智能供熱控制系統(tǒng)的設計

------WORD格式-----可編輯----------目 錄第一章緒論..............................................................................................................11.1題目來源及研究意義........................................................................................11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.................................................................................................11.3本文主要研究內(nèi)容............................................................................................3第二章系統(tǒng)方案選定....................................................................................................42.1供熱系統(tǒng)簡介及改進........................................................................................42.2系統(tǒng)方案確定.....................................................................................................52.2.1控制系統(tǒng)原理.........................................................................................72.2.2控制電路結構圖....................................................................................72.2.3系統(tǒng)技術參數(shù)........................................................................................82.2.4系統(tǒng)工作任務.........................................................................................82.2.5控制算法的確定....................................................................................92.2.6補水控制方案確定..............................................................................11第三章硬件電路設計....................................................................................................153.1硬件電路的基本組成.......................................................................................153.2前向通道設計..................................................................................................153.2.1溫度傳感器...........................................................................................153.2.2壓力傳感器..........................................................................................163.2.3流量傳感器...........................................................................................183.3單片機系統(tǒng)設計..............................................................................................223.3.1CPU的介紹...........................................................................................223.3.2單片機最小系統(tǒng)設計...........................................................................253.3.38255A擴展接口...................................................................................283.3.4外部電路鍵盤與顯示智能控制芯片HD7279......................................303.3.5打印機PP40.........................................................................................333.3.6ISD1420語音芯片實現(xiàn)的報警電路...................................................363.3.7電源以及通訊部分..............................................................................383.4后向通道設計...................................................................................................41I3.4.1D/A 轉換電路 413.4.2 驅(qū)動電路 43第四章 軟件設計 464.1 設計思想 464.2 溫度控制算法 464.3 程序設計 48總 結 52致 謝 53附錄1：單片機控制的智能供熱監(jiān)控系統(tǒng)原理圖 56附錄2：程序清單 -56-II第一章 緒 論1.1 題目來源及研究意義供暖的重要性在人們生活中的不亞于水和電，民用、工業(yè)用、辦公用建筑都要配備完善的取熱設施。在全球都提倡節(jié)能、減排的口號下，采用合理供熱方式不但可以提高供熱系統(tǒng)能效，響應全球口號，而且對解決居民“溫飽”問題和建設全面小康社會具有重要意義。目前，集中供熱已成為現(xiàn)代化城鎮(zhèn)的重要基礎設施之一，是城鎮(zhèn)公共事業(yè)的重要組成部分。供熱行業(yè)當前的主要任務是提高供熱系統(tǒng)能效、降低能耗，降低造價，供熱計算機的應用提高了系統(tǒng)的工作效率和設計質(zhì)量，對實現(xiàn)該任務有良好的幫助。因此，計算機控制的集中供熱方式對節(jié)能、環(huán)境保護、降低成本和提高效益都具有重要意義。１.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀供熱系統(tǒng)是由鍋爐房、熱網(wǎng)管道、凝結水回收、管道保濕、閥門、疏水閥和有關儀表組成的完整系統(tǒng)。系統(tǒng)是否完善關系著運行是否安全、環(huán)保和節(jié)能，是否合理用熱，因此需要搞好供熱系統(tǒng)的管理工作和不斷采用新技術。國外則采用了較為簡便的技術，像是美國MDS公司SCADA系列數(shù)字電臺在城市集中供熱系統(tǒng)的得到一定的應用。 該公司的系列數(shù)字電臺采用數(shù)字信號處理、 糾錯編碼、軟件無線電、數(shù)字調(diào)制解調(diào)和表面貼片一體化設計等技術，具有高性能、高可靠及抗干擾能力強等特點，電臺提供標準 232數(shù)據(jù)口可直接與計算機、 RTU、PLC、GPS接收機、數(shù)碼相機、數(shù)據(jù)終端等連接，傳輸速率達 19200bps，誤碼低于10E-6（接收電平-110dBm時），發(fā)射功率0.5-25瓦可調(diào)節(jié)，任何型號電臺可設置為主站或遠程站使用，無中轉通信距離達 50公里以上，能適應室內(nèi)或室外的惡劣工作環(huán)境。