畢業(yè)設(shè)計(jì)加熱爐參數(shù)檢測(cè)和爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：加熱爐多參數(shù)檢測(cè)和爐溫控制技術(shù)學(xué)院：電氣與電子信息工程學(xué)院專業(yè)名稱：應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)號(hào)：0630210110學(xué)生姓名：王有敏指導(dǎo)教師：胡薔2009年5月10日摘要在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開(kāi)關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。其中，溫度控制也越來(lái)越重要。在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(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)和控制。采用單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行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。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問(wèn)題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的控制問(wèn)題。單片機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信息的處理和控制。因此，單片機(jī)廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)控制中。本論文側(cè)重介紹“單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)”的軟件設(shè)計(jì)及相關(guān)內(nèi)容。論文的主要內(nèi)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(jī)MCS-51的開(kāi)發(fā)以及系統(tǒng)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)等。作為控制系統(tǒng)中的一個(gè)典型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)綜合運(yùn)用了微機(jī)原理、自動(dòng)控制原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、鍵盤顯示技術(shù)等諸多方面的知識(shí)，是對(duì)所學(xué)知識(shí)的一次綜合測(cè)試。關(guān)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(shè)計(jì)思路2第二章MCS-51單片機(jī)的基本知識(shí)42.1MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)42.28051存儲(chǔ)器配置52.3定時(shí)器及其應(yīng)用82.4本章小結(jié)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)143.3.2可控硅的基本特性143.4本章小結(jié)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(jìn)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(yù)估器的補(bǔ)償原理264.7數(shù)字Smith預(yù)估系統(tǒng)284.8本章小結(jié)30第五章系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)315.1主程序315.2鍵盤掃描及顯示程序325.3T0中斷服務(wù)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(jì)算子程序365.5系統(tǒng)調(diào)試375.5.1硬件調(diào)試375.5.2軟件調(diào)試385.6本章小結(jié)39結(jié)束語(yǔ)40參考文獻(xiàn)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(chǎn)中，溫度、壓力、流量和液位是四種最常見(jiàn)的過(guò)程變量。其中，溫度是一個(gè)非常重要的過(guò)程變量。例如：在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機(jī)械加工和食品加工等許多領(lǐng)域，都需要對(duì)各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進(jìn)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(jī)來(lái)對(duì)它們進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大的優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被測(cè)溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問(wèn)題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的控制問(wèn)題。1.2課題分析單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)，是利用單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，測(cè)量電路中的溫度反饋信號(hào)經(jīng)A/D變換后，送入單片機(jī)中進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)一定的算法后，單片機(jī)的輸出用來(lái)控制可控硅的通斷，控制加熱爐的輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。本單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的具體指標(biāo)要求是，對(duì)加熱器加熱溫度調(diào)整范圍為6001000，溫度控制精度小于3，系統(tǒng)的超調(diào)量須小于15%。軟件設(shè)計(jì)須能進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，考慮到本系統(tǒng)控制對(duì)象為電爐，是一個(gè)大延遲環(huán)節(jié)，且溫度調(diào)節(jié)范圍較寬，所以本系統(tǒng)對(duì)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間不予要求。單片機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理和控制。本設(shè)計(jì)運(yùn)用MCS-51系列單片集中的8051單片機(jī)為主控制器，對(duì)加熱爐的溫度進(jìn)行智能化控制，最終通過(guò)軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐的溫度控制。本論文主要介紹單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)，內(nèi)容主要包括：采樣、濾波、鍵盤顯示、加熱控制系統(tǒng)，單片機(jī)MCS-51的開(kāi)發(fā)及系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開(kāi)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(shè)計(jì)的總體思路。第二章介紹主控電路核心部分MCS-51單片機(jī)8051的基本結(jié)構(gòu)和配置。第三章介紹A/D采樣技術(shù)和數(shù)字濾波技術(shù)。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(shè)計(jì)思路根據(jù)系統(tǒng)具體指標(biāo)要求，可以對(duì)每一個(gè)具體部分進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。