测控系统课程设计报告电厂锅炉炉烟含氧量分析系统设计

《测控系统课程设计报告电厂锅炉炉烟含氧量分析系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《测控系统课程设计报告电厂锅炉炉烟含氧量分析系统设计（20页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、测控系统课程设计 课 程 设 计 报 告 学生姓名 : 学 号： 学 院 : 自动化工程学院 班 级 : 测控 081 题 目 : 电 厂 锅 炉 炉 烟 含 氧 量 分 析 系 统 设 计 设 计 名 称 ： 测控系统设计 指导教师: 冯玉昌 关硕 职称: 2012 年 1 月 2 日 测控系统课程设计 II 目 录 1 设计目的 .1 2 设计要求 .2 3 设计内容 .3 3.1 总体设计 .3 3.2 工作原理 .3 3.2.1 调理电路工作原理 .3 3.2.2 A/D 转换部分工作原理 .4 3.2.3 显示部分 .4 3.2.4 串行通信部分 .5 3.3 原理图设计 .6 3.

2、4 器件选型 .7 3.5 上位机程序设计 .8 3.6 仿真调试及结果分析 .11 3. 7 可靠性和抗干扰设计 .11 4 设计心得和体会 .13 参考文献 .14 附录一：系统电路图 .15 附录二：程序流程图 .16 附录三：上位机软件 .17 测控系统课程设计 1 1 设计目的 锅炉燃烧过程的重要任务之一是维持炉内过剩空气稳定，以保证经济燃烧。 炉内过剩空气稳定，对燃煤锅炉来说，一般是通过保证一定的风煤比来实现的， 这种情况只有在煤质稳定时，才能较好地保持炉内过剩空气稳定，而当煤质变 化，就不能保持炉内过剩空气稳定，不能保持经济燃烧。 要随时保持经济燃烧，就必须经常检测炉内过剩空气系

3、数或氧量，并根据 氧量的多少来适当调整风量，以保持最佳风煤比，维持最佳的过剩空气系数或 氧量。所以，送风调节系统常采用氧量校正信号。所以测量烟气中氧气含量意 义重要。 针对这次课程设计的内容，可以分为以下五点： 1提高综合运用所学的理论知识独立分析和解决问题的能力。 2了解并掌握电厂锅炉炉烟含氧量分析系统的设计原则及实施步骤。 3掌握设计电厂锅炉炉烟含氧量分析系统的相关硬件选型及软件设计流程。 4. 掌握测控系统的调试及运行方法。 测控系统课程设计 2 2 设计要求 本次课程设计选用氧化锆氧量传感器进行烟气含氧量测量，要求测量范围 0.1%-20.0%、精度为 0.1%。然后将氧浓度信号转换为

4、 0-5V 直流模拟电压，在 经过 A/D 转换为数字量，通过单片机处理后由 2 位 LED 显示氧浓度值。并且具 有和上位机通信能力。主要有以下几点： 1要求给出电厂锅炉炉烟含氧量分析系统的总体方案设计，包括设计原则及 实施步骤。 2完成电厂锅炉炉烟含氧量分析系统的硬件及软件设计。 3要求完成电厂锅炉炉烟含氧量分析系统的抗干扰设计及可靠性设计。 4. 要求具有和上位机通信的能力（上位机语言任选：如 LabVIEW、C+ Builder、VB 等） 。 测控系统课程设计 3 3 设计内容 3.1 总体设计 首先氧化锆传感器输入信号与一 0.6mV 电压信号作差，使信号变为 0 111.4mV，

5、既 U1 A 部分完成的功能。减法电路输出的信号需要经过一个同相比 例放大器放大，使信号变为 05V 的标准电压信号。所以 U2 B 部分完成放大信 号的作用。最终将传感器输入的 1120.6mV 信号转换成 05V 电压信号。 本设计中，由于对精度没做很大要求，我们采用逐次逼近式 A/D 转换 ADC0809 由于 ADC0809 在进行 A/D 转换时需要有 CLK 信号，而此时的 ADC0809 的 CLK 是接在 AT89C51 单片机的 P3.3 端口上，也就是要求从 P3.3 输出 CLK 信 号供 ADC0809 使用。因此产生 CLK 信号的方法就得用软件来产生了；由于 ADC

