造纸原料蒸煮过程温度微机控制系统.doc

目 录1 前 言12 总体方案设计23 系统硬件设计33.1电源模块33.2温度检测与变送43.3 AD/DA转换器53.4隔离输出电路53.5显示电路64 主要芯片资料74.1 MSP430单片机介绍74.2 INA115仪用运放介绍94.3 ISO1002隔离放大器介绍95 总结体会116 致谢127 参考文献13附录1：硬件电路原理图14附录2：部分程序151 前 言蒸煮过程是制浆造纸生产中的关键工序之一，对于整个造纸生产过程中纸浆得率和纸的质量有很大影响。它要求根据原料的特点、纸浆的质量和生产设备的实际情况制定出合理的蒸煮工艺，确定装球量、用碱量、蒸煮温度和压力。造纸厂蒸煮车间有五个蒸球，依靠调节其进气量以达到控制蒸球工作压力和温度，调节喷料阀控制装料量。人工控制准确性和实时性差，浪费能源。因此需要用微机控制技术实现该过程的自动控制。本设计利用铂热电阻来检测温度，铂热电阻输出一个电压信号，经过后级信号处理电路处理，再经过A/D转换，实现模拟的温度转化为数字量的过程。单片机通过数据处理，再控制D/A转换器输出，D/A转换的输出电压经隔离放大器放大后控制电动调节阀，从而调整蒸球的进气量，从而实现实际工作温度严格按照给定的温度曲线工作。2 总体方案设计本设计的造纸原料蒸煮过程温度微机控制系统装置，通过铂热电阻来检测温度，铂热电阻输出电压信号，经过后级信号处理电路处理后，最后经过AD转换，实现模拟的温度转化为数字量的过程。单片机通过数据处理，再控制DA转换器输出，DA转换的输出电压经隔离放大器放大后控制电动调节阀，从而调整蒸球的进气量，从而实现实际工作温度严格按照给定的温度曲线工作。本设计的电路结构比较简单，使用元件相对较少，使其制作成本大大降低，经济实用，具有较高的性价比。图2.1即为造纸原料蒸煮过程温度微机控制系统的方案框图，其主要组成电路为：电源电路、温度变送器、AD转化电路、显示器电路、DA转化电路、隔离放大器组成。电源电路采用7805、7905稳压器实现，温度变送器采用铂热电阻和INA115实现温度变送功能，AD和DA转换电路由MSP430片内AD、DA实现，从而也降低了成本，隔离放大器采用ISO1002实现隔离放大。MSP430单片机温度变送器 #1温度变送器 #5单片机内部8通道AD转换器单片机内部8通道DA转换器隔离放大器 #1隔离放大器 #2电动调节阀 #1电动调节阀 #2蒸球#1蒸球#55LGM12864液晶显示图2.1 系统原理框图3 系统硬件设计 3.1电源模块稳定的电源是各种电子电路的动力源，被人誉为电路的心脏。众所皆知，所有用电设备，包括电子仪表、家用电器等对供电电压都有一定的要求。该设计的电源电路主要包括两个部分：电源变压器和三端稳压管。电源模块设计的基本思想是：采用AC220 VAC9 V的降压变压器得到一个交流的9 V电压，然后经过单相桥式整流电路把交流电流变成直流电流，再经过滤波电容滤波之后，接到三端稳压管7805，输出即为稳定的直流5V电压。虽然整流滤波电路能将正弦波变换成较为平滑的直流电压，但是一方面由于电压平均值取决于变压器副边电压有效值，所以当电网电压波动时，输出电压平均值将随之产生相应的波动；另一方面由于整流滤波电路内阻的存在，当负载变化时，内阻上的电压将发生变化，于是输出电压平均值也随之产生相应的变化。因此，整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动，随着负载电阻的变化而变化。为了获得良好的直流电压，必须采取稳压措施。即在电源电路中加入了三端集成稳压器LM7805进行稳压。 三端稳压管是指只有三条引脚输出的集成电路，用78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。一般三端集成稳压电路的最小输入输出电压差约为2V，否则不能输出稳定的电压。一般应使电压差保持在45V，即经变压器变压，晶闸管整流，电容器滤波后的电压应比稳压值高一些。因电路需要的电压为5V，而经变压器及整流装置输出的电压为9V左右，故该设计选用IC7805型三端稳压管，输出8V的稳定电压。 具体的电源模块及三端稳压管连接图如图3.1所示。图3.1 电源电路3.2温度检测与变送(1)测温电路采用K型热电偶。K型即镍铬镍硅热电偶，它是一种能测量较高温度的廉价热电偶。由于这种合金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。它可长期测量1000度的高温，短期可测到1200度。它比S型热偶要便宜很多，它的重复性很好，产生的热电势大，因而灵敏度很高，而且它的线性很好。(2)放大电路采用INA115仪用放大器，如图3.2所示。作为热电偶放大器必须满足一些特殊要求，通常采用的K型热电偶的灵敏度为40.6，而电路的输出一般要求为2.5mV，因此，要选用额定增益为60的精密放大器。另外，热电偶一般容易受到工业环境中电子噪声的影晌，因此，仪用放大器允许输入不同的电压有助于消除由于共模噪声引起的误差。为了避免出故障，采取的保护措施是不能让热电偶无意识地接触到瞬变电源或高电压，但保护措施不能兼顾到精度。INA115有满足这些要求的补偿特性，它在任何引脚上都可以承受10mA的故障电流。图3.2 小信号放大电路3.3 AD/DA转换器MSP430单片机是TI(德州仪器)公司的16位低功耗单片机内部包涵12位高精度AD，1位非线性微分误差，1位非线性积分误差，内置参考电源，并且参考电压有6种组合 ，有多种时钟源提供给ADC12模块，而且模块本身内置时钟发生器。