小型澡堂供水總管溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書目錄摘要1 控制對(duì)象1 1.1控制對(duì)象介紹1 1.2 控制性能要求12方案的比較和確定23系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)34 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)44.1 溫度信號(hào)輸入通道44.1.1 溫度傳感器44.1.2 運(yùn)算放大器54.1.3 A/D轉(zhuǎn)換器54.2 執(zhí)行信號(hào)輸出通道54.3 LED接口設(shè)置64.4 單片機(jī)及其電路設(shè)計(jì)75 Smith預(yù)估控制算法86 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)10心得體會(huì)12參考文獻(xiàn)13附錄一 電路圖14附錄二 程序代碼15成績(jī)?cè)u(píng)定表.211小型澡堂供水總管溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1控制對(duì)象1.1控制對(duì)象介紹蒸汽熱交換器是以蒸汽為熱源將水加熱的設(shè)備，用蒸汽作熱源加熱水的設(shè)備分兩類

2、：1.直接加熱設(shè)備蒸汽與水直接混合，將水加熱。2.間接加熱設(shè)備蒸汽與水為兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，通過(guò)金屬表面熱能從高品位向低品位傳導(dǎo)。隨著蒸汽直接加熱時(shí)噪音、壓力、流量、溫度等問題的控制有了明顯提高，人們對(duì)蒸汽直接加熱有了新的認(rèn)識(shí)，世界各國(guó)都在研究蒸汽直接換熱設(shè)備。1.2 控制性能要求本系統(tǒng)進(jìn)行微型計(jì)算機(jī)控制，系統(tǒng)為一階慣性純滯后特性動(dòng)態(tài)特性，水溫控制在60，溫度控制精度為3，通過(guò)LED顯示溫度。 該澡堂由于規(guī)模較小，用水負(fù)荷變化較大，試為其設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)。2方案的比較和確定方案一：系統(tǒng)采用8084芯片作為系統(tǒng)的微處理器。溫度信號(hào)由熱電偶檢測(cè)后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理（放大）送到A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)

3、字信號(hào)再送到8084芯片內(nèi)部進(jìn)行判斷或計(jì)算。從而輸出的控制信號(hào)來(lái)控制鍋爐是否加熱。但對(duì)于8084芯片來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部只有128個(gè)字節(jié)的RAM，沒有程序存儲(chǔ)器，并且系統(tǒng)的程序很多，要完成鍵盤、顯示等功能就必須對(duì)8084芯片進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展和I/O口擴(kuò)展，并且需要容量較大的程序存儲(chǔ)器，外擴(kuò)時(shí)占用的I/O口較多，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。方案二：系統(tǒng)采用AT89C51作為系統(tǒng)的微處理器來(lái)完成對(duì)水溫的控制和鍵盤顯示功能。C51單片機(jī)片內(nèi)除了128B的RAM外，片內(nèi)又集成了4KB的ROM作為程序存儲(chǔ)器，是一個(gè)程序不超過(guò)4K字節(jié)的小系統(tǒng)。系統(tǒng)程序較多時(shí)，只需要外擴(kuò)一個(gè)容量較小的程序存儲(chǔ)器，占用的I/O口減少，同時(shí)也為

4、鍵盤、顯示等功能的設(shè)計(jì)提供了硬件資源，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，降低了成本。因此89C51可以完成設(shè)計(jì)要求。綜上所述的二種方案，該設(shè)計(jì)選用方案二比較合適。3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)是以89C51單片機(jī)為控制核心，輔以采樣反饋電路，驅(qū)動(dòng)電路，晶閘管主電路對(duì)電爐爐溫進(jìn)行控制的微機(jī)控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)基本控制原理為:將溫度設(shè)定值(即60)和溫度反饋值同時(shí)送入控制電路部分，然后經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器運(yùn)算得到輸出控制量，輸出控制量控制驅(qū)動(dòng)電路得到控制電壓施加到被控對(duì)象上，電爐因此達(dá)到規(guī)定的溫度。結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示：圖3-1 電阻爐控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖圖3-2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖4系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)4.1 溫度信號(hào)輸入通

