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基于单片机的热水锅炉温度控制系统设计 白楠 东北大学秦皇岛分校自动化工程系 秦皇岛 066004 摘 要 在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而大大的提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是工业生产中经常会遇到的控制问题。 本文阐述了基于单片机的温度控制系统的硬件组成、软件设计以及相关的接口电路设计。同时考虑到系统的可靠性，利用PID温度控制器作为重要的控制设备。针对控制系统的特点，在系统辨识的基础上对系统的控制算法进行了仿真研究，而且在单片机系统上实现了控制算法。最后对温度恒温控制系统进行实验，证明基本单片机的温度控制系统的设计具有合理性和有效性。 关键词： 单片机 温度控制 PID 引言 温度是生活以及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都与温度有着密切的联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接关系安全生产、生产效率、生产质量、能源利用等方面的问题。因此，温度的测量和控制在我国的很多经济领域都受到高度重视。 在实际的生产实验环境下，由于系统内部和外界的热量交换是很难控制的，而且其他干扰因素也是无法去精确计算的，因此温度量的变化往往受到不可精确预计的外界环境扰动的影响。但是正常工业生产过程中，对生产中的温度要求又是相对精确和苛刻的，工业生产中经常要保持反应炉中保持一定的温度，来促进反应的持续快速进行，同时，以前的温度控制大多是人工通过仪表的显示来调节温度的模式，然而人工控制温度的精确度不高，而且反应不灵敏，存在较大误差，因此需要更好的测温控温方法。 随着电子技术和计算机的迅速发展，计算机测量控制技术拥有操作简单、控制灵活、使用便捷以及性价比较高的优点从而得到了广泛应用。 单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可以实现对数字信息的处理和控制，因此，单片机广泛应用现代工业控制中。此控制具有重量轻、体积小、价格低、可靠性高、耗电低和操作灵活等优点，因此利用单片机进行温度测量控制A/D转换器以及扩展接口和执行机构来进行的。在闭环过程控制系统中，过程的实时参数由传感器和A/D转换器来进行实时采集，并由单片机自动记录、处理并控制执行机构来进行调节和控制。因此需要对单片机进行扩展和开发，来形成一个完整的单片机温度控制系统。 系统总体方案设计 系统硬件总体设计 根据热水锅炉的要求本系统采用89S52作为系统的处理器，通过扩展RAM，ROM、8255、8253、A/D转换电路、热电偶、加热器件以及外围辅助电路构成一个完整的系统。整体结构如下图。 系统整体结构 图中由A/D转换器构成了输入通道，用于转换从锅炉内采集的温度信号。其中，数据采集电路将温度信号变为电压信号输出，再通过放大电路将电压信号变为0~5V标准电压信号，然后可以通过A/D转换。转换后的数字量通过PID调节来纠正误差，从而达到对热水锅炉中温度的精确控制。锅炉内的初始温度值由键盘输入，计算机算出所需要的控制量送给8253，由8253送至固态继电器，通过固态继电器的导通，来控制加热电器是否进行加热。 本系统软件设计包括两个部分：管理程序和控制程序。管理程序包括LED显示动态刷新、控制指示灯、处理键盘的扫描和响应。用来进行掉电保护的处理、执行中断服务操作等等。另一方面，控制程序包括A/D转换、数据采样、数字处理、报警设置、中值滤波、PID计算等等。 硬件系统设计 本文中所研究的基于单片机的热水锅炉温度控制系统硬件部分按其功能可以分为以下几种：单片机主控模块、输入通道、输出通道、保护电路。由结构框图可知，温度控制系统以AT89S52单片机为核心，同时扩展外部存储器构成主控模块。温控箱的温度由温度传感器检测并转化成微弱的电压信号，再通过A/D转换器转化成数字量。经过数字滤波后，一方面将温度通过控制面板的液晶显示器显示出来；另一方面将该温度与设定的温度值进行比较，根据其偏差值的反馈，采用PID控制算法进行运算，最后通过控制双向可控硅控制周期内的通断占空比，从而达到对温度进行控制的目的。如果实际测的的温度超过系统给定的极限温度，存在安全问题时候，保护电路会做出反应，从而保护温控箱以及其他部件。 硬件总体结构框图如下： 硬件总体结构框图 主控模块器件选择及设计 单片机 AT89S52 AT89S5