電臺數(shù)據(jù)和話音兼容，可工作于單工、半雙工、時分雙工 TDD、全雙工方式，收發(fā)同頻或異頻中轉組網(wǎng)，并具有遠程診斷、測試、監(jiān)管功能，滿足各行業(yè)調(diào)度或控制中心與眾多遠方站之間的數(shù)據(jù)采集和控制。 城市供熱控制中心設一主站， 遠端設有多個從站，從站通過標準 232接口與RTU/PLC連接，可實時監(jiān)控管網(wǎng)供熱的全過程，清晰地反映各站點實時運行情況，詳細監(jiān)測管線站點的運行參數(shù)，集中采集溫度、壓力、瞬時流量、累積流量等參數(shù)值 , 城市集中供熱實行自動化管理后 ,改變了以-1-前供熱出現(xiàn)意外故障中短而無法極時修復，減少民眾對供熱公司的抱怨，同時使工作效率有了極大的提高，實現(xiàn)了對各支點管道的實時管理[1]。北歐三國所有的供熱系統(tǒng)中均采用計算機自動監(jiān)控，之所以在供熱技術那么發(fā)達的國家那么廣泛的采用這種供熱方式，是因為它具有突出的優(yōu)點：只需要很少的操作人員，不僅提高了勞動生產(chǎn)率，而且提高了系統(tǒng)的熱效率。以上為國外供熱研究現(xiàn)狀，在我國，傳統(tǒng)的供熱技術（如采用鍋爐采暖系統(tǒng)和熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)等）較國外的技術相差甚遠，效率低、能耗大、污染嚴重。根據(jù)06年第八期月刊中劉永勇、王成軍、陳曉霞寫的《克拉瑪依市中心城供熱技術發(fā)展趨勢》指出，在供熱系統(tǒng)運行中，普遍存在的一些問題是：不能及時掌握集中供熱系統(tǒng)的運行工況，實時觀測整個系統(tǒng)中熱源出口、管網(wǎng)、換熱站運行參數(shù)，因此不能依此迅速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行工況是否與供熱需求相匹配， 系統(tǒng)中各個部位供熱參數(shù)是否運行正常，以便指導鍋爐房迅速查找問題并及時合理調(diào)整運行工況。 這主要是由于供熱系統(tǒng)中換熱站沒有有效的調(diào)節(jié)裝置和根據(jù)熱負荷的變化進行實時調(diào)節(jié)的自控系統(tǒng)。造成供熱一次管網(wǎng)水力失調(diào)嚴重，使一些換熱站偏熱，而另一些換熱站偏冷，供熱效果不好、熱量浪費的現(xiàn)象無法解決。其供熱系統(tǒng)，在儀表計量、通信、自動控制方面，技術裝備低，缺乏技術手段，難以對生產(chǎn)運行進行科學嚴格的管理。而國內(nèi)現(xiàn)今結合智能化的控制的現(xiàn)代化供熱技術，克服了傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)存在的缺點，提高供熱管理水平，消除水力失調(diào)，節(jié)能降耗?，F(xiàn)今智能供熱系統(tǒng)已是個供熱企業(yè)中大力發(fā)展的一項新技術。例如，秦皇島市在供熱技術方面，在這幾年中就有很大的改進。秦皇島熱力總公司于2000年首次在集中供熱項目中引進了芬蘭LONIX公司熱力站機組自控和無線遙測技術，其自控系統(tǒng)是一個集散控制系統(tǒng)，各熱力站為獨立控制，可根據(jù)當?shù)厥彝鈿鉁?，調(diào)節(jié)一級網(wǎng)供水管上電動調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)對二級網(wǎng)供水溫度的控制。中控室不能干預各熱力站的控制，總的原則是中央監(jiān)測，就地控制。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用的是 LON網(wǎng)絡技術，無線傳輸方式?；緦崿F(xiàn)了換熱機組的本地自控和無線通訊功能。唐山市熱力公司西部供熱工程在 1998年建立了微機監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)為集散型微機控制系統(tǒng)，對全網(wǎng) 86個熱力站進行監(jiān)控，其中有12個典型站設有無線通訊裝置， 與監(jiān)測中心構成通訊網(wǎng)絡。1998—1999年的采暖期間，該公司監(jiān)測中心和部分熱力站監(jiān)控系統(tǒng)投入運行，在溫差不變的情況下，電廠循環(huán)水量由3200噸/時降到2200噸/時，主循環(huán)泵提供的供回水壓差增加， 改善了不利熱力站的水力工況，使其二次線供水溫度有所提高，改善了供熱效果。其它城市也在不同程度上建立了微機監(jiān)控系統(tǒng)。 目前國內(nèi)有兩種不同的供熱系統(tǒng)計算機監(jiān)控-2-方式，一種是采用中央集中式監(jiān)控方式，所有的指令都由主控室下達，本地站只是執(zhí)行上級指令；另一種是中央和本地分工協(xié)作監(jiān)控辦法， 主控室只負責全網(wǎng)參數(shù)的監(jiān)視，本地站根據(jù)設定值自動控制。隨著系統(tǒng)的擴大，監(jiān)控水平要求的提高，后面一種更是今后發(fā)展的方向。在過去幾年里，相對于國外技術，我國供熱技術存在以下不足：1、自動控制方面并不夠智能。當熱源供熱能力不足時，會出現(xiàn)前端用戶“搶熱”，后端用戶“過冷”現(xiàn)象，造成大網(wǎng)嚴重水力失調(diào)，同時，室外氣溫變化比較頻繁，而熱源參數(shù)調(diào)節(jié)與各熱力站調(diào)節(jié)不能同步， 造成自控系統(tǒng)的震蕩和熱網(wǎng)水力工況的失穩(wěn)。2、數(shù)據(jù)傳輸或是通訊方面。一是由于信號干擾或建筑物阻擋等原因，造成部分熱力站信號傳不上來；二是數(shù)據(jù)傳輸無主動上傳功能，只能是自上而下采集，而不能主動由下至上傳輸，當熱力站參數(shù)超限或故障報警時，不能自動上報中控室，而需由值班人員來完成；三是由于采取巡檢方式檢測各站運行數(shù)據(jù)， 所有熱力站巡檢一次約需半個小時，故不能采集同一時刻熱網(wǎng)參數(shù)， 從而不能科學準確地對熱網(wǎng)進行數(shù)據(jù)分析和水力工況分析。隨著國內(nèi)計算機發(fā)展速度的加快和網(wǎng)絡通訊的不斷發(fā)展，供熱技術也在不斷提高，智能的供熱系統(tǒng)對以上情況的改善顯得更為迫切和需要。１.3 本文主要研究內(nèi)容本文內(nèi)容包括：智能供熱監(jiān)控系統(tǒng)的研究意義，根據(jù)單片機智能供熱要求確定方案，設計系統(tǒng)的硬件和軟件。本系統(tǒng)采用ATM89C51系列單片機作為CPU，設置Pt100溫度傳感器、壓差傳感器、渦輪流量計等傳感器元件對供回水、補水、供熱蒸汽的溫度、壓力檢測，對回水、補水的流量檢測，通過測量電路、 A/D轉換后把數(shù)據(jù)傳送到CPU，CUP根據(jù)已經(jīng)設置好的溫度范圍進行比較判斷，并發(fā)回命令調(diào)整供回水的壓力以及流量，最終達到自動控制溫度的目的，這對于保證供熱品質(zhì)和節(jié)省能源都有著非常重要的意義。本系統(tǒng)還安裝了鍵盤，顯示以及打印機，方便了數(shù)據(jù)的讀取、切換和統(tǒng)計，使管理層對供熱過程和供熱品質(zhì)有最直觀的了解。-3-第二章 系統(tǒng)方案選定2.1 供熱系統(tǒng)簡介及改進采暖供熱系統(tǒng)分為傳統(tǒng)的采暖供熱系統(tǒng)和智能自動化監(jiān)控供熱系統(tǒng)。傳統(tǒng)的采暖供熱系統(tǒng)有鍋爐采暖系統(tǒng)和熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)。鍋爐采暖主要包括燃煤鍋爐和燃油、氣鍋爐，前者運行成本低，但能源轉換效率，對大氣的污染嚴重，后者雖然對環(huán)境污染遠小于燃煤系統(tǒng)，運行調(diào)節(jié)靈活，節(jié)省了燃料量和運行費，但是油、氣等燃料價格昂貴，系統(tǒng)的一次能耗較高，使得燃油、氣鍋爐的運行費昂貴。以熱電廠為熱源的區(qū)域供熱系統(tǒng)，常見形式是熱電廠中汽輪機的抽汽或背壓排汽通過熱交換器將熱量傳遞給熱水，并通過熱網(wǎng)輸送到各采暖用戶。熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)在所有采暖形式中，熱電聯(lián)產(chǎn)一次能耗是最低的，這使得熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境污染也很小，若使用傳統(tǒng)的管理方式和傳統(tǒng)的系統(tǒng)控制，則存在著效率低，損耗大，控制精度不高，工人勞動強度大，費用高等缺點。由于供熱需要消耗大量的能源，而我國當前的能源形勢十分嚴峻，因此節(jié)能是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的最有效、最經(jīng)濟的途徑。