自动化毕业设计基于ARM的多功能锅炉监测系统-毕业论文.doc

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XXXX学院毕业设计

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。

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

MW

0.35

工作压力

MPa

0.7

供水温度

℃

95

回水温度

℃

70

锅炉运输最大运输尺寸（长×宽×高）

m

3.84×2.08×2.6

锅炉安装外形尺寸（长×宽×高）

m

3.84×2.08×2.6

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。

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

1

GND

地

2

DQ

数据输入/输出脚。

对于单线操作：

漏极开路

3

VDD

电源

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。



D0

VCC

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

DQ

VCCC

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，数据通过单线接口以串行方式传输。

DS1820测温范围-55℃~+125℃，以0.5℃递增。

此外，可用下述方法获得更高的分辨率。

首先，读取温度值，将0.5℃位（LSB）从读取的值中截去，这个值叫做TEMP_READ。

然后读取计数器中剩余的值，这个值是门周期结束后保留下来的值（COUNT_REMAIN）。

最后，我们用到在这个温度下每度的计数值（COUNT_PER_C），公式计算如下：

。

方案二：

采用Pt100温度传感器

Pt100温度传感器是一种以白金（Pt）制作成的电阻式温度检测器，它是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等，被广泛用于中温（-200℃～650℃）范围的温度测量中。

　Pt100测温原理就是运用欧姆定理：

，R—热电阻元件的阻值，I－通过该热电阻的电流，U―通过热电阻电流后产生的电压。

由于电流通过有阻值的热电阻后会产生热量的特性，为了避免热量产生的误差，I尽量不要大于1mA，如果I太大可能产生较大的误差。

常用的Pt电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将Pt100的两侧相等的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。

常用的采样电路有两种：

一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。

基于以上分析及题目要求，本系统回水温度检测采用DS18B20，给水温度检测采用Pt100温度传感器。

1.3.4压力传感器的选择与论证

根据题目要求，压力检测传感器的最小分辨率要小于0.001MPa，传感器的最大测量值要大于1.05MPa。

表1.3PPM202的参数

测量介质

液体、气体、蒸汽等与316L不锈钢、氧化铝陶瓷兼容的介质

压力类型

表压、绝压、负压可选

量程

0～20KPa

供电范围

12～36VDC

信号输出

0～5VDC

精度

±0.2FS、±0.5%FS；±1.0%FS（包括非线性、重复型、迟滞）

温度误差

≤±0.15%FS/10℃（-20～+70℃）；≤±0.2%FS/10℃（-20～-30℃）

稳定性误差

≤±0.5%FS/年

环境温度

-30～+70℃

工作介质温度

-40～+80℃

贮存温度

-40～+85℃

防护等级

IP65或IP68

接口及壳体

不锈钢1Cr18Ni9Ti

传感器膜片

96%氧化铝陶瓷、316不锈钢

密封件

氟橡胶

方案一：

采用PPM202型微压压力变送器，PPM202型微压压力传感器是专门针对微小压力测量领域的应用而开发的一种压力测量产品。

选用高性能进口传感器，采用一体化不锈钢全密封结构、体积小、抗过载能力强、稳定性高、耐腐蚀性好、性能可靠，适合需要对流体微小压力进行检测和控制的领域。

提供表压、绝压和负压三种形式，广泛应用于气象水文勘探石油、化工、电厂、矿山、城市供水和等行业，需要对现场微小压力进行检测和控制的领域。

其性能指示如表1.3所示。

　　方案二：

采用PPM211B2压力传感器。

PPM211B2用于各种腐蚀性较弱的液体、气体、蒸汽的压力测量。

其外观如图1.5所示。

图1.5PPM211B2外观图

表1.4PPM211B2性能指标

测量范围（高压）

-0.1～3.4MPa、0～2.0MPa、0～3.0MPa,最高20MPa

测量范围（低压）

-0.05～1.0MPa、0～1.0MPa、0～1.6MPa

允许压力过载

满量程的2倍

精度

0.5%FS1.0%FS（包括非线性、迟滞和重复性）

输出信号

两线4～20mA、三线0.5～4.5VDC（5VDC供电、）三线0～5VDC

电源电压

10～36VDC

工作温度范围

-40～125℃

补偿温度范围

-25～100℃

温度对零点的影响

±0.015%FS/℃

温度对满量程的影响

±0.025%FS/℃

绝缘

≥1000MΩ/100V

接触介质材料

17-4PH不锈钢膜片或陶瓷，1Cr18Ni9Ti不锈钢引压接头

外壳防护等级

IP65

湿度

95%RH

引压连接方式

7/16UNF或1/4NPT

连线方式

连接插头

PPM211B2采用前端顶针内螺纹特殊设计，全封焊结构、抗强干扰电路设计、防雷击、数字电路对压力温度补偿，输出模拟信号，从而具有良好的温度性能，抗震性和长期稳定性。

