自动控温的韧化机控制装置的设计毕业论文设计.docx
- 文档编号:23345216
- 上传时间:2023-05-16
- 格式:DOCX
- 页数:42
- 大小:661.06KB
自动控温的韧化机控制装置的设计毕业论文设计.docx
《自动控温的韧化机控制装置的设计毕业论文设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《自动控温的韧化机控制装置的设计毕业论文设计.docx(42页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
自动控温的韧化机控制装置的设计毕业论文设计
毕业设计说明书(论文)
自动控温的韧化机控制装置的设计
学生姓名:
学号:
学院:
专业:
XX
题目:
自动控温的韧化机控制装置的设计
指导教师:
评阅教师:
20XX年XX月
自动控温的韧化机控制装置的设计
摘要:
随着微处理器控制技术的发展,温度的测量与控制技术作为工业中应用最广泛的技术之一与单片机控制系统实现了完美的结合,在很大程度上的满足了温度控制在生产和生活的各种需求。
本次设计不仅实现了以STM32F103ZET6单片机为核心的控制系统设计,而且还实现了单片机对温度的采集和控制。
温度采集系统把Pt100温度传感器作为主要元件,然后结合温度变送器,将这个信号经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流及反向保护等电路处理,并将处理后的温度模拟量通过ADS1115模数转换器转换成0-65535中的一个数值,最后把这个值送到单片机中进行计算,处理,对比。
STM32通过IIC通信读取A/D转换器数据寄存器的值,程序中公式计算后发送到液晶显示屏上显示。
硬件电路有STM32F103ZET6单片机的最小系统,Pt100温度测量电路,温度变送器,LCD1602外接电路和蜂鸣器报警电路等部分组成。
控制程序主要包括主程序,读取温度数值子程序,温度读取后的处理子程序,按键输入子程序,LCD液晶显示子程序等等。
除此以外还有工位的卡紧与松开装置的设计等。
关键词:
STM32F103ZET6单片机;Pt100温度传感器;ADS1115A/D转换模块
TheDesignoftheControldeviceoftheautomatictemperature-controllingtougheningMachine
Abstract:
Withthedevelopmentofmicroprocessorcontroltechnology,temperaturemeasurementandcontroltechnology,asoneofthemostwidelyusedtechnologiesinindustry,hasbeenperfectlycombinedwithsingle-chipmicrocomputercontrolsystem.Toalargeextent,itmeetstheneedsoftemperaturecontrolinproductionandlife.ThisdesignnotonlyrealizesthedesignofthecontrolsystembasedonSTM32F103ZET6singlechipmicrocomputer,butalsorealizesthecollectionandcontroloftemperaturebysinglechipmicrocomputer.ThetemperatureacquisitionsystemtakesthePt100temperaturesensorasthemaincomponent,andthencombinesthetemperaturetransmittertofilterthesignalthroughsteadypressurefiltering,operationamplification,nonlinearcorrectionandV≥Iconversion.Switching,constantcurrentandreverseprotectioncircuitprocessing,andtheprocessedtemperatureanalogthroughADS1115analog-to-digitalconverterintoavaluein0≤65535,andfinallysenttothesingle-chipmicrocomputerforcalculation,processing,STM32readsthevalueofA/DconverterdataregisterthroughIICcommunicationandsendsittotheliquidcrystaldisplayscreenaftertheformulaiscalculatedintheprogram.ThehardwarecircuitconsistsoftheminimumsystemofSTM32F103ZET6singlechipmicrocomputer,Pt100temperaturemeasuringcircuit,temperaturetransmitter,LCD1602externalcircuitandbuzzeralarmcircuit.ControlTheprogrammainlyincludesthemainprogram,readingtemperaturenumericalsubroutine,processingsubroutineaftertemperaturereading,keystrokeinputsubroutine,LCDliquidcrystaldisplaysubroutineandsoon.Inaddition,thereisthedesignofclampingandlooseningdeviceofthestation,andsoon.
