摘要

在锅炉运行过程中，知网论文查重锅炉液位是衡量系统的重要的参数，无论水位的数值过低或过高在一定程度上都会危害设备，甚至损坏。通过人工的方式进行调节，难以达到调节精度。本文利用STC12C5A60S2单片微机、WRT-136液位传感器、LCD1602显示电路单元、24C02数据存储芯片、电磁阀、水泵、蜂鸣器、发光二极硅管等，设计了液位调节系统。锅炉液位调节系统采用PID调节方法，调节供水电磁阀和电动机，实现对锅炉液位进行实时调节。采用试凑法进行PID调节参数的整定；同时锅炉液位调节系统能进行声光警示、存储运行过程中的数据。在系统设计基础上，进行实物化工作，并进行实验研究，实验时液位调节的误差小于5%。

前言

液位调节属于大学阶段本科课程中的过程调节学科的内容，内容主要运用于工厂锅炉的液位调节方面。而工厂中的锅炉有水位、阀门压力、炉内温度、炉壁压力、流量等参数的检查观测与调节，还有各种警示电路，lcd显示电路，保护电路等等外部设备。本设计应选题而言，主要针对液位的调节做出相关的设计与实现。

精准的液位调节控系统，能带来以下好处：1）给企业带来丰厚的效益回报；2）减小损耗，节省人力；3）增大工程应用之间调用的灵活性；4）降低操作人员的劳动量；5）减少设备维修费用；6）便于拆卸和清理。

本设计采用STC12C5A60S2单片微机及其相关外围电子电路和一定的电子元器件，支架、导线等硬件设备，结合Altium Designer软件绘制PCB样板，焊接，最后组装，编译代码，调试完成。

1 绪论

1.1 液位控制系统研究意义

自动调节理内容包括经典调节理论、现代调节理论两个方面。现在已进入了非线性智能调节理论发展的时期。从调节理论.论述的问题而论，很多关键性的、基本性.的问题，如可观测性、可控性、稳定性等.系统的相关性质，调节系统的综合方法，参数整定方法等在.传统调节中都建立了相对比较完善的理论体系。应用传统调节理论将可以基本满足工程技术及其它领域的需要。但是，随着现代工业和现代科学技术.的飞速发展，各个领域中的自动调节系统对.各种调节指标、系统稳定.性与适应能力的.要求越来.越高，应用范围也越来越广泛。特别是本世纪80年代末期以来，介于电子计算机的快速换代及其技术的高速发展，推动了调节理论研.究的深入发展，并进入了新的阶段。由.于这些种种的.迅速发展，以至于出现了.许多高级的调节算法。然而，以PID构成原理的.多种调节器仍是过程调节系统.中不可或缺的调节核心。至今，PID调节算.法仍在世界范围内.工业过程调节中流行，PID调节技.术已经得到了很好的发展，科研工作者.们提出了许多.调节系统的设计方法和参数.调整的方法。这是由于PID控.制具有容易实现、结构简单、调节效果.理想等特性，且PID算法.参数物理意义清.晰，原理直接简明，理论分.析体系完备，被广大调节工程师们所熟悉。

我们所了解的大多数的工业生产.过程一般都是.非线性的，因此，PID调节器的参数与系统所处的工作情况有关。当工作情况改变时，调节器参数的“理论最优值”就不同。此外，大部分的工业生.产过程的特性曲线随.时间变化，而PID的参数是根据过程运行参数及其变化来整定的。一般来说，过程特性的变化过大甚至剧烈将导致整个系统调节性能的恶化，也就是说，需要实时地对PID调节器的参数进行整定。传统的PID调节器参数是采用试验加试凑的方法由人工整定。这种整定工作不仅需要熟练的技巧，而且经常相当费时费力。更重要的是，当被控对象特性发生变化时，需要PID调节参数作相应调整，PID调节器没有这种“自适应”能力，只能依靠人工重新进行参数整定。考虑到生产过程的连续性以及参数整定所需的时间，这种重新整定实际很难进行，甚至几乎是不可能的。所以本设计只进行估略整定。

研究液位调节系统在工厂中的应用具有普遍意义，结合本科教材可知，主要是针对锅炉液位的调节。所以，设计一种调节及让其实现，具有很好的创新价值和实践价值。

1.2 液位控制系统研究现状

本液位调节主要采用PID调节算法。由于锅炉的时间常数比较大，具有较强的滞后作用，属于大惯性环节。液位调节在工业过程调节中非常普遍，具有滞后、非线性、时变性、数学模型难以准确建立等特性。应用常规的PID算法进行调节，存在PID最优参数整定困难，易出现较大的超调等问题。即便在某一工作点获得了最优的PID参数，仍存在在整个工作范围最优和保持长期工作最优等问题。在科学技术飞速进步、产品质量要求越来越高的今天，采用常规PID调节策略在很多工业过程中已经越来越跟不上生产发展的步伐。对此，一些科研人员根据不同岗位液位对象的特性及实现的可能性对液位对象的其他调节方案己做过较深入的研究和探讨。

中国民用航空学院的丁芳、李艳芳、费玉龙^[1]等人对液位对象设计了智能PID调节系统，主要是针对液位对象的大滞后、时变和非线性特性进行调节。实验表明该方法不仅简单、快速、精度高，而且具有较好的稳定性和抗噪声能力。

北方工业人学自动化研究所的马秀坤^[2]、孙德辉^[3]，哈尔滨理工大学的袁丽英、牟晓光^[4]，大连交通大学的聂冰、李文^[5]以及湖南建材高等专科学校的李祖林将模糊策略^[6]以不同的方式加于液位对象上，操作结果表明，他们的设计可行，且稳定性好，调节精度高，从不同侧面证实了模糊调节方案可以使液位系统获得较高的调节质量。

