单片机锅炉汽包水位控制系统设计

2013 届本科毕业设计（论文）引 言21世纪自动控制技术在工程和科学发展中起着极为重要的作用，热力发电厂的生产过程中也毫无例外的采用了自动控制技术。在热力发电厂的生产过程中采用的热工自动控制系统，是伴随着社会对电能需求的日益增加、单机容量的日益扩大和自动控制技术在热力发电厂中应用的深度与广度与日俱增而逐步发展起来的。维持锅炉水位在一定的范围内变化，是汽机和锅炉安全经济运行的重要条件。若水位过高，会影响汽包的汽水分离装置的正常工作，导致锅炉出口蒸汽带水和含盐量过大，使过热器受热面结垢甚至破坏，影响机组的正常运行和经济性指标。若汽包水位过低，会使锅炉水循环工况破坏，造成水冷壁供水不足而烧坏。随着锅炉参数的提高和容量的扩大，对给水控制提出了更高的要求。随着锅炉容量的增大，锅炉负荷变化对水位的影响加剧了。另外，锅炉工作压力的提高，使给水调节阀和给水管道系统相应复杂，调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。因此，随着汽包锅炉朝着大容量、高参数的发展，给水系统采用自动控制是必不可少的，它可以保证水位控制的准确性，保证锅炉运行的安全可靠，而且大大减轻运行工作人员的工作强度，减少人为因素的影响。从经济性和实用性两个方面考虑，我们采用8051单片机对汽包锅炉水位进行控制。2013 届本科毕业设计（论文）第一章 单冲量汽包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，改变给水量以保持汽包水位在允许的范围内。单冲量水位控制系统，是汽包水位自动控制系统中最简单、最基本的一种形式。控制系统由汽包、变送器、调节器（微处理机） 、给水调节阀及相关电路组成。1.1 单冲量汽包水位控制系统的介绍单冲量汽包水位控制系统的优点是：系统结构简单，对锅炉汽包容量比较大，汽包水位受到扰动后的反应速度比较慢， “虚假水位 ”现象不很严重的锅炉，采用单冲量水位控制就能满足生产要求。单冲量汽包水位控制也存在着一些缺点，主要有：（1）单冲量控制方案只根据水位信号控制给水量，在锅炉负荷变化大，即阶跃扰动很大时，由于锅炉的“虚假水位” 现象，例如负荷蒸汽增加时，水位一开始先上升，调节器只根据水位作为控制信号，就去关小阀门减少给水量，这个动作对锅炉流量平衡是错误的，从而在过程一开始就扩大蒸汽流量和给水流量的波动幅度，扩大了进出流量的不平衡。（2）从给水扰动下水位变化的动态特性可以看出，由于给水压力变化等原因造成给水量变化时，调节器要等到水位变化后才开始动作，而在调节器动作后又要经过一段滞后时间 才能对汽包水位发生影响，因此必将导致汽包水位波动幅度大，过程时间长。这种系统结构简单，运行可靠，适用于水容量大，飞升速度小，负荷变化也不大，控制质量要求不高的小容量系统。1.2 被控对象的确定本设计的控制对象是汽包水位 H，为了能够实时监控水位，采用平衡容器把水2013 届本科毕业设计（论文）位信号转换成差压信号，此信号经差压信号管路传送至差压计，通过差压计显示水位，即所谓的差压式水位计。1.2.1 差压式水位计差压式水位计是通过把液位高度变化转化成差压变化来测量水位，因为其测量仪表就是差压计。差压式水位计准确测量汽包水位的关键是水位于差压之间准确转换，这种转化是通过平衡容器实现的，常用的双室平衡容器结构如图 1-1 所示。图 1-1 双室平衡容器正压头是从宽容器中引出，负压头是从置于宽容器中的汽包水侧连通管中取得。宽容器中的水面高度是一定的。当水面要增高时，水便通过汽侧连通管溢流入汽包；要降低时，由蒸汽冷凝水来补充。因此当宽容器中水的密度一定时，正压头为定值。负压管与汽包是连通的，因此，负压管中输出压头的变化反映了汽包水位变化。按照流体静力学原理，当汽包水位在正常水位 H0（即零水位）时，平衡容器的差压输出 p0 为（1-1）gLgL302010 )(式中： 为饱和蒸汽密度；其他符号的意义如图 1-2 中所示。s当汽包水位偏离正常水位变化 H 时，平衡容器的差压输出 p 为2013 届本科毕业设计（论文）（1-2）Hgpps)(20L、H 0 为确定值，若 、 和 为已知的确定值时正常水位相对的差压输出12sp0 就是常数，也就是说差压式水位计的零水位差压是稳定的。平衡容器的输出差压 p 则是汽包水位变化 H 的单值函数。水位增高。输出差压减小。应当指出，上述半衡容器在实际使用中，它存在的下列问题会造成差压水位计指示不准：（1）由于平衡容器向外散热，正、负压容器中的水温由上至下逐步降低，且温度分布不易确定。因此用式（1-1） 、式（1-2）分度差压计时，因密度 和 的数值12很难准确确定，分度好的差压式水位计装到现场后，其指示值与云母水位计的指示值不一致。即使在现场对照云母水位计的指示调整好刻度值。随着使用情况的变化，还会由于 和 数值改变而指示不准。为解决这个问题，可通过改进平衡容器结构。12设法使 和 为已知确定值例如，用蒸汽套保温，可使 和 都等于汽包压力下12饱和水的密度 ，这叫，差压 p 和水位 H 有以下关系式：w（1-3）ggLswsw)()(（2）一般，差压式水位计是在汽包额定工作压力下分度的。因此差压式水位计只有在汽包额定工作压力下运行时其指示才正确。