发电厂燃煤锅炉燃烧单片机控制系统设计

摘要热电厂锅炉的燃烧操纵对整个发电过程的安全性与经济性起着重要的作用，因此对它高效率的操纵是现在热电厂的一个重要任务。本文通过对整个燃烧系统的分析和研究，分别确定了锅炉燃烧操纵系统中的主蒸汽压力操纵系统和炉膛负压操纵系统的操纵方案，然后对其操纵规律及参数进行选择和整定。在外表选型时，采纳了先进的数字式外表，并利用AT89S51单片机设计了一套智能燃烧操纵系统，给出了硬件电路和软件流程图。该操纵器以新型的AT89S51单片机为核心，采纳模糊PID算法进行运算和操纵，不但能够实现对模拟、数字信号进行采样和处理，而且还能够完成状态检测和操纵、报警以及故障处理等功能。该操纵系统具有速度快、精度高、可靠性高和硬件结构简单的特点。最后可达到锅炉安全、经济、高效的运行。关键词：热电厂；锅炉燃烧；单片机；操纵AbstractThermalpowerplantboilercombustioncontrolplaysanimportantroleinsecurityandeconomyoftheentirepowergenerationprocess,thecontrolofitshighefficiencythermalpowerplantisanimportanttask.Inthispaper,theanalysisandstudyoftheentirecombustionsystem,theboilercombustioncontrolsystem,mainsteampressurecontrolsystemandthefurnacepressureandcontrolsystemcontrolprogram,thenitscontrollawandparameterselectionandtuning.Instrumentselection,usingadvanceddigitalinstrument,andusingtheAT89S51microcontrollerdesignanintelligentcombustioncontrolsystem,giventhehardwareandsoftwareflowchart.ThecontrollertothenewAT89S51MCUasthecore,theuseoffuzzyPIDalgorithmforcomputingandcontrol,notonlycanbeanalog,digitalsignalsamplingandprocessing,butalsotocompletethestatedetectionandcontrol,alarmandfaulthandlingfunctions.Thecontrolsystemhasafast,highprecision,highreliabilityandasimplehardwarestructure.Finally,youcanreachtheboilersafe,economicalandefficientoperation.Keywords:heatandpowerplant;boilercombustion;microcontroller;control名目TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"绪论 1\o"CurrentDocument"研究背景 1\o"CurrentDocument"研究意义 1\o"CurrentDocument"国内外研究现状 2\o"CurrentDocument"要紧研究内容 3\o"CurrentDocument"2燃煤锅炉系统的总体设计方案 4\o"CurrentDocument"锅炉燃烧的生产工艺 4\o"CurrentDocument"燃煤锅炉系统操纵设计方案 5\o"CurrentDocument"汽包水位操纵 6\o"CurrentDocument"炉膛负压操纵 7蒸汽压力操纵 8\o"CurrentDocument"炉膛温度操纵系统 9\o"CurrentDocument"3温度操纵系统硬件电路设计 11\o"CurrentDocument"单片机的介绍和芯片的选型 11\o"CurrentDocument"单片机简介 11\o"CurrentDocument"芯片的选型 12\o"CurrentDocument"AT89S51单片机的差不多结构 12\o"CurrentDocument"AT89S51单片机的要紧特点 12\o"CurrentDocument"AT89S51单片机的引脚介绍 13\o"CurrentDocument"DS18B20温度传感器 15\o"CurrentDocument"系统硬件电路设计 17\o"CurrentDocument"单片机最小系统电路 17\o"CurrentDocument"显示电路 18\o"CurrentDocument"温度操纵及报警电路 19\o"CurrentDocument"DS18B20温度传感器电路 19\o"CurrentDocument"4温度操纵系统软件设计 20\o"CurrentDocument"系统软件设计整体思路 20\o"CurrentDocument"系统程序流图 21\o"CurrentDocument"系统主程序 21\o"CurrentDocument"读出温度子程序 22\o"CurrentDocument"复位、应答子程序 23\o"CurrentDocument"写入子程序 24\o"CurrentDocument"系统调试 25\o"CurrentDocument"5总结 26\o"CurrentDocument"致谢 27\o"CurrentDocument"参考文献 28附录： 291绪论研究背景我国的火力发电厂以煤为要紧燃料，煤的成本占整个发电成本的70%以上。