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计算机课程设计doc
计算机控制技术
课程设计报告
题目电加热炉计算机温度测控系统设计
学院(部)电子信息工程学院
专业
学生姓名
2011年7月1日
目录
1引言2
2系统工作原理2
3硬件设计部分3
3.1温度检测电路设计3
3.2温度控制电路设计4
3.3人机通道设计5
4软件设计部分7
4.1软件设计概述7
4.2程序的总体设计7
4.3系统程序8
4.4源程序及注释9
5设计工作总结及心得体会11
参考文献12
附录13
1引言
温度控制是工业生产、科研活动中一个举足轻重的环节,它直接关系到整个生产系统的控制系统的控制,因此温度控制的研究具有重要的现实意义。
随着电子技术和微型计算机的迅速发展,微机测量和控制技术也得到了迅速发展和广泛的应用。
利用微机对温度进行测控的技术,也便随之而生,并得到日益发展和完善,越来越显示也其优越性。
现在我们完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测,而且我们可以很容易地做到多点的温度检测,还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。
实践证明,用微型计算机对温度进行控制,无论在提高产品质量、数量和节约能源,还是在改善劳动条件等方面显示出无比的优越性。
本文设计的是电加热炉炉温度自动控制系统。
该系统利用单片机可以方便地实现对PID参数的选择与设定;实现工业过程中PID控制。
它采用温度传感器热电偶将检测到的实际炉温进行A/D转换,再送入计算机中,与设定值进行比较,得出偏差。
对此偏差按PID规律进行调整,得出对应的控制量来控制固态继电器、调节电炉的加热功率,从而实现对炉温的控制。
本节主要介绍89C52单片机组成的温度控制系统的组成原理及程序设计方法。
2系统工作原理
该系统以89C52单片机为核心,由温度传感器、运算放大器、A/D转换器、输入光电隔离、驱动电路、键盘、LED显示电路共同组成。
在系统中,温度的设置、温度值及误差显示、控制参数的设置、运行、暂停及复位等功能均由键盘和显示电路完成。
其原理框图如图2-1:
图2-1系统工作原理框图
由图可知,炉温控制的基本原理是:
改变可控硅的导通即改变电热炉加热丝两端的有效电压,有效电压可在0~140V内变化。
温度传感器是通过一只热敏电阻及其放大电路组成,温度越高其输出电压越小。
外部LED灯的亮灭表示可控硅的导通与关断的占空比时间,如果炉温低于设定值则可控硅导通,系统加热,否则系统停止加热,炉温自然冷却到设定值。
3硬件设计部分
3.1温度检测电路设计
温度检测电路是本次设计的主要内容,是整个单片机温度控制系统设计中不可缺少的一部分。
本系统要求对加热炉内温度进行实时采集与检测,在充分保证安全的情况下对加工器件进行热处理。
根据要求,本系统的温度检测电路主要由温度传感器、运算放大电路及A/D转换器组成。
经固定周期T对加热炉内温度进行检测,实现加热功能,并使系统安全稳定。
3.1.1温度传感器的选择
由于本次设计的加热炉温度范围为:
0—1000,加热温度高,而本系统对加热炉温度控制精度的要求为10,为满足设计要求选用K型热电偶温度传感器。
其具体参数如表3-1和表3-2:
表3-1K型热电偶参数
名称
型号
分度号
测温范围
允许偏差
镍铬-镍硅
WREU
K
长期
短期
0~300℃
±3%
0~1000℃
0~1300℃
>400℃
±1%
表3-2温度-数字量对照表
温度()
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1010
热电偶输出(mV)
0
4.10
8.14
12.21
16.40
20.65
24.90
210.13
33.29
37.33
41.66
变送器输出(V)
0
0.49
0.98
1.47
1.97
2.48
2.99
3.50
4.00
4.48
5.00
A/D输出(H)
000
191
322
4B3
64E
7F0
991
B33
CCD
E56
FFF
3.1.2温度传感器信号转换设备的选择
由于温度检测器输入的是模拟信号,且信号较为微弱,所以必须对该信号进行处理。
首先把温度信号经运算放大器进行放大,然后用A/D转换器把放大后的模拟信号转换为数字信号输入单片机。
所以,在转换过程中必须要接入信号转换设备。
本系统中,我们采用MAX6675作为温度传感器的信号转换设备。
MAX6675的内部由精密运算放大器、基准电源、冷端补偿二极管、模拟开关、数字控制器及ADC电路构成,完成热电偶微弱信号的放大、冷端补偿和A/D功能。
因此,MAX6675简化了温度控制系统中热电偶测温电路的设计,实际运行结果表明,该测温系统抗干扰能力强、结构简单、可靠性高、测量精度满足要求。
因此,在基于微处理器的单片机嵌入工业温测系统中,由MAX6675构成的单片机热电偶测温解决方案,具有良好的实用价值。
3.1.3温度测量电路原理图
