低温热加工系统.doc

黄石理工学院学院课程设计 电气与电子信息工程学院 计算机控制课程设计设计题目： 低温热加工系统设计 专业班级：电气工程及其自动化2010（专升本）班 学号： 201020210128 姓 名： 朱 勇 同 组 人： 严康 孙希凯 指导教师： 胡 蔷 陶 彪 设计时间： 2011/10/312011/11/11 设计地点： K2单片机实验室 计算机控制 课程设计成绩评定表姓 名 朱 勇学 号201020210128课程设计题目： 低温热加工系统设计课程设计答辩或质疑记录：1、什么叫矩阵式键盘，相比独立键盘有什么好处？ 答：矩阵键盘又称为行列式键盘，它是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这样键盘中按键的个数是44个。相比独立键盘这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。2、 AD转换器为什么选用AD574A，而没有选用最为熟悉的ADC0809? 答：由于ADC0809是八位数字量输出，故而转换精度不能满足要求，在此选择12位的转换芯片AD574A。AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。成绩评定依据：课程设计考勤情况（20）：课程设计答辩情况（30）：完成设计任务及报告规范性（50）：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 2011年 12 月 20 日课程设计任务书20112012 学年第 1 学期一、课程设计题目 低温热加工系统设计 二、课程设计内容1设计目的及要求通过本课程设计学生应掌握计算机控制系统的设计原则、方法和步骤，掌握过程输入输出通道的设计应用；熟悉常用控制算法；了解并掌握工控机的各种抗干扰技术。熟悉DCS系统的结构体系，了解组态软件的应用。1）根据设计课题的技术指标和给定条件，能独立而正确地进行总体方案设计，分析和论证，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整；2）掌握计算机控制系统常用控制算法的应用；3）根据实时性和系统的性能价格比等多方面因素进行硬件和软件功能设计；4）绘制有关计算机控制系统原理图和编制元器件明细表；5）编写设计说明书；6）通过对所设计的系统进行仿真实验，掌握系统仿真的方法；7）按设计指导书中要求的格式书写设计报告，所有的内容一律打印；8）报告内容包括设计过程、软件仿真结果及分析、硬件仿真结果及分析；9）整体电路原理图、各模块原理图；2设计内容（含技术指标）本文设计的低温热加工系统可以实现如下功能：（1）利用功能按键分别实现对温度的设定，包括设定满足工艺要求的特定温度值、锅炉正常工作所能承受的最高和最低温度值等；（2）利用数码管显示当前锅炉内温度、所设定的上下限温度。（3）系统采用PID控制算法，能非常准确地对温度进行实时控制，而且控制的精度相当高。（4）当实际温度达到所设定的下限值时，系统会进行声光报警，并启动固态继电器，对锅炉内进行加热。当锅炉内实际温度达到所设定的上限值时，系统也会进行声光报警。三、进度安排1时间安排序 号内 容学时安排（天）1接口设计项目12方案的选择论证13硬件、软件设计和仿真54设计答辩15撰写和打印设计报告2合 计10四、基本要求（1）根据课题要求确定系统总体设计方案；（2）硬件设计：绘制系统功能框图和电气原理图，撰写设计说明；（3）软件设计：程序流程图（程序清单）；（4）系统各环节的仿真（硬件、软件）；（5）误差分析与调整；（6）对设计进行全面总结，写出课程设计报告；五、课程设计考核办法与成绩评定根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩分优、良、中、及格、不及格五等。评定项目基本内涵分值设计过程考勤、自行设计、按进度完成任务等情况20分设计报告完成设计任务、报告规范性等情况50分答 辩回答问题情况30分90100分：优；8089分：良；7079分：中；6069分，及格；60分以下：不及格六、课程设计参考资料1、电气与电子信息工程学院.单片机实验指导书 2、熊静琪.计算机控制技术.北京:电子工业出版社,2003.3、黄忠霖.控制系统MATIAB计算及仿真.北京:国防工业出版社, 2004.4、王建华 . 计算机控制技术 北京:高等教育出版社. 2008.25、袁秀英. 组态控制技术 北京：电子工业出版社. 2007.76、薛迎成. 工控机及组态控制技术原理与应用 北京：中国电力出版社. 2007.77、于海生. 计算机控制技术 北京:机械工业出版社. 2007.128、施宝华. 计算机控制技术 武汉：华中科技大学出版社. 2007.39、黄勤. 微型计算机控制技术 北京：机械工业出版社. 2010.1指导教师： 胡蔷 陶彪2011年9月摘 要随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、电力工业、机械加工等许多领域，都需要对各种热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。