（生物医学工程专业论文）光纤谱分复用转炉炼钢终点控制系统.pdf

雯主堕皇 堂墅壁坌塞旦壁塑堕塑苎盛塑型墨垄 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h es y s t e mi se x p l o r e da n dd e s i g n e di nd e t a i | i no r d e rt oi e a l i z e d y n a m i ce n d p o i n tc o n t r o lo fb l o w i n gp r o c e s sf o rb a s i co x y g e nf b r n a c e ( b o f ) o i l l i n e ，i nt h em e t h o d ，t h es p e c t r u m s r a d i a t e df r o mt h em o u t ho f 矗r r l a c ea r ed i v i d e d i n t om u l t i - s i n g l es p e c t r u mb yt i s eo f o p t i c a lf i b e r ，a n dt h ei n t e n s i t yo f e a c hs p e c t r u m i sd e t e c t e db yc o r r e s p o n d e n to p t o - d e t e c t o ra tr e a lt i m e ，a n dt h e ni ti sc o n v e r t e di n t o d i g i t a ls i g n a lf o rt h ea n a l y s i sb yt h e e l e c t r i cc o m p u t e r t h ed a t ac o l l e c t i n gm a d p r o c e s s i n gc i r c u i ti sd e s i g n e d f o rt h er a d i a t i n gs p e c t r u m sb yu s i n go f m i c r o c h i p ，a n d t h ec o l l e c t i n gd a m sa r es e n d t oc o m p u t e rf o rd i s p o s i n ga tr e a lt i m eb ys e r i a lp o r l ， a n dt h er e l e v a n ts o f t w a r ei sd e s i g n e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sd e b u g g e da n di s t t s e di nt h ee x p e r i m e n t s0 i lt i n e ，t h er e s u l t sh a v ep r o v e dt h a tt h es y s t e mc o u l dm e e t t h ed e m a n d so fd y n a m i ce n d p o i mc o n t r o lo fb l o w i n gp r o c e s sf o rb a s i co x y g e n f u r n a c e ( b o f ) o nl i n e 、 k e yw o r d s ：f i b e rs e n s o r , s p e c t r m n ，s t e e l m a k i n g ，e n d - p o i n tc o n t r o l 硕士论文 光纤谱分复用转炉炼钢终点控制系统 1 绪论 1 1 选题背景及意义 自上世纪5 0 年代初氧气顶吹转炉问世以来，转炉生产规模，工艺流程，设 备和自动控制水平等方面发展迅速，在世界范围内得到迅速推广。氧气转炉工艺 是当今占主导地位的炼钢法。在世界钢总产量中，转炉钢的额份平均占7 0 左 右。最近几年许多国家转炉钢比率一直保持较高水平：德国8 3 ，日本、芬 兰、英国、巴西、韩国、加拿大、台湾地区7 0 一7 5 ，奥地利、澳大利亚、 比利时、卢森堡、荷兰等9 0 以上。中国的转炉钢产量则占总粗钢产量7 0 以上嘲。 炼钢终点控制是指控制冶炼终点的碳含量和温度，是炼钢的关键技术之一。 目前国内大多数的转炉炼钢生产采用人工经验进行终点判断，难以保证比较高 的终点命中率，造成资源浪费，效益低下。为此，本文试图通过实验分析找到 转炉炉口辐射光谱与冶炼终点之间的关系，从而进行准确的终点判断。准确控 制终点碳含量、温度的意义在于： ( 1 ) 提高转炉冶炼终点命中率、缩短冶炼时间卜3 分钟( 与冶金操作条件 有关) ，从而提高生产效率，降低成本。 ( 2 ) 由于精确了解钢水碳含量和温度的全部变化过程，避免了人工测温、 取样时常常需要的重吹，可保证钢的质量。 ( 3 ) 可实现吹炼终点自动控制，减轻炼钢工人的劳动强度，提高转炉炼钢 的自动化水平。 