鍋爐多路風(fēng)壓風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用.

1、鍋爐多路風(fēng)壓風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用1 引言風(fēng)量和煤粉的均勻分配是保障工業(yè)燃煤鍋爐安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要條件，也是保證煤粉充分燃燒的決定性因素。鍋爐良好的燃燒狀態(tài)可有效避免爐內(nèi)火焰中心偏移、防止?fàn)t鏜兩側(cè)溫差過大、降低能耗及提高設(shè)備的使用壽命。因此，采用科學(xué)的方法，較為精確的實(shí)時(shí)監(jiān)控各噴燃器入口的風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度等參數(shù)，是工業(yè)燃煤鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必備前提。在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，由于受測(cè)量手段等諸多因素的影響，目前國(guó)內(nèi)電廠對(duì)工業(yè)燃煤鍋爐一、二次風(fēng)1 引 言風(fēng)量和煤粉的均勻分配是保障工業(yè)燃煤鍋爐安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要條件，也是保證煤粉充分燃燒的決定性因素。鍋爐良好的燃燒狀態(tài)可有效避免爐內(nèi)火焰中心偏移、防止?fàn)t鏜兩

2、側(cè)溫差過大、降低能耗及提高設(shè)備的使用壽命。因此，采用科學(xué)的方法，較為精確的實(shí)時(shí)監(jiān)控各噴燃器入口的風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度等參數(shù)，是工業(yè)燃煤鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必備前提。在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，由于受測(cè)量手段等諸多因素的影響，目前國(guó)內(nèi)電廠對(duì)工業(yè)燃煤鍋爐一、二次風(fēng)速的檢測(cè)普遍采用靜壓測(cè)量方式，因此不能正確反映一、二次風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)速等狀況；此外，由于在單位時(shí)間內(nèi)，進(jìn)入噴燃器的風(fēng)量不僅取決于壓力，還與風(fēng)速、溫度有著密切的關(guān)系，增加了測(cè)量難度。傳統(tǒng)的鍋爐參數(shù)測(cè)量多采用單通道、專門功能的計(jì)量 儀表，不能滿足多通道的綜合檢測(cè)、集中監(jiān)控與數(shù)據(jù)比較分析的需要。本設(shè)計(jì)采用低成本的單片機(jī)和外圍監(jiān)測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)燃煤鍋爐多通道風(fēng)壓、風(fēng)速

3、、溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示，并與上位機(jī)通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、打印與存儲(chǔ)。2 系統(tǒng)組成和工作原理2.1系統(tǒng)組成本監(jiān)測(cè)儀采用 89C52單片機(jī)作為核心控制器件，按照 模塊化的設(shè)計(jì)原則，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為： CPU主控卡、通道控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、 A D 轉(zhuǎn)換、放大電路、鍵盤及顯示等功能模塊，系統(tǒng)組成框圖如圖 1 所示。模塊化設(shè)計(jì)的結(jié)果使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，便于維護(hù)，可靠性得到提高，而且也使系統(tǒng)的功能擴(kuò)展成為可能，可為系統(tǒng)預(yù)留一定的升級(jí)空間。2.2工作原理鍋爐多路風(fēng)壓、風(fēng)速在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理為：鍵盤顯示模塊作為外設(shè)與CPU實(shí)現(xiàn)人一機(jī)信息交流；同時(shí)， CPU經(jīng)通道控制模塊選擇采集通道，對(duì)被選擇通道的數(shù)據(jù)相繼進(jìn)行信

4、號(hào)采集、放大、 A D轉(zhuǎn)換后輸入 CPU，在 CPU內(nèi)部經(jīng)運(yùn)算、比較、數(shù)值轉(zhuǎn)換處理后輸出到鍵盤顯示模塊，顯示所要監(jiān)測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)要求顯示風(fēng)壓大小時(shí)，直接將采集的風(fēng)壓數(shù)據(jù)經(jīng)過放大、轉(zhuǎn)換即可；當(dāng)要求顯示風(fēng)速大小時(shí)，則須將采集的風(fēng)壓和溫度數(shù)據(jù)按照式 (4) 計(jì)算 ( 軟件程序計(jì)算 ) 后，送鍵盤顯示模塊顯示相應(yīng)通道及風(fēng)速。3 硬件設(shè)計(jì)3.1通道選擇電路本系統(tǒng)共有 16 路數(shù)據(jù)采集通道，表 1 為通道選擇真值表，可以通過 89C52的 P1 口控制 16 個(gè)通道的選通狀態(tài) (Q1 Q4)。圖 2 為通道選擇控制電路， 8D鎖存器 74LS373 的輸入引腳 D1D8 與 89C52的 P1 口連接，

