基于單片機控制的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)畢業(yè)設計論文

1、引 言21世紀自動控制技術在工程和科學發(fā)展中起著極為重要的作用，熱力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程中也毫無例外的采用了自動控制技術。在熱力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程中采用的熱工自動控制系統(tǒng)，是伴隨著社會對電能需求的日益增加、單機容量的日益擴大和自動控制技術在熱力發(fā)電廠中應用的深度與廣度與日俱增而逐步發(fā)展起來的。維持鍋爐水位在一定的范圍內(nèi)變化，是汽機和鍋爐安全經(jīng)濟運行的重要條件。若水位過高，會影響汽包的汽水分離裝置的正常工作，導致鍋爐出口蒸汽帶水和含鹽量過大，使過熱器受熱面結垢甚至破壞，影響機組的正常運行和經(jīng)濟性指標。若汽包水位過低，會使鍋爐水循環(huán)工況破壞，造成水冷壁供水不足而燒壞。隨著鍋爐參數(shù)的提高和容量的擴大，對給

2、水控制提出了更高的要求。隨著鍋爐容量的增大，鍋爐負荷變化對水位的影響加劇了。另外，鍋爐工作壓力的提高，使給水調(diào)節(jié)閥和給水管道系統(tǒng)相應復雜，調(diào)節(jié)閥的流量特性更不易滿足控制系統(tǒng)的要求。因此，隨著汽包鍋爐朝著大容量、高參數(shù)的發(fā)展，給水系統(tǒng)采用自動控制是必不可少的，它可以保證水位控制的準確性，保證鍋爐運行的安全可靠，而且大大減輕運行工作人員的工作強度，減少人為因素的影響。從經(jīng)濟性和實用性兩個方面考慮，我們采用8051單片機對汽包鍋爐水位進行控制。第一章 單沖量汽包水位控制系統(tǒng)單沖量水位控制系統(tǒng)是以汽包水位測量信號為唯一的控制信號，即水位測量信號經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測量值與給定值的

3、偏差去控制給水調(diào)節(jié)閥，改變給水量以保持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。單沖量水位控制系統(tǒng)，是汽包水位自動控制系統(tǒng)中最簡單、最基本的一種形式。控制系統(tǒng)由汽包、變送器、調(diào)節(jié)器（微處理機）、給水調(diào)節(jié)閥及相關電路組成。1.1 單沖量汽包水位控制系統(tǒng)的介紹單沖量汽包水位控制系統(tǒng)的優(yōu)點是：系統(tǒng)結構簡單，對鍋爐汽包容量比較大，汽包水位受到擾動后的反應速度比較慢，“虛假水位”現(xiàn)象不很嚴重的鍋爐，采用單沖量水位控制就能滿足生產(chǎn)要求。單沖量汽包水位控制也存在著一些缺點，主要有：（1）單沖量控制方案只根據(jù)水位信號控制給水量，在鍋爐負荷變化大，即階躍擾動很大時，由于鍋爐的“虛假水位”現(xiàn)象，例如負荷蒸汽增加時，水位一開始先上升

4、，調(diào)節(jié)器只根據(jù)水位作為控制信號，就去關小閥門減少給水量，這個動作對鍋爐流量平衡是錯誤的，從而在過程一開始就擴大蒸汽流量和給水流量的波動幅度，擴大了進出流量的不平衡。（2）從給水擾動下水位變化的動態(tài)特性可以看出，由于給水壓力變化等原因造成給水量變化時，調(diào)節(jié)器要等到水位變化后才開始動作，而在調(diào)節(jié)器動作后又要經(jīng)過一段滯后時間才能對汽包水位發(fā)生影響，因此必將導致汽包水位波動幅度大，過程時間長。這種系統(tǒng)結構簡單，運行可靠，適用于水容量大，飛升速度小，負荷變化也不大，控制質(zhì)量要求不高的小容量系統(tǒng)。1.2 被控對象的確定本設計的控制對象是汽包水位H，為了能夠實時監(jiān)控水位，采用平衡容器把水位信號轉換成差壓信號

5、，此信號經(jīng)差壓信號管路傳送至差壓計，通過差壓計顯示水位，即所謂的差壓式水位計。1.2.1 差壓式水位計差壓式水位計是通過把液位高度變化轉化成差壓變化來測量水位，因為其測量儀表就是差壓計。差壓式水位計準確測量汽包水位的關鍵是水位于差壓之間準確轉換，這種轉化是通過平衡容器實現(xiàn)的，常用的雙室平衡容器結構如圖1-1所示。圖1-1 雙室平衡容器正壓頭是從寬容器中引出，負壓頭是從置于寬容器中的汽包水側連通管中取得。寬容器中的水面高度是一定的。當水面要增高時，水便通過汽側連通管溢流入汽包；要降低時，由蒸汽冷凝水來補充。因此當寬容器中水的密度一定時，正壓頭為定值。負壓管與汽包是連通的，因此，負壓管中輸出壓頭的

6、變化反映了汽包水位變化。按照流體靜力學原理，當汽包水位在正常水位H0（即零水位）時，平衡容器的差壓輸出p0為 （1-1）式中：為飽和蒸汽密度；其他符號的意義如圖1-2中所示。當汽包水位偏離正常水位變化H時，平衡容器的差壓輸出p為 （1-2）L、H0為確定值，若、和為已知的確定值時正常水位相對的差壓輸出p0就是常數(shù)，也就是說差壓式水位計的零水位差壓是穩(wěn)定的。平衡容器的輸出差壓p則是汽包水位變化H的單值函數(shù)。水位增高。輸出差壓減小。應當指出，上述半衡容器在實際使用中，它存在的下列問題會造成差壓水位計指示不準：（1）由于平衡容器向外散熱，正、負壓容器中的水溫由上至下逐步降低，且溫度分布不易確定。因此

