基于C8051F020海水預處理模塊測控系統設計
2012-04-12 00:00:00李利平益斌劉張超楚萬秀
現代電子技術 2012年5期
摘 要：根據對海水預處理模塊控制要求的分析研究，提出設計一套能同時調節海水溫度和流量的預處理模塊控制器，該控制器使用Cygnal 公司8位微處理器C8051F020作為主芯片，并給出了測控模塊軟、硬件設計方案，該控制器已經在海水預處理模塊上試驗成功。試驗結果表明，該控制器設計穩定，具有很好的工程應用價值。
關鍵詞：預處理; 死區; 調理模塊; 海水淡化
中圖分類號：
TN911.7-34; TP237
文獻標識碼：A
文章編號：1004-373X(2012)05
-0121
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Measurement and control system for pretreatment module of seawater based on C8051F020
LI Li-ping， YI Bin， LIU Zhang-chao， CHU Wan-xiu
(shanghai 711 Research Institute， Shanghai 200090， China)
Abstract：
A pretreatment module controller for adjusting the seawater temperature and flow simultaneously was designed by analyzing the requirement on pretreatment module of seawater. C8051f020 of Cgynal Corporation was used as main chip of the controller， the software and hardware design scheme was proposed. The controller has been used for the pretreatment module of seawater successfully， the results of experiment indicate the controller steady in running and is of great engineering application value.
Keywords： pretreatment; deadzone; adjustment; seawater desalt
收稿日期：2011-10-13
0 引 言
在對海水淡化裝置實際使用過程中發現，裝置實際工作參數一般不同于設計工作參數，使得裝置無法發揮原設計系統流程特點，性能不佳；這種情況是由于實際進入裝置的海水溫度很難與設計溫度一致造成的。此類現象對于海島用海水淡化裝置影響尤其明顯：由于其特殊使用環境和條件，在不同季節和海域，海水入口溫度變化很大，造成裝置運行不穩定，產水量不足、水質下降嚴重，甚至不能工作。
為克服此類問題，本項目開展了海水進口調節模塊設計技術研究，使控制器具有海水進口溫度、流量的調節作用，始終保證進入裝置的海水進口溫度在設定值，使得裝置的流程參數在不斷變化的外界環境條件下保持在設定工況參數不變，從而保證淡水產量和水質，也使得裝置易于控制和維護。
1 系統設計
根據對系統要求分析，設計出海水預處理系統(如圖1中虛線框內)，將進入海水淡化裝置的海水與裝置排出的濃海水進行預混合，利用濃海水的余熱，控制海水原水和濃海水比例，將進淡化裝置水混合成系統需要溫度和流量的海水。
從系統圖可以看出，進入海水淡化裝置進水量(Q)應保持恒定，控制關鍵在于管路上的兩個線性閥調節的控制，它用于調節進入混合器的海水(Q1)與濃海水(Q2)的比例，由于進入海水溫度隨時變化，所以調節器應該是隨動系統。
2 控制器硬件設計
控制器分為硬件部分和軟件部分，硬件部分又分為：電源模塊、處理器模塊、A/D轉換模塊、D/A輸出及放大模塊、溫度調理模塊以及通信模塊，整個系統的硬件結構原理如圖2所示。
電源模塊主要是為系統處理器供電，并為傳感器和D/A輸出提供隔離的電源；處理器模塊是系統的控制核心，采用美國Cgynal公司開發的基于8051內核的C8051F020，C8051FXXX系列單片機是完全繼承的混合信號系統級芯片(SoC)，具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內核。它在一個芯片內集成了構成一個單片機數據采集或控制系統所需要的幾乎所有模擬和數字外設及其他功能部件。它把原來8051系統中斷源由7個擴展到了22個，中斷系統需要更少的MCU干預，內部集成了能獨立工作的時鐘發生器，以及A/D轉換器、D/A輸出、SPI總線接口、5個16 b定時器、多達64個可編程I/O端口。
C8051F020內部集成了A/D轉換模塊，此模塊用于將各路傳感器信號轉換成數字信號，本控制系統中主要是對海水流量和線性調節閥的位置進行測量，海水流量輸出的是4~20 mA的標準信號(Flow1，Flow2)，通過采樣電阻R13和R16轉換成1~5 V電壓信號后進行A/D轉換，而線性調節閥位置反饋直接決定了進入混合器的濃海水和海水的混合比例，其輸出信號為電壓信號，直接經過濾波后進入MCU進行A/D轉換。流量采集模塊原理如圖3所示。
