工业锅炉水位微机控制系统设计

1 引言1.1 设计的目的和意义工业锅炉是能源转换和能源消耗的重要设备。由于我国工业锅炉生产操作水平落后，造成大量的热能丢失，经济效益很低。随着科学技术的发展，计算机的逐步普及，工业锅炉开始采用微型机算计控制。实践证明，工业锅炉实现微型计算机控制，是锅炉安全生产，提高热效率，节约能源的一大创举，也为锅炉生产开辟了广阔的前景。锅炉控制的被调量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节,使汽包内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围之内，虽然锅炉汽包水位对蒸汽流量和给水流量变化的响应呈积极特性，但是在负荷(蒸汽流量)急剧增加时，表现却类似逆响应特性，即所谓的虚假水位。造成这一原因是由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的沸点温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。1.2 应解决的主要问题本设计主要解决传感器的选择（温度，压力，水位）、输出道的设计和软件程序的设计。其所能达到的技术指标为（1）可以对锅炉水位，蒸汽量和给水量分别采集（2）通过单片机控制，使锅炉汽包水位维持在正常的范围内（3）具有键盘显示功能（4）具有报警功能当水位超过上限或下限时，能及时报警。目前国内外随便科学技术技术的发展，都采用三冲量水位自动调节系统，该控制引进蒸汽流量和给水流量信号作为控制信号，系统动作及时，有较强的抗干扰能力，因此得到广泛的应用。1.3 国内外发展现状目前在国内外主要用微型机算机控制系统来控制锅炉。微型机算机控制系统的特点是，其控制功能要通过内部的控制程序来实现，人们只需要改变这些程序，就可以更改锅炉设备的控制功能，以适应新的控制要求而不需要改动硬件系统。这种灵活性在硬联逻辑系统中是没有的。因此，掌握微型计算机应用系统的设计和研制技术，是开发微型计算机应用的一个重要课题。在国内主要有，单、双、三冲量控制系统来控制锅炉汽包水位。单冲量控制系统以锅炉锅筒水位为唯一信号的锅炉给水连续调节。该系统由水位变送器，伺服放大器，执行器和给水调节阀组成。水位变送器将水位信号送到调节器，调节器根据实测水位和给定值的偏差，经过运算放大后输出调节信号，驱动执行器改变调节阀开度，改变锅炉上水量，使水位控制在容许范围内。在单冲量水位自动调节的基础上，加入蒸汽流量作为前馈信号，便构成所谓的双冲量水位自动调节系统。前馈控制的主要特点是根据扰动的大小直接调节，使调节作用在扰动发生的同时起作用，从而减小扰动造成的被控参数的变化。引入蒸汽流量前馈信号可以消除虚假水位对水位控制的不良影响，减小或抵消由于虚假水位现象而造成的调节误动作。在双冲量水位自动调节的基础上，为解决给水压力不稳而造成调节性下降的问题，引入给水流量作为调节器的反馈信号。它采用蒸汽流量作为前馈信号，克服负荷变化引起的外扰动，减少假水位引起的调节器误动作；用给水流量作为反馈信号，克服内扰影响，稳定给水量，可以进一步改善给水调节质量。由常规仪表和调节仪表构成的模拟控制系统，虽然具有可靠性高，成本低，易于维护和操作等优点，并在大中小企业中得到了广泛的应用，解决了不少自动化方面的问题。但是随着生产向大型化连续化发展，对自动化技术的要求越来越高，模拟自动控制系统越来越表现出它的局限性。例如它难以实现多变量控制，复杂控制规律的控制，最优控制，自适应控制，以及时变控制等；模拟控制屏越来越长，难以实现集中控制；各条系统之间不便进行通讯联系，难以实现多级控制；控制方案的修改比较麻烦。如果采用计算机作为自动化工具的过程控制系统，就能很好地解决模拟控制系统存在的上述问题。随着生产的发展，锅炉日益广泛的用于工业生产的各个领域，成为发展国民经济的重要热力设备之一。在现代化的建设中，能源的需求量非常大的，然而我国的能源利用率极低，所以提高锅炉的热效率，有这极为重要的实际意义。此外，是锅炉能以地制宜地有效地燃用地方燃料，并为满足环境保护的要求而努力解决烟尘污染问题，以提高操作管理水平，减轻劳动强度，保证锅炉额定运行及运行效率，安全可靠地供热等问题。1.4 指导思想采用三冲量水位控制系统，以锅炉水位为主控信号，蒸汽流量为前馈信号，给水量为控制器的反馈信号来控制给水量。其目的是通过单片机的控制，使锅炉汽包水位维持在正常的范围内，当水位超过上限或下限时，能及时报警并采取相应的措施。充分体现三冲量控制系统的优越性，系统功能完善，结构先进合理，能耗小，扩展灵活，便于维护，并且可靠性高，而且还极大地提高了企业的生产效率和经济效益。该系统自动化程度较高，大大降低了操作者劳动强度，降低了成本，综合性强，实用性好，保障锅炉正常运行。2 设计方案 工业锅炉汽包水位的自动控制，根据锅炉容量大小，供给蒸汽（或热水）的使用要求不同，通常有单冲量自动控制系统、双冲量自动控制系统和三冲量自动控制系统三种形式。2.1 单冲量水位控制系统单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号即水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量来保持汽包水位在容许的范围内。