电加热锅炉的自动控制解析

电加热锅炉的自动控制

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学号：B11040120

日期：2014.5.20

摘要 (1)

第1章绪论 (2)

第2章控制要求 (3)

2.1 设计要求 (3)

第3章系统总体设计方案 (4)

3.1 总体设计方案 (4)

3.2 器件的选取 (4)

3.2.1 控制器的选取 (4)

3.2.2 电源选取 (6)

3.2.3 温度传感器选取 (6)

第4章硬件设计 (7)

4.1 时钟电路 (7)

4.2 复位电路 (7)

4.3 键盘电路 (8)

4.4 显示电路 (8)

4.5 温度检测电路 (9)

4.6 加热电路 (10)

第5章软件设计 (12)

5.1 系统主函数设计流程图 (12)

5.2 系统中断处理函数设计流程图 (13)

第6章系统调试与分析 (14)

6.1硬件调试 (14)

6.2软件调试 (14)

6.2.1软件电路故障及解决方法 (14)

6.2.2软件调试方法 (15)

参考文献 (17)

附录1 程序 (18)

近年来随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及具体应用对象特点的软件结合，以作完善。

本文从硬件和软件两方面来讲述电加热锅炉自动控制过程，在控制过程中主要应用AT89C51、ADC0809、LED显示器，而主要是通过DS18B20温度传感器采集环境温度，以单片机为核心控制部件，并通过数码管显示实时温度的一种数字温度计。软件方面采用汇编语言来进行程序设计，使指令的执行速度快，节省存储空间。为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了，使硬件在软件的控制下协调运作。而系统的过程则是：首先，通过设置按键，设定恒温运行时的温度值，并且用数码管显示这个温度值.然后，在运行过程中将采样的温度模拟量送入A/D 转换器中进行模拟/数字转换，再将转换后的数字量用数码管进行显示，最后用单片机来控制加热器，进行加热或停止加热，直到能在规定的温度下恒温加热。

关键词：单片机系统；传感器；模数转换器

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第1章绪论

选题背景及意义

二十一世纪是科技高速发展的信息时代，电子技术、微型单片机技术的应用更是空前广泛，伴随着科学技术和生产的不断发展，需要对各种参数进行温度测量。因此温度一词在生产生活之中出现的频率日益增多，与之相对应的，温度控制和测量也成为了生活生产中频繁使用的词语，同时它们在各行各业中也发挥着重要的作用。如在日趋发达的工业之中，利用测量与控制温度来保证生产的正常运行。在农业中，用于保证蔬菜大棚的恒温保产等。

温度是表征物体冷热程度的物理量，温度测量则是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位。而且随着科学技术和生产的不断发展，温度传感器的种类还是在不断增加丰富来满足生产生活中的需要。在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度，温度测量是工业对象中主要的被控参数之一。因此，单片机温度测量则是对温度进行有效的测量，并且能够在工业生产中得到了广泛的应用，尤其在电力工程、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中，担负着重要的测量任务。在日常生活中，也可广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合。但温度是一个模拟量，如果采用适当的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量虽不困难，但电路较复杂，成本较高。

我国的电加热锅炉在10多年前问世，由于受到当时电力因素的制约，发展非常缓慢，只有几个非锅炉行业的厂家在生产。1998年以来，特别是2000年，电热锅炉市场迅速发展。行业内许多厂家都已经或者正在准备生产电热锅炉。由于起步晚、规模小，电加热锅炉的控制水准很低，甚至很原始。电加热锅炉的控制与燃油（气）锅炉的控制有很大的不同：

1) 电流巨大，属大电流或超大电流控制;

2 ) 没有现成的燃烧器及其程控器，锅炉的加热过程和控制品质完全由自己决定;

3 ) 比燃油（气）锅炉的自动化程度和蓄热要求更高，外观要求也更现代、更美观。

因此，电热锅炉控制存在较大难度。1998年我们抓住了市场机遇，再次把工业控制技术应用于电加热锅炉控制领域，把大型电力负荷控制的成功经验移植到电加热锅炉的大电流控制上来，率先提出了电加热锅炉的循环投切和分段模糊控制的控制模式，较好地解决了电加热锅炉控制的理论和实际问题。

国内电加热炉的加热形式主要有以下两个：

1 电阻加热式

国内绝大多数厂家采用该方式，并选用电阻式管状电热元件。电阻加热方式的电气特点是锅水不带电，但在电加热元件漏水或爆裂时会使锅水带电或称漏电。另外，受电热元件绝缘导热层的绝缘程度的影响，电热管存在一定的泄漏电流。泄漏电流的国家标准是<0.5mA 。该方式在结构上易于叠加组合，控制灵活，更换方便。

2 电磁感应加热式

该方式的加热原理是：当电流通过加热线圈时，就会形成电磁场，把金属锅壳置于电磁场之中，就会使锅壳产生涡流，并导致其发热，从而完成对锅水加热的目的。其电流愈大，发热量愈大。电磁感应加热方式在工业上的应用较早，典型的应用就是中频加热炉。但是把它应用到锅炉上，确属首次，很有创意值得关注 。目前国内只有一家厂家生产这种电热锅炉。

该方式的优点是，与水和锅炉是非接触式加热，因此绝无漏电的可能性;另一个优点是该方式须用可控硅做驱动输出，因此具有无触点开关的独特优势;机械噪声小，可多级或无级调节，使用寿命长。

该方式的缺点是热效率比电阻加热方式要稍低，约96%。这是因为后者是直接与锅水接触加热，而前者是间接加热，况且作为功率驱动元件的可控硅元件，其本身也要消耗一定功率。

第2章 控制要求

2.1 设计要求 电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用并且在国民经济中占有举足轻重的地位。对于这样一个具有非线性、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好的控制效果。单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。采用单片机进行炉温控制可以提高控制质量和自动化水平。

在本控制对象电阻加热炉功率为800W ，由220V 交流电供电，采用双向可控硅进行控制。本设计针对一个温度区进行温度控制，要求控制温度范围50~150C 保温阶段温度控制精度为正负1度。选择合适的传感器，计算机输出信号经转换后通过双向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压。其对象问温控数学模型为 G(s) =1

+-s T e K d s d τ 其中，时间常数Td=350秒，放大系数Kd=50，滞后时间=10秒。