線性調節閥用于控制海水和濃海水進入混合器的比例，其開度與輸入控制電壓(0~10 V)成線性關系，MCU通過SPI總線與芯片LTC2622互連，LTC2622將MCU輸出數字信號轉換成模擬電壓信號(0~2 V)后控制線性調節閥，采用SPI總線連接數模信號可以避免信號間的串擾，而LTC2622輸出電壓信號(0~2 V)需要經過LM258放大5倍后連接到線性調節閥的輸入端。D/A輸出轉換模塊原理圖如圖4所示。
海水淡化裝置要求經過混合起后的海水溫度為一個定值，為了滿足溫度要求，必須準確測量入口及出口處的海水溫度，溫度調理模塊主要是對PT100信號進行調理并輸出標準信號到MCU，本控制器選用XTR105作為溫度調理模塊，該芯片是美國BURR-BROWN公司生產的專用于溫度檢測系統中的溫度-電流變送器，它可以將電阻溫度變送器中的電阻值隨溫度的變化量轉換成電流信號，該電流值僅與RTD阻值有關，而與線路電阻無關，不僅可以消除線路電阻所產生的誤差，而且可以對鉑熱電阻中的溫度二次項進行線性補償，提高溫度檢測系統的線性度和精度，詳細的溫度測量模塊如圖5所示。
通信模塊將設定流量和溫度傳輸到控制器，并實時顯示預處理模塊各個參數。本控制器采用通用RS 232接口直接與PC互連。
3 控制器軟件設計
系統軟件分為主流程和多個子流程，主流程主要是對各路傳感器信號進行循環轉換采集分析，并對采集到的實際值與理論值進行比較，然后反饋到兩路線性調節閥的開度上，由于系統設計必須滿足溫度和流量兩個設計值，所以在控制策略上分為兩個流程分別對溫度和流量進行調節。對于溫度誤差允許的死區范圍為±0.5 ℃，流量誤差為±0.1 L。如果系統溫度和流量在死區范圍內，不進行調節，只計算理論與實際值誤差，超出誤差范圍后進行分段調節，即在調節過程中不斷比較，一旦滿足調節立刻停止。采用這種調節方式可以使系統很快收斂，具體系統主流程圖如圖6所示。
線性調節閥是采用模擬信號進行控制的，本控制器采用了帶SPI總線的D/A輸出模塊LTC2622，C8051F020內部集成SPI總線接口，進行硬件連接后，只需要進行簡單的初始化配置后即可以進行數據通信。
圖6 系統主流程圖
SPI總線發送數據程序如下：
CS=0;
Delay();
do
{
SCK=0;
Delay();
if(dax10x80)SDI=1;
else SDI=0;
Delay();
SCK=1;
Delay();
dax1<<=1;
count--;
}while(count);
控制系統對各路傳感器的采集應該是實時的，本控制器模擬量通道數為7路，而C8051F020本身自帶的A/D轉換通道為16路，其中8路為12位采集精度，對每組轉換值取算術平均，完全滿足控制器的要求，采用定時器定時溢出觸發方式啟動轉換，系統初始化完成就一直處于轉換運行狀態。
A/D轉換子程序如下：
static unsigned char channel = 0;
static unsigned char int_five = INT_FIVE;
static long total = 0;
AD0INT = 0;
total += ADC0;
int_five--;
if(int_five==0)
{
int_five = INT_FIVE;
Ad［channel］ = total/INT_FIVE;
total = 0;
channel++;
if(channel == 7)channel = 0;
AMX0SL = channel;
}
4 控制器試驗
為了驗證控制系統可行性，按照系統圖1設計一套預處理裝置，分別在海水入口、混合器出口以及濃海水排出口安裝PT100溫度傳感器，在混合器出口和濃海水出口處安裝流量傳感器，而海水進口流量則為兩者之差。本系統設計了兩項試驗用于驗證裝置的可控性。
試驗1：
進入模塊的海水溫度T1變化，模塊可自動調節到期望的參數值，即混合后(出模塊、進入海水淡化裝置)的模塊出水溫度和流量可控。
試驗2：
進入模塊的海水保持溫度T1不變，模塊出水可按設定值輸出，滿足海水淡化裝置變負荷要求(不同進水流量)。
兩項試驗的數據見表1。
上述兩項試驗說明：無論外界海水溫度是否穩定，模塊總能將海水調節至所需的溫度和流量值，滿足海水淡化裝置設計點需求。
5 結 論
本文介紹了Cygnal C8051F020單片機在海水淡化裝置海水預處理上的應用，開發出一種預處理控制器，用實際應用進行了驗證。該控制器充分利用了C8051F020的內部資源，不但大大縮短了項目開發周期，而且減少了外擴單元，降低了項目成本。
參 考 文 獻
［1］潘琢金，施國君.C8051Fxxx高速SOC單片機原理及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002.
［2］何立民.MCS-51系列單片機應用系統設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，1990.
［3］中國集成電路編寫委員會.CMOS集成電路［M］.北京：國防工業出版社，1985.
［4］譚浩強.C語言程序設計教程［M］.北京：高等教育出版社，1992.
［5］馬忠梅，馬巖.單片機C語言程序設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，1997.
［6］謝瑞和.串行技術大全［M］.北京：清華大學出版社，2003.
作者簡介：
李利平 男，1979年出生，工程師，碩士研究生。現主要從事機艙自動化研究工作。
