过程控制系统_课程设计

过程控制系统 1 过程控制系统 绪论 在科技高速发展的信息时代，电子技术、微型计算机技术的应用更是空前广泛，伴随着科学技术和生产不断发展，需要对各种参数进行温度测量。在单片机温度测量系统中最关键的是测量温度、控制温度和保持温度，温度测量是对工业对象中主要的被控参数之一，因此单片机测量是对温度的有效的测量，并能在工业生产中得到广泛应用。 本次课设所研究的课题是“基于单片机的热水锅炉温度控制系统设计，主要介绍了对热水锅炉的温度显示、控制及报警、实现了温度的实时显示及控制。锅炉水温控制部分采用了 片机、 度传感器以及步进电机来实现，通过温度传感器 集环境温度，以单片机为核心控制部件将采集到的温度通过串口通信 入到电脑中，在电脑中通过 C 语言编程来控制单片机的工作方式，将程序下载到单片机中，通过设定温度与给定温度的比较来控制电机的正反转来模拟升温和降温使系统工作在设定的温度范围之内，当温度高于设定值时，通过电机正转来模拟开大冷水阀，进而使水温降低；当温度低于设定值时，通过电机反转来模拟关小冷水阀，进而使水温升高；直到在规定的温度范围内进行恒温加热。本 次课设通过 绘制人机交互界面设置温度的上下限。并且通过该界面可以实时显示当前的温度值，发出报警信号等，便于操作人员观察。 关键词： 片机 度传感器 串口通讯 进电机 过程控制系统 2 一 设计任务、要求和技术指标 计任务 系统构成： 系统主要由温度传感器，单片机控制系统、锅炉温度对象、执行器（查找资料自己选择）等组成。 温度传感器、控制器、执行器可查找资料自行选择，控制器选择单片机为控制器。单片机型号自选 写出温度测量与控制过程，绘制 温度控制系统组成框图。 （ 1）系统硬件电路设计自选。 温度测量程序、温度校准程序、温度控制程序等部分组成。 要技术指标 （ 1） 温度显示误差不超过 1。 （ 2） 温度显示范围为 0 99。 二、总体设计方案 计思路 本设计方案采用 片机作为控制器， 片作为温度传感器，步进电机作为执行器构成过程控制系统，来模拟热水锅炉温度控制系统。通过温度传感器 集锅炉水温，以单片机为核心控制部件将采集到的温度通过串口输入到电脑中，在电脑中通过 态 软件来显示实时温度和设置预置温度，并根据实时温度与预置温度的偏差大小控制进水阀门的开关，进而达到调节锅灶水温的目的。当实时温度高于设定值时，通过电机正转来模拟开大冷水阀，进而使水温降低；当温度低于设定值时，通过电机反转来模拟关小冷水阀，进而使水温升高；直到在规定的温度范围内进行恒温加热。本次课设通过绘制人机交互界面，设置所需温度值。 统总体框图 过程控制系统 3 统框图 三、 控制器 介 一种低功耗、高性能 微控制器，具有 8K 在系统可程 储器。使用 司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80品指令和引脚完全兼容。片上 许程序存储器在系统可编程亦适于常规编程器在单芯片上拥有灵巧的 8 位 在系统可编程得 众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 有以下标准功能： 8k 字节 256 字节 32 位 I/O 口线、看门狗定时器， 2 个数据指针、三个 16 位 定时器 /计数器、一个 6 向量 2 级中断结构、全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外 降至 0态逻辑操作， 上位机 电平转换 芯片 限报警 度芯片数据传输 步进电机 数据显示 程控制系统 4 支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下， 止工作允许 时器 /计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下， 容被保存振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。电路图如下： 四、 传感器 美国 导体公司最 新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9的数字值读数方式。 性能特点如下： 独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯 简单的多点分布应用 无需外部器件 可通过数据线供电 零待机功耗 测温范围 125，以 增。华氏器件 2570F，以 增 温度以 9 位数字量读出 过程控制系统 5 温度数字量转换时间 200型值） 用户可定义的非易失性温度报警设 置 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件。 测温原理如图 示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器 1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入， 图中还隐含着计数门，当计数门打开时， 对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量 次测量前，首先将 所对应的基数分别置入减法计数器 1 和温度寄存器中，减法计数器 1 和温度寄存器被预置在 所对应的一个基数值。 减法计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器 1 的预置值减到 0 时温度寄存器的值将加 1，减法计数器 1 的预置将重新被装入 ,减法计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数 ,如此循环直到减法计数器 2 计数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温图 2 中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性其输出用，于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被 测温度值，这就 是 测温原理。 