7、用式（1-1）、式（1-2）分度差壓計時，因密度和的數(shù)值很難準確確定，分度好的差壓式水位計裝到現(xiàn)場后，其指示值與云母水位計的指示值不一致。即使在現(xiàn)場對照云母水位計的指示調(diào)整好刻度值。隨著使用情況的變化，還會由于和數(shù)值改變而指示不準。為解決這個問題，可通過改進平衡容器結構。設法使和為已知確定值例如，用蒸汽套保溫，可使和都等于汽包壓力下飽和水的密度，這叫，差壓p和水位H有以下關系式： （1-3）（2）一般，差壓式水位計是在汽包額定工作壓力下分度的。因此差壓式水位計只有在汽包額定工作壓力下運行時其指示才正確。當汽包壓力變化時，飽和水密度和飽和蒸汽密度隨之變化，使差壓式水位計的指示發(fā)生很大誤差。隨壓力

8、變化的關系在不同的壓力分范圍是不同的，如圖1-2所示。圖1-2 汽包壓力和密度差的關系飽和水的密度；飽和蒸汽密度；在室溫、汽包壓力p下水的密度從圖中可見在313MPa壓力范圍內(nèi)，壓力p和密度差的關系非常接近于線性的，隨著壓力的降低，密度差增大。由于雙室平衡容器的結構尺寸L總是大于H所以從式（1-3）可知，當汽包壓力低于F額定值時，增大使輸出p增大，因而使差壓式水位計指示偏低。由此產(chǎn)生的水位指示誤差還與水位H、平衡容器結構尺寸L有關。（L-H）越大，指示誤差也越大也就是說，低水位比高水位誤差大。這種誤差在中壓鍋爐可達4050mm，在高壓鍋爐可達100mm以上，因此差壓式水位計在機組啟、?；蚧瑝哼\

9、行時是不能使用的。1.2.2 平衡容器的改進圖1-3 平衡容器結構示意圖改進后的平衡容器結構如圖1-3所示。在 汽包水位變化時，為了使正在壓管中的水位始終恒定，加大了正壓容器的截面積（一般要求正壓容器直徑大于100mm），并在其上安裝凝結水漏盤，使得更多的凝結水不斷的流入正壓容器，正壓容器中的水不斷溢出。用蒸汽加熱的方法使正壓容器中的水溫等于飽和溫度。蒸汽凝結水由漏水管流入下降管。漏水管與下降管連接高度應保證平衡容器內(nèi)無水而下降管又不抽空，即漏水管內(nèi)要保持一定高度的水位。負壓管直接從汽包水側引出。為了保證壓力引出管的垂直部分水的密度等于環(huán)境溫度下水的密度，壓力引出管的水平距離S要大于800mm

10、。正常水位H0時，平衡容器的輸出差壓p0為因為在實際應用中，平衡容器的結構尺寸均為已知量，所以其輸出差壓與水位的關系為 （1-4）式中汽包工作壓力下的飽和水與飽和蒸汽密度之差； 室溫下的過冷水與飽和水密度之差； L，l平衡容器結構尺寸，如圖1-3所示。第二章 單片機汽包水位控制系統(tǒng)的總體設計單片機鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)主要是針對汽包水位控制的一種實際工程應用設計。在熱力發(fā)電廠中以及用到熱力設備的工廠中，汽包水位的控制對鍋爐的安全運行極為重要，水位過高、過低都將引起蒸汽品質(zhì)變壞或水循環(huán)惡化，甚至造成嚴重事故。尤其在機爐啟停過程中，爐內(nèi)參數(shù)變化很大，水位變化亦很大，水位的及時控制就更加重要了。因此，

11、汽包水位控制是保證熱力設備安全運行的必要條件。所以本設計可以使我們對汽包水位控制系統(tǒng)有一個比較基礎的認識，同時又是對所學知識的一個鞏固和創(chuàng)新。圖2-1為單片機鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的總體設計方案。圖2-1 單片機鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設計方案圖本設計中對汽包水位進行壓力、和差壓的測量，通過電路轉換為單片機可以處理的數(shù)字信號，經(jīng)過軟件運算，求出水位的高低并得出與正常水位的差值，再將其控制信號利用電路轉換成模擬信號，通過執(zhí)行器對汽包水位進行控制。壓力/差壓變送器采用的是電容式壓力/差壓變送器WT-1151GP，由于其輸出的是420mA標準電流，而A/D轉換器接受的是05V標準電壓，所以應該設計I/V電

12、流電壓轉換電路，這樣就可以接入A/D轉換器了。單片機采用MCS-51系列中的8051單片機，8051單片機及其小系統(tǒng)的設計是本設計中重要的組成部分。兩個模擬信號接到8051之前需要將模擬信號轉換為數(shù)字信號，所以選用的是8個模擬量輸入通道的A/D0809，輸出是8位數(shù)字輸出接到8051單片機上。本設計有一個模擬信號輸出接口，用來控制執(zhí)行器從而調(diào)節(jié)汽包水位的高低，這中間需要一個將數(shù)字信號轉換為模擬信號的環(huán)節(jié)，選用的是8位的D/A0832，在經(jīng)過相應的電路轉換可以得到420mA的標準電流，完成了整個電路的設計。第三章 硬件電路設計3.1 MCS-51系列8051單片機單片機，也稱單片微控制器（MCU

13、），是把一個計算機系統(tǒng)集成在一塊芯片上的微機。片內(nèi)含有微處理器（CPU）、只讀存儲器（ROM）、隨機存取存儲器RAM、并行I/O口、串行I/O口、定時器/計數(shù)器、中斷控制、系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等。3.1.1 8051單片機的組成MCS-51系列8051單片機的內(nèi)部結構框圖如圖3-1所示。MCS-51單片機組成結構中包含運算器、控制器、片內(nèi)存儲器、并行I/O口、串行I/O口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、振蕩器等功能部件。圖中SP是堆棧指針寄存器，PC是程序計數(shù)器，PSW是程序狀態(tài)字寄存器，DPTR是數(shù)據(jù)指針寄存器。圖3-1 8051單片機內(nèi)部結構框圖8051單片機是由中央處理器CPU（運算器和控制器）

