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温度控制系统设计课设
摘要
在工业生产过程中,控制对象各种各样,温度控制在生产过程中占有相当大的比例,其关键在于测温和控温两方面。
由于控制对象越来越复杂,在温度控制方面,还存在着许多问题。
如何更好地提高控制性能,满足不同系统的控制要求,是目前科学研究领域的一个重要课题。
电锅炉是将电能转换为热能的能量转换装置,具有结构简单、无污染、自动化程度高等特点。
与传统的以煤和石化品为燃料的锅炉相比,还具有投资少、占地面积小、操作方便、热效率高、能量转化率高等优点。
近年来,电锅炉已成为供热采暖的主要设备。
本设计采用无ROM的8031作为主控制芯片。
8031的接口电路有8155、2764。
8155用于键盘/LED显示器接口,2764可作为8031的外部ROM存储器。
其中温度控制电路是通过可控硅调功器实现的。
双向可控硅管和加热丝串联接在交流220V,50HZ交流试点回路,在给定周期内,8031只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率,以达到调节温度的目的。
关键字:
电锅炉温度控制接口电路单片机
电锅炉温度控制系统的设计
1电锅炉温度控制系统原理简介
本文主要研究电锅炉温度控制的方法。
电锅炉是将电能转换为热能的能量转换装置,具有结构简单、无污染、自动化程度高等特点。
与传统的以煤和石化品为燃料的锅炉相比,还具有投资少、占地面积小、操作方便、热效率高、能量转化率高等优点。
近年来,电锅炉已成为供热采暖的主要设备。
锅炉控制作为过程控制的一个典型,动态特性具有非线性、大惯性,大延迟的特点。
目前国内电热锅炉控制大都采用的是开关式控制,甚至是人工控制方法。
采用这些控制方法的系统稳定性不好,超调量大,同时对外界环境变化响应慢,实时性差。
另外,频繁的开关切换对电网产生很大的冲击,降低了系统的经济效益,减少了锅炉的使用年限。
因此,研究一种最佳的电锅炉控制方法,对提高系统的经济性、稳定性具有重要的意义。
单片机的温度控制是数字控制系统的一个应用,单片机温度控制系统是以MS-5l单片机为控制核心,辅以采样反馈电路,驱动电路,晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。
系统的原理框图如图1所示,其基本控制原理为:
用键盘将温度的设定值送入单片机,启动运行后,通过信号采集电路将温度信号采集到后,送到A/D转换电路将信号转换成数字量送入单片机系统进行PID控制运算,将控制量输出,控制电锅炉温度。
图1控制系统原理框图
2硬件系统设计
2.1总体设计
系统控制主电路是由8031及其外围芯片,及一些辅助的部分构成的,如图2所示。
图2总体设计原理
2.2程序存储器的扩展
8031片内不带ROM,采用8031芯片时,须扩展程序存储器。
用作程序存储器的芯片主要有EPROM和EEPROM。
由于EPROM价格低廉、性能可靠,所以本次设计用EPROM。
EPROM是紫外线可擦除电可编程的半导体只读存储器,掉电后信息不会丢失。
EPROM中程序一般通过专门编程器可写入。
常用的EPROM芯片主要有:
2716、2732、2764、27128、27256等。
扩展程序存储器时,一般扩展容量大于256字节,因此,除了由P0口提供低8位地址线外,还需由P2口提供若干地址线,最大的扩展范围位64K字节,即需16位地址线。
具体方法是CPU应向EPROM提供三种信号线。
即
A:
数据总线:
P0口接EPROM的O0-O7。
B:
地址总线:
P0口经锁存器向EPROM提供地址低8位,P2口提供高8位地址以及片选线。
C:
控制总线:
PSEN片外程序存储器取指令控制信号,接EPROM的OE,ALE—接锁存器的G。
EA接地。
结合本次设计,选择扩展的型号为2764。
8031与2764的连接图如图3所示。
图32764与8031连接图
2.3温控模块的设计
温度检测元件和变送器的选择和被控温度及精度等级有关。
本设计采用镍铬/镍铝热电偶,此电偶用于0℃~1000℃的温度测量范围。
系统功能和系统的工作工程为:
反映炉温的热电偶,用于采集炉内的温度信号,将采集到的信号经冷端补偿后送运算放大器放大,由变送器将热电偶信号(温度信号)变为电流输出,再由高精密电流/电压变换器将电流信号变为标准电压信号,将放大的电压送入采样保持器和转换电路后得到与炉温相应的数字量。
具体设计为,将温度传感器输出的电流信号Iin,输入到电流/电压转换电路,在采样电阻R1上获得对应的电压分量VR=R1*Iin,并将该值经过由R2,C1构成的带有一定延时(时间与温度传感器的响应时间相对应)作用的低通滤波电路后,输入到放大器A1的正相端。
