基于单片机技术的温度控制系统设计

基于单片机技术的温度控制系统设计学生姓名：魏传维指导教师：李红艳电热锅炉温度水位控制系统设计纲要1.电加热锅炉研究的意义2.设计目标和控制方案选择3.系统的硬件设计4.系统的软件设计5.系统仿真6.结论基于单片机技术的温度控制系统设计交流电机的负荷分配意义：电加热锅炉采用全新加热方式，无污染，完全可以称为绿色环保锅炉。电加热锅炉具有以下特点：◇无污染。◇能量转化效率高。◇锅炉本体结构简单，安全性好。◇可采用计算机监控，完全实现自动化。电加热锅炉研究的意义设计目标和控制方案选择设计目标：利用ATmega16单片机设计一套功能简单、使用方便、价格低廉的温度和水位控制系统。系统应该具备实时显示温度的功能和温度设置功能。要求恒温温度控制的范围在0°C~100°C，连续可调，测量误差=1°C。且具有水位过高过低报警、高低水位控制功能。交流电机的负荷分配系统控制方案的选择：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，用传统的控制理论和方法很难达到很好的控制效果，因此选择PID控制进行温度控制。液位控制需要能实现过高过低水位报警，因此选用简单易行的电接点水位计。设计目标和控制方案选择系统的结构框图：系统的硬件设计ATmega16AD590水位电极加热电阻电磁阀显示电路键盘电路报警电路继电器SSR交流电机的负荷分配交流电机的负荷分配系统工作原理：在温控部分，选用ATmega16单片机为中央处理器，通过AD590温度传感器进行温度采集，将采集到的温度信号传输给单片机，再由单片机控制显示器，并进行PID处理，然后驱动固态继电器的通断，控制加热电阻的导通周期数，实现对温度的控制。在水位控制部分，当水位到达对应水位时，水位电极会将信号送入单片机，然后单片机会做出相应的动作。系统的硬件设计交流电机的负荷分配AD590简介AD590温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型温度传感器，AD590的性能特点如下：•独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；•无须外部器件；•可通过数据线供电，电压范围3.0-5.5V；•温度以9或12位数字读出；•用户可以定义报警设置；•负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，只是不能正常工作而已。系统的硬件设计交流电机的负荷分配功率驱动部分：本系统功率驱动部分采用单片机控制的固态继电器控温电路，其波形为完整的正弦波，对热惯性较大的被控对象，是一种稳定、可靠、较合理的控制方法，因而本系统采用过零触发方法。系统的硬件设计交流电机的负荷分配水位检测电路：由于水的导电性十分微弱，因此电极送出的电信号十分微弱，不能直接送入单片机，因此需要对该信号进行处理，这里我们选用PNP三极管开关电路。电路接法如右图所示。系统的硬件设计交流电机的负荷分配系统的硬件设计硬件原理图123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:15-Jun-2010SheetofFile:D:\mydesign\毕业设计.ddbDrawnBy:A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U774HC164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U874HC164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U1074HC164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U974HC16412345678161514131211109RESPACK1200*812345678161514131211109RESPACK2200*812345678161514131211109RESPACK3200*812345678161514131211109RESPACK4200*8Y112MC220pC120P+5VR234.7K+5V-2+1~3~4U5SSRR19150接220V交流电+5VRLRES1U64N25R20300D11DIODE+5V+24V接12V直流电D9D10LS1SPEAKERR15500R16500R173.1K+5V+5VabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdppower9DS1DPY_7-SEG_DPabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdppower9DS2DPY_7-SEG_DPabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdppower9DS3DPY_7-SEG_DPabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdppower9DS4DPY_7-SEG_DPGND3VDD1DQ2U2DS18B20电磁阀S1SW-PBS2SW-PBS4SW-PBS5SW-PBR1310KR1410K+5VU474LS06T58550+5V+5VP1.4P1.5P1.6P1.7P1.5P1.4P1.6P1.7T18550T28550T38550T48550R2500R5500R8500R12500+5VR34.7KR64.7KR94.7KR114.7K电极电极电极电极超高报警电极高水位电极低水位电极超低报警电极电极零水位电极R11KR41KR71KR101K12J24VAC12J12VACR2120/2WR225.1/2WC111000u/35VC71000u/50VC5470u/25VC91000u/35VC100.1uC60.1UC80.1u+5V+24VD72CZRU2D82CZRU2D62CZRU2D52CZRU2Vin3GND1Vout2L7805CV5VD32CZRU2D22CZRU2D12CZRU2C120.1uD42CZRU2Vin1GND2Vout3L7824CV24VP1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.5/MOSI6P1.6/MISO7P1.7/SCK8RST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE30EA31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039GND20VCC40U1AT89S51(40)C40.1μC322u123U3A74ALS08S7SW-PBR188.2KREDGREENR241KT68050U64N25R251K+5vT8NPNVCCR261KKMKAC13R27KMLNK1交流电机的负荷分配本系统的软件大体可分为三个部分：•主程序：主要对内存单元进行分配，对一些变量值赋初值，对中断系统进行初始化操作；循环执行水位控制程序。•键盘中断服务程序：对键盘中断进行响应，然后扫描键盘，转入对应的键值程序。•T0中断服务程序：用来进行温度信号采样、数据转换、PID运算和控制输出。系统的软件设计系统的软件设计开始系统初始化T0,T1初始化开中断T0运行高水位检测控制低水位检测控制主程序流程图：交流电机的负荷分配系统的软件设计由于位置型算法控制算式不够方便，需要累加偏差，不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此，我们选用增量型算法。增量型算法的算式如下：)2()1()(1210keqkeqkeqkuKuKqKKqKKKqDDPIDP2102其中：交流电机的负荷分配在MATLAB下搭建的温度闭环控制部分的系统框图：系统仿真其中取锅炉的近似数学模型为：esss30113005)(G系统仿真仿真结果如右图所示。经过调试，确定PID参数为：Kp=3.4，Ki=0.0027，Kd=1。从图中可以看出，系统的响应速度较快，静差几乎为零，且没有超调量。交流电机的负荷分配结论基于ATmega16单片机的电热锅炉水位和温度控制系统，在硬件部分有以下的特点：•（1）对于液位，利用电接点传感器将采集到的开关信号送入单片机中，在单片机中进行比较操作，并控制电磁阀的通断。•（2）对于温度利用温度传感AD590，将采样到的温度信号直接输入到单片机中，再由单片机根据测量温度与设定温度的差值和PID算法生成控制信号，控制电炉的通电与断电。•（3）在显示电路上采用了串行方式，从而减小了单片机口线的使用。这样的设计使系统不需要使用A/D转换芯片，使整个系统结构紧凑、所用芯片少。交流电机的负荷分配总结在软件上，有以下一些特点：•（1）温度控制部分采用了经典的PID算法，方法简单，且控制效果良好；•（2）同时采用过零触发直接使用PID的控制输出去控制加热的时间，免去了一级D/A转换器，减小了成本，且简单易行；•（3）采用定时器中断对采样时间进行控制，使每一次的采样时间基本相同，减小了对系统稳定性的影响。•（4）在程序的编写过程中特别注意了人机的交互性及各种功能的实现，使系统的操作界面更容易让人理解。致谢首先感谢李红艳老师,本论文是在鲁照权的指导下修改完成的。在此，要对他的细心帮助和指导表示由衷的感谢。其次感谢各位评委老师，阅读我的毕业设计，并给与指导。最后向所有给予我帮助的老师、同学和朋友表示真心的感谢，谢谢你们的帮助!谢谢大家！