基于單片機的除氧器壓力控制系統設計摘要隨著鍋爐參數的提高和容量的增大，鍋爐的用水量也將進一步增大，這給除氧器的除氧控制提高了難度。除氧器是鍋爐以及供熱系統的關鍵設備之一，在鍋爐的給水處理過程中，除氧是非常關鍵的環節，所以對除氧器內的壓力，就能更好的控制除氧器的出水的含氧量。本設計針對除氧器壓力進行討論與設計研究，采用單片機來對除氧器內壓力進行精確控制，同時，本設計對系統的人機交互以及與上位機的連接都做了研究，極大的增強了系統的自動化程度以及減小了人工勞動的繁瑣。關鍵詞：除氧器壓力控制單片機鍋爐

ABSTRACTIncreasingboilerparametersandimprovethecapacityoftheboiler,thewaterwillbefurtherincreased,whichincreasethedifficultytocontrolthedeaeratordeaerator.Thedeaeratorisoneofthekeyequipmentofboilerandheatingsystem,thewatertreatmentprocessofboilerdeaerator,whichisthekeylink,sothedeaeratorpressure,oxygencontentcontrolofdeaeratorcanbettereffluent.Thedesignofthestudyanddesignofthedeaeratorpressure,usingsingle-chipmicrocomputertocontrolthepressureinsidethedeaerator,atthesametime,thedesignoftheconnectionofhuman-computerinteractionsystemandPCarestudied,greatlyenhancetheautomationdegreeofthesystemandreducesthelabor.KeyWords:deaeratorpressurecontrolMicroControlUnitboiler

目錄TOC\h\z\t"標題1,1,標題2,2,副標題,3"摘要 ⅠABSTRACT Ⅱ目錄 ⅢCONTENTS Ⅴ第1章緒論 11.1設計背景與研究意義 11.2國內外研究現狀及發展 2除氧器壓力控制技術發展 2單片機技術發展 21.3設計目標 3第2章壓力控制系統實現方案 42.1系統總體任務 42.2系統實現方案 4第3章系統的硬件選擇和設計 73.1系統的硬件電路設計 73.1.1A/D-D/A轉換模塊設計 8通訊傳輸模塊設計 113.1.3時間模塊設計 123.1.4單片機接口擴展 13主控模塊設計 153.1.6線性穩壓電源的設計 183.1.7顯示與鍵盤模塊設計 193.1.8看門狗電路設計 21第4章系統軟件設計 244.1系統軟件相關介紹 244.1.1系統主程序流程圖 244.1.2系統初始化 254.1.3顯示與A/D轉換的數據處理 264.1.4按鍵部分軟件設計 294.1.5通信協議及通信模塊軟件設計 304.1.6時間模塊軟件設計 32第5章系統軟件仿真 345.1系統仿真軟件相關介紹 345.1.1MATLAB簡介 345.2MATLAB仿真軟件相關操作 355.2.1MATLAB仿真設計 355.2.2單片機電路設計 355.2.3MATLAB對串口的編程 365.2.4MATLAB與單片機測控系統的軟件設計 375.2.5MATLAB仿真程序流程 37第6章經濟與社會效益分析 39結論 40致謝 41參考文獻 42附錄1 44附錄2 53

CONTENTSTOC\h\z\t"標題1,1,標題2,2,副標題,3"ChineseAbstract IEnglishAbstract IIChineseDirectory IIIEnglishDirectory ⅣChapterOneTheintroduction 11.1ProjectbackgroundandResearchsignificance 11.2Domesticandforeignresearchpresentsituationanddevelopment 2Deaeratorpressurecontroltechnologydevelopment 2Single-chiptechnologydevelopment 21.3Researchdesigngoals 3ChapterTwoPressurecontrolsystemimplementationscheme 42.1Thesystemoverallmission 42.2Systemimplementationscheme 4ChapterThreeHardwareselectionanddesignofthesystem 73.1Hardwarecircuitdesignofthesystem 7A/D-D/AConversionmoduledesign 83.1.2Communicationmoduledesign 11Timemoduledesign 123.1.4Singlechipmicrocomputerinterfaceextension 133.1.5Mastercontrolmoduledesign 15Thedesignoflinearregulatedpowersupply 183.1.7Displayandthekeyboardmoduledesign 