本 科 毕 业 设 计
1 引言 第 1 页 共 37 页
随着工业技术的不断发展，温度控制在国民经济和生活中的作用显著提升。在工业生产的过程当中，有很多极为重要的被控参数，温度即是其中最重要的参数之一，在众多的工业生产中，所需温度的控制效果直接影响到锅炉以及工作人员的安全，还直接的影响到工艺生产产品的质量。在不同的生产过程当中，由于所需温度的不同、控制所需的精度也不同，则采用的测控元器件元件、温度控制方法也将有所不同，随着科学技术的不断地发展，温度控制系统技术得到了巨大的发展，自动控制技术越来越显示出其优越性。
当今社会中伴随着集成电路技术的不断的发展，单片机的种类不断地增多，功能也不断的增强，涌现除了大量的高性能的单片机。单片机在工业生产中自动化和测控领域中的应用不断增加，因为单片机有许多显著的优点，如今的单片机不仅功能强大，而且体积越来越小，开发周期也越来越短，在各行各业在温度控制系统中起到无法替代的核心作用的就是各种各样的单片机。在工业生产中很多地方温度控制系统中都运用到了电阻加热的原理，例如钢铁厂用于融化金属的电阻炉、电热锅炉等。鉴于温度控制在各行各业的生产过程中的重要性，以及单片机技术的不断发展和众多的优越性。根据以上这些思想本文设计一种工业锅炉的温度控制系统，这种锅炉温度控制系统系统在当今工业生产过程中具有非常重要的意义。
1．1 论文研究的背景和意义
锅炉是一种重要的能量转换设备, 随着工业的不断发展，锅炉在各行各业当中的应用也显著增加，锅炉在运行时可以将电能、化学能等能量形式转化成有热量的蒸汽、高温液体等, 通过复杂的物理化学变化以及一系列能量的传输过程实现锅炉的正常运转。在实际的生产过程当中温度控制系统的运行具有很大的难度，究其原因就是因为温度控制系统是一个具有多变、时变以及非线性变化的复杂系统, 因此在实际的生产过程中选择适合的温度控制锅炉的方法很重要, 当通过温度控制系统能够是锅炉稳定运行时，不仅仅对锅炉的稳定性有极大的提高，而且也极大地提高了工作人员的安全性，具有十分重大的意义。锅炉运行温度的控制直接关系到锅炉的生产效率、性能指标, 同时锅炉以及工作人的安全性产生了巨大的影响。过高或过低的工业锅炉温度, 不仅仅对锅炉和工
作人员安全性造成影响，还对锅炉的稳定性造成影响，压力不符合标准, 导致系统不稳定甚至锅炉的损坏和事故的发生，此外，还会影响到生产产品的质量。虽然锅炉的温度控制系统有了很大的进步，但是时至今日仍然存在许多的难题，由于实际生产过程当中的锅炉温度控制系统中存在时变性, 多变量, 大滞后, 非线性等特点, 参数具有不确定性和时变性, 在现实生活中很难建立起精确的数学模型, 而能够精确的控制锅炉温度对锅炉的稳定性, 安全性以及节能环保具有相当重要的意义。
锅炉发展的历史久远, 应用十分广泛, 发展至今种类繁多, 广泛应用于社会生活当中各个工业生产以及生活的各个领域, 由于我国工业发展滞后于发达国家，虽然锅炉温度控制系统的研究在我国起步很晚，但是发展迅猛, 并且部分产品的技术性能已经达到国际相近水平, 尽管如此, 国内大部分的锅炉的温度控制系统的成熟度不够高，大部分的锅炉温度控制系统还停留在比较落后的阶段，自动化程度较低, 只能通过手动控制来改变仪器仪表，只有部分产品采用先进的控制系统, 锅炉的效益基本都不高, 要想达到国外县先进水平，国内的研究水平还要加大力度。因此, 为了提高国内锅炉温度控制系统的信息化、自动化以及节能减排，加强对锅炉温度控制系统的研究具有十分重要的意义。
1．2 锅炉温度控制技术的发展状况
随着科技的不断发展，国内各行业不断兴起，国内各行各业在锅炉温度控制技术方面需求越来越大, 温度控制系统的应用的领域日渐增多，但国内总体发展水平仍然低于西方工业生产技术发达的先进国家。目前, 我国还十分的落后于发达国家，在这方面总体技术水平处于相对来说很落后的时代, 在国内的温度控制系统技术相对成熟产品主要常规的PID 控制器和以“点位”控制为主。国内的这些产品在控制比较复杂的大规模温度系统控制有很大的困难，只能适应与一般温度系统控制。对于那些能够用于较高场合的智能化自动控制器以及自动控制仪表来看，国内的技术还明显的低于发达国家，然而在国外已经有了许多成熟的产品，能够自定义各个参数，并形成了商业化的仪表。由于国内对于锅炉温度控制系统技术的滞后，经常需要工作人员根据实际经验去设定参数，根据目前国内的温度控制方面的技术来看还不能开发出技术相对完善可靠的自整定软件。
随着科学技术的不断的发展, 国外的技术也在不断地提高，美国、德国等发达国家在温度控制系统方面都取得了十分显著的成果，这些巨大的成果主要体现在控制系统的智能化、自动化、参数自整定等方面，已经生产出了一批高性能、商业化的温度控制系
统, 这些系统被用在实际生产生活中的各个领域。它们主要具有如下的特点:
一、是它们能够应用于各种复杂的工业控制过程当中具有大滞后以及惯性很大的温度控制系统的控制;
二、是它们能够建立一些特殊的温度控制系统，而这些温度控制系统是很难在现实生活当中用来试验的，因为这些系统很难通过数学模型建立。
三、是它们能够适应于一些工业温度控制系统中，这些受控的温度控制系统工作过程参数是不断变化的;
四、是在现代大部分工业生产过程当中所应用的温度控制系统采用了大量的先进科学技术以此来适应与广大的工业生产过程，例如自动控制、自动检测、模糊控制等理论及微机技术, 控制方面采取了先进的算法;
五、是温度控制系统中的仪器仪表具有参数自整定功能。有的还具有自学习功能, 能够根据历史经验及控制对象的变化情况, 可以实时的自动调整相关仪器仪表的控制参数, 以此来达到温度控制系统最合理控制;
六、是它们具有很多突出的特点，这些突出的特点包含了控制精度高、性价比高等。如今的仪器仪表都在向着更高性、更完善能的方向发展。
1．3 本课题研究的主要内容
本设计主要利用单片机技术、采集温度、温度的执行等知识制作一个工业锅炉的温度控制系统。本设计涉及了计算机、电子、通信以及软件学等相关专业的知识，所涉及到的专业知识比较广泛。此次设计中要求可以实时监测并显示当前温度，可以实现温度的升高和降低，当超限后可以实现报警，温度控制设定波动范围小于±5%，测量精度小于±5%，控制精度小于±2%。
a 收集资料，研究并设计出总体方案。
b 根据方案和设计要求完成工业锅炉温度控制系统的模型并确定各部分参数。 c 根据方案和设计要求设计出工业锅炉温度控制系统硬件电路中所包含的各个模块。 d 根据流程图进行程序编写，并对各模块进行编程、调试，再对整体系统进行调试。
2 系统分析及总体设计方案 随着社会的不断进步以及科学技术的不断发展工业生产技术越来越完善。在工业生产过程当中有很多的控制因素，其中温度控制技术对工业锅炉的影响最大。在如今的工业生产过程当中温度控制系统主要作用是使锅炉温度保持在一定范围之内，在保证锅炉设备正常工作情况的同时，提高生产效率。本系统主要主要包含七大板块：AT89S51单片机、温度采集电路、显示电路、键盘输入电路、电源模块、报警电路和温度控制电路组成。在设计中首先通过传感器对周围的环境温度实时监测，根据设计需要达到的指标本设计采用了检测精度很高的AD590传感器，由于采集到的温度信号太低单片机无法直接识别，所以需要放大后在传递给单片机，采集到的温度通过超低温漂移高精度运算放大器OP07将信号进行放大，当采集到的信号放大到足够大，这些将信号传送到12位的AD574A 转换器进行转换，从而实现锅炉温度的自动检测功能, 并且实时显示当前锅炉内准确温度以及越限报警。最终的环节是控制部分，本系统控制部分采用PID 算法, 由于锅炉内的温度是通过调节电阻炉来调节的，只有通过调节双向可控硅的通段时间才可以调节电阻炉的功率，而双向可控硅是通过实时更新PWM 控制参数实现的将采集到的炉内温度和设定值进行比较，通过PID 算法对偏差进行计算以此来实时更新PWM 控制输出参数, 来实时的调整锅炉温度。。
系统设计技术指标：
（1）温度控制设定波动范围小于±5%，测量精度小于±5%，控制精度小于±2%；
（2）能够实时显示当前温度值；
（3）能够实现升温和降温的功能；
（4）按键控制：设置五个主要功能键，包含了运行键、复位键、功能转换键、加一键和减一键；
（5）超过设定温度值或低于设定温度值进行越限报警。
本设计中温度控制系统硬件主要包含以下七大模块：
单片机的最小系统、温度采集电路、显示电路、键盘输入电路、电源模块、报警电路和温度控制电路等。
系统结构图如图：
3 系统硬件设计 本设计的温度控制系统的硬件主要包括以下七大模块：单片机的最小系统、温度采集电路、显示电路、键盘输入电路、电源模块、报警电路和温度控制电路等。
3．1 AT89S51单片机的最小系统
在本设计的工业锅炉的温度控制系统中，根据系统的功能需求与学习过程中所学到的8051单片机的情况，所以选定MCS-51系统中的AT89S51单片机。
单片机AT89S51是MCS-51系列单片机当中最为先进的单片机之一，是一个功率消耗更低、性能更强、体积更小的8位CMOS 单片机，是ATMEL 公司继AT889C5X 系列之后推出的新机型之一。，在时钟频率以及运算速度上有了较大的提高。AT89S51芯片在市场上得价格更加便宜，适合于大批量的应用于各行各业的控制系统中。
