基于单片机的热水控制系统.doc

基于单片机的热水锅炉温度控制系统设计白楠东北大学秦皇岛分校自动化工程系 秦皇岛 066004摘 要在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而大大的提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是工业生产中经常会遇到的控制问题。 本文阐述了基于单片机的温度控制系统的硬件组成、软件设计以及相关的接口电路设计。同时考虑到系统的可靠性，利用PID温度控制器作为重要的控制设备。针对控制系统的特点，在系统辨识的基础上对系统的控制算法进行了仿真研究，而且在单片机系统上实现了控制算法。最后对温度恒温控制系统进行实验，证明基本单片机的温度控制系统的设计具有合理性和有效性。关键词： 单片机 温度控制 PID引言 温度是生活以及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都与温度有着密切的联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接关系安全生产、生产效率、生产质量、能源利用等方面的问题。因此，温度的测量和控制在我国的很多经济领域都受到高度重视。 在实际的生产实验环境下，由于系统内部和外界的热量交换是很难控制的，而且其他干扰因素也是无法去精确计算的，因此温度量的变化往往受到不可精确预计的外界环境扰动的影响。但是正常工业生产过程中，对生产中的温度要求又是相对精确和苛刻的，工业生产中经常要保持反应炉中保持一定的温度，来促进反应的持续快速进行，同时，以前的温度控制大多是人工通过仪表的显示来调节温度的模式，然而人工控制温度的精确度不高，而且反应不灵敏，存在较大误差，因此需要更好的测温控温方法。 随着电子技术和计算机的迅速发展，计算机测量控制技术拥有操作简单、控制灵活、使用便捷以及性价比较高的优点从而得到了广泛应用。 单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可以实现对数字信息的处理和控制，因此，单片机广泛应用于现代工业控制中。此控制具有重量轻、体积小、价格低、可靠性高、耗电低和操作灵活等优点，因此利用单片机进行温度测量控制会大大提高其可靠性和准确性。单片机对温度的测量控制是基于传感器、A/D转换器以及扩展接口和执行机构来进行的。在闭环过程控制系统中，过程的实时参数由传感器和A/D转换器来进行实时采集，并由单片机自动记录、处理并控制执行机构来进行调节和控制。因此需要对单片机进行扩展和开发，来形成一个完整的单片机温度控制系统。1. 系统总体方案设计1.1 系统硬件总体设计根据热水锅炉的要求本系统采用AT89S52作为系统的处理器，通过扩展RAM，ROM、8255、8253、A/D转换电路、热电偶、加热器件以及外围辅助电路构成一个完整的系统。整体结构如下图。8253AT89S52A/D转换数据采集电路加热电器信号处理固态继电器 系统整体结构 图中由A/D转换器构成了输入通道，用于转换从锅炉内采集的温度信号。其中，数据采集电路将温度信号变为电压信号输出，再通过放大电路将电压信号变为05V标准电压信号，然后可以通过A/D转换。转换后的数字量通过PID调节来纠正误差，从而达到对热水锅炉中温度的精确控制。锅炉内的初始温度值由键盘输入，计算机算出所需要的控制量送给8253，由8253送至固态继电器，通过固态继电器的导通，来控制加热电器是否进行加热。1.2 系统软件总体设计本系统软件设计包括两个部分：管理程序和控制程序。管理程序包括LED显示动态刷新、控制指示灯、处理键盘的扫描和响应。用来进行掉电保护的处理、执行中断服务操作等等。另一方面，控制程序包括A/D转换、数据采样、数字处理、报警设置、中值滤波、PID计算等等。2. 硬件系统设计 本文中所研究的基于单片机的热水锅炉温度控制系统硬件部分按其功能可以分为以下几种：单片机主控模块、输入通道、输出通道、保护电路。由结构框图可知，温度控制系统以AT89S52单片机为核心，同时扩展外部存储器构成主控模块。温控箱的温度由温度传感器检测并转化成微弱的电压信号，再通过A/D转换器转化成数字量。经过数字滤波后，一方面将温度通过控制面板的液晶显示器显示出来；另一方面将该温度与设定的温度值进行比较，根据其偏差值的反馈，采用PID控制算法进行运算，最后通过控制双向可控硅控制周期内的通断占空比，从而达到对温度进行控制的目的。如果实际测的的温度超过系统给定的极限温度，存在安全问题时候，保护电路会做出反应，从而保护温控箱以及其他部件。