過(guò)程控制系統(tǒng)_課程設(shè)計(jì)

過(guò)程控制系統(tǒng) 1 過(guò)程控制系統(tǒng) 緒論 在科技高速發(fā)展的信息時(shí)代，電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用更是空前廣泛，伴隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)不斷發(fā)展，需要對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行溫度測(cè)量。在單片機(jī)溫度測(cè)量系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是測(cè)量溫度、控制溫度和保持溫度，溫度測(cè)量是對(duì)工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一，因此單片機(jī)測(cè)量是對(duì)溫度的有效的測(cè)量，并能在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。 本次課設(shè)所研究的課題是“基于單片機(jī)的熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要介紹了對(duì)熱水鍋爐的溫度顯示、控制及報(bào)警、實(shí)現(xiàn)了溫度的實(shí)時(shí)顯示及控制。鍋爐水溫控制部分采用了 片機(jī)、 度傳感器以及步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)溫度傳感器 集環(huán)境溫度，以單片機(jī)為核心控制部件將采集到的溫度通過(guò)串口通信 入到電腦中，在電腦中通過(guò) C 語(yǔ)言編程來(lái)控制單片機(jī)的工作方式，將程序下載到單片機(jī)中，通過(guò)設(shè)定溫度與給定溫度的比較來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)模擬升溫和降溫使系統(tǒng)工作在設(shè)定的溫度范圍之內(nèi)，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)電機(jī)正轉(zhuǎn)來(lái)模擬開(kāi)大冷水閥，進(jìn)而使水溫降低；當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)電機(jī)反轉(zhuǎn)來(lái)模擬關(guān)小冷水閥，進(jìn)而使水溫升高；直到在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行恒溫加熱。本 次課設(shè)通過(guò) 繪制人機(jī)交互界面設(shè)置溫度的上下限。并且通過(guò)該界面可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的溫度值，發(fā)出報(bào)警信號(hào)等，便于操作人員觀察。 關(guān)鍵詞： 片機(jī) 度傳感器 串口通訊 進(jìn)電機(jī) 過(guò)程控制系統(tǒng) 2 一 設(shè)計(jì)任務(wù)、要求和技術(shù)指標(biāo) 計(jì)任務(wù) 系統(tǒng)構(gòu)成： 系統(tǒng)主要由溫度傳感器，單片機(jī)控制系統(tǒng)、鍋爐溫度對(duì)象、執(zhí)行器（查找資料自己選擇）等組成。 溫度傳感器、控制器、執(zhí)行器可查找資料自行選擇，控制器選擇單片機(jī)為控制器。單片機(jī)型號(hào)自選 寫(xiě)出溫度測(cè)量與控制過(guò)程，繪制 溫度控制系統(tǒng)組成框圖。 （ 1）系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)自選。 溫度測(cè)量程序、溫度校準(zhǔn)程序、溫度控制程序等部分組成。 要技術(shù)指標(biāo) （ 1） 溫度顯示誤差不超過(guò) 1。 （ 2） 溫度顯示范圍為 0 99。 二、總體設(shè)計(jì)方案 計(jì)思路 本設(shè)計(jì)方案采用 片機(jī)作為控制器， 片作為溫度傳感器，步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行器構(gòu)成過(guò)程控制系統(tǒng)，來(lái)模擬熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)。通過(guò)溫度傳感器 集鍋爐水溫，以單片機(jī)為核心控制部件將采集到的溫度通過(guò)串口輸入到電腦中，在電腦中通過(guò) 態(tài) 軟件來(lái)顯示實(shí)時(shí)溫度和設(shè)置預(yù)置溫度，并根據(jù)實(shí)時(shí)溫度與預(yù)置溫度的偏差大小控制進(jìn)水閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)鍋灶水溫的目的。當(dāng)實(shí)時(shí)溫度高于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)電機(jī)正轉(zhuǎn)來(lái)模擬開(kāi)大冷水閥，進(jìn)而使水溫降低；當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)電機(jī)反轉(zhuǎn)來(lái)模擬關(guān)小冷水閥，進(jìn)而使水溫升高；直到在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行恒溫加熱。本次課設(shè)通過(guò)繪制人機(jī)交互界面，設(shè)置所需溫度值。 統(tǒng)總體框圖 過(guò)程控制系統(tǒng) 3 統(tǒng)框圖 三、 控制器 介 一種低功耗、高性能 微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可程 儲(chǔ)器。使用 司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80品指令和引腳完全兼容。