1 2 终点控制的发展和现状 转炉炼钢”3 是一个复杂的高温物理化学反应过程，其间涉及气体、液体、固 体在钢液、炉渣和炉气三相间的流动、传热、传质、熔化、溶解和高温化学反应 等复杂现象。转炉炼钢的目的就是将含有较多杂质的铁水与吹入的氧气发生反 应，达到去除杂质的目的，从而获得要求的钢水成分和温度转炉吹炼的终点控 制主要指终点的碳含量和温度的控制。 1 ) 终点碳含量控制 对于一个炼钢厂来说，铁水中的磷、硫含量一般相对稳定，采用经验渣量方 程一般可以满足生产要求。操作上最成问题的是碳“1 ，它在成品中的成分5 1 偏差 随钢种的不同，而有不同的要求，含碳在0 1 0 5 0 2 0 时，要求不超过o 0 1 t 0 0 2 ，极低碳钢则要求不超过0 0 0 5 。终点碳含量的控制主要依靠改变吹氧量 硕士论文光纤潜分复用转炉炼钢终点控制系统 来实现。 ( 2 ) 终点温度控制 熔池的温度“3 控制是不可缺少的，其目的是首先保证吹炼中的精炼反应要按 标准情况进行，其次是为了保证连铸时的浇铸温度适当。钢的凝固温度主要随碳 含量而异，因此终点熔池温度的控制目标取决于所要求的含碳量。一般说来，终 点温度控制的目标是要把停吹温度选择在以1 6 0 0 。c ”1 为中心的一个较宽的范围 内，对于此范围内所要求的温度，误差不超过一个上下限范围。 转炉吹炼终点的控制主要经历了人工经验控制、静态控制和动态控制几个发 展阶段。 1 2 1 人工经验控制 由于转炉吹炼是一个极其复杂的物理化学过程，凭人工经验进行终点控制显 然是不精确的。在现场操作中，碳含量和温度的一次命中率相当低，绝大部分炉 次需要进行次或多次补吹。这样不仅延长了冶炼时间，降低了转炉的寿命，增 加了金属消耗，而且影响了钢水质量，加大了工人的劳动强度“3 。 1 2 2 静态控制 静态控制”3 是按照己知的原材料条件和吹炼钢种的终点成分和温度，依据 物料平衡和热平衡原理，参考统计分析和操作经验所确定的基本公式，计算铁水、 废钢、冷却剂、渣料、铁合金及供氧量的加入量，并按照计算结果装料和吹炼， 吹炼过程中不作任何修正，这种控制方法称为静态控制。 静态控制属预测控制类型，据此建立的静态数学模型有三种类型： 一、理论模型 理论模型是根据炼钢反应理论，以物料平衡和热平衡为基础建立的，具有一 定的通用性。但实用效果不好，其原因在于理论模型还不十分完善，生产中的有 些实际情况在模型中没有完全反映。 二、统计分析模型 统计分析模型是应用数理统计方法，对大量的生产数据进行统计分析，确定 各种原材料加入量与各种影响因素之间的数量关系而建立的数学模型。 三、增量模型 增量模型是把整个炉役期间工艺因素变化的影响看作是一个连续过程，因而 可忽略相邻炉次间的炉容变化及原、辅材料理化性质变化等对吹炼的影响。仅以 上炉实际冶炼情况作为参考，对本炉次与上炉次相比发生改变的工艺因素相对变 化所造成的影响进行计算，以此作为本炉次操作的数学模型。 硕士论文 光纤潜分复用转炉炼钢终点控制系统 静态控制比人工经验控制能有效地利用欧炼过程的初始条件进行定量计算、 并进行控制，使终点钢水温度与碳含量的命中率有所提高，但由于仅考虑始态和 终态之间的差别，而末考虑各种变量随时间的实际变化，不能进行在线跟踪实时 修正，因而终点命中率提高有限。 目前国内相当数量的中小型转炉仍处在经验炼钢和单一静态控制模式，终点 命中率低，与世界先进水平相距甚远，同时又正值各转炉炼钢厂淘汰落后、提高 装备水平，向质量效益型企业发展的时期，无论是新建厂、还是旧厂改造，其所 具有的一个共同点就是要通过采用一些动态控制技术，提高冶炼过程的自动化控 制水平，提高转炉冶炼终点命中率，以获得更大的竞争优势。 1 2 3 动态控制 动态控制是在静态控制的基础上，应用副枪、炉气分析仪、自动测温装置等 检测欧炼过程中有关变量随时问变化的动态信息，依据检测到的动态信息对吹炼 参数及时进行修正，以达到预定的吹炼目标，提高命中率。 下面就几种常用的动态控制技术作一简单介绍“： 炉气分析动态控制 炉气分析动态控制是指通过监测炉口逸出的炉气成分，并将脱碳速度、炉内 氧气量和渣中氧含量等相关信息传给动态控制模型，为操作人员提供整个吹炼过 程中的钢液碳含量、熔池温度和渣成分 的任一时刻，可根据前一时刻的检测值 并且调整氧气和冷却剂用量。对吹炼中 预报下一时刻的成分和温度变化。比较 每一时刻计算值与检测值的误差，不断对结果进行校正，提高控制精度和命中率。 炉气分析是利用质谱仪通过检测转炉的炉气成分来推算冶炼终点，属于间接 测量法，其测量精度受诸多因素的影响。比如：炉气分析设备的分析精度、对炉 气流量的校正计算准确性、炉气分析系统的响应时间、模型本身的精度等对控制 效果影响较大。同时，质谱造仪造价很高，而且气体探针在恶劣的炉气环境中需 要经常维修，因而耽误时间，不能及时提供有关数据。1 9 9 7 年后，国外逐渐出 现了以红外激光穿透炉口炉气来测量炉气成分并用于终点控制的光学传感器 ”3 ，但这种方法仅对于碳含量很低( n 2 】 子午光线在光纤中传输的条件 s i n0 蕊 n i 、_ l i n 7 a ( 3 2 1 2 ) ( 3 2 1 3 ) 图3 ，2 1 1 a 阶梯折射率光纤径向折射率分布 b 子午光线的传输 b ( 2 ) 光纤的数值孔径 数值孔径n a = s i n 0 。