大学毕业设计基于pid算法的锅炉恒温控制系统.docx
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大学毕业设计基于pid算法的锅炉恒温控制系统
毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
基于PID算法的锅炉恒温控制系统
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1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
基于PID算法的锅炉恒温控制系统
摘要
随着科技的发展，温度恒温的控制已经在冶金、生产、化工等行业已被广泛应用，在人类的生活和工业生产过程处处可以看到温度控制，温度控制中温度的恒温控制显得尤为重要。
所以在现代越来越多的人开始针对温度的控制进行着深入研究。
在本次设计中，我采用了STC12C5A60S2的单片机做为整个系统的控制核心和数据的处理单元，采用型号为PT100的温度传感器实时的采集温度，用双向可控硅作为输出功率的控制元件从而来实现对锅炉的自动温度控制。
本系统通过PID算法控制，将温度控制在0到100度之间，同时能够实时的显示温度且能够将温度保持在一个给定值，最大误差不超过1摄氏度。
本设计的工作原理是当达到一个采样周期T时，通过温度改变传感器PT100的阻值，进而改变输出的电流，将这个模拟信号经过运算放大后再交给A/D转换处理后传给单片机，单片机能够将实时的温度跟设置的参数通过LCD显示屏显示出来，同时通过键盘给定的温度进行比较，进行PID运算。
通过时间比例输出结果来控制双向可控硅的导通与关闭，从而达到对水温控制的效果。
关键词：
锅炉；温度；单片机；PID控制
TheconstanttemperaturecontrolsystemofboilerbasedonPIDalgorithm
Abstract
Alongwiththedevelopmentofscienceandtechnology,constanttemperaturecontrolhasbeeninmetallurgy,manufacturing,chemicalandotherindustries.Temperaturecontrolcanbeseeneverywhereintheprocessofhumanlifeandindustrialproduction,constanttemperaturecontrolisparticularlyimportantinthetemperaturecontrol.Soinmodern,moreandmorepeoplebegintoresearchwithtemperaturecontrolindeeply.
Inthisdesign,IhaveadoptedSTC12C5A60S2microcontrollerasthecontrolcoreofthewholesystemanddataprocessingunit,usingthemodelofPT100temperaturesensorstocollectreal-timetemperatureandbidirectionalthyristortocontroloutputpowercontrol,whichrealizestheautomatictemperaturecontroloftheboiler.ThissystemiscontrolledbyPIDalgorithm,tocontrolthetemperaturebetween0and100degrees,atthesametimewhichcanbereal-timedisplaythetemperatureandcankeepthetemperatureinagivenvalue,themaximumerrorislessthanonedegreeCelsius.
WorkingprincipleofthisdesignisthatwhenreachAsamplingperiodT,throughtheresistanceofsensorPT100temperature'schange,inturn,tochangetheoutputcurrent,thecurrentsignalhandsdowntheA/DconversionprocesstotheMCUafteroperationamplifier,MCUcandisplayedthereal-timetemperatureandsettingparametersbyLCDdisplay,atthesametime,comparingwithatemperaturewhichisgiventhroughthekeyboardcanstartPIDarithmetic.Throughtheresultofthetimescaleoutputtocontrolthebidirectionalthyristor'sconductionorclosed,soastoachievetheeffectofthewatertemperaturecontrol.
