基于單片機的電加熱爐溫度控制畢業(yè)設(shè)計論文（已處理）

1、基于單片機的電加熱爐溫度控制畢業(yè)設(shè)計論文 基于單片機的電加熱爐溫度控制摘要 電加熱爐隨著科學技術(shù)的開展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高,已經(jīng)在冶金、化工、機械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用,并且在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位。對于這樣一個具有非線性、大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點的控制對象,很難用數(shù)學方法建立精確的數(shù)字模型,因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難到達好的控制效果。 單片機以其高可靠性、高性能價格比、控制方便簡單和靈活性大等優(yōu)點,在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀器儀表等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用單片機進行爐溫控制,可以提高控制質(zhì)量和自動化水平。 本設(shè)計為基于單片機的電加熱爐溫度控制系統(tǒng),通過采用硬

2、件與軟件的結(jié)合實現(xiàn)對電加熱爐溫度的自動控制。硬件電路主要包括:加熱及控制電路局部,數(shù)據(jù)采集和模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換處理局部,鍵盤和顯示器局部,單片機與各局部的接口處理局部。軟件設(shè)計主要由溫度控制的算法和溫度控制程序組成,其原理是先求出實測爐溫對所需爐溫的偏差值,而后對偏差值的處理而獲得控制信號去調(diào)節(jié)加熱爐的加熱功率,以實現(xiàn)對爐溫的控制。其中控制電路局部利用雙向可控硅的通斷特性來決定加熱電路的通電與斷電該系統(tǒng)具有硬件本錢低,控溫精度高,可靠性好,抗干擾能力強等特點。 關(guān)鍵詞:電加熱爐;單片機;溫度控制;雙向可控硅。目錄摘要1第1章 緒論41.1課題的提出41.2系統(tǒng)設(shè)計目的及要求41.3課題的分析

3、與設(shè)計思路5第2章 溫度控制系統(tǒng)的概述72.1微機控制系統(tǒng)簡介72.2電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的特性72.3電加熱自動控制原理8第3章 系統(tǒng)電路分析硬件93.1溫度檢測電路93.2電源設(shè)計電路93.3 RS232/485轉(zhuǎn)換電路103.4 PWM式鍵盤接口電路123.5可控硅調(diào)功電路13第4章 芯片介紹154.1單片機AT89C51介紹154.2 MC14499芯片介紹154.3 197芯片164.4 74HC4060芯片17第5章 系統(tǒng)控制算法仿真185.1飛升曲線185.2 PID算法仿真19第6章 MCGS組態(tài)236.1MCGS?的整體結(jié)構(gòu)236.2 MCGS軟件的功能和特點236.3 MC

4、GS組態(tài)過程24第7章 系統(tǒng)的程序設(shè)計267.1系統(tǒng)主程序267.2系統(tǒng)中斷效勞程序367.3系統(tǒng)PID子程序37第8章 附錄418.1參考資料418.2大林仿真程序418.3系統(tǒng)程序428.4硬件設(shè)計總圖44第9章 總結(jié)45第1章 緒論 近年來隨著計算機在社會各領(lǐng)域的滲透,單片機的應(yīng)用正在不斷地走向深入,同時也帶動了傳統(tǒng)控制檢測的更新與開展。在實時檢測和自動控制的單片機應(yīng)用系統(tǒng)中,單片機往往是作為一個核心部件來使用,僅單片機方面知識是不夠的,還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu),以及具體應(yīng)用對象特點的軟件結(jié)合,以作完善。單片機控制系統(tǒng)由微機和工業(yè)生產(chǎn)對象兩大局部組成。 隨著新技術(shù)的不斷開發(fā)與應(yīng)用,近來單片機

5、開展十分迅速,其應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機械、食品、石油等各個行業(yè)。尤其在工業(yè)控制、自動化儀器儀表、計算機系統(tǒng)接口、智能化外設(shè)等領(lǐng)域開展很快。它的應(yīng)用對于產(chǎn)品升級換代、機電一體化都具有重要意義。在工業(yè)生產(chǎn)中,電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。其中,溫度控制也越來越重要。在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域中,人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反響爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。采用單片機對溫度進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點,而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標,從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 本設(shè)計的目的是通過本課題設(shè)計,懂得綜合運用單片機及

6、接口技術(shù)、微機原理、微電子技術(shù)和鍛煉動手操作能力,掌握運用能力,學習論文的寫作方法和步驟。掌握電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的組成及原理,掌握各局部的功能及作用,了解單片機的開展前景。 本設(shè)計的溫度系統(tǒng)有以下要求: 1測溫范圍 :0-100 3測溫準確度:±1 4測溫點數(shù):可以擴展到8點 5溫度顯示:采用4個7段段數(shù)碼管 6溫限那么進行靈活設(shè)定 分析硬件電路主要包括:加熱及控制電路局部,數(shù)據(jù)采集和模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換處理局部,鍵盤和顯示器局部,單片機與各局部的接口處理局部。軟件設(shè)計主要由溫度控制的算法和溫度控制程序組成。 溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一,任何物理變化和化學反響過程都與溫度密