采取最有效的解決方案是采用更為合理的供熱方式來提高換熱效率，提高系統(tǒng)能效，節(jié)約資源。采用智能控制集中供熱系統(tǒng)方案是當今提倡的改良方案。該系統(tǒng)主要解決現(xiàn)有油田供熱系統(tǒng)以人工調(diào)節(jié)供熱裝置，致使供熱效果不好、缺乏整體協(xié)調(diào)性、難以達到供熱系統(tǒng)整體最佳狀態(tài)的不足，其特征在于：所述集中供熱系統(tǒng)還包括一個智能控制器，該智能控制器接收來自于溫度傳感器、壓力傳感器的信號并向電動調(diào)節(jié)閥發(fā)出控制信號，所述溫度傳感器、壓力傳感器接收來自于供水管線、回水管線、回水缸、分水缸的溫度和壓力信號，具有供熱效果好、能夠?qū)崿F(xiàn)供熱系統(tǒng)的智能化控制、節(jié)省能源的特點，因此是目前各供熱企業(yè)中大力發(fā)展的一項新技術。采用該智能控制系統(tǒng)，將使中央供熱機組的自動化水平和可靠性指標達到新的高度，并使機組在操作方便化、管理科學化、節(jié)能化、和省力化等方面獲得巨大的進步。該系統(tǒng)滿足樓宇自動化的要求，開發(fā)成本低，符合智能大廈、高層建筑等采暖空調(diào)和衛(wèi)生熱水供應的需要。隨著我國樓宇自動化水平的普及和提高，該系統(tǒng)具有廣闊的應用推廣前景。智能自動化監(jiān)控[2]，采用智能全數(shù)字計算機管理，性能穩(wěn)定，抗干擾性強能夠?qū)崿F(xiàn)目標管理，為安全生產(chǎn)的有序可控提供了先進的手段，奠定了良好的物質(zhì)基礎。現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，技術應用成本的大幅下降，使供熱系統(tǒng)實現(xiàn)智能自動化監(jiān)控成為可能。智能自動化監(jiān)控，通過實時數(shù)據(jù)控-4-制運行分析，減少了人為因素所帶來的安全隱患，極大地提高了系統(tǒng)的安全可靠性；應用現(xiàn)代科學技術來完善供熱系統(tǒng)；高達20％的節(jié)能效果，使供熱安全與經(jīng)濟效益得到有機的結合。實踐證明，設備自動化水平的提高是保證供熱安全的重要途徑之一[3]。集中供熱系統(tǒng)中采用智能控制系統(tǒng),主要是區(qū)別于以往使用的常規(guī)自動控制系統(tǒng),所謂“智能”是指系統(tǒng)網(wǎng)絡建立采用了分級遞階智能控制方案,即系統(tǒng)網(wǎng)絡結構分為執(zhí)行級和組織協(xié)調(diào)級。而執(zhí)行級的控制方案是采用了模糊控制思想。2.2系統(tǒng)方案確定計算機控制系統(tǒng)所采用的形式與它生產(chǎn)過程的復雜程度密切相關，不同控制對象和不同的控制要求，應有不同的控制系統(tǒng)方案。根據(jù)計算機在控制系統(tǒng)中所起的作用，計算機控制系統(tǒng)大致可分為：操作指導控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng) DCS、直接數(shù)字控制系統(tǒng) DDC、監(jiān)督控制系統(tǒng)[4]。以下是對這四種系統(tǒng)的大致描述。1、操作指導控制系統(tǒng)OIS，在該系統(tǒng)中計算機的輸出不直接作用于生產(chǎn)對象，屬于開環(huán)控制結構。計算機根據(jù)數(shù)學模型、控制算法對檢測到的生產(chǎn)過程參數(shù)進行處理，計算出各控制量應有的較合適或最優(yōu)的數(shù)值，供操作員參考，這時計算機就起到了操作指導的作用。該系統(tǒng)常用在計算機控制系統(tǒng)設計與調(diào)試階段，進行數(shù)據(jù)檢測、處理及試驗新的控制程序等。2、集散控制系統(tǒng)DCS，采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治的管理模式。它實際上是一個分級結構的計算機系統(tǒng)，是有一臺或數(shù)臺主計算機和若干單片機構成的計算機系統(tǒng)，所以也叫主從結構或樹形結構，單片機絕大部分時間都是在并行工作的，只是必要時才與主機通訊。3、直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC，是單片機在工業(yè)控制中應用最普通的一種方式，屬于閉環(huán)系統(tǒng)。在這種方式中，單片機作為系統(tǒng)的一個組成部分或環(huán)節(jié)，直接參與控制過程。一臺單片機可以對多個被控參數(shù)進行巡回檢測，并把檢測結果和給定值進行比較，再按事先約定的控制規(guī)律進行運算處理，然后通過D/A和反多路開關控制執(zhí)行機構動作，從而對系統(tǒng)運行進行調(diào)節(jié)控制。4、計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC。SCC系統(tǒng)比DDC系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化的實際情況，因為在DCC系統(tǒng)匯總計算機只是代替模擬調(diào)節(jié)器進行控制，系統(tǒng)不能進行在最佳狀態(tài)，而SCC系統(tǒng)不僅可以進行給定值控制,并且還可以進行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應控制等，它是操作指導控制系統(tǒng)和DDC系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。SCC系統(tǒng)有兩種形式：SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)；SCC+DCC控制系統(tǒng)。SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系-5-統(tǒng)是按一定得數(shù)學模型對生產(chǎn)工況進行分析、 計算得出控制對象各參數(shù)的最有給定值，使工況保持在最優(yōu)狀態(tài)，而 SCC+DDC是通過SCC給出最優(yōu)給定值，通過與 DDC通訊，將給定值送給DCC級執(zhí)行過程控制。這種分級控制效果能提高系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)若采用SCC+DDC控制系統(tǒng)后可實現(xiàn)以下功能。1、實時系統(tǒng)檢測。通過計算機自動檢測，可以全面、及時地了解供熱系統(tǒng)的運行狀況，如供熱運行的溫度、壓力、流量、熱量等參數(shù)，避免以往的憑經(jīng)驗調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)滯后。全面了解供熱運行狀況，是一切調(diào)節(jié)控制的基礎。2、對系統(tǒng)運行自動控制。供熱系統(tǒng)在運行過程中，熱用戶設定溫度以及室外溫度的變化，經(jīng)常性的流量調(diào)節(jié)是必不可少的，手動調(diào)節(jié)無法保證精度。計算機監(jiān)控系統(tǒng)，則可按照預先設定的程序，通過電動調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，達到流量的均勻分配，消除冷熱不均現(xiàn)象。3、消除熱系統(tǒng)固有特性影響，增強系統(tǒng)按需供熱功能。熱力站計算機監(jiān)控系統(tǒng)可通過軟件開發(fā)，配置供熱系統(tǒng)熱熱負荷預測程序，則可根據(jù)前幾天的運行參數(shù)、室外溫度，預測將來某一段時間的供熱負荷，進而實現(xiàn)對系統(tǒng)的運行指導，在消除熱系統(tǒng)滯后影響的同時，達到節(jié)能的目的。4、保障系統(tǒng)可靠安全運行。計算機監(jiān)控系統(tǒng)可通過建立相應的故障分析軟件，可通過對供熱運行參數(shù)的分析，及時判斷，并采取相應的保護措施，以便及時搶修，防止事故進一步擴大，設備損壞北京工業(yè)大學工學碩士學位論文嚴重，保證安全供熱。5、建立系統(tǒng)運行檔案。計算機監(jiān)控系統(tǒng)可以建立各種信息數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)\行過程中的各種信息數(shù)據(jù)進行分析，并根據(jù)需要打印各類運行記錄，貯存歷史數(shù)據(jù)，為今后量化管理和進一步優(yōu)化系統(tǒng)提供了基礎。6、為整個集中供熱系統(tǒng)的優(yōu)化運行提供基礎。熱力站監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)測及儲存當前運行數(shù)據(jù)和預測未來系統(tǒng)的運行負荷，為系統(tǒng)的整體運行既優(yōu)化提供了必需的數(shù)據(jù)。