風量和煤粉的均勻分配是保障工業燃煤鍋爐安全和經濟運行的重要條件，也是保證煤粉充分燃燒的決定性因素。鍋爐良好的燃燒狀態可有效避免爐內火焰中心偏移、防止爐鏜兩側溫差過大、降低能耗及提高設備的使用壽命。因此，採用科學的方法，較為精確的實時監控各噴燃器入口的風速、風壓、溫度等參數，是工業燃煤鍋爐經濟運行的必備前提。
在鍋爐實際運行中，由於受測量手段等諸多因素的影響，目前國內電廠對工業燃煤鍋爐一、二次風速的檢測普遍採用靜壓測量方式，因此不能正確反映一、二次風管內的風速等狀況；此外，由於在單位時間內，進入噴燃器的風量不僅取決於壓力，還與風速、溫度有著密切的關係，增加了測量難度。傳統的鍋爐參數測量多採用單通道、專門功能的計量儀表，不能滿足多通道的綜合檢測、集中監控與數據比較分析的需要。本設計採用低成本的單片機和外圍監測電路，實現對工業燃煤鍋爐多通道風壓、風速、溫度的實時監測與顯示，並與上位機通訊，進行數據處理、列印與存儲。
2 系統組成和工作原理
2.1 系統組成
本監測儀採用89C52單片機作為核心控制器件，按照模塊化的設計原則，將監測系統分為：CPU主控卡、通道控制、數據存儲、A／D轉換、放大電路、鍵盤及顯示等功能模塊，系統組成框圖如圖1所示。
模塊化設計的結果使監測系統結構簡潔，便於維護，可靠性得到提高，而且也使系統的功能擴展成為可能，可為系統預留一定的升級空間。
2.2 工作原理
鍋爐多路風壓、風速在線監測系統的工作原理為：鍵盤／顯示模塊作為外設與CPU實現人一機信息交流；同時，CPU經通道控制模塊選擇採集通道，對被選擇通道的數據相繼進行信號採集、放大、A／D轉換後輸入CPU，在CPU內部經運算、比較、數值轉換處理後輸出到鍵盤／顯示模塊，顯示所要監測的相關數據。當要求顯示風壓大小時，直接將採集的風壓數據經過放大、轉換即可；當要求顯示風速大小時，則須將採集的風壓和溫度數據按照式(4)計算(軟體程序計算)後，送鍵盤／顯示模塊顯示相應通道及風速。
3 硬體設計
3.1 通道選擇電路
本系統共有16路數據採集通道，表1為通道選擇真值表，可以通過89C52的P1口控制16個通道的選通狀態(Q1～Q4)。圖2為通道選擇控制電路，8D鎖存器74LS373的輸入引腳D1～D8與89C52的P1口連接，輸出腳Q1～Q6用於選擇控制16個通道，其中：Q4，Q5，Q6分別與A1(74LS138)的A、B、C腳相連；定義A1的輸出口Y0，Y1為A2或A3的片選控制信號，當Y0為低電平時選擇A2晶片工作，當Y1為低點平時選擇A3工作；74LS373的Q1，Q2，Q3則分別與A2，A3晶片的A，B，C腳直接相連，實現採集通道的8選1控制，再與Q4高／低電平2個狀態結合，就可實現16路通道的選擇。
3.2 程控信號放大電路
傳感器輸出的電壓信號比較小，與A／D轉換輸入埠不匹配，必須在A／D轉換前加一個信號放大電路，選用超低漂移高精度運算放大器OPO7。又由於通道數較多，各通道參數的精度、量程不同，因此，監測到的信號需要根據不同的通道，選擇合適的放大倍數，更好地完成信號的放大處理，為A／D轉換器提供更為精確的採集信號。 圖3為放大電路，採用4路選擇開關CD4052晶片來選擇放大倍數Ki。用圖2中的74LS273的Q7，Q8輸出埠控制CD4052晶片，選擇X0，X1，X2，X3，實現電阻R1，R2，R3，R4的切換，進而實現改變放大倍數的目的。
放大倍數
3.3 A／D轉換電路
選用ADI公司的16位串行口的A／D轉換晶片AD7715，它使用開關電容逐次逼近技術完成A／D轉換過程，只有1路模擬輸入。逐次轉換各個通道數據，將轉換完的數據存儲在數據存儲器裡，需要用時再取出來。該晶片具有自校準、系統校準功能，可以消除零點誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響。
圖4為AD7715與89CA2的連接，單片機的P2.2，P2.1，P2.0引腳分別與AD7715的SCLK、DRDY、DOUT(DIN)引腳連接。由於AD7715的輸入與輸出不同步，所以輸入與輸出引腳接在單片機的同一個引腳P2.0上。AD7715的片選信號(CS)直接接地，模擬信號由AIN(+)引腳進入，經轉A／D換後由DOUT輸出數位訊號到單片機，而單片機運算處理過的數據則由DIN輸入給AD7715，其中AIN(+)，AIN(-)，DIN，DOUT均是串行口。MCLKIN，MCLKOUT主時鐘信號端(即晶振連接端)。
