（电力系统及其自动化专业论文）供暖锅炉微机遥测监控系统.pdf

北方交通大学9 9 届硕士学位论文a b s t r a e t a b s t r a c t t h i sp a p e ri sf i n i s h e da sap a r to ft h ep r o j e c t t h e a u t o m a t i cs y s t e mo fr e m o t em e a s u r i n ga n ds u p e r v i s i n gt h e h e a t i n g b o i l e r s ”i nt h i sp a p e r , a n a l y s i si sd o n et ot h es i t u a t i o n o ft h e d e v e l o p m e n t o ft h ea u t o m a t i c s y s t e m o fr e m o t e m e a s t a s n g a n d s u p e r v i s i n gm c h i n aa n do v e r s e a t h em o d eo f d i s t n l a u t e dc o n t r o l s y s t e m ( d c s ) i sa d o p t e db e c a u s ei t i s a d a p t i n g t ot h em d u s t r i a le n v i r o m n e m t h es y s t e mi sm a d e u p o ft w o p a r t s ，o n ep a r ti st h ec e n t r a lc o m p u t e r t h a ti sp l a c e di n t h es u p e r v i s o r yc e n t e ra n dt h eo t h e ri sm e a s u r i n g & c o n t r o u i n g i n s t r u m e n tt h a ti s p l a c e d w i t hd i f f e r e n t h e a t i n g b o i l e r f u r t h e r m o r e ，i n t h e p a p e r , t h e r e a s o no f s e l e 商n g t h e t e m p e r a t u r es e n s o r , t h ed e s i g no f s o t t w a r ea n dh a r d w a r e , t h e a n t i - d i s t u r b a n c es t e p st oa s s u r er e l i a b l er u no f t h es y s t e mi ss e t f o r t hi nd e t a i l t h e s ea r ef o c u s e di nt h e 磷p 瓦s u c ha st h er e a l i z a t i o no f t e m p e r a t u r es a m p l i n g , d a t a ss t o r a g ea n dp r o c e s s i n gb yu s i n g s o t h v a r ea n dh a r d w a r e ，t h el o n g - d i s t a n c ed a t ac o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h ec e n t r a l c o m p u t e ra n dm e a s u r i n g & c o n t r o u i n g i n s t r u m e n t ，a n da s e r i e so f a n t i - d i s t u r b a n c es t e p s i nt h et e r mo f d a t ap r o c e s s ，an e wt e c h n o l o g yo fc o m p o s i t ed i g i t a lf i l t e ri s p r o p o s e d a n di sp r o v e dt ob ef e a s i b l ei n p r a c t i c e k e y w o r d s ：m e a s u r i n g & c o n t r o l l i n gs y s t e m , t e m p e r a t u r e s e n s o r , d a t ap r o c e s s ，t e l e c o m m t m i c a t i o r t , w i n d o w s ，a n t i - d i s t u r b a n c e 供疆锅炉微机遥测监控系统 北方交通大学9 9 届硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 第一节概述 供暖锅炉微机遥测监控系统是计算机自动测量和控制系统 ( 简称测控系统) 在供暖工作中的应用。