7、切相關(guān),因此溫度控制是生產(chǎn)自動化的重要任務(wù)。本設(shè)計是以AT89C51單片機為系統(tǒng)的控制核心,實現(xiàn)對溫度的采集、檢測和控制。被控制對象為一電加熱爐,輸入為加在電爐兩端的電壓,輸出為電加熱爐內(nèi)的溫度。本系統(tǒng)是對在0100范圍內(nèi)的電爐溫度進行精密測量。整個系統(tǒng)也可劃分為控制電路局部、加熱電路局部和測量電路三局部?？刂齐娐肥怯蓡纹瑱C來處理給定信號和反響信號,發(fā)出相應(yīng)的指令來控制可控硅,是系統(tǒng)的核心。AT89C51對溫度的控制是通過可控硅調(diào)功能電路實現(xiàn)的。在給定的周期T內(nèi),AT89C51只要改變可控硅管的接通時間便可改變加熱絲的功率,從而到達調(diào)節(jié)溫度的目的。而可控硅的接通時間可以通過可控硅極上觸發(fā)脈沖控

8、制。該觸發(fā)脈沖由AT89C51用軟件在P1.3引腳上產(chǎn)生,受過零同步脈沖同步后經(jīng)光耦合管和驅(qū)動管輸出送到可控硅的控制極上。過零同步脈沖是一種50HZ交流電壓過零時刻的脈沖,可使可控硅在交流電壓正弦波過零時觸發(fā)導通。該脈沖一方面作為可控硅的觸發(fā)同步脈沖加到控制電路中,另一方面還作為計數(shù)脈沖加到AT89C51的T0和T1端。 加熱電路用來實現(xiàn)對系統(tǒng)的升溫加熱到達預(yù)定的溫度。當溫度沒有到達要求,控制電路利用雙向可控硅的通斷特性來決定加熱電路的通電與斷電。 測量電路功能為將測量到的信號經(jīng)過處理變成數(shù)字信號送入單片機中進行處理。主要由溫度檢測和變送器組成。溫度檢測元件和變送器的類型選擇和被控溫度及精度等

9、級有關(guān)。 除上述電路,AT89C51還要有MC14499?74HC4060?RS232-RS485?和197等芯片接口電路。其中MC14499用于LED顯示器接口,74HC4060用于鍵盤接口,RS232-RS485作為串行通信口,197為溫度測量電路的輸入接口,用于把連續(xù)變化的信號進行離散化。最終再通過控制電路中的鍵盤顯示器電路實現(xiàn)人機對話功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示:圖1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 軟件設(shè)計主要為控制器局部,即溫度控制系統(tǒng),采用PID算法,其原理是先求出實測爐溫對所需爐溫的偏差值,而后對偏差值進行處理而獲得控制信號去調(diào)節(jié)加熱爐的加熱功率,以實現(xiàn)對爐溫的控制。PID根本可滿足系統(tǒng)

10、要求。程序設(shè)計是本次設(shè)計的核心局部。整個程序包括管理程序和控制程序兩局部。管理程序是對顯示LED進行動態(tài)刷新,控制指示燈,處理鍵盤的掃描和響應(yīng),進行掉電保護,執(zhí)行中斷效勞程序等?？刂瞥绦蚴怯脕韺Ρ豢剡M行采樣,數(shù)據(jù)處理,根據(jù)控制算法進行計算和輸出等。第2章 溫度控制系統(tǒng)的概述 微機是微型處理機、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)的統(tǒng)稱。 微處理機,簡稱CPU,是一個大規(guī)模集成電路(LSI)器件或超大規(guī)模集成電路(VLSI)器件,包括數(shù)據(jù)通道、多個存放器、控制邏輯和運算邏輯部件等,是完成計算機對信息的處理與控制等功能的中央處理器件。 微型計算機,簡稱MC,是以微處理機(CPU)為中心,加上只讀存儲器(RO

11、M)、讀寫存儲器(RAM)、輸入/輸出接口電路、系統(tǒng)總線及其他支持邏輯電路組成的計算機。 微機控制系統(tǒng)是將采集到的各工作設(shè)備的工作狀況顯示要素轉(zhuǎn)換成計算機能接受的數(shù)據(jù)信息,通過預(yù)置的程序處理對其狀態(tài)的性質(zhì)與變化程度作出分析與判斷,并對相關(guān)工作設(shè)備發(fā)出指令,維持或調(diào)整工作狀態(tài)。在這一系統(tǒng)中,微機是工作核心,是大腦,對工作設(shè)備的有效控制起著至關(guān)重要的作用。就微機控制系統(tǒng)而言,一般可按如下步驟進行設(shè)計:確定系統(tǒng)整體控制方案、確定控制算法、選用微型計算機、系統(tǒng)總體設(shè)計和軟件設(shè)計等。 單片機爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由單片機控制器、可控硅輸出局部、熱電偶傳感器、溫度變送器以及被控對象組成,如圖1所示。被控制對

12、象具有典型的多階容積遲后特性,在工程上往往近似為包含有純滯后的二階容積遲后;由于被控對象電容量大,通常采用可控硅作調(diào)節(jié)器的執(zhí)行器。其特性為,電加熱爐的溫度調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)劑供電能源的斷續(xù)作用,改變電爐絲閉合時間Tb與斷開時間Tk的比值,Tb/Tk。調(diào)節(jié)加熱爐的溫度,在工業(yè)上是通過在設(shè)定周期范圍內(nèi),將電路接通幾個周波,然后斷開幾個周波,改變晶閘管在設(shè)定周期內(nèi)通斷時間的比例,來調(diào)節(jié)負載兩端交流平均電壓即負載功率,這就是通常所說的調(diào)功器或周波控制器;調(diào)功器是在電源電壓過零時觸發(fā)晶閘管導通的,所以負載上得到的是完整的正弦波,調(diào)節(jié)的只是設(shè)定周期Tc內(nèi)導通的電壓周波。假設(shè)周期Tc內(nèi)導通的周期的波數(shù)為n,每個

