大学毕业设计基于pid算法的锅炉恒温控制系统.docx

1、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 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、

2、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：

3、年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正

4、文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课

5、题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序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PI

6、D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The constant temperature control system of boiler

7、based on PID algorithm AbstractAlong with the development of science and technology, constant temperature control has been in metallurgy, manufacturing, chemical and other industries. Temperature control can be seen everywhere in the process of human life and industrial production, constant temperat

8、ure control is particularly important in the temperature control. So in modern, more and more people begin to research with temperature control in deeply.In this design, I have adopted STC12C5A60S2 microcontroller as the control core of the whole system and data processing unit, using the model of P

9、T100 temperature sensors to collect real-time temperature and bidirectional thyristor to control output power control, which realizes the automatic temperature control of the boiler. This system is controlled by PID algorithm, to control the temperature between 0 and 100 degrees, at the same time wh

10、ich can be real-time display the temperature and can keep the temperature in a given value, the maximum error is less than one degree Celsius.Working principle of this design is that when reach A sampling period T, through the resistance of sensor PT100 temperatures change, in turn, to change the ou

11、tput current, the current signal hands down the A/D conversion process to the MCU after operation amplifier, MCU can displayed the real-time temperature and setting parameters by LCD display, at the same time, comparing with a temperature which is given through the keyboard can start PID arithmetic.

12、 Through the result of the time scale output to control the bidirectional thyristors conduction or closed, so as to achieve the effect of the water temperature control.Key words: The boiler; The temperature; Single chip microcomputer ; PID control1 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

13、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

14、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

15、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

16、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2.2 AD590 （3）采用PT100：PT1

17、00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2.3 PT100 （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2.4 DS18B202.1.2 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

18、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

19、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

20、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

21、，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01

22、00,其线性结构图如图3.2所示。图3.2 PT100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3.1 PT100R/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

23、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，

24、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MAX

25、810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;P0.0P0.7 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A0A7，数据线是D0D

26、7；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；P2.0P2.7口：与P0.0P0.7相比较，内部都有上拉电阻，都可用作输入或是输出口使

27、用。不同的是P0.0P0.7在使用地址总线时时低8位，而P2.0P2.7为高8位。图3.4 STC12C5A60S2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03.3 A/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05V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

28、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

29、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

30、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

31、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