因为传感器输出4mA时,在取样电阻上的电压不等于零,直接经模拟/数字转换电路转换后的数字量也不等于零,所以单片机不能直接利用,这样利用稳压管产生一个精确基准电压Vref与R3。
RW1构成的可调分压电路,通过调节RW1可以获得精确的Vx=(Rx/RW1)Vref,该值可用于抵消4mA电流在取样电阻上产生的压降,所以当温度传感器为最小值4mA时,A1的2脚与3脚之间的电压差基本为0V。
与A1相连的C2、R3、R4、R5构成带有积分校正的放大电路,积分校正会增加系统的惯性,对变化较快的信号起阻尼作用。
通过适当调整电阻就可以获得理想的比例增益,再将经过处理的温度传感器感测到的电信号VT放大后,送入下一级的差值放大电路的负相端。
系统的炉温工艺曲线经分段换算后转换为对应的电压数据,再经过进制转换后存入E2PROM中。
当系统投入运行后,为了实现误差测量,单片机依据时钟定时器,按一定的时间间隔将数据通过总线传至DAC0832的数据寄存器,经D/A转换后的模拟电压VTS,从运放A2送入由A3、R6、R7、R8和R9构成的差值检测放大电路的正相端,与经过转换的采样电压值VT作差,得到的差值△VT放大后送入A/D转换器0809。
另外,变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成:
毫伏变送器用于把热电偶输出的0-41.32mV变换成0-10mA范围内的电流;电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的0-10MA电流变换成0-5V范围的电压。
为了提高精度,变送器可以进行零点迁移。
例如:
若温度测量范围为400℃~1000℃,则热电偶输出为16.4mV-41.32mV,毫伏变送器零点迁移后输出0-10mV范围电流。
这样,采用8位A/D转换器就可以使量化误差达到正负2.34度以内。
2.48155接口电路
2.4.18155简介
MCS-51和8155相连不仅可为外部设备提供两个8位I/O端口(A口和B口)和一个6位(C口),而且也可为CPU提供一个256字节RAM存储器和一个14位的定时器/计数器,所以8155广泛用于MCS-51系统中。
MCS-51单片机可以和8155直接连接而不需要任何外加逻辑器件,就可为系统增加256个字节片外RAM、22位I/O口线以及一个14位定时器。
P0口输出的低8位地址不必再另加锁存器,可直接与8155的AD0-AD7相连,既可作低8位地址总线,又可作数据总线。
从P0口传送过来的地址信息在ALE的作用下在8155内部被锁存。
高8位地址由及IO/的地址控制线决定,因此在图中的连接状态下,可以确定各个端口的地址:
RAM的地址范围:
FC00H~FCFFH
命令/状态口:
FD00H;PA口:
FD01H;
PB口:
FD02H;PC口:
FD03H;
定时器低8位:
FD04H;定时器高8位:
FD05H
2.4.28155的RAM和I/O口地址编码
8155在单片机应用系统中是16位地址数据,其高8位由片选线提供,而低8位地址为片内地址。
当IOM/=0时,单片机对8155内RAM读/写,RAM低8位编址为00~FFH;当IO/M=1时,单片机对8155中的I/O口进行读/写。
2.5A/D转换电路
ADC0809是一个典型的A/D转换芯片,为逐次逼近式8位CMOS型A/D转换器,片内有8路模拟选通开关、三态输出锁存器以及相应的通道地址锁存与译码电路。
ADC0809可处理8路模拟量输入,且有三态输出能力,既可与各种微处理器相连,也可单独工作。
输入输出与TTL兼容。
8路8位A/D转换器,即分辨率8位。
具有转换起停控制端。
转换时间为100μs,单个+5V电源供电,模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准。
首先输入3位地址,并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A/D转换,之后EOC输出信号变低,指示转换正在进行。
直到A/D转换完成,EOC变为高电平,指示A/D转换结束,结果数据已存入锁存器,这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时,输出三态门打开,转换结果的数字量输出到数据总线上。
A/D转换是把从热电偶接收到的温度模拟量转换成温度数字量输送到单片机里,以便
可以用单片机进行控制。
2.5.1引脚结构
(1)IN7--IN0:
8条模拟量输入通道
(2)地址输入和控制线:
4条
(3)数字量输出及控制线:
11条
(4)电源线及其他:
5条
输入为8个可选通的模拟量IN0-IN7。
