文档介绍：控制技术课程设计
关于锅炉温度控制的系统设计
该设计以单片机为控制器,对显示电路,温度检测电路,人机接口电路,键盘电路,报警电路,执行电路等主要电路进行具体设计,以实现锅炉水温的控制。
所选硬件:51单片机、热电阻Pt100、78M系列三端集成稳压器、
控制系统原理框图
Pt100
温度信号处理A/D转换
键盘电路
51单片机
显示和报警电路
加热机构
PWM控制SSR
SSR工作指示
图 1 控制系统原理框图
系统电源选择:主控电路所需的+5V电源;外围电路(如继电器、运算放大器)所需的+12V和-12V电源,这里考虑实际性价比、体积等因素后,选用了78M12、79M12、78M05三端稳压器提供相应的稳定电压。
采用单片机最小系统原理
51单片机的最小系统由单片机芯片、电源、时钟电路、和复位电路组成。
晶振时钟电路用来产生时钟信号,以提供单片机片内各种数字逻辑电路工作的时间基准。按键S6_1能实现手动复位,电容C6_1能实现上电复位,复位电路用来使片内电路完成初始化的操作,具体功能是使程序计数器PC=0000H,引导程序从0000H地址单元开始执行; SFR中的21个特殊功能寄存器复位后的状态是确定。
图2 单片机最小系统原理图
温度信号测量电路
如下图,温度信号测量处理电路,利用热电阻Pt100作为温度传感器件,然后通过运算放大器OP-07构建差分放大电路将温度信号转换成ADC0809模拟通道的输入标准电压信号。将Pt100接入到电桥中,如图6 温度测量信号处理电路所示,由Pt100的阻值来反映锅炉的温度的变化,电桥输出电压为:Uba=Vcc[R1_4/( R1_2+R1_4)- R1_3/( R1_1+R1_3)] (其中下桥臂R1_3=100Ω,R1_4=1K,上桥臂R1_2=1K,Vcc=5V),所以Uba=5*[1K/( 1K+1K)- R1_3/( R1_1+100)]=-5* 100/( R1_1+100)
其中AR1作用是将电桥电位Vb、Va作差分比例放大作用,由差分比例运算放大电路的计算方式:Auf = Uo1/(U1_ - U1+)=- R1_8/R1_6(其中R1_8=100K,R1_6=10K,U1_ - U1+=-Uba)从而得到:Uo1=10Uba=25-50* 100/( R1_1+
100)。
图 3 温度测量信号处理电路
查资料可得PT100铂电阻的电阻-温度关系线性度非常好,电阻-温度的关系可以近似确实测量上限温度,Uo1=25-50* 100/( R1_1+100),当Uo1=5V时,可以计算出测量上限温度时对应的电阻为:150欧姆,查Pt100的分度表,可得:测量上限温度为131℃,即当t=0℃时,可得Uo1=0V;当t=131℃时,可得Uo1=5V。
A/D转换单元
经过温度信号测量处理电路后所得到的0—5V电压模拟信号要经过A/D转换后才能送给单片机,如下温度信号AD转换电路图所示,电压模拟信号输入给IN-0通道,转换完成后,输送给单片机的P0口。
图 4 温度信号AD转换电路图
其中ADC0809的A、B、C三个端口作为它IN0-IN8八个输入通道的选择信号,由于此处只用到了IN0通道,所以将此A、B、C三个端口全部接地,,单片机启动ADC0809的转换后,延时一段时间,然后程序采取扫描方式检测ADC0809是否转换结束,,当接收到一个高电平时,发出一个READ信号,使得ADC0809输出锁存缓冲器开放,将数据输送到数据线上,从而完成温度数字信号的采集过程。
该控制系统的输出模块
该控制系统的输出单元主要有三个:(1) 继电器输出控制加热执行机构的开与关。(2)当水温高于上限温度和低于下限温度时,系统进行声光报警。(3)数码管用于显示用户设定的温度、上限温度、下限温度和当前温度值。
继电器输出
加热执行机构的开与关状态由固态继电器来控制,如下图所示。
图 5 固态继电器输出电路
当系统采集到温度信号后与设定温度进行比较得到一个偏差,然后通过PID运算,,PWM波形的高电平期间,固态继电器SSR输入端IN1为高电平,从而OUT1和OUT2两触点闭合,将加热执行机构加热丝连入到交流220V回路中,控制加热机构对锅炉进行加热动作,与此同时工作指示灯LED点亮。PWM波形低电平期间,SSR输入端IN1为低电平,从而OUT1和OUT2两触点断开,将加热执行机构加热丝从220V回路中切断,控制加热机构对锅炉停止加热,与此同时工作指示灯LED点熄灭。
关于选用固态继电器