毕业设计（论文）-基于单片机的温度控制系统设计.doc

兰州理工大学毕业设计说明书I摘要在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中，温度控制越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可实现对数字信息的处理和控制。因此，单片机广泛用于现代工业控制中。本论文侧重介绍“单片机温度控制系统”的硬件设计及相关内容。论文的主要内容包括：采样、滤波、键盘、LED显示和报警系统，温度PID调节系统等。作为控制系统中的一个典型应用设计，单片机温度控制系统综合运用了微机原理、自动控制原理、模拟电子技术、数字控制技术、键盘显示技术等诸多方面的知识。关键词：MCS；温度控制；PID；控制系统兰州理工大学毕业设计说明书IIAbstractWithscientificconstantprogress,inindustrialproduction,electriccurrent,voltage,temperature,pressurearemainlycommonlyused.especiallyintheheattreatmentindustry,theaccuratetestandcontrollingoftemperatureisveryimportant.Inalotoffields,forexample:Inmetallurgicalindustry,chemicalproduction,powerengineering,machinemanufactures,foodprocessing,familyandindustryheatetc.peopleneedtoheatingfurnace,heat-treatmentfurnaceandallkindsofresponsestoveandboilertemperaturemeasureandcontrol,throughsoftwaredesign,toreachtheintelligentcontrolfinallyandrealizetheinteractivefunction.AdoptSingle-ChipMicrocomputerisitcontrolconvenient,simple,flexibilityadvantagesuchasbeingheavytohavenotmerelytocontroltogoontotemperaturetocome,andcanraisebytechnicalindicatornottoaccuseoftemperaturebyalargemargin,thuscanbigimprovementqualityandthequantityofproducts.SothecontrolproblemtothetemperatureofSingle-ChipMicrocomputeristhecontrolproblemconstantlybeabletoencounterintheindustrymanufacture.Thispaperfocuseson"MCStemperaturecontrolsystem"hardwaredesignandrelatedcontent.Thecontentofthisthesismainlyincludes:introduces,filteringware,keyboard,man-computerdialoguesupportedbyLEDindication,heatcontrolmethod.Asatypicalexperimentaldesignincontrolsystem,MCStemperaturecontrolsystemintegrateduseofcomputertheories,Controltheory,analogelectronics,digitalcontroltechnology,thekeyboardanddisplaytechnologiesinmanyaspectsofknowledge.Keywords：MCS；temperaturecontrol；PID；ControlSystem兰州理工大学毕业设计说明书III目录摘要第一章概述.11.1选题背景.11.2加热炉工艺简介.11.2.1加热炉.11.2.2三段连续推钢式加热炉.21.2.3加热炉的状况、功能及技术指标.31.2.4加热炉的工艺要求.31.2.5加热炉的燃烧和钢坯加热过程简述.31.2.6计算机控制的基本要求.41.3设计内容.41.4解决的关键问题.4第二章设计方案论证.62.1控制系统选择：.62.1.1方案一：单回路反馈控制系统.62.1.2方案二：串级控制系统.62.1.3方案三：前馈控制系统.72.2系统硬件设计：.82.2.1硬件组成.82.2.2模块作用.9第三章系统硬件电路设计.103.1单片机选型.103.1.1主要功能.103.1.2内部结构图.113.1.3外部引脚说明.113.1.4中断系统.143.2A/D转换器概述.143.2.1A/D转换器选型.143.2.2AD0809引脚图.153.3D/A转换器简介.163.3.1性能简介.163.3.2D/A转换器选型.163.3.3DAC1208内部结构图.173.3.4DAC1208引脚图.173