人参加工温度控制系统.doc

。 目 录1 前言11.1 温度控制系统的目的11.2 本系统控制要求12总体方案设计23控制硬件设计33.1单片机系统33.1.1 80C52简介33.1.2单片机晶振电路设计33.1.3复位电路设计43.2温度检测电路43.2.1 热电偶的选型43.2.2 热电偶模拟电路设计53.3 A/D数模转换电路63.3.1 ADC0804数模转化器简介63.3.2 ADC0804数模转换电路73.4 D/A模数转换电路83.4.1 DAC0832模数转换器简介83.5 执行部分93.5.1 电动调节阀选型93.5.2 西门子（SIEMENS）电动执行器电路113.6 显示电路123.7报警电路124 PID控制算法设计134.1 PID控制的离散化134.2 数字PID位置型控制算法参数整定145 系统软件设计156 总结20致谢21参考文献22-可编辑修改- 1 前言1.1 温度控制系统的目的 目前在人参烘干技术上，尚不完善，往往采用个人经验的方式进行对人参烘干的处理，但其既浪费人力有浪费物理，为了提高生产效率和生产自动化，设计本系统，通过传感器进行烘干炉内温度的检测，通过单片机内部处理，然后将其输出给D/A转换模块，驱动电动调节阀来改变水蒸气流量，从而智能的调节烘干炉里的温度，提高其智能化。1.2 本系统控制要求本设计主要的技术要求有：1、现场温度值值可控制。2、温度最高值120。3、系统有必要的保护和报警。4、温度值要有显示。5、误差范围正负1通过温度控制系统完成人参烘干过程的温度自动控制。主要通过控制调节阀的开度来改变流入蒸汽的多少，从而改变温度达到控制的要求。2总体方案设计人参烘干温度控制系统主要完成从温度采样到控制温度的一个过程，所以在温度采样中需要一个将温度信号转换成电信号的传感器，并且为了让CPU处理此信号，需要一个模数转换器，将模拟信号转换成CPU能处理的数字量，在CPU内部进行工程量的转换与智能运算，本系统采用PID控制算法对偏差量进行控制输出，为了将输出转换为模拟量，所以需要一个数模转换器，此时将模拟输出量来控制电动调节阀，通过改变调节阀的开度来改变其流量，从而改变蒸汽的流入烘干炉里的速度，从而达到了控制目的，但在控制过程需要显示其当前的温度，因此需要显示电路，为了使其能够安全的运行，需要添加报警电路。综合上述控制过程，本温度控制系统需要：1、传感器模块，在现场采样温度。2、A/D模数转换模块，将采集的模拟量转换为数字量。3、D/A转换模块，将处理后的数字量，转换为模拟量，控制电动调节法。4、电动调节阀模块，改变调节阀的开度，从而改变其开度，控制蒸汽流量。5、报警模块，在温度超过设定温度时，通过听觉警示现场人员。6、显示模块，显示当前的温度7、必要的软件保护，能够及时的保护人参，避免造成不必要的损失。8、单片机，是本系统的控制核心。其控制方案如图2.1所示 图 2.1 方案流程图 3控制硬件设计3.1单片机系统3.1.1 80C52简介AT80C52是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含有4K bytes的可系统变成的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产。它集Flash程序存储既可在线编程也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT80C52单片机可为用户提供高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。3.1.2单片机晶振电路设计80C52单片机的时钟信号通常由两种方式产生。一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。只要在单片机的XTAL2和XTLA1引脚外接晶振即可。本系统采用内部时钟方式，晶振选取12MHZ，电路图如下图3.1，其中电容器C1和C2作用是稳定频率和快速起振。 图3.1 晶振电路图3.1.3复位电路设计复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。单片机的工作就是从复位开始的。一、 复位电路当80C52的RST引脚加高电平复位信号并保持2个以上的机器周期时，单片机内部就执行复位操作。