对于测控系统，其发 展过程，技术特点，任务，系统类型以及未来的发展方向，对 本课题的研究是十分必要的。 计算机自动测量和控制系统是一门新兴的技术，是自动控 制技术、计算机科学、微电子科学和通信技术的有机结合、综 合发展的产物。它诞生于本世纪六十年代，它的出现使人们从 事生产、科学实验、工作和生活的环境和状况发生了深刻的变 化。它在工业领域中，最先用于化学工业生产过程的自动控制， 实现了简单的程序控制。七十年代以后，随着微处理器的出现 和大量应用，测控系统得到了前所未有的发展，内容有了很大 的变化，包括各种数据采集和处理系统，自动测量系统，生产 过程控制系统，导弹、卫星的检测及发射控制系统等等，广泛 应用于交通，工业自动化，航空，航天，商业，家庭自动化等 人类生产的各个领域。 测控系统的技术特点，在于其与被测控对象的紧密结合， 主要有实时性、高可靠性、实用性和对象的复杂性。测控系统 的任务，在工业生产中，也由最初简单的测量和控制发展到对 整个生产过程实现实时数据的采集和集中监测，自动控制和管 理，实现产品质量的自动检验，实现整体目标的优化管理等， 对于提高产量和质量、降低成本和能耗、改善生产安全和工作 条件，有着极大的作用。 供暖锅炉微机遥测监控系统 北方交通大学9 9 届硕士学位论文第一章绪论 测控系统的类型很多，功能和规模各异，但其基本系统是 由各种面向过程的功能模块( 如a i d 、d a 、d i 、d o 、开关量 输入、开关量输出等) 通过总线相互连接，并与计算机连接而 组成的。这种基本系统可以单独完成某种自动测量和控制任 务，也可以通过计算机网络构成更大的系统。测控系统按照基 本系统所面向的总线可以分为面向测控总线的系统( 如国际上 流行的c a m a c 系统，g p i b 系统等) 和面向计算机总线的系 统( 如s t d 总线，p c 1 0 4 总线，p c 总线等) ；按照信息传输 方式可以分为串行系统、并行和串并行系统：按照系统的结 构形式可以分为集中式系统和分布式系统( 又称集散式系统) ； 按照系统的用途又可分为数据采集系统、自动检测系统、过程 控制系统等等。 近年来，计算机测控系统发展十分迅速，形成几个重要的 发展方向，归纳起来有：小型化、模块化、组合化和标准化。 小型化是八十年代以来国际上技术发展的潮流，测控系统 的小型化有两层含义： 其一是系统内各功能模块的小型化，系统硬件广泛采用功 能强大的微处理器，d s p ，专用集成电路a s i c 及表面安装技术， 使一块小模板就具有很强大的功能； 其二是系统小型化，采用分布式系统代替集中式系统。用 分布式系统可以将集中式系统处理的大型复杂的问题“化整为 零”，简化问题并使之易于处理。对于集中式系统，发生故障 时容易导致系统功能全面瘫痪，而用分布式系统时某一部分发 生故障不会导致整个系统崩溃，这就是“危险分散化”的策略。 模块化即将硬件和软件按不同的功能进行设计，这样可以 缩短系统的设计周期，增强系统的可靠性和可维护性。组合化 即针对不同的应用系统要求，以模块化为基础，选用成熟的现 供暖锅炉微机遥测监控系统2 北方交通大学9 9 届硕士学位论文第一章绪论 成硬件模板和软件进行组合而成。 标准化是实现开放式设计思想的主要措施，即在设计中尽 可能的采用国际标准和国际主流，如串行通信接口的r s 一2 3 2 c 标准，软件操作系统的w i n d o w s 。 第二节课题背景及国内发展状况 铁路房建系统供暖工作的突出特点是：分布点多、线长、 地点分散、设备人员分散，如北京铁路分局建筑段管辖区内就 设有5 8 处供暖区，分布在数百公里的铁路线附近，每处的供 暖锅炉台数及型号不一，每到冬季为了提高生活区供暖质量， 常规的办法是派出大量人员到各供暖区进行检查督促，征求用 户意见，耗费了大量的人力物力。由于点多线长，供暖地点分 散，使得这种方法收效甚微。 如何保证冬季焚火供暖质量和锅炉设备的安全运行，是房 建部门在冬季焚火供暖管理中的一个十分重要丽迫切的课题。 为解决上述问题，改变目前管理技术落后的局面，搞好安全生 产，北方交通大学和北京铁路分局北京建筑段于9 7 年5 月签 定了研制“供暖锅炉微机遥测监控系统”的合同，目标是率先 对北京建筑段管辖区内包括西直门、广安门等在内的五处供暖 区的锅炉房实现微机自动化监控。 近年来，国内特别是铁路系统内对锅炉供暖工作也进行了 一些尝试和改进。对此，哈尔滨铁路局是铁路系统内进行得最 早的，哈局的锅炉微机测控系统通过专用电缆来对系统内各锅 炉点进行温度检测，该系统在供暖工作的实践中，进行了有益 的尝试并发挥了应有的作用。但随着科学技术的发展，该系统 也暴露出可监控的参数少等缺点。本课题在合同签署后，合同 供暖锅炉微机遥测监控系统3 北方交通大学9 9 届硕士学位论文第一章绪论 双方都表示要通力合作，使系统达到全路的领先水平。 第三节技术要求 根据合同，对系统提出相应的技术要求如下： 一、对设于锅炉房内的微机测控仪的技术指标 1 、可实时监控锅炉出水温度。温度点数1 3 点，变化范 围为o 1 _ 2 0 ，精度2 。