5、道溫度檢測(cè)電路包括溫度檢測(cè)電路、放大器和A/D轉(zhuǎn)換三部分。原理圖如圖4-1所示圖4-1 溫度輸入信號(hào)通道4.1.1溫度傳感器采用的是National Semiconductor 所生產(chǎn)的LM35。計(jì)算公式： LM35是一種得到廣泛使用的溫度傳感器。由于它采用內(nèi)部補(bǔ)償，所以輸出可以從0開始。LM35有多種不同封裝型式。在常溫下，LM35 不需要額外的校準(zhǔn)處理即可達(dá)到 ±1/4的準(zhǔn)確率。其在靜止溫度中自熱效應(yīng)低(0.08)，單電源模式在25下靜止電流約50A，工作電壓較寬，可在420V的供電電壓范圍內(nèi)正常工作非常省電。工作電壓430V，在上述電壓范圍以內(nèi)，芯片從電源吸收的電流幾乎是不變的

6、（約50A），所以芯片自身幾乎沒有散熱的問題。這么小的電流也使得該芯片在此系統(tǒng)中特別適合，輸出可以由第三個(gè)引腳取出，根本無(wú)需校準(zhǔn)。4.1.2 運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器采用差動(dòng)運(yùn)算放大器LM324。LM324系列器件帶有差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性?？梢缘贸鲞\(yùn)放的輸出電壓為 為了使后面的A/D轉(zhuǎn)換器得到合適的輸入模擬電壓，本系統(tǒng)選取=100k，=200k。4.1.3 A/D轉(zhuǎn)

7、換器ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型DA轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時(shí)電路組成。溫度信號(hào)輸入通道的總增益由溫度傳感器、運(yùn)放和A/D轉(zhuǎn)換器三個(gè)環(huán)節(jié)的增益所決定。在本系統(tǒng)中，由于溫度要求100是固定的，這三個(gè)環(huán)節(jié)的增益也是固定的。這樣有利于整個(gè)通道在設(shè)計(jì)和安裝時(shí)，避免不必要的精度誤差和偏差。4.2 執(zhí)行信號(hào)輸出通道本系統(tǒng)采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)的控制方法。單片機(jī)輸出控溫信號(hào)：輸出高電平時(shí)，使雙向可控硅導(dǎo)通，電熱絲通電；輸出低電平時(shí)，雙向可控硅截止，電熱絲斷電。脈沖寬度與周期T的比值為P，它反映了系統(tǒng)的輸出控制量

8、。執(zhí)行信號(hào)輸出通道的原理圖如圖3-2所示，單片機(jī)系統(tǒng)AT89C51的P2.5口輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合器，直接控制雙向可控硅的門極，從而控制電熱絲的平均加熱功率。這樣使輸出通道省去了數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器和可控硅一項(xiàng)觸發(fā)電路，大大簡(jiǎn)化了硬件；而且可控硅工作在過(guò)零觸發(fā)狀態(tài)，提高了設(shè)備的功率因數(shù)，減輕了對(duì)電網(wǎng)的干擾。AT89C51的I/O腳的負(fù)載能力不足以驅(qū)動(dòng)光電耦合器的發(fā)光二極管，所以用1413的一路作為功放。光電耦合器的光敏二極管所能通過(guò)的電流足以觸發(fā)5A的雙向可控硅，其間不必加功放環(huán)節(jié)，其中對(duì)可控硅可用負(fù)極性觸發(fā)。圖3-2 執(zhí)行輸出信號(hào)控制通道觸發(fā)電路6V不必采用穩(wěn)壓，只需一般的阻容濾波即可，但