= 竹? 一h ；, - - 0 5 1 3 5 ( 3 2 1 4 ) 数值孔径反映了光纤的集光本领，数值孑l 径越大，光纤对子午光线的集光本 领也越大。 ( 3 ) 光纤的损耗和色散 光纤的损耗和色散在通信领域中是光纤重要的特征参数，但由于本系统中光 纤仅用于传光，且输入光足够强，损耗和色散均可以忽略不计。 3 2 2 光纤束( 一分十) 的设计 把许多单根光纤两端用胶紧密地粘贴在一起，做成不同长度和不同截面形状 的光纤元件就是光纤束。目前市场上有两种光纤束，一种是用来传递光能的传光 束，另一种是用来传递图象的传像束。由于两者的作用不同，因此它们的结构形 式和要求也不尽相同。 本课题对光纤束的要求：光纤束在接收到光谱能量后要均匀的将其分为十 份，分别传输到十个光电检测器件中去。这就决定了不能采用现成的传光或传像 硕士论文光纤谱分复用转炉炼钢终点控制系统 束，而必须自行设计光纤束的排列结构。将直径为i 0 6 5 r a m 的粗光纤束一端截面 放罨在光谱采集系统的焦面上，接收其采集的炉口火焰光谱能量，另一端分成十 小股光纤束，将炉口火焰光谱能量均匀她分成十份。不同波长的干涉滤光片分别 贴在小股光纤的末端，滤得所需的光送入光电检测器件。另外，转炉炉火光谱图 样成像在光纤端面上时并非一个规则的圆，而是如图3 2 2 1 的不规则图形，光 纤束端面上不是所有的光纤接收到的光辐射能量完全一致，所以必须仔细考虑光 纤一股分十股的排列分布问题。 图3 2 2 1 光谱成像形状 首先考虑随机型分布。将十根小光纤的一端去除外包层，将光纤彻底打乱后， 胶合，切出平整光滑的表面。按随机排列做出的一个样品，基本符合要求，能够 将光谱能量大致均匀的传入十股小光纤束。但是随机型结构存在一定的误差，只 适应在精度较低的场合使用。 为了使输入各光电检测器件的光谱能量尽量均匀，讨论更合理的光纤排布结 构。准备十股直径为4 m m 的传光光纤束，从每股中取出一根光纤，将这取出的十 根光纤合成一个小单元，将这些小单元任意排列，最终都能够得到均匀的光谱能 量。 3 2 3 光源与光纤的耦合 光纤与光源耦合，其耦合效率( 耦合损耗) 在很大程度上影响系统的性能。 光源与光纤的耦合效率可以用光纤的数值孔径来计算。光源中只有入射到 光纤端面上某些方向的入射光才能耦合进入光纤。考虑到阶梯折射率光纤的几何 结构，要使光耦合为束缚光，光线必须进入光纤且被纤芯包层界面全反射。 图3 ，2 1 1 中可以清楚地看到，入射光必须小于最大入射角= 3 0 9 0 入射，才能 满足这一要求： 根据折射定律 硕士论文光纤谱分复用转炉炼钢终点控制系统 ”os i n 吼= n is i n o l = ，z 2c o s q 9 全反射s i n 纯：垒 强 光纤的数值孔径 n a = s i n 吼= 厢一0 5 1 3 5 0 。= 3 0 9 。( 3 2 3 3 ) 对于所有方向辐射相同的光源来说，耦合系数正比于n a 的平方。 在该系统中，为了能更大限度的接收转炉炉火光辐射，采用透镜耦合。图 3 。2 3 1 为水平端面光纤的透镜耦合示意图。该系统的光谱采集镜头的口径相当 大，提高了距离系数，在光纤数值孔径一定的 青况下，能够提高耦合系数。 图3 2 3 1 水平端光纤的透镜耦合 3 3 干涉滤光片的选择 系统接收到光纤传来的光，需要将光变成单色光，实现的方法有多种，从现 场实用性及经济角度考虑，选用法布里伯罗干涉滤光片“将光过滤成窄带 光，再送入光电检测器。 在光电探测器前端加入窄带干涉滤光片，以滤除其它波长和背景干扰辐射。 干涉滤光片的中心波长为所选用的测量波长。其半波带宽度的选择原则是：在保 证测量灵敏度的前提下选取尽量小的半波带宽度，以保证其测量的准确度。 硕士论文光纤谱分复用转炉炼钢终点控制系统 4 数据采集系统的设计 能否正确分析出光谱信号与炼钢终点之间的相应关系，首先要保证对光谱信 号的准确的采集。本章着重讨论炉口辐射光谱信号采集电路的设计过程。包括硬 件电路的设计及单片机程序的编写。 4 1 系统设计要求 由于光谱信号的采集电路用于炼钢炉口光辐射信号的采集，现场环境比较 恶劣，因此设计具有如下要求： ( 1 ) 为了实时作出处理与判断，要求接收与处理系统响应速度快； ( 2 ) 能够在高温、烟尘等恶劣环境下工作： ( 3 ) 信息量较大，且须实时处理； ( 4 ) 为便于单独调试和以后能够应用与不同的转炉组成一个网络系统，该 采集系统单独做成一个模块。通过串口与微机相连； 接收电路主要通过软件与硬件相结合来完成。 4 2 采集电路总体设计方案 单片机控制功能强、体积小、功耗低，并且具有一定的数据处理能力，因此 被广泛地应用于仪器、仪表中。智能化仪器中增加了微型计算机或单片机，可以 比较容易地将计算技术与测量控制技术结合在一起。由于单片机具有以上的优 点，考虑到对于本系统使用单片机已经可以满足设计要求，故选用单片机作为本 系统的控制器。 根据光学系统设计，炉口辐射光谱经过光电转换输出十路电压信号，这十路 电压信号分别代表不同波长的辐射光强。