基于單片機(jī)的余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、i摘摘 要要汽包水位是影響余熱鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)。汽包水位過(guò)高或過(guò)低的后果都是非常嚴(yán)重的。因此對(duì)汽包水位必須進(jìn)行嚴(yán)格控制。單片機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展使得單片機(jī)廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制領(lǐng)域并極大地提高了控制性能。本設(shè)計(jì)從分析影響汽包水位的各種因數(shù)出發(fā)，提出了采用汽包水位三沖量控制系統(tǒng)方案。按照工程整定的方法，進(jìn)行了 pid 參數(shù)整定，并以 matlab為仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明此控制系統(tǒng)具有較高的調(diào)節(jié)質(zhì)量和調(diào)節(jié)精度，能夠維持汽包水位的穩(wěn)定。根據(jù)控制要求和所設(shè)計(jì)的控制方案進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，利用了單片機(jī)的編程實(shí)現(xiàn)控制算法并進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，最終完成單片機(jī)在余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。關(guān)

2、鍵詞：汽包水位 三沖量控制 單片機(jī) pid 控制abstractdrum water level is an important parameter influencing the safe operation of the surplus energy boiler. the consequences are very serious when the water level is too iihigh or too low. so the drum water level must be strictly controlled. the rapid development of scm t

3、echnology makes it widely used in control field and it improves the performance of control greatly.according to the influence of various factors on the drum water level, this design adopts the three impulse control system scheme of drum level. according to the method of engineering tuning, the desig

4、n adopts the tuning of pid parameters and uses matlab as the simulation platform. the simulation results show that this control system has high quality regulation and it can maintain the stability of the drum level. according to the control requirements and the design scheme of the control system, t

5、he hardware design was carried out. the software design of the system uses scm programming control. finally, we can finish that the drum water level of the surplus energy boiler is controlled based on scm.keywords: water level of the steam drum three impulse control scm pid controli目目 錄錄摘摘 要要.iabstr

6、act.ii第第 1 章章 緒論緒論 .11.1 本設(shè)計(jì)研究的目的和意義.11.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況.3第第 2 章章 余熱鍋爐汽包水位的設(shè)計(jì)余熱鍋爐汽包水位的設(shè)計(jì) .52.1 汽包水位控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析.52.1.1 保持汽包正常水位的意義 .52.1.2 被控參數(shù)與控制變量選擇 .62.1.3 在給水流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性 .82.1.4 在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性 .92.2 控制系統(tǒng)的方案.112.2.1 單沖量控制系統(tǒng) .122.2.2 雙沖量控制系統(tǒng) .132.2.3 三沖量控制系統(tǒng) .152.2.4 方案選擇 .162.3 建立數(shù)學(xué)模型.162.3.1 汽包水位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

7、 .172.3.2 測(cè)量變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) .182.3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù) .192.4 儀表的選擇與各變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的確定.192.4.1 流量變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算 .192.4.2 給水調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算 .202.4.3 液位變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算 .20第第 3 章章 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì) .213.1 a/d 轉(zhuǎn)換電路.223.2 i/v 變換電路 .23ii3.3 d/a 轉(zhuǎn)換電路.243.3.1 dac0832 的簡(jiǎn)介.253.3.2 at89c51 與 dac0832 的接口電路設(shè)計(jì).263.4 v/i 變換電路 .273.5 at89c51 對(duì) lcd 的接口電路.

8、283.6 聲光報(bào)警電路.293.7 at89c51 的最小系統(tǒng).303.7.1 復(fù)位電路 .313.7.2 時(shí)鐘電路 .323.7.3 電源電路 .333.8 上位機(jī)與 at89c51 的通信.34第第 4 章章 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) .364.1 程序流程設(shè)計(jì).364.1.1 系統(tǒng)主程序流程圖 .364.1.2 系統(tǒng)的初始化子程序 .374.1.3 a/d 轉(zhuǎn)換檢測(cè)子程序.384.1.4 增量型 pid 控制算法子程序.424.1.5 d/a 轉(zhuǎn)換監(jiān)控子程序.464.1.6 報(bào)警子程序流程圖 .46第第 5 章章 pid 參數(shù)整定及仿真參數(shù)整定及仿真.485.1 pid 控制器參數(shù)整定.485

9、.2 系統(tǒng)仿真分析.51總總 結(jié)結(jié) .54致致 謝謝 .55參考文參考文獻(xiàn)獻(xiàn) .56附錄附錄 1: vi 電路仿真圖電路仿真圖.58附錄附錄 2: 硬件電路大圖硬件電路大圖.59iiicontentsabstract(chinese).iabstract.iichapter 1 introduction .11.1 this design research purpose and meaning .11.2 the development situation at home and abroad. .3chapter 2 design of the boiler steam water lev

10、el .52.1 dynamic analysis of steam water level control system.52.1.1 maintain normal steam water level of significance.52.1.2 the choice of parameters and control variables.62.1.3 the dynamic characteristics of under water disturbance.82.1.4 the dynamic characteristics of under steam disturbance.92.

11、2 scheme of the control system .112.2.1 single pulse control system .122.2.2 double pulse control system .132.2.3 three impulse control system .152.2.4 scheme selection .162.3 mathematical model is set up .162.3.1 mathematical model of steam water level system .172.3.2 measuring the transfer functio

12、n of the part .182.3.3 the transfer function of the actuator .192.4 instrument selection and determination of coefficient.192.4.1 the calculation of transmitter conversion coefficient .192.4.2 the calculation of water regulating conversion coefficient.202.4.3 the calculation of transmitter conversio

13、n coefficient .20ivchapter 3 hardware circuit design .213.1 a/d conversion circuit .223.2 i/v transform circuit .233.3 d/a conversion circuit .243.3.1 the summary of dac0832 .253.3.2 at89c51 and dac0832 interface circuit design .263.4 v/i conversion circuit .273.5 at89c51 interface circuit of lcd .2

14、83.6 sound and light alarm circuit .293.7 the minimum system of at89c51 .303.7.1 reset circuit .313.7.2 clock circuit .323.7.3 power supply circuit .333.8 upper machine communication with at89c51 .34chapter 4 software design .364.1 program design .364.4.1 the system main program flow chart .364.1.2

15、the initial system, anti-fuzzy process .374.1.3 a/d conversion detection subroutine .384.1.4 increment type pid control calculate way .424.1.5 d/a conversion control subroutine .464.1.6 alarm subroutine flow chart .46chapter 5 the pid parameter setting and the simulation .485.1 the pid controller pa