至于ADC转换器接收哪一路输入信号由地址A、B、C控制的8路模拟开关实现。
同一时刻,ADC0809只接收一路模拟量输入,不同时刻对8路模拟量进行模数转换。
2.5.20809与8031的连接
ADC0809与8031的连接图如图4所示。
图40809与8031的连接
2.6可控硅控制电路
双向可控硅管和加热丝串联接在交流220V,50Hz交流试点回路。
在给定的周期T内,8031只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率,以达到调节温度的目的。
可控硅在给定周期T的100%时间内接通的功率最大。
可控硅接通时间可以通过可控硅控制板上控制脉冲控制。
该触发脉冲由8031用软件在P1.3引脚上产生,受过零同步脉冲后经光偶管和驱动器输送到可控硅的控制极上。
偏差控制的原理是先求出史册炉温对所需炉温的偏差值,然后对偏差值处理而获得控制信号去调节电阻炉的功率,以实现对电阻炉的炉温控制。
在工业上,偏差控制又称为PID控制,这是工业控制中常用的控制形式,一般能收到令人满意的效果。
控制论告诉人们,PID控制的理想方程是:
式中e—测量值与给定值之间的偏差;
TD—微分时间;
T-积分时间;
KP—调节器的放大系数。
将上式离散化得到数字PID位置式算法。
式中在位置式算法的基础之上得到数字PID
增量式算法:
3软件系统设计
这次程序的软件设计主要运用KeilμVison3软件,这个软件是德国KeilSoftware公司推出的51系列兼容单片机软件开发系统。
μVison3是集成的可视化Windows操作界面,其提供了丰富的库函数和各种编译工具,能够对51系列单片机以及和51系列兼容的绝大部分类型的单片机进行设计。
KeilμVison系列可以支持单片机C51程序设计语言,也可以直接进行汇编语言的设计与编译。
KeilμVison系列的集成开发环境最高版本是μVison3,版本号为V8.08。
KeilμVison系列是一个非常优秀的编译器,受到广大单片机设计者的广泛使用。
其主要特点如下:
①支持汇编语言、C51语言等多种单片机设计语言;
②可视化的文件管理,界面友好;
③支持丰富的产品线,除了51及其兼容内核的单片机外,还新增加了对ARM内核产品的支持;
④具有完善的编译连接工具;
⑤具备丰富的仿真调试功能,可以仿真串口、并口、A/D、D/A、定时器/计数器以及中断等资源,同时也可以和外部仿真器联合进行在线调试;
⑥内嵌RTX-51实时多任务操作系统;
⑦支持在一个工作空间中进行多项目的程序设计。
⑧支持多级代码优化。
3.1主程序
主程序主要完成加热控制系统各部件的初始化和实现各功能子程序的调用,以及实际测量中各个功能模块的协调在无外部中断申请时,单片机通过循环对外部温度进行实时显示。
应当注意:
由于T0被设定为计数器方式2,初值为06H,故它的溢出中断时间为250个过零同步脉冲。
为了系统正常工作,T1中断服务程序的执行时间必须满足T0的制一时间要求,因为T1的中断是嵌套在T0中断之中的。
主程序流程图如图5所示。
图5主程序流程图
3.2T0中断服务程序
T0中断服务程序是温度控制系统的主程序,用于启动A/D转换器,读如数据采样,数字滤波,越权温度报警和处理,PID计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。
P1.3引脚上输出的该同步脉冲宽度由T1计数器的溢出中断控制,8031利用等待T1溢出中断空隙时间完成把本次采样数值转换成显示值而放入显示缓冲区和调用温度显示程序,8031从T1中断服务程序返回后便可以恢复现场和返回主程序,以等待下次T0中断。
3.3采样子程序
采样子程序流程图如图6。
N
Y
N
Y
图6采样子程序框图
3.4数字滤波程序
本设计采用中值滤波数字滤波程序框图如图7。
图7数字滤波程序框图
4温控设计系统元器件简介
单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)简称单片机,是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器及串型和并行I/O接口等部件。
单片机主要应用于工业控制领域,用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对象的控制。
它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点。
单片机是微型计算机的一个重要分支,特别适合用于智能控制系统。
基于经济上的的考虑,以及本次设计的电锅炉的精度要求,选用8031单片机作为中央处理器。
8031是MCS-51系列单片机的一种型号,在MCS-51系列单片机中还有8051、8032、80C31等。
