本科畢設(shè)論文--小型燃油采暖鍋爐電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGEPAGEIV摘要工業(yè)自動(dòng)化涉及的范圍很廣，過程控制是其中最重要的一個(gè)分支。它主要針對(duì)工業(yè)過程的五大參數(shù)，即溫度、壓力、流量、液位(或物位)、成分和特性等參數(shù)的控制問題。過程控制覆蓋了很多工業(yè)部門，例如石油、化工、電力、冶金、輕工、紡織等部門，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中所占有的地位極其重要。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域和工藝過程的不同，所采用的控制方式及其側(cè)重點(diǎn)也不相同。而在大量的工業(yè)生產(chǎn)中燃燒都是必要的一環(huán)，從燃燒角度來說，有燃油、燃煤、燃?xì)獾膮^(qū)別。雖然燃燒的應(yīng)用場(chǎng)合和燃料可能不同，但燃燒過程的控制都不外是燃燒控制、溫度控制、燃燒程度控制、安全性控制、節(jié)能控制等。本文僅以燃油蒸汽鍋爐為例說明燃燒系統(tǒng)中具有一定普遍性的控制問題。本次課題的目的就是基于生產(chǎn)實(shí)際的需求，針對(duì)蒸汽壓力控制、燃料空氣比值控制和爐膛負(fù)壓控制進(jìn)行系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)并在MATLAB環(huán)境下建立模型、進(jìn)行控制算法的實(shí)現(xiàn)研究。其主要采用了MATLAB中的SIMULINK工具箱進(jìn)行仿真，通過模擬示波器中的波形來調(diào)節(jié)參數(shù)，改良控制效果。關(guān)鍵字：燃燒控制系統(tǒng)MATLAB過程控制SIMULINK

AbstractIndustrialautomationinvolveaverywiderange,whileprocesscontrolisoneofthemostimportantbranches.Itmainlyrefertocontroltechniquesoffiveindustrialprocessesparameterswhicharetemperature,pressure,andflow,liquidlevel(orbits),compositionandcharacteristics.Processcontrolcoversmanyindustries,suchaspetroleum,chemicalindustry,electricpower,metallurgy,lightindustryandtextiledepartment.Itoccupiedanextremelyimportantpositionofthenationaleconomy.Thecontrolmodesandtheiremphasisdependonthedifferentactualapplicationandprocessengineering.Combustionisessentialintheindustrialproduction.Burningspeaking,itcanbedivideintofuel,coalandgas.Althoughburningapplicationsandfuelcombustionprocessmaybedifferent,thecontrolofburningprocessallinvolveburningcontrol,temperaturecontrolandburninglevelcontrol,safetycontrol,degreeofsavingenergycontroletc.Thispaperonlytotakefuelsteamboilercombustionsystemasanexample,itillustratesthecontrolproblemswithcertainuniversalityinthecombustionsystem.Thepurposeofthissubjectistodesignthesystemframeworkforsteampressurecontrol,fuelairratiocontrolandhearthnegativepressurebasedontheactualproductionneeds,alsomakemodelintheMATLABenvironmentaswellasresearchforthealgorithmofcontrol.ItmainlyusestheMATLABandSIMULINKtoolbox,adjustingtheparametersintermsofthewaveformofoscilloscope.Asaresult,thecontroleffectimproved.Keywords:CombustionControlSystemMATLABProcesscontrolSIMULINK

獨(dú)創(chuàng)聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)，是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設(shè)計(jì)（論文）不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。

作者簽名:二〇一〇年九月二十日

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作者簽名:二〇一〇年九月二十日

目錄TOC\o"1-3"\h\u1106第1章概述 -1-74191.1鍋爐及其微機(jī)控制簡(jiǎn)介 -1-299861.2燃油鍋爐的主要設(shè)備 -2-176611.3燃油鍋爐的三大工作過程 -3-205861.3.1燃料的燃燒過程 -3-290121.3.2水的汽化過程 -3-267371.3.3煙氣向水的傳熱過程 -4-192601.4鍋爐的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) -5-24021.5本文的設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 -6-7819第2章鍋爐控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) -7-99042.1鍋爐控制系統(tǒng)框圖 -7-215222.2系統(tǒng)的控制方案 -7-257042.2.1微機(jī)控制方案 -7-276842.2.2功能模塊板控制方案 -8-256342.2.3新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方案 -8-251582.3系統(tǒng)的相關(guān)配置 -9-149652.4燃油鍋爐的控制方法 -9-274652.5燃油鍋爐控制系統(tǒng)的理論 -11-228112.5.1PID控制理論 -11-187902.5.2PID控制理論擴(kuò)展 -13-23340第3章燃油鍋爐控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) -17-36093.1鍋爐控制系統(tǒng)的目的 -17-194663.2鍋爐控制系統(tǒng)的過程控制機(jī) -17-81243.2.1芯片介紹與連接 -17-17963.2.2鍵盤和顯示器 -22-187543.2.3A/D通道 -24-319263.2.4D/A通道 -25-31983.2.5隔離器 -28-216733.3傳感器的選擇 -28-296503.3.1熱電偶傳感器的工作原理 -29-217043.3.2熱電偶傳感器的接觸電勢(shì) -29-179893.3.3熱電偶冷端溫度誤差及補(bǔ)償 -30-14403.4信號(hào)放大 -30-228583.5克服擾動(dòng)措施 -32-3943.6鍋爐的給水控制 -33-219523.7燃燒器的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng) -35-36263.8蒸汽壓力調(diào)節(jié)對(duì)象的特性 -36-12788第4章燃油鍋爐控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) -37-232784.1系統(tǒng)主程序 -37-288424.2系統(tǒng)中斷服務(wù)程序 -37-216124.3系統(tǒng)其他子程序 -37-300714.4主程序清單 -41-15314第5章燃油鍋爐控制系統(tǒng)性能分析 -42-2495.1MATLAB環(huán)境下控制算法研究 -42-273405.1.1系統(tǒng)辨識(shí) -42-121625.1.2控制系統(tǒng)參數(shù)整定 -43-188465.2控制系統(tǒng)SIMLINK仿真 -46-8100結(jié)論 -48-6271致謝 -49-28632參考文獻(xiàn) -50-19456附錄1：小型燃油采暖鍋爐電氣控制系統(tǒng)原理圖 -52-22812附錄1:小型燃油采暖鍋爐電氣控制系統(tǒng)主程序清單 -53-長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）56-第1章概述1.1鍋爐及其微機(jī)控制簡(jiǎn)介鍋爐是化工、煉油、發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)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，現(xiàn)在可作為風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、大型泵類的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源。又可作為蒸餾、化學(xué)反應(yīng)、干燥和蒸發(fā)過程的熱源。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、生產(chǎn)設(shè)備的不斷更新，作為全廠動(dòng)力源和熱源的鍋爐，亦向著大容量、高效率發(fā)展。為了確保安全、穩(wěn)定生產(chǎn)，鍋爐設(shè)備的控制系統(tǒng)就顯得特別重要了。鍋爐按燃料種類來分，可分為燃油鍋爐、燃汽鍋爐和燃煤鍋爐。在化工生產(chǎn)過程中，由于產(chǎn)生各種不同的殘油、殘?jiān)?、煉廠氣等，所以多用燃油和燃汽鍋爐。而在其它工業(yè)中，常用的還是燃煤鍋爐。鍋爐計(jì)算機(jī)控制，是近年來開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，它是微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，我國(guó)現(xiàn)有中、小型鍋爐30多萬臺(tái)，每年耗煤量占我國(guó)原煤產(chǎn)量的1/3，目前大多數(shù)工業(yè)鍋爐仍處于能耗高、浪費(fèi)大、環(huán)境污染嚴(yán)重的生產(chǎn)狀態(tài)。提高熱效率，降低耗煤量，降低耗電量，用微機(jī)進(jìn)行控制是一件具有深遠(yuǎn)意義的工作[1]。工業(yè)鍋爐采用微機(jī)控制和原有的儀表控制方式相比具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：1．直觀而集中的顯示鍋爐各運(yùn)行參數(shù)。