基于单片机的锅炉智能控制系统(共64页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上摘要详细介绍了一款基于单片机的智能锅炉控制系统，该系统能根据锅炉现场检测的各个状态做出实时精确的自动控制，如实现温度、压力、水位等的监控，具有事件与参数记录、数码管显示、报警、系统参数设置、手自动切换控制的功能。能够快速、稳定、安全、可靠地对工业锅炉进行智能化控制。AbstractThis paper introduces a design of intelligent boiler system based on single chip. This system can do the real-time precise automatic control according to each condition examined from the boiler scene, such as realizes the monitoring of the temperature, the pressure, the water level and so on. It has the event and parameter record, the digital tube display, reports to the police, the system parameter establishment, the hand automatically cuts of the control function. It can be fast, stable, safe, reliable carries on the intellectualized control to the industry boiler.0 引言当今，环境与发展已成为人类社会面临的两大课题，而这些问题的解决无一不与能源密切相关。我国的锅炉目前以煤为主要燃料，耗煤量接近全国煤产量的三分之一。同时，锅炉燃用的主要是中、低质煤，工业污染十分严重；而且锅炉形式比较陈旧，生产效率和自动化程度低，这又进一步加重了环境污染的程度。因此，调整能源消费结构，逐步提高使用液体燃料和气体燃料的比例是加强环境保护、实施可持续发展战略的措施之一。其中油、气燃料作为优质、高效、环保型清洁能源有着广阔的应用前景。国内对锅炉控制系统的研究起步较晚，始于80年代初期。国内研究锅炉控制系统比较成熟的企业包括上海杜比公司、南京仁泰公司，还有一些科研院校联合企业开发的各种智能锅炉控制系统。尽管对锅炉控制系统的研究已有了很大进展，但是仍然存在许多急待解决的问题：(1) 锅炉控制方案不尽合理；(2) 现有的锅炉控制器可控制的仍是普通开关量设备，不能对它们进行精确连续调节，使控制精度低，控制手段单一；(3) 锅炉控制系统外围设备适用范围不广。针对现有的燃油、燃气锅炉控制系统的现状和问题，本课题开发了多功能绿色环保智能燃油、燃气锅炉控制系统，它具有采暖、热水两用功能，能对锅炉系统进行多台联合控制或单台锅炉全自动运行。针对多功能绿色环保锅炉的控制问题，本文提出了基于单片机的锅炉智能控制器的设计构想，并给出了以该控制器为核心的控制方案。1 锅炉控制系统的一般结构与工作原理 锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备.其作用就是有效地把燃料中的化学能转换为热能，或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能量形式，长期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用。锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量(汽压、汽温)和相应数量的蒸汽。它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。“锅”就是锅炉的汽水系统，如图2-1所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水调节阀2、给水母管1及蒸汽母管6等组成。锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包。汽包中的水经下降管进入锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。图1-1锅炉的汽水系统Fig.2-1 The diagram of mining seam'smethane pre-drainage “炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器等组成。