人參加工溫度控制系統(tǒng).doc

。 目 錄1 前言11.1 溫度控制系統(tǒng)的目的11.2 本系統(tǒng)控制要求12總體方案設(shè)計23控制硬件設(shè)計33.1單片機系統(tǒng)33.1.1 80C52簡介33.1.2單片機晶振電路設(shè)計33.1.3復位電路設(shè)計43.2溫度檢測電路43.2.1 熱電偶的選型43.2.2 熱電偶模擬電路設(shè)計53.3 A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路63.3.1 ADC0804數(shù)模轉(zhuǎn)化器簡介63.3.2 ADC0804數(shù)模轉(zhuǎn)換電路73.4 D/A模數(shù)轉(zhuǎn)換電路83.4.1 DAC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器簡介83.5 執(zhí)行部分93.5.1 電動調(diào)節(jié)閥選型93.5.2 西門子（SIEMENS）電動執(zhí)行器電路113.6 顯示電路123.7報警電路124 PID控制算法設(shè)計134.1 PID控制的離散化134.2 數(shù)字PID位置型控制算法參數(shù)整定145 系統(tǒng)軟件設(shè)計156 總結(jié)20致謝21參考文獻22-可編輯修改- 1 前言1.1 溫度控制系統(tǒng)的目的 目前在人參烘干技術(shù)上，尚不完善，往往采用個人經(jīng)驗的方式進行對人參烘干的處理，但其既浪費人力有浪費物理，為了提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)自動化，設(shè)計本系統(tǒng)，通過傳感器進行烘干爐內(nèi)溫度的檢測，通過單片機內(nèi)部處理，然后將其輸出給D/A轉(zhuǎn)換模塊，驅(qū)動電動調(diào)節(jié)閥來改變水蒸氣流量，從而智能的調(diào)節(jié)烘干爐里的溫度，提高其智能化。1.2 本系統(tǒng)控制要求本設(shè)計主要的技術(shù)要求有：1、現(xiàn)場溫度值值可控制。2、溫度最高值120。3、系統(tǒng)有必要的保護和報警。4、溫度值要有顯示。5、誤差范圍正負1通過溫度控制系統(tǒng)完成人參烘干過程的溫度自動控制。主要通過控制調(diào)節(jié)閥的開度來改變流入蒸汽的多少，從而改變溫度達到控制的要求。2總體方案設(shè)計人參烘干溫度控制系統(tǒng)主要完成從溫度采樣到控制溫度的一個過程，所以在溫度采樣中需要一個將溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，并且為了讓CPU處理此信號，需要一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換成CPU能處理的數(shù)字量，在CPU內(nèi)部進行工程量的轉(zhuǎn)換與智能運算，本系統(tǒng)采用PID控制算法對偏差量進行控制輸出，為了將輸出轉(zhuǎn)換為模擬量，所以需要一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器，此時將模擬輸出量來控制電動調(diào)節(jié)閥，通過改變調(diào)節(jié)閥的開度來改變其流量，從而改變蒸汽的流入烘干爐里的速度，從而達到了控制目的，但在控制過程需要顯示其當前的溫度，因此需要顯示電路，為了使其能夠安全的運行，需要添加報警電路。綜合上述控制過程，本溫度控制系統(tǒng)需要：1、傳感器模塊，在現(xiàn)場采樣溫度。2、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，將采集的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。3、D/A轉(zhuǎn)換模塊，將處理后的數(shù)字量，轉(zhuǎn)換為模擬量，控制電動調(diào)節(jié)法。4、電動調(diào)節(jié)閥模塊，改變調(diào)節(jié)閥的開度，從而改變其開度，控制蒸汽流量。5、報警模塊，在溫度超過設(shè)定溫度時，通過聽覺警示現(xiàn)場人員。6、顯示模塊，顯示當前的溫度7、必要的軟件保護，能夠及時的保護人參，避免造成不必要的損失。8、單片機，是本系統(tǒng)的控制核心。