当汽包压力变化时，饱和水密度和饱和蒸汽密度随之变化，使差压式水位计的指示发生很大误差。 随压力)(sw变化的关系在不同的压力分范围是不同的，如图 1-2 所示。2013 届本科毕业设计（论文）图 1-2 汽包压力和密度差的关系饱和水的密度； 饱和蒸汽密度；ws在室温、汽包压力 p 下水的密度a从图中可见在 313MPa 压力范围内，压力 p 和密度差 的关系非常)(sw接近于线性的，随着压力的降低，密度差 增大。由于双室平衡容器的结构)(sw尺寸 L 总是大于 H所以从式（1-3）可知，当汽包压力低于 F 额定值时，增大使输出 p 增大，因而使差压式水位计指示偏低。由此产生的水位指)(sw示误差还与水位 H、平衡容器结构尺寸 L 有关。 （L-H）越大，指示误差也越大也就是说，低水位比高水位误差大。这种误差在中压锅炉可达 4050mm，在高压锅炉可达 100mm 以上，因此差压式水位计在机组启、停或滑压运行时是不能使用的。2013 届本科毕业设计（论文）1.2.2 平衡容器的改进图 1-3 平衡容器结构示意图改进后的平衡容器结构如图 1-3 所示。在 汽包水位变化时，为了使正在压管中的水位始终恒定，加大了正压容器的截面积（一般要求正压容器直径大于 100mm） ，并在其上安装凝结水漏盘，使得更多的凝结水不断的流入正压容器，正压容器中的水不断溢出。用蒸汽加热的方法使正压容器中的水温等于饱和温度。蒸汽凝结水由漏水管流入下降管。漏水管与下降管连接高度应保证平衡容器内无水而下降管又不抽空，即漏水管内要保持一定高度的水位。负压管直接从汽包水侧引出。为了保证压力引出管的垂直部分水的密度 等于环境温度下水的密度，压力引出管的水平距a离 S 要大于 800mm。正常水位 H0 时，平衡容器的输出差压 p0 为2013 届本科毕业设计（论文） gHLglLp swaw )()( 000 sw)(因为在实际应用中，平衡容器的结构尺寸均为已知量，所以其输出差压与水位的关系为 gglgLgHp swawswsw )()()()(0 （1-4）pl sa 式中 汽包工作压力下的饱和水与饱和蒸汽密度之差；)(sw室温下的过冷水与饱和水密度之差；aL，l平衡容器结构尺寸，如图 1-3 所示。第二章 单片机汽包水位控制系统的总体设计单片机锅炉汽包水位控制系统主要是针对汽包水位控制的一种实际工程应用设计。在热力发电厂中以及用到热力设备的工厂中，汽包水位的控制对锅炉的安全运行极为重要，水位过高、过低都将引起蒸汽品质变坏或水循环恶化，甚至造成严重事故。尤其在机炉启停过程中，炉内参数变化很大，水位变化亦很大，水位的及时控制就更加重要了。因此，汽包水位控制是保证热力设备安全运行的必要条件。所以本设计可以使我们对汽包水位控制系统有一个比较基础的认识，同时又是对所学2013 届本科毕业设计（论文）知识的一个巩固和创新。图2-1为单片机锅炉汽包水位控制系统的总体设计方案。图2-1 单片机锅炉汽包水位控制系统设计方案图本设计中对汽包水位进行压力、和差压的测量，通过电路转换为单片机可以处理的数字信号，经过软件运算，求出水位的高低并得出与正常水位的差值，再将其控制信号利用电路转换成模拟信号，通过执行器对汽包水位进行控制。压力/差压变送器采用的是电容式压力/差压变送器 WT-1151GP，由于其输出的是 420mA 标准电流，而 A/D 转换器接受的是 05V 标准电压，所以应该设计 I/V电流电压转换电路，这样就可以接入 A/D 转换器了。单片机采用 MCS-51 系列中的 8051 单片机，8051 单片机及其小系统的设计是本设计中重要的组成部分。两个模拟信号接到 8051 之前需要将模拟信号转换为数字信号，所以选用的是 8 个模拟量输入通道的 A/D0809，输出是 8 位数字输出接到8051 单片机上。本设计有一个模拟信号输出接口，用来控制执行器从而调节汽包水位的高低，这中间需要一个将数字信号转换为模拟信号的环节，选用的是 8 位的D/A0832，在经过相应的电路转换可以得到 420mA 的标准电流，完成了整个电路的设计。第三章 硬件电路设计3.1 MCS-51 系列 8051 单片机单片机，也称单片微控制器（MCU） ，是把一个计算机系统集成在一块芯片上的微机。片内含有微处理器（CPU） 、只读存储器（ROM） 、随机存取存储器2013 届本科毕业设计（论文）RAM、并行 I/O 口、串行 I/O 口、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。3.1.1 8051 单片机的组成MCS-51 系列 8051 单片机的内部结构框图如图 3-1 所示。MCS-51 单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、并行 I/O 口、串行 I/O 口、定时/ 计数器、中断系统、振荡器等功能部件。图中 SP 是堆栈指针寄存器， PC 是程序计数器，PSW 是程序状态字寄存器，DPTR 是数据指针寄存器。图 3-1 8051 单片机内部结构框图8051 单片机是由中央处理器 CPU（运算器和控制器） 、存储器（RAM 和 ROM） 、I/O 口（ P0、P1 、P2 、P3）以及特殊功能寄存器 SFR 等构成。