鍋爐多路風(fēng)壓風(fēng)速監測儀的設計與應用

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)濟運行的重要條件，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)可有效避免爐內火焰中心偏移、防止爐鏜兩側溫差過(guò)大、降低能耗及提高設備的使用壽命。因此，采用科學(xué)的方法，較為精確的實(shí)時(shí)監控各噴燃器入口的風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度等參數，是工業(yè)燃煤鍋爐經(jīng)濟運行的必備前提。

在鍋爐實(shí)際運行中，由于受測量手段等諸多因素的影響，目前國內電廠(chǎng)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)管內的風(fēng)速等狀況；此外，由于在單位時(shí)間內，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(zhù)密切的關(guān)系，增加了測量難度。傳統的鍋爐參數測量多采用單通道、專(zhuān)門(mén)功能的計量?jì)x表，不能滿(mǎn)足多通道的綜合檢測、集中監控與數據比較分析的需要。本設計采用低成本的單片機和外圍監測電路，實(shí)現對工業(yè)燃煤鍋爐多通道風(fēng)壓、風(fēng)速、溫度的實(shí)時(shí)監測與顯示，并與上位機通訊，進(jìn)行數據處理、打印與存儲。

2 系統組成和工作原理

2.1 系統組成

本監測儀采用89C52單片機作為核心控制器件，按照模塊化的設計原則，將監測系統分為：CPU主控卡、通道控制、數據存儲、A／D轉換、放大電路、鍵盤(pán)及顯示等功能模塊，系統組成框圖如圖1所示。

模塊化設計的結果使監測系統結構簡(jiǎn)潔，便于維護，可靠性得到提高，而且也使系統的功能擴展成為可能，可為系統預留一定的升級空間。

2.2 工作原理

鍋爐多路風(fēng)壓、風(fēng)速在線(xiàn)監測系統的工作原理為：鍵盤(pán)／顯示模塊作為外設與CPU實(shí)現人一機信息交流；同時(shí)，CPU經(jīng)通道控制模塊選擇采集通道，對被選擇通道的數據相繼進(jìn)行信號采集、放大、A／D轉換后輸入CPU，在CPU內部經(jīng)運算、比較、數值轉換處理后輸出到鍵盤(pán)／顯示模塊，顯示所要監測的相關(guān)數據。當要求顯示風(fēng)壓大小時(shí)，直接將采集的風(fēng)壓數據經(jīng)過(guò)放大、轉換即可；當要求顯示風(fēng)速大小時(shí)，則須將采集的風(fēng)壓和溫度數據按照式(4)計算(軟件程序計算)后，送鍵盤(pán)／顯示模塊顯示相應通道及風(fēng)速。

3 硬件設計

3.1 通道選擇電路

本系統共有16路數據采集通道，表1為通道選擇真值表，可以通過(guò)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D1～D8與89C52的P1口連接，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(74LS138)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，當Y0為低電平時(shí)選擇A2芯片工作，當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)現采集通道的8選1控制，再與Q4高／低電平2個(gè)狀態(tài)結合，就可實(shí)現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轉換輸入端口不匹配，必須在A(yíng)／D轉換前加一個(gè)信號放大電路，選用超低漂移高精度運算放大器OPO7。又由于通道數較多，各通道參數的精度、量程不同，因此，監測到的信號需要根據不同的通道，選擇合適的放大倍數，更好地完成信號的放大處理，為A／D轉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(kāi)關(guān)CD4052芯片來(lái)選擇放大倍數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)現電阻R1，R2，R3，R4的切換，進(jìn)而實(shí)現改變放大倍數的目的。

放大倍數

3.3 A／D轉換電路

選用ADI公司的16位串行口的A／D轉換芯片AD7715，它使用開(kāi)關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A／D轉換過(guò)程，只有1路模擬輸入。逐次轉換各個(gè)通道數據，將轉換完的數據存儲在數據存儲器里，需要用時(shí)再取出來(lái)。該芯片具有自校準、系統校準功能，可以消除零點(diǎn)誤差、滿(mǎn)量程誤差及溫度漂移的影響。

圖4為AD7715與89CA2的連接，單片機的P2.2，P2.1，P2.0引腳分別與AD7715的SCLK、DRDY、DOUT(DIN)引腳連接。由于A(yíng)D7715的輸入與輸出不同步，所以輸入與輸出引腳接在單片機的同一個(gè)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A／D換后由DOUT輸出數字信號到單片機，而單片機運算處理過(guò)的數據則由DIN輸入給AD7715，其中AIN(+)，AIN(-)，DIN，DOUT均是串行口。MCLKIN，MCLKOUT主時(shí)鐘信號端(即晶振連接端)。

3.4 鍵盤(pán)／顯示接口電路

采用8279鍵盤(pán)顯示專(zhuān)用芯片與單片機相連。在該設計中，一共設置了6個(gè)控制鍵，6個(gè)LED數碼顯示管(前2個(gè)用來(lái)顯示被測通道號，后4個(gè)用來(lái)顯示所監測通道的具體數值)；其中6個(gè)按鍵的功能說(shuō)明如下：