单冲量水位自动控制系统，是汽包水位自动控制中最简单最基本的一种形式。对于中小型锅炉在蒸汽负荷变化不大的情况下，水位受到扰动后的反应速度比较慢，“虚假水位”现象也不严重，采用单冲量控制系统，一般采用比例调节就能满足生产上的要求，如果采用PI调节器，将得到更满意的效果。单冲量水位存在的问题是：当锅炉蒸汽负荷变化很大时，由于“虚假水位”现象的影响，在调节过程一开始，调节器根据水位先上升去关小调节阀，减少给水量，这个错误动作扩大了汽包进出流量的不平衡，使汽包水位和给水量的波动幅度增大，降低了调节质量。从给水扰动下的情况看。由于给水总管压力改变等原因所造成的给水量变动时，调节器要等到水位改变后才能动作，而调节器动作后又要经过一段延迟时间才能影响到水位，因此将导致汽包水位发生较大的变化，调节时间长。12. 2 双冲量水位控制系统在单冲量汽包水位控制的基础上，引进蒸汽流量作为前馈信号构成双冲量水位自动控制系统。这种水位控制的特点是：引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对控制的不良影响，当负荷蒸汽变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸汽流量向相反方向变化的误动作，使调节阀一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水和水位的波动，能够改善控制系统的静态特性，提高控制质量。双冲量汽包水位控制，能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位控制任务。在给水压力比较平衡时，采用双冲量控制是能够达到控制要求的。双冲量汽包水位控制存在的问题是：控制作用不能及时反映给水方面的扰动，当给水量扰动时，控制系统等于单冲量的控制。因此，如果给水母管压力经常波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量控制。12.3 三冲量水位控制系统近代工业锅炉都向大容量高参数的方向发展，一般讲锅炉容量越大，汽包的容水量就越小，容许波动的蓄水量就更少。如果给水中断，可能在1030s就会发生危险水位；如仅是给水量与蒸汽量不相适应，在一分钟到几分钟内也将发生缺水或满水事故。这样对汽包水位控制要求就更高了。锅炉的给水量在运行生产中经常有自发性变化，当几台锅炉并列运行时，还可能发生几台锅炉的汽包水位控制互相干扰的现象。当某一台锅炉负荷和给水量改变时，引起给水母管压力波动而使其他锅炉的给水量受到扰动。在双冲量水位调节中，对于给水量这种自发性变化不能及时反映出来，要经过一定的延迟时间之后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化而被发觉，此后在克服扰动时，几台锅炉的水位控制又互相影响，使得控制过程非常复杂。针对上述情况，为了把水位控制平衡，在双冲量水位控制的基础上引入了给水流量信号，这时调节器接受三个输入信号：汽包水位是被调量，是主冲量信号，蒸汽流量是前馈信号，给水流量是反馈信号，这就是汽包水位的三冲量控制系统。1 图2-1 三冲量框图工业锅炉采用三冲量控制系统时，当蒸汽负荷突然发生变化，蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的反向动作，因而减小了水位和给水流量的波动幅度。当由于水压干扰使给水流量改变时，控制器能迅速消除干扰。如给水流量减少，控制器立即根据给水流量减少的信号，开大给水阀门，使水流量保持不变。另外，给水流量信号也是控制器动作后的反馈信号，能使控制器及早知道调节的效果，所以三冲量给水调节系统，控制器动作快，还可以避免调节过头，减少波动和失调，这样汽包水位就很少受到影响。从三冲量水位控制系统的可以看出，它由两个闭合回路组成：（1）是由给水量，调节阀，控制器组成的内回路；（2）由汽包水位对象和内回路构成的主回路，蒸汽流量和分流器均在闭合回路之外，它的引入可以改善调节质量，但不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。总之，三冲量汽包水位控制系统，由于引进蒸汽流量和给水流量信号作为控制信号，系统动作及时，有较强的抗干扰能力，在较大的阶跃扰动时都能有效地控制水位的变化，因而得到了广泛的引用。2.4 设计方案的确定 通过比较看到三冲量控制系统适合本设计主要思想，符合我的设计方案，本设计选用三冲量控制系统。设计内容是以锅炉水位为主控信号，蒸汽流量为前馈信号给水量为控制器的反馈信号来控制给水量。通过单片机的控制，使锅炉汽包水位维持在正常的范围内，当水位超过上限或下限时，能及时报警并采取相应措施。设计方案是以蒸汽流量为前馈信号，给水量为控制的反馈信号，经AD转换后送入单片机，经单片机分析计算后输出控制信号，通过控制给水流量来控制锅炉水位，使锅炉水位维持在正常的范围内。同时系统对温度和压力信号进行采集和分析，可对超标量的进行报警，同时具有键盘、显示电路和看门狗电路。