硅碳棒电加热温度控制器的设计毕业设计.docx
- 文档编号:27842271
- 上传时间:2023-07-05
- 格式:DOCX
- 页数:75
- 大小:795.49KB
硅碳棒电加热温度控制器的设计毕业设计.docx
《硅碳棒电加热温度控制器的设计毕业设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《硅碳棒电加热温度控制器的设计毕业设计.docx(75页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
硅碳棒电加热温度控制器的设计毕业设计
硅碳棒电加热温度控制器的设计毕业设计
第一章前言
1.1本文研究的目的和意义
温度是日常生活中的重要参数。
对温度的控制效果将直接影响到产品的质量及其使用寿命,因此,温度控制成为各个领域中的一项很关键的技术,研究高性能的温度控制器具有重要意义。
硅碳棒的使用温度高,又具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、升温快、寿命长、高温变形小等特点,同时具有良好的化学稳定性。
与自动化电控系统配套,还可得到精确的恒定温度,又可根据需要按曲线自动调温。
使用硅碳棒加热既方便,又安全可靠。
现已广泛应用于各类加热设备的电加热元件。
本次研究的硅碳棒电加热温度控制器的关键在于温度控制器的控温方面,采用PID控制方式。
这是由于传统的定值开关温度控制法通过硬件电路或者软件计算判别当前温度值与设定温度值之间的关系,进而对系统加热源进行通断控制。
这种开关控温方法较简单,是当系统温度上升至设定点时就关断电源,当系统温度下降至设定点时就开通电源,因而无法克服温度变化过程的滞后性,导致系统温度波动大,控制精度低,不适于高精度温度控制。
PID控制器中引入了参数整定和自适应控制理论,其具有算法简单,可靠性高等特点。
由于PID控制器模型中考虑了系统的误差,误差变化以及误差积累三个因素,因此其控制性能一定优越于定值开关控温法。
采用此方法实现的温度控制器,其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数,即比例值,积分值,微分值。
只要PID参数选取的正确,对于一个确定的受控系统,其控制精度比较令人满意。
硅碳棒电加热温度控制器的可靠性高、精度高、操作简单、功耗低、成本低。
所以本系统的设计是十分必要的。
1.2系统实现的功能
设计基于STC12C5A60S2单片机的硅碳棒电加热温度控制器,用于控制温度。
功能如下:
根据给定的温度,调节硅碳棒的控制电压,从而调节温度,实现温度的闭环控制。
温度通过通讯方式传入系统,硅碳棒电源电压为220V,功率为10kw,温度调节范围在0~1300度,测量精度为1%。
采用双向可控硅温度控制电路对其采用计算机软件方法来进行PID调节功能,使温度到达设定温度。
1.3设计的要求与方案
所设计的硅碳棒电加热控制器应具有以下功能:
(1)温度采集:
此部分是使用型号为WRP-130的铂铑10-铂热电偶为测温元件,再将其输出电压经过处理变送再经过电压跟随后,与STC12C5A60S2单片机中的A/D转换相配合,从而实现对初始温度的采集;
(2温度设置:
此部分依靠四个拨盘与单片机配合实现对最终温度的设置;
(3)LCD液晶显示部分:
采用FYD12864-0402B液晶显示模块,对温度采集所得温度以及设定温度进行显示;
(4)温度控制部分:
此部分首先采用过零触发双硅输出光耦MOC3061实现对单片机及可控硅温度控制器的隔离功能;然后采用双向可控硅MAC97A6构成过零比较电路,与单片机配合,运用PID控制方式来控制正弦波导通的周期个数,从而实现对温度的控制功能。
第二章总体设计分析
2.1组成框图
根据设计思想所要完成的功能,该硅碳棒电加热温度控制器采用单片机作为微处理单元进行控制。
其次由传感器温度采集电路,温度设置电路,LCD液晶显示电路以及温度控制电路组成。
系统的组成框图如下图2.1所示。
▲图2.1组成框图
2.2主要功能模块的简介
2.2.1传感器温度采集
测温电路的设计是采用型号为WRP-130的铂铑10-铂热电偶,其测温范围在0-1300度,精度在+/_2.4%,其具有性能稳定,抗氧化性能强以及测量精度高等优点,可以较为准确的测温。
利用其感温效应,把随被测温度变化的电压采集过来,将其经变送过后的信号送入电压跟随器后,传入STC12C5A60S2单片机中进行A/D转换,实现由模拟量到数字量的转换,再利用STC12C5A60S2单片机进行数据的处理,从而采集得到温度。
2.2.2温度设置
通过用四个拨盘以及四个电阻连接STC12C5A60S2单片机,应用编程来设置要给定的四位数的温度。
其中S1与单片机的一个I/O口连接,用软件编程,使其每按一下温度增加1度;S2也与单片机的一个I/O口连接,用软件编程,使其每按一下温度增加10度;S3也与单片机的一个的I/O口连接,用软件编程,使其每按一下温度增加100度;S4也与单片机的一个I/O口连接,用软件编程,使其每按一下温度增加1000度。
