基于单片机的锅炉三冲量水位控制系统.doc

正 文引言汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，汽包水位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。 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。锅炉液位的自动控制,是近年来新开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术紧密结合的产物,工程作业采用的是微机控制和原有的仪表控制,工业控制系统的工作环境差,干扰强,利用单片机控制就能克服这些缺点,使用单片机控制锅炉水位是很好的选择。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。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。本设计，最采用89c51单片机；输入通道采用 adc0809，对水位、给水流量和蒸汽流量进行采样；控制芯片选用89c51；输出通道采用 dac0832，经转换输出一个标准电流信号驱动电动阀；键盘/显示接口采用可编程的键盘/显示接口芯片8155，可显示并查询输入输出信号值。其它还有一些附属电路，如看门狗、报警电路等。1 火电厂锅炉基本知识火电厂锅炉是将燃料的化学能转换为蒸汽热能的设备。在工程上将加热至一定温度后能与氧发生强烈的化学反应，并放出大量热量的炭氢化合物和碳化物称为燃料。燃料的种类很多，根据燃料在自然界所处的状态，可将燃料分为固体燃料、液体燃料和气体燃料三大类。其中固体燃料以煤为主；液体燃料以重油和渣油为主；气体燃料以煤气为主。1.1 工作流程所有电厂锅炉，虽然燃料种类各不相同，但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统是基本相同的。常见的锅炉设备的主要工艺流程图如图1.1所示。1 燃烧嘴；2炉膛；3汽包；4减温器；5 炉墙；6 过热器； 7 省煤器； 8 空气预热器图1.1 锅炉设备主要工艺流程由图可知，燃料和空气按一定的比例送入燃烧室燃烧，生产的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过热器，形成一定气温的过热蒸汽d，汇集至蒸汽母管。压力为pm的过热蒸汽，经负荷设备调节阀给负荷设备用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤气预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后，经过引风机送往烟囱，排入大气。1.2 主要控制系统锅炉是典型的复杂热工系统，其建模与控制问题一直是人们关注的焦点，在国际上始于七十年代。1972 年，k.j.astrom 基于一系列物理实验数据提出了锅炉的简化非线性模型，从而开创了系统地研究锅炉建模与控制的方法。目前工程处理上作了一些假设后，将锅炉设备控制划分为若干个控制系统。主要控制系统如下。（1）锅炉汽包水位的控制被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。他主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包水位在工艺允许范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉、气轮机安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的指标。（2）锅炉燃烧系统的控制其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为被控变量）；使燃料与空气量之间保持一定的比例，以保证最经济燃烧（常以烟气成分为被控变量），提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定范围内。为达到上述三个控制目的，控制手段也有三个，即燃料量、送风量和引风量。（3）过热蒸汽系统的控制维持过热器出口温度在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。被控变量一般是过热器出口温度，操纵变量是减温器的喷水量。（4）锅炉水处理过程的控制。这一控制过程的作用主要是使锅炉给水性能指标达到工艺要求。一般采用离子交换树脂对水进行软化处理。2 汽包水位系统控制方案对锅炉而言，汽包水位是其正常运行的主要标志之一，是一个重要的被调节参数。维持水位在一定的范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。水位过高，会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸气将会带走过多的水分和盐分，导致过热器管壁结垢并损坏，使过热蒸汽温度急剧下降。水位过低，则由于汽包内水量较少，当负荷较大时，水的汽化速度会加快，若不加以及时控制，则容易使汽包内的水全部汽化，破坏水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而损坏，甚至引起爆炸。因此，锅炉汽包水位必须加以严格的控制。首先，我们有必要对汽包水位的动态特性进行研究分析。