鍋爐多路風(fēng)壓風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
2008-04-12 00:00:00楊飛惠晶
現(xiàn)代電子技術(shù) 2008年12期
摘 要：介紹燃煤鍋爐多路風(fēng)壓風(fēng)速數(shù)字監(jiān)測(cè)儀，該儀表是以微處理器89C52單片機(jī)為核心的多路信號(hào)數(shù)字采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。儀表外部接口通過(guò)熱電阻、差壓儀表進(jìn)行溫度、壓力檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)燃煤鍋爐多路風(fēng)壓、風(fēng)速、溫度的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示與報(bào)警。熱電阻接成三線制形式，消除阻值漂移和導(dǎo)線電阻的影響，實(shí)現(xiàn)阻抗自動(dòng)補(bǔ)償。輸出的電流信號(hào)經(jīng)模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行采樣，并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器，最后通過(guò)CPU處理后，輸出風(fēng)速、風(fēng)壓、相應(yīng)通道編號(hào)等。
關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐；多路監(jiān)測(cè)；風(fēng)壓；風(fēng)速；數(shù)字儀表
Application and Design of Measuring Breeze Press and Speed with Various Channels for Boiler
YANG Fei，HUI Jing
(Institute of Electric Automation，Jiangnan University，Wuxi，214122，China
Abstract：The application and design of measuring breeze press and speed with various channels in coal-burning boiler are introduced mainly in this paper.Microprocessor 89C52 is the core of the meter，which makes a part of the multi-channel signal and data acquisition system.It measures the temperature and pressure with the help of resistance thermometer sensor and differential manometer，which realizes real-time collection，measurement，display and warning of the multi-channel wind pressure，wind speed and temperature of the industrial boiler.Resistance thermometer sensor connected in the form of three wire systems can eliminate the effect of resistance drift and resistance of wire，and make the automatic compensator of impedance come true.Output current is transformed into voltage signal via sampled by analog switch.Then，the amplified voltage signal is carried to A/D.Finally，it shows the wind speed，wind pressure and channel number after the processing of CPU.
eywords：coal-burning boiler;various channels measure;breeze press;wind velocity;digital meter
1 引 言
風(fēng)量和煤粉的均勻分配是保障工業(yè)燃煤鍋爐安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要條件，也是保證煤粉充分燃燒的決定性因素。鍋爐良好的燃燒狀態(tài)可有效避免爐內(nèi)火焰中心偏移、防止?fàn)t鏜兩側(cè)溫差過(guò)大、降低能耗及提高設(shè)備的使用壽命。因此，采用科學(xué)的方法，較為精確的實(shí)時(shí)監(jiān)控各噴燃器入口的風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度等參數(shù)，是工業(yè)燃煤鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必備前提。