当出水温度超过阀值( 定为8 5 c ) 后能发出声光报警并自动切断风机： 2 、可监测锅炉回水温度。温度点数l 2 点，温度变化范 围：0 1 0 0 ，精度2 ； 3 、可监测室外环境温度。温度变化范围：一4 0 + 1 0 0 ， 精度2 ； 4 、可监测用户室内温度。温度点数l 2 点，温度变化范 围：- 4 0 + 1 0 0 ，精度2 ： 5 、设有三相电源缺相保护装置，当电源缺相后，发出声 光报警并保护有关设备不受损坏： 6 、i - 5 项指标在测控仪中均有一周的储存： 7 、各种温度数据每隔6 0 分钟记录保存一次： 8 、测控仪可随时通过电话网或其它方式与中心计算机进 行远程监测数据的传送。 二、系统管理软件 1 、提供良好的人机界面，使管理人员易于使用，操作方 便。可随时自动提取微机测控仪的监测数据： 2 、可自动进行数据管理，并可按日、月、年进行图形和 数字方式查询： 3 、可提供各种图表打印： 供暖锅炉微机遥al监控系统4 北方交通大学9 9 届硕士学位论文第一章绪论 4 、可提供各种参数设置功能。 三、整套系统应达到使用方便、安全可靠、易于维护、便 于扩展。 第四节系统原理及结构 哈局的锅炉微机测控系统是通过专用电缆来对系统内各锅 炉点进行温度检测的，每个锅炉点只检测包括锅炉出水、锅炉 回水、环境温度、用户室内温度四点参数，大量的资金用在了 电缆上。 对本课题所应用的现场实际情况，哈局的系统有以下不适 和不足： l 、现场建筑段的锅炉点较分散，方圆数百公里。如采用 专用电缆方式，电缆将是一笔巨大的投资，而且由此带来的维 护工作量和维护费用很大： 2 、该系统拓扑方式适合于供暖地点集中的情况，不能解 决本课题中的远程通信问题； 3 、可监控的参数少，仅有四个温度参数，不能满足本课 题的要求； 4 、该系统未采用模块化设计，系统的软、硬件可扩展性、 通用性差。 对本课题而言，其技术要求的实现，测控系统采用分布式 的拓扑方式显然比集中式的结构更合理，更能解决问题，也更 符合当今科学技术发展的潮流。对于分布式测控系统，常用的 有r s - 4 8 5 总线，或是现场总线如c a n 总线，l o n 总线等，但 这些分布式测控系统适合测控点分布范围较小的场合，如r s 一 4 8 5 总线适于各个测控点分布在l 2 公里的范围内，对于本课 供疆锅炉徽机遥测监控系统 北方交通大学9 9 届硕士学 立论文第一章绪论 题这样的各个测控点分布达数百公里范围的情况不适合。在对 前人工作调研的基础上，劳结合本课题的现场实际情况，采用 的系统组成如图卜l 所示。 图1 - 1 供暖锅炉微机遥测监控系统框图 该系统由设在监控中心的中心计算机及设在不同供暖区锅 炉房内的微机测控仪两部分构成。这两部分之间通过公用电话 网络实现远程通信。采用图卜1 的分布式的测控系统具有如下 优点： 供暖锅炉微机遥测监控系统 6 北方交通大学9 9 届硕士学位论文第一章绍论 l 、在锅炉房内设置微机测控仪进行测控，可以缩短传感 器与微处理器之间的距离，提高测控精度和准确度； 2 、设立中心计算机，通过公用电话网进行远程通信，不 仅解决了远程数据采集难题，而且节省了敷设电缆和维护工作 的大量人力、物力的投入。 3 、采用模块化、标准化等流行设计方法，使系统可扩展 性、可维护性和可移植性强。 在锅炉房内的微机测控仪对该锅炉房内各锅炉出水温度、 回水温度、室外环境温度、供暖末端用户室内温度进行实时监 测，并具有出水超温、回水欠温、电机缺相等声光报警功能， 一旦出现超温、缺相将自动切断鼓引风机电源等。测控仪内始 终保存有最近一周七天内采集的温度和报警数据，随时供主控 微机提取。测控仪具有掉电保护功能，可在长时间停电的情况 下保护测控仪内的数据不丢失。设在锅炉房内的测控仪2 4 小 时连续运行，免于维护，测温、保护、通信均为自动进行。 中心计算机可根据需求发在任意位置，2 4 小时可以随时 提取各个锅炉房测控仪采集的温度及报警数据，数据由主控微 机进行统计分析，按锅炉房分类建档并存储。操作者可随时查 看当天的实时数据，也可按天或月查看历史数据，数据以曲线、 图表的形式被统计、显示、打印输出。中心计算机的软件以中 文w i n d o w s 9 5 为平台，采用v i s u mb a s i c 编程，人机界面友 好，操作简便。 该系统适用范围较广，监测点可以根据需求任意增加，每 点( 指锅炉房) 的锅炉台数和型号又可不一。主控微机与测控 仪的数据通信时间很短，可在一分钟内完成，不用设专线，可 与原电话系统分时共用，不影响电话的正常使用。 供暖锅炉微机遥测监控系统7 北方交通大学9 9 届硕士学位论文第二章传感器 第二章温度传感器 第一节传感器及其发展趋势 对包括本课题这样的计算机测控系统而言，传感器是实现 测量与控制的首要环节和关键部件。如果没有传感器对原始被 测信号进行准确可靠的捕捉和转换，那么可想而知，一切准确 的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量与控 制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各个 参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高 效率和质量。 