14、、存儲器（RAM和ROM）、I/O口（P0、P1、P2、P3）以及特殊功能寄存器SFR等構成。中央處理器（CPU）是由運算器和控制器構成，是單片機的最核心部分。它的主要功能是讀入并分析每條指令，根據(jù)指令的功能，控制單片機的各功能部件執(zhí)行指定的操作。運算器以算術邏輯單元（ALU）為核心，包括累加器（ACC）、寄存器（B）、暫存器1、暫存器2、程序狀態(tài)字寄存器（PSW）等許多部件構成。它的功能是完成算術和邏輯運算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳送等操作?？刂破魇菃纹瑱C的神經(jīng)中樞，是由指令寄存器IR、指令譯碼器ID、程序計數(shù)器PC、堆棧指針SP、數(shù)據(jù)指針DPTR、定時及控制邏輯電路等組成。它先以主振頻率為基準發(fā)

15、出CPU的時序，對指令進行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號，完成一系列定時控制的微操作，用來協(xié)調(diào)單片機內(nèi)部各功能部件之間的數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)運算等操作。8051單片機采用哈佛結構片內(nèi)存儲器，即ROM和RAM分別在兩個獨立的空間（分開編址）。8051單片機內(nèi)部有21個特殊功能寄存器，它們與內(nèi)部RAM統(tǒng)一編址，離散地分布在80HFFH的地址單元中。MCS-51單片機內(nèi)部有4個8位的并行I/O口P0、P1、P2、P3。其中P1口、P2口、P3口為準雙向口，P0口為雙向的三態(tài)數(shù)據(jù)線口。各端口均由端口鎖存器、輸出驅動器、輸入緩沖器構成。各端口除可進行字節(jié)的輸入/輸出外，每個位口線還可單獨用作輸入/輸出，因此，使用

16、起來非常方便。輸入/輸出引腳P0口，P1口，P2口，P3口的介紹。P0口（P0.0P0.7共8條引腳，即3932腳）：是雙向8位三態(tài)I/O口。在訪問外部存儲器時，可分時用作低8位地址線和8位數(shù)據(jù)線；在EPROM編程時，它輸入指令字節(jié)，而在驗證程序時，則輸出指令字節(jié)。P0口能驅動8個LSTTL輸入。P1口（P1.0P1.7共8條引腳，即18腳）：P1口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/O口。在EPROM編程和程序驗證時，它接收低8位地址，能驅動4個LSTTL輸入。P2口（P2.0P2.7共8條引腳，即2128腳）：P2口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。在訪問外部存儲器時，它送出高8

17、位地址。在對EPROM編程和程序驗證時，它接收高8位地址，能驅動4個LSTTL輸入。P3口（P3.0P3.7共8條引腳，即10 17腳）：P3口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。在MCS-51單片機中，這8個引腳都有各自的第二功能，在實際工作中，大多數(shù)情況下都使用P3口的第二功能， P3口的第二功能如下所示：P3.0：RXD串行數(shù)據(jù)接收端P3.1：TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送端P3.2：外部中斷0申請輸入端P3.3：外部中斷1申請輸入端P3.4：T0 定時器0計數(shù)輸入端P3.5：T1定時器1計數(shù)輸入端P3.6：低電平有效，外部RAM寫選通P3.7：低電平有效，外部RAM讀選通8051單片機提供全

18、雙工串行I/O口，可對外與外設進行串行通信，也可用于擴展I/O口。8051單片機有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器T0和T1，用于精確定時或對外部事件進行計數(shù)。8051單片機提供5個中斷源，具有兩個優(yōu)先級，可形成中斷嵌套。3.1.2 8051單片機的引腳分布8051單片機的引腳分布如圖3-2所示，總線結構如圖3-3所示。圖3-2 8051單片機引腳分布3.1.3 8051單片機的引腳功能8051的40個引腳的功能：1、電源及復位引腳（1）VCC（40腳）：電源端，接5V。（2）VSS（20腳）：接地端。（3）RST/VPD（9腳）：RST即為RESET，VPD為備用電源。該引腳為單片機的上電復位

19、或掉電保護端。當單片機振蕩器工作時，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期的高電平，就可實現(xiàn)復位操作，使單片機回復到初始狀態(tài)。當VCC電源降低到低電平時，RST/VPD線上的備用電源自動投入，以保證片內(nèi)RAM中的信息不丟失。（4）/VPP（31腳）：為片內(nèi)外程序存儲器選用端。該引腳為低電平時，只選用片外程序存儲器；該引腳為高電平時，先選用片內(nèi)程序存儲器，然后選用片外程序存儲器。VPP片內(nèi)EPROM編程電壓輸入端，當用作編程時，輸入21V編程電壓。2、晶體振蕩器接入或外部振蕩信號輸入引腳（1）XTALl（19腳）：晶體振蕩器接入的一個引腳。采用外部振蕩器時，此引腳接地。（2）XTAL2（18腳）：晶體振蕩

20、器接入的另一個引腳。采用外部振蕩器時，此引腳作為外部振蕩信號的輸入端。3、地址鎖存及外部程序存儲器編程脈沖信號輸出引腳ALE/（30腳）：地址鎖存允許信號輸出/編程脈沖輸入引腳。ALE為地址鎖存允許信號輸出引腳，當8051單片機上電正常工作時，自動在該引腳上輸出頻率為fosc/6的脈沖序列。當CPU訪問外部存儲器時，此信號作為鎖存低8位地址的控制信號。PROG為編程脈沖輸入引腳，在對片內(nèi)ROM編程寫入時，作為編程脈沖輸入端。圖3-3 MCS-51系列8051單片機引腳及總線結構4、外部程序存儲器選通信號輸出引腳（29腳）：外部程序存儲器選通信號，低電平有效。當從外部程序存儲器讀取指令或數(shù)據(jù)期間