复位信号变低电平时，单片机开始执行程序。实际应用中，复位操作有两种基本形式：一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。本系统采用上电与按键均有效的复位电路，如下图3.2所示。 由于本系统晶振为12MHz，所以选取C2为10uF，R14为8.2K 图3.2 复位电路图3.2温度检测电路3.2.1 热电偶的选型本设计选取WR系列装配式热电偶工业用装配式热电偶是一种常用温度传感器，通常与温度变送器、调节器及显示仪表等配套使用,组成过程控制系统 。可以直接测量各种生产过程中液体、蒸汽和气体介质及固体表面温度。本设计选择铜-铜镍，其具体参数如下表 表3.1 表3.2 表3.3 表3.4 3.2.2 热电偶模拟电路设计通过热电偶检测温度并转换为电压信号，因为其转换的信号为mV级，所以必须添加放大电路进行量程调整通过表3.5计算放电电路个参数。 表3.5由表3.5知，当检测温度为400是 热电偶输出端的电压为21mv，为了让其转换为V，所以应加放大电路进行调整。对于A/D转换过程中，基准电压为2.56V。满量程为设定为5V,当测得温度为200摄氏度时对应9.266mV所以放大电路Af=5/9.266*1000=540,如图3.2所示 图3.3 热电偶放大电路图 3.3 A/D数模转换电路3.3.1 ADC0804数模转化器简介所谓 A/D 转换器就是模拟/数字转换器（ADC），是将输入的模拟信号转换成数字信号。信号输入端可以 是传感器或转换器的输出，而 ADC 的数字信号也可能提供给微处理器，以便广泛地应用。ADC0804 的规格及引脚图8 位 COMS 依次逼近型的 A/D 转换器.引脚图及说明见图 3.4所示三态锁定输出 存取时间:135US 分辨率：8 位 转换时间：100US 总误差：正负 1LSB工作温度：ADC0804LCN-070 度1、/CS：芯片选择信号。2、/RD：外部读取转换结果的控制输出信号。/RD 为 HI 时，DB0DB7 处理高阻抗：/RD 为 LO 时，数字数据才会输出。3、/WR：用来启动转换的控制输入，相当于 ADC 的转换开始（/CS=0 时），当/WR 由 HI 变为 LO 时，转换器被清 除：当/WR 回到 HI 时，转换正式开始。4、CLK IN，CLK R：时钟输入或接振荡无件（R，C）频率约限制在 100KHZ1460KHZ，如果使用 RC 电路则其振荡频率为 1/（1.1RC）5、/INTR:中断请求信号输出,低地平动作.6、VIN(+) 、VIN(-) :差动模拟电压输入.输入单端正电压时, VIN(-)接地:而差动输入时,直接加入 VIN(+) 7、VIN(-). AGND,DGND:模拟信号以及数字信号的接地. VREF:辅助参考电压.8、DB0DB7:8 位的数字输出.9、VCC: 电源供应以及作为电路的参考电a压与满刻度的比率相对电压值 VREF=2.560 伏。 图3.4 ADC0804引脚图3.3.2 ADC0804数模转换电路ADC0804是8位全MOS中速A/D 转换器、它是逐次逼近式A/D 转换器，片内有三态数据输出锁存器，可以和单片机直接接口。单通道输入,转换时间大约为100us。ADC0804 转换时序是：当CS0 许可进行A/D 转换。WR由低到高时，A/D开始转换，一次转换一共需要6673 个时钟周期。CS与WR同时有效时启动A/D转换，转换结束产生INTR 信号（低电平有效），可供查询或者中断信号。当CS=0和RD=0 时可以读取数据结果。ADC0804模拟电路设计如图3.5所示 图3.5 ADC0804模数转换电路3.4 D/A模数转换电路3.4.1 DAC0832模数转换器简介DAC0832是8位全MOS中速D/A 转换器，采用R2RT 形电阻解码网络，转换结果为一对差动电流输出，转换时间大约为1us。使用单电源+5V+15V 供电。参考电压为-10V+10V。在此我们直接选择+5V 作为参考电压。DAC0832 有三种工作方式：直通方式，单缓冲方式，双缓冲方式；在此我们选择直通的工作方式，将XFERWR2CS 管脚全部接数字地。管脚8 接参考电压，在此我们接的参考电压是+5V。我们在控制P0口输出数据有规律的变化将可以产生三角波，锯齿波，梯型波等波形了。