基于单片机+FPGA的空间煤粉燃烧炉控制系统设计与实现

摘要

煤作为一次能源,在燃烧过程产生大量的NOx,NOx的过量排放对环境造成重大污染。如何降低NOx排放,已经成为一个全球关注的焦点。本文以提高煤粉燃烧效率,降低碳排放为目的,着眼于通过在空间微重力环境下进行煤燃烧实验,观察煤燃烧过程并进行检测气体成分,研究煤粉的燃烧特性和NOx排放的浓度,并对实验现象和实验数据进行分析。并且该实验结果对地面环境下提高煤燃烧效率和燃烧炉设计水平,具有非常重要的意义。
　　 本文提出基于“单片机+CPLD/FPGA体系结构”的集成化设计方案:①在FPGA中实现数字逻辑部分电路；②FPGA与单片机以总线接口方式实现译码、数据和控制信号锁存功能的Verilog设计。
　　 本文设计、研制了一套基于单片机+FPGA的可应用于空间煤粉燃烧的实验控制系统,该系统分为空间煤粉燃烧炉单元和控制系统单元两大部分。其中,控制系统是本文论述的核心部分,主要功能是对传感器探测到的温度和气体成分信号进行处理,并将其数字化后传输到计算机,控制煤粉燃烧炉的升温过程,并进行煤粉着火点实验。本文介绍了课题的背景和选题意义,详细介绍了空间煤粉燃烧炉及其控制系统的组成方案。重点阐述了控制系统的硬件电路设计、FPGA设计。对系统的软件设计过程进行了介绍,并对整个系统进行了调试和实验。最后,对现阶段的工作进行了总结并提出了改进的建议,作为下一步工作的参考。

目录

文摘

英文文摘

图目录

表目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 课题研究背景及选题意义

1.2.1 课题研究背景

1.2.2 选题意义

1.3 国内外研究现状

1.4 “单片机+FPGA体系结构”的特点

1.5 研究内容

2 空间煤粉燃烧炉及其控制系统组成方案

2.1 引言

2.2 空间煤粉燃烧炉及其控制系统组成

2.2.1 煤粉燃烧炉单元

2.2.2 炉体单元

2.2.3 吹气/给粉单元和烟气分析单元

2.2.4 观察单元

2.3 控制系统单元

2.4 科学任务与技术指标

2.5 小结

3 控制系统硬件的设计

3.1 引言

3.2 信号调理模块电路设计

3.2.1 温度传感器

3.2.2 信号处理电路

3.2.3 A/D转换电路

3.3 控制单元模块电路设计

3.3.1 单片机电路设计

3.3.2 I/O扩展电路设计

3.3.3 总线驱动电路的设计

3.3.4 FPGA外围电路设计

3.3.5 存储器电路设计

3.3.6 单片机与FPGA接口设计

3.4 输出控制模块电路设计

3.4.1 PWM模块电路

3.4.2 观察模块

3.4.3 吹气/给粉模块

3.5 通信模块

3.6 系统电源模块电路设计

3.7 印刷电路板设计

3.8 小结

4 FPGA设计

4.1 引言

4.2 FPGA结构及选型

4.3 FPGA设计流程及操作平台

4.3.1 FPGA设计流程

4.3.2 FPGA操作平台

4.4 FPGA程序设计

4.4.1 译码及控制信号锁存电路设计

4.4.2 A/D转换控制设计

4.4.3 PWM控制设计

4.4.4 FPGA编译结果

4.5 小结

5 控制系统软件的设计

5.1 引言

5.2 软件设计思想

5.3 软件组成

5.4 主程序设计

5.5 数据采集子程序设计

5.6 数据处理子程序设计

5.7 开关控制子程序设计

5.8 PID算法子程序设计

5.8.1 PID控制原理

5.8.2 PID参数整定

5.9 系统软件抗干扰措施

5.10 小结

6 系统调试与实验验证

6.1 引言

6.2 热电偶标定

6.3 着火点观察实验

6.4 最高温度实验

6.5 小结

7 总结与展望

参考文献

发表文章目录

附录1 空间煤粉燃烧炉控制系统实物图

附录2 空间煤粉燃烧炉实物图

附录3 热电偶标定附表

致谢