針對集中供熱所出現(xiàn)前端用戶“搶熱”，后端用戶“過冷”的現(xiàn)象，本文提出使用單片機控制的智能供熱監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)方案，SCC+DDC控制系統(tǒng)方案，本系統(tǒng)可以精確的檢測和合理調(diào)配，使系統(tǒng)供應的能量更為均衡，還可以自動檢測故障等優(yōu)點，充分開發(fā)利用熱能，能保證供熱系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟地運行。-6-2.2.1 控制系統(tǒng)原理集中供熱的工作方式為熱源廠通過輸汽管道將過熱蒸汽輸送到各換熱站， 在換熱站中蒸汽經(jīng)熱交換器將采暖熱水加熱，循環(huán)泵通過供熱管道將熱水送到各熱用戶。因此，換熱站作為熱源廠與熱用戶之間的中間環(huán)節(jié)， 對供熱質(zhì)量起著重要作用。本文介紹的供熱控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)不同的供熱時段和溫度采取不同的供熱策略，保證熱用戶的室內(nèi)變化不超出某一范圍 （18±2℃），保證供熱系統(tǒng)的安全可靠運行，同時節(jié)約能源。系統(tǒng)運行時，需對供熱蒸汽管道、供水管道、回水管道的溫度、壓[5]力、流量、熱流量以及用戶室內(nèi)溫度等參數(shù)進行測量與控制 。2-1為系統(tǒng)總體控制原理簡圖。外工 控 機 用戶終端溫 度供水過熱蒸汽熱回水用戶凝結水 換熱站補 水 泵圖2-1系統(tǒng)總體控制原理簡圖系統(tǒng)的主要測控設備采用工控機，負責對換熱站中供熱蒸汽管道、供水管道、回水管道的溫度、壓力、流量、熱流量等參數(shù)進行測量與控制；用戶測量終端負責測量典型用戶的室內(nèi)溫度，并將測量數(shù)據(jù)通過光電隔離 20mA通訊電流環(huán)傳送給工控機；熱水流量儀負責對主要管道末端供水、回水的溫度、壓力、流量及熱量進行監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳送給工控機 [6]。此外還配有顯示屏、PP40彩繪打印機等。2.2.2 控制電路結構圖系統(tǒng)是針對換熱站中的多個換熱器 ,要完成的數(shù)據(jù)采集功能包括采集總輸入的熱蒸汽的溫度、壓力、流量值及輸出到各個熱用戶單位的溫度、壓力、流量值 ,通過這些參數(shù)分別對各換熱器的進行出水溫度和補水控制，通過 RS-485通訊網(wǎng)與前AT89C51單片機組成的數(shù)據(jù)采集器與上位機進行通訊，實現(xiàn)發(fā)送各種命令[7]?？捎蠵C機直接發(fā)送各種過程保護控制信號。生產(chǎn)過程中實時性要求較高的信號，諸-7-如過流保護等，不受定時通信的影響，這可保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。結構圖如2-2所示：mV換熱站打印機工通信號V隔離控mA1#2#3#與主換換換信號D/AmA機道熱熱熱顯示器調(diào)理站站站圖2-2 控制電路結構圖2.2.3 系統(tǒng)技術參數(shù)系統(tǒng)的主要技術參數(shù)要求有：（1）可實現(xiàn)集中供熱中供熱站主要運行參數(shù)自動遠程集中監(jiān)控。（2）對供回水、補水和供熱蒸汽的溫度、壓力測量，供回、補水的流量測量。（3）根據(jù)室外大氣溫度的變化自動調(diào)節(jié)供、 回水溫度的平均值，保證供熱溫度。（4）根據(jù)供、回水壓力的變化自動調(diào)節(jié)供、回水溫度的平均值，保證供熱溫度。（5）保證數(shù)據(jù)動態(tài)顯示、打印，具有溫度、壓力越限警告功能。（6）具有通訊功能，實現(xiàn)上位機的遠程管理。2.2.4 系統(tǒng)工作任務該系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場工藝要求，每個換熱站內(nèi)控制器需要完成的功能有:室外溫度、一次熱網(wǎng)供回水溫度、壓力及流量檢測,二次熱網(wǎng)的供回水溫度、壓力以及補水流量等檢測及控制,具體實施過程是:每個換熱站設置一套控制器及數(shù)據(jù)測量、控制儀表,使整個供熱系統(tǒng)構成一套完整的SCADA系統(tǒng),由監(jiān)控中心對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控[8]。通過控制器實現(xiàn)下列功能 :溫度補償?？刂破骺梢驌Q熱站周圍溫度的不同而自動調(diào)整二次供水溫度的設定值,從而保證了用戶的室內(nèi)溫度保持恒定,滿足室內(nèi)的取暖需求。熱流量限制。每個換熱站在一年的供暖時期內(nèi),用戶恒定,需要的熱量也不,故熱流量沒有變化,通過一次側流量檢測并加控制閥進行控制,使每個換熱站的熱量供給恒定,既保證了換熱站的熱量需求、避免熱量的浪費,又可將更多的熱量供-8-給遠端換熱站,從而滿足遠端用戶的熱量需求。水流量限制。對供水流量進行檢測,并實施供水泵變頻控制,可以保證供水流量滿足用戶需求,避免供水資源浪費及過多的電力消耗?；厮疁囟认拗?。檢測回水溫度,并對回水溫度過高進行限制,當回水溫度過高時,適當降低水流量。這樣可以保證熱量全部供給用戶,保證用戶室內(nèi)需求,使得熱量充分被利用,提高供熱系統(tǒng)的熱效率?；厮疁夭钕拗啤Ｏ到y(tǒng)中包含此項功能的益處是:①避免熱量沒有被充分利,在供熱高峰期間降低水流高峰;②動態(tài)保證盡可能低的回水溫度;③降低熱網(wǎng)的傳輸費用;④可以接入更多的用戶。結垢檢測?？山档蛽Q熱器的維護、保養(yǎng)費用，使設備僅在需要時才進行清洗,另外可以檢測到設備的換熱效率,并提高系統(tǒng)的整體性能。根據(jù)以上論述,集中供熱系統(tǒng)對換熱站、熱力管網(wǎng)進行監(jiān)控后，現(xiàn)有熱能被充分挖掘，既節(jié)約了投資、避免資源浪費,又滿足了用戶需求。2.2.5 控制算法的確定控制算法是為了實現(xiàn)控制系統(tǒng)的控制功能和控制規(guī)律由微型機所實現(xiàn)的控制計算方法。因此，控制算法是微機按控制功能和控制規(guī)律編寫成相應的程序 [9]。執(zhí)行該算法程序，便可完成對生產(chǎn)過程對象的控制。實現(xiàn)計算機控制的關鍵是設計合適的控制算法。由于供熱網(wǎng)控制系統(tǒng)是一個大時滯和非線性系統(tǒng)，這種特性可能引起供熱系統(tǒng)的不穩(wěn)定;而且由于供暖期需要晝夜24小時保持比較穩(wěn)定的室內(nèi)溫度，而室外溫度每日、每時都在變化，相應造成房屋耗熱量的變化，為了適應室外溫度的變化，保持熱平衡及穩(wěn)定的室內(nèi)溫度，就必須對鍋爐的供熱量進行有效的控制和調(diào)節(jié)。目前對于溫度的控制大多是采用PID控制。這種方法簡單，便與實現(xiàn)，但是對于象退火爐這樣的大滯后、大慣性和時變性的溫度控制系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的PID控制，同一組控制參數(shù)很難兼顧不同退火工藝的控制要求，控制的超調(diào)大，調(diào)節(jié)時間長，控制效果較差，且一組整定的參數(shù)不能完全適應不同的退火工藝要求還易產(chǎn)生較大的是超調(diào)。常見控制算法有以下幾種。1、數(shù)字PID控制算法[10]數(shù)字PID控制器是按偏差的比例（Proportional）、積分(Integral)、微分-9-(Differential) 的線性組合構成控制的調(diào)節(jié)器，它使用廣泛，靈活，可按系統(tǒng)的要求，調(diào)整不同的PID控制參數(shù)。它控制效果好，特別是對于時間常數(shù)比較大的被控對象來說有其一定的特點，實現(xiàn)良好的控制。但是經(jīng)典的PID控制需要知道被控對象精確的數(shù)學模型，而供熱網(wǎng)溫度控制器的參數(shù)選擇十分困難。PID控制器方框圖如圖2-3所示：r