其控制方案如圖2.1所示 圖 2.1 方案流程圖 3控制硬件設(shè)計3.1單片機系統(tǒng)3.1.1 80C52簡介AT80C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含有4K bytes的可系統(tǒng)變成的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)。它集Flash程序存儲既可在線編程也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，ATMEL公司的功能強大，低價位AT80C52單片機可為用戶提供高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領(lǐng)域。3.1.2單片機晶振電路設(shè)計80C52單片機的時鐘信號通常由兩種方式產(chǎn)生。一是內(nèi)部時鐘方式，二是外部時鐘方式。只要在單片機的XTAL2和XTLA1引腳外接晶振即可。本系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式，晶振選取12MHZ，電路圖如下圖3.1，其中電容器C1和C2作用是穩(wěn)定頻率和快速起振。 圖3.1 晶振電路圖3.1.3復位電路設(shè)計復位是使單片機或系統(tǒng)中的其他部件處于某種確定的初始狀態(tài)。單片機的工作就是從復位開始的。一、 復位電路當80C52的RST引腳加高電平復位信號并保持2個以上的機器周期時，單片機內(nèi)部就執(zhí)行復位操作。復位信號變低電平時，單片機開始執(zhí)行程序。實際應用中，復位操作有兩種基本形式：一種是上電復位，另一種是上電與按鍵均有效的復位。本系統(tǒng)采用上電與按鍵均有效的復位電路，如下圖3.2所示。 由于本系統(tǒng)晶振為12MHz，所以選取C2為10uF，R14為8.2K 圖3.2 復位電路圖3.2溫度檢測電路3.2.1 熱電偶的選型本設(shè)計選取WR系列裝配式熱電偶工業(yè)用裝配式熱電偶是一種常用溫度傳感器，通常與溫度變送器、調(diào)節(jié)器及顯示儀表等配套使用,組成過程控制系統(tǒng) ?？梢灾苯訙y量各種生產(chǎn)過程中液體、蒸汽和氣體介質(zhì)及固體表面溫度。本設(shè)計選擇銅-銅鎳，其具體參數(shù)如下表 表3.1 表3.2 表3.3 表3.4 3.2.2 熱電偶模擬電路設(shè)計通過熱電偶檢測溫度并轉(zhuǎn)換為電壓信號，因為其轉(zhuǎn)換的信號為mV級，所以必須添加放大電路進行量程調(diào)整通過表3.5計算放電電路個參數(shù)。 表3.5由表3.5知，當檢測溫度為400是 熱電偶輸出端的電壓為21mv，為了讓其轉(zhuǎn)換為V，所以應加放大電路進行調(diào)整。對于A/D轉(zhuǎn)換過程中，基準電壓為2.56V。滿量程為設(shè)定為5V,當測得溫度為200攝氏度時對應9.266mV所以放大電路Af=5/9.266*1000=540,如圖3.2所示 圖3.3 熱電偶放大電路圖 3.3 A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路3.3.1 ADC0804數(shù)模轉(zhuǎn)化器簡介所謂 A/D 轉(zhuǎn)換器就是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。信號輸入端可以 是傳感器或轉(zhuǎn)換器的輸出，而 ADC 的數(shù)字信號也可能提供給微處理器，以便廣泛地應用。ADC0804 的規(guī)格及引腳圖8 位 COMS 依次逼近型的 A/D 轉(zhuǎn)換器.引腳圖及說明見圖 3.4所示三態(tài)鎖定輸出 存取時間:135US 分辨率：8 位 轉(zhuǎn)換時間：100US 總誤差：正負 1LSB工作溫度：ADC0804LCN-070 度1、/CS：芯片選擇信號。2、/RD：外部讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的控制輸出信號。/RD 為 HI 時，DB0DB7 處理高阻抗：/RD 為 LO 時，數(shù)字數(shù)據(jù)才會輸出。3、/WR：用來啟動轉(zhuǎn)換的控制輸入，相當于 ADC 的轉(zhuǎn)換開始（/CS=0 時），當/WR 由 HI 變?yōu)?LO 時，轉(zhuǎn)換器被清 除：當/WR 回到 HI 時，轉(zhuǎn)換正式開始。