基于单片机的高压静电除尘器的设计

河北工程大学科信学院1科信学院《单片机原理与应用》课程论文课程论文题目高压静电除尘控制系统设计—硬件院系名称专业（班级）电气工程及其自动化姓名（学号）指导教师2015年5月25日河北工程大学科信学院2一．绪论1.引言空气净化器具有滤去尘埃、消除异味及有害气体、双重灭菌、释放负离子等功能。它通过电机使室内空气循环流动，被污染的空气通过机内的空气过滤器后将各种污染物清除或吸附，然后经过装在出风口的负离子发生器，将空气不断电离，产生大量负离子，被微风送出，形成负离子气流，达到清洁、净化空气的目的。目前，国内外空气净化器产品普遍采用的净化技术主要有：紫外线净化、光触媒净化、等离子体净化、过滤净化（HEPA）、静电集尘、吸附净化、负离子净化、臭氧净化、分子络合、HIMOP快速净化等方法。2.设计任务与要求高压静电除尘是根据静电荷的异性相吸、同性相斥的原理，利用静电力将空气中带电粉尘吸附沉降下来，以达到除尘的目的。通过该原理设计一款空气净化机从而取代物理除尘和臭氧除尘。二．原理1.高压静电除尘的原理高压静电除尘是根据静电荷的异性相吸、同性相斥的原理，利用静电力将空气中带电粉尘吸附沉降下来，以达到除尘的目的。含有粉尘颗粒的气体，在接有高压直流电源的阴极线(又称电晕极)和接地的阳极板之问所形成的高压电场通过时，由于阴极发生电晕放电、气体被电离，此时，带负电的气体离子，在电场力的作用下，向阳极板运动，在运动中与粉尘颗粒相碰，则使尘粒荷以负电，荷电后的尘粒在电场力的作用下，亦向阳极运动，到达阳极后，放出所带的电子，尘粒则沉积于阳极板上，从而得到净化的气体。该技术只对颗粒物等大粒子气体有效果，主要用于除尘。河北工程大学科信学院3图1-1静电除尘器的工作原理图三．硬件设计1.温度控制系统的硬件设计2.信号采集电路的设计如图3-2所示是设计中热敏电阻测量原理电路，由电源、电阻电桥、运放和输出四部分组成。电源部分包括R4、R6、C1、U1B。R4、R6为分压电路，C1主要滤除Vcc中的纹波，U1B为LM324运算放大器，工作于电压更随方式，其特点是输入阻抗高、输出阻抗低，为后级电桥提供稳定的电流。电桥由R1、R2、R3、R13组成，当外界温度发生变化时，通过调节R13使电路产生补偿电压，属于电位补偿。运放电路由R7、R8、R9、R10及U1A组成，这是一种灵敏度较高的电桥放大电路，放大倍数由R9/R8得到。输出电阻由R4、R12、R14、D1组成，调节R14可以调整输出电压幅度。D1主要用于防止输出负电压，保护后级A/D电路。显示器键盘时钟电路复位电路电源AT89S51单片机A/D转换器放大电路外部控制电路传感器采集信号图3-1主电路图框图河北工程大学科信学院4图3-2信号采集电路3.复位电路如何进行复位呢？只要在单片机的RST引脚上加上高电平，就可以了，复位时间不少于5ms。为了达到这个要求，需要在外部设计复位电路。复位电路的实现可以用多种方法，但是从功能上一般分为两种：一种是电源复位，即外部的复位电路在系统通上电源之后直接使单片机工作，单片机的起停通过电源控制;另一种方法是在复位电路中设计按键开关，通过按键开关触发复位电平控制单片机的复位。从原理上说，一般采用高电复位电路。这种复位电路的工作原理是：通电时，电容两端相当于短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降，降到一定程序，即为低电平，单片机开始正常工作。图3-3单片机的复位电路4.显示与键盘电路的设计（1）显示选用的是共阴极七段码LED数码管显示。河北工程大学科信学院5abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdp00DS1....图3-4共阴极七段码LED数码管芯片引脚在该设计中采用的LED数码管用的是共阴极接法，其中LED的1～8号引脚分别接芯片74LS164的A～H引脚，用LED数码管实现数字显示。图3-5单片机的显示和键盘连接图（2）用AT89S51单片机芯片串行口的方式0的输出方式，在串行口外接移位寄存器74LS164，构成键盘和显示器接口，其硬件接口如图3-5（图中只画出三位LED静态显示和16个按键，根据需要可以扩展）。采用静态显示，软件设计比较简单，节约CPU的资源。5.单片机的选择1．AT89S5单片机芯片引脚功能说明（1）主电源引脚Vss和Vcc河北工程大学科信学院6①Vss接地。②Vcc正常操作时为+5伏电源。图3-6AT89S51芯片引脚图（2）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/PROG和EA/Vpp。①RST/VPD当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位。在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。②ALE/PROG正常操作时ALE的功能是（允许地址锁存）提供并把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE引脚以不变的频率（振荡器的频率）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲，ALE端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（功能）。③外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间，在每个机器周期内两次有效。同样可以驱动八LSTTL输入。④EA/Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当EA/Vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当EA/Vpp为低电平时，则访问外部程序存储器。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加EPROM编程电源12V（Vpp）。6.A/D转换电路设计（1）A/D转换器芯片ADC0809简介。