基于单片机的锅炉温度水位控制系统设计.docx

目 录中文摘要1英文摘要21 绪论31.1 电热锅炉的应用背景及其控制理论的发展31.2 本文的设计指标42 硬件电路设计52.1 系统方案概述52.2温度检测元件DS18B2062.3 显示模块设计82.4 键盘模块设计92.4.1 键盘工作原理92.4.2 键盘识别方法102.4.3 键盘工作方式102.5 指示及报警电路112.6 功率驱动电路122.6.1 固态继电器简介122.6.2 功率驱动电路设计132.7 水位检测及控制电路132.7.1 水位检测电路132.7.2 水位控制电路142.8电源电路152.9 单片机选型及简介153 软件的设计193.1 系统软件总体概述193.2 主程序193.3 T0中断服务子程序213.3.1 中断系统简介213.3.2 T0中断服务程序的编写233.4 键盘中断服务子程序243.5 PID运算设计253.6 其他子程序介绍273.6.1 显示子程序273.6.2 DS18B20相关子程序283.6.3 PID输出转换程序294 系统的仿真304.1 PID参数整定方法304.2 系统仿真结果315 结论33致谢34参考文献35附录136附录237电热锅炉温度水位控制系统设计摘要：在冶金、化工、机械等各类工业控制中，电热锅炉都得到了广泛应用。它具有环保、高效、体积小等优点。因此对电热锅炉控制系统的研究就显得十分有必要。本文介绍了以AT89S51单片机为核心的温度和液位控制系统的工作原理和设计方法。温度信号由温度芯片DS18B20采集，以数字信号的形式传送给单片机；水位信号由电接点水位计采集，以开关量形式传送给单片机。文中介绍了该控制系统的硬件部分，包括：温度检测电路、温度控制电路、水位检测电路，水位控制电路和其他一些单片机接口电路。文中还介绍了软件设计部分，在这里采用模块化结构编程。软件主要分三个部分：主程序、键盘中断及按键处理程序、T0中断程序。其他的一些子程序包括：温度信号处理程序、数码管显示程序、PID处理程序等。最后利用MATLAB和电热锅炉的近似数学模型，对温度控制进行了仿真。关键词：电热锅炉；AT89S51；温度控制；水位控制；PID控制The design of temperature and water-level control system of electric boilerAbstract：Electric water boiler has been widely used in every kinds of industrial control，such as metallurgy, chemical industry, machinery etc. So it is very necessary to study the control system of electric water boiler. the form digital signalelectric contactsensor,switch forms. Keywords: Electric Water Boiler, AT89S51 MCU, DS18B20 Temperature Chip, Temperature Control, Water-level Control, PID Control.1 绪论1.1 电热锅炉的应用背景及其控制理论的发展 根据国内实际情况和环保上的考虑和要求，燃煤锅炉由于污染并且效率不高，已经逐渐被淘汰；燃油和燃气锅炉也存在着燃料供应部方便和安全性等问题。因此在人口密集的居民区、旅馆、医院和学校，电加热锅炉完全能替代燃煤、燃油、燃气锅炉。 电加热锅炉采用全新加热方式，无污染，完全可以称为绿色环保锅炉。电加热锅炉具有许多优点，使其比其他形式的锅炉更具吸引力，其具体优点如下1：（1） 无污染。由于采用电加热方式，电能直接转换为热能，不需要采用燃烧的方式将化学能转换为热能，因此就不会排放出有害气体及飞灰，不会产生灰渣，完全符合环保方面的要求，更适合安放在人口密集的生活区和办公区。（2） 能量转化效率高。电加热锅炉采用加热元件直接与水接触，加热时转换效率很高，能量转化率也很高，一般可达到95%，而最新最好的锅炉更是能达到98%以上。（3） 锅炉本体结构简单，安全性好。电加热锅炉本体结构非常简单，不需要布置管路，没有燃烧室，没有烟道，故而不会出现燃煤、燃气、燃油锅炉存在的爆炸和泄漏的危险。（4） 体积小，重量轻，占地面积小。由于本体结构简单，使得电热锅炉体积可以做的很小，简单的结构更加便于布置，占地面积也就减小。（5） 锅炉启动、停止速度快，运行负荷调节范围大，调节速度快，操作简单。由于加入元件工作由外部电气开关控制，所以锅炉启停速度快，通过控制各加热元件的开关，可以在很大范围内调节运行负荷，调节操作迅速、简单。与燃煤、燃油、燃气锅炉相比，操作运行更加方便、简单。（6） 可采用计算机监控，完全实现自动化。电热锅炉的温度和水位的控制都能通过计算机完成，使电热锅炉的运行完全实现自动化，最大程度的将计算机技术应用于传统的锅炉行业。由于电加热锅炉是一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象3，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到很好的控制效果。而这正符合PID控制使用的条件，因而PID控制被广泛用于电热锅炉的控制中，用来取代传统的控制方法6，并获得良好的控制效果。1.2 本文的设计指标本设计要求设计一个以单片机为核心的温度闭环控制系统以及水位控制系统，具体的技术指标如下：a. 恒温温度控制在0-100之间，连续可调，误差在1之内；b. LED实时显示系统温度，用键盘输入设定的温度；c. 水位控制保持在50cm左右，过高或过低时报警提示。本文需要完成以下工作：详细分析课题任务，设计电源电路，键盘电路，单片机系统，显示电路，执行器电路，报警电路等系统。然后根据课题任务的要求设计出实现控制任务的硬件原理图和软件，并进行仿真调试。2 硬件电路设计2.1 系统方案概述AT89S51DS18B20水位电极SSR加热电阻电磁阀显示电路键盘电路报警电路继电器系统的框图如图2.1所示：图2.1 系统框图如框图所示，系统总体上分为两部分，即温度控制单元和液位控制单元。下面将分别对这两个部分进行说明。从图上能看出，温度控制单元采用DS18B20作为温度采集元件，该元件的输出为数字信号，所以能直接送入单片机，而不需要A/D转换模块。温度信号送入单片机，经过处理后，对固态继电器进行控制，通过I/O口控制固态继电器的通断，从而实现对加热电阻的控制。键盘电路则用来输入设定值，显示电路对系统采集到的温度实时显示。水位控制单元通过水位电极将水位信号送入单片机，由于水位信号设计为开关信号，所以不需要A/D转换模块。