【正文】 如果 RST 引腳上持續(xù)保持高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)；當(dāng) RST 從高電平轉(zhuǎn)為低電平后，CP。AT89C51 的 RST 引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化外，當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，也需重新啟動(dòng)單片機(jī)，使其復(fù)位。圖 39 為單片機(jī)的最小系統(tǒng)。29位位LEDQ1PNPVCCR22KR12Kwarm+圖 38 聲光報(bào)警電路 AT89C51 的最小系統(tǒng)單片機(jī)想正常運(yùn)行必須具備的條件：；；；，31 引腳必須接+5V。如圖 38 所示聲光報(bào)警電路：當(dāng)水位正常時(shí)，無(wú)報(bào)警；當(dāng)水位高于上限水位、低于下限水位時(shí)，單片機(jī) 口給 warn 一個(gè)低電平信號(hào)來(lái)導(dǎo)通三極管8550 以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和 LED 燈，進(jìn)行系統(tǒng)聲光報(bào)警。本設(shè)計(jì)根據(jù)控制要求，當(dāng)測(cè)出采樣值大于 180mm 或小于180mm 時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，且系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)整參數(shù)。實(shí)時(shí)地讀取給水流量和蒸汽流量的數(shù)值大小。當(dāng)28RS=0，RW=0 時(shí)，寫(xiě)指令操作；當(dāng) RS=0，RW=1 時(shí)，寫(xiě)數(shù)據(jù)操作；當(dāng)RS=1，RW=0 時(shí)，讀指令操作；當(dāng) RS=1，RW=1 時(shí)，讀數(shù)據(jù)操作。AT89C51 與 LM032L 的接口電路如圖 37 所示。在單片機(jī)系統(tǒng)中，LCD 是一種很重要的外設(shè)。由于液晶顯示器具有體積小、重量輕、低電壓、微功耗、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以其應(yīng)用特別廣泛，從電子表到計(jì)算器，從袖珍式儀表到便攜式微型計(jì)算機(jī)，以及一些文字處理機(jī)，都用到了LCD。1 23411LM324123411LM324R210KR310KRs25R11K R11KD1R5250+12V12V+12V1V420mAIoutVin12VVa VbnPnpA1A2圖 36 V/I 轉(zhuǎn)換電路根據(jù)虛短虛斷的概念可得到：（虛短） （34）npinVA1?27 （35）outnVA21? （36）??baoutR? （37）in?1 （38）outsbaIV? （39）12Rtsin? （310）Isinout?此線路設(shè)計(jì)可用于 0～5V 轉(zhuǎn)為 4～20mA 的電流環(huán)，然后需要設(shè)置參考點(diǎn)電壓為負(fù)即可，如果參考點(diǎn) 為 0V,則輸出電流值為 0～20mA； 為1VrefVrefV時(shí)，輸出電流值為 4～20mA [13]。本設(shè)計(jì)采用雙運(yùn)放、雙電源之電流環(huán)形路將 0～5V 轉(zhuǎn)為 4～20mA。要想得到標(biāo)準(zhǔn)的0～5V 電壓，只需將 選為5V,輸出范圍為 0～ ，完成 0～5V 的標(biāo)準(zhǔn)電refV壓輸出。56refV顯然， 和 B 成正比關(guān)系。此圖為單級(jí)性輸出電路圖，在加 為負(fù)電壓時(shí)，輸出為正極性。 亦如此。約 1S 后1CSIout1 和 Iout2 就有穩(wěn)定電流的輸出。將 ILE 接+5V。本系統(tǒng)中只需要一路 D/A 轉(zhuǎn)換，采用的單緩沖工作方式。該工作方式多用于 2 路 D/A 轉(zhuǎn)換接口場(chǎng)合，每一路模擬輸出都接一片 DAC0832,并要求同步進(jìn)步 D/A 轉(zhuǎn)換輸出 [12]。這時(shí) DAC0832 相當(dāng)于12?LEILERSLE??1單片機(jī)的一個(gè)外部 RAM 單元，CPU 用一條 MOVX 指令就可以完成 D/A 轉(zhuǎn)換。07~DI兩個(gè)鎖存器之一始終處于直通狀態(tài)，另一個(gè)鎖存器處于受 CPU 控制狀態(tài)。當(dāng) ILE=1 時(shí)， 、 、 和 均為 0。該芯片的各管腳功能如下： 為片選端，低電平有效； 為寫(xiě)使能控制端， =0 時(shí)，CS1WR1WR允許數(shù)據(jù)寫(xiě)入輸入寄存器； 為寫(xiě)使能控制端， ＝0 時(shí)，允許輸入鎖存2R2器的內(nèi)容存入數(shù)據(jù)寄存器；ILE 為輸入鎖存器的使能端，高電平有效；、 為 DAC 的電流輸出端； 為傳輸控制端，低電平有效；1OUTI2 XFE為基準(zhǔn)電壓端，范圍為10～+10V ；VCC 為正電源電壓端； 為內(nèi)部電refV fbR阻，為外接運(yùn)算放大器提供反饋電阻。