基于pid算法的锅炉恒温控制系统毕业设计论文(编辑修改稿)

基于pid算法的锅炉恒温控制系统毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

精密稳压源将 5V的电压生成 的稳定电压，经过 R5， R6，R8 这些电阻值较大的电阻后能形成一个较小的电流，大约在毫安级的范围内，通过加入C3， C4， C7 三个电容将此时的电流信号进行滤波，得出一个稳定的电流信号传入到放大器中，将这个得到的电流信号进行放大最后输出。 图 温度检测信号处理电路 其中 PT100 温度传感器 ，它的 电阻 阻值 能够 随 着温度的变化而改变 ，大约是一个线性的关系。 PT100 中的 100 表示 当 它在 0 摄氏度 时 其 阻值 即 为 100 欧姆。 而本次课题的温度区间在 0℃ ~100℃ ,其线性结构图如图 所示。 金陵科技学院学士学位论文 第 3 章 硬件电路设计 6 图 PT100铂电阻 R/T曲线 其原理是：当温度传感器 PT100 在 0 摄氏度的时候其阻值为 100 欧姆，它的阻值会随着温度的提高而匀速的提升。 R/T 曲线和相应的分度表如 表 所示。 表 PT100R/T曲线 和相应的分度表 本次的课程设计的温度区间在 0 摄氏度到 100 摄氏度， PT100 的温度跟阻值的关系在该区间的公式为： 1 0 0 * ( 1 3 . 9 0 8 0 2 * 1 0 3 * 0 . 5 8 0 2 * 1 0 6 * * )R T T T     在本次的课题中 PT100 温度的显示采用的是先算出上面的电压 ,而电压的值可已通过AD 输出得到 ， 通过这个电压值 除以其中的电流能得 到 一个电阻， 再 根据这个电阻值通过上面的公式算出此时对应的温度。 即温度对应电阻，电阻对应电压，电压对应 ADC 的值，金陵科技学院学士学位论文 第 3 章 硬件电路设计 7 只要反过来推导就能够最终算出当前温度的值。 单片机控制电路 单片机，全称单片微型 计算机 ，又称微 控制器 ， 它 是把 中央处理器 (CPU)、存储器、各种输入输出接口等都集成在一块 集成电路 芯 片上的 一个 微型计算机。 与普通的计算机相比较，单片机只缺少 I/O 设备，但是 它 更加 强调自供应 能力 和节约成本。 它的最大优点 就是体积小，可 以 放在仪表内部，但 是由于其 存储量小，输入输出接口简单， 所以它的 功能较低。 尽管如此单片机还是被人们广泛应用。 本次设计的单片机模块的电路图如图 所示。 图 单片机模块 STC12C5A60S2 单片机是在普通 51 单片机的基础上进一步开 发的一种新型单片机，具有运行高速、低功耗、超强抗干扰等特点，它的指令代码不但能够完全兼容传统的 51单片机 ,而且其的空间容量也是非常的大，同时它的运行速度相比传统的 51 单片机，比传统的 51 单片机快了将近 812 倍。 内部专门集成有 MAX810 专用的复位电路 , 8 路高速 10位 A/D 转换 ,针对电机的控制，抗干扰能力极强。 所以现在的 STC12C5A60S2 已经取代了传统的 51 单片机，在社会生活中被广泛应用。 (1) 主要性能特点 增强型的 51 中央处理器（ CPU） ， 能够 完全 的 兼容传统的 51 单片机和其存储的空金陵科技学院学士学位论文 第 3 章 硬件电路设计 8 间也是非 常的大。 .片上集成有 1280 字节 RAM。 工作频率范围在 0~ 35MHz 内。 通用 I/O 口 ； 有 EEPROM 功能。 看门狗。 内部集成 MAX810 专用复位电路 共 4 个 16 位定时器 2 个时钟输出口 外部中断 I/O 口 7 路 1有 10 个 A/D 转换端口。 1有双串口 (2) 管脚说明 STC12C5A60S2 单片机中包含有 CPU、程序 /数据储存器、定时器、计数器、 I/O 接口、A/D 转换器等元器件，下面对其引脚进行说明。 