近年来，随着新材料、新工艺、新技术的开发，特别是大 规模集成电路技术和计算机技术的发展，传感器技术发展很 快，就其发展趋势而言，大体上有以下几个特点： 一、传感器的固态化和小型化 物体型传感器又称固态传感器，目前发展很快。它包括半 导体、电介质和强磁体三类。其中半导体传感器的发展引人注 目。它不仅灵敏度高、响应速度快，而且小型化，如数字式硅 压力传感器。 二、传感器的集成化和多功能化。 借助半导体的蒸镀技术、扩散技术、精密加工技术等，使 传感器从单个元件，单一功能向集成化和多功能化的方向发 展。集成化的体现如集成温度传感器、集成磁敏传感器，新型 的c c d 图象传感器等。多功能化是指一个芯片具有多种参数 的检测功能如半导体温度湿敏传感器和多功能气体传感器等 等。 供暖锅炉微机遥测监控系统 8 北方交通大学9 9 届硕士学位论文 第二章传感器 三、传感器的智能化 智能传感器的新发展是传感器功能和调节器功能集成一 体化，通过传感器能动的信息采集而减轻信号处理电路部分的 负担，使得用同等程度的硬件规模可实现更灵活的功能。这种 称为传感机器人的智能化传感器是9 0 年代传感器智能化的方 向。 第二节温度传感器与器件选择 温度是生产过程、科学研究以及日常生活都要涉及到的重 要参数。温度作为一个重要的基础物理参量，它的单位被定为 国际单位制中七大基本单位之一，对温度的测量和控制几乎占 据了工业生产流程中全部过程参数的5 0 左右。温度传感器 是实现温度测控的首要环节，时至如今，温度传感器的种类繁 多，常用的有热电偶、热电阻、热敏电阻及半导体集成温度传 感器。 本课题的主要任务和功能是对包括水温、环境温度等多 点温度的实时监测，首要的任务就是选择合适的温度传感器。 本系统的温度测量，其要求归纳有以下几点： 其一，测量温度范围为一4 0 。c + 1 2 0 ，待测温区不宽， 属于常温区； 其二、精度要求2 ，精度要求不高； 其三、测量点数变化大，需要易于扩展； 其四、用户室内温度测量距离较远。 鉴于上述要求，我们舍弃了适用于高温区的热电偶，非 线性的热敏电阻。若从稳定性、一致性、易标定等因素来考虑， 测温传感器应选择铂电阻，但在由铂电阻作传感器的多路检测 供暖锅炉微机遥测监控系统 北方交通大学9 9 届硕士学位论文第二章传感器 系统中，有一些固有的比较棘手的问题需要认真解决。铂热电 阻的阻值随温度变化较小，而在工业环境中，现场与测控室都 有相当的距离，必须解决长引线电阻造成的误差，通常采用三 线制或四线制来补偿。在多路情况下，这些引线，包括电流引 线和电压引线，都要通过多路模拟开关来切换，模拟开关的引 入必须保证原线制的有效。这些长引线、端子和模拟开关以及 相应的控制电路的数量都是很可观的。为了得到良好的线性转 换关系，需要给铂电阻提供一个良好的恒流源。为了提高精度、 扩大测量范围，在a d 转换前还要将信号加以放大并进行零点 迁移。因而一个高稳定、高精度的放大电路是必须的。只有解 决好上述的每一个环节，才有可能实现多路高精度测温。因而 在本课题中选用了半导体集成温度传感器a d s 9 0 和d s l 8 2 0 。 它们符合传感器的发展趋势，有利于减少引线和通道切换用的 控制电路等的数量，并在系统中得到可靠的应用。 第三节温度传感器a d 5 9 0 对用户室内温度的测量，距离远的有几百米。在本课题 中选用了半导体集成温度传感器a d 5 9 0 。a d 5 9 0 是美国的模拟 器件( a d ) 公司推出的高性能器件，是一个两端器件，其主要 技术参数如下： l 、测温范围为一5 5 。c + 1 5 0 ； 2 、工作电压为+ 4 + 3 0 v ，反向耐压可达一2 0 v ，即使接反， 也不易坏： 3 、恒流源形式的温度传感器，只需在其两端加上一定的 工作电压，则其输出电流变化l u a ；它以热力学温标零点 作为零输出点，因此如在2 0 。c 时其输出电流为2 9 3 2 u a ； 供暖锅炉微机遥测监控系统 1 0 北方交通大学9 9 届硕士学位论文第二耄传感器 4 、精度：经过激光平衡调整，a d 5 9 0 的标准精度可达到 05 ，全温区范围内线性度可达03 ( a d 5 9 0 m ) ，当其在 1 0 温区范围内校正后测量，精度可达0l 。c ，在全温区范 围内使用，精度也可高达为1 。 由于a d 5 9 0 是一种电流型的温度传感器，因而具有较强 的抗干扰能力，适用于计算机进行远距离温度测量和控制。远 距离信号传递时，可采用一般的双绞线来完成，其输出阻抗很 高，在1 0 mq 以上，能很好地消除电源变动和交流纹波对器 件产生的影响，不需要精密电源对其供电。长导线上的压降一 般不影响其测量精度，不需要温度补偿和专门的线性电路。 第四节温度传感器d s l 8 2 0 对供暖锅炉房包括锅炉出水温度、回水温度、环境温度在 内的多点温度的测量，选用了美国d a l l a s 公司近年来推出的 数字式集成温度传感器d s l 8 2 0 。d s l 8 2 0 使用了在板( 0 1 j 1 - - b o a r d ) 专利技术来测量温度，全部传感器及各种数字转换电 路都被集成在一起。