中央处理器（CPU）是由运算器和控制器构成，是单片机的最核心部分。它的主要功能是读入并分析每条指令，根据指令的功能，控制单片机的各功能部件执行指定的操作。运算器以算术逻辑单元（ALU）为核心，包括累加器（ACC） 、寄存器（B） 、2013 届本科毕业设计（论文）暂存器 1、暂存器 2、程序状态字寄存器（PSW）等许多部件构成。它的功能是完成算术和逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。控制器是单片机的神经中枢，是由指令寄存器 IR、指令译码器 ID、程序计数器PC、堆栈指针 SP、数据指针 DPTR、定时及控制逻辑电路等组成。它先以主振频率为基准发出 CPU 的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的微操作，用来协调单片机内部各功能部件之间的数据传送、数据运算等操作。8051 单片机采用哈佛结构片内存储器，即 ROM 和 RAM 分别在两个独立的空间（分开编址） 。8051 单片机内部有 21 个特殊功能寄存器，它们与内部 RAM 统一编址，离散地分布在 80HFFH 的地址单元中。MCS-51单片机内部有4个8位的并行I/O口P0 、P1、P2、P3。其中P1 口、P2口、P3口为准双向口， P0口为双向的三态数据线口。各端口均由端口锁存器、输出驱动器、输入缓冲器构成。各端口除可进行字节的输入/ 输出外，每个位口线还可单独用作输入/输出，因此，使用起来非常方便。输入/输出引脚 P0 口，P1 口，P2 口，P3 口的介绍。P0 口（P0.0P0.7 共 8 条引脚，即 3932 脚）：是双向 8 位三态 I/O 口。在访问外部存储器时，可分时用作低 8 位地址线和 8 位数据线；在 EPROM 编程时，它输入指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。P0 口能驱动 8 个 LSTTL 输入。P1 口（P1.0P1.7 共 8 条引脚，即 18 脚）：P1 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口。在 EPROM 编程和程序验证时，它接收低 8 位地址，能驱动4 个 LSTTL 输入。P2 口（P2.0P2.7 共 8 条引脚，即 2128 脚）：P2 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。在访问外部存储器时，它送出高 8 位地址。在对 EPROM 编程和程序验证时，它接收高 8 位地址，能驱动 4 个 LSTTL 输入。P3 口（P3.0P3.7 共 8 条引脚，即 10 17 脚）：P3 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。在 MCS-51 单片机中，这 8 个引脚都有各自的第二功能，在实际工作中，大多数情况下都使用 P3 口的第二功能， P3 口的第二功能如下所示：P3.0：RXD 串行数据接收端 P3.1：TXD 串行数据发送端P3.2： 外部中断 0 申请输入端 P3.3： 外部中断 1 申请输入端INTOINTP3.4：T0 定时器 0 计数输入端 P3.5：T1 定时器 1 计数输入端2013 届本科毕业设计（论文）P3.6： 低电平有效，外部 RAM 写选通 P3.7： 低电平有效，外部 RAMWRRD读选通8051 单片机提供全双工串行 I/O 口，可对外与外设进行串行通信，也可用于扩展 I/O 口。8051 单片机有两个 16 位的可编程定时/ 计数器 T0 和 T1，用于精确定时或对外部事件进行计数。8051 单片机提供 5 个中断源，具有两个优先级，可形成中断嵌套。3.1.2 8051 单片机的引脚分布8051 单片机的引脚分布如图 3-2 所示，总线结构如图 3-3 所示。图 3-2 8051 单片机引脚分布3.1.3 8051 单片机的引脚功能8051 的 40 个引脚的功能：1、电源及复位引脚（1）V CC（40 脚）：电源端，接5V。（2）V SS（20 脚）：接地端。（3）RST/V PD（9 脚）：RST 即为 RESET，V PD 为备用电源。该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。当 VCC 电源降低到低2013 届本科毕业设计（论文）电平时，RST/V PD 线上的备用电源自动投入，以保证片内 RAM 中的信息不丢失。（4） /VPP（31 脚）： 为片内外程序存储器选用端。该引脚为低电平时，_EA_EA只选用片外程序存储器；该引脚为高电平时，先选用片内程序存储器，然后选用片外程序存储器。V PP 片内 EPROM 编程电压输入端，当用作编程时，输入 21V 编程电压。2、晶体振荡器接入或外部振荡信号输入引脚（1）XTALl （19 脚）：晶体振荡器接入的一个引脚。采用外部振荡器时，此引脚接地。（2）XTAL2 （18 脚）：晶体振荡器接入的另一个引脚。