硬件总体结构框图如下：A/D转换保护电路温控箱加热部件温度传感器串行通信晶闸管温度显示时钟电路设定温度值89S52硬件总体结构框图2.1 主控模块器件选择及设计2.1.1 单片机 AT89S52AT89S52单片机是比较新的一种低功耗、高性能内含8K字节闪存的8位CMOS微控制器，与工业标准MCS-51指令系列和引脚完全兼容有超强的加密功能，同时其片内闪存的编程与擦除完全用电实现，数据不易消失，编程较快。2.1.2 存储器 AT89S52的内部存储器在本系统实验过程中，不能满足实际情况的需求，因此在使用时分别用了一片6264和27512进行扩展。2.1.3 定时计数器 8253 8253是Intel公司的使用单一+5V电源供电，NMOS工艺制成的24条引脚的双列直插式芯片。具有3个独立的计数器，每个都可以单独作为定时器或者计数器使用，且都可以按照二进制或十进制进行计数，每个计数器计数速率高达2MHz。所有的输入输出引脚都与TTL电平兼容。2.2 输入通道设计2.2.1 热电偶温度传感器 系统所采用的热电偶为镍铑铂热电偶，其测温范围为01600。在冷端温度为0时，热端在500对应的热电势为16.688mV左右。2.2.2 A/D转换器 ADC0809 ADC0809是美国国家半导体公司的CMOS型8位28条引脚A/D转换器。采用逐次逼近技术，输出的数字信号由TTL三态缓冲器顺序控制，可以直接与数据总线相连。分辨率为8位，精度为7位，时钟频率范围在101280KHz之间，单一+5V电源供电，数据具有三态输出能力，易于和微处理器相连。2.3 输出通道设计2.3.1 晶闸管 晶闸管是一种功率半导体器件，简称SCR。它分为单向可控和双向可控，在微机控制系统中，可作为功率驱动器件。晶闸管具有控制功率小、无触点、寿命长等优点。2.3.2 温控箱 目前大多温控系统都采用晶闸管来实现功率调节，分为相位控制和零位控制两种控制模式。清标志和暂存单元定义堆栈指针扫描键盘T0初始化开CPU中断清显示缓冲器区温度显示3. 程序设计3.1 主程序流程图： 主程序流程图 3.2 T0中断服务程序 T0中断服务程序是温度控制系统的主程序，用于启动A/D转换器，读取数据采样，数字滤波，越权温度报警和处理，PID计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。P1.3引脚上输出的该同步脉冲宽度由T1计数器的溢出中断控制，8031利用等待T1溢出中断空隙时间完成把本次采样数值转换成显示值而放入显示缓冲区和调用温度显示程序，8031从T1中断服务程序返回后便可以恢复现场和返回主程序，以等待下次T0中断。T0中断服务程序框图如下：温度显示 （DH5）=1？返回恢复现场Y 3.3采样子程序SAMP程序框图如下：返回A/D完成？选中IN0启动ADC延迟采样值始址送R0采样次数送R2NY所有采样结束？N3.4 数字滤波程序数字滤波程序采用中值滤波， 程序框图如YNNYYYYNYYN(2CH)送A (2CH)(2DH)?(2CH)(2DH)?(2CH)(2DH)(2DH)(2EH)?(2DH)(2EH)?(2CH)(2EH)?(2EH)(2CH)?(2CH) 送2AH返回(2EH)送2AH(2EH)送2AH(2DH) 送2AH(2DH) 送2AH N图4.控制策略PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r（t）与实际输出值y（t）构成控制偏差e（t）： et=rt-yt将偏差e（t）的比例P、积分I和微分D通过线性组合成控制量，对被控对象进行控制，因此成为PID控制。其控制规律为ut=Kpet+1TI0te（t）dt+TDde（t）dt或者写成传递函数形式： Gs=Kp（1+1TIs+TDS） 式中： Kp：比例系数TI：积分时间常数TD：微分时间常数5.结语 首先，通过这次应用系统的设计，我学到了不少的知识。同时对以前没有学好的专业知识进行了加强和补充，加深了我对于单片机和数字电路的认识，相信我在以后的学习和工作中遇到类似的器件我会使用的得心应手。 本文我用AT89S52单片机为核心进行系统硬件设计，输入通道采用铂电阻温度传感器，ADC0809作为A/D转换器，输出通道采用可控晶闸管作为输出单元，简化了系统硬件电路，通过对占空比的调节可实现热水锅炉内的温度自动控制。 通过查阅大量资料，我获得以前在课堂上学不到的东西，我想这对于我个人来说，对于我对知识的理解、对毕业的设计，以及对以后的工作，都是有很大帮助的。我会认真对待这个过程的每个细节，希望自己可以做的更好。 参考文献：1 何立民.单片机高级教程应用M. 北京：北京航空航天大学出版社，2000，314.2 徐建林.热处理电阻炉炉温控制系统的分析与仿真J.金属热处理，2002，（27）：11.3 冯博琴，吴宁.微型计算机原理与接