温度式智能型火焰检测器

0 引言

在炼铁、炼钢、炼焦及火力发电等行业中，正确检测锅炉内部火焰的状态并且对火焰状态进行分析和做出相应的控制，是保证系统安全运行的关键[1]。火焰检测是其中关键的环节，要保证火焰检测的正确性，必须有一性能比较可靠的火焰检测仪器[1]。

在现在的市场上，有紫外线、热电偶等多种火焰检测器，但这些火焰检测器性能都不是很完善，需要进行改进。例如，紫外线火焰检测器对光线太敏感，如果在应用场合不能很好地避免太阳光等的照射，就容易使控制系统造成误动作，而且其成本也比较高[3]。而现在市场上有的热电偶火焰检测器，其反应速度太慢，不能消除环境温度的干扰，并不能满足火焰检测快速性的要求。为了满足火焰检测快速、准确的要求，我们提出了一种火焰检测器的设计方法。

1 硬件部分设计

我们设计的火焰检测器，由温度检测部分、人机对话接口部分、显示接口部分、串行通讯接口等部分组成。整个仪器原理框图如图1所示。

图1 系统框图

用Philips公司生产的单片机作为微处理器，负责将各温度传感器传送回来的温度信号进行分析处理，判别出火焰的状态，将炉膛内部的温度值显示以及完成与上位机(即系统中的主控制器)的通讯，协调各部分的工作。该单片机内部已经集成了8 k的EPROM，256字节的RAM，8通道的10位AD转换器，所以不需要进行ROM，RAM及AD转换器的扩展[4]。

检测锅炉炉膛内部温度的传感器可以选择K分度的热电偶，温度变送器选用SBWZ/R2000，其量程可调。将变送器输出的4～20 mA电流信号经过一个转换电路后转换为0～5 V的电压信号。

环境温度检测元件选用总线式智能型温度传感器，测量范围为-55 ℃～125 ℃，可以在内部将环境温度转换为数字量，在单片机需要的时候，通过串行数据传送方式将温度值传送给单片机。单总线串行数据传送的方法可以节省单片机的引脚，但是需要大量的软件进行辅助，并且必须保证对其进行操作的时序。这里用P2.2管脚作为数据传送总线。

因为一般能用到火焰检测器的工业现场，与主控制器的距离都比较远，可能达到上千米。RS-232通讯标准不能满足要求，所以这里选用RS-485串行通讯标准进行本火焰检测器与主控制器之间的通讯。RS-485串行通讯标准的通讯距离可以达到12 000 m，这能够满足大部分工业现场的需求，对于少数不能满足要求的场合，可以加中继器将通讯距离加长。RS-485的电平转换芯片选用MAX-485。MAX485只能进行半双工通讯，这里用P0.0口控制MAX-485是工作于接收状态还是发送状态[5]。

人机对话接口部分电路主要是设计一个键盘阵列，用户可以通过该键盘设定一些参数，如温度值、本机地址等数据。该键盘阵列有数字键和功能键，该键盘采用中断请求扫描方式，当有键按下时，发出中断请求，单片机应答该请求信号后对键盘进行扫描。键盘接口部分电路还需要完成对键盘抖动的消除、多键同时按下时的处理等。在本设计中，键盘抖动的消除是通过硬件来完成的，用RC滤波的方式将抖动消除；这里还设计了一个逻辑电路，该电路的功能是只有一个键按下时才向单片机发出中断请求。中断采用电平触发方式，中断请求的接口电路如图2所示。

图2 中断请求的接口电路

2 软件部分设计

软件部分主要是完成数据采集和分析等功能。因为在加热过程中，炉膛温度变化比较快，所以这里设定它的采样间隔时间为10 s，而环境温度在短时间内变化不会很明显，所以这里设定它的采样间隔时间为10.84 min。

在实际的工业现场，控制器、智能仪表等控制系统中的组成部件都需要与主控制器进行数据、命令等的交换，对整个控制系统来说，不会只有主控制器和火焰监测器，所以火焰监测器与主控制器之间的通讯，应该用多机通讯模式，现在规定其通讯协议如下：

1) 通讯采用主从方式，应用到本火焰检测器的系统的主控制器为主机，本火焰监测器为从机。

2) 火焰监测器开始处于只接收地址的状态，接收到主机发来的地址帧后，与本机地址相比较，如果与本地址相同，则进入通讯程序，否则就退出。

3) 主机发送的控制命令代码：

01H 要求从机发送火焰状态给主机。

02H 要求从机发送炉膛内部的实时温度给主机。

03H 要求从机接收主机传来的温度设定值，代替原来的设定值。

4)从机状态格式(如表1所示)。

表1 从机状态字格式

其中ERR=1表示从机接收到非法命令；若TRDY=1表示发送准备就绪，下一次从机发送给主机的就是主机要求从机发送的数据；若RRDY=1表示从机已经做好了接收主机发来的数据的准备，主机可以向从机发送数据，随后主机就向从机发送数据。

5) 若从机接收到非法命令，则需要重新联络。

6) 一次通讯完成后，从机又回到SM2=1的状态下，只接收主机发送的地址帧。

7) 本火焰检测器的串行通讯采用中断激活方式。主程序的流程图如图3所示。串行通讯中断服务程序流程图如图4所示。

图3 主程序流程图

图4 通讯中断服务程序流程图

3 总结

本文介绍了一种新的火焰监测器的设计方法，提出了一种新的判别火焰状态的方法，该方法的应用提高了火焰检测器的反应速度，解决了现有火焰检测器的一些弊端，提高了火焰检测的准确性。