锅炉温度PID控制系统设计

发布时间：2024-12-03

锅炉温度PID控制系统设计

第1章绪论

1.1课题背景

根据国内实际情况和环保问题的考虑和要求，燃烧锅炉由于污染并效率不高，已经逐渐被淘汰；燃油和燃气锅炉也存在着燃料供应不方便和安全性等问题。因些在人口密集的居民区、旅馆、医院和学校，电加热锅炉完全替代燃煤、燃油、燃气锅炉。

自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统的发展迅速，并在智能化，自适应、参数整定等方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪表，并在各行广泛应用。

电加热锅炉采用全新加热方式，它具有许多优点，使其比其他形式的锅炉更具有吸引力：

(1)无污染。不会排放出有害气体、飞尘、灰渣，完全符合环保方面的要求。

(2)能量转化效率高。加热元件直接与水接触，能量转换效率很高，可达95%以上。

(3)锅炉本体结构简单，安全性好。不需要布管路，没有燃烧室、烟道，不会出现

燃煤、燃油、燃气的泄漏和爆炸危险。

(4)结构简单、体积小、重量轻，占地面积小。

(5)启动、停止速度快，运行负荷调节范围大，调节速度快，操作简单。由于加热

元件工作由外部电气开关控制，所以启停速度快。

(6)可采用计算机监控，完全实现自动化。其温度的控制都能通过微控制芯片完成，

使锅炉的运行完全实现自动化，最大程度地将控制器应用于传统的锅炉行业。本课题主要研究锅炉温度的过程控制。新型锅炉是机电一体化的产品，可将电能直接转化成热能，具有效率高，体积小，无污染，运行安全可靠，供热稳定，自动化程度高的优点，是理想的节能环保的供暖设备。加上目前人们的环保意识的提高，电热锅炉越来越受人们的重视，在工业生产和民用生活用水中应用越来越普及。电热锅炉目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控制水的温度，保证恒温供水。

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随着计算机和信息技术的高速发展，单片机广泛的应用于工业控制中。工业控制也越来越多的采用计算机控制，在这里我们采用51系列单片机来做控制器。

由于电加热锅炉是一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到很好的控制效果。而这下符合PID控制使用的条件，因而PID控制被广泛地用于电热锅炉的控制中，用来代替传统的控制方法，并获得良好的控制效果。

根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）、进行控制（PID控制），是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。PID控制器问世至今有近70年历史，它以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

1.2 课题目的及意义

本控制器主要是针对现代工业自动化生产过程中锅炉温度控制装置而设计的，用PID控制代替传统的控制方法，以获得良好的控制效果。通过这个课题能锻炼我的能力，给我提供了一个理论和实践相结合的机会。通过这次毕业设计，我能对单片机程序设计、自动控制理论、检测技术与仪表方面的知识有进一步的了解，以巩固学过的专业知识，开拓我的视野。同时，由于学过的知识有限，让我认识到了自己的不足，为以后有针对性地提高有了一个明确的方向，同时也锻炼和提高我们的自学能力，为提高我们以后的自身竞争能力打下基础。

1.3设计指标

此系统主要以单片机为控制器，并对显示电路，温度检测电路，人机接口电路，键盘电路，报警电路，执行电路等进行具体设计，以实现锅炉水温的控制。具体指标要求如下：

1、用单片机作为控制器，采用模块设计方法，对系统硬件、软件进行详细的设计

2、锅炉温度控制在0-100℃左右。

3、通过键盘输入上下限温度、恒温温度，以及通过手动停机的功能。

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4、显示电路用于显示用户设定的温度、上限温度、下限温度和当前温度值等，精确到小数点后一位。