4、CLK IN，CLK R：時鐘輸入或接振蕩無件（R，C）頻率約限制在 100KHZ1460KHZ，如果使用 RC 電路則其振蕩頻率為 1/（1.1RC）5、/INTR:中斷請求信號輸出,低地平動作.6、VIN(+) 、VIN(-) :差動模擬電壓輸入.輸入單端正電壓時, VIN(-)接地:而差動輸入時,直接加入 VIN(+) 7、VIN(-). AGND,DGND:模擬信號以及數(shù)字信號的接地. VREF:輔助參考電壓.8、DB0DB7:8 位的數(shù)字輸出.9、VCC: 電源供應以及作為電路的參考電a壓與滿刻度的比率相對電壓值 VREF=2.560 伏。 圖3.4 ADC0804引腳圖3.3.2 ADC0804數(shù)模轉(zhuǎn)換電路ADC0804是8位全MOS中速A/D 轉(zhuǎn)換器、它是逐次逼近式A/D 轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)有三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，可以和單片機直接接口。單通道輸入,轉(zhuǎn)換時間大約為100us。ADC0804 轉(zhuǎn)換時序是：當CS0 許可進行A/D 轉(zhuǎn)換。WR由低到高時，A/D開始轉(zhuǎn)換，一次轉(zhuǎn)換一共需要6673 個時鐘周期。CS與WR同時有效時啟動A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束產(chǎn)生INTR 信號（低電平有效），可供查詢或者中斷信號。當CS=0和RD=0 時可以讀取數(shù)據(jù)結(jié)果。ADC0804模擬電路設(shè)計如圖3.5所示 圖3.5 ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換電路3.4 D/A模數(shù)轉(zhuǎn)換電路3.4.1 DAC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器簡介DAC0832是8位全MOS中速D/A 轉(zhuǎn)換器，采用R2RT 形電阻解碼網(wǎng)絡，轉(zhuǎn)換結(jié)果為一對差動電流輸出，轉(zhuǎn)換時間大約為1us。使用單電源+5V+15V 供電。參考電壓為-10V+10V。在此我們直接選擇+5V 作為參考電壓。DAC0832 有三種工作方式：直通方式，單緩沖方式，雙緩沖方式；在此我們選擇直通的工作方式，將XFERWR2CS 管腳全部接數(shù)字地。管腳8 接參考電壓，在此我們接的參考電壓是+5V。我們在控制P0口輸出數(shù)據(jù)有規(guī)律的變化將可以產(chǎn)生三角波，鋸齒波，梯型波等波形了。DAC0832是20引腳的雙列直插式芯片。各引腳的特性如下：1、片選信號，和允許鎖存信號ILE組合來決定是否起作用。2、ILE允許鎖存信號。3、寫信號1，作為第一級鎖存信號，將輸入資料鎖存到輸入寄存器（此時，必須和、ILE同時有效）。4、寫信號2，將鎖存在輸入寄存器中的資料送到DAC寄存器中進行鎖存（此時，傳輸控制信號必須有效）。5、傳輸控制信號，用來控制。6、DI7DI08位數(shù)據(jù)輸入端。7、IOUT1模擬電流輸出端1。當DAC寄存器中全為1時，輸出電流最大，當DAC寄存器中全為0時，輸出電流為0。8、IOUT2模擬電流輸出端2。IOUT1+IOUT2=常數(shù)。9、RFB反饋電阻引出端。DAC0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以，RFB端可以直接接到外部運算放大器的輸出端。相當于將反饋電阻接在運算放大器的輸入端和輸出端之間。10、VREF參考電壓輸入端?？山与妷悍秶鸀?0V。外部標準電壓通過VREF與T型電阻網(wǎng)絡相連。11、VCC芯片供電電壓端。范圍為+5V+15V，最佳工作狀態(tài)是+15V。12、AGND模擬地，即模擬電路接地端。13、DGND數(shù)字地，即數(shù)字電路接地端。