基于单片机的电除尘控制系统的设计毕业论文.doc
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1、基于单片机的电除尘控制系统的设计毕业论文目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1概述11.2电除尘技术的发展情况21.2.1国外电除尘发展状况21.2.2国内电除尘发展状况31.3主要设计内容31.3.1设计目标31.3.2硬件部分设计41.3.3软件部分设计4第2章电除尘控制系统的设计52.1总体设计方案52.2高压部分52.3低压控制部分6第3章电除尘控制系统硬件设计73.1硬件总体设计73.2单片机的选型83.3启停控制电路设计93.4数据采集电路设计103.4.1一次电流采集电路设计133.4.2一次电压采集电路设计133.4.3二次电流采集电路设计143.4.4二次电压采集电
2、路设计143.5过零检测电路设计153.6可控硅触发电路设计163.7火花检测电路设计173.8过流保护电路设计183.9振打控制电路19第4章系统软件设计214.1软件总体设计214.2模拟量采集设计224.3过零中断及输出脉冲设计244.4火花跟踪控制设计254.5启停控制设计274.6振打控制设计28结论30致谢31参考文献32附录134附录237附录341第1章 绪论1.1概述随着工业化、城市化进程的快速发展,我国将面临各种环境问题的严重挑战,大自然和人类生存的环境受到越来越多的破坏。为了进一步提高人民的生活水平及生活质量,国家实施了可持续发展的战略目标,提高了环境排放标准的要求,加大
3、了环境保护的力度。因此,保护环境日益重要,防止大气污染便是其中一个重要方面1。为了减少工业生产中粉尘的排放量,保护大气环境,人们采用各种除尘装置来控制污染源排放的颗粒物对大气的污染。根据除尘机理不同,除尘器分为利用颗粒自身重力除尘的各种沉降室、各种旋风除尘器,利用水来除尘的各种湿式除尘器。利用各种过滤材料来除尘的过滤式除尘器,其中用的最多的就是利用高压静电场力来除尘的各种高压静电除尘器2。电除尘器是美国工程师E.G科特雷尔在1906年研制成功的,是一种利用电场力使气溶胶粒子从气体中分离出来的除尘装置。静电除尘器是利用直流高压源产生的强电场是气体电离,产生电晕放电,进而使悬浮尘粒荷电,并在电场力
4、的作用下,将悬浮尘粒从气体中分离出来并加以不及的除尘装置。因此,除尘过程可以概括为以下四个阶段:气体的电离、粉尘的荷电、荷电粉尘的沉集、清灰3。作为大气污染治理的主要设备之一,电除尘器设备发挥着举足轻重的作用,它已广泛应用于电力、建材、冶金、化工、轻工、电子等行业4。它将工业窑炉产生的烟尘、烟气加以吸收净化使之不能直接经过烟囱排入天空,达到净化蓝天、控制大气污染的目的。以电力行业的燃煤锅炉机组为例,一般每台锅炉机组需要配备一至两台电除尘器,每台电除尘器由机械本体和电气控制两种设备组成5。当前,我国的经济建设高速发展,人民的生活水平不断提高,社会对环境保护的要求也越来越高,作为控制固定污染源中颗
5、粒物对大气污染的主要设备-除尘设备面临巨大的发展机遇。1.2电除尘技术的发展情况1.2.1国外电除尘发展状况从20世纪初叶开始,西欧各个工业发达国家相继开展电除尘技术的研究工作。特别是第二次世界大战以后,一些发达的资本主义国家,在发展工业的同时,出现了大气污染的环境问题。国外五、六十年代频频发生的“公害事件”以及方兴未艾的环境运动,直接推动了发达国家除尘设别的发展。在几十年间,经历了“先污染,后治理”,从公害防治到“改善以人为中心的环境质量”,从生产、生活环境到全球环境,最后到“可持续发展”战略的提出和实施等发展阶段,迅速发展而形成一个新兴行业。在这种背景下,电除尘器以其独特的优越性而兴盛起来
6、。发达国家的除尘设备行业以雄厚的经济实力为基础,以环境立法为动力,以先进的科学技术和制造工业为依托,在剧烈的国家市场竞争的刺激下,政府和大型企业共同参与,以技术起点高、发展速度快为特点,构成了一个基础庞大、门类齐全、品种繁杂的环保产业体系。目前世界环保产业市场基本为发达国家所占领19。近十年来国外致力于改进原有产品设计和结构、以扩大应用范围,提高净化效率,并应用最新的科技成果,特别是新科技电子技术,开发新一代的高效节能的除尘设备。由于对环境要求的提高,对有害气体如SO2、NO等也要求控制。在国外发展较快的一种形式是在喷雾吸收有害气体的同时,用电除尘器或袋式除尘器回收其中的固体颗粒,这样除尘设备