5、水温高于上限温度和低于下限温度时，系统报警；误输入时报警。

6、加热执行机构的设计。

1.4 论文工作

本系统从结构上分为两部分，第一部分是前端采集系统；第二部分是控制系统。前端采集系统由机械开关、温度传感器组成，其任务是完成洗碗机各个测量量的测量，并且向控制机传送测量数据，当数据值超过限定范围时进行相应的操作。控制系统主要实现对开关、电机、显示的控制，实现对洗碗机温度值、开关量的循环采集，并对其进行处理、显示、动作。用户可通过控制机上的键盘设置相应的操作，控制系统将根据设置运行相应程序。

第1章绪论：主要介绍了本课程背景、课题目的及意义、设计指标、论文工作。

第2章系统设计方案及论证：说明了两种不同的设计方案并对两种方案的优缺点进行了对比，从而选出了最佳控制方案。

第3章系统硬件设计：详细介绍了系统中硬件电路设计结构。

第4章系统软件设计：详细介绍了系统中软件设计。

第5章调试：通过实验板测试整个控制系统的各个功能。

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第2章系统设计方案与论证

实现本系统设计要求的方案有多种：

(1)用PLC为控制器，热电阻/热电偶作为测温器件，实现闭环控制。

(2)用单片机结合温度传感器和加热执行机构对温度进行控制，键盘修改温度参数、显示。每一种方案都有其各自的优点。本章详细列举、说明了两种不同的设计方案的优缺点进行对比，选出了最佳控制方案。

2.1 系统设计方案

方案一：以PLC为控制器

此方案用PLC作为主要控制器的核心，利用热电偶作为测温器件，然后通过一个变送器将温度转换成电压信号，送入到A/D转换器进行模拟到数字量的转换，转换结转送入PLC，由PLC根据给定值与测量值的大小作比较得到一个偏差，再由D/A将偏差数字量转换成模拟量来调节加热丝的工作时间或者通过调节不同电压来调节加热丝的加热功率，最终达到锅炉恒温控制的目的。系统原理框图如下图1所示：

实际温度

图1 方案一的原理框图

方案二：采用51单片机为主控芯片

此方案采用单片机为主控芯片。利用热电阻PT100作为温度传感器件，然后通过运算放大器OP-07构建差分放大器将温度信号转换成ADC0809模拟通道的输入的0-5V标准信号，再由ADC0809将模拟信号转换成八位数字信号，传送给单片机P0口，单片机将实时温度和设置参数通过数码管显示出来，同时通过键盘输入设定温度，单片机将

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设定温度同ADC0809传送过来的数据进行比较运算，利用PID运算，作出相应的判断，从单片机P1.0输出一个PWM波形来控制固态继电器的导通与关闭，从而控制锅炉的加热丝在一个固定周期中通电加热时间的长短来达到恒温控制的目的。系统原理框图如下图2所示：

图2 方案二的原理框图

2.2 方案选定

根据两个方案的原理和组成结构，主要考虑以下一些因素考虑。

从组成结构来比较，以PLC为控制器的方案安装接线比较繁琐，而实际显示需要单独的显示屏，调节温度时不太方便，若要改变给定值，需要添加专门的输入模块或者需要重新下载控制程序。而51单片机控制系统，整个控制系统可以规划的一块PCB电路板上，从而安装起来更加方便，而且其功能比较齐全，显示模块简单，调节温度可通过键盘来设置，使用很方便。

从成本上来看。以PLC为控制器的方案比较昂贵，51单片机控制系统更加经济。考虑到用户的心里接受倾向，51单片机控制系统更有市场推广价值。

通过以上分析和比较从而得出：锅炉温度控制系统采用单片机作为控制器的系统比PLC控制系统成本更低，使用更加方便，快捷。基于上述原因，最终确定采用方案二。

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第3章锅炉温度控制系统硬件电路设计

本系统硬件电路主要由以下部分组成：供电电源电路、单片机最小系统电路、温度检测电路、数模转换电路、键盘输入电路、声光报警电路、继电器输出电路、LED显示电路

3.1 系统供电电源电路设计

主控电路所需的+5V电源；外围电路（如继电器、运算放大器）所需的+12V和-12V电源。如图3系统供电电源电路原理图所示：此电路采用“降压整流滤波稳压滤波”的线形电源模式。这里选用了78M12、79M12