193.1.8Watchdogcircuitdesign 21ChapterFourSystemsoftwaresimulation 244.1Relatedsystemsoftwareisintroduced 244.1.1Thesystemmainprogramflowchart 244.1.2Systeminitialization 254.1.3DisplayandA/Dconversionofdataprocessing 264.1.4Keypartofthesoftwaredesign 294.1.5Communicationandsoftwaredesignofcommunicationmodule 304.1.6Timemodulesoftwaredesign 32ChapterFiveSystemsoftwaresimulation 345.1Systemsimulationsoftwarerelatedintroduction 345.1.1IntroductionoftheMATLAB 345.2MATLABsimulationsoftwarerelatedoperations 355.2.1TheMATLABsimulation 355.2.2Single-chipmicrocomputercircuitdesign 355.2.3MATLABtoprogrammingoftheserialport 365.2.4MATLABwiththesinglechipmicrocomputermeasurement 375.2.5MATLABsimulationprocess 37ChapterSixAnalysisofeconomicandsocialbenefits 39Conclusion 40Acknowlegement 41References 42TheappendixOne 44TheappendixTwo 53第1章緒論1.1設計背景與研究意義單片機應用發展迅速而廣泛。在控制系統中，單片機既可作為處理器，也可以作為控制系統的前端機，完成模擬量的采集與開關量的輸入、處理和控制計算。隨著科技的發展壓力測量控制技術趨于智能化、微型化、可視化。本設計思想是采用單片機作為處理器與控制器，對除氧器壓力進行控制，并要求具有一定的智能化，可操作性與穩定性。除氧器采用單片機控制具有以下明顯優勢：（1）直觀而集中的顯示除氧器內各運行參數。能顯示壓力、溫度等的狀態。（2）在運行中可以方便的隨時修改各種參數的控制值，并修改系統的控制參數?？梢苑奖愕母淖儔毫Φ纳舷拗?、下限值。（3）作為除氧器壓力控制裝置，其主要任務是保證除氧器的安全、穩定、經濟運行，減輕操作人員的勞動強度。在采用單片機控制的除氧器壓力控制系統中，有十分周到的安全機制，可以設置報警。杜絕由于人為疏忽造成的重大事故。綜合以上各種優點可以預見采用單片機控制除氧器壓力系統是行業的大勢所趨。單片機是在一塊芯片上集成了所需CPU、存儲器、輸入、輸出等相關部件。單片機問世以來，性能不斷的提高和完善，體積小、速度快、功耗低等的特點使它的應用領域日益廣泛。單片機在控制領域得到了大量廣泛的應用。使用單片控制除氧器壓力是很好的選擇。在現代社會中，隨著工業的發展，居民生活區的集中熱力供應量的需求也越來越大，蒸汽鍋爐的容量不斷提高，對操作過程要求更加嚴格，除氧器的壓力控制直接影響設備的安全和使用壽命。傳統壓力控制不能進行遠距離集中控制，自動化程度很低，調節精度比較差等等缺點，而且單靠人工操作不能適應，控制系統改造的必要性隨著科學技術的不斷進步而提高,被控對象的復雜程度越來越高,人們對控制精度的要求也不斷提高。隨著單片機技術以及自動控制技術的發展，利用單片機及其外圍芯片實現除氧器壓力控制已經成為可能，而且也成為一種發展的趨勢，單片機不僅具有體積小，安裝方便，功能較齊全等優點，而且擁有很高的性價比，因此應用前景廣泛，將保證除氧器正常供水，維持穩定系統，保證安全經濟運行。本設計即是用單片機實現的一種除氧器壓力控制系統。1.2國內外研究現狀及發展1.2.1除氧器壓力控制技術發展由于單片機問世已久，眾多企業在單片機測控裝置研究、生產、應用中，取得了很大的成績，總結了很多經驗。目前國內外對除氧器壓力控制的方法一般采用單沖量控制。單沖量控制用于除氧器給水流量較小時的情況。除氧器工作在給水流量較小時，單沖量控制方式有上限輸出。一般情況下，單沖量控制方式的輸出上限為滿狀態輸出的50%。由于給水流量較小時除氧器壓力受其影響變化的擾動也就很小，因此采用單沖量系統既滿足調節品質的要求，又可以減小整個給誰全程調節的參數的整定[1]。1.2.2單片機技術發展目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網絡通訊與數據傳輸，工業自動化過程的實時控制和數據處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫療器械以及各種智能機械了。因此，單片機的學習、開發與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師。單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，大致可分為幾個范疇，在智能儀器儀表上的應用，在工業控制中的應用，在家用電器中的應用，在計算機網絡和通信領域中的應用，在醫用設備領域中的應用，在各種大型電器中的模塊化應用，在汽車設備領域中的應用等等[2]。