锅炉温度控制系统的设计

本科毕业设计（论文）XX XX 大 学毕业设计说明书学 院 、 系 ： 专 业 ： 学 生 姓 名： 学 号：设 计 题 目 ： 锅炉温度控制系统设计起 迄 日 期 : 20*年 2 月 13 日 20*年 6 月 10 日指 导 教 师 : 教授系 主 任 : 发任务书日期:20*年 1 月 7 日本科毕业设计（论文）摘要锅炉是热电厂重要且基本的设备 ,其最主要的输出变量之一就是主蒸汽温度。主汽温度自动调节的任务是维持过热器出口汽温在允许范围内 ,以确保机组运行的安全性和经济性。如果该温度过高 ,会使锅炉受热面及蒸汽管道金属材料的蠕变速度加快 ,降低使用寿命。若长期超温 ,则会导致过热器爆管 ,在汽机侧还会导致汽轮机的汽缸、 汽阀、 前几级喷嘴和叶片、高压缸前轴承等部件的寿命缩短 ,甚至损坏;假如该汽温过低 ,会降低机组的循环热效率 ,一般汽温每降低 5 10 ,效率约降低 1 % ,同时会使通过汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加 ,引起叶片磨损;当汽温变化过大时 ,将导致锅炉和汽轮机金属管材及部件的疲劳 ,还将引起汽轮机汽缸和转子的胀差变化 ,甚至产生剧烈振动 ,危及机组的安全 ,所以有效精准的控制策略是十分必要的锅炉炉膛温度的控制效果直接影响着产品的质量，温度低于或者高于要求时都不能达到生产质量指标，有时甚至会发生生产事故，此设计控制以锅炉炉膛温度为主控参数、燃料和空气并列为副被控变量设计热电厂锅炉温度控制系统，以达到精度在正负 5 范围内。关键词：热电厂；锅炉；炉膛温度；串级控制本科毕业设计（论文）目录第 1 章 绪 论 .11.1 课题背景.21.2 课题目的及意义 .31.3 设计指标.31.4 论文工作 .4第 2 章 系统设计方案与论证 .42.1 系统设计方案 .52.2 方案选定 .6第 3 章 锅炉温度控制系统硬件电路设计 .63.1 系统供电电源电路设计 .73.2 单片机最小系统.83.3 温度测量电路 .123.4 A/D 转换单元.153.5 输出模块 .193.6 键盘电路 .22第四章 锅炉温度控制系统软件设计 .234.1 主程序流程图及分析 .234.2 子程序流程图及分析 .24第 5 章 调试 .27结 论 .28本科毕业设计（论文）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。电热锅本科毕业设计（论文）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。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本科毕业设计（论文）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。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。本科毕业设计（论文）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 单片机为主控芯片给定值 A/D 转换 PLC 控制器 加热D/A 转换变送器 热电偶本科毕业设计（论文）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Pt100 温度信号处理 A/D 转换 加热机构51 单片机 PWM 控制 SSR显示和报警电路键盘电路SSR 工作指示本科毕业设计（论文）二。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本科毕业设计（论文）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 610V 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本科毕业设计（论文）图 4 单片机最小系统原理图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。本科毕业设计（论文）(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； 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。 本科毕业设计（论文）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） 本科毕业设计（论文）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） 。 本科毕业设计（论文）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=VccR1_4/( R1_2+R1_4)-R1_3/( R1_1+R1_3) （其中下桥臂 R1_3=100，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)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)。本科毕业设计（论文）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 0600电阻-温度的关系线性度很好。(2)、当温度在 0131的范围，运放输出的电压分别线性对应是 05V 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 0.030.07mm）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（-200650）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。