电锅炉温度控制系统的设计毕业设计
目录
1 绪论 (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 电锅炉简介 (1)
1.3 电锅炉温度控制系统 (2)
1.4 设计要求 (2)
2 温度控制系统方案分析 (3)
2.1 设计思想 (3)
2.2 几种方案设计 (3)
2.3 方案设计要求 (4)
2.4 课题研究的意义 (4)
3 电锅炉温度控制系统硬件设计 (6)
3.1 温度检测电路 (6)
3.1.1 热电偶传感器 (6)
3.1.2 MAX6675电路 (7)
3.2 温度显示单元电路 (8)
3.3 温度控制电路 (10)
3.3.1 蜂鸣器驱动电路 (10)
3.3.2 继电器 (11)
3.3.3 STC89C51单片机 (12)
4 电锅炉温度控制系统软件设计 (18)
5 电锅炉温度控制系统仿真 (20)
5.1 电路仿真结果 (20)
6 电锅炉温度控制系统设计实物图 (22)
结论 (24)
致谢 (25)
参考文献 (26)
附录 (27)
附录A (27)
附录B (28)
1绪论
1.1课题背景
锅炉技术的发展受经济发展速度和投资规模因素影响，能源政策和节能、环保要求的制约等越来越严重。因此采用清洁燃料和洁净燃烧技术的高效、节能、低污染工业锅炉将是工业锅炉产品发展的趋势，并向高端和高附加值的产品市场发展[1]。
电锅炉温度智能控制系统在工业生产和科研工作中占有重要的地位。锅炉的自动监测和自动控制，不仅是保证锅炉安全极其重要的手段，而且还在控制锅炉燃烧，提高锅炉效率和性能方面起着非常重要的作用[2]。相对而言，我国在燃煤锅炉方面的开发投入很少，绝大多数在用锅炉的运行只达到机械运行的程度，而已有的控制手段也只是确保锅炉安全运行的保护控制或简单的操作控制，远没有达到以提高锅炉运行效率的最佳运行状态为目的的智能化动态监控运行的程度。
1.2电锅炉简介
电锅炉也称电加热锅炉、电热锅炉，顾名思义，它是以电力为能源并将其转化成为热能，从而经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体的锅炉设备。电锅炉本体主要由电锅炉钢制壳体、电脑控制系统、低压电气系统、电加热管、进出水管及检测仪表等组成。电锅炉的加热方式有电磁感应加热方式和电阻（电加热管）加热方式两种。电阻加热方式又分为不锈钢加热管电锅炉和陶瓷加热管电锅炉，电阻加热方式即采用电阻式管状电热元件加热，电锅炉在结构上易于叠加组合，控制灵活，维修更换方便。
电锅炉设计要求有以下特点：
1、全自动智能化控制技术，无需专人值守。工作方式灵活，可设置为手动或自动模式。
2、结构紧凑、科学合理的设计和先进的制造工艺，使锅炉占用空间小，方便运输并且节省使用场地。
3、无噪音，无污染，热效率高，锅炉本体采用优质高效保温材料做保温，散热损
耗小，节能降耗。
4、控制器对水温或压力自动控制、演算、追踪，可在负荷变化时对给水泵、电加热管进行自动启停控制，也可手动控制。
5、锅炉的设计、制造严格按照《蒸汽锅炉安全监察规程》和《工业锅炉通用技术条件》、《锅壳锅炉本体制造技术条件》的要求严格执行。
1.3电锅炉温度控制系统
现实生活中，很多场所都要对温度进行检测和控制，温度控制器的应用领域非常广泛。在工业生产中，温度往往是一个很重要的参数，许多物理过程和化学反应都必须在特定的温度下才能进行，一旦温度不达标，生产的成品率也会大打折扣，并且有些设备需要合适的温度才能稳定地运行，生产的产品需要适宜的温度才能保存和使用；在农业生产中，农作物的生长要求合适的温度，蓄养的动物有时也要保持适宜的温度，如热带鱼水箱、孵化小鸡、电热水器、培养菌种等场所的温度控制；在家庭生活中，一些家用电器设备需要温度的控制和调节，如电热毯、电磁炉等。温度控制器的设计方案有很多：有用专用芯片设计的、有用复杂可编程逻辑电路设计的、有用单片机设计制作的、有用可编程控制器设计完成的，还可以采用数字电路或模拟与数字电路相结合的方式以及EDA技术等。
1.4设计要求
控制其变化范围为800℃±40℃，采用热电偶连续对炉温进行检测采样，记录、调节炉温，采样周期0.1秒，利用LCD1602液晶显示器进行显示，要求有电路原理图和程序框图并且分析和论述系统采用的主要控制和保护单元的工作原理和特性；根据设计题目的要求，结合实验室现有设备，查阅和收集相关资料，进行系统的总体设计，并绘制电路原理图；对所设计的系统进行全面分析，论述其结构特点、工作原理、动态过程及波形、静态特性，选用并分析系统的保护环节。
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2温度控制系统方案分析
2.1设计思想
