造紙原料蒸煮過程裝料微機控制

1、微型計算機控制技術(shù)課程設(shè)計造紙原料蒸煮過程裝料微機控制系統(tǒng)設(shè)計報告學(xué) 院：信息工程學(xué)院專 業(yè)：自動化班 級：1204班學(xué)生姓名：徐飛煜學(xué) 號：2012001393設(shè)計時間：2015.06.292015.07.03成 績：微機原理課程設(shè)計造紙原料蒸煮過程裝料微機控制系統(tǒng)摘 要本文對造紙原料蒸煮過程裝料微機控制系統(tǒng)進行了研究，說明了造紙原料蒸煮過程裝料微機控制系統(tǒng)實現(xiàn)所需要的步驟。蒸煮過程是制漿造紙生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序之一，對于整個造紙生產(chǎn)過程中紙漿得率和紙的質(zhì)量有很大影響。它要求根據(jù)原料的特點、紙漿的質(zhì)量和生產(chǎn)設(shè)備的實際情況制定出合理的蒸煮工藝，確定裝球量、用堿量、蒸煮溫度和壓力。硬件的選擇，軟件的

2、設(shè)計，能夠基本實現(xiàn)造紙原料蒸煮過程裝料。過程中使用了MCS-51系列的8051單片機作為中央處理器，差壓流量變送器，A/D轉(zhuǎn)換器,D/A轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換使用的是ADC0809，D/A轉(zhuǎn)換使用的是DAC0832。本系統(tǒng)采用非編碼行列式鍵盤，LED顯示塊使用七段LED。本設(shè)計中為流量測量，則使用差壓式流量測量。執(zhí)行機構(gòu)選擇智能式電動執(zhí)行機構(gòu)。系統(tǒng)程序用C語言編寫，達到對系統(tǒng)的控制。關(guān)鍵詞：造紙原料、蒸煮、計算機、溫度控制Design for Temperature Control System of Resistance FurnaceAbstract This article fed the

3、microcomputer control system to the papermaking raw material steam boiling process to conduct the research.Explained the apermaking raw material steam boiling process feeds the step which the microcomputer control system realization needs.The steam boiling process is one of in system thick liquid pa

4、permaking production essential working procedures.The paper pulp rate and the paper quality have the very tremendous influence regarding the entire papermaking production process in.It requests according to raw material characteristic, the paper pulp quality and the production equipment actual situa

5、tion formulates the reasonable steam boiling craft, determined installs the ball quantity, with the alkali quantity, steams the temperature and the pressure.The hardware choice, the software design, can realize the papermaking raw material steam boiling process to feed basically.In the process used

6、the MCS-51 series 8051 monolithic integrated circuits to take the central processor, the difference pressed the current capacity transmitting instrument, the A/D switch, the D/A switch.The A/D transformation use is ADC0809, D/A transforms the use is DAC0832.This system uses the non-code determinant

7、keyboard, LED demonstrated the block uses seven section of LED.In this design is the flow measurement, then use differential pressure type flow measurement.Implementing agency choice intelligence type electrically operated implementing agency.The system program with the C language compilation, achie

8、ves to the system the control.目 錄摘 要- 2 -Abstract- 3 -第一章控制系統(tǒng)原理- 5 -1.1工藝描述- 5 -1.2控制要求- 5 -1.3 要求實現(xiàn)系統(tǒng)基本功能- 6 -1.4 傳感器選擇- 6 -1.5執(zhí)行機構(gòu)的選擇- 8 -1.6差壓變送器- 8 -第二章詳細設(shè)計- 9 -2.1 硬件設(shè)計- 9 -2.1.1 選擇計算機機型與現(xiàn)場總線- 9 -2.1.2 流量變送及A/D電路- 9 -2.1.3 D/A轉(zhuǎn)換及隔離輸出電路- 11 -2.1.4 鍵盤顯示接口與設(shè)計- 12 -（1）鍵盤選擇- 12 -（2）LED顯示器- 13 -（3）鍵盤