其中d s l 8 2 0 采用了塑封，外型如一只三 极管，d s l 8 2 0 s 制成八脚双列直插芯片，而c p u 只用一根端口 线就可与诸多的d s l 8 2 0 实行通信，它们都能用简单的程序得 到自动的识别，这样就节约了大量的引线和控制通道切换的逻 辑电路：由于传送的是串行数据，放大器和a d 转换器也都统 统被省却。 一、d s l 8 2 0 的性能指标如下： 1 独特的单线接口，只需一个接口引脚； 2 不需要外部元件； 3 不需备份电源： 供暖锅炉徽枫遥测监控系统 1 1 北方交通大学9 9 届硕士学位论文第二章传感器 4 可用数据线供电( 寄生电源方式) ： 5 测量范围从5 5 + 1 2 5 ，增量值为0 5 ，还可以 读内部计数器，获得较高的分辨率：以9 位数字值方式读出温 度；在l s ( 典型值) 内把温度变化为数字：以单根信号线实现 多点温度测量； 6 最大温度误差：0 + 7 0 为05 ，一4 0 + o 和 + 7 0 + 8 5 为l ，一5 5 一4 0 。c 和+ 8 j + 1 2 5 为2 。 二、d s l 8 2 0 工作过程及时序 d s l 8 2 0 工作过程中协议如下： 初始化：r o m 操作命令：存储器操作命令：处理数据。 l 、初始化 单总线上的所有处理均从初始化开始。 2 、r o m 操作命令 总线主机检测到d s l 8 2 0 的存在，便可发出r o m 操作命 令之一，这些命令如下： 指令代码 r e a dr o m ( 读r o m ) 3 3 h 】 m a t c hr o m ( 匹配r o m ) 【5 5 h 】 s k i pr o m ( 跳过r o m )【c c h 】 s e a r c hr o m ( 搜索r o m ) f o h a l a r ms e a r c h ( 告警搜索) e c h 】 3 、存储器操作命令 指令代码 w r i t es c r a t c h p a d ( - 写暂存存储器) 4 e h 】 r e a ds c r a t c h p a d ( 读暂存存储器) b e h 】 c o p ys e r a t c h p a d ( 复制暂存存储器) 4 8 h 】 供暖锅炉微机遥测监控系统1 2 北方交通大学9 9 届硕士学位论文第二章传感器 c o n v e r tt e m p e r a t u r e ( 温度变换) r e c a l le ：p r o m ( 重新调出、 r e a dp o w e r s u p p l y ( 读电源1 4 、时序 4 4 h 】 【b 8 h 【b 4 h 】 主机使用时间隙( t i m es l o t s ) 来读写d s l 8 2 0 的数据位和写 命令字的位。 41 初始化 时序见图2 1 。主机总线t o 时刻发送一复位脉冲( 最短为 4 8 01 - ts 的低电平信号) ，接着在t l 时刻释放总线并进入接收 状态，d s l 8 2 0 在检测到总线的上升沿之焉，等待1 5 6 0 u s ，接 着在t 2 时刻发出存在脉冲( 6 0 2 4 0 u s ) ，如图中虚线所示。 卜一4 8 0 u s 叫 li 一一s 印u s 叫删u s 卜咐。o u s 叫 1 0 t2t 261 4 图2 - 1 初始化时序 4 2 写时间隙 i卜-卜60usl5us1 5 - - 6 0 。u s ii卜u s 一 。 i 图2 - 2 写0 时序 当主机总线t 0 时刻从高拉至低电平时，就产生写时间隙， 见图2 - 2 、2 - 3 ，从t 0 时刻开始1 5 u s 之内应将所需写的位传到 总线上，d s l 8 2 0 在t o 后1 5 6 0 u s 间对总线采样，若低电平， 供暖锅炉微机遥测监控系统 北方交通大学9 9 届硕士学位论文第二章传感器 写入的位是0 ，见图2 2 ：若高电平，写入的位是l ，见图2 - 3 。 连续写两位间的间隙应大于l u s 。 露。，i j 4 ，3 读时间隙 见图2 - 4 ，主机总线t o 时刻从高电平拉至低电平日寸，总线 只需保持低电平l u s ，之后在t 1 时刻将总线拉高，产生读时间 隙，读时间隙在t l 时刻后t 2 时刻前有效，t 2 距t 0 为1 5 u s ， 也就是说，t 2 时刻静主机必须完成读位，并在t o 后的6 0 1 2 0 u s 内释放总线。 衙枷u s 1 札。+ | t 0t lt 2 t 3 l 一! 二二二二二二厂 一 主机起作用 d s l 8 2 0 起作用 上拉电阻起作用 图2 4 读时序 供瞬锅炉撇机遥测监控系统 1 4 北方交通大学9 9 届硕士学位论文 第三章微机测控仪的硬件设计 第三章微机测控仪的硬件设计 第一节硬件的总体设计 微机测控仪的硬件组成框图如图3 1 所示。 实时时钟l j 电压监视及看门狗 8 2 5 5 并行口 多路温度传感器e = 爿调理电路 报警及 c = 纠墼堑茎生呈 保护电路l 接公用电话网 a t 8 9 c 5 2 图3 - 1 硬件组成框图 数据 存储 器 异步通 信接口 r s - 2 3 2 c 转换器 测控仪的硬件部分以a t 8 9 c 5 2 单片机为控制核心。其它部 分简述如下： 1 、电压监视及看门狗 采用m a x 6 9 0 a 芯片，它把电压监视、看门狗、电源切换等 多种功能集于一身。