6、0809 的参考电压 VREFVCC，所以转换之后的数据要经过数据处理，在数码 管上显示出氧浓度值值。 图 1 各功能模块流程图 3.2 工作原理 3.2.1 调理电路工作原理 烟气中氧气含量用氧化锆氧量传感器测量，氧化锆氧量计可以用来连续分 析烟气中氧的含量。氧化锆传感器测量范围为 0.1%20.0%时，传感器输出信 号为 1120.6mV，所以首先氧化锆传感器输入信号与一 0.6mV 电压信号作差， 使信号变为 0111.4mV，既 U1 A 部分完成的功能。减法电路输出的信号需要 8051 单 片 机 AD0809 模拟量输入 电源 LED 显示 键盘 上位机通信数字量输入 传感器 调理

7、电路 测控系统课程设计 4 经过一个同相比例放大器放大，使信号变为 05V 的标准电压信号。所以 U2 B 部分完成放大信号的作用。最终将传感器输入的 1120.6mV 信号转换成 05V 电压信号。 图 2 调理电路图 3.2.2 A/D 转换部分工作原理 CPU 控制 ADC0809 接收调理电路的输出信号 05V 的电压信号，单片机控 制 ADC0809 将模拟信号转换为 0255 的数字信号，数字信号不能直接用于显示， 所以单片机需要将数字信号进行处理，转换为需要两位数码管显示的氧量浓度 值 0.1%20% 。A/D 转换器转换结果送至单片机进行处理，单片机将数字信号 处理，然后送至数

8、码管显示。 单片机控制 ADC0809 接收外部信号并将信号转换为相应的数字量，ADC0809 有 8 个通道，由 CPU 控制 ADDA,ADDB.ADDC 管脚的输入来选通通道，电路中 ADDC，ADDB,ADDC 管脚分别接到地址线 A0，A1，A2，当上述三个管脚都设定为 低电平时，IN0 通道选通。ADC0809 地址锁存信号(ALE)和启动转换信号 （START）由单片机 WR 和 74LS138 的输出片选信号或非得到，ADC0809 的输出 允许信号（OE）有由单片机 RD 和 74ls138 输出片选信号或非得到。 测控系统课程设计 5 3.2.3 显示部分 显示部分由单片机

9、 P3.0 串行输出，接到 74LS164 的 A,B 引脚，经 74LS164 后并行输出，送至数码管显示。时钟信号由 74LS393 提供。 图 3 电路设计原理图 3.2.4 串行通信部分 串行口也是计算机的一种标准接口，PC 机一般至少有两个串行口 Com1 和 Com2。串行口不同于并行口，它的数据和控制信息是一位接一位在一根传 输线上传送的，这样串行口较并行口能够进行远距离传送信息。串行口通常使 用 9 针 D 形连接器，有些老式则使用 25 针 D 形连接器。 由于 CPU 与接口间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输，因 此，在串行接口中，要由接收移位寄存器把串行方式转

10、换成并行方式，由发送 移位寄存器把并行方式转换成串行方式。完成这种转换功能的电路叫做通用异 步收发机 UART4。 RS-232 串行接口标准： 目前 RS-232 是 PC 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232 被 定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。 RS-232 采用不平衡传输方式，收发端的数据信号，是相对信号地。9 针串 测控系统课程设计 6 口引脚和 25 针串口引脚定义如表 1 所示。 表 1 9 针串口引脚和 25 针串口引脚定义 9 针串口（DB9） 25 针串口（DB25） 针号 功能说明 缩写 针号 功能说明 缩写 1 数据载波检测 DCD

11、8 数据载波检测 DCD 2 接收数据 RXD 3 接收数据 RXD 3 发送数据 TXD 2 发送数据 TXD 4 数据终端准备 DTR 20 数据终端准备 DTR 5 信号地 GND 7 信号地 GND 6 数据设备准备好 DSR 6 数据设备准备好 DSR 7 请求发送 RTS 4 请求发送 RTS 8 清除发送 CTS 5 清除发送 CTS 9 振铃指示 DELL 22 振铃指示 DELL 典型的 RS-232 信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输 出正电平在 5V15V，负电平在-5V-15V ；在接收数据时，接收器的典型工作 电平是 3V12V 和-3V-12V。