以下是对单片机AT89S51功能的简单介绍：
AT89S51单片机具有很多的功能：单片机中含有4k 字节的Flash 程序存储器，如果片内的程序存储容量不够，片外最多可外扩之64KB 。片内具有5个中断源，2级中断优先权。单片机中含有128字节内部RAM ，片外最多可扩至64KB 。每片单片机中都含有4个8位可编程并行I/O口，片内含有两个16位定时/计数器，具有4种工作方式。一个全双工串行通信口，具有4中工作方式。还增加了看门狗定时器（WDT ）。同时，AT89S51共包含了26个特殊功能寄存器，用于CPU 对片内各功能部件进行管理、控制和监事。 引脚功能说明：
Vcc ：电源电压
GND ：接地
P0引脚口：8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL 逻辑门电路，对端口写‘1’可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址(低8位) 和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
P1引脚口：8位准双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL 逻辑门电路。对端口写‘1’，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。 P2引脚口: 8位准双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL 逻辑门电路。对端口写‘1’，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，
(In)。 作输入口使用时，为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流
P3引脚口: P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（In ）。 XTAL1: 振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2: 振荡器反相放大器的输出端。
在AT89S51单片机中P3口不仅仅可以作为一般的I/O口线，它的第二功能也十分的重要。如下表所示：
管脚
P3.0
P3.1
P3.2 P3.3 P3.4
P3.5
P3.6 P3.7
备选功能 RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） INT0（外部中断0） INT1（外部中断1） T0（记时器0外部输入） T1（记时器1外部输入） WR （外部数据存储器写选通） RD （外部数据存储器读选通）
如下图所示为AT89S51单片机的最小系统结图：
图3-1：单片机最小系统
AT89S51单片机的最小系统的功能主要包含四部分，这四部分是显示控制、键盘控制、短路保护控制以及报警控制。如果想要是单片机能够正常运行，必须具备一些硬件条件，而这些硬件条件则构成了单片机的最小系统，主要包括以下四部分：
1、电源
单片机的工作电源是+5V。
2、时钟电路
时钟电路在单片机中具有很大的影响，时钟频率将会直接影响到单片机的运行速度，从而直接影向到单片机系统的稳定性，本设计中AT89S51单片机的时钟电路采用内部时钟方式，通过在XTAL1和XTAL2引脚外接12MHz 的晶振，两个引脚连接电容和晶体构成单片机的振荡器，振荡频率取决于晶体的频率。电路中的C1、C2是补偿电容，通常选择30pF ，电容的大小有频率微调和稳定的作用，也会直接影像到震荡器频率。
3、复位电路
复位功能是单片机能够是单片机正常运行所必须具备的，复位是指将单片机进行初始化的操作，本设计中采用了按键电平复位电路。单片机的按键电平复位电路由电阻和
典型取值为10uF ，R 值为2K 。 电容构成。按键手动电平复位是通过RST 端通过电阻、电容以及电源接通来实现，C 的
当处于高电平时可以实现复位功能。当复位完成后系统会从头开始执行程序。
4、引脚EA 接高电平。
3．2 温度采集电路
本设计中的数据采集电路主要由AD590, 0P07,74LS373,AD574A等四部分组成。由于控制精度要求为2%,由于在实际的温度测量的过程当中会受到一些外界因素的干扰，以及处理数据过程当中产生的一些不可避免的误差，根据系统功能的要求要想保证高精度的控制，温度传感器和AD 转化器的精度应更高。故温度传感器需要能够区分0.1 度; 而对于AD 转换器, 由于测量范围AD 转换器需要区分上百的数字, 因此在转换器的选择上需要选用10位以上的高精度AD 转换器。为此, 选用高精度的12位AD574A 。 AD574A 是一种高性能的A/D转换器，其采用了12位逐次逼进式的运行方式，它同ADC0809一样是常用的A/D转换器。转换时间为25μs ，内部有时钟脉冲源和基准电压源，线性误差大约为±1/2LSB，该转换器具有两种电压输入方式，可以采用单通道单极性也可以采用双极性电压输入的方式，此外，采用28脚双立直插式封装。 AD574A 结构并不复杂，主要结构有以下四部分构成：
一、12位A/D转换器 可以单极性也可以双极性。单极性应用时，BIPOFF 接0V ，双极性时接10V 。量程可以是10V 也可以是20V 。输入信号在10V 范围内变化时，将输入信号接至10V （IN ）；输入信号在20V 范围内变化时，将输入信号接至20V(IN)；所以量化单位相应的就是10V 和20V 。
二、三态输出锁存缓冲器
用于存放12位转换结果D （D=0～2^12-1）。D 的输出方式有两种，引脚12/8=1时（8的上面有一横杠），D 的D(11)~D(0)并行输出；引脚12/8=0时（8的上面有一横杠），D 的高8位与低4位分时输出。
三、逻辑控制
任务包括：启动转换，控制转换过程和控制转换结果D 的输出
四、电源电压
10V 基准电压源
如下图所示为温度转换装置连接图：
图3-2：温度转换装置
为了达到测量高精度的要求, 选用温度传感器AD590,AD590具有较高精度和重复性(重复性优于0．1℃,其良好的非线形可以保证优于0. 1℃ 的测量精度, 利用其重复性较好的特点, 通过非线形补偿, 可以达到0.1℃测量精度.) 超低温漂移高精度运算放大器0P07将温度一电压信号进行放大, 便于A ／D 进行转换, 以提高温度采集电路的可靠性。
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如
1、当AD590温度传感器工作时，流过温度传感器的电流等于传感器所处位置的周围温度。因此，AD590温度传感器可以实时的反应所测范围内的温度
2、AD590温度传感器可以在-55℃～+150℃范围内精确的测量温度。
3、AD590温度传感器所适用的电源电压范围为4V ～30V 。温度传感器电源电压可在4V~6V
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范围内有所变化，当温度传感器电流变化1μA 时，相当于温度传感器周围的温度变化1K 。AD590温度传感器不会因为反接而损坏，因为温度传感器不仅仅可以承受44V 正向电压，还可以承受20V 的反向电压，。 4、AD590温度传感器输出电阻为710M Ω
5、AD590温度传感器是一款监测精度非常高的器件，在传感器中中共分有五个档位，这五个档位分别是I 、J 、K 、L 、M ，在五个档位当中精度最高的是M 档，AD590温度传感器在-55℃～+150℃范围内精确的测量周围的温度，它的非线性误差仅仅为±0.3℃。
如下图所示为AD590和OP07所组成的温度采集部分：
图3-3：温度采集电路 3．3 显示电路
本文设计中根据系统所需功能要求，显示电路模块采用5位共阳LED 静态显示方式, 所谓的静态显示方式是指无论采用多少位LED 数码管，都能够同时显示当前状态，本设计中由于温度控制的精度的要求，采用了五位LED 数码管同时显示，需要显示的内容有温度值的百位、十位、个位及小数点后两位, 这样可以最大程度的节省了单片机端口资源，因为用来作为输出显示数据的端口可以只用到P3.0(RXD)口 ,温度控制系统的显示
如下图为显示电路：
可以在P1.7 口和P3.1(TXD)的共同控制下通过5片74LS164来实现LED 的静态显示。
图3-4：显示电路
3．4 键盘输入模块
本设计中所采用的键盘工作方式为非编码键盘中的独立式键盘控制方法，这样可以是系统更加简化，从而降低了成本、简化了电路。设计中按照功能中的需求设计了AN1,AN2,AN3,AN4, AN5五个功能键，这五个功能键均为低电平有效。按键AN1为硬件复位电路中的复位键, 与R 、C 构成复位电路：按键AN3采用外部中断方式, AN3与P3.2相连, 并且在所有外部中断方式中优先级定为最高; 按键AN5和按键AN4均采用软件查询的方式，分别与P1.4和P1.2相连。