16、rameter setting .485.2 system simulation analysis.51introduction .54acknowledgements .55vreferences .56appendix 1 .58appendix 2 .59 1第 1 章 緒論隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和自動(dòng)化水平的不斷提高，在各種應(yīng)用領(lǐng)用中都大量采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用使得科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工藝實(shí)踐的效率大大提高，同時(shí)也大幅度提高了產(chǎn)品和成果的質(zhì)量。特別是單片機(jī)控制系統(tǒng)，作為嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)主流發(fā)展方向，在功能、可靠性、實(shí)時(shí)性和控制算法等方面得到了快速發(fā)展。1.1 本設(shè)計(jì)研究的目

17、的和意義節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境是我國(guó)的基本國(guó)策。做好節(jié)能減排工作，是貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)的重案措施，是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的必然選擇。當(dāng)前，全社會(huì)都在開展節(jié)能降耗，緩解能源壓力，建設(shè)節(jié)能型社會(huì)，而工業(yè)余熱資源的回收利用是節(jié)約能源的重要措施，且煙氣余熱在工業(yè)余熱中占有很大比重，且節(jié)能潛力巨大，如不加以利用，將造成極大地浪費(fèi)。隨著能源供應(yīng)的緊張，為了更好更充分地利用資源和減少能源浪費(fèi)，一些企業(yè)不斷提高“節(jié)能增效、降耗增產(chǎn)”的意識(shí)。因此，余熱鍋爐作為“降耗、增效”的首選設(shè)備不斷在能源消耗大的鋼鐵、化工、建材等行業(yè)得到用戶的青睞。同時(shí)各個(gè)鍋爐廠家對(duì)余熱鍋爐的開發(fā)力度和深度也逐

18、漸加大，不斷開發(fā)出高性能的產(chǎn)品來(lái)占領(lǐng)和擴(kuò)大市場(chǎng)份額。余熱鍋爐-hrsg，顧名思義是利用余熱產(chǎn)生蒸汽的鍋爐。 “余熱”是在工業(yè)生產(chǎn)中未被充分利用就排放掉的熱量，它屬于二次能源，是一次能源和可燃物料轉(zhuǎn)換后的產(chǎn)物。它與傳統(tǒng)意義上的鍋爐相比僅有“鍋”而沒有“爐” ，即沒有燃燒器，如果需要高壓高溫的蒸汽，可以在余熱鍋爐內(nèi)裝一個(gè)附加燃燒器，通過(guò)燃料的燃燒使整個(gè)煙氣溫度升高，能夠產(chǎn)生高參數(shù)的蒸汽。由于“余熱”種類的多樣性使得余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)形式各式各樣，不盡相同。余熱鍋爐按“余熱”種類可分為高溫?zé)煔庥酂徨仩t、高溫爐渣余熱鍋爐、高溫廢氣廢熱余熱鍋2爐、高溫產(chǎn)品余熱、化學(xué)反應(yīng)余熱鍋爐、冷卻介質(zhì)余熱鍋爐、冷凝水余熱

19、鍋爐。其中高溫?zé)煔庥酂徨仩t是最常見的一種余熱鍋爐。余熱鍋爐是一個(gè)較為復(fù)雜的控制對(duì)象，生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)主要參數(shù)都必須嚴(yán)格控制。其中，汽包水位就是影響鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)很重要的監(jiān)控參數(shù)，它間接地體現(xiàn)了鍋爐負(fù)荷和給水之間的平衡關(guān)系。余熱鍋爐汽包水位高度是確保生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù)。維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。首先，水位過(guò)高會(huì)影響汽包內(nèi)的汽水分離，飽和水蒸氣將會(huì)帶水過(guò)多，導(dǎo)致過(guò)熱器管壁結(jié)垢并損壞，使過(guò)熱蒸汽的溫度嚴(yán)重下降。如以此過(guò)熱蒸汽被用戶用來(lái)帶動(dòng)汽輪機(jī)，則將因蒸汽帶液損壞汽輪機(jī)的葉片，造成運(yùn)行的安全事故。然而，水位過(guò)低，則因汽包內(nèi)的水

20、量少，而負(fù)荷很大，加快水的汽化速度，使汽包內(nèi)的水量變化速度很快，若不及時(shí)加以控制，將有可能使汽包內(nèi)的水全部汽化，尤其對(duì)于大型鍋爐，水在汽包內(nèi)的停留時(shí)間極短，從而導(dǎo)致水冷壁燒壞，引起爆炸。所以，必須對(duì)汽包水位進(jìn)行嚴(yán)格的控制。鍋爐汽包水位自動(dòng)控制的任務(wù)，就是控制給水流量，使其與蒸發(fā)量保持平衡，維持汽包內(nèi)水位在允許的范圍內(nèi)變化。隨著電子產(chǎn)品的降價(jià)及自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝控制連續(xù)穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)的凸現(xiàn)，越來(lái)越多的企業(yè)準(zhǔn)備將自己的核心生產(chǎn)線改成全自動(dòng)化生產(chǎn)線或者對(duì)個(gè)別關(guān)鍵工藝參數(shù)采用自動(dòng)控制。工業(yè)應(yīng)用自控技術(shù)在中國(guó)的推廣使用較晚，但近年來(lái)發(fā)展較快。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在做汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)公司很多，但由于能夠集工藝要求

21、、自動(dòng)化技術(shù)和電氣技術(shù)三者于一體的設(shè)計(jì)不多，所以人們清楚地認(rèn)識(shí)到自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的重要地位和作用。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(dòng)控制是必不可少的，它可以保證水位控制的準(zhǔn)確性，保證鍋爐運(yùn)行的安全可靠，而且大大減輕工作人員的工作強(qiáng)度，減少人為因素的影響。從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性兩個(gè)方面考慮，本設(shè)計(jì)將通過(guò)單片機(jī)對(duì)鍋爐汽包水位進(jìn)行控制。31.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)控制鍋爐水位得到很多企業(yè)的認(rèn)可。其特點(diǎn)是：控制功能通過(guò)內(nèi)部的控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，人們只需改變這些程序，就可以改變鍋爐設(shè)備的控制功能，以適應(yīng)新的控制要求而不需要改動(dòng)硬件系統(tǒng)。這種靈活性在硬聯(lián)邏