2.1 汽包水位的动态特性对图 1.1 中的汽水系统进行简化，可以表示为图 2.1 所示的结构。1 给水母管；2调节阀；3省煤器；4汽包；5 下降管；6 上升管； 7 过热器； 8 蒸汽母管图2.1 锅炉设备气水简图在蒸汽发生过程中，汽包内部容积可以看成由蒸发面（即水面）上方的蒸汽体积vd、蒸发面下方的汽水混合体积，即汽泡体积 vs 和汽包内水的体积 vw 三部分组成。由于燃料量对汽包水位的影响有较大的传输滞后和容量滞后，变化十分缓慢，可以忽略不计；而蒸汽压力的变化往往是由于蒸汽负荷变化引起的，因此，压力的变化可以归并到蒸汽负荷中去。这样，压力的变化对汽包水位的影响也可以忽略。经过理论推导及化简后，汽包水位的动态特性可用如下方程式表示： t1t2 （2.1）式中，h汽包水位；h汽包水位；t1，t2时间常数，s；d锅炉蒸汽流量，kg/s；w锅炉给水流量，kg/s； ；tw给水流量项的时间常数，s；td蒸汽流量项的时间常数，s；kw给水流量项的放大倍数；kd蒸汽流量项的放大倍数。通过这个方程式，我们可以知道：在众多影响汽包水位的因素中，最主要的是蒸汽流量d和给水流量w的变化。因此，我们将分别讨论在给水流量和蒸汽流量扰动的作用下，汽包水位变化的动态特性。2.1.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性在给水流量作用下，水位变化的阶跃响应曲线如图 2.2 所示：图2.2 给水流量作用下水位变化阶跃响应曲线如果把汽包和给水看作单容量无自衡过程，水位阶跃响应曲线应为图中的h1线。但是由于给水温度比汽包内原有饱和水的温度低，所以当给水流量增加后，它们将从原有饱和水中吸收部分热量，这就使得水位下汽泡体积由于放出热量而减小。即在水位下汽泡体积的变化过程中，水位则随着汽包中储水量的增加而逐渐缓慢上升；而当这一过程达到平衡后，水位下汽泡体积不再变化，水位变化就表现为随着储水量的增加而直线上升。因此，实际水位变化曲线应如图中h线所示，即当给水量作阶跃变化后，汽包水位一开始并不立即增加，而是有一个起始惯性段。在蒸汽负荷不变而给水流量变化的情况下，汽包水位的动态微分方程可以表示为： （2.2）于是，我们得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数： （2.3）对于中压锅炉，tw 一般较小，可以忽略不计。故式(2.3)可以简化为： （2.4）式中，称为反应速度，即给水流量作单位改变时水位的变化速度。由式(2.4)可知，汽包水位在给水流量作用下的动态特性为一个积分环节和一个一阶惯性环节的串联。根据不同的近似算法，也可以将其表示为一个积分环节和纯滞后环节的串联，即： （2.5） 式中，k0：上升速度，即给水流量变化一个单位流量时水位的变化速度，；：纯滞后时间，s。给水温度越低，纯滞后时间亦越大。通常在15100s之间。如采用省煤器，则由于省煤器本身的延迟，将使增加。比如，对于非沸腾式省煤器的锅炉=30100s，对于沸腾式省煤器的锅炉，=100200s。2.1.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性在蒸汽流量扰动下，水位变化的阶跃响应曲线如图2.3所示：图2.3 蒸汽流量扰动下水位变化阶跃响应曲线当蒸汽流量d突然增加时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量d大于给水量w，水位应该下降，如图中曲线h1。但实际情况并非这样，由于蒸汽用量的增加，瞬时间必然导致汽包压力的下降。汽包内的水沸腾突然加剧，水中汽泡体积迅速增加而使水位变化的曲线如图中h2所示。从而实际显示的水位响应曲线h为h1与h2的叠加。从图可以看出，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始时，水位不仅不下降，反而迅速上升，然后再下降（反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升），这种现象称之为“虚假水位”。在这种情况下，汽包水位的动态微分方程可以表示为： (2.6) 对上式进行拉普拉斯变换，可得： (2.7) 于是，我们得到汽包水位在蒸汽流量扰动下的传递函数： (2.8) 为便于理解，我们对上式进行化简，得到： (2.9) 或: (2.10) 式中，k0=(kdt2-td)/t1 ：响应曲线 h2的放大系数；t0=t1/kd ； kf=1/t0 ：上升速度，即给水流量变化一个单位流量时水位的变化速度； t2 ：响应曲线 h2 的时间常数。应该强调：当负荷变化时，水位下汽泡体积变化而引起水位的变化速度是很快的，也就是说，在负荷变化的最初一段时间，h2的变化速度比 h1快得多。通常，h2的时间常数只有1020s。“虚假水位”变化的幅度与锅炉的工作压力和蒸发量有关。例如，一般100200t/h的中高压锅炉，当负荷变化10%时，“虚假水位”可达3040mm。“虚假水位”现象属于反向特性。2.2 汽包水位控制技术分析锅炉汽包水位的控制系统是根据汽包水位的动态特性来设计的。引起水位变化的因素主要来自给水量和蒸汽量的阶跃变化，控制器（或调节器）是根据水位信号、蒸汽流量和给水流量的偏差信号进行调节的。汽包水位控制系统根据锅炉的容量、负荷变化的速度及调节精度的要求，通常有位式控制系统、比值控制系统、单冲量控制系统、双冲量控制系统、三冲量控制系统等。2.2.1位式控制系统位式控制系统如图2.4所示。