未來單片機技術將向多功能、高性能、高速度、低電壓、低功耗、外圍電路內裝化及片內儲存器容量增加的方向發展。所以本課題將采用單片機來實現對除氧器內壓力的控制。1.3設計目標本課題的研究對象為除氧器的壓力，對其壓力進行控制?；舅枷胧且詥纹瑱C作為控制器，通過單片機、壓力傳感器和數模轉換器等硬件系統和軟件方法設計實現具有壓力報警和控制的雙重功能，同時也具有壓力顯示的功能。系統的硬件部分包括以下幾個部分：單片機作為核心控制器、壓力采集部分、鍵盤顯示部分、A/D變換部分、報警部分、壓力控制等部分組成。第2章壓力控制系統實現方案2.1系統總體任務本文主要設計的系統實現的功能有：（1）當除氧器內壓力低于控制壓力值時，開啟給水水閥對除氧器進行加水。（2）當除氧器內壓力高于控制壓力值時，停止對除氧器內進行加水。（3）當由于某種特殊原因，壓力高于控制點壓力時，仍然沒有關閉給水水閥，則達到上限壓力值時，進行報警，關閉給水水閥。（4）設計消除報警按鈕，當有報警時操作人員在知道的情況下可以按下消除報警并去做相應的處理工作。（5）設計緊急停止按鈕，在遇到緊急情況是可以停止系統的運行。（6）設計實驗按鈕，在系統啟動之前進行調試實驗，確保系統可以正常運行及報警。（7）安裝溫度、壓力傳感器，可以進行溫度與壓力值的顯示。2.2系統實現方案根據上面對系統任務的簡單描述，將系統功能進行細分，此系統從整體看可以分為五部分：調節閥控制部分，信號采集部分，通信部分，數據處理部分，人機交互部分。調節閥控制部分主要完成對調節閥的控制，從而控制除氧器內壓力值大小。信號采集部分則用于采集壓力等相關參量。通信部分主要完成與上位機的通信任務。數據處理部分主要完成PID運算和數據運算功能，而人機交互部分用來顯示除氧器運行狀態和相應的按鍵控制。在穩定除氧器內壓力時，可行性較大的方式主要有二種：因為測量壓力范圍最高值在100kpa，壓力比較小，比較好實現壓力的控制。本方案就通過控制檢測壓力即測量壓力，并通過PID運算等控制系統輸出，從而實現壓力的控制。圖2-1方案一第二種是考慮到除氧器內本身存在的壓力和溫度對除氧器內壓力的影響。由于除氧原理多采用加熱式除氧，所以計算實際壓力值時應當考慮到水溫變化與當前壓力的變化，所以要對實際壓力值進行一定的補償計算[3]。圖2-2方案二經過二個方案比較后發現方案一比方案二少了一個前饋，。所以當系統運行在不同狀態時時，除氧器內的壓力會隨著溫度和當前壓力的變化而變化。如果只對單一量進行補償，系統的穩定性和抗干擾能力就會相對差一些，所以選擇方案二來設計系統的控制。在方案二中，當除氧器內的實際壓力和水溫都在不斷變化時，單片機輸出的調節信號也會發生相應變化，調節閥接到信號后也會自動變化，控制除氧器給水水量的大小，從而實現除氧器內壓力穩定的目的。第3章系統的硬件選擇和設計系統方案選擇完畢之后，希望實現系統應有的功能，須選擇合適的硬件和設計才能完成設計意圖。3.1系統的硬件電路設計基于單片機的除氧器壓力控制系統有單片機、調節閥、差壓變送器、上位機等構成。系統采用一臺單個單片機來對調節閥控制，實現調節閥控制給水水量的大小來實現除氧器內壓力的穩定。通過差壓變送器采樣來自除氧器內的壓力，配合壓力傳感器的壓力補償，將數據傳送回單片機進行PID運算，發出控制信號，控制調節閥。單片機連接上位機，上位機裝有監控軟件，對除氧器內壓力進行監控。整個系統結構框圖如圖3-1所示[4]。圖3-1整體方框圖3.1.1A/D-D/A轉換模塊設計=1\*GB3①A/D是指模/數轉換器，是模/數轉換器的縮寫。是將連續的模擬量（如象元的灰階、電壓、電流等）通過取樣轉換成離散的數字量。盡管ADC芯片的品種、型號很多，其內部功能強弱、轉換速度快慢、轉換精度高低有很大差別，但從外特性看，無論哪種芯片，都必不可少地要包括以下四種基本信號引腳端：模擬信號輸入端(單極性或雙極性)；數字量輸出端(并行或串行)；轉換啟動信號輸入端；轉換結束信號輸出端。除此之外，各種不同型號的芯片可能還會有一些其他各不相同的控制信號端。這里，我們選用ADC0809。ADC0809是帶有8位A/D轉換器、8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉換器，可以和單片機直接接口，由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態輸出鎖存器組成[5]。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。三態輸出鎖器用于鎖存A/D轉換完的數字量，當OE端為高電平時，才可以從三態輸出鎖存器取走轉換完的數據[6]。ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0~5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。ADC0809是單路8位輸入A/D轉換器，轉換時間小于。量化間隔： （3-1）絕對量化誤差： （3-2）相對量化誤差： （3-3）在壓力傳感器誤差與參考電壓誤差不大的情況下，ADC0809是完全滿足設計誤差要求的[7]。在本設計中，單片機通過鎖存器74HC373鎖存，再經過IO擴展芯片8255輸出端與ADC0809通信，其啟動信號直接由單片機輸出控制。片選信號由單片機輸出給8255，從而接受ADC0809的數據或向其發送數據。本設計當中的單片機ADC0809模數轉換器如圖3-2所示。圖3-2ADC0809數模轉換器=2\*GB3②數模轉換器，又稱D/A轉換器，簡稱DAC，它是把數字量轉變成模擬的器件。