锅炉作为电厂实现能量转换的要紧设备，是火力发电机组的一个重要组成部分，其运行水平和效率对整个火力发电厂的运行经济性具有重大阻碍。以一台300MW的机组为例，其锅炉每小时燃煤约120吨，若使燃烧效率提高1%，以年运行7000小时运算，共可节煤8400吨，若每吨煤按220元运算，则一年可节约184.8万元。同时由此产生的有害气体和烟尘等污染物的排放所产生的环境效益更是无法用金钱衡量的。目前我国发电厂中仍存在大量中、高压参数的高能耗锅炉，尽管在300MW和600MW的主力机组中以亚临界和超临界压力的大容量锅炉为主，但由于设备本身以及运行操纵等方面的缘故，在供电耗煤和燃煤效率等要紧经济指标上与世界先进水平还有较大差距。在所有发电方式中，火力发电是历史最久的，也是最重要的一种，且火力发电在近几年依旧主流的，因为我国的经济状况决定了我国采纳什么样的能源措施。研究意义热力电厂的一系列系统和生产流程和生产工艺，这些大致能够分为水处理系统、锅炉燃烧系统、汽轮机发电系统、供配电系统、如此大的四个系统，其中锅炉是发电过程中必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既能够驱动透瓶，又能够作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断增大，作为动力和热源的锅炉，也向着大容量、高参数、高效率的方向进展。锅炉的操纵要紧分为两大部分:燃烧操纵系统和汽包水位操纵系统。汽包水位一样采纳三冲量操纵，能达到较好的操纵成效，而锅炉的燃烧过程，是一个多参数、多回路、非线性、大滞后、强祸合的操纵系统，较难操纵。因此，自二十世纪九十年代以来，随着超大型可编程操纵器的显现和模糊操纵，国外就将自适应操纵等智能操纵算法技术应用于锅炉的操纵。使锅炉操纵水平大大提高，实现了锅炉优化操纵。国内研究锅炉自动操纵尽管现在也比较成熟，但要紧是外表显示、报表打印等功能，操纵水平有限，可靠性不够高。和国外锅炉自动操纵比较仍存在一定的差距。.大多数现有的锅炉操纵系统可操纵的要紧依旧开关量设备，如风机、炉排和水泵的开关或者阀门操纵。不能对它们精确连续调剂，使操纵手段单一，操纵精度低。.锅炉操纵系统的的操纵方案不够合理，锅炉操纵器一旦显现故障，只能采取系统断电处理，进行人工操作。若锅炉系统中的传感器、变送器等设备显现故障时，温度、压力等参数就无法达到设定值。因此，本文依照热电厂锅炉操纵流程，以AT89S51单片机为核心设计了一种火电厂锅炉燃烧煤空比的操纵系统。目的是提高电厂燃煤锅炉的操纵水平。节约能源，降低环境污染。系统采纳模糊PID算法进行运算和操纵，不但能够实现对模拟、数字信号进行采样和处理，而且还能够完成状态检测和操纵、报警以及故障处理等功能。该操纵系统具有速度快、精度高、可靠性高和硬件结构简单的特点。最后可达到锅炉安全、经济、高效的运行。国内外研究现状锅炉的自动化操纵从上世纪三、四十年代就开始了，当时大都为单参数外表操纵，进入上世纪五十年代后，美国、前苏联等国家都开始进行对锅炉的操作和操纵的进一步研究。但由于当时科技进展的局限性，对锅炉的操纵要紧停留在使用汽动外表（泡括汽动单元组合外表和汽动基地式外表）的时期，而且大多数锅炉只是检测工艺参数，不进行自动操纵。到上世纪六十年代，在发达国家，锅炉的操纵要紧以电动单元组合外表（相当于我国的DDZ-II,DDZ-III外表）检测与操纵，依旧以检测报警为主，操纵为辅助功能。到了上世纪七十年代，随着运算机技术和自动操纵技术理论的进展，使得锅炉的运算机操纵成为可能。专门是近一、二十年来，随着先进操纵理论和运算机技术的飞速进展，加之运算机各种性能的不断增强，价格的大幅度下降，使锅炉应用运算机操纵专门快得到了普及和应用。许多发达国家都相继开发出了锅炉运算机操纵系统。如今在国外，锅炉的操纵己差不多实现了运算机自动操纵，在操纵方法上都采纳了现代操纵理论中的最优操纵、多变量频域、模糊操纵等方法，因此，锅炉的热效率专门高、锅炉运行平稳，而且减少了对环境的污染。在国内，由于经济技术条件的限制，中小企业锅炉设备水平一直比较落后，大多数中小型锅炉水平差不多上停留在手动和简单外表操作的水平。国内供热锅炉燃烧系统自动操纵大多在燃油和燃气锅炉上实现的，关于燃煤锅炉，在自动操纵研究方面总是得不到中意的成效，存在的要紧问题是滞后问题。近几年变频技术在我国的应用领域越来越广，在锅炉操纵方面也有应用，要紧有三种形式，①全自动变频定压；②锅炉鼓、引风机变频操纵；③循环泵变频操纵，对系统进行质调剂。三种形式均有独立应用的范例，也有组合应用，但要紧是以人工操纵为主，节能成效仍旧取决于司炉人员的体会，水平和责任意识。要紧研究内容此系统要紧以单片机为操纵器，并对显示电路，温度检测电路，报警电路，执行电路等进行具体设计，以实现锅炉温度的操纵。（1）燃煤锅炉燃烧操纵系统总体方案设计。（2）选用合适的单片机，设计出功能结构图。（3）设计燃煤锅炉燃烧操纵系统程序流程图。（4）进行相应的程序编制。2燃煤锅炉系统的总体设计方案锅炉燃烧的生产工艺热力发电厂是利用煤燃烧的化学能产出电能的工厂，即为燃料的化学能一蒸汽的热势能一机械能一电能。在锅炉中，燃料的化学能转变为蒸汽的热能，在汽轮机中，蒸汽的热能转变为轮子旋转的机械能，在发电机中机械能转变为电能。炉、机、电是火电厂中的要紧设备，亦称三大主机。辅助三大主机的设备称为辅助设备简称辅机。主机与辅机及其相连的管道、线路等称为系统，如图2.1锅炉燃烧流程图所示。