摘 要: 在深入研究換熱（rè）和（hé）熱阻基本原理的基（jī）礎上,利用（yòng）SPCE061A 單片（piàn）機設計出一個在線監測與控製係統,該係統基於被控對象的特性設計（jì）了循環水流量和蒸汽（qì）溫度時滯補償控製係統,同時該（gāi）係統通過在線測定計算出實時熱阻,並能進行實時存儲、顯示與打（dǎ）印。由於采用（yòng）了高集成度的SPCE061A 單片機芯片核心（xīn）設計《換熱器在線監測儀》,使得外（wài）圍芯（xīn）片相（xiàng）對減少,不僅帶來整個（gè）儀器體積減小,而且實際應用表明儀器的可靠性也得到了提高（gāo）。
關鍵詞: SPCE061A 單片機;集成化（huà）;在線監測X
隨著我（wǒ）國人口的不斷增加和工農業持續發展,國內淡水資源日益緊張。為了（le）節約用水,我國石油、化工、電力、冶金等企業正在逐步采用循環水冷（lěng）卻係統。但冷卻水長期使用後,必然會帶來沉積物附著,金屬腐蝕和微生物滋生問題,導致換熱器效率降低,影（yǐng）響生產,嚴重能使換熱（rè）器（qì）損（sǔn）害,所以必須加強對循環冷卻水的水質處理[1 ] 。為提高對水質處理的監管水（shuǐ）平,我們用SPCE061A 單片機設計,研製了《換熱器在（zài）線監測儀》,取得了良好的效果。
1 係統的組成和原理（lǐ）
1. 1 係統（tǒng）結（jié）構
係統結構如圖1 所示。
圖1 係（xì）統結構
係統要求監測儀器測量進（jìn）出口溫度、蒸汽溫度和流量（liàng）並對流量和蒸汽進行（háng）控製。測溫精度小於013 % ,流量精度（dù）015 % ,控（kòng）製精度小於1 %。儀器能（néng）夠保存100 d 的（de）汙垢熱阻數據。要求能和計算機實現實時通訊（xùn）,完成測量的（de）數據報表和曲線的打印並（bìng）存儲大量的數（shù）據。
1. 2 器材選用
溫度傳感器采用Pt100 不鏽（xiù）鋼封裝。流量信號采用進口轉輪式流量傳感（gǎn）器,輸出4～20 mA 的信號（hào）,測量範圍011～6 m/ s ,精度015 %。調節閥*好選用氣動（dòng）調節閥,適合長期運（yùn）行;減壓閥應根據現場蒸汽壓力大小選（xuǎn）型,模擬換熱器工作壓力011 MPa 。
1. 3 汙垢熱阻（zǔ）計算（suàn）
由管壁兩側為流體的（de）傳熱基本方程（chéng）Q = RCp ·( Tout - Tin) 可以（yǐ）導出汙（wū）垢熱阻的（de）計算公式(1) [2 ]Rs =πdL/ GCp [ ( T - t12 ) / ( t22 - t12 ) - ( T -t11) / ( t21 - t11) ] (1)式中: T 為飽和蒸汽溫度; d 為換熱管直徑; L 為換（huàn）熱管的有效總長度; G 為單位時間內冷卻水的流量;Cp 為水的比熱（rè）; t12為冷卻水進口溫度; t22為冷卻水出（chū）口溫度; t11為Rs 等於零時冷卻水進口溫度; t21為
Rs 等（děng）於（yú）零時冷卻水出口溫度。Rs 反映了冷（lěng）卻水中各種沉積物在換熱器水側影響傳熱效果的阻力。
2 係統控製實現
如圖1 所示,根據換熱器瞬時（shí）汙垢熱阻測定的需求[2 ] ,設計了兩個控製回路,一個為換熱器飽和蒸汽的控（kòng）製,即通過氣動調節（jiē）閥實（shí）現對飽和蒸汽的調節;一個為換熱器進水流量控製（zhì）,即通過圖（tú）1 所示的流量（liàng）信號檢測,並與氣動調節閥（fá）構成流量閉環控製回路實現對（duì）流量的自動調（diào）節。根據換熱器飽和蒸汽的調節過程及氣動調節閥（fá）對流量調節的性能可知（zhī）[3 ] ,這兩個（gè）控製回路（lù）都可近（jìn）似表示為含有純（chún）滯後