根据不同波长信号光辐射强度的不同， 经过滤波后通过增益不同的放大电路，达到要求电压幅度后进入a d 转换电路进 行转换，单片机采集转换后数据经处理后通过串口发送到微机。具体采集电路主 要通过软件与硬件相结合来完成。系统的总体设计方案如图4 2 1 。 由下图4 2 1 可以看出系统主要以单片机为核心构成炉口辐射光谱信号的 采集电路，系统主要由光电探测器、滤波电路、放大器、采样保持、a d 转换 电路、单片机、时钟电路、数据存储电路、通讯电路、看门狗等组成。各部分电 路的工作原理与设计过程将在后面章节详细介绍。 硕士论文光纤谱分复用转炉炼钢终点控制系统 图4 2 1 采集电路组成框图 6 硕士论文光纤谱分复用转炉炼钢终点控制系统 4 3 硬件电路设计 4 3 1 光电探测器 光电探测器“”是一种将辐射能转换成电信号的器件，是光电系统的核心组成 部分，在光电系统中的作用是发现信号、测量信号、并为随后的应用提取某些必 要的信息。 光电探测器的种类很多，按探测机理的物理效应可分为两大类：一类是利用 各种光子效应的光子探测器，另一类是利用温度变化效应的热探测器。 ( 1 ) 光子探测器 光电子发射探测器，光电子发射效应也称为外光电效应。入射辐射的作用是 使电子从光电阴极表面发射到周围的空间中，即产生光电子发射。包括真空光电 管、充气光电管和光电倍增管等。 光电导探测器，入射辐射与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互作用，产生 自由电子一空穴对、自由电子或空穴，从而使半导体材料的电导增加。主要用作 光敏电阻。 光伏探测器，光伏效应是另一种应用广泛的内光电效应，是半导体受光照射 产生电动势的现象。 光电磁探测器，这种探测器工作时必须使用磁场，使用很不方便，因此应用 不广泛。 ( 2 ) 热探测器 对辐射的响应和光子探测器不同。基于材料吸收了光辐射能量以后温度升高 的现象，这一现象称为光热效应。光热效应的特点是入射光辐射与物质中的晶格 相互作用，晶格因吸收光能而增加振动能量，这又引起物质的温度上升，从而导 致与温度有关的材料的某些物理性质的变化。与光子将能量直接转移给电子的光 电效应有本质的不同。包括热电偶、热电堆、热释电探测器等。 光伏探测器是利用半导体p n 结光生伏特效应而制成的探测器，简称p v ( p h o t o v o l t a l c ) 探测器。按照对光照敏感“结”的种类不同，又可分为p n 结 型、p i n 结型、金属一半导体结型和异质结型。最常用的光伏探测器有光电池、 光电二极管、光电三极管、p i n 管和雪崩二极管等等。 光伏探测器与光电导探测器相比较，主要区别在于： 产生光电变换的部位不同，光电导探测器是均值型，光无论照在它的哪一部 分，受光部分的电导率都要增大，而光伏探测器是结型的，只有到达结区附近的 光才产生光伏效应。 硕士论文光纤谱分复用转炉炼钢终点控制系统 光电导探测器没有极性，工作时必须外加偏压，而光伏探测器有确定的正负 极，不需要外加偏压也可以把光信号转变为电信号。 光电导探测器的光电效应主要依赖于非平衡载流子中的多子产生与复合运 动，驰豫时间较大，同此，响应速度慢，频率响应性能较差。而光伏探测器的光 伏效应主要依赖于结区非平衡载流子中的少子漂移运动，驰豫时间较小，因此， 响应速度快，频率响应特性好。另外，像雪崩二极管和光电三极管还有很大的内 增益作用，不仅灵敏度高，还可以通过较大的电流。 探测器的选择方法： 在工作光波长上有较高的灵敏度，并且在室温工作条件下，有效地 将光信号变换为电信号。 1 高保真度：它能在一个宽广的光信号强度范围内不失真地将光信号转换 为电信号，也就是有良好的线性。 2 + 短响应时间，宽探测带宽。 3 噪声低：在光转换为电的过程中带入的噪声及本身产生的噪声越小越好。 4 尺寸小、重量轻：易与光纤有效耦合，并便于与后续电子线路组装成一小 型模块此外性能稳定、寿命长、价格便宜也是必不可少的。 基于上述特点，并考虑到半导体器件尺寸小，电压低，有合适的工作波长， 并能和电子元件集成，因此，本系统的光电探测器选择半导体器件。 根据前端光学系统选择的十个测量波长，考虑到在线性测量中，不仅要有高 的灵敏度和稳定性，同时还要求于人眼视见函数有相似的光谱响应特性，所以对 于系统中4 0 5 n m 、4 5 0 h m 、5 3 5 n m 三个波长，选择2 c r l1 3 3 型蓝硅光电池( 也称硅 蓝光电池) 。从它的光谱曲线中可以看出，在o 4 8 um 的入射光时，其相对响应 仍大于5 0 。 ( 扯m ) 图4 3 1 i 硅光电二极管的光谱特性 光电池用作探测器时，相当于一个电流源形式，光电流和光强保持线性关系。 为了后续的a d 电路的采样，在电路中需要将光电池输出的电流转换为电压，设 硕士论文光纤潜分复用转炉炼钢终点控制系统 计了一个电流一电压转换电路。如图4 3 1 _ 2 所示，转换系数可以通过调整可调 电位器w 1 进行。 电压 图4 3 1 2 电流一电压转换电路 对于系统中其余七个波长，选择3 d u 3 c 光电三极管作为探测器。完全能够满 足要求。 