13、周波的周期為T,那么調(diào)功器的輸出功率為Pn×T×Pn/Tc,Pn為設(shè)定周期Tc內(nèi)電壓全通過時裝置的輸出功率。爐溫信號那么通過溫度檢測及變送,變成電信號,與溫度設(shè)定值進行比擬,計算溫度偏差和溫度的變化率 以AT89C51單片機為系統(tǒng)的控制核心,實現(xiàn)對溫度的采集、檢測和控制。被控制對象為一電加熱爐,輸入為加在電爐兩端的電壓,輸出為電加熱爐內(nèi)的溫度。本系統(tǒng)是對在0100范圍內(nèi)的電爐溫度進行精密測量。AT89C51通過可控硅調(diào)功能電路實現(xiàn)對溫度的控制。在給定的周期T內(nèi),AT89C51只要改變可控硅管的接通時間便可改變加熱絲的功率,從而到達調(diào)節(jié)溫度的目的。而可控硅的接通時間可以通過可

14、控硅極上觸發(fā)脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由AT89C51用軟件在P1.3引腳上產(chǎn)生,受過零同步脈沖同步后經(jīng)光耦合管和驅(qū)動管輸出送到可控硅的控制極上。過零同步脈沖是一種50HZ交流電壓過零時刻的脈沖,可使可控硅在交流電壓正弦波過零時觸發(fā)導通。該脈沖一方面作為可控硅的觸發(fā)同步脈沖加到控制電路中,另一方面還作為計數(shù)脈沖加到AT89C51的T0和T1端。 加熱電路用來實現(xiàn)對系統(tǒng)的升溫加熱到達預(yù)定的溫度。當溫度沒有到達要求,控制電路利用雙向可控硅的通斷特性來決定加熱電路的通電與斷電。 系統(tǒng)控制程序采用兩重中斷嵌套方式設(shè)計。首先使T0計數(shù)器產(chǎn)生定時中斷,作為本系統(tǒng)的采樣周期。在中斷效勞程序中啟動A/D,讀入采樣數(shù)

15、據(jù),進行數(shù)字濾波、上下限報警處理,PID計算,然后輸出控制脈沖信號。脈沖寬度由T1計數(shù)器溢出中斷決定。在等待T1中斷時,將本次采樣值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度值放入顯示緩沖區(qū),然后調(diào)用顯示子程序。從T1中斷返回后,再從T0中斷返回主程序并且、繼續(xù)顯示本次采樣溫度,等待下次T0中斷。 1二位式調(diào)節(jié)-它只有開、關(guān)兩種狀態(tài),當爐溫低于限給定值時執(zhí)行器全開;當爐溫高于給定值時執(zhí)行器全閉。(執(zhí)行器一般選用接觸器)。 2)三位式調(diào)節(jié)-它有上下限兩個給定值,當爐溫低于下限給定值時招待器全開;當爐溫在上、下限給定值之間時執(zhí)行器局部開啟;當爐溫超過上限給定值時執(zhí)行器全閉。(如管狀加熱器為加熱元件時,可采用三位式調(diào)節(jié)實現(xiàn)加

16、熱與保溫功率的不同)。 3)比例調(diào)節(jié)(P調(diào)節(jié))-調(diào)節(jié)器的輸出信號(M)和偏差輸入(e)成比例。即:Mke 式中:K-比例系數(shù) 。比例調(diào)節(jié)器的輸入、輸出量之間任何時刻都存在-對應(yīng)的比例關(guān)系,因此爐溫變化經(jīng)比例調(diào)節(jié)到達平衡時,爐溫不能加復到給定值時的偏差-稱“靜差。 4)比例積分(PI)調(diào)節(jié)-為了“靜差,在比例調(diào)節(jié)中添加積分(I)調(diào)節(jié)積分,調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出信號與偏差存在隨時間的增長而增強,直到偏差消除才無輸出信號,故能消除“靜差比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)的組合稱為比例積分調(diào)節(jié)。 5 比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)-比例積分調(diào)節(jié)會使調(diào)節(jié)過程增長,溫度的波動幅值增大,為此再引入微分(D)調(diào)節(jié)。微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)

17、器的輸出與偏差對時間的微分成比例,微分調(diào)節(jié)器在溫度有變化“苗頭時就有調(diào)節(jié)信號輸出,變化速度越快、輸出信號越強,故能加快調(diào)節(jié)速度,降低溫度波動幅度,比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)的組合稱為比例積分微分調(diào)節(jié)。(一般采用晶閘管調(diào)節(jié)器為執(zhí)行器)。 根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的運行情況,這種控溫方法,精度比擬高,系統(tǒng)性能穩(wěn)定,滿足生產(chǎn)的實際需要。主要設(shè)備:熱電偶或熱電阻,智能PID溫控儀,可控硅觸發(fā)調(diào)功器等。 第3章 系統(tǒng)電路分析硬件2。式中二次項系數(shù)為負,當溫度升高時,Rt電阻值隨著增加稍而有下垂,呈現(xiàn)出非線性關(guān)系,必須進行非線性補償,如圖3.1溫度檢測電路以及Pt100的非線性校正。 圖3.1 非線性校正電路 其中