此12位AD转换器分辨率为满刻度的1/2n即满刻度的0.0245%，量化误差是+1/2LSB，所以具有转化速度快，量化误差小等特点。MSP430单片机还含有12位的DA转换器，此转换器的主要特点是12位分辨率、可编程转换时间、内部或外部转化电压、支持无符号和有符号数据输入，多路DAC同步更新的特点。MSP430单片机的这些特点使得我们的AD/DA转换更加的方便，也使得转换结果受环境的干扰更小，而且还可以降低成本。3.4隔离输出电路隔离放大器作用是对模拟信号进行隔离,并按照一定的比例放大。本设计采用了ISO102产品，ISO102采用输入电压的数字编码和一个独特的差动陶瓷电容栅耦合，使得每一个缓冲器精确地隔离10V模拟信号。所有组件都包含在DIP封装内，提供了紧凑结构的信号隔离。ISO系列隔离放大器在同一芯片上提供了电源及信号的隔离，该混合集成芯片在同一芯片上集成了一个磁电耦合DC/DC变换电源及一个电流/电压输出的光电耦合隔离放大器。该芯片除为内部放大电路供电外，还可向外部输出一路隔离电压，供外部电路扩展使用。这一特点可方便地为外部电路基准电源及外部放大电路或其他用户应用电路供电。输入及输出侧宽爬电距离及内部隔离措施使该芯片可提供3000VAC绝缘电压。ISO系列产品使用非常方便，几乎无需外部元件，即可实现信号电流源长线传输。图3.4 隔离放大器3.5显示电路本设计选择12864液晶作为显示器，因为12864显示器屏幕大，成本相对较低，能够实时显示所有的设定值和输出值，且能够显示图片提示，适用于各类仪器，小型设备的显示领域，在本设计的程序设计中，由于要实时显示当前被控量的设定值、实际值，控制量的输出值，所以选择12864液晶。本设计选择驱动器为ST7920的12864液晶显示器，因为此显示器可以直接显示汉字，从而可以省去很大一部分的数据存储区，从而使得整个显示部分的开发更加的便捷。图3.5显示电路4 主要芯片资料4.1 MSP430单片机介绍MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上,以提供“单片”解决方案，从而使得用一片MSP430 芯片可以完成多片芯片才能完成的功能,大大缩小了产品的体积与成本。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。MSP430 系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点。 （1）强大的处理能力MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机，采用了精简指令集（ RISC ）结构，具有丰富的寻址方式（ 7 种源操作数寻址、 4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 在运算速度方面， MSP430 系列单片机能在 8MHz 晶体的驱动下，实现 125ns 的指令周期。 16 位的数据宽度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）。 MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用 6us 。 超低功耗 MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。 首先， MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 1.83.6V 电压。因而可使其在 1MHz 的时钟条件下运行时， 芯片的电流会在 200400uA 左右，时钟关断模式的最低功耗只有 0.1uA 。 其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环（ FLL 和 FLL+ ）时钟系统或 DCO 数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器（ 32768Hz ） , 有的使用两个晶体振荡器）。由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。 由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（ AM ）和五种低功耗模式（ LPM0LPM4 ）。在等待方式下，耗电为 0.7uA ，在节电方式下，最低可达 0.1uA 。（2）系统工作稳定上电复位后，首先由 DCOCLK 启动 CPU ，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做 CPU 时钟 MCLK 时发生故障， DCO 会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。 （3）方便高效的开发环境目前 MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器开发成功之后在烧写或掩膜芯片；对于 FLASH 型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有 JTAG 调试接口，还有可电擦写的 FLASH 存储器，因此采用先下载程序到 FLASH 内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由 JTAG 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台 PC 机和一个 JTAG 调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和 C 语言。 4.2 INA115仪用运放介绍INA115是低成本、高精度通用仪表放大器，内部采用通用的三运放设计和小尺寸。类似于INA114，INA115提供附加连接到输入运放A1和A2，用于在高增益状态下提高增益精度和用于开关增益放大器电路形式。INA115用一个外部电阻，可设定从11000的任意增益值，内部输入保护电路使之能经受40V电压而不会损坏。激光校正保证了极低的失调电压及漂移和高共模抑制比。INA114采用SOL-16表面封装，其引脚排列如图所示。图3.6.2 INA115仪用运放4.3 ISO1002隔离放大器介绍隔离放大器是一种输入电路和输出电路之间电气绝缘的放大器，一般采用变压器或光耦合传递信号，在工业控制、信号测量和医疗器械,信号放大等各个方面获得广泛应用。实用于电信，电力，石油，石化，环保，水处理，冶金，食品，暖通空调等领域。隔离放大器作用是对模拟信号进行隔离,并按照一定的比例放大。在这个隔离、放大的过程中要保证输出的信号失真要小，线性度、精度、带宽、隔离耐压等参数都要达到使用要求。对被测对象和数据采集系统予以隔离,从而提高共模抑制比,同时保护电子仪器设备和人身安全。ISO1002系列隔离放大器是一种将模拟信号按比例隔离转换的混合集成电路。该电路在同一芯片上集成了一组多路高隔离的DCDC电源和几个高性能的信号隔离器，特别适用于：0-10mV0-20mV0-75mV0-100mV的小信号放大。该芯片的隔离电源除了为内部放大电路供电外，还可以向外（信号输入输出端）提供两组隔离的直流电源和两个基准电压源，可供外部电路扩展用，如电桥电路、基准电路等。SMD工艺结构及新技术隔离措施使该器件能达到：电源、信号的输入输出3000VDC三隔离。并且能满足工业级宽温度、潮湿、震动的现场恶劣工作环境要求。图3.6.3 ISO1002隔离放大器5 总结体会一般来讲，在设计过程中，首先要熟悉系统的工艺，进行对象的分析，按照要求确定方案。然后要进行硬件和软件的设计，调试。由于没有实际的样机，所以不能看到系统的运行结果。只能在理论上对系统的结果进行预测分析。本设计从几个基础的部分着手总结综合运用各种资料最后完成一个温度控制系统。对我而言，这次设计确实较为困难，具体的内容和程序偏于专业化，已经超出了我个人的能力范围，诸多内容都是通过查阅资料和请教老师同学得来。通过设计实验，我基本掌握了微型机控制系统I/O接口的扩展方法，模拟量输入/输出通道的设计，常用控制程序的设计方法，数据处理及非线性补偿技术，以及数字控制器的设计方法。做设计的过程中我才发现课本学的内容远远不够，在今后的时间，我回更加注重理论运用于实践的过程。6 致谢大学最后一个课程设计也在临近假期的时候展开，在这次的任务完成和设计过程中，我不仅一如既往的在专业知识方面得到了巩固与提升，还学到了许多新的知识，得到许多新的设计与研发经验。在这十余天的设计过程中，我遇到了很多自己无法独立解决和完成的问题与任务，通过与请教老师和与同学探讨，最终通过自己的努力与坚持，顺利完成了设计。以此次课程设计为平台，我对所学进行了总结，获益良多。当然，这些所得和收获，也融入了指导我作业的老师和各位热心的同学的耐心引导与共同探究所付出的汗水与劳作。所以，在此，我向指导老师李伟老师和一直帮助和鼓励我的各位同学表示衷心的感谢。7 参考文献1 徐可军. 传感器与检测技术. 电子工业出版社， 20052 周泽魁. 控制仪表与计算机控制装置. 化学工业出版社，20063 夏路易. 单片机技术实践基础教程. 太原理工大学信息工程学院自动化系，20014 何希才. 实用传感器接口电路实例. 北京：中国电力出版社，20075 黄贤武等. 传感器实际应用电路设计. 电子科技大学出版社， 19976 何希才、薛永毅. 传感器及其应用实例. 机械工业出版社， 20047 潘新民、王燕芳.微型计算机控制技术. 高等教育出版社， 2001 28 沈建华、杨艳琴. MSP430单片机原理及应用. 清华大学出版社， 20089 余锡存、曹国华. 单片机原理与接口技术. 西安电子科技大学出版社，199610 赵家贵. 传感器电路手册. 北京：中国计量出版社， 200211 谢剑英. 微型计算机控制技术. 北京：国防工业出版社，199112 胡寿松. 自动控制原理（修订版）上册. 