“設置”鍵：通電后儀表可隨時(shí)按“設置”鍵，進(jìn)入設置狀態(tài)，輸入密碼，再次按“設置”鍵，可修改設置參數(密碼錯誤時(shí)，按設置鍵將返回監測狀態(tài))，當該參數項不需要修改時(shí)，可直接按“設置”鍵，進(jìn)入下一個(gè)參數的設定。

“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和循環(huán)顯示各通道參數兩種方式間來(lái)回切換。如原來(lái)為定點(diǎn)方式，按“定點(diǎn)”鍵，將變?yōu)檠h(huán)顯示方式；如原來(lái)為循環(huán)方式，按“定點(diǎn)”鍵，將變?yōu)槎c(diǎn)顯示方式。

“∨”、“∧”鍵：設置數據采集通道。在循環(huán)顯示方式時(shí)，按上下鍵無(wú)效，在定點(diǎn)方式時(shí)，通道號分別加減1。

“切換”鍵：可使顯示內容為風(fēng)速、風(fēng)壓顯示兩個(gè)參數中的一種，如原來(lái)顯示風(fēng)速，按“切換”鍵，數碼顯示管將顯示風(fēng)壓值。

“復位”鍵：將外部512 B RAM中的數據傳送給上位PC機，并存儲數據以及數據打印。

3.5 可編程看門(mén)狗監控E2PROM X25045電路

89C52單片機有8 kB內部程序存儲器空間，256 B內部數據存儲器空間。系統的程序量不大，8 kB內部程序存儲器空間可以滿(mǎn)足系統的設計要求，無(wú)需外擴程序存儲器；多通道數據采集系統是一個(gè)數據頻繁、數據量比較大的系統，256 B內部數據存儲器空間達不到要求，需要外擴效據存儲器來(lái)保存和處理采集的數據。

采用串行E2PROM器件X25045芯片作為外部數據存儲器。其主要特點(diǎn)為：利用低VCC檢測電路，可以保護系統使之免受低電壓狀況的影響；存儲器部分是CMOS的串行E2PROM，內部按5128組織，10萬(wàn)次寫(xiě)人次數，100年數據儲存；看門(mén)狗定時(shí)器對單片機提供了獨立的保護系統。圖5是X25045與單片機的連接圖。在整個(gè)工作期內，片選CS端為低電平；WP端為高電平時(shí)，所有寫(xiě)保護功能正常。SCK，SI，SO分別接單片機的P2.4，P2.5，P2.6。其中SCK串行時(shí)鐘輸入，上升沿寫(xiě)入數據或命令，下降沿輸出數據；SI串行輸入，由此引腳逐位寫(xiě)入數據或命令；SO串行輸出，由此引腳逐位輸出數據。

3.6 檢測電路

該系統需要監測風(fēng)壓與風(fēng)速2個(gè)參數，而風(fēng)速是有風(fēng)壓與溫度計算得到的，計算公式見(jiàn)式(4)。

在風(fēng)壓監測時(shí)，將采集到的電流信號通過(guò)電阻轉變成電壓信號，電壓大小等于該電阻上的電壓，得到的電壓信號通過(guò)放大器放大，輸入到A／D轉換器，轉換成二進(jìn)制的數字信號，再根據存儲在RAM中的數據查找到相應的壓力即可得到相對的壓力大小。

在溫度監測時(shí)，見(jiàn)圖6，采用熱電阻的三線(xiàn)接法來(lái)監測溫度，這樣可以消除導線(xiàn)電阻RL引起的監測誤差，使監測結果更精確。測得Rt如下：

其中V3，R1，V0都為已知數，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為測速管標定系數；P為風(fēng)壓；t為熱風(fēng)溫度。

在實(shí)際應用中，事先將溫度平均分成很多段，用中值法算出每段中點(diǎn)對應的溫度值，然后根據這些點(diǎn)描出電阻一溫度的曲線(xiàn)，通過(guò)軟件部分制成表，放入單片機的RAM中，然后在巡測過(guò)程中通過(guò)查表可以知道此電阻值所對應的溫度值。

4 軟件設計

該系統用單片機內部RAM及其中斷系統實(shí)現多路數據采集、暫時(shí)存儲、數據處理、數據顯示以及其他的輔助功能。在系統的軟件設計中，考慮到程序的可讀性，系統的可擴展性以及升級的需要，采用模塊化的設計方法，每個(gè)模塊實(shí)現一定的功能，這樣模塊與模塊之問(wèn)能相對獨立，使得程序結構清晰。程序設計主要分主程序模塊、A／D采集模塊、鍵盤(pán)處理模塊、數據處理模塊、存儲顯示模塊等幾個(gè)部分。

圖7為主程序模塊的流程圖。

5 結 語(yǔ)

該設計以低成本集成單片機為核心，組成軟件與硬件相結合，數字技術(shù)與模擬技術(shù)相結合的系統，對工業(yè)環(huán)境中多通道的溫度、風(fēng)壓、風(fēng)速等參數進(jìn)行實(shí)時(shí)監測、顯示，在需要打印的時(shí)候還可以打印出需要的數據。該系統結構合理、操作方便、性能可靠、運行穩定，經(jīng)實(shí)際應用的證明能夠滿(mǎn)足工業(yè)燃煤鍋爐多路風(fēng)壓、風(fēng)速、溫度的檢測工藝需要。