零点满量程可调，其性能指标如表1.4所示。

此外，PPM211B2还有体积小，安装方便，接线简单的特点，只需三根线，一根地线，一根电源线和一根信号线，输出0.5～4.5VDC电压。

根据题目要求，压力传感器要安装锅炉的内部，因为考虑到锅炉的给水温度较高，额定值为95℃，但PPM202的工作温度范围为-40～+80℃，所示不能满足此系统要求，因此本系统压力检测采用耐高温的压力传感器PPM211B2，工作温度可高至125度，适应环境要求。

1.3.5存储器的选择与论证

本系统中采用FLASH存储器，用于保存系统运行过程中采集的数据及存储系统文件。

目前使用最为广泛的有NANDFLASH和NORFLASH，两种存储器的性能比较如下。

NORFLASH和NANDFLASH是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。

大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码，这时NORFLASH闪存更适合一些。

而NANDFLASH则是高数据存储密度的理想解决方案。

NORFLASH的特点是芯片内执行，这样应用程序可以直接在FLASH闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。

NORFLASH的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。

NANDFLASH结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。

应用NANDFLASH的困难在于NANDFLASH需要管理和特殊的系统接口。

FLASH闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。

任何FLASH器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。

NANDFLASH器件执行擦除操作是十分简单的，而NORFLASH则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。

由于擦除NORFLASH器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个写入或擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NANDFLASH器件是以8～32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。

执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NORFLASH和NADNFLASH之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作（尤其是更新小文件时），更多的擦除操作必须在基于NORFLASH的单元中进行。

除此以外，NANDFLASH还有如下几项优点：

1、接口简单只需8根数据、地址线和几根控制线，有接口简单的特点；2、体积下、容量大和成本低，由于生产过程简单，NANDFLASH结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，相同容量的NANDFLASH的单元尺寸几乎是NORFLASH器件的一半，同时价格也较低；3、可靠性高和耐用性强，在NANDFLASH闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NORFLASH的擦写次数是十万次。

通过以上分析与比较，由于微处理器S3C2410内部已集成了NANDFLASH接口，考虑到成本，本系统采用NANDFLASH存储器K9F1208。

1.3.6输入模块选择与论证

方案一：

采用4×4矩阵式键盘，4×4矩阵式键盘一共有16个按键，也就是说，单键输入时，能产生16个不同的状态，此外，还能采用双键、多键输入方式，产生更多的状态量。

采用4×4矩阵式键盘，虽然硬件接口电路比PS2键盘复杂，且要占用微处理器较多的I/O口，但它具有操作简单，体积小的优势。

方案一：

采用PS2键盘。

PS/2通讯协议是一种双向同步串行通讯协议。

通讯的两端通过CLOCK（时钟脚）同步，并通过DATA（数据脚）交换数据。

任何一方如果想抑制另外一方通讯时，只需要把CLOCK（时钟脚）拉到低电平。

如果是PC机和PS/2键盘间的通讯，则PC机必须做主机，也就是说，PC机可以抑制PS/2键盘发送数据，而PS/2键盘则不会抑制PC机发送数据。

一般设备间传输数据的最大时钟频率是33KHz，大多数PS/2设备工作在10~20KHz。

推荐值在15KHz左右，也就是说，CLOCK（时钟脚）高、低电平的持续时间都为40μs。

每一数据帧含11～12个位。

采用PS2有按键多，稳定性高的特点，但考虑体积，本系统采用4×4矩阵式键盘输入方式。

2硬件电路设计及计算

2.1存储器电路设计

此系统数据存储模块采用64MNANDFLASH存储器K9F1208，其接口电路图和引脚功能如图2.1和表2.1所示。

图2.1K9F1208接口电路

表2.1芯片引脚功能

引脚

功能

I/O0~~I/O7

数据、地址、命令输入输出端，芯片未选中为高阻态

CLE

命令锁存使能

ALE

地址锁存使能

CE

芯片选择控制

RE

数据输出控制，有效时数据送到I/O总线上

WE

写I/O口控制，命令地址数据在上升沿锁存

WP

写保护

R/B

指示器件的状态，0表忙，1表闲，开漏输出

VCC

电源端

VSS

地

命令锁存使能（CLE），使输入的命令发送到命令寄存器。

当变为高电平时，在WE的上升沿，命令通过I/O口锁存到命令寄存器；

地址锁存使能（ALE），控制地址输入到片内的地址寄存器中，地址是在WE的上升沿被锁存的；

片选使能（CE），用于器件的选择控制。

在读操作，CE变为高电平时，器件返回到备用状态，然而，当器件在写操作或擦除操作过程中保持忙状态时，CE的变高将被忽略，不会返回到备用状态；

写使能（CE），用于控制把命令，数据和地址在它的上升沿写入I/O口，而在读操作时，必须保持高电平；

读使用（RE），控制把数据放在I/O总线上，在它的下降沿tREA时间后数据有效，同时使内部的列地址自动加1；

I/O端口用于命令，地址和数据的输入及读写操作时的数据输出，当芯片未先中时，I/O口为高阻态；