锅炉温度PID控制系统设计说明Word文档格式.docx
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1.2课题目的与意义
本控制器主要是针对现代工业自动化生产过程中锅炉温度控制装置而设计的，用PID控制代替传统的控制方法，以获得良好的控制效果。
通过这个课题能锻炼我的能力，给我提供了一个理论和实践相结合的机会。
通过这次毕业设计，我能对单片机程序设计、自动控制理论、检测技术与仪表方面的知识有进一步的了解，以巩固学过的专业知识，开拓我的视野。
同时，由于学过的知识有限，让我认识到了自己的不足，为以后有针对性地提高有了一个明确的方向，同时也锻炼和提高我们的自学能力，为提高我们以后的自身竞争能力打下基础。
1.3设计指标
此系统主要以单片机为控制器，并对显示电路，温度检测电路，人机接口电路，键盘电路，报警电路，执行电路等进行具体设计，以实现锅炉水温的控制。
具体指标要求如下：
1、用单片机作为控制器，采用模块设计方法，对系统硬件、软件进行详细的设计
2、锅炉温度控制在0-100℃左右。
3、通过键盘输入上下限温度、恒温温度，以与通过手动停机的功能。
4、显示电路用于显示用户设定的温度、上限温度、下限温度和当前温度值等，精确到小数点后一位。
5、水温高于上限温度和低于下限温度时，系统报警；
误输入时报警。
6、加热执行机构的设计。
1.4论文工作
本系统从结构上分为两部分，第一部分是前端采集系统；
第二部分是控制系统。
前端采集系统由机械开关、温度传感器组成，其任务是完成洗碗机各个测量量的测量，并且向控制机传送测量数据，当数据值超过限定围时进行相应的操作。
控制系统主要实现对开关、电机、显示的控制，实现对洗碗机温度值、开关量的循环采集，并对其进行处理、显示、动作。
用户可通过控制机上的键盘设置相应的操作，控制系统将根据设置运行相应程序。
第1章绪论：
主要介绍了本课程背景、课题目的与意义、设计指标、论文工作。
第2章系统设计方案与论证：
说明了两种不同的设计方案并对两种方案的优缺点进行了对比，从而选出了最佳控制方案。
第3章系统硬件设计：
详细介绍了系统中硬件电路设计结构。
第4章系统软件设计：
详细介绍了系统中软件设计。
第5章调试：
通过实验板测试整个控制系统的各个功能。
第2章系统设计方案与论证
实现本系统设计要求的方案有多种：
（1）用PLC为控制器，热电阻/热电偶作为测温器件，实现闭环控制。
（2）用单片机结合温度传感器和加热执行机构对温度进行控制，键盘修改温度参数、显示。
每一种方案都有其各自的优点。
本章详细列举、说明了两种不同的设计方案的优缺点进行对比，选出了最佳控制方案。
2.1系统设计方案
方案一：
以PLC为控制器
此方案用PLC作为主要控制器的核心，利用热电偶作为测温器件，然后通过一个变送器将温度转换成电压信号，送入到A/D转换器进行模拟到数字量的转换，转换结转送入PLC，由PLC根据给定值与测量值的大小作比较得到一个偏差，再由D/A将偏差数字量转换成模拟量来调节加热丝的工作时间或者通过调节不同电压来调节加热丝的加热功率，最终达到锅炉恒温控制的目的。
系统原理框图如下图1所示：
实际温度
图1方案一的原理框图
方案二：
采用51单片机为主控芯片
此方案采用单片机为主控芯片。
利用热电阻PT100作为温度传感器件，然后通过运算放大器OP-07构建差分放大器将温度信号转换成ADC0809模拟通道的输入的0-5V标准信号，再由ADC0809将模拟信号转换成八位数字信号，传送给单片机P0口，单片机将实时温度和设置参数通过数码管显示出来，同时通过键盘输入设定温度，单片机将设定温度同ADC0809传送过来的数据进行比较运算，利用PID运算，作出相应的判断，从单片机P1.0输出一个PWM波形来控制固态继电器的导通与关闭，从而控制锅炉的加热丝在一个固定周期电加热时间的长短来达到恒温控制的目的。
系统原理框图如下图2所示：
图2方案二的原理框图
2.2方案选定
根据两个方案的原理和组成结构，主要考虑以下一些因素考虑。
从组成结构来比较，以PLC为控制器的方案安装接线比较繁琐，而实际显示需要单独的显示屏，调节温度时不太方便，若要改变给定值，需要添加专门的输入模块或者需要重新下载控制程序。
而51单片机控制系统，整个控制系统可以规划的一块PCB电路板上，从而安装起来更加方便，而且其功能比较齐全，显示模块简单，调节温度可通过键盘来设置，使用很方便。
从成本上来看。
以PLC为控制器的方案比较昂贵，51单片机控制系统更加经济。
考虑到用户的心里接受倾向，51单片机控制系统更有市场推广价值。
