鍋爐溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳益飛

CHEN Yi-fei

（鹽城工學(xué)院，鹽城 224051）

0 引言

單片微型計(jì)算機(jī)是隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而誕生的，由于它具有體積小、功能強(qiáng)、性價比高等特點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于電子儀表、家用電器、節(jié)能裝置、軍事裝置、機(jī)器人、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，使產(chǎn)品小型化、智能化，既提高了產(chǎn)品的功能和質(zhì)量，又降低了成本，簡化了設(shè)計(jì)。本文主要介紹單片機(jī)在溫度控制中的應(yīng)用。

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動化的重要任務(wù)。采用單片機(jī)作為鍋爐水溫閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制核心，實(shí)現(xiàn)人工設(shè)定溫度，自動控制溫度，顯示水的實(shí)時溫度等功能。水溫測試方式采用數(shù)字溫度傳感器感知鍋爐中水的溫度，通過單片機(jī)與數(shù)字溫度傳感器通訊獲得實(shí)時溫度，并通過程序?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制。采用鍵盤掃描方式對目標(biāo)溫度（0℃~80℃或20~60℃范圍內(nèi)）進(jìn)行人工設(shè)定，并用顯示器顯示水的實(shí)時溫度、給定溫度及溫度范圍。同時系統(tǒng)還通過繼電器電路控制加熱器件的導(dǎo)通與關(guān)閉，達(dá)到保持設(shè)定溫度基本不變的目的，并起到強(qiáng)弱點(diǎn)隔離作用，安全可靠。因此，單片機(jī)對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的問題。

1 硬件電路的選擇和設(shè)計(jì)

基于AT89S52單片機(jī)的鍋爐溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)的過程。硬件部分包括溫度傳感器DS18B20、LED數(shù)碼管顯示、報警電路以及按鍵功能。首先由溫度采集測控系統(tǒng)采用DS18B20滿足溫度測量，并將溫度信號轉(zhuǎn)換成電流，轉(zhuǎn)換為電壓信號，之后該信號經(jīng)預(yù)處理后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，獲得的有關(guān)被監(jiān)控環(huán)境溫度的數(shù)字量，發(fā)送給單片機(jī)處理。它與其他形式的溫度傳感器相比，不需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償，而且它是以高阻抗恒流源形式輸出。傳輸線上的壓降不影響輸出電流值,可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。單片機(jī)對經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之后的環(huán)境溫度進(jìn)行接收，對接收到的環(huán)境溫度信號進(jìn)行BCD碼轉(zhuǎn)換，發(fā)送給顯示模塊。之后，單片機(jī)將接收到的溫度數(shù)據(jù)與事先設(shè)定的溫度值進(jìn)行對比，如果當(dāng)前環(huán)境溫度超出了設(shè)定的溫度范圍，則進(jìn)行調(diào)控。同時還要實(shí)現(xiàn)溫度報警功能，若超出了監(jiān)控溫度范圍則發(fā)出警告。此外還有復(fù)位電路，晶振電路等。鍋爐溫度測控系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 鍋爐溫度測控系統(tǒng)框圖

1.1 控制器模塊

采用AT89S52作為系統(tǒng)的控制器。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活，自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法，并且具有低功耗，高性能，技術(shù)成熟，成本低廉等有點(diǎn)，使其在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

1.2 水溫探測模塊

水溫探測模塊用于測量器皿中水的溫度。系統(tǒng)需要利用測溫傳感器檢測出水的實(shí)時溫度，是控制模塊做出正確的反應(yīng)，控制水的溫度。

采用單總線可編程溫度傳感器DS18B20測溫度。DS18B20是數(shù)字溫度傳感器。它把溫度傳感器、外圍電路、A/D轉(zhuǎn)換器、微控制器和接口電路集成到一個芯片中構(gòu)成的具有溫度測量、溫度控制和與微處理器數(shù)據(jù)連接能力的溫度傳感器組件稱為數(shù)字溫度傳感器。通過DS18B20數(shù)字可編程溫度傳感器可測溫范圍－55℃～＋125℃，在-10～+85℃時精度為 0.5℃。可編程的分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫。在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯能力。并且其所需輔助電路簡單，依靠程序直接讀取溫度，總費(fèi)用低。

1.3 顯示模塊

使用液晶顯示屏顯示水溫。液晶顯示屏（LED）具有輕薄短小，低耗電量，無輻射危險，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，且顯示更為人性化，電路焊接更為簡單。

1.4 水溫控制模塊

控制模塊用來控制加熱器件的導(dǎo)通與關(guān)閉，從而達(dá)到控制加熱時間，控制水溫的目的。采用繼電器驅(qū)動電路控制。繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為“常開觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)”。

1.5 超溫報警電路的設(shè)計(jì)

