基于單片機(jī)的鍋爐溫度控制

1、1引言隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，溫度控制在國民經(jīng)濟(jì)和生活中的作用顯著提升。在工業(yè)生產(chǎn)的過程當(dāng)中，有很多極為重要的被控參數(shù)，溫度即是其中最重要的參數(shù)之一，在眾多的工業(yè)生產(chǎn)中，所需溫度的控制效果直接影響到鍋爐以及工作人員的安全，還直接的影響到工藝生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量。在不同的生產(chǎn)過程當(dāng)中，由于所需溫度的不同、控制所需的精度也不同，則采用的測控元器件元件、溫度控制方法也將有所不同，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷地發(fā)展，溫度控制系統(tǒng)技術(shù)得到了巨大的發(fā)展，自動控制技術(shù)越來越顯示出其優(yōu)越性。當(dāng)今社會中伴隨著集成電路技術(shù)的不斷的發(fā)展，單片機(jī)的種類不斷地增多，功能也不斷的增強(qiáng)，涌現(xiàn)除了大量的高性能的單片機(jī)。單片機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中自動

2、化和測控領(lǐng)域中的應(yīng)用不斷增加，因為單片機(jī)有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)，如今的單片機(jī)不僅功能強(qiáng)大，而且體積越來越小，開發(fā)周期也越來越短，在各行各業(yè)在溫度控制系統(tǒng)中起到無法替代的核心作用的就是各種各樣的單片機(jī)。在工業(yè)生產(chǎn)中很多地方溫度控制系統(tǒng)中都運(yùn)用到了電阻加熱的原理，例如鋼鐵廠用于融化金屬的電阻爐、電熱鍋爐等。鑒于溫度控制在各行各業(yè)的生產(chǎn)過程中的重要性，以及單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和眾多的優(yōu)越性。根據(jù)以上這些思想本文設(shè)計一種工業(yè)鍋爐的溫度控制系統(tǒng)，這種鍋爐溫度控制系統(tǒng)系統(tǒng)在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)過程中具有非常重要的意義。1.1論文研究的背景和意義鍋爐是一種重要的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備,隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，鍋爐在各行各業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用也

3、顯著增加，鍋爐在運(yùn)行時可以將電能、化學(xué)能等能量形式轉(zhuǎn)化成有熱量的蒸汽、高溫液體等,通過復(fù)雜的物理化學(xué)變化以及一系列能量的傳輸過程實現(xiàn)鍋爐的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在實際的生產(chǎn)過程當(dāng)中溫度控制系統(tǒng)的運(yùn)行具有很大的難度，究其原因就是因為溫度控制系統(tǒng)是一個具有多變、時變以及非線性變化的復(fù)雜系統(tǒng),因此在實際的生產(chǎn)過程中選擇適合的溫度控制鍋爐的方法很重要,當(dāng)通過溫度控制系統(tǒng)能夠是鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行時，不僅僅對鍋爐的穩(wěn)定性有極大的提高，而且也極提高了工作人員的安全性，具有十分重大的意義。鍋爐運(yùn)行溫度的控制直接關(guān)系到鍋爐的生產(chǎn)效率、性能指標(biāo),同時鍋爐以及工作人的安全性產(chǎn)生了巨大的影響。過高或過低的工業(yè)鍋爐溫度,不僅僅對鍋爐和工

4、作人員安全性造成影響，還對鍋爐的穩(wěn)定性造成影響，壓力不符合標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至鍋爐的損壞和事故的發(fā)生，此外，還會影響到生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量。雖然鍋爐的溫度控制系統(tǒng)有了很大的進(jìn)步，但是時至今日仍然存在許多的難題，由于實際生產(chǎn)過程當(dāng)中的鍋爐溫度控制系統(tǒng)中存在時變性,多變量,大滯后,非線性等特點(diǎn),參數(shù)具有不確定性和時變性,在現(xiàn)實生活中很難建立起精確的數(shù)學(xué)模型,而能夠精確的控制鍋爐溫度對鍋爐的穩(wěn)定性,安全性以及節(jié)能環(huán)保具有相當(dāng)重要的意義。鍋爐發(fā)展的歷史久遠(yuǎn),應(yīng)用十分廣泛,發(fā)展至今種類繁多,廣泛應(yīng)用于社會生活當(dāng)中各個工業(yè)生產(chǎn)以及生活的各個領(lǐng)域,由于我國工業(yè)發(fā)展滯后于發(fā)達(dá)國家，雖然鍋爐溫度控制系統(tǒng)的研究在我

5、國起步很晚，但是發(fā)展迅猛,并且部分產(chǎn)品的技術(shù)性能已經(jīng)達(dá)到國際相近水平,盡管如此,國大部分的鍋爐的溫度控制系統(tǒng)的成熟度不夠高，大部分的鍋爐溫度控制系統(tǒng)還停留在比較落后的階段，自動化程度較低,只能通過手動控制來改變儀器儀表，只有部分產(chǎn)品采用先進(jìn)的控制系統(tǒng),鍋爐的效益基本都不高,要想達(dá)到國外縣先進(jìn)水平，國的研究水平還要加大力度。因此,為了提高國鍋爐溫度控制系統(tǒng)的信息化、自動化以及節(jié)能減排，加強(qiáng)對鍋爐溫度控制系統(tǒng)的研究具有十分重要的意義。12鍋爐溫度控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r隨著科技的不斷發(fā)展，國各行業(yè)不斷興起，國各行各業(yè)在鍋爐溫度控制技術(shù)方面需求越來越大,溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用的領(lǐng)域日漸增多，但國總體發(fā)展水平仍

