(單片機(jī))鍋爐溫度PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、鍋爐計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)鍋爐溫度PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄摘 要IABSTRACTII1 緒論11.1課題背景11.2課題目的及意義12 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與論證32.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案32.2方案選定43鍋爐溫度控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)53.1 系統(tǒng)供電電源電路設(shè)計(jì)53.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)63.3 主控單片機(jī)AT89S51芯片介紹113.4 A/D轉(zhuǎn)換單元143.5 輸出模塊183.6 鍵盤電路214 鍋爐溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).224.1主程序流程圖及分析224.2 子程序流程圖及分析234. 3程序清單255 調(diào)試.37結(jié)論38參考文獻(xiàn)39致謝.4040第1章 緒 論1.1課題背景根據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)際情況和環(huán)保問

2、題的考慮和要求，燃燒鍋爐由于污染并效率不高，已經(jīng)逐漸被淘汰；燃油和燃?xì)忮仩t也存在著燃料供應(yīng)不方便和安全性等問題。因些在人口密集的居民區(qū)、旅館、醫(yī)院和學(xué)校，電加熱鍋爐完全替代燃煤、燃油、燃?xì)忮仩t。自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展迅速，并在智能化，自適應(yīng)、參數(shù)整定等方面，以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀表，并在各行廣泛應(yīng)用。電加熱鍋爐采用全新加熱方式，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，使其比其他形式的鍋爐更具有吸引力：(1) 無污染。不會(huì)排放出有害氣體

3、、飛塵、灰渣，完全符合環(huán)保方面的要求。(2) 能量轉(zhuǎn)化效率高。加熱元件直接與水接觸，能量轉(zhuǎn)換效率很高，可達(dá)95%以上。(3) 鍋爐本體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全性好。不需要布管路，沒有燃燒室、煙道，不會(huì)出現(xiàn)燃煤、燃油、燃?xì)獾男孤┖捅ㄎｋU(xiǎn)。(4) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，占地面積小。(5) 啟動(dòng)、停止速度快，運(yùn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，調(diào)節(jié)速度快，操作簡(jiǎn)單。由于加熱元件工作由外部電氣開關(guān)控制，所以啟停速度快。(6) 可采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。其溫度的控制都能通過微控制芯片完成，使鍋爐的運(yùn)行完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，最大程度地將控制器應(yīng)用于傳統(tǒng)的鍋爐行業(yè)。本課題主要研究鍋爐溫度的過程控制。新型鍋爐是機(jī)電一體化的產(chǎn)品

4、，可將電能直接轉(zhuǎn)化成熱能，具有效率高，體積小，無污染，運(yùn)行安全可靠，供熱穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，是理想的節(jié)能環(huán)保的供暖設(shè)備。加上目前人們的環(huán)保意識(shí)的提高，電熱鍋爐越來越受人們的重視，在工業(yè)生產(chǎn)和民用生活用水中應(yīng)用越來越普及。電熱鍋爐目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控制水的溫度，保證恒溫供水。隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，單片機(jī)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制中。工業(yè)控制也越來越多的采用計(jì)算機(jī)控制，在這里我們采用51系列單片機(jī)來做控制器。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，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到很好的控制

5、效果。而這下符合PID控制使用的條件，因而PID控制被廣泛地用于電熱鍋爐的控制中，用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制方法，并獲得良好的控制效果。 根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）、進(jìn)行控制（PID控制），是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。PID控制器問世至今有近70年歷史，它以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。1.2 課題目的及意義本控制器主要是針對(duì)現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程中鍋爐溫度控制

6、裝置而設(shè)計(jì)的，用PID控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制方法，以獲得良好的控制效果。通過這個(gè)課題能鍛煉我的能力，給我提供了一個(gè)理論和實(shí)踐相結(jié)合的機(jī)會(huì)。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我能對(duì)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制理論、檢測(cè)技術(shù)與儀表方面的知識(shí)有進(jìn)一步的了解，以鞏固學(xué)過的專業(yè)知識(shí)，開拓我的視野。同時(shí)，由于學(xué)過的知識(shí)有限，讓我認(rèn)識(shí)到了自己的不足，為以后有針對(duì)性地提高有了一個(gè)明確的方向，同時(shí)也鍛煉和提高我們的自學(xué)能力，為提高我們以后的自身競(jìng)爭(zhēng)能力打下基礎(chǔ)。1.3設(shè)計(jì)指標(biāo)此系統(tǒng)主要以單片機(jī)為控制器，并對(duì)顯示電路，溫度檢測(cè)電路，人機(jī)接口電路，鍵盤電路，報(bào)警電路，執(zhí)行電路等進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)鍋爐水溫的控制。具體指標(biāo)要求如下：1、 用

