基于单片机的锅炉温度水位控制系统设计.docx

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基于单片机的锅炉温度水位控制系统设计

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单片机；DS18B20温度芯片；温度控制；水位控制；PID控制

Thedesignoftemperatureandwater-levelcontrolsystemofelectricboiler

Abstract：

Electricwaterboilerhasbeenwidelyusedineverykindsofindustrialcontrol，suchasmetallurgy,chemicalindustry,machineryetc..Itisenvironmentallyfriendly,efficient,smallsizeandsoon.Soitisverynecessarytostudythecontrolsystemofelectricwaterboiler.ThispaperintroducestheworkingprincipleanddesignmethodofthetemperatureandliquidlevelcontrolsystemwhichisbasedonAT89S51MCU.TemperaturesignalcollectedbyDS18B20temperaturechipistransmittedtotheMCUintheformdigitalsignal.Thewatersignalcollectedbyelectriccontactsensor,istransmittedtotheMCUinswitchforms.Inthispaper,thecontrolsystemhardwarepartincludestemperaturesensingcircuit,temperaturecontrolcircuit,thewaterleveldetectioncircuit,thewaterlevelcontrolcircuitandothermicrocontrollerinterfacecircuit.Thepaperalsointroducesthesoftwarepart,whichusesthemodularstructureinprogramming.Softwarepartisdividedintothreemainparts:

themainprogram,thekeyboardinterruptandkeyprocessesprogram,Tointerruptprogram.Someothersubroutinesinclude:

temperaturesignalprocessing,digitalcontrolprogram,PIDprocessprocedures.Finally,withMATLABandtheapproximatemathematicalmodelofelectricboilers,thetemperaturecontrolsystemissimulated.

Keywords:

ElectricWaterBoiler,AT89S51MCU,DS18B20TemperatureChip,TemperatureControl,Water-levelControl,PIDControl.

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。

根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行控制（简称PID控制），是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律[2]。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

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

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DS18B20[4]

DS18B20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：

●独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；

●多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；

●无须外部器件；

●可通过数据线供电，电压范围3.0-5.5V；

●零待机功耗；

●温度以9或12位数字读出；

●用户可以定义报警设置；

●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；

●

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2.2DS18B20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0—100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。

DS18B20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2.3DS18B20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