采用外部振荡器时，此引脚作为外部振荡信号的输入端。3、地址锁存及外部程序存储器编程脉冲信号输出引脚 ALE/ （30 脚）：_PROG地址锁存允许信号输出/编程脉冲输入引脚。ALE 为地址锁存允许信号输出引脚，当8051 单片机上电正常工作时，自动在该引脚上输出频率为 fosc/6 的脉冲序列。当CPU 访问外部存储器时，此信号作为锁存低 8 位地址的控制信号。PROG 为编程脉冲输入引脚，在对片内 ROM 编程写入时，作为编程脉冲输入端。2013 届本科毕业设计（论文）图 3-3 MCS-51 系列 8051 单片机引脚及总线结构4、外部程序存储器选通信号输出引脚（29 脚）：外部程序存储器选通信号，低电平有效。当从外部程序存储_PSEN器读取指令或数据期间，每个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线 P0 口读取指令或数据。5、I/O 引脚（1）P0.0P0.7：8 位数据 /低 8 位地址复用总线端口。（2）P1.0P1.7：静态通用 I/O 口。（3）P2.0P2.7：高位地址总线端口。（4）P3.0P3.7：双功能端口。3.1.4 8051 单片机的结构特点就 CPU 的结构来说，通用微机的 CPU 内部有一定数量的通用或专用寄存器，而 MCS-51 系列 8051 单片机则在数据 RAM 区开辟了一个工作寄存器区。该区共有4 组，每组 8 个寄存器，共计可提供 32 个工作寄存器，相当于通用微机 CPU 中的通用寄存器。除此之外，MCS-51 系列 8051 单片机还有颇具特色的 21 个特殊功能寄存器 SFR。要理解 MCS-51 系列 8051 单片机的工作，就必须对特殊功能寄存器SFR 的工作有清楚的了解。 SFR 使仅具有 40 条引脚的单片机系统的功能有很大的扩展。由于这些 SFR 的作用，每个通道在程序控制下，都可有第二功能，从而使得有限的引脚能衍生出更多的功能。而且，利用 SFR 可完成对定时器、串行口、中断逻辑的控制，这就使得单片机可以把定时/计数器、串行口、中断逻辑等集成在一个芯片上。MCS-51 系列 8051 单片机在存储器结构上与通用微机也有不同之处，通用微机中程序存储器和数据存储器是一个地址空间，而单片机把程序存储器和数据存储器分成两个独立的地址空间，采用不同的寻址方式，使用两个不同的地址指针，PC 指向程序存储器，DPTR 指向数据存储器。采用这种结构主要是考虑到工业控制的特点。一般工业控制系统中，需要较大的程序存储器空间和较小的随机存储器空间，不同于通用微机需要较大的数据存储器空间。MCS-51 系列 8051 单片机在输入输出接口方面的特点是，通道口引线在程序的控制下都可有第二功能，可由用户系统设计者灵活选择。比如数据线和地址线低 82013 届本科毕业设计（论文）位可分时合用通道 0，而地址线高 8 位与其它信号线也可合用通道 2。由于存储器和接口都在片内，就给应用提供了方便，往往只在其引脚处增加驱动器即可简化接口设计工作，提高单片机与外设数据交换的处理速度。同时，功能变换和选择由相应的指令来控制实现，而不是靠硬件上的跳线短接等方法实现。MCS-51 系列 8051 单片机 I/O 引脚一线多功能的特点方便了用户，但在组成应用系统时，也应根据其特点分时使用。MCS-51 系列 8051 单片机的另一个显著特点是内部有一个全双工串行口，即可同时发送和接收；有两个物理上独立的接收、发送缓冲器。发送缓冲器只能写入不能读出，接收缓冲器只能读出不能写入。在程序的控制下，串行口能工作于四种方式，用户可根据需要，设定为移位寄存器方式以扩展 I/O 口和外接同步输入输出设备，或用作异步通信口，以实现双机或多机通信，极为方便地组成分布式控制系统。3.1.5 8051 单片机的主要技术指标（1）8 位 CPU；（2）128B 的数据存储器；（3）32 根 I/O 线；（4）64KB 的片外程序存储器寻址能力，64KB 的片外数据存储器寻址能力；（5）1 个全双工的异步串行口；（6）2 个 16 位定时/计数器；（7）5 个中断源，2 个优先级；（8）4KB 的程序存储器；（9）21 个特殊功能寄存器；（10）1 个片内时钟振荡器和时钟电路。3.1.6 单片机时钟电路单片机时钟电路通常有两种形式：2013 届本科毕业设计（论文）图 3-4 内部振荡方式图 图 3-5 外部振荡方式图1、内部振荡方式：MCS-51 单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图 3-4 为内部振荡方式图。2、外部振荡方式：外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内。图 3-5 为外部振荡方式图。本设计所采用的是内部振荡方式，晶振选择为 12MHz，电容 C1、C2 大小通常为30PF，其接线如图 3-6 所示。图 3-6 晶振接线2013 届本科毕业设计（论文）3.2 变送器的选择变送器的作用是分别将各种工艺变量（如温度、压力、流量、液位）和电、气信号（如电压、电流、频率、气压信号等）转换成相应的统一标准信号。