù)蒸汽溫度偏差和偏差的變化情況調(diào)整控制器的參數(shù)

24、，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。并且由控制系統(tǒng)輸出信號(hào)來(lái)控制執(zhí)行器，通過(guò)調(diào)節(jié)執(zhí)行器去控制減溫水閥門(mén)的開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)控制過(guò)熱蒸汽溫度。并且通過(guò)仿真驗(yàn)證來(lái)控制效果。采用at89c51單片機(jī)來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行控制，可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問(wèn)題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題。第2章 余熱鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 控制方案選擇隨著控制理論的發(fā)展，越來(lái)越多的智能控制技術(shù)，如自適應(yīng)控制、模型預(yù)測(cè)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，被引入到鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制中。但這些控制技術(shù)主要是為了改善和提高控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)，并沒(méi)有從引起過(guò)熱蒸汽溫度波動(dòng)的源頭入手。通常，

25、煙氣溫度過(guò)高是引起過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高的主要原因。一般，過(guò)熱蒸汽溫度在煙氣擾動(dòng)下延遲較小，而在減溫水量擾動(dòng)下延遲較大，這種特性將使過(guò)熱蒸汽溫度的控制滯后。蒸汽溫度系統(tǒng)則是余熱鍋爐系統(tǒng)安全正常運(yùn)行，確保蒸汽品質(zhì)的重要部分。本設(shè)計(jì)主要考慮的部分是余熱鍋爐蒸汽溫度系統(tǒng)的控制。蒸汽溫度系統(tǒng)包括一級(jí)過(guò)熱器、減溫器、二級(jí)過(guò)熱器?？刂迫蝿?wù)是使過(guò)熱器出口溫度維持在允許范圍內(nèi)，并保護(hù)過(guò)熱器時(shí)管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度。2.1.1 影響過(guò)熱蒸汽溫度的因素影響過(guò)熱蒸汽溫度的因素很多，其中主要的有：過(guò)熱器是一個(gè)多容且延遲較大的慣性環(huán)節(jié)，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制要求存在若矛盾，各種擾動(dòng)因素之間相互影響，如蒸汽量、鍋爐給水溫度、

26、流經(jīng)過(guò)熱器的煙氣溫度及流速的變化等。而對(duì)各種不同的擾動(dòng)，過(guò)熱蒸汽溫度的動(dòng)態(tài)特性也各不相同。1、蒸汽流量擾動(dòng)下的蒸汽溫度對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性引起蒸汽流量擾動(dòng)的原因有兩個(gè)：一是蒸汽母管的壓力變化，二是汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度變化。結(jié)構(gòu)形式不同的過(guò)熱器，在相同蒸汽流量的擾動(dòng)下，汽溫變化的特性是不一樣的。當(dāng)鍋爐負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，蒸汽流量的變化使沿整個(gè)過(guò)熱器管路長(zhǎng)度上各點(diǎn)的蒸汽流速幾乎同時(shí)改變，從而改變過(guò)熱器的對(duì)流放熱系數(shù)，使沿整個(gè)過(guò)熱器各點(diǎn)的蒸汽溫度幾乎同時(shí)改變，因而汽溫反應(yīng)較快。其傳遞函數(shù)可以表示為： (2-1)式中： 鍋爐負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)被控對(duì)象的放大系數(shù)； 一負(fù)荷擾動(dòng)后對(duì)象的滯后時(shí)間； 對(duì)象的時(shí)間常數(shù)。從階躍響應(yīng)曲線可

27、知，其特點(diǎn)是：有延遲、有慣性、有自平衡能力，但其延遲和慣性都比較小，即時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間都比較小，且較小。動(dòng)態(tài)特性曲線如圖2-1所示。2、煙氣側(cè)熱量擾動(dòng)下蒸汽溫度對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性當(dāng)燃料量、送風(fēng)量或煤種等發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起煙氣流速和煙氣溫度的變化，從而改變了傳熱情況，導(dǎo)致過(guò)熱器出口溫度的變化。由于煙氣傳熱量的改變是沿著整個(gè)過(guò)熱器長(zhǎng)度方向上同時(shí)發(fā)生的，因此汽溫變化的遲延很小，一般在15-25s之間。煙氣側(cè)擾動(dòng)的汽溫響應(yīng)曲線如圖2-1所示，它與蒸汽量擾動(dòng)下的情況類(lèi)似。4煙氣熱量的擾動(dòng)也幾乎同時(shí)影響過(guò)熱器管道長(zhǎng)度方向各處的蒸汽溫度，故它是一個(gè)具有自平衡能力、滯后和慣性都不大的對(duì)象，其傳遞函數(shù)可表示為一