3.4.2 DAC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換電路DAC0832電路圖如圖3.6所示 圖3.6 DAC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換電路3.5 執(zhí)行部分3.5.1 電動調(diào)節(jié)閥選型采用德國西門子（SIEMENS）電動執(zhí)行器，可以接受各種控制信號，并具有斷電自動關(guān)閉熱源功能、在系統(tǒng)突然斷電情況下保護下有設(shè)備，實現(xiàn)最佳的安全控制。西門子電動調(diào)節(jié)閥的適用介質(zhì)：蒸汽、冷/熱水及其它非腐蝕性介質(zhì)流體的流量調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的溫度、濕度、壓力、流量的功能。西門子電動調(diào)節(jié)閥的特點：采用原裝進口德國西門子液壓彈簧復位執(zhí)行器，具有功耗低，輸出力量大，響應時間短、到位迅速等特點。接受控制系統(tǒng)輸出的開關(guān)量或標準模擬量（DC0-10V或DC4-20mA）控制信號，并同時輸出閥位反饋信號。GLPD系列電動調(diào)節(jié)閥采用平衡時閥體，內(nèi)置平衡組件；可在大壓差工況下長期穩(wěn)定、精確控制。閥體外密封采用V型環(huán)高溫密封組件，排除閥桿卡死或泄漏的隱患。閥芯和閥口一對一研磨，確保內(nèi)泄漏量低于國家標準。閥體GB法蘭連接，安裝方便，公稱通徑15mm-300mm一、 西門子電動調(diào)節(jié)閥的工作原理如圖 圖3.7 電動調(diào)節(jié)閥工作原理圖二、西門子電動調(diào)節(jié)閥的外形尺寸如圖3.8和表3.6 圖3.8 外形尺寸 表3.6 三、西門子電動調(diào)節(jié)閥的技術(shù)參數(shù)如表3.7 表3.73.5.2 西門子（SIEMENS）電動執(zhí)行器電路由表3.7知，執(zhí)行器的控制信號為010V或者420ma所以要通過V/I轉(zhuǎn)換器和放大器來處理經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后的模擬量。本設(shè)計選擇用電流控制執(zhí)行器所以需要V/1轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)設(shè)計其控制電路如下圖3.8所示 3.8 電動執(zhí)行器控制電路3.6 顯示電路LED數(shù)碼管發(fā)光度高，相應時間快，高頻特性好，驅(qū)動電路簡單。所以本設(shè)計采用LED方式進行溫度顯示。電路如圖3.9所示 圖3.9 數(shù)碼管電路圖3.7報警電路 由于在溫度過程中，往往可能會有突發(fā)事件，導致爐內(nèi)溫度超過允許值導致不必要的經(jīng)濟損失，所以必要的報警電路是必不可少的。在生產(chǎn)過程中報警電路能警示人們能做出調(diào)整方案來解決突發(fā)事件。是經(jīng)濟財產(chǎn)不受損失。本設(shè)計采用報警電路圖如3.10圖所示，有三極管的導通與關(guān)斷來控制蜂鳴器的發(fā)聲。起到報警的效果。 3.10圖 報警電路圖4 PID控制算法設(shè)計 4.1 PID控制的離散化本系統(tǒng)所用的調(diào)節(jié)器為PID調(diào)節(jié)器，其模擬PID控制規(guī)律為 式中為比例系數(shù)；為控制量的基準；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)在模擬調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值逼近的方法，用求和代替積分、用后向差代替微分、使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠獭？勺魅缦陆?以上式中 T為采樣周期；k為采樣序號采用這種近似方法，可以得到以下倆種標準的數(shù)字PID控制算法，其中一種是數(shù)字PID位置型控制算法，也是本系統(tǒng)采用的。而數(shù)字PID位置型控制算法為 式中表示的控制算法提供了執(zhí)行機構(gòu)的位置,所以被稱為數(shù)字PID位置型控制算法。