在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，由于受測(cè)量手段等諸多因素的影響，目前國(guó)內(nèi)電廠對(duì)工業(yè)燃煤鍋爐一、二次風(fēng)速的檢測(cè)普遍采用靜壓測(cè)量方式，因此不能正確反映一、二次風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)速等狀況；此外，由于在單位時(shí)間內(nèi)，進(jìn)入噴燃器的風(fēng)量不僅取決于壓力，還與風(fēng)速、溫度有著密切的關(guān)系，增加了測(cè)量難度。傳統(tǒng)的鍋爐參數(shù)測(cè)量多采用單通道、專門(mén)功能的計(jì)量?jī)x表，不能滿足多通道的綜合檢測(cè)、集中監(jiān)控與數(shù)據(jù)比較分析的需要。本設(shè)計(jì)采用低成本的單片機(jī)和外圍監(jiān)測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)燃煤鍋爐多通道風(fēng)壓、風(fēng)速、溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示，并與上位機(jī)通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、打印與存儲(chǔ)。
2 系統(tǒng)組成和工作原理
2.1 系統(tǒng)組成
本監(jiān)測(cè)儀采用89C52單片機(jī)作為核心控制器件，按照模塊化的設(shè)計(jì)原則，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為：CPU主控卡、通道控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、A/D轉(zhuǎn)換、放大電路、鍵盤(pán)及顯示等功能模塊，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
模塊化設(shè)計(jì)的結(jié)果使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，便于維護(hù)，可靠性得到提高，而且也使系統(tǒng)的功能擴(kuò)展成為可能，可為系統(tǒng)預(yù)留一定的升級(jí)空間。
2.2 工作原理
鍋爐多路風(fēng)壓、風(fēng)速在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理為：鍵盤(pán)／顯示模塊作為外設(shè)與CPU實(shí)現(xiàn)人－機(jī)信息交流；同時(shí)，CPU經(jīng)通道控制模塊選擇采集通道，對(duì)被選擇通道的數(shù)據(jù)相繼進(jìn)行信號(hào)采集、放大、A/D轉(zhuǎn)換后輸入CPU，在CPU內(nèi)部經(jīng)運(yùn)算、比較、數(shù)值轉(zhuǎn)換處理后輸出到鍵盤(pán)／顯示模塊，顯示所要監(jiān)測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)要求顯示風(fēng)壓大小時(shí)，直接將采集的風(fēng)壓數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)放大、轉(zhuǎn)換即可；當(dāng)要求顯示風(fēng)速大小時(shí)，則須將采集的風(fēng)壓和溫度數(shù)據(jù)按照式(4計(jì)算(軟件程序計(jì)算后，送鍵盤(pán)/顯示模塊顯示相應(yīng)通道及風(fēng)速。
3 硬件設(shè)計(jì)
3.1 通道選擇電路
本系統(tǒng)共有16路數(shù)據(jù)采集通道，表1為通道選擇真值表，可以通過(guò)89C52的P1口控制16個(gè)通道的選通狀態(tài)（Q1～Q4）。圖2為通道選擇控制電路，8D鎖存器74LS373的輸入引腳D1～D8與89C52的P1口連接，輸出腳Q1～Q6用于選擇控制16個(gè)通道，其中：Q4，Q5，Q6分別與A1 (74LS138 的A、B、C腳相連；定義A1的輸出口Y0，Y1為A2或A3的片選控制信號(hào)，當(dāng)Y0為低電平時(shí)選擇A2芯片工作，當(dāng)Y1為低點(diǎn)平時(shí)選擇A3工作；74LS373的Q1，Q2，Q3則分別與A2，A3芯片的A，B，C腳直接相連，實(shí)現(xiàn)采集通道的8選1控制，再與Q4高/低電平2個(gè)狀態(tài)結(jié)合，就可實(shí)現(xiàn)16路通道的選擇。
3.2 程控信號(hào)放大電路
傳感器輸出的電壓信號(hào)比較小，與A/D轉(zhuǎn)換輸入端口不匹配，必須在A/D轉(zhuǎn)換前加一個(gè)信號(hào)放大電路，選用超低漂移高精度運(yùn)算放大器OP07。又由于通道數(shù)較多，各通道參數(shù)的精度、量程不同，因此，監(jiān)測(cè)到的信號(hào)需要根據(jù)不同的通道，選擇合適的放大倍數(shù)，更好地完成信號(hào)的放大處理，為A/D轉(zhuǎn)換器提供更為精確的采集信號(hào)。
圖3為放大電路，采用4路選擇開(kāi)關(guān)CD4052芯片來(lái)選擇放大倍數(shù)i。用圖2中的74LS273的Q7，Q8輸出端口控制CD4052芯片，選擇X0，X1，X2，X3，實(shí)現(xiàn)電阻，R1，R2，R3，R4，的切換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)改變放大倍數(shù)的目的。
