某静电除尘系统控制器设计毕业设计说明书Word格式.docx
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4.1单片机介绍13
4.2单片机最小系统电路14
4.3GP2Y1010AU0F灰尘传感器15
4.4A/D转换电路18
4.4按键电路19
4.5显示电路19
4.6振打装置控制20
4.7报警电路设计23
4.8系统总体原理图设计23
5软件总体设计25
5.1系统的软件设计流程图25
5.2粉尘浓度采样设计流程图25
结论27
致谢28
参考文献29
1引言
随着国民经济的高速发展和工业生产规模的扩大，空气污染现象日趋严重。
空气污染物的主要排放源有电力、冶金、炼油、炼钢和化工等工业。
这些排放的工业废气中含有大量粉尘颗粒物，一方面会造成空气污染、对人体健康造成危害，另一方也造成了贵重金属的流失。
在21世纪的今天，环保已经成为衡量一个国家综合实力的重要指标之一，可持续发展显得尤为重要。
因此，对工业废气排放出来的粉尘进行有效的控制与防治，是大气环境保护的重要内容之一。
据不完全统计全世界每年向大气中排放的污染物高达6亿吨，其中粉尘的含量达到了16％。
煤炭加工、发电厂、电力部门、冶金行业、大型炼油厂、石油化工等工业都是粉尘的排放源。
工业粉尘不仅会危及人类健康，而且会造成贵重金属的流失。
目前，常用的除尘技术种类主要有以下几类：
旋风除尘、湿法除尘、静电除尘、过滤除尘等，而高压静电除尘器（ESP）在这些除尘技术中独树一帜，它以除尘高效、智能化、维护简单、操作方便等优点，而占据了广阔的市场。
静电除尘作为治理大气污染的重要手段，目前大多数企业采用的静电除尘装置是采用晶闸管调压的供电系统。
随着国家环保要求的不断提高，对企业的废气排放要求也随之提高。
当前，经济高速发展，人民的生活水平提高，对环境保护的要求也随之提高，作为控制大气污染的主要设备一一除尘设备，面临巨大的发展机遇。
1.1电除尘器的发展
从18世纪开始，静电开始走入科学家们的视野，随后有人提出并使用了静电除尘的概念，并指出电可使烟气中的粉尘颗粒沉淀。
1906年科特雷尔发明出工业用电除尘装置。
第二年工业用静电除尘器就投入使用，成功地处理了流速为95L/S的含尘气体。
随后电除尘技术走上了理论发掘，试验理论，应用技术这样循环的发展过程。
电除尘器的应用范围已经普及整个工业领域，其除尘方式可以是干式的，湿式洗涤式或者电除雾式的。
目前，电除尘技术的理论还处于发展阶段，还属于经验工程的学科，它涉及
范围广泛，电物理、电气工程及其自动化、电力电子、化学材料、机械工程及其自动化、空气动力学等都有衬出技术的应用。
电除尘器的效率取决于原件制造工艺、原件质量、供给电路以及维护管理等各方面。
静电除尘器经历了百年的发展，已经成为防治大气烟尘污染的重要利器。
今后，除尘器仍将是火力发电厂、冶炼金属厂、石油化工厂等的主要治污手段。
静电除尘器在接下来应该从以下几个方面进行发展：
（1）提高供电水平代替常规供电方式，不仅发展前景广阔，而且节约经济。
（2）优化本体设计，减少静电除尘器的体积，降低投资成本。
（3）对于亚微米级颗粒的高效静电除尘器投入并加快发展。
（4）结合其他有效除尘方法以提高除尘性能。
（5）开发静电除尘器的其他应用。
以往的电除尘器通常面临着诸如高比电阻、粉尘粉尘浓度、高粘度等问题，而电除尘器性能的改造升级，主要取决于对静电力理论的研究突破以及在实践中总结出来的除尘经验，随着人们环保意识的提高，原有的电除尘器已经落后。
对电除尘器的设计，应该从极配形式设计，气流均布设计，振打设计等方面考虑，电除尘应开发适应性广、智能化、安全性好、可靠性高的新型控制系统。
同时电除尘器就除尘效率、脱硫工艺、脱硝一体化技术等应给予足够的重视。