热力发电厂的原料确实是原煤。原煤用车运送到发电厂的储煤场，再用输煤皮带输送到煤斗。再从煤斗落下由给煤机送入磨煤机磨成煤粉，并同时输送热空气来干燥和输送煤粉。最后送入锅炉的炉膛中燃烧。燃料燃烧所需要的热空气由送风机送入锅炉的空气预热器中加热，预热后的热空气，通过风道一部分送入磨煤机作干燥以及送煤粉，另一部分直截了当引至燃烧器进入炉膛。燃烧生成的高温烟气，在引风机的作用下先沿着锅炉的倒“U”形烟道依次流过炉膛，水冷壁管，过热器，省煤器，空气预热器，同时逐步将烟气的热能传给过热器，省煤器，空气预热器以及空气，自身变成低温烟气，经除尘器和脱硫装置的净化后在排入大气。煤燃烧后生成的灰渣，其中大的灰子会因自重从气流中分离出来，沉降到炉膛底部的冷灰斗中形成固态渣，最后由排渣装置排入灰渣沟，再由灰渣泵送到灰渣场。大量的细小的灰粒（飞灰）则随烟气带走，经除尘器分离后也送到灰渣沟。炉给水先进入省煤器预热到接近饱和温度，后经蒸发器受热面加热为饱和蒸汽，再通过热器被加热为过热蒸汽，此蒸汽又称为主蒸汽。通过以上流程，就完了燃料的输送和燃烧、蒸汽的生成燃物（灰、渣、烟气）的处理及排出。由锅炉过热器出来的主蒸汽通过主蒸汽管道进入汽轮机膨胀做功，冲转汽轮机，从而带动发电机发电。从汽轮机排出的乏汽排入凝汽器，在此被凝聚冷却成水，此凝聚水称为主凝聚水。主凝聚水通过凝聚水泵送入低压加热器，有汽轮机抽出部分蒸汽后再进入除氧器，在其中通过连续加热除去溶于水中的各种气体（要紧是氧气）。经化学车间处理后的补给水成为锅炉的给水，再通过给水泵升压后送往高压加热器，然后送入锅炉。循环水泵将冷却水（又称循环水）送往凝聚器，这就形成循环冷却水系统。以上流程，完成了蒸汽的热能转换为机械能，电能，以及锅炉给水供应的过程。燃煤锅炉系统操纵设计方案在热电厂中，以单位机组为操纵对象，能够讨论的操纵系统有，锅炉汽包水位操纵系统、燃烧过程操纵系统以及过热蒸汽温度操纵系统，过热蒸汽温度操纵又泡括过热蒸汽温度操纵和再热蒸汽温度操纵。锅炉操纵系统能够分为汽包水位操纵系统和燃烧操纵系统。燃烧操纵系统泡括:蒸汽压力操纵系统、炉膛负压操纵系统和炉膛温度操纵系统。如图2.2锅炉操纵系统所示。图2.2锅炉操纵系统汽包水位操纵汽包水位是锅炉安全运行的要紧参数之一。水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热器管内结垢，阻碍传热效率，严峻的将引起过热器爆管；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而爆管。专门是大型锅炉，例如，30万KW机组的锅炉蒸发量为1024t/h，而汽包的容积较小，一旦操纵不当，则会在十几秒内使汽包内的水全部汽化，造成严峻的事故。故锅炉汽包给水操纵系统的任务确实是保证汽包水位在容许的范畴内，并兼顾锅炉的平稳运行。锅炉水位自动操纵的任务是操纵给水流量，使其适应蒸发量的变化，坚持汽包水位在承诺的范畴内。阻碍汽包水位有四个因素，除了给水量W和输出蒸汽量D外，汽包压力和燃料的变化也会对汽包水位产生阻碍。此外决定汽包水位的还有汽包中(泡括循环水管)储水量的多少、水位下汽包容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等都有关。在阻碍汽包水位的诸多因素中，以锅炉蒸汽量D和给水量W为主。.汽包水位在给水流量作用下的动态特性，即操纵通道特性.由于给水温度要比汽包内饱和水的温度低，因此给水流量增加后，需从原有饱和水中吸取部分热量，使水位下汽包容积减小。当水位下汽包容积不再变化时，水位变化就完全反映了因储水量的增加而直线上升。H是水位的实际变化。在给水量作阶跃变化后，汽包水位可不能赶忙增加，而出现一段起始惯性段。用传递函数来描述时，近似于一个积分环节和纯滞后环节的串联，可表示为：H(s)K =_0e一8W(s) s (2」)其中：K0——飞升速度，给水流量变化单位流量时水位的变化速度；T——纯滞后时刻，S。给水温度越低，纯滞后时刻T越大。.汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，即干扰通道的动态特性.当蒸汽流量D突然增加，在燃料量不变的情形下，从锅炉的物料平稳关系来看，蒸汽量D大于给水量W，设现在的水位变化为H1。在实际工作中，由于蒸汽用量突然增加，瞬时必导致汽包压力下降，汽包内水沸腾突然加剧，产生闪蒸，水中汽包迅速增加，水位交化表示为H2。实际显示的水位变化H为H1与H2的叠加，即表达式H=H1+H2。当蒸汽量加大时，尽管锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始，水位不仅不下降反而迅速上升，然后再下降（反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升）。这种现象称为“虚假水位”蒸气流量扰动时，水位变化的动态特性可用传递函数来表示：H(s) H(s),H(s) KK（2.2） 二一1—十—2—=一f+ 2—（2.2）D(s) D(s) D(s) sTs+12其中：Kf——飞升速度，即在蒸汽流量变化单位流量时水位的变化速度；K2——响应曲线H2的放大系数；T2——响应曲线H2的时刻常数。虚假水位的变化大小与锅炉的工作压力和蒸发量等有关。关于一样的中高型锅炉，当负荷变化10%时，虚假水位可达30-40ram。虚假水位现象属于反向特性，给操纵带来一定的困难，在操纵方案设计中，必须引起注意。在设计汽包水位操纵系统时，可不考虑燃料扰动和汽包压力扰动对水位的阻碍，而只考虑给水量扰动和蒸汽负荷扰动对水位的阻碍，专门是虚假水位的阻碍.