電熱鍋爐溫度控制器的設計開(kāi)題報告

一、開(kāi)題報告背景和意義
    隨著(zhù)現代控制技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域需要對現場(chǎng)數據進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，在一些重要場(chǎng)合對數據采集的要求更高，例如在電廠(chǎng)、鋼鐵廠(chǎng)、化工領(lǐng)域的生產(chǎn)中都需要對大量數據進(jìn)行現場(chǎng)采集，而溫度采集又是其中極為重要的部分，因此，需要一種高精度、低成本的數據采集與控制系統。溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常遇到的過(guò)程控制,有些工藝過(guò)程對其溫度的控制效果直接影響著(zhù)產(chǎn)品的質(zhì)量,因而設計一種較為理想的溫度控制系統是非常有價(jià)值的。
二、 開(kāi)題報告任務(wù)的主要內容
完成溫度測量與PID控制算法等相關(guān)資料的收集整理；
完成電路原理圖的設計；
完成印刷電路板設計與制作；
完成軟件設計；
完成軟件與硬件的聯(lián)調，實(shí)現設計功能；
完成對制作實(shí)物的測試；
完成畢業(yè)設計報告。
在這項開(kāi)題報告中本人主要完成硬件部分的設計工作。
三、已具備的條件
學(xué)院實(shí)驗室擁有單片機程序下載板、PROTUS程序仿真軟件、PROTEL99SEPCB
制作軟件、MEDWIN程序編譯軟件等開(kāi)發(fā)條件。同時(shí)在校其間我們學(xué)習和掌握了以上硬件和軟件的使用方法。此外我們可以方便的購買(mǎi)到元器件，例如：數碼管（3位一體）、芯片STC89C51、AD590、光電耦合器等。最后，學(xué)院和校內外基地均有單片機應用系統的項目開(kāi)發(fā)和勝任畢業(yè)設計指導工作的師資團隊，為本開(kāi)題報告的順利完成提供了軟硬件的保證。
四、開(kāi)題報告任務(wù)實(shí)施的思路與方案
系統設計總體框圖如圖1所示，包括單片機、顯示電路、越限報警電路、傳感器、
數據采集電路、鍵盤(pán)電路、控制電路這七個(gè)組成部分。
通過(guò)溫度傳感器將溫度值轉換為模擬電流量，電流量通過(guò)數據采集電路轉換成與模擬量成對應關(guān)系的數字量，單片機通過(guò)標度變換，將數字量轉換為實(shí)際的溫度值。實(shí)際所需要的鍋爐溫度通過(guò)按鍵來(lái)設置，溫度的設定值和實(shí)際值比較，當兩者不等時(shí)采用PWM控制可控硅的通斷以實(shí)現對鍋爐溫度的控制。實(shí)際溫度和設定溫度可通過(guò)顯示器顯示。
1. 硬件設計方案
硬件電路主要有兩大部分組成：模擬部分和數字部分：從功能模塊上來(lái)分有：主機電路、數據采集電路、鍵盤(pán)顯示電路、控制執行電路.