以上将温度传感器及其信号放大器选择完毕,下面把选择好的镍铬—镍硅温度传感器及其信号放大器MAX6675与89C52单片机进行连接,组成温度测量电路。
具体的电路原理图如图3-1:
图3-1温度检测电路
此温度检测电路的工作原理可简单理解为:
镍铬—镍硅温度传感器检测到的温度信号经MAX6675运算放大、处理后输入89C52单片机,单片机根据检测到的温度数据对温度进行显示与控制。
3.2温度控制电路设计
本系统的另一个重要环节为温度的控制。
通过选择合理的加热元件、温度控制元件及其他辅助元件,对加热炉的温度进行控制,从而实现加热炉的加热功能。
3.2.1加热元件的选择
本次设计的加热为电阻炉,因此采用高性能的加热电阻作为加热元件。
因此选用的加热电阻为:
铁铬铝电热合金。
其具体参数如表3-3:
表3-3铁铬铝电热合金参数
类型
铁铬铝电热合金
品牌
上海合金厂
型号
GB/T1234—1995
材质
25AL5
常温电阻
1.42(欧姆)
功率
300—180000(W)
主要用途
加热
产品认证
GB/T1234—1995
最高温度
1400()
规格
1(mm)
铁铬铝电热合金具有电阻率高、电阻温度系数小、使用温度高的特点。
在高温下耐腐蚀性好,且价格低廉,是工业电炉理想的发热材料。
3.2.2温度控制元件的选择
本系统通过双向可控硅控制温度,即可以通过改变它的导通角来控制温度变化。
其相关参数为如下:
型号:
标准型BTA24,电流:
25(A)电压:
600—800(V),触发电流:
35—50(mA),封装形式:
T0-220,控制方式:
双向。
3.2.3其他控制元件的选择
以上选择了温度控制系统中的加热电阻和双向可控硅,但可控硅在与单片机接口连接时需要加光电隔离,而且需要单片机发出触发脉冲来控制可控硅的导通角。
其中,加热炉中的光电隔离器一般MOC3021,而触发脉冲常用单片机的某一根I/O接口产生触发脉冲。
3.2.4温度控制电路原理图
89C52单片机对温度的控制是通过双向可控硅实现的。
双向可控硅和加热电阻串接在交流220V,50HZ的回路中。
89C52单片机只要改变可控硅管的接通时间即可改变加热丝的功率,发达到调节温度的目的。
可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上触发脉冲控制。
该触发脉冲由89C52用软件在P1.4引脚上产生,经光电耦合器MOC3021输出送到可控硅的控制极上。
具体电路图如图3-2:
图3-2温度控制电路图
3.3人机通道设计
人机通道的设计包括三个部分:
键盘、温度显示电路、报警电路。
其中,温度值及参数设定由键盘输入,温度显示电路由LED显示器组成,报警电路由声、光两部分组成。
下面具体介绍这三个电路。
3.3.1键盘
键盘是向系统提供操作人员的干预命令及数据的接口设备,可分为编码键盘和非编码键盘两种类型。
本系统采用的是直观、简单的独立式非编码按键。
独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。
每个独立式按键单独占有一根I/O口线,每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其它I/O口线的工作状态。
通常的按键都是低电平有效。
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,在按键数量较多时,I/O口线浪费较大,故在按键数量不多时常采用这种按键电路。
由于这次所做设计案件数量少,因此可以选用此按键结构。
具体键盘电路图如图3-3:
图3-3键盘硬件连接图
3.3.2温度显示电路
本系统采用东财扫描方式。
而动态扫描就是指采用分时的方法,轮流控制各个显示器的COM端,使各个显示器轮流点亮。
动态扫描显示接口的接口电路是把所有显示器的8个逐步形成笔划段a-h同名端连在一起,而每一个显示器的公共极COM是各自独立地受I/O线控制。
CPU向字段输出口送出字形码,所有显示器接收到相同的字形码,但究竟是哪个显示器亮,则取决于COM端,而这一端是由I/O控制的,可以自行决定何时显示哪一位。
在轮流点亮扫描过程中,每位显示器的点亮时间是极为短暂的(约1ms),扫描的速度足够快,给人的印象就是一组稳定的显示器,不会有闪烁感,其电路图如3-4所示:
图3-4温度显示电路图
3.3.3报警电路
为了安全生产,系统设计有报警电路。
如图3-5所示,采用发光二极管进行显示。
图3-5报警接口电路
当P1.0口输入为高电平时,发光二极管显示绿色,表示系统正常工作;当P1.1口输入为高电平时,发光二极管显示红色,表示温度高于上限值;当P1.2口输入为高电平时,发光二极管显示黄色,表示温度低于下限值。
本系统还设计一个声音报警电路,由P1.5口输出控制。
完整的硬件电路图见附录。
4软件设计部分
4.1软件设计概述
本次设计的加热炉温度控制系统的功能是由硬件电路配合相应的软件来实现的。
上一章,已经详细设计了此控制系统的硬件电路,本章将着重介绍一下整个系统的软件设计。
本系统的软件设计所有的编程语言是汇编语言,首先在编程之前要对系统进行分析,包括对系统功能的分析,程序的总体设计,系统资源的分配,具体的温度控制算法,然后再进行相关数据的计算,流程图的绘制,具体编程,对程序进行修改等多个方面。