4 3 2 滤波器的设计 为了有效消除高频噪声的影响，采用了二阶有源低通滤波电路m 州，集成运 放构成的有源滤波器具有高增益( 本电路通过在负反馈支路中加入可调电位器 w 1 ，通过w l 调整电路增益) ，高输入阻抗和低输出阻抗等优点，使其具有良好的 隔离缓冲作用，避免了无源滤波器需要阻抗匹配的缺点。电路如图4 3 2 i 所示。 u j b ) 图4 32 1 二阶低通滤波电路 堡主堡苎堂堑堂坌墨望堕生堡塑垒皇丝型墨竺 郴川等 ：彳。生堕。生盟 “。( s ) u 。( s ) ：4 。j 一 1 十3 s r c + f s r c ) 2 用j w a i s ，且令五= 丽1 得出电压放大倍数表达式为： a u = 1 一 可解出通带截止频率为，口“0 3 7 f o 。 根据示波器分析光电探测器输出信号，选择截止频率为6 0 0 h z ，参考器件手 册，r 4 = r 5 = t k ，c 1 = c 2 = c 3 - - - - - 0 1 胪。 4 3 3 放大电路的设计 本系统中集成运放全部采用超低失调电压运算放大器0 p 0 7 ，输入失调电压 为i 0 , u v ( a 级) ，输入失调电流为o 3 n a ( a 级) 。输入偏置电流为0 7 n a ( a 级) ，共模输入阻抗为2 0 0 g f ) ，频带宽度为o 6 m h z 输出阻抗为6 0 q ，功 耗为7 5 m w ，完全满足本系统的设计要求。 o p 0 7 芯片引脚排列如图4 3 3 1 所示： 引脚1 和8 为运算放大器漂移电压补偿。使用时通过在两引脚之间接入一个 2 0 k q 的可调电位器，通过调整电位器来对运放进行零点调整； 引脚2 为运算放大器反相输入端。用做同相输入放大器时，通过一个电阻接 地，用做反相放大器时，通过一个电阻接输入信号； 引脚3 为运算放大器同相输入端。用做同相输入放大器时，通过一个电阻接 输入信号，用做反相放大器时，通过一个电阻接地； 引脚4 、7 分别为运算放大器的负、正电源输入端； 引脚6 为运放输出端； 型主堡苎： 垄堑堂坌墨星茎丝堕塑鳖皇丝型墨竺 图4 3 3 1o p 0 7 弓i 脚图 s y m b o l p a 哺m n rm l n t y p v i o 叫o o f f s e t 瓷祭+ 1 0 5 。c 6 01 5 0 2 5 0 p v l o n gt e r mt n p u to f f s e t - v o l t a g es 怡b i m v n o t e1 l 0 42 p v m o d v i n p u t o h s e t v o i t a g e d r i f t 0 5 8 p v 。c i n p u to “s e tc u n e n l 心= 0 v )08 k o c t 唧b + 1 0 5 c d t l 。i n p u t o f f s e t c u f f e n t d r i f t 1 55 0o a ，c i n p u tb i a sc u r r e n t t 87 i b o c t 帕s + 1 0 s c9 d l m i n d m b i a s c u r r e n t d r i f tt 55 0d a ，。c r 。o p e nl o o po u t i tr e s j s t a n c e 6 0 n r b d i f f e r e n t i a li n p u tr e s i s t a n c e3 3m n r i cc o m m o n 咻0 d ei n p u tr e s i s t a n c eg n i n p u tc o m m o n m o d e v o l t a g er a n g e1 3 1 35 v l c m 0 + c t 曲e + 1 0 5 4 c 3 c o m m o n m o d er e j e c t i o nr a t i om c = v 啪m h ) 1 1 2 0 0 c t 洲b e + 1 0 5 。c9 7 d b 8 v r s u p “yv o l t a g er e j e c t i o nr a t i o ( v c c2 3t o 1 8 v )9 01 0 4 0 cg b n + 1 0 5 c 8 6 d b l 。r g 。s v c i g c n a ：l l v 0 5 l t a r l g e ：g a 2 i 虹n1 v 。2 1 0 v 1 2 04 0 0 凡a 0 c t 日s + 1 0 5 。c 1 v m l v v c c2 3 吨= 0 ( ! v o2 土o5 v 1 0 04 0 0 o u 船l i tv o l t a g es w i n g 钆tt o k f ；t 1 21 3 h 礼= 2 k n1 15 28 r l = 1 k n t 2 o c5 t b e + 1 0 5 c r l = 2 k n 1 1 s t e w r a t e ( r l ；2 m c l 。