能快速計(jì)算出機(jī)組在正常運(yùn)行和啟停過程中的有用數(shù)據(jù)，能在顯示器上同時(shí)顯示鍋爐運(yùn)行的水位、壓力、爐膛負(fù)壓、煙氣含量、測(cè)點(diǎn)溫度、燃煤量等數(shù)十個(gè)運(yùn)行參量的瞬時(shí)值、累計(jì)值及給定值，并能按需要在鍋爐的結(jié)構(gòu)示意畫面的相應(yīng)位置上顯示出參數(shù)值。給人直觀形象，減少觀察的疲勞和失誤。2．可以按需要隨時(shí)打印或定時(shí)打印，能對(duì)運(yùn)行狀況進(jìn)行準(zhǔn)確地記錄，便于事故追查和分析，防止事故的瞞報(bào)漏報(bào)現(xiàn)象。3．在運(yùn)行中可以隨時(shí)方便的修改各種運(yùn)行參數(shù)的控制值，并修改系統(tǒng)的控制參數(shù)。4．減少了顯示儀表，還可利用軟件來代替許多復(fù)雜的儀表單元，（例如加法器、微分器、濾波器、限幅報(bào)警器等），從而減少了投資也減少了故障率。5．提高鍋爐的熱效率。從已在運(yùn)行的鍋爐來看，采用計(jì)算機(jī)控制后熱效率可比以前提高5-10%，據(jù)用戶統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)20T的鍋爐，全年平均負(fù)荷70%，以平均熱效率提高5%計(jì)，全年節(jié)煤800噸，按每噸煤380元計(jì)算每年節(jié)約304000元。6．鍋爐系統(tǒng)中包含鼓風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)，給水泵，等大功率電動(dòng)機(jī)，由于鍋爐本身特性和選型的因素，這些風(fēng)機(jī)大部分時(shí)間里是不會(huì)滿負(fù)荷輸出的，原有方式采用閥門和擋板控制流量，浪費(fèi)非常嚴(yán)重。通過對(duì)風(fēng)機(jī)水泵進(jìn)行變頻控制可以平均節(jié)電達(dá)到30%-40%。7．鍋爐是一個(gè)多輸入多數(shù)出、非線性動(dòng)態(tài)對(duì)象，諸多調(diào)解量和被調(diào)量間存在著耦合通道。例如當(dāng)鍋爐的負(fù)荷變化時(shí)，所有的被調(diào)量都會(huì)發(fā)生變化。故而理想控制應(yīng)該采用多變量解耦控制方案。而建立解耦模型和算法通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)比較方便。8．作為鍋爐控制裝置，其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。在采用計(jì)算機(jī)控制的鍋爐控制系統(tǒng)中，有十分周到的安全機(jī)制，可以設(shè)置多點(diǎn)聲光報(bào)警，和自動(dòng)連鎖停爐。杜絕由于人為疏忽造成的重大事故。1.2燃油鍋爐的主要設(shè)備鍋爐是一種產(chǎn)生蒸汽或者熱水的熱交換設(shè)備。它通過煤、油或天然汽等燃料的燃燒過程釋放出化學(xué)能，并通過傳熱過程把能量傳遞給水，把水變成蒸汽或熱水，蒸汽或熱水直接供給工業(yè)、生活等生產(chǎn)中所需要的熱能。所以鍋爐的中心任務(wù)是把燃料中的化學(xué)能有效的轉(zhuǎn)化為蒸汽的熱能。鍋爐的主要設(shè)備：氣鍋：由上下鍋筒和三簇沸水管組成。水在管內(nèi)受管外煙氣加熱，因而管簇內(nèi)發(fā)生自然的循環(huán)流動(dòng)，并逐漸氣化，產(chǎn)生的飽和蒸汽積聚在上鍋筒里面。爐子：是使燃燒從充分燃燒并釋放出熱量的設(shè)備。爐膛：保證燃料的充分燃燒，并使水流受熱面積達(dá)到規(guī)定的數(shù)值。鍋筒：是自然循環(huán)鍋爐各受熱面能適應(yīng)負(fù)荷變化的設(shè)備。（須指出，直流鍋爐內(nèi)無鍋筒。）水冷壁：主要是輻射受熱面，保護(hù)爐壁的作用。過熱器：是將氣鍋所產(chǎn)生的飽和蒸汽繼續(xù)加熱為過熱蒸汽的換熱器。過熱器一般都裝在爐膛出口。燃燒設(shè)備：將燃料和燃燒所需的空氣送入爐膛并使燃料著火穩(wěn)定，充分燃燒。引風(fēng)設(shè)備：包括引風(fēng)機(jī)，煙囪，煙道幾部分。用它將鍋爐中的煙氣連續(xù)排出。送風(fēng)設(shè)備：包括有鼓風(fēng)機(jī)和分道組成。用它來供應(yīng)燃料所需的空氣。給水設(shè)備：由水泵和給水管組成。水處理設(shè)備：其作用是為清除水中的雜質(zhì)和降低給水硬度，以防止在鍋爐受熱面上結(jié)水垢或腐蝕。1.3燃油鍋爐的三大工作過程燃油鍋爐的工作過程總體包括三個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過程：燃料的燃燒過程、水的汽化過程、煙氣向水的傳熱過程。1.3.1燃料的燃燒過程首先將燃料（這里用石油）加到油箱中，利用油泵將燃料油送入爐內(nèi)。燃料一面燃燒，一面向后移動(dòng)，燃料所需要的空氣是由風(fēng)機(jī)送入爐排腹中風(fēng)倉后，進(jìn)行燃料反應(yīng)形成高溫?zé)煔?。（若是燃?xì)馐藉仩t就沒有這一部分了）這整個(gè)過程稱為燃燒過程[2]。1.3.2水的汽化過程水的汽化過程就是蒸汽的產(chǎn)生過程，主要包括水循環(huán)和水分離過程。經(jīng)處理的水由泵加壓，先流經(jīng)省煤器而得到預(yù)熱，然后進(jìn)入氣鍋。鍋爐工作時(shí)氣鍋的工作介質(zhì)是處于飽和狀態(tài)的汽，水混合物。位于煙溫較低區(qū)段的對(duì)流灌束，因受熱較弱，汽水工質(zhì)的容量較大，而位于煙溫較高區(qū)段的對(duì)流管束，因受熱強(qiáng)烈，相應(yīng)的汽水工質(zhì)的容量較小，從而量大的工質(zhì)則向上流入下鍋筒，而容量小的工質(zhì)則向上流入上鍋筒形成了鍋水的自然循環(huán)。蒸汽所產(chǎn)生的過程是借助于上鍋筒內(nèi)設(shè)的汽水分離裝置。以及在鍋筒本身空間的重力分離力作用，是汽水混合物得到分離。蒸汽在上鍋筒頂部引出后，進(jìn)入蒸汽過熱氣，而分離下來的水仍回到上鍋筒下半部的水中。鍋爐中的水循環(huán)，也保證與高溫?zé)煔庀嘟佑|的金屬受熱面的以冷卻而不被燒壞，是鍋爐能長(zhǎng)期安全運(yùn)行的必要條件。而汽水混合物的分離設(shè)備則是保證蒸汽品質(zhì)和蒸汽過熱可靠工作的必要的設(shè)備。1.3.3煙氣向水的傳熱過程由于燃料的燃燒放熱，爐內(nèi)溫度很高在爐膛的四周墻面上，都布置一排水管，俗稱水冷壁。高溫?zé)煔馀c水冷壁進(jìn)行強(qiáng)烈的輻射換熱，將熱量傳給管內(nèi)工質(zhì)水。繼而煙棋手引風(fēng)機(jī)，煙囪的引力下向爐膛上方流動(dòng)。煙氣出煙窗爐膛出口）并略過防渣管后，就沖刷蒸汽過熱—一組垂直放置的蛇型管受熱面，使氣鍋中產(chǎn)生的飽和蒸汽在其中受煙氣加熱而得到的過熱。煙氣流經(jīng)過過熱氣后掠過脹接在上、下鍋筒間的對(duì)流管束，在管束間設(shè)置了折煙墻使煙氣呈“S”型形成曲折地橫向沖刷，再次以對(duì)流換熱的方式將熱量傳遞給管束的工質(zhì)。沿途降低溫度的煙氣最后進(jìn)入尾部煙道，與省煤器和空氣預(yù)熱氣內(nèi)的工質(zhì)進(jìn)行熱交換后，以經(jīng)濟(jì)的較低的煙溫排出鍋爐。省煤器實(shí)際上同給水預(yù)熱氣和空氣預(yù)熱器一樣，斗設(shè)置在鍋爐尾部（低溫）煙道，以降低排煙溫度提高鍋爐效率，從而節(jié)省了燃料。以上就是一般鍋爐供水的過程，一個(gè)鍋爐進(jìn)行工作，其主要任務(wù)是：（1）要是鍋爐出口蒸汽壓力穩(wěn)定。（2）保證燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性。（3）保持鍋爐負(fù)壓恒定。通常我們是爐膛負(fù)壓保持在微負(fù)壓（-10～80Pa）。為了完成上述三項(xiàng)任務(wù)，我們對(duì)三個(gè)量進(jìn)行控制：燃料量，送風(fēng)量，引風(fēng)量。從而使鍋爐能正常運(yùn)行。1.4鍋爐的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)常見的工業(yè)鍋爐系統(tǒng)如圖1-1所示。首先除氧水通過給水泵進(jìn)入給水調(diào)節(jié)閥，通過給水調(diào)節(jié)閥進(jìn)入加熱爐，冷水在經(jīng)過加熱爐的過程中被由爐膛排出的煙氣預(yù)熱，變成溫水進(jìn)入汽包，在汽包內(nèi)加熱至沸騰產(chǎn)生蒸汽，為了保證有最大的蒸發(fā)面，因此水位要保持在鍋爐上汽包的中線位置，蒸汽通過主蒸汽閥輸出?？諝饨?jīng)過鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)入空氣預(yù)熱器，在經(jīng)過空氣預(yù)熱器的過程中被由爐膛排出的煙氣預(yù)熱，變成熱空氣進(jìn)入爐膛。在燃燒過程中發(fā)出熱量加熱汽包中的水，把預(yù)熱傳導(dǎo)給進(jìn)入鍋爐的水和空氣。通過這種方式使鍋爐的熱能得到節(jié)約。圖1-1常見的鍋爐系統(tǒng)這種方式使鍋爐的熱能得到節(jié)約。鍋爐微機(jī)控制系統(tǒng)，一般由以下幾部分組成，即由鍋爐本體、一次儀表、PLC、上位機(jī)、手自動(dòng)切換操作、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及閥、電機(jī)等部分組成，一次儀表將鍋爐的溫度、壓力、流量、氧量、轉(zhuǎn)速等量轉(zhuǎn)換成電壓、電流等送入微機(jī)。控制系統(tǒng)包括手動(dòng)和自動(dòng)操作部分，手動(dòng)控制時(shí)由操作人員手動(dòng)控制，用操作器控制變頻器、滑差電機(jī)及閥等，自動(dòng)控制時(shí)對(duì)微機(jī)發(fā)出控制信號(hào)經(jīng)執(zhí)行部分進(jìn)行自動(dòng)操作。微機(jī)對(duì)整個(gè)鍋爐的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測(cè)、報(bào)警、控制以保證鍋爐正常、可靠地運(yùn)行，除此以外為保證鍋爐運(yùn)行的安全，在進(jìn)行微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)鍋爐水位、鍋爐汽包壓力等重要參數(shù)應(yīng)設(shè)置常規(guī)儀表及報(bào)警裝置，以保證水位和汽包壓力有雙重甚至三重報(bào)警裝置，以免鍋爐發(fā)生重大事故鍋爐控制系統(tǒng)，一般有燃燒、水位等控制系統(tǒng)。燃燒控制實(shí)質(zhì)上是能量平衡系統(tǒng)，它以蒸汽壓力作為能量平衡指標(biāo)，量出而入不斷根據(jù)用汽量與壓力的變化成比例地調(diào)整燃料量與送風(fēng)量，同時(shí)保證燃料的充分燃燒及熱量的充分利用，其中保持合適的“空燃比”是一個(gè)重要因素?！翱杖急取笔侵溉紵锌諝饬颗c燃燒量的比值系數(shù)。汽包水位控制系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是維持鍋爐進(jìn)出水量平衡的系統(tǒng)。它是以水位作為水量平衡與否的控制指標(biāo)，通過調(diào)整進(jìn)水量的多少來達(dá)到進(jìn)出平衡，將汽包水位維持在汽水分離界面最大的汽包中位線附近，以提高鍋爐的蒸發(fā)效率，保證生產(chǎn)安全。由于鍋爐水位系統(tǒng)是一個(gè)設(shè)有自平衡能力的被控對(duì)象，運(yùn)行中存在虛假水位現(xiàn)象，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)情況采用水位單沖量、水位蒸汽量雙重量和水位、蒸汽量、給水量三沖量的控制系統(tǒng)。爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)是使進(jìn)出爐膛的空氣量維持平衡的控制系統(tǒng)，一般以爐膛壓力作為空氣量平衡與否的控制指標(biāo)，通過調(diào)整排向大氣的引風(fēng)量達(dá)到空氣量進(jìn)出平衡，為提高控制品質(zhì)，一般以送風(fēng)量或送風(fēng)檔板開度作為前饋量構(gòu)成前饋－反饋控制系統(tǒng)。微機(jī)鍋爐控制技術(shù)具有良好實(shí)用前景，既可節(jié)能又可提高鍋爐的運(yùn)行管理水平，減輕環(huán)境污染，目前國(guó)內(nèi)只有幾百臺(tái)鍋爐采用微機(jī)控制，占總數(shù)的很小一部分，所以推廣應(yīng)用該技術(shù)就顯得十分繁重[3]。同時(shí)，該技術(shù)也在不斷完善和提高，在進(jìn)一步降低造價(jià)及鍋爐本體設(shè)備的改造緊密配合方面還有許多工作要做。1.5本文的設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求鍋爐作為一種多輸入、多輸出、多回路的非線性控制對(duì)象，其各個(gè)回路之間相互影響，從而造成多變量之間的耦合，加大了各項(xiàng)指標(biāo)的控制難度。因此，合理的設(shè)計(jì)控制回路，使溫度、壓力及液位等重要控制指標(biāo)能夠被精確的測(cè)量和控制。本文就一臺(tái)燃油鍋爐燃燒、加熱的自動(dòng)控制的工作過程進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、水位等參數(shù)的檢測(cè)。采用微機(jī)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)2T的燃油鍋爐信號(hào)采集控制系統(tǒng)。

第2章鍋爐控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1鍋爐控制系統(tǒng)框圖鍋爐控制系統(tǒng)，一般包含爐內(nèi)溫度、進(jìn)水溫度、出水溫度、水位、蒸汽壓力檢測(cè)與控制系統(tǒng)，鍋爐的燃燒控制實(shí)質(zhì)上是能量平衡系統(tǒng)，它以蒸汽壓力作為能量平衡指標(biāo)，不斷根據(jù)用汽量與壓力的變化調(diào)整供油量與送風(fēng)量，同時(shí)保證燃料的充分燃燒及熱量的充分利用[4]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示：圖2-1鍋爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2系統(tǒng)的控制方案2.2.1微機(jī)控制方案現(xiàn)成的微型計(jì)算機(jī)包括工業(yè)控制機(jī)、集散系統(tǒng)、可編程控制器和普通微型計(jì)算機(jī)。（1）選用工業(yè)控制機(jī)。這種控制機(jī)不僅在硬件上考慮了工業(yè)控制的要求，并且配有豐富的系統(tǒng)軟件，有些還配置了應(yīng)用軟件?？梢愿鶕?jù)要求靈活運(yùn)用。所以用戶的研制、開發(fā)工期小，設(shè)計(jì)周期短。工控機(jī)大多采用模板式結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)實(shí)際要求選擇產(chǎn)品的功能和模塊，這是一般中小型控制系統(tǒng)的首選方案。（2）選用集散控制系統(tǒng)。這主要針對(duì)大型的控制系統(tǒng)，多套設(shè)備、復(fù)雜過程，需要采用多級(jí)分布式控制的場(chǎng)合。這種方案投資大，但收效也大，通常用于大型化工廠、煉油廠、化肥廠、鋼鐵廠等。（3）選用可編程控制器。這是一種以微處理器為核心的新型控制器，特別適合需要大量開關(guān)量的場(chǎng)合。工作可靠性高，使用梯形圖語言，編程容易、應(yīng)用靈活。近年來，發(fā)展迅速，但目前性能價(jià)格比還是很高。（4）選用普通微型計(jì)算機(jī)。如IBMPC／XT機(jī)、IBM386等配上A/D、D/A卡和開關(guān)量輸入輸出卡，可用于工業(yè)控制。這類機(jī)器軟件豐富，但他們難以在惡劣的工作環(huán)境中連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。2.2.2功能模塊板控制方案標(biāo)準(zhǔn)功能模板具有一定功能和尺寸。這些采用相同的系統(tǒng)總線相連接，根據(jù)系統(tǒng)的要求，可以構(gòu)成不同配置，不同規(guī)模的控制機(jī)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是配備靈活，擴(kuò)充方便，規(guī)模可大可小，維修容易。用戶不必進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。然而，缺點(diǎn)是提供的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件少。用戶對(duì)軟件開發(fā)的工作量大，模板與硬件資源得不到充分發(fā)揮。2.2.3新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方案用戶以芯片開始，設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)所需要的專用計(jì)算機(jī)。這種方案的好處是針對(duì)性強(qiáng)、靈活方便。所用元器件最少，硬件、軟件資源都能得到充分利用。系統(tǒng)性能價(jià)格比高。缺點(diǎn)是硬件、軟件都需要用戶從頭全部設(shè)計(jì)，工作量大，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，要求設(shè)計(jì)者具有熟練的硬件和軟件知識(shí)。這種方案以各種CPU或單片機(jī)為核心，構(gòu)成系統(tǒng)，特別適用于智能儀器儀表及小型控制系統(tǒng)。目前，各種單片機(jī)控制系統(tǒng)是這種方案的主流。2.3系統(tǒng)的相關(guān)配置本系統(tǒng)采用專用設(shè)計(jì)方式。利用芯片，設(shè)計(jì)出一個(gè)專用系統(tǒng)。它的配置包括CPU，采用單片機(jī)MC-51系列的8031芯片。外部擴(kuò)展ROM為2732，外部RAM采用芯片6116，D/A轉(zhuǎn)換采用DACO832，A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0809。2.4燃油鍋爐的控制方法一、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)是指計(jì)算機(jī)對(duì)外來信息要以足夠快的速度進(jìn)行處理，并在一定時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，也就是說對(duì)外來信息及時(shí)的接收、分析、處理并給出反應(yīng)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)可簡(jiǎn)單的定義為能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成所有信號(hào)采集控制功能的控制系統(tǒng)，其控制部分是由外部事件觸發(fā)的。但是這個(gè)定義并不充分，它僅描述了其主要特征，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)計(jì)算和控制的反應(yīng)時(shí)間必須嚴(yán)格限制在被控對(duì)象允許的范圍(有效采集控制時(shí)間)內(nèi)，在此時(shí)間內(nèi)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生有效的變化，系統(tǒng)必須對(duì)這些變化做出及時(shí)的響應(yīng)，以保證系統(tǒng)能有效的避免干擾，這就涉及到了系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)發(fā)生變化的速度和響應(yīng)速度之間的關(guān)系，只有系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間在有效范圍之內(nèi)才能稱為實(shí)時(shí)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須建立在具有快速處理能力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上。因此，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)就是對(duì)實(shí)時(shí)性有苛刻要求的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[13]。二、設(shè)計(jì)要點(diǎn)根據(jù)工業(yè)鍋爐現(xiàn)有的運(yùn)行條件和微計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)其微計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，要著重考慮如下幾個(gè)方面：1、在生產(chǎn)企業(yè)中，工業(yè)鍋爐通常是現(xiàn)代化連續(xù)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一。一旦鍋爐出現(xiàn)故障以至停止供汽，將嚴(yán)重影響生產(chǎn)的其它環(huán)節(jié)，造成極大的損失。因此，在設(shè)計(jì)和實(shí)施中都應(yīng)該把可靠性擺在第一位。2、多數(shù)工業(yè)鍋爐用戶維護(hù)計(jì)算機(jī)的技術(shù)力量都比較薄弱，設(shè)計(jì)硬件時(shí)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化硬件系統(tǒng)。要具有較好的可維護(hù)性，盡可能以軟件代替硬件，以簡(jiǎn)化硬件系統(tǒng)，減少維護(hù)量，提高可靠性，還須有行之有效的自診斷和容錯(cuò)措施。3、要充分考慮到司爐工人的文化水平和技術(shù)水平的現(xiàn)狀，因?yàn)橐笏械氖褂萌藛T具有計(jì)算機(jī)的知識(shí)和操作技能是不切實(shí)際的。所以微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用和操作方法要越簡(jiǎn)單越好。例如，采用簡(jiǎn)單的操作方法，CRT顯示采用漢字方式等。4、必須具有較高的性能價(jià)格比，這樣才能有維護(hù)應(yīng)用的價(jià)值。三、設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)小型控制系統(tǒng)時(shí)，一般是在提出系統(tǒng)指標(biāo)要求后就開始著手硬件的設(shè)計(jì)制作和軟件的編寫。