2.2.3LCD液晶显示
采用FYD12864-0402B液晶显示模块,该液晶模块每屏可显示4行8列共32个16*16点阵的汉字,每个显示RAM可显示1个中文字符或2个16*8点阵全高ASCII字符,即每屏最多可实现32个中文字符或64个ASCII码字符的显示。
在本系统中,利用该模块与单片机进行相连,对其进行编程使用,用来显示温度采集所得温度以及温度设置给定的四位数的温度。
2.2.4温度控制
温度控制是本系统的关键,而此部分的关键在于可控硅,我们采用PID控制方式来控制温度。
在本系统中是通过控制可控硅管的正弦波导通的周期个数来调节输出功率。
所以首先采用光耦,其以光为媒介传输电信号。
一般由三部分组成:
光的发射,光的接收及信号的放大。
输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,然后被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。
这就完成了电-光-电的转换,从而起到对输入、输出电信号的良好隔离的作用。
因为外围电路通常是交流电压为220V,强电是不能和弱电有任何电器接触的,所以为防止强电进入单片机内,必须采用光耦。
又因为本系统电路需要进行过零检测,而过零触发双硅输出光耦MOC3061自带过零检测的功能,所以被选为本系统的光耦元件,用其对单片机和可控硅温度控制电路进行隔离。
然后采用双向可控硅MAC97A6构成过零比较电路,当输入是高电平时,电路导通;当输入是低电平时,则电路不导通。
与单片机结合,软件部分采用PID控制方法对温度进行控制,由于其算法简单,可靠性高等优点被广泛使用,尤其是适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统,其中数字PID调节器的参数可以在现场实现在线整定,因此具有较大的灵活性。
第3章硬件设计
本设计的题目为硅碳棒电加热温度控制器的设计,其主要是应用以STC12C5A60S2单片机作为控制核心,传感器温度采集、温度设置、LCD液晶显示以及温度控制模块相结合的系统。
3.1主控系统
3.1.1STC12C5A60S2单片机简介
STC12C5A60S2/AD/PWM单片机是STC生产的单时钟机器周期(1T)的单片机,是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统的8051,但是速度却快8-12倍。
内部集成了MAX810专用的复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S,即25万次/秒),且针对电机控制,强干扰场合。
1.增强型的8051CPU,1T,单时钟机器周期,指令代码完全兼容传统的8051
2.工作电压:
5.5V-3.5V(5V单片机)
3.工作频率范围:
0-35MHz,相当于普通8051的0-420MHz
4.工作温度范围:
-40~+85度(工业级)/0~75度(商业级)
5.用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节……
6.片上集成了1280字节RAM
7.A/D转换,10位精度ADC,共八路,转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)
8.时钟源:
外部高精度晶体/时钟,内部R/C振荡器(温漂为+/_5~+/_10%以内)
用户在下载用户程序时,可选择是使用内部R/C振荡器或是外部晶体/时钟
在常温下,内部R/C振荡器频率为:
11MHz~17MHz
精度要求不高时,可选择使用内部时钟,但因为有制造误差和温漂,所以以实际测试为准
9.内部集成了MAX810专用复位电路(外部晶体12M以下时,复位脚可直接1K电阻到地)
10.有EEPROM功能
11.看门狗
12.通用I/O口(36/40/44个),复位后为:
准双向口、弱上拉(普通8051传统的I/O口)可以设置成四种模式:
准双向口/弱上拉,强推免/强上拉,仅为输入/高阻,开漏。
每个I/O口驱动能力均可以达到20mA,但整个芯片最大不要超过120mA
13.共有4个16位定时器
2个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1,没有定时器2,但是有
独立波特率发生器做为串行通讯的波特率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器
14.3个时钟输出口,可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟,可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟,独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟
15.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块,PowerDown模式可由外部中断唤醒,INT0_/P3.2,INT1_/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可以通过寄存器设置到P4.2)CCP1/P1.4(也可通过寄存器设置到P4.3)
16.ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用的编程器,也无需专用的仿真器,可以通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,数秒钟即可完成一片
17.外部掉电检测电路:
在P4.6口有一个低压门槛比较器,为1.33V,误差为+/_5%
18.PWM(2路)/PCA(可编程计数器阵列,2路)
——也可以来当2路D/A使用
——也可以来再实现2个定时器
——也可以来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)
19.通用全双工异步串行口(UART),由于STC12系统是高速的8051,可再用定时器或PCA软件实现多串口
20.STC12C5A60S2系统有双串口,后缀有S2标志的才有双串口,RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2),TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)
21.I/O口不够时,可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595(均可级联)来扩展I/O口,还可以用A/D做按键扫描来节省I/O口,或用双CPU,三线通信,还多了串口。
▲图3.1STC12C5A60S2引脚图
3.1.2最小应用系统模块
目前的单片机开发系统只能够仿真单片机,却没有给用户提供一个通用的系统。
由设计的要求,只要做很小集成度的系统应用在一些小的控制单元。
其基本的应用特点包括以下几点:
(1)全部I/O口线均可供用户使用;
(2)内部存储器容量有限;
(3)应用系统开发具有特殊性。
▲图3.2最小系统图
单片机最小系统如图3.2所示,其中有4个双向的8位并行I/O端口,分别记作P0、P1、P2、P3,都可以用于数据的输出和输入,P3口具有第二功能,为系统提供一些控制信号。
时钟电路用于产生单片机工作所必须的时钟控制信号,内部电路在时钟信号的控制下,严格地按照时序指令工作。
单片机内部有一个用于构成振荡的高增益反向放大器,该高增益反向放大器的输入端为芯片的引脚XTAL1,输出端为芯片的引脚XTAL2。
这两个引脚跨接石英振荡器和微调电容,这就构成了一个稳定的自激振荡器。
电路中的石英振荡器通常选振荡频率为11.0592MHz的。
微调电容通常选用两个22pf的,该电容的大小会影响振荡器频率的高低,振荡器的稳定性以及起振的快速性。
复位电路是单片机的一个重要的工作方式,该电路一般是由外部的复位电路来实现的。
在单片机应用系统工作时,复位电路除了使系统正常的初始化以外,当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时,为了要摆脱该死锁状态,也需要用之来重新启动。
复位电路通常用这几种方式,包括上电自动复位、按键电平复位以及系统复位这三种方式。
在本最小系统中,STC12C5A60S2单片机的复位采用最简单的上电复位的方式,高电平有效。
R5和C3构成的微分电路,在接电的瞬间产生一个微分脉冲,其宽度大于两个机器周期,则单片机复位。
为保证微分脉冲宽度足够大,R5、C3的时间常数应大于两个机器周期,所以电容取10UF,电阻取10K。
3.2传感器温度采集模块
3.2.1器件选型与简介
本系统测量的温度范围较广,所以选用了热电偶,其是利用热电效应制成的温度传感器。
热电偶回路中所产生的热电势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成。
从理论上讲,任何两种不同导体(或半导体)都可以配制成热电偶,但是作为实用的测温元件,应该具有以下特性:
(1)在测温范围之内,热电性质稳定,不随时间而变化,有足够的物理化学稳定性,不易氧化或腐蚀;
(2)电阻温度系数小,导电率高,比热小;
(3)测温中产生热电势要大,并且热电势与温度之间呈线性或者接近线性的单值函数关系;
(4)材料复制性好,机械强度高,制造工艺简单,价格便宜。
[此段文字摘自参考文献1]
根据以上特性,又因为本系统测量的温度范围在0-1300度,所以选用型号为WRP-130的铂铑10-铂热电偶(S型热电偶),为贵金属热电偶。
其正极(SP)的化学成分为铂铑合金,其中含铑为10%,含铂为90%,负极(SN)为纯铂,故俗称单铂铑热电偶。
该热电偶在热电偶系列中具有准确度最高、稳定性最好、测温温区广、使用寿命长等优点。
它的物理及化学性能良好,热电势稳定性高,且在高温下抗氧化性能好,适用于氧化性和惰性气氛中,具有优良的综合性能。
其长期最高使用温度为1300?