該電路采用雙緩沖寄存器，使它能方便地應(yīng)用于多個(gè) DAC 同時(shí)工作的場(chǎng)合。本設(shè)計(jì)采用的是 DAC0832 轉(zhuǎn)換器，其與單片機(jī)接口方便，轉(zhuǎn)換控制容易，且價(jià)格便宜，在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用。D/A 轉(zhuǎn)換器的功能是將一組輸入的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為在時(shí)間上是連續(xù)的模擬量輸出，輸出模擬量形式有電流型和電壓型兩種。但是單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)算和輸出的數(shù)據(jù)都是數(shù)字量，而控制對(duì)象的參數(shù)是模擬量。123411LM32412V+12VR1200 C1R2100KR3100KR4 25KR51KIV圖 34 I/V 變換電路通過(guò)上面電路的轉(zhuǎn)換，我們就可以把 4～20mA(DC)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)1～5V(DC),送到 TLC1543 中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。利用同相放大電路，把電阻 R1 上產(chǎn)生的輸入電壓變成標(biāo)準(zhǔn)的輸出電壓。 RST9 XTAL219 VSS20 23 25 27 28PSEN 29ALE 30EA 31 33 35 37 39VCC 40AT89C51A89 GND10A01 A12A23 A34A45 A56A67 A78VCC 20EOC 19I/O CLOCK 18ADDRESS 17DATA OUT 16CS 15REF+ 14REF 13A10 12A9 11TLC1543+5V+5V圖 33 AT89C51 與 TLC1543 的接口電路 I/V 變換電路由于現(xiàn)場(chǎng)變送器的輸出信號(hào)為 4～20mA，所以需要設(shè)計(jì)電流電壓轉(zhuǎn)換電路，將 4～20mA 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào) 1～5V,然后再將電壓信號(hào)輸入到采樣保持器中，讓 TLC1543 接受標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的 1～5V 電壓信號(hào)。前 4 個(gè)時(shí)鐘從 端裝載地址寄存器，選擇所需的模擬通道，后 6 個(gè)時(shí)鐘對(duì)模擬輸入的采樣提供控制時(shí)序。隨后，CPU 向 端提供 4 位通道地址。當(dāng) =1 時(shí)，工作狀態(tài)被禁止，當(dāng) =0 時(shí)，TLC1543 開(kāi)始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。A89GND10A01A12A23A34A45A56A67A78VCC 20EOC 19I/O CLOCK 18ADDRESS 17DATA OUT 16CS 15REF+ 14REF 13A10 12A9 11圖 32 TLC1543 的引腳排列TLC1543 與 AT89C51 采用串行數(shù)據(jù)通信，芯片的 3 個(gè)輸入端和 1 個(gè)輸出端與 AT89C51 的 I/O 口可直接連接，具體連接方式如圖 33 所示。TLC1543 采用 20 腳 DIP 封裝，引腳排列如圖 32 所示。實(shí)現(xiàn)模擬量變換成數(shù)字量的設(shè)備為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）簡(jiǎn)稱 A/D。這種控制方式簡(jiǎn)單，操作方便，可靠性高。單片機(jī)A / D 轉(zhuǎn)換電路上位機(jī)汽包水位給水流量蒸汽流量電源模塊D / A 轉(zhuǎn)換電路故障報(bào)警電路給水調(diào)節(jié)閥鍵盤(pán)液晶顯示圖 31 三沖量余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)整體框圖在信號(hào)檢測(cè)的過(guò)程中，汽包水位信號(hào)、蒸汽流量信號(hào)和給水流量信號(hào)，它們經(jīng)過(guò)各自的變送器再作 I/V 變換，轉(zhuǎn)換成 0～5V 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，接入 