DAC0832是20引脚的双列直插式芯片。各引脚的特性如下：1、片选信号，和允许锁存信号ILE组合来决定是否起作用。2、ILE允许锁存信号。3、写信号1，作为第一级锁存信号，将输入资料锁存到输入寄存器（此时，必须和、ILE同时有效）。4、写信号2，将锁存在输入寄存器中的资料送到DAC寄存器中进行锁存（此时，传输控制信号必须有效）。5、传输控制信号，用来控制。6、DI7DI08位数据输入端。7、IOUT1模拟电流输出端1。当DAC寄存器中全为1时，输出电流最大，当DAC寄存器中全为0时，输出电流为0。8、IOUT2模拟电流输出端2。IOUT1+IOUT2=常数。9、RFB反馈电阻引出端。DAC0832内部已经有反馈电阻，所以，RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端。相当于将反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端之间。10、VREF参考电压输入端。可接电压范围为10V。外部标准电压通过VREF与T型电阻网络相连。11、VCC芯片供电电压端。范围为+5V+15V，最佳工作状态是+15V。12、AGND模拟地，即模拟电路接地端。13、DGND数字地，即数字电路接地端。3.4.2 DAC0832模数转换电路DAC0832电路图如图3.6所示 图3.6 DAC0832模数转换电路3.5 执行部分3.5.1 电动调节阀选型采用德国西门子（SIEMENS）电动执行器，可以接受各种控制信号，并具有断电自动关闭热源功能、在系统突然断电情况下保护下有设备，实现最佳的安全控制。西门子电动调节阀的适用介质：蒸汽、冷/热水及其它非腐蚀性介质流体的流量调节，从而实现调节系统的温度、湿度、压力、流量的功能。西门子电动调节阀的特点：采用原装进口德国西门子液压弹簧复位执行器，具有功耗低，输出力量大，响应时间短、到位迅速等特点。接受控制系统输出的开关量或标准模拟量（DC0-10V或DC4-20mA）控制信号，并同时输出阀位反馈信号。GLPD系列电动调节阀采用平衡时阀体，内置平衡组件；可在大压差工况下长期稳定、精确控制。阀体外密封采用V型环高温密封组件，排除阀杆卡死或泄漏的隐患。阀芯和阀口一对一研磨，确保内泄漏量低于国家标准。阀体GB法兰连接，安装方便，公称通径15mm-300mm一、 西门子电动调节阀的工作原理如图 图3.7 电动调节阀工作原理图二、西门子电动调节阀的外形尺寸如图3.8和表3.6 图3.8 外形尺寸 表3.6 三、西门子电动调节阀的技术参数如表3.7 表3.73.5.2 西门子（SIEMENS）电动执行器电路由表3.7知，执行器的控制信号为010V或者420ma所以要通过V/I转换器和放大器来处理经过数模转换后的模拟量。本设计选择用电流控制执行器所以需要V/1转换电路，经设计其控制电路如下图3.8所示 3.8 电动执行器控制电路3.6 显示电路LED数码管发光度高，相应时间快，高频特性好，驱动电路简单。所以本设计采用LED方式进行温度显示。电路如图3.9所示 图3.9 数码管电路图3.7报警电路 由于在温度过程中，往往可能会有突发事件，导致炉内温度超过允许值导致不必要的经济损失，所以必要的报警电路是必不可少的。在生产过程中报警电路能警示人们能做出调整方案来解决突发事件。是经济财产不受损失。本设计采用报警电路图如3.10图所示，有三极管的导通与关断来控制蜂鸣器的发声。起到报警的效果。 3.10图 报警电路图4 PID控制算法设计 4.1 PID控制的离散化本系统所用的调节器为PID调节器，其模拟PID控制规律为 式中为比例系数；为控制量的基准；为积分时间常数；为微分时间常数在模拟调节器的基础上，通过数值逼近的方法，用求和代替积分、用后向差代替微分、使模拟PID离散化变为差分方程。可作如下近似 以上式中 T为采样周期；k为采样序号采用这种近似方法，可以得到以下俩种标准的数字PID控制算法，其中一种是数字PID位置型控制算法，也是本系统采用的。而数字PID位置型控制算法为 式中表示的控制算法提供了执行机构的位置,所以被称为数字PID位置型控制算法。