系统以锅炉水位为唯一的调节信号，当锅炉水位高于设定的高水位时，控制电路接通并关闭给水泵。当水位低于设定的低水位时，控制电路接通并开启给水泵。这种控制系统使水位在设定的高低水位之间变化，在一定程度上保证了锅炉给水系统的安全。+h-低水位高水位给水泵汽包检测变送图2.4 位式控制系统方框图由于位式控制系统采用简单的启停水泵的方式来对水位进行控制，因而水位波动较大，控制品质较差，一般应用于小型锅炉，且对控制品质要求不高的场合。然而，由于其控制原理和系统结构简单，整定方便，所以系统成本较低。2.2.2 比值控制系统如果从物质平衡的观点出发，只要保证给水量永远等于蒸发量就可以保证汽包水位大致不变。因此可以采用图2.5所示的比值控制系统。其中流量调节器是pi调节器，并用汽机的耗汽量d作为调节系统的设定值，使给水量w跟踪蒸汽量d。其原理如图2.5所示：_蒸汽量+给水量调节器调节阀变送器变送器图2.5 比值控制系统方框图采用比值控制方案的优点是系统完全根据物质平衡条件工作，给水量w的大小只决定于耗汽量d，“虚假水位”现象不会引起给水调节机构的误动作。然而，比值控制系统对于汽包水位来说只是开环控制。如果耗汽量和给水量的测量不准或者由于锅炉排污及管道泄漏等情况，蒸汽量与给水量之间并非总是确定的比值，比值控制系统就不能保持汽水平衡。这是因为汽包水位h对于(d-w)来说是一个积分关系，微小的d和w之差可以在长时问的积累中形成很大的水位偏差。所以一般不单独使用比值系统。2.2.3 单冲量控制系统单冲量控制系统以锅炉汽包水位为唯一信号的锅炉给水连续调节。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。单冲量水位控制系统由汽包、变送器、调节器、执行器及调节阀等组成，其原理如图2.6所示：hh0 +_调节器调节阀变送器汽包图2.6 单冲量控制系统框图这种控制系统结构简单，是典型的单回路定值控制系统。对于水在汽包内的停留时间较长，且负荷又比较稳定的情况，“虚假水位”现象不严重，采用单冲量控制系统，进行pid调节一般就能满足生产要求。然而，在其它的场合，尤其是在水停留时间较短，且负荷变化较大的锅炉中，再采用单冲量控制系统就不合适了。这是由于单冲量系统存在如下不可解决的问题：（1）当负荷变化产生“虚假水位”时，将使控制器反向误动作。（2）负荷变化时，控制作用缓慢。也就是说，单冲量系统对负荷的变化不灵敏。（3）对给水系统的扰动不能及时克服。当给水流量出现扰动时，必须要等到水位发生变化后才能进行控制，因此不能及时克服给水流量变化产生的干扰。2.2.4 双冲量控制系统双冲量水位控制系统是在单冲量水位控制系统的基础上加入了以蒸汽流量信号为前馈信号的锅炉汽包水位控制系统。由于引入了蒸汽流量前馈信号，当蒸汽量变化时，就有一个与蒸汽量同方向变化的给水流量信号，可以减少或抵消由于“虚假液位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的错误动作。使调节阀一开始就向正确的方向动作。因而能极大的减小给水量和水位的波动，缩短过度过程时间。双冲量控制由于有以上特点，所以能在负荷频繁变化的工程下较好的完成水位控制任务。在给水流量比较平稳时，采用双冲量控制是能够达到控制要求的。系统方框图如图2.7所示：蒸汽量 h+_+h0调节器调节阀汽包变送器变送器kp图2.7 双冲量控制系统方框图引入蒸汽流量来校正不仅可以补偿“虚假水位”所引起的误动作，而且能使给水调节阀的动作及时，从而提高控制质量。但这里的前馈仅为静态前馈，若要考虑两条通道在动态上的差异，则还需要引入动态补偿环节。系统在负荷变化频繁的工况下能较好地完成水位控制任务。在给水压力比较平稳时，采用双冲量控制就能达到控制要求。双冲量水位自动控制系统存在的问题是：（1）对于给水系统的扰动不能直接补偿。当给水量发生扰动时，要等到汽包水位信号变化时才能通过调节器操作执行调节，滞后时间长，水位波动大。因此，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不能保持。（2）调节阀的工作特性不是完全线性的，因此，要做到静态补偿就比较困难。为此，我们可将给水流量信号引入，构成三冲量控制系统。2.2.5 三冲量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；例如仅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。三冲量水位控制系统原理图如图2.8所示：h hr + d蒸汽 调节阀 汽包 调节器2 给水变送器 水位变送器 测量变送 + kp 调节器1 图2.8 三冲量控制系统原理图从系统方框图可以看出，三冲量水位控制系统有两个闭合回路：一个是由给水流量w、给水变送器、调节器2和调节阀组成的内回路；另一个是由汽包水位对象和内回路构成的主回路。蒸汽流量d及其蒸汽变送器未包含在这两个闭合回路之内。但它的引入可以改善控制质量，且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。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。三冲量控制系统具有如下优点：（1）相对单冲量和双冲量控制系统，其控制品质最好，能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求。（2）能有效地避免“虚假水位”现象。