如图2-2所示 图2-2 设计方案框图3 硬件设计3.1 最小系统设计 单片机选择 单片机就是在一块半导体硅片上集成了微处理器（CPU），存储器和各种输入，输出接口，这样一块集成电路芯片具有一台计算机的属性，因而被称为单片机微型机算机，简称单片机。MCS是Intel公司生产的单片机的系列符号，例如Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCCS-96系列单片机。MCS-51系列单片机包括三个基本型8031，8051，8751。MCS-51由如下几个功能部件组成：（1）微处理器（2）数据存储器（3）程序存储器（4）4个8位并行I/O口（5）一个串行口（6）2个16位定时器/计数器（7）中断系统（8）特殊功能寄存器。MCS-51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点，特别值得一提的是MCS-51CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微机算机。这个1位计算机有自己的CPU，位寄存器，I/O口和指令集。1位机在开关决策，逻辑电路仿真，工业控制方面非常有效：而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相成，它是计算机的技术上的一个突破，本设计采用89C-51单片机。89C-51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。89C51其主要特性为（1）与MCS-51 兼容（2）4K字节可编程闪烁存储器 （3）寿命：1000写/擦循环（4）数据保留时间：10年（5）全静态工作：0Hz-24Hz（6）三级程序存储器锁定（7）128*8位内部RAM（8）32可编程I/O线（9）两个16位定时器/计数器（10）5个中断源 （11）可编程串行通道（12）低功耗的闲置和掉电模式（13）片内振荡器和时钟电路 。引脚图如图3-1所示 图3-1 89C51引脚图引脚说明：电源引脚: Vcc（40脚）：典型值5V Vss（20脚）：接低电平外部晶振: X1、X2分别与晶体两端相连接。当采用外部时钟信号时，X2接振荡信号， X1接地 输入输出口引脚: P0口：I/O双向口。作输入口时，应先软件置“ 1”。 P1口：I/O双向口。作输入口时，应先软件置“ 1”。 P2口：I/O双向口。作输入口时，应先软件置“ 1”. P3口：I/O双向口。作输入口时，应先软件置“ 1”。控制引脚：RST/Vpd、ALE/-PROG、-PSEN、-EA/Vpp组成了MSC-51的控制总线。 RST/Vpd（9脚）：复位信号输入端（高电平有效）。 第二功能：加+5V备用电源，可以实现掉电保护RAM信息不丢失。ALE/-PROG(30脚）：地址锁存信号输出端。第二功能：编程脉冲输入。-PSEN（29脚）：外部程序存储器读选通信号EA/Vpp(31脚）：外部程序存储器使能端。第二功能：编程电压输入端（+21V）。23 复位电路设计 MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个施密特触发器与复位电路连接，施密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。 复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种形式。 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。当电源接通时只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位，当时钟频率选用6MHz时，C取22F时，R取1K欧姆。 除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源接通实现。2 时钟电路选择MCS-51单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性，常用的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，另外一种为外部时钟方式。（1）内部时钟方式MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接晶振和微调电容，就构成一个自激振荡器。（2）外部时钟方式外部时钟方式是使用外部振荡脉冲信号，常用于多片MCS-51单片机同时工作，以便于多片单片机之间的同步，一般低于12MHz的方波。本设计采用内部时钟方式。如图3-2。 图3-2 内部时钟电路电路中的电容C1和C2典型值通常取为30pF左右。对外接电容的值虽然没有严格要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性，晶振的振荡频率范围是在1.2MHZ12MHZ。晶振的频率越高，单片机的运行速度也越快。2 “看门狗”电路MCS-51的PC受到干扰而失控，引起程序乱飞，可能会使程序陷入死循环。