汽包水位操纵系统中存在薅个难点：一个是蒸汽负荷变化造成的虚假水位现象；当给水量稳固时，蒸汽量阶跃增大。汽包水位应该下降，然而由于汽包内蒸汽处于饱和状态，一旦流量突变，压力也变化，水的沸点也随之变化，造成汽包内汽水混合物体积改变，因此水位不但没有下降，反而有所上升，这确实是“虚假水位”。另一个是由于炉体内阻碍汽水变化的对流管柬的物理特性变化引起的，因此，水位系统是一个慢时变系统。依照锅炉汽包容量大小，阀位变化到水位变化需要一定时刻。因此，系统具有延时，而且系统存在着较大的干扰.综上所述，汽包水位系统是一个具有大的扰动和非线性特性的滞后系统。炉膛负压操纵锅炉在正常运行中，炉膛负压应保持在规定的范畴内。负压过大，漏风严峻，总的风量增加，烟气热量缺失增大，同时引风机的电耗增加，不利于经济燃烧；负压偏正，炉膛要向外喷火，不利于安全生产，有害于环境卫生。因此炉膛负压必须进行自动调剂，将其稳固在规定的范畴内。本系统利用调剂引风挡板的开度，引入送风量作为前馈信号，操纵它的引风量来实现。如图2.3炉膛负压调剂系统框图所示。图2.3炉膛负压调剂系统框图当负荷增大时，需要利用调速电机增大煤量。同时，与给煤量成正比例的送风量也要相应增大.现在炉膛负压即下降，需要增加引风量以保证炉膛负压稳固.由于炉膛负压变化有一段滞后，尽管调剂了引风挡板的开度，但在一段时刻里炉膛负压仍在下降。因此将送风调剂器的输出作为前馈信号，送到炉膛负压调剂回路的引风调剂器，使送风量变化时引风量也赶忙变化，以解决滞后问题。2.2.3蒸汽压力操纵蒸汽压力是衡量蒸汽供求关系是否平稳的重要指标，是蒸汽的重要参数。蒸汽压力过或过高，关于金属导管和负荷设备差不多上不利的。压力太高，会加速金属的蠕变，压力太低，就不能提供给设备符合质量要求的蒸汽。在锅炉运行过程中，蒸汽压力降低，说明负荷设备的蒸汽消耗量大于锅炉的蒸发量；蒸汽压力升高，说明负荷设备的蒸汽消耗量小于锅炉的蒸发量。因此，操纵蒸汽压力，是安全生产的需要，是坚持负荷设备正常工作的需要，也是保证燃烧经济性的需要。锅炉蒸汽压力的变化是由于热平稳失调引起的.而阻碍热平稳的因素要紧是燃烧热和蒸汽热，燃烧热的波动引起的热平稳失调称为“内扰”，而蒸汽热波动引起的热平稳失调为了克服内外扰对蒸汽压力的阻碍，在各个差不多的单炉蒸汽压力操纵系统中，输入到锅炉的燃烧热必须跟随蒸汽热的变化而变化.以尽量保持热量平稳同时依照蒸汽压力与给定值的偏差适当增减燃料量以增加或减少蒸汽压力。如图2.4锅炉压力操纵系统原理所示。图2.4锅炉压力操纵系统框图主环压力操纵依照蒸汽压力与设定值的偏差来调剂燃料量以保证压力的稳固。副环燃料操纵器依照主环输出与前馈信号（即外扰）的合成指令去操纵进入锅炉的燃料量，克服燃料量波动，从而使压力保持在稳固范畴之内。2.2.4炉膛温度操纵系统这类操纵对象惯性大,滞后现象严峻,存在专门多不确定的因素,难以建立精确的数学模型，从而导致操纵系统性能不佳，甚至显现操纵不稳固、失控现象。采纳数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度缺失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的苦恼，使得单片机更加具有扩展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加能够通过单跳数据线就能够和主电路连接，故能够把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地点，增加了有用性。能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范畴的温度检测。本设计是对炉膛温度进行实时监测与操纵，温度传感器DS18B20从设备环境的不同位置采集温度，单片机AT89S51猎取采集的温度值，经处理后得到当前环境中一个比较稳固的温度值，再依照当前设定的温度上下限值，通过加热和降温对当前温度进行调整。设计的炉膛温度操纵系统实现了差不多的温度操纵功能：当炉膛温度低于设定下限温度时，系统自动启动加热继电器加温，使炉膛温度上升，同时绿灯亮。当炉膛温度上升到下限温度以上时，停止加温；当炉膛温度高于设定上限温度时，系统自动启动风扇降温，使炉膛温度下降，同时红灯亮。当炉膛温度下降到上限温度以下时，停止降温。炉膛温度在上下限温度之间时，执行机构不执行。三个数码管即时显示炉膛温度，精确到小数点一位。当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备显现故障，或者温度传感头显现故障导致在一段时刻内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。系统中将通过串口通讯连接PC机储备温度变化时的历史数据，以便观看整个温度的操纵过程及监控温度的变化全过程。如图2.5炉膛温度操纵系统框图所图2.5炉膛温度操纵系统框图由上面的四个操纵系统设计，能够看出锅炉的燃烧操纵是锅炉操纵中的一大难题，生产过程中的燃烧对象是典型的多变量组合、大时延、非线性且时变的对象，难以保证燃料量、烟气含氧量的准确测量，以及锅炉运行的最佳效率和安全稳固。因此接下来采取炉膛温度操纵系统进行研究和设计。3温度操纵系统硬件电路设计开发设计一个单片机应用系统或者设计或者设计一种智能化的仪器，第一要明白做什么然后才是如何做。目标任务即系统要求实现的功能以及指标。应用的场合不同具体的要求也会不同。其次是依照功能以及技术指标的要求，确定系统的总体设计方案。系统的总体设计方案包括单片机的选择、重要环节关键器件的选型、技术指标的实现、硬件设计功能的划分等。