然而，用常规的控制方法，难以满足较高的性能要求。采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大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在现代化的工业生产中，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。采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态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问题。工业生产过程中经常遇到的温度控制系统是具有大滞后特征的控制系统, 单纯采用PID 算法校正的温度控制系统具有高频扰动大、调整时间长、PID 参数整定困难、有较大超调量等弊端。这里以AT89S51单片机为核心, 引进模糊控制思想来实现对PID 参数整定, 设计了一个简单实用的温度控制系统。实验结果表明, 该系统具有控制参数整定方便、控制精度高、稳定性好等优点。关键词：单片机；温度控制；PID黄石理工学院学院课程设计目录第1章 绪 论21.1 问题的提出21.2 系统的功能2第二章 系统方案论证32.1方案一32. 2方案二32.3方案选择3第3章 系统硬件设计43.1 单片机的选择43.2时钟电路的设计43.3 复位电路的设计53.4 可编程键盘与数码显示设计53.5看门狗电路及外部程序存储器63.6 限温报警电路和抗干扰电路的设计73.7 检测与转换环节设计83.7.1 传感器的选择83.7.2 A/D转换器的选择83.8 电源的设计83.8.1 单片机电源的设计83.8.2 A/D转换环节电源的设计9第4章 系统软件的设计10系统主程序10第五章 PID控制算法115.1 PID控制算法介绍115.2 PID算法的软件实现12总结14参考文献15附录：系统总图16第1章 绪 论1.1 问题的提出在现代工业生产中，温度是非常重要的技术参数，在冶金工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工等工业领域，对温度参数都有不同程度的要求。在本系统中，温度对的控制对象来说，是主要的参数。如果温度过高，那么将会有危险，国内这样的生产事故也是经常发生的，这将给生产和人们的日常生活带来无法估量的损失。如果温度过低，根本就达不到产品的工艺要求。故而，对温度的控制十分重要，也是十分必要的。1.2 系统的功能本文设计的低温热加工温度控制系统可以实现如下功能：（1）利用功能按键分别实现对温度的设定，包括设定满足工艺要求的特定温度值、锅炉正常工作所能承受的最高和最低温度值等；（2）利用数码管显示当前锅炉内温度、所设定的上下限温度。（3）系统采用PID控制算法，能非常准确地对温度进行实时控制，而且控制的精度相当高。（4）当实际温度达到所设定的下限值时，系统会进行声光报警，并启动固态继电器，对锅炉内进行加热。当锅炉内实际温度达到所设定的上限值时，系统也会进行声光报警。第二章 系统方案论证2.1方案一采用8031单片机作为整个系统的核心，外接2764作为 单片机EPROM，用热电偶对温度进行实时检测，经ADC0809模数转换后送入单片机。温度的设定与显示通过8155组成的键盘与LED显示接口电路实现。通常，对温度控制都采用偏差控制法。偏差控制的原理是先测出实际温度与所需炉温的偏差值，然后对偏差值处理获得控制信号去调节电炉丝的加热功率，以实现对炉温的控制。在实际的应用系统中，为了保证单片机可靠地工作，采用 MAX690 的复位电路，该电路具有上电复位和监视单片机的输出功能。一旦出现异常情况 MAX69 0 就会自动产生一复位信号使单片机复位。 2. 2方案二由热敏电阻来传来模拟信号，经放大电路放大之后，送到AD574A A/D转换器，转换为数字信号。此信号送到单片机里，由单片机发出的控制信号分别送到EPPROM X5045、显示接口8155。程序指令由EPPROM X5045送到单片机。经8155输出的信号送到LED数码显示器显示。系统可通过四个按键来设置上下限温度值等,存入EPPROM中。每当锅炉的实际温度高于所设定的上限值或低于下限时，单片机会发出信号驱动声光报警。2.3方案选择方案二采用AT89S51单片机，避免了8031单片机增加外部存储器的麻烦；用AD574A/D转换器，为12位，比ADC0809的8位转换精度高，调节更好；选用X5045，相比于MAX690 ，此芯片集看门狗、电压监控和串行EEPROM 三种功能于一身的可编程电路，减少了电路对电路板空间的需求。因此，方案二更加合乎现代控制系统的要求。系统原理框图如下；单片机数据采集控制电路传感器电热锅炉显示电路越限报警按键控制图2-1 系统的原理框图第3章 系统硬件设计3.1 单片机的选择在本系统中，考虑到系统的功能需求和目前市场上的单片机应用情况以及与学习的8051单片机的兼容情况，选定MCS-51系统的AT89S51。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。其引脚图如图21所示。