自动化毕业设计基于ARM的多功能锅炉监测系统

南华大学电气学院毕业设计第1页共43页引言锅炉是工业生产和居民生活广泛应用的供热装置。随着社会的发展，用应越来越广泛，同时随着能源的日益紧缺，能源的充分利用及节省越来越得到重视，锅炉微计算机控制系统也得到进一步发展。锅炉微控制系统是微处理器软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，用微机进行控制对于锅炉节能有重要意义。作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用微计算机控制，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能。锅炉检测也是控制系统中一个重要方面，它对锅炉的温度、压力、水位、流量、物质的性质等进行检测，为控制系统采集数据，是控制系统的基础，是不可缺少的一部分。ARM（AdancedRISCMachines），是一个公司名字，也是一种处理器的通称，还可以认为是一种技术名字。1991年ARM公司成立于英国Cambridge，主要销售晶片设计技术的授权。目前，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，即我们通常说的ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用占据了32位RISC微处理器75%以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各方面。主要表现在如下方面：1、工业控制领域：作为32的RISC架构，基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展。2、无线通讯领域：目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术，ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。3、消费类电子产品：ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。4、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM南华大学电气学院毕业设计第2页共43页技术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。除此以外，ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛的应用。同时随着锅炉的工艺不断提高，性能不断改善，其对锅炉控制系统的设计要求也越来越高。与此同时，对锅炉的检测也有更高的要求，其主要表现在检测的参数越来越多、精度要求更高、速度要求更快，本系统采用ARM9微处理器，最高工作频率可达到266MHZ、有100多个通用I/O口、自带10位A/D、D/A转换器等，能充分满足此系统要求。南华大学电气学院毕业设计第3页共43页1系统设计1.1设计要求本设计制作一个基于ARM的锅炉检测系统，能检测锅炉的各项参数信息，并能实时显示锅炉的各项参数及运行状态，并能对相关数据进行存储等功能。锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、省煤器、构架和炉墙等主要部件构成锅炉的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，喷入火室燃烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉，又称流化床炉；利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。锅筒是自然循环和多次强制循环锅炉中，接受省煤器来的给水、联接循环回路，加热后并向过热器输送的圆筒形容器,主要功能是储水。本系统采用的锅炉型号是DZW0.35，其基本参数如表1.1所示：表1.1DZW0.35参数名称单位参数额定供热量MW0.35工作压力MPa0.7供水温度℃95回水温度℃70锅炉运输最大运输尺寸(长×宽×高)m3.84×2.08×2.6锅炉安装外形尺寸(长×宽×高)m3.84×2.08×2.6系统实现功能：（1）能检测锅炉给水和回水的温度和锅炉内部压力；温度分辨率为0.5度，压力分辨率为0.001MPa；（2）显示功能：显示时间、锅炉给水和回水的温度、内部压力等信息；（3）能现场设定系统时间、锅炉给水和回水温度、压力的上/下限报警值功能；（4）存储功能：能存储系统运行进程中，锅炉的运行状态信息；（5）报警功能：当锅炉工作状态不正常时，能发出声光报警。南华大学电气学院毕业设计第4页共43页1.2系统总体方案设计根据题目要求，此系统的总体设计框图如图1.1所示。图1.1总体设计方框图本系统主要如下基本模块组成：控制器模块、温度检测模块、压力检测模块、报警模块、显示模块和数据存储模块。温度检测模块对锅炉的给水和回水温度进行检测；压力检测模块对锅炉内部压力进行检测；报警模块，当锅炉的温度、压力超出设定的范围时，发出声光报警信号；显示模块主要用于显示系统时间、锅炉运行状态、温度、压力等信息；控制器模块对锅炉的给水和回水温度、内部压力进行检测及处理，控制液晶显示器显示相关数据及控制声光报警等功能；输入模块采用4×4矩阵式键盘能现场设定锅炉给水和回水温度、内部压力的上/下限值及修改系统时间等功能。1.3基本模块方案选择与论证1.3.1处理器的选择与论证方案一：采用ATMEL公司的AT89S52单片机作为系统的控制器。AT89S52有40个引脚、32个独立的I/O口、二个外部中断、三个定时/计数器、看门狗功能。单片机的算术运算功能强、软件编程灵活、可用软件较简单地实现各种算法和逻辑控制，并且由于其成本低、体积小、技术成熟和功耗小等优点，被广泛使用。且技术比较成熟，开发过程中可以利用的资源和工具丰富。但采用ATMEL公司的AT89S52单片机，运行速度相对来说比较慢，限制了对锅炉相关参数检测的速度，不能及时地反应锅炉的运行状态，此外采用单片机还需要外接A/D南华大学电气学院毕业设计第5页共43页转换芯片对温度、压力传感器输出的模拟信号进行转换，增加了系统硬件设计的难度。方案二：采用32位ARM9处理器S3C2410。