22、輯系統(tǒng)中是沒有的。因此，掌握微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制技術(shù)，是開發(fā)微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用到的一個(gè)很重要的課題。目前，國(guó)內(nèi)外汽包水位控制主要采用三沖量控制、模糊控制及 pid 自校準(zhǔn)自調(diào)整的比較多，特別是前兩種，其中三沖量水位自動(dòng)控制系統(tǒng)引進(jìn)蒸汽流量和給水流量作為控制信號(hào)，系統(tǒng)動(dòng)作及時(shí)，有較強(qiáng)的抗干擾能力，因此得到廣泛應(yīng)用；模糊控制主要是朝智能化方向發(fā)展，表現(xiàn)在模糊控制和智能控制的結(jié)合，采用遺傳算法優(yōu)化模糊控制等，主要解決的問題是：規(guī)整的完整性、規(guī)則的優(yōu)化和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；pid 自調(diào)整、自校正主要采用不同的優(yōu)化方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行自調(diào)整；預(yù)測(cè)函數(shù)控制、廣義預(yù)報(bào)自適應(yīng)控制、模型參考自適應(yīng)控制等基于模型的

23、控制方法發(fā)展的比較少，具體在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用的則更少。前敘的各種汽包水位控制策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，引入汽包水位噪聲的因素，并基于這些控制策略開發(fā)新的控制策略將是項(xiàng)很有意義的工作，也是可行的1。本設(shè)計(jì)采用的是煙道式余熱鍋爐，其型號(hào)為,表70/95/7 . 02 . 450040q示利用潔凈煙氣所攜帶的顯熱，進(jìn)入鍋爐的煙氣流量為 40000，煙氣溫hm3度為 500，鍋爐額定熱功率為 4.2mw、熱水設(shè)計(jì)工作壓力為 0.7mpa、額定出口水溫度為 95，進(jìn)口水溫度為 70的熱水余熱額鍋爐。4第 2 章 余熱鍋爐汽包水位的設(shè)計(jì)余熱鍋爐是一個(gè)復(fù)雜的控制對(duì)象，它是一個(gè)多輸入多輸出且相互關(guān)聯(lián)的控制對(duì)象。其中以鍋爐

24、給水量作為輸入，汽包水位作為輸出的給水自動(dòng)控制系統(tǒng)就是一個(gè)典型的控制過(guò)程。本章主要介紹余熱鍋爐汽包水位的總體設(shè)計(jì)。2.1 汽包水位控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析2.1.1 保持汽包正常水位的意義保持汽包正常水位的意義鍋爐運(yùn)行中，汽包水位過(guò)高過(guò)低都會(huì)給鍋爐和汽輪機(jī)的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的威脅。汽包水位過(guò)高，汽包空間縮小，會(huì)引起蒸汽中的水分增加，蒸汽品質(zhì)惡化；容易造成過(guò)熱器管內(nèi)積鹽垢，管子過(guò)熱損壞；汽包嚴(yán)重滿水時(shí)，會(huì)造成蒸汽大量帶水，引起蒸汽管道和汽輪機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的水沖擊，甚至打壞汽輪機(jī)葉片。汽包水位過(guò)低，將可能破壞水循環(huán)，水冷壁管超溫過(guò)熱；嚴(yán)重缺水時(shí)，還可能造成更嚴(yán)重的設(shè)備損壞事故。所以，鍋爐運(yùn)行中，對(duì)水位監(jiān)

25、視不嚴(yán)，操作不當(dāng)，都會(huì)造成巨大的損失。尤其是現(xiàn)代大型鍋爐，與蒸發(fā)量相比汽包中的存水量是不多的，允許變動(dòng)的水量更少。如果給水中斷而繼續(xù)運(yùn)行，則在 1030s 內(nèi)，汽包水位計(jì)中的水位就會(huì)消失或降到危險(xiǎn)水位。即使是給水量與蒸發(fā)量不相適應(yīng)，也會(huì)在幾分鐘內(nèi)發(fā)生鍋爐缺水或滿水事故2。一般汽包正常波動(dòng)范圍為土 50mm。2.1.2 被控參數(shù)與控制變量選擇被控參數(shù)與控制變量選擇余熱鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)是，給水量跟隨蒸發(fā)量的變化而變化并維持汽包水位在工藝范圍內(nèi)。5余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)以汽包水位作為被控量，以給水調(diào)節(jié)閥作為h調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)改變給水量，以達(dá)到保持汽包水位在允許范圍內(nèi)的目的。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 2-1

26、所示：12345678余熱圖 2-1 余熱鍋爐的汽水系統(tǒng)1給水母；2給水控制閥；3省煤器；4汽包；5下降管；6上升管；7過(guò)熱器；8蒸汽母管根據(jù)鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性來(lái)設(shè)計(jì)汽包水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)。給水流量和蒸汽流量的階躍變化是引起水位變化的主要因素。調(diào)節(jié)器根據(jù)水位測(cè)量值與設(shè)定值的偏差去控制給水閥的開度，就能對(duì)水位起到調(diào)節(jié)作用。鍋爐汽包水位不僅受到給水量和蒸汽流量之間的平衡關(guān)系的影響，還受到水循環(huán)管路內(nèi)汽水混合物中汽水體積的變化的影響。汽包水位不僅反映了水h面下氣泡的體積，還反映了汽包（包括水循環(huán)的管路）中的蓄水體積。水面下氣泡的體積還與鍋爐負(fù)荷即蒸汽壓力有關(guān)。綜合看來(lái)，影響汽包水位變化的因素主要有以

27、下四個(gè)方面：余熱鍋爐蒸汽負(fù)荷的變化；余熱鍋爐蒸汽壓力的變化；包括給水調(diào)節(jié)閥開度的變化和給水母管壓力的變化在內(nèi)的給水?dāng)_動(dòng)；包括影響余熱發(fā)熱量變化的其他在內(nèi)的余熱的變化；6蒸汽發(fā)生過(guò)程中汽包內(nèi)部的體積可看成水的體積、蒸發(fā)面以下的蒸汽vv體積和蒸發(fā)面以上的蒸汽體積三部分組成，其中蒸發(fā)面以下的汽水體積svdv由和構(gòu)成。燃料量對(duì)水位的影響有較大的容量滯后性和傳輸滯后性，變svvv化相當(dāng)緩慢，可忽略不計(jì)；蒸汽負(fù)荷變化往往引起汽包壓力的變化，所以壓力變化可歸類到蒸汽負(fù)荷中去，因此壓力變化對(duì)汽包水位的影響可忽略不計(jì)。經(jīng)理論推導(dǎo)和化間，汽包水位動(dòng)態(tài)特性方程式可表示為如下： （2-1）ddddwwwwukdtdu