6、然低于西方工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)達(dá)的先進(jìn)國家。目前,我國還十分的落后于發(fā)達(dá)國家，在這方面總體技術(shù)水平處于相對來說很落后的時代,在國的溫度控制系統(tǒng)技術(shù)相對成熟產(chǎn)品主要常規(guī)的PID控制器和以“點(diǎn)位”控制為主。國的這些產(chǎn)品在控制比較復(fù)雜的大規(guī)模溫度系統(tǒng)控制有很大的困難，只能適應(yīng)與一般溫度系統(tǒng)控制。對于那些能夠用于較高場合的智能化自動控制器以及自動控制儀表來看，國的技術(shù)還明顯的低于發(fā)達(dá)國家，然而在國外已經(jīng)有了許多成熟的產(chǎn)品，能夠自定義各個參數(shù)，并形成了商業(yè)化的儀表。由于國對于鍋爐溫度控制系統(tǒng)技術(shù)的滯后，經(jīng)常需要工作人員根據(jù)實際經(jīng)驗去設(shè)定參數(shù)，根據(jù)目前國的溫度控制方面的技術(shù)來看還不能開發(fā)出技術(shù)相對完善可靠的自整

7、定軟件。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷的發(fā)展,國外的技術(shù)也在不斷地提高，美國、德國等發(fā)達(dá)國家在溫度控制系統(tǒng)方面都取得了十分顯著的成果，這些巨大的成果主要體現(xiàn)在控制系統(tǒng)的智能化、自動化、參數(shù)自整定等方面，已經(jīng)生產(chǎn)出了一批高性能、商業(yè)化的溫度控制系統(tǒng),這些系統(tǒng)被用在實際生產(chǎn)生活中的各個領(lǐng)域。它們主要具有如下的特點(diǎn):一、是它們能夠應(yīng)用于各種復(fù)雜的工業(yè)控制過程當(dāng)中具有大滯后以及慣性很大的溫度控制系統(tǒng)的控制;二、是它們能夠建立一些特殊的溫度控制系統(tǒng)，而這些溫度控制系統(tǒng)是很難在現(xiàn)實生活當(dāng)中用來試驗的，因為這些系統(tǒng)很難通過數(shù)學(xué)模型建立。三、是它們能夠適應(yīng)于一些工業(yè)溫度控制系統(tǒng)中，這些受控的溫度控制系統(tǒng)工作過程參數(shù)是不斷

8、變化的;四、是在現(xiàn)代大部分工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中所應(yīng)用的溫度控制系統(tǒng)采用了大量的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)以此來適應(yīng)與廣大的工業(yè)生產(chǎn)過程，例如自動控制、自動檢測、模糊控制等理論及微機(jī)技術(shù),控制方面采取了先進(jìn)的算法;五、是溫度控制系統(tǒng)中的儀器儀表具有參數(shù)自整定功能。有的還具有自學(xué)習(xí)功能,能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗及控制對象的變化情況,可以實時的自動調(diào)整相關(guān)儀器儀表的控制參數(shù),以此來達(dá)到溫度控制系統(tǒng)最合理控制;六、是它們具有很多突出的特點(diǎn)，這些突出的特點(diǎn)包含了控制精度高、性價比高等。如今的儀器儀表都在向著更高性、更完善能的方向發(fā)展。13本課題研究的主要容本設(shè)計主要利用單片機(jī)技術(shù)、采集溫度、溫度的執(zhí)行等知識制作一個工業(yè)鍋爐的溫度

9、控制系統(tǒng)。本設(shè)計涉及了計算機(jī)、電子、通信以及軟件學(xué)等相關(guān)專業(yè)的知識，所涉及到的專業(yè)知識比較廣泛。此次設(shè)計中要求可以實時監(jiān)測并顯示當(dāng)前溫度，可以實現(xiàn)溫度的升高和降低，當(dāng)超限后可以實現(xiàn)報警，溫度控制設(shè)定波動圍小于±5%，測量精度小于±5%，控制精度小于±2%。a收集資料，研究并設(shè)計出總體方案。b根據(jù)方案和設(shè)計要求完成工業(yè)鍋爐溫度控制系統(tǒng)的模型并確定各部分參數(shù)。c根據(jù)方案和設(shè)計要求設(shè)計出工業(yè)鍋爐溫度控制系統(tǒng)硬件電路中所包含的各個模塊。d根據(jù)流程圖進(jìn)行程序編寫，并對各模塊進(jìn)行編程、調(diào)試，再對整體系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。2 系統(tǒng)分析及總體設(shè)計方案隨著社會的不斷進(jìn)步以及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)