锅炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在空气预热器中吸收烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定的比例进入炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过过热器，形成一定的过热蒸汽，汇集到蒸汽母管。具有一定压力的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。2 锅炉控制系统中各控制回路的介绍 在火力发电厂，最基本的工艺过程是用锅炉生产蒸汽，是汽轮机运转，进而带动发电机发电。锅炉控制是火力发电生产过程自动化的重要组成部分，它的主要任务是根据负荷设备的需要，供应一定规格（压力、温度、流量和纯度）的蒸汽。锅炉控制系统，一般有蒸汽压力、汽包液位、炉膛负压、除氧器水位、除氧器压力等控制系统。锅炉的燃烧控制实质上是能量平衡系统，它以蒸汽压力作为能量平衡指标，不断根据用汽量与压力的变化调整燃料量与送风量，同时保证燃料的充分燃烧及热量的充分利用。2.1 锅炉汽包水位控制锅炉是火力发电工业中的重要设备。在锅炉的正常运行中，汽包水位是其重要的工艺指标。将锅炉的汽包水位控制在一个允许范围内，是锅炉运行的主要指标，也是锅炉能提供符合质量要求的蒸汽负荷的必要条件。如果汽包水位过低，则汽包内的水量较少，当蒸汽负荷很大时，水的汽化速度和水量变化速度都很快，如不及时控制，可能会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏或爆炸；相反，当水位过高则会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液现象，使过热器管壁结垢而损坏，同时还会使过热蒸汽温度下降损坏汽轮机叶片，影响运行的安全性与经济性。总之，汽包水位过高或过低所产生的后果极为严重，必须严格加以控制。2.1.1 汽包水位的控制方案虚假水位即在燃料量不变的情况下，当蒸汽用量（即负荷）突然增加，会使汽包内的压力突然降低，导致水的沸腾加剧，汽泡大量增加。由于汽泡的体积比同重量的水的体积大得多，结果形成了汽包内水位“升高”的假现象。反之，当蒸汽用量程度降低，又导致汽包内水位“下降”的假象。无论上述哪种情况，均会引起汽包水位控制的误动作而影响控制效果。控制方案：1、单冲量水位控制系统单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号即水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量来保持汽包水位在容许的范围内。单冲量水位自动控制系统，是汽包水位自动控制中最简单最基本的一种形式，是典型的单回路定值控制系统，如图3-1所示。图2-1单冲量控制系统流程图该系统机构简单、投资少、机构易实现，对于中小型锅炉在蒸汽负荷变化不大的情况下，水位受到扰动后的反应速度比较慢，“虚假水位”现象也不严重，采用单冲量控制系统，一般采用比例调节就能满足生产上的要求，如果采用PI调节器，将得到更满意的效果。在停留时间较短，锅炉蒸汽负荷变化较大时，就不能采用单冲量液位控制系统。这是因为：1）当锅炉蒸汽负荷变化很大时，由于“虚假水位”现象的影响，在调节过程一开始，调节器根据水位先上升去关小调节阀，减少给水量，这个错误动作扩大了汽包进出流量的不平衡，使汽包水位和给水量的波动幅度增大，调节的动态品质很差。2）负荷变化时，从负荷变化到水位下降再到调节阀动作，滞后时间太长，如果水位过程时间常数很小，偏差必然很显著。3）从给水扰动下的情况看。由于给水总管压力改变等原因所造成的给水量变动时，调节器要等到水位改变后才能动作，而调节器动作后又要经过一段延迟时间才能影响到水位，因此将导致汽包水位发生较大的变化，调节时间长。2、双冲量水位控制系统在汽包水位的控制中，最主要的干扰是蒸汽负荷的变化。在单冲量汽包水位控制的基础上，引进蒸汽流量的变化来校正虚假水位的误动作，就能使调节器动作准确及时，减少水位的波动，改善质量。也就是说，若将蒸汽流量作为前馈信号，就构成双冲量水位自动控制系统，如图3-2所示。图2-2双冲量控制系统流程图这种水位控制的特点是：引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对控制的不良影响，当负荷蒸汽变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸汽流量向相反方向变化的误动作，使调节阀一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水和水位的波动，能够改善控制系统的静态特性，提高控制质量。双冲量汽包水位控制，能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位控制任务。在给水压力比较平衡时，采用双冲量控制是能够达到控制要求的。双冲量汽包水位控制存在的问题是：控制作用不能及时反映给水方面的扰动，当给水量扰动时，控制系统等于单冲量的控制。