28、個(gè)二階系統(tǒng)，即： (2-2)式中： 為煙氣溫度但對(duì)象特征總的特點(diǎn)是：有遲延，有慣性，有自平衡能力。圖2-1 蒸汽量d和煙氣傳熱量q擾動(dòng)3、蒸汽溫度在減溫水量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性當(dāng)減溫水量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，雖然減溫器出口處汽溫已發(fā)生變化，但要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的過(guò)熱器管道才能使出口汽溫發(fā)生變化，其擾動(dòng)地點(diǎn)（過(guò)熱器入口）與測(cè)量蒸汽溫度的地點(diǎn)（過(guò)熱器出口）之間有著較大的距離，此時(shí)過(guò)熱器是一個(gè)有純滯后的多容對(duì)象。動(dòng)態(tài)曲線圖如圖2-2所示。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生后，要隔較長(zhǎng)時(shí)間才能是蒸汽溫度發(fā)生變化，滯后時(shí)間比較大，滯后時(shí)間約為30-60s。圖2-2 蒸汽溫度在減溫水ws擾動(dòng)綜上所述，可歸納出以下幾點(diǎn)：（1）過(guò)熱器出口蒸汽溫度對(duì)象不管

29、在哪一種擾動(dòng)下都有延遲和慣性，有自平衡能力。而且改變?nèi)魏我粋€(gè)輸入?yún)?shù)（擾動(dòng)），其他的輸入?yún)?shù)都可能直接或間接的影響出口蒸汽溫度，這使得控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)過(guò)程十分復(fù)雜。（2）在減溫水流量擾動(dòng)下，過(guò)熱器出口蒸汽溫度對(duì)象具有較大的傳遞滯后和容量滯后，縮減減溫器與蒸汽溫度控制點(diǎn)之間的距離，可以改善其動(dòng)態(tài)特性。（3）在煙氣側(cè)熱量和蒸汽流量擾動(dòng)下，蒸汽溫度控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性比較好。由圖可見(jiàn)，在減溫水流量擾動(dòng)下，減溫器出口過(guò)熱汽溫的響應(yīng)比過(guò)熱器出口汽溫快得多，可以肯定，在噴水減溫過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，以減溫器出口過(guò)熱汽溫作為導(dǎo)前信號(hào)構(gòu)成調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可大大改善控制系統(tǒng)的性能。總的來(lái)說(shuō)，根據(jù)對(duì)過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對(duì)象做

30、階躍擾動(dòng)試驗(yàn)得出的動(dòng)態(tài)特性曲線可知，它們均為有延遲的慣性環(huán)節(jié)，但各自的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)值有較大的差別。因此，過(guò)熱蒸汽溫度控制的主要任務(wù)就是：（1）克服各種干擾因素，將過(guò)熱器出口蒸汽溫度維持在規(guī)定允許的范圍內(nèi)，從而保持蒸汽品質(zhì)合格；（2）保護(hù)過(guò)熱器管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度。本設(shè)計(jì)主要以控制減溫水流量的變化來(lái)闡述對(duì)蒸汽溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。2.1.2 單回路控制方案單回路控制系統(tǒng)是最基本的控制系統(tǒng)。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，易于調(diào)整，操作維護(hù)比較方便，又能滿足多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)的控制要求,應(yīng)用十分廣泛。在運(yùn)行過(guò)程中，改變減溫水流量，實(shí)際上是改變過(guò)熱器出口蒸汽的熱度，亦改變進(jìn)口蒸汽溫度。25減溫器有表面式和噴水式

31、兩種。減溫器盡可能德安裝在靠近蒸汽出口處，但一定要考慮過(guò)熱器材料的安全問(wèn)題，這樣能夠獲得較好的動(dòng)態(tài)特性。調(diào)節(jié)器和控制對(duì)象是單回路控制系統(tǒng)的兩個(gè)主要組成部分。它們的特性將決定控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，因此討論控制對(duì)象的特征參數(shù)和調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響是非常必要的。對(duì)象動(dòng)態(tài)特性是確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律、設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù)的依據(jù)，那么根據(jù)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性和生產(chǎn)過(guò)程對(duì)控制質(zhì)量的要求，確定調(diào)節(jié)參數(shù)的數(shù)值是控制系統(tǒng)投入前要做的一項(xiàng)重要工作。如圖2-3單回路方式原理圖所示，系統(tǒng)引入過(guò)熱蒸汽溫度作為反饋量，是典型的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。當(dāng)過(guò)熱蒸汽溫度的測(cè)量值等于設(shè)定值時(shí)，噴水閥門(mén)不動(dòng)，系統(tǒng)處在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，此時(shí)，

