中石化上海研究院南化分院 靖 靜

應用于廢酸裂解的氧量分析儀的仿真設計

中石化上海研究院南化分院 靖 靜

介紹了一種應用于廢酸裂解的基于單片機的氧量分析儀的仿真系統(tǒng)設計,描述了系統(tǒng)的工作原理及功能,給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、硬件組成和軟件仿真設計情況.

roteus仿真;氧量分析儀

1 引言

氧化鋯氧量分析儀的用途非常廣泛,可以測量燃燒煙氣的氧含量,也可以測量非燃燒氣體的氧含量.傳感器在恒定溫度下,依據(jù)氧濃差電池原理得到一個毫伏電壓信號,可以計算出煙氣中的氧濃度.氧化鋯氧量分析儀可用于氣氛控制,精確控制工藝生產(chǎn)過程,適用于爐氣氣氛極端復雜的硫酸生產(chǎn)裝置和廢酸裂解爐及其它工業(yè)鍋爐生產(chǎn)裝置上.

2 氧傳感器原理

氧傳感器依據(jù)濃差電池原理構(gòu)成,和其它電池一樣,它具有兩個半電池,而在兩電極之間,用固體電介質(zhì)氧化鋯聯(lián)結(jié).利用氧化觸媒的作用,當氧離子發(fā)生移動時即會產(chǎn)生電動勢,而電動勢的大小是依氧化鋯兩側(cè)的鉑金所接觸到的氧而決定的,內(nèi)層鉑金面與大氣接觸,所以氧氣濃度高,外層鉑金與檢測氣接觸,氧氣濃度較低.在高溫條件下,鋯管內(nèi)外側(cè)氧含量不一樣,當氧化鋯兩側(cè)有氧濃度差時,就形成了氧濃差電池,在鋯管兩鉑電極間產(chǎn)生電壓.電池電動勢的大小可根據(jù)奈恩思特(Nernst)公式計算[1],即:E=(RT/nF)Ln(P″/P′), E為氧濃差電池輸出(mV),n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)(4),R為理想氣體常數(shù)(8.314 W.S/mol),F為法拉第常數(shù)(96500 C),T為電池的熱力學溫度(K),P″為高濃側(cè)氧分壓;P′為低濃側(cè)氧分壓.當工作溫度達到700℃并恒定不變時,上式經(jīng)過計算得到:E=48.261lg(P″/P′) ,如果高濃側(cè)氧含量P″是已知的,測得E值后便可求出待測氣體的氧含量P′值.因此在溫度達到700℃時,高濃側(cè)氧含量為空氣(20.6%) 時,根據(jù)氧濃差電池輸出電動勢E,就可以計算出低濃側(cè)氧分壓,這就是氧化鋯氧量分析儀的測氧原理.

當參比氣氧濃度為20.6%,溫度為700℃時 ,氧勢(mV)氧量(%)對照值如表1所示.

表1 氧量氧勢對照表

3 氧量檢測器結(jié)構(gòu)

氧量檢測器由防塵裝置、氧化鋯管、加熱電爐、測溫熱電偶、接線盒以及殼體等主要部件組成.整個裝置采用全封閉型結(jié)構(gòu),以增加整個裝置的密封性能,提高使用壽命.

氧量檢測器的核心部件是鋯管,將氧化鋯燒結(jié)成管狀,制成鋯管胚,用耐高溫密封膠將鋯管胚和耐熱合金鋼鋯管座粘結(jié)在一起,用鉑膏在分別涂抹在氧化鋯管頂端內(nèi)外層形成內(nèi)外電極,在內(nèi)電極處涂上氧化物保護層,內(nèi)電極接有鉑電極引線.鉑電極的特性和氧化鋯界面的狀況對氧化鋯氧量檢測器的性能影響很大. 因此,在涂制電極時利用高溫將懸浮于鉑漿中的膠體鉑沉積于氧化鋯表面,產(chǎn)生的鉑晶粒較大,能夠產(chǎn)生有較強的粘結(jié)力.

加熱電爐的作用是提供氧化鋯元件正常工作所需的溫度,為延長加熱電爐的壽命,在電爐結(jié)構(gòu)上有一些特殊處理.氧化鋯氧量檢測器的電爐裝置包括電爐外殼、爐管、套管、陶瓷壓蓋、密封圈、支撐桿和陶瓷接線柱.通過控制電阻絲兩端電壓的占空比,來控制電阻絲的輸出平均功率,從而實現(xiàn)對電加熱爐溫度的自動控制.