因此，如果给水母管压力经常波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量控制。3、三冲量水位控制系统双冲量控制系统有两个缺点：1）调节阀的工作特性不一定完全是线性，这样要做到静态补偿就比较困难。2）对于给水系统的扰动不能直接补偿。为此将引入给水流量信号，构成三冲量控制系统。针对上述情况，为了把水位控制平衡，在双冲量水位控制的基础上引入了给水流量信号，这时调节器接受三个输入信号：汽包水位是被调量，是主冲量信号，蒸汽流量是前馈信号，给水流量是反馈信号，这就是汽包水位的三冲量控制系统，如图3-3所示。图2-3锅炉汽包水位前馈反馈串级控制系统从三冲量水位控制系统的可以看出，它由两个闭合回路组成：（1）是由给水量，调节阀，控制器组成的内回路；（2）由汽包水位对象和内回路构成的主回路，蒸汽流量和分流器均在闭合回路之外，它的引入可以改善调节质量，但不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量控制的实质是前馈反馈的控制系统。该系统的主要优点是：当负荷蒸汽流量变化时，它早于水位偏差进行前馈控制，能及时地调节调节阀的给水流量，以跟踪蒸汽流量的变化，维持进出汽包的物料平衡，从而有效地克服虚假水位的影响，抑制水位的动态偏差；当蒸汽流量不变时，有给水流量为副被控量构成的副回路，可及时消除给水流量的自身干扰（主要有给水压力的波动引起）。汽包水位是主被控量，主调节器采用PI调节规律。动态过程中，它根据水位偏差调节给水量设定值；稳态时，它可使汽包水位等于设定值。由此可见，三冲量前馈反馈控制系统在克服虚假水位的影响，维持水位稳定，提高给水控制质量等多方面都优于前述两种控制系统，是现场广泛采用的汽包水位控制方案。2.1.2 汽包水位的动态特性给水自动调节的任务是使给水流量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在允许的范围内。给水自动调节的另一个任务是保持给水稳定。在整个控制回路中要全面考虑这两方面的任务。在控制回路中被调参数是汽包水位(H)，调节机构是给水调解阀，调节量是给水流量(W)。 对汽包水位调节系统产生扰动的因素有蒸发量(D)、给水量(W)。 1、蒸发量(D)扰动作用下水位对象的动态特性 当给水流量不变，蒸发量忽然增加D时，如果只从物质不平衡角度来看，则反映曲线如图3-4(a)中的H1(t)所示，但由于蒸发量增加时，汽包容积增加，水位将上升，水位的反映曲线如图3-4(a)中的H2(t) 所示。H1(t)和H2(t)相结合，实际的水位阶跃反应曲线如图3-4(a)中的H(t)所示。 2、给水流量(W)扰动时的水位对象的动态特性 当蒸发量不变，而给水量阶跃扰动时。汽包水位图3-4(b)所示。在开始阶段。由于刚进入得水水温较低。使汽水混合物中的汽泡吞量减少。水位下降，如图3-4(b)中的H1(t)所示。而H2(t)反映了物质不平衡引起的水位变化，H1(t)和H2(t)相加得到了总的给水量扰动的阶跃反应曲线H(t)。 图2-4汽包给水控制回路动态特性图由于给水调节对象没有自平衡能力，又存在滞后。因此在一般锅炉控制系统中汽包液位回路采用闭环三冲量调节系统。所谓三冲量调节系统就是把给水流量W，汽包水位H，蒸汽流量D三个变量通过运算后调节给水阀的调节系统。具体调节过程方框图如图3-5所示。 图2-5水位调节方框图2.1.3 汽包水位硬件的控制通过水位传感器、流量传感器将水位、给水量、蒸汽流量变送为电信号，经过A/D转换器，IN-0连接水位传感器，IN-3连接给水流量传感器， IN-4连接蒸汽流量传感器转换为数字信号，输入单片机，通过单片机控制给水阀，调节给水流量的大小，使水位稳定。图2-6水位控制的硬件系统先通过蒸汽流量变送器和给水流量变送器取得各自的信号乘以相应的比例系数，通过比例系数可以调节蒸汽流量或给水流量对调节系统的影响力度。通过水位变送器取得水位信号作为主调节信号H。如果水位设定值为G，那么在平衡条件下应有D*Dk-W*Wk+H-G=0的关系式存在。其中Dk为蒸汽流量系数 Wk为给水流量系数。设定时，保证在稳态下D*Dk=W*Wk那么就可以得到H=G。此时调节器的输出就与符合对应，给水阀停在某一位置上。若有一个或多个信号发生变化，平衡状态被破坏，PI调节模块的输出必将发生变化。当水位升高了，则单片机的输出信号使得给水调节阀关小。反之，当水位降低时，单片机输出信号使给水阀开大。2.2 过热蒸汽温度控制2.2.1 控制要求与过程特性有工艺可知，过热蒸汽温度过高，则过热器容易损坏，也会使汽轮机内部引起过热膨胀，严重影响运行的安全；过热蒸汽温度过低，则使汽轮机的效率降低，同时也使通过汽轮机的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损。因此，过热蒸汽温度是影响安全和经济的重要参数，一般要求保持在±5ºC的范围内。