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1、四川理工学院毕业设计（论文）锅炉烟气含量实时监测系统的数据采集与传输学 生：张 涛学 号：06021050126专 业：电子信息科学与技术班 级：2006.1指导教师：姚娅川四川理工学院自动化与电子信息学院二O一O年六月张涛：锅炉烟气含量实时监测系统的数据采集与传输摘 要工业锅炉燃烧中会产生大量的烟气。这些烟气会直接或经过处理后排放到大气中，排放烟气中各种成分的含量不仅会影响大气环境，也直接关系到锅炉的工作情况。本文针对燃气锅炉烟气含量的现代数字监测系统进行分析研究，重点研究其中的数据采集与传输系统。系统采用单片机技术进行现场模拟电压采样处理并进行数据传输，将外部采进来的模拟信号转换成数字信号
2、，在单片机中运算处理，对锅炉进行监测报警与控制。本次设计的监测系统主要采用气体传感器、 MCS5-1单片机、DA转换电路等器件构成，是集数采集、信息传输、实时控制等功能于一体的锅炉监控系统。该系统具有结构紧凑、工作稳定可靠、使用灵活方便、可扩展性强等特点，具有较大的推广使用价值。关键词：锅炉，数据采集，单片机AbstractSince the smoke made by the boiler while it working will affect its work efficiency and the environment, so the monitoring and controllin
3、g for the boiler are very important.This thesis are a study on this issue. It mainly design a morden digital data acquisition and sending system. The thesis has designed a date acquisition and sending system, based on MCS-51 microcontrollers、DA converter、AD converter, etc. The system is a combinatio
4、n with date acquisition、date sending、real time control. This system works steady,easy to use andconvenient, high reliability, can be popularized.Keywords: boiler, data acquisition, singlechip microcontrollersII张涛：锅炉烟气含量实时监测系统的数据采集与传输目 录摘要IAbstractII目录- 1 -第一章前言- 1 -1.课题的研究背景- 1 -1.2数据采集技术- 1 -1.3数据采
5、集与传输概述及组成- 2 -1.4当前国内外数据采集系统的现状- 3 -1.5本课题研究的意义与研究内容- 4 -第二章整体方案设计- 6 -2.1 具体功能描述- 6 -2.2方案设计与论证- 6 -第三章单元电路分析与计算- 9 -3.1 A/D转换电路- 9 -3.2单片机核心- 12 -3.3单片机功能扩展- 16 -3.4 D/A转换电路- 17 -3.5复位电路与时钟电路- 20 -3.6 整体电路描述- 21 -第四章软件系统设计- 24 -4.1数据采集与控制的软件设计原理- 24 -4.2原理电路图- 25 -4.3系统软件流程- 25 -4.4 软件程序- 29 -结论-
6、58 -致谢辞- 59 -参考文献- 60 -附录- 61 - 59 -第一章 前言1.1课题的研究背景计算机技术在飞速发展，微机应用日益普及深入，微机在通信自动化、工业自动控制、电子测量、信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用。在冶金、化工、医学和电器性能测试等许多应用场合，需要同时对多通道快变的模拟信号进行采集、预处理、暂存和向上位机传送，再由上位机进行数据分析处理、自动报表生成、信号波形显示和输出打印等处理。随着大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器、存储器、输入输出等外围接口的性能不断提高，数据采集器不断向智能化、小型化发展，智能化仪器的研制已经成为当今研制的主要方向。模拟仪器存在输出
7、动态范围小，对大动态信号处理线性差，因而精度低，信号不可记录等缺点。在模拟电子技术领域，由于使用了包括模数转换器件在内的数字器件，因而在精度、简化电路结构、灵活、方便等方面取得很大的进步。模拟技术和数字技术混合运用以综合发挥两者的优势已是电子技术发展的必然趋势。而且微处理器由于价格越来越低，功能也不断增强，以数字化仪器为主的数据采集处理技术有越来越广泛应用于工业过程控制、实时观察工业生产的动态及趋势。传统获取现场数据的方法，效率低、误差大，难以输入计算机。而数据采集器是一种具有现场实时数据采集、处理功能的自动化设备，它一般具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输功能。它为
8、现场数据的真实性、有效性、实时性、可用性提供了保证，并能方便输入计算机，已广泛应用在工业、农业、商业、交通、物流、仓储等行业。1.2数据采集技术数据采集技术是一种流行且实用的电子技术。它广泛应用于信号检测、信号处理、仪器仪表等领域，近年来，随着数字化技术的不断发展，数据采集技术也呈现出速度更快、通道更多、数据量更大的发展趋势。数据采集是为了对温度、压力、流量、速度、位移、光强度、声音等物理量进行在线测量和控制，通过传感器把上述物理量转换成模拟物理量的电信号(模拟电信号)，然后将模拟电信号经过处理并转换成计算机能识别的数字量，送进计算机处理、存储、传输和显示。数据采集技术在自动测试、自动控制、通