如下图为键盘电路：
图3-5：键盘电路
图中按键AN1,AN2,AN3,AN4, AN5的功能定义如表1所示。
3．5 电源模块
本设计中的电源模块是由220V 交流电源经电测干扰滤波器、电源变压器、整流滤波
器和三端集成稳压器7805，向 AT89S51单片机、报警电路、键盘电路和AD 转换器等提供适合的电源电压。为了能够有效的滤除从交流电网中引入的噪声干扰在此设计中加入了电磁干扰滤波器。以极大的改善了电磁的兼容性。下图是电源模块的电路连接图：
图3-6：电源模块电路图
3．6 报警电路设计
本设计采用扬声器报警电路，它是由压电式蜂鸣器和晶体管组成。晶体管的导通或
截止是通过单片机的P1.5口输出信号来控制的，当晶体管处于导通状态时，扬声器可以得到信号，从而进行报警。在本设计过程中当温度超过或者低于设定值时，则由单片机发出报警信号，通过扬声器进行报警。如图所示报警电路：
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图3-7：报警电路 3．7 温度控制电路
由输出来控制工业锅炉的温度控制系统, 工业锅炉的温度控制系统可以近似的建立
为一阶惯性环节数学模型，而这种一阶惯性环节具有滞后性质。其传递函数形式为：
可控硅可以认为是通过线形环节实现对锅炉温度的精确控制。工业锅炉中电阻炉的功率和单片机的输出分别属于强电和弱电部分, 因此两部分需要进行隔离处理, 本设计中的隔离处理原件采用光耦元件TLP521 在控制部分进行光电隔离, 此外本设计中的电源隔离部分采用变压器隔离实现强电与弱电的隔离。
控制执行部分是通过单片机实时更新PWM 参数来控制双向可控硅的导通时间，从而控制电阻炉的功率，以此来调节锅炉内的实时温度。当单片机PWM 输出电平低电平时, 光耦元件处于导通状态, 从而使三极管形成有效偏置而导通, 通过整流桥的电压经过集电极电阻以及发射集反向偏压, 通过整流桥可以将220V 的交流电压转换成7V 左右的直流电压，当有7V 左右的电压加在双向可控硅控制端时，可控硅控制元件处于导通状态, 此时，包含有1000W 电阻丝的交流通路形成, 电阻炉开始工作; 反之当单片机PWM 输出电平高电平时, 光耦元件不能导通, 从而使三极管不能形成有效偏置而截止, 当三极管不能
含有1000W 电阻丝的交流通路截止, 电阻炉停止工作。
控制执行部分的硬件电路如下图：
形成有效偏执儿截止时可控硅控制端电压几乎为零, 可控硅则处于截止状态，从而使包
图3-8：温度控制电路
4 系统软件设计
本设计系统的软件主要包含三大模块：主程序模块、功能实现模块和运算控制模
块。
4．1 主程序模块
在主程序模块中首先将系统进行初始化，然后再进行PID 算法的参数值的设定, 然
后启动AD574A 通过循环显示当前所采集到的实时温度, 并且设定键盘外部中断为最高优先级, 以便能实时响应键盘处理; 软件设定的定时器T0为5秒定时, 当系统没有任何的操作时T0定时器会每隔5s 进行更新一次, 将A ／D 转换的采集到的温度信号进行处理; 设定定时器T1为嵌套在T0之中的定时中断, 初值由PID 算法子程序提供，根据PID 算法实时更新PWM 控制参数进行锅炉温度的精确控制。在主程序中必须分配好每一部分子程序的起始地址, 形式如下：
ORG 0000H AJMP START ORG 000BH AJMP INTO ORG 001BH AJMP INT1
ORG 00F0H
AJMP
TT1
主流程图如图所示：
4．2 功能实现模块
功能实现模块的功能是用来执行对可控硅及电阻炉的控制。主要功能涵盖了中断处理子程序、转换器的转换子程序、键盘以及显示子程序等部分组成。 4.2.1 T0中断子程序
在本设计中温度控制系统中的包含了多个中断服务程序，这些中断服务程序的主体程序是T0中断服务程序，用于采集锅炉温度、读取锅炉温度、温度超限报警以及PID 计算处理等。在T0中断服务程序中，AT89S51把计算出的PID 值得补码送入TL0，使单片机口为高电平“1”状态和启动T1工作，另一方面是温度标度转换子程序，在显示缓冲当前温度值和转移当前温度值的过程中将会等待T1中断，在中断服务程序的单片机复位到低电位时，就会形成一个控制脉冲，通过控制加在可控硅上的脉冲的个数来调节锅炉内的当前温度值。 4.2.2 T1中断子程序
T0中断之中含有T1定时中断程序, 但是T1中断程序优先级高于T0中断程序, PID算法子程序向T1中断程序提供其定时初值,T1中断响应的时间用于输出可控硅的控制信号。
4.2.3 键盘输入子程序
4.2.3 显示子程序流程图
4．3 运算控制模块
运算控制模块包含标度转换子模块、PID 控制算法以及可控硅触发控制。
4.3.1 标度转换子程序
本设计系统中需要实时的显示当前温度并且将温度值与系统所设定的值进行比较，为了将温度传感器采集到的温度信号(00H~FFH)转换为对应的温度值, 需要运用标度转换子程序。标度转换子程序变换公式为：
温度信号转换为当前温度值;
Am =90; Ao=40; Nm =FEH; No=01H; 式中,Ax ：通过温度传感器测量到的实时的温度值;Nx ：通过AD 转换器将采集到的当前
为了减小误差单片机运算采用定点数运算的方式, 而且在高温以及低温处分别用程序作矫正处理以此来的到更加准确数值。
4.3.2 PID控制算法的实现
本设计中的温度控制算法采用PID 算法，在当今的社会当中PID 控制技术已经达到
了十分成熟的地步，相对较大的时间常数的温度控制系统来说，变化近似于连续变化，所以具有更好更有效的控制方法是数字PID 控制方法。简单的比例调节器最大的优点就是可以很快做出回应，但也有十分明显的缺陷就是不仅仅控制不够精确，而且稳态误差还不能够完全的消除，为了完全的消除稳态误差，系统中加入了积分调节器的调节比例，能够有效的消除稳态误差，但是在消除稳态误差的同时也使系统的响应时间更长，导致系统的反应很慢。为了是系统能够完全的消除稳态误差，同时维持系统的反应速度，特此引入了积分、微分环节组成了比例、积分、微分（PID ）调节器，使系统更加稳定、反应时间更短，从而极大的改善系统的动态性能，改善后的系统控制规律为：
ｕ=Ｋｐ·(ｅ+1Ｔｉ∫10ｅｄｔ+Ｔｄｄｅｄｔ)+ｕ0,(1)
单片机的工作方式是通过采集样本来进行控制的，由于采集到的样本会在时间上有
不同的偏差，只能通过数值的近似算法，而不能通过积分或微分进行准确的计算，因此，仅仅通过单片计算出来的控制变量也会有很大的误差，但是PID 调节可以通过具体的数值计算公式：
ｕ=Ｋｐ[ｅｉ+ＴＴｉ∑ｉｊ=0ｅｊ+ＴｄＴ(ｅｉ-ｅｉ-1)]+ｕ0, (2) 计算出来，如果可以采集到足够小的样本, 所得到的结果也会十分的精确, 连续过程与被控过程将会十分接近。通过上式(2)可以变换得到:
ｕ=ｕｉ-1+ｕｉ=ｕｉ-1+Ｋｐ·[Δｅｉ+Ｉ·ｅｉ+Ｄ·Δ2ｅｉ], (3)
把Δｅｉ=ｅｉ-ｅｉ-1, Δ2ｅｉ=Δｅｉ-Δｉ-1带入上式得:
ｕ=ｕｉ-1+Ｋｐ·[(ｅｉ-ｅｉ-1)+Ｉ·ｅｉ+Ｄ·(ｅｉ-2ｅｉ-1+ｅｉ-2)], (4)
式中ｅｉ=Ｗ-Ｙｉ,W 为设定值, Yi 为第i 次实际输出值,Kp 为比例系数, 微分系数
Ｄ=Ｔｄ/Ｔ, 积分系数I=Ｔ/Ｔi, Ｔ为采样周期, 以(4)式来编程比较方便。 采用PID 控制算法实现锅炉温度控制是一个反馈过程：首先将温度传感采集到的锅
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炉内的实时温度与最初的设定值进行比较从而得到一个偏差，运用PID 算法对偏差信号进行处理，通过实时更新PWM 控制参数的输出，调节双向可控硅的工作时间，从而调节电阻炉的工作效率，进而重新调节锅炉内的温度，以实现对锅炉温度的控制效果，由于电阻炉是一个具有滞后性的一阶线性环节，所以根据实际经验选取KP 和KI ，KD 值。这个程序首先设置用户设定的温度和锅炉的实际温度T 比较，计算偏差EI ，然后分为两种情况计算控制变量：
(1)ei大于等于设定的偏差ｅ时, 由于积分控制器使系统响应速度变慢, 不采用积分控制器调节, 直接使用ＰＤ调节, 获得比较快的动态响应, 计算Ｐｄ和Ｐｐ, 最终得到控制量获得比较快的动态响应。
(2)ｅｉ小于设定的设定的偏差ｅ时, 正常的分别计算Ｐｉ、Ｐｄ和Ｐｐ, 然后根据算法公式计算出控制变量。
PID 控制是单片机温度控制系统中一种最常用的控制算法。PID 在实现其控制功能过程中，把计算机的灵活性以及逻辑判断功能十分合理的结合起来，而不是仅仅把PID 控制规律简单的数字化，极大的改进和完善了PID 控制技术在工业生产领域中的作用，使PID 控制更加有效方便，更加科学。
本系统是对工业锅炉温度控制 ，它是这样一个反馈系统：将锅炉的实际温度和设定值得到偏差，将偏差信号反馈到控制系统，控制系统得到控制信号，再通过PID 算法实时更新PWM 参数调节电阻炉的加热功率，来实现对工业锅炉的温度的精确控制。
