摘 要：根據(jù)對(duì)海水預(yù)處理模塊控制要求的分析研究，提出設(shè)計(jì)一套能同時(shí)調(diào)節(jié)海水溫度和流量的預(yù)處理模塊控制器，該控制器使用Cygnal 公司8位微處理器C8051F020作為主芯片，并給出了測(cè)控模塊軟、硬件設(shè)計(jì)方案，該控制器已經(jīng)在海水預(yù)處理模塊上試驗(yàn)成功。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制器設(shè)計(jì)穩(wěn)定，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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關(guān)鍵詞：預(yù)處理; 死區(qū); 調(diào)理模塊; 海水淡化

中圖分類號(hào)：

TN911.7-34; TP237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2012)05

-0121

-03

Measurement and control system for pretreatment module of seawater based on C8051F020

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LI Li-ping， YI Bin， LIU Zhang-chao， CHU Wan-xiu

(shanghai 711 Research Institute， Shanghai 200090， China)

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Abstract：

A pretreatment module controller for adjusting the seawater temperature and flow simultaneously was designed by analyzing the requirement on pretreatment module of seawater. C8051f020 of Cgynal Corporation was used as main chip of the controller， the software and hardware design scheme was proposed. The controller has been used for the pretreatment module of seawater successfully， the results of experiment indicate the controller steady in running and is of great engineering application value.

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Keywords： pretreatment; deadzone; adjustment; seawater desalt

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收稿日期：2011-10-13

0 引 言

在對(duì)海水淡化裝置實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)，裝置實(shí)際工作參數(shù)一般不同于設(shè)計(jì)工作參數(shù)，使得裝置無法發(fā)揮原設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程特點(diǎn)，性能不佳；這種情況是由于實(shí)際進(jìn)入裝置的海水溫度很難與設(shè)計(jì)溫度一致造成的。此類現(xiàn)象對(duì)于海島用海水淡化裝置影響尤其明顯：由于其特殊使用環(huán)境和條件，在不同季節(jié)和海域，海水入口溫度變化很大，造成裝置運(yùn)行不穩(wěn)定，產(chǎn)水量不足、水質(zhì)下降嚴(yán)重，甚至不能工作。

為克服此類問題，本項(xiàng)目開展了海水進(jìn)口調(diào)節(jié)模塊設(shè)計(jì)技術(shù)研究，使控制器具有海水進(jìn)口溫度、流量的調(diào)節(jié)作用，始終保證進(jìn)入裝置的海水進(jìn)口溫度在設(shè)定值，使得裝置的流程參數(shù)在不斷變化的外界環(huán)境條件下保持在設(shè)定工況參數(shù)不變，從而保證淡水產(chǎn)量和水質(zhì)，也使得裝置易于控制和維護(hù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)系統(tǒng)要求分析，設(shè)計(jì)出海水預(yù)處理系統(tǒng)(如圖1中虛線框內(nèi))，將進(jìn)入海水淡化裝置的海水與裝置排出的濃海水進(jìn)行預(yù)混合，利用濃海水的余熱，控制海水原水和濃海水比例，將進(jìn)淡化裝置水混合成系統(tǒng)需要溫度和流量的海水。

從系統(tǒng)圖可以看出，進(jìn)入海水淡化裝置進(jìn)水量(Q)應(yīng)保持恒定，控制關(guān)鍵在于管路上的兩個(gè)線性閥調(diào)節(jié)的控制，它用于調(diào)節(jié)進(jìn)入混合器的海水(Q1)與濃海水(Q2)的比例，由于進(jìn)入海水溫度隨時(shí)變化，所以調(diào)節(jié)器應(yīng)該是隨動(dòng)系統(tǒng)。

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

控制器分為硬件部分和軟件部分，硬件部分又分為：電源模塊、處理器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A輸出及放大模塊、溫度調(diào)理模塊以及通信模塊，整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