3.4 鍵盤／顯示接口電路
採用8279鍵盤顯示專用晶片與單片機相連。在該設計中，一共設置了6個控制鍵，6個LED數碼顯示管(前2個用來顯示被測通道號，後4個用來顯示所監測通道的具體數值)；其中6個按鍵的功能說明如下：
「設置」鍵：通電後儀表可隨時按「設置」鍵，進入設置狀態，輸入密碼，再次按「設置」鍵，可修改設置參數(密碼錯誤時，按設置鍵將返回監測狀態)，當該參數項不需要修改時，可直接按「設置」鍵，進入下一個參數的設定。
「定點」鍵：按「定點」鍵，顯示方式將在固定顯示某一通道的參數和循環顯示各通道參數兩種方式間來回切換。如原來為定點方式，按「定點」鍵，將變為循環顯示方式；如原來為循環方式，按「定點」鍵，將變為定點顯示方式。
「∨」、「∧」鍵：設置數據採集通道。在循環顯示方式時，按上下鍵無效，在定點方式時，通道號分別加減1。
「切換」鍵：可使顯示內容為風速、風壓顯示兩個參數中的一種，如原來顯示風速，按「切換」鍵，數碼顯示管將顯示風壓值。
「復位」鍵：將外部512 B RAM中的數據傳送給上位PC機，並存儲數據以及數據列印。
3.5 可編程看門狗監控E2PROM X25045電路
89C52單片機有8 kB內部程序存儲器空間，256 B內部數據存儲器空間。系統的程序量不大，8 kB內部程序存儲器空間可以滿足系統的設計要求，無需外擴程序存儲器；多通道數據採集系統是一個數據頻繁、數據量比較大的系統，256 B內部數據存儲器空間達不到要求，需要外擴效據存儲器來保存和處理採集的數據。
採用串行E2PROM器件X25045晶片作為外部數據存儲器。其主要特點為：利用低VCC檢測電路，可以保護系統使之免受低電壓狀況的影響；存儲器部分是CMOS的串行E2PROM，內部按5128組織，10萬次寫人次數，100年數據儲存；看門狗定時器對單片機提供了獨立的保護系統。圖5是X25045與單片機的連接圖。在整個工作期內，片選CS端為低電平；WP端為高電平時，所有防寫功能正常。SCK，SI，SO分別接單片機的P2.4，P2.5，P2.6。其中SCK串行時鐘輸入，上升沿寫入數據或命令，下降沿輸出數據；SI串行輸入，由此引腳逐位寫入數據或命令；SO串行輸出，由此引腳逐位輸出數據。
3.6 檢測電路
該系統需要監測風壓與風速2個參數，而風速是有風壓與溫度計算得到的，計算公式見式(4)。
在風壓監測時，將採集到的電流信號通過電阻轉變成電壓信號，電壓大小等於該電阻上的電壓，得到的電壓信號通過放大器放大，輸入到A／D轉換器，轉換成二進位的數位訊號，再根據存儲在RAM中的數據查找到相應的壓力即可得到相對的壓力大小。
在溫度監測時，見圖6，採用熱電阻的三線接法來監測溫度，這樣可以消除導線電阻RL引起的監測誤差，使監測結果更精確。測得Rt如下：
其中V3，R1，V0都為已知數，V3為電阻R1上的電壓。
由熱電阻阻值跟溫度的關係可得溫度t。
R0為溫度為0℃時熱電阻的電阻值。
風速：
其中：K為測速管標定係數；P為風壓；t為熱風溫度。
在實際應用中，事先將溫度平均分成很多段，用中值法算出每段中點對應的溫度值，然後根據這些點描出電阻一溫度的曲線，通過軟體部分製成表，放入單片機的RAM中，然後在巡測過程中通過查表可以知道此電阻值所對應的溫度值。
4 軟體設計
該系統用單片機內部RAM及其中斷系統實現多路數據採集、暫時存儲、數據處理、數據顯示以及其他的輔助功能。在系統的軟體設計中，考慮到程序的可讀性，系統的可擴展性以及升級的需要，採用模塊化的設計方法，每個模塊實現一定的功能，這樣模塊與模塊之問能相對獨立，使得程序結構清晰。程序設計主要分主程序模塊、A／D採集模塊、鍵盤處理模塊、數據處理模塊、存儲顯示模塊等幾個部分。
圖7為主程序模塊的流程圖。
5 結 語
該設計以低成本集成單片機為核心，組成軟體與硬體相結合，數位技術與模擬技術相結合的系統，對工業環境中多通道的溫度、風壓、風速等參數進行實時監測、顯示，在需要列印的時候還可以列印出需要的數據。該系統結構合理、操作方便、性能可靠、運行穩定，經實際應用的證明能夠滿足工業燃煤鍋爐多路風壓、風速、溫度的檢測工藝需要。