Keywords:
Theboiler;Thetemperature;Singlechipmicrocomputer;PIDcontrol
1绪论
1.1本课题研究背景和意义
近年来，温度控制系统成为比较常见的控制系统。
温度无论是在工业生产过程还是人类的生活中都是一个重要的参数。
因此，一批又一批的温度控制器被人们生产出来，被应用在冶金、化工、医疗等众多领域，与人们的生活息息相关。
举个简单的例子，浴室是人类生活中常见的一个场所，传统的浴室采用的是燃煤燃油的方式给水加温并控制温度，不过随着人类生活水平的提高，传统的加热方式已经不能够适应时代的潮流，新型的温度控制器也不断的被人们开发出来。
取代传统的温度控制器。
而单片机具有体积小，记忆力强，内存大，使用寿命长等优点。
人们将温度控制跟单片机相结合做出各种适合各种场合的温度控制器。
1.2研究内容
本文以锅炉水温为控制对象（锅炉使用水壶来代替），以单片机为控制核心，控制算法采用PID控制，实现的效果能够将锅炉水温控制在一个范围内，同时能够将水温控制在一个额定值，最大误差不超过1摄氏度。
而本课题通过温度改变传感器PT100的阻值进而改变输出电流，将这个电流信号经过运算放大后再交给A/D转换处理后传给单片机，单片机能够将实时的温度和给定的温度通过LCD显示屏显示出来，同时通过将反馈信号与设定的值进行比较所得的偏差，将这个差值进行PID控制算法处理后所得到的信号作为功率电路的输入值，根据PID控制算法处理后得到的值，通过时间比例输出来控制双向可控硅的导通与关闭，从而达到对水温的控制效果。
而通过这一方式恰恰能够改善传统浴室不能够准确控制水的温度的这一缺点。
1.3国内外现状
目前，国外的温度控制技术已经处于集成化，智能化，使用方便的阶段，而国内许多的温度控制器还是处于体积庞大，温度控制准确性不高的阶段，总体的发展的水平不高。
在国外，许多的温度控制器采用的是模糊PID控制，而国内更多的采用的是传统的PID控制，或是采用的是分段PID控制，与国外相比，国内在温度控制的发展上还要很多的路要走。
2总体方案设计
2.1方案论证
2.1.1温度感应器的选用
（1）采用热敏电阻：
热敏电阻具有工作范围广，灵敏度高，体积小等特点，但是热敏电阻在工作的时候会长期的处于一个不动的状态，其实物图如图2.1所示。
本次的课题是需要能够实时的检测水的温度，在80度左右的时候温度的跳动比较小，因此热敏电阻可能会处于不动的状态，不能够实时的检测水的温度。
而且热敏电阻工作处于一个线性的状态，在本次的实验的过程中温度常常会处于一个非线性的状态，所以热敏电阻图2.1热敏电阻
不适合本次的课题。
（2）采用AD590：
AD590具有低成本、精确度高、测温误差小、体积小、微功耗等优点可用于温度的补偿跟校正。
其实物图如图2.2所示。
由于其能够提高一个高的阻抗的电流，所以其检测的距离使用范围也特别长。
虽然它的工作的温度范围-55℃~+150℃但是在但使用AD590需要配合高精度的ADC配合使用才能得到数据，所以在使用AD590时电路比较复杂，成本高，不适合本次的课题。
图2.2AD590
（3）采用PT100：
PT100具有体积小，内部无空气气隙，热惯性上，测量滞后小，应用范围广等特点。
其实物图如图2.3所示。
PT100的阻值能够随着温度的提升能够匀速的上涨对于本次的设计测量的线性输出适合单片机的计算，所以PT100比较适合本次的设计。
图2.3PT100
（4）采用DS18B20:
DS18B20具有在使用时不需要外接原件，单线的接口的方式等特点，其实物图如图2.4所示。
但是其控制方法比较复杂，所以需要大量的控制指令，而且其检测的范围小所以不太适合本次的课题。
图2.4DS18B20
2.1.2控制算法选择
（1）采用传统PID：
传统PID具有结构简单，实现相对容易，使用方便的特点，但是其在使用过程中有超调和温度上升不够快，在此过程中产生的误差过大，所以已经不能够满足一般的需求，不适合本次的课题。
（2）采用分段PID：
分段PID是在传统PID的基础上解决了积分过饱和的问题和系统在运行的过程中由于一些问题温度突然间急剧升高不能够有效控制温度的问题。
同时分段PID，顾名思义就是能够够按每部分加热的不同要求进行灵活的调整从而达到较好的调温效果，所以比较的适合本次的课题。
（3）采用模糊控制：
在分段PID的基础上，人们又推出了模糊控制股的理论，但是使用模糊控制需要大量的实验数据作为依据，难度较大实现困难，相对比较，在本次课题中还是采用分段PID实现的快。
2.1.3电源环节
（1）采用直流升压电路：
直流升压电路结构简单，不过其成本低但其转化率低，输出功率小，所以这种电路适用于万用表中。
（2）采用直流降压电路：
相比较与直流升压电路，直流降压电路能够将电压降到36V人体安全电压下，且在本次的设计过程中能够与锅炉共用一个电源，所以本次的设计采用直流降压电路。