4 單片機信號處理系統(tǒng)

常見的單片機系統(tǒng)開發(fā)模式是先用面包板搭建實驗電路,再試制電路板焊接電子元件,當硬件電路無誤后,再開發(fā)相應的軟件程序,下載至單片機中,進行軟件編制、修改和調(diào)試,開發(fā)周期比較長.為了節(jié)約開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期,可以采用電子電路仿真軟件對硬件部分進行仿真調(diào)試,常用的仿真軟件有Multisim和Proteus,Multisim側(cè)重于電子電路仿真,Proteus則主要用于單片機仿真.

Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與仿真軟件,具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能,有各種虛擬儀器,如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等[2].能夠支持主流單片機系統(tǒng)的仿真,并提供軟件調(diào)試功能.在硬件仿真系統(tǒng)中可以進行全速、單步、設置斷點等調(diào)試,并同時觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài),與硬件仿真器的功能是一樣的.Proteus可以支持第三方軟件編譯和調(diào)試,如Keil等軟件.本系統(tǒng)使用Proteus軟件對氧化鋯氧量分析儀的軟硬件設計進行系統(tǒng)仿真.

4.1 溫度檢測電路

本系統(tǒng)采用的K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶,K型熱電偶輸出毫伏電壓信號,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)送給單片機.常用的溫度檢測電路需要經(jīng)過信號濾波、放大、補償、A/D轉(zhuǎn)換才能發(fā)送給單片機,線路比較復雜,采用高精度集成芯片MAX6675來進行熱電偶電勢和溫度的轉(zhuǎn)換,外圍電路簡單,精度高,降低了成本.

4.2 信號調(diào)理電路

來自氧量檢測器的模擬氧勢信號為毫伏信號,需要經(jīng)過濾波、放大,濾波電路分為有源濾波和無源濾波,無源濾波器對波形濾波后,波形的幅值會損失,不能將幅值放大.有源濾波器,如2階VCVS巴特沃斯,低通濾波器采用巴特沃斯濾波器,它具有較平坦的幅頻特性,相頻特性線性較好,常作為濾波器的初級.濾波器階數(shù)越高,越接近理想濾波器,濾波效率就越高,特性越好.

電壓信號放大采用同相比例放大電路,同相比例放大電路具有輸入電阻高,輸出電阻低,帶負載能力強的特點.電路中運放的同相輸入端接信號Ui,反向輸入端通過電阻 R1接地,Uo與Ui同相,根據(jù)"虛短"和"虛斷"Uo=(1+Rf/R1)V-=(1+Rf/R1)Ui.

在PROTEUS軟件中對濾波、放大電路進行仿真,可以測得放大后的電壓值及各點的電壓波形.本系統(tǒng)中將電壓放大了16倍.放大后的電壓經(jīng)電阻分壓衰減為1/2.

放大后的信號為模擬信號,無法直接送進單片機,需要將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,可以采用A/D轉(zhuǎn)換芯片,如AD7705,也可以采用V/F轉(zhuǎn)換芯片,如LM331.

本系統(tǒng)中采用LM331進行V/F轉(zhuǎn)換,將電壓信號調(diào)制成0-25KHz頻率信號,經(jīng)光電隔離后送至單片機控制系統(tǒng).采用頻率信號能將輸入、輸出相互隔離,消除了各種隨機情況所引起的干擾,克服了高共模電壓,有效提高了儀器的抗干擾能力.

4.3 控制電路設計

控制電路包括:獨立按鍵模塊、液晶顯示模塊、存儲模塊、計時模塊、看門狗模塊.主控芯片采用AT89C55WD,按鍵選擇4位獨立按鍵,液晶顯示器選擇HG160128單色液晶顯示器,點陣是160X128,內(nèi)部控制器為T6963C,可以圖形方式、文本方式及圖形和文本合成方式進行顯示.數(shù)據(jù)存儲器選用AT24C512,具有總線容量達512Kbit的EEPROM,10萬次擦寫周期,數(shù)據(jù)可保存40年,有寫保護功能.選用DS1302時鐘芯片,使用外部 32.768 kHz晶振,串行工作方式.看門狗芯片選用X5045,X5045是一種看門狗電路,用于當系統(tǒng)發(fā)生故障而死機時將系統(tǒng)復位,提高了系統(tǒng)的可靠性,還具備串行EEPROM和電壓監(jiān)控功能[2].