然而對(duì)于復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，其難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)規(guī)范的建立，系統(tǒng)規(guī)范的設(shè)計(jì)工作量在系統(tǒng)的整個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)設(shè)計(jì)中占很大比重，因此簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法往往難以滿足要求，需采用規(guī)范的實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法(如模塊化設(shè)計(jì)方法)，根據(jù)用戶需求進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的綜合描述，建立詳細(xì)的系統(tǒng)用戶需求模型、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型及系統(tǒng)規(guī)范文件，然后再去具體的實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)體現(xiàn)為層次性(Hierarchical)和重復(fù)性(Iterative)，前者表示系統(tǒng)開發(fā)過程依據(jù)一定的層次規(guī)程，后者表示系統(tǒng)開發(fā)中不斷反復(fù)考慮用戶需求。復(fù)雜實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要問題是控制策略的設(shè)計(jì)，即整個(gè)系統(tǒng)需求模型和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)。其具體設(shè)計(jì)規(guī)程包括:用戶需求模型設(shè)計(jì);系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì):系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì);系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì);系統(tǒng)集成測(cè)試。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)決定了其設(shè)計(jì)方法，在每一步的設(shè)計(jì)過程中都要采用相應(yīng)的輔助工具，例如在系統(tǒng)要求模型設(shè)計(jì)時(shí)，要建立系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖DFD和過程規(guī)程PSPEC、控制流圖CFD和控制規(guī)程PSPEC，在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)時(shí)，采用結(jié)構(gòu)流圖AFD和結(jié)構(gòu)模塊規(guī)程AMS以及結(jié)構(gòu)詞典AD、結(jié)構(gòu)連接圖AID和結(jié)構(gòu)連接規(guī)程AIS等作為輔助工具，通過需求模型和結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)進(jìn)而提出整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，用以指導(dǎo)下一步的硬軟件設(shè)計(jì)。鍋爐是一個(gè)較復(fù)雜的調(diào)節(jié)對(duì)象，為保證提供合格的蒸汽適應(yīng)負(fù)荷的變化，生產(chǎn)過程主要參數(shù)必須嚴(yán)格控制。主要調(diào)節(jié)量有：負(fù)荷、鍋爐給水、燃料量、減水量、送風(fēng)等。主要輸出量有：汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、過?？諝獾取＿@些輸入量與輸出量之間是互相制約的。例如，蒸汽負(fù)荷變化，必然會(huì)引起汽包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度的變化；燃料量的變化，不僅影響蒸汽壓力，還會(huì)影響汽包水位，過熱蒸汽溫度、空氣量和爐膛負(fù)壓等。對(duì)于這樣復(fù)雜的對(duì)象，工程處理上作了一些簡(jiǎn)化，將鍋爐控制劃分為若干個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。主要調(diào)節(jié)系統(tǒng)有：汽包水位，燃燒和爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)。2.5燃油鍋爐控制系統(tǒng)的理論2.5.1PID控制理論本文用8031單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，為了便于用戶根據(jù)不同的實(shí)際需要對(duì)工作方式及其他參數(shù)組態(tài)進(jìn)行修改，要求所有的參數(shù)及組態(tài)狀況均可通過面板的幾個(gè)操作鍵輸入、檢查、修改，并可在斷電情況下，使參數(shù)保存半年。為了便于與上級(jí)計(jì)算機(jī)構(gòu)成兩級(jí)控制系統(tǒng)，在單片機(jī)控制系統(tǒng)中還加入了通信功能。采用RS-232接口，通信速率為1200b/S、2400b/S、4800b/s和9600b/s等四種波特率，由用戶通過鍵盤自行按需要選擇。系統(tǒng)的測(cè)量值和所有設(shè)定參數(shù)均由LED數(shù)碼管直接顯示，讀數(shù)清晰，直觀?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-2PID控制結(jié)構(gòu)空?qǐng)D一、PID調(diào)節(jié)器按照偏差的比例，積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器，叫PID調(diào)節(jié)器。它是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟，應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于參數(shù)調(diào)整。二、PID調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)1、比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)是反映快，對(duì)于干擾有及時(shí)而有效的抑制作用。但它有一個(gè)不可避免的缺點(diǎn)，即存在靜態(tài)誤差。一旦被調(diào)量偏差不存在，調(diào)節(jié)器輸出也就為零。即調(diào)節(jié)作用是以偏差的存在為前提的。

2、積分調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)是只要被調(diào)量存在偏差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時(shí)間不斷加強(qiáng)直到偏差為零。偏差消除以后，輸出將停留在新的位置上，而不回復(fù)原位。因而能保持靜差為零。它的缺點(diǎn)是動(dòng)作過于遲緩，因而在改善靜態(tài)準(zhǔn)確度的同時(shí)，往往使調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞，過渡過程時(shí)間延長(zhǎng)，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。3、微分調(diào)節(jié)器它的優(yōu)點(diǎn)是能在偏差信號(hào)出現(xiàn)或變化的瞬間，立即根據(jù)變化的趨勢(shì)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除于萌芽之中[12]。缺點(diǎn)是它對(duì)靜態(tài)偏差毫無抑制作用。以上三種調(diào)節(jié)器組合起來，組成比例+積分+微分作用的調(diào)節(jié)器，稱PID調(diào)節(jié)器。這種PID調(diào)節(jié)器，其微分作用主要用來加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少超調(diào)，克服振蕩。積分作用主要用來消除靜差。PID調(diào)節(jié)器的突出優(yōu)點(diǎn)為：（1）技術(shù)成熟PID調(diào)節(jié)器是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟，且應(yīng)用最廣泛的一種控制方法。它結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以用常規(guī)的PID還可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用各種PID的變種，如PI、PD等。（2）易被人們熟悉和掌握生產(chǎn)技術(shù)人員及操作人員都比較熟悉它并在實(shí)踐中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，特別是一些工作時(shí)間較長(zhǎng)的工程技術(shù)人員。（3）不需求出數(shù)學(xué)模型到目前為止，仍有許多工業(yè)對(duì)象很難或根本得不到數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用直接數(shù)學(xué)控制方法比較困難甚至根本不可能，所以必須用PID算法。（4）控制效果好計(jì)算機(jī)控制是高效的，對(duì)于時(shí)間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來說，是近似于連續(xù)變化的。因此用數(shù)字PID完全可以替代模擬調(diào)節(jié)器。所以數(shù)字方式模擬PID仍是目前應(yīng)用比較廣泛的方法[3]。2.5.2PID控制理論擴(kuò)展在實(shí)際控制系統(tǒng)中，控制變量實(shí)際輸出值往往受到執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能的約束（如放大器的飽和），而被限制在有限的范圍內(nèi)，即：(式3-1)其變化也限制在一定范圍內(nèi)，即：(式3-2)如果計(jì)算機(jī)輸出的控制變量n在上述范圍內(nèi)，那么PID控制可以達(dá)到預(yù)期的效果。一旦超出上述范圍（如超出蒸汽閥門的最大開度），則實(shí)際執(zhí)行的控制量就不再是計(jì)算值，由此將引起不期望的效應(yīng)，稱為飽和效應(yīng)。為了克服積分飽和，有以下幾種改進(jìn)的PID控制算法，下面分析介紹。一、遇限制消弱積分法這種方法的思想是：一旦控制變量進(jìn)入飽和區(qū)，停止增大積分項(xiàng)。具體說，在算Ui時(shí)，特別注意上一時(shí)刻的控制量yi-1是否超出限制。如果已超出，那么將根據(jù)偏差的符號(hào)，判斷系統(tǒng)輸出是否在超調(diào)區(qū)域，由此決定是否應(yīng)將相應(yīng)偏差計(jì)入積分區(qū)，如圖2-3所示：圖2-3遇限制消弱積分法克服積分飽和長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖2-4采用遇限制積分削弱法PID算法框圖二、積分分離法減小積分飽合的關(guān)鍵在于不能使積分項(xiàng)過大，上面的修正方法是一開始就積分，在進(jìn)入限制范圍內(nèi)即停止積累。積分分離法在開始時(shí)不進(jìn)行積分，直到偏差達(dá)到一定值后才開始進(jìn)行積分。如圖2-5所示（a不采用積分分離法，b采用積分分離法）。當(dāng)誤差的絕對(duì)值小于預(yù)定的門限值時(shí)，才進(jìn)行積累。圖2-5積分分離法克服積分飽和這樣一方面防止了一開始就有過大的控制量，另一方面即進(jìn)入飽和后，因積分累積小，也能較快退出，減少了超調(diào)。積分分離法框圖如圖2-6所示。當(dāng)誤差在門限外時(shí)，該算法相當(dāng)于比例微分調(diào)節(jié)器。只有在門限范圍內(nèi)，積分才會(huì)起作用，以消除系統(tǒng)誤差。圖2-6采用積分分離法框圖三、有效偏差法當(dāng)控制量u超出范圍時(shí)，控制量實(shí)際上只能取邊界值，即或(式3-3)有效偏差法是將相應(yīng)于實(shí)際輸出的控制變量的誤差值計(jì)入積分項(xiàng)，而不是將實(shí)際測(cè)得的誤差值計(jì)入積分項(xiàng)。當(dāng)計(jì)算出的控制量超出限制范圍時(shí)，如果實(shí)際實(shí)現(xiàn)的控制量為u=u（上限值或下限值），則有效誤差可按下式計(jì)算出，即為（式3-4）。有效偏差法程序框圖如圖2-7所示。在PID位置算法中，除了對(duì)控制量的限制外，對(duì)控制量變化率的限制也會(huì)引起飽和，可用類似的方法加以消除。本次設(shè)計(jì)中為了克服積分飽和，我們采用了積分分離法。（式3-4）圖2-7有效偏差的算法程序框圖