非线性是液位调节对象的一个重要特性。要对这种系统建立精确模型是一项非常困难的工作。常用的方法就是某一个工作点附近局部线性化，然而要进行准确的描述系统，就必须建立很多局部线性模型，这常常是很难实现的。在自适应调节中，系统运行过程中需要在线辨识系统参数，而在实际应用中，参数的收敛性和计算花销就会构成很大的问题。想解决这个问题，提出了用指数ARX模型来描述系统，这种方法采用离线辨识参数。并且，在此模型的基础土，他们设计了一个多步预测的调节器。实践应用表明，模型将可以很好的描述系统的的非线性动态特性，调节效果优异。

1.3 本文主要工作

(1)本文针对锅炉液位调节问题，利用STC12C5A60S2单片微机、WRT-136液位传感器、LCD1602显示电路单元、24C02数据存储芯片、电磁阀、水泵、蜂鸣器、发光二极硅管等，设计了锅炉液位调节系统。

(2)设计了基于增量式PID的锅炉液位调节方法。

(3)在锅炉液位调节系统的硬件电路基础上，进行了对应的软件设计。

(4)进行了锅炉液位调节系统设计的基础上，进行了实物化工作，并对此进行了实验研究。
2 液位控制系统硬件设计

2.1 系统总体结构

本设计采用下图所示结构：

图2-1 系统硬件结构框图

Fig.2-1 The structure chart of system’s hardware

本系统以STC12C5A60S2单片微机作构成CPU电路单元，复位电路，电源电路和晶振电路保障最小系统的基本工作；液位检查观测电路将液位信号转换成相应的电压信号，并传给单片微机；信号输出电路包括警示电路和LCD显示电路，将单片微机的信号输出显示出来；信号输入电路为键盘电路，用来进行手动调节系统状态；存储电路用来存储系统当前值，其作用是防止突然断电导致的数据丢失；驱动电路包括电磁阀和电机电路，是用来接收单片微机的驱动信号，以进行液位调节。

当系统液位超过设定值时,警示电路开始工作。

2.2 单片机选择及其复位电路设计

本设计选定STC12C5A60S2单片微机作为锅炉液位调节系统的核心。

2.2.1 STC12C5A60S2单片机特性

STC12C5A60S2单片微机具有如下特性：

(1)增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，程序指令代码完全兼容传统8051；

(2)工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V-3.3V（5V单片微机）

(3)工作频率范围：0 - 35MHz，相当于普通8051的 0～420MHz；

(4)用户应用程序空间8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字节；

(5)片上集成1280字节RAM；

(6)通用I/O口（36/40/44个），复位后：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），可设置成四种形式；

(7)ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器  可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，几秒即可完成一片；

(8)有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)；

(9)具有2种看门狗功能；

(10)内部集成MAX810专有复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）；

(11)PWM(2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）： ——也可用来当2路D/A使用 ——也可用来再实现2个定时器 ——也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)；

(12)A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)

(13)通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口；

(15)工作温度范围：-40 - +85℃(工业级) / 0 - 75℃(商业级)；

(16)封装： PDIP-40，LQFP-44，LQFP-48 。I/O口不够时，就可以用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口，还可用A/D来做按键扫描以节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。

2.2.2 STC12C5A60S2引针

STC12C5A60S2单片微机的引针如下图所示。

图2-2 STC12C5A60S2引脚图

Fig.2-2 The pins of STC12C5A60S2

VCC：供电电压； GND：接地；

P0口：P0口是一个8位漏极开路双向I/O口，每个引出端子可吸收8位TTL门电子流。当P1口的引出端子写入“1”时，被定义成高阻信号输入。P0将可以用于外部程序数据存储器，它可以被定义成数据/地址的第八位；

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口引出端子写入入“1”后，电位被内部上拉为高，可用作信号输入，P1口被外部下拉成低电平时，将信号输出电子流，这是由于内部上拉的缘故；

P2口：P2口是一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，信号输出4个TTL门电子流，当P2口被写入“1”时，其引出端子电位被内部上拉电阻拉高，且作为信号输入。作为信号输入时，P2口的引出端子电位被外部拉低，将信号输出电子流，这是由于内部上拉的缘故；

P3口：P3口引出端子是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收信号输出4个TTL门电子流。当P3口写入入“1”后，它们被内部上拉为成高电平，并用作信号输入。当成信号输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将信号输出电子流(ILL)，也是由于上拉的缘故。P3口也可作为51系列单片微机的一些特殊功能口：

P3.0：RXD(串行信号输入口)；

P3.1：TXD(串行信号输出口)；

P3.2：INT0(外部中断0)；

P3.3：INT1(外部中断1)；

P3.4 ：T0(记时器0外部信号输入)；

P3.5 ：T1(记时器1外部信号输入)；

P3.6 ：WR (外部数据存储器写入选通)；

P3.7 RD (外部数据存储器读取选通)；

同时P3口同时当做闪烁编程和编程校验接收一些调节信号：

RST：复位信号输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间；ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的信号输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引针用于信号输入编程脉冲。在一般状态下，ALE端以不变的频率周期信号输出正脉冲信号，此频率是振荡器频率的1/6。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的信号输出可在SFR8EH地址上置0；

PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在访问内部部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现；

EA/VPP：当EA保持低电平时，访问外部ROM；注意加密方式1时，EA将内部锁定RESET；当EA端保持高电平时，访问内部ROM。在FLASH编程期间，此引针也用于施加12V编程电源(VPP)；

XTAL1：反向振荡放大器的信号输入及内部时钟工作电路的信号输入；

XTAL2：来自反向振荡器的信号输出；