7、單片機(jī)作為控制器，采用模塊設(shè)計(jì)方法，對(duì)系統(tǒng)硬件、軟件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)2、 鍋爐溫度控制在90-100左右。3、 通過鍵盤輸入上下限溫度、恒溫溫度，以及通過手動(dòng)停機(jī)的功能。4、 顯示電路用于顯示用戶設(shè)定的溫度、上限溫度、下限溫度和當(dāng)前溫度值等，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位。5、 水溫高于上限溫度和低于下限溫度時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警；誤輸入時(shí)報(bào)警。6、 加熱執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。1.4 論文工作本系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為兩部分，第一部分是前端采集系統(tǒng)；第二部分是控制系統(tǒng)。前端采集系統(tǒng)由機(jī)械開關(guān)、溫度傳感器組成，其任務(wù)是完成洗碗機(jī)各個(gè)測(cè)量量的測(cè)量，并且向控制機(jī)傳送測(cè)量數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)值超過限定范圍時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的操作?？刂葡到y(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)、

8、電機(jī)、顯示的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)洗碗機(jī)溫度值、開關(guān)量的循環(huán)采集，并對(duì)其進(jìn)行處理、顯示、動(dòng)作。用戶可通過控制機(jī)上的鍵盤設(shè)置相應(yīng)的操作，控制系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)置運(yùn)行相應(yīng)程序。第2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與論證實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的方案有多種：(1)用PLC為控制器，熱電阻/熱電偶作為測(cè)溫器件，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。(2)用單片機(jī)結(jié)合溫度傳感器和加熱執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)溫度進(jìn)行控制，鍵盤修改溫度參數(shù)、顯示。每一種方案都有其各自的優(yōu)點(diǎn)。本章詳細(xì)列舉、說明了兩種不同的設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，選出了最佳控制方案。2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案方案一：以PLC為控制器此方案用PLC作為主要控制器的核心，利用熱電偶作為測(cè)溫器件，然后通過一個(gè)變送器將溫度轉(zhuǎn)換成

9、電壓信號(hào)，送入到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)轉(zhuǎn)送入PLC，由PLC根據(jù)給定值與測(cè)量值的大小作比較得到一個(gè)偏差，再由D/A將偏差數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量來調(diào)節(jié)加熱絲的工作時(shí)間或者通過調(diào)節(jié)不同電壓來調(diào)節(jié)加熱絲的加熱功率，最終達(dá)到鍋爐恒溫控制的目的。系統(tǒng)原理框圖如下圖1所示： 實(shí)際溫度加熱給定值D/A轉(zhuǎn)換PLC控制器A/D轉(zhuǎn)換變送器熱電偶圖1 方案一的原理框圖方案二：采用51單片機(jī)為主控芯片此方案采用單片機(jī)為主控芯片。利用熱電阻PT100作為溫度傳感器件，然后通過運(yùn)算放大器OP-07構(gòu)建差分放大器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成ADC0809模擬通道的輸入的0-5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再由ADC0809將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換

10、成八位數(shù)字信號(hào)，傳送給單片機(jī)P0口，單片機(jī)將實(shí)時(shí)溫度和設(shè)置參數(shù)通過數(shù)碼管顯示出來，同時(shí)通過鍵盤輸入設(shè)定溫度，單片機(jī)將設(shè)定溫度同ADC0809傳送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較運(yùn)算，利用PID運(yùn)算，作出相應(yīng)的判斷，從單片機(jī)P1.0輸出一個(gè)PWM波形來控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通與關(guān)閉，從而控制鍋爐的加熱絲在一個(gè)固定周期中通電加熱時(shí)間的長(zhǎng)短來達(dá)到恒溫控制的目的。系統(tǒng)原理框圖如下圖2所示：鍵盤電路PWM控制SSR51單片機(jī)溫度信號(hào)處理A/D轉(zhuǎn)換加熱機(jī)構(gòu) Pt100SSR工作指示顯示和報(bào)警電路圖2 方案二的原理框圖2.2 方案選定根據(jù)兩個(gè)方案的原理和組成結(jié)構(gòu)，主要考慮以下一些因素考慮。從組成結(jié)構(gòu)來比較，以PLC為控制器的

