烟道气体测控系统软件部分(附件)
摘 要随着工业的不断发展，我国的能源消耗也日益增加，逐渐成为了能源消耗大国，同时煤炭消耗在我国的能源消耗中占有较大比重，因此煤炭燃烧产生的烟道气体的监测与控制相当重要。通过对烟道气体检测与控制能有效地提高煤炭燃烧率，改善污染问题。本课题以C8051F005单片机为核心，设计了烟道气体测控系统。该系统通过红外气体成分分析仪对烟道气体进行实时分析，确定烟道气体成分，从而控制相关阀门，改善煤炭燃烧效率，降低污染气体的排放。系统采用C语言编程，LCD液晶显示屏显示相关信息，具有良好的人机交互界面，同时能够准确直观的展示煤炭燃烧情况以及烟道气体的主要成分比。本文主要介绍了该烟道气体测控系统的设计思路，硬件选用与构成，程序编写逻辑，以及系统在设计与调试过程中遇到问题后的解决方法。
Keywords: flue gas; C8051F005; C language programming; LCD display 目 录
第一章 系统介绍 1
1.1主要功能 1
1.2工作原理 1
1.2.1主要参数 1
1.2.2控制对象 2
第二章 系统硬件设计 4
2.1硬件选用 4
2.1.1 C8051F005芯片 4
2.1.2液晶屏 5
2.1.3红外气体成分分析仪 6
2.2外围电路设计 7
2.2.1电源设计 7
2.2.2通讯口设计 8
第三章 软件系统设计 9
3.1开发环境 9
3.1.1 编程语言 9
3.1.2 编译软件 9
3.1.3 Silicon Laboratories IDE软件 10
3.2程序设计 10
3.2.1 主程序设计 10
3.2.2 温度控制程序 11
3.2.3 继电器控制 12
3.3 LCD显示 12
3.3.1 文字显示 13
3.3.2 饼图显示 14
3.3.3 气体成分标注 16
3.4 下载与调试 17
3.4.1程序下载
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
17
3.4.2程序调试 18
结束语 19
致 谢 20
参考文献 21
第一章 系统介绍
1.1主要功能
该烟道气体测控系统针对烟道气体的特点，通过对多点状态的测量、分析，采用红外气体成分分析仪采集、分析烟道气成分，C0851F005单片机芯片及其外围电路对气体分析仪采集到的数据进行处理，根据单片机的处理结果对多个继电器以及相关阀门进行控制，同时单片机通过LCD液晶屏显示数据处理结果，直观反映烟道气体成分，实现了对烟道气体的实时测控，能够有效地提高燃烧效率，减少污染气体的排放。
图11 烟道气体测控系统框架图
1.2工作原理
1.2.1主要参数
该烟道气体测控系统的主要参数分别为：一氧化碳浓度，二氧化碳浓度，二氧化硫浓度。一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫是煤炭燃烧的主要产物，通过分析这三者的占比，能够有效地了解到煤炭的燃烧程度，判断出煤炭是否完全燃烧以及含硫量。
一氧化碳是一种无色无味的有毒气体，是大气中几种重要污染物之一，其化学性质相对而言比较稳定，具有可燃性。一氧化碳的主要是由含碳燃料的不完全燃烧产生，在煤炭燃烧过程中容易产生，可以通过再次燃烧生成二氧化碳。通过分析一氧化碳的含量可以了解到煤炭的燃烧率。
二氧化碳为无色无味的气体，是空气的主要成分之一，是含碳燃料充分燃烧的产物。在煤炭燃烧过程中，二氧化碳的含量直接反映了煤炭的充分燃烧情况以及煤炭的碳含量。
二氧化硫是一种无色有刺激性气味的气体，是空气中的主要污染气体之一，排放到空气中的二氧化硫会与水结合，形成酸雨，造成危害。其主要来源是含硫化石燃料的燃烧。二氧化硫在烟道气体中的占比直接反映了煤炭的含硫量。
1.2.2控制对象
该烟道气体测控系统主要进行对烟道气体采集时候的温度的控制和根据数据处理结果对进料口及进气空的继电器的控制。
