畢業(yè)設計加熱爐參數(shù)檢測和爐溫控制系統(tǒng)設計.doc

畢業(yè)設計（論文）題目：加熱爐多參數(shù)檢測和爐溫控制技術學院：電氣與電子信息工程學院專業(yè)名稱：應用電子技術學號：0630210110學生姓名：王有敏指導教師：胡薔2009年5月10日摘要在工業(yè)生產中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關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)生產的很多領域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應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指標，從而能夠大大的提高產品的質量和數(shù)量。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產中經常會遇到的控制問題。單片機是一種集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現(xiàn)對數(shù)字信息的處理和控制。因此，單片機廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)控制中。本論文側重介紹“單片機溫度控制系統(tǒng)”的軟件設計及相關內容。論文的主要內容包括：采樣、濾波、鍵盤、LED顯示系統(tǒng)，加熱控制系統(tǒng)，單片機MCS-51的開發(fā)以及系統(tǒng)應用軟件開發(fā)等。作為控制系統(tǒng)中的一個典型實驗設計，單片機溫度控制系統(tǒng)綜合運用了微機原理、自動控制原理、模擬電子技術、數(shù)字控制技術、鍵盤顯示技術等諸多方面的知識，是對所學知識的一次綜合測試。關鍵詞：MCS-51；8051；溫度控制；PIDABSTRACTWithscientificconstantprogress,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.Thisthesisintroducesthedesignanddebuggingof“thetemperaturecontrolsystembymicrocomputer”.Asatypicalexperimentaldesignincontrolsystem,itusesmuchcontrolknowledgeandcomprehensivelytestsstudentsabilityincontrolsystem.Thecontentofthisthesismainlyincludes:introduces,filteringware,keyboard,man-computerdialoguesupportedbyLEDindication,heatcontrolmethod,thedevelopmentofmicro-computerMCS-51andsystemicappliedsoftware.Keywords：MCS-51,8051,temperaturecontrol,PID目錄第一章緒論11.1概述11.2課題分析11.3設計思路2第二章MCS-51單片機的基本知識42.1MCS-51單片機的結構42.28051存儲器配置52.3定時器及其應用82.4本章小結9第三章采樣與濾波103.1采樣103.1.1ADC0809的主要功能103.1.2逐次逼近式轉換原理113.2數(shù)字濾波113.2.1硬件濾波器113.2.2數(shù)字濾波器123.3可控硅143.3.1可控硅的結構143.3.2可控硅的基本特性143.4本章小結15第四章控制系統(tǒng)的算法164.1PID控制的離散化164.2PID位置式算法174.3PID的增量式算法184.4PID算法的改進184.4.1積分分離PID控制算法194.4.2不完全微分PID算法204.4.3微分先行PID算法214.4.4帶死區(qū)的PID控制224.5PID控制器的參數(shù)整定224.6Smith預估器的補償原理264.7數(shù)字Smith預估系統(tǒng)284.8本章小結30第五章系統(tǒng)程序設計315.1主程序315.2鍵盤掃描及顯示程序325.3T0中斷服務程序335.4子程序345.4.1采樣子程序SAMP345.4.2數(shù)字濾波子程序FILTER365.4.3PID計算子程序365.5系統(tǒng)調試375.5.1硬件調試375.5.2軟件調試385.6本章小結39結束語40參考文獻41致謝42第一章緒論1.1概述隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步發(fā)展，在工業(yè)生產中，溫度、壓力、流量和液位是四種最常見的過程變量。其中，溫度是一個非常重要的過程變量。例如：在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機械加工和食品加工等許多領域，都需要對各種加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐的溫度進行控制。然而，用常規(guī)的控制方法，潛力是有限的，難以滿足較高的性能要求。采用單片機來對它們進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大的優(yōu)點，而且可以大幅度提高被測溫度的技術指標，從而能夠大大提高產品的質量和數(shù)量。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產中經常會遇到的控制問題。1.2課題分析單片機溫度控制系統(tǒng)，是利用單片機作為系統(tǒng)的主控制器，測量電路中的溫度反饋信號經A/D變換后，送入單片機中進行處理，經過一定的算法后，單片機的輸出用來控制可控硅的通斷，控制加熱爐的輸出功率，從而實現(xiàn)對溫度的控制。本單片機溫度控制系統(tǒng)的具體指標要求是，對加熱器加熱溫度調整范圍為6001000，溫度控制精度小于3，系統(tǒng)的超調量須小于15%。軟件設計須能進行人機對話，考慮到本系統(tǒng)控制對象為電爐，是一個大延遲環(huán)節(jié)，且溫度調節(jié)范圍較寬，所以本系統(tǒng)對過渡過程時間不予要求。單片機是一種集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統(tǒng)于一體的器件，只需要外加電源和晶振就可以實現(xiàn)對數(shù)字信號的處理和控制。