【正文】 目 錄 中文摘要 .............................................................. 1 英文摘要 .............................................................. 2 1 緒論 ............................................................... 3 電熱鍋爐的 應(yīng)用背景及其控制理論的發(fā)展 ........................... 3 本文的設(shè)計(jì)指標(biāo) ................................................. 4 2 硬件電路設(shè)計(jì) ....................................................... 5 系統(tǒng)方案概述 ................................................... 5 溫度檢測元件 DS18B20 ............................................ 6 顯示模塊設(shè)計(jì) ................................................... 8 鍵盤模塊設(shè)計(jì) ................................................... 9 鍵盤工作原理 ............................................. 9 鍵盤識(shí)別方法 ............................................ 10 鍵盤工作方式 ............................................ 10 指示及報(bào)警電路 ................................................ 11 功率驅(qū)動(dòng)電路 .................................................. 12 固態(tài)繼電器簡介 .......................................... 12 功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) ........................................ 13 水位檢測及控制電路 ............................................ 13 水位檢測電路 ............................................ 13 水位控制電路 ............................................ 14 電源電路 ...................................................... 15 單片機(jī)選型及簡介 .............................................. 15 3 軟件的設(shè)計(jì) ........................................................ 19 系統(tǒng)軟件總體概述 .............................................. 19 主程序 ........................................................ 19 T0 中斷服務(wù)子程序 ............................................. 21 中斷系統(tǒng)簡介 ............................................ 21 T0 中斷服務(wù)程序的編寫 .................................... 23 鍵盤中斷服務(wù)子程序 ............................................ 24 PID 運(yùn)算設(shè)計(jì) .................................................. 25 其他子程序介紹 ................................................ 27 顯示子程序 .............................................. 27 DS18B20 相關(guān)子程序 ....................................... 28 PID 輸出轉(zhuǎn)換程序 ......................................... 29 4 系統(tǒng)的仿真 ........................................................ 30 PID 參數(shù)整定方法 .............................................. 30 系統(tǒng)仿真結(jié)果 .................................................. 31 5 結(jié)論 .............................................................. 33 致謝 ................................................................. 34 參考文獻(xiàn) ............................................................. 35 附錄 1 ................................................................ 36 附錄 2 ................................................................ 37 1 電熱鍋爐溫度水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要： 在冶金、化工、機(jī)械等各類工業(yè)控制中，電熱鍋爐都得到了 廣泛應(yīng)用。它具有環(huán)保、高效、體積小等優(yōu)點(diǎn)。因此對(duì)電熱鍋爐控制 系統(tǒng) 的研究就顯得十分有必要。 本 文介紹了 以 AT89S51 單片機(jī)為核心的溫度 和液位 控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)方法。溫度信號(hào)由溫度芯片 DS18B20 采集，以數(shù)字信號(hào)的形式傳送給單片機(jī)；水位信號(hào) 由 電接點(diǎn)水位計(jì)采集，以開關(guān)量形式傳送給單片機(jī)。文中介紹了該控制系統(tǒng)的硬件部分，包括：溫度檢測電路、溫度控制電路、水位檢測電路，水位控制電路 和 其他 一些 單片機(jī) 接口電路 。 文中還介紹了軟件設(shè)計(jì)部分，在這里采用模塊化結(jié)構(gòu) 編程 。