单片机的介绍和芯片的选型单片机简介单片机也被称为微操纵器(MicrocontrollerUnit)，是微型运算机中的一类是将CPU、储备器、总线、I/O接口电路集成在一块大规模集成电路芯片上。常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业操纵领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器进展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使运算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的操纵设备当中。早期的单片机差不多上8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了专门大的好评。此后在8031上进展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业操纵领域要求的提高，开始显现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到专门广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大进展，单片机技术得到了庞大提高。随着INTELi960系列专门是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，同时进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频差不多超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，当代单片机系统差不多不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至能够直截了当使用专用的Windows和Linux操作系统。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、、运算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数许多的单片机在工作。汽车内一样配备40多部单片机，复杂的工业操纵系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作，单片机的数量不仅远超过PC机和其他运算的总和，甚至比人类的数量还要多。单片机又称单片微操纵器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个运算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的运算机，和运算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台运算机。它的体积小、质量轻、价格廉价、为学习、应用和开发提供了便利条件。芯片的选型ATMEL公司是世界上高级半导体产品设计、制造和行销的领先者，产品包括了微处理器、可编程逻辑器件、非易失性储备器、安全芯片、混合信号及RF射频集成电路。ATMEL公司在AT89C系列单片机的基础上，推出了以MSC-51核心技术为其内核，采纳该公司高性能、低功耗、非易失性储备器技术的AT89S系列单片机，包括AT89S51、AT89S52、AT89S53和AT89S8252。与AT89C系列相比，AT89S系列的运算速度有了专门大的提高，在功能上新增加了双数据指针、定时监视器等，能更好地满足各种不同的应用需要。本节重点介绍AT89S51单片机的硬件组成结构及其引脚功能。AT89S51单片机的差不多结构AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序储备器，器件采纳ATMEL公司的高密度、非易失性储备技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash储备单元，AT89S51在众多嵌入式操纵应用系统中得到广泛应用。AT89S51单片机的要紧特点要紧特点：1、4kBytesFlash片内程序储备器；2、128bytes的随机存取数据储备器（RAM）；3、32个外部双向输入/输出（I/O）口；4、5个中断优先级、2层中断嵌套中断；5、6个中断源；6、2个16位可编程定时器/计数器；7、2个全双工串行通信口；8、看门狗（WDT）电路；9、片内振荡器和时钟电路；10、与MCS-51兼容；11、全静态工作：0Hz-33MHz；12、三级程序储备器保密锁定；13、可编程串行通道；14、低功耗的闲置和掉电模式。3.2.2AT89S51单片机的引脚介绍AT89S51要紧有PDIP封装、PLCC封装和TQFP封装。尽管封装形式不同然而各引脚的功能相同。接下来详细的介绍AT89S51单片机引脚排列及功能。如图3.1AT89S51引脚图所示。1T1J0 YCCri.i pojd工口3 PO.lP13 POJT1.4 P03'J'l.5 pij.41-1.6 POJPl.7 F0j6玷TEPL _P0.7MT'.'TSO EAHT'DTHD/P3.1 jKLE/PRDHIMTOZP32 PEEKP2.7TJ.'PZ.4 P2j6T1/P35 P2JWZP3J6 P2.4P23yiAL。