21、，每個機器周期該信號兩次有效，以通過數(shù)據(jù)總線P0口讀取指令或數(shù)據(jù)。5、I/O引腳（1）P0.0P0.7：8位數(shù)據(jù)/低8位地址復用總線端口。（2）P1.0P1.7：靜態(tài)通用I/O口。（3）P2.0P2.7：高位地址總線端口。（4）P3.0P3.7：雙功能端口。3.1.4 8051單片機的結構特點就CPU的結構來說，通用微機的CPU內(nèi)部有一定數(shù)量的通用或專用寄存器，而MCS-51系列8051單片機則在數(shù)據(jù)RAM區(qū)開辟了一個工作寄存器區(qū)。該區(qū)共有4組，每組8個寄存器，共計可提供32個工作寄存器，相當于通用微機CPU中的通用寄存器。除此之外，MCS-51系列8051單片機還有頗具特色的21個特殊功能寄

22、存器SFR。要理解MCS-51系列8051單片機的工作，就必須對特殊功能寄存器SFR的工作有清楚的了解。SFR使僅具有40條引腳的單片機系統(tǒng)的功能有很大的擴展。由于這些SFR的作用，每個通道在程序控制下，都可有第二功能，從而使得有限的引腳能衍生出更多的功能。而且，利用SFR可完成對定時器、串行口、中斷邏輯的控制，這就使得單片機可以把定時/計數(shù)器、串行口、中斷邏輯等集成在一個芯片上。MCS-51系列8051單片機在存儲器結構上與通用微機也有不同之處，通用微機中程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是一個地址空間，而單片機把程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分成兩個獨立的地址空間，采用不同的尋址方式，使用兩個不同的地址指針，

23、PC指向程序存儲器，DPTR指向數(shù)據(jù)存儲器。采用這種結構主要是考慮到工業(yè)控制的特點。一般工業(yè)控制系統(tǒng)中，需要較大的程序存儲器空間和較小的隨機存儲器空間，不同于通用微機需要較大的數(shù)據(jù)存儲器空間。MCS-51系列8051單片機在輸入輸出接口方面的特點是，通道口引線在程序的控制下都可有第二功能，可由用戶系統(tǒng)設計者靈活選擇。比如數(shù)據(jù)線和地址線低8位可分時合用通道0，而地址線高8位與其它信號線也可合用通道2。由于存儲器和接口都在片內(nèi)，就給應用提供了方便，往往只在其引腳處增加驅動器即可簡化接口設計工作，提高單片機與外設數(shù)據(jù)交換的處理速度。同時，功能變換和選擇由相應的指令來控制實現(xiàn)，而不是靠硬件上的跳線短接

24、等方法實現(xiàn)。MCS-51系列8051單片機I/O引腳一線多功能的特點方便了用戶，但在組成應用系統(tǒng)時，也應根據(jù)其特點分時使用。MCS-51系列8051單片機的另一個顯著特點是內(nèi)部有一個全雙工串行口，即可同時發(fā)送和接收；有兩個物理上獨立的接收、發(fā)送緩沖器。發(fā)送緩沖器只能寫入不能讀出，接收緩沖器只能讀出不能寫入。在程序的控制下，串行口能工作于四種方式，用戶可根據(jù)需要，設定為移位寄存器方式以擴展I/O口和外接同步輸入輸出設備，或用作異步通信口，以實現(xiàn)雙機或多機通信，極為方便地組成分布式控制系統(tǒng)。3.1.5 8051單片機的主要技術指標（1）8位CPU；（2）128B的數(shù)據(jù)存儲器；（3）32根I/O線；

25、（4）64KB的片外程序存儲器尋址能力，64KB的片外數(shù)據(jù)存儲器尋址能力；（5）1個全雙工的異步串行口；（6）2個16位定時/計數(shù)器；（7）5個中斷源，2個優(yōu)先級；（8）4KB的程序存儲器；（9）21個特殊功能寄存器；（10）1個片內(nèi)時鐘振蕩器和時鐘電路。3.1.6 單片機時鐘電路單片機時鐘電路通常有兩種形式： 圖3-4 內(nèi)部振蕩方式圖 圖3-5 外部振蕩方式圖1、內(nèi)部振蕩方式：MCS-51單片機片內(nèi)有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。把放大器與作為反饋元件的晶體振蕩器或陶瓷諧振器連接，就構成了內(nèi)部自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。圖3

26、-4為內(nèi)部振蕩方式圖。2、外部振蕩方式：外部振蕩方式就是把外部已有的時鐘信號引入單片機內(nèi)。圖3-5為外部振蕩方式圖。本設計所采用的是內(nèi)部振蕩方式，晶振選擇為12MHz，電容C1、C2大小通常為30PF，其接線如圖3-6所示。圖3-6 晶振接線3.2 變送器的選擇變送器的作用是分別將各種工藝變量（如溫度、壓力、流量、液位）和電、氣信號（如電壓、電流、頻率、氣壓信號等）轉換成相應的統(tǒng)一標準信號。3.2.1 壓力變送器的選擇本設計中采用的壓力變送器為WT-1151GP型電容式壓力變送器，它是一種新型產(chǎn)品，在工業(yè)生產(chǎn)和工藝流程中用來測量液體氣體的壓力、液位、調(diào)節(jié)密度等參數(shù)。它與其他的儀表和控制裝置配合

27、組成自動檢測、記錄、控制等工業(yè)自動化系統(tǒng)。WT-1151GP型電容式壓力變送器主要特點：（1）智能電子部件僅有一塊板組成、體積小、重量輕。（2）精度高。（3）可靠性好。（4）量程為0-0.6KPa0-42000KPa，量程調(diào)節(jié)的可調(diào)節(jié)范圍大，而且?guī)в姓撨w移機構。（5）過載性能好。（6）具有可調(diào)阻尼裝置，可用于脈動流體的測量。（7）變送器可分為普通型、隔爆型和本質(zhì)安全型。（8）符合HART協(xié)議，可用HART通訊器268、275與本智能表進行雙向通訊而不中斷輸出信號。（9）在采用HART協(xié)議的分散控制系統(tǒng)中同主機進行雙向通訊。（10）具有自我診斷和遠方診斷的功能。（11）帶有EPROM非易失性存