3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路
選用ADI公司的16位串行口的A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7715，它使用開(kāi)關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程，只有1路模擬輸入［1］。逐次轉(zhuǎn)換各個(gè)通道數(shù)據(jù)，將轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器里，需要用時(shí)再取出來(lái)。該芯片具有自校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，可以消除零點(diǎn)誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響。
圖4為AD7715與89C52的連接，單片機(jī)的P2.2，P2.1，P2.0引腳分別與AD7715的SCL、DRDY、DOUT(DIN引腳連接。由于AD7715的輸入與輸出不同步，所以輸入與輸出引腳接在單片機(jī)的同一個(gè)引腳P2.0上［2］。AD7715的片選信號(hào)（CS）直接接地，模擬信號(hào)由AIN（+）引腳進(jìn)入，經(jīng)轉(zhuǎn)A/D換后由DOUT輸出數(shù)字信號(hào)到單片機(jī)，而單片機(jī)運(yùn)算處理過(guò)的數(shù)據(jù)則由DIN輸入給AD7715，其中AIN（+），AIN（-），DIN，DOUT均是串行口。MCLIN，MCLOUT主時(shí)鐘信號(hào)端（即晶振連接端）。
采用8279鍵盤(pán)顯示專用芯片與單片機(jī)相連。在該設(shè)計(jì)中，一共設(shè)置了6個(gè)控制鍵，6個(gè)LED數(shù)碼顯示管（前2個(gè)用來(lái)顯示被測(cè)通道號(hào)，后4個(gè)用來(lái)顯示所監(jiān)測(cè)通道的具體數(shù)值）；其中6個(gè)按鍵的功能說(shuō)明如下：
“設(shè)置”鍵：通電后儀表可隨時(shí)按“設(shè)置”鍵，進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，輸入密碼，再次按“設(shè)置”鍵，可修改設(shè)置參數(shù)（密碼錯(cuò)誤時(shí)，按設(shè)置鍵將返回監(jiān)測(cè)狀態(tài)），當(dāng)該參數(shù)項(xiàng)不需要修改時(shí)，可直接按“設(shè)置”鍵，進(jìn)入下一個(gè)參數(shù)的設(shè)定。
“定點(diǎn)”鍵：按“定點(diǎn)”鍵，顯示方式將在固定顯示某一通道的參數(shù)和循環(huán)顯示各通道參數(shù)兩種方式間來(lái)回切換。如原來(lái)為定點(diǎn)方式，按“定點(diǎn)”鍵，將變?yōu)檠h(huán)顯示方式；如原來(lái)為循環(huán)方式，按“定點(diǎn)”鍵，將變?yōu)槎c(diǎn)顯示方式。
“∨” 、“∧”鍵：設(shè)置數(shù)據(jù)采集通道。在循環(huán)顯示方式時(shí)，按上下鍵無(wú)效，在定點(diǎn)方式時(shí)，通道號(hào)分別加減1。
“切換”鍵：可使顯示內(nèi)容為風(fēng)速、風(fēng)壓顯示兩個(gè)參數(shù)中的一種，如原來(lái)顯示風(fēng)速，按“切換”鍵，數(shù)碼顯示管將顯示風(fēng)壓值。
“復(fù)位”鍵：將外部512 B RAM中的數(shù)據(jù)傳送給上位PC 機(jī)，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)打印。
3.5 可編程看門(mén)狗監(jiān)控E2PROM X25045電路
89C52單片機(jī)有8 kB內(nèi)部程序存儲(chǔ)器空間，256 B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。系統(tǒng)的程序量不大，8 kB內(nèi)部程序存儲(chǔ)器空間可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，無(wú)需外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器；多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)據(jù)頻繁、數(shù)據(jù)量比較大的系統(tǒng)，256 B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間達(dá)不到要求，需要外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來(lái)保存和處理采集的數(shù)據(jù)。