4.2程序的总体设计
本次设计的软件主要实现的为:
温度传感器测量的温度信号经MAX6675进行信号的放大与A/D转换,把转换好的数字量输入单片机,经过标度变换、显示码处理后将显示码送到数码管上显示出来。
同时,单片机对输入的数字量进行处理,经过PID控制算法对温度进行控制。
此外,软件还应该实现按键操作,例如设置参数的功能
4.3系统程序
系统的程序包括主程序、中断服务程序和一些具有特定功能的子程序,是系统软件的主要组成部分。
4.3.1系统主程序
主程序主要进行初始化,分配内存单元,设置定时器参数,以便为系统正常工作创造条件。
其流程图如图4-1:
图4-1温度控制系统的主程序流程图
4.3.2PID控制算法
在过程控制中,按偏差的比例(P),积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器(亦称PID调节器)是应用最为广泛的一种自动控制器。
它具有原理简单,易于实现,适用面广,控制参数相互独立,参数的选定比较简单等优点;而且在理论上可以证明,对于过程控制的典型对象——“一阶滞后+纯滞后”与“二十阶滞后+纯滞后”的控制对象,PID控制器是一种最优控制。
PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法,它的参数整定方式简便,结构改变灵活。
增量型PID运算子程序流程图如图4-2:
图4-2增量型PID流程图
4.4源程序及注释
;温度值读取程序
;位定义
SOBitP1.5
CSBitP1.7
SCKBitP1.6
;数据字节定义
DATAHDATA30H;读取数据高位
DATALDATA31H;读取数据低位
TDATAHDATA32H;温度高位
TDATALDATA33H;温度低位
;读温度值子程序
READT:
CLRCS;停止转换并输出数据
CLRCLK;时钟变低
MOVR2,#08H
READH:
MOVC,SO
RLCA;读D15~D8高8位数据
SETBCLK
NOP
CLRCLK
DJNZR2,READH
MOVDATAH,A;将读取的高8位数据保存
MOVR2,#08H
READL:
MOVC,SO;读D7~D0低8位数据
RLCA
SETBCLK
NOP
CLRCLK
DJNZR2,READL
MOVDATAL,A;将读取的低8位数据保存
SETBCS;启动另一次转换过程
RET
;数据转换子程序
D16T12:
MOVA,DTAL
CLRC
RLCA
MOVDATAL,A;数据整体右移一位
MOVA,DATAH;去掉D15伪志位
RLCA
SWAPA;将高低4位互换
MOVB,A;数据暂存B中
MOVA,#0FH;得到温度值的D11~D8位,并将D15~D12位置0
MOVDATAH,A;转换后的数据送温度高位
MOVA,B;取出温度值的D7~D4位
ANLA,#0F0H
MOVB,A;暂存B中
MOVA,DATAL
ANLA,#0F0H;取出温度值的D3~D0
SWAPA
ORLA,B;合并成低位字节
MOVTDATAL,A;转换后的数据送温度低位
RET
5设计工作总结及心得体会
此次计算机温度控制的课程设计要求我们不仅要掌握计算机控制技术本身的课程,同时熟练的掌握单片机原理、自动控制原理等知识。
本设计采用89C52单片机,由温度传感器、运算放大器、A/D转换器、输入光电隔离、驱动电路、键盘、LED显示电路共同组成了对加热炉温度进行控制的控制系统,将键盘输入、LED显示、A/D及D/A转换、PID调节规律、系统的静态动态特性等专业知识,将自动化理论硬件与软件紧密的结合起来,进行了一次大的融合。
在本次课程设计中,我坚持不懂就查,努力学习掌握知识,重点抓单片机运用原理,同时进一步理解计算机控制系统的构成原理、接口电路与应用程序,学会融会贯通,巩固了专业基础知识和相关专业课程知识,提高了运用理论知识解决实际问题的实践技能。
当然,我也发现自身仍然存在很多的不足之处,特别是专业基础知识不够扎实,综合运用不熟练,动手能力有待提高,我深刻认识到我的缺点,同时,我将通过刻苦学习,努力完善自己。
这次恳诚设计不是第一次,也不会是最后一次,但是我从中学到的知识以及它给我带来的启迪,将受益终身。
参考文献
[1]潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术.北京:
人民邮电出版社,1999
[2]谢维成,杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计.北京:
清华大学出版社,2006
[3]张荣标.微型计算机原理与接口技术.北京:
机械工业出版社,2009
[4]戴佳,戴卫恒.51单片机C语言应用程序设计.北京:
电子工业出版社,2006
[5]HTTP:
//WWW.MAXIM—IC.COM.CN/MAX5270-739/MAX6675.pdf
附录
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