锅炉水温自动监测系统的设计毕业设计论文(编辑修改稿)

锅炉水温自动监测系统的设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

汽机的控制，特别是近几年得到了飞速的发展。 模糊控制是模糊数学和控制理论相结合的产物，它采用了人的思维具有模糊性的特点，通过使用模糊数学中的隶属度函数、模糊关系、模糊推理等工具，得到的控制表格进行控制。 模糊控制在实践应用中，具有许多传统控制无法比拟的优点 ： （ 1） 使用语言规则，不需要掌握过程的精确数学模型。 因为对于复杂的生产过程很难得到过程的精确数学模型，而语言方法却是一种很方便的近似。 （ 2） 对于具有一定操作经验，但非控制专业的工作者，模糊控制方法易于掌握。 （ 3） 操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系，这些模糊条件语言很容易加入到过程的控制环节。 智能控制是一类无需人的干预就能够针对控制对象的状态自动地调节控制规律以实现控制目标的控制策略。 它避开了建立精确的数学模型和用常规控制理论进行定量计算与分析的困难性。 它实质上是一种无模型控制方案，即在不需要知道被控对象精确数学模型的情况下，通过自身的调节作用，使实际响应曲线逼近理想响应曲线。 一般来讲，智能控制具有以下一 些特点 ： （ 1） 学习能力 智能控制可以对一个过程或其环境的未知特性所固有的信息进行学习，并将得到的经验用于进一步估计、分类、决策或控制，这有利于对未知对象进行认知和辨识并进一步改善控制系统的控制性能。 （ 2） 组织综合能力 对复杂的任务和分散的传感器信息，具有处理、组织、协调和综合决策能力，并在进行过程中表现出类似于人的主动性和灵活性。 （ 3） 适应能力 由于智能控制不依赖于对象模型，智能行为表现为从系统输入到输 4 出的映射关系，即使输入时系统从未有过的例子，系统通过插补、归类等方法，也能给出适当的输出。 如果系统中 某部分出现故障，仍能正常工作，并给出警告信号，甚至自行修复。 （ 4） 优化能力 智能控制具有在线特征辨识、特征记忆和拟人等特点，故在整个控制过程中，计算机能够在线获得信息、实时处理并给出控制决策，通过不断优化参数和寻找控制器最佳结构形式，来获得整体的最优控制性能。 因此就目前而言，智能控制是解决传统过程控制局限性问题和提高控制质量的一个重要途径。 在各种仪表高速发展的今天，控制装置己经不是主要问题，影响被控对象性能指标的主要因素取决于控制器本身，控制器本身的智能化设计将直接影响产品的质量和生产率。 本 文的主要研究内容 本 文 的具体研究内容如下 ： （ 1） 结合电锅炉水温上升过程的特点，对被控对象进行理论分析，建立被控系统的数学模型，提出适合于锅炉水温过程控制的纯 PID 控制、加入 Smith 预估器的 PID 控制、模糊控制、参数自整定模糊 PID 控制方法。 并对控制算法的实现、控制器的设计和参数调整进行深入研究。 （ 2） 运用 MATLAB 软件的 simulink 开发环境和模糊逻辑工具箱对上述几种方法进行建模仿真，并对控制性能指标进行分析，确定出符合控制系统输出响应速度快、超调量小和稳定误差小的控制算法。 （ 3） 结合电锅炉供暖 系统对控制器的要求，设计一个智能温度控制器，包括 ： 总体方案设计、硬件电路设计和部分软件设计。 实现温度的采集与控制、超限报警等功能。 5 2 系统总体 设计 方案 系统框图 本系统主要有水位检测、温度检测、按键控制、水温控制、水位控制、循环控制、显示部分、故障报警等几部分组成来实现供暖控制，系统框图如图 21 所示。 系统具体实现方案 本系统采用单片机模块化来完成程序设计使程序易于编写、调试和修改；便于分工，从而可同时调试多个程序；程序可读性好；程序可进行局部修改，其他部分保持不变。 这里采用 51 系列单片机 AT89C51 控制锅炉供暖，系统采用手动和自动两种。 主要是单片机自动控制，设置有手动 /自动切换。 包括温度控制、补水泵控制、循环泵控制、故障报警。 在温度控制部分，用数字温度传感器的值送入单片机与单片机内部设定值进行比较。 在当温度低于给定温度 1 时，蒸汽阀打开给水加热；当温度低于给定温度 2 时，系统报警。 在补水部分，用水位传感器来检测水位，当锅炉汽包水位低于规定的最低水位时系统发出报警，指示灯亮，继电器线圈得电，电磁阀打开，水泵开始注水；炉内的水位到达或超过规定的最高水位时系统发出报警，指示灯亮，线圈失电，电磁阀闭合，停止注水。 故障报警部分，当发生故障时指示灯亮，报警零响。 在循环控制部分当水温值在设定值内，则开启循环泵。 当循环泵 1 出现故障时，报警系统报警，单片机接收到信号，备用的循环泵 2 开始代替循环泵 1 工作。 在故障报警部分，当温度控制部分、补水泵 部分、循环泵部分出现故障时，报警系统报警。 而且报警系统设置的是声光报警，使维修人员容易区分哪部分出现了问题，以便及时维修。 单片机控制系统的流程图 单片机控制系统模拟量处理子程序，温度控制部分子程序，循环系统控制子程序， 单 片 机 控 制 中 心 按键调节部分 温度检测部分 水位检测部分 故障报警部分 温度控制部分 补水控制部分 循环控制部分 显示部分 图 21 系统框图 6 补水泵选择子程序，故障诊断与报警处理。 它的流程图如图 22 所示。 图 22 控制 流程图 状态及 PID 初始化 模拟量处理子程序 温度控制部分子程序 循环系统控制子程序 补水泵选择子程序 故障诊断与报警处理 开始 7 3 系统硬件设计 本系统从经济性，电路结构，系统性能等多方面考虑。 选用如下元器件，数字温度传感器 DS18B20，单片机 AT89C51，数码管显示，变频器，光敏三极管 3DU。 单片机的配置 本系统选用 ATMEL89C51 系列单片机， 由于它的模块化设计为适应具体的应用提供了极大的灵活性，便于扩展功能，有效的提高了系统的经济性。 AT89C51 是一种低工耗、高性能的片内含有 4KB 快闪可编程 /擦除只读存储器的八位 CMOS 微控制器，使用高密度、非易失存储编程器对程序存储器重复编程。 AT89C51 具有以下特点： *与 MCS51 微控制器产品系列兼容。 *片内有 4KB 可在线重复编程的快闪擦写存储器。 *32 条可编程 I/O 线。 *程序存储器具有三级加密保护。 *可编程全双工串行通道。 *空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。 *而且与 87C51 系列的引脚也完全兼容。 