下图所示为相应的流程图：
4.3.3 可控硅触发的控制
要实现温度的控制，只有算法程序是远远不够的，必须要对温度执行元件进行精确控制，只有这样PID 控制算法才有可能实现，通过控制可控硅触发信号的时间的长短就可以实现控制温度的加热时间，从而实现对温度的控制。通过计算机的PID 算法可以得到最新的控制参数，给T1定时器赋值，以确定可控硅的控制时间，然后打开定时器T1，当T1中断时间给可控硅输出触发信号，延时保证触发信号的脉冲宽度，完成一个周期的加热控制。
结 论
由于工业锅炉的温度控制系统所具有的时变性、非线性以及滞后性的特点，本文设计了一种基于单片机AT89S51的设计方案，方案中AT89S51单片机并且通过PID 算法实现温度实时控制, 设计中通过高精度的温度传感器、放大器以及A\D转换器组成温度采集电路，实时监测锅炉的温度，将采集到的温度控制信号运用PID 算法更新T1的定时常数, 通过控制参数实时更新PWM 控制参数, 以此来调节双向可控硅的通段时间，来调节电阻炉的功率，从而实现对温度的连续控制。本设计的温度控制系统具有功能全面、性能稳定, 控制精度高等优点, 通过PID 算法是控制精度大大提高; 软件部分采用模块化结构, 提高了通用性。通过本次完成设计方案，我发现在过程中不仅仅是提供一种温度控制控制系统, 而且还学到了单片机硬件电路以及PID 算法所实现的控制算法，此外，还学习到了控制部分的软件编程。通过此次设计方案，学习到了更多的是设计的理念。
致 谢
本文是在导师杨国福副教授的谆谆教诲和悉心指导下完成。杨老师在学术上有着严谨的科研作风，实事求是的治学态度，并能时刻把握最新科技的最前沿，了解科研动态，让我受益匪浅。杨老师生活上平易近人，和蔼可亲，是我生活和学习中的榜样；杨老师渊博的知识、严谨的作风、高尚的人格以及忘我的工作热情，将永远激励我在以后的学习生活中不断进取，奋发向上。在毕业设计的过程中，杨老师给了我最及时有效的指导，使我终于克服困难，顺利完成了毕业设计。在此，谨向我的导师表示我最崇高和最衷心的感谢。此外，十分感谢在我大学生活以及做毕业设计过程中不断给我无私关怀和帮助的同学。
本 科 毕 业 设 计 参考文献 第 27 页 共 37 页 1. 杨国强. 基于模糊自适应控制的锅炉温度控制[J].轻工机械. 2013(02)：51-55. 2. 周天沛, 孙伟. 基于粒子群模糊规则优化的水煤浆气化炉温度控制系统[J].计算机测量与控制. 2013(04)：913-915. 3.Ajay Pratap Singh, Samrat Mukherjee, Michael Nikolaou. Debottlenecking level control for tanks in series[J]. Journal of Process Control, 2014, 24(3). 4.Engin Yesil. Interval type-2 fuzzy PID load frequency controller using Big Bang –Big Crunch optimization[J]. Applied Soft Computing Journal, 2014, 15. 5. 李实. 基于模糊PID 算法的电阻炉温度控制系统设计[J].电脑知识与技术.2011(05):1162-1163.
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附录A ：主要程序设计
ORG 0000H
AJMP START
ORG 000BH
AJMP INT0
ORG 001BH
AJMP INT1
ORG 00F0H
START:
NN:JB P1.0 NN
MOV 2FH,#00H
MOV 30H,#00H
MOV 3BH,#00H
MOV 3CH,#00H
MOV 3DH,#00H
MOV 3EH,#00H
MOV 32H,#05H
MOV 31H,#87H
MOV 37H,#00H
MOV 38H,#29H
MOV 33H,#00H
MOV 34H,#4AH
MOV 35H,#01H
MOV 36H,#99H
MOV TMOD,#56H
MOV TL0，#06H
MOV TH0，#06H
CLR PT0
SETB TR0
SETB ET0
SETB EA
MAIN:
JNB P1.1 MM
AJMP MAIN
NN: $
END
INT0：
PUSH DPL
PUSH DPH
PUSH A
SETB 0D50H
ACALL SAMP
ACALL PID
MOV R3，2FH
MOV R2，30H
ACALL CPL1
MOV A,R2
MOV TL1，A
MOV A,R3
ANL A,#0FH
XOR A,#0F0H
MOV TH1,A
SETB P1.3
SETB PT1
SETB ET1
SETB TR1
LOOP:
JB 0D50H,LOOP
PUSH A
PUSH DPH
PUSH DPL
RETI
INT1：
CLR 0D50H
CLR P1.3
RETI
SAMP:
MOV DPTR,#4000H
MOVX @DPTR,A
MOV R2,#20H
DLY:DJNZ R2，DLY
ZERO:
JB P3.3，ZERO
MOVX A,@DPTR
MOV 2AH,A
INC DPTR
MOVX A,@DPTR
ANL A,#0F0H
SWAP A
MOV 2BH,A
MOV A,2AH
ANL A,#0FH
SWAP A
ORL A,2BH
MOV A,2AH
ANL A,#0F0H
SWAP A
MOV 2AH,A
RET
PID:
MOV R5，31H
MOV R4，32H
MOV R3，2AH
MOV R2，2BH
ACALL CPL1
ACALL DSUM
MOV 39H,R7
MOV 3AH,R6
MOV R5,35H
MOV R4,36H
MOV R0,#4AH
ACALL MULT1
MOV R5，39H
MOV R4，3AH
MOV R3，3DH
MOV R2，3EH
ACALL DSUM
MOV A,R7
MOV R5，A
MOV A,R6
MOV R4，A
MOV R3，3BH
MOV R2，3CH
ACALL CPL1
ACALL DSUM
MOV R5，37H
MOV,R0，#46H
ACALL MUT1
MOV R5，47H
MOV R4，46H
MOV R3，4BH
MOV R2，4AH
ACALL DSUM
MOV R5，33H
MOV R4，44H
MOV R0，#46H
ACALL MULT1
MOV R3，47H
MOV R4，46H
MOV R5，2FH
MOV R4，30H
ACALL DSUM
MOV 2FH，R7
MOV 30H，R6
MOV 3DH，3BH
MOV 3EH，3CH
MOV 3BH，39H
MOV 3CH，3AH
RET
DSUM:
MOV A,R4
MOV A,R2
MOV R6,A
MOV A,R5
MOV A,R3
MOV R7,A
RET
CPL1：
MOV A,R2
CPL A
ADD A,#0HH
MOV R2，A
MOX A,R3
CPL A
ADDC A,#01H
MOV A,R3
RET
MULT1：
MOV A,R7
RLC A
MOV XING1，C
JNC POS1
MOV A,R6
CPL A
ADD A,#01H
MOV R6，A
MOV A,R7
CPL A
ADDC A,#00H
MOV R7，A
POS1：
MOV A,R5
RLC A
MOV SING2，C
JNC POS2
MOV A,R4
CPL A
ADD A,#01H
MOV R4，A
MOV A,R5
CPL A
ADDC A,#00H
MOV R5，A
POS2：
ACALL MULT
MOV C,SING1
JC TPL
MOV C,SING1
ORL C,SING2
JNC TPL
DEC R0
DEC R0
DEC R0
MOV A,@R0
CPL A
ADD A,#01H
MOV @R0，A
INC R0
MOV A,@R0
CPL A
ADC A,@R0，A
TPL:RET
MULT:
MOV A,R6
MOV B,R4
MUL AB
MOV @R0，A
MOV R3，B
MOV A,R4
MOV B,R7
MUL AB
ADD A,R3
MOV R3，A
MOV A,B
ADDC A,#00H
MOV R2，A
MOV A,R6
MOV B,R5
MUL AB
ADD A,R3
INC R0
MOV @R0，A
CLR 5BH
MOV A,R2
ADDC A,B
MOV R2，A
JNC LAST
SETB 5BH
MOV A,R7
MOV B,R5
MUL AB
ADD A,R2
INC R0
MOV @R0，A
MOV A,B
ADDC A,#00H
MOV C,5BH
ADDC A,#00H
INC R0
MOV @R0，A
RET SAHNG_BAO:
SET P1.7