例如，30万kW的机组锅炉过热蒸汽温度为（565±5）ºC。过热蒸汽的温度控制系统一般包括一级过热器、减温器、二级过热器等。过热蒸汽温度控制系统的控制任务是使过热器的出口温度维持在允许范围内，并且使过热器的管壁温度不超过允许的工作范围。影响过热蒸汽温度的外界因素很多，例如蒸汽流量、减温水量、流劲经过热器的烟气温度和流速等的变化都会影响过热蒸汽的温度。各种阶跃干扰对过热蒸汽温度的阶跃响应曲线如图3-6所示。图2-7不同干扰对过热蒸汽温度的阶跃响应曲线由图3-6可知，在各种阶跃干扰作用下，其动态特性都有延时和惯性，只是时延和惯性的大小不同而已。2.2.2 控制变量的选择与控制方案的确定由于蒸汽流量的变化是负荷干扰，因而不能作为控制变量；若采用烟气侧干扰作为控制变量，则会使锅炉的结构复杂，给设计制造带来困难，也不宜作为控制变量；为了保护过热器，保证机组安全运行，在锅炉设计时，已经设置了喷水减温装置，若采用减温水流量作为控制变量则既简单又易行。但存在的问题是：1、减温水流量与过热蒸汽温度之间存在较大的时延和惯性；2 、在工艺上，锅炉给水与减温水常常合用一根总管，这样会导致减温水自身波动频繁。针对上述存在的问题，如果设计简单控制系统则无法满足生产工艺的要求。为此，需要设计较为复杂的控制系统，以提高控制质量。一种可行的控制方案是设计串级控制系统，如图3-7所示。图2-8 过热蒸汽温度串级控制该控制系统是讲减温器后的汽温信号T2作为副被控参数构成副回路，当减温水自身出现波动时，T2比主汽温T1能提前感受到它的影响，并使副调节器及时动作，使减温水的干扰能够及时得以克服。当主汽温因受到其他干扰（如烟道气）而偏离给定值时，主汽温信调节器随之动作，控制调节阀，从而使主汽温控制在允许的范围之内，使控制质量得到保证。2.2.3 过热蒸汽的硬件控制通过温度传感器将温度测量变送为电信号，A/D转换器IN-1、 IN-5分别连接温度传感器转换为数字量，通过单片机处理，控制减温水给水阀，如图所示。图2-9过热蒸汽温度的硬件控制先通过温度变送器取得各自的信号乘以相应的比例系数，通过比例系数可以调节减温水流量对调节系统的影响力度。温度变送器取得温度信号T1作为主调节信号，如果温度设定值信号为T，那么在平衡条件下应有T1 =T，T2 =Ta，Ta为T在过热器加热前的温度，调节单片机，使控制阀停在某一位置。若发生干扰，有信号发生变化，平衡状态被破坏，则信号发生偏差。当温度升高了，则单片机的输出信号改变使得给水调节阀增加。反之，当温度降低时，单片机的输出值改变使给水阀减小。2.3 炉膛负压控制2.3.1炉膛负压控制方案锅炉最重要的参数是蒸汽压力。燃烧控制是使燃烧产生的热量适应锅炉蒸汽负荷，即蒸汽流量。燃烧控制即是控制进风量，进煤量。协调好风煤比，使系统在符合变化煤种，温度等干扰因素作用下，保持希望的蒸汽压力，煤膛负压和合适的烟气排放量， 是保证锅炉安全经济运行的控制核心， 我们根据不同负荷分成不同区段，不同区段对应不同的调节参数。为了防止炉膛内火焰或烟气外喷，炉膛中要保持一定的微负压。炉膛控制系统中被控变量是炉膛压力（控制在负压），操纵变量是引风量。当锅炉负荷变化较大时，单回路控制系统难以满足工艺要求。这是因为，当负荷变化后，燃料与送风量均将变化，引风量只有在炉膛负压产生偏差时，才能由引风调节器去控制，这样引风量的变化总是落后于送风量，从而造成炉膛负压的较大波动。为解决这一问题，可将送反映负荷变化的蒸汽流量作为前馈信号，组成前馈-反馈复合控制，如图所示。图2-10炉膛负压的控制系统2.3.2炉膛负压控制的硬件设计通过传感器将锅炉内的压力和蒸汽流量转换为电信号，A/D转换器IN-2、 IN-4分别连接压力传感器、流量传感器转换为数字量，通过单片机处理，控制引风阀，调节引风量的大小，如图所示。图2-11炉膛负压的硬件控制通过蒸汽流量变送器和压力变送器取得各自的信号乘以相应的比例系数，通过比例系数可以调节蒸汽流量或给锅炉压力对调节系统的影响力度。通过压力变送器取得压力信号P1作为主调节信号，如果压力设定值信号为P，那么在平衡条件下应有P1 =P。通过调节单片机，使控制阀停在某一位置，保持锅炉内的负压。若发生干扰，有信号发生变化。当蒸汽流量或锅炉内压力变化时，则单片机的输出值改变使引风阀改变。 3 硬件电路基于单片机的锅炉智能控制器的设计构想由MCS-51系列单片机、软件及其外围部件组成。该控制系统主要实现多功能绿色环保锅炉的全自动、安全、经济和稳定地运行。基于单片机的锅炉智能控制方案如图3-1所示。图3-1 锅炉控制方案3.1 最小系统设计3.1.1 单片机原理简介单片机是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU(Central Processing Unit)、随机存储器RAM(Random Access Memory)、只读存储器ROM(Read-only Memory)、基本输入/输出(Input/Output)接口电路。