12、串口传输数据只要有接收数据针脚和发送数据针脚就能实现，其连接方式 如表 2 所示。 表 2 串口通信连接方式 9 针9 针 25 针25 针 9 针25 针 2 3 3 2 2 2 3 2 2 3 3 3 5 5 7 7 5 7 表 2 是对微机标准串行口而言的，还有许多非标准设备则需要根据具体情 况而定。 3.3 原理图设计 传感器测量烟气中氧气浓度，并输出电压信号，传感器输出的电压信号经 过调理电路处理后送至 A/D 转换器转换为数字信号，A/D 转换后的结果送至单 片机处理，进行标度变换以及转换，使之转换为可以用数码管显示的数字值。 测控系统课程设计 7 经过串行口输出送至数码管显示。

13、图 4 系统电路图 3.4 器件选型 AT89C51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器， 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，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 ISP Flash 存储 单元，AT89C51 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻 辑的 CMOS 组件。它是

14、逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接口。 ADC0809 由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个 A/D 转换器和 一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分 时输入，共用 A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字 测控系统课程设计 8 量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 显示部分采用两位共阴极数码管，数码管的结构功能简介如下： 共阴极数码管是把所有 LED 的阴极连接到共同接点 com，而每个 LED 的阳 极分别为 a、b、c、d、e、f、g 及 dp（小数点） ，如下图所示

15、。图中的 8 个 LED 分别与上面那个图中的 ADP 各段相对应，通过控制各个 LED 的亮灭来显示数字。 74ls164 简介 当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QAQH）均为低电平。 串行数 据输入端（A，B）可控制数据。当 A、B 任意一个为 低电平，则禁止新数据输 入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下 Q0 为低电平。当 A、B 有一个为高 电平，则另一个就允许输入数据，并在 CLOCK 上升沿作用下决定 Q0 的状态。 引脚功能： CLOCK ：时钟输入端 CLEAR： 同步清除输入端（低电平有效） A，B ：串行数据输入端 QAQH： 输出端 图 5 74LS164

16、 引脚图 3.5 上位机程序设计 Visual Basic（简称 VB）是 Windows 操作系统下简单、易学、高效的应用 软件开发工具。因其具有面向对象的设计方法，友好的用户界面、编程高效、 数据处理及驱动底层硬件功能强等优点而受到广泛的使用。在设计 PC 机程序时， 使用面向对象的编程方法。 单片机与 PC 机串口通信应用界面程序流程图如图 6 所示。 测控系统课程设计 9 应答 超时 开始 发送数据准备 数据完整性验证 设置、打开串行端口 应答？ 发送通信请求 发送数据个数和数据 通信结束关闭端口 图 6 PC 机程序流程图 源程序代码如下： Dim hand As Boolean 等

17、待回应时间到标志位，为 FALSE 时时间没有到，TRUE 时时间到 Private Sub cancel_Click() Unload Me End End Sub Private Sub send_Click() 变量定义 Dim strsend$, strbit$ Dim intsend% 发送的字符长度 Dim writebuff As Variant 写输出缓冲区 Dim readbuff$ 读输入缓冲区数据 strsend = txtsend.Text intsend = Len(strsend) If intsend = 0 Then MsgBox 请输入数字字符！, , 错误

18、Exit Sub End If 数据完整性验证 For i = 1 To intsend Step 1 strbit = Mid(strsend, i, 1) Select Case strbit Case Is 9 MsgBox 输入的数据中存在非数字字符！ & vbCrLf & 请 重新输入！, vbRetryCancel, 错误 txtsend.Text = 测控系统课程设计 10 Exit Sub End Select Next i On Error GoTo comrserror 串行通信口参数设置 MSComm.CommPort = 1 使用 Com1 做为串行通信口 MSComm

19、.Settings = 9600,n,8,1 串口属性设置 MSComm.InputLen = 1 每次从接收缓冲区读取一个字符 MSComm.InputMode = comInputModeText 以字符形式从缓冲区中接受字符 MSComm.InBufferCount = 0 清除输入缓冲区 MSComm.OutBufferCount = 0 清除输出缓冲区 MSComm.PortOpen = True 打开通行端口 txtport.Text = COM & MSComm.CommPort txtmsg.Text = 串口 COM & MSComm.CommPort & 打开成功！波特率

