基于單片機(jī)的爐溫控制系統(tǒng).doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1頁(yè)共33頁(yè)摘要隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們需要對(duì)各中加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。采用單片機(jī)來(lái)對(duì)他們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。本文以單片機(jī)AT89C51為控制核心，溫度信號(hào)經(jīng)放大后輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸入到單片機(jī)。單片機(jī)中采用PID控制算法對(duì)測(cè)量數(shù)椐和設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，若測(cè)量數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)相差正負(fù)10，則進(jìn)行聲光報(bào)警，否則處理后的數(shù)據(jù)用于控制雙向可控硅管的接通時(shí)便可改變加熱絲功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。本系統(tǒng)的控制參數(shù)可進(jìn)行在線調(diào)整。關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)；溫度控制系統(tǒng)；PID控制；可控硅畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第2頁(yè)共33頁(yè)AbstractAlongwithnationaleconomydevelopment,thepeopleneedtoeachheatingfurnace、theheat-treatmentfurnace、inthereactorandtheboilerthetemperaturecarryonthemonitorandthecontrol.Notonlyusesthemonolithicintegratedcircuittocometothemtocontrolhasthecontroltobeconvenient,simpleandflexibilitybigandsoonmerits,moreovermayenhancelargescaleisaccusedthetemperaturetechnicalspecification,thuscanbigenhancetheproductthequalityandquantity.Thispapertakesthesinglechipmicrocomputerof8051asthecentralcontroller,andthetemperaturesignalisinputtedintotheA/DConverterADC0809，thentheconverteddigitalsignalisimportedintotheSingleChipMicrocomputer.Single-chipMicrocomputerusePIDcontrolalgorithmtoprocessthedatameasurementanddatasettings,iftismorethanagivenvalueof10,thesoundandlightalarmwillbeacted,otherwisetheprocesseddatawillbeusedtocontrolsilicon-controlledrectifiertubeputsthroughthetimethentobepossibletochangetheheaterpower,achievestheattemperationthegoal.Thesystemscontrolparameterscanbeadjustedonline.Keywords:Singlechipmicrocomputer；temperaturecontrolsystem；pidcontrol；silicon-controlledrectifier.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第3頁(yè)共33頁(yè)目錄第一章緒論.41.1引言.41.2溫度控制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展.41.3系統(tǒng)功能要求和指標(biāo).41.4總體方案的確定.4第二章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).62.1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.62.2溫度檢測(cè)電路.62.2.1常用的測(cè)溫方法.62.2.2熱電阻式溫度傳感器.72.2.3PT100鉑電阻測(cè)試傳感器的使用.72.3信號(hào)放大電路.82.3.1主要特性.82.3.2電壓特性.92.3.3放大電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算.92.4A/D轉(zhuǎn)換電路.102.4.1A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo).102.4.2主要特性.102.4.3外部特性（引腳功能）.112.4.4ADC0809工作過(guò)程.112.5單片機(jī).112.5.1主要特性.122.5.2管腳說(shuō)明.122.6.18255由4部分組成.142.6.28255引腳功能.142.7溫度控制部分.152.8爐溫控制系統(tǒng)的總原理圖.15第三章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).173.1系統(tǒng)控制算法的設(shè)計(jì).173.1.1控制方法的選擇.173.1.3PID算法的微機(jī)實(shí)現(xiàn).183.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).183.3.1系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖.193.3.2內(nèi)存分配.193.3.3程序設(shè)計(jì).20第四章總結(jié).24參考文獻(xiàn).25致謝.26畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第4頁(yè)共33頁(yè)第一章緒論1.1引言溫度參數(shù)是工業(yè)生產(chǎn)中常用的主要被控對(duì)象之一，例如。