整個(gè)控制系統(tǒng)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)兩部分。硬件電路見(jiàn)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(zhuǎn)換處理部分，鍵盤和顯示器部分，單片機(jī)與各部分的接口處理部分。這些可用一個(gè)方框圖來(lái)表示，如圖1-1所示，顯然，這是一個(gè)典型的單反饋控制系統(tǒng)。圖1-1單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)框圖從框圖上我們可以看出，整個(gè)系統(tǒng)也可劃分為控制電路部分、加熱電路部分和測(cè)量電路三部分?？刂齐娐肥怯蓡纹瑱C(jī)來(lái)處理給定信號(hào)和反饋信號(hào)，發(fā)出相應(yīng)的指令來(lái)控制可控硅，是系統(tǒng)的核心。8051對(duì)溫度的控制是通過(guò)可控硅調(diào)功能電路實(shí)現(xiàn)的。在給定的周期T內(nèi)，8051只要改變可控硅管的接通時(shí)間便可改變加熱絲的功率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。而可控硅的接通時(shí)間可以通過(guò)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(chǎn)生，受過(guò)零同步脈沖同步后經(jīng)光耦合管和驅(qū)動(dòng)管輸出送到可控硅的控制極上。過(guò)零同步脈沖是一種50HZ交流電壓過(guò)零時(shí)刻的脈沖，可使可控硅在交流電壓正弦波過(guò)零時(shí)觸發(fā)導(dǎo)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(jì)數(shù)脈沖加到8051的T0和T1端。加熱電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的升溫加熱達(dá)到預(yù)定的溫度。當(dāng)溫度沒(méi)有達(dá)到要求，控制電路利用雙向可控硅的通斷特性來(lái)決定加熱電路的通電與斷電。測(cè)量電路功能為將測(cè)量到的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理變成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)中進(jìn)行處理。主要由溫度檢測(cè)和變送器組成。溫度檢測(cè)元件和變送器的類型選擇和被控溫度及精度等級(jí)有關(guān)。鎳絡(luò)/鎳鋁熱電偶（2001000）適用于01000的溫度測(cè)量范圍，相應(yīng)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(diǎn)偶輸出的0mV41.32mV變換成0mA10mA范圍內(nèi)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(nèi)的電壓。為了提高測(cè)量精度，變送器可以進(jìn)行零點(diǎn)漂移。本次設(shè)計(jì)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(diào)量不超過(guò)15%，采用8位轉(zhuǎn)換器ADC0809就可以使溫度誤差保持在2.34以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)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(chǔ)器，ADC0809為溫度測(cè)量電路的輸入接口，用于把連續(xù)變化的信號(hào)進(jìn)行離散化。最終再通過(guò)控制電路中的鍵盤顯示器電路實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話功能。軟件設(shè)計(jì)主要由溫度控制的算法和溫度控制程序組成。軟件設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)爐溫對(duì)所需爐溫的偏差值，而后對(duì)偏差值處理而獲得控制信號(hào)去調(diào)節(jié)加熱爐的加熱功率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。PID基本可滿足系統(tǒng)要求。程序設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的核心部分。整個(gè)程序包括管理程序和控制程序兩部分。管理程序是對(duì)顯示LED進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新，控制指示燈，處理鍵盤的掃描和響應(yīng)，進(jìn)行掉電保護(hù)，執(zhí)行中斷服務(wù)程序等?？刂瞥绦蚴怯脕?lái)對(duì)被控進(jìn)行采樣，數(shù)據(jù)處理，根據(jù)控制算法進(jìn)行計(jì)算和輸出等。第二章MCS-51單片機(jī)的基本知識(shí)AT89C2051單片機(jī)簡(jiǎn)介AT89C2051是美國(guó)ATMEI公司生產(chǎn)的低電壓，高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)含2kbytes的可反復(fù)電擦除FLASH程序存器和128bytes的隨機(jī)存取的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM。器件采用ATMEI公司高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令系統(tǒng)及產(chǎn)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(kuò)展總線，為非總線型單片機(jī)。其主要的內(nèi)部資源有：與MCS-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容2k字節(jié)可重擦寫FLASH閃速存儲(chǔ)器全靜態(tài)操作：024MHZ2級(jí)加密程序存儲(chǔ)器1288字節(jié)內(nèi)部RAM2個(gè)精密模擬比較器15個(gè)可編程I/O口線2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器5個(gè)中斷源1個(gè)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(gè)8位雙向I/O口。其中P1.0、P1.1是片內(nèi)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(duì)外無(wú)引腳，不可作I/O口訪問(wèn)）。當(dāng)不用該模擬比較器時(shí)，P1.0、P1.1經(jīng)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(nèi)部已接上拉電阻。4、P3口：P3口是一組帶有內(nèi)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(nèi)精密模擬比較器的輸出端，對(duì)外無(wú)引腳，所以真正可作為I/O口用的只有7個(gè)。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(fù)位輸入，當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。6、XTAL1、XTAL2：晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。使用內(nèi)部振蕩電路時(shí)外接石英晶體；外振蕩輸入時(shí)，XTAL1接地，XTAL2接外部振蕩脈沖。單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單片機(jī)是由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備以及輸出設(shè)備共五個(gè)基本部分組成的。單片機(jī)是把包括運(yùn)算器、控制器、少量的存儲(chǔ)器、最基本的輸入輸出口電路、串行口電路、中斷和定時(shí)電路等都集成在一個(gè)尺寸有限的芯片上。MCS-51單片機(jī)芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)通過(guò)MCS-51單片機(jī)內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)圖掌握單片機(jī)內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)及各個(gè)部件的功能與