5、輸出腳 Q1 Q6用于選擇控制 16 個(gè)通道，其中： Q4， Q5，Q6分別與 A1(74 LS138) 的 A、B、C腳相連；定義 A1 的輸出口 Y0， Y1 為 A2 或 A3 的片選控制信號(hào)，當(dāng) Y0 為低電平時(shí)選擇 A2 芯片工作，當(dāng) Y1 為低點(diǎn)平時(shí)選擇 A3 工作； 74LS373的 Q1，Q2，Q3則分別與A2，A3 芯片的 A，B， C腳直接相連，實(shí)現(xiàn)采集通道的 8 選 1 控制，再與 Q4高低電平 2 個(gè)狀態(tài)結(jié)合，就可實(shí)現(xiàn) 16 路通道的選擇。3.2程控信號(hào)放大電路傳感器輸出的電壓信號(hào)比較小，與AD 轉(zhuǎn)換輸入端口不匹配，必須在A D 轉(zhuǎn)換前加一個(gè)信號(hào)放大電路，選用超低漂移高

6、精度運(yùn)算放大器 OPO7。又由于通道數(shù)較多，各通道參數(shù)的精度、量程不同，因此，監(jiān)測(cè)到的信號(hào)需要根據(jù)不同的通道，選擇合適的放大倍數(shù)，更好地完成信號(hào)的放大處理，為 AD 轉(zhuǎn)換器提供更為精確的采集信號(hào)。 圖 3 為放大電路，采用 4 路選擇開關(guān) CD4052芯片來選擇放大倍數(shù) Ki 。用圖 2 中的 74LS273的 Q7，Q8輸出端口控制 CD4052芯片，選擇 X0， X1，X2， X3，實(shí)現(xiàn)電阻 R1， R2，R3，R4的切換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)改變放大倍數(shù)的目的。放大倍數(shù)3.3 A D轉(zhuǎn)換電路選用 ADI 公司的 16 位串行口的 AD 轉(zhuǎn)換芯片 AD7715，它使用開關(guān) 電容逐次逼近技術(shù)完成 AD

7、轉(zhuǎn)換過程，只有 1 路模擬輸入。逐次轉(zhuǎn)換各個(gè)通道數(shù)據(jù)，將轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器里，需要用時(shí)再取出來。該芯片具有自校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，可以消除零點(diǎn)誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響。圖 4 為 AD7715與 89CA2的連接，單片機(jī)的 P2.2， P2.1， P2.0 引腳分別與AD7715的 SCLK、DRDY、DOUT(DIN)引腳連接。由于 AD7715的輸入與輸出不同步，所以輸入與輸出引腳接在單片機(jī)的同一個(gè)引腳P2.0 上。 AD7715的片選信號(hào) ( CS) 直接接地，模擬信號(hào)由 AIN(+) 引腳進(jìn)入，經(jīng)轉(zhuǎn) AD換后由 DOUT輸出數(shù)字信號(hào)到單片機(jī)，而單片機(jī)運(yùn)算處理過的數(shù)據(jù)則由

8、 DIN 輸入給 AD7715，其中AIN(+) ， AIN(-) ，DIN，DOUT均是串行口。 MCLKIN，MCLKOUT主時(shí)鐘信號(hào)端 ( 即晶振連接端 ) 。3.4鍵盤顯示接口電路采用 8279 鍵盤顯示專用芯片與單片機(jī)相連。在該設(shè)計(jì)中，一共設(shè)置了 6 個(gè)控制鍵， 6 個(gè) LED數(shù)碼顯示管 ( 前 2 個(gè)用來顯示被測(cè)通道號(hào)，后 4 個(gè)用來顯示所監(jiān)測(cè)通道的具體數(shù)值 ) ；其中 6 個(gè)按鍵的功能說明如下：“設(shè)置”鍵：通電后儀表可隨時(shí)按“設(shè)置”鍵，進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，輸入密碼，再次按“設(shè)置”鍵，可修改設(shè)置參數(shù) ( 密碼錯(cuò)誤時(shí)，按設(shè)置鍵將返回監(jiān)測(cè)狀態(tài) ) ，當(dāng)該參數(shù)項(xiàng)不需要修改時(shí)，可直接按“設(shè)置”鍵

