溫度控制系統(tǒng)論文 溫度檢測(cè)系統(tǒng)論文 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第1頁共62頁引言溫度是工業(yè)過程控制中主要的被控參數(shù)之一，在冶金、化工、建材、食品、石油等工業(yè)中，工藝過程所要求的溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。對(duì)于不同場(chǎng)所、不同工藝、所需溫度高低范圍不同、精度不同，則采用的測(cè)溫元件、測(cè)溫方法以及對(duì)溫度的控制方法也將不同，隨著電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。越來越顯示出其優(yōu)越性。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片微型計(jì)算機(jī)的功能不斷增強(qiáng)，許多高性能的新型機(jī)種不斷涌現(xiàn)出來。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，成為自動(dòng)化和各個(gè)測(cè)控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在溫度控制系統(tǒng)中，單片機(jī)更是起到了不可替代的核心作用。在工業(yè)生產(chǎn)中，如用于熱處理的加熱爐、用于融化金屬的坩鍋電阻爐等，都用到了電阻加熱的原理。鑒于單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用的廣泛性和優(yōu)越性，溫度控制的重要性，因而設(shè)計(jì)一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價(jià)值的。本文就是根據(jù)這一思想來展開的。1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的和任務(wù)1.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì),主要想達(dá)到以下目的：1.增進(jìn)對(duì)單片機(jī)的感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)單片機(jī)理論方面的理解。2.掌握單片機(jī)的內(nèi)部功能模塊的應(yīng)用，如定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷、片內(nèi)外存貯器、I/O口等。3.了解和掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)過程、方法及實(shí)現(xiàn)，為以后工作中設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。4.熟悉閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成原理及單片機(jī)算法的實(shí)現(xiàn)方法。1.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)1查閱資料，弄清楚所要解決的問題的思路，確定設(shè)計(jì)方案。2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)。3系統(tǒng)相關(guān)軟件設(shè)計(jì)。4仿真實(shí)現(xiàn)溫度參數(shù)設(shè)定、轉(zhuǎn)換、顯示等功能。5依據(jù)對(duì)象模型設(shè)計(jì)控制器參數(shù)，6系統(tǒng)調(diào)試與分析；并依據(jù)調(diào)試結(jié)果予以完善。1.2畢業(yè)設(shè)計(jì)論文安排1.論證系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理圖。2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與測(cè)試。3.繪制軟件設(shè)計(jì)流程圖，設(shè)計(jì)軟件功能模塊并調(diào)試。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第2頁共62頁4.系統(tǒng)仿真與調(diào)試。5.系統(tǒng)調(diào)試，并依據(jù)調(diào)試結(jié)果完善設(shè)計(jì)。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第3頁共62頁2系統(tǒng)方案的論證與原理圖設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)方案論證方案一：采用8031芯片作為控制核心，以ADC0809做模數(shù)轉(zhuǎn)換，采用LED顯示當(dāng)前的溫度和設(shè)定的溫度，經(jīng)過一定的算法來控制輸出，從而來控制爐溫。此方案的缺點(diǎn)是8031芯片內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器，在硬件設(shè)計(jì)中需要外擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，這樣硬件電路比較復(fù)雜。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)的讀取數(shù)據(jù)比較麻煩。方案二：采用AT89C51芯片作為控制核心，以ADC0809做模數(shù)轉(zhuǎn)換，并用LED顯示當(dāng)前的溫度和設(shè)定的溫度，設(shè)置復(fù)位鍵和設(shè)定溫度鍵，通過PID算法來控制輸出，從而達(dá)到控制爐溫的目的。此方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)明扼要，硬件電路比較簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是所測(cè)的溫度精度不高。方案三：采用PLC西門子300來作為控制核心，并用LED顯示當(dāng)前的溫度和設(shè)定的溫度，經(jīng)過一定的算法來控制輸出，從而達(dá)到控制爐溫的目的。此方案的優(yōu)點(diǎn)是硬件電路簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定；缺點(diǎn)是所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成本比較高。綜上所述，并結(jié)合我們學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的具體情況，選擇第二種方案。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖本系統(tǒng)采用典型的反饋式溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)組成見圖2.1。