在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機(jī)械制造和食品加工等許多領(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)、顯示和控制。采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述各種功能不僅具有使用方便、簡(jiǎn)單和靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以提高被控參數(shù)的技術(shù)指標(biāo)，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的目的。為此，研究開發(fā)了一種基于MC-51單片機(jī)的溫度控制器，采用MC-51單片機(jī)及相關(guān)單元電路構(gòu)成溫度控制器的硬件部分，應(yīng)用帶死區(qū)PID控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制，且控制參數(shù)在線可以修改。1.2溫度控制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展溫度的測(cè)量和控制對(duì)人類日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、氣象預(yù)報(bào)、物資倉(cāng)儲(chǔ)等都起著極其重要的作用。在許多場(chǎng)合，及時(shí)準(zhǔn)確獲得目標(biāo)的溫度信息是十分重要的，近年來(lái)，溫度測(cè)控領(lǐng)域發(fā)展迅速，并且隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，溫度的測(cè)控芯片也相應(yīng)的登上歷史的舞臺(tái)，能夠在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域中廣泛使用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)溫度的控制大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：a.以分立元件為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)控制方法；b.以模擬集成電路為基礎(chǔ)的綜合控制方法；c.以控制芯片為基礎(chǔ)的智能溫度控制方法。目前，國(guó)際上新型溫度控制系統(tǒng)正從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展。1.3系統(tǒng)功能要求和指標(biāo)(1)溫度給定值在3700C左右且現(xiàn)場(chǎng)可調(diào)；(2)測(cè)試控制誤差20C；(3)實(shí)時(shí)顯示測(cè)試值，保留1位小數(shù)；(4)測(cè)試超過(guò)給定值100C時(shí)聲光報(bào)警；(5)控制參數(shù)可在線修改。1.4總體方案的確定根據(jù)功能和指標(biāo)要求，本系統(tǒng)選用AT89S51單片機(jī)為主控機(jī)。通過(guò)擴(kuò)展必要的外圍畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第5頁(yè)共33頁(yè)接口電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的測(cè)量和控制。具體設(shè)計(jì)如下：(1)由于溫度測(cè)量和控制的范圍為370左右控制精度也不高，可選用8路8位ADC0809作A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率可達(dá)0.5；為了方便現(xiàn)場(chǎng)人員操作系統(tǒng)可不擴(kuò)展專用鍵盤，溫度給定輸入可用2位BCD撥盤開關(guān)置數(shù)；溫度顯示可用4位LED；為了實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制，可擴(kuò)展帶光電隔離的過(guò)零觸發(fā)型雙向可控硅AC-SSR。整個(gè)單片機(jī)基本系統(tǒng)應(yīng)為：AT89S51+8255+AC-SSR+ADC0809+4位LED。(2)溫度測(cè)量由電阻式溫度傳感器PT100鉑電阻和信號(hào)放大電路組成。測(cè)量電路由測(cè)溫元件RT和電阻元件構(gòu)成橋式電路，它能把溫度變化所引起的鉑電阻的阻值變化轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)送給放大器的輸入端。OP07集成數(shù)據(jù)采集放大器可以在環(huán)境惡劣的工作條件下進(jìn)行高精度的數(shù)據(jù)采集。它線性好，并具有高共模抑制比、低電壓漂移和低噪聲的優(yōu)點(diǎn)。(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用帶光電隔離AC-SSR控制電阻絲的斷開與接通。其接通的時(shí)間由PID算法子程序提供，其值送給定時(shí)器T1來(lái)控制AC-SSR接通的時(shí)間。(4)控制算法可采用帶死區(qū)的比例積分微分（PID）算法實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。當(dāng)爐溫與給定值的偏差較小時(shí)，不動(dòng)作；當(dāng)偏差較大時(shí)，經(jīng)PID算法運(yùn)算后，單片機(jī)通過(guò)AC-SSR接通時(shí)間控制加熱絲，為了使控制參數(shù)可現(xiàn)場(chǎng)可調(diào)，可用3個(gè)電位器產(chǎn)生3路可調(diào)電壓經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)PID算法的3個(gè)參數(shù)（比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)、微分系數(shù)）在線調(diào)整。這種方法不僅可使參數(shù)調(diào)整方便，而且具有掉電保護(hù)功能。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第6頁(yè)共33頁(yè)第二章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖2.1硬件結(jié)構(gòu)框圖2.2溫度檢測(cè)電路2.2.1常用的測(cè)溫方法常用測(cè)溫方法有接觸式和非接觸式兩種。