9、接口電路- 14 -2.2 軟件設(shè)計- 15 -2.2.1 系統(tǒng)主程序流程圖- 15 -2.2.2 編寫數(shù)字調(diào)節(jié)器軟件模塊；- 16 -2.2.3 編寫A/D轉(zhuǎn)換器處理程序模塊；- 17 -2.2.4 編寫輸出控制程序模塊；- 19 -第三章系統(tǒng)調(diào)試- 21 -3.1 差壓式流量變送器量程調(diào)整- 21 -3.2 給定參數(shù)設(shè)定- 21 -3.3 采樣周期的調(diào)整- 21 -3.4 PID參數(shù)的整定- 21 -第四章數(shù)字控制器的設(shè)計- 22 -第五章總結(jié)和感想- 23 -參考文獻- 23 -附錄24系統(tǒng)電路圖24關(guān)鍵程序代碼27第一章 控制系統(tǒng)原理1.1工藝描述蒸煮過程是制漿造紙生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序之一

10、，對于整個造紙生產(chǎn)過程中紙漿得率和紙的質(zhì)量有很大影響。它要求根據(jù)原料的特點、紙漿的質(zhì)量和生產(chǎn)設(shè)備的實際情況制定出合理的蒸煮工藝，確定裝球量、用堿量、蒸煮溫度和壓力。造紙廠蒸煮車間有五個蒸球，依靠調(diào)節(jié)其進氣量以達到控制蒸球工作壓力和溫度，調(diào)節(jié)噴料閥控制裝料量。人工控制準確性和實時性差，浪費能源。因此需要用微機控制技術(shù)實現(xiàn)該過程的自動控制。圖1裝料控制系統(tǒng)示意圖被控參數(shù)：保證每個蒸球內(nèi)的堿液濃度恒定，即堿液與水的流量比值為60:40。所以被控參數(shù)為流量比值1.5。1.2控制要求保證每個蒸球內(nèi)的堿液濃度恒定，即堿液與水的流量比值為60:40。蒸球的實際工作壓力準確跟蹤給定壓力曲線，允許偏差為

11、7;0.01Mpa。典型的蒸煮過程工藝壓力曲線如圖所示。P1低壓保壓值，P2高壓保壓值，T1空轉(zhuǎn)時間，T2升低壓時間，T3低壓保壓時間，T4升高壓時間，T5高壓保壓時間被控過程傳遞函數(shù)1.3 要求實現(xiàn)系統(tǒng)基本功能 微機自動調(diào)節(jié)：正常工況下，系統(tǒng)投入自動。 模擬手動操作：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常，投入手動控制。 微機監(jiān)控功能：顯示當(dāng)前被控量的設(shè)定值、實際值，控制量的輸出值，參數(shù)報警時有燈光報警。1.4 傳感器選擇本設(shè)計中為流量測量，常用的流量測量方法有：差壓式流量測量，電磁式流量測量，渦輪式流量測量，渦街式流量測量，超聲式流量測量和質(zhì)量流量測量。差壓式流量計是一類歷史悠久，技術(shù)成熟，應(yīng)用最廣泛的流量計。差

12、壓式流量計按其檢測件的作用原理，可分為節(jié)流式，動壓頭式，水力阻力式，李新事，動壓增益式和射流式等幾大類，其中以節(jié)流式和動壓頭式應(yīng)用最為廣泛，節(jié)流式的特點是：結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，適應(yīng)能力強，幾乎能測量各種工況下的流量。差壓流量計的測量原理是利用節(jié)流件前后的差壓與流速之間的關(guān)系，通過差壓值獲得流體的流速，也稱差壓流量檢測法。差壓式流量計的參數(shù)：產(chǎn)品名稱差壓式流量傳感器功能潔凈的氣、液體及蒸汽的流量測量工作原理利用節(jié)流件前、后壓差與流量（流速）成平方根關(guān)系來測量規(guī)格名稱說明常見參數(shù)管徑501200mm測量范圍5×1031×108m3/h工作壓力2.520MPa工作溫度500精