定时器/计数器等部件都制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机从而实现微型计算机的基本功能。单片机内部结构示意图如图3-2所示。 定时/计数器中断系统CPU存储器并行I/O口串口I/O口TXDTXDRXDTINTP0-P3图3-2 单片机内部结构示意图1.中央处理器（CPU）中央处理器是单片机最核心的部分，主要完成运算和控制功能。2.内部存储器内部存储器包括内部数据存储器（内部RAM）和内部程序存储器。存储器是由大量的寄存器所组成，其中每一个寄存器就称为一个存储单元。3.定时/计数器单片机的定时器和计数器是同一结构，只是计数器记录的是单片机外部发生的事件，由单片机的外部电路提供计数信号；而定时器是由单片机内部提供一个非常稳定的计数信号。4.中断系统中断系统在计算机中起着十分重要的作用，是现代计算机系统中广泛采用的一种实时控制技术，能对突发事件进行及时处理，从而大大提高系统的实时性能。5.串行I/O接口串行I/O口的数据各位按顺序传输，其特点是需要一对传输线，成本低；但速度慢，效率低，适合静态显示。6.并行I/O接口并行I/O接口的数据所有位同时传送。其特点是传输速度快，效率高；但传送多少位就需要多少根传输线，因此传送成本高，适合动态显示。3.1.2 单片机的引脚功能介绍AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8K Bytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和256 字节的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大，AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制场合应用。图3-3 AT89C52引脚图AT89C52提供以下标准功能：8K字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，5个中断源，一个全双工串行通信口，片内具有振荡器及时钟电路。AT89C52管脚图如图4-3所示。AT89C52的主要管脚功能如下：P0.0P0.7：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也是地址/数据总线复用口。P1.0P1.7：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P2.0P2.7：P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3.0P3.7：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。ALE：地址锁存控制信号。在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。此外，由于ALE是以晶振16的固定频率输出的正脉冲，因此，可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。：外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时，有效(低电平)，以实现外部ROM单元的读操作。：访问程序存储控制信号。当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。RST：复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。XTALl和XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。VSS：地线。 VCC：+5V电源。如果把前述的信号定义为引脚第一功能的话，则根据需要再定义的信号就是它的第二功能。P3的8条口线都定义有第二功能，如表4-1所示对于有内部EPROM的单片机芯片(例如87C51)，为写入程序须提供专门的编程脉冲和编程电源。它们也由引脚以第二功能的形式提供的，即：编程脉冲：30脚()编程电压(25V)：31脚()表3-1 P3口引脚与第二功能引脚第二功能信号名称P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据接收P3.2外部中断0申请P3.3外部中断1申请P3.4T0定时/计数器0的外部输入P3.5T1定时/计数器1的外部输入P3.6外部RAM写选通P3.7外部RAM读选通3.1.3 时钟电路的设计时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。AT89C52片内由一个反相放大器构成振荡器，可以由它产生时钟。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。