、78M05三端稳压器。

图3 系统供电电源电路原理图

由于78M系列三端集成稳压器内部有过热、过流保护电路，外围元件少，性能优良，体积小、价格低，所以在很多电路中广泛应用。它的工作原理与一般的分立件组成的串联调整式稳压电源相似，区别在于增加了启动电路、恒压源以及保护电路。为了使稳压器能在比较大的电压范围内正常工作，在基准电压形成和误差放大部分设置了恒流源电路，启动电路的作用就是为恒流源建立工作点。实际电路是由一个电阻网络构成，在输出不同电压稳压器中，采用不同的串并联接法，形成不同的分压比，通过误差放大之后去控制调整管的工作状态，以形成和稳定一系列的输出电压。虽然三端稳压器有很多优点，但因目前功率集成技术水平的限制，它的最大电流只能达到1.5A。然而本次设

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计需要的是电压，可以不考虑电流部分。使用三端集成稳压器时一定要注意：输入电压与输出电压差不能过大，一般选择在6～10V为宜，压差过小，输出电压纹波大，起不到稳压作用，压差过大，稳压器本身消耗的功率就随之增大，容易损害稳压器。78M05集成稳压器是将功率调整管、取样电阻以及基准稳压、误差放大、启动和保护电路等全部集成在一个芯片上而形成的一种稳压集成电路。

电路中两个二极管IN4007是：防止系统不稳定时，输出电压高于输入电压，从而导致三端集成稳压器被烧毁，起到保护作用。

上述电源中所用的电源变压器功率为10W。电路中的压敏电阻VDR是防雷、抑制过电压作用，保护电路免受过电压的损害。压敏电阻VDR在它上面的电压低于它的阀值UN=471V时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过471V时，流过它的电流激增，相当于短路，这时FUSE会因为电流激增而烧毁，使电路断开。

3.2

单片机最小系统

单片机最小系统指的是由最基本的电路元件组成的，外接部分简单的电路就能够独

图4单片机最小系统原理图

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立成一定的工作任务的单片机系统。51单片机的最小系统由单片机芯片、电源、时钟电路、和复位电路组成。

如图4单片机最小系统原理图所示，其中的晶振时钟电路用来产生时钟信号，以提供单片机片内各种数字逻辑电路工作的时间基准。按键S6_1能实现手动复位，电容C6_1能实现上电复位，复位电路用来使片内电路完成初始化的操作，具体功能是使程序计数器PC=0000H，引导程序从0000H地址单元开始执行； SFR中的21个特殊功能寄存器复位后的状态是确定。

3.2.1 主控单片机AT89S51芯片介绍

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

(1) 主要性能特点

1、4k Bytes Flash片内程序存储器；

2、128 bytes的随机存取数据存储器（RAM）；

3、32个外部双向输入/输出（I/O）口；

4、5个中断优先级、2层中断嵌套中断；

5、6个中断源；

6、2个16位可编程定时器/计数器；

7、2个全双工串行通信口；

8、看门狗（WDT）电路；

9、片内振荡器和时钟电路；

10、与MCS-51兼容；

11、全静态工作：0Hz-33MHz；

12、三级程序存储器保密锁定；

13、可编程串行通道；

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14、低功耗的闲置和掉电模式。

(2) 管脚说明

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0

输出原码，此时P0外部必须被拉高。

图5 AT89S51管脚图

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进

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行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能：

P3.0 /RXD（串行输入口）

P3.1 /TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 /T0（记时器0外部输入）

P3.5 /T1（记时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状

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态ALE禁止，置位无效。

PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

(3) 下载程序

AT89SXX系列单片机实现了ISP下载功能，故而取代了89CXX系列的下载方式，也是因为这样，ATMEL公司已经停止生产89CXX系列的单片机，现在市面上的AT89CXX多是停产前的库存产品。