9、不能與單片機(jī)基本系統(tǒng)5V電源相通?？煽毓栝T極回路與220V電源相通，光電耦合器的結(jié)緣耐壓能有效地把單片機(jī)系統(tǒng)與220V強(qiáng)電隔離。4.3 LED接口設(shè)置設(shè)計(jì)中用到四個(gè)LED數(shù)碼管顯示器。LED工作方式有兩種：靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式。LED數(shù)碼管，其原理和數(shù)字表掃描顯示的原理一致即采用動(dòng)態(tài)顯示，動(dòng)態(tài)顯示是將所有數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。選擇導(dǎo)通數(shù)碼管的方式是采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂動(dòng)態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數(shù)碼管同時(shí)都在顯示。動(dòng)態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時(shí)應(yīng)略

10、小于靜態(tài)顯示電路的。 圖3-3 顯示模塊電路圖4.4 單片機(jī)及其電路設(shè)計(jì)單片機(jī)控制系統(tǒng)原理圖如圖3-4所示。微處理器采用51系列單片機(jī)AT89C51。單片機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。單片機(jī)系統(tǒng)主要I/O口的分配如下：89C51的P1口為溫度信號(hào)的輸入口，P0口為溫度顯示信號(hào)數(shù)據(jù)輸出，P2口的P2.0端到P2.3端為顯示信號(hào)的掃描，P2.4端口為執(zhí)行信號(hào)輸出口。圖3-4 單片機(jī)控制系統(tǒng)5 SMITH預(yù)估控制算法如圖4-1，在所示的單回路控制系統(tǒng)中，D（s）表示控制器的傳遞函數(shù)，用于校正部分；表示被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，為表示被控制對(duì)象中不包含純滯后部分的傳遞函數(shù)，為被控制對(duì)象純滯后部分的傳遞函數(shù)

11、。u(t)e(t)y(t)D(s)圖5-1 帶純滯后環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)令=，為被控對(duì)象的放大系數(shù)，；為被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)；為純滯后時(shí)間。由圖4-2可見，純滯后補(bǔ)償?shù)臄?shù)字控制器由兩部分組成：一部分是數(shù)字PID控制器(由(s)離散化得到)；一部分是施密斯預(yù)估器。r(t)u (k)(t)(t)y (t)數(shù)字PIDT(t)圖5-2 具有純滯后補(bǔ)償?shù)目刂葡到y(tǒng)施密斯預(yù)估器的輸出可按圖5-3的順序計(jì)算：(k)u (k)m (k)m(k-N)圖3-3 史密斯預(yù)估器框圖圖中，u(k)是PID數(shù)字控制的輸出，是施密斯預(yù)估的輸出。從圖中可知，必須先計(jì)算傳遞函數(shù)的輸出m(k)后，才能計(jì)算反饋回路偏差：純滯后補(bǔ)償器的輸出

12、： 其中，上式稱為施密斯預(yù)估控制算式。偏差： 控制器的輸出：式中，為PID控制的比例系數(shù)；為積分系數(shù)；為微分系數(shù)。在純滯后補(bǔ)償控制算法中，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的PID算法，只是加入了補(bǔ)償環(huán)節(jié)，可以采用PID的方式來(lái)處理。為了提高控制質(zhì)量，我們對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，采用所謂的積分分離的PID位置式算法。當(dāng)偏差絕對(duì)值小于某一預(yù)定門限時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)的PID算法：式中：為系統(tǒng)控制量，為第i-1次偏差，T為采樣周期，為積分時(shí)間，k為比例系數(shù)，為系統(tǒng)基準(zhǔn)控制量。當(dāng)偏差絕對(duì)值大于這一預(yù)定門限時(shí)，舍去積分項(xiàng)的運(yùn)算。6系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序初始化時(shí)，允許INT0中斷，并設(shè)置為邊沿觸發(fā)方式，ADC0809 EOC為中斷請(qǐng)求信號(hào)口，中