18、非線性校正由運放和兩個100K、兩個500K電阻組成,這是溫度檢測變換電路的第一級,經(jīng)過3號通道的100K.,500K兩個電阻構(gòu)成負反響回路,2號通道的100K,500K兩個電阻構(gòu)成正反響回路,為了維持電路的平衡,運放的正負反響回路皆會產(chǎn)生電流,負反響回路產(chǎn)生對地的電流。選取適宜的電阻值可以將Pt100的非線性誤差降到0.5%,(0500),由于電阻爐為定溫控制,在控溫點進行精心地電路調(diào)整和測量校正,可以使溫度到達很高的精度。 本設(shè)計所采用的電源如圖3.2所示,此電源共有四個電源,兩個正電源+12V,+5V和兩個負電源-12V,-5V。分別由W7800正壓單片穩(wěn)壓器,W7900負壓穩(wěn)壓器,10

19、0uH的電感,濾波電橋,整流電解電容,發(fā)光二極管(作用是降低集成穩(wěn)壓電路的輸入電壓和防止總線斷電時,電容所儲存的電荷向總線釋放)及發(fā)光二極管的限流電阻組成電源電路。F用以濾除輸出端的高頻信號,改善電路的暫態(tài)響應(yīng)。3.3 RS232/485轉(zhuǎn)換電路RS-232目前是PC機與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。其被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。RS-232采取不平衡傳輸方式,即所謂單端通訊。收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號是相對于信號地。典型的RS-232信號在正負電平之間擺動,在發(fā)送數(shù)據(jù)時,發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在+515V,負電平在-5-15V電平。正無數(shù)據(jù)傳輸時,線上為TTL,從開始

20、傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束,線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電壓在+3+12V與-3-12V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右,所以其共模抑制能力差,再加上雙絞線上的分布電容,其傳送距離最大約為15米,最高速率為20Kbps。RS-232是為點對點(即只用一對收、發(fā)設(shè)備)通訊而設(shè)計的,其驅(qū)動器負載為3K7K。因此RS-232很適合于本地設(shè)備之間的連接。 而RS485那么采用差分信號負邏輯。它采用平衡發(fā)送和差分接收,因此具有抑制共模干擾的能力。RS485串行總線通信距離能夠到達幾千米再加上總線收發(fā)器具有高靈敏度,能檢測低至200mV的電壓,因此傳輸信號即使

21、在千米以外也能夠得到恢復。其采用的是半雙工工作方式,任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài),因此,發(fā)送電路須由使能信號加以控制。再次應(yīng)用RS-485 可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng),其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器,用于多點互連時非常方便,可以省掉許多信號線。 ?由于PC機默認的只帶有RS232接口,有兩種方法可以得到PC上位機的RS485電路:(1)通過RS232/RS485轉(zhuǎn)換電路將PC機串口RS232信號轉(zhuǎn)換成RS485信號,對于情況比擬復雜的工業(yè)環(huán)境最好是選用防浪涌帶隔離珊的產(chǎn)品。(2)通過PCI多串口卡,可以直接選用輸出信號為RS485類型的擴展卡。 目前,大局部PC機的通信端口為9芯D型插

22、頭,在實際使用PC機進行串行通信時,通常只使用其中的RTS、RXD、TXD與GND四個端口,以構(gòu)成簡易的四線通信線路。筆者采用這種方案巧妙地利用光電耦合器的隔離特性和RS232工作時RTS線與TXD線之間的電平關(guān)系,給出了簡單、可靠的電路設(shè)計。具體轉(zhuǎn)換電路如圖3.3所示。該電路使用了三片光電耦合器TLP521-1進行隔離,這使PC機與SN75LBC184之間完全沒有了電的聯(lián)系,從而提高了工作的可靠性。 當RS232的RTS端為邏輯電平1-12V時,光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光,光敏三極管不導通,輸出端為TTL邏輯電平1(+5V),此時選中RS485的DE端允許RS485接收,這樣,RS232的

23、TXD端就可以發(fā)送數(shù)據(jù)(工作邏輯與RTS端相似)。當RS232的RTS端為邏輯電平0(+12V)時,光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光,光敏三極管導通,輸出端為TTL邏輯電平00V,此時選中RS485的RE端允許RS485發(fā)送。當RS485的R端的輸出為邏輯電平1時,光電耦合器發(fā)光二極管不發(fā)光,光敏三極管不導通,這樣,在RS232輸出停止時,其TXD電平為-12V,電容被充電到-12V以使其輸出也變成-12V,即邏輯電平1;當其輸出為邏輯電平0時,光電耦合器發(fā)光二極管發(fā)光,光敏三極管導通,這時,其輸出為+5V,也在RS232邏輯電平0的范圍之內(nèi),即為邏輯電平0。 將上述轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于分布式溫度采集和控制

24、系統(tǒng)中時,可獲得較為滿意的轉(zhuǎn)換效果(已有應(yīng)用實例)。因此,在對下位機的實時性要求較高、通信的數(shù)據(jù)量不太大的分布式控制場合,這種低本錢、高可靠性的RS232/RS485轉(zhuǎn)換器具有較大應(yīng)用價值。RS232/RS485轉(zhuǎn)換電路如3.3所示。 3.3 RS232/RS485轉(zhuǎn)換電路圖3.4 PWM式鍵盤接口電路 以往電路設(shè)計中,為實現(xiàn)單片機系統(tǒng)的鍵盤、LED顯示,常采用兩種方法:一是用8155、8255并行擴展接口構(gòu)成顯示、鍵盤電路。這時應(yīng)采用含有P0、P2總線口的單片機,以便擴展并行口。這種電路選用的器件大,引腳多,對小型系統(tǒng)資源有些浪費。二是用串行口配上移位存放器74HC4060構(gòu)成硬件譯碼靜態(tài)顯

