蒸汽锅炉温度测控仪的研究

冯华勇，曾颖峰，王俊英

（四川工程职业技术学院，德阳 618000）

0 引言

温度是工业生产中主要的被控参数之一，特别是在建材、机械、冶金、化工、食品、石油等各类工业中，许多物理与化学变化过程都和温度密切相关，因此温度控制在生产自动化中占有重要的地位。

在蒸汽锅炉控制系统中，我们采用单片机作为锅炉温度测控仪的控制核心，实现温度的检测，显示，设定，控制等功能。温度测控仪的目的在于实时掌握锅炉蒸汽温度和锅炉炉膛温度。对锅炉蒸汽温度测控的意义可以从节能和安全两个方面探讨，蒸汽温度过高将危及锅炉过热器，降低循环效率，蒸汽温度过低，会影响安全运行。此外，对锅炉炉膛温度测控的意义在于可以监视过热点，减少非计划性停机和机会所带来的损失，延长炉子的使用寿命、降低消耗成本，节约开支，防止焦化现象的出现。

1 温度测控仪的工作原理

对于温度测量传感器选用铂电阻，铂电阻在高温中有较好的物理和化学性质的稳定性，对于该系统的蒸汽温度测量以及炉膛温度的测量非常实用。依测量原理该温度测控仪的结构框图如图1所示。

该温度测控仪的工作原理将温度的变化反应为标准的电流信号，再将电流信号转化为电压信号送入到单片机中处理，处理后的结果控制固态继电器开关电热管，从RS485反馈到监控平台。

2 温度测控仪硬件设计

2.1 89C52

89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品， 89C52内置8位中央处理单元、256Byte内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）和32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器、5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其他功能。

2.2 温度测控仪的测温电路

选用XTR103变送器作为4 20mA电流的标准变换芯片如图2所示，XTR103可对铂电阻做电流的激发，放大处理，40:1的线性处理。同时XTR103工作的温度范围较宽（-40℃ 85℃），工作电压可以在（+9V 40V）之间，在此仪表中选取+12V。该变送器将温度变化反应为铂电阻值的变化，变化的电压差值送入XTR103做处理，对应得到标准的4 20mA电流。图中XTR103的4、13脚输出8mA的电流，铂电阻在0℃的阻值为100Ω，通过电流8mA的电压降为0.8V，R2选用的精密电阻亦为100Ω，13脚输出8mA电流产生的压降亦为0.8V，在铂电阻与R2产生的压降之差0V通过差分输入的方式输入到3、4脚（IN+IN-），对应流出的电流为4mA。若温度上升到300℃时，对应电阻值为212.03Ω，差分输入的电压Ui=0.089624V，此时电流为满偏电流20mA，计算式可以由Io=4mA+（0.016+40/R3）×Ui得到，所以可以推出R3约等于250Ω。此外，电流源稳定输出与测温范围还有一定的关系，R5可以作为一个电流线性化的电阻。计算式可以为I1=I2=0.8+（500×Ui）/R5，I1、I2为恒流源输出，Ui为测量范围。在此实际电路中R5取1229Ω。15脚外接三极管2N4922作为驱动器，二极管1N4148防止倒流。电容C1为0.01uF滤波。当电阻与电流变换成线性关系后要送入CPU进行处理还需将电流转化为电压后A/D转换，而考虑到TI 公司配送RCV420精密I/V转换芯片固可以按如图连接，输出（0 5V）的标准电压。

2.3 温度测控仪的控制电路

在如图3所示的温度测控仪的控制电路中，可以将测温电路出来的0 5V的电压送入A/D转化芯片进行处理。在此选用AD7888高速低功耗8通道12位串行转换器。对于锅炉加热控制仪温度采集点为5个，这里可以扩展至8路，每一路均为铂电阻经XTR103变换为电流通过RCV420转换为（0 5V）电压，AD7888的外部基准电压为+1.2V VCC，内部为+2.5V，此处选用TI公司的基准电压芯片REF02，输出+5V的基准电压，该基准电压送入AD7888作为外部基准输入，AD7888内部有一个8位的只写寄存器，该8位寄存器控制着工作状态和方式，两个功率管理位PM0、PM1控制AD7888工作模式，正常工作、完全关断、自动关断、自动等待。一个基准位REF控制选择片内基准还是片外基准，在该仪表中此处应当选择禁止内部基准。三个通道选择为ADD0、ADD1、ADD2，选择模拟输入通道 1～8。为保证AD7888正确操作ZER0位写0，另外还有一位DONTC无任何实际意义。对于该寄存器的访问可以控制引脚CS、DIN、SCLK。CS为片选位，SCLK为串行时钟信号，DIN为写寄存器数据位，AD7888的8为寄存器的数据由此引脚写入。而A/D转换后数据通过DOUT引脚输出到单片机。具体时序可参照AD7888芯片资料。此仪表还额外增加了4个按钮，该按钮可以设置工作温度检测数量，温度值上下限。一个复位芯片X25045定时送入时钟避免单片机因故障发生死机现象，另外串行时钟信号与AD7888共用，仅用CS2作为片选区别信号，并且还将按键数据、预设数据、密码数据送入X25045的内部存储空间，掉电不丢失。

2.4 温度测控仪的驱动电路

当温度测控仪的控制电路中的A/D转换数据在单片机中运算处理后即可发出控制指令控制P0口的6个固态继电器通断。由于P0口做IO驱动需外加上拉电阻，故在此选用500Ω电阻，既作为上拉电阻亦作为限流电阻。固态继电器为三相的，一端连接配电箱出来的三相电源，另一端连接三相加热管。通过控制固态继电器的通断来控制蒸汽锅炉加热时间的长短。

2.5 温度测控仪的显示电路

为了更方便直观的观测设置温度值，该仪表还设置了5个LED显示器。第一个显示为功能或通道显示，可由按键选择，后面4位为温度值（0 999.9℃）。该显示的驱动选用MAX7219共阴极显示驱动器可以驱动8个LED显示器扫描速率800HZ、8位数据、多路复用方式，串行数据输入。

3 温度测控仪软件设计

温度测控仪的程序流程图如图4所示。

在图4中，初始阶段对所有芯片显示进行初始处理，将预设在复位芯片X25045中的数据取出，送入单片机89C52中进行控制处理，同时打开定时器，设置中断优先级，扫描外部通道AD转换显示，再扫描外部键盘看是否有变化，有则做键盘处理，无则循环继续扫描外部A/D，同时随时等待中断，定时器1做温度控制处理，每隔1秒检测温度的变化情况作温控处理，串口中断主要接收发送Modbus协议处理数据，定时器2中断主要用于Modbus数据帧时间间隔的处理。

4 结论

本温度测控仪共5个测温点，每个PT100测温点的信号处理均将电阻的变化通过XTR103表现为电流的变化再通过RCV420反应为标准电压信号，根据实际的需要可以外扩至8个。温控方案采用成熟的模糊控制技术，根据实际温度与设定温度的差值以及温度升高的速度来调整加热的时间达到目的。从而实现了蒸汽锅炉的温度控制系统的设计，这对于蒸汽锅炉自动化控制具有一定的实践使用价值。

[1] 韦庆志. 基于ARM的模糊PID温度控制系统的研究[D].江苏: 江苏大学, 2010.

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[3] 杨龙, 于滨红. 固态继电器在89C51单片机控制系统中的应用[J]. 电测与仪表, 1999(1)35-37.