片上 許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程亦適于常規(guī)編程器在單芯片上擁有靈巧的 8 位 在系統(tǒng)可編程得 眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) 256 字節(jié) 32 位 I/O 口線(xiàn)、看門(mén)狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針、三個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外 降至 0態(tài)邏輯操作， 上位機(jī) 電平轉(zhuǎn)換 芯片 限報(bào)警 度芯片數(shù)據(jù)傳輸 步進(jìn)電機(jī) 數(shù)據(jù)顯示 程控制系統(tǒng) 4 支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， 止工作允許 時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護(hù)方式下， 容被保存振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。電路圖如下： 四、 傳感器 美國(guó) 導(dǎo)體公司最 新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 9的數(shù)字值讀數(shù)方式。 性能特點(diǎn)如下： 獨(dú)特的單線(xiàn)接口僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通訊 簡(jiǎn)單的多點(diǎn)分布應(yīng)用 無(wú)需外部器件 可通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)供電 零待機(jī)功耗 測(cè)溫范圍 125，以 增。華氏器件 2570F，以 增 溫度以 9 位數(shù)字量讀出 過(guò)程控制系統(tǒng) 5 溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)間 200型值） 用戶(hù)可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè) 置 報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過(guò)程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件。 測(cè)溫原理如圖 示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器 1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入， 圖中還隱含著計(jì)數(shù)門(mén)，當(dāng)計(jì)數(shù)門(mén)打開(kāi)時(shí)， 對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量 次測(cè)量前，首先將 所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在 所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。 減法計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 時(shí)溫度寄存器的值將加 1，減法計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入 ,減法計(jì)數(shù)器 1 重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù) ,如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫圖 2 中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線(xiàn)性其輸出用，于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門(mén)仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直至溫度寄存器值達(dá)到被 測(cè)溫度值，這就 是 測(cè)溫原理。 另外，由于 線(xiàn)通信功能是分時(shí)完成的，他有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫(xiě)時(shí)序很重要。系統(tǒng)對(duì) 各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化 復(fù)位脈沖） 發(fā) 能命令 發(fā)存儲(chǔ)器操作命令 處理數(shù)據(jù)。 預(yù) 置低 溫 度 系 數(shù) 振 蕩 器高 溫 度 系 數(shù) 振 蕩 器斜 率 增 加 器計(jì) 數(shù) 器 1比 較預(yù) 置= 0溫 度 寄 存 器計(jì) 數(shù) 器 2= 01停 止 1 2過(guò)程控制系統(tǒng) 6 圖 溫原理圖 五、 接口通訊單元 51 單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通訊口，所以單片機(jī)和電腦之間可以方便地進(jìn)行 串口通訊。進(jìn)行串行通訊時(shí)要滿(mǎn)足一定的條件，比如電腦的串口是 平的，而單片機(jī)的串口是 平的，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，因此采用專(zhuān) 用芯片 行轉(zhuǎn)換。 料簡(jiǎn)介 ： 該產(chǎn)品是由德州儀器公司（ 出的一款兼容 準(zhǔn)的芯片。由于電腦串口 平是 10v，而一般的單片機(jī) 應(yīng)用 系統(tǒng)的信號(hào)電壓是 平 0 +5v,是用來(lái)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的 ,該器件包含 2 驅(qū)動(dòng)器、 2 接收器和一個(gè)電壓發(fā)生器電路提供 平。 該器件符 合 準(zhǔn)，每一個(gè)接收器將 平轉(zhuǎn)換成 5平。每一個(gè)發(fā)送器將 平轉(zhuǎn)換成 主要特點(diǎn) ： 1、單 5V 電源工作 2、 藝技術(shù) 3、 兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器及兩個(gè)接收器 4、 30V 輸入電平 5、低電源電流：典型值是 8、符合甚至優(yōu)于 準(zhǔn) 薦標(biāo)準(zhǔn) 、 護(hù)大于 法 3015）標(biāo)準(zhǔn)的 2000V 5 1 單 片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通訊口，所以單片機(jī)和電腦之間可以方便地進(jìn)行串口通訊。