电压监视实时监控测控仪的电源电压，一旦 电压低于门限电压值，就封锁实时时钟芯片和数据存储器的片选 供暖锅炉微机遥测监控系统 北方交通大学9 9 届硕士学位论文第三章微机测控仪的硬件设汁 和写信号，防止芯片误操作。看门狗w 盯c h d o g 电路实时监 视程序运行，一旦程序出现问题因干扰跑飞等故障时，就对微处 理器系统进行自动复位r e s e t ，保证系统正常运行。电源切换 电路可自动进行电源和备用电池切换，与前两种功能配合，可有 效保护实时时钟和数据存储器的数据。 2 、数据存储器 采用静态存储器r a m 6 2 2 5 6 作为数据存储器，存储各种运 行状态参数，包括多种温度数据、报警数据，通过用可编程逻辑 器件g a l 设计的译码器进行片选，通过锁存器7 4 h c 3 7 3 锁存地 址，与单片机a t 8 9 c 5 2 进行数据存取，并有相应的写保护和掉 电保护电路。 3 、实时时钟 采用硬件日历钟m s m 5 8 3 2 作实时时钟，通过8 2 5 5 并行口 扩展电路，配以上拉电阻、晶振实现自动计时和日历、时间的存 取。 4 、温度采集部分 通过半导体集成温度传感器d s l 8 2 0 和a d 5 9 0 进行多路不 同性质温度参数的采集，分别经过不同的调理电路与c p u 接口， 实现多路温度的实时监测。 5 、远程通信部分 由异步通信接口，r s 2 3 2 c 转换电路和调制解调器m o d e m 组成。异步通信接口采用i n t e l 标准系列芯片8 2 5 l ，由晶振电 路经g a l 设计的分频器供给时钟。8 2 5 1 与单片机进行数据交换， m o d e m 与电话机联接后接入公用电话网p s t n ，与远端中心计 算机进行远程数据通信。m o d e m 与8 2 5 1 之间通过r s 2 3 2 c 电 平转换电路达到电平匹配。 6 、其它部分 供暖锅炉微机遥测监控系统 北方交通大学9 9 届硕士学位论文第三章微机测控仪的硬件设计 测控仪的其它部分还有波特率的开关选择、电机的缺相保护 与报警显示电路，锅炉出水温度超温报警、保护、显示电路，锅 炉回水温度欠温报警、显示电路等。 第二节单片机的发展及选择 单片机是单片微型计算机的简称，又称微控制器 ( m i c r o c o n t r o l l e r ) 。它把组成微型计算机的各功能器件包括中央 处理器c p u 、随机存取存储器r a m 、只读存储器r o m 、f o 接 口电路、定时器计数器以及串行通信接口等集成在一块芯片中， 构成了一个完整的计算机。 单片机的历史并不长，它的产生与发展大致和微处理器的产 生与发展大体上同步，经历了四个阶段： 第一阶段( 1 9 7 1 1 9 7 4 年) ；1 9 7 1 年1 1 月美国i n t e l 公司 首先设计出4 位微处理器i n t e l 4 0 0 4 ，并配有随机存取存储器 r a m ，只读存储器r o m 和移位寄存器等芯片，构成第一台m c s 4 微型计算机，从此拉开了研制单片机的序幕。 第二阶段( 1 9 7 4 1 9 7 8 年) ：初级单片机阶段。以i n t e l 公 司的m c s 4 8 为代表。这个系列的单片机内集成有8 位c p u 、 并行i o 口、8 位定时器计数器，寻址范围不大于4 k ，且无串 行口。 第三阶段( 1 9 7 8 1 9 8 3 年) ：高性能单片机阶段。在这一阶 段推出的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统、1 6 位 定时器计数器。片内r a m 、r o m 容量加大，且寻址范围可达 6 4 k 字节，有的片内还带有a d 转换器接口。这类单片机有i n t e l 公司的m c s 5 1 ，m o t o r o l a 公司的6 8 0 l 和z i l o g 公司的z 8 等。由于这类单片机的应用领域极其广泛，各公司正在大力改进 供暖锅炉徽机遥测监控系统1 7 北方交通大学9 9 届硕士学位论文第三章微机测控仪的硬件设计 其结构与性能。所以，这个系列的各类产品是目前国内外产品的 主流。其中m c s 5 1 系列产品，由于其优良的性能价格比，特别 适合我国的国情，随着我国经济建设步伐的加大，m c s 5 l 系列 单片机必将在各个领域大显身手。 第四阶段( 1 9 8 3 年) ：8 位单片机巩固发展及1 6 位、3 2 位 单片机推出阶段。此阶段重要特征是一方面发展1 6 位、3 2 位单 片机及专用单片机；另一方面不断发展完善高档8 位单片机，改 善其结构，以满足不同的用户需要。 从单片机的发展可以看到，虽然1 6 位甚至3 2 位单片机都己 推出并得到相应的发展，但8 位单片机仍然占据单片机市场的主 流。其中，m c s 5 1 系列单片机以其优越的性能，成熟的技术及 高可靠一胜和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应 用的主要市场，成为8 位单片机应用领域的主流，得到大力推广 和发展，除i n t e l 公司外，还有其它如飞利浦、美国a t m e l 等公司的多种产品。