11、方案安裝接線比較繁瑣，而實(shí)際顯示需要單獨(dú)的顯示屏，調(diào)節(jié)溫度時(shí)不太方便，若要改變給定值，需要添加專門的輸入模塊或者需要重新下載控制程序。而51單片機(jī)控制系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)可以規(guī)劃的一塊PCB電路板上，從而安裝起來更加方便，而且其功能比較齊全，顯示模塊簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)溫度可通過鍵盤來設(shè)置，使用很方便。從成本上來看。以PLC為控制器的方案比較昂貴，51單片機(jī)控制系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)。考慮到用戶的心里接受傾向，51單片機(jī)控制系統(tǒng)更有市場(chǎng)推廣價(jià)值。通過以上分析和比較從而得出：鍋爐溫度控制系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制器的系統(tǒng)比PLC控制系統(tǒng)成本更低，使用更加方便，快捷。基于上述原因，最終確定采用方案二。第3章 鍋爐溫度控制系

12、統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)硬件電路主要由以下部分組成：供電電源電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、溫度檢測(cè)電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、鍵盤輸入電路、聲光報(bào)警電路、繼電器輸出電路、LED顯示電路3.1 系統(tǒng)供電電源電路設(shè)計(jì)主控電路所需的+5V電源；如圖3系統(tǒng)供電電源電路原理圖所示：此電路采用“濾波à穩(wěn)壓à濾波”的線形電源模式。這里選用了78M05三端穩(wěn)壓器。圖3 系統(tǒng)供電電源電路原理圖由于78M系列三端集成穩(wěn)壓器內(nèi)部有過熱、過流保護(hù)電路，外圍元件少，性能優(yōu)良，體積小、價(jià)格低，所以在很多電路中廣泛應(yīng)用。它的工作原理與一般的分立件組成的串聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓電源相似，區(qū)別在于增加了啟動(dòng)電路、恒壓源以及保護(hù)電路。

13、為了使穩(wěn)壓器能在比較大的電壓范圍內(nèi)正常工作，在基準(zhǔn)電壓形成和誤差放大部分設(shè)置了恒流源電路，啟動(dòng)電路的作用就是為恒流源建立工作點(diǎn)。實(shí)際電路是由一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，在輸出不同電壓穩(wěn)壓器中，采用不同的串并聯(lián)接法，形成不同的分壓比，通過誤差放大之后去控制調(diào)整管的工作狀態(tài)，以形成和穩(wěn)定一系列的輸出電壓。雖然三端穩(wěn)壓器有很多優(yōu)點(diǎn)，但因目前功率集成技術(shù)水平的限制，它的最大電流只能達(dá)到1.5A。然而本次設(shè)計(jì)需要的是電壓，可以不考慮電流部分。使用三端集成穩(wěn)壓器時(shí)一定要注意：輸入電壓與輸出電壓差不能過大，一般選擇在610V為宜，壓差過小，輸出電壓紋波大，起不到穩(wěn)壓作用，壓差過大，穩(wěn)壓器本身消耗的功率就隨之增大，容易

14、損害穩(wěn)壓器。78M05集成穩(wěn)壓器是將功率調(diào)整管、取樣電阻以及基準(zhǔn)穩(wěn)壓、誤差放大、啟動(dòng)和保護(hù)電路等全部集成在一個(gè)芯片上而形成的一種穩(wěn)壓集成電路。電路中兩個(gè)二極管IN4007是：防止系統(tǒng)不穩(wěn)定時(shí)，輸出電壓高于輸入電壓，從而導(dǎo)致三端集成穩(wěn)壓器被燒毀，起到保護(hù)作用。上述電源中所用的電源變壓器功率為10W。電路中的壓敏電阻VDR是防雷、抑制過電壓作用，保護(hù)電路免受過電壓的損害。壓敏電阻VDR在它上面的電壓低于它的閥值UN=471V時(shí)，流過它的電流極小，相當(dāng)于一只關(guān)死的閥門，當(dāng)電壓超過471V時(shí)，流過它的電流激增，相當(dāng)于短路，這時(shí)FUSE會(huì)因?yàn)殡娏骷ぴ龆鵁龤?，使電路斷開。3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)

