基于單片機(jī)的鍋爐溫度水位控制系統(tǒng)設(shè)計

1、電加熱鍋爐溫度水位控制系統(tǒng)設(shè)計電加熱鍋爐溫度水位控制系統(tǒng)設(shè)計意義：意義：電加熱鍋爐采用全新加熱方式，無污染，電加熱鍋爐采用全新加熱方式，無污染，完全可以稱為綠色環(huán)保鍋爐。電加熱鍋爐完全可以稱為綠色環(huán)保鍋爐。電加熱鍋爐具有以下特點具有以下特點： 無污染無污染。能量轉(zhuǎn)化效率高能量轉(zhuǎn)化效率高。鍋爐本體結(jié)構(gòu)簡單，安全性好。鍋爐本體結(jié)構(gòu)簡單，安全性好。可采用計算機(jī)監(jiān)控，完全實現(xiàn)自動化可采用計算機(jī)監(jiān)控，完全實現(xiàn)自動化。 設(shè)計目標(biāo)設(shè)計目標(biāo)：利用利用AT89S51AT89S51單片機(jī)設(shè)計一套功能簡單、使用方單片機(jī)設(shè)計一套功能簡單、使用方便、價格低廉的溫度和水位控制系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)便、價格低廉的溫度和水位控制系統(tǒng)。

2、系統(tǒng)應(yīng)該具備實時顯示溫度的功能和溫度設(shè)置功能。該具備實時顯示溫度的功能和溫度設(shè)置功能。要求恒溫溫度控制的范圍在要求恒溫溫度控制的范圍在0 0C 100C 100C C，連，連續(xù)可調(diào)，測量誤差續(xù)可調(diào)，測量誤差=1=1C C。且具有水位過高過。且具有水位過高過低報警、高低水位控制功能。低報警、高低水位控制功能。系統(tǒng)控制方案的選擇：系統(tǒng)控制方案的選擇： 由于電加熱鍋爐是一個具有非線性、大滯由于電加熱鍋爐是一個具有非線性、大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點的后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點的控制對象，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)控制對象，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，用傳統(tǒng)的控制理論和方

3、法很難達(dá)到很模型，用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到很好的控制效果，因此選擇好的控制效果，因此選擇PIDPID控制進(jìn)行溫度控制進(jìn)行溫度控制?？刂?。液位控制需要能實現(xiàn)過高過低水位報警，液位控制需要能實現(xiàn)過高過低水位報警，因此選用簡單易行的電接點水位計因此選用簡單易行的電接點水位計。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖：AT89S51DS18B20水位電極水位電極加熱電阻加熱電阻電磁閥電磁閥顯示電路顯示電路鍵盤電路鍵盤電路報警電路報警電路繼電器繼電器SSR系統(tǒng)工作原理：系統(tǒng)工作原理：在溫控部分，選用在溫控部分，選用89S5189S51單片機(jī)為中央處理器，單片機(jī)為中央處理器，通過通過DS18B20DS18B2

4、0溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，將采溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，將采集到的溫度信號傳輸給單片機(jī)，再由單片機(jī)集到的溫度信號傳輸給單片機(jī)，再由單片機(jī)控制顯示器，并進(jìn)行控制顯示器，并進(jìn)行PIDPID處理，然后驅(qū)動固態(tài)處理，然后驅(qū)動固態(tài)繼電器的通斷，控制加熱電阻的導(dǎo)通周期數(shù)，繼電器的通斷，控制加熱電阻的導(dǎo)通周期數(shù)，實現(xiàn)對溫度的控制。實現(xiàn)對溫度的控制。在水位控制部分，當(dāng)水位到達(dá)對應(yīng)水位時，在水位控制部分，當(dāng)水位到達(dá)對應(yīng)水位時，水位電極會將信號送入單片機(jī)，然后單片機(jī)水位電極會將信號送入單片機(jī)，然后單片機(jī)會做出相應(yīng)的動作。會做出相應(yīng)的動作。 DS18B20DS18B20簡介簡介 DS18B20溫度傳感器是美國DALL

5、AS半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn)型溫度傳感器，DS18B20的性能特點如下： 獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進(jìn)行通信； 無須外部器件； 可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍3.0-5.5V； 溫度以9或12位數(shù)字讀出； 用戶可以定義報警設(shè)置； 負(fù)電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，只是不能正常工作而已。功率驅(qū)動部分：功率驅(qū)動部分：本系統(tǒng)功率驅(qū)動部分采用單片機(jī)控制的固態(tài)繼電器控溫電路，其波形為完整的正弦波，對熱慣性較大的被控對象，是一種穩(wěn)定、可靠、較合理的控制方法，因而本系統(tǒng)采用過零觸發(fā)方法 。水位檢測電路：水位檢測電路： 由于水的導(dǎo)電性十分微弱，因此電極送出的電信號十分微弱，不能直接送入單片