1.2本课题的研究意义
当前，对于电除尘理论的研究还不完备，缺少很多在实践中解决问题的知识,电除尘器的结构还不够合理，供电系统还不能够满足需求以及高比电阻的问题等问题都严重影响着除尘器的发展，但电除尘器的效率远远高于其他除尘方式的效率，使得电除尘方式不可被其他除尘方式所替代。
我国的电除尘技术的发展历史交晚，但发展速度之快是令人难以想象的。
从理论上认识电除尘器，发现电除尘器存在的问题，虚心接受外国先进技术的指导，认识到我国电除尘器制造水平得不足。
同时认真研究外国的先进生产工艺。
在中高频开关电源方面还存在着不足，电除尘器的品种规格和性能，本体的有些元器件的加工工艺，产品外观等方面还需进一步提高。
总之，电除尘器性能受到很多因素的影响，除供电系统需要优化外，电除尘器的设计、烟气中粉尘含量、粉尘的体积和管理维护等均对电除尘器有着非常重要的影响。
但对于正在工作的电除尘器，对系统的供电控制方面采取适当措施，是提高除尘效率最有效、最便捷、最直接的手段。
因此对于电除尘控制器的设计，对电除尘器的改进与发展等都有着非常重要的意义。
1.3本课题的主要工作
本课题针对传统的静电除尘器的缺点和不足对除尘控制系统进行改造。
改造原则利用新的设计方法，针对当前除尘设备的问题进行改造，使改造后的系统不仅除尘效率有较大提高，可靠性和安全性都有显著提高，同时更加的节能。
本文主要完成的工作:
1、熟悉静电除尘工作的过程。
2、熟悉现场参数的测量检测方法。
3、查阅相关文献，经分析论证后确定设计方案。
4、完成该系统的硬件电路设计和相关软件设计。
5、实现除尘系统的各种功能。
6、按照规范要求撰写毕业设计说明书。
8．应具备的条件：
个人计算机及相关资料和软件。
2电除尘基本原理
电除尘器的基本原理是利用上万伏的直流高压，产生足够强大的电场，此时电场中的气体就会发生电离，由于强大的电场随之会出现电晕放电现象，进而悬浮尘粒荷电，悬浮的粉尘颗粒受到电场力的作用被捕集的除尘装置。
电除尘器有许多种类，但机械本体和供电电源是任何除尘器都必不可少的，都是按照同样的基本原理设计的。
如图2.1所示。
与高压相连的相连的极板叫电晕极，接地的极板叫集尘极。
在极板的中心是电晕极，在电晕极和集尘极之间施加足够高的直流高压，由于他们之间的曲率不均匀，两板之间便产生极不均匀的电场，电晕极附近的电场强度最高，所以它附近的气体首先电离，产生电晕放电。
随着电压逐渐升高，放电现象越发强烈。
气体电离产生大量正离子和自由电子，由于自由电子动能的降低，不足以使气体发生碰撞电离而附着在气体分子上形成大量负离子。
当含尘气体从除尘器下部进气管引入电场后，电晕区的正离子和电晕区外的负离子与尘粒碰撞并被吸附上，此时尘粒带电。
在电场力的作用下荷电粉尘向极性相反的电极运动，并被吸附到电极表面，当粉尘逐渐沉积达到一定的粉尘浓度时，通过振打装置将电极上的粉尘振打下来，在传送到收集装置，而净化后的气体继续排出，此时的烟气已经不再含有过多的污染物，并且得到了净化。
图2.1电除尘原理图
综上所述，除尘过程（如图2.2所示）可大概的概括为以下四个阶段；
①气体的电离；
②粉尘的荷电：
⑧荷电粉尘的沉集与清灰。
图2.2静电除尘基本过程
2.1气体的电离
使气体导电的过程就是气体的电离。
气体的电离是电除尘工作原理的一个重要组成部分。
气体的电离规律，是理解静电除尘的前提。
空气在一般情况下是绝缘体，但当气体分子获得足够的能量，譬如使气体带电，这时气体分子中的电子就可能脱离电子核的束缚而成为自由电子。
这些自由电子成为输送电流的媒介，此时气体能够导电。
使气体具有导电特性的过程为气体电离。
在电场力的作用下，得到动能的电子与气体分子发生碰撞，产生大量自由电子和正离子。
2.2电晕放电