VCC：供电电压。 GND：接地。 ~ 效果相同，既可以作为输入也可以作为输出，既可用作数据总线也可以用作地址总线。 当这 8 个端口作为输出或是输入时，由于其是准双向口，内部有弱上拉电阻，所以不需要再外面再接一个电阻，可以直接使用。 当这 8 个端口作为地址或是数据总线使用时，其地址线是低 8 位的 A0~A7，数据线是 D0~D7； 口：可用作 I/O 口，也可用作时间输出，当使用 ADC 时，其输入的通道为 0； 口：当使用 ADC 时，其输入通道为 1； 口：可当做 I/O 口使用，同时也可以作为数据的接受端，使用 ADC 的输入为 2； 口： 主要用作外部信号的捕捉，脉宽 /冲的输出，同时是数据串口的发送端。 ADC的输入通道为 3； 口： ADC 的输入通道为 4； 口：只可作为主器件的输入或是用作从器件的输出，其 ADC 的输入通道为 5； 口：与 口相反，只可用作主器件的输出或是从器件的输入，其 ADC 的输入通道为 6； ~ 口：与 ~ 相比较，内部都有上拉电阻，都可用作输入或是输出口使用。 不同的是 ~ 在使用地址总线时时低 8 位，而 ~ 为高 8 位。 金陵科技学院学士学位论文 第 3 章 硬件电路设计 9 图 STC12C5A60S2管脚图 口： I/O 口，串行口 1 数据的接收端； 口：外部中断接入 0； 口：外部中断接入 1； 口：定时 /计数器外部输入 0 A/D 转换模块 A/D 转换的过程就是将模拟信号转化成数字信号的过程。 在整个 A/D 转换 的过程中包括采样、保持、 量化和编码 这几个过程。 在本次课题的过程中需要将通过温度传感器PT100 所获得的 0~5V 电压模拟信号转换成数字信号电压模拟信号输入给 IN0 通道，在转换完成后，然后输送给单片机的 P0 口，让单片机处理所获得的数字信号。 如图 所示，单片机 1 号口就是接受从 PT100 直接传输过来的电压模拟信号，其经过 ADC 转换后能够获得一个数字的信号最终传给 P0 口。 图 AD转换电路图 A/D 转换的过程就是整流的过程，就是把模拟信号转换成为数字信号。 A/D 转换分为积分型、逐次比较型、并 /串型比较型等。 模拟信号可以 是电压信号，也可以是电流信号，也可以是压力信号等等。 经过 A/D 转换后输出的数字信号有 8 位的， 10 位的， 12 位的，14 位的或是 16 位的。 它的工作原理主要有逐次逼近法、双积分法、电压频率转换法。 在本次的课题中 A/D 转换输出的信号是 10 位的信号。 金陵科技学院学士学位论文 第 3 章 硬件电路设计 10 功率模块电路 本次设计的温度控制的方法采用的是通断控制的方式。 就是通过改变一个周期内加热器的导通跟关闭从而来实现对温度的控制的效果。 本次的系统中的控制电路中，控制的硬件主要是由双向可控硅输出型观点耦合器 MOC3014 和双向可控硅 BTA41 组成。 如图 所示。 当 单片机的 口输出 0 时（即 con 端输入为低电平），由于二极管正极有一个5V 的电压输入，高于负极，此时二极管导通，即 MOC3014 的 1 到 2 能形成一个回路产生电流，进而输出端的双向可控硅导通，从而能够触发外部的双向可控硅 BTA41 的导通，达到是整个电路通路，能够对锅炉产生功率；反之，当单片机的 口输出高电平， 关断， BTA41 也关断，加热器也关断，从而达到功率的控制效果。 图 功率控制输出电路 光电耦合器 又称 光电隔离器，简称光耦。 它是通过光为媒介传输信号，所以其传输的时间快，距离 远，信号完整度高。 本次课题需要的是能够实时的控制水温即能够实时的控制功率，所以对输入跟输出信号的隔离效果要好，而光耦正好能满足这个要求。 光耦合器即可以完成光的发射跟接受，最最主要的是若在光的传输过程中遇到的介质不易光的传输，但是他自带信号放大器能够最大程度上减小误差，保证实验的结果。 