13、度0.6%1.5%最低雷諾數(shù)流體慣性力與粘性力之比> 2×105m2/s范圍度最大流量與最小流量的比值3:1壓力損失50020000PaTG21-E型液位差計是依據(jù)回波測距原理來測量換能器表面到被測物體表面的距離。兩個超聲波換能器分別測量上下游的液位高度，儀表顯示兩個液位及液位差，兩路420mA可任意設(shè)置為液位或液位差輸出，兩路編程繼電器可控制復(fù)雜邏輯。1.5 執(zhí)行機構(gòu)的選擇執(zhí)行器的選用是否得當(dāng) ，將直接影響控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量、安全性和可靠性，因此，必須根據(jù)工況特點、生產(chǎn)工藝及自動控制系統(tǒng)的要求等多方面的因素，綜合考慮，正確選用。執(zhí)行器的選擇主要從以下三方面考慮：a執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)

14、形式；b調(diào)節(jié)閥的流量特性c調(diào)節(jié)閥的口徑。其中執(zhí)行機構(gòu)的選擇尤為重要。執(zhí)行機構(gòu)包括氣動、電動和液動三大類，而液動執(zhí)行機構(gòu)使用甚少，氣動執(zhí)行機構(gòu)中使用最廣的是氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)，因此執(zhí)行的選擇主要是指氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)和電動執(zhí)行機構(gòu)的選擇。執(zhí)行機構(gòu)的選擇一方面要與控制算法匹配，另一方面要根據(jù)被控對象的實際情況決定。根據(jù)實際使用要求，結(jié)合兩種執(zhí)行機構(gòu)的特點本設(shè)計選用智能式電動執(zhí)行機構(gòu)。智能式電動執(zhí)行機構(gòu)不僅具有定位精度高，響應(yīng)速度快，非接觸式檢測等優(yōu)點，而且具有通訊、故障診斷和處理功能。1.6 差壓變送器差壓變送器用來將差壓，流量，液位等被測參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)闃藴式y(tǒng)一信號或數(shù)字信號，以實現(xiàn)對這些信號的自動控制。

15、差壓變送器主要有：膜盒式差壓變送器，電容式差壓變送器，擴散硅式差壓變送器，振先式差壓變送器和電感式差壓式變送器。本設(shè)計采用膜盒式差壓式變送器。第二章 詳細設(shè)計2.1 硬件設(shè)計2.1.1 選擇計算機機型與現(xiàn)場總線MCS-51系列單片機是8位增強型，其主要的技術(shù)特征是為單片機配置了完善的外部并行總線和具有多級識別功能的串行通訊接口（UART），規(guī)范了功能單元的SFR控制模式及適應(yīng)控制器特點的布爾處理系統(tǒng)和指令系統(tǒng)。由于單片機具有較高的性能比，國內(nèi)尤以MCS-51系列單片機應(yīng)用最廣，易于開發(fā)、使用靈活、而且體積小、易于開發(fā)、抗干擾能力強，可以工作于各種惡劣的條件下，工作穩(wěn)定等特點。設(shè)計本著應(yīng)用性，因

16、此選擇MCS-51系列的8051單片機作為中央處理器，如圖1所示。 8051片內(nèi)有4KB程序存儲器和128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，片內(nèi)RAM和ROM最多可以擴展64K字節(jié)數(shù)據(jù)和程序存儲器空間。采用8051的最小系統(tǒng)作為中央處理器，再加上必要的外圍電路，形成自動控制電路。 8051的內(nèi)部資源如下：l 一個8位CPUl 4KB的程序存儲器，采用ROM或EPROMl 128字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器l 21個特殊功能寄存器（SFR）l 兩個16位定時器/計數(shù)器l 可尋址64K外部數(shù)據(jù)存儲器和64K外部程序存儲空間的控制電路l 4個8位并行口，其中P0、P2、P3是復(fù)用口l 一個可編程全雙工串行口l 具有五個中斷