32、若爐膛燃燒工況發(fā)變化使蒸汽溫度上升，造成給定值和測(cè)量值產(chǎn)生偏差，則偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)控制器的方向判斷及數(shù)學(xué)運(yùn)算后，產(chǎn)生控制信號(hào)使噴水閥門(mén)以適當(dāng)形式打開(kāi)噴水流量。測(cè)量值最終回到設(shè)定值，系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)。圖2-3 單回路方式原理圖2.1.3串級(jí)控制方案過(guò)熱器出口蒸汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)采用兩級(jí)調(diào)節(jié)器，這兩級(jí)調(diào)節(jié)器串在一起，各有其特殊任務(wù)，形成了特有的雙閉環(huán)系統(tǒng)，由副調(diào)節(jié)器和減溫器出口溫度形成的閉環(huán)稱(chēng)為副環(huán)。由主調(diào)節(jié)器和主信號(hào)-出口蒸汽溫度，形成的閉環(huán)稱(chēng)為主環(huán)，可見(jiàn)副環(huán)是環(huán)在主環(huán)之中。如圖2-4所示為串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖。過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的主要困難在于引起蒸汽溫度變化的擾動(dòng)因素很多，不容易控制。如蒸汽流量、

33、火焰中心位置、燃燒工況、煙汽溫度和流速、爐溫變化。其中起主要作用的是蒸汽流量和減溫水流量?jī)蓚€(gè)方面。由于被控對(duì)象(過(guò)熱器通道)具有較大的延遲和慣性以及運(yùn)行中要求有較小的溫度控制偏差。針對(duì)過(guò)熱蒸汽汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象調(diào)節(jié)通道慣性延遲大、被調(diào)量信號(hào)反饋慢的特點(diǎn)，應(yīng)該從對(duì)象的調(diào)節(jié)通道中選擇一個(gè)比被調(diào)量反應(yīng)快的中間點(diǎn)信號(hào)作為調(diào)節(jié)的補(bǔ)充反饋信號(hào)，以改善調(diào)節(jié)通道的動(dòng)態(tài)特性，提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制品質(zhì)。圖2-4 蒸汽溫串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖將圖2-4所示過(guò)熱蒸汽溫調(diào)節(jié)原理圖轉(zhuǎn)化為方框圖，即為圖2-5所示，由圖2-5所示可以看出，此串級(jí)控制回路是用兩個(gè)串聯(lián)的pid控制器和一個(gè)執(zhí)行器來(lái)控制主汽溫度的。其基本原理就是系統(tǒng)根據(jù)過(guò)熱汽

34、溫度設(shè)定值和反饋值y1的偏差e，作為主調(diào)節(jié)器的輸入，主調(diào)節(jié)器經(jīng)過(guò)pid運(yùn)算后的輸出u1作為副調(diào)節(jié)器的輸入設(shè)定值，此設(shè)定值與二級(jí)噴水減溫器的出口溫度反饋y2的偏差e2作為二級(jí)過(guò)熱器出口溫度調(diào)節(jié)器的輸入，其輸出u2作為執(zhí)行器的輸入動(dòng)作指令。圖2-5 串級(jí)pid控制圖一般在過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，副調(diào)節(jié)回路的動(dòng)態(tài)特性的遲延和慣性比較小，在這種情況下，副回路的調(diào)節(jié)過(guò)程快得多，當(dāng)副回路消除噴水?dāng)_動(dòng)時(shí)，過(guò)熱汽溫度基本上不受影響。因此，當(dāng)副回路動(dòng)作時(shí)主回路可以看作是開(kāi)路，主回路動(dòng)作時(shí)，副回路可以看作是迅速動(dòng)作的隨動(dòng)系統(tǒng)，即二級(jí)減溫器出口溫度基本上與校正信號(hào)e2成比例變化。2.1.4 前饋控制方案為改善調(diào)節(jié)品