10、展工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)越來越完善。在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中有很多的控制因素，其中溫度控制技術(shù)對工業(yè)鍋爐的影響最大。在如今的工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中溫度控制系統(tǒng)主要作用是使鍋爐溫度保持在一定圍之，在保證鍋爐設(shè)備正常工作情況的同時，提高生產(chǎn)效率。本系統(tǒng)主要主要包含七大板塊：AT89S51單片機(jī)、溫度采集電路、顯示電路、鍵盤輸入電路、電源模塊、報警電路和溫度控制電路組成。在設(shè)計中首先通過傳感器對周圍的環(huán)境溫度實時監(jiān)測，根據(jù)設(shè)計需要達(dá)到的指標(biāo)本設(shè)計采用了檢測精度很高的AD590傳感器，由于采集到的溫度信號太低單片機(jī)無法直接識別，所以需要放大后在傳遞給單片機(jī)，采集到的溫度通過超低溫漂移高精度運(yùn)算放大器0P07將信號進(jìn)行放大，

11、當(dāng)采集到的信號放大到足夠大，這些將信號傳送到12位的AD574A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)鍋爐溫度的自動檢測功能，并且實時顯示當(dāng)前鍋爐準(zhǔn)確溫度以及越限報警。最終的環(huán)節(jié)是控制部分，本系統(tǒng)控制部分采用PID算法，由于鍋爐的溫度是通過調(diào)節(jié)電阻爐來調(diào)節(jié)的，只有通過調(diào)節(jié)雙向可控硅的通段時間才可以調(diào)節(jié)電阻爐的功率，而雙向可控硅是通過實時更新PWM控制參數(shù)實現(xiàn)的將采集到的爐溫度和設(shè)定值進(jìn)行比較，通過PID算法對偏差進(jìn)行計算以此來實時更新PWM控制輸出參數(shù)，來實時的調(diào)整鍋爐溫度。系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)指標(biāo)：（1）溫度控制設(shè)定波動圍小于±5%，測量精度小于±5%，控制精度小于±2%；（2）能夠

12、實時顯示當(dāng)前溫度值；（3）能夠?qū)崿F(xiàn)升溫和降溫的功能；（4）按鍵控制：設(shè)置五個主要功能鍵，包含了運(yùn)行鍵、復(fù)位鍵、功能轉(zhuǎn)換鍵、加一鍵和減一鍵；（5）超過設(shè)定溫度值或低于設(shè)定溫度值進(jìn)行越限報警。本設(shè)計中溫度控制系統(tǒng)硬件主要包含以下七大模塊：單片機(jī)的最小系統(tǒng)、溫度采集電路、顯示電路、鍵盤輸入電路、電源模塊、報警電路和溫度控制電路等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖：3 系統(tǒng)硬件設(shè)計本設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)的硬件主要包括以下七大模塊：單片機(jī)的最小系統(tǒng)、溫度采集電路、顯示電路、鍵盤輸入電路、電源模塊、報警電路和溫度控制電路等。31AT89S51單片機(jī)的最小系統(tǒng)在本設(shè)計的工業(yè)鍋爐的溫度控制系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)的功能需求與學(xué)習(xí)過程中所

13、學(xué)到的8051單片機(jī)的情況，所以選定MCS-51系統(tǒng)中的AT89S51單片機(jī)。單片機(jī)AT89S51是MCS-51系列單片機(jī)當(dāng)中最為先進(jìn)的單片機(jī)之一，是一個功率消耗更低、性能更強(qiáng)、體積更小的8位CMOS單片機(jī)，是ATMEL公司繼AT889C5X系列之后推出的新機(jī)型之一。，在時鐘頻率以及運(yùn)算速度上有了較大的提高。AT89S51芯片在市場上得價格更加便宜，適合于大批量的應(yīng)用于各行各業(yè)的控制系統(tǒng)中。以下是對單片機(jī)AT89S51功能的簡單介紹：AT89S51單片機(jī)具有很多的功能：單片機(jī)中含有4k字節(jié)的Flash程序存儲器，如果片的程序存儲容量不夠，片外最多可外擴(kuò)之64KB。片具有5個中斷源，2級中斷優(yōu)先

14、權(quán)。單片機(jī)中含有128字節(jié)部RAM，片外最多可擴(kuò)至64KB。每片單片機(jī)中都含有4個8位可編程并行1/0口，片含有兩個16位定時/計數(shù)器，具有4種工作方式。一個全雙工串行通信口，具有4中工作方式。還增加了看門狗定時器（WDT）。同時，AT89S51共包含了26個特殊功能寄存器，用于CPU對片各功能部件進(jìn)行管理、控制和監(jiān)事。引腳功能說明：Vcc：電源電壓GND：接地P0引腳口：8位漏極開路型雙向1/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時,每位能驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫'1'可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)

15、據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活部上拉電阻。P1引腳口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫1'，通過部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。P2引腳口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫1'，通過部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，為部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（In）。P3引腳口：P3口是一組帶有部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被