6、機(jī)，因此需要對該信號進(jìn)行處理，這里我們選用PNP三極管開關(guān)電路。電路接法如右圖所示。 硬件原理圖123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:15-Jun-2010Sheet of File:D:my design畢業(yè)設(shè)計.ddbDrawn By:A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U774HC164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U874HC164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U1074HC164A1B2Q

7、03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U974HC16412345678161514131211109RESPACK1200*812345678161514131211109RESPACK2200*812345678161514131211109RESPACK3200*812345678161514131211109RESPACK4200*8Y112MC220pC120P+5VR234.7K+5V-2+134U5SSRR19150接220V交流電+5VRLRES1U64N25R20300D11DIODE+5V+24V接12V直流電D9D10LS1SPEAKERR1

8、5500R16500R173.1K+5V+5VabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdppower9DS1DPY_7-SEG_DPabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdppower9DS2DPY_7-SEG_DPabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdppower9DS3DPY_7-SEG_DPabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdppower9DS4DPY_7-SEG_DPGND3VDD1DQ2U2DS18B20電磁閥S1SW-PBS2SW-PBS4SW-PBS5SW-PBR1310KR1410K+5VU474LS06T58

9、550+5V+5VP1.4P1.5P1.6P1.7P1.5P1.4P1.6P1.7T18550T28550T38550T48550R2500R5500R8500R12500+5VR34.7KR64.7KR94.7KR114.7K電極電極電極電極超高報警電極高水位電極低水位電極超低報警電極電極零水位電極R11KR41KR71KR101K12J24VAC12J12VACR2120/2WR225.1/2WC111000u/35VC71000u/50VC5470u/25VC91000u/35VC100.1uC60.1UC80.1u+5V+24VD72CZRU2D82CZRU2D62CZRU2D52CZ

10、RU2Vin3GND1Vout2L7805CV5VD32CZRU2D22CZRU2D12CZRU2C120.1uD42CZRU2Vin1GND2Vout3L7824CV24VP1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.5/MOSI6P1.6/MISO7P1.7/SCK8RST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE30EA31

11、P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039GND20VCC40U1AT89S51(40)C40.1C322u123U3A74ALS08S7SW-PBR188.2KREDGREENR241KT68050U64N25R251K+5vT8NPNVCCR261KKMKAC13R27KMLNK1本系統(tǒng)的軟件大體可分為三個部分：主程序：主要對內(nèi)存單元進(jìn)行分配，對一些變量值賦初值，對中斷系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作；循環(huán)執(zhí)行水位控制程序。鍵盤中斷服務(wù)程序：對鍵盤中斷進(jìn)行響應(yīng)，然后掃描鍵盤，轉(zhuǎn)入對應(yīng)的鍵值程序。 T0中斷服務(wù)程序：用來進(jìn)行溫度信號采樣、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、PI

12、D運算和控制輸出。 開始系統(tǒng)初始化T 0 , T 1 初始化開中斷T 0 運行高水位檢測控制低水位檢測控制主程序流程圖：主程序流程圖： T0T0中斷流程圖：中斷流程圖： 由于位置型算法控制算式不夠方便，需要累加偏差，不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此，我們選用增量型算法。增量型算法的算式如下： )2() 1()(1210keqkeqkeqkuKuKqKKqKKKqDDPIDP2102其中：在MATLAB下搭建的溫度閉環(huán)控制部分的系統(tǒng)框圖： 其中取鍋爐的近似數(shù)學(xué)模型為：esss30113005)(G 仿真結(jié)果如右圖所示。經(jīng)過調(diào)試，確定PID參數(shù)為：Kp=3.4，Ki=0.0027

13、，Kd=1。從圖中可以看出，系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快，靜差幾乎為零，且沒有超調(diào)量。 基于AT89S51單片機(jī)的電熱鍋爐水位和溫度控制系統(tǒng)，在硬件部分有以下的特點： （1） 對于液位，利用電接點傳感器將采集到的開關(guān)信號送入單片機(jī)中，在單片機(jī)中進(jìn)行比較操作，并控制電磁閥的通斷。 （2） 對于溫度利用溫度傳感DS18B20，將采樣到的溫度信號直接輸入到單片機(jī)中，再由單片機(jī)根據(jù)測量溫度與設(shè)定溫度的差值和PID算法生成控制信號，控制電爐的通電與斷電。 （3） 在顯示電路上采用了串行方式，從而減小了單片機(jī)口線的使用。這樣的設(shè)計使系統(tǒng)不需要使用A/D轉(zhuǎn)換芯片，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、所用芯片少。 在軟件上，有以下一些特點： （1） 溫度控制部分采用了經(jīng)典的PID算法，方法簡單，且控制效果良好； （2） 同時采用過零觸發(fā)直接使用PID的控制輸出去控制加熱的時間，免去了一級D/A轉(zhuǎn)換器，減小了成本，且簡單易行； （3） 采用定時器中斷對