進(jìn)行串行通訊時(shí)要滿(mǎn)足一定的條件，比如電腦的串口是 單片機(jī)的串口是 平的，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，我采用了專(zhuān)用芯片 行轉(zhuǎn)換，雖然也可以用幾個(gè)三極管進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，但是還是用專(zhuān)用芯片更簡(jiǎn)單可靠。 三、 系統(tǒng)總工作原理 過(guò)程控制系統(tǒng) 7 工作原理 本設(shè)計(jì)方案采用 片機(jī)作為控制器， 片作為溫度傳感器，步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行器構(gòu)成過(guò)程控制系統(tǒng)，來(lái)模擬熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)。通過(guò)溫度傳感器 集鍋 爐水溫，以單片機(jī)為核心控制部件將采集到的溫度通過(guò)串口輸入到電腦中，在電腦中通過(guò) 態(tài)軟件來(lái)顯示實(shí)時(shí)溫度和設(shè)置預(yù)置溫度，并根據(jù)實(shí)時(shí)溫度與預(yù)置溫度的偏差大小控制進(jìn)水閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)鍋灶水溫的目的。當(dāng)實(shí)時(shí)溫度高于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)電機(jī)正轉(zhuǎn)來(lái)模擬開(kāi)大冷水閥，進(jìn)而使水溫降低；當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)電機(jī)反轉(zhuǎn)來(lái)模擬關(guān)小冷水閥，進(jìn)而使水溫升高；直到在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行恒溫加熱。本次課設(shè)通過(guò)繪制人機(jī)交互界面，設(shè)置所需溫度值。 系統(tǒng)通過(guò) 測(cè)鍋爐的水溫， 為全數(shù)字式 的溫度傳感器，將所測(cè)溫度以數(shù)字量形式傳給 片機(jī)，單片機(jī)先不直接處理所測(cè)溫度，而是將溫度傳給上位機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò) 溫度信息進(jìn)行記錄和處理然后又發(fā)送到單片機(jī)通過(guò)單片機(jī)控制執(zhí)行器件。 對(duì)溫度進(jìn)行中值濾波以消除隨機(jī)誤差。然后再與設(shè)定溫度相減以取得偏差，然后再根據(jù)偏差方向控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以調(diào)節(jié)冷水閥的開(kāi)度。進(jìn)而達(dá)到控制鍋爐水溫的目的 七、參考文獻(xiàn) 1、 馬淑華 單片機(jī)原理與接口技術(shù) 北京郵電大學(xué)出版社 2、 任彥碩 自動(dòng)控制系統(tǒng) 北京郵電大學(xué)出版社 3、 譚浩強(qiáng) C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì) 清華大學(xué)出版社 八、 結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，將之前所學(xué)的專(zhuān)業(yè)課單片機(jī)原理 、過(guò)程控制系統(tǒng) 、虛擬儀器 、 C 語(yǔ)言等課程有機(jī)的結(jié)合到了一起。將所學(xué)的知識(shí)付諸于實(shí)踐是一件很興奮的事情，這讓我明白了自己所學(xué)的知識(shí)與實(shí)際的生產(chǎn)生活有著很大的聯(lián)系。但通過(guò)本次課設(shè)我也發(fā)現(xiàn)了自己有很多不足之處，對(duì)編程缺乏興趣、對(duì)一些本專(zhuān)業(yè)的軟件不能熟練的掌握等缺點(diǎn)。因此，在即將到來(lái)的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我要主動(dòng)去學(xué)習(xí)一些軟件的用法，不拿不敢興趣為理由，做出一個(gè)漂亮的作業(yè)。 過(guò)程控制系統(tǒng) 8 附錄 1 源程序 /*主程序 */ # /包含單片機(jī)寄存器的頭文件 #()函數(shù)定義的頭文件 =0 =0 i,j; i=0;i=1; Q=1) 0 /如果讀到的數(shù) 據(jù)是 1，則將 1 存入 0，則將 0 存入 程控制系統(tǒng) 11 /將單片機(jī)檢測(cè)到的電平信號(hào) 入 ri ;1; /將 的各二進(jìn)制位數(shù)據(jù)右移 1 位 ; /如果低 8 位大于 255，向高 8 位進(jìn) 1 H*16+6; / 實(shí) 際 溫 度 值 =(56+16, 即：6+6 /這樣得出的是溫度的整數(shù)部分 ,小數(shù)部分被丟棄了 6)*10/16; /計(jì)算溫度的小數(shù)部分 ,將余數(shù)乘以 10再除以 16取整， H*16+6; / 實(shí) 際 溫 度 值 =(56+16, 即：6+6 /這樣得出的是溫度的整數(shù)部分 ,小數(shù)部分被丟棄了 6)*10/16; /計(jì)算溫度的小數(shù)部分 ,將余數(shù)乘以 10 再除以 16取整， /這樣得到的是溫度小數(shù)部分的第一位數(shù)字 (保過(guò)程控制系統(tǒng) 13 留 1 位小數(shù) ) 0); N); D); (1) ; /電機(jī)正轉(zhuǎn) if(3) /退出此循環(huán)程序 if(2) ; /電機(jī)反轉(zhuǎn) if(3) /退出此循環(huán)程序 0 /串口接收中斷函數(shù) 0,r=0; I) /查詢(xún)接收標(biāo)志位（有數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)時(shí)置為 1） 0; /接收標(biāo)志位清零 /存儲(chǔ)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù) 過(guò)程控制系統(tǒng) 14 附錄 2 主程序框圖 子程序框圖（溫度讀寫(xiě)） 過(guò)程控制系統(tǒng) 15 附錄三 精品文檔 精品文檔 精品資料 精品文檔 - 精品資料 9g&6a*#͑E%&c c E%& !#͑c#&c K N&c c *a* #͑c 89#͑c c #E%&v xc *a*H$#͑c xc c c #͑c c c xc #E%&#&c A 5c A 5wcxc !U*3!c&!ccE%&U*3c c A 5xcU*3 c U*3c& !c u