35、質(zhì)，引入導(dǎo)前氣溫微分信號(hào)，組成氣溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有一種策略。由氣溫被調(diào)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性可知，導(dǎo)前氣溫可以提前反應(yīng)擾動(dòng)，取其微分信號(hào)引入調(diào)節(jié)器后，由于微分信號(hào)動(dòng)態(tài)時(shí)不為零穩(wěn)態(tài)時(shí)為零，所以動(dòng)態(tài)時(shí)可使調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用超前，穩(wěn)態(tài)時(shí)可使過(guò)熱器出口溫度等于給定值，從而改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。在過(guò)熱蒸汽溫度的控制中，擾動(dòng)有很多如蒸汽流量擾動(dòng)、煙氣側(cè)傳熱量的擾動(dòng)、噴水量擾動(dòng)等等。如果我們引入一個(gè)量來(lái)校正就構(gòu)成了前饋控制系統(tǒng)。如圖2-6為前饋控制的原理圖及方框圖。圖2-6 前饋控制原理圖及方框圖將減溫器出口溫度的微分信號(hào)作為前饋信號(hào)，與過(guò)熱器出口溫度相加后作為過(guò)熱器溫度控制器測(cè)量，當(dāng)減溫器出口溫度有變化時(shí)，才引入前饋信號(hào)。穩(wěn)定

36、情況下，該微分信號(hào)為零，與單回路控制系統(tǒng)相同。其中是原調(diào)節(jié)算法，是執(zhí)行元件和可能的其他環(huán)節(jié)?，F(xiàn)希望用完全抵消擾動(dòng)的影響。把圖2-6等效為圖2-7，顯然,只有當(dāng)=才能完全抵消擾動(dòng)的影響。圖2-7 等效的原理框圖2.2 控制方案的比較和方案確定2.2.1 控制方案的比較 閉環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器與被控對(duì)象之間既有順向控制又有反向聯(lián)系的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不管任何擾動(dòng)引起被控變量偏離設(shè)定值，都會(huì)產(chǎn)生控制作用去克服被控變量與設(shè)定值的偏差。因此閉環(huán)控制系統(tǒng)有較高的控制精度和較好的適應(yīng)能力，其應(yīng)用范圍非常廣泛。缺點(diǎn)是閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制作用只有在偏差出現(xiàn)后才產(chǎn)生，當(dāng)系統(tǒng)的慣性滯后和純滯后較大時(shí)，控制

37、作用對(duì)擾動(dòng)的克服不及時(shí)，從而使其控制質(zhì)量大大降低。17在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，根據(jù)設(shè)定值的不同形式，又可分為定值控制系統(tǒng)，隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)由于副環(huán)的存在，改善了對(duì)象的特性，使等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)減小，系統(tǒng)的工作頻率提高。同時(shí)，由于串級(jí)系統(tǒng)有主、副兩只控制器，使控制器的總放大倍數(shù)增大，系統(tǒng)的抗干擾能力增強(qiáng)。主調(diào)節(jié)器為pid，副調(diào)節(jié)器為pi，在串級(jí)系統(tǒng)中，由于副回路可以很快的消除減溫水流量的自發(fā)性擾動(dòng)和其他進(jìn)入副回路的各種擾動(dòng)，對(duì)過(guò)熱蒸汽溫度的穩(wěn)定起粗調(diào)作用，主調(diào)節(jié)器的作用是保證過(guò)熱蒸汽溫度趨于給定值。然而當(dāng)工況變化時(shí)，對(duì)象特性發(fā)生變化，這將使得控制質(zhì)量變壞，一般控制效果不好。單

38、回路控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是將被控量的狀態(tài)測(cè)量出來(lái)并和給定值進(jìn)行比較，有偏差就可以修正，因此必須知道被控量的準(zhǔn)確狀態(tài)，如果不能正確的檢測(cè)出被控量的狀態(tài)，就不能進(jìn)行控制，所以要求檢測(cè)環(huán)節(jié)的精度和靈敏度更高。另外，作為被控量的過(guò)程變量，如果不先改變其狀態(tài)而把它直接作為控制系統(tǒng)的信號(hào)，在大多數(shù)情況下是不適宜的。所以除了特別簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制外，一般不采用對(duì)被控量直接控制的方式。在多數(shù)的過(guò)程控制中，一般都將通過(guò)檢測(cè)環(huán)節(jié)的信號(hào)變換成便于控制的信號(hào)。前饋控制系統(tǒng)是依據(jù)干擾的大小；其調(diào)節(jié)作用發(fā)生在過(guò)程輸出變量出現(xiàn)偏差之前，比單回路控制及時(shí)。前饋控制必須使用針對(duì)具體過(guò)程的干擾和受控輸出變量特性的專(zhuān)用控制器。不可能有專(zhuān)用的