北京：国防工业出版社，1984附录1：硬件电路原理图附录2：部分程序1：数字控制器程序static float data E_1; /设置E(K-1)static float data E_2; /设置E(K-2)static float data U_1; /设置U(K-1)static float data U_2; /设置U(K-2)float Dignal_Contoller(float Rk,float Ck)/Rk为给定值，Ck为测量值 float data U_0; /设置U(K) float data E_0; /设置E(k) E_0=Rk-Ck; /计算偏差E(k) U_0=4*E_1-3.92*E_2+1.92*U_1+0.92*U_2; /最少拍无波纹控制算式 E_2=E_1; E_1=E_0; /E(k)赋值给E(K-1), E(k-1)赋值给E(K-2) U_2=U_1; U_1=U_0; /U(k)赋值给U(K-1), U(k-1)赋值给U(K-2) return (U_0);2：中值滤波程序#define N 12char filter() char count,i,j; char value_bufN; int sum=0; for(count=0;countN;count+) value_bufcount = get_ad(); delay(); for(j=0;jN-1;j+) for(i=0;ivalue_bufi+1 ) temp = value_bufi; value_bufi = value_bufi+1; value_bufi+1 = temp; for(count=1;countN-1;count+) sum += valuecount;return (char)(sum/(N-2);3：AD采样程序/*函数名称：Init_ADC *功 能：初始化ADC *参 数：channelADC12输入通道选择 * refADC12参考电压选择 *返回值 ：无 *注 ：channel的取值范围为07，对应P6.0P6.7通道； ref的取值为03（或者Ref1_5 Ref2_5 Ref_AVcc Ref_Veref ，在ADC_Func.h中定义的）， 分别对应参考电压为1.5V 2.5v 电源电压AVcc 外部参考电源Veref。*/void Init_ADC(char channel,char ref) ADC12CTL0 &= (ADC12SC+ENC); switch(channel) /改变结果寄存器的输入通道 case 0: ADC12MCTL0 |= INCH_0; /选择ADC通道 P6SEL |= 0x01; / 使能ADC通道 break; case 1: ADC12MCTL0 |= INCH_1; P6SEL |= 0x02; / 使能ADC通道 break; case 2: ADC12MCTL0 |= INCH_2; P6SEL |= 0x04; / 使能ADC通道 break; case 3: ADC12MCTL0 |= INCH_3; P6SEL |= 0x08; / 使能ADC通道 break; case 4: ADC12MCTL0 |= INCH_4; P6SEL |= 0x10; / 使能ADC通道 break; case 5: ADC12MCTL0 |= INCH_5; P6SEL |= 0x20; / 使能ADC通道 break; case 6: ADC12MCTL0 |= INCH_6; P6SEL |= 0x40; / 使能ADC通道 break; case 7: ADC12MCTL0 |= INCH_7; P6SEL |= 0x80; / 使能ADC通道 break; default: break; if(ref = Ref2_5) ADC12CTL0 |= ADC12ON + SHT0_8 + REFON + REF2_5V + MSC; / 打开ADC，设置采样时间 2.5v参考电压 多次转换 ADC12MCTL0 |= SREF_1; /选择2.5v参考电压 else if(ref = Ref1_5) ADC12CTL0 |= ADC12ON + SHT0_8 + REFON + MSC; / 打开ADC，设置采样时间 开1.5v参考电压 多次转换 ADC12MCTL0 |= SREF_1; /选择1.5v参考电压 else if(ref = Ref_AVcc) ADC12CTL0 |= ADC12ON + SHT0_8 + MSC; / 打开ADC，设置采样时间 关参考 多次转换 ADC12MCTL0 |= SREF_0; /选择AVcc参考源 else if(ref = Ref_Veref) /外部参考电压 ADC12CTL0 |= ADC12ON + SHT0_8 + MSC; ADC12MCTL0 |= SREF_3; ADC12IE = 0x01; / 使能ADC中断 ADC12CTL1 |= SHP + CONSEQ_1; ADC12MCTL0 = INCH0; ADC12MCTL1 = INCH1+EOS; ADC12CTL0 |= ADC12SC+ENC; /START/*函数名称：ADC12ISR *功 能：中断服务子程序 *参 数：无 *返回值 ：无 */ #pragma vector=ADC12_VECTOR_interrupt void ADC12ISR (void) static uint ADC_dat = 0; static uint ADC_dat1 = 0; ADC_dat = ADC12MEM0; ADC_dat1 = ADC12MEM1; ADC12CTL0 |= ADC12SC+ENC;4：DA输出程序/*函数名称：Init_DAC12 *功 能：初始化DAC12 *参 数：channelDAC12输入通道选择 * refDAC12参考电压选择 *返回值 ：无 *注 ：channel的取值范围为0和1，对应P6.6和P6.7通道； ref的取值为02（或者DAC_Ref1_5 DAC_Ref2_5 DAC_Ref_Veref ，在DAC12_Func.h中