17、源，兩個優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)l 時鐘頻率：1.2MHZ12MHZl 一個片內(nèi)振蕩器及時鐘電路2.1.2 流量變送及A/D電路電路如圖所示：模擬量輸入通道的組成：A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計：ADC0809是帶有8為A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及與微型計算機兼容的控制邏輯的CMOS組件，其轉(zhuǎn)換方法是逐次逼近型。采用雙列直插式封裝，共有28條引腳。其內(nèi)部有一個8位“三態(tài)輸出鎖存器”可以鎖存A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，故它本身既可看作一種輸入設(shè)備，也可以認為是并行I/O接口芯片。流量變送器與A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809技術(shù)指標:單一電源,+5V供電,模擬量輸入范圍為0-5V分辨率為8位最大不可調(diào)誤差:ADC0808&l

18、t;±1/2LSB ADC0809<±1LSB功耗為15mW轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時鐘頻率。2.1.3 D/A轉(zhuǎn)換及隔離輸出電路DAC0832數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部，具有兩極輸入數(shù)據(jù)緩沖器和一個R-2R T型電阻網(wǎng)絡(luò)。即包括一個數(shù)據(jù)寄存器、DAC 寄存器和D/A轉(zhuǎn)換器三大部分。數(shù)據(jù)寄存器和DAC 寄存器實現(xiàn)兩次緩沖，故在輸出的同時，還可以接收一個數(shù)據(jù)，提高了轉(zhuǎn)換速度。當(dāng)多芯片工作時，可用同步信號實現(xiàn)各模擬量的同時輸出。 該器件采用先進的CMOS工藝，功耗低，輸出漏電流誤差小，主要特性有：輸出電流線性度可在滿量程下調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)換時間為1s；數(shù)據(jù)輸入可采用雙緩沖、單緩沖或直通方式；

19、增益溫度補償為0.02%FS/；每次輸入數(shù)字為8 為二進數(shù)；功耗為20mW；邏輯電平與TTL 兼容；單一電源供電，可在515V 內(nèi)。DAC0832 可工作在單，雙緩沖器方式。單緩沖器方式即輸入寄存器的信號和DAC 寄存器的信號同時控制，使一個數(shù)據(jù)直接寫入DAC 寄存器。 這種方式適用于只有一路模擬量輸出或幾路模擬量不需要同步輸出的系統(tǒng)； 雙緩沖器方式即輸入寄存器的信號和DAC 寄存器的信號分開控制， 這種方式適用于幾路模擬量需要同步輸出的系統(tǒng)。為了提高轉(zhuǎn)換精度，可增加D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。DAC0832接口電路：DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳2.1.4 鍵盤顯示接口與設(shè)計（1）鍵盤選擇本系統(tǒng)采用非

20、編碼行列式鍵盤，即用I/O口線組成行列式結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點上。在按鍵數(shù)較多時，可節(jié)省I/O口線。該鍵盤采用的工作方式為編程掃描工作方式，它是利用CPU在完成其他工作的空余，調(diào)用鍵盤掃描子程序，來響應(yīng)鍵輸入要求。在執(zhí)行鍵功能程序時，CPU不再響應(yīng)鍵輸入要求。編程掃描工作方式只有在CPU空閑時才調(diào)用鍵盤掃描子程序。鍵盤采用的掃描法掃描方式，掃描法是在判定有鍵按下后逐行（或列）置低電平，同時讀入行（或列）狀態(tài)，如果行（或列）狀態(tài)出現(xiàn)非全1狀態(tài)，這時0狀態(tài)的行、列交點的鍵就是所按下的鍵。（2）LED顯示器LED顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，常使用七段LED。這種顯示塊有共陰極與共陽極