16、部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（In）。XTAL1：振蕩器反相放大器及部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。在AT89S51單片機(jī)中P3口不僅僅可以作為一般的I/O口線，它的第二功能也十分的重要。如下表所示：管腳備選功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INTO（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時器0外部輸入）P3.5T1（記時器1外部輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）如下圖所示為AT89S51單片機(jī)的最小系統(tǒng)結(jié)圖:圖3-

17、1:單片機(jī)最小系統(tǒng)AT89S51單片機(jī)的最小系統(tǒng)的功能主要包含四部分，這四部分是顯示控制、鍵盤控制、短路保護(hù)控制以及報警控制。如果想要是單片機(jī)能夠正常運(yùn)行，必須具備一些硬件條件，而這些硬件條件則構(gòu)成了單片機(jī)的最小系統(tǒng)，主要包括以下四部分：1、電源單片機(jī)的工作電源是+5V。2、時鐘電路時鐘電路在單片機(jī)中具有很大的影響，時鐘頻率將會直接影響到單片機(jī)的運(yùn)行速度，從而直接影向到單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本設(shè)計中AT89S51單片機(jī)的時鐘電路采用部時鐘方式，通過在XTAL1和XTAL2引腳外接12MHz的晶振，兩個引腳連接電容和晶體構(gòu)成單片機(jī)的振蕩器，振蕩頻率取決于晶體的頻率。電路中的C1、C2是補(bǔ)償電容，通

18、常選擇30pF，電容的大小有頻率微調(diào)和穩(wěn)定的作用，也會直接影像到震蕩器頻率。3、復(fù)位電路復(fù)位功能是單片機(jī)能夠是單片機(jī)正常運(yùn)行所必須具備的，復(fù)位是指將單片機(jī)進(jìn)行初始化的操作，本設(shè)計中采用了按鍵電平復(fù)位電路。單片機(jī)的按鍵電平復(fù)位電路由電阻和電容構(gòu)成。按鍵手動電平復(fù)位是通過RST端通過電阻、電容以及電源接通來實現(xiàn)，C的典型取值為10uF,R值為2K。當(dāng)處于高電平時可以實現(xiàn)復(fù)位功能。當(dāng)復(fù)位完成后系統(tǒng)會從頭開始執(zhí)行程序。4、引腳EA接高電平。32溫度采集電路本設(shè)計中的數(shù)據(jù)采集電路主要由AD590,0P07,74LS373,AD574A等四部分組成。由于控制精度要求為2%,由于在實際的溫度測量的過程當(dāng)中會

19、受到一些外界因素的干擾，以及處理數(shù)據(jù)過程當(dāng)中產(chǎn)生的一些不可避免的誤差，根據(jù)系統(tǒng)功能的要求要想保證高精度的控制，溫度傳感器和AD轉(zhuǎn)化器的精度應(yīng)更高。故溫度傳感器需要能夠區(qū)分0.1度;而對于AD轉(zhuǎn)換器，由于測量圍AD轉(zhuǎn)換器需要區(qū)分上百的數(shù)字，因此在轉(zhuǎn)換器的選擇上需要選用10位以上的高精度AD轉(zhuǎn)換器。為此，選用高精度的12位AD574A。AD574A是一種高性能的A/D轉(zhuǎn)換器，其采用了12位逐次逼進(jìn)式的運(yùn)行方式，它同ADC0809一樣是常用的A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換時間為25»s,部有時鐘脈沖源和基準(zhǔn)電壓源，線性誤差大約為土1/2LSB，該轉(zhuǎn)換器具有兩種電壓輸入方式，可以采用單通道單極性也可以采

20、用雙極性電壓輸入的方式，此外，采用28腳雙立直插式封裝。AD574A結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，主要結(jié)構(gòu)有以下四部分構(gòu)成：一、12位A/D轉(zhuǎn)換器可以單極性也可以雙極性。單極性應(yīng)用時，BIPOFF接0V，雙極性時接10V。量程可以是10V也可以是20V。輸入信號在10V圍變化時，將輸入信號接至10V(IN)；輸入信號在20V圍變化時，將輸入信號接至20V(IN);所以量化單位相應(yīng)的就是10V和20V、三態(tài)輸出鎖存緩沖器用于存放12位轉(zhuǎn)換結(jié)果D(D=02J2-1)。D的輸出方式有兩種，引腳12/8=1時(8的上面有一橫杠)，D的D(11)D(0)并行輸出；引腳12/8=0時(8的上面有一橫杠)，D的高8位與低4

21、位分時輸出。三、邏輯控制任務(wù)包括：啟動轉(zhuǎn)換，控制轉(zhuǎn)換過程和控制轉(zhuǎn)換結(jié)果D的輸出四、電源電壓10V基準(zhǔn)電壓源如下圖所示為溫度轉(zhuǎn)換裝置連接圖:圖3-2：溫度轉(zhuǎn)換裝置為了達(dá)到測量高精度的要求，選用溫度傳感器AD590,AD590具有較高精度和重復(fù)性（重復(fù)性優(yōu)于0.1°C,其良好的非線形可以保證優(yōu)于0.1°C的測量精度，利用其重復(fù)性較好的特點(diǎn)，通過非線形補(bǔ)償，可以達(dá)到0.1C測量精度）超低溫漂移高精度運(yùn)算放大器0P07將溫度一電壓信號進(jìn)行放大，便于A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以提高溫度采集電路的可靠性。AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如1、當(dāng)AD590溫度

