锅炉温度测控系统的设计

陈益飞

CHEN Yi-fei

（盐城工学院，盐城 224051）

0 引言

单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。本文主要介绍单片机在温度控制中的应用。

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。采用单片机作为锅炉水温闭环控制系统的控制核心，实现人工设定温度，自动控制温度，显示水的实时温度等功能。水温测试方式采用数字温度传感器感知锅炉中水的温度，通过单片机与数字温度传感器通讯获得实时温度，并通过程序实现闭环控制。采用键盘扫描方式对目标温度（0℃~80℃或20~60℃范围内）进行人工设定，并用显示器显示水的实时温度、给定温度及温度范围。同时系统还通过继电器电路控制加热器件的导通与关闭，达到保持设定温度基本不变的目的，并起到强弱点隔离作用，安全可靠。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。

1 硬件电路的选择和设计

基于AT89S52单片机的锅炉温度控制系统的硬件设计和软件开发的过程。硬件部分包括温度传感器DS18B20、LED数码管显示、报警电路以及按键功能。首先由温度采集测控系统采用DS18B20满足温度测量，并将温度信号转换成电流，转换为电压信号，之后该信号经预处理后，进行A/D转换，获得的有关被监控环境温度的数字量，发送给单片机处理。它与其他形式的温度传感器相比，不需要进行冷端补偿，而且它是以高阻抗恒流源形式输出。传输线上的压降不影响输出电流值,可以进行远距离传输。单片机对经A/D转换之后的环境温度进行接收，对接收到的环境温度信号进行BCD码转换，发送给显示模块。之后，单片机将接收到的温度数据与事先设定的温度值进行对比，如果当前环境温度超出了设定的温度范围，则进行调控。同时还要实现温度报警功能，若超出了监控温度范围则发出警告。此外还有复位电路，晶振电路等。锅炉温度测控系统原理框图如图1所示。

图1 锅炉温度测控系统框图

1.1 控制器模块

采用AT89S52作为系统的控制器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法，并且具有低功耗，高性能，技术成熟，成本低廉等有点，使其在各个领域应用广泛。

1.2 水温探测模块

水温探测模块用于测量器皿中水的温度。系统需要利用测温传感器检测出水的实时温度，是控制模块做出正确的反应，控制水的温度。

采用单总线可编程温度传感器DS18B20测温度。DS18B20是数字温度传感器。它把温度传感器、外围电路、A/D转换器、微控制器和接口电路集成到一个芯片中构成的具有温度测量、温度控制和与微处理器数据连接能力的温度传感器组件称为数字温度传感器。通过DS18B20数字可编程温度传感器可测温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为 0.5℃。可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。并且其所需辅助电路简单，依靠程序直接读取温度，总费用低。

1.3 显示模块

使用液晶显示屏显示水温。液晶显示屏（LED）具有轻薄短小，低耗电量，无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点，且显示更为人性化，电路焊接更为简单。

1.4 水温控制模块

控制模块用来控制加热器件的导通与关闭，从而达到控制加热时间，控制水温的目的。采用继电器驱动电路控制。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

1.5 超温报警电路的设计

超温报警电路由LED灯与电阻组成。当温度超过设定的温度控制范围时，则灯亮，并且蜂鸣器鸣叫。

2 锅炉温度测控系统的软件设计

通常，锅炉温度控制都采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值，然后对偏差值处理获得控制信号去调节锅炉的加热功率，以实现对炉温的控制。在工业上，偏差控制又称PID控制，这是工业控制过程中应用最广泛的一种控制形式，一般都能收到令人满意的效果。不同的控制对象，所采用的算法有所不同。例如对于热惯性大、时间滞后明显、耦合强、难于建立精确数学模型的大型立式淬火炉，可以采用人工智能模糊控制算法，通过对淬火炉电热元件通断比的调节，实现对炉温的自动控制，也可以采用仿人智能控制（SHIC）算法和PID控制算法的联合控制方案，实际应用时应灵活运用。本系统采用的是Keil Elektronik Gmbh 开发的KeiluVision2工具软件来进行系统软件编写和调试的。在嵌入式系统中，相对于汇编语言，C语言作为一种高级语言主要存在两个不足：1）生成的可执行代码冗长，效率不高。对于这一点，随着处理芯片运算速度的提高、集成ROM的扩大，特别编译系统的不断优化，冗长已经不再是问题。这也是C在嵌入式系统中逐渐成为主流编程语言的主要原因之一。2）C生成的可执行代码在时序上不容易控制，比如本系统中要实现的时序控制。主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，从而比较温度值的大小，去执行加热电路。这个程序在读完键盘要判断启动键是否启动，才能进行温度读取，最后通过LED显示出来。

图2 主程序流程图

2.1 显示程序的设计

显示子程序采用动态扫描法实现四位共阳极数码管的数值显示，测量所得的A/D转换数据放在22h内存单元中，测量数据在显示时转换为温度值十进制BCD码放在23h～25h内存单元中。

2.2 DS18B20程序

温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，转换时间约为750ms。

1）初始化：初始化是DSl8B20的底层基本操作之一。通过单线总线进行的所有操作都从一个初始化序列开始。初始化序列包括一个由CPU发出的复位脉冲及其后由DS18B20发出的存在脉冲。存在脉冲让CPU知道DS18B20在总线上且已做好操作准备。

2）数据写：数据写是DSl8B20的底层基本操作之一，所有的指令、数据发送均由该操作完成。DSl8B20的写操作都是逐位进行的，因此，采用C5l中的位右移操作来实现。

3）数据读：数据读是DSl8B20的底层基本操作之一，温度值和其他状态信息的传回均由该操作完成。

2.3 键盘程序

通过键盘可以人为的控制温度,使其更为人性化；编程也简单明了。确定启动键开启后，通过控制温度上升键和下降键人为的去调节温度，再回到读键盘这样一个反复的动作。

3 模拟仿真

为了检验该系统的性能,对其进行仿真实验。首先通过KEIL C51软件仿真实现程序调试的功能，再通过软件PROTEUS进行软硬件模拟连调。设目标温度范围为20~60℃,设定温度为45℃，相应的锅炉温度调节时间结果记录如表1所示。

表1 锅炉温度调节时间结果记录

由表1分析可知，温差相同时，升温时间比降温时间要快，原因在于升温采用电阻丝加热，而降温采用的是12V普通风扇降温，效率较低。若采用加热致冷芯片来完成升温和降温则温度稳定时间会更少。

4 结论

本次研究借助于经典控制理论和现代控制理论的结合，PID 控制算法是一种易于实现而且经济实用的方法，具有很强的灵活性，但在被控制对象具有复杂的非线性时，难以满足控制要求，而神经网络PID 控制具有逼近任意非线性函数的能力，神经网络PID实现对锅炉温度的测量、控制和显示,提高了锅炉监控系统的效率。基于AT89S52单片机的温度测控系统将LED显示器件与控制、驱动集成电路装在一起，形成一个功能部件，最后通过硬件焊接实现了锅炉的温度控制系统的设计。用户只需用传统工艺即可将其装配成一个整机系统。这对于工业自动化大生产具有一定的实践使用价值。

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