第3章燃油鍋爐控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1鍋爐控制系統(tǒng)的目的實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐汽包水位，蒸汽壓力，風(fēng)／油比值，煙氣含氧量和爐膛壓力的控制。對(duì)于過熱蒸汽鍋爐，這能實(shí)現(xiàn)對(duì)過熱蒸汽溫度的控制。保證了生產(chǎn)的安全，達(dá)到降低油耗，提高自動(dòng)化水平的目的。3.2鍋爐控制系統(tǒng)的過程控制機(jī)本系統(tǒng)采用專用設(shè)計(jì)方式。利用芯片，設(shè)計(jì)出一個(gè)專用系統(tǒng)。它的配置包括CPU，采用單片機(jī)MC-51系列的8031芯片[22]。外部擴(kuò)展ROM為2732，外部RAM采用芯片6116，D/A轉(zhuǎn)換采用DACO832，A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0809。3.2.1芯片介紹與連接1.8031簡(jiǎn)介MCS-51單片機(jī)為40腳芯片。其引腳功能可分為三部分：（1）I/O口線：P0、P1、P2、P3共4個(gè)8位口。（2）控制總線：PSEN，片外取指控制；ALE，地址鎖存控制；EA片外存儲(chǔ)器選擇；RESET：復(fù)位控制。（3）電源及時(shí)鐘：VCC、VSS、XTAL1、XTAL2其應(yīng)用特性如下：I/O口線不能都用作用戶I/O口線，除8051、8751外，其它可以完全為用戶使用的只有P1，以及作為多功能使用的P3口。I/O口中，P0口可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL門電路，P1、P2、P3口只能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL門電路。P8口具有雙重功能。2.外部程序存儲(chǔ)的擴(kuò)展在MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，外部程序存儲(chǔ)器有單獨(dú)的地址編號(hào)（0000H－FFFFH）、雖然與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址重疊，但不會(huì)被占用，它使用單獨(dú)的控制信號(hào)和指令。程序存儲(chǔ)器的指令，讀取控制是由PSEN控制，讀取數(shù)據(jù)用MOVC查表指令。MCS-51單片機(jī)訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，所使用的控制信號(hào)有：ALE低8位地址鎖存控制，PSEN外部程序存儲(chǔ)器“讀取”控制。程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，一般擴(kuò)展容易大于256字。因此，EPROM片內(nèi)地址線除了由P0口線鎖存器提供低8位地址線外，需要由P2口提供若干地址線。當(dāng)EPROM為IK字節(jié)時(shí)，地址線為11根（2k＝211），4k字節(jié)時(shí)需12根（4k=212）以此類推。3.外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器使用與程序存儲(chǔ)器不同的信號(hào)，故而它們的地址可重疊。任何擴(kuò)展的I/O口以及設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器控制線使用WR和RD，不用PSEN，故兩者地址總線和數(shù)據(jù)總線可以并聯(lián)使用。它的外部數(shù)據(jù)操作簡(jiǎn)單。累加器A和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳遞操作，可通過以下兩句指令來實(shí)現(xiàn)：movx＠RiA:累加器中數(shù)據(jù)送片外；movxA，＠Ri：片外數(shù)據(jù)送累加器中?；騧ovx＠DPTR,A；movxA＠DPT。圖3-16116管腳功能6116是2K*8位靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片,采用CMOS工藝制造,單一+5V供電,額定功耗160mW,典型存取時(shí)間200ns,24線雙列直插式封裝，其引腳功能說明如下：A0～A10：地址輸入線O0～O7：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線，有時(shí)用D0～D7表示CE：片選信號(hào)輸入端，低電平有效OE：讀選通信號(hào)輸入線，低電平有效WE：寫選通信號(hào)輸入線，低電平有效Vcc：工作電源輸入引腳，＋5VGND：線路地4.譯碼器由于構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)所使用芯片較多，故使用二個(gè)3-8譯碼器，由二個(gè)74LS138構(gòu)成譯碼器擴(kuò)展使用，74LS138的管腳功能如圖3-2所示：圖3-274LS138管腳功能對(duì)于74LS138，只有在G1高電平，G2A、G2B都為低電平時(shí)，74LS138才能譯碼輸出，輸出真值表如下表所示:

表3-174LS138輸出真值表G1G2AG2BCBAY7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y01000001111111010000111111101100010111110111000111111011110010011101111100101110111111001101011111110011111111111其他XXX111111115.鎖存器鎖存器使用74LS373和74LS273。74LS373用于鎖存RAM和EPROM的低8位地址線。而74LS273用于開關(guān)量輸出，即報(bào)警鎖存。74LS373的1管腳功能如圖3-3所示。圖3-374LS373管腳功能6.I/O接口MCS-51單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，但這些口并不能完全提供給用戶使用。只有對(duì)于片內(nèi)有ROM和EPROM的單片機(jī)8051和8751，在不使用外部擴(kuò)展時(shí)，才允許這四個(gè)I/O口作為用戶I/O使用。然而對(duì)于大多數(shù)使用8031以及使用8051和8751需外部擴(kuò)展時(shí)，MCS-51提供給用戶使用的I/O口只有P1口和部分P3口線，因此大部分MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中都不可避免地要進(jìn)行I/O擴(kuò)展。在應(yīng)用系統(tǒng)中，擴(kuò)展的I/O口采用與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器相同的尋址方法。EPROM2732的容量為4K×8位。4K表示有4×1024（22×210=212）個(gè)存儲(chǔ)單元，8位表示每個(gè)單元存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的寬度是8位。前者確定了地址線的位數(shù)是12位（A0～A11），后者確定了數(shù)據(jù)線的位數(shù)是8位（O0～O7），目前除了串行存儲(chǔ)器之外，一般情況下我們使用的都是8位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）。2732單一+5V供電，最大靜態(tài)工作電流為100mA，維持電流為35mA，讀出時(shí)間最大為250ns。2732的封裝形式為DIP24，管腳如圖3-4所示。圖3-4EPROM2732管腳及說明其中A0～A11： 地址線 O0～O7： 數(shù)據(jù)線： 片選線/VPP： 輸出允許/編程高壓除了12條地址線和8條數(shù)據(jù)線之外，為片選線，低電平有效，也就是說，只有當(dāng)為低電平時(shí)，2732才被選中，否則，2732不工作。/VPP為雙功能管腳，當(dāng)2732用作程序存儲(chǔ)器時(shí)，其功能是允許讀數(shù)據(jù)出來；當(dāng)對(duì)EPROM編程（也稱為固化程序）時(shí)，該管腳用于高電壓輸入，不同生產(chǎn)廠家的芯片編程電壓也有不同。當(dāng)我們把它作為程序存儲(chǔ)器使用時(shí)，不必關(guān)心其編程電壓。