XTAL1 P2.1TES P2J04口23?33S43T536(5357935P露L031L130L2如L328L4ifL5如Lt：25L724-L825Lu22就2LATS9S51图3.1AT89S51引脚图引脚功能：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸取8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据储备器，它能够被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，现在P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平常，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序储备器或16位地址外部数据储备器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据储备器进行读写时，P2口输出其专门功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和操纵信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口除了作为一般I/O口，还有第二功能：P3.0/RXD（串行输入口）P3.1/TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4/T0（记时器0外部输入）P3.5/T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据储备器写选通）P3.7/RD（外部数据储备器读选通）P3口同时为闪耀编程和编程校验接收一些操纵信号。I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，通过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时差不多上准双向口。除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平常刻。ALE/PROG：当访问外部储备器时，地址锁存承诺的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平常，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据储备器时，将跃过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。现在，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。假如微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序储备器的选通信号。在由外部程序储备器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。在访问外部数据储备器时，这两次有效的/PSEN信号将不显现。EA/VPP：当/EA保持低电平常，则在此期间外部程序储备器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序储备器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平常，此间内部程序储备器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。DS18B20温度传感器DS18B20温度传感器是美国达拉斯（DALLAS）半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。该器件将半导体温敏器件、A/D转换器、储备器等做在一个专门小的集成电路芯片上。它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，专门适合用于构成多点温度测控系统，可直截了当将温度转化成串行数字信号（按9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上能够挂接多个传感器芯片，它具有三引脚TO-92小体积封装形式，温度测量范畴一55〜^H125C,可编程为9〜12位A/D转换精度，测温辨论率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，业可采纳寄生电源方式产生，多个DS18B20能够并联到三根或者两根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节约大量的引线和逻辑电路。DS18B20温度传感器只有三根外引线：单线数据传输总线端口DQ，外供电源线VDD，共用地线GND。DS18B20有两种供电方式：一种为数据线供电方式，现在VDD接地，它是通过内部电容在闲暇时从数据线猎取能量，来完成温度转换，相应的完成温度转换的时刻较长。这种情形下，用单片机的一个I/O口来完成DS18B20总线的上拉。另一种是外部供电方式（VDD接+5V），相应的完成温度测量的时刻较短。如图3.2DS18B20三引脚所示。数据线可选图3.2DS18B20三引脚DS18B20要紧由斜率累加器、温度系数振荡器、减法计数器、温度寄存器等部分组成。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的欲置值。