28、tukdtdutdtdhtdthdtt12221式（2-1）中：汽包水位；h、時(shí)間常數(shù)，單位 s(秒)；1t2t鍋爐蒸汽流量，單位；dht鍋爐給水流量，單位；wht給水流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)，單位 s(秒)；wt蒸汽流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)，單位 s(秒)；dt給水流量項(xiàng)的放大倍數(shù)；wk蒸汽流量項(xiàng)的放大倍數(shù)；dk；。maxddudmaxwwuw通過(guò)鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)微分方程，我們可以得到：影響汽包水位的主要因素是蒸汽流量和給水流量的擾動(dòng)。2.1.3 在給水流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性在給水流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性當(dāng)給水量發(fā)生變化，蒸汽流量不變時(shí)，根據(jù)式（2-1） ，汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)方程可表示為： （2-2）www

29、wukdtdutdtdhtdthdtt122217對(duì)式（2-2）進(jìn)行拉氏變換，可得： （2-3） sukssutsshtshsttwwww1221汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象在給水?dāng)_動(dòng)下的傳遞函數(shù)可由式（2-3）變化得到： （2-4） 121ststkstsushsgwwww在實(shí)際工程中，對(duì)于蒸汽壓力小于 2.0mp 的中壓以下的鍋爐，給水量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)一般較小，可忽略不計(jì)，因此式（2-4）可簡(jiǎn)化為： （2-5） nstsswsh12式中為飛升速度，即給水流量變化單位流量時(shí)水位的變化速度，。1tkwhtsmm從式（2-5）可看出，汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性，是由慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)積分環(huán)節(jié)組成。圖 2-

30、2 是給水流量作用下水位變化的階躍響應(yīng)曲線。如果把汽包和給水看作單容量無(wú)自衡對(duì)象，水位階躍響應(yīng)曲線將如圖 2-2 中的 h1 線。由于給水溫度變化要比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水流量增加后，需從原有飽和水中吸收部分熱量，使水位下汽包容積減少。當(dāng)水位下汽包容積的變化過(guò)稱逐漸平衡時(shí)，水位則因汽包中儲(chǔ)水量的增加而上升。最后當(dāng)水位下汽包容積不再變化時(shí)，水位變化就完全反應(yīng)了因儲(chǔ)水量的增加而直線上升。所以圖中 h 線是水位的實(shí)際變化曲線。在給水量作階躍變化后，汽包水位不馬上增加，而呈現(xiàn)一段起始慣性線。2.1.4 在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性如果給水流量保持不變，蒸汽流量發(fā)生階躍變

31、化時(shí)，根據(jù)式（2-1） ，此時(shí)汽包水位的動(dòng)態(tài)特性微分方程可表示為： ddddukdtdutdtdhtdthdtt12221（2-6）8對(duì)式（2-6）進(jìn)行拉氏變換，可得： （2-7） sukssutsshtshsttdddd1221蒸汽擾動(dòng)下汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的傳遞函數(shù)可由式（2-7）變化得到： （2-8） 121ststkstsushsgdddd式（2-8）可等效為兩個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)的和: （2-9） nfddstksksushsg122式（2-9）中：122tttkkdd1tkkdf汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，即干擾通道的動(dòng)態(tài)特性。在蒸汽流量干擾作用下，水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖 2-2 與

32、圖 2-3 所示：whhh1tt圖 2-2 給水流量擾動(dòng)下的水位階躍響應(yīng)曲線9 dhh2h1htt圖 2-3 蒸汽流量擾動(dòng)下的水位階躍響應(yīng)曲線圖 當(dāng)蒸汽流量 d 突然增加，在燃料不變的情況下，從鍋爐的物料平衡關(guān)系來(lái)看，蒸汽流量 d 大于給水流量 w，水位變化應(yīng)如圖中的曲線 h1。但實(shí)際情況并非如此，由于蒸汽用量突然增加，瞬間必導(dǎo)致汽包壓力的下降。汽包內(nèi)水沸騰突然加劇，產(chǎn)生內(nèi)蒸，水中氣泡迅速增加，因汽包容積增加，而使水位變化的曲線如圖中的 h2。而實(shí)際顯示的水位響應(yīng)曲線 h 為 h1 和 h2 的疊加，即 h=h1+h2 。從圖 2-3 中可看出，當(dāng)蒸汽變量加大時(shí)，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但

33、在一開始，水位不僅不下降，反而迅速上升，然后再下降；反之，蒸汽流量突然減少時(shí)，則水位先下降，然后上升。這種現(xiàn)象稱之為“虛假水位”。 （2-10） 12221stksksdshsdshsdshf式（2-10）中：k飛升速度，即在蒸汽流量變化單位流量時(shí)水位的變化速度，；fhtsmmk 響應(yīng)曲線 h 的放大系數(shù)；22t 響應(yīng)曲線 h 的時(shí)間常數(shù)。22虛假水位的變化大小與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量有關(guān)。對(duì)于一般100300t/h 的中高壓鍋爐，當(dāng)負(fù)荷變化 10%時(shí)，虛假水位可達(dá) 3040mm。虛10假水位現(xiàn)象屬于反相特性，給控制帶來(lái)一定的困難，在控制方案設(shè)計(jì)時(shí)，必須引起注意3。2.2 控制系統(tǒng)的方案汽包水

34、位的控制問題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)而出現(xiàn)，長(zhǎng)久以來(lái)一直是控制領(lǐng)域的一個(gè)典型的難問題。隨著控制理論、控制技術(shù)和現(xiàn)代控制方法的發(fā)展，鍋爐自動(dòng)化控制的水平也在逐漸提高。期間主要經(jīng)歷了上世紀(jì)三四十年代單參數(shù)儀表控制，四五十年代單元組合儀表綜合綜合參數(shù)儀表控制，以及六十年代興起的計(jì)算機(jī)控制等幾個(gè)階段。通常有如下幾種方案：1.單沖量控制系統(tǒng)：即汽包水位的單回路水位控制系統(tǒng)。2.雙沖量控制系統(tǒng)：即在單沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了蒸汽流量信號(hào)。3.三沖量控制系統(tǒng)：是在雙沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再引入給水流量信號(hào)而構(gòu)成。2.2.1 單沖量控制系統(tǒng)單沖量控制系統(tǒng)單沖量控制系統(tǒng)即汽包水位的單回路水位控制系統(tǒng)，圖 2-4 所示是典型的單