1 0 0 p f ) 0 1 7 v p s g 8 pg a i n $ a n d w i d l hp r o d u c t ( r l2 2 k n c l = 1 d 0 p f , f = 1 0 0 k h z ) o 5 m h z i c c 8 邺l y c c u r r e n t - n 州ol o a d 5 一 275 6 v e t = 3 v 06 713 5 9 “臀? ：爱“8 v d t a 9 8 2 0 e n r = i h z 1 051 35 h z f = 1 t z 1 0 ”5 目“噻勰“”。”m 0 30 9 卫生 i n ；： k h o o h ：2 o20 3 币i 0 t0 2 图4 3 3 2 为电气特性 2 硕士论文光纤谱分复用转炉炼钢终点控制系统 转炉炼钢炉口辐射光的强度经现场测试后证明强度足够大，因此在本系统中 放大电路基于实际情况出发考虑设计为单级放大电路。本系统的工作重点分为两 个：一、放大：二、迸一步提高系统的抗干扰能力。为此在放大电路的反相输入 端加入了零位调整电路。同时为了避免高频干扰通过正，负直流电源进入放大电 路，在电源和放大器之间接入了二阶低通滤波电路。 4 3 4 采样保持电路 图4 3 3 3放大电路 在进彳亍多通道动态信号采集对，无论从经济的角度来考虑，还是从简化电路 结构的角度来考虑，电路中选择的a d 转换电路通常少于系统将采样的通道数， 如果不采取措施，会造成分时采样的多路转换器的信号到了a d 转换就有了时 间差，从而造成多通道信号之间产生相位差。为此，本系统的设计中在每一个通 道都有一个采样保持器，这种同时采样、分时复用a d 的技术基本可以消除信 号之间的相位差。 本采样电路选用了集成型通用芯片l f 3 9 8 。“，该芯片特性如下： ( 1 ) 有较低的捕捉时间，最低达6 , u s 。该时间与所选择的保持电容值有关， 硕士论文光纤谱分复用转炉炼钢终点控制系统 电容越大，捕捉时间越长。 ( 2 ) 有较高的采样保持电流比，可达1 0 7 。该值是保持电容器充电电流与 保持模式时电容漏电流的比值，是表征采样保持器质量的标志。 ( 3 ) 电荷转移值较低，因此使采样保持器产生的偏移误差较小，并且允许 采用数值低的保持电容器，以提高捕捉信号的速度。 ( 4 ) 在采样和保持模式时有较高的输入阻抗，约3 0 m q l f 3 9 8 的供电电压可在5 v 到1 8 v 之间选择，8 脚和7 脚是两个控制端， 使用时7 脚接参考电压，可选择不同的电平，以适应8 脚控制信号的电平。本系 统中7 脚接地，8 脚所接控制信号大于1 4 v 时，l f 3 9 8 处于采样状态，此时输出 端跟随输入端变化，当8 脚为低电平时，l f 3 9 8 处于保持状态，其输出保持8 脚 变为低电平前的输入值。保持电容c 。选择时，如果电容小，可以提高采样频率， 但限制了精度。本系统不需要很高的采样频率，选择c 。= 2 0 0 0 p ，这样，馈送、 采样保持的偏差和下降误差可以减小。电路如下图所示： 图4 3 4 1 采样保持电路 4 3 5 电子开关与a d 转换电路 4 3 5 1 电子开关0 d 4 0 5 1 在本系统中要求对十个通道的信号进行采集，这样必须通过多通道动态信息 采集来实现。电子集成技术的发展和计算机技术的进步使得程控放大器和抗混滤 波一体化、数据采集可编程化成为现实，大大提高了动态信号处理的水平精度。 a d 电路任一时刻只能对一路信号进行处理，为了实现对多路输入信号进行 处理，必须采用多路切换技术，对多路输入信号进行轮流切换，以使a d 能分时 硕士论文光纤谱分复用转炉炼钢终点控制系统 对每一路信号进行处理，多路选择开关电路就是为实现这一功能而设计的电路。 为了对十路模拟输入信号进行切换，本系统采用了2 片八选一模拟开关芯片 c d 4 0 5 1 来组成多路选择开关电路，通道选择由单片机的p 3 5 、p 3 6 和p 3 7 来 控制。多路模拟开关是以c m o s 开关作为最基本的开关单元组成的，其作用是用 作电压控制开关。c d 4 0 5 1 的管脚图和逻辑功能图如图4 3 5 1 1 所示，i n h 为芯 片的禁止工作端，要使芯片工作，所有c d 4 0 5 1 中的第6 管脚( i n h ) 均必须接低 电平，即接地。当信号范围为0 5 v 时，c d 4 0 5 1 的第7 管脚( v e e ) 应接地，信 号范围为一5 v + 5 v 时，应将v e e 管脚接一5 v ，在本系统中无负信号，所以v e e 和i n h 直接接地。 瑚x 搬 搬 珊 x | x ， 】c 嚣 嬲 暑 c 1 忸 l a 地址辅八通道母 l n ha 2a la o进遴通道号 0oo ox c o m x 0 000lx c o m x 1 00l0x c o m x 2 o0j1x c o m x 3 0loo) c c o m x 4 01olx c o m - x 5 o1l0x c o m x 6 0lllx c o m - - x 7 b 图4 ：3 5 1 i a ：c d 4 0 5 1 引脚图b ：c d 4 0 5 1 功能表 4 3 5 2 a d 转换器m c l 4 4 3 3 大规模集成电路技术的发展，使a d 转换器的发展速度惊人。