單片機(jī)在鍋爐水處理控制中的應(yīng)用

0 引 言
    自然水中通常含有鈣鎂等離子，俗稱硬水。在鍋爐用水中需要去除水中的鈣鎂離子而形成軟水以防止鍋爐結(jié)垢。在生產(chǎn)中鍋爐水的軟化處理是一項(xiàng)重要的安全指標(biāo)，所以，對(duì)于鍋爐水處理的技術(shù)要求愈來愈高。單片機(jī)以其較高的靈活性和穩(wěn)定性廣泛應(yīng)用在自動(dòng)控制領(lǐng)域。本文所設(shè)計(jì)的鍋爐水處理控制裝置，由高低水位控制進(jìn)水閥開關(guān)，選用單片機(jī)為核心，C語言編程實(shí)現(xiàn)循環(huán)時(shí)間電路控制。該裝置已成功應(yīng)用于成都富華水處理公司。

1 軟水生產(chǎn)工藝過程及對(duì)自控系統(tǒng)的要求
1．1 生產(chǎn)工藝過程
    軟化水設(shè)備的工作原理是基于陽離子交換原理。水由交換柱上流下，與交換樹脂中的鹽離子充分接觸達(dá)到把原水中的雜質(zhì)、易結(jié)垢的重金屬陽離子去除掉。其生產(chǎn)工藝大致分為下列幾步：①條件滿足后運(yùn)行；②松床：主要把交換柱中壓緊的交換樹脂充分沖開使之與要處理的水充分接觸；③再生：水處理經(jīng)過一段時(shí)間后，交換器樹脂中的鹽離子會(huì)失去導(dǎo)致交換失效，要對(duì)交換樹脂進(jìn)行反洗，再用酸(或堿)溶液對(duì)樹脂進(jìn)行處理，使其恢復(fù)交換能力；④置換：在置換過程中，軟化水由上而下流經(jīng)交換柱，沖洗掉樹脂中的鈉離子，實(shí)現(xiàn)鈉離子交換鈣鎂離子；⑤清洗：把樹脂中殘留的氯離子洗凈。在實(shí)際運(yùn)行中有A，B兩套完全相同的結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，共有四個(gè)工位，各自工作于不同的工作流程，交替進(jìn)行，各工位之間通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)換位。當(dāng)R(E)處于再生，置換過程時(shí)，E(R)要處于交換過程，以便為鍋爐提供所需的軟化水。工藝流程圖如1所示(1#為進(jìn)水閥，3#為再生閥)。

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1．2 工藝過程對(duì)自動(dòng)系統(tǒng)的要求
    根據(jù)需要各個(gè)工位的運(yùn)行時(shí)間長度不同。要求控制系統(tǒng)應(yīng)能夠設(shè)置、修改、存儲(chǔ)各工位的運(yùn)行時(shí)間長度，并能按照設(shè)置的各工位時(shí)間長度自動(dòng)切換工作流程，控制各閥門的開關(guān)。并且能夠隨時(shí)手動(dòng)干預(yù)當(dāng)前工位使之快速進(jìn)入下一個(gè)工位。
    配合水位檢測器，系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)檢測存儲(chǔ)軟化水容器的水位高低。達(dá)到上限時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)停止運(yùn)行，達(dá)到下限應(yīng)能自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)重新運(yùn)行。水處理不管在怎樣的情況下停止，設(shè)置的數(shù)據(jù)不能丟失，停止之前的運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)能保存下來，重新運(yùn)行時(shí)接著原來的狀態(tài)運(yùn)行。面板顯示當(dāng)前系統(tǒng)所處狀態(tài)：停機(jī)或運(yùn)行；四個(gè)工位的哪個(gè)工位在運(yùn)行，相應(yīng)的指示燈亮；當(dāng)前工位所剩時(shí)間長度等。面板設(shè)計(jì)如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 單片機(jī)的選擇
    本控制系統(tǒng)采用C8051F2xx系列的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，兼容8051內(nèi)核，有8 KB的FLASH存儲(chǔ)器還有硬件實(shí)現(xiàn)的UART和SPI串行接口。片內(nèi)還集成了VDD監(jiān)視器，看門狗WDT和時(shí)鐘振蕩器。芯片功能強(qiáng)大，簡化了硬件部分，省去了不必要的外圍芯片設(shè)計(jì)。
2．2 顯示與按鍵功能設(shè)計(jì)
    根據(jù)要求本系統(tǒng)顯示柱號(hào)、工位號(hào)和分鐘內(nèi)容。這些內(nèi)容都是數(shù)字。所以采用LED數(shù)碼管作為顯示器即可。為了簡化顯示，每一工位的運(yùn)行時(shí)間精確到分，設(shè)置最長時(shí)間到百位，因而，采用三位數(shù)碼管顯示時(shí)間。再用一位顯示工位號(hào)和柱號(hào)，共四位。運(yùn)行時(shí)，顯示當(dāng)前運(yùn)行柱號(hào)及當(dāng)前工位所剩時(shí)間；設(shè)置時(shí)，顯示當(dāng)前要設(shè)置的工位號(hào)及設(shè)置的時(shí)分。當(dāng)前運(yùn)行工位時(shí)間采用倒計(jì)時(shí)顯示。除了數(shù)碼管顯示器，面板上還要有7個(gè)發(fā)光二極管指示當(dāng)前的各種工作狀態(tài)。
    設(shè)置(修改)各工位運(yùn)行時(shí)間，系統(tǒng)需要有按鍵，本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)5個(gè)按鍵。這些鍵有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了選位，移位，設(shè)置時(shí)間和位號(hào)，復(fù)位等強(qiáng)大功能。在設(shè)置期間，整個(gè)軟化水系統(tǒng)照常運(yùn)行。只是顯示器暫時(shí)不顯示當(dāng)前運(yùn)行工位號(hào)及所剩時(shí)間，而改為顯示所設(shè)置值罷了。
2．3 時(shí)間的獲取與設(shè)置值的存儲(chǔ)
    系統(tǒng)整個(gè)工作流程是按照設(shè)定的時(shí)間間隔，控制各工位的輪換，這都由內(nèi)部時(shí)鐘來提供參考時(shí)間。通過按鍵設(shè)置的工位時(shí)間長度能保存起來，由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來保存。這些功能結(jié)合起來在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)，以便減少芯片數(shù)量，簡化硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)抗干擾性能。