4.1单片机内部模块
4.1.1MCS-51单片机内部结构
图8单片机的内部结构框图
MCS-51系列单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、4个I/O口、串行
口、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。
图8中SP是堆栈指针寄存器,PC是程序计数器,PSW是程序状态字寄存器,DPTR是数据指针寄存器。
4.1.2主电源引脚
Vcc(40脚):
接+5V电源正端。
Vss(20脚):
接+5V电源地端。
4.1.3外接晶体引脚
XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚):
接外部晶振的两个引脚。
4.1.4MCS-51输入/输出引脚
MCS-51单片机有4个I/O端口,共32根I/O线,4个端口都是准双向口。
每个口都包含一个锁存器,即专用寄存器P0-P3,一个输出驱动器和输入缓冲器。
为方便起见,我们把4个端口和其中的锁存器都统称P0-P3。
在访问片外扩展存储器时,低8位地址和数据由P0口分时传送,高8位地址由P2口传送。
在无片外扩展存储器的系统中,这4个口的每一位均可作为双向的I/O口使用。
P0口:
可作为一般的I/O口用,但应用系统采用外部总线结构时,它分时作低8位地址和8位双向数据总线用。
P1口:
每一位均可独立作为I/O口。
P2口:
可作为一般I/O口用,但应用系统采用外部系统采用总线结构时,它分时作为高8位地址线。
P3口:
双功能口。
作为第一功能使用时同P1口,每一位均可独立作为I/O口。
另外,每一位均具有第二功能,每一位的两个功能不能同时使用。
4.1.5MCS-51控制线
RST/Vpd(9脚):
RST即为RESET,Vpd为备用电源。
该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。
当单片机震荡工作时,该引脚上将出现持续两个机器周期的高电平,这时可实现复位操作,使单片机回复到初始状态。
当Vcc发生故障,降低到低电平规定值或掉电时,该引脚上可接备用电源Vpd(+5V)为内部RAM供电,以保证RAM中的数据不丢失。
ALE/PROG(30脚):
地址锁存有效信号输出端。
ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。
在访问片外程序存储器期间,下降沿用于控制锁存P0输出端的低八位地址;在不访问片外程序存储器期间,可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。
PSEN(29脚):
片外程序存储器选通信号输出端,低电平有效。
在从外部程序存储器读取指令或常数期间,每个机器周期内该信号有效两次,并通过数据总线P0口读回指令或常数。
在访问片外数据存储器期间,该信号将不出现。
EA/VPP(31脚):
EA为片外程序存储器选通断。
该引脚有效(低电平)时,只选用片外程序存储器,否则单片机上电或复位后选用片内程序存储器。
对于片内还有EPROM的机型,在编程期间,此引脚用作12V编程电源Vpp的输入端。
4.2单片机外总线结构
微型计算机大多数CPU外部都有单独的地址总线、数据总线和控制总线,而MCS—51单片机由于受到芯片管脚的限制,数据线和地址线(低8位)是复用的,而且是I/O口兼用。
为了将它们分离开来,以便同单片机之外的芯片正确地相连,常常在单片机外部加地址锁存器来构成与一般CPU相类似的三总线,如图9所示。
图9单片机外部加地址锁存器示意图
4.3MCS-51单片机系统扩展
通常情况下,采用MCS-51系列单片机的最小系统只能用于一些很简单的应用场合,在此情况下直接使用单片机内部存储器、数据存储器、定时功能、中断功能、I/O端口等,组成的应用系统的成本较低。
单片机系统扩展的方法有并行扩展法和串行扩展法两种。
并行扩展法是利用单片机的三种线(AB、DB、CB)进行的系统扩展;串行扩展法是利用SPI三线总线或I2C双总线的串行系统扩展。
但是,一般串行接口器件速度慢,在需要高速应用的场合,还是并行扩展法占主导地位。
心得体会
经过这次的电力电子课程设计后,我从中学到了很多东西。
在我们学了《过程控制系统与仪表》之后,对专业课程基础知识已经有了最基本的掌握和接触。
经过独立设计,我成功的完成了本次设计。
对于我个人而言,我熟练的掌握了设计电锅炉温控系统的一般方法,还进一步熟悉了其原理。
开始拿到课题难免会感到陌生,不过经过自己亲手实践后才发现,只有经过实践运用得来的知识,才是真正属于自己的东西。
这其中还尤为深刻的就是要养成科学严谨的实验习惯,这样做起来才会更有条理性。