图3-1 AT89S51引脚图3.2时钟电路的设计单片机虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。51系列单片机的时钟产生方法有两种。一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。本设计中选择内部时钟方式。电路如图2-3所示。在外部晶体上选用晶体振荡器，频率为11.0592MHz，为提高频率稳定性，CX1、CX2都为30pF。C230pF11.0592MHzXTAL1XTAL2VSS30pFAT89S51C1 图3-3 本设计的时钟电路3.3 复位电路的设计51系列单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。本文是采用按钮复位，电路如图24所示。当按钮按下后，RESET引脚端出现低电平，只要RESET端保持10ms以上低电平，就能使单片机有效地复位。(a) 上电自动复位 (b) 按钮复位 图3-4 复位电路3.4 可编程键盘与数码显示设计键盘是由一组规则排列的按键组成，一个按键实际上是一个开关元件，也就是说键盘是一组规则排列的开关。 1、按键的分类按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者造价低，后者寿命长。目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键。单片机控制系统中，往往只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构。独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。独立式按键的典型应用如图2-6所示。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。图2-6中按键输入均采用低电平有效，此外，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。当I/O口线内部有上拉电阻时，外电路可不接上拉电阻。独立式按键软件常采用查询式结构。先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。单片机系统中，若使按键较多时，通常采用矩阵式（也称行列式）键盘。但在本次设计中，按键较少，故而选择独立式按键。而且通常情况下，为了节省单片机口线，把键盘和数码显示模块设计在一起。具体设计如下：1K*48路驱动4路驱动PA0PA7+5VPB4PB7PB0PB3接地 图3-7 键盘与显示电路3.5看门狗电路及外部程序存储器看门狗对系统提供了保护功能。当系统发生故障而超过设置时间时或者程序跑飞时，电路中的看门狗将通过RESET信号向CPU 做出反应。为了系统有很好的掉电保护，扩展了外部ROM。当系统掉电时，开始设定的温度值如果没有存储，那就会丢失，到上电时又要重新设置，这给的实际工作生活带来了麻烦。所以，针对这个问题，在单片机系统之外设计了外部ROM，将设置的温度值存入，那么掉电后就不会丢失，再次上电后也就不用再次设定了。X5045是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM 三种功能于一身的可编程电路。这种组合设计减少了电路对电路板空间的需求。X5045与单片机的接口电路非常简单，只要将X5045的引脚分别接到单片机的口线上即可。具体见下图所示。图3-9 X5045与单片机的接口电路3.6 限温报警电路和抗干扰电路的设计1.限温报警电路的设计在本系统中，设计了能够设定上下限温度值的功能，当温度超过上限或下限的时候，系统将会报警。具体的电路如下：图3-10 报警电路+12VNPN报警信号R 2、抗干扰电路的设计针对可能出现的各种干扰，设计抗干扰电路。抗干扰电路就是在系统的弱电部分（以单片机为核心）的电源入口处对地跨接1个大电容（100f左右）与1个小电容（0.1f左右），在系统内部各芯片的电源端对地跨接1个小电容（0.01f0.1f）。 3.7 检测与转换环节设计由于当今市场上流行的数字式温度传感器例如AD7416等的测定温度的范围非常小,一般只能做到-50度到+125度之间,这远远不能满足工业上的需要，故而选择传统的模拟式的传感器，然后通过AD转换环节将模拟信号转换为数字信号，送入单片机。3.7.1 传感器的选择本次系统的控制对象是需要工作在200600的温度范围内，选择热电敏电阻传感器，温度检测元件与变送器的类型选择和被控温度及精度等级有关，镍铬/镍铝热电偶适用于200600的温度范围，相应输出电压为0mV41.32 mV。3.7.2 A/D转换器的选择常用的逐次逼近式A/D器件有ADC0809、AD574A等。由于ADC0809是八位数字量输出，故而转换精度不能满足要求，在次选择12位的转换芯片AD574A。 图3-13 单片机与AD574A的接口电路3.8 电源的设计在本系统中，单片机系统、A/D转换环节、执行机构等，均需要电源，而且它们的电源等级不一样，故而必须分别设计它们。