2.2系统组成总结构图
系统组成总结构图如图2.5所示。
图2.5系统总结构图
本设计由检测模块、信号转换模块、信号处理模块、负载驱动模块、负载模块、监控模块组成，其中检测模块是一个型号为PT100的温度传感器，通过改变温度进而改变传感器PT100的阻值进输出一个电流信号，将这个模拟的信号经过运算放大后再交给A/D转换处理后生成一个数字信号传给单片机，单片机能够将实时的温度跟设置的参数通过LCD显示屏显示出来，同时通过键盘给定的温度进行比较，进行PID运算。
通过时间比例输出来控制双向可控硅的导通与关闭，从而达到对水温的控制。
3硬件电路设计
3.1温度检测电路
本次设计的温度检测模块是采用PT1000传感器检测温度，将所测得的恒源流经过运算放大器LM324放大后，此时所放大的信号经过一个稳压电路，本次设计中采用可控精密稳压源（TL431）产生一个稳定的电压作为输入，相当于起到一个稳压的效果，这样就能保证输出一个稳定的电压，同时能够做到将电流的误差保持在毫安级的范围内，从而提高了精度，在电路中我们又增加了几个电压跟随器还有几个兆欧级的电阻，这样我们就能够保证设计的恒流源的精度可以达到微安级的范围内，在最大限度中减小误差。
总设计图如图3.1所示。
本电路中通过一个可控精密稳压源将5V的电压生成2.5V的稳定电压，经过R5，R6，R8这些电阻值较大的电阻后能形成一个较小的电流，大约在毫安级的范围内，通过加入C3，C4，C7三个电容将此时的电流信号进行滤波，得出一个稳定的电流信号传入到放大器中，将这个得到的电流信号进行放大最后输出。
图3.1温度检测信号处理电路
其中PT100温度传感器，它的电阻阻值能够随着温度的变化而改变，大约是一个线性的关系。
PT100中的100表示当它在0摄氏度时其阻值即为100欧姆，。
而本次课题的温度区间在0℃~100℃,其线性结构图如图3.2所示。
图3.2PT100铂电阻R/T曲线
其原理是：
当温度传感器PT100在0摄氏度的时候其阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度的提高而匀速的提升。
R/T曲线和相应的分度表如表3.1所示。
表3.1PT100R/T曲线和相应的分度表
本次的课程设计的温度区间在0摄氏度到100摄氏度，PT100的温度跟阻值的关系在该区间的公式为：
在本次的课题中PT100温度的显示采用的是先算出上面的电压,而电压的值可已通过AD输出得到，通过这个电压值除以其中的电流能得到一个电阻，再根据这个电阻值通过上面的公式算出此时对应的温度。
即温度对应电阻，电阻对应电压，电压对应ADC的值，只要反过来推导就能够最终算出当前温度的值。
3.2单片机控制电路
单片机，全称单片微型计算机，又称微控制器，它是把中央处理器（CPU）、存储器、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的一个微型计算机。
与普通的计算机相比较，单片机只缺少I/O设备，但是它更加强调自供应能力和节约成本。
它的最大优点就是体积小，可以放在仪表内部，但是由于其存储量小，输入输出接口简单，所以它的功能较低。
尽管如此单片机还是被人们广泛应用。
本次设计的单片机模块的电路图如图3.3所示。
图3.3单片机模块
STC12C5A60S2单片机是在普通51单片机的基础上进一步开发的一种新型单片机，具有运行高速、低功耗、超强抗干扰等特点，它的指令代码不但能够完全兼容传统的51单片机,而且其的空间容量也是非常的大，同时它的运行速度相比传统的51单片机，比传统的51单片机快了将近8-12倍。
内部专门集成有MAX810专用的复位电路,8路高速10位A/D转换,针对电机的控制，抗干扰能力极强。
所以现在的STC12C5A60S2已经取代了传统的51单片机，在社会生活中被广泛应用。
（1）主要性能特点
1、增强型的51中央处理器（CPU），能够完全的兼容传统的51单片机和其存储的空间也是非常的大;
2、.片上集成有1280字节RAM;
3、工作频率范围在0~35MHz内;
4、通用I/O口；
5、有EEPROM功能;
6、看门狗;
7、内部集成MAX810专用复位电路
8、共4个16位定时器
9、2个时钟输出口
10、外部中断I/O口7路
11、有10个A/D转换端口;
12、有双串口
（2）管脚说明
STC12C5A60S2单片机中包含有CPU、程序/数据储存器、定时器、计数器、I/O接口、A/D转换器等元器件，下面对其引脚进行说明。
VCC：
供电电压;
GND：
接地;
P0.0~P0.7效果相同，既可以作为输入也可以作为输出，既可用作数据总线也可以用作地址总线。
当这8个端口作为输出或是输入时，由于其是准双向口，内部有弱上拉电阻，所以不需要再外面再接一个电阻，可以直接使用。
当这8个端口作为地址或是数据总线使用时，其地址线是低8位的A0~A7，数据线是D0~D7；
P1.0口：
可用作I/O口，也可用作时间输出，当使用ADC时，其输入的通道为0；
P1.1口：