D/A轉換器基本上由4個部分組成，即權電阻網絡、運算放大器、基準電源和模擬開關。這里我們采用DAC0832。D/A轉換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路及轉換控制電路構成。DAC0832是8分辨率的D/A轉換集成芯片。DAC0832有三種工作方式，分別為直通方式，單緩沖方式和雙緩沖方式。本設計采用了單緩沖的工作方式，輸入寄存器和DAC寄存器共用一個地址，同時選通輸出，輸入數據在控制信號作用下，直接進入DAC寄存器中。和同時進行，并且與單片機的端相連接，單片機對DAC0832執行一次寫操作，將數據直接寫入DAC寄存器中。本設計當中的單片機DAC0832數模轉換器連接如圖3-3所示[8]。圖3-3DAC0832數模轉換器3.1.2通訊傳輸模塊設計通訊模塊是單片機與上位機進行數據通訊的處理芯片及其外圍電路。目前單片機與上位機通訊采用兩種方式，一種是常見的USB接口；第二種是采用美國電子工業協會EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一種串行物理接口解決方案。采用USB接口設計作為備用接口。USB設計采用器件MAX232來實現。MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片，使用+5v單電源供電，是一種把電腦的串行口rs232信號電平（-10，+10v）轉換為單片機所用到的TTL信號點平（0，+5）的芯片。其中MAX232通信原理圖如圖3-4所示[9]。圖3-4MAX232通信原理圖本設計提供的USB物理接頭使單片機和上位機之間可以通過USB線進行連接。整個USB轉串口線不需要外接電源，直接使用USB供電即可。3.1.3時間模塊設計通過單片機的定時器，可以設計時間功能，然而單片機自身的產生時間數據大大占用了系統的資源，降低了工作效率，甚至影響了其他功能的實現，因此在本設計方案中，采用了外部芯片提供時間信號，用以系統記錄時間信息。DS1302因其較小的體積，占用I/O口資源少等特點，是常用的時間芯片。此次設計采用DIP-8封裝。DS1302中Vcc1為后備電源，Vcc2為主電源。在主電源關閉的情況下，也能保持時鐘的連續運行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中電壓較大者供電。當Vcc2大于Vcc1＋0.2V時，Vcc2供電，當Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。本設計中直接把芯片的2腳接高電平，由其給芯片供電。X1和X2是振蕩源接口，外接32.768kHz晶振。RST是復位/片選線，通過把RST輸入驅動置高電平來啟動所有的數據傳輸。RST輸入有兩種功能：首先RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節或多字節數據的傳送手段。當RST為高電平時，所有的數據傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次傳輸，I/O引腳變為高阻態。上電運行時，在Vcc≥2.5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數據輸入輸出端。SCLK始終是輸入端，用來輸入串行時鐘信號。根據DS1302的特點，設計電路如圖3-5所示[10]。圖3-5DS1302時間模塊在實際應用中，起控制、輸入輸出的三個端口上拉較弱，容因產生信號串擾，因此加上了上拉電阻，加強信號的穩定性。3.1.4單片機接口擴展因為本設計中有鍵盤輸入控制與顯示器等設備，而單片機接口數量有限，為解決這一問題，我們選擇常見的可編程并行I/O接口芯片8255。8255是Intel公司生產的可編程并行I/O接口芯片，有3個8位并行I/O口。具有3個通道3種工作方式的可編程并行接口芯片（40引腳）。其各口功能可由軟件選擇，使用靈活，通用性強。下面簡單介紹一下8255的各個接口功能。D0～D7：三態雙向數據總線，8255與CPU數據傳送的通道，當CPU執行輸入輸出指令時，通過它實現8位數據的讀/寫操作，控制字和狀態信息也通過數據總線傳送。PA0～PA7：端口A輸入輸出線，一個8位的數據輸出鎖存器/緩沖器，一個8位的數據輸入鎖存器。工作于三種方式中的任何一種。PB0～PB7：端口B輸入輸出線，一個8位的I/O鎖存器，一個8位的輸入輸出緩沖器。PC0～PC7：端口C輸入輸出線，一個8位的數據輸出鎖存器/緩沖器，一個8位的數據輸入緩沖器。端口C可以通過工作方式設定而分成2個4位的端口，每個4位的端口包含一個4位的鎖存器，分別與端口A和端口B配合使用，可作為控制信號輸出或狀態信號輸入端口。其設計圖如圖3-6所示[11]。4圖3-68255擴口8255A有三種工作方式，分別是方式0：基本輸入輸出方式；方式1：選通輸入輸出方式；方式2：雙向輸入輸出方式。在本設計當中，我們使用8255A的方式0這種工作方式，即基本輸入輸出方式。這種工作方式的基本特點是任何一個端口可以作為輸入口，也可以作為輸出口，各個端口之間沒有規定的必然聯系。各個端口的輸入或者輸出，可以有不同的組合。3.1.5主控模塊設計主控模塊即是整個系統的控制與主要數據運算單元。本設計采用單片機來作為主控模塊的主要組成部分。單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統。