本设计采用前者。单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和电容，就构成一个稳定的自激振荡器。单片机内部时钟方式的振荡电路如图4-4所示。电路中的电容C1和C2常选择为30P左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。而外接晶体的振荡频率的大小，主要取决于单片机的工作频率范围，每一种单片机都有自己的最大工作频率，外接的晶体振荡频率不大于单片机的最大工作频率即可。此外，如果单片机有串行通信，则应该选择振荡频率除以串行通信频率可以除尽的晶体。本设计晶振采用12MHz，则计数周期为S3.1.4 复位电路的设计AT89C52单片机的复位输入引脚RET为AT89C52提供了初始化的手段。有了它可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器中的0000H地址单元开始执行程序。在89C52的时钟电路工作后，只要在RET引脚上出现两个机器周期以上的高电平时，单片机内部则初始复位。只要RET保持高电平，则89C52循环复位。只有当RET由高电平变成低电平以后，89C52才从0000H地址开始执行程序。本系统的复位电路是采用按键复位的电路，如图4-5所示，是常用复位电路之一。单片机复位通过按动按钮产生高电平复位称手动复位。上电时，刚接通电源，电容C相当于瞬间短路，+5V立即加到RET/VPD端，该高电平使89C52全机自动复位，这就是上电复位；若运行过程中需要程序从头执行，只需按动按钮即可。按下按钮，则直接把+5V加到了RET/VPD端从而复位称为手动复位。复位后，P0到P3并行I/O口全为高电平，其它寄存器全部清零，只有SBUF寄存器状态不确定。工作原理：通电瞬间，RC电路充电，RST引脚出现高电平，只要RST端保持10ms以上高电平，就能使单片机有效地复位。图3-4最小系统接线图3.2 系统拓展 82553.2.1 8255 的电路结构和功能8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）如图4-6所示。 其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。图3-5 8255的引脚图D0D7：双向三态数据线和CPU数据总线相连；PA0PA7：PA口，8位可编程I/O口；PB0PB7：PB口，8位可编程I/O口；PC0PC7：PC口，8位可编程I/O口,分为两个4位口，PC0PC3；PC4PC7；A0、A1：端口地址选择端，用来决定当前对哪一个端口进行操作，如表所示RESET：复位信号，高电平有效，有效时清楚8255内部寄存器，同时3个端口自动设为输入端； ：芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时，即=0时，表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯；=1时，8255无法与CPU做数据传输； ： 读选通信号，低电平有效；：写选通信号，低电平有效；Vcc：+5V电源；GND：地线。A1A0功能00010读端口A数据01010读端口B数据10010读端口C数据00100写数据到端口A01100写数据到端口B10100写数据到端口C11100写命令到控制寄存器/1数据线呈高阻态/110数据线呈高阻态11010非法操作8255与单片机接线图如图所示图3-6单片机与8255接线图3.2.2工作方式8255有3种工作方式，分别为：方式0、方式1和方式21）方式0：方式0是一种基本的输入或输出方式。在这种工作方式下，方式0不使用联络信号，也不使用中断，A口和B口可定义为输入或输出口，C口分成两个部分（高四位和低四位），C口的两个部分也可分别定义为输入或输出。在方式0，所有口输出均有锁存，输入只有缓冲，但无锁存，C口还具有按位将其各位清0或置1的功能。 2）方式1：A口借用C口的一些信号线用作控制和状态线，形成A组，B口借用C口的一些信号线用作控制和状态线，组成B组。在方式1下，A口和B口的输入输出均带有锁存。 A口、B口可以分别作为数据口工作在方式1。需要使用C口中特定的引脚作为选通和应答使用。C口中其余的引脚仍可工作在方式0，定义为输入或输出使用。适合用于中断式传送和程序查询方式I/O传送。3）方式2：方式2是A组独有的工作方式。外设既能在A口的8条引线上发送数据，又能接收数据。此方式也是借用C口的5条信号线作控制和状态线，A口的输入和输出均带有锁存。 A口可以作为数据口工作在方式2。相当于是A口工作在方式1的输入和输出的叠加。3.3 系统配置及接口3.3.1 A/D转换芯片的选择A/D转换器的作用是把模拟量转化成数字量，以便于计算机进行处理。