摘 要（yào）: 在深入研究換熱和熱阻基本原理的基礎上,利用SPCE061A 單片機（jī）設計出一（yī）個在線監測與控製係統（tǒng）,該係統（tǒng）基於被控對象的特性（xìng）設計了循環水流量和蒸汽溫度時滯補償控製係統,同時該係統通過在（zài）線測定計算出實時熱阻,並能進行（háng）實時存儲、顯示（shì）與打印（yìn）。由於采用了高集成（chéng）度的SPCE061A 單片機芯片核心設計《換熱器在線監測儀》,使得（dé）外圍芯片相對減少,不僅帶來整個儀器體積減小,而（ér）且實際應用表（biǎo）明儀器的可靠性也（yě）得到了提高。
關鍵詞（cí）: SPCE061A 單片機;集成化;在（zài）線監（jiān）測X
隨著我國人口的不斷增加和工農業持續發展,國內淡（dàn）水資源（yuán）日益緊張（zhāng）。為（wéi）了節約用水,我國石油、化工、電力、冶金（jīn）等企業正（zhèng）在逐步采（cǎi）用循環水冷卻（què）係統。但冷卻水長期使（shǐ）用後,必然會帶來沉積物附著,金屬（shǔ）腐蝕和微生物滋生問題,導致換熱器（qì）效（xiào）率降低,影響（xiǎng）生產,嚴重能（néng）使換熱器（qì）損害,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（jiān）管水平,我們用SPCE061A 單片機設計,研製了《換熱器在線監測儀（yí）》,取得了良好的效果。
1 係統的組成和原理
1. 1 係統結構
係統結構如圖1 所示。
圖1 係統結構
係統要求（qiú）監測儀器測量進出口溫度、蒸汽溫度和流量並對流量和蒸（zhēng）汽進（jìn）行控製。測溫精度小於013 % ,流量精度015 % ,控製精度小於1 %。儀器（qì）能夠保存100 d 的汙垢熱阻數據。要求能和計算機實現實時通訊,完成測量的數據報表和曲線的打（dǎ）印並存儲大（dà）量的數據。
1. 2 器材選用
溫度傳感器采用Pt100 不鏽鋼封裝。流（liú）量信號采用進口（kǒu）轉輪式流量傳感（gǎn）器,輸出4～20 mA 的信號,測（cè）量範圍011～6 m/ s ,精度015 %。調節閥（fá）*好（hǎo）選（xuǎn）用氣動調節閥,適合長期（qī）運行;減壓閥應根（gēn）據現場蒸汽壓力大小選型,模擬換（huàn）熱器工作壓力011 MPa 。
1. 3 汙垢熱阻計算
由管壁兩側為流體的傳熱基本方程Q = RCp ·( Tout - Tin) 可以導出汙（wū）垢熱阻的計算公式(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（guǎn）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; t12為冷卻水進（jìn）口（kǒu）溫度; t22為冷（lěng）卻水出口溫度; t11為Rs 等於零（líng）時冷卻（què）水進口溫度; t21為
Rs 等於零時冷卻水出（chū）口溫度。Rs 反映（yìng）了（le）冷卻水中各種沉積物在換熱器水（shuǐ）側影響傳熱效果的阻力。
2 係統（tǒng）控製實現
如圖1 所示,根據換熱器瞬時汙垢熱阻測（cè）定的需求[2 ] ,設計了兩個控製回路,一個為換熱器飽和（hé）蒸汽的控製（zhì）,即通過氣動調節閥實現對飽和蒸（zhēng）汽的調節;一個（gè）為換（huàn）熱器進（jìn）水流（liú）量控製（zhì）,即通過圖1 所（suǒ）示的（de）流量信號檢測,並與氣動調節閥構成流量閉環控製回（huí）路實（shí）現對（duì）流量（liàng）的自動調節。根據換熱器飽和蒸汽的調節過程及氣動調節閥對流量調節的性能可知[3 ] ,這兩個控（kòng）製回路都可近似表示為（wéi）含有純滯後
的一階慣性環節,即
Gi ( s) 為被（bèi）控對象的傳函( i 分別表示為G、T) ,由於這（zhè）兩個控製回路都含有純滯後環節（jiē）,實際控製中我們采用了基於時滯補（bǔ）償的（de）控製策略（luè）,如（rú）圖2 所示的流量（liàng）控製。
圖2 中:τG 為純滯後時間, KG 為被控對象的（de）穩（wěn）態增益, TG 為對象的時間（jiān）常數, Gc ( s ) 為PID 調節器, gτ( t) 為補償器的輸出, gG ( s) (1 - eτGS ) 為補償環節的傳遞（dì）函數。對係統進行采樣離散化後可以推得
式中: Kp , KI , KD 分別表示為比例、積分和微分係數,通過這種基於時滯補償的PID 控製算法,使係統得到（dào）了良好的控製特性（xìng）(蒸汽的控製這（zhè）裏從略) 。
3 監測儀硬件電路（lù）組成（chéng）[4]
監測儀（yí）硬（yìng）件電路以淩陽SPCE061A 單片機芯片為核心而（ér）組成（chéng）,如圖3。SPCE061A 單片機是一個16位微處（chù）理器。可以在較寬的電源電壓下工作,其VDD 為216～316 V(CPU) 、VDDH 為0～515 V( I/ O) 。CPU 時（shí）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 輸出通道,32 位通用可編（biān）程輸（shū）入/ 輸出端口,14 個中斷源,32768 Hz 實時時鍾,7 通道的（de）A/ D 轉換器和單通（tōng）道（dào）聲音模- 數轉換器,具有（yǒu）串行設備接口、低電壓複位、看門狗（gǒu）監視等功能。另外含有內置在線仿真電路（lù）。