35、回路控制系統(tǒng)。這里的沖量一詞指的是變量，單沖量即汽包水位。圖 2-5 是單沖量水位控制系統(tǒng)框圖。11蒸蒸汽汽流流量量d給給水水w省省煤煤器器 lclt汽汽包包圖 2-4 單沖量水位控制系統(tǒng)工藝流程圖調(diào)節(jié)器變送器汽包水位水位設(shè)定值調(diào)節(jié)閥汽包水位-+圖 2-5 單沖量水位控制系統(tǒng)框圖這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)于汽包內(nèi)水的停留時(shí)間長(zhǎng)、負(fù)荷變化小的小型鍋爐，單沖量水位控制系統(tǒng)可以保證鍋爐的安全運(yùn)行。但是，單沖量控制系統(tǒng)存在三個(gè)問題。1.當(dāng)負(fù)荷變化產(chǎn)生虛假水位時(shí)，將使控制器反向錯(cuò)誤動(dòng)作。例如，蒸汽負(fù)荷突然大幅度增加時(shí)，虛假水位上升，此時(shí)控制器不但不能開大給水閥，增加給水量，反而關(guān)小控制閥，減少給水量。等到

36、虛假水位消失時(shí)，由于蒸汽量增加，送水量反而減少，將使水位嚴(yán)重下降，波動(dòng)厲害，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蛊唤档轿ｋU(xiǎn)程度而發(fā)生事故。因此這種系統(tǒng)克服不了虛假水位帶來(lái)的嚴(yán)重后果。2.對(duì)負(fù)荷不靈敏。負(fù)荷變化時(shí)，需引起汽包水位變化后才起控制作用。由12于控制緩慢，導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。3.對(duì)給水干擾不能及時(shí)克服。當(dāng)給水系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，同樣需等水位發(fā)生變化時(shí)才起控制作用，干擾克服不及時(shí)4。為了克服上面三個(gè)問題，除了依據(jù)汽包水位之外，也可依據(jù)蒸汽流量和給水流量的變化來(lái)控制給水閥，將能獲得良好的控制效果，這就產(chǎn)生了雙沖量和三沖量水位控制系統(tǒng)。2.2.2 雙沖量控制系統(tǒng)雙沖量控制系統(tǒng)針對(duì)單沖量控制系統(tǒng)不能刻服的虛假水位的

37、影響，如果引入蒸汽流量來(lái)起校正作用，就可以糾正虛假水位引起的誤動(dòng)作，而且也能使控制閥及時(shí)動(dòng)作，從而減小水位的波動(dòng)，大大改善了控制品質(zhì)?？紤]到蒸汽負(fù)荷的擾動(dòng)可測(cè)而不可控，因此可將蒸汽流量信號(hào)引入系統(tǒng)作為前饋信號(hào)，與汽包水位組成前饋-反饋控制系統(tǒng)，通常稱為雙沖量控制系統(tǒng)。其中一個(gè)沖量是汽包水位，另一個(gè)沖量是蒸汽流量。圖 2-6、圖 2-7 是典型的雙沖量控制系統(tǒng)的原理圖及框圖。圖 2-6 雙沖量控制系統(tǒng)的原理圖調(diào)節(jié)閥液位變送器汽包水位蒸汽流量變送器調(diào)節(jié)器+-+-水位設(shè)定值汽包水位蒸汽流量dicif 圖 2-7 雙沖量控制系統(tǒng)的原理圖及框圖13雙沖量控制由于有以上特點(diǎn)，所以能在負(fù)荷頻繁變化的工程下較

38、好的完成水位控制任務(wù)。在給水流量比較平穩(wěn)時(shí)，采用雙沖量控制是能夠達(dá)到控制要求的。雙沖量水位控制系統(tǒng)存在的問題是：控制作用不能及時(shí)的反映給水方面的擾動(dòng)，當(dāng)給水量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，要等到汽包水位變化時(shí)才通過(guò)調(diào)節(jié)器作用執(zhí)行器進(jìn)行調(diào)節(jié)，滯后時(shí)間長(zhǎng)，水位波動(dòng)較大。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常有波動(dòng)，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不能保持正常時(shí)，不宜采用雙沖量控制5。2.2.3 三沖量控制系統(tǒng)三沖量控制系統(tǒng)雙沖量水位控制相對(duì)于單沖量控制，控制品質(zhì)有很大改善。但雙沖量水位控制系統(tǒng)仍存在兩個(gè)問題，一是調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定為線性特性，要做到完全靜態(tài)補(bǔ)償比較困難；其次是給水壓力擾動(dòng)對(duì)汽包水位的影響不能及時(shí)消除。為此，可在雙沖量水位

39、控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，把給水流量信號(hào)引入，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)。所謂三沖量，指的是引入三個(gè)測(cè)量信號(hào)：汽包水位、給水流量、蒸汽流量。它是以汽包水位 h 為主控信號(hào)，其中蒸汽流量 d 為前饋控制信號(hào)，給水流量w 為反饋控制信號(hào)組成的控制系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)上述兩種方案取長(zhǎng)補(bǔ)短，極大的提高了水位控制質(zhì)量。例如，當(dāng)耗氣量 d 突然階躍增大時(shí)，一方面由于假水位現(xiàn)象水位會(huì)暫時(shí)升高，它使調(diào)節(jié)器錯(cuò)誤地指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)減少給水量；另一方面，d 的增大又通過(guò)比值控制作用指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)增加給水量。實(shí)際給水量是增加還是減小，取決于系統(tǒng)參數(shù)的整定。當(dāng)假水位現(xiàn)象消失后，水位和蒸汽信號(hào)都能正確地指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。只要參數(shù)整定合適，當(dāng)系統(tǒng)恢