A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換并送入單片機(jī)，這些信號(hào)在單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并與給定值比較，該系統(tǒng)還配有一路控制信號(hào)的輸出端口，即通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換電路把比較結(jié)果轉(zhuǎn)換為一路模擬電壓控制信號(hào)輸出，考慮到電壓信號(hào)不利于遠(yuǎn)距離傳輸，并且多數(shù)電動(dòng)閥門(mén)的控制信號(hào)為電流信號(hào)，所以本設(shè)計(jì)還配有一個(gè)V/I 轉(zhuǎn)換器，把電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 4～20mA 電流信號(hào)，用于控制閥門(mén)的開(kāi)度。= （219）hK??????30420mA20第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用 AT89C51 作為核心控制芯片,及其相關(guān)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)余熱鍋爐汽包水位的控制。根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知，水位的測(cè)量范圍為300 ～300mm [9]。= （218）uK????19 液位變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算由于本設(shè)計(jì)的目的是控制水位穩(wěn)定，而整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是對(duì)水位的準(zhǔn)確測(cè)量，因此水位能否準(zhǔn)確測(cè)量直接關(guān)系到控制質(zhì)量的優(yōu)劣。= （217）dK???? 給水調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算此系統(tǒng)的執(zhí)行器選擇調(diào)節(jié)閥，因?yàn)樗梢灾苯痈淖兘o水量，反應(yīng)時(shí)間短，有利于系統(tǒng)控制品質(zhì)的改善，它是控制系統(tǒng)的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，它接收控制器的輸出信號(hào)，執(zhí)行最終任務(wù)。根據(jù)所給設(shè)計(jì)的目標(biāo)，給水流量測(cè)量范圍：0～500T/h，選擇輸入量程所對(duì)應(yīng)的給水流量為 500T/h，輸出量程為 4～20mA。水位mADC檢測(cè)變送器可采用 1151 差壓式變送器；流量變送器可采用渦街式流量計(jì)；給水調(diào)節(jié)閥采用電動(dòng)的。vK 儀表的選擇與各變送器轉(zhuǎn)換系數(shù)的確定本系統(tǒng)共需要選擇三個(gè)檢測(cè)儀表以及一個(gè)線性給水調(diào)節(jié)閥。17 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)執(zhí)行器接受控制器的命令執(zhí)行控制任務(wù)，由于在石油、化工等過(guò)程控制中，執(zhí)行器最終是以閥門(mén)的形式出現(xiàn)，所以，執(zhí)行器往往被稱為控制閥或調(diào)節(jié)閥。T受測(cè)量元件安裝位置的限制，被測(cè)參數(shù)變化的信號(hào)傳遞到檢測(cè)點(diǎn)需要花費(fèi)一定的時(shí)間，因而就產(chǎn)生了測(cè)量純滯后 。一階滯后環(huán)節(jié)的時(shí)間0Ksm常數(shù) 經(jīng)測(cè)量為 =。在給水流量單位階躍擾動(dòng)下，水位反應(yīng)曲線的飛升速度，即水位的變化速度 = 。蒸汽流量 D 及其蒸汽流量變送器未包含在這兩個(gè)閉合回路之內(nèi)，但它的引入可以改善控制質(zhì)量，且不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性 [7]。15WKH??sGp???sGcDHWDrH+ +圖 29 單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)方框圖其中：—水位設(shè)定值；rHH—水位值；W—給水流量；D—蒸汽流量；—調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)；??sGc—被控對(duì)象傳遞函數(shù)；p—執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)；?K、 、 —給水流量、蒸汽流量和鍋爐水位等測(cè)量裝置的傳遞函WDH數(shù)?！疤摷偎弧爆F(xiàn)象。 方案選擇通過(guò)以上方案的比較，我選擇了汽包水位三沖量控制系統(tǒng)。