電熱鍋爐溫度控制器的設計開題報告
一、開題報告背景和意義
隨著現代控制技術的發展，在工業控制領域需要對現場數據進行實時采集，在一些重要場合對數據采集的要求更高，例如在電廠、鋼鐵廠、化工領域的生產中都需要對大量數據進行現場采集，而溫度采集又是其中極為重要的部分，因此，需要一種高精度、低成本的數據采集與控制系統。溫度控制是工業生產過程中經常遇到的過程控制,有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產品的質量,因而設計一種較為理想的溫度控制系統是非常有價值的。
二、 開題報告任務的主要內容
完成溫度測量與PID控制算法等相關資料的收集整理；
完成電路原理圖的設計；
完成印刷電路板設計與制作；
完成軟件設計；
完成軟件與硬件的聯調，實現設計功能；
完成對制作實物的測試；
完成畢業設計報告。
在這項開題報告中本人主要完成硬件部分的設計工作。
三、已具備的條件
學院實驗室擁有單片機程序下載板、PROTUS程序仿真軟件、PROTEL99SEPCB
制作軟件、MEDWIN程序編譯軟件等開發條件。同時在校其間我們學習和掌握了以上硬件和軟件的使用方法。此外我們可以方便的購買到元器件，例如：數碼管（3位一體）、芯片STC89C51、AD590、光電耦合器等。最后，學院和校內外基地均有單片機應用系統的項目開發和勝任畢業設計指導工作的師資團隊，為本開題報告的順利完成提供了軟硬件的保證。
四、開題報告任務實施的思路與方案
系統設計總體框圖如圖1所示，包括單片機、顯示電路、越限報警電路、傳感器、
數據采集電路、鍵盤電路、控制電路這七個組成部分。
通過溫度傳感器將溫度值轉換為模擬電流量，電流量通過數據采集電路轉換成與模擬量成對應關系的數字量，單片機通過標度變換，將數字量轉換為實際的溫度值。實際所需要的鍋爐溫度通過按鍵來設置，溫度的設定值和實際值比較，當兩者不等時采用PWM控制可控硅的通斷以實現對鍋爐溫度的控制。實際溫度和設定溫度可通過顯示器顯示。
1. 硬件設計方案
硬件電路主要有兩大部分組成：模擬部分和數字部分：從功能模塊上來分有：主機電路、數據采集電路、鍵盤顯示電路、控制執行電路.
(1) 主機電路的設計
主機選用51系列單片機STC89C51來實現,利用單片機軟件編程靈活、自由度大的特點,力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制。本系統選用的STC89C51芯片時鐘可達12MHz,運算速度快,控制功能完善。其內部具有128字節RAM,而且內部含有4KB的flash ROM 不需要外擴展存儲器,可使系統整體結構更為簡單、實用。
(2)I／0通道的硬件電路的設計
就本系統來說,需要實時采集水溫數據,然后經過A／D轉換為數字信號,送入單片機中的特定單元,然后一部分送去顯示;另一部分與設定值進行比較,通過PID算法得到控制量并經由單片機輸出去控制電熱鍋爐加熱或降溫。
（3）數據采集電路的設計
數據采集電路主要由高精度溫度傳感器AD590, 高精度運算放大器0P07,74LS373,12位A/D轉換器AD574A等組成。為了達到測量高精度的要求,選用溫度傳感器AD590,AD590具有較高精度和重復性(重復性優于0．1℃,其良好的非線形可以保證優于0．1℃ 的測量精度,利用其重復性較好的特點,通過非線形補償,可以達到0.1℃測量精度.)超低溫漂移高精度運算放大器0P07將溫度一電壓信號進行放大,便于A／D進行轉換,以提高溫度采集電路的可靠性。
（4）電控制執行電路的設計
該系統的執行元件為可控硅，可控硅可以線性調節實現對水溫的控制。單片機輸出與電爐功率分別屬于弱電與強電部分,需要進行隔離處理,這里采用光耦元TLP521 在控制部分進行光電隔離,此外采用變壓器隔離實現弱強電的電源隔離。
單片機通過PWM 輸出來控制可控硅的通斷，從而控制可控硅上的交流通路達到控
制電爐功率的目的。
(5) 鍵盤及顯示的設計
根據設計要求，本系統設置了5個按鍵，按鍵AN1,AN2,AN3,AN4, AN5的功能定義如表1所示。鍵盤采用軟件查詢和外部中斷相結合的方法來設計,低電平有效。
按鍵AN3與P3.2相連,采用外部中斷方式,并且優先級定為最高;按鍵AN5和AN4分別與P1.7和P1.6相連,采用軟件查詢的方式;AN1則為硬件復位鍵,與R、C構成復位電路。
顯示采用3位共陽LED靜態顯示方式,顯示內容有溫度值的十位、個位及小數點后一位,這樣可以只用P3.0(RXD)口來輸出顯示數據,從而節省了單片機端口資源,在P1.4 口和P3.1(TXD)的控制下通過74LS164來實現3位靜態顯示。數字電路硬件部分見圖2。
2.系統軟件設計
系統的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實現模塊和運算控制模塊。
（1）主程序模塊
在主程序中首先給定PID算法的參數值,然后通過循環顯示當前溫度,并且設定鍵
盤外部中斷為最高優先級,以便能實時響應鍵盤處理;軟件設定定時器T0為1秒定時,在無鍵盤響應時每隔1秒響應一次,以用來采集經過A／D轉換的溫度信號;設定定時器T1為嵌套在T0之中的定時中斷,初值由PID算法子程序提供。
（2）功能實現模塊
以用來執行對可控硅及電爐的控制。功能實現模塊主要由A／D轉換子程序、中斷處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序等部分組成。
（3）運算控制模塊
運算控制模塊涉及標度轉換、PID算法、以及該算法調用到的乘法子程序等。
五、預期目標
完成電熱鍋爐溫度控制器的硬件電路設計和軟件設計，最后完成電熱鍋爐溫度控制器的整機調試，制作的實物實現如下設計功能：
測量精度小于±5%,控制精度小于±8%,超調整量小于±10%；
鍋爐可以升溫也可以降溫；
實時顯示當前溫度值，三位數碼管顯示，包含一位小數；
具有越限報警功能；
采用PID控制算法。
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