温度是一种典型的模拟信号，用数字电路来进行检测、控制并显示，首先必须将这一非电量先变换成电量（电压或电流），然后再采用电子电路实现课题要求。可以采用温度传感器将温度变换转变成相应的电信号，并通过放大、滤波后经A/D转换器变换成数字信号，经译码显示而得到对应的数字[3]。而对温度的控制，可以将要控制的温度所对应的电压值作为基准电压，用实际测量值与之相比较，比较结果（输出状态）自动的控制、调节系统温度，并通过LCD1602液晶显示器显示所需的内容。
2.2几种方案设计
1、基于分立元件的电锅炉温度控制系统
采用温度检测与调理电路、温度控制电路和显示电路来组成温度控制器，其原理框图如图2.1所示。
图2.1 基于分立元件的温度控制系统设计框图
具体实现方法：
在温度检测与调理电路中，采用铂热电阻为温度传感器检测温度，用仪用放大电路对电压信号进行放大；温度控制部分通过设定一个与温度对应的电压值与当前的温度进行比较，从而驱动印制板继电器工作，开启加热装置来实现温度的控制；在显示电路中，ADC转换采用集成模数转换芯片TLC0820，使用74185进行二—BCD码转换，显示采用7448芯片驱动共阴极LED，实现温度的实时显示。
2、基于单片机技术的电锅炉温度控制系统
近年来，单片机发展迅速，如果以单片机为核心制作温度控制器，不仅制作过程简
黄河科技学院毕业设计说明书第 4 页单，而且安装、维护也简单，可靠性与准确性也会有很大提高，且液晶显示器的现实界面优美，显示清晰，可现实的信息量大[4]。其框图如图2.2所示。
图2.2 基于单片机的温度控制系统设计框图
3、基于嵌入式系统的温度控制器
采用微处理器，利用嵌入式系统的设计方法及测试技术，除了可以实现对温度的采集、处理和控制之外，还可实现PC机利用ISP技术对系统进行远程加载和升级。另一方面，利用RS232串行通信技术，可以实现PC机与系统间的通信，并可对系统进行远程控制。从而实现了微机控制系统中的主从式系统控制结构。其原理框图如图2.3所示。
图2.3 基于嵌入式系统的温度控制系统设计框图
2.3方案设计要求
1、温度控制系统性能要稳定。
2、考虑成本，要求性价比高。
3、考虑到环能够实现温度控制的各个单元环节，达到设计要求。
4、电路较简单，具有功耗小、反应快、功能齐全、实用性强的特点。
5、环境温度的变化和交流电网电压的波动等工作条件的影响时，计算参数时应按
最不利的情形考虑。
2.4课题研究的意义
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1、充分研究电锅炉温度的特征，寻找最佳的电锅炉温度控制系统。
2、使温度控制系统具有完善的调节功能和适时处理功能。
3、有利于我们深入掌握电子技术的基础知识和实践方法，在今后进行复杂电路设
计时能更好的应用。
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3电锅炉温度控制系统硬件设计
3.1温度检测电路
温度检测电路设计部分主要由电热偶温度传感器和MAX6675测温芯片组成。
3.1.1热电偶传感器
热电偶是温度测量中最常用的温度传感器。其主要好处是宽温度范围和适应各种大气环境，而且结实，价低，无需供电，也是最便宜的[5]。
热电偶由两个不同材料的金属线组成，在末端焊接在一起。再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为热电偶。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏/℃之间。
由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。K型热电偶温度传感器如图3.1所示。
图3.1 K型热电偶温度传感器
黄河科技学院毕业设计说明书第7 页3.1.2 MAX6675电路
MAX6675是一个复杂的单片热电偶数字转换器，内部具有信号调节放大器、12位的模拟/数字化热电偶转换器、冷端补偿传感和校正、数字控制器、1个SPI兼容接口和1个相关的逻辑控制[6]。
MAX6675内部具有将热电偶信号转换为与ADC输入通道兼容电压的信号调节放大器，T和T-输入端连接到低噪声放大器A1，以保证检测输入的高精度，同时使热电偶连接导线与干扰源隔离。热电偶输出的热电势经低噪声放大器A1放大，再经过A2电压跟随器缓冲后，被送至ADC的输入端。在将温度电压值转换为相等价的温度值之前，需要对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0℃实际参考值之间的差值。
MAX6675内部结构框图如图3.2所示。
图3.2 MAX6675内部结构框图
冷端补偿
热电偶的功能是检测热、冷两端温度的差值，热电偶热节点温度可在0℃-1023.75℃范围变化。冷端即安装MAX6675的电路板周围温度，该温度在-20℃-85℃范围内变化。当冷端温度波动时，MAX6675仍能精确检测热端的温度变化。
