基于单片机的锅炉温度控制

本科毕业设计第1页共38页1引言随着工业技术的不断发展，温度控制在国民经济和生活中的作用显著提升。在工业生产的过程当中，有很多极为重要的被控参数，温度即是其中最重要的参数之一，在众多的工业生产中，所需温度的控制效果直接影响到锅炉以及工作人员的安全，还直接的影响到工艺生产产品的质量。在不同的生产过程当中，由于所需温度的不同、控制所需的精度也不同，则采用的测控元器件元件、温度控制方法也将有所不同，随着科学技术的不断地发展，温度控制系统技术得到了巨大的发展，自动控制技术越来越显示出其优越性。当今社会中伴随着集成电路技术的不断的发展，单片机的种类不断地增多，功能也不断的增强，涌现除了大量的高性能的单片机。单片机在工业生产中自动化和测控领域中的应用不断增加，因为单片机有许多显著的优点，如今的单片机不仅功能强大，而且体积越来越小，开发周期也越来越短，在各行各业在温度控制系统中起到无法替代的核心作用的就是各种各样的单片机。在工业生产中很多地方温度控制系统中都运用到了电阻加热的原理，例如钢铁厂用于融化金属的电阻炉、电热锅炉等。鉴于温度控制在各行各业的生产过程中的重要性，以及单片机技术的不断发展和众多的优越性。根据以上这些思想本文设计一种工业锅炉的温度控制系统，这种锅炉温度控制系统系统在当今工业生产过程中具有非常重要的意义。1．1论文研究的背景和意义锅炉是一种重要的能量转换设备,随着工业的不断发展，锅炉在各行各业当中的应用也显著增加，锅炉在运行时可以将电能、化学能等能量形式转化成有热量的蒸汽、高温液体等,通过复杂的物理化学变化以及一系列能量的传输过程实现锅炉的正常运转。在实际的生产过程当中温度控制系统的运行具有很大的难度，究其原因就是因为温度控制系统是一个具有多变、时变以及非线性变化的复杂系统,因此在实际的生产过程中选择适合的温度控制锅炉的方法很重要,当通过温度控制系统能够是锅炉稳定运行时，不仅仅对锅炉的稳定性有极大的提高，而且也极大地提高了工作人员的安全性，具有十分重大的意义。锅炉运行温度的控制直接关系到锅炉的生产效率、性能指标,同时锅炉以及工作人的安全性产生了巨大的影响。过高或过低的工业锅炉温度,不仅仅对锅炉和工本科毕业设计第2页共38页作人员安全性造成影响，还对锅炉的稳定性造成影响，压力不符合标准,导致系统不稳定甚至锅炉的损坏和事故的发生，此外，还会影响到生产产品的质量。虽然锅炉的温度控制系统有了很大的进步，但是时至今日仍然存在许多的难题，由于实际生产过程当中的锅炉温度控制系统中存在时变性,多变量,大滞后,非线性等特点,参数具有不确定性和时变性,在现实生活中很难建立起精确的数学模型,而能够精确的控制锅炉温度对锅炉的稳定性,安全性以及节能环保具有相当重要的意义。锅炉发展的历史久远,应用十分广泛,发展至今种类繁多,广泛应用于社会生活当中各个工业生产以及生活的各个领域,由于我国工业发展滞后于发达国家，虽然锅炉温度控制系统的研究在我国起步很晚，但是发展迅猛,并且部分产品的技术性能已经达到国际相近水平,尽管如此,国内大部分的锅炉的温度控制系统的成熟度不够高，大部分的锅炉温度控制系统还停留在比较落后的阶段，自动化程度较低,只能通过手动控制来改变仪器仪表，只有部分产品采用先进的控制系统,锅炉的效益基本都不高,要想达到国外县先进水平，国内的研究水平还要加大力度。因此,为了提高国内锅炉温度控制系统的信息化、自动化以及节能减排，加强对锅炉温度控制系统的研究具有十分重要的意义。1．2锅炉温度控制技术的发展状况随着科技的不断发展，国内各行业不断兴起，国内各行各业在锅炉温度控制技术方面需求越来越大,温度控制系统的应用的领域日渐增多，但国内总体发展水平仍然低于西方工业生产技术发达的先进国家。目前,我国还十分的落后于发达国家，在这方面总体技术水平处于相对来说很落后的时代,在国内的温度控制系统技术相对成熟产品主要常规的PID控制器和以“点位”控制为主。