13、斷服務(wù)程序把“轉(zhuǎn)換結(jié)束”標(biāo)志置位時(shí)，采用查詢的方式，根據(jù)ADC0809的D0D7的信息分別進(jìn)行處理和存放。程序的每次循環(huán)，只讀入一組數(shù)據(jù)。為了削弱干擾和純滯后帶來(lái)的影響，程序采用純滯后補(bǔ)償?shù)姆椒?，即SMITH預(yù)估控制，對(duì)讀入信號(hào)進(jìn)行平滑加工。顯示更新程序把濾波后的溫度從單片機(jī)的P0輸送到顯示接口電路。圖5-1 控制系統(tǒng)的主流程圖程序還對(duì)系統(tǒng)控制量作上、下限幅，使輸出脈沖寬度與脈沖周期的比值p的范圍為5%95%。本系統(tǒng)中的脈沖周期取10s，與采樣周期相同，這樣與電熱元件并聯(lián)的指示燈始終閃爍發(fā)光，這是系統(tǒng)正常工作的一種標(biāo)志。操作人員還可以從亮、暗時(shí)間的比例，方便地了解系統(tǒng)的控制量?？刂葡到y(tǒng)主流程圖

14、如上圖所示。心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)之初，通過(guò)老師的給的資料，對(duì)報(bào)告的要求和所設(shè)計(jì)的內(nèi)容有了一定的了解。由于對(duì)電阻爐，溫度傳感器等不是太了解，于是在我查詢了相關(guān)的資料，了解了電阻爐，溫度傳感器，根據(jù)題目的要求選擇了熱電阻中的鉑電阻。同時(shí)本次課程設(shè)計(jì)中運(yùn)用到了51單片機(jī)、ADC0809等較多的芯片，為此查詢了相關(guān)芯片的引腳圖，對(duì)這些芯片有了大致的了解，在學(xué)會(huì)使用這些芯片的過(guò)程，加深了我運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力并且在芯片選型以及設(shè)計(jì)方案對(duì)比方面有了一定的訓(xùn)練。本次課程設(shè)計(jì)讓Protues，Word，Keil等軟件的使用，增強(qiáng)了我相應(yīng)專業(yè)軟件的使用能力，對(duì)單片機(jī)的使用讓我重新回顧了C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言

15、的使用，對(duì)以前的知識(shí)有了復(fù)習(xí)的機(jī)會(huì)。而本次課程設(shè)計(jì)主要的難點(diǎn)也是在于程序的設(shè)計(jì)。本次課程設(shè)計(jì)中也遇到了些問題，如剛開始時(shí)題目的理解錯(cuò)誤，程序運(yùn)行出錯(cuò)，仿真出問題等，在同學(xué)的指導(dǎo)和幫助下，這些問題得到了一定的解決。在今后的學(xué)習(xí)生活中也是如此，除了自己的努力外，還需請(qǐng)教他人，從他人那里學(xué)習(xí)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)和獲得幫助，另外此次課程設(shè)計(jì)為畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。13參考文獻(xiàn)1 陳立周、陳宇.單片機(jī)原理及其應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社，20062 于海生.計(jì)算機(jī)控制技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，20033 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì).清華大學(xué)出版社，20054 于海生.計(jì)算機(jī)控制技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2007.5 劉紅麗、張菊秀.

16、傳感與檢測(cè)技術(shù). 國(guó)防工業(yè)出版社，2007.6 康華光編著.電子技術(shù)基礎(chǔ).模擬部分.高等教育出版社，2000附錄一電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖：附錄二程序代碼#include<reg51.h>#include<intrins.h>#include<math.h>#include<string.h>struct PID unsigned intSetPoint; / 設(shè)定目標(biāo) Desired Valueunsigned int Proportion; / 比例常數(shù) Proportional Constunsigned int Integr

17、al; / 積分常數(shù) Integral Constunsigned int Derivative; / 微分常數(shù) Derivative ConstunsignedintLastError; / Error-1unsignedintPrevError; / Error-2unsignedintSumError; / Sums of Errors;struct PID spid; / PID Control Structureunsignedint rout; / PID Response (Output)unsignedintrin; / PID Feedback (Input)sbit dat