通过以上分析和比较从而得出：
锅炉温度控制系统采用单片机作为控制器的系统比PLC控制系统成本更低，使用更加方便，快捷。
基于上述原因，最终确定采用方案二。
第3章锅炉温度控制系统硬件电路设计
本系统硬件电路主要由以下部分组成：
供电电源电路、单片机最小系统电路、温度检测电路、数模转换电路、键盘输入电路、声光报警电路、继电器输出电路、LED显示电路
3.1系统供电电源电路设计
主控电路所需的+5V电源；
外围电路（如继电器、运算放大器）所需的+12V和-12V电源。
如图3系统供电电源电路原理图所示：
此电路采用“降压整流滤波稳压滤波”的线形电源模式。
这里选用了78M12、79M12、78M05三端稳压器。
图3系统供电电源电路原理图
由于78M系列三端集成稳压器部有过热、过流保护电路，外围元件少，性能优良，体积小、价格低，所以在很多电路中广泛应用。
它的工作原理与一般的分立件组成的串联调整式稳压电源相似，区别在于增加了启动电路、恒压源以与保护电路。
为了使稳压器能在比较大的电压围正常工作，在基准电压形成和误差放大部分设置了恒流源电路，启动电路的作用就是为恒流源建立工作点。
实际电路是由一个电阻网络构成，在输出不同电压稳压器中，采用不同的串并联接法，形成不同的分压比，通过误差放大之后去控制调整管的工作状态，以形成和稳定一系列的输出电压。
虽然三端稳压器有很多优点，但因目前功率集成技术水平的限制，它的最大电流只能达到1.5A。
然而本次设计需要的是电压，可以不考虑电流部分。
使用三端集成稳压器时一定要注意：
输入电压与输出电压差不能过大，一般选择在6～10V为宜，压差过小，输出电压纹波大，起不到稳压作用，压差过大，稳压器本身消耗的功率就随之增大，容易损害稳压器。
78M05集成稳压器是将功率调整管、取样电阻以与基准稳压、误差放大、启动和保护电路等全部集成在一个芯片上而形成的一种稳压集成电路。
电路中两个二极管IN4007是：
防止系统不稳定时，输出电压高于输入电压，从而导致三端集成稳压器被烧毁，起到保护作用。
上述电源中所用的电源变压器功率为10W。
电路中的压敏电阻VDR是防雷、抑制过电压作用，保护电路免受过电压的损害。
压敏电阻VDR在它上面的电压低于它的阀值UN=471V时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过471V时，流过它的电流激增，相当于短路，这时FUSE会因为电流激增而烧毁，使电路断开。
3.2单片机最小系统
单片机最小系统指的是由最基本的电路元件组成的，外接部分简单的电路就能够独
图4单片机最小系统原理图
立成一定的工作任务的单片机系统。
51单片机的最小系统由单片机芯片、电源、时钟电
路、和复位电路组成。
如图4单片机最小系统原理图所示，其中的晶振时钟电路用来产生时钟信号，以提供单片机片各种数字逻辑电路工作的时间基准。
按键S6_1能实现手动复位，电容C6_1能实现上电复位，复位电路用来使片电路完成初始化的操作，具体功能是使程序计数器PC=0000H，引导程序从0000H地址单元开始执行；
SFR中的21个特殊功能寄存器复位后的状态是确定。
3.2.1主控单片机AT89S51芯片介绍
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统与80C51引脚结构，芯片集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
（1）主要性能特点
1、4kBytesFlash片程序存储器；
2、128bytes的随机存取数据存储器（RAM）；
3、32个外部双向输入/输出（I/O）口；
4、5个中断优先级、2层中断嵌套中断；
5、6个中断源；
6、2个16位可编程定时器/计数器；
7、2个全双工串行通信口；
8、看门狗（WDT）电路；
9、片振荡器和时钟电路；
10、与MCS-51兼容；
11、全静态工作：
0Hz-33MHz；
12、三级程序存储器锁定；
13、可编程串行通道；
14、低功耗的闲置和掉电模式。
（2）管脚说明
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
图5AT89S51管脚图
P1口：
P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能：
P3.0/RXD（串行输入口）
P3.1/TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4/T0（记时器0外部输入）