其中令式中 其中為比例增益 4.2 數(shù)字PID位置型控制算法參數(shù)整定 本設(shè)計采用先確定增益的方法確定PID個參數(shù)，通過臨界增益得到 震蕩周期為225秒，通過表4.1計算得；由公式得 ；根據(jù)公式得 表4.1Ziegler-Nichols參數(shù)控制器KpTiTdP0.50*Kc/PD0.65*Kc/0.12*PcPI0.45*Kc0.85*Pc/PID0.65*Kc0.5*Pc0.12*Pc仿真圖如圖4.1所示 圖4.1 仿真圖 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計通過控制要求，和控制方案的設(shè)計，可獲得如下圖的系統(tǒng)軟件的流程圖如圖5.1所示 圖5.1 系統(tǒng)軟件的流程圖系統(tǒng)軟件如下：#include#define uint unsigned int #define uchar unsigned char #define ppid-kp 5.98#define ppid-ki 0.266#define ppid-kd 134.55sbit bee=P37sbit dawr=P36;sbit csda=P32;uchar a,j,k;sbit dula=P30;sbit wela=P31;sbit d1=P10;uchar num;uchar sp,sp1,sp2;float SystemSetTemprature；float ST；uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;void delay(unsigned char i) /延時子函數(shù)for(j=i;j0;j-)for(k=125;k0;k-);Void AD（） /AD采樣數(shù)據(jù)處理函數(shù)p3=0xff;p33=0;p35=0;delay(20);p35=1;if(p32=1);p33=1;delay(20);p1=0xff;p33=0;p34=0;delay(20);p34=1;sp=P1;sp1=sp;sp2=sp1;SystemSetTemprature=sp/3+sp1/3+sp2/3;p33=1; void DA() /DA 數(shù)據(jù)處理函數(shù)csda=0;dawr=0;while(1)P0=Last_Out;delay(50);void shumaguan() /數(shù)碼管顯示函數(shù)ST= SystemSetTemprature*2.560/136;T=ST*40;bai=T/100;shi=T%100/10;ge=T%10;wela=1;P0=0xf7;wela=0;dula=1;P0=tablebai;dula=0;delay(1000);wela=1;P0=0xfb;wela=0;dula=1;P0=tableshi;dula=0;delay(1000);wela=1;P0=0xfd;wela=0;dula=1;P0=tablege;dula=0;delay(1000);void bee() /報警處理函數(shù)If (SystemSetTempratureSystemRealTemprature) Bee=1; Delay(500);Bee=0; Delay(500);Void PID(void) /數(shù)字pid控制算法函數(shù) float xdata pterm,iterm,dterm; ppid-pv = SystemRealTemprature; ppid-sp = SystemSetTemprature;ppid-errk = (float)(ppid-sp - ppid-pv); pterm = ppid-kp * ppid-errk; ppid-sum += ppid-errk; iterm = ppid-ki * ppid-sum; dterm = ppid-kd * (ppid-errk - ppid-errk_1); ppid-Last_Out = pterm + iterm + dterm; ppid-errk_2 = ppid-errk_1; ppid-errk_1 = ppid-errk; if(ppid-Last_Out SampleT) ppid-Last_Out = SampleT; else if(ppid-Last_Out Last_Out = 0; return (UINT16)ppid-Last_Out; Void main()AD();DA();Shumaguan();Bee();PID();If(T=130) /緊急保護處理 While(1) P0=0x00; 6 總結(jié)本設(shè)計對我來說，認識了什么是數(shù)字PID，學會了如何其用在實際應用中。在設(shè)計過程中，發(fā)現(xiàn)自己在專業(yè)知識上很欠缺