5 軟件設計

單片機開發(fā)中除必要的硬件外,同樣離不開軟件,本系統(tǒng)使用Keil軟件進行編譯.

Keil軟件是一款流行的開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件.在Keil軟件中,提供了C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和仿真調(diào)試器等工具,是一個功能強大的集成開發(fā)環(huán)境,能夠支持c語言和匯編語言.

本系統(tǒng)的軟件可以實現(xiàn)參數(shù)調(diào)校、時間調(diào)校、時間調(diào)校、歷史曲線、曲線設定、氧勢調(diào)校、溫度調(diào)校等功能.程序分為主程序模塊和子程序模塊.子程序模塊有顯示模塊、按鍵模塊、參數(shù)計算模塊、歷史曲線模塊、各芯片子程序模塊、字符集模塊等.軟件程序流程如圖1所示.

圖1 軟件流程圖

通過面板上四個按鍵的綜合設置實現(xiàn)各個模塊間的切換,四個按鍵分別為功能鍵、切換鍵、增加鍵、減小鍵.

上機通電后,儀器直接進入開機界面,顯示出廠信息,5秒后進入測量主界面,顯示當前瞬時氧量值,當前時間,當前溫度,當前氧勢,以及實時曲線.在測量界面按"確認鍵"約5秒后進入?yún)?shù)界面.進入?yún)?shù)界面后,通過"切換鍵"和"確認鍵"選擇進入其他界面,主界面如圖2所示.

圖2 軟件主界面

儀器從開機界面進入主界面后,處于程序自動升溫狀態(tài),儀器的工作狀態(tài)處顯示W(wǎng)ait,當溫度升到鋯管活性測量范圍內(nèi)(550-750℃)時,工作狀態(tài)處顯示Ok,此時氧量顯示數(shù)值即為鋯管測得的準確值.正常情況下儀器升溫會恒定在700℃.

6 Proteus與Keii的聯(lián)合調(diào)試

Proteus與Keii的聯(lián)合調(diào)試微處理器的程序代碼部分需要在Keil中編寫編譯成功后,需設置options for target之中的output,選擇create HEX File,這樣編譯運行后才會出現(xiàn)hex文件[3].選擇Debug下的Proteus VSM Monitor51 Driver,選中use前面的小圓點,設置后面的settings進行本機聯(lián)調(diào),host后面寫172.0.0.1,port后面寫8000,然后確定.運行Proteus,選擇Debug菜單下的use romote debuger monitor,將生成hex文件在Proteus中加載到單片機里,就可以在keil中實現(xiàn)對protues的控制了,進行斷點調(diào)試、單步調(diào)試等都是可以的,這樣實現(xiàn)系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試,如圖3所示.

圖3 Proteus與Keii的聯(lián)合調(diào)試

7 結(jié)束語

通過實踐表明,利用Proteus和Keil軟件聯(lián)調(diào)的方式對單片機系統(tǒng)進行設計,Proteus將電路仿真和單片機仿真同時進行,直觀地在虛擬的原理圖上與軟件聯(lián)調(diào),實現(xiàn)了單片機的軟硬件調(diào)試,并驗證硬件的功能和軟件的效果.在項目開發(fā)初期,可以同時進行硬件電路和軟件編程設計,不必等到硬件電路調(diào)試成功后再進行軟件設計調(diào)試,提高了軟硬件開發(fā)效率,降低了成本,減少了開發(fā)的時間周期.

基于Proteus和Keil的氧量分析儀的仿真設計為今后硬件電路修改、軟件升級、調(diào)試,驗證電路可行性,擴展產(chǎn)品功能,提供了快速有效的方法.

[1]吳建平.傳感器原理及應用[M].機械工業(yè)出版社,2016.

[2]張毅剛.單片機原理及應用[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社,2008.

[3]陳忠平.基于Proteus的51系列單片機設計與仿真[M].電子工業(yè)出版社,2015.

靖靜(1981-),女,江蘇南京人,大學本科,工程師,主要研究方向:儀表自動化.