21、兩種接法。N位LED顯示器有N根位選線和8×N根段選線。根據(jù)顯示方式不同，位選線與段選線的連接方法不同。段選線控制字符選擇，位選線控制顯示器的亮暗。LED顯示方式有靜態(tài)顯示方式（因其占用 I/O資源較多，故在位數(shù)較多時不采用）和動態(tài)顯示方式，如八位LED動態(tài)顯示電路只需要兩個8位I/O口。其中一個控制段選碼，另一個控制位選碼。由于所有位的段選碼皆由一個I/O控制，因此，在每個瞬間，八位LED只可能顯示相同的字符，必須采用掃描顯示方式。即在每一瞬間只使某一位顯示相應(yīng)字符。在此瞬間，段選控制I/O口輸出相應(yīng)字符段選碼，位選控制I/O口在該顯示位送入選通電平以保證該位顯示相應(yīng)字符。如此輪流

22、，使每位顯示該位應(yīng)顯示字符，并保持延時一段時間，以造成視覺暫留效果。段選、位選碼每送一次后延時15ms。 LED數(shù)碼管顯示接口電路（3）鍵盤接口電路2.2 軟件設(shè)計2.2.1 系統(tǒng)主程序流程圖2.2.2 編寫數(shù)字調(diào)節(jié)器軟件模塊；主程序#inclde<reg51.h>#include<stdio.h>#inciude<display.h>#include<adc.h>#incldue<dac.h>Uart_Init ();xdata float sr1;xdata float sr2;xdata float K;xdata float

23、R=1.5;xdata float E1=0;xdata float E2;xdata float U1=0;xdata float U2;main ()Uart_Init ();uint i;for(i=0;i+)adc ();sr1=cdigtaldata0;sr2= cdigtaldata1;if (K>1.8)P3.1=0;else if (K<1.2)P3.0=0;display ();E2=R-K;U2=10*(E2-E1)+0.9*U1;dac (U1);2.2.3 編寫A/D轉(zhuǎn)換器處理程序模塊； A/D轉(zhuǎn)換程序 #include<stdio.h>#def

24、ine ADC0809CH0 0XD7FF8#define ADC0809CH1 0XD7FF9#define unsigned char#define unsigned intxdata uint cchannelindex;xdata uint cdigitaldata2=0;xdata uint ncrrentaddr;sbit P26=0XA6;sbit P25=0XA5;sbit P24=0XA4;sbit P32=0XB2;sbit P33=0XB3;xdata int ncounter=0;viod selectchannel (uint c0809addr,uchar s080

25、9data);uchar getresult ();viod Delay();adc () Uart_Init (); TH0=0x3C;TL0=0xAF;ET0=1;EA=1;TF0=0;TR0=1;while(1);void timer_overflow (0 interrupt 1 using 0TH0=0x3C;TL0=0XAF;If(ncounter=40)ncounter=0;P0=0XFF;P1=0XFF;P2=0XFF;P3=0XFF;EX0=1;EA=1;cchannelindex=0;ncurrentaddr=ADC0809CH0;selectchannel (ADC080

26、9CH0,cchannelindex);Delay ();cchannelindex+;ncurrentaddr=ADC0809CH1;selectchannel (ADC0809CH1,cchannelindex);Delay ();while(1);ncounter+;Uart_Init ()SCON=0X52;TMOD=0X21;TCON=0X69;TH1=0Xf3;void Delay ()uint i;for(i=0;i<200;i+);void seleclchannel (uint c0809addr,uchar c0809data)*(uchar xdata*) c080

27、9addr)=c0809data;void int0 () interrupt 0using 0cdigitaldatacchannelindex=getresult();uchar getresult()uchar cresult;cresut=*(uchar xdata*) ncurrentaddr);Uart_Init ()SCON=0X52;TMOD=0X21;TCON=0X69;TH1=0Xf3;2.2.4 編寫輸出控制程序模塊；D/A 轉(zhuǎn)換子程序#include<stdio.h>#define DAC0832addr 0X9FFF#define uchar unsign