3.2.2鍵盤和顯示器鍵盤鍵盤是由若干個(gè)按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是最簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備，通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話。鍵盤上閉合鍵的識(shí)別是由專用硬件實(shí)現(xiàn)的，稱為編碼鍵盤，靠軟件實(shí)現(xiàn)的稱為非編碼鍵盤。本系統(tǒng)中，采用4×4鍵盤。4×4的鍵盤結(jié)構(gòu)如圖3-5所示，圖中行線通過電阻接+5V，當(dāng)鍵盤上沒有健閉合時(shí)，所有的行線和列線斷開，行線XO～X3呈高電平。當(dāng)鍵盤上某一個(gè)鍵閉合時(shí)，該健所對(duì)應(yīng)的行線與列線短路。例如，6號(hào)鍵按閉合時(shí)，行線Xl和列線Y2短路，此時(shí)Xl的電平由Y2的電平所決定，如果把行線接到微機(jī)的輸人口，列線接到微機(jī)的輸出口，則在微機(jī)的控制下，使列線Y0為低電平(0)，其余三根列線Y1、Y2、Y3都為高電平。然后微機(jī)通過輸人口讀行線的狀態(tài)，如果X0、X1、X2、X3都為高電平，則Y0這一列上沒有鍵閉合，如果讀出的列線狀態(tài)不全為高電平，則為低電子的行線和Y0相交的鍵處于閉合狀態(tài)；如果Y0這一列上沒有鍵閉合，接著使列線Y1為低電平，其余列線為高電平。用同樣的方法檢查Y1這一列上有無鍵閉合，以此類推，最后使列線Y3為低電平，其余的列線為高電平，檢查Y3這一列上是否有健閉合。這種逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)的過程稱為對(duì)鍵盤的一次掃描。圖3-5行列鍵盤原理電路圖鍵盤中有無鍵按下是由列線送入掃描字，行線讀入行線狀態(tài)來判斷的。其方法是：給所有I/O口線內(nèi)置低電平，然后將行線電平狀態(tài)讀入累加器A中，如有鍵按下，總會(huì)有一根行線電平被拉至低電平，從而使行輸入不全為1。鍵盤中哪一個(gè)鍵按下是由列線送入低電平后，檢查行輸入狀態(tài)，其方法是：依次給列線送低電平，然后檢查所有行線，如果全為1，則所按下之鍵不在此列。如果不全為1，則所按鍵必在此列。而且所按鍵是在與0電平行線相交的點(diǎn)上的那個(gè)鍵。鍵盤上每一個(gè)鍵都有一個(gè)鍵值，鍵值賦值最直接的辦法是將行、列線按二進(jìn)制順序排列。當(dāng)某一鍵按下時(shí)，鍵盤掃描程序執(zhí)行到該列置0電平，讀出各行狀態(tài)為非全1，這時(shí)的行列數(shù)據(jù)組合成鍵值。顯示器本系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)采用LED顯示器。LED示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的輸出器件。它是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。常用的LED顯示器有7段和“米”字段之分。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。如圖2-3所示。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽極LED顯示器的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，通常此公共陽極接正電壓，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極接低電平時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。使用LED顯示器時(shí)，為了顯示數(shù)字或符號(hào)，要為L(zhǎng)ED顯示器提供代碼，因?yàn)檫@些代碼是通過個(gè)段的亮與滅來為顯示不同字型的，因此稱之為段碼。LED的顯示方式有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方法。所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示某一個(gè)字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止，例如7段顯示器a、b、c、d、e、f導(dǎo)通，8截止，顯示0。這種顯示方式每一位都需要有一個(gè)8位輸出口控制。三位顯示器的接口邏輯。靜態(tài)顯示時(shí)，較小的電流能得到較高的亮度且字符不閃爍，所以可由I/O接口芯片的輸出口直接驅(qū)動(dòng)。在單片機(jī)串行口方式0應(yīng)用中，也是采用靜態(tài)顯示方法。用靜態(tài)顯示所需的I/O太多，一般采用動(dòng)態(tài)顯示方法。所謂動(dòng)態(tài)顯示就是一位一位地輪流點(diǎn)亮顯示器各個(gè)位(掃描)，對(duì)于顯示器的每一位來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。利用人的視覺暫留功能可以看到整個(gè)顯示，但必須保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示器的位數(shù)不大于8位，則控制顯示器公共極電位只需一個(gè)I/O口(稱為掃描口)，控制顯示器的各位所顯示的字型也需一個(gè)8位口(稱為段數(shù)據(jù)口)。3.2.3A/D通道模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換）是微型機(jī)控制系統(tǒng)的重要接口之一。在微型機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)測(cè)量濕度、壓力、流量、重量、位置和距離等未知參數(shù)時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器的任務(wù)就是把傳感器輸出的電流或電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制和計(jì)算。大多數(shù)廣泛使用的A/D轉(zhuǎn)換器都是利用把未知的電壓和已知電壓進(jìn)行比較的原理而工作的。它可以通過D/A轉(zhuǎn)換器通過軟件控制完成，也可以由硬件完成。1、A/D轉(zhuǎn)換器的選擇。當(dāng)前A/D轉(zhuǎn)換電路的型號(hào)很多。但是，它們?cè)诰?、速度和價(jià)格上的差別也很大。產(chǎn)品中選用0809A/D轉(zhuǎn)換器，在精度、速度和價(jià)格等方面都屬中等，這對(duì)一般實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品來講是合適的。ADC0809有8個(gè)通道的模擬量輸入，在程序控制下，可令任意通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并可得到相應(yīng)的8位二進(jìn)制數(shù)字量。由于0809要求轉(zhuǎn)換時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)頻率不能高于640kHz（當(dāng)頻率為640kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換速度約為100μs），本產(chǎn)品采用250kHz。2.AD0809介紹ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖3-6所示，圖中多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟(jì)的多路數(shù)據(jù)采集方法。地址鎖存與譯碼電路完成對(duì)A、B、C3個(gè)地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。圖3-6ADC0809引腳圖3.信號(hào)引腳ADC0809芯片為28引腳為雙列直插式封裝，其引腳排列見圖。對(duì)ADC0809主要信號(hào)引腳的功能說明如下：IN7～I(xiàn)N0——模擬量輸入通道A、B、C——地址線。通道端口選擇線，A為低地址，C為高地址，引腳圖中為ADDA，ADDB和ADDC。ALE——地址鎖存允許信號(hào)。對(duì)應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START——轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。START上升沿時(shí)，復(fù)位ADC0809；START下降沿時(shí)啟動(dòng)芯片，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。本信號(hào)有時(shí)簡(jiǎn)寫為ST.D7～D0——數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。D0為最低位，D7為最高OE——輸出允許信號(hào)。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。CLK——時(shí)鐘信號(hào)。ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)由外界提供，因此有時(shí)鐘信號(hào)引腳。通常使用頻率為500KHz的時(shí)鐘信號(hào)。EOC——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。EOC=0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號(hào)即可作為查詢的狀態(tài) 標(biāo)志，又可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)使用。Vcc——+5V電源。Vref——參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為+5V(Vref(+)=+5V,Vref(-)=-5V)。3.2.4D/A通道1.D/A轉(zhuǎn)換原理D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際上是一種把數(shù)字量變成模擬量信號(hào)的器件。其輸出有兩種形式：電流輸出和電壓輸出，電壓又分為單極性輸出和雙極性輸出。D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)電阻網(wǎng)絡(luò)的不同，可分為權(quán)電阻譯碼D/A轉(zhuǎn)換器、T型網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器以及T型權(quán)電阻譯碼D/A轉(zhuǎn)換器等。本次設(shè)計(jì)我所采用的D/A通道為最常用的R-2R-T型網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由相同的電路環(huán)節(jié)組成。每個(gè)環(huán)節(jié)有二個(gè)電阻、一個(gè)開關(guān)。與權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)一樣，開關(guān)是用二進(jìn)制位進(jìn)行控制的。2.D/A轉(zhuǎn)換器選擇選用8位D/A轉(zhuǎn)換器0832，0832由8位數(shù)據(jù)輸入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A轉(zhuǎn)換器三部分組成。它是電流輸出型的，即將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電流量輸出。Iout1與Iout2的和是常數(shù)，它們的值隨DAC寄存器的內(nèi)容成線性變化。但是，在單片機(jī)的產(chǎn)品中，往往需要電壓信號(hào)輸出，為此，將電流輸出再通過運(yùn)算放大器μA741，即可得到轉(zhuǎn)換電壓輸出了。如圖3-7所示。3.DAC0832介紹圖3-7DAC0832引腳圖DAC0832是雙列直插式8位D/A轉(zhuǎn)換器。能完成數(shù)字量輸入到模擬量(電流)輸出的轉(zhuǎn)換。圖1-1為DAC0832的引腳圖。其主要參數(shù)如下：分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1μs，滿量程誤差為±1LSB，參考電壓為(+10～-10)V，供電電源為(+5～+15)V，邏輯電平輸入與TTL兼容。