锅炉多路风压风速监测仪的设计与应用.

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1、锅炉多路风压风速监测仪的设计与应用1 引言风量和煤粉的均匀分配是保障工业燃煤锅炉安全和经济运行的重要条件，也是保证煤粉充分燃烧的决定性因素。锅炉良好的燃烧状态可有效避免炉内火焰中心偏移、防止炉镗两侧温差过大、降低能耗及提高设备的使用寿命。因此，采用科学的方法，较为精确的实时监控各喷燃器入口的风速、风压、温度等参数，是工业燃煤锅炉经济运行的必备前提。在锅炉实际运行中，由于受测量手段等诸多因素的影响，目前国内电厂对工业燃煤锅炉一、二次风1 引 言风量和煤粉的均匀分配是保障工业燃煤锅炉安全和经济运行的重要条件，也是保证煤粉充分燃烧的决定性因素。锅炉良好的燃烧状态可有效避免炉内火焰中心偏移、防止炉镗两

2、侧温差过大、降低能耗及提高设备的使用寿命。因此，采用科学的方法，较为精确的实时监控各喷燃器入口的风速、风压、温度等参数，是工业燃煤锅炉经济运行的必备前提。在锅炉实际运行中，由于受测量手段等诸多因素的影响，目前国内电厂对工业燃煤锅炉一、二次风速的检测普遍采用静压测量方式，因此不能正确反映一、二次风管内的风速等状况；此外，由于在单位时间内，进入喷燃器的风量不仅取决于压力，还与风速、温度有着密切的关系，增加了测量难度。传统的锅炉参数测量多采用单通道、专门功能的计量 仪表，不能满足多通道的综合检测、集中监控与数据比较分析的需要。本设计采用低成本的单片机和外围监测电路，实现对工业燃煤锅炉多通道风压、风速

3、、温度的实时监测与显示，并与上位机通讯，进行数据处理、打印与存储。2 系统组成和工作原理2.1系统组成本监测仪采用 89C52单片机作为核心控制器件，按照 模块化的设计原则，将监测系统分为： CPU主控卡、通道控制、数据存储、 A D 转换、放大电路、键盘及显示等功能模块，系统组成框图如图 1 所示。模块化设计的结果使监测系统结构简洁，便于维护，可靠性得到提高，而且也使系统的功能扩展成为可能，可为系统预留一定的升级空间。2.2工作原理锅炉多路风压、风速在线监测系统的工作原理为：键盘显示模块作为外设与CPU实现人一机信息交流；同时， CPU经通道控制模块选择采集通道，对被选择通道的数据相继进行信

4、号采集、放大、 A D转换后输入 CPU，在 CPU内部经运算、比较、数值转换处理后输出到键盘显示模块，显示所要监测的相关数据。当要求显示风压大小时，直接将采集的风压数据经过放大、转换即可；当要求显示风速大小时，则须将采集的风压和温度数据按照式 (4) 计算 ( 软件程序计算 ) 后，送键盘显示模块显示相应通道及风速。3 硬件设计3.1通道选择电路本系统共有 16 路数据采集通道，表 1 为通道选择真值表，可以通过 89C52的 P1 口控制 16 个通道的选通状态 (Q1 Q4)。图 2 为通道选择控制电路， 8D锁存器 74LS373 的输入引脚 D1D8 与 89C52的 P1 口连接，

5、输出脚 Q1 Q6用于选择控制 16 个通道，其中： Q4， Q5，Q6分别与 A1(74 LS138) 的 A、B、C脚相连；定义 A1 的输出口 Y0， Y1 为 A2 或 A3 的片选控制信号，当 Y0 为低电平时选择 A2 芯片工作，当 Y1 为低点平时选择 A3 工作； 74LS373的 Q1，Q2，Q3则分别与A2，A3 芯片的 A，B， C脚直接相连，实现采集通道的 8 选 1 控制，再与 Q4高低电平 2 个状态结合，就可实现 16 路通道的选择。3.2程控信号放大电路传感器输出的电压信号比较小，与AD 转换输入端口不匹配，必须在A D 转换前加一个信号放大电路，选用超低漂移高

6、精度运算放大器 OPO7。又由于通道数较多，各通道参数的精度、量程不同，因此，监测到的信号需要根据不同的通道，选择合适的放大倍数，更好地完成信号的放大处理，为 AD 转换器提供更为精确的采集信号。 图 3 为放大电路，采用 4 路选择开关 CD4052芯片来选择放大倍数 Ki 。用图 2 中的 74LS273的 Q7，Q8输出端口控制 CD4052芯片，选择 X0， X1，X2， X3，实现电阻 R1， R2，R3，R4的切换，进而实现改变放大倍数的目的。放大倍数3.3 A D转换电路选用 ADI 公司的 16 位串行口的 AD 转换芯片 AD7715，它使用开关 电容逐次逼近技术完成 AD