25、示、鍵盤接口電路。這種電路大大減少I/O口線,但使用芯片較多,一塊74HC4060芯片對應(yīng)一位LED數(shù)碼管,電路較復雜,耗電較大。為了充分利用資源,使設(shè)計出的系統(tǒng)最小、最優(yōu),我們在設(shè)計智能化測控儀表時,選用AT89C51單片機與MCl4499譯碼驅(qū)動器構(gòu)成串行口硬件譯碼顯示、鍵盤接口,既簡化電路又使單片機引腳得到充分利用。 接口電路如下列圖所示。在本接口電路中,只使用三塊芯片構(gòu)成硬件譯碼鎖存的動態(tài)顯示及鍵盤電路,動態(tài)掃描由硬件管理。工作原理 AT89C51的數(shù)據(jù)輸入端P1口,然后由傳感器、運算放大器、A巾轉(zhuǎn)換器如5G14433等組成的前置通道,由P1口采集的數(shù)據(jù)是4位BCD碼。在單片機中對其進

26、行數(shù)字濾波后,從串行口輸出。鍵盤局部 使用串行輸入、并行輸出移位存放器74HC4060經(jīng)串行口擴展并行I/o口設(shè)定串行口工作在移位存放器、方式0狀態(tài)下。本接口只擴展了8個鍵,如不夠,還可串接。顯示局部 采用MCl4499譯碼、驅(qū)動。AT89C51的RXD提供串行輸出的BCD碼來顯示數(shù)據(jù),TXD提供串行移位脈沖。P3.4控制使能端EN。MCl4499的輸出端A、B、C、D、E、F、G、DP 8個腳分別接在4位一體LED的斷碼輸入端a、b、c、d、e、f、g上。字位選擇端I、經(jīng)反向器驅(qū)動后,分別接在4個數(shù)碼管的公共端。由內(nèi)部時序分時選通4個數(shù)碼管,進行動態(tài)顯示掃描。如所用LED顯示器不止4個,可再

27、用一片MCl4499級聯(lián)來擴展。為了使串行口的數(shù)據(jù)輸出速率與MCl4499接收速率相匹配,單片機的工作頻率應(yīng)為3MHz。 電路工作原理 電路原理圖如圖3.5所示。調(diào)節(jié)波段開關(guān)SA的擋位,可以改變電容C1的充放電速率。利用C1兩端交流電壓通過雙向觸發(fā)二極管VD3去觸發(fā)雙向晶閘管VS導通、并改變了VS的導通角,使負載RL兩端交流電壓隨之發(fā)生變化。 發(fā)光二極管VD2、VD5作為信號指示,由于導通角不同,發(fā)光亮度各異。SA置于“1擋,VD5顯示;SA置于“4擋,那么VD2顯示;R5是限流電阻,用來保護VS。電阻R7、電容C2為吸收回路,用來吸收SA在選擋時所產(chǎn)生的干擾脈沖,否那么在SA選擋過程中將對電

28、視機、音響及其他電聲器件產(chǎn)生一定的干擾。元器件選擇 電容C1選用0.1uF/160V,C2選0.022uF/400V滌綸電容器。電阻R1為56k、1/2W,R2為39k、1/4W,R3為27k、1/4W,R4為2k、1/4W,R5為47、1/2W,R6為100k、1/2W可變,R7為300、1/4W,R8為43k、1/2W。二極管VD1、VD4用1N4004。發(fā)光二極管VD2用BT104黃色,VD5用BT103綠色。觸發(fā)二極管VD3為DB3或VR60。雙向晶閘管V5用TLC226B3A/400V或TLC336A3A/600V。波段開關(guān)SA用KZX-1-2D-11W。負載RL為交流220V/30

29、0W電爐絲。 制作方法與使用說明 本電路的核心器件是雙向晶閘管,因此一定要對其質(zhì)量進行檢測。由于電路簡單可自行設(shè)計印制電路板。只要按圖連接無誤,不用調(diào)試便可工作 第4章 芯片介紹 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(FPEROM?Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓,高性能CMOS8位微處理器,俗稱單片機。其片內(nèi)4kbytes可反復擦寫的只讀程序存儲器EPROM和128kbytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器RAM,32個I/O口線。兩個16位定時,計數(shù)器,一個5向量兩級中斷機構(gòu),一個全雙工串行通信121,片內(nèi)

30、振蕩器及時鐘電路,兼容標準MCS-51指令系統(tǒng),片內(nèi)置通用8位中央處理器CPU和Flash存儲單元?？臻e方式停止CPU的工作.但允許RAM、定時/計數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中,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廉的方案。其引腳電路圖如圖4.1所示: 圖4.1 AT89C51引腳電路圖4.2 MC14499芯片介紹 MCl4499是一個CMOS LED譯碼驅(qū)動器,片內(nèi)主要包括一個20位移位存放器、一個鎖存器、一個多路輸出器,由多路輸出器輸出的BCD碼經(jīng)