從圖1-1中可見，在DAC0832中有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)鎖存器稱為輸入寄存器，它的允許鎖存信號(hào)為ILE，第二級(jí)鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號(hào)也稱為通道控制信號(hào)/XFER。當(dāng)ILE為高電平，片選信號(hào)/CS和寫信號(hào)/WR1為低電平時(shí)，輸入寄存器控制信號(hào)為1，這種情況下，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化。此后，當(dāng)/WR1由低電平變高時(shí)，控制信號(hào)成為低電平，此時(shí)，數(shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器中，這樣輸入寄存器的輸出端不再隨外部數(shù)據(jù)DB的變化而變化。對(duì)第二級(jí)鎖存來說，傳送控制信號(hào)/XFER和寫信號(hào)/WR2同時(shí)為低電平時(shí)，二級(jí)鎖存控制信號(hào)為高電平，8位的DAC寄存器的輸出隨輸入而變化，此后，當(dāng)/WR2由低電平變高時(shí)，控制信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，于是將輸入寄存器的信息鎖存到DAC寄存器中。其余各引腳的功能定義如下：(1)、DI7～DI0：8位的數(shù)據(jù)輸入端，DI7為最高位。(2)、IOUT1：模擬電流輸出端1，當(dāng)DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為1時(shí)，輸出電流最大，當(dāng)DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為0時(shí)，輸出電流為0。(3)、IOUT2：模擬電流輸出端2，IOUT2與IOUT1的和為一個(gè)常數(shù)，即IOUT1＋I(xiàn)OUT2＝常數(shù)。(4)、RFB：反饋電阻引出端，DAC0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以RFB端可以直接接到外部運(yùn)算放大器的輸出端，這樣相當(dāng)于將一個(gè)反饋電阻接在運(yùn)算放大器的輸出端和輸入端之間。(5)、VREF：參考電壓輸入端，此端可接一個(gè)正電壓，也可接一個(gè)負(fù)電壓，它決定0至255的數(shù)字量轉(zhuǎn)化出來的模擬量電壓值的幅度，VREF范圍為(+10～-10)V。VREF端與D/A內(nèi)部T形電阻網(wǎng)絡(luò)相連。(6)、Vcc：芯片供電電壓，范圍為(+5～15)V。(7)、AGND：模擬量地，即模擬電路接地端。(8)、DGND：數(shù)字量地。4.DAC0832的工作方式DAC0832可處于三種不同的工作方式：直通方式：當(dāng)ILE接高電平，、、和都接數(shù)字地時(shí)，DAC處于直通方式，8位數(shù)字量一旦到達(dá)DI7～DI0輸入端，就立即加到8位D/A轉(zhuǎn)換器，被轉(zhuǎn)換成模擬量。例如在構(gòu)成波形發(fā)生器的場(chǎng)合，就要用到這種方式，即把要產(chǎn)生基本波形的數(shù)據(jù)存在ROM中，連續(xù)取出送到DAC去轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。單緩沖方式：只要把兩個(gè)寄存器中的任何一個(gè)接成直通方式，而用另一個(gè)鎖存器數(shù)據(jù)，DAC就可處于單緩沖工作方式。一般的做法是將和都接地，使DAC寄存器處于直通方式，另外把ILE接高電平，接端口地址譯碼信號(hào)，接CPU的信號(hào)，這樣就可以通過一條MOVX指令，選中該端口，使和有效，啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換。雙緩沖方式：主要在以下兩種情況下需要用雙緩沖方式的D/A轉(zhuǎn)換。需在程序的控制下，先把轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸入輸入緩存器，然后在某個(gè)時(shí)刻再啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換。這樣，可先選中端口，把數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器；再選中端口，把輸入寄存器內(nèi)容寫入DAC寄存器，實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換。在需要同步進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的多路DAC系統(tǒng)中，采用雙緩沖方式，可以在不同的時(shí)刻把要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)打入各DAC的輸入寄存器，然后由一個(gè)轉(zhuǎn)換命令同時(shí)啟動(dòng)多個(gè)DAC轉(zhuǎn)換。先用3條輸出指令選擇3個(gè)端口，分別將數(shù)據(jù)寫入各DAC的輸入寄存器，當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后，再執(zhí)行一次寫操作，使變低同時(shí)選通3個(gè)D/A的DAC寄存器，實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換。3.2.5隔離器光電離合器能可靠地實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，并易構(gòu)成各種狀態(tài)。當(dāng)信號(hào)隔離，遠(yuǎn)距離傳送作為隔離的光電離合器件，通常有高速型和普通型兩種形式。3.3傳感器的選擇溫度測(cè)量元件主要是指?jìng)鞲衅?，它是信?hào)輸入通道的第一道環(huán)節(jié)，也是決定整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。由于傳感器技術(shù)的發(fā)展非常迅速，各種各樣傳感器應(yīng)運(yùn)而生，所以大多數(shù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)者只需要從先有傳感器器產(chǎn)品中正確地選用而不必自己另行研制傳感器。要正確選用傳感器，首先要明確所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要什么樣的傳感器，系統(tǒng)對(duì)傳感器的技術(shù)要求；其次是要了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可以選擇的傳感器，把同類產(chǎn)品的指標(biāo)和價(jià)格進(jìn)行對(duì)比，從中挑選合乎要求的性能價(jià)格比最高的傳感器。這是正確選用傳感器的主要依據(jù)。我們知道測(cè)量溫度的傳感器就有：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導(dǎo)體PN結(jié)、IC溫度傳感器、光纖溫度傳感器等。由于同一被測(cè)量的不同類型的傳感器具有不同的特點(diǎn)和不同的價(jià)格，不同類型溫度傳感器的測(cè)量范圍、精度、使用條件也不同。所以要選擇測(cè)量范圍和價(jià)格比適合自己設(shè)計(jì)要求的傳感器應(yīng)。由于溫度是一個(gè)狀態(tài)量，從超低溫到超高溫測(cè)量范圍較寬，而本設(shè)計(jì)的控制溫度為1000度，故從各種資料中可以清楚的知道應(yīng)該采用的傳感器為熱電偶。因?yàn)樗且环N結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、測(cè)量范圍寬的溫度傳感器，尤其是在1000度左右的高溫范圍內(nèi)更顯其優(yōu)越性，在冶金、鍋爐及熱工儀表領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，目前仍然是監(jiān)測(cè)溫度的主要傳感器之一。本次設(shè)計(jì)采用的是常用的是熱電偶傳感器，下面將對(duì)傳感器熱電偶作簡(jiǎn)要說明。3.3.1熱電偶傳感器的工作原理當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體兩端相連，組成一個(gè)閉合回路，如兩個(gè)接頭出有不同的溫度T和T0，則回路中便有電流，這種電流稱為溫差電流，這個(gè)環(huán)路便構(gòu)成所謂的溫差電偶或熱電偶，產(chǎn)生電流的電動(dòng)勢(shì)稱為溫差電動(dòng)勢(shì)，其數(shù)值一般只與兩個(gè)接頭的溫度有關(guān)。熱電偶的兩個(gè)接點(diǎn)，一個(gè)為工作端或熱端（T），測(cè)量時(shí)將它置于被測(cè)溫度場(chǎng)中；另一個(gè)稱為自由端或冷端（T0），一般要求恒定于某一溫度。3.3.2熱電偶傳感器的接觸電勢(shì)在熱電偶回路中，所產(chǎn)生的熱電勢(shì)除了有溫差電動(dòng)勢(shì)的貢獻(xiàn)外，還有接觸電動(dòng)勢(shì)。我們知道不同的導(dǎo)體的自由電子的密度是不同的，當(dāng)兩個(gè)不同的導(dǎo)體接觸連接在一起時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電子的擴(kuò)散。由此在兩個(gè)導(dǎo)體間產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，稱為接觸電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于兩處接觸的導(dǎo)體，分別用符號(hào)和表示。根據(jù)理論可得推倒結(jié)果：（式3-1）式中：和—導(dǎo)體A、B的接觸點(diǎn)在溫度T和T0時(shí)形成的電勢(shì)差；當(dāng)熱電極A、B選定后，熱電勢(shì)是兩接點(diǎn)溫度T和T0的函數(shù)差，即（式3-2）如果冷端溫度T0保持不變，則=C（常數(shù)），此時(shí)，就成為T的單值函數(shù)，即（式3-3）這個(gè)公式在實(shí)際測(cè)溫中得到廣泛的應(yīng)用。當(dāng)保持熱電偶自由端溫度T0不變時(shí)，只要用儀表測(cè)出總熱電勢(shì)，就可以求得工作端溫度T。3.3.3熱電偶冷端溫度誤差及補(bǔ)償通常用熱電偶測(cè)量的是一個(gè)熱源溫度，或者兩個(gè)熱源溫度差。為了使輸出的電動(dòng)勢(shì)是被測(cè)溫度的單一函數(shù)，一般將T作為被測(cè)溫度端，T0作為參比溫度端。通常要求T0保持為0°C但在實(shí)際中做到這一點(diǎn)很難，于是產(chǎn)生了熱電偶冷端補(bǔ)償問題。工業(yè)上一般使用電位補(bǔ)償法，它是在熱電偶回路中串入一個(gè)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾妱?dòng)勢(shì)如圖3-24所示，H是工作熱端，它的工作溫度為t，而冷端放在補(bǔ)償器C中，溫度為，在補(bǔ)償器中還放有R3和具有正溫度系數(shù)的電阻。外加電源U為一恒定電壓，為了調(diào)整分壓比，電路中還串聯(lián)了電位器R1和電阻R2補(bǔ)償了熱電勢(shì)輸出為。當(dāng)冷端為一恒定溫度時(shí)，A點(diǎn)供給熱電偶回路一個(gè)不變的修正電動(dòng)勢(shì)，其大小等于，式中0°C。當(dāng)冷端溫度波動(dòng)時(shí)，則熱電偶回路中的熱電動(dòng)勢(shì)與補(bǔ)償電路中的會(huì)相應(yīng)地向反方向變化，從而補(bǔ)償了熱電偶電動(dòng)勢(shì)的變化。3.4信號(hào)放大由于所選的傳感器為熱電偶，在1000°左右范圍內(nèi)可以選用鎳鉻/鎳鋁熱電偶，起輸出電壓為0～41.32mv。這個(gè)信號(hào)比價(jià)小，故需要放大電路將其變換成為A/D轉(zhuǎn)換器所需要的電壓范圍[11]。這里采用的是反相比例放大電路，下面就反相比例放大電路做簡(jiǎn)要的說明：反相比例放大電路如圖3-8所示。