为了适应系 统集成的需要，有些a d 转换器将多路转换开关、采样保持电路、时钟电路、 基准电压源、二十进制译码器和转换电路等集成在一个芯片内，超越了单纯的 a d 转换功能。这大大简化了a d 器件外围电路的设计，提高了模数转换的 精度。因此在选择a d 转换器时，在满足系统设计要求的基础上，应优先选用 此类器件。 a d 转换器的种类很多，根据位数来分，有8 位、1 0 位、1 2 位、1 6 位、2 4 位等a 位数越高，其分辨率越高，但价格也越高：根据外部接口来分，有并行输 出和串行输出两类。并行输出数据传输快，接口复杂；串行输出数据传输慢，但 硕士论文 光纤谱分复用转炉炼钢终点控制系统 接口简单：根据工作原理来分有逐次逼近式a d 转换、双积分式a d 转抉、v f 式a d 、并行式a d 转换等。在这些转换方式中，双积分式a d 转换精度 高、但速度慢，多用于数据采集及精度要求比较高的场合。逐次逼近式a d 转 换转换时间与转换精度比较适中，是目前应用最多的一种；v f 式a d 转换具 有适于远距离传输的优点；并行式a d 转换转换速率高，但由于工艺限制，其 分辨率般不高于8 位o ”。 根据本系统对a d 转换的要求，经过查阅各a d 厂家的资料、市场调研，选 用由m o t o r o l a 公司生产的3 1 2 位双积分a d 转换器m c l 4 4 3 3 。 m c l 4 4 3 3 采用双积分原理完成a d 转换，全部转换电路用c m o s 大规模集成 电路技术设计，具有功耗低、精度高、功能完整、使用简便及与微机或其它数字 电路兼容等优点。 一、特性 转换精度：读数的0 0 5 4 - l 字。 电压量程：1 9 9 9 v 和1 9 9 9 m y 两档。 转换速率：4 1 0 h z ，相应时钟频率变化范围为5 0 1 5 0 k h z 。 片内提供时钟脉冲发生电路，使用时只需外接一电阻，也可以使用外部输入 时钟。 片内具有自动极性转换和自动调零功能。 外接单一正电压基准，基准电压和量程有关。当量程为 压为2 v ，当量程为1 9 9 9 m y 时，基准电压为2 0 0 m v 。 二、引脚功能 i 9 9 9 v 时，基准电 l 端：v c ，模拟地，为高阻抗输入端，作为输入被测电压 的地。 2 端：v n ，基准电压，为外接基准电压输入端。 3 端：v 。输入被测电压。 4 端：r 1 ，外接积分电阻端。 5 端：r l c l ，外接积分元件端。 6 端：c 1 ，外接积分元件端，积分波形输出端。 7 8 端：外接失调补偿电容端。 9 端：叫，实时输出控制端，主要控制转换结果的输出 1 4 端输出连接，则每一转换周期的结果都将被输出。 1 0 1 1 端：时钟信号输入、输出端。 1 2 端：v 眭，负电源端。 1 3 端：v 。数字地。 图4 3 5 2 i l c l 4 4 3 3 引脚图 在使用中，该端和 孔睇船群尬伸慵嗨坞m心 馏墨器器黑鬣 g i c ；： h帆q鲫g叫锄魄恤 ，2 3 4 6 ，8 b 0 ，2 硕= b 论文光纤潜分复用转炉炼钢终点控制系统 1 4 端：e o c ，转换周期结束标志输出。 1 5 端：溢出标志输出。 1 6 1 7 1 8 1 9 端：d s 4 、d s 3 、d s 2 、d s l ，多路调制选通脉冲信号输出的个位、 十位、百位、干位。 2 0 2 1 2 2 2 3 端：q 3 、q 2 、q 1 、q o ，a d 转换结果输出信号( b c d 码) ，q o 位l s b 位，q 3 位m s b 位。 2 4 端：v 。正电源端。 三、主要参数选择 参考电压v r ：应根据输入电压范围来选择， = 巧等 可用下式计算 式中，n 2 位b c d 输出数据，输入电压v 。为1 9 9 9 v 为1 9 9 9 ，则v 。= 2 v 。 ( 4 3 5 2 1 ) 要求b c d 码输出最大值 ( 2 ) 积分电容c 和积分电阻r ：积分电容c 通常可选为0 1 ，在选定c 之 后，r 由如下公式决定： 7 1 r = 0 丝盟f 4 3 5 2 2 ) c a v 取c = o 1 矿，v d d = 5 v ，f o k = 6 6 k h z ，则当v 。= 2 o v 时，r = 4 7 0 k 1 2 。 四、数据输出方式 m c l 4 4 3 3 转换的结果采用b c d 码动态扫描输出，它的千位、百位、十位、个 位分别与d $ 1 、d s 2 、d s 3 、d s 4 输出高电平时相对应。即在选通信号d s 2 、d s 3 、 d s 4 对应位上，q 3 、q 2 、q 1 、q o 输出b c d 码，在选通信号d s l 对应位上除了输出 千位数外，同时输出欠、过量程标志，正、负极性标志等。可用来查询m c l 4 4 3 3 的工作状态。