超溫報警電路由LED燈與電阻組成。當(dāng)溫度超過設(shè)定的溫度控制范圍時，則燈亮，并且蜂鳴器鳴叫。

2 鍋爐溫度測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

通常，鍋爐溫度控制都采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出實(shí)測爐溫對所需爐溫的偏差值，然后對偏差值處理獲得控制信號去調(diào)節(jié)鍋爐的加熱功率，以實(shí)現(xiàn)對爐溫的控制。在工業(yè)上，偏差控制又稱PID控制，這是工業(yè)控制過程中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式，一般都能收到令人滿意的效果。不同的控制對象，所采用的算法有所不同。例如對于熱慣性大、時間滯后明顯、耦合強(qiáng)、難于建立精確數(shù)學(xué)模型的大型立式淬火爐，可以采用人工智能模糊控制算法，通過對淬火爐電熱元件通斷比的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對爐溫的自動控制，也可以采用仿人智能控制（SHIC）算法和PID控制算法的聯(lián)合控制方案，實(shí)際應(yīng)用時應(yīng)靈活運(yùn)用。本系統(tǒng)采用的是Keil Elektronik Gmbh 開發(fā)的KeiluVision2工具軟件來進(jìn)行系統(tǒng)軟件編寫和調(diào)試的。在嵌入式系統(tǒng)中，相對于匯編語言，C語言作為一種高級語言主要存在兩個不足：1）生成的可執(zhí)行代碼冗長，效率不高。對于這一點(diǎn)，隨著處理芯片運(yùn)算速度的提高、集成ROM的擴(kuò)大，特別編譯系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，冗長已經(jīng)不再是問題。這也是C在嵌入式系統(tǒng)中逐漸成為主流編程語言的主要原因之一。2）C生成的可執(zhí)行代碼在時序上不容易控制，比如本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)的時序控制。主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當(dāng)前溫度值，從而比較溫度值的大小，去執(zhí)行加熱電路。這個程序在讀完鍵盤要判斷啟動鍵是否啟動，才能進(jìn)行溫度讀取，最后通過LED顯示出來。

圖2 主程序流程圖

2.1 顯示程序的設(shè)計(jì)

顯示子程序采用動態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)四位共陽極數(shù)碼管的數(shù)值顯示，測量所得的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)放在22h內(nèi)存單元中，測量數(shù)據(jù)在顯示時轉(zhuǎn)換為溫度值十進(jìn)制BCD碼放在23h～25h內(nèi)存單元中。

2.2 DS18B20程序

溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，轉(zhuǎn)換時間約為750ms。

1）初始化：初始化是DSl8B20的底層基本操作之一。通過單線總線進(jìn)行的所有操作都從一個初始化序列開始。初始化序列包括一個由CPU發(fā)出的復(fù)位脈沖及其后由DS18B20發(fā)出的存在脈沖。存在脈沖讓CPU知道DS18B20在總線上且已做好操作準(zhǔn)備。

2）數(shù)據(jù)寫：數(shù)據(jù)寫是DSl8B20的底層基本操作之一，所有的指令、數(shù)據(jù)發(fā)送均由該操作完成。DSl8B20的寫操作都是逐位進(jìn)行的，因此，采用C5l中的位右移操作來實(shí)現(xiàn)。

3）數(shù)據(jù)讀：數(shù)據(jù)讀是DSl8B20的底層基本操作之一，溫度值和其他狀態(tài)信息的傳回均由該操作完成。

2.3 鍵盤程序

通過鍵盤可以人為的控制溫度,使其更為人性化；編程也簡單明了。確定啟動鍵開啟后，通過控制溫度上升鍵和下降鍵人為的去調(diào)節(jié)溫度，再回到讀鍵盤這樣一個反復(fù)的動作。

3 模擬仿真

為了檢驗(yàn)該系統(tǒng)的性能,對其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。首先通過KEIL C51軟件仿真實(shí)現(xiàn)程序調(diào)試的功能，再通過軟件PROTEUS進(jìn)行軟硬件模擬連調(diào)。設(shè)目標(biāo)溫度范圍為20~60℃,設(shè)定溫度為45℃，相應(yīng)的鍋爐溫度調(diào)節(jié)時間結(jié)果記錄如表1所示。

表1 鍋爐溫度調(diào)節(jié)時間結(jié)果記錄

由表1分析可知，溫差相同時，升溫時間比降溫時間要快，原因在于升溫采用電阻絲加熱，而降溫采用的是12V普通風(fēng)扇降溫，效率較低。若采用加熱致冷芯片來完成升溫和降溫則溫度穩(wěn)定時間會更少。

4 結(jié)論

本次研究借助于經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的結(jié)合，PID 控制算法是一種易于實(shí)現(xiàn)而且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法，具有很強(qiáng)的靈活性，但在被控制對象具有復(fù)雜的非線性時，難以滿足控制要求，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制具有逼近任意非線性函數(shù)的能力，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID實(shí)現(xiàn)對鍋爐溫度的測量、控制和顯示,提高了鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)的效率。基于AT89S52單片機(jī)的溫度測控系統(tǒng)將LED顯示器件與控制、驅(qū)動集成電路裝在一起，形成一個功能部件，最后通過硬件焊接實(shí)現(xiàn)了鍋爐的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。用戶只需用傳統(tǒng)工藝即可將其裝配成一個整機(jī)系統(tǒng)。這對于工業(yè)自動化大生產(chǎn)具有一定的實(shí)踐使用價值。

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