28、儲器不怕斷電丟失數(shù)據(jù)。功能參數(shù)：（1）使用對象：液體、氣體。（2）輸出信號：420mA。（3）供電電源：1245VDC，帶LCD為1545VDC。（4）負載與供電電源有關，在電源電壓R與電源電壓V關系為如圖3-8所示。圖3-8 負載阻抗與電源電壓關系圖（5）指示器：現(xiàn)場輸出指示有電流表，線性指示0100%和平方根指示，輸出可按百分數(shù)顯示和420mADC顯示兩種。（6）正負遷移：最大正遷移量為500%，最大負遷移量不大于大氣壓。（7）溫度范圍：放大電路的工作溫度為-2575，帶現(xiàn)場顯示器、防暴型變送器工作溫度為-25+75，傳感器的工作溫度為-40+104。（8）儲藏溫度：-40+100。（9）

29、容積變化量：小于0.16立方厘米。（10）過載壓力：不超過最大測量范圍的1.5倍。（11）阻尼時間：在0.21.67秒內(nèi)連續(xù)可調(diào)。（12）啟動時間：2秒，不須要預熱。（13）故障報警：自診斷程序檢測故障，模擬輸出高于22mA或低于3.8mA報警，報警高低標志可通過電子部件上的開關進行選擇。（14）變送器狀態(tài)保護：撥動電子部件上開關可以防止變送器組態(tài)的改變。壓力變送器的工作原理如圖3-9所示。下面將分別介紹各部分原理：1、“”室傳感器WT-1151GP型電容式壓力變送器有一個可變電容的傳感組件，稱為“”室傳感器是一個完全封閉的組件，過程壓力通過隔離膜片和灌充液硅油傳到傳感器膜片引起位移。“”室傳

30、感器圖如圖3-10所示。圖3-9 壓力變送器的工作原理圖 圖3-10 “”室傳感器圖傳感膜片和兩電容極板之間的電容差由電子部件轉換成420mADC的二線制輸出的電信號。這一轉換是基于下述的概念。（1）P= （3-1）式中：P是被測壓力；是常數(shù)；是高壓側電容極板與傳感膜片間的電容；是低壓側電容極板與傳感膜片間的電容。（2）f= （3-2）式中：為恒定的基準電流；為振蕩電壓的峰值電壓；f為流過、的電流值。（3） （3-3）式中：為流過、的電流差。（4） （3-4）式中：為輸出信號電流；為常數(shù)。因此得：/=常數(shù)P即有傳感器膜片的位移與壓力成正比。傳感膜片的位置由其兩側的電容極板來測定，且其輸出式通過

31、解調(diào)器整流的。2、解調(diào)器它由-極管橋路組成，其作用是對交流信號進行整流。通過變壓器繞組線圈1-12和3-10的直流電流相加作用于振蕩控制放大器IC1，以控制此電流為一個常數(shù)。通過變壓器繞組線圈2-11的直流電流與壓力成正比，即：f=。二級管橋路和量程溫度補償熱敏電阻放在傳感器組件內(nèi)，熱敏電阻的補償作用是安裝在電氣盒中的電阻R4和R5來控制。3、振蕩控制放大器振蕩控制放大器是一個差動放大器，它是輸出一個可變的電壓供給振蕩器。放大器的輸出電壓必須可調(diào)，以保證傳感器中的電容極板得到適當?shù)募铍妷骸糜诜答伩刂齐娐分?，控制振蕩器的驅動電壓可以達到f=。其電路如圖3-7所示。4、振蕩器振蕩器由元件、和

32、組成。其振蕩頻率取決于傳感器的測量電容和振蕩變壓器的繞組電感量。傳感器的測量電容隨壓力發(fā)生變化，因此其振蕩頻率也隨著發(fā)生微小的變化（大約32KHz左右）。5、電流控制放大器電流控制放大器由、和有關元件組成，其基準電壓取自和的連接點。電路如圖3-8所示。圖3-7 振蕩控制放大器圖3-8 電流控制放大器6、電流控制放大器和電流檢測電路電流控制放大電路驅動電流控制電路輸出達到某一電平，引起電流檢測器通過電阻反饋信號與零位靜態(tài)電流和可變差動電流值和相平衡。電路控制電路由、和有關電子元件組成。電流檢測由電阻、和組成。7、電流限制電路電流限制電路由電阻和組成，其作用是使變壓器過壓輸入時，輸入電流不超過30

33、mA。8、反向極性保護不帶指示表頭時，二極管起著反向保護的作用，而當帶指示表頭時，反向保護作用則由二極管來完成。9、穩(wěn)壓電源電路穩(wěn)壓電源電路由電路提供一個工作電源和一個基準電壓，由、和組成。10、零位正負遷移零位調(diào)整電路由電位器和組成。它可以產(chǎn)生一個獨立可調(diào)電流與傳感器的差動電流相加。電阻、可用開關SW接通，以增加一固定的零位電流，偏移調(diào)整范圍，以得到較大的正負遷移量。11、阻尼調(diào)整阻尼電路將一個與輸出電流變化成正比的信號，反饋到電流控制放大器的輸入端。這個反饋作用由電容器和電位器來提供的。電位器調(diào)整的位置，決定了反饋量的大小，從而也決定了阻尼量的大小。當電位器在引腳“1”和“2”之間的電阻值

34、增加時，阻尼作用和輸出對輸入相應的時間也隨之增大。12、線性調(diào)整電路線性調(diào)整電路由可變電阻網(wǎng)絡（、），電容和二極管、組成。是量程調(diào)整電位器。它決定反饋到電流控制放大器的輸入端的傳感差動電流的大小。最終得到：/=常數(shù)P只要保證膜片中心位移與壓力具有線性關系，轉換電路即可以保證輸出電流和壓力成線性關系。 3.2.2 差壓變送器的選擇WT-1151DP型電容式差壓變送器可以用來測量流量、液位和應用其他要求精確測量差壓、壓力的場合。上一節(jié)中已介紹了壓力變送器的工作原理以及各部分的功能介紹，WT-1151DP電容式差壓變送器中的各部分是相同，只是在安裝上有所不同，所以不在重復介紹各部分功能，最終得到也是

