锅炉温度控制系统设计方案

锅炉温度控制系统设计方案锅炉温度控制系统设计方案 第 1 章绪论 1.1 课题背景及研究的意义 锅炉是工业生产中最常用的能量转换设备之一， 它通过转化燃料中的化学能 或利用电能转化为能，成为人们广为依赖的采暖工具。在电锅炉中， 利用电阻在 通电流状态下发热的原理，通过对电流的大小的控制对温度的控制。由于电流易 控制的特点，电锅炉在小型锅炉和精密控温的到使用者的青睐。但是， 在大部分 城市中，由于国家实行“西气东输”计划，燃气价格为普通人家所接受，经数据 统计和计算，燃气锅炉更便宜，比电锅炉应用更受欢迎。 锅炉温度的稳定是锅炉性能的一项重要指标， 温度过高和温度过低都会给锅 炉的稳定运行和生产造成重大的的影响，甚至发生安全事故。温度过高， 导致锅 炉金属材料和相关部件的超温过热，加速管材金属氧化，降低锅炉和相关部件的 使用寿命；温度过低， 假定在保持锅炉蒸发量不变的情况下，锅炉的损耗将大幅 上升，能源利用率因此下降，而且负荷也将受到限制。所以，限定锅炉在安全温 度成为每一个温度控制系统的核心部分。 随着科技发展，人们对采暖方式和热水方式渐渐发生变化，家用燃气锅炉进 入寻常百姓家，但是国燃气锅炉的开发与应用还处于较落后的阶段，市场上的大 多数此类商品还是以国外为主，所以燃气锅炉依然有广大市场与研究价值。 本设计以家用燃气锅炉为研究目标， 使用 AT89C51 单片机为控制核心组成温 度控制系统，采用热电阻感应温度的变化，单片机实现收集数据、处理数据、发 送控制命令的功能，从各方面详细的说明单片机在温度控制的应用。 1.2 温度传感技术 自工业时代以来，随着大型机械的出现和广泛应用，温度对机械工作性能的 影响越来越被人们所重视，对温度的未知可能造成机械损坏或发生重大事故。于 是温度传感器便应运而生。温度传感器用在生活的方方面面，从冶金行业到每一 个人身边中的一部分，它已经随着时代的步伐在进步。 目前使用的较为先进的温度传感器是数字传感器。 数字传感器的优点是不需 要像传统方式一样加入转换部分，利用当今成熟的集成技术，在其部已经集成了 感应温度系统和温度转换系统，尤其是它单端数据输出的功能，极大减少对主控 器件端口的占用，是端口资源优化的方法之一。它的数据传输方法是在部得到具 体的温度数据后，利用部的缓冲器进行缓存，利用主控器件对它发出控制命令进 行读取数据，这就是单总线传输，这也是它的最主要的特点。 虽说数字传感器得到广泛应用，但是在工业中仍是大量应用热电阻传感器。 因为数字温度传感器的测温围有限，不超过 150℃，这与工业中经常 200℃以上 的情况显然不合适。热电阻传感器测量温度围在-200960℃，包含了大多数工业 设备的工作温度，至今，仍然有很大的研究与利用价值。 1.3 系统的总体设计思想 本系统的总体设计思路是， 本着精确、 可靠、 稳定的原则， 采用模块化设计， 自顶向下构思。 根据题目提出的设计任务及性能任务指标， 通过理论分析及计算， 整体把握， 然后再逐步细化， 分模块的进行设计， 期间辅以电路仿真软件 proteus 进行电路原理仿真，最后进行各模块的组合以完成整个系统的设计任务。通过查 阅资料与借鉴，此次设计决定用一个多功能键盘实现诸多的设置作用和信息输 入，单片机进行自动调节。用恒流源驱动热电阻，通过模/数转换对热电阻的电 压实现精确的模拟量到数字量的转换.实时数据被 AT89C51 接受，并在芯片进行 软件识别后输出到 LCD 完成对当前温度值的显示。同时，考虑到系统驱动电源， 芯片的电源等要求，添加了可调线性直流稳压电源。 