15、指的是由最基本的電路元件組成的，外接部分簡(jiǎn)單的電路就能夠獨(dú)圖4單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖立成一定的工作任務(wù)的單片機(jī)系統(tǒng)。51單片機(jī)的最小系統(tǒng)由單片機(jī)芯片、電源、時(shí)鐘電路、和復(fù)位電路組成。如圖4單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖所示，其中的晶振時(shí)鐘電路用來產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，以提供單片機(jī)片內(nèi)各種數(shù)字邏輯電路工作的時(shí)間基準(zhǔn)。按鍵S6_1能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位，電容C6_1能實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，復(fù)位電路用來使片內(nèi)電路完成初始化的操作，具體功能是使程序計(jì)數(shù)器PC=0000H，引導(dǎo)程序從0000H地址單元開始執(zhí)行； SFR中的21個(gè)特殊功能寄存器復(fù)位后的狀態(tài)是確定。3.2.1 主控單片機(jī)AT89S51芯片介紹AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能

16、CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，AT89S51在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。(1) 主要性能特點(diǎn)1、4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器； 2、128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）； 3、32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口； 4、5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)、2層中斷嵌套中斷； 5、6個(gè)中斷源； 6、

17、2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器； 7、2個(gè)全雙工串行通信口； 8、看門狗（WDT）電路； 9、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路； 10、與MCS-51兼容； 11、全靜態(tài)工作：0Hz-33MHz； 12、三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密鎖定； 13、可編程串行通道； 14、低功耗的閑置和掉電模式。 (2) 管腳說明VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0

18、外部必須被拉高。 圖5 AT89S51管腳圖P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，

19、P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口除了作為普通I/O口，還有第二功能： P3.0 /RXD（串行輸入口） P3.1 /TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1）

20、P3.4 /T0（記時(shí)器0外部輸入） P3.5 /T1（記時(shí)器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 I/O口作為輸入口時(shí)有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時(shí)實(shí)際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線，經(jīng)過某種運(yùn)算或變換后再寫回到端口鎖存器。只有讀端口時(shí)才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。89C51的P0、P1、P2、P3口作為輸入時(shí)都是準(zhǔn)雙向口。除了P1口外P0、P2、P3口都還有其他的功能。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器

21、周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次

22、/PSEN有效。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 (3) 下載程序AT89SXX系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了ISP下載功能，故而取代了89CXX系列的下載方式，也是因?yàn)檫@樣，ATMEL公司已經(jīng)停止生產(chǎn)89CXX系列的

23、單片機(jī)，現(xiàn)在市面上的AT89CXX多是停產(chǎn)前的庫存產(chǎn)品。3.3 溫度測(cè)量電路本系統(tǒng)利用熱電阻PT100作為溫度傳感器件，然后通過運(yùn)算放大器OP-07構(gòu)建差分放大將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成ADC0809模擬通道的輸入的0-5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成八位數(shù)字信號(hào)，傳送給單片機(jī)P0口。3.3.1溫度信號(hào)測(cè)量電路如圖3.4.1溫度信號(hào)測(cè)量處理電路所示，利用熱電阻Pt100作為溫度傳感器件，然后通過運(yùn)算放大器OP-07構(gòu)建差分放大電路將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成ADC0809模擬通道的輸入標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。將Pt100接入到電橋中，如圖6 溫度測(cè)量信號(hào)處理電路所示，由Pt100的阻值來反映鍋爐的溫度的變化，電橋輸出電壓為：

24、Uba=VccR1_4/( R1_2+R1_4)- R1_3/( R1_1+R1_3) （其中下橋臂R1_3=100，R1_4=1K，上橋臂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作用是將電橋電位Vb、Va作差分比例放大作用，由差分比例運(yùn)算放大電路的計(jì)算方式：Auf = Uo1/(U1_ - U1+)=- R1_8/R1_6（其中R1_8=100K，R1_6=10K，U1_ - U1+=-Uba）從而得到：Uo1=10Uba=25-50* 100/( R1_1+100)。圖

25、6 溫度測(cè)量信號(hào)處理電路根據(jù)PT100鉑電阻R/T曲線可知電阻-溫度的關(guān)系線性度非常好，電阻-溫度的關(guān)系可以近似確實(shí)測(cè)量上限溫度，Uo1=25-50* 100/( R1_1+100)，當(dāng)Uo1=5V時(shí)，可以計(jì)算出測(cè)量上限溫度時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻為：150歐姆，查Pt100的分度表，可得：測(cè)量上限溫度為131，即當(dāng)t=0時(shí)，可得Uo1=0V；當(dāng)t=131時(shí)，可得Uo1=5V。由鉑電阻電阻-溫度線性關(guān)系特性和計(jì)算公式可得以下兩個(gè)結(jié)論：(1)、PT100鉑電阻在0600電阻-溫度的關(guān)系線性度很好。(2)、當(dāng)溫度在0131的范圍，運(yùn)放輸出的電壓分別線性對(duì)應(yīng)是05V的標(biāo)準(zhǔn)。3.3.2 熱電阻pt100介紹pt1