3.8.1 单片机电源的设计由于单片机系统所带的负载比较大，有显示数码管、报警电路、键盘、看门狗电路、EEPROM等外部器件，故而需要的电源的功率大，但对其精度要求却不是很高，故而选用LM7805集成稳压电源提供+5V的电压供给单片机。集成稳压电源又称三端集成稳压器，它是指将功率调整管、取样电阻、基准电压、误差放大、启动及保护电路等全部集成在一块芯片上，具有特定输出电压的稳压集成电路。三端是指电压输入端、电压输出端和公共接地端。三端IC稳压器按性能与用途可分为固定输出正稳压器、固定输出负稳压器、可调输出正稳压器、可调输出负稳压器4类。本系统中用到的5V的电源设计如下： 22010001327805220V+5V+ 1 2 3图3-14 LM7805典型的应用电路3.8.2 A/D转换环节电源的设计由于A/D转换环节所要求的电源精度非常高，不像单片机系统所要求的那么低，给A/D转换环节供电的电源不能出现波动和电压不稳的现象。选用LM336-5.0稳压管。LM336-5.0I0+12V7K+5VADJLM336-5.0I0RP+12V7K+5VADJ_+ADJ 图3-16 LM336电路符号不需要温度补偿的一般应用场合可采用图2-19电路。在温度补偿的精密测量场合可采用图2-16（c）电路，RP为10K精密多圈电位器，两端各串联一只硅二极管IN9014。因硅二极管有负的电压温度系数，可对LM336的正电压温度系数进行温度补偿。RP取值范围为2K20K。在本系统中，根据选用图3-16（c）电路。 第4章 系统软件的设计系统主程序赋Kd高、低字节赋K高、低字节T0方式2，T1方式1计数T0赋初值设定值默认为1000摄氏度键盘高优先级开键盘、T0、T1中断调用标度转化-BCD转化子程序等待中断，循环显示当前温度开始设置中断入口及优先级清上、下限越限标志清变量缓存单元清显示缓冲区赋Kp高、低字节赋Ki高、低字节图4-1 系统主程序流程图 第五章 PID控制算法5.1 PID控制算法介绍S(k)+_E(k)u(k)y(k)控制器被控对象图5-1 PID控制方框图基本偏差:e(t) 表示当前测量值与设定目标之差，设定目标是被减数，结果可以是正或负，正数表示还没有达到，负数表示已经超过了设定值。这是面向比例项用的变动资料。累计偏差：e(t)= e(t) + e(t-1) + e(t-2)+.+e(1),这是每一次测量到的偏差值的总和，这是代数和，考虑到正负符号的运算，这是面向积分项用的变动资料。基本偏差的相对偏差：e(t) e(t-1)，用本次的基本偏差减去上一次的基本偏差，用于考察当前控制的对象的趋势，作为快速反应的重要依据，这是面向微分项的一个变动资料。比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态回应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。 微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。5.2 PID算法的软件实现取采样值，并与设定值进行比较赋乘法运算缓存单元地址首址调无符号数乘法存放结果的有效值计算E(k)并存E(K)取KI参数并计算PI=KI*E(K)计算PI=KI*E(K)取E(K) 、E(K-1) 并求E(K)-E(K-1)取Kp参数并求Kp*E(K)-E(K-1) 求Kp*E(K)-E(K-1)+KI*E(K)保存上式之和取E(K)、E(K-2)并计算E(K)+E(K-2)取E(k-1) 求出E(K)+E(K-2)-2*E(K-1)取Kd参数并求出Pd=Kd*E(K)+E(K-2)-2*E(K-1) Pd=Kd*E(K)+E(K-2)-2*E(K-1) Pd=Kd*E(K)+E(K-2)-2*E(K-1) Pd=Kd*E(K)+E(K-2)-2*E(K-1)取Pd，取Kp*E(K)-E(K-1)+KI*E(K)， 计算Pd+PI开始 图5-1 控制算法流程图返回存P(k)到P(k-1) 存E(K-1)到E(K-2)存E（k）到E（k-1）存E(K-1)到E(K-2)清执行机构标志计算P=K*E(K),且结果放在51H,50H单元中取8位有效值，放到28H单元中 图5-2 控制算法流程图续总结本次课程设计以电子设计大赛的形式，老师命题，学生可以选择老师的题目也可以自己命题，并且组队操作其他的事情（包括设计总体方案、硬件电路、软件设计、焊接、调试等工作）。趣味性强，同时也可以学到很多东西。我们认为，在这次课程设计中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。之所以使用51系列单片机作为我们的执行核心，不仅是因为它现在是社会上应用比较多的单片机，也因为想通过使用它锻炼自己的高级语言编程能力，养成良好的语言编程风格。不管怎样，这些都是一种锻炼，一种知识的积累，能力的提高。完全可以把这个当作基础东西，只有掌握了这些最基础的，才可以更进一步，取得更好的成绩。很少有人会一步登天吧。永不言弃才是最重要的。而且，这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。与同学的合作更是一件快乐的事情，只有彼此都付出，彼此都