温度系数振荡器用于产生减法计数脉冲信号，其中低温度系数振荡器受温度的阻碍专门小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数振荡器随温度变化其振荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入.减法计数器对脉冲信号进行减法计数。温度寄存器暂存温度数值。DS18B20的测温原理如图3.3所示。图3.3DS18B20图3.3DS18B20的测温原理设置精除最低有效位图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时刻由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，第一将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，现在温度寄存器中的数值即为所测温度。系统硬件电路设计单片机最小系统电路单片机最小系统指的是由最差不多的电路元件组成的，外接部分简单的电路就能够独立成一定的工作任务的单片机系统。51单片机的最小系统由单片机芯片、电源、时钟电路、和复位电路组成。如图3.4单片机最小系统电路所示。AT83S5LP1Q1P]123罚4¥茴5RPSCTi：西「一『P3T-.2P3313P3414EOC1I砺:一话P1.0VCC/,Pl1PO.OP1.2P0.1Ph3.钝②■Pl.4PC3;-,Pl.5PC4Pl.6PCI.5Pl.7PO.6RST/VPDPO.7RXDZP2.0EA.VDDTXD/P3,1ALE/PRO&INTWI巧.2PSENP2.7T0T3;4P26T1吃拈P2.5WRJP3.6P24RJD鬲了P23<-KTAL3P2；21STALLP2.1嗨P2.0UO04口丁5TPOO至二FCI1P023T-P03P04P05~P06VP07哥一加£~!l：-ALE无二>：~dp27~£图3.4单片机最小系统电路3.4.2显示电路显示电路采纳了7段共阴数码管扫描电路，节约了单片机的输出端口，便于程序的编写。如图3.5显示电路图所示。图3.5显示电路图温度操纵及报警电路当采集的温度经处理后超过规定温度上限时，单片机通过P1.4输出操纵信号驱动三极管D1，使继电器K1开启降温设备：当采集的温度经处理后低于设定温度下限时，单片机通过P1.5输出操纵信号驱动三极管D2，使继电器K2开启升温设备。当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备显现故障，或者温度传感头显现故障导致在一段时刻内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。具体电路连接如图3.6温度操纵及报警电路所示。图3.6图3.6温度操纵及报警电路DS18B20温度传感器电路如图3.7DS18B20温度传感器电路引脚图所示。U2VCCU2VCCDQGNDJT

2 VCCDQGNDDS18B20图3.7DS18B20温度传感器电路引脚图4温度操纵系统软件设计系统软件设计整体思路一个应用系统要完成各项功能，第一必须有较完善的硬件作保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，专门是微机应用高速进展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。甚至有些必须采纳专门复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得专门简单，如数字滤波，信号处理等。因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源，采纳与S51系列单片机相对应的51汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程。程序设计语言有三种：机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言是机器唯独能“明白”的语言，用汇编语言或高级语言编写的程序（称为源程序）最终都必须翻译成机器语言的程序（成为目标程序），运算机才能“看明白”然后逐一执行。高级语言是面向问题和运算过程的语言，它可通过于各种不同的运算机，用户编程时不必认真了解所用的运算机的具体性能与指令系统，而且语句的功能强，常常一个语句已相当于专门多条运算机指令，因此用高级语言编制程序的速度比较快，也便于学习和交流，然而本系统却选用了汇编语言。缘故在于，本系统是编制程序工作量不大、规模较小的单片机微操纵系统，使用汇编语言能够不用像高级语言那样占用较多的储备空间，适合于储备容量较小的系统。同时，本系统对位处理要求专门高，需要解决大量的逻辑操纵问题。MCS—51指令系统的指令长度较短，它在储备空间和执行时刻方面具有较高的效率，编成的程序占用内存单元少，执行也专门的快捷，与本系统的应用要求专门适合。而且MCS—51指令系统有丰富的位操作（或称位处理）指令，能够形成一个相当完整的位操作指令子集，这是MCS—51指令系统要紧的优点之一。关于要求反应灵敏与操纵及时的工控、检测等实时操纵系统以及要求体积小、系统小的许多“电脑化”产品，能够充分表达出汇编语言简明、整齐、执行时刻短和易于使用的特点。本装置的软件包括主程序、读出温度子程序、复位应答子程序、写入子程序、以及有关DS18B20的程序（初始化子程序、写程序和读程序）。

系统程序流图系统程序要紧包括系统主程序，读出温度子程序，复位应答子程序，写入子程序等。系统主程序主程序的要紧功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。如此能够在一秒之内测量一次被测温度，如图4.1系统主流程图所示。程序见附录。图4.1系统主流程图

