1、鍋爐多路風(fēng)壓風(fēng)速監(jiān)測儀的設(shè)計與應(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 測量手段等諸多因素的影響，目前國內(nèi)電廠對工業(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

2、、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，由于受測量手段等諸多因素的影響，目前國內(nèi)電廠對工業(yè) 燃煤鍋爐一、二次風(fēng)速的檢測普遍采用靜壓測量方式，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，增加了測量難度。傳統(tǒng)的鍋爐 參數(shù)測量多采用單通道、專門功能的計量 儀表 ，不能滿足多通道的綜合檢測、 集中監(jiān)控與數(shù)據(jù)比較分析的需要。本設(shè)計采用低成本的單片機(jī)和外圍監(jiān)測電 路，實(shí)現(xiàn)

3、對工業(yè)燃煤鍋爐多通道風(fēng)壓、風(fēng)速、溫度的實(shí)時監(jiān)測與顯示，并與上 位機(jī)通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、打印與存儲。2 系統(tǒng)組成和工作原理2.1 系統(tǒng)組成 本監(jiān)測儀采用89C52單片機(jī)作為核心控制器件，按照 模塊化的設(shè)計原則，將監(jiān) 測系統(tǒng)分為：CPU主控卡、通道控制、數(shù)據(jù)存儲、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)計的結(jié)果使監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，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)留一定的升級空間。2.2 工作原理鍋爐多路風(fēng)壓、風(fēng)速在線監(jiān)測系統(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，CPUS通道控制模塊選

4、擇采集通道，對被選擇 通道的數(shù)據(jù)相繼進(jìn)行信號采集、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)測的相關(guān)數(shù) 據(jù)。當(dāng)要求顯示風(fēng)壓大小時，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，則須將采集的風(fēng)壓和溫度數(shù)據(jù)按照式 (4) 計算( 軟件程序 計算) 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 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個通道的選通狀態(tài)(Q1Q4)。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P

5、1 口連接，輸出腳 Q1Q6用于選擇 控制16個通道，其中：Q4, Q5 Q6分別與A1(74LS138»的A、B、C腳相連；定 義A1的輸出口 丫0, Y1為A2或A3的片選控制信號，當(dāng)丫0為低電平時選擇A2 芯片工作，當(dāng)丫1為低點(diǎn)平時選擇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 程控信號放大電路傳感器輸出的電壓信號比較小，與 A/ D轉(zhuǎn)換輸入端口不匹配，必須在 A/ D轉(zhuǎn) 換前加一個信號放大電路，選用超低漂移高精度運(yùn)算放大器0P0

6、7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)測到的信號需要根據(jù)不同的 通道，選擇合適的放大倍數(shù)，更好地完成信號的放大處理，為A/ D轉(zhuǎn)換器提供更為精確的采集信號。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A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7715它使用開關(guān)電容逐次逼 近技術(shù)完成A/ D轉(zhuǎn)換過程，只有1路模擬輸入。逐次轉(zhuǎn)換各個通道數(shù)據(jù)，

7、將轉(zhuǎn) 換完的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)存儲器里，需要用時再取出來。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)的同一個引腳P2.0上。AD7715的片選信號(CS)直接接地，模擬信號由AIN(+)引腳進(jìn)入，經(jīng)轉(zhuǎn)A/D換后由DOU輸出數(shù) 字信號到單片機(jī)，而單片機(jī)運(yùn)算處理過的數(shù)據(jù)則由DIN輸入給AD7715其中AIN(+)，AIN(-)，DIN，DOU均

8、是串行口。MCLKIN MCLKOU主時鐘信號端(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)計中，一共設(shè)置了 6個控制 鍵，6個LED數(shù)碼顯示管(前2個用來顯示被測通道號，后 4個用來顯示所監(jiān)測 通道的具體數(shù)值 )；其中 6個按鍵的功能說明如下：“設(shè)置”鍵：通電后儀表可隨時按“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) (密碼錯誤時，按設(shè)置鍵將返回監(jiān)測狀態(tài) )， 當(dāng)該參數(shù)項不需要修改時，可直接按“設(shè)置”鍵，進(jìn)入下一個參數(shù)的設(shè)定?！岸c(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

9、方式間來回切換。如原來為定點(diǎn)方式，按“定點(diǎn)”鍵，將變 為循環(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?！癡”、“A ”鍵：設(shè)置數(shù)據(jù)采集通道。在循環(huán)顯示方式時，按上下鍵無效， 在定點(diǎn)方式時，通道號分別加減 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?！皬?fù)位”鍵：將外部512B RAM中的數(shù)據(jù)傳送給上位PC機(jī)，并存儲數(shù)據(jù)以及數(shù) 據(jù)打印。3.5可編程看門狗監(jiān)控E2PROX25045電路 89C52單片機(jī)有8 kB內(nèi)部程序存儲器空間，256B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器空間。系統(tǒng)的 程序量不大， 8 kB 內(nèi)部程序存儲器空

10、間可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求，無需外擴(kuò)程 序存儲器；多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個數(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)存儲器空間達(dá)不到要求，需要外擴(kuò)效據(jù)存儲器來保存和處理采集的數(shù) 據(jù)。采用串行E2PRO器件X25045芯片作為外部數(shù)據(jù)存儲器。其主要特點(diǎn)為：利用低VCC檢測電路，可以保護(hù)系統(tǒng)使之免受低電壓狀況的影響；存儲器部分是CMOS勺串行E2PROJM內(nèi)部按512&抱15;8組織，10萬次寫人次數(shù)，100年數(shù)據(jù) 儲存；看門狗定時器對單片機(jī)提供了獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)。圖 5是X25045與單片機(jī) 的連接圖。在整個工作期內(nèi)，片選 CS端為低電平；WP端為高電平時，所有寫保護(hù)功能正常。SC

11、K SI，SO分別接單片機(jī)的P2.4，P2.5，P2.6。其中SCK串 行時鐘輸入，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 檢測電路 該系統(tǒng)需要監(jiān)測風(fēng)壓與風(fēng)速 2 個參數(shù)，而風(fēng)速是有風(fēng)壓與溫度計算得到的，計 算公式見式 (4) 。在風(fēng)壓監(jiān)測時，將采集到的 電流 信號通過電阻轉(zhuǎn)變成電壓信號，電壓大小等于 該電阻上的電壓，得到的電壓信號通過放大器放大，輸入到AD 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的數(shù)字信號，再根據(jù)存儲在 RAM中的數(shù)據(jù)查找到相應(yīng)的壓力即可得到 相對的壓力大小。在溫度監(jiān)測時，見圖 6，采用熱電阻的三線接法來

12、監(jiān)測溫度，這樣可以消除導(dǎo)線電阻RL引起的監(jiān)測誤差，使監(jiān)測結(jié)果更精確。測得 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0C時熱電阻的電阻值風(fēng)速：其中：K為測速管標(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，然后在巡測過程中通過查表可以知道此電阻值所對應(yīng)的溫度 值。4 軟件設(shè)計該系統(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、暫時存儲、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)計中，考慮到程序的可讀 性，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性以及升級的需要，采用模塊化的設(shè)計方法，每個模塊實(shí)現(xiàn) 一定的功能，這樣模塊與模塊之問能相對獨(dú)立，使得程序結(jié)構(gòu)清晰。程序設(shè)計 主要分主程序模塊、A/ D采集模塊、鍵盤處理模塊、數(shù)據(jù)