28、ed char#define uint unsigned intsbit P26=0XA6;sbit P27=0XA7;viod transformdata (uchar c0832data);void Delay();dac (uchar cdigital)Uart_Init ();P0=0XFF;P1=0XFF;P2=0XFF;P3=0XFF;Delay();while(1)Transformdata(cdigital);Delay ();viod transformdata (uchar c0832data);*(uchar xdata *)DAC0832addr)=c0832data;

29、Uart_Init ()SCON=0X52;TMOD=0X21;TCON=0X69;TH1=0Xf3;void Delay ()uint i;for(i=0;i<200;i+);第三章 系統(tǒng)調(diào)試3.1 差壓式流量變送器量程調(diào)整查閱差壓式流量變送器的使用說明書，將其量程調(diào)整為01×108m3/hMPa。3.2 給定參數(shù)設(shè)定根據(jù)實工作需要，將源程序中“#define”定義的幾個變量PP1、PP2、TT1、TT2、TT3、TT4、TT5的值加以修改。修改后的程序經(jīng)編譯，連接后將得到的目標代碼通過ISP接口下載到單片機內(nèi)部。3.3 采樣周期的調(diào)整由香濃定時可知，當(dāng)采樣頻率的上限為fs2

30、fmax時，系統(tǒng)可真實地恢復(fù)到原來的連續(xù)信號。從理論上講，采樣頻率越高，失真越小，但從控制器本身而言，大都是依靠偏差信號 E（k）進行調(diào)節(jié)計算的。當(dāng)采樣周期T太小時，E(k)也會過小，此時計算機將會失去調(diào)節(jié)作用，采樣周期T過長又會引起誤差，因此采樣周期必需進行綜合考慮。采樣周期的選擇方法有多種，在本系統(tǒng)中采用經(jīng)驗法，根據(jù)經(jīng)驗，壓力信號的采樣周期一般為3-10s比較合適，可在其中選取一個采樣周期送進控制系統(tǒng)中進行試驗。根據(jù)實際控制效果反復(fù)修改T值。直到滿意為止。采樣周期T的設(shè)定方法同上。3.4 PID參數(shù)的整定PID參數(shù)整定的方法同樣有許多種，此處采用優(yōu)選法。其具體作法是根據(jù)經(jīng)驗，先把其他參數(shù)固

31、定，然后用0.618法對其中某一參數(shù)進行優(yōu)選，直到把所有的參數(shù)選定完畢為止。最后根據(jù)T、Kp、KI、KD諸參數(shù)優(yōu)選的結(jié)果取一組最佳值即可。PID參數(shù)在程序中的設(shè)定方式同上。第四章 數(shù)字控制器的設(shè)計 直接數(shù)字控制是根據(jù)采樣理論，首先將被控對象的數(shù)學(xué)模型進行離散，然后由計算機根據(jù)離散化的數(shù)學(xué)模型進行控制。這種方法針對性強，調(diào)節(jié)品質(zhì)好，可以從被控對象的實際出發(fā)。最少拍隨動系統(tǒng)的設(shè)計如下：本設(shè)計采用最小拍隨動系統(tǒng)數(shù)字控制器因為所以 （T=0.5s）所以 （ 式1-1）由式1-1知，該數(shù)字控制器為最少拍無波紋隨動系統(tǒng)控制。假設(shè)輸入為單位階躍，取，所以又取采樣周期T=0.5s，得 （式1-2）從而有 由差分方程得控制器輸出為：（式1-3）最少拍隨動系統(tǒng)的誤差為：其中分為：1) 堿液設(shè)定值與實際輸出堿液之差 2)水設(shè)定值與實際輸出水之差因為=1.5所以 為第k次采樣時實際輸出堿液或?qū)嶋H輸出水第五章 總結(jié)和感想通過這次課程設(shè)計，我把學(xué)到的知識與實際理論結(jié)合起來，使理論知識應(yīng)用于實際中。本設(shè)計為造紙原料蒸煮過程裝料微型機控制系統(tǒng)，利用傳感