,热响应时间小于150S,直径为16mm,测量精度小于+/-0.5%。
本系统中所选的铂铑10-铂热电偶是将硅碳棒的温度转换成电信号的信号转换元件。
然而由于热电偶的电气特性,其产生的电信号必须进行调理才能被精确、可靠的采集,所以将其进行变送,得到温度范围在0~1300度所对应的0~5V的电压信号。
将该0~5V的电压信号,送给一个电压跟随器,它的作用就是对信号进行隔离,改变输入输出电阻值,使得阻抗得到匹配。
它有效的提高了输入电阻值,降低了对输入的微小信号量的要求,与此同时它使输出电阻值减小,使电路的负载能力得到提高。
电压跟随器采用的是:
HA17358运放芯片,为单电源运放,且其使用宽电源电压范围和单功率电源电压,宽共模电压和提供具有一个0V输入和0V输出的可能操作,频率特性和输入偏置电流是温度补偿的。
其芯片引脚图如下图3.4所示。
▲图3.4HA17358引脚图
在得到模拟信号以后需要进行A/D转换,所谓A/D转换器即为模拟/数字转换器(AnalogtoDigitalConverter简称ADC),是将输入的模拟信号转换为数字信号。
在主控系统中,我们选取STC12C5A60S2单片机,而STC12C5A60S2单片机又是自带A/D转换的,所以我们不用再另外选取A/D转换器。
下面对STC12C5A60S2单片机中的A/D转换功能进行介绍。
STC12C5A60S2单片机的A/D转换口在P1口(P1.7-P1.0),有8路10位高速A/D转换器,转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)。
STC12C5A60S2单片机ADC(A/D转换器)的结构如图3.6所示。
▲图3.6ADC结构图
当AUXR.1/ADRJ=0时,A/D转换结果寄存器格式如下:
ADC_B9
ADC_B8
ADC_B7
ADC_B6
ADC_B5
ADC_B4
ADC_B3
ADC_B2
ADC_RES[7:
0]
-
-
-
-
-
-
ADC_B1
ADC_B0
ADC_RES[1:
0]
当AUXR.1/ADRJ=1时,A/D转换结果寄存器格式如下:
ADC_RES[1:
0]
-
-
-
-
-
-
ADC_B9
ADC_B8
ADC_B7
ADC_B6
ADC_B5
ADC_B4
ADC_B3
ADC_B2
ADC_B1
ADC_B0
ADC_RES[7:
0]
STC12C5A60S2单片机的ADC由多路选择开关,比较器,逐层比较寄存器,10位DAC,转换结果寄存器(ADC_RES和ADC_RESL)及ADC_CONTR构成。
STC12C5A60S2单片机的ADC是逐层比较型的ADC。
逐层比较型的ADC是由一个比较器和D/A转换器构成的,通过逐层比较,从最高位(MSB)开始,顺序地对每一个输入电压与内置的D/A转换器输出进行比较,经过多次的比较,使得转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量的对应值。
逐次比较型的ADC具有速度高、功耗低等优点。
从上图3.6可以看出,通过模拟多路开关,将通过ADC0~7的模拟量输入送至比较器。
用数/模转换器(DAC)转换的模拟量同本次输入的模拟量经过比较器进行比较,将比较的结果保存到逐次比较器中,并且通过逐次比较寄存器输出其转换结果。
在A/D转换结束后,最终的转换结果保存到ADC转换结果寄存器ADC_RES和ADC_RESL中,与此同时,置位ADC控制寄存器ADC_CONTR中的A/D转换结束标志位ADC_FLAG,该位是用来供程序查询或发出中断申请的。
模拟通道的选择控制是通过ADC控制寄存器ADC_CONTR中的CHS2~CHS0来确定的。
ADC的转换速度是由ADC控制寄存器中的SPEED1和SPEED0来确定的。
使用ADC之前,应该先给ADC上电,即置位ADC控制寄存器中的ADC_POWER位。
当ADRJ=0时,如果要取10位结果,则按下面公式计算:
10-bitA/DConversionResult:
(ADC_RES[7:
0],ADC_RESL[1:
0])=1024*Vin/Vcc
当ADRJ=0时,如果要取8位结果,则按下面公式计算:
8-bitA/DConversionResult:
(ADC_RES[7:
0])=256*Vin/Vcc
当ADRJ=1时,如果要取10位结果,则按下面公式计算:
10-bitA/DConversionResult:
(ADC_RES[1:
0],ADC_RESL[7:
0])=1024*Vin/Vcc
式中,Vin为模拟输入通道的输入电压,Vcc为单片机的实际工作电压,用单片机的工作电压作为模拟的参考电压。
3.2.2整个模块设计与分析
温度采集电路如图3.3所示:
▲图3.3温度采集电路