要把所学的知识灵活运用,必须要翻阅大量的资料并且要多多请教同学和老师,有很多的知识是平时不会注意的,但到了实际操作时就会因为那么一点小欠缺而不能完成。
我们需要有扎实的知识基础,要熟练地掌握课本上的知识,这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。
要有耐心和毅力。
理论只有与实践结合才能把所学知识灵活运用,本次课程设计我收获很大,既把课本上的理论知识给巩固了,也在实际操作中把所学知识与实际的电路很好的联系起来,并且从客观上理解所学知识。
这次设计中不但对以前的知识进行了巩固,而且还学会了更多的新知识,提高了思维、强化了动手能力,能够更好的适应独立自主完成任务的挑战,为以后的就业打下了基础。
本课程设计任务书基本是按照实际工作而作的,也记录了我在这期间进行探索的每一步。
从开始的稚嫩到现在的自信,这都是经过本次课设之后带给我的最大的改变。
这很大程度上提高了我对专业的兴趣和掌握能力,也为以后的专业学习夯实了基础。
参考文献
[1]王再英.过程控制系统与仪表.北京:
机械工业出版社.2006
[2]赖寿宏.微型计算机控制技术.北京:
机械工业出版社.2003
[3]王毓银主编.数字电路逻辑设计.北京:
高等教育出版社.1999
[4]郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京:
电子工业出版社.2009.[5]索雪松等.传感器与信号处理电路.北京:
中国水利水电出版社.2008
[6]李华等.单片机实用接口技术.北京:
北京航空航天大学出版社.2002
附录
程序清单
主程序:
ORG0100H
DISM0DATA78H
DISM1DATA79H
DISM2DATA7AH
DISM3DATA7BH
DISM4DATA7CH
DISM5DATA7DH
MOVSP,#50H;50H送SP
CLR5EH;清本次越限标志
CLR5FH;清上次越限标志
CLRA;清累加器A
MOV2FH,A
MOV30H,A
MOV3BH,A
MOV3CH,A
MOV3DH,A
MOV3EH,A
MOV44H,A
MOVDISM0,A
MOVDISM1,A
MOVDISM2,A
MOVDISM3,A
MOVDISM4,A
MOVDISM5,A
MOVTMOD,#56H
MOVTL0,#06H
MOVTH0,#06H
CLRPT0
SETBTR0
SETBET0
SETBEA
LOOPACALLDISPLY;调用显示程序
ACALLSCAN;调用扫描程序
AJMPLOOP;等待中断
T0中断服务程序:
ORG000BH
AJMPCT0
CT0:
PUSHACC
PUSHDPL;保护现场
PUSHDPH
SETBD5H;置标志
ACALLSAMP
ACALLFILTER
CJNEA,42H,TPL
WL:
MOVC,5EH
MOV5FH,C
CLR5EH
ACALLUPL
POPDPH
POPDPL
POPACC
RETI;中断返回
TPL:
JNCTPL1
CLR5FH;清上次越限标志
CJNEA,43H,MTPL
HAT:
SETBP1.1;若温度不越限,则绿灯亮
ACALLPID
MOVA,2FH
CPLA;
INCA;对PID值求补,作为TL1值
NM:
SETBP1.3
MOVTL1,A
MOVTH1,#0FFH
SETBPT1
SETBTR1;启动T1
SETBET1;允许T1中断
ACALLTRAST
LOOP:
ACALLDISPLY;显示温度
JBD5H,LOOP;等待T1中断
POPDPH
POPDPL
POPACC
RETI
MTPL:
JNCHAT
SETBP1.0;否则,下限声光报警
MOVA,45H
CPLA
INCA
AJMPNM
TPL1:
SETB5EH
JNB5FH,WL
INC44H;越限计数器加1
MOVA,44H
CLRC
SUBBA,#N;越限N次吗?
JNZWL
SETBP1.2
CLR5EH
CLR5FH
POPDPH
POPDPL
POPACC
RETI
采样子程序:
SAMP:
MOVR0,#2CH;采样值始址送R0
MOVR2,#03H
MOVDPTR,#03F8H
SAM1:
MOVX@DPTR,A;启动ADC0809工作
MOVR3,#20H
DLY:
DJNZR3,DLY;延时
HERE:
JBP3.3,HERE
MOVXA,@DPTR
MOV@R0,A;存放采样值
INCR0
DJNCR2,SAM1
RET
数字滤波程序
FILTER:
MOVA,2CH
CJNE
- 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:
- 温度 控制系统 设计