22、傳感器工作時，流過溫度傳感器的電流等于傳感器所處位置的周圍溫度。因此，AD590溫度傳感器可以實時的反應(yīng)所測圍的溫度2、AD590溫度傳感器可以在-55C+150C圍精確的測量溫度。3、AD590溫度傳感器所適用的電源電壓圍為4V30V。溫度傳感器電源電壓可在4V6V圍有所變化，當(dāng)溫度傳感器電流變化時，相當(dāng)于溫度傳感器周圍的溫度變化1K。AD590溫度傳感器不會因為反接而損壞，因為溫度傳感器不僅僅可以承受44V正向電壓,還可以承受20V的反向電壓，。4、AD590溫度傳感器輸出電阻為710MQ5、AD590溫度傳感器是一款監(jiān)測精度非常高的器件，在傳感器中中共分有五個檔位，這五個檔位分別是I、J

23、、K、L、M,在五個檔位當(dāng)中精度最高的是M檔，AD590溫度傳感器在-55°C+150*圍精確的測量周圍的溫度，它的非線性誤差僅僅為土0.31。如下圖所示為AD590和OP07所組成的溫度采集部分：3.3顯示電路本文設(shè)計中根據(jù)系統(tǒng)所需功能要求，顯示電路模塊采用5位共陽LED靜態(tài)顯示方式，所謂的靜態(tài)顯示方式是指無論采用多少位LED數(shù)碼管，都能夠同時顯示當(dāng)前狀態(tài)，本設(shè)計中由于溫度控制的精度的要求，采用了五位LED數(shù)碼管同時顯示，需要顯示的容有溫度值的百位、十位、個位及小數(shù)點(diǎn)后兩位，這樣可以最大程度的節(jié)省了單片機(jī)端口資源，因為用來作為輸出顯示數(shù)據(jù)的端口可以只用到P3.0(RXD)口，溫度控

24、制系統(tǒng)的顯示可以在P1.7口和P3.1(TXD)的共同控制下通過5片74LS164來實現(xiàn)LED的靜態(tài)顯示。如下圖為顯示電路：加JUT¥工Ytr1(K1UCLmiioLil嚴(yán)刖酎6ND供UD：1：4U.LM圖3-4：顯示電路3.4鍵盤輸入模塊本設(shè)計中所采用的鍵盤工作方式為非編碼鍵盤中的獨(dú)立式鍵盤控制方法，這樣可以是系統(tǒng)更加簡化，從而降低了成本、簡化了電路。設(shè)計中按照功能中的需求設(shè)計了AN1,AN2,AN3,AN4,AN5五個功能鍵，這五個功能鍵均為低電平有效。按鍵AN1為硬件復(fù)位電路中的復(fù)位鍵，與R、C構(gòu)成復(fù)位電路：按鍵AN3采用外部中斷方式，AN3與P3.2相連，并且在所有外部中斷方

25、式中優(yōu)先級定為最高；按鍵AN5和按鍵AN4均采用軟件查詢的方式，分別與P1.4和P1.2相連。如下圖為鍵盤電路:vccVlJVIIL21.U11I1AL319Pl.t)Pl.lPl.2Pl.3Pl.4Pl.5P1.&Pl.7RSTP3-O/RXPS.lfTXlP*2芮P3.3/TN1P3.4.-T0u20213.：IK022Al|52425126S6K27lQuI28293062：1631u64圖3-5:鍵盤電路圖中按鍵AN1,AN2,AN3,AN4,AN5的功能定義如表1所示。按鍵鍵名功能AN1復(fù)位鍵使系統(tǒng)復(fù)位AN2運(yùn)行鍵使系統(tǒng)開始數(shù)據(jù)采集AN3功能轉(zhuǎn)換鍵按鍵按下時，顯示溫度設(shè)定值;

26、按鍵升起時，顯示前溫度值A(chǔ)N4加一鍵設(shè)定溫度漸次加一AN5減一鍵設(shè)定溫度漸次減一35電源模塊本設(shè)計中的電源模塊是由220V交流電源經(jīng)電測干擾濾波器、電源變壓器、整流濾波器和三端集成穩(wěn)壓器7805，向AT89S51單片機(jī)、報警電路、鍵盤電路和AD轉(zhuǎn)換器等提供適合的電源電壓。為了能夠有效的濾除從交流電網(wǎng)中引入的噪聲干擾在此設(shè)計中加入了電磁干擾濾波器。以極大的改善了電磁的兼容性。下圖是電源模塊的電路連接圖：1BWGE1EC/*4/2iTR.4NS3V/1CC/5CClI*AJW?EVOLT旺1VinVcyut口§3ihC3職C4Cl圖3-6:電源模塊電路圖3.6報警電路設(shè)計本設(shè)計采用揚(yáng)聲器