读出温度子程序读出温度子程序的要紧功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。DS18B20的各个命令对时序的要求专门严格，因此必须按照所要求的时序才能达到预期的目的，同时，要注意读进来的是高位在后低位在前，共有12位数，小数4位，整数7位，还有一位符号位。如图4.2读出温度子程序流程图所示。图4.2读出温度子程序流程图4.2.3复位、应答子程序如图4.3复位、应答子程序所示。图4.3复位、应答子程序4.2.4写入子程序如图4.4写入子程序所示。图4.4写入子程序系统调试主程序的功能是：启动DS18B20测量温度，将测量值与给定值进行比较，若测得温度小于设定值，则进入加热时期，置P1.1为低电平，这期间连续对温度进行监测，直到温度在设定范畴内，置P1.1为高电平断开可控硅，关闭加热器，等待下一次的启动命令。当测得温度大于设定值，则进入降温时期，则置P1.2为低电平，这期间连续对温度进行监测，直到温度在设定范畴内，置P1.2为高电平断开，关闭风扇，等待下一次的启动命令。第一次接电调试，设置温度上限，温度下限。加热后，温度有时超过温度上限却不报警，后经检查，发觉是进位C没有清0，因此在如下写入程序中加入进位C清零，便排除了那个专门。程序如下：WR1:CLRP1.0MOVR3,#6DJNZR3,$RRCAMOVP1.0,CMOVR3,#23DJNZR3,$SETBP1.0NOPDJNZR2,WR1RET;读DS18B2再经实际接电调试，一切运行正常。加热到上限温度时，红灯亮起，自动降温设备启动，而低于下限温度时，绿灯亮起，自动升温设备启动。5总结本系统通过数字传感器DS18B20感知锅炉中温度，由AT89S51单片机来接收温度信号并进行分析处理，本论文着重分析各单元电路的设计。最后还给出系统的软件的设计过程，使用了汇编语言进行程序设计。本文是采纳模块化的方式进行叙述，对各模块的设计进行了比较详细地阐述，要紧进行了软件的编写和系统的大量调试和探究，差不多完成了系统的设计工作，然而仍处在理论向实际的转化过程中，要达到能真正应用于实际还有专门大差距。由于时刻和个人能力的限制，部分工作尚未完成，专门是在程序方面，工作做得比较差，目前调试仍在连续。通过这次毕业设计，我更加深刻地认识到只有将理论与具体的实践相结合，才会有真正的收成，才能巩固自己的所学，加深对理论知识的明白得，深刻的认识到自己的不足。致谢在本次毕业设计中，我得到了指导老师的热心指导。自始至终关怀督促毕业设计进程和进度。关心解决毕业设计中遇到的许多问题。还不断向我们传授分析问题和解决问题的方法，并指出了正确的努力方向，使我在毕设过程中少走专门多弯路。杜学然和李俊华老师渊博的知识、严谨务实的治学态度、开拓进取的工作作风，对知识永无止境的追求，对生活积极乐观情绪，令我受益匪浅。在那个地点专门感谢杜学然和李俊华老师的指导和关心，并致以诚挚的谢意！同时周围的同学给了我许多的关心。在此，我向周围关怀我的同学致以真挚的谢意！参考文献[1]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998.46-65[2]李广弟.单片机基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,1994.214-232[3]王锦标,方崇智.过程运算机操纵.北京:清华大学出版社,1992.115-134[4]刘豹.热工过程自动调剂原理和应用.北京:水利电力出版社,1982.234-256[5]于海生.微型运算机操纵技术[M].北京:清华大学出版社,1999.84-86[6]蒋廷彪，刘电霆.单片机原理及其应用[M].重庆:重庆大学出版社,2006.139-148,85-89[7]邵裕森，巴莜云.过程操纵系统及外表[M].北京:机械工业出版社,1999.153- 155[8]胡寿松.自动操纵原理[M].北京:科学出版社,2001.39-40[9]何离庆，张寿明.过程操纵系统与装置.重庆：重庆大学出版社,2003.312-313[10]李遵基.热工自动操纵系统.北京：中国电力出版社,1997.231-240[11]毕贞福.火力发电厂热工操纵.北京：中国电力出版社,2008.165-183[12]陈跃东.DS18B20集成温度传感器原理与应用[J].安徽机电学院学报,2002AstromK.J,Wittenmarkb.Self-TuningControllersBasedPole-zeroPlacement[J].ProcIEE,2004.127(3):126-129Yuan-YihHsu,Kan-leeLiou.Designofself-tuningPIDpowersystemstabilizersforsynchronousgenerators.[J]IEEETransEC,2007.2(3):343-348附录:系统总程序代码：ORG0000HTEMPER_LEQU29HTEMPER_HEQU28HFLAG1EQU38HA_BITEQU20HB_BITEQU21HXSEQU30HMOVA,#00HMOVP2,AMAIN:LCALLGET_TEMPERMOVA,29HMOVB,ACLRCRLCACLRCRLCACLRCRLCACLRCRLCASWAPAMOV31H,AMOVA,BMOVC,40HRRCAMOVC,41H;是否检测到DS18B20标志位;数码管个位数存放内存位置;数码管十位数存放内存位置;调用读温