圖中數(shù)字控制器的功能由AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)；由熱敏電阻、電橋、A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成輸入通道，用于采集爐內(nèi)的溫度信號(hào)，其中熱敏電阻選用mf12-26型號(hào)，它將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樽柚底兓盘?hào)再經(jīng)電橋變?yōu)?5v標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，以供A/D轉(zhuǎn)換用；轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與爐溫的給定值數(shù)字化后進(jìn)行比較，即可得到實(shí)際爐溫和給定爐溫的偏差；爐溫的設(shè)定值由鍵盤輸入。由單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)字控制器按最小拍進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出所需要的控制量。數(shù)字控制器的輸出經(jīng)標(biāo)度變換后送給由p3.0通過t0調(diào)制的PWM波送至SSR，從而改變電阻爐單位時(shí)間內(nèi)電壓導(dǎo)通的百分比,從而控制電阻爐加熱功率，起到調(diào)溫的作用。圖2.1溫度控制系統(tǒng)組成原理框圖AT89C51顯示鍵盤電阻爐SSRAD轉(zhuǎn)換溫度采集SCR陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第4頁共62頁3硬件電路的設(shè)計(jì)3.1溫度控制器的選擇控制器選擇目前市場(chǎng)上最流行的也是筆者最熟悉的atmel公司的AT89C51單片機(jī)。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。3.1.1AT89C51的主要特性與MCS-51兼容4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器5個(gè)中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路3.1.2AT89C51的管腿圖所選用的AT89C51芯片的管腿圖如圖3.1所示；單片機(jī)對(duì)外呈現(xiàn)3總線形式，由P2、P0口組成16位地址總線；由P0口分時(shí)復(fù)用為數(shù)據(jù)總線；由ALE、PSEN、RST、EA與P3口中的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD共10個(gè)引腿組成控制總線。由于是16位地址線，因此，可使片外存儲(chǔ)器的尋址范圍達(dá)到64KB。其P3口還具有第二功能，如表3.1所示。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第5頁共62頁表3.1P3口第二功能表引腿第二功能P3.0RXD串行口輸入端P3.1TXD串行口輸出端P3.2INT0外部中斷0請(qǐng)求輸入端，低電平有效P3.3INT1外部中斷1請(qǐng)求輸入端，低電平有效P3.4T0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0記數(shù)脈沖輸入端P3.5T1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0記數(shù)脈沖輸入端P3.6WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)輸出端，低電平有效P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效3.2溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測(cè)量，陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第6頁共62頁測(cè)溫常用的器件有熱電偶和熱電阻,由于電烤箱溫度控制范圍較低,故采用熱電阻測(cè)溫,熱電阻測(cè)溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加或降低這一特性來進(jìn)行溫度測(cè)量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器件。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。為此，設(shè)計(jì)如圖3.2所示，熱電阻溫度檢測(cè)電路采用三線出三線入連接方法。圖3.2熱電阻溫度檢測(cè)電路當(dāng)測(cè)溫范圍不大，元件長(zhǎng)度和截面積隨溫度改變引起的阻值變化可以忽略時(shí)，熱電阻元件的阻值隨溫度變化可以認(rèn)為是線性的，可以用式31表示:)(100ttRRtt（式31）其中,t0表參考溫度；0tR表示參考溫度下的鉑熱電阻阻值；表示電阻元件的平均電阻溫度系數(shù)，即電阻元件的溫度相對(duì)于參考溫度每變化1時(shí)，引起考溫度下每歐姆電阻值的增量。電橋處于平衡時(shí)，則有：321RRRRt(式32)令Rl=R2，則R3=Rt,，使得R3的阻值等于鉑熱電阻的阻值。這樣，通過電橋的方法測(cè)量出t溫度下熱電阻的阻值，就可以算出此時(shí)的溫度：110031Rt（式33）陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第7頁共62頁根據(jù)上述熱敏電阻測(cè)溫原理,系統(tǒng)中,電橋各參數(shù)如下:R1=47kR2=47kR3=1.5K熱敏電阻阻值與實(shí)際溫度及采樣電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表3.2所示:表3.2溫度數(shù)字量對(duì)照表溫度(C)100120140160180200220240電壓(V)2.02.42.83.23.64.04.44.83.3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)現(xiàn)階段生產(chǎn)的ADC具有模塊化、與微機(jī)總線兼容等特點(diǎn)，在選擇ADC芯片時(shí)，除需要滿足用戶的各種技術(shù)要求外，還須注意：數(shù)字輸出的方式；對(duì)啟動(dòng)信號(hào)的要求；轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時(shí)問；穩(wěn)定性及抗干擾性。逐次逼近式ADC具有較高的轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換程序固定和精度高的特點(diǎn)，適用于快速自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)與多回路的快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一般是轉(zhuǎn)換速度小于lms的場(chǎng)合。電烤箱溫度變化范圍不會(huì)太大，本系統(tǒng)要求最小溫度分辨率為1，假使溫度變化范圍為100，整個(gè)系統(tǒng)的溫度采集點(diǎn)應(yīng)為1002=200個(gè)，8位轉(zhuǎn)換器分辨率為1256，完全