27、報警電路，它是由壓電式蜂鳴器和晶體管組成。晶體管的導(dǎo)通或截止是通過單片機(jī)的P1.5口輸出信號來控制的，當(dāng)晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時，揚(yáng)聲器可以得到信號，從而進(jìn)行報警。在本設(shè)計過程中當(dāng)溫度超過或者低于設(shè)定值時，則由單片機(jī)發(fā)出報警信號，通過揚(yáng)聲器進(jìn)行報警。如圖所示報警電路：93rR2MlLS1<TEXT>圖3-7:報警電路3.7溫度控制電路由輸出來控制工業(yè)鍋爐的溫度控制系統(tǒng)，工業(yè)鍋爐的溫度控制系統(tǒng)可以近似的建立為一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型，而這種一階慣性環(huán)節(jié)具有滯后性質(zhì)。其傳遞函數(shù)形式為:Gs)=可控硅可以認(rèn)為是通過線形環(huán)節(jié)實現(xiàn)對鍋爐溫度的精確控制。工業(yè)鍋爐中電阻爐的功率和單片機(jī)的輸出分別屬于強(qiáng)電

28、和弱電部分，因此兩部分需要進(jìn)行隔離處理,本設(shè)計中的隔離處理原件采用光耦元件TLP521在控制部分進(jìn)行光電隔離，此外本設(shè)計中的電源隔離部分采用變壓器隔離實現(xiàn)強(qiáng)電與弱電的隔離。控制執(zhí)行部分是通過單片機(jī)實時更新PWM參數(shù)來控制雙向可控硅的導(dǎo)通時間，從而控制電阻爐的功率，以此來調(diào)節(jié)鍋爐的實時溫度。當(dāng)單片機(jī)PWM輸出電平低電平時，光耦元件處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而使三極管形成有效偏置而導(dǎo)通，通過整流橋的電壓經(jīng)過集電極電阻以及發(fā)射集反向偏壓，通過整流橋可以將220V的交流電壓轉(zhuǎn)換成7V左右的直流電壓，當(dāng)有7V左右的電壓加在雙向可控硅控制端時，可控硅控制元件處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時，包含有1000W電阻絲的交流通路形成，

29、電阻爐開始工作；反之當(dāng)單片機(jī)PWM輸出電平高電平時，光耦元件不能導(dǎo)通，從而使三極管不能形成有效偏置而截止，當(dāng)三極管不能形成有效偏執(zhí)兒截止時可控硅控制端電壓幾乎為零，可控硅則處于截止?fàn)顟B(tài)，從而使包含有1000W電阻絲的交流通路截止，電阻爐停止工作?？刂茍?zhí)行部分的硬件電路如下圖：圖3-8：溫度控制電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計本設(shè)計系統(tǒng)的軟件主要包含三大模塊：主程序模塊、功能實現(xiàn)模塊和運(yùn)算控制模塊。41主程序模塊在主程序模塊中首先將系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后再進(jìn)行PID算法的參數(shù)值的設(shè)定，然后啟動AD574A通過循環(huán)顯示當(dāng)前所采集到的實時溫度，并且設(shè)定鍵盤外部中斷為最高優(yōu)先級，以便能實時響應(yīng)鍵盤處理;軟件設(shè)定的定

30、時器T0為5秒定時，當(dāng)系統(tǒng)沒有任何的操作時T0定時器會每隔5s進(jìn)行更新一次，將A/D轉(zhuǎn)換的采集到的溫度信號進(jìn)行處理;設(shè)定定時器T1為嵌套在T0之中的定時中斷,初值由PID算法子程序提供，根據(jù)PID算法實時更新PWM控制參數(shù)進(jìn)行鍋爐溫度的精確控制。在主程序中必須分配好每一部分子程序的起始地址，形式如下：ORG0000HAJMPSTARTORG000BHAJMPINTOORG001BHAJMPINT1ORG00F0HAJMPTT1主流程圖如圖所示：PWM輸出調(diào)控溫度42功能實現(xiàn)模塊功能實現(xiàn)模塊的功能是用來執(zhí)行對可控硅及電阻爐的控制。主要功能涵蓋了中斷處理子程序、轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換子程序、鍵盤以及顯示子程

31、序等部分組成。4.2.1 T0中斷子程序在本設(shè)計中溫度控制系統(tǒng)中的包含了多個中斷服務(wù)程序，這些中斷服務(wù)程序的主體程序是T0中斷服務(wù)程序，用于采集鍋爐溫度、讀取鍋爐溫度、溫度超限報警以及PID計算處理等。在T0中斷服務(wù)程序中，AT89S51把計算出的PID值得補(bǔ)碼送入TL0，使單片機(jī)口為高電平“1”狀態(tài)和啟動T1工作，另一方面是溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序，在顯示緩沖當(dāng)前溫度值和轉(zhuǎn)移當(dāng)前溫度值的過程中將會等待T1中斷，在中斷服務(wù)程序的單片機(jī)復(fù)位到低電位時，就會形成一個控制脈沖，通過控制加在可控硅上的脈沖的個數(shù)來調(diào)節(jié)鍋爐的當(dāng)前溫度值。4.2.2 T1中斷子程序T0中斷之中含有T1定時中斷程序，但是T1中斷程