P3.5/T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。
读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的容读入到部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。
只有读端口时才真正地把外部的数据读入到部总线。
89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。
除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；
当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入与部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
（3）下载程序
AT89SXX系列单片机实现了ISP下载功能，故而取代了89CXX系列的下载方式，也是因为这样，ATMEL公司已经停止生产89CXX系列的单片机，现在市面上的AT89CXX多是停产前的库存产品。
3.3温度测量电路
本系统利用热电阻PT100作为温度传感器件，然后通过运算放大器OP-07构建差分放大将温度信号转换成ADC0809模拟通道的输入的0-5V标准信号，再将模拟信号转换成八位数字信号，传送给单片机P0口。
3.3.1温度信号测量电路
如图3.4.1温度信号测量处理电路所示，利用热电阻Pt100作为温度传感器件，然后通过运算放大器OP-07构建差分放大电路将温度信号转换成ADC0809模拟通道的输入标准电压信号。
将Pt100接入到电桥中，如图6温度测量信号处理电路所示，由Pt100的阻值来反映锅炉的温度的变化，电桥输出电压为：
Uba=Vcc[R1_4/（R1_2+R1_4）-R1_3/（R1_1+R1_3）]（其中下桥臂R1_3=100Ω，R1_4=1K，上桥臂R1_2=1K，Vcc=5V），所以Uba=5*[1K/（1K+1K）-R1_3/（R1_1+100）]=2.5-5*100/（R1_1+100）
其中AR1作用是将电桥电位Vb、Va作差分比例放大作用，由差分比例运算放大电路的计算方式：
Auf=Uo1/（U1_-U1+）=-R1_8/R1_6（其中R1_8=100K，R1_6=10K，U1_-U1+=-Uba）从而得到：
Uo1=10Uba=25-50*100/（R1_1+100）。
图6温度测量信号处理电路
根据PT100铂电阻R/T曲线可知电阻-温度的关系线性度非常好，电阻-温度的关系可以近似确实测量上限温度，Uo1=25-50*100/（R1_1+100），当Uo1=5V时，可以计算出测量上限温度时对应的电阻为：
150欧姆，查Pt100的分度表，可得：
测量上限温度为131℃，即当t=0℃时，可得Uo1=0V；
当t=131℃时，可得Uo1=5V。
由铂电阻电阻-温度线性关系特性和计算公式可得以下两个结论：
（1）、PT100铂电阻在0—600℃电阻-温度的关系线性度很好。
（2）、当温度在0—131℃的围，运放输出的电压分别线性对应是0—5V的标准。
3.3.2热电阻pt100介绍
pt100是铂热电阻，它是用很细的铂丝（直径为0.03~0.07mm）绕在云母架上制成，是国际公认的高精度测温标准传感器。
因为铂电阻在氧化性介质中，甚至高温下其物理、化学性质都非常稳定，因此它具有精度高、稳定性好性能可靠的特点，铂电阻在中温（-200~650℃）围得到广泛应用。
它的阻值会随着温度的变化而改变。
PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。
图7PT100铂电阻R/T曲线
它的工作原理：
当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。
以下是PT100铂电阻R/T曲线和相应的分度表。
表1Pt100分度表
3.4A/D转换单元
经过温度信号测量处理电路后所得到的0—5V电压模拟信号要经过AD转换后才能送给单片机，如图8温度信号AD转换电路所示，电压模拟信号输入给IN-0通道，转换完成后，输送给单片机的P0口。
图8温度信号AD转换电路图