根據性價比以及被控對象接口數量，運算要求等方面的綜合考慮，我們選用STC公司的STC89C51型單片機。圖3.1STC89C51型單片機工作電壓5.5V~3.4V，其工作頻率范圍為0.40MHz，完全能夠滿足控制系統的設計要求。STC89C51單片機有40個引腳，采用雙列直插（DIP）方式封裝。圖3.1單片機最小系統一般應該包括單片機、晶振電路、復位電路。晶振采用12MHz晶振，保證單片機有所需的機器周期。復位電路采用常用的按鍵復位。本設計當中的單片機最小系統如圖3-7所示[12]。圖3-7單片機最小系統對于單片機最小系統的各個部分，都有相應的電容電阻等的元件，選擇正確的阻值大小與電容大小是單片機最小系統正常運行的關鍵所在。=1\*GB3①晶振計算：為了對CPU時序進行分析，首先要為它定義一種能夠度量各時序信號出現時間的尺度。最常用的尺度包括時鐘周期、機器周期和指令周期。時鐘周期又稱振蕩周期，由單片機片內振蕩電路OSC產生，常定義為時鐘脈沖頻率的倒數。機器周期定義為實現特定功能所需的時間，對于此款單片機來說，機器周期由十二個時鐘周期T構成。指令周期定義為執行一條指令所需的時間。為了方便我們編程以及定時的準確性，我們采用12MHz晶振作為單片機的晶振源。計算如下： （3-4）此時單片機的機器周期為，如此方便計算與編程。=2\*GB3②復位電路RC計算：單片機復位電路可以正常引導單片機到正確的程序執行位置，復位電路不正常會導致程序錯亂甚至不能運行。此單片機復位電路為按鍵式高電平復位，即正常工作時復位引腳為低電平，按下復位按鍵時，復位腳為高電平并維持兩個機器周期（24個振蕩周期）或以上。假設高電平復位有效，舍去充放過程中較低的電平，一般的單片機復位脈沖寬度為0.7~1ms，RC計算公式為：； （3-5）；這里我們取經驗值電容為，電容為。計算延時時間：根據RC計算公式，計算出延時時間為，滿足單片機的按鍵復位要求[13]。3.1.6線性穩壓電源的設計穩壓電源通常分為線性穩壓電源和開關穩壓電源。線性穩壓電源是比較早使用的一類直流穩壓電源。線性穩壓直流電源的特點是：輸出電壓比輸入電壓低；反應速度快，輸出紋波較?。还ぷ鳟a生的噪聲低：效率較低，產生的熱量大。線性穩壓電源一般由電源變壓器、整流、濾波電路及穩壓電路組成，其基本流程為變壓，蒸餾，濾波，穩壓，輸出。本設計中電源變壓器T的作用是將電網220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui。變壓器的副邊與原邊的功率比為P2/P1=η，式中η為變壓器的效率。采用變壓器，將市電220V/50Hz變為15V/50Hz的交流電，然后通過整流電路，將交流電壓Ui變換成脈動的直流電壓。這里我們采用的整流電路為全波整流電路，以此來保證輸出電壓有效值。然后將此脈動直流電壓進行濾波處理，即通過電容將脈動直流電壓的文波減小或者消除，此時電壓基本穩定，再通過穩壓電路來穩定輸出電壓。同時，本設計涉及到傳感器以及調節閥，需要用到放大器，所以，我們通過7812和7912芯片來輸出12V與-12V電源。滿足設計全局的供電需求。這里，將15V輸出電壓變為12V電壓，我們采用的是LM7812芯片。用LM7812三端穩壓IC來組成穩壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。相應的使用7912來輸出-12V電壓[14]。7805在測試條件下輸出電壓最小值為4.8/4.75V，最大值為5.2/5.25V，典型值為5V,輸出峰值電流為2.2A，滿足系統設計要求。輸出+5V電壓可以給單片機等工作模塊供電。其設計圖如圖3-8所示。圖3-8線性電源3.1.7顯示與鍵盤模塊設計=1\*GB3①顯示模塊設計：本設計采用12864液晶進行顯示。該點陣的成本相對較低，適用于各類儀器，小型設備的顯示領域。壓力控制系統中的溫度壓力等等參數將通過12864液晶進行顯示，同時，系統的運行狀態也將通過液晶顯示?？紤]到液晶屏有可能損壞，本文將液晶屏連接接頭做成插頭形式，方便更換與維護。其具體硬件連接如圖3-9。圖3-9顯示模塊=2\*GB3②按鍵設計：因為除氧器壓力控制系統目的之一是減少人工勞動的繁瑣，基本上是全自動運行，不需要過多的人工控制，所以設計按鍵較少。鍵盤在單片機應用系統中是一個很關鍵的部件，它能實現向單片機輸入數據、發送命令等功能，是人工干預單片機系統的主要手段?？紤]到本設計實際需要的按鍵較少，故采用獨立式鍵盤接口電路即可。設計按鍵分別執行功能為：1、當除氧器壓力過高時報警，消除報警；2、當壓力控制系統運行之前，實驗按鈕測試保證所需報警等功能完好運行；3、系統緊急關閉按鈕；4、設定值增量按鈕，即“+”按鈕；5、設定值減量按鈕，即“-”按鈕；6、系統預留按鈕；按鍵的處理可以采用中斷方式，也可以采用查詢方式。鍵盤工作方式的選取原則是既要保證能及時響應按鍵操作，又要不過多占用單片機的工作時間。所以選擇中斷方式處理按鍵。按鍵設計如圖3-10所示。圖3-10按鍵設計3.1.8看門狗電路設計看門狗電路它實質上是一個可由CPU復位的定時器，它的定時時間是固定不變的，一旦定時時間到，電路就產生復位信號或中斷信號。當程序正常運行時，在小于定時時間隔內，單片機輸出一信號刷新定時器，定時器處于不斷的重新定時過程，因此看門狗電路就不會產生復位信號或中斷信號，反之，當程序因出現干擾而“跑飛”時，單片機不能刷新定時器，產生復位信號或產生中斷信號使單片機復位或中斷，在中斷程序中使其返回到起始程序，恢復正常。