MAX6675是通过冷端补偿检测和校正周围温度变化的，该器件可将周围温度通过内部的温度检测二极管转换为温度补偿电压，为了产生实际热电偶温度测量值，
黄河科技学院毕业设计说明书第8 页MAX6675从热电偶的输出和检测二极管的输出测量电压。该器件内部电路将二极管电压和热电偶电压送到ADC中转换，以计算热电偶的热端温度。当热电偶的冷端与芯片温度相等时，MAX6675可获得最佳的测量精度[7]。因此在实际测温应用时，应尽量比年在MAX6675附近放置发热器件或元件，因为这样会造成冷端误差。
热补偿
在测温应用中，芯片自热将降低MAX6675温度测量精度，误差大小取决于MAX6675封装的热传导性、安装技术和通风效果。为降低芯片自热引起的测量误差，可在布线时使用大面积接地技术提高MAX6675温度测量精度。
噪声补偿
MAX6675的测量精度对电源耦合噪声较敏感，为降低电源噪声影响，可在MAX6675的电源引脚附近接入1支陶瓷旁路电容。
热电偶系统的测量精度可通过以下预防措施来提高：
1、尽量采用不能从测量区域散热的大截面导线；
2、如必须用小截面导线，则只能应用在测量区域，并且在无温度变化率区域用扩展导线；
3、避免受能拉紧导线的机械挤压和振动；
4、当热电偶距离较远时，应采用双绞线作热电偶连线；
5、在温度额定值范围内使用热电偶导线；
6、避免急剧温度变化；
7、在恶劣环境中，使用合适的保护套以保证热电偶导线；
8、仅在低温和小变化率区域使用扩展导线；
9、保持热电偶的事件记录和连续记录。
3.2温度显示单元电路
所谓1602是指显示的内容为16*2,即可以显示两行，每行16个字符。目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。字符型
黄河科技学院毕业设计说明书第9 页LCD1602通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样。
HD44780内置了DDRAM、CGROM和CGRAM。DDRAM就是显示数据RAM，用来寄存待显示的字符代码，共80个字节，其地址和屏幕的对应关系如表3.1所示。
表3.1屏幕与地址对应表
它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置
指令2：光标复位，光标返回到地址00H
指令3：光标和显示模式设置I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效
指令4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示；C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标；B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁
指令5：光标或显示移位S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标
指令6：功能设置命令DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示F：低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符
指令7：字符发生器RAM地址设置
指令8：DDRAM地址设置
指令9：读忙信号和光标地址BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
指令10：写数据
黄河科技学院毕业设计说明书第10 页指令11：读数据
3.3温度控制电路
温度控制电路主要由蜂鸣器驱动电路、继电器和单片机控制系统等组成。
3.3.1蜂鸣器驱动电路
蜂鸣器的驱动电路设计及原理分析：
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kH Z的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
以下介绍的几种蜂鸣器驱动电路是针对单片机I/O口的驱动电路，适用于现行的压电式蜂鸣器。
1、以一个9012三极管驱动P1.0口方波，电路图如图3.3所示。
图3.3 以一个9012三极管驱动P1.0口方波
2、双端口驱动
工作原理：
BUZ1、BUZ2两端口均接单片机的I/O口或单片机的蜂鸣器驱动口。
BUZ1端口为“高频口”（相对BUZ2而言），其脉冲电压频率一般为几KHz，具体频率依蜂鸣器需发出的音乐声来调整；BUZ2端口为“低频口”，其电压周期相对较长一些，一般为数十ms至数百ms。工作时，两端口输出电压脉冲驱动三极管Q2和Q3，当BUZ2端口出现高电平时，三极管Q3导通，+12V电压经Q4三极管给蜂鸣器提供工作电压，