本科毕业设计（论文）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 分度表本科毕业设计（论文）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 05V 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。本科毕业设计（论文）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 AD 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 100s(时钟为 640kHz 时)，130s（时钟为 500kHz 时） 4）单个5V 电源供电 5）模拟输入电压范围 05V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085 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 AD 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 图 9 ADC0809 内部结构图本科毕业设计（论文）(3) 外部引脚功能特性 ADC0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如图 10 所示。下面说明各引脚功能。 图 10 ADC0809 引脚配置图IN0 IN7：8 路模拟量输入端。 2-1 2-8：8 位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： AD 转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少 100ns 宽）使其启动（脉冲上升沿使 0809 复位，下降沿启动 A/D 转换） 。 EOC： AD 转换结束信号，输出，当 A D 转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平） 。 OE ：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 AD 转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF（+） 、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一5V。 GND：地。本科毕业设计（论文）(4) CLOCK 引脚时钟频率由于 ADC0809 的 CLOCK 引脚时钟脉冲输入端时钟频率要求不高于 640KHZ，而单片机的 ALE（地址锁存使能端）输出的频率是单片机的振荡频率 12MHZ 的 1/6，即频率是 2MHZ，所以不能直接将单片机的 ALE 脚接在 ADC0809 的 CLOCK 端。如下图所示，可以用两片 CD4013 构成如下的 4 分频电路将 2MHZ 的 ALE 频率分成512KHZ640KHZ。图 11 CD4013 构成 4 分频电路一个 D 触发器 CD4013 有 6 个端子：2 个输出，4 个控制。4 个控制分别是R、S、 CK、D。 其中： (1)R 和 S 不能同时为高电平。 (2)当 R 为 1、S 为 0 时，输出Q 一定为 0，因此 R 可称为复位端。(3)当 S 为 1、R 为 0 时，输出 Q 一定为 1。(4) 当R、S 均为 0 时，Q 在 CP 端有脉冲上升沿到来时动作，具体是 Q=D，即若 D 为 1 则Q 也为 1，若 D 为 0 则 Q 也为 0。其中各种工作状态如下表所示表 2：D 触发器 CD4013 真值表Qn D Qn+1 Qn D Qn+10 00 1011 01 101由以上电路可以得到以下 4 分频时序图：图 12 4 分频时序图CK(ALE)：Q(U3_8A)：Q(CLK)：本科毕业设计（论文）3.5 输出模块本控制系统的输出单元主要有三个：(1) 继电器输出控制加热执行机构的开与关。(2)当水温高于上限温度和低于下限温度时，系统进行声光报警。(3)数码管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。3.5.1 继电器输出加热执行机构的开与关状态由固态继电器（Solid State Relay） ，如图 13 所示。图 13 固态继电器输出电路当系统采集到温度信号后与设定温度进行比较得到一个偏差，然后通过 PID 运算，从单片机 P1.0 口输出一个 PWM 波，PWM 波形的高电平期间，固态继电器 SSR 输入端 IN1 为高电平，从而 OUT1 和 OUT2 两触点闭合，将加热执行机构加热丝连入到交流 220V 回路中，控制加热机构对锅炉进行加热动作，与此同时工作指示灯 LED 点亮。PWM 波形低电平期间，SSR 输入端 IN1 为低电平，从而 OUT1 和 OUT2 两触点断开，将加热执行机构加热丝从 220V 回路中切断，控制加热机构对锅炉停止加热，与此同时工作指示灯 LED 点熄灭。3.5.2 固态继电器 SSR 介绍由于本系统加热执行机构的开与关状态交替比较频繁，一般的机械式继电器在这种工作模式下使用寿命大大降低，所以难以满足这一要求，在此应该选用固态继电器SSR如图 14 固态继电器 SSR 内部结构电路所示，它是由微电子电路，分立电子器件，本科毕业设计（论文）电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。图 14 固态继电器 SSR 内部结构电路与一般机械式继电器相比，固态继电器有如下优点：(1) 高寿命，高可靠：固态继电器没有机械零部件，有固体器件完成触点功能，能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。 (2) 灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好:固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。 (3) 快速转换:固态继电器因为采用固体器件，所以切换速度可从几毫秒至几微妙。(4) 电磁干扰小:固态继电器没有输入“线圈” ，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。固态继电器注意事项：(1)在 PCB 上使用固态继电器时，焊接时应在温度小于 250。(2)被控负载在接通瞬间会产生很大的浪涌电流，所以用户在选用继电器时应对被控负载的浪涌特性进行分析,然后再选择继电器。 (3)固态继电器的负载能力受环境温度和自身温升的影响较大，在安装使用过程中, (4) 在继电器使用时，因过流和负载短路会造成 SSR 固态继电器内部输出可控硅永久本科毕业设计（论文）损坏 ,应该考虑过流、过压保护措施 3.5.3 声光报警电路如图 15 声光报警电路所示：当水温高于上限温度、低于下限温度或者在误输入时，单片机 P1.1 口给 warn 一个低电平信号来导通三极管 8550 以驱动蜂鸣器和 LED 灯，进行系统声光报警。当温度恢复到设置范围内后，声光报警自动撤销。图 15 声光报警电路3.5.4 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。如图 16 所示，单片机的 P2 口输出段选编码，P3.0、P3.1、P3.2、P3.3 分别为四位数码管的位选编码。当其中位选编码输出低电平时，三极管 8550 导通，使得共阳极数码管公共端得到一个高电平，同时 P2 口输出相应的要显示的数字共阳极字型码并通过 74HC573 将段码信号锁存输出。本科毕业设计（论文）图 16 温度数码管显示3.6 键盘电路键盘是用来给用户提供设置设定温度上限值、下限值、显示温度等功能。如下图，图 17 键盘电路及功能说明当按键没有被按下时，P1.3-P1.7 通过下拉电阻接地，单片机此时检测的电平是低电平，功能键：选择修改温度设定值、上限值、下限值、显示温度位选键：选择修改百位、十位、个位、十分位这四位的标志加 1 键：每按一次键，位选标志所指的当前位的值加 1减 1 键：每按一次键，位选标志所指的当前位的值减 1确定键：保存设置值并返回到显示温度状态本科毕业设计（论文）当有键按下时，对应 P1.3-P1.7 中的引脚与 VCC 接通，单片机此时检测的电平是高电平。第四章 锅炉温度控制系统软件设计4.1 主程序流程图及分析在锅炉温度控制系统中，主程序的功能主要是实现初始化，温度采集 A/D 转换，温度值开始是否满足报警条件 ?NY是否有按键？Y系统初始化显示温度值，经 PID 运算输出 PWM 控制SSR采集温度信号，AD 转换显示、保存设定值修改设定值 修改上限值值修改下限值值启动声光报警N本科毕业设计（论文）图 18 主程序流程图温度值显示，将实际温度与设定值进行比较进行 PID 运算，输出 PWM 波形控制 SSR并判断是否要启动报警，反复对键盘进行扫描从而更新温度参数设置、显示。图 18 是系统分配装置的主程序流程图。4.2 子程序流程图及分析本系统子程序主要有：数码管显示程序、AD 转换程序、键盘扫描程序、PID 控制算法子程序。开始四位是否全部显示？图 19 数码管显示程序操作流程图提取要显示的百、十、个、十分位的数值依次向数码管传送段码和位码延时显示下一位结束NY本科毕业设计（论文）开始N 转换是否完成？Y图 20 A/D 转换程序操作流程图是否有按键？Y是否有按键？按键已释放？发送 AD 启动信号读入数据结束延时 10-20ms获键值，键处理YYNNN本科毕业设计（论文）图 21 按键检测与处理流程图开始返回图 22 PID 控制算法程序流程图设置各参数 Kp、Ti、Td 和 T提取设定值 r(K)和返回值 y(K)计算 e(K)=Kpe(K)-y(K)计算 kAje0j)(计算 KDe(K)e(K)-e(K-1)+AAe(K)-e(K-1)e(K)e(K-1)本科毕业设计（论文）第 5 章 调试在硬件设计和软件设计完成以后，就是系统调试环节，本次设计的调试是在多功能单片机实验板上完成。借助于多功能单片机实验板，利用实验板上的 5 个独立按键、四位数码管显示，蜂鸣器和发光二极管、再连接上 Pt100 组建成电桥，用小水箱装适量水模拟成一个电锅炉，用电热丝通过固态继电器 SSR 串接在 220V 交流电源上准备对水箱里的水进行加热。整个实验调试过程和现象如下：当实验板通电后，数码显示当前温度（当时未处理的水温为 24.6） ，按下“功能键”一次后进入温度设定值的修改中，此时 LED 显示初始化程序中一开始保存的温度设定初始值 25，通过“位选键” 、 “加一键”和“减一键”将温度设定值为 80；再按下“功能键”一次后进入温度上限值修改中，此时显示初始化程序中一开始保存的温度设定上限值 50，用同样的方法将温度上限值设为 90；再按下“功能键”一次后进入温度下限值修改中，因为当前模拟锅炉中的水未经处理，未避免不必要的声光报警，先暂时将下限温度设置为低当前水温的值。设置完毕后，按下“确定键”单片机把所有设置参数保存在相应的存储单元中并且 LED 返回到显示当前水温度的状态，然后固态继电器 SSR 受 PWM 波的控制进入长时间开启状态，加热丝对水箱里的水加热。当温度靠近 80时，加热丝在每个周期中的加热时间逐渐减短。直到达到一个80水温的平衡状态。然后进入下限温度设置中，将下限值设为 70。接下来，调试超过上限温度声光报警，在水箱中再加入另外一个加热丝将水箱中的温度进行加热，使水箱的温度显示往上加，当温度值一旦高于 90，实验板上的蜂鸣器和 LED 进行声光报警，撤掉后面添加的加热丝，往水箱中缓慢地均匀加入冷水，观察到的现象是，当温度低于 90后，声光报警立即自动撤消，系统进入正常恒温状态。最后，调试低于下限温度声光报警，将固态继电器 SSR 连接的加热丝断开，往水箱中缓慢地均匀加入冷水，观察到的现象是，当温度低于 70后，声光报警立即停止，本科毕业设计（论文）然后在水箱中加入另外一个加热丝将水箱中的温度进行加热，使水箱的温度显示往上加，当温度值一旦达到 80，声光报警立即自动撤消。通过以上整个调试过程，可知