本课题选用的单片机a t 8 9 c 5 2 ，是美国 a t m e l 公司新近推出的单片机，与当今8 位单片机主流产品 m c s 5 1 系列完全兼容，其主要特性如下： 1 、具有流行的电擦除片内程序存储器，数据不易挥发( 至 少保存1 0 年) ，容量达8 k ，可擦写1 0 0 0 次，另内嵌2 5 6 字节r a m ； 2 、电源工作范围达27 6 v ； 3 、全静态工作方式，可在主频0 h z 2 4 m h z 之间工作，另 外具有低功耗模式； 4 、中断源多达8 个，具有3 个1 6 位定时器计数器； 5 、在片内程序存储器设有三级加密，可有效防止窃取； 6 、有多达3 2 条可编程i o 线。 如图3 - 2 所示，在本课题中采用有源晶振，频率为 1 1 0 5 9 2 m h z ，经施密特反相器7 4 h c l 4 给单片机a t 8 9 c 5 2 提供 供暖锅炉微机遥测监控系统 北方交通大学9 9 届硕士学位论文第三章微机测控仪的硬件设计 时钟，a t 8 9 c 5 2 的p o 口作为8 位数据线，并经过锁存器7 4 h c 3 7 3 锁存8 位地址线与p 2 口的高8 位地址线一起，可寻址外部器件 达6 4 k 的地址空间。 图3 - 2 单片机电路图 第三节译码及分频电路 在本课题中，对于数据存储器r a m 6 2 2 5 6 ，并行口i o8 2 5 5 等芯片都需要统一分配地址，则就需要地址译码器。异步通信接 口芯片8 2 5 1 ，除需要工作地址外，有三个时钟输入脚，即r x c l k 脚、t x c l k 脚和c l k 脚，各管脚功能要求如下： r x c l k ( r e c e i v e rc l o c k ) 接收器时钟，这个时钟控制 8 2 5 1 接收字符的速度。在异步方式下，r x c l k 是波特率的1 、1 6 、 6 4 倍，由方式控制指令预先选择，8 2 5 l 在r x c l k 的上升沿采 样数据。 t x c l k ( t r a n s m i t t e rc l o c k ) 一一发送器时钟，这个时钟 控制8 2 5 1 在t x c l k 的下降沿输出数据。 供暖锅炉微机遥测监控系统1 9 北方交通大学9 9 届硕士学位论文第三章微机测控仪的硬件设计 c l k _ 由这个e l k 输入产生8 2 5 1 的内部时序。c l k 的 频率在异步方式工作时，必须大于接收器和发送器的输入时钟频 率的45 倍。另外，c l k 的周期应在o4 2 u s 到1 3 5 u s 的范围内。 为了简化电路，希望8 2 5 l 与单片机a t 8 9 c 5 2 共用一个有源 晶振时钟，这样就需要合适的时钟分频电路对有源晶振分频，以 得到符合需要的相应频率时钟。 对于译码器电路，通常可采用三l 线译码器7 4 h c l 3 8 等 芯片来实现：而对于时钟分频电路，常可用计数器、触发器或者 组合逻辑电路等实现。在本课题中，为充分考虑电路的优化和灵 活性，采用可编程逻辑器件g a l 。 在g a l 的设计中，采用a b e l 语言编程，用真值表与逻辑 方程式组合，设计g a l 的逻辑电路与时序电路。如图3 3 用 两片g a l 实现了译码与分频电路功能。 图3 3 译码与分频电路 在图3 3 中，采用全地址译码法，将单片机的高位地址线 a 1 2 a 1 5 接地址译码器u 7 单元g a l l 6 v 8 的选通输入1 1 1 4 ， 经g a l l 6 v 8 输出q 1 q 4 ，输出接芯片的地址选通。地址分配 以不发生冲突为原则，分述如下： 1 、q 1 ( y 1 ) 按一片并行口8 2 5 5 的片选，主要控制实 时时钟m s m 5 8 3 2 的时间存取，与地址线a 0 - a 1 配合选通地址 单元为a 0 0 0 h - a 0 0 3 h ： 供暖锅炉微机遥测监控系统 北方交通大学9 9 届硕士学位论文第三章微机测控仪的硬件设计 2 、q 2 ( y 2 ) 接男一片8 2 5 5 ，用以控制声光报警、波 特率选取等，地址为9 0 0 0 h 9 0 0 3 h ： 3 、q 3 ( y 3 ) 一一接异步通信接口芯片8 2 5 1 的片选，与地 址线a 0 配合，选通地址为8 0 0 0 h 8 0 0 1 h ； 4 、q 4 ( c s l ) 一一接静态数据存储器r a m 6 2 2 5 6 ，与地址 线a 0 a 1 4 配合选通地址为0 - 7 f f f h 。 有源晶振输出频率为n0 5 9 2 m h z 的正弦波，经施密特反相 器7 4 h c l 4 整形驱动后，提供单片机和电路单元为u 1 2 的 g a l l 6 v 8 的时钟输入c k l 。g a l l 6 v 8 经过4 分频，由q 2 ( c k 2 ) 输出频率为1 1 0 5 9 2 4 = 27 6 4 8 m h z 的矩形波到8 2 5 l 的c l k 脚。 另外，可由8 2 5 5 的p c 勰、p c 2 3 脚选择电乎0 或“1 ”，经脚 q 7 、q 8 菸同输出9 ，1 8 或3 6 分频可选的方波，再经过兼作地 址译码器的g a l l 6 v 8 作4 分频，由脚q 5 ( c k 4 ) 输出可变的三种 频率方波给8 2 5 l 的接收时钟r x c l k 和发送器时钟t x c l k 。