畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)I摘要在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開(kāi)關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。其中，溫度控制越來(lái)越重要。在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。采用單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問(wèn)題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的控制問(wèn)題。單片機(jī)是一種集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統(tǒng)等部分于一體的器件，只需要外加電源和晶振就可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信息的處理和控制。因此，單片機(jī)廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)控制中。本論文側(cè)重介紹“單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)”的硬件設(shè)計(jì)及相關(guān)內(nèi)容。論文的主要內(nèi)容包括：采樣、濾波、鍵盤、LED顯示和報(bào)警系統(tǒng)，溫度PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。作為控制系統(tǒng)中的一個(gè)典型應(yīng)用設(shè)計(jì)，單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)綜合運(yùn)用了微機(jī)原理、自動(dòng)控制原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、鍵盤顯示技術(shù)等諸多方面的知識(shí)。關(guān)鍵詞：MCS；溫度控制；PID；控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)IIAbstractWithscientificconstantprogress,inindustrialproduction,electriccurrent,voltage,temperature,pressurearemainlycommonlyused.especiallyintheheattreatmentindustry,theaccuratetestandcontrollingoftemperatureisveryimportant.Inalotoffields,forexample:Inmetallurgicalindustry,chemicalproduction,powerengineering,machinemanufactures,foodprocessing,familyandindustryheatetc.peopleneedtoheatingfurnace,heat-treatmentfurnaceandallkindsofresponsestoveandboilertemperaturemeasureandcontrol,throughsoftwaredesign,toreachtheintelligentcontrolfinallyandrealizetheinteractivefunction.AdoptSingle-ChipMicrocomputerisitcontrolconvenient,simple,flexibilityadvantagesuchasbeingheavytohavenotmerelytocontroltogoontotemperaturetocome,andcanraisebytechnicalindicatornottoaccuseoftemperaturebyalargemargin,thuscanbigimprovementqualityandthequantityofproducts.SothecontrolproblemtothetemperatureofSingle-ChipMicrocomputeristhecontrolproblemconstantlybeabletoencounterintheindustrymanufacture.ThispaperfocusesonMCStemperaturecontrolsystemhardwaredesignandrelatedcontent.Thecontentofthisthesismainlyincludes:introduces,filteringware,keyboard,man-computerdialoguesupportedbyLEDindication,heatcontrolmethod.Asatypicalexperimentaldesignincontrolsystem,MCStemperaturecontrolsystemintegrateduseofcomputertheories,Controltheory,analogelectronics,digitalcontroltechnology,thekeyboardanddisplaytechnologiesinmanyaspectsofknowledge.Keywords：MCS；temperaturecontrol；PID；ControlSystem蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)III目錄摘要第一章概述.11.1選題背景.11.2加熱爐工藝簡(jiǎn)介.11.2.1加熱爐.11.2.2三段連續(xù)推鋼式加熱爐.21.2.3加熱爐的狀況、功能及技術(shù)指標(biāo).31.2.4加熱爐的工藝要求.31.2.5加熱爐的燃燒和鋼坯加熱過(guò)程簡(jiǎn)述.31.2.6計(jì)算機(jī)控制的基本要求.41.3設(shè)計(jì)內(nèi)容.41.4解決的關(guān)鍵問(wèn)題.4第二章設(shè)計(jì)方案論證.62.1控制系統(tǒng)選擇：.62.1.1方案一：?jiǎn)位芈贩答伩刂葡到y(tǒng).62.1.2方案二：串級(jí)控制系統(tǒng).62.1.3方案三：前饋控制系統(tǒng).72.