由于自然界存在许多放射线如宇宙射线、阿尔法射、伽马射线等作用，气体自身就会包含一些离子和自由电子。
在阴阳两极之间施加一定电压时，这些带电粒子受到电场力的作用，运动到电极性相反的方向，此时就可能形成电流。
此种导电为非自发性电离导电过程。
电晕放电如图2.3所示。
图2.3电晕放电原理图
2.3粉尘粒荷电
粉尘粒荷电是电除尘过程中最基本的过程之一。
粉尘荷电如图2.4所示。
在电除尘器的空间电场中，尘粒的荷电量与电场强度、比电阻、和滞留时间等因素有关。
尘粒的荷电机理电场荷电、扩散荷电，而电场荷电是最主要的方式。
图2.4粉尘荷电图图2.5粉尘收附图
在外电场力的作用下，粉尘荷电是离子沿电力线运动并且与尘粒相撞产生的结果。
此时作为电场中的尘粒因带电被极化，从而改变原来外加电场的分布情况。
尘粒表面与一部分电场线相交，带电的运动离子与烟气中的尘粒碰撞时，把电荷转移给了尘粒。
尘粒带电之后，负电荷就会逐渐积累集中在一级，尘粒在收尘板正极的吸引作用下吸附在收尘板上。
粉尘吸附如图2.5所示。
2.4振打清灰
荷电粉尘吸附到正电极后，在静电力与吸附力的作用下，会在电极上形成粉尘层，因此工业电除尘器中必须设计振打装置，在已捕集的粉尘层中产生惯性力，用来克服粉尘在电极上的附着力，将粉尘层振打下来。
2.5电除尘基本过程
排放的烟气进入高压电场，在进口封头处安装有气流分布装置，气流分布装置的作用：
使烟气在电场中分布均匀，进而粉尘荷电，同时避免因流速产生的粉尘颗粒二次飞扬。
烟气中的粉尘颗粒进入电场后，在高压电场的作用下气体电离进而粉尘被荷电，最终被极板捕捉，粉尘被电极吸附在极板上面之后，通过振打被收入到灰斗中。
当前振打方式主要有以下几种：
顶部电磁体方式，顶部传动式，顶部脱钩锤式与侧向绕臂锤式等几种方式。
灰斗清灰有两种方式：
定期清灰和连续清灰，定期排灰的优点是不需要不停地去清理极板上收集的灰尘，当灰斗里储存粉尘达到一定的量时，在进行清理。
具有高效省时等优点。
出灰方式主要有干出和湿出两种，干出灰时把最终的灰尘通过传送装置送至料仓或灰库，湿出时灰尘通过流水管道被最终冲到了水池里面。
2.6小结
本章开篇分析电除尘的基本原理，就气体的电离、粉尘的荷电、荷电粉尘的沉集与清灰等作了详细的分析，电除尘器的除尘基本原理，对设计更加合理更加高效的的除尘设备具有指导性的意义。
因此对于电除尘的基本原做了非常细致的赘述。
3高压供电设备
除了电除尘器本体结构外，高压供电电源在电除尘器中的作用是极其重要的，同时我们要兼顾低压控制设备在电除尘器中所起到的作用。
高压供电电源在刚开始设计制造的时候，由于饱和电抗器调压方式效率低下，应答信号特性产的速度比较缓慢，迅速调压在这种情况下还不能够满足现场的需求，可控硅调压方式具有自动控制特性，高压供电机组采用可控硅调压可以更加的安全可靠。
可控硅整流变压器能够自动快速升压和降压，并且他的供电装置能够跟随电场内烟气和粉尘含量变化，当电场一旦发生危险例如出现火花，由于可控硅整流器的自动控制特性能自动降压而避免发生危险，一段时间后当恢复正常时，可以自动升高电压到正常工作状态，从而电除尘器能够提高收尘效率。
3.1高压供电整流设备
（1）机械整流器机械整流器主要是由升压变压器和同步电动机带动的旋转机械整流器构成。
机械整流器的缺点：
机械镇流器中的波形并不能维持在一定的范围之内，电流波动比较大，旋转部件比较容易磨损，空气隙由于相当于一定的电阻，故会造成电压的损失，机械噪声大，且不具有自动控制特性，整流效率低等缺点。
而空气隙火花放电时，使空气中的N2和O2分子结合成N20和O3（臭氧），危害电器设备并且威胁人类健康。
火花是一种放电现象，包含许多高次谐波，而高次谐波电流会向空中辐射，对周围无线电通信设备也会产生干扰。
（2）电子管整流器电子管整流器机械部件由于并不旋转磨损，因此不存在空气隙的火花放电和无噪声，且有较高的整流效率。