31、譯碼器譯碼后,換成點七段碼送至片驅(qū)動器輸出a、b、d、e、f、g和小數(shù)點DP。另外,由片內(nèi)振蕩器經(jīng)過四分頻的信號,經(jīng)位譯碼后提供4個位控信號,經(jīng)位驅(qū)動器至四位控制線I、。由于MCl4499片內(nèi)具有BCD譯碼器和串行接口,所以它幾乎可以與任何單片機接口相連。 芯片主要控制信號為D:串行數(shù)據(jù)輸入端;a、b、d、e、f、g:七段顯示輸出;工、:字位選擇端,用來產(chǎn)生LED選通信號;OSC:振蕩器外接電容端,外接電容使片內(nèi)振蕩器產(chǎn)生200800Hz掃描信號以防LED顯示器閃爍;CLK:時鐘輸入端,用以提供串行接收的控制時鐘,標準時鐘頻率為50kHz;麗:使能端,為0時,MCl4499允許接收串行數(shù)據(jù)輸入

32、,為1時,片內(nèi)的移位存放器將數(shù)據(jù)送入鎖存器中鎖存。 MC14499管腳配置如下列圖4.2所示: 4.3 197芯片 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,A/D轉(zhuǎn)換的速度和精度又決定了采集系統(tǒng)的速度和精度。197是im公司推出的具有12位測量精度的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片,只需單一電源供電,且轉(zhuǎn)換時間很短6ms,具有8路輸入通道,還提供了標準的并行接口?8位三態(tài)數(shù)據(jù)I/O口,可以和大局部單片機直接接口,使用十分方便。 197無需外接元器件就可獨立完成A/D轉(zhuǎn)換功能。它可分為內(nèi)部采樣模式和外部采樣模式,采樣模式由控制存放器的D5位決定。在內(nèi)部采樣控制模式控制位置0中,由寫脈沖啟動采樣間隔,經(jīng)過瞬間的采樣間隔芯片時鐘為2M

33、Hz時,頻率為3ms,即開始A/D轉(zhuǎn)換。在外部采樣模式D51中,由兩個寫脈沖分別控制采樣和A/D轉(zhuǎn)換。在第一個寫脈沖出現(xiàn)時,寫入ACQMOD為1,開始采樣間隔。在第二個寫脈沖出現(xiàn)時,寫入控制字ACQMOD為0,197停止采樣,開始A/D轉(zhuǎn)換。這兩個寫脈沖之間的時間間隔為一次采樣時間。當一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后,197相應(yīng)的INT引腳置低電平,通知處理器可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果及內(nèi)部采樣模式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時序。 對于模擬到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,時序要求非常嚴格,由于197的數(shù)字信號輸出引腳是復用的,要正確讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果,時序要求尤其重要。在一次采樣開始前,可以通過單片機的8位數(shù)據(jù)線把這些控制字寫入197來初始化相應(yīng)的參數(shù)。然后

34、按照一定的時序進行采樣和轉(zhuǎn)換。 圖中HBEN為12位數(shù)據(jù)高4位或低8位有效控制位,當此位為高時,高4位數(shù)據(jù)有效,為低時低8位數(shù)據(jù)有效?？梢酝ㄟ^控制這個引腳來讀取12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果。其管腳排列圖如圖4.3所示: 圖4.3 197的引腳電路圖4.4 74HC4060芯片 74HC4060是一款高速CMOS器件,74HC4060引腳兼容HEF4060。 74HC4060是14階脈動進位計數(shù)器/振蕩器,帶有3個振蕩器端口(RS, RTC和CTC),10個緩沖輸出(Q3至Q9,Q11至Q13)和1個最高優(yōu)先級異步主復位(MR)。振蕩器配置可以是RC振蕩設(shè)計,也可以是晶振電路設(shè)計。通過RS輸入端,振蕩器可由

35、外部時鐘信號代替。這種情況下,需保持其他振蕩器引腳(RTC和CTC)懸空。74HC4060的計數(shù)器在RS的下降沿增長,MR端輸入高電平那么會清零計數(shù)器(Q3至Q9,Q11至Q13為低),且不依賴于其他輸入條件。其管腳排列圖如下列圖4.4所示: 圖4.4 74HC4060的引腳電路圖第5章 系統(tǒng)控制算法仿真5.1飛升曲線 實驗中為了得到飛升曲線,選去了以被控制對象為1L凈水,采用1KW電爐進行加熱。飛升曲線法實測電加熱爐參數(shù)。電加熱爐是一階慣性加純滯后環(huán)節(jié),傳遞函數(shù)為: 式中: K ? 放大系數(shù); T ? 對象時間常數(shù); ? 對象滯后時間 輸出從起始值到達0.632倍穩(wěn)定值的時間,即為時間常數(shù)T

36、,而滯后時間可直接從圖中測量。有時實測的飛升曲線(見圖3)有彎曲,這時可采用一階加純滯后的虛擬曲線來逼近,而起始局部那么可定出一個等效的滯后時間,可在曲線斜率的折點處作一切線,與時間軸的交點認為是一階的起點,坐標原點到一階的起點即純滯后時間,一階的起點到切線與穩(wěn)定值的交點的時間為時間常數(shù)T。通過計算,得到其傳遞函數(shù)近似為并通過改變實驗板上的PID控制參數(shù)進行水溫度的恒溫控制。實驗中得到以下飛升曲線。 圖5.1.2 飛升曲線25.2 PID算法仿真(1) PID算法的根本原理PID工作根本原理:由于來自外界的各種擾動不斷產(chǎn)生,要想到達現(xiàn)場控制對象值保持恒定的目的,控制作用就必須不斷的進行。假設(shè)擾