的一階（jiē）慣性環節,即
Gi ( s) 為被控（kòng）對（duì）象的傳函( i 分別表示為G、T) ,由（yóu）於這兩個控製回路都含有純滯後環節,實際控製中我們采用了基於時滯補償的控製策略,如圖2 所示（shì）的流（liú）量控製（zhì）。
圖2 中:τG 為純滯（zhì）後時間, KG 為（wéi）被控對象的穩態（tài）增益, TG 為對象的時間常數, Gc ( s ) 為PID 調節器, gτ( t) 為補償器的輸出（chū）, gG ( s) (1 - eτGS ) 為補償（cháng）環節的傳遞函數。對係統進行采樣離散化後（hòu）可以推得
式中: Kp , KI , KD 分別表示為比例、積分和微分（fèn）係數,通過這種基於時（shí）滯補償的PID 控（kòng）製算法,使係統得到（dào）了良好的控製特（tè）性(蒸汽的控製這裏從略) 。
3 監測儀硬件電路組成[4]
監測儀硬件電路以淩陽SPCE061A 單（dān）片（piàn）機芯片為核心而組（zǔ）成,如圖3。SPCE061A 單片機是一個16位微處理器。可（kě）以在較（jiào）寬的電源（yuán）電壓下工作（zuò）,其VDD 為216～316 V(CPU) 、VDDH 為0～515 V( I/ O) 。CPU 時鍾為0132～491152 MHz ,內置2 K字SRAM 、32 K閃存FLASH ,2 個16 位可編程定時器/ 計數器,2 個10 位DAC 輸出通（tōng）道,32 位通用（yòng）可編程輸入/ 輸出端口,14 個中（zhōng）斷源,32768 Hz 實時時鍾,7 通道（dào）的A/ D 轉換器和單通道聲音模- 數轉換器,具有串行設備接（jiē）口、低電壓複位、看門狗監視等功能。另外含有內置在（zài）線仿真電路。
IOA0～IOA7 作為低8 位的（de）地址線和8 位數據線,IOA8～IOA15 作為高8 位（wèi）的地址線,8255 芯片、74245 芯片、A \ D 轉換和液晶顯示（shì）的選通（tōng）信號分別由IOB0～IOB6L 來控（kòng）製,AUD1H 和AUD2 分別輸出兩路D \ A 控製信號, IOB10 向232 口發送信號,IOB7 設（shè）置為接（jiē）受信號（hào）,完成與計算機通訊。
3．1 輸入通道
輸入通（tōng）道由多路選擇器4051、運算放大器OP07和A/ D14433 組成,如圖4 所示。
A/ D MC14433 抗（kàng）幹擾（rǎo）能力強,3.5位精度,轉換速度約（yuē）1～10 次/ s ,它采用掃描方式,BCD 碼形式輸出,以0 000～1 999共2 000個（gè）數碼。當測溫範圍（wéi）在0～100 ℃,則A/ D 轉換精度可達（dá）0105 ℃/ bit ,能滿足係統設計要求。
測量放大器主要由3 個運算放大器(OP07) 組成（chéng）,信號分別從2 個運放的同相端輸（shū）入（rù）,使得輸入阻（zǔ）抗很高,抑製溫漂性能好。
多路選擇開關4051 由SPCE061A 單片機控製自（zì）動切換（huàn）,不僅分別（bié）能夠采集（jí）進口溫度、出口溫度、蒸汽溫度（dù）和流量信號,而且還能接收電導率、PH 信號,擴展了儀器應用範圍。對儀器的零（líng）點和增益標準信號也進行了（le）采集,通過軟（ruǎn）件實現了測量誤差的自動校正,從而保（bǎo）證了測量精度。
3.2 輸出通道