Keywords:
STM32F103ZET6singlechipmicrocomputer,Pt100temperaturesensor,ADS1115A/Dconversionmodule
第1章绪论
1.1引言
在现代化工业生产中,温度不仅是一个工业设计中非常常见的指标,同时也是一个产品生产中重要的工艺参数。
温度与大多数材料的物理特性和化学特性密切相关,并且温度还存在于物理变化和化学变化过程中。
在现代化自动生产的一个重要任务就是密切关注温度的变化以及将温度控制在要求的范围内,生产不同的产品和不同的生产方式对于工艺的要求也有所不同。
因此,温度的控制也用了不同的方式实现,传统的温度测量方法一般是用温度计读数。
温度计不能跟上由于环境温度的变化引起的温度升高或降低,这种方法会消耗大量的人力和物力,而且对温度值的快速变化不能及时同步测量,控制效果不佳。
由于读取误差也是人类所不能被忽略的影响因素之一。
想用人工控制温度这种方法,不仅对于工人而言需要的工作更多了,而且无法精确的实现对温度的测量和调节,所以需要寻求更好的温度控制和温度测量方法。
随着微电子硬件和微电脑软件的不断被开发,以及微电脑测控技术的日益完善。
因为它控制的逻辑方便和简单,控制方式灵活、有效,用户反馈良好,性能绝佳。
因此,此项令人喜欢的技术被越来越多的人使用,传播速度很快,在很短的时间和一定的区域内被广大电子爱好者采纳。
所以,在航空航天领域,轨道交通控制方面,冶金工艺要求方面,电力控制领域,电信和通信行业,石油和化工提炼过程中把这项控制技术完美的融合在一起,而且这项技术在我们的日常生活中,就像扶梯和直梯运用了不一样的控制技术,微波炉和冰箱温度的定时设定和控制也是用了这项技术,电视机这个每个家庭必备的家用电器,由于这个技术的开发让电视机有了越来越多的功能,玩具与控制的结合让小孩子的童年变得更加丰富多彩,智能相机把我们生活中的每个瞬间得到了记录,全自动洗衣机让不愿意做家务的人得到了解放,智能空调等方面得到了更加广泛的应用。
这项技术的应用,使得的一些应用这项技术的高科技产品,前景更加的广阔,特别是在引进计算机控制技术后,许多智能化仪器仪表和测控系统的性能得到了改善。
当今社会的仪器仪表设备与传统的仪器设备相比较发生了天翻地覆的变化,这满足了让工业生产的自动化、智能化发展的技术要求。
因此,智能单片机控制方法被越来越多的人开发和应用。
SCM是由CPU,RAM,ROM,I/O接口,中断系统以及集成器件这几部分组成,把外加的功率和振动的部分融合在一起就可以把单片机读的数字信息进行一系列的处理和控制。
因此,越来越多的现代化工业控制生产中都在用单片机控制系统。
此系统具有不占空间,小巧易拿,价格实惠,运行稳定以及能适应各种控制系统等诸多优点,所以,温度的测量,处理以及控制选择单片机来进行这一系列的操作是非常明智的,这就使得人们在对温度进行控制时能更加的灵活,稳定和精确。
1.2论文工作背景、内容及意义
1.2.1论文的研究背景
在微电子技术和微电脑的发展之前,大多数的炉温度控制需要进行手动操作,根据生产工艺要求设置温度,增加对炉的供电时间来使炉内的温度增加,使用这种方式加热就很难实现线性,并且对恒温保持的影响非常大,更不能实现实时的控制,除了控制对象简单的工艺要求是可以实现的,其他的很难实现。
为了实现完全自动化的过程控制,实现对温度实时的控制,相对精确,稳定可靠的生产工艺要求,智能温度实时控制系统的研究是非常有意义的。
当在温度控制中使用,主要是通过人工控制方式,就是根据加热需要的时间来估计热到预定温度需要的一些条件,然后使用一个普通的温度计来测量,读取和控制加热的时间。
这种控制方式不仅让劳动工人感觉特别的累,而且对温度变化快的时候不能调节到需要的范围内,所以就无法实现精确的控制。
所以,必须改善加热炉温度控制的模式,以减轻了劳动强度和提高控制精度。
1.2.2论文的主要内容
使用单片机测量炉的温度,并对温度进行处理,控制,以满足要求。
使用温度传感器测量温度,温度变送器电路和A/D转换电路对温度作最初的处理,ADS1115模数转换芯片与STM32之间通过IIC的通信方式传输数据,模数转换后的温度数字量经IIC通信将数据作为单片机的输入,然后单片机进行再一次的处理,让单片机和按键输入电路对技术指标要求的温度的进行相应的设定、控制、测量以及显示电路的设计来实现自动控温的功能,再实现对工位的卡紧和松开功能达到韧化机实现汽车PVC管路的造型进行固化和成型的所需要达到的技术指标。