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。 2.3 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。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。3 硬件电路设计设计方案必须能够达到如下的控制指标：（1）其偏差范围为-50mm，+50mm；水位必须控制在该范围内，否则会影响系统的稳定运行，出现安全事故。（2）显示水位的实际值，能够实现水位参数的设定、修改及报警。系统的设计方案框图如图3.1所示：图3.1 设计方案框图为了使本文所设计的硬件电路有更广泛的适用性，同时，也遵循模块化设计的思想，在控制器硬件电路设计时，先将整个电路分为几个模块分别设计，然后把这些模块进行有机结合，形成完整的电路。本系统由控制器（本文中使用at89c51单片机及其相应的控制、接口程序）、i/o接口（a/d、d/a 转换器）、执行机构（本系统的执行机构是电动阀，用于控制给水流量）、被控对象（汽包水位）、测量装置（给水和蒸汽的流量传感器、水位传感器等）五个基本环节组成。其中，最小系统采用at89c51单片机；输入通道采用 adc0809，对水位、给水流量和蒸汽流量进行采样；输出通道采用dac0832，经转换后输出一个标准电流信号驱动电动阀；键盘/显示接口采用可编程的键盘/显示接口芯片8155，可显示并查询输入输出信号值。其它还有一些附属电路，如看门狗、报警电路等。工作工程：以蒸汽流量为前馈信号，给水量为控制的反馈信号，首先用变送器从汽包中采集到的这些物理参数转化为模拟信号，然后通过a/d转换器转换成89c51单片机可识别的数字信号，将其送入89c51单片机中进行处理，随后将输出信号再通过d/a转换器转换为模拟信号，最后将处理后的信号送入执行器，执行器通过控制给水流量来完成对汽包水位的调节工作。同时系统能把水位进行显示，超标时进行报警处理，同时具有键盘、显示电路和看门狗电路。3.1 最小系统设计3.1.1 cpu的选择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单片机引脚图如图3.2所示：图3.2 89c51引脚图89c51的40个引脚的功能：（1）电源及复位引脚1）vcc（40脚）：电源端，接5v。2）vss（20脚）：接地端。3）rst/vpd（9脚）：rst即为reset，vpd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电源降低到低电平时，rst/vpd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，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。vpp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）：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。（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）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1017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p3.4：t0 定时器0计数输入端 p3.5：t1定时器1计数输入端p3.6：低电平有效，外部ram写 p3.7：低电平有效，外部ram选通 读选通3.1.2 时钟电路设计单片机时钟电路通常有两种形式：（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3.3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。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。图3.4为外部振荡方式图。 图3.3 内部振荡方式图 图3.4 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，电路中的电容c1和c2典型值通常取为30pf左右。3.1.3“看门狗”电路设计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。看门狗芯片max690的wdi引脚和单片机89c51的p1.0引脚相连,p1.0通过程序控制定时地往送入max690的wdi引脚低电平,这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段 进入死循环状态时,写看门狗wdi引脚的程序便不能被执行,1.6s之后,看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号,它便在和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号,使单片机发生复位,即程序从程序存储器的起始位置开始执行,这样便实现了单片机的自动复位。看门狗电路如图3.5：图3.5 看门狗电路3.2 输入通道的设计如图3.6所示，传感器将蒸汽流量信号、水位信号、给水流量信号转换为相应得电流信号，然后经过i/v转换电路转换为单片机可以接受的电压信号，芯片 adc0809则将模拟的电压信号转换为数字信号以提供给89c51进行处理。