20、=9600bps 发送握手信号 handle: hand = False 开始发送握手信号时回应标志位为 FALSE writebuff = Chr$(&HFF) 准备握手信号&Hffh MSComm.Output = writebuff 发送握手信号 Timer.Enabled = True 启动应答定时器 Do DoEvents If hand Then GoTo handle 定时时间到未收到回应信号重发握手信号 End If Loop Until MSComm.InBufferCount 等待回应 收到对方的回应 Timer.Enabled = False 读取并判断是否为规定的联络信

21、号 readbuff = MSComm.Input If Asc(readbuff) = 255 Then writebuff = Chr$(intsend) MSComm.Output = writebuff 收到正确的回应，发送字符个数和数据 writebuff = strsend MSComm.Output = writebuff MSComm.PortOpen = False 发送完数据关闭端口 Exit Sub Else GoTo handle End If comrserror: End Sub Private Sub Timer_Timer() 测控系统课程设计 11 Timer

22、.Enabled = False hand = True 定时间到关闭定时器，设置标志位 End Sub Private Sub txtsend_Click() txtsend.Text = End Sub 3.6 仿真调试及结果分析 点击“Start”按钮，出现设计的 PC 机串行通行界面，在 “发送数据”文 本框中输入要发送的数字字符串（字符串长度不超过 16） ，点击“发送”按钮， 出现如图 7 所示的运行结果。 图 7 PC 机通信程序运行结果 点击“退出”按钮时，退出应用程序，有此可知 PC 机通行程序能够正常 打开串行口，并实现向串口传送和接收数据。 3. 7 可靠性和抗干扰设计

23、在工业现场，生产环境往往比较恶劣，干扰较多，因此需求工业仪表具有 良好的抗干扰能力保障仪表正常运行。常见的干扰有以下几种： （1）电源干扰 电源干扰主要来自于工频交流电网，交流电源引线作为介质传播电网中的 高频干扰信号 （2）布线干扰 如果电路板的结构安排，导线走线和元件布局不合理，也会产生干扰问题。 因为，元件间，导线间都存在着分布电容，并且对地还有一定的杂散电容，元 测控系统课程设计 12 器件本身的热噪声，静电感应等因素也会在一定的条件下造成恶劣的影响。 （3）接地干扰 工业电子设备，现场仪表的干扰与系统的接地方式有很大关系。良好的接 地可以在很大程度上抑制系统内部噪声耦合，防止外部干扰

24、的入侵，提高系统 的抗干扰能力。如果接地处理不好，反而会导致噪声耦合，形成更严重的干扰。 对于以上多种可能产生的干扰，必须对系统采取有效的抗干扰措施，实 际过程中，分为硬件抗干扰和软件抗干扰。 （1）硬件的抗干扰措施： 对于电源引起的干扰，可以采取低通滤波器抑制交流电源线上引入的高频 干扰，使用吸收电容吸收浪涌电压，使用隔离变压器和独立回路对系统各个模 块供电，并且，每个模块电源使用 LC 电路对电源滤波，并对参数进行详细调整。 对布线干扰采用合理的元件布局规则对元件布局，使元件的摆放在功能上和布 线上达到和谐统一，方向一致有助于增强抗噪声能力；分离数字地和模拟地； 增加去耦合电容可以消除高频

25、干扰。 （2）软件抗干扰措施 采用中值复合滤波的方法，滤波过程是：首先对采集到的一组数据去掉最 大值和最小值，再对剩下的数据进行算术平均值计算，此方法能有效消除脉冲 干扰。 测控系统课程设计 13 4 设计心得和体会 通过本次课程设计我提高了综合运用所学的理论知识独立分析和解决问题 的能力，了解并掌握电厂锅炉炉烟含氧量分析系统的设计原则及实施步骤，掌 握设计电厂锅炉炉烟含氧量分析系统的相关硬件选型及软件设计流程，并掌握 测控系统的调试及运行方法。 回顾起此次单片机课程设计，我感慨颇多，从理论到实践，可以说得是苦 多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的 知识，而且学

