单片机锅炉温度水位控制系统设计
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摘要：在冶金、化工、机械等各类工业控制中，加热炉都得到了广泛应用。它具有环保、高效、体积小等优点。因此对加热炉控制系统的研究就显得十分有必要。本文介绍了以AT89S51单片机为核心的温度和液位控制系统的工作原理和设计方法。温度信号由温度芯片DS18B20采集，以数字信号的形式传送给单片机；水位信号由电接点水位计采集，以开关量形式传送给单片机。文中介绍了该控制系统的硬件部分，包括：温度检测电路、温度控制电路、水位检测电路，水位控制电路和其他一些单片机接口电路。文中还介绍了软件设计部分，在这里采用模块化结构编程。软件主要分三个部分：主程序、键盘中断及按键处理程序、T0中断程序。其他的一些子程序包括：温度信号处理程序、数码管显示程序、PID处理程序等。最后利用MATLAB和加热炉的近似数学模型，对温度控制进行了仿真。
关键词：加热炉；AT89S51单片机；DS18B20温度芯片；温度控制；水位控制；PID控制
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The design of temperature and water-level control system of electric boiler
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Abstract：Electric water boiler has been widely used in every kinds of industrial control，such as metallurgy, chemical industry, machinery etc.. It is environmentally friendly, efficient, small size and so on. So it is very necessary to study the control system of electric water boiler. This paper introduces the working principle and design method of the temperature and liquid level control system which is based on AT89S51 MCU. Temperature signal collected by DS18B20 temperature chip is transmitted to the MCU in the form digital signal. The water signal collected by electric contact sensor, is transmitted to the MCU in switch forms. In this paper, the control system hardware part includes temperature sensing circuit, temperature control circuit, the water level detection circuit, the water level control circuit and other microcontroller interface circuit. The paper also introduces the software part, which uses the modular structure in programming. Software part is divided into three main parts: the main program, the keyboard interrupt and key processes program, To interrupt program. Some other subroutines include: temperature signal processing, digital control program, PID process procedures. Finally, with MATLAB and the approximate mathematical model of electric boilers, the temperature control system is simulated.
Keywords: Electric Water Boiler, AT89S51 MCU, DS18B20 Temperature Chip, Temperature Control, Water-level Control, PID Control.
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1 绪论
1.1 加热炉的应用背景及其控制理论的发展
根据国内实际情况和环保上的考虑和要求，燃煤加热炉由于污染并且效率不高，已经逐渐被淘汰；燃油和燃气加热炉也存在着燃料供应部方便和安全性等问题。因此在人口密集的居民区、旅馆、医院和学校，电加热加热炉完全能替代燃煤、燃油、燃气加热炉。
电加热加热炉采用全新加热方式，无污染，完全可以称为绿色环保加热炉。电加热加热炉具有许多优点，使其比其他形式的加热炉更具吸引力，其具体优点如下[1]：
（1） 无污染。由于采用电加热方式，电能直接转换为热能，不需要采用燃烧的方式将化学能转换为热能，因此就不会排放出有害气体及飞灰，不会产生灰渣，完全符合环保方面的要求，更适合安放在人口密集的生活区和办公区。
（2） 能量转化效率高。电加热加热炉采用加热元件直接与水接触，加热时转换效率很高，能量转化率也很高，一般可达到95%，而最新最好的加热炉更是能达到98%以上。
（3） 加热炉本体结构简单，安全性好。电加热加热炉本体结构非常简单，不需要布置管路，没有燃烧室，没有烟道，故而不会出现燃煤、燃气、燃油加热炉存在的爆炸和泄漏的危险。
（4） 体积小，重量轻，占地面积小。由于本体结构简单，使得加热炉体积可以做的很小，简单的结构更加便于布置，占地面积也就减小。
（5） 加热炉启动、停止速度快，运行负荷调节范围大，调节速度快，操作简单。由于加入元件工作由外部电气开关控制，所以加热炉启停速度快，通过控制各加热元件的开关，可以在很大范围内调节运行负荷，调节操作迅速、简单。与燃煤、燃油、燃气加热炉相比，操作运行更加方便、简单。
（6） 可采用计算机监控，完全实现自动化。加热炉的温度和水位的控制都能通过计算机完成，使加热炉的运行完全实现自动化，最大程度的将计算机技术应用于传统的加热炉行业。
根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行控制（简称PID控制），是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律[2]。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
由于电加热加热炉是一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象[3]，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到很好的控制效果。而这正符合PID控制使用的条件，因而PID控制被广泛用于加热炉的控制中，用来取代传统的控制方法[6]，并获得良好的控制效果。
1.2 本文的设计指标
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本设计要求设计一个以单片机为核心的温度闭环控制系统以及水位控制系统，具体的技术指标如下：
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a. 恒温温度控制在0-100℃之间，连续可调，误差在±1℃之内；
b. LED实时显示系统温度，用键盘输入设定的温度；
c. 水位控制保持在50cm左右，过高或过低时报警提示。
本文需要完成以下工作：详细分析课题任务，设计电源电路，键盘电路，单片机系统，显示电路，执行器电路，报警电路等系统。然后根据课题任务的要求设计出实现控制任务的硬件原理图和软件，并进行仿真调试。