基于C8051F020海水預(yù)處理模塊測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)對海水預(yù)處理模塊控制要求的分析研究，提出設(shè)計(jì)一套能同時(shí)調(diào)節(jié)海水溫度和流量的預(yù)處理模塊控制器，該控制器使用Cygnal公司8位微處理器C8051F020作為主芯片，并給出了測控模塊軟、硬件設(shè)計(jì)方案，該控制器已經(jīng)在海水預(yù)處理模塊上試驗(yàn)成功。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制器設(shè)計(jì)穩(wěn)定，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：預(yù)處理；死區(qū)；調(diào)理模塊；海水淡化

0 引言
    在對海水淡化裝置實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)，裝置實(shí)際工作參數(shù)一般不同于設(shè)計(jì)工作參數(shù)，使得裝置無法發(fā)揮原設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程特點(diǎn)，性能不佳；這種情況是由于實(shí)際進(jìn)入裝置的海水溫度很難與設(shè)計(jì)溫度一致造成的。此類現(xiàn)象對于海島用海水淡化裝置影響尤其明顯：由于其特殊使用環(huán)境和條件，在不同季節(jié)和海域，海水入口溫度變化很大，造成裝置運(yùn)行不穩(wěn)定，產(chǎn)水量不足、水質(zhì)下降嚴(yán)重，甚至不能工作。
    為克服此類問題，本項(xiàng)目開展了海水進(jìn)口調(diào)節(jié)模塊設(shè)計(jì)技術(shù)研究，使控制器具有海水進(jìn)口溫度、流量的調(diào)節(jié)作用，始終保證進(jìn)入裝置的海水進(jìn)口溫度在設(shè)定值，使得裝置的流程參數(shù)在不斷變化的外界環(huán)境條件下保持在設(shè)定工況參數(shù)不變，從而保證淡水產(chǎn)量和水質(zhì)，也使得裝置易于控制和維護(hù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    根據(jù)對系統(tǒng)要求分析，設(shè)計(jì)出海水預(yù)處理系統(tǒng)(如圖1中虛線框內(nèi))，將進(jìn)入海水淡化裝置的海水與裝置排出的濃海水進(jìn)行預(yù)混合，利用濃海水的余熱，控制海水原水和濃海水比例，將進(jìn)淡化裝置水混合成系統(tǒng)需要溫度和流量的海水。

    從系統(tǒng)圖可以看出，進(jìn)入海水淡化裝置進(jìn)水量(Q)應(yīng)保持恒定，控制關(guān)鍵在于管路上的兩個(gè)線性閥調(diào)節(jié)的控制，它用于調(diào)節(jié)進(jìn)入混合器的海水(Q1)與濃海水(Q2)的比例，由于進(jìn)入海水溫度隨時(shí)變化，所以調(diào)節(jié)器應(yīng)該是隨動(dòng)系統(tǒng)。

2 控制器硬件設(shè)計(jì)
    控制器分為硬件部分和軟件部分，硬件部分又分為：電源模塊、處理器模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、D／A輸出及放大模塊、溫度調(diào)理模塊以及通信模塊，整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

    電源模塊主要是為系統(tǒng)處理器供電，并為傳感器和D／A輸出提供隔離的電源；處理器模塊是系統(tǒng)的控制核心，采用美國Cgynal公司開發(fā)的基于8051內(nèi)核的C8051F020，C8051FXXX系列單片機(jī)是完全繼承的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)，具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。它在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件。它把原來8051系統(tǒng)中斷源由
7個(gè)擴(kuò)展到了22個(gè)，中斷系統(tǒng)需要更少的MCU干預(yù)，內(nèi)部集成了能獨(dú)立工作的時(shí)鐘發(fā)生器，以及A／D轉(zhuǎn)換器、D／A輸出、SPI總線接口、5個(gè)16 b定時(shí)器、多達(dá)64個(gè)可編程I／O端口。
    C8051F020內(nèi)部集成了A／D轉(zhuǎn)換模塊，此模塊用于將各路傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，本控制系統(tǒng)中主要是對海水流量和線性調(diào)節(jié)閥的位置進(jìn)行測量，海水流量輸出的是4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(Flow1，F(xiàn)low2)，通過采樣電阻R13和R16轉(zhuǎn)換成1～5 V電壓信號(hào)后進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，而線性調(diào)節(jié)閥位置反饋直接決定了進(jìn)入混合器的濃海水和海水的混合比例，其輸出信號(hào)為電壓信號(hào)，直接經(jīng)過濾波后進(jìn)入MCU進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。流量采集模塊原理如圖3所示。

    線性調(diào)節(jié)閥用于控制海水和濃海水進(jìn)入混合器的比例，其開度與輸入控制電壓(0～10 V)成線性關(guān)系，MCU通過SPI總線與芯片LTC2622互連，LTC2622將MCU輸出數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)(0～2 V)后控制線性調(diào)節(jié)閥，采用SPI總線連接數(shù)模信號(hào)可以避免信號(hào)間的串?dāng)_，而LTC 2622輸出電壓信號(hào)(0～2 V)需要經(jīng)過LM258放大5倍后連接到線性調(diào)節(jié)閥的輸入端。D／A輸出轉(zhuǎn)換模塊原理圖如圖4所示。

