自然水中通常含有鈣鎂等離子，俗稱硬水。在鍋爐用水中需要去除水中的鈣鎂離子而形成軟水以防止鍋爐結垢。在生產中鍋爐水的軟化處理是一項重要的安全指標，所以，對于鍋爐水處理的技術要求愈來愈高。單片機以其較高的靈活性和穩定性廣泛應用在自動控制領域。本文所設計的鍋爐水處理控制裝置，由高低水位控制進水閥開關，選用單片機為核心，C語言編程實現循環時間電路控制。該裝置已成功應用于成都富華水處理公司。

1 軟水生產工藝過程及對自控系統的要求

1．1 生產工藝過程

軟化水設備的工作原理是基于陽離子交換原理。水由交換柱上流下，與交換樹脂中的鹽離子充分接觸達到把原水中的雜質、易結垢的重金屬陽離子去除掉。其生產工藝大致分為下列幾步：①條件滿足后運行；②松床：主要把交換柱中壓緊的交換樹脂充分沖開使之與要處理的水充分接觸；③再生：水處理經過一段時間后，交換器樹脂中的鹽離子會失去導致交換失效，要對交換樹脂進行反洗，再用酸（或堿）溶液對樹脂進行處理，使其恢復交換能力；④置換：在置換過程中，軟化水由上而下流經交換柱，沖洗掉樹脂中的鈉離子，實現鈉離子交換鈣鎂離子；⑤清洗：把樹脂中殘留的氯離子洗凈。在實際運行中有A，B兩套完全相同的結構構成一個系統，共有四個工位，各自工作于不同的工作流程，交替進行，各工位之間通過電機轉動換位。當R（E）處于再生，置換過程時，E（R）要處于交換過程，以便為鍋爐提供所需的軟化水。工藝流程圖如1所示（1#為進水閥，3#為再生閥）。

1．2 工藝過程對自動系統的要求

根據需要各個工位的運行時間長度不同。要求控制系統應能夠設置、修改、存儲各工位的運行時間長度，并能按照設置的各工位時間長度自動切換工作流程，控制各閥門的開關。并且能夠隨時手動干預當前工位使之快速進入下一個工位。

配合水位檢測器，系統應能自動檢測存儲軟化水容器的水位高低。達到上限時，系統應能自動停止運行，達到下限應能自動啟動系統重新運行。水處理不管在怎樣的情況下停止，設置的數據不能丟失，停止之前的運行狀態應能保存下來，重新運行時接著原來的狀態運行。面板顯示當前系統所處狀態：停機或運行；四個工位的哪個工位在運行，相應的指示燈亮；當前工位所剩時間長度等。面板設計如圖2所示。

2 系統硬件設計

2．1 單片機的選擇

本控制系統采用C8051F2xx系列的混合信號系統級MCU芯片，兼容8051內核，有8 KB的FLASH存儲器還有硬件實現的UART和SPI串行接口。片內還集成了VDD監視器，看門狗WDT和時鐘振蕩器。芯片功能強大，簡化了硬件部分，省去了不必要的外圍芯片設計。

2．2 顯示與按鍵功能設計

根據要求本系統顯示柱號、工位號和分鐘內容。這些內容都是數字。所以采用LED數碼管作為顯示器即可。為了簡化顯示，每一工位的運行時間精確到分，設置最長時間到百位，因而，采用三位數碼管顯示時間。再用一位顯示工位號和柱號，共四位。運行時，顯示當前運行柱號及當前工位所剩時間；設置時，顯示當前要設置的工位號及設置的時分。當前運行工位時間采用倒計時顯示。除了數碼管顯示器，面板上還要有7個發光二極管指示當前的各種工作狀態。

設置（修改）各工位運行時間，系統需要有按鍵，本系統共設計5個按鍵。這些鍵有機結合，實現了選位，移位，設置時間和位號，復位等強大功能。在設置期間，整個軟化水系統照常運行。只是顯示器暫時不顯示當前運行工位號及所剩時間，而改為顯示所設置值罷了。

2．3 時間的獲取與設置值的存儲

系統整個工作流程是按照設定的時間間隔，控制各工位的輪換，這都由內部時鐘來提供參考時間。通過按鍵設置的工位時間長度能保存起來，由數據存儲器來保存。這些功能結合起來在一個芯片上實現，以便減少芯片數量，簡化硬件設計，提高了系統抗干擾性能。

3 系統軟件設計

3．1 主程序

系統軟件主程序由基礎C語言編寫。軟件首先進行硬件系統初始化，包括端口初始化、標志初始化、定時器初始化、中斷設置等。主程序詳細工作流程如圖3所示。

3．2 中斷服務程序

時鐘分更新和按鍵按下采用定時掃描的方式檢測。在中斷服務程序中，首先訪問時鐘的時間寄存器區，讀取分更新寄存器，判斷是否有分更新，如有則設置分更新標志，以備主程序使用。然后讀取顯示器驅動和按鍵控制芯片向單片機的輸入接口值，判斷是否有按鍵按下，當端口為低電平時，表示有按鍵按下，為高電平表示沒有按鍵按下。

系統內部集成WDT定時器復位，防止系統出現軟／硬件錯誤。一旦有錯誤出現，WDT溢出，系統報警，保證系統正常運行。

3．3 控制處理子程序

控制處理子程序是直接控制軟化水設備的程序。當有分更新時，當前運行時間減1，判斷當前工序的剩余時間是否為0。如果為0，表明當前工序運行時間到，電機轉動換位，工序號增1，直到為最后工位時，再循環至第一位，繼續運行。

3．4 按鍵處理子程序

按鍵用于系統的運行參數輸入和控制，按鍵處理子程序實現硬件設計時定義的按鍵功能。本系統所用按鍵較少，但實現的按鍵功能較為齊全，有功能鍵，循環移位鍵，增1鍵，增1鍵根據不同內容自動限制輸入值范圍，有復位鍵使系統從初始狀態運行。有單鍵起作用的，也有兩鍵共同起作用的。

4 結 語

本文設計的用于軟化水設備的控制系統。與同類控制系統相比，單片機系統最小化，整個組成電路結構簡單，成本低，系統可靠性高。經實際運行，系統穩定可靠。

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