数字量输出信号3信号2信号1水位传感器hr-ft系列lugb-2给水流量传感器zy-lu蒸汽流量传感器i/v转换电路i/v转换电路i/v转换电路adc0809图3.6 输入通道设计框图3.2.1 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。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。（1）水位传感器选择本设计采用hr-ft水位传感器。hr-ft系列浮筒液位计依据力平衡原理，采用最新的传感结构，使传感器和杠杆机构合二为一，可以直接测量浮筒在液体中受到的浮力，很好地解决了静压的影响，本仪器具有耐高温、耐高压的特点。为解决高温高也容器内的液位的测量提供了良好的方法。并且该仪器具有精度高、可靠性好、调整方便、测量范围广、经久耐用、性能价格比高等优点。广泛应用于石油、化工、电力、食品、水利、冶金、和污水处理等行业。该仪表符合二线制420ma传输协议，为用户提供了非常广泛的选择空间。另外该质量的电路及传感系统，保证了在各种应用场合的优良性能。主要特点：1）双行液晶显示，耐高温高压、抗振性能好、质量稳定、性能可靠。2）采用系列化设计，多种方式安装，实用面广，可安装于各种储罐和过程罐，各种常压罐和压力罐。3）智能化结构设计，具有参数设定、标校及故障提示功能。4）标准的二线制420ma输出，无需专用二次仪表，可与计算机联机。5）具有上下限报警功能，经触点放大后，可控制泵或其他连锁机构。6）具有温度补偿、软件修正、去零、中间点标校功能。主要技术参数：测量范围：0.36m精度等级：0.5、1.0输出信号：420ma二线制供电电压：1236v dc公称压力：最大16mpa工作温度：-40300300600（加散热片）介质密度：液位p0.4g/cm3界位p1-p20.1g/cm3外壳材料：铸铝连接法兰：内浮筒dn50 pn4.0法兰标准din2501外浮筒侧法兰dn40 pn4.0 主体法兰dn50 fn4.0 法兰标准 dn2501电缆接口：m201.5（内螺纹）防护等级：ip65负载特性：最大负载电阻=50（电源电压-12）欧姆=600欧姆上、下限报警点输出形式：集电极开路形式，最大输入电流100ma，最大开关电压30vdc（2）给水流量传感器选择本设计采用lugb21给水流量传感器。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：lugb21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，-102502）高温型：-10300，-103803）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：02.5mpa（2）蒸汽流量传感器选择zy-lu系列智能涡街流量计，主要用于工业管道介质流体的流量测量，如气体、液体、蒸气等多种介质。其特点是压力损失小，量程范围大，精度高，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。蒸汽流量流量传感器主要特点：测量介质：气体、液体、过热/饱和蒸汽口径规格法兰卡装式口径选择：25；32；50；80；100法兰连接式口径选择：100；150；200流量测量范围正常测量流速范围：雷诺数1.51044106气体550m/s;液体0.57m/s测量精度：1.0级；1.5级被测介质温度：常温：25100高温：25150；-25500输出信号脉冲电压输出信号：高电平810v； 低电平0.71.3v脉冲占空比：约50%；传输距离为100m脉冲电流远传信号：420ma；传输距离为1000m仪表使用环境温度:-25+55 湿度:590% rh50材质：不锈钢, 铝合金电源：dc24v或锂电池3.6v防爆等级：本安型iaiibt3-t6；防护等级：ip65因为变送器输出信号为420ma的统一信号，需要经过i/v电路进行转换变成电压信号后才能处理。这里我们可以利用有源i/v变换实现。有源i/v主要是利用有源器件运算放大器、电阻组成的。如图所示我利用同向放大电路，把r1上产生的输入电压变成单片机可以接受的标准电压。该电路同向放大倍数为a=1+r4/r3。若取r3=100k,r4=25k,r1=200k则420ma输入对应于了15v的电压输出。用三个这样的电路分别左边接接传感器右边接adc0809就可实现信号的转换，我们现在定义：水位传感器转换后的电压信号为信号1；给水流量传感器转换后为信号2；蒸汽流量传感器为信号3。通过下面的电路我们就可以把传感器输出的420ma电流信号转换成单片机可以接受的15v电压信号，有源i/v转换电路如下图所示：图3.7 有源i/v转换电路3.2.2 a/d转换本设计采用的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（1/2）lsb和1lsb；输入、输出引脚电平与ttl电路兼容；当模拟电压范围为05v时，可使用单一的+5v电源；基准电压可以有多种按法，且一般不需要调零和增益校准。图3.8为adc0809引脚图。图3.8 adc0809引脚图d0d7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，d0-d7呈高阻态；oe为“1”时，d0d7输出转换后的数据。