但是电子管存在不可避免的机械损耗，灯丝由于长时间的使用也会造成损耗，对于过电压和过电流的承受是非常弱的，因此工业上不能得到广泛的应用。
在电极施加交流电压时，输出的是脉动直流。
电源的负极适合整流器的阴极是相连的。
如进行全波整流，输入的电流极不稳定，而且铁心极易磁化当整流部分流过变压器，而一次侧的激磁电流会发生大的变化，因此我们可以采用双半波整流或桥式整流，从而减少脉动和变压器的直流磁化。
（3）硒整流器硒整流器具有和电子管整流器的优点外，很多硒原件的串联使得正向电阻变得异常的大，并且元件本身特性存在一定的杂散电容等，因此对火花放电时过电压影响非常的大。
但是硒堆击穿后具有自恢复能力，也就是说硒堆在承受过电压不能够承受的时候被击穿，当过电压消失后，硒堆能够进行自我修复。
因此它具有过载能力强，机械性能高，可靠性好等优点。
但是由于体积大不方便，已被硅整流器所代替。
（4）硅整流器硅整流器也是一种半导体整流器，以前的各种类型的整流器都不能与它相媲美，硅整流器串联的硅元件少，体积小，反向阻抗大，电阻电抗小，整流效率高，反向抗压性强，耐冲击，硒整流器并不具有这些优点。
在大力发展整流器的浪潮中，国内成功研制了雪崩式硅堆，具有恢复能力。
其缺点是硅整流器会因火花放电时出现相反极性的脉振电压从而使得硅元件磨损，同时由于反向电压的产生，必须采取相应的保护措施。
本设计中采用的是硅整流器，硅整流器串联的硅元件少，体积小，反向阻抗大，电阻电抗小，整流效率高，反向抗压性强，耐冲击，而其他整流器不具有他的优点。
3.2自动调压控制器
为了使电除尘器中的高压部分的电压能够被智能化的控制，避免手动控制造成的误差，以及存在的可能不安全因素，需要实现对电除尘器高压部分的自动化控制，因此需要采用自动调压控制起来实现，有两种自动控制器可供选择实现自动控制。
3.1.1饱和电抗器调压自动控制器
在电除尘器中使用饱和电抗调压器，不仅可以实现自动控制，而且可以促进硅整流器的改进和发展。
饱和电抗器调压原理方框图如图3.1所示。
工作原理为：
饱和电抗器作为调压限流元件，交流电源输入端和饱和电抗器的调压绕组相连，调压绕组得到电源电压产生的压降，采用直流控制讯号来控制绕在铁芯上的控制绕组中电流的大小时，饱和电抗器之中的电抗量也会发生改变，硅整流器的高压直流输出会由于产生的压降变化也发生相应的变化，从而实现达到自动调节。
当电场出现闪络，磁放大器会把闪络放电讯号放大，饱和电抗器的控制电流随之发生改变，电抗量和压降发生适当的调整，交流电压进而得到调节，从而实现消灭火花，实现稳定电流的作用。
饱和电抗器调压的优点主要有结构简单、安全、控制简单，易维护，缺点是由于铁心磁滞，处理信号速度缓慢，并不能够跟随电场烟气条件变化调节电压，尤其是电场击穿时，可能出现频繁闪络或者电弧放电，从而降低了电除尘设备的除尘效率。
因此，目前已经很少采用饱和电抗器。
图3.1饱和电抗器调压原理方框图
3.1.2可控硅调压自动控制器
可控硅调压自动控制器主要是为了调节可控硅的导通角，硅整流变压器的一次侧输入电压会由于导通角的变化而发生改变，可控硅的导通主要是用到自动控制回路给定和反馈讯号作为标准，使高压电源输出的电压跟踪电场工况条件变化，达到自动调节的目的。
同时控制回路还具有各种保护功能，例如在高压供电机组发生短路、过流、闪络、电弧等情况时，对机组进行故障隔离和限流保护。
根据以上的描述，我们最终采用了可控硅调压自动控制器，并运用可控硅调压自动控制器进行最佳火花率控制方式跟踪电场火花放电，达到较高的除尘效率。
同时结合间歇式供电方式抑制反电晕，提高收尘效率、降低电耗，达到节能的目的。
3.3小结