3.2.1 压力变送器的选择本设计中采用的压力变送器为 WT-1151GP 型电容式压力变送器，它是一种新型产品，在工业生产和工艺流程中用来测量液体气体的压力、液位、调节密度等参数。它与其他的仪表和控制装置配合组成自动检测、记录、控制等工业自动化系统。WT-1151GP 型电容式压力变送器主要特点：（1）智能电子部件仅有一块板组成、体积小、重量轻。（2）精度高。（3）可靠性好。（4）量程为 0-0.6KPa0-42000KPa，量程调节的可调节范围大，而且带有正负迁移机构。（5）过载性能好。（6）具有可调阻尼装置，可用于脉动流体的测量。（7）变送器可分为普通型、隔爆型和本质安全型。（8）符合 HART 协议，可用 HART 通讯器 268、275 与本智能表进行双向通讯而不中断输出信号。（9）在采用 HART 协议的分散控制系统中同主机进行双向通讯。（10）具有自我诊断和远方诊断的功能。（11）带有 EPROM 非易失性存储器不怕断电丢失数据。功能参数：（1）使用对象：液体、气体。（2）输出信号：420mA。（3）供电电源：1245VDC，带 LCD 为 1545VDC。（4）负载与供电电源有关，在电源电压 R 与电源电压 V 关系为如图 3-8 所示。2013 届本科毕业设计（论文）图 3-8 负载阻抗与电源电压关系图（5）指示器：现场输出指示有电流表，线性指示 0100%和平方根指示，输出可按百分数显示和 420mADC 显示两种。（6）正负迁移：最大正迁移量为 500%，最大负迁移量不大于大气压。（7）温度范围：放大电路的工作温度为-2575，带现场显示器、防暴型变送器工作温度为-25+75 ，传感器的工作温度为-40+104。（8）储藏温度：-40+100 。（9）容积变化量：小于 0.16 立方厘米。（10）过载压力：不超过最大测量范围的 1.5 倍。（11）阻尼时间：在 0.21.67 秒内连续可调。（12）启动时间：2 秒，不须要预热。（13）故障报警：自诊断程序检测故障，模拟输出高于 22mA 或低于 3.8mA 报警，报警高低标志可通过电子部件上的开关进行选择。（14）变送器状态保护：拨动电子部件上开关可以防止变送器组态的改变。压力变送器的工作原理如图 3-9 所示。下面将分别介绍各部分原理：1、 “ ”室传感器WT-1151GP 型电容式压力变送器有一个可变电容的传感组件，称为“ ”室传感器是一个完全封闭的组件，过程压力通过隔离膜片和灌充液硅油传到传感器膜片引起位移。 “ ”室传感器图如图 3-10 所示。2013 届本科毕业设计（论文）图 3-9 压力变送器的工作原理图 图 3-10 “ ”室传感器图传感膜片和两电容极板之间的电容差由电子部件转换成 420mADC 的二线制输出的电信号。这一转换是基于下述的概念。（1） P= （3-)(21CK1）式中：P 是被测压力；是常数；1是高压侧电容极板与传感膜片间的电容；C是低压侧电容极板与传感膜片间的电容。2（2）f = （3-pV)/(21CIref2）式中： 为恒定的基准电流；refI为振荡电压的峰值电压；pf 为流过 、 的电流值。1C2（3） （3-)(1fVIpdif 2013 届本科毕业设计（论文）3）式中： 为流过 、 的电流差。difI1C2（4） （3-difsigIK4）式中： 为输出信号电流；sigI为常数。2因此得： / =常数P2KIsigrefI)(21C)(21即有传感器膜片的位移与压力成正比。传感膜片的位置由其两侧的电容极板来测定，且其输出式通过解调器整流的。2、解调器它由 - 极管桥路组成，其作用是对交流信号进行整流。通过变压器绕组线圈1V81-12 和 3-10 的直流电流相加作用于振荡控制放大器 IC1，以控制此电流为一个常数。通过变压器绕组线圈 2-11 的直流电流与压力成正比，即：f = 。pV)/(21CIref二级管桥路和量程温度补偿热敏电阻放在传感器组件内，热敏电阻的补偿作用是安装在电气盒中的电阻 R4 和 R5 来控制。3、振荡控制放大器振荡控制放大器是一个差动放大器，它是输出一个可变的电压供给振荡器。放大器的输出电压必须可调，以保证传感器中的电容极板得到适当的激励电压。应用于反馈控制电路中，控制振荡器的驱动电压可以达到 f = 。pV)/(21CIref其电路如图 3-7 所示。4、振荡器振荡器由元件 、 、 、 、 和 组成。其振荡频率取决于传感器15VT19C209R30的测量电容和振荡变压器的绕组电感量。传感器的测量电容随压力发生变化，因此其振荡频率也随着发生微小的变化（大约 32KHz 左右） 。5、电流控制放大器电流控制放大器由 、 、 和有关元件组成，其基准电压取自 和 的3IC17V8 10R3连接点。电路如图 3-8 所示。2013 届本科毕业设计（论文）图 3-7 振荡控制放大器图 3-8 电流控制放大器6、电流控制放大器和电流检测电路电流控制放大电路驱动电流控制电路输出达到某一电平，引起电流检测器通过2013 届本科毕业设计（论文）电阻反馈信号与零位静态电流和可变差动电流值和相平衡。电路控制电路由 、17V和有关电子元件组成。电流检测由电阻 、 和 组成。18V31R237、电流限制电路电流限制电路由电阻 和 组成，其作用是使变压器过压输入时，输入电流18R6V不超过 30mA。