26、00是鉑熱電阻，它是用很細(xì)的鉑絲（直徑為0.030.07mm）繞在云母架上制成，是國(guó)際公認(rèn)的高精度測(cè)溫標(biāo)準(zhǔn)傳感器。因?yàn)殂K電阻在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下其物理、化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定，因此它具有精度高、穩(wěn)定性好性能可靠的特點(diǎn)，鉑電阻在中溫（-200650）范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。它的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0時(shí)阻值為100歐姆，在100時(shí)它的阻值約為138.5歐姆。圖7 PT100鉑電阻R/T曲線它的工作原理：當(dāng)PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為100歐姆，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成勻速增長(zhǎng)的。以下是PT100鉑電阻R/T曲線和相應(yīng)的分度表。表1 Pt100分度表3.4 A

27、/D轉(zhuǎn)換單元 經(jīng)過溫度信號(hào)測(cè)量處理電路后所得到的05V電壓模擬信號(hào)要經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后才能送給單片機(jī)，如圖8 溫度信號(hào)AD轉(zhuǎn)換電路所示，電壓模擬信號(hào)輸入給IN-0通道，轉(zhuǎn)換完成后，輸送給單片機(jī)的P0口。圖8 溫度信號(hào)AD轉(zhuǎn)換電路圖 其中ADC0809的A、B、C三個(gè)端口作為它IN0-IN8八個(gè)輸入通道的選擇信號(hào)，由于此處只用到了IN0通道，所以將此A、B、C三個(gè)端口全部接地，電路中ADC0809的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)引腳EOC接在單片機(jī)P3.5上，單片機(jī)啟動(dòng)ADC0809的轉(zhuǎn)換后，延時(shí)一段時(shí)間，然后程序采取掃描方式檢測(cè)ADC0809是否轉(zhuǎn)換結(jié)束，單片機(jī)然后去檢測(cè)P3.5電平，當(dāng)接收到一個(gè)高電平時(shí)，發(fā)出一個(gè)

28、READ信號(hào)，使得ADC0809輸出鎖存緩沖器開放，將數(shù)據(jù)輸送到數(shù)據(jù)線上，從而完成溫度數(shù)字信號(hào)的采集過程。3.4.1 ADC0809介紹ADC0809是M美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片 (1) 主要特性1）8路輸入通道，8位AD轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。 2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。 3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s(時(shí)鐘為640kHz時(shí))，130s（時(shí)鐘為500kHz時(shí)） 4）單個(gè)5V電源供電 5）模擬輸入電壓范圍05V

29、，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。 6）工作溫度范圍為-4085攝氏度 7）低功耗，約15mW。 (2) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近 圖9 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 (3) 外部引腳功能特性ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖10所示。下面說明各引腳功能。 圖10 ADC0809引腳配置圖IN0IN7：8路模擬量輸入端。 2-12-8：8位數(shù)字量輸出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路 ALE：地址鎖存允許信號(hào)

30、，輸入，高電平有效。 START： AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）。 EOC： AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。 Vcc：電源，單一5V。 GND：地。 (4) CLOCK引腳時(shí)鐘頻率由于ADC0809的CLOCK引腳時(shí)鐘脈沖輸入端時(shí)鐘頻率要求不高

31、于640KHZ，而單片機(jī)的ALE（地址鎖存使能端）輸出的頻率是單片機(jī)的振蕩頻率12MHZ的1/6，即頻率是 2MHZ，所以不能直接將單片機(jī)的ALE腳接在ADC0809的CLOCK端。如下圖所示，可以用兩片CD4013構(gòu)成如下的4分頻電路將2MHZ的ALE頻率分成512KHZ<640KHZ。圖11 CD4013構(gòu)成4分頻電路一個(gè)D觸發(fā)器CD4013有6個(gè)端子：2個(gè)輸出，4個(gè)控制。4個(gè)控制分別是R、S、CK、D。 其中：(1)R和S不能同時(shí)為高電平。(2)當(dāng)R為1、S為0時(shí)，輸出Q一定為0，因此R可稱為復(fù)位端。(3)當(dāng)S為1、R為0時(shí)，輸出Q一定為1。(4)當(dāng)R、S均為0時(shí)，Q在CP端有脈沖