温度传感器 本系统采用的是美国 DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测度数，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 912 位的数字值读数方式。 读出温度流程图如图 31 所示。 发 DS18B20 复位命令 发跳过 ROM 命令 发读取温度命令 读取操作， CRC 校验 9 字节完。 CRC 校验正确。 移入温度暂存器 结束 N N Y Y 图 31 读温度子程序 8 DS18B20 的性能特点： *独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通信； *多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能； *无须外部器件； *可通过数据线供电，电压范围为 ； *零待机功耗； *温度以 9 或 12 位数字量读出； *用户还可定义的非易失性温度报警设置； *报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件。 DSl8B20 的引脚如图 32 所示。 此外 DSl8B20 数字温度计提供 9 位 （ 二进制 ） 温度读数，指示器件的温度。 信息经过单线接口送入 DSl8B20 或从 DSl8B20 送出，因此从主机 CPU 到 DSl8B20 仅需一条线 （ 和地线 ）。 DSl8B20 的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。 因为每一个 DSl8B20 在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DSl8B20 可以存放在同一条单线总线上。 这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。 DSl8B20 的测量范围从 55 摄氏度到 +125 摄氏度，增量值为 摄氏度，可在 ls（ 典型值 ） 内把温度变换成数字。 每一个 DSl8B20 包括一个唯一的 64 位长的序号，该序号值存放在 DSl8B20 内部的 ROM（ 只读存 贮器 ） 中。 开始 8 位是产品类型编 （ DSl8B20 编码均为 10H）。 接着的 48 位是每个器件唯一的序号。 最后 8 位是前面 56 位的 CRC（ 循环冗余校验 ） 码。 DSl8B20 中还有用于存储测得的温度值的两个 8 位存贮器 RAM，编号为 0 号和 1 号。 1 号存贮器存放温度值的符号，如果温度为负 （ 摄氏度 ） ，则 1 号存贮器 8 位全为 1，否则全为 0。 0 号存贮器用于存放温度值的补码， LSB（ 最低位 ） 的 1 表示 摄氏度。 将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以 2 就得到被测温度值 （ 55 摄氏度 125 摄氏度 ）。 每只 D518B20 都可以设置成两种供电方式，即数据总线供电方式和外部供电方式。 采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但完成温度测量的时间较长，采取外部供电方式则多用一根导线，但测量速度较快。 DS18B20 的使用方法 ： 由于 DS18B20 采用的是 1－ Wire 总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对 AT89S51 单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对 DS18B20 芯片的访图 32 DS18B20 引角图 9 问。 由于 DS18B20 是在一根 I/O 线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。 DS18B20 有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。 该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。 所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。 而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。 数据和命令的传输都是低位在先。 （ 1） DS18B20 的复位时序。 图 33 DS18B20 单线数字温度传感器复位时序图 （ 2） DS18B20 的读时序。 对于 DS18B20 的读时序分为读 0 时序和读 1 时序两个过程。 对于 DS18B20 的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在 15 秒之内就得释放单总线，以让 DS18B20 把数据传输到单总线上。 DS18B20 在完成一个读时序过程，至少需要 60us才能完成。 图 34 DS18B20 单线数字温度传感器读时序图 （ 3） DS18B20 的写时序。 对于 DS18B20 的写时序仍然分为写 0 时序和写 1 时序两个过程。 对于 DS18B20 写 0 时序和写 1 时序的要求不同，当要写 0 时序时，单总线要被拉低至少 60us，保证 DS18B20 能够在 15us 到 45us 之间能够正确地采样 IO 总线上的“0”电平，当要写 1 时序时，单总线被拉低之后，在 15us 之内就得释放单总线。 图 35 DS18B20 单线数字温度传感器 写 时序图 10 显示部分 在单片机系统中，通常用 LED 数码显示模块来显示各种数字或符号。 由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长的特点，因此使用非常广泛。 使用 LCD1602 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。 表 31 LCD1602 液晶显示屏主要技术参数 显示容量 162个字符 芯片工作电压 4.5～5.5V 工作电流 2.0mA（5.0V） 模块最佳工作电压 5.0V 字符2. 11 尺寸 954.35（WXH）mm 表 32 LCD1602 液晶显示屏引脚说明 编号 符号 引脚说明 编号 符号 Data I/O 1 Vss 电源地 9 D2 Data I/O 2 Vdd 电源正极 10 D3 Data I/O 3 VL。