烟道气体采集时由于烟道气体含有大量杂质以及水汽，因此在采集过程中需要控制所采集到的烟道气的温度。首先降采集到的气体进行加热，加热至170℃，使混杂在烟道气中的水汽完全气化，随后对其降温，降温至4℃，使烟道气体中的水汽冷凝，并过滤，得到较为纯净的烟道气，再降其送入红外气体成分分析仪中分析，以得到气体成分。该过程由温度传感器和加热、降温阀门所对应的继电器配合完成。
图12 烟道气处理示意图
根据红外气体成分分析仪分析得到的结果，再经由C8051F005单片机处理后，单片机将气体的成分与预设的要求值进行比对，看烟道气体的燃烧率是否满足要求，若满足要求则在LCD屏上显示由当前气体成分构成所绘制的饼图，若没有达到要求，则根据具体情况打开对应的进料阀门或是进气阀门，以控制物料比，达到使煤炭充分燃烧的目的，提高燃烧效率，减少污染气体的排放。
第二章 系统硬件设计
2.1硬件选用
2.1.1 C8051F005芯片
C8051F005是一款完全集成了单片复合信号系统的微控制器。C8051F005具有真正12位多通道ADC。C8051F005结合了高度精密的模拟数据转换器和一个高吞吐量8051 CPU，是模拟和计算密集型应用的理想选择。
C8051F005芯片是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，有一个正真的12位多通道ADC。该芯片具有一个可编程增益放大器、两个12位DAC、两个电压比较器、、一个电压基准、一个具有32K字节FLASH存储器并与8051兼容的微控制器内核。同时该芯片通过硬件实现了I2C/SMBus、UART、SPI串行接口以及一个具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列（PCA）。拥有4个通用的16位定时器和4字节位宽的通用数字I/O端口。C8051F005芯片的RAM为2304字节，最高执行速率可达到25MIPS。
这款芯片具有片内VDD监视器、WDT、和时钟振荡器，是真正意义上的能够独立工作MCU系统。它的FLASH存储器具有在系统重新编程的能力，可以用于非易失性数据的存储，并且可以实现现场更新8051固件。
片内的JTAG调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式、全速、在系统调试，即在不占用片内资源的情况在进行在线全速、在线系统调试。同时该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
Keywords: flue gas; C8051F005; C language programming; LCD display 目 录
第一章 系统介绍 1
1.1主要功能 1
1.2工作原理 1
1.2.1主要参数 1
1.2.2控制对象 2
第二章 系统硬件设计 4
2.1硬件选用 4
2.1.1 C8051F005芯片 4
2.1.2液晶屏 5
2.1.3红外气体成分分析仪 6
2.2外围电路设计 7
2.2.1电源设计 7
2.2.2通讯口设计 8
第三章 软件系统设计 9
3.1开发环境 9
3.1.1 编程语言 9
3.1.2 编译软件 9
3.1.3 Silicon Laboratories IDE软件 10
3.2程序设计 10
3.2.1 主程序设计 10
3.2.2 温度控制程序 11
3.2.3 继电器控制 12
3.3 LCD显示 12
3.3.1 文字显示 13
3.3.2 饼图显示 14
3.3.3 气体成分标注 16
3.4 下载与调试 17
3.4.1程序下载
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
17
3.4.2程序调试 18
结束语 19
致 谢 20
参考文献 21
第一章 系统介绍
1.1主要功能
该烟道气体测控系统针对烟道气体的特点，通过对多点状态的测量、分析，采用红外气体成分分析仪采集、分析烟道气成分，C0851F005单片机芯片及其外围电路对气体分析仪采集到的数据进行处理，根据单片机的处理结果对多个继电器以及相关阀门进行控制，同时单片机通过LCD液晶屏显示数据处理结果，直观反映烟道气体成分，实现了对烟道气体的实时测控，能够有效地提高燃烧效率，减少污染气体的排放。