39、前饋控制器。這也給實(shí)際應(yīng)用增加了麻煩和困難。一種前饋控制作用只能消除一種干擾的影響。前饋和反饋完全不同，前饋控制不是閉環(huán)而是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。控制變量被調(diào)節(jié)后并不反過(guò)來(lái)影響干擾變量；調(diào)節(jié)作用對(duì)受控輸出變量影響的結(jié)果也沒(méi)有反饋機(jī)制。相形之下，一個(gè)反饋回路有可能克服多種干擾的影響。由此可以看出，盡管前饋控制具有在理論上可以實(shí)現(xiàn)完美控制的吸引力，實(shí)際應(yīng)用還仍然受到許多限制。2.2.2 方案的確定不同的控制方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，由于此系統(tǒng)干擾很小可以忽略不計(jì)，以上三種方案都能實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)熱蒸汽溫度的控制，但是從成本上來(lái)看單回路控制更經(jīng)濟(jì)些，因此經(jīng)過(guò)分析采用單回路控制能滿足本設(shè)計(jì)的需要，而且單回路控制形式簡(jiǎn)單，

40、容易實(shí)現(xiàn)。根據(jù)控制要求，溫度單回路控制系統(tǒng)的控制參數(shù)是蒸汽溫度，測(cè)量便采用溫度傳感器，控制器是單片機(jī)，執(zhí)行器是調(diào)節(jié)閥，所以溫度單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-8所示。圖2-8 單回路控制系統(tǒng)方框圖第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖余熱鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)的主控部分由單片機(jī)構(gòu)成。通過(guò)按鍵電路進(jìn)行溫度報(bào)警值的設(shè)定，并對(duì)鍋爐的過(guò)熱蒸汽溫進(jìn)行采集及處理，然后與報(bào)警值比較，當(dāng)過(guò)熱蒸汽溫度的測(cè)量值等于設(shè)定值時(shí)，噴水閥門(mén)不動(dòng)，系統(tǒng)處在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。8此時(shí)，若爐膛燃燒工況發(fā)變化使蒸汽溫度上升，造成給定值和測(cè)量值產(chǎn)生偏差，則偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)控制器的方向判斷及數(shù)學(xué)運(yùn)算后，產(chǎn)生控制信號(hào)使噴水閥門(mén)以適當(dāng)形式打開(kāi)噴水

41、流量。測(cè)量值最終回到設(shè)定值，系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)。下圖3-1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖3-1 系統(tǒng)方案框圖3.2 單片機(jī)與8155的接口電路mcs-51單片機(jī)可直接和8155連接，不需要任何外加邏輯電路，可以直接為系統(tǒng)增加256b外部ram、22根i/o線及一個(gè)14位定時(shí)器。其基本硬件連接方法如圖3-2所示。由于8155片內(nèi)有鎖存器，所以單片機(jī)p0口輸出的低8位地址不需要另加鎖存器，直接與8155的ad7ad0相連，既作為低8位地址總線，又作為數(shù)據(jù)總線，利用8051的ale信號(hào)的下降沿鎖存p0送出的地址信息。片選信號(hào)ce和io/m選擇信號(hào)分別接p2.7和p2.0。圖3-2 51單片機(jī)與8155的連接方

42、式3.3 信號(hào)輸入部分3.3.1 溫度信號(hào)采集與處理采用構(gòu)建橋式電路，電橋的四個(gè)電阻中三個(gè)是恒定的，另一個(gè)用pt100熱電阻，當(dāng)pt100電阻值變化時(shí)，測(cè)試端產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，由此電勢(shì)差換算出溫度。電路中使用的是1k（0）的鉑電阻，因?yàn)殂K電阻阻值高達(dá)1k所以不受布線溫度的影響。r0、r1、rt構(gòu)成橋式電路橋式電路的輸出電壓經(jīng)由差動(dòng)放大器放大?？梢员硎緸椋?（3-1）在圖中所示參數(shù)的條件下，的靈敏度為1.395ma/;為了將他放大為10ma/的靈敏度，差動(dòng)放大器的增益g必須為10/1.395=7.17倍。具體電路如圖3-3所示。該電路中為了使橋式電路的電阻不受影響，將輸入電阻選取了高達(dá)1m的數(shù)值，