第 2 章系统方案设计与论证 2.1 系统结构框图 LCD显示 温度采集 AT89C51 A/D转换 按键 温度控制及报警 直流电源 图 2.1系统结构框图 2.2 系统性能要求及特点 1. 系统性能要求 以 AT89C51 单片机为核心，搭配合理的人机互动界面，设计一个锅炉温度控 制系统。该系统具有自动调节和手动设置功能，通过操作界面调节，并能显示温 度和上下限温度，且具有历史记录功能。 （1）控制温度在 0-150 度，误差1 度； （2）工作形式有手动、自动工作形式，手动形式用于控制系统调试，自动 形式用控制系统正常运行；热电偶选型要合理； （3）当系统发生某种不良情况导致控制失灵时，控制系统具有报警功能； （4）设计和仿真方案合理，最后得到的数据和结果真实可靠。 2. 系统特点 根据上述要求可以总结出，该系统要求有较高的测温准确精度，能即时反映 现下的温度值，并且具有手动可调功能。通过手动调节，控制锅炉的温度，也可 以在设置后，让锅炉实现智能温控。 同时，我们可以结合现实生活中一些锅炉或 机械情况，使用矩阵键盘操作更灵活，用 LCD 显示可提供更多信息量。 2.3 设计方案论证 设计一个实用的电子应用系统，首先必须考虑该系统需要实现的功能，其次 要考虑设计成本，接着要考虑其可靠性和可维护性，最后揉合以上因数， 力求该 系统具有较高的性价比。因此，我们对此次设计进行了多方面的论证与分析。 2.2.1 温度采集方案的论证与比较 1. 方案 1采用单总线数字温度传感器 DS18B20 温度被检测到之后，在该传感器部直接进行处理，得出相应的数据， 缓存在 芯片的缓冲区，等待传输。DS18B20 连接到控制器的线路只需要一条信号线，且 用了串行通信，符合现下多数设备的通信标准， 使得 DS18B20 更受欢迎。但是其 测温围仅在-55155 摄氏度左右，且编程比较复杂。 2. 方案 2恒流源驱动 PT100 用 1mA 恒定电流驱动 PT100 热电阻，将电阻阻值（80.31280.98Ω）经信号 调理电路转换成 0.82.8V 之间的电压信号，ADC0809 对该电压信号进行采样。 查询 PT100 分度表可知，在0100 摄氏度以，其阻值依线性缓缓上升，因此，在 软件部建立线性方程可算出被测温度值。PT100 铂热电阻工作在 1mA 电流下，此 电流下， 铂热电阻不会因为电流流过发生的自热会引起测量误差。 因为电流恒定， 无论电阻值大小都不会引起自热发生的测量误差，温度变化时铂热电阻值变化， 根据欧姆定律，电压是电阻和电流的乘积， 由于电流恒定不变，电压随电阻线性 变化。该方案得到了广泛应用，借鉴性高，实用性强，决定采取该方案。 2.2.2 A/D 转换模块设计方案的论证与比较 1. 方案 1采用芯片 MC14433 实现数据采集 MC14433 利用抗干扰性较好的二次积分原理为转换方式，牺牲转换速率以达 到1/1999 的分辨率，相当于11 位二进制转换精度，是性价比较高的模数转换 芯片。在速度要求不高的场合，是首选的 ADC 方案。但其基准电压要求为 2V， 而 2V 电压在电子市场上的供应少，对于5V 或15 电源来说，价格要贵许多， 同 时其 BCD 码的传输方式输出会极大占用 CPU 的运行， 且它在 proteus 没有仿真模 块，不易于仿真和测试。故不准备采用这种方案。 2. 方案 2采用芯片 ADC0809 实现数据采集模块 ADC0809是目前要求精度不是很严格的大多数电子设计产品中的通用模数转 换