本設計運用MCS-51系列單片集中的8051單片機為主控制器，對加熱爐的溫度進行智能化控制，最終通過軟件設計來實現(xiàn)人機對話功能，實現(xiàn)對加熱爐的溫度控制。本論文主要介紹單片機溫度控制系統(tǒng)，內容主要包括：采樣、濾波、鍵盤顯示、加熱控制系統(tǒng)，單片機MCS-51的開發(fā)及系統(tǒng)應用軟件的開發(fā)等。全文共分五章。第一章緒論介紹課題背景、目的、意義及設計的總體思路。第二章介紹主控電路核心部分MCS-51單片機8051的基本結構和配置。第三章介紹A/D采樣技術和數(shù)字濾波技術。第四章介紹以PID為主的溫度控制算法及系統(tǒng)加熱控制系統(tǒng)。第五章主要是系統(tǒng)軟件編程。1.3設計思路根據(jù)系統(tǒng)具體指標要求，可以對每一個具體部分進行分析設計。整個控制系統(tǒng)分為硬件電路設計和軟件程序設計兩部分。硬件電路見附錄。分析硬件電路主要包括：加熱及控制電路部分，數(shù)據(jù)采集和模/數(shù)（A/D）轉換處理部分，鍵盤和顯示器部分，單片機與各部分的接口處理部分。這些可用一個方框圖來表示，如圖1-1所示，顯然，這是一個典型的單反饋控制系統(tǒng)。圖1-1單片機溫度控制系統(tǒng)框圖從框圖上我們可以看出，整個系統(tǒng)也可劃分為控制電路部分、加熱電路部分和測量電路三部分?？刂齐娐肥怯蓡纹瑱C來處理給定信號和反饋信號，發(fā)出相應的指令來控制可控硅，是系統(tǒng)的核心。8051對溫度的控制是通過可控硅調功能電路實現(xiàn)的。在給定的周期T內，8051只要改變可控硅管的接通時間便可改變加熱絲的功率，從而達到調節(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)脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由8051用軟件在P1.3引腳上產生，受過零同步脈沖同步后經光耦合管和驅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8051的T0和T1端。加熱電路用來實現(xiàn)對系統(tǒng)的升溫加熱達到預定的溫度。當溫度沒有達到要求，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級有關。鎳絡/鎳鋁熱電偶（2001000）適用于01000的溫度測量范圍，相應輸出電壓為0mV41.32mV。變送器由毫伏變送器和電流/電壓變送器組成：毫伏變送器用于把熱點偶輸出的0mV41.32mV變換成0mA10mA范圍內的電流；電流/電壓變送器用于把毫伏變送器輸出的0mA10mA電流變換成0V5V范圍內的電壓。為了提高測量精度，變送器可以進行零點漂移。本次設計的溫度控制范圍為6001000之間，溫度誤差要求在3左右，系統(tǒng)超調量不超過15%，采用8位轉換器ADC0809就可以使溫度誤差保持在2.34以內，滿足設計要求。除上述電路，8051還要有81552732和ADC0809等芯片接口電路。其中8155用于鍵盤/LED顯示器接口，2732可以作為8051的外部ROM存儲器，ADC0809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。軟件設計主要由溫度控制的算法和溫度控制程序組成。軟件設計主要為控制器部分，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，而后對偏差值處理而獲得控制信號去調節(jié)加熱爐的加熱功率，以實現(xiàn)對爐溫的控制。PID基本可滿足系統(tǒng)要求。程序設計是本次設計的核心部分。整個程序包括管理程序和控制程序兩部分。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，進行掉電保護，執(zhí)行中斷服務程序等?？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。第二章MCS-51單片機的基本知識AT89C2051單片機簡介AT89C2051是美國ATMEI公司生產的低電壓，高性能的8位單片機，片內含2kbytes的可反復電擦除FLASH程序存器和128bytes的隨機存取的數(shù)據(jù)存儲器RAM。器件采用ATMEI公司高密度、非易失性存儲技術生產，與標準的MCS-51指令系統(tǒng)及產品引腳兼容，但去除了P0口、P2口和ALE、PSEN、RD、WR引腳，所以不能并行擴展總線，為非總線型單片機。其主要的內部資源有：與MCS-51產品指令和引腳完全兼容2k字節(jié)可重擦寫FLASH閃速存儲器全靜態(tài)操作：024MHZ2級加密程序存儲器1288字節(jié)內部RAM2個精密模擬比較器15個可編程I/O口線2個16位定時/計數(shù)器5個中斷源1個可編程串行UART通道低功耗空閑和掉電模式AT89C2051的引腳圖如圖3-1所示，其引腳定義如下：1、Vcc：，電源電壓。2、GND：接地。3、P1口：P1口是一個8位雙向I/O口。其中P1.0、P1.1是片內精密模擬比較器的同相輸入端和反向輸入端，P3.6固定用于該比較器的輸出端（P3.6對外無引腳，不可作I/O口訪問）。當不用該模擬比較器時，P1.0、P1.1經外接上拉電阻后，也可作為普通I/O口使用。P1.2P1.7為普通I/O口，內部已接上拉電阻。4、P3口：P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口。但由于P3.6口固定用作片內精密模擬比較器的輸出端，對外無引腳，所以真正可作為I/O口用的只有7個。除了作為一般的I/O口外，更重要的用途是它的第二功能，如下所示：5、RST：復位輸入，當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個周期以上高電平將使單片機復位。6、XTAL1、XTAL2：晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。使用內部振蕩電路時外接石英晶體；外振蕩輸入時，XTAL1接地，XTAL2接外部振蕩脈沖。單片機系統(tǒng)結構單片機是由運算器、控制器、存儲器、輸入設備以及輸出設備共五個基本部分組成的。單片機是把包括運算器、控制器、少量的存儲器、最基本的輸入輸出口電路、串行口電路、中斷和定時電路等都集成在一個尺寸有限的芯片上。MCS-51單片機芯片內部邏輯結構通過MCS-51單片機內部的邏輯結構圖掌握單片機內部的邏輯結構及各個部件的功能與