變送器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)變送器變送器汽包調(diào)節(jié)器HD+++rHW 圖 28 單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)框圖三沖量控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)最好，能有效地滿足系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的要求，能有效地避免“虛假水位”現(xiàn)象。必須指出，引入蒸汽流量信號(hào)只是削弱了假水位期間調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，并不能消除假水位現(xiàn)象，并且由于水位 H 對(duì)負(fù)荷（蒸汽量）擾動(dòng) D 的響應(yīng)速14度要比對(duì)基本擾動(dòng) W 的響應(yīng)速度快的多，因此，在外部擾動(dòng)下被調(diào)量的變化幅度還是比較大，必須對(duì)負(fù)荷變化的幅度加以限制。只要參數(shù)整定合適，當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)平衡狀態(tài)以后，給水流量必然等于蒸汽流量，水位 H 也會(huì)維持在設(shè)定值。實(shí)際給水量是增加還是減小，取決于系統(tǒng)參數(shù)的整定。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)上述兩種方案取長(zhǎng)補(bǔ)短，極大的提高了水位控制質(zhì)量。所謂三沖量，指的是引入三個(gè)測(cè)量信號(hào)：汽包水位、給水流量、蒸汽流量。但雙沖量水位控制系統(tǒng)仍存在兩個(gè)問(wèn)題，一是調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定為線性特性，要做到完全靜態(tài)補(bǔ)償比較困難；其次是給水壓力擾動(dòng)對(duì)汽包水位的影響不能及時(shí)消除。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常有波動(dòng)，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不能保持正常時(shí)，不宜采用雙沖量控制 [5]。在給水流量比較平穩(wěn)時(shí)，采用雙沖量控制是能夠達(dá)到控制要求的。圖 2圖 27 是典型的雙沖量控制系統(tǒng)的原理圖及框圖?？紤]到蒸汽負(fù)荷的擾動(dòng)可測(cè)而不可控，因此可將蒸汽流量信號(hào)引入系統(tǒng)作為前饋信號(hào)，與汽包水位組成前饋反饋控制系統(tǒng)，通常稱為雙沖量控制系統(tǒng)。為了克服上面三個(gè)問(wèn)題，除了依據(jù)汽包水位之外，也可依據(jù)蒸汽流量和給水流量的變化來(lái)控制給水閥，將能獲得良好的控制效果，這就產(chǎn)生了雙沖量和三沖量水位控制系統(tǒng)。負(fù)荷變化時(shí)，需引起汽包水位變化后才起控制作用。因此這種系統(tǒng)克服不了虛假水位帶來(lái)的嚴(yán)重后果。例如，蒸汽負(fù)荷突然大幅度增加時(shí)，虛假水位上升，此時(shí)控制器不但不能開(kāi)大給水閥，增加給水量，反而關(guān)小控制閥，減少給水量。但是，單沖量控制系統(tǒng)存在三個(gè)問(wèn)題。圖 25是單沖量水位控制系統(tǒng)框圖。 單沖量控制系統(tǒng)單沖量控制系統(tǒng)即汽包水位的單回路水位控制系統(tǒng)，圖 24 所示是典型的單回路控制系統(tǒng)。：即在單沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了蒸汽流量信號(hào)。期間主要經(jīng)歷了上世紀(jì)三四十年代單參數(shù)儀表控制，四五十年代單元組合儀表綜合綜合參數(shù)儀表控制，以及六十年代興起的計(jì)算機(jī)控制等幾個(gè)階段。 控制系統(tǒng)的方案汽包水位的控制問(wèn)題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)而出現(xiàn)，長(zhǎng)久以來(lái)一直是控制領(lǐng)域的一個(gè)典型的難問(wèn)題。對(duì)于一般100~300t/h 的中高壓鍋爐，當(dāng)負(fù)荷變化 10%時(shí)，虛假水位可達(dá) 30~40mm。 （210）????1221 ?????sTKsDHsf式（210 ）中：K —飛升速度，即在蒸汽流量變化單位流量時(shí)水位的變化速度， ；f htsmK —響應(yīng)曲線 H 的放大系數(shù)；22T —響應(yīng)曲線 H 的時(shí)間常數(shù)。從圖 23 中可看出，當(dāng)蒸汽變量加大時(shí)，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在一開(kāi)始，水位不僅不下降，反而迅速上升，然后再下降；反之，蒸汽流量突然減少時(shí)，