40、復(fù)平衡狀態(tài)以后，給水流量必然等于蒸汽流量，水位 h 也會(huì)維持在設(shè)定值。從另一個(gè)角度來(lái)看，這也是一個(gè)前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。必須指出，引入蒸汽流量信號(hào)只是削弱了假水位期間調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，并不能消除假水位現(xiàn)象，并且由于水位 h 對(duì)負(fù)荷（蒸汽量）擾動(dòng) d 的響應(yīng)速14度要比對(duì)基本擾動(dòng) w 的響應(yīng)速度快的多，因此，在外部擾動(dòng)下被調(diào)量的變化幅度還是比較大，必須對(duì)負(fù)荷變化的幅度加以限制。系統(tǒng)框圖為圖 2-8 所示。變送器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)變送器變送器汽包調(diào)節(jié)器hd+-+-rhw 圖 2-8 單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)框圖三沖量控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)最好，能有效地滿足系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性和

41、準(zhǔn)確性的要求，能有效地避免“虛假水位”現(xiàn)象。與單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)相比其不足是：系統(tǒng)成本高、系統(tǒng)復(fù)雜、不容易整定6。2.2.4 方案選擇方案選擇通過(guò)以上方案的比較，我選擇了汽包水位三沖量控制系統(tǒng)。其具有如下優(yōu)點(diǎn)：1.相對(duì)單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)最好，能有效地滿足系統(tǒng)對(duì)快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性的要求。2.能有效地避免“虛假水位”現(xiàn)象。2.3 建立數(shù)學(xué)模型現(xiàn)在把圖 2-8 所示的控制系統(tǒng)以傳遞函數(shù)方框圖的形式重畫成圖 2-9。15wkhk sgpk sgcdkhwdrh+-+-圖 2-9 單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)方框圖其中：水位設(shè)定值；rhh水位值；w給水流量；d蒸汽流量；調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)； s

42、gc被控對(duì)象傳遞函數(shù)； sgp執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)；k、給水流量、蒸汽流量和鍋爐水位等測(cè)量裝置的傳遞函數(shù)。wkdkhk從系統(tǒng)框圖可以看出，單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：一個(gè)由給水流量 w、給水變送器、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的內(nèi)回路；另一個(gè)是由汽包水位對(duì)象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量 d 及其蒸汽流量變送器未包含在這兩個(gè)閉合回路之內(nèi)，但它的引入可以改善控制質(zhì)量，且不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性7。2.3.1 汽包水位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型汽包水位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得：16該對(duì)象輸入為給水流量，輸出為鍋爐汽包水位，可近似為無(wú)自衡非振蕩過(guò)程。在給水流量單位階躍擾動(dòng)下，水位反應(yīng)曲線的飛升速度，即水位

43、的變化速度=0.0529。為了提高仿真的速度，取 n=1。一階滯后環(huán)節(jié)的時(shí)間常0ksmm數(shù)經(jīng)測(cè)量為=8.5s。因此給水流量 w 與水位 h 的傳遞函數(shù)為：2t2t= （2-11） sgp 15 . 80529. 0ssswsh在蒸汽流量單位階躍擾動(dòng)下，水位變化的響應(yīng)速度，增smmkf0747. 0益系數(shù),滯后環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，n=2，故蒸汽流量 d 與水613. 22kst7 . 62位 h 的傳遞函數(shù)為： （2-12） sssdshsgd0747. 017 . 6613. 222.3.2 測(cè)量變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)測(cè)量變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)測(cè)量變送環(huán)節(jié)由于存在一定的容量滯后，所以它的特性可以用一階慣性

44、環(huán)節(jié)（非周期環(huán)節(jié)）來(lái)描述，其傳遞函數(shù)為 （2-13） 1stksgmmm式（2-13）中為測(cè)量變送環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)，與其量程有關(guān)；mk為測(cè)量變送環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，與其容量有關(guān)。mt受測(cè)量元件安裝位置的限制，被測(cè)參數(shù)變化的信號(hào)傳遞到檢測(cè)點(diǎn)需要花費(fèi)一定的時(shí)間，因而就產(chǎn)生了測(cè)量純滯后。此時(shí)描述測(cè)量變送環(huán)節(jié)特性的傳m遞函數(shù)可寫成: （2-14） smmmmestksg1在控制系統(tǒng)分析時(shí)，考慮到、值相對(duì)于被控過(guò)程特性有時(shí)是較小的，mtm甚至可忽略不計(jì)，此時(shí)測(cè)量變送環(huán)節(jié)就被近視作為一個(gè)放大環(huán)節(jié)（）來(lái)處mk理。172.3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)執(zhí)行器接受控制器的命令執(zhí)行控制任務(wù)，由于在石油、化

45、工等過(guò)程控制中，執(zhí)行器最終是以閥門的形式出現(xiàn)，所以，執(zhí)行器往往被稱為控制閥或調(diào)節(jié)閥。他的特性經(jīng)常也用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)描述，傳遞函數(shù)為: （2-15） 1stksgvvv式（2-15）中：為執(zhí)行器的放大倍數(shù)；vk為執(zhí)行器的時(shí)間常數(shù)；vt同測(cè)量變送環(huán)節(jié)一樣，在控制系統(tǒng)分析時(shí)，考慮到值相對(duì)于被控過(guò)程有vt時(shí)較小或可忽略不計(jì)，此時(shí)執(zhí)行器也被近視作為一個(gè)放大環(huán)節(jié)()來(lái)處理8。vk2.4 儀表的選擇與各變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的確定本系統(tǒng)共需要選擇三個(gè)檢測(cè)儀表以及一個(gè)線性給水調(diào)節(jié)閥。選用的流量變送器的量程為 500t/h，液位變送器的量程為 600mm 水柱，所有變送器均采用的 ddz-iii 型組合儀表，其標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)

46、為 420。水位madc檢測(cè)變送器可采用 1151 差壓式變送器；流量變送器可采用渦街式流量計(jì)；給水調(diào)節(jié)閥采用電動(dòng)的。2.4.1 流量變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算流量變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算根據(jù)控制方案可知流量變送器用于測(cè)量給水流量和蒸汽流量，這兩個(gè)信號(hào)可以有效的改善控制質(zhì)量，因此合理選擇流量傳感器是很重要的。根據(jù)所給設(shè)計(jì)的目標(biāo)，給水流量測(cè)量范圍：0500t/h，選擇輸入量程所對(duì)應(yīng)的給水流量為 500t/h，輸出量程為 420ma。= （2-16）wkhtma032. 0050042018根據(jù)所給設(shè)計(jì)的目標(biāo)，蒸汽流量測(cè)量范圍：0500t/h，選擇輸入量程所對(duì)應(yīng)的蒸汽流量為 500t/h，輸出量程為 420