e u cPID 被控對象測量圖2-3PID控制器方框圖2、模糊（Fuzzy）控制模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)， 以模糊數(shù)學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯推理為理論基礎的微機數(shù)字控制系統(tǒng) [11]。工作過程可以描述為：將輸入量轉化為模糊量供模糊邏輯決策系統(tǒng)用，模糊邏輯決策器根據(jù)控制規(guī)則所決定的模糊關系R，應用模糊邏輯推理算法得出控制器的模糊輸出控制量，然后經(jīng)精確化計算得到精確的控制值去控制被控對象。它模擬人的思維，茍照一種非線性控制，以滿足復雜得、不確定性的過程控制的需要。模糊控制系統(tǒng)結構圖如圖2-4所示：給定量eu被控量rA/D模糊控制器D/A執(zhí)行機被控對象y傳感器圖2-4模糊控制器方框圖由于模糊控制不需要知道被控對象精確的數(shù)學模型，且其魯棒性能較強，所以得到廣泛應用。3、Fuzzy-PID控制模糊控制和經(jīng)典PID進行不同形式的結合構成復合模糊PID控制器[12]。這種控制算法的特點是根據(jù)偏差的大小采用不同的控制算法。當溫度偏差較大時采用Fuzzy-10-控制，可以加快響應速度，當溫度偏差較小進入穩(wěn)態(tài)過程后切換到PID控制，消除靜差，提高控制精度。供熱模糊PID控制器是在普通模糊控制的基礎上，增加一個常規(guī)的PID控制器從而構成了一個混合PID模糊控制器，同時增加了一個系統(tǒng)常規(guī)庫B，用于對常規(guī)PID控制器得參數(shù)進行模糊調(diào)節(jié)。通過規(guī)則庫B對PID控制器得積分參數(shù)在線調(diào)節(jié)，間接調(diào)整了系統(tǒng)控制規(guī)則，并對由于模糊化使常規(guī)模糊控制器丟失的信息進行了補償，因此可增強控制系統(tǒng)的魯棒性、自適應能力、提高系統(tǒng)的控制精度，避免了普通PID模糊控制器在模糊控制與常規(guī)的PID控制器之間切換時產(chǎn)生的“毛刺”，使系統(tǒng)性能得以提高和完善。因此，在現(xiàn)行的集中供熱中模糊PID控制器被廣泛應用。對以上控制算法小結：PID控制結構簡單，參數(shù)調(diào)整方便等優(yōu)點，而PID控制的性能取決于參數(shù)的整定情況，對那些對象模型復雜和難以確定精確模型的控制系統(tǒng)，具有很大的局限性，而且它的快速性和超調(diào)量之間的矛盾關系，使它不一定能滿足調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)小的技術要求。模糊控制魯棒性好，無需知道被控對象的數(shù)學模型，且在快速性方面有著自己的優(yōu)勢，但模糊控制易受模糊規(guī)則有限等級的限制而引起穩(wěn)態(tài)誤差。模糊PID控制可以實現(xiàn)自動對PID參數(shù)的最佳調(diào)整，應用在具有明顯的純滯后、非線性、參數(shù)時變類似于溫度這樣特點的控制對象可以獲得很好的控制性能。大量的理論研究和實踐也充分證明了用模糊自整定PID控制溫度是一個非常好的解決方法。它不僅能發(fā)揮模糊控制的魯棒性好、動態(tài)響應好、上升時間快和超調(diào)小的特點，又具有PID控制器的動態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。因此在溫度控制器設計中，采用PID參數(shù)模糊自整定復合控制，實現(xiàn)PID參數(shù)的在線自調(diào)整功能，可以進一步完善PID控制的自適應性能，在實際應用中也取得了較好的效果。因此，系統(tǒng)采用模糊PID控制算法。2.2.6 補水控制方案確定為了保證供熱系統(tǒng)正常運行，需采取定壓補水控制。供熱系統(tǒng)定壓補水控制的原理圖，如圖2-5所示。當供熱系統(tǒng)中膨脹水量小于漏失水量時，需對供熱系統(tǒng)進行補水，否則難以維持供熱系統(tǒng)的定壓點壓力，供熱系統(tǒng)無法正常工作，因此深入研究供熱系統(tǒng)定壓補水方法有助于提高供熱系統(tǒng)運行的可靠度。 供熱系統(tǒng)定壓補水的控制原理當供熱系統(tǒng)漏水時系統(tǒng)壓力降低， 定壓點的壓力傳感器將此信息 （電壓信號）傳給比較器，壓力調(diào)節(jié)器根據(jù)比較器輸出的偏差信號啟動執(zhí)行器（ 補水泵）向供熱系統(tǒng)補水，使定壓點的壓力升高，壓力偏差逐漸減小，當壓力偏差為0（即-11-測量值等于給定值）或很小時，補水泵停止運行。壓力調(diào)節(jié)器為自力式壓力調(diào)節(jié)閥或電接點壓力表[13]。壓力調(diào)節(jié)壓力壓力給定值壓力偏差器控制信號干擾量12345壓力測量值2-5供熱系統(tǒng)定壓補水控制原理圖比較器2.壓力調(diào)節(jié)器3.執(zhí)行器4.調(diào)節(jié)對象5.壓力傳感器1、補水定壓的原理及方式補水定壓的原理是利用循環(huán)泵入口處網(wǎng)路回水的壓力控制閥門開度 , 當壓力過低時,啟動補水泵,閥11開大,增加進入網(wǎng)路的補水量,使壓力回升到要求的壓力;當壓力過高時,閥11關小,減少進入網(wǎng)路的補水量,使壓力下降到規(guī)定值。始終保持系統(tǒng)壓力在規(guī)定的范圍,保持補給水泵補給的水量與系統(tǒng)的泄漏水量相適應,從而維持系統(tǒng)動水壓曲線的位置,達到整個網(wǎng)路穩(wěn)定運行。熱水采暖系統(tǒng)定壓方式有:①高架水箱定壓;②補給水泵定壓;③惰性氣體(氮氣)定壓;④蒸氣定壓。其中氮氣定壓、蒸氣定壓因需消耗氮氣、蒸氣,設備也較復雜,多用在供水溫度較高的供熱系統(tǒng)中,低溫熱水采暖常采用補給水泵定壓方式。如圖2-6所示。圖2-6 補給水泵補水定壓工作原理示意圖-12-1—除污器;2—網(wǎng)路循環(huán)水泵 ;3—換熱器;4—軟化水箱;5—補給水泵;6—分水器;7—集水器;8—止回閥;9—壓力表;10—熱用戶;11—補給水控制閥2、補給水泵補水定壓存在的問題[15]換熱站采用補給水泵補水定壓存在以下幾方面的問題 :①系統(tǒng)調(diào)整頻繁。②突發(fā)性事故多。為避免事故的再次發(fā)生,除加強運行人員的工作責任心外,對系統(tǒng)的補水定壓方式作一些改進是十分必要的。[16]3、換熱站補水定壓的工作原理和改進方案（1）工作原理當系統(tǒng)初運行時, 系統(tǒng)注水靠初運行補水泵將軟化水補入系統(tǒng) , 直至系統(tǒng)充,并達到規(guī)定的壓力范圍內(nèi),然后啟動循環(huán)泵正常運行。系統(tǒng)正常運行后,關閉初運行補水泵,由壓力控制器(14)控制恒壓點的壓力值在規(guī)定的范圍之內(nèi)。若恒壓點的壓力下降到規(guī)定壓力的下限時,壓力控制器(14)接通,發(fā)出信號,常閉電磁閥(4)打開,噴射補水環(huán)路接通,這時,循環(huán)水泵出口處的一小部分高壓水經(jīng)沖射水管(3)進入水射擊器(1),產(chǎn)生噴射作用,經(jīng)引射水管(12)抽吸軟化水箱內(nèi)的軟化水,在水射器內(nèi)混合后,通過逆止閥(8)經(jīng)補水管(7)補入系統(tǒng);當恒壓點壓力達到規(guī)定壓力上限時,壓力控制器(14)斷開,電磁閥(4)關閉,切斷噴射補水環(huán)路,停止補水。壓力控制器與循環(huán)水泵電氣連鎖,即只有啟動循環(huán)水泵,壓力控制器才通電,處于工作狀態(tài)。如果電磁閥(4)失靈,可關閉截止閥根據(jù)回水管上的壓力顯示,手動控制旁通閥(6)進行補水。（2）改進方案通過參考有關資料和分析思考,對換熱站提出了由原來的補水泵補水定壓改為水噴射器自動補水定壓[17]。主要由水噴射器、電磁閥、逆止閥及壓力控制器組成。由補給水泵補水定壓改進為水噴射泵自動補水定壓,除能消除補水泵定壓存在的不足,還具有如下優(yōu)點:①能避免因啟動頻繁而引起的系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。②自動調(diào)節(jié)，減少了突發(fā)性事故。③結構方面，更簡單、緊湊、制作安裝容易,占地面積小,節(jié)省基建投資。④維護方面，維修量少,無運轉部件,不需備用設備及備品備件。圖2-7 采用水噴射器自動補水定壓方式的熱水供暖示意圖1—水射器;2—循環(huán)水泵;3—沖射水管;4—電磁閥;5—截止閥;6—旁通截止閥 ;7—補水;8—逆止閥;9—安全閥;10—初運行補水泵;11—軟化水箱;12—引射水管;13—初運行吸水管;14—壓力控制器;15—補水控制截止閥;16—換熱器;17—分水器;18—除污器;19—集水器;20—供熱用戶-14-第三章 硬件電路設計3.1硬件電路的基本組成本系統(tǒng)的關鍵是單片機對供熱蒸汽管道、供水管道、回水管道的溫度、壓力、流量、熱流量等參數(shù)的測量與控制，并將測量數(shù)據(jù)通過光電隔離20mA通訊電流環(huán)傳送給工控機；熱水流量儀負責對主要管道末端供水、回水的溫度、壓力、流量及熱量進行監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳送給單片機，因此需要控制器、數(shù)據(jù)采集與處理電路，數(shù)據(jù)傳輸和通訊電路，報警電路，硬件接口電路，包括溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、A/D轉換器、D/A轉換器、主機、顯示器和鍵盤、執(zhí)行器、電源等。以下是對部分組成器件的作用簡要說明。①傳感器和執(zhí)行器傳感器將供熱系統(tǒng)的運行參數(shù)和故障信息轉換為電信號，包括溫度、流量、壓力、系統(tǒng)最不利點壓力值等。執(zhí)行器直接操作熱力站系統(tǒng)中各種泵、閥、電機等。②信號轉換模塊將傳感器信號調(diào)理為標準的模擬量和數(shù)字量輸入送給微機并將微機輸出信號進行功率放大后驅(qū)動執(zhí)行器。