摘 要：介紹燃煤鍋爐多路風壓風速數(shù)字監(jiān)測儀，該儀表是以微處理器89C52單片機為核心的多路信號數(shù)字采集監(jiān)測系統(tǒng)。儀表外部接口通過熱電阻、差壓儀表進行溫度、壓力檢測，實現(xiàn)對工業(yè)燃煤鍋爐多路風壓、風速、溫度的實時采集、實時測量、顯示與報警。熱電阻接成三線制形式，消除阻值漂移和導線電阻的影響，實現(xiàn)阻抗自動補償。輸出的電流信號經(jīng)模擬開關進行采樣，并轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)信號放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器，最后通過CPU處理后，輸出風速、風壓、相應通道編號等。

關鍵詞：燃煤鍋爐；多路監(jiān)測；風壓；風速；數(shù)字儀表

Application and Design of Measuring Breeze Press and Speed with Various Channels for Boiler

YANG Fei，HUI Jing

(Institute of Electric Automation，Jiangnan University，Wuxi，214122，China

Abstract：The application and design of measuring breeze press and speed with various channels in coal-burning boiler are introduced mainly in this paper.Microprocessor 89C52 is the core of the meter，which makes a part of the multi-channel signal and data acquisition system.It measures the temperature and pressure with the help of resistance thermometer sensor and differential manometer，which realizes real-time collection，measurement，display and warning of the multi-channel wind pressure，wind speed and temperature of the industrial boiler.Resistance thermometer sensor connected in the form of three wire systems can eliminate the effect of resistance drift and resistance of wire，and make the automatic compensator of impedance come true.Output current is transformed into voltage signal via sampled by analog switch.Then，the amplified voltage signal is carried to A/D.Finally，it shows the wind speed，wind pressure and channel number after the processing of CPU.

eywords：coal-burning boiler;various channels measure;breeze press;wind velocity;digital meter

1 引 言

風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(nèi)火焰中心偏移、防止爐鏜兩側(cè)溫差過大、降低能耗及提高設備的使用壽命。因此，采用科學的方法，較為精確的實時監(jiān)控各噴燃器入口的風速、風壓、溫度等參數(shù)，是工業(yè)燃煤鍋爐經(jīng)濟運行的必備前提。

在鍋爐實際運行中，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、二次風管內(nèi)的風速等狀況；此外，由于在單位時間內(nèi)，進入噴燃器的風量不僅取決于壓力，還與風速、溫度有著密切的關系，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。本設計采用低成本的單片機和外圍監(jiān)測電路，實現(xiàn)對工業(yè)燃煤鍋爐多通道風壓、風速、溫度的實時監(jiān)測與顯示，并與上位機通訊，進行數(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單片機作為核心控制器件，按照模塊化的設計原則，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。

模塊化設計的結(jié)果使監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構簡潔，便于維護，可靠性得到提高，而且也使系統(tǒng)的功能擴展成為可能，可為系統(tǒng)預留一定的升級空間。

2.2 工作原理

鍋爐多路風壓、風速在線監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理為：鍵盤／顯示模塊作為外設與CPU實現(xiàn)人－機信息交流；同時，CPU經(jīng)通道控制模塊選擇采集通道，對被選擇通道的數(shù)據(jù)相繼進行信號采集、放大、A/D轉(zhuǎn)換后輸入CPU，在CPU內(nèi)部經(jīng)運算、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)測的相關數(shù)據(jù)。當要求顯示風壓大小時，直接將采集的風壓數(shù)據(jù)經(jīng)過放大、轉(zhuǎn)換即可；當要求顯示風速大小時，則須將采集的風壓和溫度數(shù)據(jù)按照式(4計算(軟件程序計算后，送鍵盤/顯示模塊顯示相應通道及風速。

3 硬件設計

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)（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個通道，其中：Q4，Q5，Q6分別與A1 (74LS138 的A、B、C腳相連；定義A1的輸出口Y0，Y1為A₂或A₃的片選控制信號，當Y0為低電平時選擇A₂芯片工作，當Y1為低點平時選擇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算放大器OP07。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CD4052芯片來選擇放大倍數(shù)_i。用圖2中的74LS273的Q7，Q8輸出端口控制CD4052芯片，選擇X0，X1，X2，X3，實現(xiàn)電阻，R1，R₂，R₃，R4，的切換，進而實現(xiàn)改變放大倍數(shù)的目的。

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，它使用開關電容逐次逼近技術完成A/D轉(zhuǎn)換過程，只有1路模擬輸入^［1］。逐次轉(zhuǎn)換各個通道數(shù)據(jù)，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、系統(tǒng)校準功能，可以消除零點誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響。