電源模塊主要是為系統(tǒng)處理器供電，并為傳感器和D/A輸出提供隔離的電源；處理器模塊是系統(tǒng)的控制核心，采用美國(guó)Cgynal公司開發(fā)的基于8051內(nèi)核的C8051F020，C8051FXXX系列單片機(jī)是完全繼承的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)，具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。它在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件。它把原來8051系統(tǒng)中斷源由7個(gè)擴(kuò)展到了22個(gè)，中斷系統(tǒng)需要更少的MCU干預(yù)，內(nèi)部集成了能獨(dú)立工作的時(shí)鐘發(fā)生器，以及A/D轉(zhuǎn)換器、D/A輸出、SPI總線接口、5個(gè)16 b定時(shí)器、多達(dá)64個(gè)可編程I/O端口。

C8051F020內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換模塊，此模塊用于將各路傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，本控制系統(tǒng)中主要是對(duì)海水流量和線性調(diào)節(jié)閥的位置進(jìn)行測(cè)量，海水流量輸出的是4~20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(Flow1，F(xiàn)low2)，通過采樣電阻R13和R16轉(zhuǎn)換成1~5 V電壓信號(hào)后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，而線性調(diào)節(jié)閥位置反饋直接決定了進(jìn)入混合器的濃海水和海水的混合比例，其輸出信號(hào)為電壓信號(hào)，直接經(jīng)過濾波后進(jìn)入MCU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。流量采集模塊原理如圖3所示。

線性調(diào)節(jié)閥用于控制海水和濃海水進(jìn)入混合器的比例，其開度與輸入控制電壓(0~10 V)成線性關(guān)系，MCU通過SPI總線與芯片LTC2622互連，LTC2622將MCU輸出數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)(0~2 V)后控制線性調(diào)節(jié)閥，采用SPI總線連接數(shù)模信號(hào)可以避免信號(hào)間的串?dāng)_，而LTC2622輸出電壓信號(hào)(0~2 V)需要經(jīng)過LM258放大5倍后連接到線性調(diào)節(jié)閥的輸入端。D/A輸出轉(zhuǎn)換模塊原理圖如圖4所示。

海水淡化裝置要求經(jīng)過混合起后的海水溫度為一個(gè)定值，為了滿足溫度要求，必須準(zhǔn)確測(cè)量入口及出口處的海水溫度，溫度調(diào)理模塊主要是對(duì)PT100信號(hào)進(jìn)行調(diào)理并輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)到MCU，本控制器選用XTR105作為溫度調(diào)理模塊，該芯片是美國(guó)BURR-BROWN公司生產(chǎn)的專用于溫度檢測(cè)系統(tǒng)中的溫度-電流變送器，它可以將電阻溫度變送器中的電阻值隨溫度的變化量轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，該電流值僅與RTD阻值有關(guān)，而與線路電阻無關(guān)，不僅可以消除線路電阻所產(chǎn)生的誤差，而且可以對(duì)鉑熱電阻中的溫度二次項(xiàng)進(jìn)行線性補(bǔ)償，提高溫度檢測(cè)系統(tǒng)的線性度和精度，詳細(xì)的溫度測(cè)量模塊如圖5所示。

通信模塊將設(shè)定流量和溫度傳輸?shù)娇刂破?，并?shí)時(shí)顯示預(yù)處理模塊各個(gè)參數(shù)。本控制器采用通用RS 232接口直接與PC互連。

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為主流程和多個(gè)子流程，主流程主要是對(duì)各路傳感器信號(hào)進(jìn)行循環(huán)轉(zhuǎn)換采集分析，并對(duì)采集到的實(shí)際值與理論值進(jìn)行比較，然后反饋到兩路線性調(diào)節(jié)閥的開度上，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須滿足溫度和流量?jī)蓚€(gè)設(shè)計(jì)值，所以在控制策略上分為兩個(gè)流程分別對(duì)溫度和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)于溫度誤差允許的死區(qū)范圍為±0.5 ℃，流量誤差為±0.1 L。如果系統(tǒng)溫度和流量在死區(qū)范圍內(nèi)，不進(jìn)行調(diào)節(jié)，只計(jì)算理論與實(shí)際值誤差，超出誤差范圍后進(jìn)行分段調(diào)節(jié)，即在調(diào)節(jié)過程中不斷比較，一旦滿足調(diào)節(jié)立刻停止。采用這種調(diào)節(jié)方式可以使系統(tǒng)很快收斂，具體系統(tǒng)主流程圖如圖6所示。