43、由此決定了運(yùn)算放大器必須是低輸入偏置電流的場(chǎng)效應(yīng)管晶體管輸入型。經(jīng)過(guò)儀器放大器放大后的電壓輸出送給a/d轉(zhuǎn)換芯片的ino口，從而把熱電阻的阻值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。18圖3-3 信號(hào)采集與處理3.3.2 a/d轉(zhuǎn)換利用熱電阻pt100溫度傳感器具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓、線性較好的特點(diǎn)作為溫度傳感器，然后通過(guò)運(yùn)算放大器構(gòu)建差分放大將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成adc0809模擬通道的輸入的0-5v標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)。ad轉(zhuǎn)換器選adc0809，adc0809是一種逐次比較式的8路模擬輸入，內(nèi)部具有所存功能，故不需加地址鎖存器。ale腳為地址所存信號(hào)，高電平有效，三根地址線固

44、定接地，由于地址信號(hào)已經(jīng)固定，固將ale接高電平。系統(tǒng)只需要一路信號(hào)，選擇in-0作為輸入。start腳為ad轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，高電平有效，程序控制。ad采樣值為系統(tǒng)的偏差信號(hào)，固選擇adc0809的vref接+5v和-5v。由圖可以看出，ale信號(hào)和start信號(hào)聯(lián)系在一起，這樣連接可以在信號(hào)的前沿寫(xiě)入地址信號(hào)，在其后沿啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換。start和ale互連可以使adc0809在接收模擬量路數(shù)地址時(shí)啟動(dòng)工作。start啟動(dòng)信號(hào)由89s51的wr和p2.5經(jīng)或非門(mén)產(chǎn)生。ad轉(zhuǎn)換結(jié)果由8155的pa0pa7口讀入，故將ad轉(zhuǎn)換器的輸出與8155的pa0pa7口相連，高地位依次相連。ad轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)

45、的接口電路如下圖3-4所示。圖3-4 adc0809與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)3.4 顯示電路設(shè)計(jì)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示實(shí)際是將所有數(shù)碼管的8個(gè)筆畫(huà)段ah的各同名段分別并接在一起，并把他們接在單片機(jī)的字段輸出口上。為了防止各個(gè)數(shù)碼管同時(shí)顯示相同的數(shù)字，各個(gè)數(shù)碼管的公共端com還要收到另一組信號(hào)的控制，即把他們連到位輸出口上。這樣，一組數(shù)碼管顯示器需要由兩組信號(hào)來(lái)控制：一組字段輸出口輸出的字形代碼，用來(lái)控制顯示的字形，稱(chēng)為段碼；另一組是位輸出口的控制信號(hào)，用來(lái)選擇第幾個(gè)顯示器工作，稱(chēng)為位碼。所謂動(dòng)態(tài)顯示就是利用循環(huán)掃描的方式，分時(shí)輪流宣統(tǒng)各個(gè)數(shù)碼管的公共端，使各個(gè)數(shù)碼管輪流導(dǎo)通，在導(dǎo)通的同時(shí)送上不同的段碼。當(dāng)掃

46、描速度達(dá)到一定程度時(shí)，人眼就分辨不出來(lái)了，即認(rèn)為各個(gè)數(shù)碼管在同時(shí)顯示。12如圖3-5所示，8155的pb口作為段控制，pc口通過(guò)4個(gè)pnp型三極管8550控制數(shù)碼管的4個(gè)com公共端。如果要第一個(gè)數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，pc0需要輸出低電平0，則此時(shí)第一個(gè)pnp三極管導(dǎo)通，通過(guò)第一位數(shù)碼管的com公共端向第一個(gè)數(shù)碼管供電。以此類(lèi)推，可以分時(shí)點(diǎn)亮4個(gè)led數(shù)碼管。但是，需要注意的是不能讓pc0pc3中的2個(gè)或2個(gè)以上同時(shí)輸出低電平0，否則就會(huì)造成顯示混亂，除非2個(gè)數(shù)碼管上要顯示的內(nèi)容相同。本例中數(shù)碼管選擇的是sm410364共陽(yáng)極四位一體的led顯示器。三極管采用pnp型8550，pb口接的限流電阻是8

