基于單片機(jī)的鍋爐溫度水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、電加熱鍋爐溫度水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電加熱鍋爐溫度水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義：意義：電加熱鍋爐采用全新加熱方式，無(wú)污染，電加熱鍋爐采用全新加熱方式，無(wú)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(diǎn)具有以下特點(diǎn)： 無(wú)污染無(wú)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(jiǎn)單，安全性好。鍋爐本體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全性好。可采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化可采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)目標(biāo)：利用利用AT89S51AT89S51單片機(jī)設(shè)計(jì)一套功能簡(jiǎn)單、使用方單片機(jī)設(shè)計(jì)一套功能簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉的溫度和水位控制系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)便、價(jià)格低廉的溫度和水位控制系統(tǒng)。

2、系統(tǒng)應(yīng)該具備實(shí)時(shí)顯示溫度的功能和溫度設(shè)置功能。該具備實(shí)時(shí)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(cè)量誤差續(xù)可調(diào)，測(cè)量誤差=1=1C C。且具有水位過(guò)高過(guò)。且具有水位過(guò)高過(guò)低報(bào)警、高低水位控制功能。低報(bào)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(gè)具有非線性、大滯由于電加熱鍋爐是一個(gè)具有非線性、大滯后、大慣性、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)的后、大慣性、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)的控制對(duì)象，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)控制對(duì)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(shí)現(xiàn)過(guò)高過(guò)低水位報(bào)警，液位控制需要能實(shí)現(xiàn)過(guò)高過(guò)低水位報(bào)警，因此選用簡(jiǎn)單易行的電接點(diǎn)水位計(jì)因此選用簡(jiǎn)單易行的電接點(diǎn)水位計(jì)。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(bào)警電路報(bào)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(guò)通過(guò)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(hào)傳輸給單片機(jī)，再由單片機(jī)集到的溫度信號(hào)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(dòng)固態(tài)處理，然后驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。在水位控制部分，當(dāng)水位到達(dá)對(duì)應(yīng)水位時(shí)，在水位控制部分，當(dāng)水位到達(dá)對(duì)應(yīng)水位時(shí)，水位電極會(huì)將信號(hào)送入單片機(jī)，然后單片機(jī)水位電極會(huì)將信號(hào)送入單片機(jī)，然后單片機(jī)會(huì)做出相應(yīng)的動(dòng)作。會(huì)做出相應(yīng)的動(dòng)作。 DS18B20DS18B20簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 DS18B20溫度傳感器是美國(guó)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(diǎn)如下： 獨(dú)特的單線接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信； 無(wú)須外部器件； 可通過(guò)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(bào)警設(shè)置； 負(fù)電壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，只是不能正常工作而已。功率驅(qū)動(dòng)部分：功率驅(qū)動(dòng)部分：本系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)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(duì)熱慣性較大的被控對(duì)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(guò)零觸發(fā)方法 。水位檢測(cè)電路：水位檢測(cè)電路： 由于水的導(dǎo)電性十分微弱，因此電極送出的電信號(hào)十分微弱，不能直接送入單片

6、機(jī)，因此需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，這里我們選用PNP三極管開(kāi)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(jì).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(bào)警電極高水位電極低水位電極超低報(bào)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(gè)部分：主程序：主要對(duì)內(nèi)存單元進(jìn)行分配，對(duì)一些變量值賦初值，對(duì)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(duì)鍵盤中斷進(jìn)行響應(yīng)，然后掃描鍵盤，轉(zhuǎn)入對(duì)應(yīng)的鍵值程序。 T0中斷服務(wù)程序：用來(lái)進(jìn)行溫度信號(hào)采樣、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、PI

12、D運(yùn)算和控制輸出。 開(kāi)始系統(tǒng)初始化T 0 , T 1 初始化開(kāi)中斷T 0 運(yùn)行高水位檢測(cè)控制低水位檢測(cè)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(chǔ)單元，而且不便于編寫(xiě)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(guò)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(méi)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(diǎn)： （1） 對(duì)于液位，利用電接點(diǎn)傳感器將采集到的開(kāi)關(guān)信號(hào)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(duì)于溫度利用溫度傳感DS18B20，將采樣到的溫度信號(hào)直接輸入到單片機(jī)中，再由單片機(jī)根據(jù)測(cè)量溫度與設(shè)定溫度的差值和PID算法生成控制信號(hào)，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(jì)使系統(tǒng)不需要使用A/D轉(zhuǎn)換芯片，使整個(gè)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(diǎn)： （1） 溫度控制部分采用了經(jīng)典的PID算法，方法簡(jiǎn)單，且控制效果良好； （2） 同時(shí)采用過(guò)零觸發(fā)直接使用PID的控制輸出去控制加熱的時(shí)間，免去了一級(jí)D/A轉(zhuǎn)換器，減小了成本，且簡(jiǎn)單易行； （3） 采用定時(shí)器中斷對(duì)