指令和软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱死循环的困境，这时系统将完全瘫痪。如果操作人员在场，可按下人工复位按钮强制系统复位。但操作人员不能一直监视着系统，即使监视系统，也往往引起不良后果后才复位，这就得采用“看门狗”技术来解决这一问题。“看门狗”技术就是使用一个计数器来不断计数，监视程序循环运行，若发现时间超过已知循环设定时间，则认为系统陷入了死循环，这时计数器溢出，然后强迫系统复位，在复位入口0000H处安排一个出错处理程序，使系统运行正轨。目前“看门狗”电路和掉电保护电路，都已经集成在一片微处理器芯片中，因此MCS-51只需扩展一片微处理器监控芯片即可。本设计采用MAX690芯片。MAX690是美国MAXIM公司的产品，具有以下性能：（1） 具有看门狗电路，进入死循环的时间间隔超过1.6s时，将产生一个复位输出。（2） 具有备用电池切换电路，备用电池可供电给RAM芯片（3） 在微处理器上电、掉电及供电电压时，产生一个复位输出信号（4） 可用于低电平检测3看门狗电路如图3-3所示 图3-3 看门狗电路 前向通道设计 传感器的选择 传感器是一种能将与待测量的能量形式，转化成另一种可供处理查询的能量形式的装置。信号处理电路用于处理信息，而输出器件是一种利用已处理过的信号的装置、显示或动作。 传感器不但对被测信号敏感，而且具有把它对被测变量的响应送出去的功能。也就是说，传感器不是一般的敏感元件，它的输出响应还必须易于传送的物理量。例如弹性膜盒的输出响应是形变，是微小的几何量（位移）不便于远距离传送。如果把膜盒中心的位移转变为电容极板的间隙变化，就称为输出响应是电容量的压力传感器。倘若，再通过适当的电路使电容量的大小为振荡频率的高低，就演变成输出响应是频率值的压力传感器。某些敏感元件的输出响应本来就能够传送到别处测量，例如，铂电阻应变电阻的阻值，热电偶的电动势等，把这些敏感元件称为传感器也未尝不可。由于电信号便于远距离传送，所以绝大多数传感器的输出是电量的形式，如电压、电流、电阻、电感、电容、频率等。也有利用压缩空气的压力大小传送信息的这种方法在抗电磁干扰和防报安全方面比电传送要优越，但气源和线路上的投资较大，而且传送速度较低。近年来利用光纤传送信号信息的传感器正在发展，其抗干扰、防爆、快速性都有突出的优点。总之，传感器的输出物理量不拘一格，其数值范围也没有一定的范围限制。3（1） 温度传感器选择 本设计采用WP-PT100温度传感器，其特性与应用：抗震性好，耐高压，多种温度型号可选择，安装方式多元化，可进行OEM定做，应用与化纤，橡塑，石油，造纸，水电，食品等设备的过程温度测量与控制。其主要技术参数测温元件K，E，J，T，PT100，Cu50测温范围-50-600-1300精度等级CLassA；+（0.15+0.2%t）；CLassB；+（0.3+0.5%t）信号输出：4-20 mADC二线制供电电压：24Vdc,12-36Vdc安装方式：螺纹安装，法兰安装，活套安装应用领域：采用欧美铂电阻元件，利用铂电阻的阻值随温度变化而变化，并呈一定函数关系的特性来进行测温。（2） 压力传感器选择我们在进行流量、压力的信号测量时，所使用的流量传感器、压力传感器都统一装在了变送器上，即信号同时在变送器中测知，并且把它变成420mA的电信号。 本设计采用PT112型压力传感器。 PT112/123/133/142高温熔体压力传感器采用进口元件，与同类进口产品如 Dynisco Gefran 互换，应用于橡胶、塑料、化纤涤纶锦纶、聚脂、蒸汽等高温的精确测量和控制。 PT112系列高温熔体压力传感器是一种基于惠斯登电桥原理而工作的，其耐高温特性可以应用于特殊的的工业，使其成为橡塑，化纤等机械设备中高温流体压力测量与控制的理想产品。 其主要技术参数为： 量 程：0450MPa 综合精度：0.1%FS 0.2%FS 0.5%FS 1.0%FS 输 出 ： 2.0mV/V;3.33mV/V;420mA;05V;15V;010V 工作温度：-10200450； 供电电压： 传感器:10VDC(6-12VDC) 变送器:24VDC(936 V) 长期稳定性：0.1%FS/年 负载阻抗：电流型最大800 电压型50K以上 绝缘电阻：大于2000M 100VDC 振动影响：对于20HZ-1KHZ的机械振动，输出变化小于0.1%FS 密封等级：IP65 信号引出：六芯镀金进口接插件 G1/2 NTP1/4 M16*1.5 其它螺 纹可按用户要求设计 PT112引进美国最新传感器技术和全套先进电路及元器件生产的高精度压传感器，一体化的不锈钢外壳封装和输出标准信号.芯片采用特殊进口材质,高稳定性压力传感器组件,经过高可靠的放大电路及温度补偿,性能更好。外盒采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。该产品有多种接口形式和多种引线 方式,能够最大限度满足客户的需要,适用于工业设备、水利、化工、 医疗、电力，空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制。