国内的这些产品在控制比较复杂的大规模温度系统控制有很大的困难，只能适应与一般温度系统控制。对于那些能够用于较高场合的智能化自动控制器以及自动控制仪表来看，国内的技术还明显的低于发达国家，然而在国外已经有了许多成熟的产品，能够自定义各个参数，并形成了商业化的仪表。由于国内对于锅炉温度控制系统技术的滞后，经常需要工作人员根据实际经验去设定参数，根据目前国内的温度控制方面的技术来看还不能开发出技术相对完善可靠的自整定软件。随着科学技术的不断的发展,国外的技术也在不断地提高，美国、德国等发达国家在温度控制系统方面都取得了十分显著的成果，这些巨大的成果主要体现在控制系统的智能化、自动化、参数自整定等方面，已经生产出了一批高性能、商业化的温度控制系本科毕业设计第3页共38页统,这些系统被用在实际生产生活中的各个领域。它们主要具有如下的特点:一、是它们能够应用于各种复杂的工业控制过程当中具有大滞后以及惯性很大的温度控制系统的控制;二、是它们能够建立一些特殊的温度控制系统，而这些温度控制系统是很难在现实生活当中用来试验的，因为这些系统很难通过数学模型建立。三、是它们能够适应于一些工业温度控制系统中，这些受控的温度控制系统工作过程参数是不断变化的;四、是在现代大部分工业生产过程当中所应用的温度控制系统采用了大量的先进科学技术以此来适应与广大的工业生产过程，例如自动控制、自动检测、模糊控制等理论及微机技术,控制方面采取了先进的算法;五、是温度控制系统中的仪器仪表具有参数自整定功能。有的还具有自学习功能,能够根据历史经验及控制对象的变化情况,可以实时的自动调整相关仪器仪表的控制参数,以此来达到温度控制系统最合理控制;六、是它们具有很多突出的特点，这些突出的特点包含了控制精度高、性价比高等。如今的仪器仪表都在向着更高性、更完善能的方向发展。1．3本课题研究的主要内容本设计主要利用单片机技术、采集温度、温度的执行等知识制作一个工业锅炉的温度控制系统。本设计涉及了计算机、电子、通信以及软件学等相关专业的知识，所涉及到的专业知识比较广泛。此次设计中要求可以实时监测并显示当前温度，可以实现温度的升高和降低，当超限后可以实现报警，温度控制设定波动范围小于±5%，测量精度小于±5%，控制精度小于±2%。a收集资料，研究并设计出总体方案。b根据方案和设计要求完成工业锅炉温度控制系统的模型并确定各部分参数。c根据方案和设计要求设计出工业锅炉温度控制系统硬件电路中所包含的各个模块。d根据流程图进行程序编写，并对各模块进行编程、调试，再对整体系统进行调试。本科毕业设计第4页共38页2系统分析及总体设计方案随着社会的不断进步以及科学技术的不断发展工业生产技术越来越完善。在工业生产过程当中有很多的控制因素，其中温度控制技术对工业锅炉的影响最大。在如今的工业生产过程当中温度控制系统主要作用是使锅炉温度保持在一定范围之内，在保证锅炉设备正常工作情况的同时，提高生产效率。本系统主要主要包含七大板块：AT89S51单片机、温度采集电路、显示电路、键盘输入电路、电源模块、报警电路和温度控制电路组成。在设计中首先通过传感器对周围的环境温度实时监测，根据设计需要达到的指标本设计采用了检测精度很高的AD590传感器，由于采集到的温度信号太低单片机无法直接识别，所以需要放大后在传递给单片机，采集到的温度通过超低温漂移高精度运算放大器OP07将信号进行放大，当采集到的信号放大到足够大，这些将信号传送到12位的AD574A转换器进行转换，从而实现锅炉温度的自动检测功能,并且实时显示当前锅炉内准确温度以及越限报警。最终的环节是控制部分，本系统控制部分采用PID算法,由于锅炉内的温度是通过调节电阻炉来调节的，只有通过调节双向可控硅的通段时间才可以调节电阻炉的功率，而双向可控硅是通过实时更新PWM控制参数实现的将采集到的炉内温度和设定值进行比较，通过PID算法对偏差进行计算以此来实时更新PWM控制输出参数,来实时的调整锅炉温度。。