本設計采用MAX831L看門狗電路監控單片機的工作，如果單片機工作不正常，看門狗電路在規定時是內得不到刷新復位，就輸出信號強制單片機復位重新啟動工作，保證儀器正常工作。本設計利用了MAX831L的手動復位輸入端。只要程序一旦跑飛引起程序“死機”，QUOTE端電平由高到低，當QUOTE變低超過140ms，將引起MAX831產生一個200ms的復位脈沖。同時使看門狗定時器清0和使QUOTE腳變成高電平。也可以隨時使用手動復位按扭使MAX831L產生復位脈沖，由于為產生復位脈沖QUOTE端要求低電平至少保持140ms以上，故可以有效地消除開關抖動。該電路可以適時地監控電源故障（掉電、電壓降低等）。圖中RI的一端接未經穩壓的直流電源。電源正常時，確保R9上的電壓高于1.26V，即保證MAX831L的PFI輸入端電平高于1.26V。當電源發生故障，PFI輸入端的電平低于1.25V時，電源故障輸出端QUOTE電平由高變低，引起單片機QUOTE中斷，CPU響應中斷，執行相應的中斷服務程序，保護數據，斷開外部用電電路等。程序正常運行時，由主程序在小于1.6s的時間間隔內周期性地從P1.7端向MAX831L的P1.7輸入端發送一個脈沖信號，以消除芯片內部的看門狗定時器。實現指令為：若超過1.6s該輸入端收不到脈沖信號，則內部看門狗定時器溢出，8號引腳由高電平變為低電平。引起MAX831L產生一個200ms的復位脈沖。同時使看門狗定時器清零和使8號引腳變成高電平[15]。需要引起注意的是，整個單片機系統完成復位后，在PC指針的指針下整個程序將從0000H地址處重新開始初始化運行，而這在很多情況下是不允許的（如連續的工藝流程），為此必須采取相應的措施。首先在對單片機系統完成復位后，程序應該先判斷是開機運行（冷啟動）還是運行過程中“死機”之后的重新加載運行（熱啟動）。因此一般情況下在這兩種啟動方式下，系統程序在進入主流程在進入主流程前所要做的工作往往不同。如冷啟動后，系統程序在初始化程序往往要進行系統資源的自檢以及將各外圍設備修改設置，只是對單片機系統本身的一些資源進行必要的設置工作。其次，在大多數情況下，我們總可以把一個連續的過程分解開來，把它變成一個個獨立的子過程（狀態）組成的連續過程。在主程序運行過程中，適時保存相應狀態和該狀態下的相關參數。其設計如圖3-11所示[16]。 圖3-11看門狗電路 這樣當程序運行出現“死機”，在MAX831L作用下系統復位和初始化后，將首先查詢事先保存的狀態參數，然后根據此參數決定程序的流向。同時把該狀態下事先保存的參數取出，對系統外圍設備進行必要的恢復設置工作和引導程序繼續運行。第4章系統軟件設計4.1系統軟件相關介紹8051系類單片機共擁有111條系統指令，可實現51種基本操作。然而匯編語言指令卻有程序的可讀性低，程序開發人員的開發時間長與開發難度大，程序移植性差等缺點。C語言是一種編譯型程序設計語言。它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。用C語言來編寫目標系統軟件，會大大縮短開發周期，增加軟件的可讀性，便于改進和擴充。用C語言進行51系列單片機程序設計是單片機開發與應用的必然趨勢。KEILC51開發工具套件可用于匯編C語言程序、匯編源程序，鏈接和定位目標文件和庫，創建HEX文件以及調試目標程序[17]。本設計使用KEILC51μVision4為開發編譯環境，使用C語言編寫程序，實現各模塊功能設計。4.1.1系統主程序流程圖系統主程序的功能主要是完成對單片機的初始化，設置警戒壓力的上下限值，實時顯示壓力值以及鍵盤掃描等工作。主程序流程圖如圖4-1所示。系統啟動系統啟動CPU初始化參數設定按鍵輸入按鍵處理采樣子程序顯示實時壓力數據處理子程序控制調節閥顯示開關是否是圖4-1主程序流程圖4.1.2系統初始化該模塊在系統上電開機時將系統端口、數據存儲區、標志位、指針、地址等賦予有含義的值。具體分為以下幾個模塊列表描述。如表4.1:表4.1初始化參數及含義模塊變量/端口初始值功能控制端口初始化adRD/P1.31A/D轉換芯片數據讀入控制，初始為不讀入adWR/P1.40A/D轉換芯片轉換控制，初始為停止E/P1.50通信接收發送控制，初始為接收DIS/P1.60顯示數據鎖存控制，初始為保持RELAY/P1.71繼電器控制，初始狀態為斷開波特率發生器初始化TMOD0x22單片機片內定時/計數器工作在方式二SCON0x40串行口為8位UART工作方式TH10xf4波特率設置為4800bpsTL10xf4IE0禁止定時器中斷TR11啟動定時器REN1允許串行口接收數據數據參數初始化xmark0x7531數據存儲狀態標志字節指針numtab0x0001數據存儲區指針Uplq0xCF高壓力警戒值，初始值downlq0x10低壓力警戒值，初始值4.1.3顯示與A/D轉換的數據處理系統中，顯示輸出的要求為壓縮BCD碼，而A/D轉換輸入的數據是8位16進制碼，因此在實現顯示之前需要編碼的轉換。