SETB P1.6
CLR P1.5
LJMP X2，E2
CLR P1.5
CLR P1.6
CLR P1.7
X1:
MOV A,2BH
CJNE A.62H,E3
MOV A,2AH
CJNE A,61H,E3
MOV A,29H
CJMP E4
E3:
JNC XIA_BAO
LJMP E4
XIA_BAO:
STEB P1.7
SETB P1.5
CLR P1.6
LJMP X2
E4:
CLR P1.5
CLR P1.6
CLR P1.7
X2:
CLR 30H
ACALL DELAY
本 科 毕 业 设 计
1 引言 第 1 页 共 37 页
随着工业技术的不断发展，温度控制在国民经济和生活中的作用显著提升。在工业生产的过程当中，有很多极为重要的被控参数，温度即是其中最重要的参数之一，在众多的工业生产中，所需温度的控制效果直接影响到锅炉以及工作人员的安全，还直接的影响到工艺生产产品的质量。在不同的生产过程当中，由于所需温度的不同、控制所需的精度也不同，则采用的测控元器件元件、温度控制方法也将有所不同，随着科学技术的不断地发展，温度控制系统技术得到了巨大的发展，自动控制技术越来越显示出其优越性。
当今社会中伴随着集成电路技术的不断的发展，单片机的种类不断地增多，功能也不断的增强，涌现除了大量的高性能的单片机。单片机在工业生产中自动化和测控领域中的应用不断增加，因为单片机有许多显著的优点，如今的单片机不仅功能强大，而且体积越来越小，开发周期也越来越短，在各行各业在温度控制系统中起到无法替代的核心作用的就是各种各样的单片机。在工业生产中很多地方温度控制系统中都运用到了电阻加热的原理，例如钢铁厂用于融化金属的电阻炉、电热锅炉等。鉴于温度控制在各行各业的生产过程中的重要性，以及单片机技术的不断发展和众多的优越性。根据以上这些思想本文设计一种工业锅炉的温度控制系统，这种锅炉温度控制系统系统在当今工业生产过程中具有非常重要的意义。
1．1 论文研究的背景和意义
锅炉是一种重要的能量转换设备, 随着工业的不断发展，锅炉在各行各业当中的应用也显著增加，锅炉在运行时可以将电能、化学能等能量形式转化成有热量的蒸汽、高温液体等, 通过复杂的物理化学变化以及一系列能量的传输过程实现锅炉的正常运转。在实际的生产过程当中温度控制系统的运行具有很大的难度，究其原因就是因为温度控制系统是一个具有多变、时变以及非线性变化的复杂系统, 因此在实际的生产过程中选择适合的温度控制锅炉的方法很重要, 当通过温度控制系统能够是锅炉稳定运行时，不仅仅对锅炉的稳定性有极大的提高，而且也极大地提高了工作人员的安全性，具有十分重大的意义。锅炉运行温度的控制直接关系到锅炉的生产效率、性能指标, 同时锅炉以及工作人的安全性产生了巨大的影响。过高或过低的工业锅炉温度, 不仅仅对锅炉和工
作人员安全性造成影响，还对锅炉的稳定性造成影响，压力不符合标准, 导致系统不稳定甚至锅炉的损坏和事故的发生，此外，还会影响到生产产品的质量。虽然锅炉的温度控制系统有了很大的进步，但是时至今日仍然存在许多的难题，由于实际生产过程当中的锅炉温度控制系统中存在时变性, 多变量, 大滞后, 非线性等特点, 参数具有不确定性和时变性, 在现实生活中很难建立起精确的数学模型, 而能够精确的控制锅炉温度对锅炉的稳定性, 安全性以及节能环保具有相当重要的意义。
锅炉发展的历史久远, 应用十分广泛, 发展至今种类繁多, 广泛应用于社会生活当中各个工业生产以及生活的各个领域, 由于我国工业发展滞后于发达国家，虽然锅炉温度控制系统的研究在我国起步很晚，但是发展迅猛, 并且部分产品的技术性能已经达到国际相近水平, 尽管如此, 国内大部分的锅炉的温度控制系统的成熟度不够高，大部分的锅炉温度控制系统还停留在比较落后的阶段，自动化程度较低, 只能通过手动控制来改变仪器仪表，只有部分产品采用先进的控制系统, 锅炉的效益基本都不高, 要想达到国外县先进水平，国内的研究水平还要加大力度。因此, 为了提高国内锅炉温度控制系统的信息化、自动化以及节能减排，加强对锅炉温度控制系统的研究具有十分重要的意义。
1．2 锅炉温度控制技术的发展状况
随着科技的不断发展，国内各行业不断兴起，国内各行各业在锅炉温度控制技术方面需求越来越大, 温度控制系统的应用的领域日渐增多，但国内总体发展水平仍然低于西方工业生产技术发达的先进国家。目前, 我国还十分的落后于发达国家，在这方面总体技术水平处于相对来说很落后的时代, 在国内的温度控制系统技术相对成熟产品主要常规的PID 控制器和以“点位”控制为主。国内的这些产品在控制比较复杂的大规模温度系统控制有很大的困难，只能适应与一般温度系统控制。对于那些能够用于较高场合的智能化自动控制器以及自动控制仪表来看，国内的技术还明显的低于发达国家，然而在国外已经有了许多成熟的产品，能够自定义各个参数，并形成了商业化的仪表。由于国内对于锅炉温度控制系统技术的滞后，经常需要工作人员根据实际经验去设定参数，根据目前国内的温度控制方面的技术来看还不能开发出技术相对完善可靠的自整定软件。
随着科学技术的不断的发展, 国外的技术也在不断地提高，美国、德国等发达国家在温度控制系统方面都取得了十分显著的成果，这些巨大的成果主要体现在控制系统的智能化、自动化、参数自整定等方面，已经生产出了一批高性能、商业化的温度控制系
统, 这些系统被用在实际生产生活中的各个领域。它们主要具有如下的特点:
一、是它们能够应用于各种复杂的工业控制过程当中具有大滞后以及惯性很大的温度控制系统的控制;
二、是它们能够建立一些特殊的温度控制系统，而这些温度控制系统是很难在现实生活当中用来试验的，因为这些系统很难通过数学模型建立。
三、是它们能够适应于一些工业温度控制系统中，这些受控的温度控制系统工作过程参数是不断变化的;
四、是在现代大部分工业生产过程当中所应用的温度控制系统采用了大量的先进科学技术以此来适应与广大的工业生产过程，例如自动控制、自动检测、模糊控制等理论及微机技术, 控制方面采取了先进的算法;
五、是温度控制系统中的仪器仪表具有参数自整定功能。有的还具有自学习功能, 能够根据历史经验及控制对象的变化情况, 可以实时的自动调整相关仪器仪表的控制参数, 以此来达到温度控制系统最合理控制;
六、是它们具有很多突出的特点，这些突出的特点包含了控制精度高、性价比高等。如今的仪器仪表都在向着更高性、更完善能的方向发展。
1．3 本课题研究的主要内容
本设计主要利用单片机技术、采集温度、温度的执行等知识制作一个工业锅炉的温度控制系统。本设计涉及了计算机、电子、通信以及软件学等相关专业的知识，所涉及到的专业知识比较广泛。此次设计中要求可以实时监测并显示当前温度，可以实现温度的升高和降低，当超限后可以实现报警，温度控制设定波动范围小于±5%，测量精度小于±5%，控制精度小于±2%。
a 收集资料，研究并设计出总体方案。
b 根据方案和设计要求完成工业锅炉温度控制系统的模型并确定各部分参数。 c 根据方案和设计要求设计出工业锅炉温度控制系统硬件电路中所包含的各个模块。 d 根据流程图进行程序编写，并对各模块进行编程、调试，再对整体系统进行调试。
2 系统分析及总体设计方案 随着社会的不断进步以及科学技术的不断发展工业生产技术越来越完善。在工业生产过程当中有很多的控制因素，其中温度控制技术对工业锅炉的影响最大。在如今的工业生产过程当中温度控制系统主要作用是使锅炉温度保持在一定范围之内，在保证锅炉设备正常工作情况的同时，提高生产效率。本系统主要主要包含七大板块：AT89S51单片机、温度采集电路、显示电路、键盘输入电路、电源模块、报警电路和温度控制电路组成。在设计中首先通过传感器对周围的环境温度实时监测，根据设计需要达到的指标本设计采用了检测精度很高的AD590传感器，由于采集到的温度信号太低单片机无法直接识别，所以需要放大后在传递给单片机，采集到的温度通过超低温漂移高精度运算放大器OP07将信号进行放大，当采集到的信号放大到足够大，这些将信号传送到12位的AD574A 转换器进行转换，从而实现锅炉温度的自动检测功能, 并且实时显示当前锅炉内准确温度以及越限报警。最终的环节是控制部分，本系统控制部分采用PID 算法, 由于锅炉内的温度是通过调节电阻炉来调节的，只有通过调节双向可控硅的通段时间才可以调节电阻炉的功率，而双向可控硅是通过实时更新PWM 控制参数实现的将采集到的炉内温度和设定值进行比较，通过PID 算法对偏差进行计算以此来实时更新PWM 控制输出参数, 来实时的调整锅炉温度。。
系统设计技术指标：
（1）温度控制设定波动范围小于±5%，测量精度小于±5%，控制精度小于±2%；
（2）能够实时显示当前温度值；
（3）能够实现升温和降温的功能；
（4）按键控制：设置五个主要功能键，包含了运行键、复位键、功能转换键、加一键和减一键；
（5）超过设定温度值或低于设定温度值进行越限报警。
本设计中温度控制系统硬件主要包含以下七大模块：
单片机的最小系统、温度采集电路、显示电路、键盘输入电路、电源模块、报警电路和温度控制电路等。
系统结构图如图：