32、上升沿到來時(shí)動(dòng)作，具體是Q=D，即若D為1則Q也為1，若D為0則Q也為0。其中各種工作狀態(tài)如下表所示表2：D觸發(fā)器CD4013真值表Qn DQn+1Qn DQn+10 00 1011 01 101 CK(ALE)： Q(U3_8A)： Q(CLK)：由以上電路可以得到以下4分頻時(shí)序圖：圖12 4分頻時(shí)序圖3.5 輸出模塊本控制系統(tǒng)的輸出單元主要有三個(gè)：(1) 繼電器輸出控制加熱執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開與關(guān)。(2)當(dāng)水溫高于上限溫度和低于下限溫度時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警。(3)數(shù)碼管用于顯示用戶設(shè)定的溫度、上限溫度、下限溫度和當(dāng)前溫度值。3.5.1 繼電器輸出加熱執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開與關(guān)狀態(tài)由固態(tài)繼電器（Solid S

33、tate Relay），如圖13所示。圖13 固態(tài)繼電器輸出電路當(dāng)系統(tǒng)采集到溫度信號(hào)后與設(shè)定溫度進(jìn)行比較得到一個(gè)偏差，然后通過PID運(yùn)算，從單片機(jī)P1.0口輸出一個(gè)PWM波，PWM波形的高電平期間，固態(tài)繼電器SSR輸入端IN1為高電平，從而OUT1和OUT2兩觸點(diǎn)閉合，將加熱執(zhí)行機(jī)構(gòu)加熱絲連入到交流220V回路中，控制加熱機(jī)構(gòu)對(duì)鍋爐進(jìn)行加熱動(dòng)作，與此同時(shí)工作指示燈LED點(diǎn)亮。PWM波形低電平期間，SSR輸入端IN1為低電平，從而OUT1和OUT2兩觸點(diǎn)斷開，將加熱執(zhí)行機(jī)構(gòu)加熱絲從220V回路中切斷，控制加熱機(jī)構(gòu)對(duì)鍋爐停止加熱，與此同時(shí)工作指示燈LED點(diǎn)熄滅。3.5.2 固態(tài)繼電器SSR介紹由于

34、本系統(tǒng)加熱執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開與關(guān)狀態(tài)交替比較頻繁，一般的機(jī)械式繼電器在這種工作模式下使用壽命大大降低，所以難以滿足這一要求，在此應(yīng)該選用固態(tài)繼電器SSR如圖14 固態(tài)繼電器SSR內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路所示，它是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)。用隔離器件實(shí)現(xiàn)了控制端與負(fù)載端的隔離。固態(tài)繼電器的輸入端用微小的控制信號(hào)，達(dá)到直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載。圖14 固態(tài)繼電器SSR內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路與一般機(jī)械式繼電器相比，固態(tài)繼電器有如下優(yōu)點(diǎn)：(1) 高壽命，高可靠：固態(tài)繼電器沒有機(jī)械零部件，有固體器件完成觸點(diǎn)功能，能在高沖擊，振動(dòng)的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命

35、長(zhǎng)，可靠性高。 (2) 靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好:固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅(qū)動(dòng)功率低，可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅(qū)動(dòng)器。 (3) 快速轉(zhuǎn)換:固態(tài)繼電器因?yàn)椴捎霉腆w器件，所以切換速度可從幾毫秒至幾微妙。 (4) 電磁干擾小:固態(tài)繼電器沒有輸入“線圈”，沒有觸點(diǎn)燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電器是一個(gè)零電壓開關(guān)，在零電壓處導(dǎo)通，零電流處關(guān)斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)。固態(tài)繼電器注意事項(xiàng)：(1)在PCB上使用固態(tài)繼電器時(shí)，焊接時(shí)應(yīng)在溫度小于250。(2)被控負(fù)載在接通瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電流，所以用戶在選用繼電器時(shí)應(yīng)對(duì)被控負(fù)