其工作原理就是当一个 电信号 输入后，此时光耦能够 驱动 一个 发光二极管， 在光耦内有一个光探测器，当接受到发光二极管发来的光线后，该 光探测器接 能够产生一个 光电流，再经过 光耦的 进一步放大 减小误差，在经过放大后的电流信号直接 输出。 这就完成了 一个 电 — 光 — 电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。 双向 可控硅 是在普通 的 可控硅的基础上发展 过来 的，它 是由 两只反极性并联的可控硅组成 ， 在这两个可控硅中只要加一个触发电路，就可以实现控制 ， 比较的适合用在交流控制的电路中。 而在本次的课题中双向可控硅配合光电耦合器能很好的控制功率的输入跟输出。 在本次课题的过程中由于单片机的电压输入为 5V，而为了使做出的实物显得简洁一些，于是采用 了一个直流降压电路连接在 220V 的电压上，与锅炉共用一个电压。 将 220V 的交流电要变成 5V的直流电，先是要对 220V 的交流电进行变压，变压得到的打压仍然是交流电，将此时的交流电经过整流电路后变成直流电。 如图 ，而外金陵科技学院学士学位论文 第 3 章 硬件电路设计 11 接一个电容的效果是为了起到滤波的作用。 图 直流降压电路 按键处理 本次课题的按键一共 3 个按键，其对应的单片机口分别对应 口， 口， 口，电路图如图。 KEY1 是自整定按键， KEY2 是给定温度的升高， KEY3 是给定温度的降低。 其中在按键的过程 中若是但按一下 KEY2 或是 KEY3 键，则温度的提升或是降低的单位为 摄氏度，若是长按 KEY2 或是 KEY3 键，则温度的提升或是降低的单位为 1摄氏度。 图 按键模块电路图 显示模块电路 本次课题的显示模块采用的是 LCD12864 的微型液晶屏。 12864 代表水平位置显示 128个点，竖直位置显示 64 个点。 通过对 芯片 写入数据，从而控制点的亮灭，进而能够显示字符、数字、汉字或者自定义 的图形。 本次的设计过程中的 LCD 模块的 8到 2 口分别对应单片机的 到 口，电路图如图。 用于作于本次课题中的温度实时显示。 金陵科技学院学士学位论文 第 3 章 硬件电路设计 12 图 图 在本次的课题中当中在启动电源是 LCD 显示屏显示水的当前的温度，默认的 PID 的三个参数和默认的给定温度，如图 所示。 金陵科技学院学士学位论文 第 4 章 PID 算法控制设计 13 4 PID 算法控制设计 PID 算法控制简介 PID（ Proportional Integral Differential）控制是比例、积分、微分控制的英文简写。 PID 控制在日常生 活生产中都有广泛的应用。 PID 控制器的基本原理：依照系统的设定值与被调量实测值的误差，然后根据误差的比例、积分、微分三个环节的各种各样的组合来算出被控对象的控制量。 图 是通常的PID 控制系统的原理图。 图 普通 PID 控制系统的原理图。 如上图所示，图中的虚线框内的内容整体是 PID控制器，它的输入是被调量实测值 )(ty与设定值 )(tr 组成的控制偏差信号 )(te : )(te = )(tr )(ty (式 1) 它的输出是比例、积分、微分的线性组合对于这偏差信号来说，也就是 PID的公式： ])()(1)([)( 0  t DIP dt tdeTdtteTteKtu (式 2) 按照控制要求的不同以及被控对象动态特性的不一样，公式 (2)中还能改成其他的调节，比如： PI 调节和 PD 调节。 接下来要介绍的是 PID 的基本原理和参数整定等一系列的问题。 PID 的基本原理和参数整定 1． PID 控制规律的特点 （ 1）比例控制器 比例控制器是最简单的控制器，它的控制规律公式如下 0)()( uteKtu P  (式 3) 金陵科技学院学士学位论文 第 4。