單片機(jī)C8051F2xx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(lái)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(kāi)關(guān)，選用單片機(jī)為核心，C語(yǔ)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(guò)程及對(duì)自控系統(tǒng)的要求

1．1 生產(chǎn)工藝過(guò)程

軟化水設(shè)備的工作原理是基于陽(yáng)離子交換原理。水由交換柱上流下，與交換樹(shù)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(yáng)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(shù)脂充分沖開(kāi)使之與要處理的水充分接觸；③再生：水處理經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，交換器樹(shù)脂中的鹽離子會(huì)失去導(dǎo)致交換失效，要對(duì)交換樹(shù)脂進(jìn)行反洗，再用酸(或堿)溶液對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行處理，使其恢復(fù)交換能力；④置換：在置換過(guò)程中，軟化水由上而下流經(jīng)交換柱，沖洗掉樹(shù)脂中的鈉離子，實(shí)現(xiàn)鈉離子交換鈣鎂離子；⑤清洗：把樹(shù)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(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)換位。當(dāng)R(E)處于再生，置換過(guò)程時(shí)，E(R)要處于交換過(guò)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)。

1．2 工藝過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)度，并能按照設(shè)置的各工位時(shí)間長(zhǎng)度自動(dòng)切換工作流程，控制各閥門(mén)的開(kāi)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(cè)器，系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)檢測(cè)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(lái)，重新運(yùn)行時(shí)接著原來(lái)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(zhǎng)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(mén)狗WDT和時(shí)鐘振蕩器。芯片功能強(qiáng)大，簡(jiǎn)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(jiǎn)化顯示，每一工位的運(yùn)行時(shí)間精確到分，設(shè)置最長(zhǎng)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(lái)提供參考時(shí)間。通過(guò)按鍵設(shè)置的工位時(shí)間長(zhǎng)度能保存起來(lái)，由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來(lái)保存。這些功能結(jié)合起來(lái)在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)，以便減少芯片數(shù)量，簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)抗干擾性能。

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(yǔ)言編寫(xiě)。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(cè)。在中斷服務(wù)程序中，首先訪問(wèn)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(méi)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(yǔ)

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(jiǎn)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。