37、動出現(xiàn)使得現(xiàn)場控制對象值以下簡稱被控參數(shù)發(fā)生變化,現(xiàn)場檢測元件就會將這種變化記錄并傳送給PID控制器,改變過程變量值以下簡稱PV值,經(jīng)變送器送至PID控制器的輸入端,并與其給定值以下簡稱SP值進行比擬得到偏差值以下簡稱e值,調(diào)節(jié)器按此偏差并以我們預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律將在第三節(jié)PID算法中詳細推導與分析發(fā)出控制信號,去改變調(diào)節(jié)器的開度,使調(diào)節(jié)器的開度增加或減少,從而使現(xiàn)場控制對象值發(fā)生改變,并趨向于給定值SP值,以到達控制目的。PID控制原理基于下面的算式:Mn MPn +MIn + MDn(輸出比例項+積分項+微分項)。Mn :第n次采樣時刻,PID回路輸出的計算值OUT值 ,MPn :

38、第n次采樣時刻的比例項 ,MIn :第n次采樣時刻的積分項 ,MDn :第n次采樣時刻的微分項比例項MPn:1比例項MP是增益Kc和偏差e的乘積。因為偏差e是給定值SP與過程變量值PV之差enSPn-PVn。求比例項算式為:MPnKc* SPn-PVn 其中MPn :第n次采樣時刻比例項的值,Kc :PID回路增益 ,SPn :第n次采樣時刻的給定值 ,PVn :第n次采樣時刻的過程變量值。2積分項MIn與偏差和成正比。因為偏差e是給定值SP與過程變量值PV之差enSPn-PVn。求積分項算式為:MInKc* SPn-PVn+MX 其中MIn :第n次采樣時刻積分項的值,Kc :PID回路增益

39、,T :采樣周期或控制周期,TI:積分時間常數(shù),SPn :第n次采樣時刻的給定值,PVn :第n次采樣時刻的過程變量值,MX:第n-1采樣時刻的積分項積分前項。3微分項MDn與偏差的變化成正比。因為偏差e是給定值SP與過程變量值PV之差enSPn-PVn。求微分項算式為,MDn KC* * PVn-PVn-1,其中MDn :第n次采樣時刻微分項的值,Kc :PID回路增益,PVn :第n次采樣時刻的過程變量值,PVn-1:第n-1次采樣時刻的過程變量值。4PID控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律,它在比例的根底上引入積分,可以消除余差,再參加微分作用,又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于控制通道時間常數(shù)

40、或容量滯后較大、控制要求較高的場合。如溫度控制、成分控制等。5PID手、自動控制方式,在現(xiàn)場控制回路中,我們有時會出現(xiàn)擾動的強變引起現(xiàn)場過程值的跳變,如果這時采用了I控制規(guī)律,要消除這個擾動,會使得調(diào)節(jié)時間過長、過慢,這時就需要人為的進行干預(yù)。PID控制器在這方面設(shè)置了一個使能位0或1,0指手動控制,1為PID參與調(diào)節(jié),也就是“自動與“手動的說法。當PID運算不被執(zhí)行的時,我們稱之為“手動方式,PID運算參與控制稱為“自動方式。當這個使能位發(fā)生從0到1的正跳變時,PID會按照預(yù)先設(shè)置的控制規(guī)律進行一系列的動作,使PID從手動方式無擾動地切換到自動方式,為了能使手動方式無擾動切換到自動方式,PI

41、D會執(zhí)行以下操作: (1)置過程變量值PV給定值SP,在未人為改變SP值之前,SP持恒定。 (2)置過程變量前值PVn-1過程變量現(xiàn)值PVn 。6PID的最正確整定參數(shù)的選定,PID的最正確整定參數(shù)一般包括Kc、TI、TD等三個常用的控制參數(shù)。在具體整定中,我們通常先關(guān)閉積分項和微分項,將TI設(shè)置為無窮大、TD設(shè)置為零,使其成為純比例調(diào)節(jié)。初期比例度按經(jīng)驗數(shù)據(jù)設(shè)定,根據(jù)PV曲線,再慢慢的整定比例控制比例度,使系統(tǒng)到達4:1衰減振蕩的PV曲線,然后,再加積分作用。在加積分作用之前,應(yīng)將比例度加大為原來的1.2倍左右。將積分時間TI由大到小的調(diào)整,真到系統(tǒng)再次得到4:1的衰減振蕩的PV曲線為止。假

42、設(shè)需引入微分作用,微分時間按TD1/31/4 TI計算,這時可將比例度調(diào)到原來數(shù)值或更小一些,再將微分時間由小到大調(diào)整,直到PV曲線到達滿意為止。有一點需要注意的是:在湊試過程中,假設(shè)要改變TI、TD時,應(yīng)保持 的比值不變。7.值得注意的是:PID最正確整定參數(shù)確定后,并不能說明它永遠都是最正確的,當由外界擾動的發(fā)生根本性的改變時,我們就必須重新根據(jù)需要再進行最正確參數(shù)的整定。它也是保證PID控制有效的重要環(huán)節(jié)。(2) PID算法仿真實驗 實驗中我們選擇的對象傳遞函數(shù)模型為: (K20, T 60s,10s )控制示波器輸出范圍為-55V等同于實際控制中的控制器輸出電壓值;同時為了防止積分飽和