.3.5DAC1208与单片机的接口：.183.4I/O扩展：.19兰州理工大学毕业设计说明书IV3.4.1扩展I/O口芯片选择.193.4.28155内部结构框图：.193.4.28155引脚图：.203.4.38155与单片机连接.213.5地址锁存器概述：.223.5.1锁存器选择.223.5.274LS373引脚图：.233.5.374LS373与单片机相连.233.6存储器的扩展：.243.6.1存储器选型.243.6.2存储器管脚图.253.6.32764A工作方式.263.6.42764A与单片机的连接.263.7按键、LED显示器的设计：.263.7.1按键的设计.263.7.2键盘工作原理.293.8传感器及变送器.313.8.1热电偶的特性.313.8.2热电偶型号的选择.323.8.3温度传送.323.8.4流量传感器.333.8.5传感器和信号转换器电气接线图（一体式安装）.343.8.6仪表的规格.353.9HONEYWEL电动线性调节阀.363.9.1电动线性调节阀特点和性能规格.373.9.2阀门放大电路.373.10源模块的设计.383.11.1电源设计.38第四章系统软件设计.394.1主程序和中断服务程序：.394.1.1主程序流程图：.394.1.2中断程序的流程图：.394.2键盘扫描程序.404.3温度检测子程序：.414.4温度控制子程序：.424.5温度越限报警子程序：.434.6控制算法子程序：.444.6.1增量式PID调节器.44兰州理工大学毕业设计说明书V4.6.2单字节带符号数的减法子程序.464.6.3双字节带符号数的加法子程序：.474.7显示子程序：.484.8系统设计的内存分配.49第五章设计总结.51附录1程序清单：.54附录2：外文翻译.65兰州理工大学毕业设计说明书1第一章概述加热炉是种类繁多的工业炉窑中的一种，轧制生产线上的主要工艺设备之一，其作用是将钢坯加热到轧制所要求的温度。这种设备一方面耗能大另一方面控制起来困难，一直是自动化生产中急需要解决的问题之一。目前国内仍有大量的加热炉停留在简单的人工控制或者通过电子仪表进行手工电动操作，这种操作方式劳动强度大、控制粗糙、节能效果不好、对操作工的水平要求较高。随着要求高效利用能源和降低环境污染等问题的日益急迫，急需对加热炉之类的工业炉窑实行优化控制以实现节能降耗和降低对环境的污染。1.1选题背景加热炉的燃料有重油、柴油、煤气、天然气等。许多中大型轧钢厂通常是采用高炉炼钢所产生的高炉煤气和焦炉炼焦所产生的焦炉煤气，并将它们按一定的比例混合作为加热炉的燃料，其次是以重油为燃料，也有两者混合燃烧的。本论文源于南钢中板厂二号加热炉，燃料基本为高炉焦炉混合煤气。七十年代以来，国际上主要从两方面(设备方面和自动控制方面)采取措施以降低加热炉的能耗。在设备方面，诸如采用新型烧嘴，高性能炉体包扎材料，烟道换热器以及炉径管绝热包扎等，以尽量提高炉内热量的利用率；在自动控制方面则主要是采用合理的控制策略，使炉内燃烧尽可能完全，以及恰当地使钢坯加热到目标温度。这两方面的工作都取得了不小的进展，使得加热炉的平均耗能大幅度地降低。早期的加热炉的自动控制工作主要在常规燃烧控制上，如加热炉各主要过程变量的定值控制，炉温与燃料流量的串级控制，燃料与助燃空气的比值控制以及烟道废气的含氧量控制等，其直接目标是获得较为稳定的炉子工况及合理的燃烧过程，追求最佳燃烧。国内加热炉的控制水平与先进国家相比还存在较大的差距，加热炉控制大多停留在常规的燃烧控制阶段，更有许多处于手工操纵阶段。总的来说，加热炉的高级计算机控制策略尚处在初级阶段，有关技术还不成熟。本文对加热炉温度控制技术的研究主要集中在三个方面:其一是燃烧控制技术究；其二是温度调节器的研究；然后是各段炉温的优化设定研究。这三个方面工作相辅相成，综合构成了加热炉的最优控制技术的主要方面。因本人水平有限，文中错误在所难免，敬请老师和专家批评指正，不胜感激。1.2加热炉工艺简介本节就加热炉的基本情况及其对加热炉的控制要求和影响炉温控制的因素作一些必要的介绍和分析。1.2.1加热炉加热炉是钢铁企业的重要设备之一，属于工业窑炉的一种，主要用于在钢材轧制前兰州理工大学毕业设计说明书2对钢材进行加热。由于不同的钢材在加热到不同的温度时其特性不同，且在高温下便于轧制，所以就必须根据生产需要和钢材特性使炉膛温度保持在特定的范围内，以使出炉的钢材温度满足轧制要求。目前加热炉的种类很多，各个钢铁企业根据自身的生产情况设计了不同类型的加热炉，主要有连续式加热炉、斜底式加热炉、室状加热炉、环行加热炉、步进式加热炉。1.2.2三段连续推钢式加热炉连续式加热炉是将需要加热的钢坯从炉尾由推钢机推入，然后在炉膛中进行加热，按照工艺指标达到加热要求后的钢坯再从炉头有出钢机推出。由于钢坯是不断地一根接一根由炉尾推入，加热后由炉头推出，生产过程是连续的，故称为连续式加热炉。连续式加热炉可分为一段式、二段式、三段式、和多段式。图1-1和图1-2分别为二段式和三段式加热炉的简图。图1-1二段连续式加热炉结构简图图1-2三段连续式加热炉结构简图产量低或以普碳钢为主的工厂，一段式和二段式的连续加热炉可满足生产的需要；产量高或以合金钢为主的工厂，多采用三段式和多段式的连续加热炉。本文的研究对象是三段连续推钢式加热炉。图1-2也是它的结构示意图。由于设计的重点不是其生产原理和生产过程，故不再一一陈述。下面简要画出其工艺流程图，如图1-3：