IOA0～IOA7 作為低8 位的地址（zhǐ）線和8 位數據線,IOA8～IOA15 作為（wéi）高8 位的地址（zhǐ）線,8255 芯片、74245 芯片、A \ D 轉換和液晶顯示的選通信號（hào）分別由IOB0～IOB6L 來控製,AUD1H 和AUD2 分別輸出兩路D \ A 控製信號, IOB10 向232 口發送信號,IOB7 設置為接受信號,完成與（yǔ）計算機通訊。
3．1 輸入通道
輸入通道由多路選擇器4051、運算放大器OP07和A/ D14433 組（zǔ）成,如圖4 所示。
A/ D MC14433 抗幹擾能（néng）力強,3.5位精度,轉換速度約（yuē）1～10 次/ s ,它采（cǎi）用掃描方式（shì）,BCD 碼形式輸出,以0 000～1 999共2 000個（gè）數碼。當測溫範圍在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（dà）器(OP07) 組成,信號分別從（cóng）2 個運放的同相端輸入,使得輸入阻抗很高,抑製溫漂性能好。
多路（lù）選擇開關4051 由SPCE061A 單片機控製自動切換,不僅分別能夠采集進口溫度、出（chū）口溫度、蒸汽溫度和流量信號,而（ér）且（qiě）還能接收電導率、PH 信號,擴展了（le）儀器應用範圍。對儀（yí）器的零點和增（zēng）益標準信號也進（jìn）行了采集（jí）,通過軟件實現了測量誤差的自動校正,從而保證（zhèng）了測量精度。
3.2 輸出通道
SPCE061A 單（dān）片機內含有AUD1 和AUD2 雙（shuāng）通道的10 位數模D/ A 輸出口, 輸出電壓0 ～ 313 V。DAC1 通過IC1 , IC2 轉換（huàn）成0～20 mA 控製氣動調節閥輸出。信號（hào）輸出要（yào）求R3 = R4 , R5 = R6 , R3 , R4 ,R5 , R6 之間的誤差直接影（yǐng）響Iout精度,通過（guò）在R6 中串個電阻,可以（yǐ）提高精度。硬件電路如圖5 所示
(DAC2 輸出通道省（shěng）略) 。
從以（yǐ）上（shàng）硬件電路描述可以看出,由於SPCE061A單片機的高（gāo）度集成使得外圍器件減少。本係統實時動態數據存放在（zài）SPCE061A 單片機的內置2 K 字SRAM,程序存放在SPCE061A 單片機的內置32 K閃存FLASH中。計算（suàn）機采用RS232 串口通訊,低（dī）電壓複（fù）位,看門狗監視也都含在SPCE061A 單片機內。
4 軟（ruǎn）件設計[5]
編程所用的軟件是用μ’nSPTM 單（dān）片（piàn）機的匯編指令係統,整個程序就固化在SPCE061A 單片機內的32KROM中,程序（xù）設計采用（yòng）模塊化（huà）特點。
411 主（zhǔ）運行模塊
主運行模塊是由初（chū）始化程序和10 個子程序組成。儀器運行（háng）時（shí）,這（zhè）些子程序不斷地被調用。主運行模塊框圖如圖6 所示。
4．2 運算子程序
數值（zhí）計（jì）算采用μ’nSPTM float 浮點型。它完全滿足測試精度的要（yào）求,在內存中存（cún）放格式如下:
其中,S 為符（fú）號位,存放在*高字（zì）節的*高位（wèi）。“1”表示負“, 0”表示正。E 為階碼,占用8 位二（èr）進製數,存放在高兩個（gè）字節中。階碼E 值是以2 為底的指數再加上偏移量127 ,這樣處理的目的是為（wéi）了避免出現負的階碼（mǎ）值,而指數是可正可負的。階（jiē）碼E的正常取值範圍（wéi）1～254 ,而實際指數的取值範圍-126～ + 127。M為尾數的小數部分,用23 位二進製數（shù）表示,存放在低三個字節中（zhōng）。尾數的整數部分永遠為1 ,因此（cǐ）不予保（bǎo）存,但它是隱含存在的。小（xiǎo）數點位於隱含的整數位“1”的後麵。一個浮點（diǎn）數的數值是
例如,浮點數175125 = 432F4000H ,在（zài）內存中的存放格式為:
4．3 通訊子程序
現代化的科（kē）學管理要求實測的數據能即時傳（chuán）送到（dào）遠處的計算機,SPCE061A 單片機（jī）為提供數據接（jiē）收端口RX和發送端口TX,分別（bié）是IOB7 和IOB10 端口,可以和計算機232 串口直接相連進行通訊,通訊距離超過100 m ,可以串接長線驅動器。軟件采用查詢方式,發送10 個數據的程序流（liú）程圖如圖7 所示。
5 結（jié）束語
值得一說（shuō）的（de）是通過SPCE061A 單片機的開（kāi）發是用一個名（míng）叫PROBE 的（de）在線調試器實現在線實時仿真和程序燒寫。它利用了SPCE061A 片（piàn）內置的在線仿真電路和在線串行編程（chéng）技（jì）術（shù）。PROBE 工作於淩陽集成開（kāi）發環境軟（ruǎn）件（jiàn）包下,其5 芯的仿真頭直接連接到SPCE061A 相應的管腳上, PROBE 的另一頭是標準25 針打印機接口,直接連接到計算機打印（yìn）口與（yǔ）上位機通訊,完成在線調試功能,使用非常方便。目前換熱器在線監測儀（yí）正在推廣應用。