③主機主機實時測量出供熱系統(tǒng)各運行參數(shù)并且控制執(zhí)行器做出正確動作，要求抗干擾能力強，能夠長期不間斷地穩(wěn)定運行。④通訊由于各熱力站遍布于整個供暖區(qū)域，必須考慮與管理調(diào)控中心通訊功能，遠程數(shù)據(jù)通信比較可行的方法有Internet或者使用Modem通過電話線直接進行串行通信。從實時性和安全性考慮，選用后者。總的來說，系統(tǒng)主要分為前向通道、單片機系統(tǒng)和后向通道。2前向通道設計3.2.1 溫度傳感器供熱控制系統(tǒng)中需要檢測室外溫度、一次熱網(wǎng)供回水溫度、二次熱網(wǎng)的供回水溫度。所以測溫元件采用性能穩(wěn)定、壽命長、互換性好的標準鉑電阻溫度傳感器。因此本設計采用了溫度傳感器 Pt100。-15-1、溫度傳感器 Pt100的工作原理金屬鉑具有電阻溫度系數(shù)大，感應靈敏；電阻率高，元件尺寸??；電阻值隨溫度變化而變化基本呈線性關系；在測溫范圍內(nèi)，物理、化學性能穩(wěn)定，長期復現(xiàn)性好，測量精度高，是目前公認制造熱電阻的最好材料。但鉑在高溫下，易受還原性介質(zhì)的污染，使鉑絲變脆并改變電阻與溫度之間的線性關系， 因此使用時應裝在保護套管中。利用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器，通常使用的鉑電阻溫度傳感器有Pt100，電阻溫度系數(shù)為0.0039／℃，0℃時電阻值為100Ω，電阻變化率為0.3851Ω／℃。鉑電阻溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)（-200℃～650℃）最常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成各種標準溫度計。在IEC75國際標準，溫度系數(shù)TCR0.003851，Pt100(R0100)、Pt1000(R01000)為統(tǒng)一設計型鉑電阻。Pt100傳感器是利用鉑阻的阻值隨溫度變化而變化,并呈定函數(shù)關系的特性來測溫的。其溫度/阻值對應關系為:（1）-200℃＜t＜0℃時,RPt100=100[1AtBt2Ct2(t100)]（2）0℃≤t≤850℃時，RPt100100(1AtBt2)2、Pt100的主要技術參數(shù)測溫范圍:-200℃～+850℃;允許偏差值℃:A級+/-(0.15+0.002|t|),B級+/-(0.30+0.005|t|);熱響應時間＜30s;最小置入深度≥200mm;允通電流≤5mA;3.2.2 壓力傳感器在集中供熱系統(tǒng)中，回風管道內(nèi)必須按照要求安裝過濾網(wǎng)， 以濾除供熱現(xiàn)場帶走的灰塵。通過對過濾網(wǎng)兩端的壓差的測量，可及時了解過濾網(wǎng)的通風狀況，以解決是否進行清潔。在本次設計中選用的是歐德 1151系列電容式差壓變送器，該傳感器是北京歐德儀表科技有限公司生產(chǎn)的， 1151系列電容式差壓變送是以微處理器為核心的壓力傳感儀表，是基于傳統(tǒng) 1151的δ元件的兩線制智能變送器。 1151系列壓力/差壓變送器，可配 31/2位數(shù)字LCD液晶顯示器作現(xiàn)場輸出指示，也可配指針式電流-16-0～100%作現(xiàn)場輸出指示。（1）、性能特點（1）就地按鍵調(diào)整零點和量程；（2）量程比15:1或10:1；（3）阻尼可調(diào)；（4）輸出電流開平方功能；（5）具有自診斷及故障輸出報警功能；（6）帶有EEPROM非易失性存儲器不怕斷電丟失數(shù)據(jù)。、技術指標測量介質(zhì)： 液體、氣體和蒸氣測量范圍： 詳見型號表供電電源：12～45VDC，帶LCD數(shù)字顯示器為15-45VC，一般為24VDC輸出信號：4～20mA負載特性： 載電阻RL≤50(Vs－12)Ω，其中Vs為供電電源電壓指示表： 電流表線性指示 0～100%和平方根指示0～10，或31/2LCD液晶顯示百分數(shù)或測量值防爆：a.隔爆型：dⅡBT5b.本質(zhì)安全型：iaⅡCT6量程和零位： 外部連續(xù)可調(diào)正負遷移：差壓變送器：最大正遷移量為500%；最大負遷移量為600%壓力變送器：最大正遷移量為500%；最大負遷移量不大于大氣壓絕對壓力變送器：最大正遷移量為500%；無負遷移環(huán)境溫度范圍：一般變送器：－25℃～75℃帶現(xiàn)場顯示器：－15℃～70℃過載壓力： 不超過規(guī)定壓力的 1.15倍濕度：相對濕度為0～100%容積變化量： ＜0.16cm3阻尼(階躍響應):在0.2s到1.67s之間可調(diào)啟動時間：2s，不需要預熱精度：±0.2%，±0.25%，±0.5%，具體見型號規(guī)格表穩(wěn)定性： 六個月內(nèi)不超過變送器精度-17-溫度影響： 在最大量程時，每 10℃變化量靜壓影響： 在最大量程時的影響振動影響： 在任意軸向上，振動頻率為 200時，誤差為測量范圍上限的0.05%/g，量程代號2為±0.25%/g電源影響：小于輸出量程的±0.005%/V負載影響： 供電恒定時負載變化沒有影響安裝位置影響： 最大可產(chǎn)生0.24kPa的零點誤差，通過調(diào)零消除，對量程沒有影響排氣/排液閥、法蘭和接頭：見訂購指南灌充液: 硅油或惰性油 螺栓: 碳鋼鍍鉻殼體材料: 低銅鋁合金引壓連接件：在壓力容室上的和外界連接用的螺栓孔為 1/4NPT，中心距54；接1/2NPT或M20×1.5陽螺紋球錐面密封，帶接頭時中心距50.8、54、57.2mm(NPT錐管螺紋符合GB/T1271691)電氣接口：M20×1.5重量：約5kg（不帶附件）3.2.3 流量傳感器在供熱系統(tǒng)中，必須對每臺熱風機組的循環(huán)水流量進行計算。本設計采用天津產(chǎn)LWGY-80式渦輪流量計[18]，傳感器用插入桿將一個較小的切向式渦輪頭插到大口徑管道的預定深度處，流體流動時推動渦輪頭的切向式葉輪旋轉，使磁阻式傳感元件發(fā)出電脈沖流量信號，流量信號輸入工控機。這種傳感器精度高，穩(wěn)定可靠，維護工作量小。該傳感器是深圳市波特傳感儀器儀表有限公司生產(chǎn)的。（1）、LWGY-80DE特點：⑴壓力損失小，葉輪具有防腐功能；⑵具有較高的抗電磁干擾和抗震動能力，性能可靠工作壽命長；⑶采用先進的超低功耗單片微機技術，整機功能強，功耗低，性能優(yōu)越，具有非線性精度補償功能的智能顯示器。修正公式精度優(yōu)于± 0.02%；⑷儀表系數(shù)可由按鍵在線設置，并可顯示在 LCD屏上，LCD屏直觀清晰，可靠性高；⑸用EEPROM對累積流量、儀表系數(shù)進行掉電保護。保護時間大于10年。-18-LWGY 渦輪流量傳感器與顯示儀表配套組成渦輪流量計。傳感器具有精度高，重復性好，壽命長操作簡單等特點?？蓮V泛應用于石油，化工，冶金，造紙等行業(yè)測量液體的體積瞬時流量和體積總量。（2）、主要技術參數(shù)：⑴準確度：0.5級，1.0級；⑵使用條件：測量范圍：10～100m3/h最大工作電壓：2.5Pma介質(zhì)溫度：-20～+120℃環(huán)境溫度：-20～+50℃?zhèn)鬏斁嚯x：傳感器至顯示儀表的距離可達500m防爆等級：dIIBT4前置放大器的工作電源： +12V渦輪流量計采用瞬時計時方式（設定時標門，采集信號脈沖數(shù)）。利用AT89C51內(nèi)部的定時器2對高速輸入的信號進行計數(shù)，即對渦流流量計輸出的脈沖進行計數(shù)。電路中光藕器件，是為了防止干擾和拉低渦流流量計輸出脈沖低電平幅度而設計的。74LS123為穩(wěn)壓器件，用來濾除脈沖上升沿附近的干擾信號。4.A/D轉換電路⑴A/D7731在溫度、壓力測量中的應用由于溫度由于溫度傳感器輸出的電壓信號為mV信號,采用傳統(tǒng)的模數(shù)轉換器,要外加放大器、調(diào)理電路等,這樣使電路復雜且難于控制精度,為此采用AD7731,使電路設計簡單,可直接采樣處理溫度傳感輸出的弱信號,達到理想的效果。將其應用到鉑電阻進行高精確度的測溫系統(tǒng)中，保證了0.001℃的測量分辨率，使系統(tǒng)的測量誤差小于0.055%。其與溫度傳感器的連接圖見圖3-2所示。⑵在壓力測量中的應用AD7731具有獨特的前端增益可編程功能，允許AD7731直接接收來自差壓傳感器的寬范圍輸入信號，范圍可分七個檔位。單極性：0-+20mv,+40mv,+80mv,+160mv,+320mv,+640mv,+1.28v。雙極性：0-20mv,40mv,80mv,160mv,320mv,640mv,1.28v。表3-1AD7731 引腳功能-19-引腳名稱功能說明1SCLK串行時鐘輸入引腳,這個時鐘信號可以是連續(xù)的或不連續(xù)的。2MCLKIN主時鐘輸入引腳。3MICLKOUT主時鐘輸出引腳,將石英晶體或諧振元件接在引腳2與3之間就可產(chǎn)生主時鐘信號。串行時鐘極性的選擇,當此為高電平時,在SCLK時鐘下降沿4POL將輸出移位寄存器的數(shù)據(jù)輸出到DOUT;當為低電平時,在SCLK時鐘的有效性與上面情況相反。5/SYNC同步控制輸入,低電平有效。6/RESET復位輸入引腳。7NC不連接。8AGND模擬地。9AVDD模擬電源,正常工作電壓為+5V。