自动控制温度的智能化、自动化使得工人在工作时减少了工作量,在生产中节省了原材料的消耗,不仅提高了工作效率而且还为公司降低了成本。
1.2.2论文的研究意义
单片机可以对加热、降温过程进行相应的控制,这就让生产过程使用了越来越多的自动化技术,这就使得这项技术快速的发展了起来。
生产过程的自动化是使得生产的产品符合要求,减少生产中材料的消耗,工人工作时的环境条件得到了改善,生产过程的安全性得到了提高,按时完成生产任务的重要手段。
温度控制系统来控制温度对企业具有重要的意义:
1.工人在工作的时候不再像以前那么累,同时也让工作环境变的干净。
由于单片机系统控制温度,工人就不用来来回回的检查温度是不是在范围内和加热炉是不是处于正常的运行情况,并可以将工人的工作区域与加热区域分离开,不会危害工人的健康。
2.提高控制的准确性,以及数据读取的更加精确。
SCM可以实时温度的变化与温度的处理同时进行,减少加热时因为加热开短时间影响出现的滞后温度,使得温度控制更加的准确,精度也有所提高。
3.提高工作效率,降低成本,系统由SCM控制可以更快实现温度控制的效果,加快了工人完成生产任务的时间,减少了能源的损耗,生产成本少了很多,这就使得工人较比以前用更少的劳动完成应该完成的工作,也能过够在规定的时间内完成车间安排的生产任务。
4.提高企业可控制电加热技术的应用水平。
此技术开发和应用能锻炼企业技术人员的能力。
第2章总体方案设计
2.1系统总体设计
该系统使用STM32F103ZET6作为核心处理器,其他电路主要包括:
LM2596电源模块供电电路,Pt100温度传感器检测电路,按键输入设定温度电路,A/D模数转换电路,温度变送器外接电路,LCD1602液晶屏显示实时温度电路,步进电机驱动步进电机卡紧PVC管电路,蜂鸣器报警电路以及加热模块构成的输出电路。
使用Pt100温度传感器测量炉的温度,将测量到的温度模拟量经过ADS1115模块A/D转换后,转换得到的数字量传到STM32F103ZET6单片机内,单片机将得到的温度与设定的控制温度比较,通过单片机对温度的设定、控制、测量和显示电路的设计来实现自动控温和实时显示温度的功能,再实现对工位中PVC管道的卡紧和松开功能,来实现汽车PVC管路的造型进行固化和成型的功能。
系统总体设计框图如图2.1所示。
图2.1系统总体设计框图
2.2系统主控模块
2.2.1STM32F103ZET6的简介
STM32F系列的单片机是一个很常见的单片机,虽然32位的ARM微控制器中比它高端的有很多,但是还有很多人选择它。
设计并生产出了这个系列芯片的是意法半导体(ST)公司。
经过升级后的最先进的一代嵌入式ARM处理器就是运用了Cortex™-M3,它以比较少的钱满足了MCU的要求,以价格低廉的平台,较少的引脚数,少到几乎没有的功率损耗被大多数人接受,同时它的计算速度比较快,能力比较强大,而且中断响应速度也很快。
ARM的Cortex™-M3是32位的RISC处理器,提供额外的代码效率,在通常8和16位系统的存储空间上发挥了ARM内核的高性能。
STM32F103ZET6管脚图,如图2.2所示。
图2.2STM32F103ZET6管脚图
2.2.2STM32F103ZET6的最小系统
STM32F103ZET6的最小系统主要有五个重要部分组成。
这五个部分的完整性能过够让单片机能够稳定的运行。
稳压模块供电电路、时钟源电路、BOOT单片机运行方式选择电路、JTAG程序在线调试电路、按键和上电复位电路。
就是因为这五个部分的共同作用,才让STM32单片机在不一样的系统和要求的情况中得以展现不同的优势。
(1)电源电路:
STM32单片机一般要用3.3伏的直流电压供电,因此,选择LM1117-3.3用作此次芯片供电的降压芯片,这是一个低压差的电压调节芯片。
这个芯片的最低输入电压仅仅比输出电压高出1伏就可以让它正常的工作。
管教的设置根据的是国家标准,在接线时方便了很多。
LM1117也有可以通过电位器的调节来调节电压的功能,外部电路通过电位器分为两个电阻的比例来实现1.25~13.8伏的输出电压调节,这就能在不一样供电要求的情况时完成技术指标。
而且为了方便还生产了5个确定的电压输出(1.8伏、2.5伏、2.85伏、3.3伏和5伏)的模块,在使用时更加的方便,使电路简单了不少。
电源电路原理图如图2.3所示。
图2.3电源电路原理图