5（3）水位传感器选择本设计采用CR-601C型水位传感器CR-60系列电容式液位变送器，适用于高温高压、强腐蚀、易结晶、易堵塞等恶劣条件下连续检测可导电的液体。特别适合测量酸碱溶液和锅炉的水位。整机无任何可动或弹性部件，耐冲击、安装方便、可靠性高、精度高、性能价格比好。替代传统的浮球式、投入式、差压式等液位变送器在各种场合下应用有不可比拟的优势。 其性能指标： 检测范围：0.1100m 承压范围: -0.1MPa32MPa 环境温度:-2085 输出信号:420mA、010 mA、020 mA、15V、05V、010V 供电电源:负载电阻0750 DC24V 固定方式:螺纹安装M201.5、M272， 法兰安装DN25、DN40、DN50。特殊规格可按要求定制 现场显示：模拟显示0100%或者直接显示液位高度 CR-60系列电容式液位变送器可将各种液位参数的变化转换成标准电流信号、远传至操作控制室，供二次仪表或计算机装置进行集中显示、报警或自动控制。其良好的结构及安装方式，可适用于高压、强腐蚀、易结晶、易堵塞、防冷结等特殊条件下液位的连续检测，可广泛应用于电力、冶金、化工、食品、制药等各行业和污水处理、锅炉汽包、煤粉包等场所的液位测量。仪表特点：结构简单，无任何可动或弹性元部件，因此可靠性极高，维护量极少。一般情况下，不必进行常规的大、中、小维修：多种信号输出，方便不同系统配置；可用于高温高压容器的液位测量，且测量值不受被测液体的温度、比重及容器的形状、压力影响；特别适用于酸、碱等强腐蚀性液体的测量；完善的过流、过压、电源极性保护。5（4）流量传感器选择 本设计采用LUGB-21流量传感器。LUGB21/ZX涡街流量传感器是一种新型流量传感器，可以用于多种数据散集系统，与XS型流量显示仪配套组成流量计，用于测量管道中液体、气体、蒸汽的瞬时流量和累积流量，并输出信号控制相应设备。该传感器广泛用于电力、机械、轻工、冶金、石油、化工、造纸、科研及城市供水、供热、供气以及各种工业过程控制、能源管理和环境工程等领域。LUGB21/ZX涡街流量传感器工作原理： “卡门涡街”原理，当流体流经传感器本体内的三角柱时，柱体两侧交错产生两列有规则的旋涡，使柱体后的探头体产生交变应力；埋设在探头体内的压电元件受交变应力作用产生的交变电荷分别送给二个电荷转换器，经检测放大器信号处理，转变为脉冲信号或标准电流信号。LUGB21/ZX涡街流量传感器主要特点： 流量传感器的感应元件不直接与被测介质接触，故性能稳定，可靠性高流量传感器内无可动部件，结构简单牢固，因而压损小，维护量小，使用寿命长测量范围度宽：可达15：1，20：1显示：可选配XS型分体显示表，显示瞬时流量与累积流量LUGB21/ZX涡街流量传感器主要技术参数：型号说明：LUGB-21不带现场显示、LUGB-ZX带现场显示，可显示瞬时流量和累积流量测量介质：液体、气体、过热/饱和蒸汽环境温度：-2555，湿度：85%介质温度：（1）普通型：-40130，-10250（2）高温型：-10300，-10380（3）防爆型：-4080精度等级：液体1%；气体1%；蒸汽1.5%输出信号：（1）三线制电压脉冲低电平01V；高电平4V；占空比为50%（2）二线制电流信号420MA供电：24VDC，工作压力：03.2.2 A/D转换芯片的选择A/D转换器的作用是把模拟量转化成数字量，以便于计算机进行处理。随着超大规模集成电路技术的飞速发展，A/D转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。为满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同，性能不同的A/D转换芯片应运而生。A/D转换器的主要技术指标 （1）转换时间和转换速率转换时间：A/D完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数为转换速率。并行式A/D转换器，转换时间最短为20-50ns,5*107-2*107次/S （2）分辨率A/D转换器的分辨率一般用输出的二进制来表示。 （3）转换精度A/D转换器的转换精度定义为一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量值上的差值。本设计采用A/D转换器ADC0809。ADC0809是一个逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。引脚图如图3-4所示。 图3-4 ADC0809引脚图主要特性1）8路8位AD转换器，即分辨率8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100s4）单个5V电源供电 5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085摄氏度 7）低功耗，约15mW。 内部结构 ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，内部结构如图1322所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型DA转换器、逐次逼近 .