单片机根据水位信号，通过I/O口对电磁阀进行控制，从而实现对水位的控制。很显然，该方案较其它相比无论在经济上和实现容易程度上都要好。在进行数据采集时，使用了合适的传感器，这样就不需要使用A/D转换电路。在实现温度控制时不像其它采用D/A转换后再控制调节阀的方法，而是直接外接一个固态继电器，通过内部改变定时器的中断时间来调节一个周期内电子开关的导通和断开时间。同样，在实现液位控制时，也没有使用D/A，而是直接外接继电器，通过控制继电器的吸合控制电磁阀的通断。这样既节省了材料也可以很大程度上减少硬件电路的结构。2.2温度检测元件DS18B204DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型温度传感器，与传统的热敏电阻等温度元件相比，它能直接读出被测温度，而且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下：l 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；l 多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；l 无须外部器件；l 可通过数据线供电，电压范围3.0-5.5V；l 零待机功耗；l 温度以9或12位数字读出；l 用户可以定义报警设置；l 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；VDDVDDDQ64位ROM和一线端口供电方式选择存储和控制逻辑高速缓冲器8位CRC生成器温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器l 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，只是不能正常工作而已。图2.2 DS18B20的内部结构框图正因为DS18B20有如上的优点，在本系统中采用温度芯片DS18B20测量温度。该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。在0100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图2.2所示。64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的唯一序号，共48位，最后8位是前面56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限。温度LSB温度MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRCTMR1R011111DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，其结构如图2.3示。图2.3 DS18B20字节定义图中，前2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节是TH和TL的拷贝，是易失的每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图2.3所示。低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。若TTH或TT0INT1T1RI/TI。3.3.2 T0中断服务程序的编写图3.2 T0中断子程序流程图定时器0的中断子程序主要用来完成数据采集及显示、数据处理、PID运算和输出控制。定时器0选择工作方式1，即16位计数器。定时初值为TH0=3CH，TL0=B0H，即X=15536，这样可得到定时时间为，由于采样周期为4s，所以需要对溢出进行计数，当溢出80次时才执行一次中断服务程序，这样就实现了采样周期为4s。T0中断服务子程序流程图如图3.2所示。具体程序见附录2。3.4 键盘中断服务子程序当ENTER被按下时，进入键盘输入状态，然后进行键盘扫描，当有键位按下时，转入响应的键位子程序，当ENTER再被按下时，退出中断服务子程序，键盘输入完成。键盘中断服务子程序流程图如图3.3所示。程序如下：KEY_SCAN：PUSH PSW；保护现场LCALL K_DELAY;软件去抖JB P3.2,EXIT;JB P1.5,EXIT ;如果有Enter键入，则开始键盘输入JB P1.7,EXIT;CLR ENTER_FLAG ;每次进来都赋值输入标志，设置为0MOV KEY_BUF_G,DIS_BUF_G ;将当前的温度赋值给KEY_BUF,也就是说是以当前;温度为基准，进行加减的MOV KEY_BUF_S,DIS_BUF_SMOV KEY_BUF_B,DIS_BUF_BJB ENTER_FLAG,EXIT ;如果输入完成，ENTER_FLAG则为1，退出键盘程序CLR P1.4;JNB P1.6,KEY_UP;JNB P1.7,KEY_DOWN;CLR P1.5;JNB P1.6,KEY_SHUTDOWN;JNB P1.7,KEY_ENTER;LCALL DISPLAY;EXIT:POP PSW;RETI;图3.3 键盘中断子程序的流程图3.5 PID运算设计在模拟控制系统中，其过程是将被测参数，如温度、压力、流量、成分、液位等，由传感器变换成统一的标准信号后输入调节器，在调节器中与给定值进行比较，再把比较出来的差值经PID运算后送到执行机构，改变进给量，以达到自动调节的目的。这种系统多用电动或电气单元组合仪表DDZ或QDZ来完成。而在数字控制系统中，则使用数字调节器来代替模拟调节器。其调节过程是首先采集过程参数的信号并通过模拟量输入通道将模拟量变成数字量，这些数字量通过计算机按一定控制算法进行运算处理，运算结果经D/A转换成模拟量后由模拟量输出通道输出，并通过调节机构去控制进给量，以达到给定值。根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行控制的调节器(简称PID调节器)，是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。它的结构简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。特别是在工业过程控制中由于控制对象的精确数学模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模型辨识。模型辨识，是通过对系统输入/输出数据的测量与处理，从而建立系统的数学模型。当用模型辨识代替系统辨识，往往不能得到预期的效果，所以人们常采用PID调节器，并根据经验进行在线整定。整定即实验和分析的