3 系统硬件设计 本设计的温度控制系统的硬件主要包括以下七大模块：单片机的最小系统、温度采集电路、显示电路、键盘输入电路、电源模块、报警电路和温度控制电路等。
3．1 AT89S51单片机的最小系统
在本设计的工业锅炉的温度控制系统中，根据系统的功能需求与学习过程中所学到的8051单片机的情况，所以选定MCS-51系统中的AT89S51单片机。
单片机AT89S51是MCS-51系列单片机当中最为先进的单片机之一，是一个功率消耗更低、性能更强、体积更小的8位CMOS 单片机，是ATMEL 公司继AT889C5X 系列之后推出的新机型之一。，在时钟频率以及运算速度上有了较大的提高。AT89S51芯片在市场上得价格更加便宜，适合于大批量的应用于各行各业的控制系统中。
以下是对单片机AT89S51功能的简单介绍：
AT89S51单片机具有很多的功能：单片机中含有4k 字节的Flash 程序存储器，如果片内的程序存储容量不够，片外最多可外扩之64KB 。片内具有5个中断源，2级中断优先权。单片机中含有128字节内部RAM ，片外最多可扩至64KB 。每片单片机中都含有4个8位可编程并行I/O口，片内含有两个16位定时/计数器，具有4种工作方式。一个全双工串行通信口，具有4中工作方式。还增加了看门狗定时器（WDT ）。同时，AT89S51共包含了26个特殊功能寄存器，用于CPU 对片内各功能部件进行管理、控制和监事。 引脚功能说明：
Vcc ：电源电压
GND ：接地
P0引脚口：8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL 逻辑门电路，对端口写‘1’可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址(低8位) 和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
P1引脚口：8位准双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL 逻辑门电路。对端口写‘1’，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。 P2引脚口: 8位准双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL 逻辑门电路。对端口写‘1’，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，
(In)。 作输入口使用时，为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流
P3引脚口: P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（In ）。 XTAL1: 振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2: 振荡器反相放大器的输出端。
在AT89S51单片机中P3口不仅仅可以作为一般的I/O口线，它的第二功能也十分的重要。如下表所示：
管脚
P3.0
P3.1
P3.2 P3.3 P3.4
P3.5
P3.6 P3.7
备选功能 RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） INT0（外部中断0） INT1（外部中断1） T0（记时器0外部输入） T1（记时器1外部输入） WR （外部数据存储器写选通） RD （外部数据存储器读选通）
如下图所示为AT89S51单片机的最小系统结图：
图3-1：单片机最小系统
AT89S51单片机的最小系统的功能主要包含四部分，这四部分是显示控制、键盘控制、短路保护控制以及报警控制。如果想要是单片机能够正常运行，必须具备一些硬件条件，而这些硬件条件则构成了单片机的最小系统，主要包括以下四部分：
1、电源
单片机的工作电源是+5V。
2、时钟电路
时钟电路在单片机中具有很大的影响，时钟频率将会直接影响到单片机的运行速度，从而直接影向到单片机系统的稳定性，本设计中AT89S51单片机的时钟电路采用内部时钟方式，通过在XTAL1和XTAL2引脚外接12MHz 的晶振，两个引脚连接电容和晶体构成单片机的振荡器，振荡频率取决于晶体的频率。电路中的C1、C2是补偿电容，通常选择30pF ，电容的大小有频率微调和稳定的作用，也会直接影像到震荡器频率。
3、复位电路
复位功能是单片机能够是单片机正常运行所必须具备的，复位是指将单片机进行初始化的操作，本设计中采用了按键电平复位电路。单片机的按键电平复位电路由电阻和
典型取值为10uF ，R 值为2K 。 电容构成。按键手动电平复位是通过RST 端通过电阻、电容以及电源接通来实现，C 的
当处于高电平时可以实现复位功能。当复位完成后系统会从头开始执行程序。
4、引脚EA 接高电平。
3．2 温度采集电路
本设计中的数据采集电路主要由AD590, 0P07,74LS373,AD574A等四部分组成。由于控制精度要求为2%,由于在实际的温度测量的过程当中会受到一些外界因素的干扰，以及处理数据过程当中产生的一些不可避免的误差，根据系统功能的要求要想保证高精度的控制，温度传感器和AD 转化器的精度应更高。故温度传感器需要能够区分0.1 度; 而对于AD 转换器, 由于测量范围AD 转换器需要区分上百的数字, 因此在转换器的选择上需要选用10位以上的高精度AD 转换器。为此, 选用高精度的12位AD574A 。 AD574A 是一种高性能的A/D转换器，其采用了12位逐次逼进式的运行方式，它同ADC0809一样是常用的A/D转换器。转换时间为25μs ，内部有时钟脉冲源和基准电压源，线性误差大约为±1/2LSB，该转换器具有两种电压输入方式，可以采用单通道单极性也可以采用双极性电压输入的方式，此外，采用28脚双立直插式封装。 AD574A 结构并不复杂，主要结构有以下四部分构成：
一、12位A/D转换器 可以单极性也可以双极性。单极性应用时，BIPOFF 接0V ，双极性时接10V 。量程可以是10V 也可以是20V 。输入信号在10V 范围内变化时，将输入信号接至10V （IN ）；输入信号在20V 范围内变化时，将输入信号接至20V(IN)；所以量化单位相应的就是10V 和20V 。
二、三态输出锁存缓冲器
用于存放12位转换结果D （D=0～2^12-1）。D 的输出方式有两种，引脚12/8=1时（8的上面有一横杠），D 的D(11)~D(0)并行输出；引脚12/8=0时（8的上面有一横杠），D 的高8位与低4位分时输出。
三、逻辑控制
任务包括：启动转换，控制转换过程和控制转换结果D 的输出
四、电源电压
10V 基准电压源
如下图所示为温度转换装置连接图：
图3-2：温度转换装置
为了达到测量高精度的要求, 选用温度传感器AD590,AD590具有较高精度和重复性(重复性优于0．1℃,其良好的非线形可以保证优于0. 1℃ 的测量精度, 利用其重复性较好的特点, 通过非线形补偿, 可以达到0.1℃测量精度.) 超低温漂移高精度运算放大器0P07将温度一电压信号进行放大, 便于A ／D 进行转换, 以提高温度采集电路的可靠性。
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如
1、当AD590温度传感器工作时，流过温度传感器的电流等于传感器所处位置的周围温度。因此，AD590温度传感器可以实时的反应所测范围内的温度
2、AD590温度传感器可以在-55℃～+150℃范围内精确的测量温度。
3、AD590温度传感器所适用的电源电压范围为4V ～30V 。温度传感器电源电压可在4V~6V
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范围内有所变化，当温度传感器电流变化1μA 时，相当于温度传感器周围的温度变化1K 。AD590温度传感器不会因为反接而损坏，因为温度传感器不仅仅可以承受44V 正向电压，还可以承受20V 的反向电压，。 4、AD590温度传感器输出电阻为710M Ω
5、AD590温度传感器是一款监测精度非常高的器件，在传感器中中共分有五个档位，这五个档位分别是I 、J 、K 、L 、M ，在五个档位当中精度最高的是M 档，AD590温度传感器在-55℃～+150℃范围内精确的测量周围的温度，它的非线性误差仅仅为±0.3℃。
如下图所示为AD590和OP07所组成的温度采集部分：
图3-3：温度采集电路 3．3 显示电路
本文设计中根据系统所需功能要求，显示电路模块采用5位共阳LED 静态显示方式, 所谓的静态显示方式是指无论采用多少位LED 数码管，都能够同时显示当前状态，本设计中由于温度控制的精度的要求，采用了五位LED 数码管同时显示，需要显示的内容有温度值的百位、十位、个位及小数点后两位, 这样可以最大程度的节省了单片机端口资源，因为用来作为输出显示数据的端口可以只用到P3.0(RXD)口 ,温度控制系统的显示