外部特性（引脚功能） ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图1323所示。下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： AD转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电 （转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入 一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一5V。 GND：地。 ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上. ADC0809转换是采用逐次比较的方法完成A/D转换的，由单一的+5V供电，片内带有锁存功能的8路选一的模拟开关，由A，B，C引脚的编码来确定所选通道。0809完成一次转换需要100us左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到MCS-51的数据总线上，通过适当的外接电路，0809可对0-5V的模拟信号进行转换。6如上所说，其0809接线图如图3-5所示。 图3-5 ADC0809接线图3.3 后向通道设计 DA转换 本设计采用DA转换器DAC0832。 美国国家半导体公司的DAC0832芯片是一个具有2个输入数据寄存器的8位DAC，它能直接与MCS-51单片机相连接，其主要特性如下： （1）分辨率为八位 （2）电流输出，稳定时间为1us （3）可缓冲双输入，单缓冲输入或直接数字输入 （4）单一电源供电 （5）低功耗DAC主要应用：单极性电压输出；双极性电压输出；程控放大器。6DAC0832的引脚图如图3-6所示 图3-6 DAC0832引脚图DI0DI7：数据输入线，TLL电平。 ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。 CS：片选信号输入线，低电平有效。 WR1：为输入寄存器的写选通信号。 XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效。 WR2：为DAC寄存器写选通输入线。 Iout1:电流输出线。当输入全为1时Iout1最大。 Iout2: 电流输出线。其值与Iout1之和为一常数。 Rfb:反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻. Vcc:电源输入线 (+5v+15v) Vref:基准电压输入线 (-10v+10v) AGND:模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地. DGND:数字地,两种地线在基准电源处共地比较好. DAC0832与单片机接线图3-7所示。 图3-7 DAC0832与单片机接线 V/I转换芯片选择 本设计采用V/I转换芯片AD694。 AD694产品是一个单片电流变送器接受高层次的信号输入标准4 -20毫安电流回路为控制阀门，执行器和其他装置中常用的过程控制。输入信号缓冲，是由一个输入放大器，可用于大规模输入信号或缓冲输出从一个电流模式展。辐射校正输入跨度为0 V至2V和0 V至10 V被选上的简单针捷，其他跨度可能被编程与外部电阻器。输出级延伸到2.5Vs和其特殊设计允许输出电压，以扩大共同下文，在双电源运作。闹铃警告的一个开放4-20或不合格的输出阶段。AD694产品的薄膜电阻结果在高水平的精度，而不需要额外调整和标定。外部通过晶体管可用于与AD694产品，以场外负载功率损耗，延长温度范围内运作。 AD694产品，要求噪音免疫4-20A信号传输操作阀门，执行器，以及其他控制装置，以及用于传输的工艺参数如压力，温度，流量。它是建议作为一项替代分立设计中的各种应用在工业过程控制，工厂 ，自动化和系统监控。 其特点： 输出范围 4-20mA辐射校正输入范围:0 V-2.5 V至10 V 精密电压基准:可编程至2.000 V或10.000 v 单或双电源操作 较大的供电电压范围:4.5 V至36 V电源 输入缓冲放大器 开环警钟 可选外置通过晶体管，以减少自热误差 0.002 典型的非线性 7如图3-8所示 图3-8 AD694接线图3.3.3 调节阀 本设计采用HRTP-64KE电动调节阀。 HRTP系列智能电动单座调节阀是HR智能电动调节阀系列产品之一，它由HRL智能型电动执行器与优质的国产阀门相组合构成，是一种高性能的调节阀，可广泛应用于电力、冶金、石油、化工、医药、锅炉、轻工等行业的自动控制系统中。电动执行机构接受420mA/412mA/1220mA/05V/15V等控制信号，改变阀门的开度，同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统，实现对压力、温度、流量、液位等参数的调节。（1）主要特点 配用HRL智能型直行程电动执行器，体积小、规格全、重量轻、推力大、操作方便，无调整电位器，可靠性高、 噪声小。 