對8位A/D轉換器而言，其十六進制、相對滿偏電壓比率、相對電壓幅值的關系對應如表4.2：表4.2A/D轉換幅值數據關系對照表十六進制二進制滿刻度比率相對電壓幅值Vref=2.5V高四位低四位高四位電壓低四位電壓F111115/1615/2564.8000.320E111014/1614/2564.4800.280D110113/1613/2564.1600.260C110012/1612/2563.8400.240B101111/1611/2563.5200.220A101010/1610/2563.2000.200910019/169/2562.8800.180010008/168/2562.5600.160701117/167/2562.2400.140601106/166/2561.9200.120501015/165/2561.6000.100401004/164/2561.2800.080300113/163/2560.9600.060200102/162/2560.6400.040100011/161/2560.3200.020000000/160/2560.0000.000設輸入8位二進制數據為，的商即為以分米為單位的壓力數據，余數為以厘米為單位的數據，由于顯示位數僅為2位，最低位為分米，固使用“二舍三入”的辦法保留分米單位的整數倍數據。為了將這個數據轉換為為壓縮BCD碼，再將，得到的商左移四位（相當于乘以16）為壓縮BCD碼高四位，余數為壓縮BCD碼低四位，二者相加，就是最終的結果。對于ADC0809的工作流程，如圖4.2所示[18]。綜上，電壓幅值與壓力在數值上是相等的。為了通過LCD直觀顯示壓力，進行轉換的思路如下：圖4-2ADC0809的工作流程圖4.1.4按鍵部分軟件設計由于使用的按鍵較少，所以本文采用了獨立式鍵盤，即每個按鍵單獨占用一根口線。在程序查詢方式下，通過I/O端口讀入按鍵狀態，當有按鍵按下時，相應的端口變為低電平，這樣通過讀入I/O口狀態判斷是否有按鍵按下。圖4-3查詢式鍵盤的程序流程圖4.1.5通信協議及通信模塊軟件設計=1\*GB3①通信協議為了使PC上位機與設備實現有意義的通信，設計了簡單的通信協議。通信波特率設計為4800bps，過高的波特率在沒有檢糾錯方式的情況下易發生數據的丟失，過低的波特率會使傳輸變慢。傳送以字節為單位，發送命令與數據。通信協議命令控制字如表4.3。軟件設計上，系統以查詢的方式檢測上位機的命令控制字，并及時進入各響應函數予以響應[19]。表4.3通信協議上位機命令控制字含義下位機命令控制字含義0x00請求聯機檢測0xF0響應聯機檢測成功0x01讀系統時間0xF1響應寫時間指令，發送7字節時間數據0x02設置系統時間0xF2響應度時間指令，接收7字節時間數據0x03讀當前壓力值0xF3響應讀當前壓力指令，發送1字節壓力數據0x04讀記錄數據0xF4響應讀記錄數據指令，發送2字節數據量及相應數據0x05讀壓力上下限0xF5響應讀壓力上下限指令，發送2字節壓力上下限數據0x06設置壓力上下限0xF6響應設置壓力上下限指令，接收2字節壓力上下限數據0x07讀當前壓力及電機狀態0xF7響應讀當前壓力及電機狀態指令，發送2字節壓力數據及電機狀態=2\*GB3②通信模塊的控制該模塊在控制上設計兩個函數，一個是發送函數，另一個是接收函數。由于采用半雙工的通信方式，需要控制變量E的置位與復位轉換發送與接收的狀態。發送的過程：置E為1，使系統處于發送數據狀態；將數據寫入串行通信緩沖區SBUF；等待，直到發送完畢，將E清0，返回接收狀態。接收過程：清零E，使系統處于接收狀態；等待，直到接收完畢，讀串行通信緩沖區SBUF；繼續保持接收狀態[20]。圖4-4通訊檢測流程圖4.1.6時間模塊軟件設計DS1302內部寄存器的定義直接影響著軟件的設計，大概可分為時間控制寄存器和內部RAM寄存器。其中：CH：時鐘停止位寄存器2的第7位12/24小時標志CH=0振蕩器工作允許bit7=1，12小時模式CH=1振蕩器停止bit7=0，24小時模式WP：寫保護位寄存器2的第5位：AM/PM定義WP=0寄存器數據能夠寫入AP=1下午模式WP=1寄存器數據不能寫入AP=0上午模式TCS：涓流充電選擇DS：二極管選擇位TCS=1010使能涓流充電DS=01選擇一個二極管TCS=其它禁止涓流充電DS=10選擇兩個二極管DS=00或11,即使TCS=1010,充電功能也被禁止RS：涓流充電電阻選擇位由于DS1302數據傳輸方式為串行移位輸入輸出。地址、數據的寫操作流程是相同的。地址沒有讀操作。無論是讀還是寫，二者結構類似。讀寫的核心是產生SCLK移位信號與移位，讀操作是將數據從DS1302的I/O口移入單片機，寫操作是將數據從單片機移入DS1302時鐘芯片。我們最終處理的對象是時間數據或狀態數據，在獲取數據時，首先寫入地址，然后讀取數據；寫入數據時，先寫入地址，再輸出數據。完成時間的模塊軟件的設計[21]。表4.4RS狀態標志及含義RS位電阻典型值00無無01R12KΩ10R24KΩ11R38KΩ

第5章系統軟件仿真5.1系統仿真軟件相關介紹5.1.1MATLAB簡介

MATLAB是矩陣實驗室（Matrix

Laboratory）之意。除具備卓越的數值計算能力外，它還提供了專業水平的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制等功能。

MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB來解算問題要比用C,FORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多。MATLAB控制系統仿真軟件是當今國際控制界公認的標準計算軟件，MATLABSIMULINK集成環境的出現，使人們有可能考慮許多以前不得不做簡化假設的非線性因素、隨機因素，從而即使學生沒有對非線性動態系統進行分析研究的數學基礎，仍可通過仿真來認知非線性對系統動態的影響。時至今日，經過MathWorks公司的不斷完善，MATLAB已經發展成為適合多學科，多種工作平臺的功能強大大大型軟件。在國外，MATLAB已經經受了多年考驗。在歐美等高校，MATLAB已經成為線性代數，自動控制理論，數理統計，數字信號處理，時間序列分析，動態系統仿真等高級課程的基本教學工具；成為攻讀學位的大學生，碩士生，博士生必須掌握的基本技能。在設