35、420mA標準電流輸出公式為：/=常數(shù)P （3-5）即所測差壓與電容成線性關系。工作原理圖見圖3-9所示。圖3-9 工作原理圖3.3 I/V變換器由于電容式壓力/差壓變送器WT-1151GP，其輸出信號為420mADC，所以需要設計電流電壓轉換電路將420mADC轉換成標準電壓信號05VDC，然后再將電壓信號輸入到采樣保持器，讓ADC0809接受標準統(tǒng)一的05V電壓信號，其電流電壓轉換電路如圖3-10所示。由圖3-10可得： （3-6）取R1=0.25K，則： 當Ii=4mA時，Uo=0V，再取R2= Rb，上式可寫為： （3-7）當Ii=20mA時，Uo=5V，再取R2=Rb上式可寫為： （

36、3-8）由（3-7）-（3-8）得：Rf /Rb =1/8即Rb =R2=8 Rf，得：Vb=10V圖3-10 I/V變換圖為使輸入端兩端阻抗匹配應滿足：R2/Rb / Rf=0.25K則 8 Rf=2.5K故有：Rf=312.5R2=2.5K通過上面電路的轉換，就可以把420mADC轉換成標準電壓信號05VDC ，送到ADC0809中進行轉換。3.4 采樣保持器如果直接將模擬量送入A/D轉換器進行轉換，則應考慮到任何一種A/D轉換器都需要用一定的時間來完成量化及編碼的操作。在轉化過程中，如果模擬量產(chǎn)生變化，將直接影響到轉換精度。特別是在同步系統(tǒng)中。幾個并聯(lián)的參量需取自同一瞬時，而各參數(shù)的A/

37、D轉換又共享一個芯片，所得到得幾個量就不是同一時刻的值，無法進行計算和比較。所以要求輸入到A/D轉換器的模擬量在整個轉換過程中保持不變，但轉換之后，又要求A/D轉換器的輸入信號能夠跟隨模擬量變化。能夠完成上述任務的器件為采樣保持器（Sample/Hold）簡寫為S/H。S/H有兩種工作方式，一種是采樣方式，另一種是保持方式。在采樣方式中，采樣保持器的輸出跟隨模擬量輸入電壓變化。在保持狀態(tài)中，采樣保持器的輸出將保持在命令發(fā)出時刻的模擬量輸入值，直到下一個保持命令來到時為止。本設計所選用的保持器為LF398，目前是應用比較廣泛的一種。主要完成的工作是對壓力、差壓兩個信號的同時采樣和保持，所以其控制

38、信號應該接到一根控制線，才能完成信號同時采樣和保持工作。LF398是由雙極型絕緣柵場效應管組成的采樣保持器。它具有采樣速度快，保持下降速度慢，以及精度高等特點。作為單一的放大器時，其電流增益精度為0.002%，采樣時間小于6s時精度可達0.01%；采用雙極型輸入狀態(tài)可獲得較低偏差電壓和寬頻帶。使用一個單獨的端子實現(xiàn)輸入偏差電壓的調(diào)整，允許帶寬1MHz，輸入電阻為1010歐姆。當使用電容為1F時，其下降速度為5mV/min。結型場效應管為CMOS電路抗干擾能力強，而且不受溫度影響。總的設計保證是，即使在輸入信號等于電源電壓時，也可以將輸入饋送到輸出端。LF398的原理圖如下圖3-11所示。圖3-

39、11中有一個由二極管D1、D2組成的保護電路。在沒有D1和D2的情況下，如果在S再次接通以前變化了，且變化較大時，于是的變化也很大。以至于使A1的輸出進入飽和狀態(tài)，與ui不再保持線性關系，并使開關電路承受較高的電壓，不利于安全。接入D1和D2以后，當比所保持的電壓高出一個二極管的正向壓降時，D1將導通，被鉗位于ui+ UD1。這里的UD1表示二極管D1的正向導通壓降。當比低于一個二極管的壓降時，D2導通，將鉗位于ui-UD2。UD2為D2的正向壓降。在S接通的情況下，因為，所以D1和D2都不導通，保護電路不起作用。圖3-11 LF398原理圖圖3-12為LF398典型接法圖。LF398典型接法

40、及功能說明如下：（1）VIN：模擬量電壓輸入。（2）VOUT： 模擬量電壓輸出。（3）邏輯（logic）及邏輯參考（logic reference）：邏輯及邏輯參考電平，用來控制采樣保持器的工作方式。當8引腳為低電平時，通過控制邏輯電路A3使開關S閉合，電路進入保持狀態(tài)。它可以接成差動形式，也可以將參考電平接地，然后，在引腳8端用一個邏輯電平控制。（4）偏置（OFFSET）：偏差調(diào)整引腳?？捎猛饨与娮枵{(diào)整采樣保持器的偏差。（5）CH：保持電容引腳。用來連接外部保持電容。（6）V+，V- ：采樣保持器電路電源引腳。電源變化范圍為5V到18V。通過以上分析可以讓2腳接1k電阻，用于調(diào)節(jié)漂移電壓，7

41、腳和8腳是兩個控制端，控制開關的關斷。7腳接參考電壓，8腳接控制信號。參考電壓應根據(jù)控制信號的電平來選擇。如7腳接地， 8腳接控制信號大于1.4V時，LF398處于采樣狀態(tài)；如8腳為低電平， 則LF398處于保持狀態(tài)。6腳外接保持電容，它的選取對采樣保持電路的技術性能指標至關重要，大電容可使系統(tǒng)得到較高精度，但采樣時間加長。小電容可提高采樣頻率，但精度較低。同時，電容的選擇應綜合考慮精度要求和采樣頻率等因素。所以選適當?shù)碾娙荽笮?F可以滿足其需求。LF398的其它幾個參數(shù)為：漂移電壓2mV，供電電壓值在10V間選擇。圖3-12 LF398典型接法圖本設計所用到的采樣保持器為兩個，分別對、壓力、

