武冬梅

WU Dong-mei

（內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 市政與路橋?qū)W院，呼和浩特 010070）

0 引言

在中國，采用鍋爐取暖主要以煤為燃料，不僅是鍋爐取暖，我國能源的供應(yīng)也是以煤為主。燃氣代替燃煤采暖是改善北方地區(qū)冬季環(huán)境質(zhì)量的重要措施。我國北方城市多年來一直采用集中供熱方式，國內(nèi)外的運行情況說明，這種供熱方式技術(shù)上成熟[1]，也是比較經(jīng)濟的。但近年來隨著經(jīng)濟的發(fā)展和體制的改革，使集中供熱面臨著一些社會矛盾，主要是包燒費收繳困難及因此帶來的供熱質(zhì)量得不到保證。因此，家庭燃氣采暖方式越來越受到家庭用戶的青睞而得到發(fā)展。

在鍋爐汽包燃燒系統(tǒng)中安全是首要指標，在安全體現(xiàn)中溫度是核心因素，溫度過高或者過低都不利于鍋爐汽包燃燒系統(tǒng)的正常運行。溫度過高則會引起管壁結(jié)垢從而傳熱量效率變低，過低則會影響部分水冷壁的水循環(huán)，嚴重時還會引起爆炸，所以在鍋爐運行中，保證溫度在正常范圍是非常重要的。

1 系統(tǒng)邏輯設(shè)計

1.1 采暖系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1中主要加熱系統(tǒng)主要有：電暖器、電鍋爐、大型熱泵、家用熱泵。

1.2 溫度控制系統(tǒng)

圖1 各種形式的采暖供熱系統(tǒng)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。溫度采集器中爐出口溫度調(diào)節(jié)器輸出的溫度值傳給爐膛溫度調(diào)節(jié)器，爐膛溫度調(diào)節(jié)器把把該輸入值作為把本省調(diào)節(jié)器溫度設(shè)定值值[2]，同時在這個系統(tǒng)架構(gòu)中爐出口溫度為主被控參數(shù)，爐膛溫度為副被控參數(shù)。溫度信號可輸入溫度信號采集電路，進入到計算機控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置有A/D和 D/A轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)采用溫度串聯(lián)控制結(jié)構(gòu)以及在材料上采用了高精度的鉑電阻傳感器進行溫度測量與控制，且以單片機作為核心進行溫度控制，在軟件控制中采用通用PID算法，由PID運算進行數(shù)字信號和模擬信號的轉(zhuǎn)換。最有通過模型信號進行可控硅控制，最終實現(xiàn)對爐溫的高精度控制[3]。

圖2 溫度控制系統(tǒng)邏輯框圖

溫度控制部分采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，它能夠?qū)囟戎苯愚D(zhuǎn)換成數(shù)字信號，可以通過一根數(shù)據(jù)線與單片機進行通信，而且它不需要外部元件，在-10℃～85℃范圍內(nèi)可以精確到+0.5℃。完全滿足設(shè)計要求。這樣設(shè)計就可以不使用A/D轉(zhuǎn)換器，從而使系統(tǒng)的精度得以提高，也能夠大大節(jié)省單片機得系統(tǒng)資源，所以我又加了DS1302時鐘模塊電路，使時間能夠?qū)崟r顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 總體電路框圖

本設(shè)計以STC89C52RC單片機為主控核心設(shè)計的一個溫度控制系統(tǒng)，低溫時可控制加熱設(shè)備，高溫時控制風(fēng)扇，超出設(shè)定最高溫度值時蜂鳴器發(fā)出聲響報警。

STC89C52RC單片機為40引腳雙列直插芯片,有四個I/O口P0,P1,P2,P3, MCS-51單片機共有4個8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），每一條I/O線都能獨立地作輸出或輸入。