(2)时钟源电路:
时钟源是用晶振和电容的产生谐振,可以提供精确的频率基准。
单片机在时钟源电路中采用的一般都是石英晶振,它的材料就是石英,全称石英晶体谐振器,俗称晶振。
它的作用就是提供精确的频率,因为石英化学性质和物理性质稳定,所以它很稳定,对外界环境有一定的抵抗性,晶振在各种电子产品中很常见。
晶振就是为了给最小系统提供最基础的时钟信号。
时钟源电路原理图如图2.4所示。
图2.4时钟源电路原理图
(3)BOOT启动电路:
启动,就是说在给单片机烧录了程序后,重新的启动芯片的时候,在系统时钟的第4个上升沿,锁住BOOT引脚的数值。
我们在选择程序复位后的方式的时候,BOOT1的状态与BOOT0引脚不一样,启动方式也有所不同。
BOOT引脚功能介绍如表2.1所示。
BOOT启动电路原理图如图2.5所示。
表2.1BOOT引脚功能介绍
启动模式选择引脚
启动模式
说明
BOOT1
BOOT0
x
0
主闪存存储器
主闪存存储器被选为启动区域
0
1
系统存储器
系统存储器被选为启动区域
1
1
内置SRAM
内置SRAM被选为启动区域
图2.5BOOT启动电路原理图
(4)调试接口电路:
JTAG是国际上常见的标准测试过程中的一个协议,这个调试方式就是可以在线的进行程序的调试,这样能更加容易的检查程序的错误。
被越来越多的高端元件都能够适应JTAG协议,如ARM、DSP、FPGA器件等。
标准的JTAG接口是4根线:
TestClockInput、TestModeSelectionInput、TestDataInput、TestDataOutput,这四种接口为模式的选择、时钟、数据的输入和数据的输出线。
JTAG调试方式是在线编程调试,比较常用的生产过程是芯片被预编程后再放到板子上,然而这个过程经过升级后变得方便了很多,元件先被放在板子上,再用JTAG编程,因此工作花费的时间减少了很多。
JTAG不仅可以对STM32F系列在线调试编程,同时也可以对DSP控制系统里面全部的元件编程。
调试接口电路原理图如图2.6所示。
图2.6调试接口电路原理图
(5)复位电路:
STM32有三种复位方式:
系统复位、电源复位和后备域复位。
采用电源复位的方式,当RST引脚被拉低产生外部复位时,产生复位脉冲,从而使系统复位。
复位电路原理图如图2.7所示。
图2.7复位电路原理图
第3章硬件电路设计
3.1温度传感器模块的选择与设计
温度传感器的选择:
目前,温度传感器的分类的方式数不胜数,琳琅满目,但是仍然没有一个确切的方式。
有的方式是通过输出信号是否是模拟量来分类,分成了输出模拟量的温度传感器和输出数字量的温度传感器这两大种类。
还有把温度测量方法作为分类方式的,分成了有接触的温度传感器和非接触的温度传感器这两大类别。
根据类型这个分类方式可分为以下三种:
有分立式温度传感器(含敏感元件),模拟集成的温度传感器和智能温度传感器(即数字式温度传感器)。
从测量原理可分为变电阻式温度传感器,这种传感器根据电阻温度不同,电阻的大小不同这个原理制作出来;电势式温度传感器(热电偶);压电效应频率,光学反应的温度传感器等,每一种温度传感器都有自己独特的用途和特点,在不同的场合应该应用不能同的传感器,这也是需要对他们的优点和缺点都有所了解,才能选出适合本次设计的温度传感器。
使用体积膨胀这类的温度传感器,不需要供电。
电阻温度传感器分为内部是用铜做的电阻,精度不高,价格便宜,容易买到;铂电阻,不仅精度相比较铜电阻变得更高了,而且价格也相应的提升了;热敏电阻,对于温度的变化不够及时的知道,反应速度慢,但他有测量准确的优点。
热电效应温度传感器,虽然这个传感器有温度测量跨度大,测量准确的优点,但是测量温度的时候需要增加冷端补偿,这就大大增加了成本。
压电效应这个原理和频率的改变可以让温度传感器输出的数值作为基准。
高温非接触式测量温度的温度传感器被设计成根据不同光的强度并随着改变的传感器。
温度传感器与其他的传感器相比被设计出来的很早,出现大的场合的也最多,这与温度的重要性一样,这类传感器在工业中变得也来越重要。
温度传感器的种类很多,样式也很多,但是生活和工业中容易见到的也就以下三种:
热电阻温度传感器、热敏电阻温度传感器和热电偶温度传感器。
半导体在最近几十年技术越来越成熟,为热电偶温度传感器的设计和生产提供了大力支持,在本世纪先后研究出了热电偶传感器,半导体PN结温度传感器和集成温度传感器。