本系统中m c l 4 4 3 3 与单片机直接接口，e o c 与d u 端相连，以选择 连续工作方式，其中一片m c l 4 4 3 3 的输出数据( q o q 3 ，d s l d s 4 ) 与单片机的 p 1 口相连，另一片m c l 4 4 3 3 的输出数据( q o q 3 ，d s l d s 4 ) 与单片机的p o 口 相连，采用软件查询方式来读取数据。 五、基准电压产生 根据参数设计结果，需要参考电压v r = 2 v ，这一基准电压由l m l 4 0 3 芯片产 生，该芯片输入为+ 5 v 电压，在输出端与m c l 4 4 3 3 之间接入一个2 k 的可调电位 器w 1 ，通过调整w l ，可以获得需要的参考电压。 硕士论文光纤谱分复用转炉炼钢终点控制系统 图4 3 5 2 2 基准电压产生 4 3 5 30 d 4 0 5 1 与m 0 1 4 4 3 3 的连接 通过上面设计过程，对于输入的十路模拟信号，分成了两组，每组五路信号 进入电子开关c d 4 0 5 1 ，c d 4 0 5 1 共有八个输入通道，选用了前五个输入通道，未 用的三个通道连接在一起接地，v e e 和i n h 直接接地。通道选择由单片机的p 3 5 、 p 3 6 和p 3 7 来控制，选通控制信号同时接两个c d 4 0 5 1 ，每次有两路模拟信号同 时进入后续的两片m c l 4 4 3 3 进行a d 转换，单片机采用查询方式监测a d 转换工 作，转换完成后，单片机从两片m c l 4 4 3 3 取走数据，进行存储，完成后重发通道 选择信号选择另一通道重复同一工作过程，在软件中加入计数器，计数长度累加 到五时，完成了一次十路模拟信号转换过程。 正 r h h 臣一 _ l 兰； i ： ；? il i ：三与 _ 二l 二一 上* t t r - l i 一 l = = ) h l ， 亨 l ，c 一 上 l 吒= = = 卜一 图4 3 5 3 1c d 4 0 5 1 与m c l 4 4 3 3 的连接图 硕士论文 光纤谱分复用转炉炼钢终点控制系统 4 3 6 单片机的选择 单片机主要应用于控制系统中。单片机应用的意义绝不仅限于它的广阔范围 以及所带来的经济效益，更重要的意义在于从根本上改变了传统的控制系统的设 计思想和设计方法，这种以软件取代硬件的控制技术，称为微控制技术。 单片机的特点o + ： 1 、单片机集成度很高。通常一块芯片就是一台微型计算机，这样单片机硬 件结构比其它微机系统就大大地简化了，而且减少了蹩个硬件的元器件数量。在 许多应用中，系统几乎可以不用任何外加器件及专用接口芯片。因此单片机应用 系统具有体积小、功能强、易于产品化等特点，能方便组成各种智能控制系统。 如对于一台仪器，可以作到机、电、仪一体化，故而单片机应用系统能获得最佳 的性能价格比。 2 、具有通用性和灵活性。单片机是按照用户编写程序去工作的。用户可以 根据需要去开发它。单片机不仅可以应用于生产各领域，还可以应用于生活领域。 若想改变一个单片机应用产品的功能，硬件可以基本不变，只需改变固定在存储 器中的程序，就能实现产品的功能更新。 3 、面向控制。单片机的指令系统具有紧凑格式和快速执行的特点。有丰富 的条件分支转换逻辑，位处理功能很强，而且中央处理单元c p u 逻辑控制功能也 很强，运行速度快，能进行实时处理。所以特别适合于工业控制，仪器仪表及数 据采集诸领域。 4 、单片机片内带有各种多功能的i o 接口，便于系统扩展。单片机中断能 力很强，使其在实时控制中能够发挥很大作用。 5 、具有掉电保护，功耗极低。 6 、可靠性高，抗干扰能力强，由于单片机把各个功能部件集成在一块芯片 上，这样不仅大大缩短了系统内部信息传输的距离，而且也有效地减少了外部干 扰，提高了可靠性。 7 、应用研制周期短，开发效率高。一般微型计算机应用研制周期时间较长。 而单片机应用研制周期较短。因为单片机开发较简单，只要通过简易开发装置， 就可实现在线开发，即直接在实际环境中开发。当它一旦开发成功，就可付诸实 际应用。 选择单片机主机芯片时要考虑以下几点： l 、根据应用系统对单片机性能要求进行选择。 2 、要尽可能选择设计者较为熟悉，曾经接触过的单片机系列，并巳最好是 能拥有相当的开发调试手段；这样进行系统设计时能顺利开展工作。 硕士论文光纤谱分复用转炉炼钢终点控制系统 3 、尽量选择有丰富的应用软件和成熟硬件支持辅助电路的单片机主机芯片。 4 、尽量选择有可靠供应来源，并且性能价格比较好的单片机芯片。 基于以上原因，综合考虑设计要求，本系统采用由a t 8 9 c 5 1 组成的单片机系 统来实现其数据采集、处理、发送等功能。 表4 3 6 ia t 8 9 c 5 1 口地址分配表 口引脚功能 接m c l 4 4 3 3 ( u 3 ) 的q o q 3 ，d s i d s 4 。通过查 p o 询方式接受a d 转换后数据 接m c l 4 4 3 3 ( u 2 ) 的q o q 3 , d s i d s 4 ，通过查 p l 询方式接受a d 转换后数据 接电子开关c d 4 0 5 1 的三个地址端，进行通 p 3 5 ，p 3 6 ，p 3 7 道选择 4 3 7 看门狗电路 单片机应用系统工作时，要求复位