軟件 主要 分三個(gè)部分 ： 主程序、鍵盤中斷及按鍵處理程序、 T0 中斷程序。其他的一些子程序包括： 溫度信號(hào)處理程序、 數(shù)碼管顯示 程序、 PID 處理程序等。 最后利用 MATLAB 和電熱鍋爐的近似數(shù)學(xué)模型，對(duì)溫度控制進(jìn)行了仿真。 關(guān)鍵詞 ： 電熱鍋爐 ； AT89S51 單片機(jī) ； DS18B20 溫度芯片 ； 溫度控制 ； 水位控制 ；PID 控制 2 The design of temperature and waterlevel control system of electric boiler Abstract： Electric water boiler has been widely used in every kinds of industrial control，such as metallurgy, chemical industry, machinery etc.. It is environmentally friendly, efficient, small size and so on. So it is very necessary to study the control system of electric water boiler. This paper introduces the working principle and design method of the temperature and liquid level control system which is based on AT89S51 MCU. Temperature signal collected by DS18B20 temperature chip is transmitted to the MCU in the form digital signal. The water signal collected by electric contact sensor, is transmitted to the MCU in switch forms. In this paper, the control system hardware part includes temperature sensing circuit, temperature control circuit, the water level detection circuit, the water level control circuit and other microcontroller interface circuit. The paper also introduces the software part, which uses the modular structure in programming. Software part is divided into three main parts: the main program, the keyboard interrupt and key processes program, To interrupt program. Some other subroutines include: temperature signal processing, digital control program, PID process procedures. Finally, with MATLAB and the approximate mathematical model of electric boilers, the temperature control system is simulated. Keywords: Electric Water Boiler, AT89S51 MCU, DS18B20 Temperature Chip, Temperature Control, Waterlevel Control, PID Control. 3 1 緒論 電熱鍋爐的應(yīng)用背景及其控制理論的發(fā)展 根據(jù)國內(nèi)實(shí)際情況和環(huán)保上的考慮和要求，燃煤鍋爐由于污染并且效率不高，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)部方便和安全性等問題 。因此在人口密集的居民 區(qū)、 旅館、醫(yī)院和學(xué)校，電加熱鍋爐完全能替代燃煤、燃油、燃?xì)忮仩t。 電加熱鍋爐采用全新加熱方式，無污染，完全可以稱為綠色環(huán)保鍋爐。電加熱鍋爐具有許多優(yōu)點(diǎn)，使其比其他形式的鍋爐更具吸引力，其具體優(yōu)點(diǎn)如下 [1]： （ 1） 無污染。由于采用電加熱方式，電能直接轉(zhuǎn)換為熱能，不需要采用燃燒的方式將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，因此就不會(huì)排放出有害氣體及飛灰，不會(huì)產(chǎn)生灰渣，完全符合環(huán)保方面的要求，更適合安放在人口密集的生活區(qū)和辦公區(qū)。 （ 2） 能量轉(zhuǎn)化效率高。電加熱鍋爐采用加熱元件直接與水接觸，加熱時(shí)轉(zhuǎn)換效率很高，能量轉(zhuǎn)化率也很高，一般可達(dá)到 95%，而最新最好的鍋爐更是能達(dá)到 98%以上。 （ 3） 鍋爐本體結(jié)構(gòu)簡單，安全性好。電加熱鍋爐本體結(jié)構(gòu)非常簡單，不需要布置管路，沒有燃燒室，沒有煙道，故而不會(huì)出現(xiàn)燃煤、燃?xì)?、燃油鍋爐存在的爆炸和泄漏的危險(xiǎn)。 （ 4） 體積小，重量輕，占地面積小。由于本體結(jié)構(gòu)簡單，使得電熱鍋爐體積可以做的很小，簡單的結(jié)構(gòu)更加便于布置，占地面積也就減小。 （ 5） 鍋爐啟動(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，操作簡單。由于加入元件工作由外部電氣開關(guān)控制，所以鍋爐啟停速度快，通過控制各加熱元件的開關(guān)，可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運(yùn)行負(fù)荷，調(diào)節(jié)操作迅速、簡單。與 燃煤、燃油、燃?xì)忮仩t相比，操作運(yùn)行更加方便、簡單。 （ 6） 可采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。電熱鍋爐的溫度和水位的控制都能通過計(jì)算機(jī)完成，使電熱鍋爐的運(yùn)行完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，最大程度的將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的鍋爐行業(yè)。 根據(jù)偏差的比例（ P）、積分（ I）、微分（ D）進(jìn)行控制（簡稱 PID 控制），是控4 制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律 [2]。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、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)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)