43、,對有積分的控制器均采用了積分別離措施,以提高控制效果。PID控制器的參數(shù)在通過Ziegler-Nichols法整定,減小了積分控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差精度,由于不斷累計誤差,能使誤差迅速消除,但能使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào);而在系統(tǒng)中增加微分控制,能夠增加系統(tǒng)的阻尼,提高動態(tài)響應(yīng)速度,由于PID控制器能夠補償絕大多數(shù)的控制系統(tǒng),整定方法簡單,魯棒性好,通過PID最正確整定參數(shù)后再微調(diào)得傳遞函數(shù):Kp0.07,Ki3,Kd0.018并建立PID調(diào)節(jié)器控制模型如下: 圖5.2.1 PID調(diào)節(jié)器控制模型 MATLAB中運行并點擊SCOPE,得出階躍響應(yīng)曲線圖5.2.2其中超調(diào)量5%,響應(yīng)時間按5%要求,約為210秒

44、。穩(wěn)態(tài)誤差約為0.2%。 圖5.2.2 階躍響應(yīng) 圖5.2.3 階躍響應(yīng) 下面觀察一下在一個相對較小的隨機擾動下系統(tǒng)的表現(xiàn),當給定80度,增益的幅值上調(diào)10%后,即其階躍響應(yīng)圖如圖5.2.3。 為了觀察一下系統(tǒng)的魯棒性,把其它模型參數(shù)也加以改變,改為,和,其控制器控制參數(shù)不變,得到的階躍響應(yīng)結(jié)果圖5.2.4和圖5.2.5。 圖5.2.4階躍響應(yīng) 圖5.2.5 階躍響應(yīng)(3) PID仿真分析 從以上仿真曲線可以看到,PID控制算法的仿真曲線出現(xiàn)了等幅振蕩。分析得到:PID控制算法僅僅在模型匹配時能夠進行穩(wěn)定的控制,其動態(tài)性能不理想。當模型失配時,PID控制算法就無能為力了?？偟膩碚f,PID調(diào)節(jié)的

45、效果不是很理想,在忽略了擾動的情況下,系統(tǒng)的超調(diào)量在5%左右,對于一個熱水器來說,勉強是可以接受的,加一個相對來碩幅值較小的隨機擾動后,系統(tǒng)的超調(diào)量到達了8%左右。如果考慮到對象的建模不十分準確,把參數(shù)改動一些后,出現(xiàn)了較大的超調(diào),調(diào)節(jié)實踐方面,系統(tǒng)的表現(xiàn)良好,響應(yīng)時間小于160秒,穩(wěn)態(tài)誤差也較小,對于本設(shè)計的需求來看是可以滿足要求的。第6章 MCGS組態(tài) MCGS全中文工業(yè)自動化控制組態(tài)軟件(以下簡稱MCGS工控組態(tài)軟件或MCGS)為我們建立全新的過程測控系統(tǒng)提供了一整套解決方案,MCGS工控組態(tài)軟件是一套32位工控組態(tài)軟件,可穩(wěn)定運行于Windows95/NT操作系統(tǒng),集動畫顯示、流程控制

46、、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、雙機熱備、工程報表、數(shù)據(jù)與曲線等諸多強大功能于一身,并支持國內(nèi)外眾多數(shù)據(jù)采集與輸出設(shè)備,廣泛應(yīng)用于石油、電力、化工、鋼鐵、礦山、冶金、機械、紡織、航天、建筑、材料、制冷、交通、通信、食品、制造與加工業(yè)、水處理、環(huán)保、智能樓宇、實驗室等多種工程領(lǐng)域。6.1 MCGS?的整體結(jié)構(gòu) MCGS?軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個局部,組態(tài)環(huán)境相當于一套完整的工具軟件,用戶可以利用它設(shè)計和開發(fā)自己的應(yīng)用系統(tǒng)。用戶組態(tài)生成的結(jié)果是一個數(shù)據(jù)庫文件,即組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫。運行環(huán)境是一個獨立的運行系統(tǒng),它按照組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫中用戶指定的方式進行各種處理,完成用戶組態(tài)設(shè)計的目標

47、和功能,組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境互相獨立,又密切相關(guān),如圖6.1?所示。 圖6.1?組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境的關(guān)系6.2 MCGS軟件的功能和特點 ?全中文可視化組態(tài)軟件,簡潔、大方,使用方便靈活; ?完善的中文在線幫助系統(tǒng)和多媒體教程; ?真正的32位程序,支持多任務(wù)、多線程,運行于Win95/98/NT/2000平臺; ?提供近百種繪圖工具和根本圖符,快速構(gòu)造圖形界面; ?支持數(shù)據(jù)采集板卡、智能模塊、智能儀表、PLC、變頻器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等700多種國內(nèi)外眾多常用設(shè)備; ?支持溫控曲線、方案曲線、實時曲線、歷史曲線、XY曲線等多種工控曲線; ?支持ODBC接口,可與SQL Server、Oracle、Access等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫互聯(lián) ; ?支持OPC接口、DDE接口和OLE技術(shù),可方便的與其他各種程序和設(shè)備互聯(lián); ?提供漸進色、旋轉(zhuǎn)動畫、透明位圖、流動塊等多種動畫方式,可以到達良好的動畫效果; ?上千個精美的圖庫元件,保證快速的構(gòu)建精美的動畫效果; ?功能強大的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同步、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫同步構(gòu)建,保證多個系統(tǒng)完美結(jié)合; 完善的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),可以支持最新流行的各種通訊方式,包括 通訊網(wǎng)、寬帶通訊網(wǎng)、ISDN通訊