8 2 5 1 的接收器和发送器时钟选择工作方式为波特率的6 4 倍，这样， 就可以得到波特率为1 2 0 0 、2 4 0 0 和4 8 0 0 三种速率来发送、接收 数据。以波特率为1 2 0 0 b p s 的时钟产生为例： 频率为1 1 0 5 9 2 m h z 的时钟输入经u 1 2 单元g a l l 6 v 8 先进 行3 6 分频，再经u 7 单元g a l l 6 v 8 进行4 分频，8 2 5 1 选6 4 倍 的波特率因子，即： 波特率输出= 1 10 5 9 2 + 1 0 6 ( 3 6 + 4 + 6 4 ) = 1 2 0 0 由前所述可知，g a l 在对译码器和分频电路的设计中方便 灵活，集成了需要多个逻辑门和时序电路芯片实现的功能。 第四节数据存储器与m a x 6 9 0 a 供暖锅炉微机遥测监控系统 2 1 北方交通大学9 9 届硕士学位论文第三章微机测控仪的硬件设计 a t 8 9 c 5 2 单片机内有2 5 6 个字节的r a m ，c p u 对内部r a m 具有丰富、简洁的操作指令。但在本课题这样的需要实时数据采 集和存储时，内部r a m 的容量就远远不够，因而必须扩展外部 数据存储器。常用的数据存储器有静态r a m 和动态r a m ，动 态r a m 需要刷新逻辑电路，以保持数据不丢失，故而在本课题 中不采用，而选用静态凡w 6 2 2 5 6 。r a m 6 2 2 5 6 容量为3 2 k 8 位，采用c m o s 工艺制造，单电源供电。m c s 5 1 系列单片机 采用哈佛结构，程序存储器与数据存储器地址分开，外部数据存 储器寻址空间可达6 4 k 字节，r a m 6 2 2 5 6 占用地址0 - 7 f f f h 共 3 2 k 字节。 在测控仪系统中，r a m 6 2 2 5 6 用于存储大量程序状态字、标 志字节、温度数据和报警数据等重要信息，而静态r a m 的特点 是掉电时数据丢失，这就需要外加写保护和掉电保护电路。另外， 为保证微处理器系统稳定、可靠运行，还需要电压监控和看门狗 w a t c h d o g 电路，在系统中我们选用了m a x 6 9 0 a 来解决这些 问题。 m a x 6 9 0 a 是m a x i m 公司近年推出的高性能微处理器监控 芯片，具有以下功能： 1 、在微处理器上电、掉电及低电压供电，电源电压低于4 6 5 v 时，产生一个复位输出： 2 、备用电池可给c m o sr a m ，c m o s u p 或其它低功耗逻 辑电路； 3 、受监控的微处理器若未在1 6 s 内触发芯片内部的w a t c h d o g 电路，芯片将产生一个复位输出： 4 、芯片内部有一个门限电压供电为1 2 5 v 的电阻压比较器， 用它可检测微处理器掉电、低电压供电等异常情况。 可见，m a x 6 9 0 a 具有多种功能，对系统的抗干扰能力和监 供暖锅炉微机遥测监控系统 北方交通大学9 9 届硕士学位论文第三章微机测控仪的硬件设计 一v o c g o u t 二一 m a ) ( 6 9 。a r 瞄日 嘤。w d i g n d r a m6 2 2 5 6 面地画一k 一一 r c s 7 4 h c 0 0 一 i，w r 一二一 二j 、 洲d 戳j s i 7 4 h c 0 0 2 3 v c c 时，定时比较器使r s 触发器复位。在r - s 触发器复位状态下，电流开关断开，输出晶体管截止，复位晶体 管导通，使c 开始放电。因此，r - s 触发器与定时比较器、复合 晶体管及外接r t 、c t 构成一个单稳态电路，相当于一个单脉冲 定时器。 供暖锅炉微机遥测监控系统 北方交通太学9 9 届硬士学位论文第三章微机测控仪的硬件设计 输入比较器将输入电压v i n 与v k 比较，当v x v i n 时，电流i 关断，定时器自动复位。 同时，电容c l 通过r l 放电，直到v x 1 乒i i 首次初始化ii i 普通初始化l 置中断允许、看门狗 读取时间、存储时间i l 指针判断l i 采集d s l 8 2 0 的温度i i 采集a d 5 9 0 温度l l 数据处理l 报警判断与存储 、j 通信中断吗? ) 。 上是 数据通信程序 i 图4 1 主程序流程图 4 、温度采集 温度采集程序主要包括对多路温度传感器d s l 8 2 0 的温度读 取和a d 5 9 0 的温度采集以及相应的错误处理； 供暖锅炉徽机遥测监控系统 北方交通大学9 9 届硕士学位论文 第四章微机测控仪的软件设计 5 、数据处理 主要论述一种可靠性较高并经历现场成功运行的数据滤波处 理方法，它是对温度的抗干扰处理； 6 、报警判断与存储 报警的类型包括锅炉出水温度超温，回水温度欠温，引风机 电机缺相和停电报警，这部分程序对这些报警分别予以判断并进 行相应的动作和故障记录； 7 、数据通信软件 程序包括对异步通信接口器8 2 5 1 的工作设置，调制解调器 m o d e m 的初始化，通信中断子程序和数据通信程序