8、反向极性保护不带指示表头时，二极管 起着反向保护的作用，而当带指示表头时，反向保14护作用则由二极管 来完成。13V9、稳压电源电路稳压电源电路由电路提供一个工作电源和一个基准电压，由 、 、 和1V615R组成。16R10、零位正负迁移零位调整电路由电位器 和 组成。它可以产生一个独立可调电流与传感器35R6的差动电流相加。电阻 、 可用开关 SW 接通，以增加一固定的零位电流，偏201移调整范围，以得到较大的正负迁移量。11、阻尼调整阻尼电路将一个与输出电流变化成正比的信号，反馈到电流控制放大器的输入端。这个反馈作用由电容器 和电位器 来提供的。电位器 调整的位置，决定2C12R12R了反馈量的大小，从而也决定了阻尼量的大小。当电位器 在引脚“1”和“2” 之间的电阻值增加时，阻尼作用和输出对输入相应的时间也随之增大。12、线性调整电路线性调整电路由可变电阻网络（ 、 、 ） ，电容和二极管 、 组成。24R239V10是量程调整电位器。它决定反馈到电流控制放大器的输入端的传感差动电流的大3R小。最终得到： / =常数P2KIsigrefI)(21C)(21只要保证膜片中心位移与压力具有线性关系，转换电路即可以保证输出电流和压力成线性关系。 3.2.2 差压变送器的选择WT-1151DP 型电容式差压变送器可以用来测量流量、液位和应用其他要求精确测量差压、压力的场合。2013 届本科毕业设计（论文）上一节中已介绍了压力变送器的工作原理以及各部分的功能介绍，WT-1151DP电容式差压变送器中的各部分是相同，只是在安装上有所不同，所以不在重复介绍各部分功能，最终得到也是 420mA 标准电流输出公式为： / =常数P （3-5）2KIsigrefI)(21C)(21即所测差压与电容成线性关系。工作原理图见图 3-9 所示。图 3-9 工作原理图3.3 I/V 变换器由于电容式压力/差压变送器 WT-1151GP，其输出信号为 420mADC ，所以需要设计电流电压转换电路将 420mADC 转换成标准电压信号 05VDC，然后再将电压信号输入到采样保持器，让 ADC0809 接受标准统一的 05V 电压信号，其电流电压转换电路如图 3-10 所示。由图 3-10 可得：（3-6）bfbfio RVRIU21)(取 R1=0.25K，则：当 Ii=4mA 时，Uo=0V，再取 R2= Rb，上式可写为：（3-7）bfbfV1当 Ii=20mA 时，Uo=5V ，再取 R2=Rb 上式可写为：（3-8）5)1(5bf2013 届本科毕业设计（论文）由（3-7 ）-（3-8 ）得： 5)21(4bfRRf /Rb =1/8即 Rb =R2=8 Rf，得：V b=10V图 3-10 I/V 变换图为使输入端两端阻抗匹配应满足：R2/Rb / Rf=0.25K则 8 Rf=2.5K故有：Rf=312.5R2=2.5K通过上面电路的转换，就可以把 420mADC 转换成标准电压信号 05VDC ，送到 ADC0809 中进行转换。3.4 采样保持器如果直接将模拟量送入 A/D 转换器进行转换，则应考虑到任何一种 A/D 转换器都需要用一定的时间来完成量化及编码的操作。在转化过程中，如果模拟量产生变化，将直接影响到转换精度。特别是在同步系统中。几个并联的参量需取自同一瞬时，而各参数的 A/D 转换又共享一个芯片，所得到得几个量就不是同一时刻的值，2013 届本科毕业设计（论文）无法进行计算和比较。所以要求输入到 A/D 转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求 A/D 转换器的输入信号能够跟随模拟量变化。能够完成上述任务的器件为采样保持器（Sample/Hold）简写为 S/H。S/H 有两种工作方式，一种是采样方式，另一种是保持方式。在采样方式中，采样保持器的输出跟随模拟量输入电压变化。在保持状态中，采样保持器的输出将保持在命令发出时刻的模拟量输入值，直到下一个保持命令来到时为止。本设计所选用的保持器为 LF398，目前是应用比较广泛的一种。主要完成的工作是对压力、差压两个信号的同时采样和保持，所以其控制信号应该接到一根控制线，才能完成信号同时采样和保持工作。LF398 是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样保持器。它具有采样速度快，保持下降速度慢，以及精度高等特点。作为单一的放大器时，其电流增益精度为 0.002%，采样时间小于 6s 时精度可达 0.01%；采用双极型输入状态可获得较低偏差电压和宽频带。使用一个单独的端子实现输入偏差电压的调整，允许带宽 1MHz，输入电阻为 1010 欧姆。当使用电容为 1F 时，其下降速度为 5mV/min。结型场效应管为CMOS 电路抗干扰能力强，而且不受温度影响。总的设计保证是，即使在输入信号等于电源电压时，也可以将输入馈送到输出端。LF398 的原理图如下图 3-11 所示。图 3-11 中有一个由二极管 D1、D 2 组成的保护电路。在没有 D1 和 D2 的情况下，如果在 S 再次接通以前 变化了，且变化较大iu时，于是 的变化也很大。