47、個(gè)470的；pc口上接的電阻是4個(gè)4.7k的；pb口接的8個(gè)上拉電阻都是4.7k的。圖3-5 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路3.5 信號(hào)輸出部分3.5.1 d/a轉(zhuǎn)換dac0832的基本原理是把數(shù)字量的每一位轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后根據(jù)疊加定理將每一位對(duì)應(yīng)的模擬分量相加，輸出相應(yīng)的電流或者電壓。dac0832是具有兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位dac，可以直接與51單片機(jī)相連，參考電壓+5v，直接與供電電源相連。dac0832是電流型輸出，在應(yīng)用時(shí)外接運(yùn)放使之成為電壓型輸出。csda：片選信號(hào)輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效；wr：數(shù)據(jù)鎖存器寫(xiě)選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由ile、c

48、s、wr1的邏輯組合產(chǎn)生le1，當(dāng)le1為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，le1的負(fù)跳變時(shí)將輸入數(shù)據(jù)鎖存；dac0832的數(shù)據(jù)口和單片機(jī)的p1口相連，片選信號(hào)cs為p2.6。如圖3-6為dac0832與單片機(jī)的連接電路。圖3-6 dac0832與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)3.5.2 4-20ma標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出 lm324的5管腳與dac0832的（iout2）12管腳相連，lm324的6管腳與dac0832的（iout1）11管腳相連，lm324的7管腳與dac0832的ref（9）管腳相連。第一級(jí)運(yùn)算放大器的作用是將dac0832輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)v1，第二級(jí)運(yùn)算放大器的作用是將輸出

49、的0-5v電壓轉(zhuǎn)換為4-20ma標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。從而控制輸出調(diào)節(jié)蒸汽溫度減溫閥，達(dá)到減溫的目的。4-20ma標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出如下圖3-7所示。圖3-7 4-20ma標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出3.6 串口與上位機(jī)通信電路單片機(jī)與外部設(shè)備或單片機(jī)與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸稱(chēng)為通信，其傳輸介質(zhì)稱(chēng)為通信接口。按信號(hào)傳輸方式，通信可分為并行通信與串行通信兩種基本方式。14上位機(jī)的rs232串口標(biāo)準(zhǔn)為：正電平在+3v+15v，負(fù)電平在-3v-15v。也就是說(shuō)對(duì)于rs232信號(hào)而言，當(dāng)傳輸點(diǎn)評(píng)的絕對(duì)值大于3v時(shí)，電路可以有效地檢查出來(lái)，介于-3v+3v之間的電壓無(wú)意義，低于-15v或高于+15v的電壓也認(rèn)為無(wú)意義。因此，實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)

50、保證電平在（315）v之間。而單片機(jī)使用的是ttl/coms電平，與rs232串行借口標(biāo)準(zhǔn)是不兼容的，因此要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和單片機(jī)之間的通信，必須進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。這里采用電平轉(zhuǎn)換收發(fā)芯片max232進(jìn)行rs232與ttl/cmos電平的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通信，51單片機(jī)與該芯片接口電路如圖3-8所示，t1in、t2in為ttl/cmos電平輸入端，t1in、t2in可連接單片機(jī)的txd（發(fā)送）引腳。r1out、r2out為ttl/coms電平輸出端，r1out、r2out可連接單片機(jī)的rxd（接收）引腳。r1in、r2in為rs232電平輸入端，r1in、r2in連接db9借口的3腳，接收上

51、位機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。t1out、t2out為rs232電平輸出端，t1out、t2out連接到db9的2腳，向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。1、3和4、5引腳之間分別接電容，vcc和v+之間接電容，gnd和v-之間接電容。db9接口的5腳必須接地。圖3-8 單片機(jī)與max232的接口電路3.7 報(bào)警電路設(shè)計(jì)報(bào)警電路與8155的pc4口相連接，由于單片機(jī)的i/o口輸出的電流無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，所以設(shè)計(jì)了報(bào)警電路如圖3-9所示：當(dāng)蒸汽溫度高于上限溫度、低于下限溫度或者在輸入錯(cuò)誤時(shí)，單片機(jī)給8155的pc4口輸出一個(gè)低電平信號(hào)來(lái)導(dǎo)通三極管8550以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和led燈，進(jìn)行系統(tǒng)報(bào)警，當(dāng)溫度恢復(fù)到設(shè)置范圍內(nèi)后，聲光報(bào)警

