1 前言

自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统的发展迅速，并在智能化、自适应、参数整定等方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪表，并在各行广泛应用。

随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法各不相同;产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同，因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统的控制方式已不能满足高精度、高速度的控制要求， 如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。

电加热锅炉采用全新加热方式，它具有许多优点，使其比其他形式的锅炉更具有吸引力：

(1)无污染。不会排放出有害气体、飞尘、灰渣，完全符合环保方面的要求。 (2)能量转化效率高。加热元件直接与水接触，能量转换效率很高，可达95%以上。 (3)锅炉本体结构简单，安全性好，不需要布管路，没有燃烧室、烟道，不会出现燃煤、燃油、燃气的泄漏和爆炸危险。 (4)结构简单、体积小、重量轻，占地面积小。

锅炉温度控制是目前工业生产过程中经常会遇到的一种过程控制，在一些工艺的过程中对温度的控制效果将直接对产品的质量产生影响，因而设计一套理想的锅炉温度控制系统是十分有价值的。

根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)、进行控制(PID控制)，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。PID控制器问世至今有近70年历史，它以结构简单、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。

2 控制系统方案设计

电热锅炉的温度控制系统主要包括：单片机、键盘显示模块、温度采集模块和控制执行机构等四大部分组成。采用单片机AT89S52为主控芯片。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构建差分放大器，将温度信号转换成ADC0809模拟通道的输入0-5V标准信号，再由ADC0809将模拟信号转换成八位数字信号，传送给单片机P0口，单片机将实时温度和设置参数通过数码管显示出来，同时通过键盘输入设定温度，单片机将设定温度同ADC0809传送过来的数据进行比较运算，利用PID运算，作出相应的判断，从单片机P1.0输出一个PWM波形来控制固态继电器的导通与关闭，从而控制锅炉的加热丝在一个固定周期中通电加热时间的长短来达到恒温控制的目的。系统原理框图如图2所示。

图 1 控制系统设计总体框图

　　图 2 PID 控制系统结构图

3 PID控制系统

PID 控制器可以方便地实施多种控制算法，多年以来，在过程控制中，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器(亦称PID调节器)，是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点;选择系统调节规律的目的，是使调节器与调节对象能很好的匹配，使组成的控制系统能满足工艺上所提出的动、静态性能指标的要求。

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t)，即e(t)=r(t)-c(t)

将偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对过程对象进行控制，故称为PID控制器。控制规律为:

或以传递函数形式表示：

其中Kp—比例系数, Ti—23积分时间常数 Td—微分时间常数。

4 硬件电路设计

硬件电路主要有两大部分组成：模拟部分和数字部分;从功能模块上来分有：主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行电路。

4.1 主机电路的设计

主机选用atmel公司的5 1系列单片机AT8 9s52来实现， 利用单片机软件编程灵活、自由度大的特点， 力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。本系统选用的at89s52芯片时钟可达12mhz，运算速度快，控制功能完善。其内部具有128字节ram，而且内部含有4kb的flash rom ，不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单、实用。

4.2 I/O通道的硬件电路的设计

就本系统来说，需要实时采集水温数据，然后经过a/ d转换为数字信号，送入单片机中的特定单元，然后一部分送去显示;另一部分与设定值进行比较，通过PID算法得到控制量，并经由单片机输出控制电热锅炉加热或降温。

4.2.1 数据采集电路的设计

数据采集电路主要由AD590、0p-07、74ls373、AD574a等组成。由于控制精度要求为0.1度，而考虑到测量干扰和数据处理误差，则温度传感器和ad转化器的精度应更高才能保证控制精度的实现，这个精度可粗略定为0.1度。故温度传感器需要能够区分0.1度;而对于ad转换器，由于测量范围为40-90度，以0.1度作为响应的ad区分度要求，则ad需要区分(90-40)/0.1=500个数字量，显然需要10位以上的ad转换器。为此，选用高精度的12位ad574a。

4.2.2 电控制执行电路的设计

由输出来控制电炉，电炉可以近似建立为具有滞后性质的一阶惯性环节数学模型。其传递函数形式为：

可控硅可以认为是线形环节实现对水温的控制。单片机输出与电炉功率分别属于弱电与强电部分，需要进行隔离处理，这里采用光耦元件tlp521 ，在控制部分进行光电隔离，此外采用变压器隔离实现弱强电的电源隔离。

单片机pwm 输出电平为0时，光耦元件导通，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射集反向偏压，有7v 左右的电压加在双向可控硅控制端，从而使可控硅导通，交流通路形成，电阻炉工作;反之单片机输出电平为0时，光耦元件不能导通， 三极管不能形成有效偏置而截止，可控硅控制端电压几乎为零，可控硅截止从而截断交流通路，电炉停止工作。此外， 还有越限报警， 当温度低于下限时发光二极管亮; 高于上限时，蜂鸣器叫。控制执行部分的硬件电路如图3 所示。

图 3 控制执行部分电路

4.3 键盘及显示的设计

键盘采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计， 低电平有效。按键an1,an2,an3,an4, an5的功能定义如下: an1:复位键;an2：运行键;an3：功能转换键;an4：加一键;an5：减一键。

按键an3与p3.2相连，采用外部中断方式，并且优先级定为最高;按键an5和an4分别与p1.7和p1.6相连，采用软件查询的方式;an1则为硬件复位键，与r、c构成复位电路。

按键按下(d1亮)时，显示温度设定值，设定温度渐次减一;按键升起(d1不亮)时，显示前温度值，设定温度渐次加一。

5 系统软件设计

系统的软件由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。

5.1 主程序模块

在主程序中首先给定PID算法的参数值，然后通过循环显示当前温度，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;软件设定定时器t0为5秒定时, 在无键盘响应时每隔5秒响应一次，以用来采集经过A/D 转换的温度信号，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。在主程序中分配好每一部分子程序的起始地址，主程序流程图如图4 所示。

图 4 主程序流程图

5.2 功能实现模块

以用来执行对可控硅及电炉的控制。功能实现模块主要由A/D 转换子程序、中断处理子程序、键盘处理子程序、显示子程序等部分组成。

该中断是单片机内部5s定时中断，优先级设为最低，但却是最重要的子程序。在该中断响应中，单片机要完成A/D数据采集转换、数字滤波、判断是否越限、标度转换处理、继续显示当前温度、与设定值进行比较，调用PID 算法子程序并输出控制信号等功能。　

5.3 PID算法子程序

系统算法控制采用工业上常用的位置型PID 数字控制，并且结合特定的系统加以算法的改进，形成了变速积分PID一积分分离PID控制相结合的自动识别控制算法。该方法不仅大大减小了超调量，而且有效地克服了积分饱和的影响， 使控制精度大大提高。P I D 控制算法的流程图如图5所示。

图 5 PID 控制算法流程图

6 结论

在此系统设计中，用单片机作为主控芯片，通过电桥使得PT100来检测温度模拟信号，然后进行模/数转换并传送给单片机把数据进行进一步处理后一方面送给LED实现实时显示，并判断是否需要报警，通过与给定值进行比较，然后根据偏差值进行PID运算，此外程序需要对5个设置按键进行循环扫描，一旦有键按下，会做出相应设置过程。此系统软件控制部分采用经典的PID算法控制，方法简单且对锅炉温度恒温控制起到良好的效果。