当使用ADC时，其输入通道为1；
P1.2口：
可当做I/O口使用，同时也可以作为数据的接受端，使用ADC的输入为2；
P1.3口：
主要用作外部信号的捕捉，脉宽/冲的输出，同时是数据串口的发送端。
ADC的输入通道为3；
P1.4口：
ADC的输入通道为4；
P1.5口：
只可作为主器件的输入或是用作从器件的输出，其ADC的输入通道为5；
P1.6口：
与P1.5口相反，只可用作主器件的输出或是从器件的输入，其ADC的输入通道为6；
P2.0~P2.7口：
与P0.0~P0.7相比较，内部都有上拉电阻，都可用作输入或是输出口使用。
不同的是P0.0~P0.7在使用地址总线时时低8位，而P2.0~P2.7为高8位。
图3.4STC12C5A60S2管脚图
P3.0口：
I/O口，串行口1数据的接收端；
P3.1口：
外部中断接入0；
P3.3口：
外部中断接入1；
P3.4口：
定时/计数器外部输入0
3.3A/D转换模块
A/D转换的过程就是将模拟信号转化成数字信号的过程。
在整个A/D转换的过程中包括采样、保持、量化和编码这几个过程。
在本次课题的过程中需要将通过温度传感器PT100所获得的0~5V电压模拟信号转换成数字信号电压模拟信号输入给IN-0通道，在转换完成后，然后输送给单片机的P0口，让单片机处理所获得的数字信号。
如图3.5所示，单片机1号口就是接受从PT100直接传输过来的电压模拟信号，其经过ADC转换后能够获得一个数字的信号最终传给P0口。
图3.5温度信号AD转换电路图
A/D转换的过程就是整流的过程，就是把模拟信号转换成为数字信号。
A/D转换分为积分型、逐次比较型、并/串型比较型等。
模拟信号可以是电压信号，也可以是电流信号，也可以是压力信号等等。
经过A/D转换后输出的数字信号有8位的，10位的，12位的，14位的或是16位的。
它的工作原理主要有逐次逼近法、双积分法、电压频率转换法。
在本次的课题中A/D转换输出的信号是10位的信号。
3.4功率模块电路
本次设计的温度控制的方法采用的是通断控制的方式。
就是通过改变一个周期内加热器的导通跟关闭从而来实现对温度的控制的效果。
本次的系统中的控制电路中，控制的硬件主要是由双向可控硅输出型观点耦合器MOC3014和双向可控硅BTA41组成。
如图3.6所示。
当单片机的P0.7口输出0时（即con端输入为低电平），由于二极管正极有一个5V的电压输入，高于负极，此时二极管导通，即MOC3014的1到2能形成一个回路产生电流，进而输出端的双向可控硅导通，从而能够触发外部的双向可控硅BTA41的导通，达到是整个电路通路，能够对锅炉产生功率；反之，当单片机的P0.7口输出高电平，MOC3.14关断，BTA41也关断，加热器也关断，从而达到功率的控制效果。
图3.6功率控制输出电路
光电耦合器又称光电隔离器，简称光耦。
它是通过光为媒介传输信号，所以其传输的时间快，距离远，信号完整度高。
本次课题需要的是能够实时的控制水温即能够实时的控制功率，所以对输入跟输出信号的隔离效果要好，而光耦正好能满足这个要求。
光耦合器即可以完成光的发射跟接受，最最主要的是若在光的传输过程中遇到的介质不易光的传输，但是他自带信号放大器能够最大程度上减小误差，保证实验的结果。
其工作原理就是当一个电信号输入后，此时光耦能够驱动一个发光二极管，在光耦内有一个光探测器，当接受到发光二极管发来的光线后，该光探测器接能够产生一个光电流，再经过光耦的进一步放大减小误差，在经过放大后的电流信号直接输出。
这就完成了一个电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。
双向可控硅是在普通的可控硅的基础上发展过来的，它是由两只反极性并联的可控硅组成，在这两个可控硅中只要加一个触发电路，就可以实现控制，比较的适合用在交流控制的电路中。
而在本次的课题中双向可控硅配合光电耦合器能很好的控制功率的输入跟输出。
在本次课题的过程中由于单片机的电压输入为5V，而为了使做出的实物显得简洁一些，于是采用了一个直流降压电路连接在220V的电压上，与锅炉共用一个电压。
将220V的交流电要变成5V的直流电，先是要对220V的交流电进行变压，变压得到的打压仍然是交流电，将此时的交流电经过整流电路后变成直流电。
如图3.7所示，而外接一个电容的效果是为了起到滤波的作用。
图3.7直流降压电路
3.5按键处理
本次课题的按键一共3个按键，其对应的单片机口分别对应P2.2口，P2.1口，P2.0口，电路图如图3.8所示。
KEY1是自整定按键，KEY2是给定温度的升高，KEY3是给定温度的降低。
其中在按键的过程中若是但按一下KEY2或是KEY3键，则温度的提升或是降低的单位为0.1摄氏度，若是长按KEY2或是KEY3键，则温度的提升或是降低的单位为1摄氏度。
图3.8按键模块电路图
3.6显示模块电路
本次课题的显示模块采用的是LCD12864的微型液晶屏。
12864代表水
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