以至于使 A1 的输出进入饱和状态， 与 ui 不再保持线ou o性关系，并使开关电路承受较高的电压，不利于安全。接入 D1 和 D2 以后，当 比o所保持的电压高出一个二极管的正向压降时，D 1 将导通， 被钳位于 ui+ UD1。o o这里的 UD1 表示二极管 D1 的正向导通压降。当 比 低于一个二极管的压降时，ouD2 导通，将 钳位于 ui-UD2。U D2 为 D2 的正向压降。在 S 接通的情况下，因为o o，所以 D1 和 D2 都不导通，保护电路不起作用。ou2013 届本科毕业设计（论文）图 3-11 LF398 原理图图 3-12 为 LF398 典型接法图。LF398 典型接法及功能说明如下：（1）V IN：模拟量电压输入。（2）V OUT： 模拟量电压输出。（3）逻辑（logic）及逻辑参考（logic reference ）：逻辑及逻辑参考电平，用来控制采样保持器的工作方式。当 8 引脚为低电平时，通过控制逻辑电路 A3 使开关S 闭合，电路进入保持状态。它可以接成差动形式，也可以将参考电平接地，然后，在引脚 8 端用一个逻辑电平控制。（4）偏置（OFFSET）：偏差调整引脚。可用外接电阻调整采样保持器的偏差。（5）CH：保持电容引脚。用来连接外部保持电容。（6）V +，V - ：采样保持器电路电源引脚。电源变化范围为5V 到18V 。通过以上分析可以让 2 脚接 1k电阻，用于调节漂移电压，7 脚和 8 脚是两个控制端，控制开关的关断。7 脚接参考电压，8 脚接控制信号。参考电压应根据控制信号的电平来选择。如 7 脚接地， 8 脚接控制信号大于 1.4V 时，LF398 处于采样状态；如 8 脚为低电平， 则 LF398 处于保持状态。6 脚外接保持电容，它的选取对采样保持电路的技术性能指标至关重要，大电容可使系统得到较高精度，但采样时间加长。小电容可提高采样频率，但精度较低。同时，电容的选择应综合考虑精度要求和采样频率等因素。所以选适当的电容大小 1F 可以满足其需求。LF398 的其它几个参数为：漂移电压 2mV，供电电压值在 10V 间选择。2013 届本科毕业设计（论文）图 3-12 LF398 典型接法图本设计所用到的采样保持器为两个，分别对、压力、差压进行采样和保持，当ADC0809 为高电平时，此时采样保持器进行信号的采样，输出随着输入的变化而变化，当单片机通知 ADC0809 进行输入信号的转换时引脚 EOC 为低电平，此时通过单片机的 P3.0 口将 LF398 的 8 引脚置为低电平，两个模拟输入信号同时被保持住，ADC0809 进行转换，转换结束后 EOC 又为高电平，进行下次信号的采样，如此往复，实现了信号的不断采样和保持，并且跟踪快。3.5 A/D 转换器及其接口本设计采用的 A/D 转换器为 8 位转换器 ADC0809。ADC0809 是与微处理器兼容的 8 通路 8 位 A/D 转换器。它主要由逐次逼近式 A/D 转换器和 8 路模拟开关组成。ADC0809 的特点是：可直接与微处理器相连，不需另加接口逻辑；具有锁存控制的8 路模拟开关，可以输入 8 个模拟信号；分辨率为 8 位，总的不可调误差为（ ）LSB 和 LSB；输入、输出引脚电平与 TTL 电路兼容；当模拟电压范围2/11为 0-5V 时，可使用单一的 V 电源；基准电压可以有多种按法，且一般不需要调5零和增益校准。图 3-13 为 ADC0809 与 8051 的接口电路。本设计使用的输入端口有IN0、IN 1，分别输入的是压力、差压。2013 届本科毕业设计（论文）图 3-13 ADC0809 与 8051 的接口D0D 7 是转换后的二进制输出端，它们受输出允许信号 OE 的控制，OE 信号由程序或外部设备提供。OE 为“0” 时，D 0-D7 呈高阻态； OE 为“1”时，D 0D 7 输出转换后的数据。A，B，C 是三个采样地址输入端，它们的 8 种组合用来选择 8 个模拟量输入通路 IN0-IN7 中的一个通路并进行转换，这 8 位组合与所选通路的对应关系见表 3-1 所示。表 3-1 ADDA、ADDB、ADDC 真值表地址对应通路C B AIN0 0 0 0IN1 0 0 1IN2 0 1 0IN3 0 1 1IN4 1 0 0IN5 1 0 1IN6 1 1 0IN7 1 1 1ALE 是地址锁存选通信号。该信号上升沿把地址状态选通入地址锁存器。该信2013 届本科毕业设计（论文）号也可以用来作为开始转换的启动信号，但此时要求信号有一定的宽度，典型值为100 最大值为 200 ，SC 为启动转换脉冲输入端，其上跳变复位转换器，下降沿ss启动转换，该信号宽度应大于 100 ，它也可由程序或外部设备产生。若希望自动s连续转换（即上次转换结束又重新启动转换） ，则可将 SC 与 EOC 短接。EOC 转换结束信号从 SC 信号上升沿开始经 1-8 个时钟周期后由高电平变为低电平，这一过程表示正在进行转换。每位转换要 8 个时钟周期，8 位共需 64 个时钟周期，若时钟颊率为 500KHz，则一次转换要 128 。该信号也可作为中断请求信号。 CLK 是时钟s信号输入端，最高可达 1280KHz。