36、載的浪涌特性進(jìn)行分析,然后再選擇繼電器。 (3)固態(tài)繼電器的負(fù)載能力受環(huán)境溫度和自身溫升的影響較大，在安裝使用過程中, (4) 在繼電器使用時(shí)，因過流和負(fù)載短路會(huì)造成SSR固態(tài)繼電器內(nèi)部輸出可控硅永久損壞 ,應(yīng)該考慮過流、過壓保護(hù)措施 3.5.3 聲光報(bào)警電路如圖15 聲光報(bào)警電路所示：當(dāng)水溫高于上限溫度、低于下限溫度或者在誤輸入時(shí)，單片機(jī)P1.1口給warn一個(gè)低電平信號(hào)來導(dǎo)通三極管8550以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和LED燈，進(jìn)行系統(tǒng)聲光報(bào)警。當(dāng)溫度恢復(fù)到設(shè)置范圍內(nèi)后，聲光報(bào)警自動(dòng)撤銷。圖15 聲光報(bào)警電路3.5.4 顯示電路用于顯示用戶設(shè)定的溫度、上限溫度、下限溫度和當(dāng)前溫度值等，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位。

37、如圖16所示，單片機(jī)的P2口輸出段選編碼，P3.0、P3.1、P3.2、P3.3分別為四位數(shù)碼管的位選編碼。當(dāng)其中位選編碼輸出低電平時(shí)，三極管8550導(dǎo)通，使得共陽極數(shù)碼管公共端得到一個(gè)高電平，同時(shí)P2口輸出相應(yīng)的要顯示的數(shù)字共陽極字型碼并通過74HC573將段碼信號(hào)鎖存輸出。圖16溫度數(shù)碼管顯示3.6 鍵盤電路鍵盤是用來給用戶提供設(shè)置設(shè)定溫度上限值、下限值、顯示溫度等功能。如下圖，功能鍵：選擇修改溫度設(shè)定值、上限值、下限值、顯示溫度位選鍵：選擇修改百位、十位、個(gè)位、十分位這四位的標(biāo)志加1鍵：每按一次鍵，位選標(biāo)志所指的當(dāng)前位的值加1減1鍵：每按一次鍵，位選標(biāo)志所指的當(dāng)前位的值減1確定鍵：保存設(shè)

38、置值并返回到顯示溫度狀態(tài)圖17 鍵盤電路及功能說明當(dāng)按鍵沒有被按下時(shí)，P1.3-P1.7通過下拉電阻接地，單片機(jī)此時(shí)檢測(cè)的電平是低電平，當(dāng)有鍵按下時(shí)，對(duì)應(yīng)P1.3-P1.7中的引腳與VCC接通，單片機(jī)此時(shí)檢測(cè)的電平是高電平。第四章 鍋爐溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 主程序流程圖及分析在鍋爐溫度控制系統(tǒng)中，主程序的功能主要是實(shí)現(xiàn)初始化，溫度采集A/D轉(zhuǎn)換，溫度值開始系統(tǒng)初始化采集溫度信號(hào)，AD轉(zhuǎn)換顯示溫度值，經(jīng)PID運(yùn)算輸出PWM控制SSR 是否滿足報(bào)警條件? N啟動(dòng)聲光報(bào)警 YN是否有按鍵？ Y 修改設(shè)定值修改上限值值修改下限值值顯示、保存設(shè)定值圖18 主程序流程圖溫度值顯示，將實(shí)際溫度與設(shè)定值

39、進(jìn)行比較進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出PWM波形控制SSR并判斷是否要啟動(dòng)報(bào)警，反復(fù)對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描從而更新溫度參數(shù)設(shè)置、顯示。圖18是系統(tǒng)分配裝置的主程序流程圖。4.2 子程序流程圖及分析本系統(tǒng)子程序主要有：數(shù)碼管顯示程序、AD轉(zhuǎn)換程序、鍵盤掃描程序、PID控制算法子程序。開始提取要顯示的百、十、個(gè)、十分位的數(shù)值依次向數(shù)碼管傳送段碼和位碼延時(shí)顯示下一位N四位是否全部顯示？Y結(jié)束圖19 數(shù)碼管顯示程序操作流程圖開始發(fā)送AD啟動(dòng)信號(hào)N 轉(zhuǎn)換是否完成？ Y讀入數(shù)據(jù)結(jié)束圖20 A/D轉(zhuǎn)換程序操作流程圖N是否有按鍵？ Y延時(shí)10-20msN是否有按鍵？YN 按鍵已釋放？Y獲鍵值，鍵處理圖21 按鍵檢測(cè)與處理流程圖