SPCE061A 單片機內含有AUD1 和AUD2 雙通（tōng）道的10 位數模D/ A 輸出口, 輸出電壓0 ～ 313 V。DAC1 通過IC1 , IC2 轉換成0～20 mA 控製氣動調節閥輸出。信號輸出要（yào）求R3 = R4 , R5 = R6 , R3 , R4 ,R5 , R6 之間的誤差直（zhí）接影響Iout精度,通過在R6 中串個（gè）電阻,可以提高精度（dù）。硬件電路如圖5 所示
(DAC2 輸（shū）出通道省略) 。
從以上硬件電路描述可以看出,由於SPCE061A單片（piàn）機的高度集成使得外圍器（qì）件減少。本（běn）係統實時動態數據存放在SPCE061A 單片機的內置2 K 字SRAM,程序存放在SPCE061A 單片機的內（nèi）置32 K閃存FLASH中。計算機采用RS232 串口通訊,低電壓（yā）複位,看門狗監視也都含在SPCE061A 單片機內。
4 軟件（jiàn）設計[5]
編（biān）程所用的軟件是用μ’nSPTM 單片機的匯編指令係統,整個（gè）程序就固化在SPCE061A 單片機內的32KROM中,程序設計采用模塊化（huà）特（tè）點。
411 主運行模塊
主（zhǔ）運行模塊是由初始化程序和10 個子程序組成。儀器運行時,這些子程序不斷地被（bèi）調用。主運行模塊框圖如圖6 所示。
4．2 運（yùn）算（suàn）子程序
數值計算采用μ’nSPTM float 浮點型。它完全（quán）滿足測試精度的要求,在內存中存放格式如下:
其中（zhōng）,S 為符號位,存放在（zài）*高字節的*高位。“1”表示負“, 0”表示正。E 為階碼,占用（yòng）8 位二進製（zhì）數,存放（fàng）在高兩個字節中。階碼E 值是以2 為底的指數再加上偏移量（liàng）127 ,這樣處理的目的（de）是為（wéi）了避免出現（xiàn）負的階碼值,而指數是可正可負的。階碼（mǎ）E的正（zhèng）常取值範圍1～254 ,而實際指數的取值範圍-126～ + 127。M為（wéi）尾數的小數部分,用23 位二進製數（shù）表示,存放在低三個字節中。尾數的整數部分永遠為1 ,因此不予保存,但它（tā）是隱含存在的。小（xiǎo）數點位於隱含的整數位（wèi）“1”的（de）後麵。一個浮點數的數值是
例如,浮點數175125 = 432F4000H ,在內存（cún）中的存放格式為:
4．3 通（tōng）訊子程序
現代化（huà）的科學管理要求實測的數據能即時傳送到遠處的計算機,SPCE061A 單片機為提供數據接收端口RX和發送（sòng）端口（kǒu）TX,分別是IOB7 和IOB10 端口,可以和計算機232 串口直接相連進行通訊（xùn）,通訊距離超過100 m ,可以串接長線驅動（dòng）器。軟件采用查詢方式,發送10 個數據的程序流程圖如圖7 所示（shì）。
5 結束語
值得一說的是（shì）通（tōng）過SPCE061A 單片（piàn）機的開發是（shì）用一個（gè）名叫PROBE 的在線調試器實現在（zài）線實時仿真和程序燒寫。它利用了SPCE061A 片內置的在線仿真電路和在（zài）線串行編（biān）程技術（shù）。PROBE 工作於淩陽集成開發環境軟件包下,其5 芯的仿真頭直接連接到SPCE061A 相（xiàng）應的管腳上, PROBE 的另一頭是標準25 針打印機接（jiē）口,直（zhí）接連接到計算機（jī）打印口（kǒu）與上位機通訊,完（wán）成在線調試功能,使（shǐ）用非常方便。目前換熱器在線監測儀正在（zài）推廣應用。