32、序優(yōu)先級高于T0中斷程序，PID算法子程序向T1中斷程序提供其定時初值,T1中斷響應(yīng)的時間用于輸出可控硅的控制信號。4.2.3鍵盤輸入子程序返回4.2.3顯示子程序流程圖43運(yùn)算控制模塊運(yùn)算控制模塊包含標(biāo)度轉(zhuǎn)換子模塊、PID控制算法以及可控硅觸發(fā)控制。4.3.1標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序本設(shè)計系統(tǒng)中需要實時的顯示當(dāng)前溫度并且將溫度值與系統(tǒng)所設(shè)定的值進(jìn)行比較為了將溫度傳感器采集到的溫度信號(00HFFH)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫度值，需要運(yùn)用標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序。標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序變換公式為：Ak肌A"-爲(wèi))字尋+舛式中，Ax：通過溫度傳感器測量到的實時的溫度值；Nx:通過AD轉(zhuǎn)換器將采集到的當(dāng)前溫度信號轉(zhuǎn)換為當(dāng)前溫

33、度值；Am=90;Ao=40;Nm二FEH；No=01H；為了減小誤差單片機(jī)運(yùn)算采用定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的方式，而且在高溫以及低溫處分別用程序作矯正處理以此來的到更加準(zhǔn)確數(shù)值。4.3.2 PID控制算法的實現(xiàn)本設(shè)計中的溫度控制算法采用PID算法，在當(dāng)今的社會當(dāng)中PID控制技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了十分成熟的地步，相對較大的時間常數(shù)的溫度控制系統(tǒng)來說，變化近似于連續(xù)變化，所以具有更好更有效的控制方法是數(shù)字PID控制方法。簡單的比例調(diào)節(jié)器最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以很快做出回應(yīng)，但也有十分明顯的缺陷就是不僅僅控制不夠精確，而且穩(wěn)態(tài)誤差還不能夠完全的消除，為了完全的消除穩(wěn)態(tài)誤差，系統(tǒng)中加入了積分調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)比例，能夠有效的消除穩(wěn)態(tài)

34、誤差，但是在消除穩(wěn)態(tài)誤差的同時也使系統(tǒng)的響應(yīng)時間更長，導(dǎo)致系統(tǒng)的反應(yīng)很慢。為了是系統(tǒng)能夠完全的消除穩(wěn)態(tài)誤差，同時維持系統(tǒng)的反應(yīng)速度，特此引入了積分、微分環(huán)節(jié)組成了比例、積分、微分(PID)調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定、反應(yīng)時間更短，從而極大的改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，改善后的系統(tǒng)控制規(guī)律為：u二Kp(e+1Ti/10edt+Tddedt)+u0,(l)單片機(jī)的工作方式是通過采集樣本來進(jìn)行控制的，由于采集到的樣本會在時間上有不同的偏差，只能通過數(shù)值的近似算法，而不能通過積分或微分進(jìn)行準(zhǔn)確的計算，因此，僅僅通過單片計算出來的控制變量也會有很大的誤差，但是PID調(diào)節(jié)可以通過具體的數(shù)值計算公式：u=Kpei+TT

35、iEij=0ej+TdT(ei-ei-1)+u0,(2)計算出來，如果可以采集到足夠小的樣本，所得到的結(jié)果也會十分的精確，連續(xù)過程與被控過程將會十分接近。通過上式(2)可以變換得到：u二ui-1+ui二uiT+KpAei+Iei+DA2ei,(3)把Aei=ei-ei-1,A2ei=Aei-Ai-1帶入上式得：u=ui-l+Kp(eieil)+Iei+D(ei2eiT+ei2),(4)式中ei二W-Yi,W為設(shè)定值，Yi為第i次實際輸出值,Kp為比例系數(shù)，微分系數(shù)D二Td/T,積分系數(shù)I二T/Ti,T為采樣周期，以(4)式來編程比較方便。采用PID控制算法實現(xiàn)鍋爐溫度控制是一個反饋過程：首先將

36、溫度傳感采集到的鍋爐的實時溫度與最初的設(shè)定值進(jìn)行比較從而得到一個偏差，運(yùn)用PID算法對偏差信號進(jìn)行處理，通過實時更新PWM控制參數(shù)的輸出，調(diào)節(jié)雙向可控硅的工作時間，從而調(diào)節(jié)電阻爐的工作效率，進(jìn)而重新調(diào)節(jié)鍋爐的溫度，以實現(xiàn)對鍋爐溫度的控制效果，由于電阻爐是一個具有滯后性的一階線性環(huán)節(jié)，所以根據(jù)實際經(jīng)驗選取KP和KI，KD值。這個程序首先設(shè)置用戶設(shè)定的溫度和鍋爐的實際溫度T比較，計算偏差EI，然后分為兩種情況計算控制變量：(1) ei大于等于設(shè)定的偏差e時，由于積分控制器使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，不采用積分控制器調(diào)節(jié)，直接使用PD調(diào)節(jié)，獲得比較快的動態(tài)響應(yīng)，計算Pd和Pp，最終得到控制量獲得比較快的動態(tài)

