51单片机在锅炉水处理控制中的应用

0 引 言
自然水中通常含有钙镁等离子，俗称硬水。在锅炉用水中需要去除水中的钙镁离子而形成软水以防止锅炉结垢。在生产中锅炉水的软化处理是一项重要的安全指标，所以，对于锅炉水处理的技术要求愈来愈高。单片机以其较高的灵活性和稳定性广泛应用在自动控制领域。本文所设计的锅炉水处理控制装置，由高低水位控制进水阀开关，选用单片机为核心，C语言编程实现循环时间电路控制。该装置已成功应用于成都富华水处理公司。

1 软水生产工艺过程及对自控系统的要求
1．1 生产工艺过程
软化水设备的工作原理是基于阳离子交换原理。水由交换柱上流下，与交换树脂中的盐离子充分接触达到把原水中的杂质、易结垢的重金属阳离子去除掉。其生产工艺大致分为下列几步：①条件满足后运行；②松床：主要把交换柱中压紧的交换树脂充分冲开使之与要处理的水充分接触；③再生：水处理经过一段时间后，交换器树脂中的盐离子会失去导致交换失效，要对交换树脂进行反洗，再用酸(或碱)溶液对树脂进行处理，使其恢复交换能力；④置换：在置换过程中，软化水由上而下流经交换柱，冲洗掉树脂中的钠离子，实现钠离子交换钙镁离子；⑤清洗：把树脂中残留的氯离子洗净。在实际运行中有A，B两套完全相同的结构构成一个系统，共有四个工位，各自工作于不同的工作流程，交替进行，各工位之间通过电机转动换位。当R(E)处于再生，置换过程时，E(R)要处于交换过程，以便为锅炉提供所需的软化水。工艺流程图如1所示(1#为进水阀，3#为再生阀)。

1．2 工艺过程对自动系统的要求
根据需要各个工位的运行时间长度不同。要求控制系统应能够设置、修改、存储各工位的运行时间长度，并能按照设置的各工位时间长度自动切换工作流程，控制各阀门的开关。并且能够随时手动干预当前工位使之快速进入下一个工位。
配合水位检测器，系统应能自动检测存储软化水容器的水位高低。达到上限时，系统应能自动停止运行，达到下限应能自动启动系统重新运行。水处理不管在怎样的情况下停止，设置的数据不能丢失，停止之前的运行状态应能保存下来，重新运行时接着原来的状态运行。面板显示当前系统所处状态：停机或运行；四个工位的哪个工位在运行，相应的指示灯亮；当前工位所剩时间长度等。面板设计如图2所示。

2 系统硬件设计
2．1 单片机的选择
本控制系统采用C8051F2xx系列的混合信号系统级MCU芯片，兼容8051内核，有8 KB的FLASH存储器还有硬件实现的UART和SPI串行接口。片内还集成了VDD监视器，看门狗WDT和时钟振荡器。芯片功能强大，简化了硬件部分，省去了不必要的外围芯片设计。
2．2 显示与按键功能设计
根据要求本系统显示柱号、工位号和分钟内容。这些内容都是数字。所以采用LED数码管作为显示器即可。为了简化显示，每一工位的运行时间精确到分，设置最长时间到百位，因而，采用三位数码管显示时间。再用一位显示工位号和柱号，共四位。运行时，显示当前运行柱号及当前工位所剩时间；设置时，显示当前要设置的工位号及设置的时分。当前运行工位时间采用倒计时显示。除了数码管显示器，面板上还要有7个发光二极管指示当前的各种工作状态。
设置(修改)各工位运行时间，系统需要有按键，本系统共设计5个按键。这些键有机结合，实现了选位，移位，设置时间和位号，复位等强大功能。在设置期间，整个软化水系统照常运行。只是显示器暂时不显示当前运行工位号及所剩时间，而改为显示所设置值罢了。
2．3 时间的获取与设置值的存储
系统整个工作流程是按照设定的时间间隔，控制各工位的轮换，这都由内部时钟来提供参考时间。通过按键设置的工位时间长度能保存起来，由数据存储器来保存。这些功能结合起来在一个芯片上实现，以便减少芯片数量，简化硬件设计，提高了系统抗干扰性能。

3 系统软件设计
3．1 主程序
系统软件主程序由基础C语言编写。软件首先进行硬件系统初始化，包括端口初始化、标志初始化、定时器初始化、中断设置等。主程序详细工作流程如图3所示。

3．2 中断服务程序-
时钟分更新和按键按下采用定时扫描的方式检测。在中断服务程序中，首先访问时钟的时间寄存器区，读取分更新寄存器，判断是否有分更新，如有则设置分更新标志，以备主程序使用。然后读取显示器驱动和按键控制芯片向单片机的输入接口值，判断是否有按键按下，当端口为低电平时，表示有按键按下，为高电平表示没有按键按下。
系统内部集成WDT定时器复位，防止系统出现软／硬件错误。一旦有错误出现，WDT溢出，系统报警，保证系统正常运行。
3．3 控制处理子程序
控制处理子程序是直接控制软化水设备的程序。当有分更新时，当前运行时间减1，判断当前工序的剩余时间是否为0。如果为0，表明当前工序运行时间到，电机转动换位，工序号增1，直到为最后工位时，再循环至第一位，继续运行。
3．4 按键处理子程序
按键用于系统的运行参数输入和控制，按键处理子程序实现硬件设计时定义的按键功能。本系统所用按键较少，但实现的按键功能较为齐全，有功能键，循环移位键，增1键，增1键根据不同内容自动限制输入值范围，有复位键使系统从初始状态运行。有单键起作用的，也有两键共同起作用的。