7、转换过程，只有 1 路模拟输入。逐次转换各个通道数据，将转换完的数据存储在数据存储器里，需要用时再取出来。该芯片具有自校准、系统校准功能，可以消除零点误差、满量程误差及温度漂移的影响。图 4 为 AD7715与 89CA2的连接，单片机的 P2.2， P2.1， P2.0 引脚分别与AD7715的 SCLK、DRDY、DOUT(DIN)引脚连接。由于 AD7715的输入与输出不同步，所以输入与输出引脚接在单片机的同一个引脚P2.0 上。 AD7715的片选信号 ( CS) 直接接地，模拟信号由 AIN(+) 引脚进入，经转 AD换后由 DOUT输出数字信号到单片机，而单片机运算处理过的数据则由

8、 DIN 输入给 AD7715，其中AIN(+) ， AIN(-) ，DIN，DOUT均是串行口。 MCLKIN，MCLKOUT主时钟信号端 ( 即晶振连接端 ) 。3.4键盘显示接口电路采用 8279 键盘显示专用芯片与单片机相连。在该设计中，一共设置了 6 个控制键， 6 个 LED数码显示管 ( 前 2 个用来显示被测通道号，后 4 个用来显示所监测通道的具体数值 ) ；其中 6 个按键的功能说明如下：“设置”键：通电后仪表可随时按“设置”键，进入设置状态，输入密码，再次按“设置”键，可修改设置参数 ( 密码错误时，按设置键将返回监测状态 ) ，当该参数项不需要修改时，可直接按“设置”键

9、，进入下一个参数的设定。“定点”键：按“定点”键，显示方式将在固定显示某一通道的参数和循环显示各通道参数两种方式间来回切换。如原来为定点方式，按“定点”键，将变为循环显示方式；如原来为循环方式，按“定点”键，将变为定点显示方式。“”、“”键：设置数据采集通道。在循环显示方式时，按上下键无效，在定点方式时，通道号分别加减 1。“切换”键：可使显示内容为风速、风压显示两个参数中的一种，如原来显示风速，按“切换”键，数码显示管将显示风压值。“复位”键：将外部 512B RAM中的数据传送给上位 PC机，并存储数据以及数据打印。3.5可编程看门狗监控E2PROMX25045电路89C52单片机有 8

10、kB 内部程序存储器空间， 256B 内部数据存储器空间。系统的程序量不大， 8 kB 内部程序存储器空间可以满足系统的设计要求，无需外扩程序存储器；多通道数据采集系统是一个数据频繁、数据量比较大的系统， 256 B 内部数据存储器空间达不到要求，需要外扩效据存储器来保存和处理采集的数据。采用串行 E2PROM器件 X25045芯片作为外部数据存储器。其主要特点为：利用低 VCC检测电路，可以保护系统使之免受低电压状况的影响；存储器部分是CMOS的串行 E2PROM，内部按 512×8 组织， 10 万次写人次数， 100 年数据储存；看门狗 定时器对单片机提供了独立的保护系统。图

11、5 是 X25045与单片机的连接图。在整个工作期内，片选 CS端为低电平； WP端为高电平时，所有写保护功能正常。 SCK， SI ，SO分别接单片机的 P2.4，P2.5 ，P2.6 。其中 SCK串行时钟输入，上升沿写入数据或命令，下降沿输出数据； SI 串行输入，由此引脚逐位写入数据或命令；SO串行输出，由此引脚逐位输出数据。3.6检测电路该系统需要监测风压与风速 2 个参数，而风速是有风压与温度计算得到的，计算公式见式 (4) 。在风压监测时，将采集到的电流信号通过电阻转变成电压信号，电压大小等于该电阻上的电压，得到的电压信号通过放大器放大，输入到 A D 转换器，转换成二进制的数字

12、信号，再根据存储在 RAM中的数据查找到相应的压力即可得到相对的压力大小。在温度监测时，见图 6，采用热电阻的三线接法来监测温度，这样可以消除导线电阻 RL引起的监测误差，使监测结果更精确。测得 Rt 如下：其中 V3，R1，V0 都为已知数， V3 为电阻 R1上的电压。由热电阻阻值跟温度的关系可得温度t 。R0为温度为 0时热电阻的电阻值。风速：其中： K 为测速管标定系数； P 为风压； t 为热风温度。在实际应用中，事先将温度平均分成很多段，用中值法算出每段中点对应的温度值，然后根据这些点描出电阻一温度的曲线，通过软件部分制成表，放入单片机的 RAM中，然后在巡测过程中通过查表可以知道

13、此电阻值所对应的温度值。4 软件设计该系统用单片机内部 RAM及其中断系统实现多路数据采集、暂时存储、数据处理、数据显示以及其他的辅助功能。在系统的软件设计中，考虑到程序的可读性，系统的可扩展性以及升级的需要，采用模块化的设计方法，每个模块实现一定的功能，这样模块与模块之问能相对独立，使得程序结构清晰。程序设计主要分主程序模块、 AD采集模块、键盘处理模块、数据处理模块、存储显示模块等几个部分。图 7 为主程序模块的流程图。5 结 语该设计以低成本集成单片机为核心，组成软件与硬件相结合，数字技术与模拟技术相结合的系统，对工业环境中多通道的温度、风压、风速等参数进行实时监测、显示，在需要打印的时候还可以打印出需要的数据。该系统结构合理、操作方便、性能可靠、运行稳定，经实际应用的证明能够满足工业燃煤锅炉多路风压、风速、温度的检测工艺需要。