HRL电动执行器采用一体化结构设计，具有自诊断功能，使用和调校十分方便。 有数字显示窗口，可看到控制信号值、阀位值。 HRL智能电动执行机构功能：带断控制信号故障判断、报警及保护功能。即断信号时可使执行机构或开； 或关；或保持；或在0100%之间予置的任意位置。及带阀门堵转故障判断、报警及保护功能。TP系列采用顶端导向，单座密封机构。与其它同类调节阀相比，具有结构简单、额定流量系数大，阀座泄漏量小等突出优点。另外，带有软密封结构的TP系列既有调节功能又有切断功能，是一种调节切断型的调节阀，也可作切断阀用。（2）主要技术参数 1.执行机构 型 式：HRL智能型直行程机构 输入信号：420mADC/412mA/1220mA/05VDC/15VDC 输入阻抗：250/500K 输出信号：420mADC 输出最大负载：650 断信号阀位置：可任意设置为保持/全开/全关/0100%间予置的任意值 电 源：220V10%/50Hz 推力规格：1KN、2KN、4KN、8KN、10KN、16KN、20KN、25KN 阀作用型式：任意设置正/反作用 保护等级：IP65 基本误差：1.0% 死 区：1.0% 回 差：1.0% 公称通径：20150mm 连接形式：法兰连接按JB79-94标准材 料：WCB、WC6、1Cr18Ni9、CF8M 上 阀 盖：常温型：-17+220 延 长 型：-5017； +220+420 填 料：聚四氟乙烯、四氟石棉、石墨3. 阀内组件 阀内结构：上导向柱塞型单阀芯金属密封、软密型（使用温度低于200） 流量特性：线性、等百分比、快开 泄 漏 量：ABS1、B16、104，金属密封IV、V级软密封VI级 基本误差：1.0% 死 区：1.0% 可调范围：50:13.4 键盘显示电路设计 键盘电路的设计 键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据，传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。 键盘实际上是一组按键开关的集合。通常，键盘开关利用了机械触点的合断作用。 键的闭合与否，反映在行线输出电压上就是呈现高电平或低电平，如果高电平表示键断开，低电平则表示键闭合，通过对行线电平高低状态的检测，便可确认按键按下与否。常采用软件来消除按键抖动。 （1）键盘接口的工作原理常用的键盘接口分为独立式键盘接口和行列式键盘接口。 1）独立式键盘接口独立式键盘就是各键相互独立，每个按键各接一根输入线的电平状态可以很容易的判断哪个按键被按下。在按键数目较多时，独立式键盘电路需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。各种独立式键盘中，各按键均采用了上拉电阻，这是为了保证在按键断开时，各I/O口有确定的低电平，当然如果输入口线内部已有上拉电阻，则外电路的上拉电阻可省去。92）行列式键盘接口行列式键盘适用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上。很明显，在按键数目较多的场，行列式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口线。 （2）行列式键盘工作原理 按键设置在行列线交点上，行列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到+5V上。无按键按下时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由于此行线相连的列线电平决定。 （3）按键的识别方法 扫描法 线反转法（1） 键盘的编码 对于独立式键盘，由于按键的数目比较少，可根据需要灵活编码。对于行列式键盘，按键的位置有行号和列号唯一确定，所以常常采用依次排列键号的方式对键盘进行编码。 本设计采用行列式键盘。（2）键盘的工作方式 单片机应用系统中，键盘扫描只是单片机的工作内容之一。单片机在忙于各种工作任务时，如何兼顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式键盘工作方式的选取应根据实际应用系统中CPU工作的繁忙情况而定，其原则是既要保证能及时响应按键操作，又不要过多占用CPU的工作时间。通常，键盘的工作方式有3种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。这种方式就是只有当单片机空闲时，才调用键盘扫描子程序，反复的扫描键盘，等待用户从键盘上输入命令或数据，来响应键盘的输入要求。2. 定时扫描工作方式单片机对键盘的扫描也可采用定时扫描方式，即每隔一定的时间对键盘扫描一次。在这种扫描方式中，通常利用单片机内的定时器，产生10ms的中断，CPU响应定时器溢出中断请求，对键盘进行扫描，在有按键按下时识别出该键，并执行相应键的处理功能程序。3. 中断工作方式为进一步提高单片机扫描键盘的工作效率，可采用中断扫描方式，既只有在键盘有键按下时，才执行键盘扫描程序并执行该按键功能程序，如果无键按下，单片机将不理睬键盘。 显示电路设计LED是发光二极管英文的缩写。