9、信、信号处理等领域得到广泛的应用例如数据遥测系统、脉冲编码和调制通信、自动测试系统、数据采样控制系统、瞬态数据记录系统、视频信号处理系统等等。1.3数据采集与传输概述及组成数据采集器一般包括前向通道(数据采集部分)和后向接口(数据处理传输部分)两部分，前者包括信号的滤波、放大、采样、保持、转换部分，后者包括微机及接口部分。用于非电量测量的数据采集就是将来自各种传感器的大量信号实时准确的测量或汇集起来，送到微处理机进行实时处理，或记录存储起来，以供将来的分析之用。电信号测量中的数据采集信号范围大，这样就对数据采集器提出了如下要求:1.输入信号范围大；2.采集速度快;3.测量精度高;4.抗干扰自2
10、力强 ;5.信号通道一般较多。根据系统对AD转换通路个数、转换速度的要求以及信号源速率等情况，采集器通道的通道形式有所不同，有单通道和多通道以及低速与高速之分。在研究和生产的过程中，往往需要检测各个生产环节的温度、湿度、流量及压力等物理参数。同时对检测某一点的任意参数能进行随机查寻，将其在某一时间内检测到的数据经过转换提取出来，以列表或曲线的形式显示在界面上，以便进行比较，做出决策，调整控制方案，提高产品合格率，产生良好的经济效益。所以数据采集器就需要多个采集通道。基于单片机的多通道数据采集器基本构成形式如图所示:多路开关MUX传感器C P U传感器传感器放大器D/AA/D放大器传感器传感器传
11、感器图1-1系统功能组成图1.4当前国内外数据采集系统的现状数据采集系统是目前工业控制中应用较多的一类产品，数据采集器的研制在国外已经相当成熟，而且数据采集器的种类不断增多，性能越来越好，功能越来越强大。比如美国FLUKE公司的262XA系列数据采集器是一种小型、便携、操作简单、使用灵活的数据采集器。它既可单独使用又可和计算机连接使用。它具有多种测量功能，多种数据存储方式和多种控制方式。262XA共有21路模拟输入通道，可直接测量电压(交流直流至300V)、电流(利用分流器)、温度(9种热电偶，一种铂电阻)、频率和电阻等物理量，8路数字输入输出可用于数字信号的处理。另外4路用于报警输出。当某个
12、模拟通道的输入信号超过了设定报警限，在对应的I0输出一个低电平，每个模拟通道都可设置两个报警限。262XA系列有两种扫描速度：4通道秒(慢)，17通道秒(快)。仪器可使用90一264V交流电直接供电，也可使用916V直流供电；交直流电源还可同时使用，断电时可自动切换至直流；RS232接口为标准配置，可用于向计算机传输数据和控制；采集的数据可随时通过接口打印，也可将数据用RS232接口传至计算机。记录的数据包括：通道号、测量值、时间、报警状态、累加计数等；数据格式与Lotus、Excel相兼容。在国内，由于数据采集技术不断发展，市场上出现了各种新型的数据采集器。例如北京凯文斯系统集成有限责任公司
13、E16系列EPP并口宽动态范围的高精度数据采集器，数据通道可以达到16个(单端)，可编程增益为l、2、4、8倍，分辨率为16位，采样最高频率决定于微机的CPU及处理速度，一般为60-80I珏1z。北京测振仪器厂研制的HZ-9609数据采集器振动分析仪，它采用中文显示，直观醒目，操作简单方便；采用先进的微电脑技术，工作可靠；采用高性能电池，体积小，重量轻，便于现场使用，采用频谱分析技术和故障诊断技术，是进行数据采集，完成设备状态分析和故障诊断的得力助手；它可以与微机通讯，建立设备状态数据库，对连接设备进行更精细的状态分析；采用压电力日速度传感器，可测量振动信号的加速度，速度和位移，还可测量电压信
14、号和转速信号，采样频率为1Hz-10KHz。北京众人精密测控技术公司的产品是F-5000系列笔记本专用数据采集控制器，具有程控增益(1，2，4。8)，通道扩展，02的精度等特点，但分辨率不超过12位(市场价格为7000RMB)总之，经过对国内外现有数据采集产品的性能、价格、功能的了解，总结概况如下：(1)国外的数据采集器精度高、采样速度快、功能较全，价格昂贵。(2)体积较大，操作复杂，或者需配笔记本电脑。(3)采用LCD显示和键盘输入功能，带打印功能。(4)采样频率和采样精度两者不能很好的统一。(5)前端可编程增益控制范围较小(一般在16倍以下)。1.5本课题研究的意义与研究内容老式指针仪表控
15、制锅炉还大量存在，其中许多炉龄较长，采用老的指针式仪表控制，不仅不美观，控制效果和精度更不尽人意。从而导致这些锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染大、品质低下的生产状态。许多企业都希望改变这种现状。随着现代电子技术的迅速发展，一些新的高性能的电子芯片不断推出，为我们进行电子系统设计提供了更多的选择和更方便的条件。首先是单片机的出现。单片机具有体积小、功耗低、使用方便、处理精度高、性能价格比高等优点，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用。这些都使得越来越广泛的选用单片机作为数据采集系统的核心处理器。其次，高性能的AD转换芯片的出现，也为数据采集系统设计提供了更多的方便，无论是采样精度和采样速度都比以前有了较大的提高。其中一些知名的大公司如MAXIM公司、TI公司、ADI公司等推出了许多性能比较突出的AD转换芯片，这些芯片普遍具有低功耗、小尺寸的特点，数据精度可以达到14位。总之这些芯片的出现，不仅因为芯片本身的价格很便宜，在工程应用中，能够大大降低系统电路设计成本，而且还可以取代以前繁琐的设计方法，提高系统集成度。本课题研究的对象是采用51单片机、串行