如下图为显示电路：
可以在P1.7 口和P3.1(TXD)的共同控制下通过5片74LS164来实现LED 的静态显示。
图3-4：显示电路
3．4 键盘输入模块
本设计中所采用的键盘工作方式为非编码键盘中的独立式键盘控制方法，这样可以是系统更加简化，从而降低了成本、简化了电路。设计中按照功能中的需求设计了AN1,AN2,AN3,AN4, AN5五个功能键，这五个功能键均为低电平有效。按键AN1为硬件复位电路中的复位键, 与R 、C 构成复位电路：按键AN3采用外部中断方式, AN3与P3.2相连, 并且在所有外部中断方式中优先级定为最高; 按键AN5和按键AN4均采用软件查询的方式，分别与P1.4和P1.2相连。
如下图为键盘电路：
图3-5：键盘电路
图中按键AN1,AN2,AN3,AN4, AN5的功能定义如表1所示。
3．5 电源模块
本设计中的电源模块是由220V 交流电源经电测干扰滤波器、电源变压器、整流滤波
器和三端集成稳压器7805，向 AT89S51单片机、报警电路、键盘电路和AD 转换器等提供适合的电源电压。为了能够有效的滤除从交流电网中引入的噪声干扰在此设计中加入了电磁干扰滤波器。以极大的改善了电磁的兼容性。下图是电源模块的电路连接图：
图3-6：电源模块电路图
3．6 报警电路设计
本设计采用扬声器报警电路，它是由压电式蜂鸣器和晶体管组成。晶体管的导通或
截止是通过单片机的P1.5口输出信号来控制的，当晶体管处于导通状态时，扬声器可以得到信号，从而进行报警。在本设计过程中当温度超过或者低于设定值时，则由单片机发出报警信号，通过扬声器进行报警。如图所示报警电路：
本 科 毕 业 设 计
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图3-7：报警电路 3．7 温度控制电路
由输出来控制工业锅炉的温度控制系统, 工业锅炉的温度控制系统可以近似的建立
为一阶惯性环节数学模型，而这种一阶惯性环节具有滞后性质。其传递函数形式为：
可控硅可以认为是通过线形环节实现对锅炉温度的精确控制。工业锅炉中电阻炉的功率和单片机的输出分别属于强电和弱电部分, 因此两部分需要进行隔离处理, 本设计中的隔离处理原件采用光耦元件TLP521 在控制部分进行光电隔离, 此外本设计中的电源隔离部分采用变压器隔离实现强电与弱电的隔离。
控制执行部分是通过单片机实时更新PWM 参数来控制双向可控硅的导通时间，从而控制电阻炉的功率，以此来调节锅炉内的实时温度。当单片机PWM 输出电平低电平时, 光耦元件处于导通状态, 从而使三极管形成有效偏置而导通, 通过整流桥的电压经过集电极电阻以及发射集反向偏压, 通过整流桥可以将220V 的交流电压转换成7V 左右的直流电压，当有7V 左右的电压加在双向可控硅控制端时，可控硅控制元件处于导通状态, 此时，包含有1000W 电阻丝的交流通路形成, 电阻炉开始工作; 反之当单片机PWM 输出电平高电平时, 光耦元件不能导通, 从而使三极管不能形成有效偏置而截止, 当三极管不能
含有1000W 电阻丝的交流通路截止, 电阻炉停止工作。
控制执行部分的硬件电路如下图：
形成有效偏执儿截止时可控硅控制端电压几乎为零, 可控硅则处于截止状态，从而使包
图3-8：温度控制电路
4 系统软件设计
本设计系统的软件主要包含三大模块：主程序模块、功能实现模块和运算控制模
块。
4．1 主程序模块
在主程序模块中首先将系统进行初始化，然后再进行PID 算法的参数值的设定, 然
后启动AD574A 通过循环显示当前所采集到的实时温度, 并且设定键盘外部中断为最高优先级, 以便能实时响应键盘处理; 软件设定的定时器T0为5秒定时, 当系统没有任何的操作时T0定时器会每隔5s 进行更新一次, 将A ／D 转换的采集到的温度信号进行处理; 设定定时器T1为嵌套在T0之中的定时中断, 初值由PID 算法子程序提供，根据PID 算法实时更新PWM 控制参数进行锅炉温度的精确控制。在主程序中必须分配好每一部分子程序的起始地址, 形式如下：
ORG 0000H AJMP START ORG 000BH AJMP INTO ORG 001BH AJMP INT1
ORG 00F0H
AJMP
TT1
主流程图如图所示：
4．2 功能实现模块
功能实现模块的功能是用来执行对可控硅及电阻炉的控制。主要功能涵盖了中断处理子程序、转换器的转换子程序、键盘以及显示子程序等部分组成。 4.2.1 T0中断子程序
在本设计中温度控制系统中的包含了多个中断服务程序，这些中断服务程序的主体程序是T0中断服务程序，用于采集锅炉温度、读取锅炉温度、温度超限报警以及PID 计算处理等。在T0中断服务程序中，AT89S51把计算出的PID 值得补码送入TL0，使单片机口为高电平“1”状态和启动T1工作，另一方面是温度标度转换子程序，在显示缓冲当前温度值和转移当前温度值的过程中将会等待T1中断，在中断服务程序的单片机复位到低电位时，就会形成一个控制脉冲，通过控制加在可控硅上的脉冲的个数来调节锅炉内的当前温度值。 4.2.2 T1中断子程序
T0中断之中含有T1定时中断程序, 但是T1中断程序优先级高于T0中断程序, PID算法子程序向T1中断程序提供其定时初值,T1中断响应的时间用于输出可控硅的控制信号。
4.2.3 键盘输入子程序
4.2.3 显示子程序流程图
4．3 运算控制模块
运算控制模块包含标度转换子模块、PID 控制算法以及可控硅触发控制。
4.3.1 标度转换子程序
本设计系统中需要实时的显示当前温度并且将温度值与系统所设定的值进行比较，为了将温度传感器采集到的温度信号(00H~FFH)转换为对应的温度值, 需要运用标度转换子程序。标度转换子程序变换公式为：
温度信号转换为当前温度值;
Am =90; Ao=40; Nm =FEH; No=01H; 式中,Ax ：通过温度传感器测量到的实时的温度值;Nx ：通过AD 转换器将采集到的当前
为了减小误差单片机运算采用定点数运算的方式, 而且在高温以及低温处分别用程序作矫正处理以此来的到更加准确数值。
4.3.2 PID控制算法的实现
本设计中的温度控制算法采用PID 算法，在当今的社会当中PID 控制技术已经达到
了十分成熟的地步，相对较大的时间常数的温度控制系统来说，变化近似于连续变化，所以具有更好更有效的控制方法是数字PID 控制方法。简单的比例调节器最大的优点就是可以很快做出回应，但也有十分明显的缺陷就是不仅仅控制不够精确，而且稳态误差还不能够完全的消除，为了完全的消除稳态误差，系统中加入了积分调节器的调节比例，能够有效的消除稳态误差，但是在消除稳态误差的同时也使系统的响应时间更长，导致系统的反应很慢。为了是系统能够完全的消除稳态误差，同时维持系统的反应速度，特此引入了积分、微分环节组成了比例、积分、微分（PID ）调节器，使系统更加稳定、反应时间更短，从而极大的改善系统的动态性能，改善后的系统控制规律为：
ｕ=Ｋｐ·(ｅ+1Ｔｉ∫10ｅｄｔ+Ｔｄｄｅｄｔ)+ｕ0,(1)
单片机的工作方式是通过采集样本来进行控制的，由于采集到的样本会在时间上有
不同的偏差，只能通过数值的近似算法，而不能通过积分或微分进行准确的计算，因此，仅仅通过单片计算出来的控制变量也会有很大的误差，但是PID 调节可以通过具体的数值计算公式：
ｕ=Ｋｐ[ｅｉ+ＴＴｉ∑ｉｊ=0ｅｊ+ＴｄＴ(ｅｉ-ｅｉ-1)]+ｕ0, (2) 计算出来，如果可以采集到足够小的样本, 所得到的结果也会十分的精确, 连续过程与被控过程将会十分接近。通过上式(2)可以变换得到:
ｕ=ｕｉ-1+ｕｉ=ｕｉ-1+Ｋｐ·[Δｅｉ+Ｉ·ｅｉ+Ｄ·Δ2ｅｉ], (3)
把Δｅｉ=ｅｉ-ｅｉ-1, Δ2ｅｉ=Δｅｉ-Δｉ-1带入上式得:
ｕ=ｕｉ-1+Ｋｐ·[(ｅｉ-ｅｉ-1)+Ｉ·ｅｉ+Ｄ·(ｅｉ-2ｅｉ-1+ｅｉ-2)], (4)
式中ｅｉ=Ｗ-Ｙｉ,W 为设定值, Yi 为第i 次实际输出值,Kp 为比例系数, 微分系数
Ｄ=Ｔｄ/Ｔ, 积分系数I=Ｔ/Ｔi, Ｔ为采样周期, 以(4)式来编程比较方便。 采用PID 控制算法实现锅炉温度控制是一个反馈过程：首先将温度传感采集到的锅
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炉内的实时温度与最初的设定值进行比较从而得到一个偏差，运用PID 算法对偏差信号进行处理，通过实时更新PWM 控制参数的输出，调节双向可控硅的工作时间，从而调节电阻炉的工作效率，进而重新调节锅炉内的温度，以实现对锅炉温度的控制效果，由于电阻炉是一个具有滞后性的一阶线性环节，所以根据实际经验选取KP 和KI ，KD 值。这个程序首先设置用户设定的温度和锅炉的实际温度T 比较，计算偏差EI ，然后分为两种情况计算控制变量：
(1)ei大于等于设定的偏差ｅ时, 由于积分控制器使系统响应速度变慢, 不采用积分控制器调节, 直接使用ＰＤ调节, 获得比较快的动态响应, 计算Ｐｄ和Ｐｐ, 最终得到控制量获得比较快的动态响应。