在本系统中直接将铂铑10-铂热电偶采集的电信号经变送后得到的0~5V的电压信号,送给一个电压跟随器,通过电压跟随器对信号进行隔离,改变输入输出电阻值,使阻抗得到匹配。
此外电压跟随器还有效的提高了输入电阻值,降低了对输入的微小信号量的要求,它还减小了输出电阻值,提高了电路的负载能力。
在经过电压跟随器之后,得到的模拟信号需要进行A/D转换,即为模拟/数字转换,将输入的模拟信号转换为数字信号。
而STC12C5A60S2单片机是自带A/D转换的,A/D转换口在P1口(P1.7-P1.0),有8路10位高速A/D转换器,转换速度可达250K/S(每秒钟25万次),所以不必另外选取A/D转换器。
在本系统中,选用STC12C5A60S2的P1.1口,将其通过软件设置为A/D转换口,此内容将在第四章进行介绍。
3.3温度设置模块
▲图3.7键盘设置图
这里要给单片机设定的温度,所以选用了四个拨盘及四个4.7K的电阻连单片机的P2.0~P2.3口,通过编程来设置要给定的四位数的温度。
S1与P2.0口连接,用软件编程,使每按一下温度增加1度
S2与P2.1口连接,用软件编程,使每按一下温度增加10度
S3与P2.2口连接,用软件编程,使每按一下温度增加100度
S4与P2.3口连接,用软件编程,使每按一下温度增加1000度
如图3.7所示。
3.4LCD液晶显示模块
3.4.1器件选型与简介
在液晶显示部分,本系统将采用现成的FYD12864-0402B液晶显示模块对温度采集所得温度以及温度设置的四位数的温度进行显示。
FYD12864-0402B是一种具有4位或8位并行,2线或3线串行多种接口方式,且内部含国标一级/二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块。
其显示的分辨率为128*64,内置有8129个16*16点汉字,以及128个16*8点ASCII字符集。
利用该模块灵活的接口方式和简单方便的操作指令,可以构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8*4行16*16点阵的汉字。
同时也可完成图形显示。
该显示模块有一显著特点,就是低电压低功率。
将由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块进行比较,不论是硬件电路结构还是显示程序都要简洁很多,且该模块的价格也稍低于相同点阵的图形液晶模块。
其基本特征有以下几点:
1.低电源电压(VDD:
+3.0~+5.5V)
2.显示分辨率:
128*64点
3.2MHZ时钟频率
4.显示方式:
STN,半透以及正显
6.驱动方式:
1/32DUTY,1/5BIAS
7.通讯方式:
串口、并口
8.内置有128个16*8点阵字符
9.内置有汉字字库,提供8129个16*16点阵汉字(简繁体均可)
10.内置有DC—DC转换电路,无需外加负压
11.无需片选信号,简化软件设计
12.背光方式:
侧部高亮白色LED,功耗仅为普通LED的1/5—1/10
13.工作温度:
0~+55度;储存温度:
-20~+60度
其原理方框图如下图3.8所示。
▲图3.8FYD12864-0402B原理方框图
其串行接口管脚信号如下表3.1:
表3.1FYD12864-0402B串行接口管脚表
管脚号
名称
LEVEL
功能
1
VSS
0V
电源地
2
VDD
+5V
电源正(3.0V-5.5V)
3
V0
-
对比度(亮度)调整
4
CS
H/L
模组片选端,高电平有效
5
SID
H/L
串行数据输入端
6
CLK
H/L
串行同步时钟:
上升沿时读取SID数据
15
PSB
L
L:
串口方式
17
/RESET
H/L
复位端,低电平有效
19
A
VDD
背光源电压+5V
20
K
VSS
背光源负端0V
其并行接口管脚信号如下表3.2所示。
表3.2FYD12864-0402B并行接口管脚表
管脚号
管脚名称
电平
管脚功能描述
1
VSS
0V
电源地
2
VCC
3.0-5.5V
电源正
3
V0
-
对比度(亮度)调整
4
RS(CS)
H/L
R/S="H",表示DB7-DB0为显示数据
R/S="L",表示DB7-DB0为显示指令数据
5
R/W(SID)
H/L
R/W="H",E="H",数据被读到DB7-DB0
R/W="L",E="HL",DB7-DB0的数据被写到IR或DR
6
E(SCLK)
H/L
使能信号
7
DB0
H/L
三态数据线
8
DB1
H/L
三态数据线
9
DB2
H/L
三态数据线
10
DB3
H/
- 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:
- 碳棒 加热 温度 控制器 设计 毕业设计