圖4為AD7715與89C52的連接，單片機的P2.2，P2.1，P2.0引腳分別與AD7715的SCL、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的同一個引腳P2.0上^［2］。AD7715的片選信號（CS）直接接地，模擬信號由AIN（+）引腳進入，經(jīng)轉(zhuǎn)A/D換后由DOUT輸出數(shù)字信號到單片機，而單片機運算處理過的數(shù)據(jù)則由DIN輸入給AD7715，其中AIN（+），AIN（-），DIN，DOUT均是串行口。MCLIN，MCLOUT主時鐘信號端（即晶振連接端）。

采用8279鍵盤顯示專用芯片與單片機相連。在該設計中，一共設置了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：

“設置”鍵：通電后儀表可隨時按“設置”鍵，進入設置狀態(tài)，輸入密碼，再次按“設置”鍵，可修改設置參數(shù)（密碼錯誤時，按設置鍵將返回監(jiān)測狀態(tài)），當該參數(shù)項不需要修改時，可直接按“設置”鍵，進入下一個參數(shù)的設定。 

“定點”鍵：按“定點”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。如原來為定點方式，按“定點”鍵，將變?yōu)檠h(huán)顯示方式；如原來為循環(huán)方式，按“定點”鍵，將變?yōu)槎c顯示方式。

“∨” 、“∧”鍵：設置數(shù)據(jù)采集通道。在循環(huán)顯示方式時，按上下鍵無效，在定點方式時，通道號分別加減1。

“切換”鍵：可使顯示內(nèi)容為風速、風壓顯示兩個參數(shù)中的一種，如原來顯示風速，按“切換”鍵，數(shù)碼顯示管將顯示風壓值。 

“復位”鍵：將外部512 B RAM中的數(shù)據(jù)傳送給上位PC 機，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E2PROM X25045電路

89C52單片機有8 kB內(nèi)部程序存儲器空間，256 B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)部程序存儲器空間可以滿足系統(tǒng)的設計要求，無需外擴程序存儲器；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)存儲器空間達不到要求，需要外擴數(shù)據(jù)存儲器來保存和處理采集的數(shù)據(jù)。

采用串行E2PROM器件X25045芯片作為外部數(shù)據(jù)存儲器。其主要特點為：利用低VCC檢測電路，可以保護系統(tǒng)使之免受低電壓狀況的影響；存儲器部分是CMOS的串行E2PROM，內(nèi)部按512×8組織，10萬次寫入次數(shù)，100年數(shù)據(jù)儲存^［3］；看門狗定時器對單片機提供了獨立的保護系統(tǒng)。圖5是X25045與單片機的連接圖。在整個工作期內(nèi)，片選CS端為低電平；WP端為高電平時，所有寫保護功能正常。SC，SI，SO分別接單片機的P2.4，P2.5，P2.6。其中SC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)測風壓與風速2個參數(shù)，而風速是有風壓與溫度計算得到的，計算公式見式（4）。

在風壓監(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A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成二進制的數(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監(jiān)測溫度^［4］，這樣可以消除導線電在實際應用中，事先將溫度平均分成很多段，用中值法算出每段中點對應的溫度值，然后根據(jù)這些點描出電阻-溫度的曲線，通過軟件部分制成表，放入單片機的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的溫度值。

4 軟件設計

該系統(tǒng)用單片機內(nèi)部 RAM及其中斷系統(tǒng)實現(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)的軟件設計中，考慮到程序的可讀性，系統(tǒng)的可擴展性以及升級的需要，采用模塊化的設計方法，每個模塊實現(xiàn)一定的功能，這樣模塊與模塊之間能相對獨立，使得程序結(jié)構清晰。程序設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)處理模塊、存儲顯示模塊等幾個部分。[LL]圖7為主程序模塊的流程圖。

5 結(jié) 語

該設計以低成本集成單片機為核心，組成軟件與硬件相結(jié)合，數(shù)字技術與模擬技術相結(jié)合的系統(tǒng)，對工業(yè)環(huán)境中多通道的溫度、風壓、風速等參數(shù)進行實時監(jiān)測、顯示，在需要打印的時候還可以打印出需要的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)結(jié)構合理、操作方便、性能可靠、運行穩(wěn)定，經(jīng)實際應用的證明能夠滿足工業(yè)燃煤鍋爐多路風壓、風速、溫度的檢測工藝需要。

參 考 文 獻

［1］孫海，孟祥，鄧學偉．AD7715模/數(shù)轉(zhuǎn)換器在小信號監(jiān)測中的應用［J］．測控技術，2003（22）：66-68． ［2］Analog Devices inc.16-Bit sigma-delta ADC AD7715 ［EB/OL］.http://www.anlog.com，2000.

［3］龍可微．X25045芯片及其應用［J］．電子技術應用，1999（9）： 70-72．

［4］劉振全，王漢芝．金屬熱電阻傳感器在多路溫度監(jiān)控系統(tǒng)中的應用［J］．傳感器世界，2006（12）：26-27．