本章对高压供电设备做了简单的介绍，就高压供电机组的选择，详细的比较了各种整流器的优缺点，最终我们选取了硅整流器，硅元件串联少，体积小，反向阻抗大，正向阻抗小，整流效率高，反向耐压高，耐冲击等优点使得硅整流器成为必然的选择。
然后就自动控制高压设备的运行选择自动调压控制器做了方案论证，并确定使用可控硅调压自动控制器。
4控制系统硬件设计
本设计采用粉尘浓度传感器来检测空气中的粉尘浓度，采集到的信号经A/D转换电路将电流信号送到STC89C52单片机中进行分析处理。
经过处理后的信号会送给数码管显示出来，此即为当前除尘器中粉尘的浓度的信息。
另外单片机会将该粉尘的粉尘浓度信息与系统设定值进行比较，然后利用定时器设置时间，一段时间后极板上就会达到一定厚度的粉尘，此时控制振打装置进行振打清灰。
硬件电路框图如图4.1所示。
图4.1系统硬件电路框图
4.1单片机介绍
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8KB系统可编程Flash存储器。
并且继续采用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，全双工串行口。
另外STC89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
因此本设计采用STC89C52单片机作为主控芯片。
如图4.2所示是该单片机管脚图。
它拥有8K可编程Flash存储器，512Byte的RAM，4组8位的I/O接口和三个定时器，完全满足本设计的需求。
并且功耗低、价格便宜也是其作为产品的一大优势。
P0口是八位双向I/O口，可被作为低8位地址/数据总线复用端口。
P1口是八位双向I/O口，主要作为通用I/O使用。
P2口是八位双向I/O口，可被作为高8位地址总线端口来访问外部数据存储器。
P3口是八位双向I/O口，除了作为通用I/O口使用外，主要是使用其第二功能。
图4.2单片机硬件原理图
4.2单片机最小系统电路
晶振对于系统的运行是不可或缺的，它的作用是提供时钟信号来使单片机正常工作，同时可以保持各部分同步。
由于石英晶振具有非常好的频率稳定性和抗干扰能力，所以常用其来产生基准频率。
通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。
同时，它还可以产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。
晶振英文全名是Crystal，它是时钟电路中最重要的部件，它在电路中所起的主要作用是向显卡、网卡、主板等各部分提供一个基准频率，只要是为了维持工作频率，防止不稳定造成相关设备因电路谐振出现问题。
如图4.3是单片机的晶振电路。
片内电路与片外器件构成一个时钟产生电路，片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，常在1.2MHz～24MHz之间选取。
电容C1、C2是反馈电容，其值在20pF～100pF之间选取，典型值为30pF。
本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。
图4.3晶振电路硬件原理图
复位电路是一种用来使电路恢复到初始化状态的电路，它的操作原理与计算器的原理基本相同，只是启动原理和方法稍有差别。
如图4.4所示就是一个简单的RC复位电路原理图。
复位电路的主要功能是使单片机进行初始化。
在复位引脚加上大于2个机器周期的高电平即可对单片机进行复位。
复位按键按下后，需要经一定的延时后才能撤销复位信号。
因此，为了防止在按键过程中产生抖动而影响复位，利用RC复位电路即可解决此问题。
图4.4复位电路硬件原理图
4.3GP2Y1010AU0F灰尘传感器