7、成为气体净化系统中的重要组成之一。为了降低粉尘比电阻,国外很早就已经采用了在烟气中加入调质剂的技术,例如在干法水泥窑的烟气中广泛采用高压喷雾增湿6。近年来,意大利、日本以及我国的许多单位,都在开展用脉冲供电的电除尘器来同时清除烟气中的SO2,并取得了较好的效果。由于各国排放标准日趋提高,特别是对微粒控制的要求越来越严,致使高效除尘设备得到特别迅速的发展,同时也促进了高效除尘器的研究和开发,其中最为突出的是电除尘器和袋式除尘器7。1.2.2国内电除尘发展状况我国属于一个发展中国家,由于环境科学和机械工业相结合的除尘装备既有新兴产业发展较快的特点,又有工业技术薄弱、工业体系尚不完善的问题8。194
8、9年以前,我国工业落后,因此,全国只有屈指可数的几台电除尘器,其性能差,结构陈旧。到了20世纪70年代中期,我国电除尘器的试验研究工作纵深发展,在常规电除尘器方面,除对极板和板线的形式进行研究外,还对电除尘器的气流分布,清灰振打强度,粉尘比电阻的测试方法以及用喷雾增湿方法对烟气进行调质等方面,进行了大量的试验研究,这些试验对保证电除尘器的正常运行和提高电除尘器的性能都起到了积极的作用。有的研究成果已赶上了世界先进水平9。从20世纪80年代开始,随着我国工业生产的飞速发展和对环境保护要求的日益严格,我国电除尘产业得到了迅猛的发展,在我国出现了几十家电除尘器本体和供电电源专业工厂,一大批专业技术骨
9、干转行从事电除尘器的科研,教学,设计,制造,安装和调试工作,涌现出大量研究成果,使我国的电除尘技术水平得到迅速提高10。进入90年代,我国电除尘器本体技术水平基本上接近或者部分达到了国际先进水平。我国的电除尘设备经过六、七十年代的初创、八十年代的高速发展及九十年代的稳步提高,已成为新的经济增长点,电除尘器、袋式除尘器等产品水平接近国际先进水平,锅炉烟气除尘器和工业粉尘除尘设备已可立足国内市场,并由部分产品打入国际市场,出口额逐年增长。总之,如今电除尘器在我国的环保产业中,已经成为技术力量较为雄厚,装备水平较高,开发能力很强的行业之一。国产电除尘器本体和供电控制技术已达到世界水平。中国已成为世界
10、上电除尘大国,并在跻身世界电除尘强国之林。1.3主要设计内容1.3.1设计目标设计一个由单片机为主控制器的电除尘控制系统,可以实时检测电路的状态、电压和电流数据,按照一定规则去触发控制电路,以实现电除尘功能,系统要符合准确、稳定、安全的控制要求。1.3.2硬件部分设计电除尘控制系统应该包括机械和电气两部分,在本体安装正常的情况下,除尘器的运行和除尘效率主要是由电气设备来控制检测。电气设备主要由高压部分和低压控制部分组成,而本设计题目是基于单片机的电除尘控制系统,因此,本设计中主要侧重于电除尘控制系统的控制部分。本文设计该控制系统主要是以8051单片机为核心,实时检测电路的状态,对数据采集电路、
11、可控硅触发脉冲电路、火花检测电路、过流检测电路、过零检测电路、振打控制电路等外围电路的进行硬件设计。1.3.3软件部分设计系统软件设计的主要任务是完成电压、电流的数据采集以及火花的判断,检测按键,当电压和电流超限时发出报警。CPU监控程序包括:数据采集、过零检测、可控硅驱动控制、启停控制程序。CPU主循环程序中,主要包括: A/D采样处理程序、振打控制程序。第2章 电除尘控制系统的设计2.1总体设计方案电除尘控制系统主要由除尘器的本体(机械)和电气两部分组成。本设计总体包括:电除尘控制系统的控制器外围电路硬件部分和软件部分的设计。系统结构框图如图1-1所示。图1-1 系统结构框图除尘器本体:电
12、除尘控制系统的本体部分。主要完成烟气的除尘工作,也是电除尘控制系统的控制对象,被安装在烟气经过的烟囱里。高压控制部分:包括高压升压、整流部分,经高压部分整流后的直流电压加到除尘器本体的两极上进而实现将气体电离、粉尘荷电等除尘工作。控制部分:实时检测电路状态,对数据采集电路、过零检测电路、可控硅触发脉冲电路、火花检测电路、过流检测电路、振打控制电路等外围电路的进行了硬件设计。控制器:控制除尘器运行的高低压设备,是电除尘控制系统的关键部分,其性能的优劣,直接影响到除尘的效率。本控制器采用了单片机进行全时域控制,并设计了比较先进的外围电路对电除尘控制系统进行检测和控制。2.2高压部分高压主回路工作原