因此,声学温度传感器的研发把波和材料这两种物理物质的相互影响加入了其中,同时还研究并开发出了红外线温度传感器和微波温度传感器。
解决方案一:
选择热电偶传感器
热电偶作为温度测量的元件,具有结构简单,测量准确,测量的温度范围比较大,具有良好的灵敏度的优点,是最广泛使用的温度测量。
解决方案二:
选择热电阻传感器
在工业需要对温度控制时并且温度范围要求-200~+500℃之间时通常把热电阻作为设计的第一选择,在科学技术不断更新进步的当今社会以及测量范围要求不断提高的今天,最低可以测量的温度是-272.5℃,然而可以测量的最高的温度是1000℃。
热敏电阻温度传感器的特性是精度高,被较低的温度测量所使用。
在560℃以下的某一温度的情况下,热电阻温度传感器测量温度输出的信号相比热电偶传感器更加容易获得。
本次设计的系统对于温度的工艺要求是0~150℃,这个范围非常的容易实现,而且要求的精确度不是很高,虽然对于这两种传感器都能够非常轻松的满足,考虑到热敏电阻,热电偶和热敏电阻的特性,应该选择热电阻温度传感器。
此外,铂电阻,耐热性和铁和镍和铜的电阻等相比,各有其特点。
因为铂电阻稳定性,性能稳定可靠,因此本次的设计选择的是生活和工业生产中容易见到和使用比较多的Pt100温度传感器。
所以,根据本次系统设计的工艺要求以及一些精度要求,所以解决方案二。
Pt100温度传感器与生活和工业上的所用的传感器相似,是一个能够转换温度的数值并且可以将标准信号输的模块。
这种传感器常常被用在生活和工业生产中测量控制工程工艺参数中的温度。
与温度传感器配套的变送器只要有两个部分组成:
传感器和信号变换器。
对于传感器来说,就是上面介绍的传感器,热电偶和热电阻的都可以;然而信号变换器,组成部分大概有测量单元,信号放大滤波以及转换单元,这种独立的变换器也可以看作一个发射机,先进的发射机还被加入了显示部分,有的还把现场总线的部分加入其中。
在医疗,电力,工业,温度的计算和高精度恒温设备,应用范围很广。
Pt100温度变送器把能够常常碰到的热电偶和热电阻温度传感器当作测量元件,然后把测量元件测得的微弱和带有谐波的信号输出给变送器模块,变送器模块中的稳压和滤波电路,经过运算放大器组成的放大电路,再把滤波放大的信号进行处理得到相对线性的信号,然后电压和电流之间的转换,变成一个几乎不变的电流信号以及对模块防止反流的保护电流,经过这一系列的处理,最后输出的信号变成了线性4-20毫安的电流信号或者0-5伏的电信号以及0-10伏的电压信号这三种输出信号。
这个温度变送器与Pt100传感器常常被用在在石油、化工、化纤;纺织、橡胶、建材;电力、冶金、医药;食品等工业生产中作为测量温度的器件以及现场测温过程控制,与此同时,这种传感器与计算机的测量控制系统结合在一起,而且还能够与其他的一些测控仪器放在一起使用,这就让温度的控制变的简单了很多。
本次设计用到这个变送器有很多独特的优点:
测量精准确切,量程可以根据设计的需要调节,外部连接的零点也是可以改变的,测量温度稳定可靠,正迁移可达500%、负迁移可达600%,连线方式种类多,在不同的控制系统的有相对的选择性,例如有二线制的连接方式、三线制连接方式和四线制的连接方式,内部的阻尼也可以根据需要调节、对于高电压的耐压性较好,固体传感器设计,没有机械可以活动的器件,基本不需要维修,节省了人工成本,轻巧好拿,一个系列的所有变送器都具有一样的结构,互换性强,小型化。
Pt100温度传感器、温度传感器变送器如图3.1所示。
图3.1Pt100温度传感器、温度传感器变送器
3.2A/D转换模块的选择与设计
A/D转换模块的选择:
模数转换器就是A/D转换器,或简称ADC,这个器件的主要功能就是把模拟量变成数字量。
一个输入的模拟信号被常常用到的数转换器转变成一个输出的数字信号。
然而,由于数字信号本身的性质,它没有实际含义,只是用来代表一个相对于模拟信号的大小关系。
因此,在经过模数转换器转变后输出的数字量不仅需要根据不同信号选择不同的公式进行换算,还需要一个模拟信号作为参考,这个参考量一般选择最大的迷你信号,最后算出来的就是模拟量想要代表的物理量。
解决方案一:
选择MC14433
M
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 自动 韧化机 控制 装置 设计 毕业论文
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)