18、a1=P10;sbitclk=P11;sbit plus=P20;sbit subs=P21;sbit stop=P22;sbit output=P34;sbit DQ=P33;unsigned char flag,flag_1=0;unsigned char high_time,low_time,count=0;/占空比調(diào)節(jié)參數(shù)unsigned char set_temper=35; unsigned char temper; unsigned char i;unsigned char j=0;unsignedint s;/*延時(shí)子程序,延時(shí)時(shí)間以12M晶振為準(zhǔn),延時(shí)時(shí)間為30us×

19、;time*/void delay(unsigned char time) unsigned char m,n;for(n=0;n<time;n+)for(m=0;m<2;m+) /*獲取溫度子程序*/voidget_temper() unsigned char i,j;do i=reset(); /*復(fù)位*/while(i!=0); /*1為無(wú)反饋信號(hào)*/ i=0xcc; /*發(fā)送設(shè)備定位命令*/write_byte(i); i=0x44; /*發(fā)送開始轉(zhuǎn)換命令*/write_byte(i); delay(180); /*延時(shí)*/do i=reset(); /*復(fù)位*/while

20、(i!=0); i=0xcc; /*設(shè)備定位*/write_byte(i); i=0xbe; /*讀出緩沖區(qū)內(nèi)容*/write_byte(i); j=read_byte(); i=read_byte(); i=(i<<4)&0x7f; s=(unsigned int)(j&0x0f); s=(s*100)/16; j=j>>4; temper=i|j; /*獲取的溫度放在temper中*/ /*Smith控制算法*/voidSMITHInit (structSMITH *pp)memset ( pp,0,sizeof(structSMITH);/*SMI

21、TH計(jì)算部分*/unsignedintSMITHCalc( structSMITH *pp, unsigned intNextPoint )unsignedintdError,Error;Error = pp->SetPoint - NextPoint; / 偏差pp->SumError += Error; / 積分dError = pp->LastError - pp->PrevError; / 當(dāng)前微分pp->PrevError = pp->LastError;pp->LastError = Error;return (pp->Proport

22、ion * Error / 比例項(xiàng)+ pp->Integral * pp->SumError / 積分項(xiàng)+ pp->Derivative * dError); / 微分項(xiàng)/*溫度比較處理子程序*/compare_temper()unsigned char i;if(set_temper>temper) if(set_temper-temper>1) high_time=100;low_time=0; else for(i=0;i<10;i+) get_temper();rin = s; / Read Inputrout = PIDCalc ( &sp

23、id,rin ); / Perform PID Interation if (high_time<=100)high_time=(unsigned char)(rout/800);elsehigh_time=100;low_time= (100-high_time); else if(set_temper<=temper) if(temper-set_temper>0) high_time=0;low_time=100; else for(i=0;i<10;i+) get_temper();rin = s; / Read Inputrout = PIDCalc ( &a

24、mp;spid,rin ); / Perform PID Interation if (high_time<100)high_time=(unsigned char)(rout/10000);elsehigh_time=0;low_time= (100-high_time); / else / /*T0中斷服務(wù)子程序，用于控制電平的翻轉(zhuǎn) ,40us*100=4ms周期*/void serve_T0() interrupt 1 using 1 if(+count<=(high_time)output=1;else if(count<=100) output=0; elsecou

25、nt=0; TH0=0x2f; TL0=0xe0; /*顯示子程序*/void display() unsigned char code number=0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6;unsigned char disp_num6;unsignedint k,k1; k=high_time; k=k%1000; k1=k/100;if(k1=0)disp_num0=0;elsedisp_num0=0x60; k=k%100;disp_num1=numberk/10;disp_num2=numberk%10; k=temper;

26、 k=k%100;disp_num3=numberk/10;disp_num4=numberk%10+1;disp_num5=numbers/10; disp_1(disp_num); /*主程序*/main() unsigned char z;unsigned char a,b,flag_2=1,count1=0; unsigned char phil=2,0xce,0x6e,0x60,0x1c,2; TMOD=0x21; TH0=0x2f; TL0=0x40; SCON=0x50; PCON=0x00; TH1=0xfd; TL1=0xfd; PS=1; EA=1; EX1=0; ET0=1; ES=1; TR0=1; TR1=1;high_time=50;