42、差壓進行采樣和保持，當ADC0809為高電平時，此時采樣保持器進行信號的采樣，輸出隨著輸入的變化而變化，當單片機通知ADC0809進行輸入信號的轉換時引腳EOC為低電平，此時通過單片機的P3.0口將LF398的8引腳置為低電平，兩個模擬輸入信號同時被保持住，ADC0809進行轉換，轉換結束后EOC又為高電平，進行下次信號的采樣，如此往復，實現(xiàn)了信號的不斷采樣和保持，并且跟蹤快。3.5 A/D轉換器及其接口本設計采用的A/D轉換器為8位轉換器ADC0809。ADC0809是與微處理器兼容的8通路8位A/D轉換器。它主要由逐次逼近式A/D轉換器和8路模擬開關組成。ADC0809的特點是：可直接與微

43、處理器相連，不需另加接口邏輯；具有鎖存控制的8路模擬開關，可以輸入8個模擬信號；分辨率為8位，總的不可調(diào)誤差為（）LSB和LSB；輸入、輸出引腳電平與TTL電路兼容；當模擬電壓范圍為0-5V時，可使用單一的V電源；基準電壓可以有多種按法，且一般不需要調(diào)零和增益校準。圖3-13為ADC0809與8051的接口電路。本設計使用的輸入端口有IN0、IN1，分別輸入的是壓力、差壓。圖3-13 ADC0809與8051的接口D0D7是轉換后的二進制輸出端，它們受輸出允許信號OE的控制，OE信號由程序或外部設備提供。OE為“0”時，D0-D7呈高阻態(tài)；OE為“1”時，D0D7輸出轉換后的數(shù)據(jù)。A，B，C是

44、三個采樣地址輸入端，它們的8種組合用來選擇8個模擬量輸入通路IN0-IN7中的一個通路并進行轉換，這8位組合與所選通路的對應關系見表3-1所示。表3-1 ADDA、ADDB、ADDC真值表對應通路地址CBAIN0000IN1001IN2010IN3011IN4100IN5101IN6110IN7111ALE是地址鎖存選通信號。該信號上升沿把地址狀態(tài)選通入地址鎖存器。該信號也可以用來作為開始轉換的啟動信號，但此時要求信號有一定的寬度，典型值為100最大值為200，SC為啟動轉換脈沖輸入端，其上跳變復位轉換器，下降沿啟動轉換，該信號寬度應大于100，它也可由程序或外部設備產(chǎn)生。若希望自動連續(xù)轉換（

45、即上次轉換結束又重新啟動轉換），則可將SC與EOC短接。EOC轉換結束信號從SC信號上升沿開始經(jīng)1-8個時鐘周期后由高電平變?yōu)榈碗娖?，這一過程表示正在進行轉換。每位轉換要8個時鐘周期，8位共需64個時鐘周期，若時鐘頰率為500KHz，則一次轉換要128。該信號也可作為中斷請求信號。CLK是時鐘信號輸入端，最高可達1280KHz。REF（+）和REF（-）為基準電壓輸入端，它們決定了輸入模擬電壓的最大值和最小值。通常，REF（+）和電源Vcc一起接到基準電壓5.12V（或5V）上，REF（-）接在地端GND上。此時最低住所表示的輸入電壓值為： （3-9）REF（+）和REF（）也比一定要分別接在

46、Vcc和GND上，但要滿足以下條件： （3-10） （3-11）ADC0809芯片有28條引腳，各引腳功能說明如表3-2所示。表3-2 ADC0809引腳功能表符號引腳號功能2628，15為8個通道模擬量輸入線ADDAADDBADDC2523多路開關地址選擇線A為最底位，C為最高位。通常分別接在地址線的低三位。2-82-117，14，15，8，18218位數(shù)字量輸出結果。ALE22地址鎖存有效輸入線。該信號上升沿把3條選擇線的狀態(tài)鎖存入多路開關地址寄存器中。START6啟動轉換輸入線。該信號上升沿清除ADC的內(nèi)部寄存器而在下降沿啟動內(nèi)部控制邏輯，開始A/D轉換工作。EOC7轉換完成輸出線，當E

47、OC為1時表示轉換已完成。CLOCK10轉換定時時鐘輸入線。其頻率不能高于640KHZ。當頻率為640時，轉換速度為100OE9允許輸入線。在OE為1時，三態(tài)輸入鎖存器脫離三態(tài)，把數(shù)據(jù)送往總線。12，16參考電壓輸入線Vcc11接+5VGND13接地當ADC0809由程序控制進行A/D轉換時，輸入通路選定后由輸出指令啟動A/D轉換（SC為正脈沖）。轉換結束產(chǎn)生EOC高電平信號作為中斷請求。當微處理器執(zhí)行輸入指令后，OE變?yōu)楦唠娖剑x通三態(tài)輸出鎖存器，輸入轉換后的代碼。3.6 D/A轉換器及其接口本設計的D/A轉換器為DAC0832。我們知道模擬量輸出通道不論采用哪一種結構形式，都要解決D/A轉

48、換器與微處理器的接口問題。D/A轉換器要求數(shù)字量并行輸入，并且其輸入應在一定時間范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，以實現(xiàn)模擬量輸出。8位或少于8位的D/A轉換器，只需通過相應位數(shù)的鎖存器與8位的微處理器總線連接。圖3-14為DAC0832與8051的接口電路。圖3-14 DAC0832與8051的接口圖3-15 DAC0832的功能框圖D/A轉換器主要有兩種類型：一類內(nèi)部有數(shù)據(jù)寄存器，帶有片選和寫信號引腳，可以作為一個I/O擴展口直接與微處理器接口；另一類無內(nèi)部鎖存器，必須外加鎖存器才能與微處理器接口。DAC0832 D/A轉換器功能框圖如圖3-15所示。DAC0832是一個具有兩級數(shù)據(jù)緩沖器的8位D/A芯片（