47、ma。= （2-17）dkhtma032. 005004202.4.2 給水調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算給水調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算此系統(tǒng)的執(zhí)行器選擇調(diào)節(jié)閥，因?yàn)樗梢灾苯痈淖兘o水量，反應(yīng)時(shí)間短，有利于系統(tǒng)控制品質(zhì)的改善，它是控制系統(tǒng)的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，它接收控制器的輸出信號(hào)，執(zhí)行最終任務(wù)。選擇線性電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，輸入量程為 420ma，輸出量程為 0550t/h。= （2-18）ukmaht375.3442005502.4.3 液位變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算液位變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算由于本設(shè)計(jì)的目的是控制水位穩(wěn)定，而整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是對(duì)水位的準(zhǔn)確測(cè)量，因此水位能否準(zhǔn)確測(cè)量直接關(guān)系到控制質(zhì)量的優(yōu)劣。合理地選擇水位變

48、送器在水位控制系統(tǒng)中有關(guān)鍵作用。根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知，水位的測(cè)量范圍為-300300mm9。根據(jù)題目所給的余熱鍋爐汽包水位測(cè)量范圍：-300300mm，輸出為420ma。=0.027 （2-19）hk300300420mmma19第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用 at89c51 作為核心控制芯片,及其相關(guān)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)余熱鍋爐汽包水位的控制。圖 3-1 為三沖量余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)整體框圖。單片機(jī)a/d轉(zhuǎn)換電路上位機(jī)汽包水位給水流量蒸汽流量電源模塊d/a轉(zhuǎn)換電路故障報(bào)警電路給水調(diào)節(jié)閥鍵盤液晶顯示圖 3-1 三沖量余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)整體框圖在信號(hào)檢測(cè)的過(guò)程中，汽包水位信號(hào)、蒸汽流量信號(hào)和給水

49、流量信號(hào)，它們經(jīng)過(guò)各自的變送器再作 i/v 變換，轉(zhuǎn)換成 05v 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，接入 a/d 轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換并送入單片機(jī)，這些信號(hào)在單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并與給定值比較，該系統(tǒng)還配有一路控制信號(hào)的輸出端口，即通過(guò) d/a 轉(zhuǎn)換電路把比較結(jié)果轉(zhuǎn)換為一路模擬電壓控制信號(hào)輸出，考慮到電壓信號(hào)不利于遠(yuǎn)距離傳輸，并且多數(shù)電動(dòng)閥門的控制信號(hào)為電流信號(hào)，所以本設(shè)計(jì)還配有一個(gè) v/i轉(zhuǎn)換器，把電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 420ma 電流信號(hào)，用于控制閥門的開度。當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或水位越限時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)將啟動(dòng)，待排除故障后系統(tǒng)恢復(fù)自動(dòng)控制方式。這種控制方式簡(jiǎn)單，操作方便，可靠性高。203.1 a/d

50、轉(zhuǎn)換電路通過(guò)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大濾波后，必須將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，才能輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理。實(shí)現(xiàn)模擬量變換成數(shù)字量的設(shè)備為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc）簡(jiǎn)稱 a/d。本設(shè)計(jì)采用的是串行 a/d 轉(zhuǎn)換器tlc1543。tlc1543 采用 20 腳 dip 封裝，引腳排列如圖 3-2 所示。其中 a0a10為 11 個(gè)模擬輸入端；ref+（通常為 vcc）和 ref-（通常為地）為基準(zhǔn)電壓正負(fù)端；cs 為片選端，在 cs 端的一個(gè)下降沿變化將復(fù)位內(nèi)部計(jì)數(shù)器并控制和使能 address、i/o clock 和 data out；address 為串行數(shù)據(jù)輸入端，是一個(gè) 4 位的串

51、行地址用來(lái)選擇下一個(gè)即將被轉(zhuǎn)換的模擬輸入或測(cè)試電壓；data out 為 a/d 轉(zhuǎn)換結(jié)束三態(tài)串行輸出端；i/o clock 為數(shù)據(jù)輸入/輸出提供同步時(shí)鐘。a89gnd10a01a12a23a34a45a56a67a78vcc20eoc19i/o cl ock18addr ess17data out16cs15ref+14ref-13a1012a911圖 3-2 tlc1543 的引腳排列tlc1543 與 at89c51 采用串行數(shù)據(jù)通信，芯片的 3 個(gè)輸入端和 1 個(gè)輸出端與 at89c51 的 i/o 口可直接連接，具體連接方式如圖 3-3 所示。這里將tlc1543 作為外部擴(kuò)展串行

52、i/o 口，由 p1.6 來(lái)接收 a/d 轉(zhuǎn)換結(jié)果，p1.5 來(lái)控制轉(zhuǎn)換地址選擇，p1.7 控制片選信號(hào)，p1.4 來(lái)發(fā)送脈沖信號(hào)給 tlc154310。當(dāng) p1.7=1 時(shí)，工作狀態(tài)被禁止，當(dāng) p1.7=0 時(shí)，tlc1543 開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。21i/o clock 和 address 使能，data out 脫離高阻狀態(tài)。隨后，cpu 向p1.5 端提供 4 位通道地址。同時(shí),p1.4 口從 cpu 接受 10 個(gè)時(shí)鐘長(zhǎng)度的時(shí)鐘序列。前 4 個(gè)時(shí)鐘從 p1.5 端裝載地址寄存器，選擇所需的模擬通道，后 6 個(gè)時(shí)鐘對(duì)模擬輸入的采樣提供控制時(shí)序。最后，cpu 從 p1.6 端接收前一次 a/d

53、轉(zhuǎn)換結(jié)果。p1.01p1.12p1.23p1.34p1.45p1.67p1.78rst9p3.0/r xd10p3.1/t xd11p3.2/int012p3.3/int113p3.5/t 115p3.6/w r16p3.7/r d17xtal 118xtal 219vss20p2.021p2.122p2.223p2.324p2.425p2.526p2.627p2.728psen29ale30ea31p0.732p0.633p0.534p0.435p0.336p0.237p0.138p0.039vcc40p1.56p3.4/t 014at89c 51a89gnd10a01a12a23a34a4