52、自動(dòng)撤銷(xiāo)。圖3-9 報(bào)警電路3.8 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)鍵盤(pán)是由一組規(guī)則排列的按鍵組成，一個(gè)按鍵實(shí)際上是一個(gè)開(kāi)關(guān)元件，也就是說(shuō)鍵盤(pán)是一組規(guī)則排列的開(kāi)關(guān)。本次設(shè)計(jì)中，按鍵較少，故而選擇獨(dú)立式按鍵。進(jìn)入系統(tǒng)之前首先對(duì)溫度報(bào)警值的設(shè)置。本系統(tǒng)有四個(gè)按鍵分別k1,k2,k3,k4。(1)k1功能鍵：選擇修改溫度設(shè)定值、上限值、下限值、顯示溫度。(2) k2確認(rèn)鍵：對(duì)結(jié)果確認(rèn)并保存。(3) k3加1鍵：設(shè)置余熱鍋爐鍋爐溫度報(bào)警值的溫度值增加按鍵；k3每按下一次，位選標(biāo)志所指的當(dāng)前位的值加比上一次值增加一。(4) k4減1鍵：設(shè)置余熱鍋爐鍋爐溫度報(bào)警值的溫度值減少按鍵；k4每按下一次，位選標(biāo)志所指的當(dāng)前位的值比上

53、一次值減少一。如圖3-10所示四個(gè)按鍵分別與單片機(jī)的p2.1、p2.2、p2.3、p2.4相連，各個(gè)按鍵的開(kāi)關(guān)處均采用了4*10k的上拉電阻，這是為了保證按鍵開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，各i/o口線有確定的高電平。圖3-10 鍵盤(pán)電路3.9 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)如下圖3-11所示是由變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電源等幾部分電路組成。變壓器的輸出端是三抽頭的，經(jīng)過(guò)兩組整流二極管整流，在通過(guò)電容c1、c6和c2、c7濾波后分別輸入到穩(wěn)壓片子7812和7912的輸入端，從7812 和7912的輸出端就可以得到比較穩(wěn)定的12v電壓和-12v電壓。12v電壓在通過(guò)兩個(gè)電容濾波后輸入到7805穩(wěn)壓芯片的輸入端，在7805

54、的輸出端就可以得到5v的穩(wěn)定電壓。圖3-11中兩個(gè)發(fā)光二極管起到電源指示作用。圖3-11 穩(wěn)壓電源電路圖3.10 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.10.1時(shí)鐘電路單片機(jī)雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外部附加電路。利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在第18腳xtal1、第19腳xtal2上外接定時(shí)元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩，用示波器可以觀察到xtal2輸出的時(shí)鐘信號(hào)。振蕩晶體可在1.2mhz12mhz之間選擇，電容值無(wú)嚴(yán)格要求，但在電容值取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響，cx1、cx2可在20pf100pf之間取值。在外部晶體上選用晶體振蕩器，頻率為12mhz，為提高頻率穩(wěn)定

55、性，cx1、cx2都為30pf。時(shí)鐘電路如圖3-12所示。圖3-12 時(shí)鐘電路3.10.2復(fù)位電路復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，在其上電后第9腳reset出現(xiàn)24個(gè)振蕩周期以上的高電平后，單片機(jī)內(nèi)部初始復(fù)位。如圖3-13所示是一個(gè)簡(jiǎn)單的手動(dòng)復(fù)位與上電復(fù)位綜合的復(fù)位電路。r1、r2構(gòu)成手動(dòng)復(fù)位電路，r2一般取15k.當(dāng)r1=200時(shí)，r2=1k時(shí)，若按鍵按下，實(shí)現(xiàn)可靠復(fù)位其復(fù)位電壓為4.17v。當(dāng)k閉合、urst3v時(shí)，是可靠的復(fù)位電平，則該電路的復(fù)位時(shí)間約為11ms。為保證可靠復(fù)位，一般選取復(fù)位時(shí)間為10ms即可。2圖3-13 復(fù)位電路第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件設(shè)計(jì)思路本章詳細(xì)的介紹了基于at89s51單片機(jī)的余熱鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)功能，可以將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為若干個(gè)子程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，如溫度采集子程序、pid控制子程序、顯示子程序等。本章從設(shè)計(jì)思路、軟件系統(tǒng)框圖出發(fā)，先介紹整體思路，在逐一分析各模塊程序算法的實(shí)現(xiàn)，最終編寫(xiě)滿足任務(wù)需要的程序。本系統(tǒng)要完成溫度信號(hào)的采集與控制，需要實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的采集與a/d轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)然竟δ?。?/p>