    海水淡化裝置要求經(jīng)過混合起后的海水溫度為一個(gè)定值，為了滿足溫度要求．必須準(zhǔn)確測量入口及出口處的海水溫度，溫度調(diào)理模塊主要是對PT100信號(hào)進(jìn)行調(diào)理并輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)到MCU，本控制器選用XTR105作為溫度調(diào)理模塊，該芯片是美國BURR-BROWN公司生產(chǎn)的專用于溫度檢測系統(tǒng)中的溫度-電流變送器，它可以將電阻溫度變送器中的電阻值隨溫度的變化量轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，該電流值僅與RTD阻值有關(guān)，而與線路電阻無關(guān)，不僅可以消除線路電阻所產(chǎn)生的誤差，而且可以對鉑熱電阻中的溫度二次項(xiàng)進(jìn)行線性補(bǔ)償，提高溫度檢測系統(tǒng)的線性度和精度，詳細(xì)的溫度測量模塊如圖5所示。
    通信模塊將設(shè)定流量和溫度傳輸?shù)娇刂破?，并?shí)時(shí)顯示預(yù)處理模塊各個(gè)參數(shù)。本控制器采用通用RS 232接口直接與PC互連。

3 控制器軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件分為主流程和多個(gè)子流程，主流程主要是對各路傳感器信號(hào)進(jìn)行循環(huán)轉(zhuǎn)換采集分析，并對采集到的實(shí)際值與理論值進(jìn)行比較，然后反饋到兩路線性調(diào)節(jié)閥的開度上，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須滿足溫度和流量兩個(gè)設(shè)計(jì)值，所以在控制策略上分為兩個(gè)流程分別對溫度和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。對于溫度誤差允許的死區(qū)范圍為±0．5℃，流量誤差為±0．1 L。如果系統(tǒng)溫度和流量在死區(qū)范圍內(nèi)，不進(jìn)行調(diào)節(jié)，只計(jì)算理論與實(shí)際值誤差，超出誤差范圍后進(jìn)行分段調(diào)節(jié)，即在調(diào)節(jié)過程中不斷比較，一旦滿足調(diào)節(jié)立刻停止。采用這種調(diào)節(jié)方式可以使系統(tǒng)很快收斂，具體系統(tǒng)主流程圖如圖6所示。

    線性調(diào)節(jié)閥是采用模擬信號(hào)進(jìn)行控制的，本控制器采用了帶SPI總線的D／A輸出模塊LTC2622，C8051F020內(nèi)部集成SPI總線接口，進(jìn)行硬件連接后，只需要進(jìn)行簡單的初始化配置后即可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
    SPI總線發(fā)送數(shù)據(jù)程序如下：
   
    控制系統(tǒng)對各路傳感器的采集應(yīng)該是實(shí)時(shí)的，本控制器模擬量通道數(shù)為7路，而C8051F020本身自帶的A／D轉(zhuǎn)換通道為16路，其中8路為12位采集精度，對每組轉(zhuǎn)換值取算術(shù)平均，完全滿足控制器的要求，采用定時(shí)器定時(shí)溢出觸發(fā)方式啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)初始化完成就一直處于轉(zhuǎn)換運(yùn)行狀態(tài)。
    A／D轉(zhuǎn)換子程序如下：
   

4 控制器試驗(yàn)
    為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)可行性，按照系統(tǒng)圖1設(shè)計(jì)一套預(yù)處理裝置，分別在海水人口、混合器出口以及濃海水排出口安裝PT100溫度傳感器，在混合器出口和濃海水出口處安裝流量傳感器，而海水進(jìn)口流量則為兩者之差。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩項(xiàng)試驗(yàn)用于驗(yàn)證裝置的可控性。
    試驗(yàn)1：進(jìn)入模塊的海水溫度T1變化，模塊可自動(dòng)調(diào)節(jié)到期望的參數(shù)值，即混合后(出模塊、進(jìn)入海水淡化裝置)的模塊出水溫度和流量可控。
    試驗(yàn)2：進(jìn)入模塊的海水保持溫度T1不變，模塊出水可按設(shè)定值輸出，滿足海水淡化裝置變負(fù)荷要求(不同進(jìn)水流量)。
    兩項(xiàng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)見表1。

    上述兩項(xiàng)試驗(yàn)說明：無論外界海水溫度是否穩(wěn)定，模塊總能將海水調(diào)節(jié)至所需的溫度和流量值，滿足海水淡化裝置設(shè)計(jì)點(diǎn)需求。

5 結(jié)論
    本文介紹了Cygnal C8051F020單片機(jī)在海水淡化裝置海水預(yù)處理上的應(yīng)用，開發(fā)出一種預(yù)處理控制器，用實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證。該控制器充分利用了C8051F020的內(nèi)部資源，不但大大縮短了項(xiàng)目開發(fā)周期，而且減少了外擴(kuò)單元，降低了項(xiàng)目成本。