13、理:单相交流380V的电压经过升压、整流产生数万伏的直流高压,加到电场,使烟气通过电场时荷电。荷电的粉尘在电场的作用下被吸附到电极,通过振打装置,粉尘跌落到集尘设备,从而净化燃煤烟气11。静电除尘器的高压电源由升压变压器经高压整流器整流后供给。早期的静电除尘器都用机械整流,目前已为硅整流所取代。硅整流元件具有体积小、重量轻、寿命长、耐震、省电等优点,可以和变压器铁芯一起浸在一个油箱内,使高压设备集中。整流变压器的一次侧绕组通常设3到5个抽头,可设整流器输出不同的电压,以适应不同使用条件的需求。一般在变压器的二次侧由若干绕组,分别接至若干组桥式高压整流器上。每个桥路由四只高压硅堆组成,将桥路的直
14、流输出端串联得到高压直流电压。高压直流的负极经阻尼电阻后用高压电缆送到除尘器上。阻尼电阻可缓冲顺势火花放电的电流,并起到一直高频分量的作用3。一次电流值由互感器提取,加到控制器作为一次参数取样。一次电压值,从高压变压器的输入端提取,并经变压器耦合,作为一次电压取样。二次电流值为整流器高压侧的取样电阻提取。二次电压值由整流器高压侧分压电阻分压提取,送至控制器。2.3低压控制部分低压控制原理:燃煤烟气通过高压电场时,烟气中的粉尘因电离而荷电,荷电的粉尘被吸附到极板,通过振打极板使粉尘跌落到集尘装置,经运输装置清运,达到净化烟气的目的,低压控制的功能就是控制电机,振打极板。由于烟气是顺序通过几个电场
15、,各电场的粉尘扑集量不同,各电场阳极振打装置应设不同的振打时间和周期,从而避免粉尘二次飞扬或反电晕现象出现。由于阴极线不起扑集粉尘的作用,且集灰量小。为了达到理想效果,对每一个振打电机的振打时间都需要实地测试,测定一个最佳振打时间12。低压控制部分采用自动控制模式,在自动方式下,控制系统通过检测高压主回路电流、电压参数值,再结合火花跟踪控制等方法,控制触发脉冲的输出,以调节可控硅的导通角,达到对除尘器电极间电压的调节,从而实现闭环控制。第3章 电除尘控制系统硬件设计3.1硬件总体设计本电除尘控制系统硬件部分采用8051单片机,配以其他电路共同开发而成。电除尘控制系统硬件功能框图如图3-1所示。
16、图3-1电除尘控制系统硬件功能框图采样电路: 对需要采集模拟量进行放大、保持等调理后送入 A/D转换,将模拟量进行采集转换成数字量,送入单片机。过零检测电路:从工频交流信号(50Hz)提取正弦波的正负过零点,经运放组成的比较电路消去正弦波的负半波,最后经光耦隔离后送入单片机。产生的中断脉冲,每 10ms触发一次用于同步可控硅导通控制脉冲的相位。可控硅触发电路:从单片机输出两个矩形波信号,相隔 10ms,分别控制交流波的正半波和负半波,产生可控硅触发脉冲,由脉冲变压器放大后控制可控硅的导通。火花检测电路:要想提高电除尘的除尘效率,电除尘应该工作在最佳火花率下,以得到最大的收尘功率。振打控制电路:
17、静电除尘的金属极板上的烟尘,需用振打电机定时进行振打,将灰尘打落,收集在箱内运走。振打电机转动的时间就是振打时间,设计为l12s,而停转时间为112min。3.2单片机的选型8051是美国Intel公司的8位高档单片机,8051单片机内部包含了作为微型计算机所必需的基本功能部件,各功能部件相互独立地集成在同一块芯片上。8051引脚如图3-2所示。图3-2 8051单片机本系统设计中所涉及到的单片机管脚介绍:主电源引脚VCC和VSS: VCC(40脚):接+5V电压; VSS(20脚):接地。 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2:XTAL1(19脚)接外部晶体的一个引脚。在单片机内部,它是一个反
18、相放大器的输入端,这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时,对HMOS单片机,此引脚应接地;对CHMOS单片机,此引脚作为驱动端。 XTAL2(18脚)接外晶体的另一端。在单片机内部,接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时,对HMOS单片机,该引脚接外部振荡器的信号,即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端;对XHMOS,此引脚应悬浮。 输入/输出(I/O)引脚P0、P1、P2、P3(共32根) 1.P0口(32脚至39脚):是双向8位三态I/O口,在外接存储器时,与地址总线的低8位及数据总线复用,能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。 2.P1口(1脚至