2.2 溫度采集設(shè)計

DS18B20在惡劣環(huán)境中具有抗干擾性的特點，其主要原因是支持一線總線，該技術(shù)比較適合在惡劣的環(huán)境溫度測量.它具有體積小等特點，在微小體積重集成了各類型傳感器和各種轉(zhuǎn)換電路。同時DS18B20的測量溫度范圍為-55℃～+125℃,在-10℃～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃，9～12位分辨率設(shè)置，精度為±0.5℃。以及報警溫度值設(shè)置固化入EEPROM。

DS18B20的主要特點：

1）電源：電源接入方式以及電源范圍更靈活與寬，支持數(shù)據(jù)線電源供電。

2）微處理器與DS18B20通信通信更加方便:支持通過單線鏈接實現(xiàn)雙向通信的功能；

3）組網(wǎng)方式更加靈活:支持多點組網(wǎng)，可以實現(xiàn)對點監(jiān)控與測溫度。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上只需要采用多個設(shè)備并聯(lián)在三線上即可。

4）高度集成：DS18B20體積小，但其內(nèi)部已經(jīng)集成了各類型的傳感器和轉(zhuǎn)換器。在于外界鏈接時候，不在需要單獨加入其它轉(zhuǎn)換器設(shè)備。

在溫度控制范圍以及可編程分別率范圍更寬，可以滿足高精度測溫的要求。

在可編程分別率中9位分別率和12位分別率在溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字速率可以達到93.75ms和75ms就可以實現(xiàn)溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字。

結(jié)果顯示更直觀和在抗干擾、糾錯能力上更強勁。直接進行數(shù)字溫度信號輸出與CRC校驗碼。

5）負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作[5]。

DS18B20中的VDD引腳可以解決電源電流不足的問題，可以保證設(shè)備的轉(zhuǎn)換精度，但需要注意的是在這種模式下GND引腳不能為空，負責(zé)會影響到設(shè)備的轉(zhuǎn)換。

在溫度數(shù)據(jù)采集過程中，設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸分為并行傳輸和串行傳輸，在本系統(tǒng)設(shè)計中主要采用并行數(shù)據(jù)傳輸，以字或字節(jié)為單位，這樣可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?/p>

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 總體軟件框圖

總體軟件框圖如圖3所示。

圖3 總體軟件框圖

3.2 溫度數(shù)據(jù)采集

單片機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換需要進行三個操作，第一個是復(fù)位操作，然后是發(fā)出ROM指令，最后進行RAM指令。當(dāng)設(shè)備發(fā)出60～240微秒低脈沖后表示復(fù)位成功。

3.3 PID控制程序設(shè)計

PID控制技術(shù)是在模擬量閉環(huán)控制工業(yè)領(lǐng)域中是最歷史悠久，最成熟的技術(shù)。其內(nèi)容包含：P(比例控制)、I(在積分控制)、D(微分控制)。

1）比例控制(P)：其具有能快速反應(yīng)的特點,雖誤差不能消除，但可以減少到最低，在內(nèi)容上控制器的輸出誤差與輸入誤差信號成正比。

2）在積分控制(I)：它具有消除余差的功能，但同時具有滯后性。其在控制關(guān)系上控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比。

3）在微分控制(D)中，具有誤差預(yù)測功能，但無法消除余差，其控制關(guān)系與輸入、輸出誤差信號微分成正比。

PID控制，中P,I,D 三者相互作用，只有當(dāng)找到P,I,D合理的平衡點，才可以發(fā)揮其最好搞的質(zhì)量控制。

3.3.1 PID控制算法

在本控制系統(tǒng)中，出口溫度傳感器的出口水溫度信號轉(zhuǎn)化為電流信號提供給爐膛溫度傳感器，同時爐膛溫度傳感器的溫度傳輸給DS18B20進行相關(guān)轉(zhuǎn)換。然后將兩路模擬信號經(jīng)通過PID模塊進行PID調(diào)節(jié)控制。

PID控制器通過回路輸出控制使系統(tǒng)達到穩(wěn)定值。偏差e和輸入量r、輸出量c的關(guān)系:

控制器的輸出為：

u(t )為PID回路輸出；

Kp為比例系數(shù)P；

Ti為積分系數(shù)I；

Td為微分系數(shù)D。

PID調(diào)節(jié)的傳輸函數(shù)為：

系統(tǒng)在處理這類函數(shù)時候，首先必須做到先把連續(xù)函數(shù)進行離散化，然后進行對離散化結(jié)果偏差進行周期性采樣，最后得出其結(jié)果。所以PID輸出經(jīng)過離散化后，它的輸出方程為:

式中，

up(n)=Kpe(n)為比例項；

從上面的式子可以看出積分項已經(jīng)包含了所有采樣周期的誤差累積值，所以當(dāng)進行計算時，所有誤差項不再使用，只需要保留積分累積項即可。所以在本系統(tǒng)中可以利用單片機中的PID指令實現(xiàn)位置式PID控制算法量。

3.3.2 回路輸入輸出變量的數(shù)值轉(zhuǎn)換方法

在本自動控制中，由于溫度信號和標準溫度信號不是一個級別，所以首先要先將測量的穩(wěn)定信號轉(zhuǎn)換為標準溫度值，這一個過程叫PV過程變量，過程變量主要和PID回路輸出有直接關(guān)系。所以溫度傳感器輸入電壓信號后經(jīng)過A/D,D/A轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換為整數(shù)值。以此同時由于PID執(zhí)行指令需要的是實數(shù)值，所以還需要通過DTR吧這個整數(shù)值轉(zhuǎn)換為實數(shù)型，在本設(shè)計中主要通過IW0讀入溫度讀入改實數(shù)值，其轉(zhuǎn)換程序如下:

3.3.3 實數(shù)歸一化處理

由于PID對參數(shù)輸入值范圍要求很嚴格，除了PID中采用時間和P，I，D參數(shù)外，其他輸入?yún)?shù)必須在0.0～1.0之間，必須對PV、SP結(jié)果值進行歸一化數(shù)據(jù)處理。其單極性的歸一化的公式：

3.3.4 PID參數(shù)整定

PID參數(shù)整定是指確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時間Ti和和微分時間Td三者指標的調(diào)整。其P,I,D數(shù)學(xué)表達式為：

在顯示生活中一般采用，經(jīng)驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法進行參數(shù)整定。

在本論文系統(tǒng)設(shè)計中采用經(jīng)驗法，其原理就是根據(jù)對具體控制對象的具體要求，從典型控制電路程序的總結(jié)經(jīng)驗中進行選擇、調(diào)試、修改梯形圖，以及通過反應(yīng)曲線進行參數(shù)調(diào)整，并總結(jié)出新規(guī)律。此種方法最大優(yōu)點就是不需要預(yù)先計算。

3.3.5 整定結(jié)果及分析

當(dāng)鍋爐鋼啟動加熱時，處于常溫，此時sppv=ΔU值很大，此時PID模塊就會采用P模式進行控制。使鍋爐不斷加熱，當(dāng)溫度超過30℃時由于sp-pv=ΔU變?yōu)樨摂?shù)，通過PID調(diào)節(jié)器進行對鍋爐減壓，使爐溫降低，最終實現(xiàn)sp-pv=ΔU為零時系統(tǒng)就達到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本論文中單片機按照一定的控制算法對采集的溫度數(shù)據(jù)進行處理，得到控制量，以控制電機的功率以及PID控制算法，從而實現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制。當(dāng)傳感器檢測出的環(huán)境溫度偏低時,控制繼電器,實現(xiàn)電暖爐的開與關(guān)的狀態(tài)；當(dāng)傳感器檢測出的環(huán)境溫度偏高時,隨著溫度的改變,控制電機的轉(zhuǎn)速作出相應(yīng)的改變；通過時鐘芯片DS1302自動控制電機,使其在某個時間段不工作。當(dāng)環(huán)境溫度超出了設(shè)定值時,蜂鳴器發(fā)出聲響報警。

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