3.3 温度测量电路

本系统利用热电阻PT100作为温度传感器件，然后通过运算放大器OP-07构建差分放大将温度信号转换成ADC0809模拟通道的输入的0-5V标准信号，再将模拟信号转换成八位数字信号，传送给单片机P0口。

3.3.1温度信号测量电路

如图3.4.1温度信号测量处理电路所示，利用热电阻Pt100作为温度传感器件，然后通过运算放大器OP-07构建差分放大电路将温度信号转换成ADC0809模拟通道的输入标准电压信号。将Pt100接入到电桥中，如图6 温度测量信号处理电路所示，由Pt100的阻值来反映锅炉的温度的变化，电桥输出电压为：Uba=Vcc[R1_4/( R1_2+R1_4)- R1_3/( R1_1+R1_3)] （其中下桥臂R1_3=100Ω，R1_4=1K，上桥臂R1_2=1K，Vcc=5V），所以Uba=5*[1K/( 1K+1K)- R1_3/( R1_1+100)]=2.5-5* 100/( R1_1+100)

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其中AR1作用是将电桥电位Vb、Va作差分比例放大作用，由差分比例运算放大电路的计算方式：Auf = Uo1/(U1_ - U1+)=- R1_8/R1_6（其中R1_8=100K，R1_6=10K，U1_ - U1+=-Uba

）从而得到：Uo1=10Uba=25-50* 100/( R1_1+100)。

图6 温度测量信号处理电路

根据PT100铂电阻R/T曲线可知电阻-温度的关系线性度非常好，电阻-温度的关系可以近似确实测量上限温度，Uo1=25-50* 100/( R1_1+100)，当Uo1=5V时，可以计算出测量上限温度时对应的电阻为：150欧姆，查Pt100的分度表，可得：测量上限温度为131℃，即当t=0℃时，可得Uo1=0V；当t=131℃时，可得Uo1=5V。

由铂电阻电阻-温度线性关系特性和计算公式可得以下两个结论：

(1)、PT100铂电阻在0—600℃电阻-温度的关系线性度很好。

(2)、当温度在0—131℃的范围，运放输出的电压分别线性对应是0—5V的标准。

3.3.2 热电阻pt100介绍

pt100是铂热电阻，它是用很细的铂丝（直径为0.03~0.07mm）绕在云母架上制成，是国际公认的高精度测温标准传感器。因为铂电阻在氧化性介质中，甚至高温下其物理、化学性质都非常稳定，因此它具有精度高、稳定性好性能可靠的特点，铂电阻在中温（-200~650℃）范围内得到广泛应用。它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

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图7 PT100铂电阻R/T曲线

它的工作原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。以下是PT100铂电阻R/T曲线和相应的分度表。

表

1 Pt100分度表

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3.4 A/D转换单元

经过温度信号测量处理电路后所得到的0—5V电压模拟信号要经过AD转换后才能送给单片机，如图8 温度信号AD转换电路所示，电压模拟信号输入给IN-0

通道，转换完成后，输送给单片机的P0口。

图8 温度信号AD转换电路图

其中ADC0809的A、B、C三个端口作为它IN0-IN8八个输入通道的选择信号，由于此处只用到了IN0通道，所以将此A、B、C三个端口全部接地，电路中ADC0809的转换结束信号引脚EOC接在单片机P3.5上，单片机启动ADC0809的转换后，延时一段时间，然后程序采取扫描方式检测ADC0809是否转换结束，单片机然后去检测P3.5电平，当接收到一个高电平时，发出一个READ信号，使得ADC0809输出锁存缓冲器开放，将数据输送到数据线上，从而完成温度数字信号的采集过程。

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3.4.1 ADC0809介绍

ADC0809是M美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片 (1) 主要特性

1）8路输入通道，8位A／D转换器，即分辨率为8位。

2）具有转换起停控制端。

3）转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs（时钟为500kHz时）

4）单个＋5V电源供电

5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度

7）低功耗，约15mW。

(2) 内部结构

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部结构如图9所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近