(1) 主機電路的設計
主機選用51系列單片機STC89C51來(lái)實(shí)現,利用單片機軟件編程靈活、自由度大的特點(diǎn),力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制。本系統選用的STC89C51芯片時(shí)鐘可達12MHz,運算速度快,控制功能完善。其內部具有128字節RAM,而且內部含有4KB的flash ROM 不需要外擴展存儲器,可使系統整體結構更為簡(jiǎn)單、實(shí)用。
(2)I／0通道的硬件電路的設計
就本系統來(lái)說(shuō),需要實(shí)時(shí)采集水溫數據,然后經(jīng)過(guò)A／D轉換為數字信號,送入單片機中的特定單元,然后一部分送去顯示;另一部分與設定值進(jìn)行比較,通過(guò)PID算法得到控制量并經(jīng)由單片機輸出去控制電熱鍋爐加熱或降溫。
（3）數據采集電路的設計
數據采集電路主要由高精度溫度傳感器AD590, 高精度運算放大器0P07,74LS373,12位A/D轉換器AD574A等組成。為了達到測量高精度的要求,選用溫度傳感器AD590,AD590具有較高精度和重復性(重復性?xún)?yōu)于0．1℃,其良好的非線(xiàn)形可以保證優(yōu)于0．1℃ 的測量精度,利用其重復性較好的特點(diǎn),通過(guò)非線(xiàn)形補償,可以達到0.1℃測量精度.)超低溫漂移高精度運算放大器0P07將溫度一電壓信號進(jìn)行放大,便于A(yíng)／D進(jìn)行轉換,以提高溫度采集電路的可靠性。
（4）電控制執行電路的設計
該系統的執行元件為可控硅，可控硅可以線(xiàn)性調節實(shí)現對水溫的控制。單片機輸出與電爐功率分別屬于弱電與強電部分,需要進(jìn)行隔離處理,這里采用光耦元TLP521 在控制部分進(jìn)行光電隔離,此外采用變壓器隔離實(shí)現弱強電的電源隔離。
單片機通過(guò)PWM 輸出來(lái)控制可控硅的通斷，從而控制可控硅上的交流通路達到控
制電爐功率的目的。
(5) 鍵盤(pán)及顯示的設計
根據設計要求，本系統設置了5個(gè)按鍵，按鍵AN1,AN2,AN3,AN4, AN5的功能定義如表1所示。鍵盤(pán)采用軟件查詢(xún)和外部中斷相結合的方法來(lái)設計,低電平有效。
按鍵AN3與P3.2相連,采用外部中斷方式,并且優(yōu)先級定為最高;按鍵AN5和AN4分別與P1.7和P1.6相連,采用軟件查詢(xún)的方式;AN1則為硬件復位鍵,與R、C構成復位電路。
顯示采用3位共陽(yáng)LED靜態(tài)顯示方式,顯示內容有溫度值的十位、個(gè)位及小數點(diǎn)后一位,這樣可以只用P3.0(RXD)口來(lái)輸出顯示數據,從而節省了單片機端口資源,在P1.4 口和P3.1(TXD)的控制下通過(guò)74LS164來(lái)實(shí)現3位靜態(tài)顯示。數字電路硬件部分見(jiàn)圖2。
2.系統軟件設計
系統的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實(shí)現模塊和運算控制模塊。
（1）主程序模塊
在主程序中首先給定PID算法的參數值,然后通過(guò)循環(huán)顯示當前溫度,并且設定鍵
盤(pán)外部中斷為最高優(yōu)先級,以便能實(shí)時(shí)響應鍵盤(pán)處理;軟件設定定時(shí)器T0為1秒定時(shí),在無(wú)鍵盤(pán)響應時(shí)每隔1秒響應一次,以用來(lái)采集經(jīng)過(guò)A／D轉換的溫度信號;設定定時(shí)器T1為嵌套在T0之中的定時(shí)中斷,初值由PID算法子程序提供。
（2）功能實(shí)現模塊
以用來(lái)執行對可控硅及電爐的控制。功能實(shí)現模塊主要由A／D轉換子程序、中斷處理子程序、鍵盤(pán)處理子程序、顯示子程序等部分組成。
（3）運算控制模塊
運算控制模塊涉及標度轉換、PID算法、以及該算法調用到的乘法子程序等。
五、預期目標
完成電熱鍋爐溫度控制器的硬件電路設計和軟件設計，最后完成電熱鍋爐溫度控制器的整機調試，制作的實(shí)物實(shí)現如下設計功能：
測量精度小于±5%,控制精度小于±8%,超調整量小于±10%；
鍋爐可以升溫也可以降溫；
實(shí)時(shí)顯示當前溫度值，三位數碼管顯示，包含一位小數；
具有越限報警功能；
采用PID控制算法。

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