(2)ｅｉ小于设定的设定的偏差ｅ时, 正常的分别计算Ｐｉ、Ｐｄ和Ｐｐ, 然后根据算法公式计算出控制变量。
PID 控制是单片机温度控制系统中一种最常用的控制算法。PID 在实现其控制功能过程中，把计算机的灵活性以及逻辑判断功能十分合理的结合起来，而不是仅仅把PID 控制规律简单的数字化，极大的改进和完善了PID 控制技术在工业生产领域中的作用，使PID 控制更加有效方便，更加科学。
本系统是对工业锅炉温度控制 ，它是这样一个反馈系统：将锅炉的实际温度和设定值得到偏差，将偏差信号反馈到控制系统，控制系统得到控制信号，再通过PID 算法实时更新PWM 参数调节电阻炉的加热功率，来实现对工业锅炉的温度的精确控制。
下图所示为相应的流程图：
4.3.3 可控硅触发的控制
要实现温度的控制，只有算法程序是远远不够的，必须要对温度执行元件进行精确控制，只有这样PID 控制算法才有可能实现，通过控制可控硅触发信号的时间的长短就可以实现控制温度的加热时间，从而实现对温度的控制。通过计算机的PID 算法可以得到最新的控制参数，给T1定时器赋值，以确定可控硅的控制时间，然后打开定时器T1，当T1中断时间给可控硅输出触发信号，延时保证触发信号的脉冲宽度，完成一个周期的加热控制。
结 论
由于工业锅炉的温度控制系统所具有的时变性、非线性以及滞后性的特点，本文设计了一种基于单片机AT89S51的设计方案，方案中AT89S51单片机并且通过PID 算法实现温度实时控制, 设计中通过高精度的温度传感器、放大器以及A\D转换器组成温度采集电路，实时监测锅炉的温度，将采集到的温度控制信号运用PID 算法更新T1的定时常数, 通过控制参数实时更新PWM 控制参数, 以此来调节双向可控硅的通段时间，来调节电阻炉的功率，从而实现对温度的连续控制。本设计的温度控制系统具有功能全面、性能稳定, 控制精度高等优点, 通过PID 算法是控制精度大大提高; 软件部分采用模块化结构, 提高了通用性。通过本次完成设计方案，我发现在过程中不仅仅是提供一种温度控制控制系统, 而且还学到了单片机硬件电路以及PID 算法所实现的控制算法，此外，还学习到了控制部分的软件编程。通过此次设计方案，学习到了更多的是设计的理念。
致 谢
本文是在导师杨国福副教授的谆谆教诲和悉心指导下完成。杨老师在学术上有着严谨的科研作风，实事求是的治学态度，并能时刻把握最新科技的最前沿，了解科研动态，让我受益匪浅。杨老师生活上平易近人，和蔼可亲，是我生活和学习中的榜样；杨老师渊博的知识、严谨的作风、高尚的人格以及忘我的工作热情，将永远激励我在以后的学习生活中不断进取，奋发向上。在毕业设计的过程中，杨老师给了我最及时有效的指导，使我终于克服困难，顺利完成了毕业设计。在此，谨向我的导师表示我最崇高和最衷心的感谢。此外，十分感谢在我大学生活以及做毕业设计过程中不断给我无私关怀和帮助的同学。
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附录A ：主要程序设计
ORG 0000H
AJMP START
ORG 000BH
AJMP INT0
ORG 001BH
AJMP INT1
ORG 00F0H
START:
NN:JB P1.0 NN
MOV 2FH,#00H
MOV 30H,#00H
MOV 3BH,#00H
MOV 3CH,#00H
MOV 3DH,#00H
MOV 3EH,#00H
MOV 32H,#05H
MOV 31H,#87H
MOV 37H,#00H
MOV 38H,#29H
MOV 33H,#00H
MOV 34H,#4AH
MOV 35H,#01H
MOV 36H,#99H
MOV TMOD,#56H
MOV TL0，#06H
MOV TH0，#06H
CLR PT0
SETB TR0
SETB ET0
SETB EA
MAIN:
JNB P1.1 MM
AJMP MAIN
NN: $
END
INT0：
PUSH DPL
PUSH DPH
PUSH A
SETB 0D50H
ACALL SAMP
ACALL PID
MOV R3，2FH
MOV R2，30H
ACALL CPL1
MOV A,R2
MOV TL1，A
MOV A,R3
ANL A,#0FH
XOR A,#0F0H
MOV TH1,A
SETB P1.3
SETB PT1
SETB ET1
SETB TR1
LOOP:
JB 0D50H,LOOP
PUSH A
PUSH DPH
PUSH DPL
RETI
INT1：
CLR 0D50H
CLR P1.3
RETI
SAMP:
MOV DPTR,#4000H
MOVX @DPTR,A
MOV R2,#20H
DLY:DJNZ R2，DLY
ZERO:
JB P3.3，ZERO
MOVX A,@DPTR
MOV 2AH,A
INC DPTR
MOVX A,@DPTR
ANL A,#0F0H
SWAP A
MOV 2BH,A
MOV A,2AH
ANL A,#0FH
SWAP A
ORL A,2BH
MOV A,2AH
ANL A,#0F0H
SWAP A
MOV 2AH,A
RET
PID:
MOV R5，31H
MOV R4，32H
MOV R3，2AH
MOV R2，2BH
ACALL CPL1
ACALL DSUM
MOV 39H,R7
MOV 3AH,R6
MOV R5,35H
MOV R4,36H
MOV R0,#4AH
ACALL MULT1
MOV R5，39H
MOV R4，3AH
MOV R3，3DH
MOV R2，3EH
ACALL DSUM
MOV A,R7
MOV R5，A
MOV A,R6
MOV R4，A
MOV R3，3BH
MOV R2，3CH
ACALL CPL1
ACALL DSUM
MOV R5，37H
MOV,R0，#46H
ACALL MUT1
MOV R5，47H
MOV R4，46H
MOV R3，4BH
MOV R2，4AH
ACALL DSUM
MOV R5，33H
MOV R4，44H
MOV R0，#46H
ACALL MULT1
MOV R3，47H
MOV R4，46H
MOV R5，2FH
MOV R4，30H
ACALL DSUM
MOV 2FH，R7
MOV 30H，R6
MOV 3DH，3BH
MOV 3EH，3CH
MOV 3BH，39H
MOV 3CH，3AH
RET
DSUM:
MOV A,R4
MOV A,R2
MOV R6,A
MOV A,R5
MOV A,R3
MOV R7,A
RET
CPL1：
MOV A,R2
CPL A
ADD A,#0HH
MOV R2，A
MOX A,R3
CPL A
ADDC A,#01H
MOV A,R3
RET
MULT1：
MOV A,R7
RLC A
MOV XING1，C
JNC POS1
MOV A,R6
CPL A
ADD A,#01H
MOV R6，A
MOV A,R7
CPL A
ADDC A,#00H
MOV R7，A
POS1：
MOV A,R5
RLC A
MOV SING2，C
JNC POS2
MOV A,R4
CPL A
ADD A,#01H
MOV R4，A
MOV A,R5
CPL A
ADDC A,#00H
MOV R5，A
POS2：
ACALL MULT
MOV C,SING1
JC TPL
MOV C,SING1
ORL C,SING2
JNC TPL
DEC R0
DEC R0
DEC R0
MOV A,@R0
CPL A
ADD A,#01H
MOV @R0，A
INC R0
MOV A,@R0
CPL A
ADC A,@R0，A
TPL:RET
MULT:
MOV A,R6
MOV B,R4
MUL AB
MOV @R0，A
MOV R3，B
MOV A,R4
MOV B,R7
MUL AB
ADD A,R3
MOV R3，A
MOV A,B
ADDC A,#00H
MOV R2，A
MOV A,R6
MOV B,R5
MUL AB
ADD A,R3
INC R0
MOV @R0，A
CLR 5BH
MOV A,R2
ADDC A,B
MOV R2，A
JNC LAST
SETB 5BH
MOV A,R7
MOV B,R5
MUL AB
ADD A,R2
INC R0
MOV @R0，A
MOV A,B
ADDC A,#00H
MOV C,5BH
ADDC A,#00H
INC R0
MOV @R0，A
RET SAHNG_BAO:
SET P1.7
SETB P1.6
CLR P1.5
LJMP X2，E2
CLR P1.5
CLR P1.6
CLR P1.7
X1:
MOV A,2BH
CJNE A.62H,E3
MOV A,2AH
CJNE A,61H,E3
MOV A,29H
CJMP E4
E3:
JNC XIA_BAO
LJMP E4
XIA_BAO:
STEB P1.7
SETB P1.5
CLR P1.6
LJMP X2
E4:
CLR P1.5
CLR P1.6
CLR P1.7
X2:
CLR 30H
ACALL DELAY