LED显示器是由发光二极管构成的，LED显示器在单片机系统中应用非常普遍。常用的LED显示器分为8段，每一段对应一个发光二极管。这种显示器共有共阴极和共阳极两种显示。LED显示器有动态显示和静态显示2种显示方式。1. LED静态显示方式 LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极或共阳极连接在一起并接地；每位的段码线分别与1个8位的锁存器输出相连。之所以称为静态显示，是因为各个LED的显示字符一经确定，相应锁存器锁存的段码输出将维持不变，直接送入另一个字符的段码为止。在多位LED显示时，为简化硬件电路，通常将所有位的段码线相应段并联在一起，由1个8位I/O口控制，形成各位的分时选通。9其键盘显示电路如图3-9所示 图3-9 键盘显示电路 利用并行I/O芯片8155H实现键盘/显示 89C-51单片机用扩展I/O接口芯片8155H实现4为LED显示和12键的键盘/显示接口电路。其单片机与8155H的 接口电路如图3-10所示。 图3-10 单片机与8155H接口电路 3.5 报警电路设计 在单片机测控系统发生故障或处于某种紧急状态时，单片机系统能发出提醒人们警觉的报警信号或者提示信号，常见的报警信号可分为闪光报警，鸣音报警和音乐报警， 闪光报警闪光报警可用MCS-51的某一I/O口线驱动LED闪烁，只要该I/O口线发出具有一定频率的高低电平信号，即可使LED闪烁。 蜂鸣音报警 蜂鸣音报警接口电路的设计只需要购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过MCS-51的一根口线经驱动器驱动蜂鸣器发声。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7406或者7407低电平驱动。本设计采用蜂鸣音乐报警装置，如图3-11所示 图3-11 蜂鸣报警电路 4 软件设计 开 始4.1 主程序设计 初 始 化 开 中 断扫 描 键 盘 显 示 图4-1主程序流程图4.2 T0定时中断子程序设计 中 断 开 始 Y NN 六 秒 单 元 清0 滤 波 标 度 变 换 报 警 处 理启 动 T0， 开 中 断 恢 复 现 场重 新 载 入 时 间 常 数 D/A 输 出 PID 运 算 滤 波 到 六 秒 ？ 一 秒 单 元 清 0到 1秒 ？ 关 中 断 保 护 现 场 Y 调 样 子 程 序 2 调采样子程 序 1 标 度 转 换 中 断 返 回 图4-2 T0定时中断子程序流程图4.3 采样子程序设计 采样子程序包括采样子程序1和采样子程序2。采样子程序是1对蒸汽流量和给水流量进行采集，采样子程序2是对温度、压力、液位、蒸汽流量和给水流量进行采集。 开 始 设N=2 选 择0809的 INX通道 调 样 子 程 序 启 动 A/D 转 换 返 回 延 时 图4-3 采样子程序1流程图 设N=5 读 取 结 果 调 样 子 程 序 指向下一个存储单元 返 回 图4-4 采样子程序2流程图N采集四次 ？NYN路采集完？Y 返 回 图4-5 采样子程序流程图4.4 键盘子程序的设计 开 始 8155 初 始 化 全 列 置 零 扫 描 N 有按键否？Y 延 时 10ms NYYNYN调整为下一列四列完否？ 返 回 执 行 按 键 功 能 定 位 键 号 某行有按键？ 逐 列 扫 描 确有按键？ 全列置零扫描Quanliezhilingsaomiao 图4-6 键盘子程序流程图 延 时 段码 PB口 置显示缓冲区首位置 置位选码初值 查 段 码 表 位选码 PA口 8155 初 始 化 开 始4.5 显示子程序的设计 YN 调 整 位 选 码 返 回4位显示完否？ 指向下一显示缓冲区地址 图4-7 显示子程序流程图4.6 滤波子程序设计无论在硬件电路设计上采取多少抗干扰措施，都不可能完全消除干扰信号，因此，外界的干扰信号总是或多或少地要进入系统中。数字滤波是通过一定的计算程序对采样信号进行平滑加工，提高其有用信号，消除和减少各种干扰和噪音，提高采集数据可靠性的一种滤波方法。它具有工作稳定、受环境影响小、算法灵活、精度可控等优点目前己有多种基于微控制器的数字滤波方法。 对于变化速度快的信号(流量、压力等)可采用算术平均滤波法。算术平均滤波法就是对一般具有随机干扰的信号进行滤波。这样信号的特点是有1个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。这种滤波当n值较大时，信号的平滑度高，但是灵敏度低；当n值较小时，平滑度低但灵敏度高。 通过上述比较，在此系统中数字滤波采用算术平均滤波法。8 取4次采样数据之和求算术平均值开始返回 图4-8 滤波流程图 4.7 标度变换 标度变换 是将测量的模拟量（电压 或电流）转换成可以显示的数值。 测控系统中的被测变量如温度、压力等的单位与数值都不相同。但它们经传感器转换成电信号后又经信号调理转换成统一的0-5V、1-5v等信号,然后经AD转换变成00H-FFH(8位)或000H-FFFH(12位）等的数字信号。 测控系统的监测装置要求按被测变量的工程单位进行显示，因此，还需把上述的数字信号转换成带有不同工