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：.82.2.1硬件組成.82.2.2模塊作用.9第三章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì).103.1單片機(jī)選型.103.1.1主要功能.103.1.2內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖.113.1.3外部引腳說(shuō)明.113.1.4中斷系統(tǒng).143.2A/D轉(zhuǎn)換器概述.143.2.1A/D轉(zhuǎn)換器選型.143.2.2AD0809引腳圖.153.3D/A轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介.163.3.1性能簡(jiǎn)介.163.3.2D/A轉(zhuǎn)換器選型.163.3.3DAC1208內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖.173.3.4DAC1208引腳圖.173.3.5DAC1208與單片機(jī)的接口：.183.4I/O擴(kuò)展：.19蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)IV3.4.1擴(kuò)展I/O口芯片選擇.193.4.28155內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖：.193.4.28155引腳圖：.203.4.38155與單片機(jī)連接.213.5地址鎖存器概述：.223.5.1鎖存器選擇.223.5.274LS373引腳圖：.233.5.374LS373與單片機(jī)相連.233.6存儲(chǔ)器的擴(kuò)展：.243.6.1存儲(chǔ)器選型.243.6.2存儲(chǔ)器管腳圖.253.6.32764A工作方式.263.6.42764A與單片機(jī)的連接.263.7按鍵、LED顯示器的設(shè)計(jì)：.263.7.1按鍵的設(shè)計(jì).263.7.2鍵盤工作原理.293.8傳感器及變送器.313.8.1熱電偶的特性.313.8.2熱電偶型號(hào)的選擇.323.8.3溫度傳送.323.8.4流量傳感器.333.8.5傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器電氣接線圖（一體式安裝）.343.8.6儀表的規(guī)格.353.9HONEYWEL電動(dòng)線性調(diào)節(jié)閥.363.9.1電動(dòng)線性調(diào)節(jié)閥特點(diǎn)和性能規(guī)格.373.9.2閥門放大電路.373.10源模塊的設(shè)計(jì).383.11.1電源設(shè)計(jì).38第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).394.1主程序和中斷服務(wù)程序：.394.1.1主程序流程圖：.394.1.2中斷程序的流程圖：.394.2鍵盤掃描程序.404.3溫度檢測(cè)子程序：.414.4溫度控制子程序：.424.5溫度越限報(bào)警子程序：.434.6控制算法子程序：.444.6.1增量式PID調(diào)節(jié)器.44蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)V4.6.2單字節(jié)帶符號(hào)數(shù)的減法子程序.464.6.3雙字節(jié)帶符號(hào)數(shù)的加法子程序：.474.7顯示子程序：.484.8系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)存分配.49第五章設(shè)計(jì)總結(jié).51附錄1程序清單：.54附錄2：外文翻譯.65蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1第一章概述加熱爐是種類繁多的工業(yè)爐窯中的一種，軋制生產(chǎn)線上的主要工藝設(shè)備之一，其作用是將鋼坯加熱到軋制所要求的溫度。這種設(shè)備一方面耗能大另一方面控制起來(lái)困難，一直是自動(dòng)化生產(chǎn)中急需要解決的問(wèn)題之一。目前國(guó)內(nèi)仍有大量的加熱爐停留在簡(jiǎn)單的人工控制或者通過(guò)電子儀表進(jìn)行手工電動(dòng)操作，這種操作方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、控制粗糙、節(jié)能效果不好、對(duì)操作工的水平要求較高。隨著要求高效利用能源和降低環(huán)境污染等問(wèn)題的日益急迫，急需對(duì)加熱爐之類的工業(yè)爐窯實(shí)行優(yōu)化控制以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和降低對(duì)環(huán)境的污染。1.1選題背景加熱爐的燃料有重油、柴油、煤氣、天然氣等。許多中大型軋鋼廠通常是采用高爐煉鋼所產(chǎn)生的高爐煤氣和焦?fàn)t煉焦所產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣，并將它們按一定的比例混合作為加熱爐的燃料，其次是以重油為燃料，也有兩者混合燃燒的。本論文源于南鋼中板廠二號(hào)加熱爐，燃料基本為高爐焦?fàn)t混合煤氣。七十年代以來(lái)，國(guó)際上主要從兩方面(設(shè)備方面和自動(dòng)控制方面)采取措施以降低加熱爐的能耗。在設(shè)備方面，諸如采用新型燒嘴，高性能爐體包扎材料，煙道換熱器以及爐徑管絕熱包扎等，以盡量提高爐內(nèi)熱量的利用率；在自動(dòng)控制方面則主要是采用合理的控制策略，使?fàn)t內(nèi)燃燒盡可能完全，以及恰當(dāng)?shù)厥逛撆骷訜岬侥繕?biāo)溫度。這兩方面的工作都取得了不小的進(jìn)展，使得加熱爐的平均耗能大幅度地降低。早期的加熱爐的自動(dòng)控制工作主要在常規(guī)燃燒控制上，如加熱爐各主要過(guò)程變量的定值控制，爐溫與燃料流量的串級(jí)控制，燃料與助燃空氣的比值控制以及煙道廢氣的含氧量控制等，其直接目標(biāo)是獲得較為穩(wěn)定的爐子工況及合理的燃燒過(guò)程，追求最佳燃燒。國(guó)內(nèi)加熱爐的控制水平與先進(jìn)國(guó)家相比還存在較大的差距，加熱爐控制大多停留在常規(guī)的燃燒控制階段，更有許多處于手工操縱階段?？偟膩?lái)說(shuō)，加熱爐的高級(jí)計(jì)算機(jī)控制策略尚處在初級(jí)階段，有關(guān)技術(shù)還不成熟。本文對(duì)加熱爐溫度控制技術(shù)的研究主要集中在三個(gè)方面:其一是燃燒控制技術(shù)究；其二是溫度調(diào)節(jié)器的研究；然后是各段爐溫的優(yōu)化設(shè)定研究。這三個(gè)方面工作相輔相成，綜合構(gòu)成了加熱爐的最優(yōu)控制技術(shù)的主要方面。因本人水平有限，文中錯(cuò)誤在所難免，敬請(qǐng)老師和專家批評(píng)指正，不勝感激。1.2加熱爐工藝簡(jiǎn)介本節(jié)就加熱爐的基本情況及其對(duì)加熱爐的控制要求和影響爐溫控制的因素作一些必要的介紹和分析。1.2.1加熱爐加熱爐是鋼鐵企業(yè)的重要設(shè)備之一，屬于工業(yè)窯爐的一種，主要用于在鋼材軋制前蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2對(duì)鋼材進(jìn)行加熱。由于不同的鋼材在加熱到不同的溫度時(shí)其特性不同，且在高溫下便于軋制，所以就必須根據(jù)生產(chǎn)需要和鋼材特性使?fàn)t膛溫度保持在特定的范圍內(nèi)，以使出爐的鋼材溫度滿足軋制要求。目前加熱爐的種類很多，各個(gè)鋼鐵企業(yè)根據(jù)自身的生產(chǎn)情況設(shè)計(jì)了不同類型的加熱爐，主要有連續(xù)式加熱爐、斜底式加熱爐、室狀加熱爐、環(huán)行加熱爐、步進(jìn)式加熱爐。1.2.2三段連續(xù)推鋼式加熱爐連續(xù)式加熱爐是將需要加熱的鋼坯從爐尾由推鋼機(jī)推入，然后在爐膛中進(jìn)行加熱，按照工藝指標(biāo)達(dá)到加熱要求后的鋼坯再?gòu)臓t頭有出鋼機(jī)推出。由于鋼坯是不斷地一根接一根由爐尾推入，加熱后由爐頭推出，生產(chǎn)過(guò)程是連續(xù)的，故稱為連續(xù)式