基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)水力參數(shù)監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

引言

監(jiān)測(cè)水電站水電機(jī)組水力參數(shù)的目的首先是確保水電站的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，其次是鑒定、考查水電機(jī)組的性能。因此，作為水電站自動(dòng)化水平主要表征之一的水力參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置必須進(jìn)一步提高其自動(dòng)化程度，逐步進(jìn)行技術(shù)改造。目前在水電機(jī)組的水力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，通常是用前置傳感器和監(jiān)測(cè)儀表相配合。C8051F005是近幾年得到廣泛應(yīng)用的一種單片機(jī)，其運(yùn)算速度高、工作穩(wěn)定且內(nèi)置豐富，為此，本文給出了以該芯片為核心，同時(shí)配合多路前置傳感器對(duì)水電機(jī)組的多個(gè)水力參數(shù)進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 工作原理和基本技術(shù)參數(shù)

水電機(jī)組重要的水力參數(shù)主要是水輪機(jī)的過(guò)機(jī)流量、累積流量、工作水頭和機(jī)組效率。水輪機(jī)過(guò)機(jī)流量可采用蝸殼差壓法來(lái)進(jìn)行測(cè)量，即用壓差變送器測(cè)出蝸殼測(cè)流斷面內(nèi)外的壓差△P，并根據(jù)壓差△P與流量Q的關(guān)系式 計(jì)算出水輪機(jī)的流量，其中，參數(shù)K為蝸殼流量系數(shù)，一般可預(yù)先通過(guò)絕對(duì)效率試驗(yàn)（如流速儀法、水錘法等）來(lái)確定。累積流量則是過(guò)機(jī)流量的累積和。

水輪機(jī)的工作水頭定義為水輪機(jī)的進(jìn)口斷面與尾水管出口斷面的總能頭之差，實(shí)際計(jì)算中，工作水頭H可用差壓變送器來(lái)測(cè)量進(jìn)口壓力P1與尾管口壓力P2的壓差，但需考慮兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)的高程差（用差壓變送器時(shí)，此差為0）以及與過(guò)機(jī)流量Q、進(jìn)出口截面積S1、S2有關(guān)的動(dòng)水頭項(xiàng)，用關(guān)系式表示為：

式中：nt為水輪機(jī)效率；nu為機(jī)組效率；Ng為發(fā)電機(jī)功率，單位為MW；ng為發(fā)電機(jī)效率（可從設(shè)計(jì)單位提供的發(fā)電機(jī)效率曲線查?。?；Q為水輪機(jī)相對(duì)流量，單位為m3／s；Ht為水輪機(jī)工作水頭，單位為m；γ為水的容重，單位為N／m3。

2 監(jiān)測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該監(jiān)測(cè)儀中CPU所選用的C8051F005內(nèi)部程序存儲(chǔ)器包含32 k+128字節(jié)的FLASH，可在線編程調(diào)試。三路變送器產(chǎn)生的4～20 mA的電流同時(shí)送人監(jiān)測(cè)儀后。可經(jīng)過(guò)I／V變換轉(zhuǎn)換成0～5 V的直流模擬電壓。電壓經(jīng)過(guò)調(diào)理后（0～2.4 V）送入C805F005，并利用其內(nèi)部的12位ADC對(duì)模擬電壓進(jìn)行數(shù)字化并測(cè)量，然后經(jīng)過(guò)CPU計(jì)算并將產(chǎn)生的結(jié)果同時(shí)顯示在LCD上?？紤]到系統(tǒng)的線性度要求，本設(shè)計(jì)采用三路獨(dú)立的D／A產(chǎn)生模擬信號(hào)并經(jīng)過(guò)V／I變換后輸出。計(jì)算中用到的參數(shù)可以預(yù)先寫(xiě)入并由按鍵手動(dòng)修改。電源部分除為監(jiān)測(cè)儀內(nèi)部各個(gè)芯片供電的同時(shí)，還要為三路變送器供電（具體電壓電流視實(shí)際情況而定）。該監(jiān)測(cè)儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.2 I／V變換及電壓調(diào)理