圖3-8反相比例放大電路輸入信號(hào)電壓通過電阻接至運(yùn)算放大器的反相輸入端。同時(shí)，跨接在輸出端和輸入端之間，稱為反饋電阻。電阻稱為匹配電阻，它的作用是保證運(yùn)算放大器處于相對(duì)對(duì)稱平衡的狀態(tài)，以便消除運(yùn)算放大器偏置電流及其溫漂影響。的大小應(yīng)該按兩個(gè)輸入回路的電阻相等的要求來配置。運(yùn)算放大器的輸入電流為零，稱為“虛斷”。因此有(式3-4)(式3-5)運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端的電位相等，稱為“虛短”。因此有(式3-6)這種反相端的電位為零的特點(diǎn)是反相運(yùn)算放大器的共有特點(diǎn)，稱為“虛地”。因此有/(式3-7)/(式3-8)/=/(式3-9)令/為電壓的放大倍數(shù)，從而反相比例電路的電壓放大倍數(shù)可由下式確定/=/(式3-10)由上式可知道只需取1210.067即可滿足將電壓轉(zhuǎn)換為0～5v的范圍內(nèi)?？扇?2420Ω，=1.99Ω，可近似的取為=2Ω，即可滿足設(shè)計(jì)要求。3.5克服擾動(dòng)措施一、干擾主要來源工業(yè)生產(chǎn)干擾一般都是以脈沖形式進(jìn)入微機(jī)的。一般情況下，空間干擾遠(yuǎn)小于其余兩種干擾。1.供電系統(tǒng)抗干擾措施如果把電源電壓變化時(shí)間定為Δt，則（1）過電壓、欠壓，停電：Δt>1s；（2）浪涌、下陷、降升：18×Δt>10ms；（3）尖峰電壓：Δt為微秒級(jí)。對(duì)于以上干擾可采用的措施：（1）隔離變壓器。（2）低通濾波器。2.過程通道抗干擾可以采用光電耦合器抗干擾，它的主要優(yōu)點(diǎn)是能有效地抑制尖峰脈沖及各種干擾噪聲，從而使信噪比大大提高。3.地線的處理微機(jī)系統(tǒng)中地線結(jié)構(gòu)大致有系統(tǒng)地、機(jī)殼地、數(shù)字地和模擬地幾種。地線是抑制干擾的重要方法，如能將地線和屏蔽結(jié)合起來，就可以解決大部分干擾問題。（1）在低頻電路中，信號(hào)頻率小于1MHZ時(shí)，采用屏蔽線一點(diǎn)接地。當(dāng)頻率在1～10MHZ時(shí)，采用多點(diǎn)接地。（2）在印刷板上，數(shù)字地和模擬地要分開。（3）地線盡量加粗。4.軟件抗干擾軟件抗干擾是屬于微機(jī)系統(tǒng)自身防御行為，采用軟件抗干擾最根本前提條件是，系統(tǒng)中抗干擾軟件不會(huì)因干擾而損壞。軟件抗干擾措施主要有以下幾種：（1）軟件濾波：即數(shù)字濾波，就是利用軟件完成模擬濾波器類似功能，在實(shí)際使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中越來越廣泛。（2）軟件陷阱：這是控制程序跑飛。當(dāng)PC失控，造成程序“亂飛”而不斷進(jìn)入非程序區(qū)，只要在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序進(jìn)入陷阱，然后強(qiáng)使程序進(jìn)入初始狀態(tài)。(3)設(shè)置監(jiān)視跟蹤定時(shí)器。使用定時(shí)中斷來監(jiān)視程序運(yùn)行狀態(tài)。定時(shí)器定時(shí)時(shí)間稍大于主程序運(yùn)行時(shí)間。而在主程序運(yùn)行期間，執(zhí)行一次定時(shí)器時(shí)間常數(shù)刷新操作。這樣，正常運(yùn)行時(shí)，不會(huì)定時(shí)中斷。當(dāng)程序失常時(shí)，導(dǎo)致定時(shí)中斷，利用定時(shí)中斷程序就可以復(fù)位。3.6鍋爐的給水控制給水自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水流量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，以維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。給水自動(dòng)調(diào)節(jié)的另一個(gè)任務(wù)是保持給水穩(wěn)定。在整個(gè)控制回路中要全面考慮這兩方面的任務(wù)。在控制回路中被調(diào)參數(shù)是汽包水位（H），調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是給水調(diào)解閥，調(diào)節(jié)量是給水流量（W）。對(duì)汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)的因素有蒸發(fā)量D、爐膛熱負(fù)荷（燃料量M），給水量（W）。蒸發(fā)量D擾動(dòng)作用下水位對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)給水流量不變，蒸發(fā)量忽然增加△D時(shí)，如果只從物質(zhì)不平衡角度來看，則反映曲線如圖3-9(a)中的H1(t)所示，但由于蒸發(fā)量增加時(shí)，汽包容積增加，水位將上升，水位的反映曲線如圖3-1(a)中的H2(t)所示。H1(t)和H2(t)相結(jié)合，實(shí)際的水位階躍反應(yīng)曲線如圖3-1(a)中的H(t)所示。爐膛負(fù)荷擾動(dòng)（燃料量M擾動(dòng)）時(shí)水位對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。燃料量增加△M時(shí)，蒸發(fā)量大于給水量，水位下降。但開始是由于有虛假水位存在，水位線上升，然后再下降。如圖3-9(b)中所示。給水流量（W）擾動(dòng)時(shí)的水位對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)蒸發(fā)量不變，而給水量階躍擾動(dòng)時(shí)。汽包水位如圖3-9(c)所示。在開始階段。由于剛進(jìn)入得水水溫較低。使汽水混合物中的汽泡吞吐量減少。水位下降，如圖3-9(c)中的H1(t)所示。而H2(t)反映了物質(zhì)不平衡引起的水位變化，H1(t)和H2(t)相加得到了總的給水量擾動(dòng)的階躍反應(yīng)曲線H(t)圖3-9汽泡給水控制回路動(dòng)態(tài)特性圖由于給水調(diào)節(jié)對(duì)象沒有自平衡能力，又存在滯后。因此在一般鍋爐控制系統(tǒng)中汽包液位回路采用閉環(huán)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。所謂三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)就是把給水流量W，汽包水位H，蒸汽流量D三個(gè)變量通過運(yùn)算后調(diào)節(jié)給水閥的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。具體調(diào)節(jié)過程方框圖如圖3-10所示。圖3-10調(diào)節(jié)過程方框圖先通過蒸汽流量變送器和給水流量變送器取得各自的信號(hào)乘以相應(yīng)的比例系數(shù)，通過比例系數(shù)可以調(diào)節(jié)蒸汽流量或給水流量對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響力度。通過差壓變送器取得水位信號(hào)作為主調(diào)節(jié)信號(hào)H。如果水位設(shè)定值為G，那么在平衡條件下應(yīng)有D*Dk-W*Wk+H-G=0的關(guān)系式存在。其中Dk為蒸汽流量系數(shù)Wk為給水流量系數(shù)。如果再設(shè)定時(shí)，保證在穩(wěn)態(tài)下D*Dk=W*Wk那么就可以得到H=G。此時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出就與符合對(duì)應(yīng)，給水閥停在某一位置上。若有一個(gè)或多個(gè)信號(hào)發(fā)生變化，平衡狀態(tài)被破壞，PI調(diào)節(jié)模塊的輸出必將發(fā)生變化。當(dāng)水位升高了，則調(diào)節(jié)模塊的輸出信號(hào)就減小，使得給水調(diào)節(jié)閥關(guān)小。反之，當(dāng)水位降低時(shí)，調(diào)節(jié)模塊的輸出值增大，使給水閥開大。實(shí)踐證明三沖量給水單極自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)能保持水位穩(wěn)定，且給水調(diào)節(jié)閥動(dòng)作平穩(wěn)。鍋爐給水系統(tǒng)中還有一個(gè)比較重要的控制回路是給水壓力回路，因?yàn)槠鼉?nèi)壓力較高，要給鍋爐補(bǔ)水必須提供更高的壓力，給水壓力回路的作用是提高水壓，使水能夠正常注入汽包。但在蒸汽流量未達(dá)到滿負(fù)荷時(shí)，對(duì)給水流量的要求也不高。在老式的鍋爐系統(tǒng)中一般采用給水泵一直以工頻方式運(yùn)轉(zhuǎn)，用回流閥降低水壓防止爆管，現(xiàn)在一般采用通過變頻器恒壓供水的方式控制水壓。3.7燃燒器的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)燃燒過程自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的選擇雖然與燃燒的種類和供給系統(tǒng)、燃燒方式以及鍋爐與負(fù)荷的聯(lián)結(jié)方式都有關(guān)系，但是燃燒過程自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)都是一樣的。歸納起來，燃燒過程自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)有三大任務(wù)：（1）維持汽壓恒定。汽壓的變化表示鍋爐蒸汽量和負(fù)荷的耗汽量不相適應(yīng)，必須相應(yīng)地改變?nèi)剂狭?，以改變鍋爐的蒸汽量。（2）保證燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)燃料量改變時(shí)，必須相應(yīng)地調(diào)節(jié)送風(fēng)量，使它與燃料量相配合，保證燃燒過程有較高的經(jīng)濟(jì)性。（3）調(diào)節(jié)引風(fēng)量與送風(fēng)量相配合，以保證爐膛壓力不變。燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般有三個(gè)被調(diào)參數(shù)，汽壓p、煙氣含氧量a和爐膛負(fù)壓pt。一般有3個(gè)調(diào)節(jié)量，他們是燃料量M，送風(fēng)量F和引風(fēng)量Y。燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對(duì)象對(duì)于燃料量