另外，由于 线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对 各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化 复位脉冲） 发 能命令 发存储器操作命令 处理数据。 预 置低 温 度 系 数 振 荡 器高 温 度 系 数 振 荡 器斜 率 增 加 器计 数 器 1比 较预 置= 0温 度 寄 存 器计 数 器 2= 01停 止 1 2过程控制系统 6 图 温原理图 五、 接口通讯单元 51 单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行 串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是 平的，而单片机的串口是 平的，两者之间必须有一个电平转换电路，因此采用专 用芯片 行转换。 料简介 ： 该产品是由德州仪器公司（ 出的一款兼容 准的芯片。由于电脑串口 平是 10v，而一般的单片机 应用 系统的信号电压是 平 0 +5v,是用来进行电平转换的 ,该器件包含 2 驱动器、 2 接收器和一个电压发生器电路提供 平。 该器件符 合 准，每一个接收器将 平转换成 5平。每一个发送器将 平转换成 主要特点 ： 1、单 5V 电源工作 2、 艺技术 3、 两个驱动器及两个接收器 4、 30V 输入电平 5、低电源电流：典型值是 8、符合甚至优于 准 荐标准 、 护大于 法 3015）标准的 2000V 5 1 单 片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是 单片机的串口是 平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我采用了专用芯片 行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。 三、 系统总工作原理 过程控制系统 7 工作原理 本设计方案采用 片机作为控制器， 片作为温度传感器，步进电机作为执行器构成过程控制系统，来模拟热水锅炉温度控制系统。通过温度传感器 集锅 炉水温，以单片机为核心控制部件将采集到的温度通过串口输入到电脑中，在电脑中通过 态软件来显示实时温度和设置预置温度，并根据实时温度与预置温度的偏差大小控制进水阀门的开关，进而达到调节锅灶水温的目的。当实时温度高于设定值时，通过电机正转来模拟开大冷水阀，进而使水温降低；当温度低于设定值时，通过电机反转来模拟关小冷水阀，进而使水温升高；直到在规定的温度范围内进行恒温加热。本次课设通过绘制人机交互界面，设置所需温度值。 系统通过 测锅炉的水温， 为全数字式 的温度传感器，将所测温度以数字量形式传给 片机，单片机先不直接处理所测温度，而是将温度传给上位机，计算机通过 温度信息进行记录和处理然后又发送到单片机通过单片机控制执行器件。 对温度进行中值滤波以消除随机误差。然后再与设定温度相减以取得偏差，然后再根据偏差方向控制步进电机的正反转以调节冷水阀的开度。进而达到控制锅炉水温的目的 七、参考文献 1、 马淑华 单片机原理与接口技术 北京邮电大学出版社 2、 任彦硕 自动控制系统 北京邮电大学出版社 3、 谭浩强 C 语言程序设计 清华大学出版社 八、 结束语 通过本次课程设计，将之前所学的专业课单片机原理 、过程控制系统 、虚拟仪器 、 C 语言等课程有机的结合到了一起。将所学的知识付诸于实践是一件很兴奋的事情，这让我明白了自己所学的知识与实际的生产生活有着很大的联系。但通过本次课设我也发现了自己有很多不足之处，对编程缺乏兴趣、对一些本专业的软件不能熟练的掌握等缺点。因此，在即将到来的毕业设计中，我要主动去学习一些软件的用法，不拿不敢兴趣为理由，做出一个漂亮的作业。 过程控制系统 8 附录 1 源程序 /*主程序 */ # /包含单片机寄存器的头文件 #()函数定义的头文件 =0 =0 i,j; i=0;i=1; Q=1) 0 /如果读到的数 据是 1，则将 1 存入 0，则将 0 存入 程控制系统 11 /将单片机检测到的电平信号 入 ri ;1; /将 的各二进制位数据右移 1 位 ; /如果低 8 位大于 255，向高 8 位进 1 H*16+6; / 实 际 温 度 值 =(56+16, 即：6+6 /这样得出的是温度的整数部分 ,小数部分被丢弃了 6)*10/16; /计算温度的小数部分 ,将余数乘以 10再除以 16取整， H*16+6; / 实 际 温 度 值 =(56+16, 即：6+6 /这样得出的是温度的整数部分 ,小数部分被丢弃了 6)*10/16; /计算温度的小数部分 ,将余数乘以 10 再除以 16取整， /这样得到的是温度小数部分的第一位数字 (保过程控制系统 13 留 1 位小数 ) 0); N); D); (1) ; /电机正转 if(3) /退出此循环程序 if(2) ; /电机反转 if(3) /退出此循环程序 0 /串口接收中断函数 0,r=0; I) /查询接收标志位（有数据发送过来时置为 1） 0; /接收标志位清零 /存储缓冲区的数据 过程控制系统 14 附录 2 主程序框图 子程序框图（温度读写） 过程控制系统 15 附录三 精品文档 精品文档 精品资料 精品文档 - 精品资料 9g&6a*#͑E%&c c E%& !#͑c#&c K N&c c *a* #͑c 89#͑c c #E%&v xc *a*H$#͑c xc c c #͑c c c xc #E%&#&c A 5c A 5wcxc !U*3!c&!ccE%&U*3c c A 5xcU*3 c U*3c& !c u