37、響應(yīng)。(2) ei小于設(shè)定的設(shè)定的偏差e時，正常的分別計算Pi、Pd和Pp，然后根據(jù)算法公式計算出控制變量。PID控制是單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)中一種最常用的控制算法。PID在實現(xiàn)其控制功能過程中，把計算機(jī)的靈活性以及邏輯判斷功能十分合理的結(jié)合起來，而不是僅僅把PID控制規(guī)律簡單的數(shù)字化，極大的改進(jìn)和完善了PID控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的作用，使PID控制更加有效方便，更加科學(xué)。本系統(tǒng)是對工業(yè)鍋爐溫度控制，它是這樣一個反饋系統(tǒng)：將鍋爐的實際溫度和設(shè)定值得到偏差，將偏差信號反饋到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)得到控制信號，再通過PID算法實時更新PWM參數(shù)調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率，來實現(xiàn)對工業(yè)鍋爐的溫度的精確控制。下

38、圖所示為相應(yīng)的流程圖:4.3.3可控硅觸發(fā)的控制要實現(xiàn)溫度的控制，只有算法程序是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須要對溫度執(zhí)行元件進(jìn)行精確控制，只有這樣PID控制算法才有可能實現(xiàn)，通過控制可控硅觸發(fā)信號的時間的長短就可以實現(xiàn)控制溫度的加熱時間，從而實現(xiàn)對溫度的控制。通過計算機(jī)的PID算法可以得到最新的控制參數(shù)，給T1定時器賦值，以確定可控硅的控制時間，然后打開定時器T1,當(dāng)T1中斷時間給可控硅輸出觸發(fā)信號，延時保證觸發(fā)信號的脈沖寬度，完成一個周期的加熱控制。結(jié)論由于工業(yè)鍋爐的溫度控制系統(tǒng)所具有的時變性、非線性以及滯后性的特點(diǎn)，本文設(shè)計了一種基于單片機(jī)AT89S51的設(shè)計方案，方案中AT89S51單片機(jī)并且通過P

39、ID算法實現(xiàn)溫度實時控制，設(shè)計過高精度的溫度傳感器、放大器以及AD轉(zhuǎn)換器組成溫度采集電路，實時監(jiān)測鍋爐的溫度，將采集到的溫度控制信號運(yùn)用PID算法更新T1的定時常數(shù)，通過控制參數(shù)實時更新PWM控制參數(shù)，以此來調(diào)節(jié)雙向可控硅的通段時間，來調(diào)節(jié)電阻爐的功率，從而實現(xiàn)對溫度的連續(xù)控制。本設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)具有功能全面、性能穩(wěn)定，控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，通過PID算法是控制精度大大提高;軟件部分采用模塊化結(jié)構(gòu)，提高了通用性。通過本次完成設(shè)計方案，我發(fā)現(xiàn)在過程中不僅僅是提供一種溫度控制控制系統(tǒng)，而且還學(xué)到了單片機(jī)硬件電路以及PID算法所實現(xiàn)的控制算法，此外，還學(xué)習(xí)到了控制部分的軟件編程。通過此次設(shè)計方案，學(xué)習(xí)

40、到了更多的是設(shè)計的理念。致本文是在導(dǎo)師國福副教授的諄諄教誨和悉心指導(dǎo)下完成。老師在學(xué)術(shù)上有著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)，實事的治學(xué)態(tài)度，并能時刻把握最新科技的最前沿，了解科研動態(tài)，讓我受益匪淺。老師生活上平易近人，和藹可親，是我生活和學(xué)習(xí)中的榜樣；老師淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)、高尚的人格以及忘我的工作熱情，將永遠(yuǎn)激勵我在以后的學(xué)習(xí)生活中不斷進(jìn)取，奮發(fā)向上。在畢業(yè)設(shè)計的過程中，老師給了我最及時有效的指導(dǎo)，使我終于克服困難，順利完成了畢業(yè)設(shè)計。在此，謹(jǐn)向我的導(dǎo)師表示我最崇高和最衷心的感。此外，十分感在我大學(xué)生活以及做畢業(yè)設(shè)計過程中不斷給我無私關(guān)懷和幫助的同學(xué)。參考文獻(xiàn)1國強(qiáng).基于模糊自適應(yīng)控制的鍋爐溫度控制J.

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44、ETBTR0SETBET0SETBEAJNBP1.1MMAJMPMAINMAIN:NN:$ENDINT0：PUSHDPLPUSHDPHPUSHASETB0D50HACALLSAMPACALLPIDMOVR3，2FHMOVR2，30HACALLCPL1MOVA,R2MOVTL1，AMOVA,R3ANLA,#0FHXORA,#0F0HMOVTH1,ASETBP1.3SETBPT1SETBET1SETBTR1LOOP:0D50H,LOOPPUSHAPUSHDPHPUSHDPLRETICLR0D50HCLRP1.3INT1：SAMP:ZERO:RETIMOVDPTR,#4000HMOVXDPTR,AMOVR2,#20HDLY:DJNZR2，D