采用串行E2PROM器件X25045芯片作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。其主要特點(diǎn)為：利用低VCC檢測(cè)電路，可以保護(hù)系統(tǒng)使之免受低電壓狀況的影響；存儲(chǔ)器部分是CMOS的串行E2PROM，內(nèi)部按512×8組織，10萬(wàn)次寫(xiě)入次數(shù)，100年數(shù)據(jù)儲(chǔ)存［3］；看門(mén)狗定時(shí)器對(duì)單片機(jī)提供了獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)。圖5是X25045與單片機(jī)的連接圖。在整個(gè)工作期內(nèi)，片選CS端為低電平；WP端為高電平時(shí)，所有寫(xiě)保護(hù)功能正常。SC，SI，SO分別接單片機(jī)的P2.4，P2.5，P2.6。其中SC串行時(shí)鐘輸入，上升沿寫(xiě)入數(shù)據(jù)或命令，下降沿輸出數(shù)據(jù)；SI串行輸入，由此引腳逐位寫(xiě)入數(shù)據(jù)或命令；SO串行輸出，由此引腳逐位輸出數(shù)據(jù)。
3.6 檢測(cè)電路
該系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)風(fēng)壓與風(fēng)速2個(gè)參數(shù)，而風(fēng)速是有風(fēng)壓與溫度計(jì)算得到的，計(jì)算公式見(jiàn)式（4）。
在風(fēng)壓監(jiān)測(cè)時(shí)，將采集到的電流信號(hào)通過(guò)電阻轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，電壓大小等于該電阻上的電壓，得到的電壓信號(hào)通過(guò)放大器放大，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，再根據(jù)存儲(chǔ)在RAM中的數(shù)據(jù)查找到相應(yīng)的壓力即可得到相對(duì)的壓力大小。
在溫度監(jiān)測(cè)時(shí)，見(jiàn)圖6，采用熱電阻的三線接法來(lái)監(jiān)測(cè)溫度［4］，這樣可以消除導(dǎo)線電在實(shí)際應(yīng)用中，事先將溫度平均分成很多段，用中值法算出每段中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度值，然后根據(jù)這些點(diǎn)描出電阻-溫度的曲線，通過(guò)軟件部分制成表，放入單片機(jī)的RAM中，然后在巡測(cè)過(guò)程中通過(guò)查表可以知道此電阻值所對(duì)應(yīng)的溫度值。
4 軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)用單片機(jī)內(nèi)部 RAM及其中斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集、暫時(shí)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示以及其他的輔助功能。在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，考慮到程序的可讀性，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性以及升級(jí)的需要，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)一定的功能，這樣模塊與模塊之間能相對(duì)獨(dú)立，使得程序結(jié)構(gòu)清晰。程序設(shè)計(jì)主要分主程序模塊、A/D采集模塊、鍵盤(pán)處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、存儲(chǔ)顯示模塊等幾個(gè)部分。[LL]圖7為主程序模塊的流程圖。
5 結(jié) 語(yǔ)
該設(shè)計(jì)以低成本集成單片機(jī)為核心，組成軟件與硬件相結(jié)合，數(shù)字技術(shù)與模擬技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)，對(duì)工業(yè)環(huán)境中多通道的溫度、風(fēng)壓、風(fēng)速等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示，在需要打印的時(shí)候還可以打印出需要的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、操作方便、性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用的證明能夠滿足工業(yè)燃煤鍋爐多路風(fēng)壓、風(fēng)速、溫度的檢測(cè)工藝需要。
參 考 文 獻(xiàn)
［1］孫海，孟祥，鄧學(xué)偉．AD7715模/數(shù)轉(zhuǎn)換器在小信號(hào)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］．測(cè)控技術(shù)，2003（22）：66-68． ［2］Analog Devices inc.16-Bit sigma-delta ADC AD7715 ［EB/OL］.http://www.anlog.com，2000.
［3］龍可微．X25045芯片及其應(yīng)用［J］．電子技術(shù)應(yīng)用，1999（9）： 70-72．
［4］劉振全，王漢芝．金屬熱電阻傳感器在多路溫度監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．傳感器世界，2006（12）：26-27．