1）A/D转换器的主要技术指标： （1）转换时间和转换速率转换时间：A/D完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数为转换速率。并行式A/D转换器，转换时间最短为20-50ns，5*107-2*107次/S （2）分辨率A/D转换器的分辨率一般用输出的二进制来表示。 （3）转换精度A/D转换器的转换精度定义为一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量值上的差值。本设计采用A/D转换器ADC0809。ADC0809是一个逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。引脚图如图3-4所示。图3-7 ADC0809引脚图2）引脚功能： ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图4-7所示。下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8路模拟量输入端。D0D7：8位数字量输出端。A、B、C：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： A/D转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一5V。 GND：接地端。 ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 ADC0809转换是采用逐次比较的方法完成A/D转换的，由单一的+5V供电，片内带有锁存功能的8路选一的模拟开关，由A，B，C引脚的编码来确定所选通道。0809完成一次转换需要100us左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到MCS-51的数据总线上，通过适当的外接电路，0809可对0-5V的模拟信号进行转换。如上所说，其0809接线图如图3-8所示。图3-83.4 传感器的选择 传感器是一种能将与待测量的能量形式，转化成另一种可供处理查询的能量形式的装置。信号处理电路用于处理信息，而输出器件是一种利用已处理过的信号的装置、显示或动作。 传感器不但对被测信号敏感，而且具有把它对被测变量的响应送出去的功能。也就是说，传感器不是一般的敏感元件，它的输出响应还必须易于传送的物理量。例如弹性膜盒的输出响应是形变，是微小的几何量（位移）不便于远距离传送。如果把膜盒中心的位移转变为电容极板的间隙变化，就称为输出响应是电容量的压力传感器。倘若，再通过适当的电路使电容量的大小为振荡频率的高低，就演变成输出响应是频率值的压力传感器。某些敏感元件的输出响应本来就能够传送到别处测量，例如，铂电阻应变电阻的阻值，热电偶的电动势等，把这些敏感元件称为传感器也未尝不可。由于电信号便于远距离传送，所以绝大多数传感器的输出是电量的形式，如电压、电流、电阻、电感、电容、频率等。也有利用压缩空气的压力大小传送信息的这种方法在抗电磁干扰和防报安全方面比电传送要优越，但气源和线路上的投资较大，而且传送速度较低。近年来利用光纤传送信号信息的传感器正在发展，其抗干扰、防爆、快速性都有突出的优点。总之，传感器的输出物理量不拘一格，其数值范围也没有一定的范围限制。33.4.1 温度传感器选择本设计采用WP-PT100温度传感器，连接A/D转换器IN1和IN5。其特性与应用：抗震性好，耐高压，多种温度型号可选择，安装方式多元化，可进行OEM定做，应用与化纤，橡塑，石油，造纸，水电，食品等设备的过程温度测量与控制。其主要技术参数测温元件K，E，J，T，PT100，Cu50测温范围-50-600-1300精度等级ClassA：+（0.15+0.2%t）；CLassB；+（0.3+0.5%t）信号输出：4-20 mADC二线制供电电压：24Vdc，12-36Vdc安装方式：螺纹安装，法兰安装，活套安装应用领域：采用欧美铂电阻元件，利用铂电阻的阻值随温度变化而变化，并呈一定函数关系的特性来进行测温。3.4.2 压力传感器选择本设计采用PT112型压力传感器，连接A/D转换器IN2。PT112/123/133/142高温熔体压力传感器采用进口元件，与同类进口产品如 Dynisco  Gefran 互换，应用于橡胶、塑料、化纤涤纶锦纶、聚脂、蒸汽等高温的精确测量和控制。PT112系列高温熔体压力传感器是一种基于惠斯登电桥原理而工作的，其耐高温特性可以应用于特殊的的工业，使其成为橡塑，化纤等机械设备中高温流体压力测量与控制的理想产品。其主要技术参数为：量    程：0450Mpa综合精度：0.1%FS  0.2%FS  0.5%FS  1.0%FS输    出 ： 2.0mV/V；3.33mV/V；420mA；05V；15V；010V 工作温度：-10200450；供电电压： 传感器：10VDC(6-12VDC)  变送器：24VDC(936 V)长期稳定性：0.1%FS/年负载阻抗：电流型最大8