系統(tǒng)I／V變換采用的R CV420芯片是美國(guó)RURR-BROWN公司生產(chǎn)的精密電流環(huán)接收器，用于將4～20 mA輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～5 V輸出信號(hào)。該芯片具有很高的性能價(jià)格比，它包含一個(gè)高級(jí)運(yùn)算放大器、一個(gè)片內(nèi)精密電阻網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)精密10 V電壓基準(zhǔn)，其總轉(zhuǎn)換精度為0.1％，共模抑制比CMR達(dá)86DB，共模輸入范圍達(dá)40 V。RCV420在滿量程時(shí)的電壓降僅為1.5 V，故在環(huán)路中串有其它儀表負(fù)載或在對(duì)變送器電壓有嚴(yán)格限制的應(yīng)用場(chǎng)合非常有用。但在實(shí)際使用中要注意對(duì)RCV420的調(diào)零，否則RCV420在輸人4 mA時(shí)可能產(chǎn)生微弱的輸出，這會(huì)影響系統(tǒng)的線性度和準(zhǔn)確度。由于C8051F005內(nèi)置的12位ADC采用內(nèi)部參考電壓（REF0CN=0x07）時(shí)的滿度電壓為2.4 V，所以RCV420的輸出要經(jīng)過(guò)電壓調(diào)理。而由于單片機(jī)的阻抗很大，該調(diào)理電路應(yīng)采用電阻分壓方式，調(diào)理過(guò)程產(chǎn)生的微小誤差可以通過(guò)軟件進(jìn)行補(bǔ)償。具體應(yīng)用及調(diào)理電路如圖2所示。

2.3 V／I變換電路

V／I變換電路可選用BURR-BROWN公司生產(chǎn)的精密電壓電流轉(zhuǎn)換芯片XTR110來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該轉(zhuǎn)換芯片可以把接收到的0～5 V或0～10 V的直流模擬電壓轉(zhuǎn)換成4～20 mA、0～20 mA或5～25 mA的直流電流。本設(shè)計(jì)應(yīng)用的是第一種轉(zhuǎn)換方式，即將0～5 V范圍的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～20 mA的電流信號(hào)。事實(shí)上，XTRR110芯片內(nèi)置精密的電阻網(wǎng)絡(luò)和10V參考電壓，最大線性誤差為0.005％。輸出采用P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管，本設(shè)計(jì)使用的是IR公司的IRF9513，若使用其它場(chǎng)效應(yīng)管．則應(yīng)滿足的最大耐壓值為：BVDSS=80 V，BVGS=40 V。具體電路如圖3所示。

2.4 液晶顯示器的連接

本監(jiān)測(cè)儀的顯示部分是采用12864的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊MS12864A的設(shè)計(jì)。該模塊自帶驅(qū)動(dòng)電路和漢字庫(kù)，可與MCU進(jìn)行8位并行連接。使用該模塊可以同時(shí)顯示所要監(jiān)測(cè)的多路參數(shù)而不用切換。由于C8051F005的引腳電壓為3.3 V，所以需要外接上拉電阻以驅(qū)動(dòng)液晶模塊，其具體連接電路如圖4所示。

3 監(jiān)測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)

本測(cè)試系統(tǒng)軟件可用C語(yǔ)言編寫(xiě)而成，整套程序可由主程序、鍵盤(pán)顯示處理程序、中斷處理程序、數(shù)據(jù)分析處理程序及AD、DA等子程序構(gòu)成。圖5所示是其主程序框圖。

4 誤差分析

本系統(tǒng)在調(diào)試試驗(yàn)中用到的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)由哈爾濱電機(jī)廠提供。具體參數(shù)有：蝸殼壓差變送器最大壓差值為70 m、最大流量為320 m3／s、水頭壓差變送器的最大值為70 m、蝸殼進(jìn)口斷面積為44.16 m2、尾水管出口斷面積112 m2、當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹?.8 m2／s、發(fā)電機(jī)效率為98％。具體的流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所列，表2所列為本文所介紹的監(jiān)測(cè)儀器的水頭效率試驗(yàn)參數(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)有微小的誤差，其主要原因是由于RCV420和XTR110的調(diào)零不準(zhǔn)確，從而影響了系統(tǒng)的線性度。另外，電壓調(diào)理電路中的電阻也要盡量精確。另外，測(cè)試中有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)顯示不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這主要是C8051F005內(nèi)部的12位ADC采樣不穩(wěn)定造成的。由于該系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求不是非常高，可以考慮對(duì)測(cè)量值進(jìn)行5次采樣，并濾除掉最大和最小的采樣值，然后提取剩下三個(gè)采樣值的平均值來(lái)進(jìn)行計(jì)算。試驗(yàn)表明，此方法可以減小顯示的不穩(wěn)定。該儀器的試驗(yàn)樣品經(jīng)過(guò)哈爾濱電機(jī)廠的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明：其現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相同，儀器工作比較穩(wěn)定。

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