9、，進(jìn)入下一個(gè)參數(shù)的設(shè)定。“定點(diǎn)”鍵：按“定點(diǎn)”鍵，顯示方式將在固定顯示某一通道的參數(shù)和循環(huán)顯示各通道參數(shù)兩種方式間來回切換。如原來為定點(diǎn)方式，按“定點(diǎn)”鍵，將變?yōu)檠h(huán)顯示方式；如原來為循環(huán)方式，按“定點(diǎn)”鍵，將變?yōu)槎c(diǎn)顯示方式?！啊?、“”鍵：設(shè)置數(shù)據(jù)采集通道。在循環(huán)顯示方式時(shí)，按上下鍵無效，在定點(diǎn)方式時(shí)，通道號(hào)分別加減 1?！扒袚Q”鍵：可使顯示內(nèi)容為風(fēng)速、風(fēng)壓顯示兩個(gè)參數(shù)中的一種，如原來顯示風(fēng)速，按“切換”鍵，數(shù)碼顯示管將顯示風(fēng)壓值。“復(fù)位”鍵：將外部 512B RAM中的數(shù)據(jù)傳送給上位 PC機(jī)，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)打印。3.5可編程看門狗監(jiān)控E2PROMX25045電路89C52單片機(jī)有 8

10、kB 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器空間， 256B 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。系統(tǒng)的程序量不大， 8 kB 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器空間可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，無需外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器；多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)據(jù)頻繁、數(shù)據(jù)量比較大的系統(tǒng)， 256 B 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間達(dá)不到要求，需要外擴(kuò)效據(jù)存儲(chǔ)器來保存和處理采集的數(shù)據(jù)。采用串行 E2PROM器件 X25045芯片作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。其主要特點(diǎn)為：利用低 VCC檢測(cè)電路，可以保護(hù)系統(tǒng)使之免受低電壓狀況的影響；存儲(chǔ)器部分是CMOS的串行 E2PROM，內(nèi)部按 512×8 組織， 10 萬次寫人次數(shù)， 100 年數(shù)據(jù)儲(chǔ)存；看門狗 定時(shí)器對(duì)單片機(jī)提供了獨(dú)立的保護(hù)系

11、統(tǒng)。圖 5 是 X25045與單片機(jī)的連接圖。在整個(gè)工作期內(nèi)，片選 CS端為低電平； WP端為高電平時(shí)，所有寫保護(hù)功能正常。 SCK， SI ，SO分別接單片機(jī)的 P2.4，P2.5 ，P2.6 。其中 SCK串行時(shí)鐘輸入，上升沿寫入數(shù)據(jù)或命令，下降沿輸出數(shù)據(jù)； SI 串行輸入，由此引腳逐位寫入數(shù)據(jù)或命令；SO串行輸出，由此引腳逐位輸出數(shù)據(jù)。3.6檢測(cè)電路該系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)風(fēng)壓與風(fēng)速 2 個(gè)參數(shù)，而風(fēng)速是有風(fēng)壓與溫度計(jì)算得到的，計(jì)算公式見式 (4) 。在風(fēng)壓監(jiān)測(cè)時(shí)，將采集到的電流信號(hào)通過電阻轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，電壓大小等于該電阻上的電壓，得到的電壓信號(hào)通過放大器放大，輸入到 A D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)

12、制的數(shù)字信號(hào)，再根據(jù)存儲(chǔ)在 RAM中的數(shù)據(jù)查找到相應(yīng)的壓力即可得到相對(duì)的壓力大小。在溫度監(jiān)測(cè)時(shí)，見圖 6，采用熱電阻的三線接法來監(jiān)測(cè)溫度，這樣可以消除導(dǎo)線電阻 RL引起的監(jiān)測(cè)誤差，使監(jiān)測(cè)結(jié)果更精確。測(cè)得 Rt 如下：其中 V3，R1，V0 都為已知數(shù)， V3 為電阻 R1上的電壓。由熱電阻阻值跟溫度的關(guān)系可得溫度t 。R0為溫度為 0時(shí)熱電阻的電阻值。風(fēng)速：其中： K 為測(cè)速管標(biāo)定系數(shù)； P 為風(fēng)壓； t 為熱風(fēng)溫度。在實(shí)際應(yīng)用中，事先將溫度平均分成很多段，用中值法算出每段中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度值，然后根據(jù)這些點(diǎn)描出電阻一溫度的曲線，通過軟件部分制成表，放入單片機(jī)的 RAM中，然后在巡測(cè)過程中通過查表可以知道此電阻值所對(duì)應(yīng)的溫度值。4 軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)用單片機(jī)內(nèi)部 RAM及其中斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集、暫時(shí)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示以及其他的輔助功能。在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，考慮到程序的可讀性，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性以及升級(jí)的需要，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)一定的功能，這樣模塊與模塊之問能相對(duì)獨(dú)立，使得程序結(jié)構(gòu)清晰。程序設(shè)計(jì)主要分主程序模塊、 AD采集模塊、鍵