10AIN1模擬輸入端,在單端輸入方式時,通道1和通道2的信號輸入11AIN2端,在差動方式時,AIN1為正輸入端,AIN2為負輸入端。AIN3/D1模擬輸入端,在單端輸入方式時,道通3和通道4的信號輸入端在差動方式時,AIN3為正輸入端,AIN4為負輸入端。也可通13AIN4/D0過方式寄存器的DEN為設置位數(shù)字輸出。REFIN(+)基準電壓輸入端。REFIN(-)基準電壓輸出端。16AIN5模擬輸入端,在單端輸入方式時,通道5信號輸入端,在差動方式時,AIN5為正輸入端與AIN6構成差分輸入。17AIN6在單端輸入方式時為信號參考端,在差動方式時,與AIN5構成差分輸入。18/STANDBY待機方式控制端。19/CS芯片選擇端。20/RDY狀態(tài)信號輸出端,當為低電平時,表示有一待讀取的轉換結果或者校準周期結束。21DOUT串行數(shù)據(jù)輸出。22DIN串行數(shù)據(jù)輸入。-20-DVDD數(shù)字電源,正常工作電壓為+3V或者+5V。DGND數(shù)字地。由于壓力傳感器輸出的電壓信號是寬動態(tài)范圍的低頻毫伏級信號， 采用傳統(tǒng)的模數(shù)轉換器，要加程控放大器，調(diào)理電路，這樣使整個電路復雜且難以控制精度，為此采用了高精度的AD7731。這樣，不但可以直接采樣處理壓力傳感器輸出的弱信號。而且使整個測力系統(tǒng)的理論精度達到 24位。其與壓差傳感器的連接圖見圖 3-2。圖3-2AD7731與AT89C51及采樣部分接線圖3.3 單片機系統(tǒng)設計3.3.1CPU的介紹AT89C51是一種 4字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機[19]。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工-21-業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。（1）主要特性：·與MCS-51兼容 ·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器·壽命：1000寫/擦循環(huán) ·數(shù)據(jù)保留時間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz ·三級程序存儲器鎖定·128*8位內(nèi)部RAM ·32可編程I/O線·兩個16位定時器/計數(shù)器 ·5個中斷源·可編程串行通道 ·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路（2）引腳圖及管腳說明：AT89C51引腳如圖3-3所示：3-3AT89C51引腳圖引腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)-22-/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出 4TTL門電流。P1口管腳寫入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗時， P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出 4個TTL門電流，當 P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是 8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O口，可接收輸出 4個TTL門電流。當 P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。P3口可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下頁表 3-2所示：RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止 ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，AL只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令時ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取址期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA 保持低電平時，則在此期間使用外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源（VPP）。-23-XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。表3-1P3口的一些特殊功能口口管腳備選功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時器0外部輸入）P3.5T1（記時器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）（3）振蕩器特性：XTAL1 和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。（4）芯片擦除：整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平 10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“ 1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM的內(nèi)容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。-24-3.3.2 單片機最小系統(tǒng)設計㈠微處理器監(jiān)控器 MAX813L1.MAX813L芯片及其工作原理⑴芯片特點[20]·加電、掉電以及供電電壓下降情況下的復位輸出，復位脈沖寬度為 200ms?！お毩⒌目撮T狗輸出，如果看門狗輸入在1.6s內(nèi)未被觸發(fā)，其輸出將變?yōu)楦唠娖健?.25V門限值檢測器，用于電源故障報警、電池低電壓檢測或＋5V以外的電源監(jiān)控。低電平有效的手動復位輸入。8引腳DIP封裝。MAX813L引腳如下如所示：圖3-4MAX813L引腳圖⑵ 引腳功能及工作原理ⅰ.手動復位輸入端（MR）當該端輸入低電平保持 140ms以上，MAX813L就輸出復位信號.該輸入端的最小輸入脈寬要求可以有效地消除開關的抖動。 MR與TTL/CMOS兼容。ⅱ.工作電源端（VCC）：接+5V電源。ⅲ.電源接地端（GND）：接0V參考電平。.電源故障輸入端（PFI）當該端輸入電壓低于1.25V時，5號引腳輸出端的信號由高電平變?yōu)榈碗娖健?電源故障輸出端（PFO)電源正常時，保持高電平，電源電壓變低或掉電時，輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?。?看門狗信號輸入端（WDI）程序正常運行時，必須在小于1.6s的時間間隔內(nèi)向該輸入端發(fā)送一個脈沖信號，以清除芯片內(nèi)部的看門狗定時器。若超過1.6s該輸入端收不到脈沖信號，則內(nèi)部定時器溢出，8號引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?。?復位信號輸出端（RST）上電時，自動產(chǎn)生200ms的復位脈沖；手動復位-25-端輸入低電平時，該端也產(chǎn)生復位信號輸出。.看門狗信號輸出端（WDO）正常工作時輸出保持高電平，看門狗輸出時，該端輸出信號由高電平變?yōu)榈碗娖??；竟ぷ髟砉I(yè)環(huán)境中的干擾大多是以窄脈沖的形式出現(xiàn)，而最終造成微機系統(tǒng)故障的多數(shù)現(xiàn)象為“死機”。究其原因是CPU在執(zhí)行某條指令時，受干擾的沖擊，使它的操作碼或地址碼發(fā)生改變，致使該條指令出錯。這時，CPU執(zhí)行隨機拼寫的指令，甚至將操作數(shù)作為操作碼執(zhí)行，導致程序“跑飛”或進入“死循環(huán)”。為使這種“跑飛”或進入“死循環(huán)”的程序自動恢復，重新正常工作，一種有效的辦法是采用硬件“看門狗”技術。用看門狗監(jiān)視程序的運行。若程序發(fā)生“死機”，則看門狗產(chǎn)生復位信號，引導單片機程序重新進入正常運行。圖3-5 單片機掉電方式控制電路此外，工業(yè)現(xiàn)場由于諸多大型用電設備的投入或撤出電網(wǎng)運行， 往往造成系統(tǒng)的電源電壓不穩(wěn)，當電源電壓降低或掉電時，會造成重要的數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)不能正常運行。若設法在電源電壓降至一定的限值之前，單片機快速地保存重要數(shù)據(jù)，將會最大限度地減少損失。