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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 主程序
    系統(tǒng)軟件主程序由基礎(chǔ)C語言編寫。軟件首先進(jìn)行硬件系統(tǒng)初始化，包括端口初始化、標(biāo)志初始化、定時(shí)器初始化、中斷設(shè)置等。主程序詳細(xì)工作流程如圖3所示。

3．2 中斷服務(wù)程序-
    時(shí)鐘分更新和按鍵按下采用定時(shí)掃描的方式檢測。在中斷服務(wù)程序中，首先訪問時(shí)鐘的時(shí)間寄存器區(qū)，讀取分更新寄存器，判斷是否有分更新，如有則設(shè)置分更新標(biāo)志，以備主程序使用。然后讀取顯示器驅(qū)動(dòng)和按鍵控制芯片向單片機(jī)的輸入接口值，判斷是否有按鍵按下，當(dāng)端口為低電平時(shí)，表示有按鍵按下，為高電平表示沒有按鍵按下。
    系統(tǒng)內(nèi)部集成WDT定時(shí)器復(fù)位，防止系統(tǒng)出現(xiàn)軟／硬件錯(cuò)誤。一旦有錯(cuò)誤出現(xiàn)，WDT溢出，系統(tǒng)報(bào)警，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。
3．3 控制處理子程序
    控制處理子程序是直接控制軟化水設(shè)備的程序。當(dāng)有分更新時(shí)，當(dāng)前運(yùn)行時(shí)間減1，判斷當(dāng)前工序的剩余時(shí)間是否為0。如果為0，表明當(dāng)前工序運(yùn)行時(shí)間到，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)換位，工序號(hào)增1，直到為最后工位時(shí)，再循環(huán)至第一位，繼續(xù)運(yùn)行。
3．4 按鍵處理子程序
    按鍵用于系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)輸入和控制，按鍵處理子程序?qū)崿F(xiàn)硬件設(shè)計(jì)時(shí)定義的按鍵功能。本系統(tǒng)所用按鍵較少，但實(shí)現(xiàn)的按鍵功能較為齊全，有功能鍵，循環(huán)移位鍵，增1鍵，增1鍵根據(jù)不同內(nèi)容自動(dòng)限制輸入值范圍，有復(fù)位鍵使系統(tǒng)從初始狀態(tài)運(yùn)行。有單鍵起作用的，也有兩鍵共同起作用的。

4 結(jié) 語
    本文設(shè)計(jì)的用于軟化水設(shè)備的控制系統(tǒng)。與同類控制系統(tǒng)相比，單片機(jī)系統(tǒng)最小化，整個(gè)組成電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，系統(tǒng)可靠性高。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。