線性調(diào)節(jié)閥是采用模擬信號(hào)進(jìn)行控制的，本控制器采用了帶SPI總線的D/A輸出模塊LTC2622，C8051F020內(nèi)部集成SPI總線接口，進(jìn)行硬件連接后，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的初始化配置后即可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

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圖6 系統(tǒng)主流程圖

SPI總線發(fā)送數(shù)據(jù)程序如下：

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CS=0;

Delay();

do

{

SCK=0;

Delay();

if(dax10x80)SDI=1;

else SDI=0;

Delay();

SCK=1;

Delay();

dax1<<=1;

count--;

}while(count);



控制系統(tǒng)對(duì)各路傳感器的采集應(yīng)該是實(shí)時(shí)的，本控制器模擬量通道數(shù)為7路，而C8051F020本身自帶的A/D轉(zhuǎn)換通道為16路，其中8路為12位采集精度，對(duì)每組轉(zhuǎn)換值取算術(shù)平均，完全滿足控制器的要求，采用定時(shí)器定時(shí)溢出觸發(fā)方式啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)初始化完成就一直處于轉(zhuǎn)換運(yùn)行狀態(tài)。

A/D轉(zhuǎn)換子程序如下：



static unsigned char channel = 0;

static unsigned char int_five = INT_FIVE;

static long total = 0;

AD0INT = 0;

total += ADC0;

int_five--;

if(int_five==0)

{

int_five = INT_FIVE;

Ad［channel］ = total/INT_FIVE;

total = 0;

channel++;

if(channel == 7)channel = 0;

AMX0SL = channel;

}



4 控制器試驗(yàn)

為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)可行性，按照系統(tǒng)圖1設(shè)計(jì)一套預(yù)處理裝置，分別在海水入口、混合器出口以及濃海水排出口安裝PT100溫度傳感器，在混合器出口和濃海水出口處安裝流量傳感器，而海水進(jìn)口流量則為兩者之差。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩項(xiàng)試驗(yàn)用于驗(yàn)證裝置的可控性。

試驗(yàn)1：

進(jìn)入模塊的海水溫度T1變化，模塊可自動(dòng)調(diào)節(jié)到期望的參數(shù)值，即混合后(出模塊、進(jìn)入海水淡化裝置)的模塊出水溫度和流量可控。

試驗(yàn)2：

進(jìn)入模塊的海水保持溫度T1不變，模塊出水可按設(shè)定值輸出，滿足海水淡化裝置變負(fù)荷要求(不同進(jìn)水流量)。

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兩項(xiàng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)見表1。



上述兩項(xiàng)試驗(yàn)說明：無論外界海水溫度是否穩(wěn)定，模塊總能將海水調(diào)節(jié)至所需的溫度和流量值，滿足海水淡化裝置設(shè)計(jì)點(diǎn)需求。

5 結(jié) 論

本文介紹了Cygnal C8051F020單片機(jī)在海水淡化裝置海水預(yù)處理上的應(yīng)用，開發(fā)出一種預(yù)處理控制器，用實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證。該控制器充分利用了C8051F020的內(nèi)部資源，不但大大縮短了項(xiàng)目開發(fā)周期，而且減少了外擴(kuò)單元，降低了項(xiàng)目成本。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］潘琢金，施國(guó)君.C8051Fxxx高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

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［2］何立民.MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1990.

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［3］中國(guó)集成電路編寫委員會(huì).CMOS集成電路［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1985.

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［4］譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教程［M］.北京：高等教育出版社，1992.

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［5］馬忠梅，馬巖.單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1997.

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［6］謝瑞和.串行技術(shù)大全［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

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作者簡(jiǎn)介：

李利平 男，1979年出生，工程師，碩士研究生?，F(xiàn)主要從事機(jī)艙自動(dòng)化研究工作。