系统设计技术指标：（1）温度控制设定波动范围小于±5%，测量精度小于±5%，控制精度小于±2%；（2）能够实时显示当前温度值；（3）能够实现升温和降温的功能；（4）按键控制：设置五个主要功能键，包含了运行键、复位键、功能转换键、加一键和减一键；（5）超过设定温度值或低于设定温度值进行越限报警。本设计中温度控制系统硬件主要包含以下七大模块：单片机的最小系统、温度采集电路、显示电路、键盘输入电路、电源模块、报警电路和温度控制电路等。本科毕业设计第5页共38页系统结构图如图：AT89S51单片机温度采集工业锅炉控制电路温度显示报警设备键盘控制传感器本科毕业设计第6页共38页3系统硬件设计本设计的温度控制系统的硬件主要包括以下七大模块：单片机的最小系统、温度采集电路、显示电路、键盘输入电路、电源模块、报警电路和温度控制电路等。3．1AT89S51单片机的最小系统在本设计的工业锅炉的温度控制系统中，根据系统的功能需求与学习过程中所学到的8051单片机的情况，所以选定MCS-51系统中的AT89S51单片机。单片机AT89S51是MCS-51系列单片机当中最为先进的单片机之一，是一个功率消耗更低、性能更强、体积更小的8位CMOS单片机，是ATMEL公司继AT889C5X系列之后推出的新机型之一。，在时钟频率以及运算速度上有了较大的提高。AT89S51芯片在市场上得价格更加便宜，适合于大批量的应用于各行各业的控制系统中。以下是对单片机AT89S51功能的简单介绍：AT89S51单片机具有很多的功能：单片机中含有4k字节的Flash程序存储器，如果片内的程序存储容量不够，片外最多可外扩之64KB。片内具有5个中断源，2级中断优先权。单片机中含有128字节内部RAM，片外最多可扩至64KB。每片单片机中都含有4个8位可编程并行I/O口，片内含有两个16位定时/计数器，具有4种工作方式。一个全双工串行通信口，具有4中工作方式。还增加了看门狗定时器（WDT）。同时，AT89S51共包含了26个特殊功能寄存器，用于CPU对片内各功能部件进行管理、控制和监事。引脚功能说明：Vcc：电源电压GND：接地P0引脚口：8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写‘1’可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。P1引脚口：8位准双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写‘1’，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。P2引脚口:8位准双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写‘1’，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，本科毕业设计第7页共38页作输入口使用时，为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(In)。P3引脚口:P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（In）。XTAL1:振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。在AT89S51单片机中P3口不仅仅可以作为一般的I/O口线，它的第二功能也十分的重要。如下表所示：管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）本科毕业设计第8页共38页如下图所示为AT89S51单片机的最小系统结图：图3-1：单片机最小系统AT89S51单片机的最小系统的功能主要包含四部分，这四部分是显示控制、键盘控制、短路保护控制以及报警控制。如果想要是