ale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。该信号也可以用来作为开始转换的启动信号。adc0809芯片有28条引脚，各引脚功能说明如表3.1所示。表3.1 adc0809引脚功能表符号引脚号功能in0in72628，15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。ale22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。start6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。eoc7转换完成输出线，当eoc为1时表示转换已完成。clock10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100oe9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。12，16参考电压输入线vcc11接+5vgnd13接地adc0809的工作过程是：89c51通过p2.5、p2.6、p2.7给38译码器74ls138信号选定adc0809。然后通过p0口输出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。start上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 a/d转换，之后eoc输出信号变低，指示转换正在进行。直到a/d转换完成，eoc变为高电平，指示a/d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。由于本系统的适时性要求不高,故输入通道设计为采用查询方式对采样输入经过一段时间的延时,由程序查询单片机“p1.0”引脚信号,如为高电平,则表示转换完毕考虑到adc0809片内无时钟,可利用提供的地址锁存允许信号ale经d触发器二分频后获得。另外这里水位传感器转换后的电压信号为信号1；给水流量传感器转换后的电压信号为信号2；蒸汽流量传感器转换后的电压信号为信号3。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3.2所示。表3.2 adda、addb、addc真值表对应通路地址cbain0000in1001in2010in3011in4100in5101in6110in7111如上所说，其adc0809接线图如图3.9所示： 图3.9 adc0809接线图3.3 输出通道的设计图3.10为输出通道的设计方框图，89c51处理之后的数字信号经过dac0832转换后转换为电压信号，再经过芯片ad694转换为调节阀可以接受的标准电流信号控制电动阀从而进行对给水流量的控制调节。010v4 20ma数字量89c51dac0832v/i转换电路ad694电动调节阀kvrjp/m图3.10 输出通道设计方框图3.3.1 d/a转换本设计的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。dac0832的引脚图如图3.11所示：图3.11 dac0832接线图引脚信号功能说明如下：di7di0：8位数字输入，di7为高位。：片选信号，低有效。ile：输入锁存允许，高有效。与cs、wr1一起控制数据的输入。：写信号1，低有效。：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dac寄存器，并进行d/a转换。：传送信号控制，低有效。vref：参考电压。电压范围为-10+10v。io1：输出电流1。io2：输出电流2，io1+io2=常数。vcc：电源电压，可在+5+15v范围内选择，最佳工作状态vcc=+15v。agnd：模拟地。dgnd：数字地。agnd和dgnd在片外接一起。图3.12为dac0832与89c51的接口电路。图3.12 dac0832接线图图中，我们选用单缓冲工作方式；输入数据锁存允许信号ile接+5v，始终保持有效；写信号控制数据的锁存，接单片机的引脚，这样数据同时写入dac0832内部的两个寄存器；片选信号cs接到经74ls138译码后送来的片选信号。这种接法表明选中本片dac0832后，写入数据立即启动转换。dac0832有两个输出端lout1和lout2，为电流输出形式，当输入数据为ffh时，iout1电流最大。lout1和lout2电流之和为一个常数且随 dac0832 片内 dac 寄存器的内容线性变化。为使输出电流线性地转移成电压，要在输出端接上运算放大器。我们选择基准电压vref=10v，这样vout就转换为010v的电压信号。3.3.2 v/i电路设计设计采用v/i转换芯片ad694。ad694是一种单片电压-电流转换器。它将输入电压信号转换成标准的420ma电流信号。可广泛应用于压力、流量、温度等信号的参数传递和对阀、调节器以及过程控制中一些常用设备的控制。ad694具有一下特点： 输出范围：420ma或020ma电压输入范围：0v2v或010v单或双电源操作较大的供电电压范围:4.5v36v电源可与电流输出型d/a转换器直接配合使用，实现程控电流输出具有开路或越限报警功能可选外置通过晶体管，以减少自热误差0.002典型的非线性现在输入量程为010v，输出量程为420m