計研究單位和工業部門，MATLAB被廣泛用于科學研究和解決各種具體問題。在國內，特別是工程界，MATLAB一定會盛行起來。可以說，無論你從事工程方面的哪個學科，都能在MATLAB里找到合適的功能[22]。5.2MATLAB仿真軟件相關操作5.2.1MATLAB仿真設計在本設計中，主要以51單片機設計的數據采集系統通過串口和MATLAB相連，通過自定的一項通訊協議，在MATLAB的界面上可以實現對測控系統的完全控制。如I/O口查詢，I/O口設置，數據實時采集顯示，數據處理等一系列功能。5.2.2單片機電路設計ATMEL公司生產的AT89C51單片機采用高性能的幾臺80C51設計，由先進工藝制造，并帶有非易失性Flash程序儲存器。它是一種高性能，低功耗的8位CMOS微處理芯片。該系統的硬件電路設計圖如圖5-1所示[23]。圖5-1單片機測試系統圖5.2.3MATLAB對串口的編程串口通信接口用于計算機與外部設備進行通信，它以串行的方式傳送數據，為了便于通信能順利進行，數據的發送方和接收方都必須遵守基本的規則。常用的串口接口標準有RS-232，RS-422和RS-485。MATLAB的串口對象都支持這些標準，使我們能直接訪問外設，通過建立串行接口對象，能實現如下功能：（1）配置串行接口通信（2）讀寫數據（3）用事件和回調函數（4）記錄信息到磁盤5.2.4MATLAB與單片機測控系統的軟件設計定義五字節的數據為一幀開始位55HXXXXXX校驗位第一位為開始位，向單片機發送55H；第二位位功能判斷位：設置I/O狀態參數時發送數據0x01；查詢I/O狀態參數時發送數據0x02；選擇A/D轉換時發送數據0x03；第三位為端口選擇判斷位：端口8位端口P0P2P3A/D送數據/0x080x090x100x11第四位為數據位，即要發送的數據。在該系統中規定：設置P0，P2，P3狀態時，該位為用戶事先設定的數據；查詢P0，P2，P3狀態時，該位發送數據0x00。第五位為數據校驗位，在該系統中，采用累加和校驗，以達到軟件抗干擾的目的，增加通信的可靠性[24]。5.2.5MATLAB仿真程序流程在該設計中，利用MATLAB設置出整體的控制界面。設計的界面如5-2所示。圖5-2MATLAB程序流程圖MATLAB編程簡單，界面友好。但是MATLAB在運算處理方面要占用一定的時間，經過反復的實驗可以很好的實現數據實時采集與顯示。所以該系統在一些要求不高的控制系統中有著很好的實用性[25]。第6章經濟與社會效益分析隨著社會的進步與發展，越來越多的理論研究和分析表明，可持續性的經濟增長需要有可持續性的工業生產作為支撐。但是，由于電廠，企業的鍋爐除氧控制系統大多數已經是年代久遠，其能耗與性能已經遠遠跟不上電廠與企業生產的需要。加強節能節水工作，將有效的促進人類節約型社會建設的全面開展。本設計在能耗方面，自動控制方面均對原有的除氧器壓力控制系統做出了分析，設計與改進。實現除氧器內壓力控制的自動化，無人化。提高用電效能，同時對除氧器除氧的效率也有不小的提升，使得電廠，企業的用水設備與管道的維護率大大下降，設備損壞更換率也大大下降，對電廠，企業的設備資金投入做出了最大化的節約。真正起到宣傳我國能源現狀與節約型社會建設的重大意義，同時也將對社會各界節能起到示范作用，有利于推動我國循環經濟和可持續發展戰略的進程。在本設計中，利用了單片機的自動控制技術，充分體現了“節能”、“資源綜合利用”的理念，將整個控制系統作為儀器儀表在工業中實現，使得該系統的損毀更換概率明顯降低。同時，采用的單片機與該系統中的其他芯片電路都較為廉價，使得整個設計造價較低，適合普遍推廣。結論本文將單片機技術應用于除氧器壓力控制系統中，本系統既能實現除氧器壓力控制系統的要求，又能滿足現代社會對節能減排的要求。本系統采用三沖量的控制方法，使控制系統的可靠性、安全性、精確性都有了很大的提高，能滿足現代企業的發展需求。由于本設計主要將本系統作為儀器儀表方式進行設計，所以在未來的一段時間里本設計也可以滿足人們對除氧器壓力控制的需要。本設計主要的工作如下：（1）了解國內外除氧器壓力控制系統的發展現狀，然后選擇了合理的設計方案。（2）詳細設計了控制系統的硬件部分和軟件部分，考慮到外接干擾對控制系統的不利影響，本文同樣對單片機的幾種常見干擾設計了相應用的抗干擾方法。本系統具有如下特點：（1）系統采用了價格低廉，易用性強的單片機作為主要控制和運算設備，利用單片機控制調節閥，從而控制給水流量的大小，進而達到控制除氧器內壓力的目的。（2）系統采用直觀的顯示系統，使得除氧器內各種參數狀況一目了然。（3）系統有測試模式，方便工作人員對系統的可靠性進行監控。

致謝本設計是在郎術斌老師的悉心指導下完成的。導師淵博的專業知識，嚴謹的治學態度，精益求精的工作作風，誨人不倦的高尚師德，嚴以律己、寬以待人的崇高風范，樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠。本設計從選題到完成，每一步都是在導師的指導下完成的，傾注了導師大量的心血。在此，謹向導師表示崇高的敬意和衷心的感謝！本設計的順利完成，離不開各位老師、同學和朋友的關心和幫助。在此表示深深的感謝！2013年06月10日

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