49、20個引腳）。這種芯片適用于系統(tǒng)中多個模擬器同時輸出的系統(tǒng)，它可以與各種微處理器直接接口。其內(nèi)部還有R-2R梯形電阻解碼網(wǎng)絡，實現(xiàn)D/A轉換。DAC0832的主要特性為：輸入電平與TTL相兼容，基準電壓VREF的工作范圍為+10-10V，電流穩(wěn)定時間為1，功耗為20mW，電源電壓Vcc范圍為+5-15V。引腳信號功能說明如下：1. DI7DI08位數(shù)字輸入，DI7為高位。2.片選信號，低有效。3. ILE輸入鎖存允許，高有效。與CS、WR1一起控制數(shù)據(jù)的輸入。4.寫信號1，低有效。5.寫信號2，低有效。在XFER信號控制下將輸入寄存器的數(shù)據(jù)送入DAC寄存器，并進行D/A轉換。6.傳送信號控制，

50、低有效。7. VREF參考電壓。電壓范圍為-10+10V。8. IO1輸出電流1。9. IO2輸出電流2，IO1+ IO2=常數(shù)。10. VCC電源電壓，可在+5+15V范圍內(nèi)選擇，最佳工作狀態(tài)Vcc=+15V。11. AGND模擬地。12. DGND數(shù)字地。AGND和DGND在片外接一起。使用DA0832時，應注意選通脈沖的寬度一般不小于500，寄存器保持數(shù)據(jù)的時間不應小于90，否則鎖存數(shù)據(jù)會出錯。由于DAC0832具有兩級數(shù)據(jù)鎖存器，所以，它具有雙緩沖、單緩沖及直通數(shù)據(jù)輸入3種工作方式。雙緩沖工作方式時，8位輸入寄存器和8位DAC寄存器可分別由LE1和LE2控制，先由WR1和CS控制輸入數(shù)

51、據(jù)鎖存到8位輸入寄存器。這種方式可用于需要同時輸出多個模擬信號的多個DAC0832的系統(tǒng)，當多個數(shù)據(jù)已分別存入各自的輸入寄存器后，再同時使用所有DAC0832的WR和XFER（傳遞控制）有效，數(shù)據(jù)鎖存入8位DAC寄存器并同時輸出多個模擬信號。這時，需要有兩個地址譯碼，分別選通CS和XFER。單緩沖工作方式時，只用輸入寄存器鎖存數(shù)據(jù)，另一級8位DAC寄存器接成直通方式，即把WR2和XFER接地，或者兩級寄存器同時鎖存，如把WR2與WR1接在一起，而把XFER接地。直通方式時，應把所有控制信號接成有效形式：CS，WR1，WR2和XFER接地，ILE接+5V。DAC0832有兩個輸出端LOUT1和L

52、OUT2，為電流輸出形式，當輸入數(shù)據(jù)為FFH時，IOUT1電流最大。LOUT1和LOUT2電流之和為一個常數(shù)。為使輸出電流線性地轉移成電壓，要在輸出端接上運算放大器。3.7 V/I電路設計本設計在將輸出的模擬信號010V電壓轉換為標準的420毫安電流時，用到的是芯片XTR110，它是美國 Burr-Bromn 公司推出的精密電壓/電流變換器，它是專為模擬信號傳輸所設計的?？捎糜趯?5V或010V的輸入電壓轉換成420mA，020mA，525mA或其他常用范圍的輸出電流。此外，其內(nèi)部精確的+10V參考電壓可也用于驅動外部電路。該芯片由精密電阻網(wǎng)絡模塊、電壓/電流變換模塊、電流/電流變換模塊和精密

53、+10V電壓基準模塊組成。由于它利用電流進行傳輸，所以能有效克服在長線傳送過程中環(huán)境干擾對測試的影響，從而使其性能大大提高。XTR110應用范圍極廣，可用于任何需要信號處理的場合，尤其是在信號小、環(huán)境差的測試環(huán)境（如工業(yè)過程控制、壓力、溫度、應變測重、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和微控制器應用系統(tǒng)中的輸入通道等）下更為適合。1、引腳功能XTR110的引腳排列如圖3-16所示。2、性能參數(shù)XTR110的主要性能特點如下：（1）采用標準420mA電流傳輸。（2）輸入/輸出范圍可選擇。（3）最大非線性誤差為0.005%。（4）帶有精確的+10V參考電壓輸出。（5）采用獨立電源工作模式，且電壓范圍很寬（13.5V40

54、V）。（6）引腳可編程。3、電路連接圖3-17是010V輸入對應于420mA輸出時XTR110的功能框圖和典型外部連接電路。對于其它輸入電壓與輸出電流范圍使用時可根據(jù)具體情況改變管腳3、4、5、9、10的連接方式。圖3-16 XTR110引腳圖XTR110的輸出電流可用下式表示：IO10（VREFIN/16VIN1/4VIN/2）/RSPAN （3-12）圖3-17中，RSPAN實際上就是內(nèi)部50電阻R9。為了獲得不同的輸出電流范圍，也可連接相應的外部RSPAN，而外部晶體管QEXT則用于傳導輸出信號電流，推薦使用P溝道MOS晶體管。它的電壓標稱值必須大于或等于最大電源電壓，如果電源電壓VCC

55、超過了它的柵極擊穿電壓，QEXT的漏極將被擊穿而失去作用。如果內(nèi)部運算放大器A1（圖3-17中偏左下的運算放大器）的非倒置輸入低于地（0V），該運算放大器就可能損壞。這種情況一般出現(xiàn)在XTR110的管腳3、4或5被一個異常情況下的反向擺動運算放大器所驅動時。必要的話，可以在反向輸入和地之間連接一個鉗位二極管來對電壓進行鉗位。參考電壓在管腳12處應精確校準，為保持精度，包括管腳3在內(nèi)的任何負載都應與此點相連。如圖3-17所示，也可以使用分壓器R1來調(diào)整偏置電流。但首先應將輸入電壓置零，然后調(diào)整R1使輸出電流為4mA。對于輸出電流范圍起始值為0mA的情況，可用以下特定步驟來進行調(diào)節(jié)：即將輸入電壓調(diào)整到一個很小的非