其中ADC0809的A、B、C三个端口作为它IN0-IN8八个输入通道的选择信号，由于此处只用到了IN0通道，所以将此A、B、C三个端口全部接地，电路中ADC0809的转换结束信号引脚EOC接在单片机P3.5上，单片机启动ADC0809的转换后，延时一段时间，然后程序采取扫描方式检测ADC0809是否转换结束，单片机然后去检测P3.5电平，当接收到一个高电平时，发出一个READ信号，使得ADC0809输出锁存缓冲器开放，将数据输送到数据线上，从而完成温度数字信号的采集过程。
3.4.1ADC0809介绍
ADC0809是M美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。
其部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
是目前国应用最广泛的8位通用A/D芯片
（1）主要特性
1）8路输入通道，8位A／D转换器，即分辨率为8位。
2）具有转换起停控制端。
3）转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）
4）单个＋5V电源供电
5）模拟输入电压围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。
6）工作温度围为-40～＋85摄氏度
7）低功耗，约15mW。
（2）部结构
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，部结构如图9所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近
图9ADC0809部结构图
（3）外部引脚功能特性
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图10所示。
下面说明各引脚功能。
图10ADC0809引脚配置图
IN0～IN7：
8路模拟量输入端。
2-1～2-8：
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC：
3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路
ALE：
地址锁存允许信号，输入，高电平有效。
START：
A／D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。
EOC：
A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
OE：
数据输出允许信号，输入，高电平有效。
当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。
CLK：
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF（+）、REF（-）：
基准电压。
Vcc：
电源，单一＋5V。
GND：
地。
（4）CLOCK引脚时钟频率
由于ADC0809的CLOCK引脚时钟脉冲输入端时钟频率要求不高于640KHZ，而单片机的ALE（地址锁存使能端）输出的频率是单片机的振荡频率12MHZ的1/6，即频率是2MHZ，所以不能直接将单片机的ALE脚接在ADC0809的CLOCK端。
如下图所示，可以用两片CD4013构成如下的4分频电路将2MHZ的ALE频率分成512KHZ<
640KHZ。
图11CD4013构成4分频电路
一个D触发器CD4013有6个端子：
2个输出，4个控制。
4个控制分别是R、S、CK、D。
其中：
（1）R和S不能同时为高电平。
（2）当R为1、S为0时，输出Q一定为0，因此R可称为复位端。
（3）当S为1、R为0时，输出Q一定为1。
（4）当R、S均为0时，Q在CP端有脉冲上升沿到来时动作，具体是Q=D，即若D为1则Q也为1，若D为0则Q也为0。
其中各种工作状态如下表所示
表2：
D触发器CD4013真值表
QnD
Qn+1
10
01
1
10
11
CK（ALE）：
Q（U3_8A）：
Q\（CLK）：
由以上电路可以得到以下4分频时序图：
图124分频时序图
3.5输出模块
本控制系统的输出单元主要有三个：
（1）继电器输出控制加热执行机构的开与关。
（2）当水温高于上限温度和低于下限温度时，系统进行声光报警。
（3）数码管用于显示用户设定的温度、上限温度、下限温度和当前温度值。
3.5.1继电器输出
加热执行机构的开与关状态由固态继电器（SolidStateRelay），如图13所示。
图13固态继电器输
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