8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右。ADC0809的引脚图如图3-7所示。河北工程大学科信学院7图3-7ADC0809引脚图图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成表3-1通道选择表CBA被选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。河北工程大学科信学院8（2）.信号引脚ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图3-9所示。对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：IN7～IN0—模拟量输入通道。ALE—地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START—转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。本信号有时简写为ST。ADDBADDCADDAVCCGNDIN0IN4IN2IN6IN1IN7IN3IN5ALE8位模拟开关地址锁存与译码EOCOEA/D转换器DOD1D2D3D4D7D6D5三态输出锁存缓冲器图3-8ADC0809内部逻辑结构CLKSCTAR河北工程大学科信学院9图3-9ADC0809引脚图A、B、C—地址线。通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。其地址状态与通道对应关系见表3-1。CLK—时钟信号。DC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号。EOC—转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。D7～D0—数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高。OE—输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。Vcc—电源。Vref—参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V,Vref(-)=-5V)。（3）、AT89S51单片机与ADC0809的接口电路连接主要涉及两个问题。一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。如图3-11所示模拟通道选择信号A、B、C分别接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而地址锁存允许信号ALE由P2.0控制，则8路模拟通道的地址为0FEF8H～0FEFFH.此外，通道地址选择以作写选通信号，这一部分电路连接如图3-12所示。河北工程大学科信学院10从图中可以看到，把ALE信号与START信号接在一起了，这样连接使得在信号的前沿写入（锁存）通道地址，紧接着在其后沿就启动转换。启动A/D转换只需要一条MOVX指令。在此之前，要将P2.0清零并将最低三位与所选择的通道好像对应的口地址送入数据指针DPTR中。例如要选择IN0通道时，可采用如下两条指令，即可启动A/D转换：MOVDPTR,#FE00H；送入0809的口地址MOVX@DPTR,A；启动A/D转换（IN0）注意：此处的A与A/D转换无关，可为任意值。ALEAT89S51INTWRP2.0RD&≥A0～A7IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7IN0CLKABCD0︱D7EOCADC0809STALEOE74LS373图3-10ADC0809与AT89S51的连接河北工程大学科信学院117.控制电路及控制方法3-7-1设计中所选择的控制电机转速的方法在设计中使用的是调节电机的转速来控制燃料的进给量，从而控制燃料产生的烟尘的温度，使得静电除尘器所在环境的温度达到控制，从而可以使静电除尘器在合适的温度下工作，也提高了工作的效率。在设计中使用的电机转速调节的方法为转子电路串电阻调速法。设计中的控制方法使用的是PID控制方法。3-7-2电机的调速方法（1）普通三相鼠笼式。这种电机只能通过变频器改变电源频率和电压调速（F/U)。（2）三相绕线式电机，可以通过改变串接在转子线圈上的电阻改变电机的机械特性达到调速的目的。这种方式常用在吊车上。长时间工作大功率的绕线式电机调速不用电阻串接，因为电阻会消耗大量的电能。通常是串可控硅，通过控制可控硅的导通角控制电流。相当于改变回路中的电阻ALESTARTA/D启动地址锁存寄存器清“0”图3-12信号的时间配合A0A1A2P2.0&ABCALESTART图3-11ADC0809的驱动河北工程大学科信学院12达到同上效果。转子的电能经可控硅组整流后，再逆变送回电网。这种方式称为串级调速。配上好的调速控制柜，据说可以和直流电机调速相比美。（3）多极电机。这种电机有一组或多组绕组。通过改变接在接线合中的绕组引线接法，改变电机极数调速。最常见的4/2极电机用（角/双Y)接。（4）三相整流子电机。这是一种很老式的调速电机，现在很用了。这种电机结构复杂，它的转子和直流电机转子差不多，也有换向器，和电刷。通过机械机构改变电刷相对位置，改变转子组绕组的电动势改变电流而调速。这种电机用的是三相流电，但是，严格上来说，其实它是直流机。原理是有点象串砺直流机。图3-13电机的调速电路（5）滑差调速器。这种方式其实不是改变电机转速。而是改变和是电机轴相连的滑差离合器的离合度，改变离合器输出轴的转速来调速的。还有如，硅油离合器，磁粉离合器，等等，一此离合机械装置和三相电机配套，用来调速的方式。严格上来说不算是三相电机的调还方式。但是很多教材常常把它们算作调速方式和一种。四．软件系统的设计1.设计思想软件采用模块化结构。软件主要完成如下任务：扫描键盘并按要求调出设定值或输入新的设定值，并判断是否启动，启动时控制电机的电阻的开关处于闭合状态，然后监视温度的变化，当温度超出设定温