26、到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我 懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所 学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务， 从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 由于一开始对编程环境的不熟悉，导致经常犯了一些常识错误，给整个进 程带来了不少麻烦，但在老师的指导帮助下问题得到了解决！在此我感谢老师 同学给予我无私的帮助使我对 80C51 单片机的掌握又有了提高。此外，此次设 计还存在一些有待改进的地方，希望老师给予指出改进。 测控系统课程设计 14 参考文献 1 付家才.单片机控制工程实践技术.北京：化学工业出版社

27、，2003 2 胡汉才.单片机原理及接口设计.北京：清华大学出版社，2002 3 康华光.模拟电子技术.北京：高等教育出版社，2004 4 张迎新.单片机初级教程M.北京：北京航天航空大学出版社，2000 5 于海生.微型计算机控制技术M. 北京：清华大学出版社，1999 6 胡学林.可编程控制器应用技术M. 北京：高等教育出版社，2001 第一版 7 方承远.工厂电气控制技术M. 北京：机械工业出版社，2004 第二版 8 孙增圻.计算机控制理论及应用M. 北京：清华大学出版社，1989 9 宋浩.单片机原理及应用M.北京:北京交通大学出版社,2005 10 陈明荧.8051 单片机课程设计

28、实训教材M. 北京:清华大学出版社，2004 测控系统课程设计 15 附录一：系统电路图 测控系统课程设计 16 附录二：程序流程图 应答 超时 开始 发送数据准备 数据完整性验证 设置、打开串行端口 应答？ 发送通信请求 发送数据个数和数据 通信结束关闭端口 测控系统课程设计 17 附录三：上位机软件 源程序代码如下： Dim hand As Boolean 等待回应时间到标志位，为 FALSE 时时间没有到，TRUE 时时间到 Private Sub cancel_Click() Unload Me End End Sub Private Sub send_Click() 变量定义 Dim

29、 strsend$, strbit$ Dim intsend% 发送的字符长度 Dim writebuff As Variant 写输出缓冲区 Dim readbuff$ 读输入缓冲区数据 strsend = txtsend.Text intsend = Len(strsend) If intsend = 0 Then MsgBox 请输入数字字符！, , 错误 Exit Sub End If 数据完整性验证 For i = 1 To intsend Step 1 strbit = Mid(strsend, i, 1) Select Case strbit Case Is 9 MsgBox 输

30、入的数据中存在非数字字符！ & vbCrLf & 请重新输入！, vbRetryCancel, 错误 txtsend.Text = Exit Sub End Select Next i On Error GoTo comrserror 串行通信口参数设置 MSComm.CommPort = 1 使用 Com1 做为串行通信口 MSComm.Settings = 9600,n,8,1 串口属性设置 MSComm.InputLen = 1 每次从接收缓冲区读取一个字符 MSComm.InputMode = comInputModeText 以字符形式从缓冲区中接受 字符 MSComm.InBuff

31、erCount = 0 清除输入缓冲区 MSComm.OutBufferCount = 0 清除输出缓冲区 MSComm.PortOpen = True 打开通行端口 txtport.Text = COM & MSComm.CommPort txtmsg.Text = 串口 COM & MSComm.CommPort & 打开成功！波特 测控系统课程设计 18 率=9600bps 发送握手信号 handle: hand = False 开始发送握手信号时回应标志位为 FALSE writebuff = Chr$(&HFF) 准备握手信号&Hffh MSComm.Output = writebu

32、ff 发送握手信号 Timer.Enabled = True 启动应答定时器 Do DoEvents If hand Then GoTo handle 定时时间到未收到回应信号重发握手信号 End If Loop Until MSComm.InBufferCount 等待回应 收到对方的回应 Timer.Enabled = False 读取并判断是否为规定的联络信号 readbuff = MSComm.Input If Asc(readbuff) = 255 Then writebuff = Chr$(intsend) MSComm.Output = writebuff 收到正确的回应，发送字符个数和 数据 writebuff = strsend MSComm.Output = writebuff MSComm.PortOpen = False 发送完数据关闭端口 Exit Sub Else GoTo handle End If comrserror: End Sub Private Sub Timer_Timer() Timer.Enabled = False hand = True 定时间到关闭定时器，设置标志位 End Sub Private Sub txtsend_Click() txtsend.Text = End Sub