單片機的掉電工作方式電路原理圖如圖 3-5所示：當PD設置為1時，激活掉電方式，此時PD＝0，與非門輸出為低電平，時鐘發(fā)生器停止工作，單片機內(nèi)所有運行狀態(tài)均被停止，只有片內(nèi) RAM和SFR中的數(shù)據(jù)被保存起來。在單片機系統(tǒng)中可借助于一定的外部附加電路監(jiān)測電源電壓， 并在電源發(fā)生故障時及時通知單片機（如通過引發(fā) INT0中斷來實現(xiàn)）快速保存重要數(shù)據(jù)，且斷開外圍設備用電電源，使整個應用系統(tǒng)的功耗降到最少。當電源恢復正常時，取消掉電工作方式，通過復位單片機，使系統(tǒng)重新正常工作。-26-3-6是MAX813L在單片機系統(tǒng)中的典型應用線路圖。此電路可以實現(xiàn)上電、瞬時掉電以及程序運行出現(xiàn)“死機”時的自動復位和隨時的手動復位；并且可以實時地監(jiān)視電源故障，以便及時地保存數(shù)據(jù)。本電路巧妙地利用MAX813L的手動復位輸入端。只要程序一旦跑飛引起程序“死機”，WDO端電平由高到低，當WDO變低超過140ms，將引起MAX813L產(chǎn)生一個200ms的復位脈沖。同時使看門狗定時器清0和使WDO引腳變成高電平。也可以隨時使用手動復位按鈕使MAX813L產(chǎn)生復位脈沖，由于為產(chǎn)生復位脈沖MR端要求低電平至少保持140ms以上，故可以有效地消除開關抖動。該電路可以實時地監(jiān)視電源故障（掉電、電壓降低等）。圖3-6中R1的一端接未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電源。電源正常時，確保R2上的電壓高于1．26V，即保證MAX813L的PFI輸入端電平高于 1.26V。當電源發(fā)生故障，PFI輸入端的電平低于1.25V時，電源故障輸出端PFO電平由高變低，引起單片機INT1中斷，CPU響應中斷，執(zhí)行相應的中斷服務程序，保護數(shù)據(jù)，斷開外部用電電路等。圖3-6MAX813L與AT89C51連線圖3.3.38255A 擴展接口AT89C51 的I/O（輸入/輸出）接口是AT89C51單片機與外部設備交換信息的橋梁。本設計中AT89C51已經(jīng)有4個I/O口，但是P0口和P2口用作16位地址總線-27-和8位數(shù)據(jù)總線，真正用作I/O口的只有P1口的8位I/O線和P3口的某些位線。由于AT89C51的I/O資源有限，因此，本設計需要外擴I/O接口電路。采用的是可編程并行I/O芯片8255A[21]。Intel8255A 是一種通用的可編程并行 I/O接口芯片，也是應用最廣泛的并行I/O接口芯片。1、8255A的結構8255A 由4部分組成：數(shù)據(jù)總線緩沖器三個8位端口PA、PB、PC，其中PC口可分為兩個4位端口，可分別同端A和端口B配合使用，可以用作控制信號輸出等。A組和B組的控制電路。讀/寫控制邏輯。2、8255A的工作方式8255A 有三種工作方式：方式 0、方式1和方式2。方式0——基本輸入/輸出在此工作方式下，每個口都作為基本的輸入輸出口，C口的高4位和低4位以A口和B口都可獨立地設置為輸入口和輸出口。在此工作方式下：輸出的數(shù)據(jù)被鎖存，而輸入的數(shù)據(jù)不被鎖存。方式1——選通輸入/輸出此工作方式下，三個端口分為A、B兩組，A、B兩個口仍用作數(shù)據(jù)輸入輸出口，而C口分成兩部分，分別作為A口和B口的聯(lián)絡信號。在8255A中，聯(lián)絡信號是3位，兩個數(shù)據(jù)口，共用去C口的6位，剩余的兩位仍可作為數(shù)據(jù)位使用。方式2——雙向選通輸入/輸出此工作方式只限于 A組使用，它用A口的8位數(shù)據(jù)線，用C口的5位進行聯(lián)絡。工作時輸入輸出都能被鎖存。A口工作在方式2時，B口可以在方式0或方式1工作。8255A的初始化在使用8255A時，首先要由CPU對8255A寫入控制命令字。有兩種控制命令字：方式選擇控制字和C口按位置位/復位控制字。8255A的各種工作方式都要由控制命令字來設定，這個設置過程稱為：“初始化”。3、鎖存器74LS373芯片-28-74LS373是帶有三態(tài)門的八D鎖存器，當使能信號線OE為低電平時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)，允許1Q-8Q輸出到OUT1-OUT8，當OE端為高電平時，輸出三態(tài)門斷開，輸出線OUT1-OUT8處于浮空狀態(tài)。G稱為數(shù)據(jù)打入線，當74LS373用作地址鎖存器時，首先應使三態(tài)門的使能信號OE為低電平，這時，當G端輸入端為高電平時，鎖存器輸出（1Q-8Q）狀態(tài)和輸入端（1D-8D）狀態(tài)相同；當G端從高電平返回到低電平（下降沿）時，輸入端（1D-8D）的數(shù)據(jù)鎖入1Q-8Q的八位鎖存器中。當用74LS373作為地址鎖存器時，它們的G端可直接與單片機的鎖存控制信號端ALE相連，在ALE下降沿進行地址鎖存[22]。引腳的說明如下：D0～D7：鎖存器8位數(shù)據(jù)輸入線Q0～Q7：鎖存器8位數(shù)據(jù)輸出線GND：接地引腳Vcc：電源引腳，＋5V有效OE：片選信號引腳G：鎖存控制信號輸入引腳。4、8255A與單片機的連線圖3-7是AT89C51單片機擴展1片8255A的電路圖。圖中74LS373是地址鎖存器，P0.1、P0.1經(jīng)74LS373與8255A的地址線A1、A0連接；P0.7經(jīng)74LS373與片選端CS相連，其他地址線懸空；8255A的控制線RD、WR直接接于AT89C51的RD、WR端；數(shù)據(jù)總線 P0.0～P0.7與8255A的數(shù)據(jù)線D0～D7連接。-29-3-7HD7279引腳圖3.3.4 外部電路鍵盤與顯示智能控制芯片 HD7279單片機作為一種嵌入式微處理器,在自動化儀表和智能模塊等測控系統(tǒng)中,得到了廣泛的應用。其數(shù)顯部分和鍵盤接口的設計是以單片機為核心的測控系統(tǒng)的重要組成部分,如何進行數(shù)顯和鍵盤部分的設計對于測控系統(tǒng)有著重要的意義。針對單片機,通用的方法采用擴展并行接口芯片8255A或者8279芯片來解決,這兩種方法編程與電路均較復雜。對于外圍I/O線較少的其他型號單片機來說,顯然是不適用的[23]。本設計采用HD7279智能芯片，使系統(tǒng)體積更小，系統(tǒng)整體性能/價格比更高。（1）、智能顯示驅(qū)動芯片HD7279的工作原理該芯片具有串行接口,可以同時驅(qū)動8位共陰極數(shù)碼管和連接64鍵的鍵盤矩陣,單片即可以完成數(shù)碼顯示和鍵盤接口的全部功能,而且該芯片自帶RC振蕩電路,無需外接時鐘,與單片機的接口電路簡單,只需四條I/O線。它的主要特點是串行接口，各位獨立控制譯碼/不譯碼且有消隱和閃爍屬性；通過左移/右移指令能方便的實現(xiàn)顯示數(shù)碼的左右移動。內(nèi)含64鍵鍵盤控制接口及去抖動電路。⑴HD7279的引腳圖及引腳的說明（見表 3-3）HD7279采用串行方式與微機處理器通訊，各引腳功能見表4所示。串行數(shù)據(jù)從DATA引腳送入芯片，并由CLK端同步，當片選信號變?yōu)榈碗娖胶?，DATA引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫入HD7279的緩沖寄存器。-30-表3-2引腳說明引腳名 說 明CS 片選輸入端CLK 同步時鐘輸入端 ,上升沿有效DATA 串行數(shù)據(jù)輸入 / 輸出端KEY 按鍵有效輸出端 ,電平有效SG~SA 段g～段a驅(qū)動輸出DP 小數(shù)點驅(qū)動輸出DIG0～7 數(shù)碼管0～7驅(qū)動輸出CLK0 振蕩輸出RC RC振蕩器連接端（2）HD7279的控制指令HD7279的控制指令分兩大類 :純指令和數(shù)據(jù)指令 ,而數(shù)據(jù)指令又分為帶有數(shù)據(jù)的指令，寬度為16BTTCLK脈沖和讀取鍵盤數(shù)據(jù)指令，寬度為16BTT，前8個為微處理器發(fā)送到HD7279的指令，后8個16BTT為HD7279返回鍵盤代碼。執(zhí)行此指令時，HD7279的DATA端在第9個CLK脈沖的上升沿邊為輸出狀態(tài)，并與第16個脈沖的下降沿恢復為輸出狀態(tài)，等待接受下一個指令。其指令格式和操作見表 3-3和表3-4。表3-3純指令指令名指令格式操作復位A4H顯示字符消隱,閃爍被清除測試BFH點亮所有LED左移A1H所有顯示左移一位,最后一位為空右移A0H所有顯示右移一位,最后一位為空循環(huán)左移A3H所有顯示左移一位,最后一位為原最左內(nèi)容循環(huán)右移A2H所有顯示右移一位,最后一位為原最右內(nèi)容-31-⑴純指令①復位指令0A4H；②測試指令0BFH；③左移指令0A1H；④右移指令0A0H；⑤循環(huán)左移指令0A3H；⑥循環(huán)右移指令0A2H。表3-4數(shù)據(jù)指令指令名 指令格式 操 作方式0 譯碼10000a2a1a0Dpxxxd3d2d1d0 數(shù)據(jù)d3d2d1d0寫入地址a2a1a0方式1 譯碼