S3C2410采用了ARM920T的内核，0.13um的CMOS标准宏单元和存储器单元。其低功耗，简单，优雅，且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感型的应用。它采用了新的总线架构AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture(AMBA)。S3C2410的杰出的特点是其核心处理器(CPU)，是一个由AdvancedRISCMachines有限公司设计的16/32位ARM920T的RISC处理器。ARM920T实现了MMU，AMBABUS和Harvard高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache。每个都是由具有8字长的行组成。通过提供一套完整的通用系统外设，S3C2410减少整体系统成本和无需配置额外的组件。S3C2410采用1.2V内核供电，1.8V/2.5V/3.3V存储器供电，3.3V外部I/O口供电，具备16KB的I-Cache和16KBDCache/MMU微处理器，内部集成LCD控制器（最大支持4K色STN和256K色TFT）提供1通道LCD专用DMA；4通道DMA并有外部请求引脚；3通道UART(IrDA1.0,64字节TxFIFO和64字节RxFIFO)；4通道PWM定时器和1通道内部定时器/看门狗定时器；8通道10比特ADC和触摸屏接口，具有日历功能的RTC；130个通用I/O口和24通道外部中断源；具有普通，慢速，空闲和掉电四种工作模式；具有PLL片上时钟发生器。基于题目要求和上述分析，此系统采用ARM9微处理器S3C2410。1.3.2显示屏的选择与论证LCD为英文LiquidCrystalDisplay的缩写，即液晶显示器，是一种数字显示技术，可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图象。液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。随着科技的发展，液晶显示模块的应用前景将更加广阔。方案一：采用液晶显示器RT12864M。采用汉字图形点阵液晶显示器RT12864M显示方案，RT12864M汉字图形点阵液晶显示模块，可显示黑白汉字及图形。一次能同时显示32个汉字或64个字南华大学电气学院毕业设计第6页共43页符，供电电源为3.3V~+5V(内置升压电路，无需负压)，能采用并行和串行两种通信方式。并有光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等功能。方案二：采用NEC3.5寸真彩色显示屏。NEC3.5寸真彩色显示屏NL2432HC22-40A，不但可通过增加背光数量以及穿透荧屏反射来增强亮度，而且这种半反射式技术提供的亮度将超越其他任何类似的液晶面板，在户内外明亮条件下也可显示“清晰生动”的色彩。NL2432HC22-40A液晶显示屏被用于PDA或便携GPS终端等手持设备。亮度可达到220cdpm2，比目前市面上的“半穿透”式液晶屏提高130%。新型液晶面板拥有150：1的对比率，15%的反射率标准也两倍于现在手持设备所使用的液晶面板。另外NEC采用了其称之为“超级反射自然光线TFT”技术将提供高于现存3.5英寸液晶面板10%的亮度，而且还增加了DC电源变流器和时间控制器，以减少设备成本。由于S3C2410控制器自带液晶驱动模块，因此本系统采用NEC3.5寸液晶显示器方案。1.3.3温度传感器的选择与论证根据系统要求，锅炉给水和回水温度的额定工作温度分别为95℃和70℃，根据仪表使用要求，仪表测量的上限值要比测量值高出1/3左右，因此测量给水温度的传感器测量上限值需大于140℃，测量回水温度的传感器测量上限值需大于105℃。此外，本系统是测量液体水的温度，所以选择温度检测传感器时还要考虑其是否具有防水性。图1.1DS18B20外观图表1.2DS18B20引脚功能序号符号功能1GND地2DQ数据输入/输出脚。对于单线操作：漏极开路3VDD电源南华大学电气学院毕业设计第7页共43页方案一：采用防水型温度传感器DS18B20。防水型温度传感器DS18B20采用3脚PR35封装，其外观图及引脚功能分别如图1.2、表1.2所示。DS18B20有独特的单线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯，使用中不需要任何外围元件。可用数据线供电，电压范围：3.0—5.5V。测温范围：-55—125℃。固有测温分辨率为0.5℃。通过编程可实现9—12位的数字读数方式。用户可自设定非易失性的报警上下限值。此外DS18B20还有负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作，其内部结构框图如图1.3所示。图1.3DS18B20内部结构框图DS1820有三个主要数字部件：1、64位激光ROM，用于存储检测的温度值及相关命令；2、温度传感器，芯片的核心部件，用于检测温度，其工作原理如图1.4所示；3、非易失性温度报警触发器TH和TL，当温度超过此范围，能提示报警，TH和TL的值可通过命令设置。DS18B20测温原理：用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于-55℃的一个值。如果计数器在门周期结束前到达0，则温度寄存器（同样被预置到-55℃）的值增加，表明所测温度大于-55℃。同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到0，如果门周期仍未结VCCCDQD0VCC温度传感器上限触发TH下限触发TH存储器和控制信息量暂存器8位CRC产生器具64位ROM和单线端口南华大学电气学院毕业设计第8页共43页束，将重复这一过程。图1.4DS18B20测量工作原理图斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期在测温时获得比较高的分辨率。这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的值来实现的。因此，要想获得所需的分辨率，必须同时知道在给定温度下计数器的值和每一度的计数值。DS1820内部对此计算的结果可提供0.5℃的分辨率。温度以16bit带符号位扩展的二进制补码形式读出