REF（+）和 REF（-）为基准电压输入端，它们决定了输入模拟电压的最大值和最小值。通常，REF （ +）和电源 Vcc 一起接到基准电压 5.12V（或 5V）上，REF（- ）接在地端 GND 上。此时最低住所表示的输入电压值为：（3-9）m201.58REF（+）和 REF（）也比一定要分别接在 Vcc 和 GND 上，但要满足以下条件：（3-10）cERFRF)()(0（3-11）21ADC0809 芯片有 28 条引脚，各引脚功能说明如表 3-2 所示。表 3-2 ADC0809 引脚功能表符号 引脚号 功能07IN2628，15 为 8 个通道模拟量输入线ADDAADDBADDC2523多路开关地址选择线A 为最底位，C 为最高位。通常分别接在地址线的低三位。2-82 -117，14， ，15，8，18218 位数字量输出结果。ALE 22地址锁存有效输入线。该信号上升沿把 3 条选择线的状态锁存入多路开关地址寄存器中。2013 届本科毕业设计（论文）START 6启动转换输入线。该信号上升沿清除ADC 的内部寄存器而在下降沿启动内部控制逻辑，开始 A/D 转换工作。EOC 7转换完成输出线，当 EOC 为 1 时表示转换已完成。CLOCK 10转换定时时钟输入线。其频率不能高于 640KHZ。当频率为 640 时，转换速度为 100 sOE 9允许输入线。在 OE 为 1 时，三态输入锁存器脱离三态，把数据送往总线。REFV)()(,12，16 参考电压输入线Vcc 11 接+5VGND 13 接地当 ADC0809 由程序控制进行 A/D 转换时，输入通路选定后由输出指令启动A/D 转换（SC 为正脉冲） 。转换结束产生 EOC 高电平信号作为中断请求。当微处理器执行输入指令后，OE 变为高电平，选通三态输出锁存器，输入转换后的代码。3.6 D/A 转换器及其接口本设计的 D/A 转换器为 DAC0832。我们知道模拟量输出通道不论采用哪一种结构形式，都要解决 D/A 转换器与微处理器的接口问题。D/A 转换器要求数字量并行输入，并且其输入应在一定时间范围内保持稳定，以实现模拟量输出。8 位或少于 8 位的 D/A 转换器，只需通过相应位数的锁存器与8 位的微处理器总线连接。图 3-14 为 DAC0832 与 8051 的接口电路。2013 届本科毕业设计（论文）图 3-14 DAC0832 与 8051 的接口图 3-15 DAC0832 的功能框图D/A 转换器主要有两种类型：一类内部有数据寄存器，带有片选和写信号引脚，可以作为一个 I/O 扩展口直接与微处理器接口；另一类无内部锁存器，必须外加锁存器才能与微处理器接口。DAC0832 D/A 转换器功能框图如图 3-15 所示。DAC0832 是一个具有两级数据缓冲器的 8 位 D/A 芯片（20 个引脚） 。这种芯片适用于系统中多个模拟器同时输出的系统，它可以与各种微处理器直接接口。其内部还有 R-2R 梯形电阻解码网络，实现 D/A 转换。DAC0832 的主要特性为：输入电平与 TTL 相兼容，基准电压 VREF 的工作范围2013 届本科毕业设计（论文）为+10-10V，电流稳定时间为 1 ，功耗为 20mW，电源电压 Vcc 范围为+5-s15V。引脚信号功能说明如下：1. DI7 DI0 8 位数字输入，DI7 为高位。2. 片选信号，低有效。CS3. ILE 输入锁存允许，高有效。与 CS、WR1 一起控制数据的输入。4. 写信号 1，低有效。1WR5. 写信号 2，低有效。在 XFER 信号控制下将输入寄存器的数据送入2DAC 寄存器，并进行 D/A 转换。6. 传送信号控制，低有效。XFE7. VREF 参考电压。电压范围为-10+10V 。8. IO1 输出电流 1。9. IO2 输出电流 2，I O1+ IO2=常数。10. VCC 电源电压，可在+5+15V 范围内选择，最佳工作状态 Vcc=+15V。11. AGND 模拟地。12. DGND 数字地。AGND 和 DGND 在片外接一起。使用 DA0832 时，应注意 选通脉冲的宽度一般不小于 500 ，寄存器保持WRs数据的时间不应小于 90 ，否则锁存数据会出错。由于 DAC0832 具有两级数据锁s存器，所以，它具有双缓冲、单缓冲及直通数据输入 3 种工作方式。双缓冲工作方式时，8 位输入寄存器和 8 位 DAC 寄存器可分别由 LE1 和 LE2 控制，先由 WR1 和 CS 控制输入数据锁存到 8 位输入寄存器。这种方式可用于需要同时输出多个模拟信号的多个 DAC0832 的系统，当多个数据已分别存入各自的输入寄存器后，再同时使用所有 DAC0832 的 WR 和 XFER（传递控制）有效，数据锁存入8 位 DAC 寄存器并同时输出多个模拟信号。这时，需要有两个地址译码，分别选通CS 和 XFER。单缓冲工作方式时，只用输入寄存器锁存数据，另一级 8 位 DAC 寄存器接成直通方式，即把 WR2 和 XFER 接地，或者两级寄存器同时锁存，如把 WR2 与 WR1 接在一起，而把 XFER 接地。直通方式时，应把所有控制信号接成有效形式：CS，WR 1，WR 2 和 XFER 接地，ILE 接 +5V。DAC0