接觸式是通過(guò)溫度傳感器與被測(cè)物體接觸進(jìn)行溫度測(cè)量，其原理為，物體受熱后溫度就會(huì)升高，但兩個(gè)不同溫度的物體相互接觸后會(huì)產(chǎn)生熱交換，直至兩者的溫度達(dá)到平衡為止。非接觸式是利用溫度傳感器接收被測(cè)物體輻射能量來(lái)測(cè)量溫度，其原理為，物體在不同溫度下輻射能量不同。接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫特點(diǎn)：接觸式測(cè)溫需將溫度傳感器與被測(cè)物體接觸，容易破壞被測(cè)溫度場(chǎng)，而非接觸式測(cè)溫不存在此問(wèn)題。接觸式測(cè)溫需使溫度傳感器與被測(cè)物體達(dá)到熱平衡，測(cè)溫的滯后時(shí)間長(zhǎng)。而非接觸式測(cè)溫檢測(cè)的是被測(cè)物體的熱輻射，響應(yīng)速度快。由于多數(shù)測(cè)溫度傳感器不能承受2000以上的高溫，因此，接觸式測(cè)溫在高溫測(cè)量時(shí)受到限制，一般用于1000一下的溫度測(cè)量。而非接觸式測(cè)溫時(shí)，溫度傳感器無(wú)須達(dá)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第7頁(yè)共33頁(yè)到與被測(cè)物體相同的溫度，故可以用在高溫測(cè)量場(chǎng)合。接觸式測(cè)溫可測(cè)量低溫和超低溫。因低溫時(shí)物體的輻射能量很小，故非接觸式不適合測(cè)量低溫。接觸式測(cè)溫可達(dá)到較高的測(cè)量精度，通常為最小分度的1%左右。非接觸式測(cè)溫測(cè)量誤差大，一般為10左右，要達(dá)到較高到的測(cè)量精度成本很高。2.2.2熱電阻式溫度傳感器鉑電阻是常用的測(cè)溫傳感器。在0850，鉑電阻的電阻與溫度的關(guān)系可用下式表示RT=R0(1+AT+BT2)(2-1)式中：RT、R0分別為T和0時(shí)的鉑電阻值；A、B為常數(shù)。對(duì)Pt100鉑電阻，R0=100，A=3.9080210-3，B=-5.8019510-7。其特性曲線為一上凸拋物線。利用微分關(guān)系在比較窄的溫度變化范圍內(nèi)其電阻值隨溫度變化的特性可表示為：RT=R01+(T)當(dāng)溫度變化范圍增大時(shí)鉑電阻的非線性度有所增加，因此需對(duì)鉑電阻的特性進(jìn)行線性溫度補(bǔ)償。其補(bǔ)償方法有折線法和表格法。折線法就是將傳感器對(duì)應(yīng)的電壓溫度關(guān)系曲線分成若干段，每段用直線代替曲線，再使用插值法根據(jù)電壓計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫度；表格法就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)將傳感器電壓溫度對(duì)應(yīng)值制作成相應(yīng)的表格存放在非易失存儲(chǔ)器中，通過(guò)查表的方法即可得到相應(yīng)電壓下的溫度。2.2.3PT100鉑電阻測(cè)試傳感器的使用測(cè)溫元件采用PT100型鉑電阻測(cè)溫傳感器。金屬鉑(PT)的電阻值隨溫度變化而變化,并且具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，PT100型電阻溫度傳感器0阻值為100，電阻變化率為0.3851/。鉑電阻溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)（-200650）最常用的一種溫度檢測(cè)器，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)（涵蓋國(guó)家和世界基準(zhǔn)溫度）供計(jì)量和校準(zhǔn)使用。由測(cè)溫元件Rt和電阻元件構(gòu)成橋式測(cè)量電路，把測(cè)試變化所引起的鉑電阻的阻值變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送給放大器的輸入端。由于鉑電阻安裝在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)線接入控制臺(tái)，為了減小引線電阻的影響，采用三線制接法。可將外界測(cè)試變化對(duì)連接導(dǎo)線電阻r的影響在橋路抵消掉。采用三線制要求三根導(dǎo)線的面積和長(zhǎng)度均相同，測(cè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第8頁(yè)共33頁(yè)量鉑電阻的電路一般不是平衡電路，鉑電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，將導(dǎo)線的一根接到電橋的電源端，其余兩根分別電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂，當(dāng)橋路平衡時(shí)，通過(guò)計(jì)算可知，Rt=R1R3/R2+R1r/R2-r，當(dāng)R1=R2時(shí)，導(dǎo)線電阻的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果沒(méi)有任何影響，這樣就消除了導(dǎo)線電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差，但是必須是全等臂電橋，否則不可能完全消除導(dǎo)線電阻的影響，據(jù)上分析可見，采用三線制會(huì)大大減少導(dǎo)線電阻帶來(lái)的附加誤差。由于本系統(tǒng)在中低溫區(qū)測(cè)溫且測(cè)量范圍比較窄，將鉑電阻溫度傳感器等效為一個(gè)線性傳感器，這樣既不會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，又便于測(cè)量。2.3信號(hào)放大電路信號(hào)放大電路由單芯片集成精密放大器OP07構(gòu)成。OP07是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A最大為25V），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為2nA）和開環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。寬的輸入電壓范圍（最少13V）與高達(dá)110dB（OP07A）的共模抑制比和高輸入阻抗的結(jié)合，在同相電路阻態(tài)中提供了很高的精度，即使在很高