图11 烟道气体测控系统框架图
1.2工作原理
1.2.1主要参数
该烟道气体测控系统的主要参数分别为：一氧化碳浓度，二氧化碳浓度，二氧化硫浓度。一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫是煤炭燃烧的主要产物，通过分析这三者的占比，能够有效地了解到煤炭的燃烧程度，判断出煤炭是否完全燃烧以及含硫量。
一氧化碳是一种无色无味的有毒气体，是大气中几种重要污染物之一，其化学性质相对而言比较稳定，具有可燃性。一氧化碳的主要是由含碳燃料的不完全燃烧产生，在煤炭燃烧过程中容易产生，可以通过再次燃烧生成二氧化碳。通过分析一氧化碳的含量可以了解到煤炭的燃烧率。
二氧化碳为无色无味的气体，是空气的主要成分之一，是含碳燃料充分燃烧的产物。在煤炭燃烧过程中，二氧化碳的含量直接反映了煤炭的充分燃烧情况以及煤炭的碳含量。
二氧化硫是一种无色有刺激性气味的气体，是空气中的主要污染气体之一，排放到空气中的二氧化硫会与水结合，形成酸雨，造成危害。其主要来源是含硫化石燃料的燃烧。二氧化硫在烟道气体中的占比直接反映了煤炭的含硫量。
1.2.2控制对象
该烟道气体测控系统主要进行对烟道气体采集时候的温度的控制和根据数据处理结果对进料口及进气空的继电器的控制。
烟道气体采集时由于烟道气体含有大量杂质以及水汽，因此在采集过程中需要控制所采集到的烟道气的温度。首先降采集到的气体进行加热，加热至170℃，使混杂在烟道气中的水汽完全气化，随后对其降温，降温至4℃，使烟道气体中的水汽冷凝，并过滤，得到较为纯净的烟道气，再降其送入红外气体成分分析仪中分析，以得到气体成分。该过程由温度传感器和加热、降温阀门所对应的继电器配合完成。
图12 烟道气处理示意图
根据红外气体成分分析仪分析得到的结果，再经由C8051F005单片机处理后，单片机将气体的成分与预设的要求值进行比对，看烟道气体的燃烧率是否满足要求，若满足要求则在LCD屏上显示由当前气体成分构成所绘制的饼图，若没有达到要求，则根据具体情况打开对应的进料阀门或是进气阀门，以控制物料比，达到使煤炭充分燃烧的目的，提高燃烧效率，减少污染气体的排放。
第二章 系统硬件设计
2.1硬件选用
2.1.1 C8051F005芯片
C8051F005是一款完全集成了单片复合信号系统的微控制器。C8051F005具有真正12位多通道ADC。C8051F005结合了高度精密的模拟数据转换器和一个高吞吐量8051 CPU，是模拟和计算密集型应用的理想选择。
C8051F005芯片是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，有一个正真的12位多通道ADC。该芯片具有一个可编程增益放大器、两个12位DAC、两个电压比较器、、一个电压基准、一个具有32K字节FLASH存储器并与8051兼容的微控制器内核。同时该芯片通过硬件实现了I2C/SMBus、UART、SPI串行接口以及一个具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列（PCA）。拥有4个通用的16位定时器和4字节位宽的通用数字I/O端口。C8051F005芯片的RAM为2304字节，最高执行速率可达到25MIPS。
这款芯片具有片内VDD监视器、WDT、和时钟振荡器，是真正意义上的能够独立工作MCU系统。它的FLASH存储器具有在系统重新编程的能力，可以用于非易失性数据的存储，并且可以实现现场更新8051固件。
片内的JTAG调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式、全速、在系统调试，即在不占用片内资源的情况在进行在线全速、在线系统调试。同时该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
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