40、開始設(shè)置各參數(shù)Kp、Ti、Td和T提取設(shè)定值r(K)和返回值y(K)計(jì)算e(K)=Kpe(K)-y(K)計(jì)算計(jì)算KDe(K)e(K)-e(K-1)+AàAe(K)-e(K-1)e(K)àe(K-1)返回圖22 PID控制算法程序流程圖4.2 程序清單#include <reg52.h>#include <intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define LCD_data P0 /數(shù)據(jù)口sbit SPK=P37; /蜂鳴器定義sbit LED=P14; /LED定

41、義sbit DQ=P36; /ds18b20定義sbit RS=P21; /控制端口位定義sbit RW=P22;sbit EN=P23;sbit key1=P10; /位定義四個(gè)按鍵（用來調(diào)時(shí)）sbit key2=P11;sbit key3=P12;sbit key4=P13;float f_temp ; /定義浮點(diǎn)型的溫度數(shù)據(jù)uchar temp=80,temp_L,temp_H;uchar utime,f; /定時(shí)20ms，每20ms，utime+ ，定義按鍵為fuchar clock6=13,6,1,12,33,56; /用來存放年的后兩位，月，日，時(shí),分,秒uchar tempret

42、ure2;uchar code tab114="10電子班黃金清"uchar tab216="日期：20"uchar tab314="時(shí)間： "uchar tab414="溫度： .0 C" ;void delay(uint t) /延時(shí)子函數(shù) uint i,j; for(i=120;i>0;i-); for(j=t;j>0;j-);void delay_us(uchar i) /延時(shí)函數(shù)，計(jì)算公式：延時(shí)時(shí)間T=5+2*i; while(-i); void di()/蜂鳴器和燈閃爍程序 SPK=0; L

43、ED=0; delay(5000); SPK=1; LED=1; void read_busy() /lcd忙檢測(cè) EN=0; RW=1; RS=0; EN=1; while(P0&0x80); EN=0; void write_com(uchar com) /寫命令 read_busy(); EN=1; RS=0; RW=0; P0=com; delay(1); EN=0; void write_dat(uchar dat) /寫數(shù)據(jù) read_busy(); EN=1; RS=1; RW=0; P0=dat; delay(1); EN=0;void init_12864()/ lc

44、d初始化 delay(40); write_com(0x30);/8位數(shù)據(jù)格式，基本指令顯示 delay(10); /延時(shí)時(shí)間 write_com(0x30);/8位數(shù)據(jù)格式，基本指令顯示 delay(37); write_com(0x0c);/開顯示、關(guān)閉光標(biāo) delay(10); write_com(0x01);/清屏指令 delay(10); /延時(shí) write_com(0x06);/設(shè)置顯示點(diǎn)：指針自加1 void display() /lcd顯示函數(shù) uchar i; write_com(0x81); for(i=0;i<14;i+) write_dat(tab1i); wri

45、te_com(0x90); for(i=0;i<16;i+) write_dat(tab2i); write_com(0x88); for(i=0;i<14;i+) write_dat(tab3i); delay(1); write_com(0x98); for(i=0;i<12;i+) write_dat(tab4i); void shan(void) /lcd時(shí)間調(diào)節(jié)定位函數(shù) uchar i; write_com(0x94); /將數(shù)據(jù)寫在0x94地址上 if(f=1) /按鍵按一下年開份始閃爍 tab28=' ' /向要閃爍的位置寫空格 tab29=&#

46、39; ' for (i=8;i<=15;i+) write_dat(tab2i); /寫數(shù)據(jù) goto return1; if(f=2) /按鍵按兩下月份開始閃爍 tab211=' ' tab212=' ' for (i=8;i<=15;i+) write_dat(tab2i); goto return1; if(f=3) /按鍵按三下，日期開始閃爍 tab214=' ' tab215=' ' for (i=8;i<=15;i+) write_dat(tab2i); goto return1; writ

47、e_com(0x8b); if(f=4) /按鍵按四下，小時(shí)開始閃爍 tab36=' ' tab37=' ' for (i=6;i<=13;i+) write_dat(tab3i); goto return1; if(f=5) /按鍵按五下，分鐘開始閃爍 tab39=' ' tab310=' ' for (i=6;i<=13;i+) write_dat(tab3i); goto return1; if(f=6) /按鍵按六下，秒開始閃爍 tab312=' ' tab313=' ' for (i=6;i<=13;i+) write_dat(tab3i); goto return1; if(f=7) /按鍵按七下，調(diào)時(shí)完畢，停止閃爍，開始