针对粉尘的浓度采用灰尘传感器进行采集，本设计中使用GP2Y1010AU0F灰尘传感器（如图4.5）对粉尘浓度的采集，以下是对GP2Y1010AU0F灰尘传感器的介绍。
图4.5GP2Y1010AU0F灰尘传感器
它的正常工作电压是：
0.3-7
V工作电流是；
20MA
工作温度是;
-10---65度，有效接收距离是；
15M
接收角度是；
正负60度.能分辨微小物品。
该装置中，一个红外发光二极管和光电晶体管，对角布置成允许其检测到在空气中的灰尘反射光。
该传感器具有极低的电流消耗（最大20mA，11毫安典型的），可以搭载高达7VDC的传感器。
输出的是一个模拟电压正比于所测得的粉尘浓度，敏感性为0.5V/0.1mg/m3。
它的一般性能绝对最大额定值如表1：
表1一般性能绝对最大额定值
内部原理图如图4.6所示，他的检测原理是传感器中心有个洞可以让空气自由流过，定向发射LED光，通过检测经过空气中灰尘折射过后的光线来判断灰尘的种类和灰尘的含量。
图4.6GP2Y1010AU0F灰尘传感器内部原理图
GP2Y1010AU0F灰尘传感器属光学传感器。
它的光学特性如表2所示：
表2GP2Y1010AU0F灰尘传感器电气光学特性
项目
记号
条件
MIN
TYP
MAX
单位
检测感度
K
数字粉尘仪
0.2
0.35
0.5
V/0.1mg/m3
无尘室输出电压
ΔVo
外围电路
-
V
出电压范围
TXD
高电平/Vcc=5v
4.6
Vcc
低电平/Vcc=5v
0.8
电流
Icc
Vcc=5v
17
20
mA
GP2Y1010AU0F灰尘传感器在硬件电路原理图中表示如图4.7所示，他在电路中的作用主要是采集粉尘的浓度。
然后经过A/D模块转换为数字信号，送到单片机进行分析处理，进而产生相应的操作。
图4.7GP2Y1010AU0F灰尘传感器
4.4A/D转换电路
GP2Y1010AU0F灰尘传感器采集得到的是粉尘浓度信号，需要将其转化为数字信号次是需要采用A/D模块，A/D转换电路是采用A/D转换芯片将模拟信号转换为数字信号。
由粉尘浓度传感器获得的粉尘粉尘浓度信号为模拟量，而单片机并不能直接识别模拟量，因此，只能将模拟量转换为单片机能够识别的数字量，单片机才能处理，A/D转换电路正是起着这一关键作用。
在本设计中采用ADC0809芯片作为A/D转换器。
ADC0809是一个8位逐次逼近式模数转换器，其管脚分布如图4.8所示。
图4.8A/D转换电路硬件原理图
ADC0809对输入模拟量要求：
信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；
输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
地址输入和控制线：
4条
ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。
当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。
A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。
通道选择表如表3
所示。
ST为转换启动信号。
当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；
下跳沿时，开始进行A/D转换；
在转换期间，ST应保持低电平。
EOC为转换结束信号。
当EOC为高电平时，表明转换结束；
否则，表明正在进行A/D转换。
OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得
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