其中令式中 其中为比例增益 4.2 数字PID位置型控制算法参数整定 本设计采用先确定增益的方法确定PID个参数，通过临界增益得到 震荡周期为225秒，通过表4.1计算得；由公式得 ；根据公式得 表4.1Ziegler-Nichols参数控制器KpTiTdP0.50*Kc/PD0.65*Kc/0.12*PcPI0.45*Kc0.85*Pc/PID0.65*Kc0.5*Pc0.12*Pc仿真图如图4.1所示 图4.1 仿真图 5 系统软件设计通过控制要求，和控制方案的设计，可获得如下图的系统软件的流程图如图5.1所示 图5.1 系统软件的流程图系统软件如下：#include#define uint unsigned int #define uchar unsigned char #define ppid-kp 5.98#define ppid-ki 0.266#define ppid-kd 134.55sbit bee=P37sbit dawr=P36;sbit csda=P32;uchar a,j,k;sbit dula=P30;sbit wela=P31;sbit d1=P10;uchar num;uchar sp,sp1,sp2;float SystemSetTemprature；float ST；uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;void delay(unsigned char i) /延时子函数for(j=i;j0;j-)for(k=125;k0;k-);Void AD（） /AD采样数据处理函数p3=0xff;p33=0;p35=0;delay(20);p35=1;if(p32=1);p33=1;delay(20);p1=0xff;p33=0;p34=0;delay(20);p34=1;sp=P1;sp1=sp;sp2=sp1;SystemSetTemprature=sp/3+sp1/3+sp2/3;p33=1; void DA() /DA 数据处理函数csda=0;dawr=0;while(1)P0=Last_Out;delay(50);void shumaguan() /数码管显示函数ST= SystemSetTemprature*2.560/136;T=ST*40;bai=T/100;shi=T%100/10;ge=T%10;wela=1;P0=0xf7;wela=0;dula=1;P0=tablebai;dula=0;delay(1000);wela=1;P0=0xfb;wela=0;dula=1;P0=tableshi;dula=0;delay(1000);wela=1;P0=0xfd;wela=0;dula=1;P0=tablege;dula=0;delay(1000);void bee() /报警处理函数If (SystemSetTempratureSystemRealTemprature) Bee=1; Delay(500);Bee=0; Delay(500);Void PID(void) /数字pid控制算法函数 float xdata pterm,iterm,dterm; ppid-pv = SystemRealTemprature; ppid-sp = SystemSetTemprature;ppid-errk = (float)(ppid-sp - ppid-pv); pterm = ppid-kp * ppid-errk; ppid-sum += ppid-errk; iterm = ppid-ki * ppid-sum; dterm = ppid-kd * (ppid-errk - ppid-errk_1); ppid-Last_Out = pterm + iterm + dterm; ppid-errk_2 = ppid-errk_1; ppid-errk_1 = ppid-errk; if(ppid-Last_Out SampleT) ppid-Last_Out = SampleT; else if(ppid-Last_Out Last_Out = 0; return (UINT16)ppid-Last_Out; Void main()AD();DA();Shumaguan();Bee();PID();If(T=130) /紧急保护处理 While(1) P0=0x00; 6 总结本设计对我来说，认识了什么是数字PID，学会了如何其用在实际应用中。在设计过程中，发现自己在专业知识上很欠缺