19、8脚):是准双向8位I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态,输入也不能锁存,故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动(吸收或输出电流)4个LS型的TTL负载。 3.P2口(21脚至28脚):是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时,它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间,它接收高8位地址。P2可以驱动(吸收或输出电流)4个LS型的TTL负载。 4. P3口(10脚至17脚):是准双向8位I/O口,在MCS-51中,这8个引脚还用于专门功能,是复用双功能口。P3能驱动(吸收或输出电流)4个LS型的TTL负载13。P3口各位第二功能如表3-1所示。表3-1
20、P3口各位的第二功能P3口的位第二功能注释P3.0串行数据接受口P3.1串行数据发送口P3.2外中断0输入P3.3外中断1输入P3.4计数器0计数输入P3.5计数器1计数输入P3.6外部RAM写选通信号P3.7外部RAM读选通信号3.3启停控制电路设计本控制器有启动和停止两个状态,启停两种状态由接在单片机P2.0管脚上的按键统一控制。按键按下控制启动,即接通电源,允许高压输出,按键按起表示控制停止,即断开电源,停止高压输出。8051所接按键是独立式按键,按键对应I/O口的一位,没有按键闭合时,处于高电平,当有键按下时,就使该位接地为低电平 18。这样,当CPU检测到P2.0为“0”,便可辨别出
21、按键按下,此时,单片机的P2.7口发出低电平,控制光耦的导通,通过三极管的电流放大,控制固态继电器吸合,使系统设备得到启动控制信号;当检测到P2.0为“1”时,P2.7口发出高电平,光耦截止,使系统设备得到停止控制信号。控制电除尘控制器工作的启动和停止。启停控制电路如图3-3所示。图3-3启停控制电路图3.4数据采集电路设计电除尘器是一个控制实时性比较强的设备,其一次电压、一次电流、二次电压、二次电流以及其他模拟信号是整个控制的关键所在,对这些信号的采集必须做到失真小、灵敏度高和实时性。电除尘器的电场阻抗随不同工况、不同规格和不同使用年限而异,要求高压整流设备在运行时不能超过其容量。也就是说一
22、次电压、一次电流、二次电压、二次电流都不能超过极限值,否则就会烧坏升压变压器14。为了实现极限值控制和提高除尘效率,首先,必须检测这几个值运行时的实际值。需要检测的模拟量有一次电压V1,一次电流I1,二次电压V2、二次电流I2的平均值及二次电流的峰值,分别进行调理,送入A/D转换器,进行数据采集。四路模拟量值通常都较大,在接入调理电路前需经现场取样,电流取样采样互感器,电压取样采用电阻分压,取样比例试现场情况而定。数据采集是采集一次电流、电压,二次电压的平均值和峰值。一次参数的设置:额流:285 A,限流:185 A,额压:380 V,限压:260 V。二次参数的设置:额流:1000 mA,限
23、流:185mA,额压:72 KV,限压:30 KV。单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 分别与EOC、时钟、地址、数据输出端分别相连,不需要选片,因此片选信号接地,REF-直接接地。本控制系统中,A/D除了要完成对现场采集来的四路模拟量进行A/D转换之外,还要将CD4051中OUT输出的模拟量转换成数字量送到单片机中。CD4051中的OUT脚与A/D的A4引脚相连。数据采集核心电路图如图3-4所示。图3-4 数据采集核心电路图模数转换器TLC1543介绍TLC1543 是由 TI公司开发的开关电容式 A/D转换器,10 位精度、11 通道、三种内建的自测模式,提供 EOC,单片机的
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