54、5a56a67a78vcc20eoc19i/o cl ock18addr ess17data out16cs15ref+14ref-13a1012a911tlc15 43+5v+5v圖 3-3 at89c51 與 tlc1543 的接口電路3.2 i/v 變換電路由于現(xiàn)場(chǎng)變送器的輸出信號(hào)為 420ma，所以需要設(shè)計(jì)電流電壓轉(zhuǎn)換電路，將 420ma 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào) 15v,然后再將電壓信號(hào)輸入到采樣保持器中，讓 tlc1543 接受標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的 15v 電壓信號(hào)。i/v 變換器主要是利用有源器件運(yùn)算放大器、電阻組成，電路如圖 3-4 所示。利用同相放大電路，把電阻 r1 上產(chǎn)生的輸入電壓變成標(biāo)

55、準(zhǔn)的輸出電壓。根據(jù)虛短虛斷的概念有：，npvv 0npii圖 3-4 可知，該同相放大電路的放大倍數(shù)為： （3-1）341343rrrrrvvaiov22若取 r3=100,r4=25,r1=200,則 420ma 輸入對(duì)應(yīng)于 15v 的kk電壓輸出。123411lm324-12v+12vr1200c11.0ufr2100kr3100kr425kr51kiv圖 3-4 i/v 變換電路通過(guò)上面電路的轉(zhuǎn)換，我們就可以把 420ma(dc)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)15v(dc),送到 tlc1543 中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。3.3 d/a 轉(zhuǎn)換電路對(duì)于控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，檢測(cè)和運(yùn)算的最終目的是要對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。但是單

56、片機(jī)內(nèi)部運(yùn)算和輸出的數(shù)據(jù)都是數(shù)字量，而控制對(duì)象的參數(shù)是模擬量。因此，就需要把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的裝置，這種裝置稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱d/a 轉(zhuǎn)換器。d/a 轉(zhuǎn)換器的功能是將一組輸入的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為在時(shí)間上是連續(xù)的模擬量輸出，輸出模擬量形式有電流型和電壓型兩種。對(duì)于電流型輸出 d/a 轉(zhuǎn)換器可外接運(yùn)算放大器，將輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓并提高帶負(fù)載的能力。本設(shè)計(jì)采用的是 dac0832 轉(zhuǎn)換器，其與單片機(jī)接口方便，轉(zhuǎn)換控制容易，且價(jià)格便宜，在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用。233.3.1 dac0832 的的簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介dac0832 是帶有與微機(jī)連接接口的 dac 的典型產(chǎn)品之一，它能與微機(jī)cpu 總線直接連接，不

57、須附加邏輯。該電路采用雙緩沖寄存器，使它能方便地應(yīng)用于多個(gè) dac 同時(shí)工作的場(chǎng)合。使用時(shí)應(yīng)外接運(yùn)算放大器。該芯片的各管腳功能如下：為片選端，低電平有效；為寫使能控制端，=0 時(shí)，cs1wr1wr允許數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器；為寫使能控制端，0 時(shí)，允許輸入鎖存2wr2wr器的內(nèi)容存入數(shù)據(jù)寄存器；ile 為輸入鎖存器的使能端，高電平有效；、為 dac 的電流輸出端；為傳輸控制端，低電平有效；1outi2outixfer為基準(zhǔn)電壓端，范圍為-10+10v；vcc 為正電源電壓端；為內(nèi)部電refvfbr阻，為外接運(yùn)算放大器提供反饋電阻。dac0832 的 3 種工作方式：1.直通方式這時(shí)兩級(jí) 8 位數(shù)據(jù)

58、寄存器都處于輸出跟隨輸入的狀況、條件是和1le同時(shí)為 1。當(dāng) ile=1 時(shí)，、和均為 0。由2lecs1wr2wrxfer輸入的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行 d/a 轉(zhuǎn)換。07 didi2.單緩沖寄存器工作方式兩個(gè)鎖存器之一始終處于直通狀態(tài)，另一個(gè)鎖存器處于受 cpu 控制狀態(tài)。條件是(直通)，cpu 控制。這時(shí) dac0832 相當(dāng)于12leilewrcsle1單片機(jī)的一個(gè)外部 ram 單元，cpu 用一條 movx 指令就可以完成 d/a 轉(zhuǎn)換。3.雙緩沖寄存器工作方式這種方式是兩個(gè)鎖存器都處于受控方式，cpu 通過(guò) 5 條引腳分別控制和，關(guān)系為：1le2le； （3-2）11wrcsilelexfer

59、wrle22cpu 要輸出轉(zhuǎn)換 8 位數(shù)據(jù)必須通過(guò)兩步操作才能完成。該工作方式多用于 2 路 d/a 轉(zhuǎn)換接口場(chǎng)合，每一路模擬輸出都接一片 dac0832,并要求同步進(jìn)步 d/a 轉(zhuǎn)換輸出12。243.3.2 at89c51 與與 dac0832 的接口電路的接口電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)芯片工作過(guò)程如下：應(yīng)用系統(tǒng)中，在只有一路模擬量輸出或幾路模擬量不需要同時(shí)輸出的場(chǎng)合，應(yīng)采用單緩沖方式。本系統(tǒng)中只需要一路 d/a 轉(zhuǎn)換，采用的單緩沖工作方式。欲將數(shù)字量 d0d7 轉(zhuǎn)換為模擬量，硬件使, 12le只要使=0，=0，即將和接地，dac 寄存器為不鎖存狀2wrxfer2wrxfer態(tài)。將 ile 接+5v。由于

60、，用單片機(jī)的 p2.0、p2.1 分別11wrcsilele控制、，使、端接負(fù)脈沖信號(hào)即可完成一次轉(zhuǎn)換。約 1s 后1wrcs1wrcsiout1 和 iout2 就有穩(wěn)定電流的輸出。 （、是寄存命令，當(dāng)=1 時(shí)，1le2le1le輸入寄存器的輸出隨輸入變化；=0 時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存在寄存器中，不再隨數(shù)1le據(jù)總線上的數(shù)據(jù)變化而變化。亦如此。 ）2le此電路為 420ma 輸出型，在這種情況下，d/a 芯片的輸出還需要將電流轉(zhuǎn)換為電壓的電路，圖 3-5 為電流轉(zhuǎn)換為 05v 電壓的電路。此圖為單級(jí)性輸出電路圖，在加為負(fù)電壓時(shí)，輸出為正極性。由于 dac0832 是 8 位refv的 d/a 轉(zhuǎn)換器，