微機(jī)控制論文陶瓷隧道窯微機(jī)溫控制系統(tǒng)

1、陶瓷隧道窯微機(jī)溫度控制系統(tǒng) 摘 要目前我國陶瓷隧道窯爐大多采用人工或簡單儀表控制，要想使窯爐長期達(dá)到最佳工作狀態(tài)是不可能的，造成產(chǎn)品合格率、一級品率一直處于較低的水平。陶瓷隧道窯爐是由預(yù)熱帶、燒成帶和冷卻帶三個部分組成，瓷件燒成溫度在1320左右，窯內(nèi)溫度場主要由燒成帶12對噴嘴燃冷煤氣產(chǎn)生，窯爐系統(tǒng)用8組風(fēng)機(jī)來調(diào)節(jié)窯內(nèi)的壓力場。排煙風(fēng)、助燃風(fēng)將直接影響燒成帶的溫度場，急冷風(fēng)會影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。溫度控制系統(tǒng)將采集的各點溫度值，經(jīng)/轉(zhuǎn)換后與設(shè)定值進(jìn)行比較，控制器輸出經(jīng)由/變換，變成 420mA形式模擬量輸出給電動執(zhí)行器，驅(qū)動蝶形閥調(diào)節(jié)噴嘴的煤氣進(jìn)給量，從而控制燒成帶的溫度。12只溫度傳感器與1

2、2個噴嘴一一對應(yīng)。 關(guān)鍵詞： MSP430F149單片機(jī)、熱電偶，變送器、大林算法、I2C總線、多路開關(guān).一.總體方案設(shè)計 1.對象的工藝過程 陶瓷隧道窯爐是由預(yù)熱帶、燒成帶和冷卻帶三個部分組成，瓷件燒成溫度在1320左右，窯內(nèi)溫度場主要由燒成帶12對噴嘴燃冷煤氣產(chǎn)生，窯爐系統(tǒng)用8組風(fēng)機(jī)來調(diào)節(jié)窯內(nèi)的壓力場。排煙風(fēng)、助燃風(fēng)將直接影響燒成帶的溫度場，急冷風(fēng)會影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。溫度控制系統(tǒng)將采集的各點溫度值，經(jīng)/轉(zhuǎn)換后與設(shè)定值進(jìn)行比較，控制器輸出經(jīng)由/變換，變成 420mA形式模擬量輸出給電動執(zhí)行器，驅(qū)動蝶形閥調(diào)節(jié)噴嘴的煤氣進(jìn)給量，從而控制燒成帶的溫度。12只溫度傳感器與12個噴嘴一一對應(yīng)。 窯溫

3、控制示意圖2.對象分析 被控過程傳遞函數(shù)是一個大的延遲環(huán)節(jié)，而且溫度的控制對系統(tǒng)的輸出超調(diào)量有嚴(yán)格的限制，用最少拍無紋波數(shù)字控制器的設(shè)計，和PID算法效果欠佳，所以本設(shè)計采用大林算法設(shè)計數(shù)字控制器。3.控制系統(tǒng)設(shè)計要求 窯溫控制在1320±10范圍內(nèi)。微機(jī)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(jī)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。二、硬件的設(shè)計和實現(xiàn)1.選擇計算機(jī)機(jī)型和系統(tǒng)總線本系統(tǒng)控制的回路12個，所以只需要一片微控制器即可實現(xiàn)，本設(shè)計采用TI公司的MSP430系列單片機(jī)，MSP430 系列是一

4、個 16 位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī)，有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅(qū)動下指令周期為 125 ns 。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。采用的是 1.83.6V 電壓。MSP430 系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗（ WDT ）、模擬比較器 A 、定時器 A （ Timer_A ）、定時器 B （ Timer_B ）、串口 0 、 1 （ USART0 、 1 ）、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、 10 位 /12 位 ADC 、 I 2 C 總線直接數(shù)據(jù)存?。?DMA ）、端口 O （ P0 ）、端口 16 （ P1P6 ）、基本定時器（ B

5、asic Timer ）等的一些外圍模塊的不同組合。16 位定時器（ Timer_A 和 Timer_B ）具有捕獲 / 比較功能，大量的捕獲 / 比較寄存器，可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、 PWM 等；具有較多的 I/O 端口，最多達(dá) 6*8 條 I/O 口線； P0 、 P1 、 P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入； A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá) 200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；硬件 I 2 C 串行總線接口實現(xiàn)存儲器串行擴(kuò)展； 2.設(shè)計支持計算機(jī)工作的外圍電路（EPROM、RAM、鍵盤、顯示、通信端口等）本設(shè)計采用MSP149作為主控芯片，內(nèi)有2K的RA

6、M和60K的 FLASH在程序運行中已經(jīng)足夠了不需擴(kuò)展RAM了，擴(kuò)展一片AT24C128(EPROM) 以保存一些斷電時的RAM的值和一些報警信息值以便查詢，AT24C128采用I 2 C總線進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)方便且占用端口少，可用MSP149的I/O端口的一位即可實現(xiàn)。鍵盤采用非編碼鍵盤，設(shè)計5個按鍵，其中一個+鍵,一個-鍵，用于設(shè)定數(shù)據(jù)時的數(shù)據(jù)值 的加和減 ，一個菜單鍵按一下進(jìn)入設(shè)定模式，用+鍵 -鍵 查找需要設(shè)定的模式選項(模式有設(shè)定手自動控制，設(shè)定報警限度，)，還有一個確定鍵，確定鍵按下后系統(tǒng)將按照設(shè)定值運行，和一個顯示切換按鍵，以顯示不同組的溫度值。顯示部分采用數(shù)碼管顯示，采用兩片4級聯(lián)的

7、共陽極數(shù)碼管實現(xiàn)，用以顯示溫度值 ，通信端口采用單片機(jī)內(nèi)部的串行異步通信模塊用RS485標(biāo)準(zhǔn)通信，實現(xiàn)下位機(jī)到上位機(jī)的通信，以使數(shù)據(jù)傳入計算機(jī)，通過計算機(jī)可實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。3.設(shè)計輸入輸出通道（溫度測量、控制輸出電路等）；陶瓷隧道窯爐中溫度通過熱電偶傳感器變換為微弱電壓信號再經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換為1-5v電壓信號，送單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)msp430f149內(nèi)部有一個帶有采樣保持器8通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器，由于本設(shè)計中有12個通道的值要送A/D轉(zhuǎn)換，所以需外接多路開關(guān)，多路開關(guān)選用16通道的CD4067，分時地將12組模擬量送A/D轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，輸出通道有12組輸出，單片機(jī)

8、數(shù)據(jù)處理后送出數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器DAC8830芯片，轉(zhuǎn)換為模擬量再經(jīng)過16通道的CD4067多路分配器輸出經(jīng)變送器變?yōu)?-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號再通過電動調(diào)節(jié)閥來控制閥位的開度，以達(dá)到控制溫度的目的。4.所選用傳感器、變送器及執(zhí)行器的類型、型號及量程范圍4.1傳感器部分采用標(biāo)準(zhǔn)化把B型熱電偶鉑銠30-鉑銠6測量溫度。該元件長期最高使用溫度為1600，短期使用最高溫度為1800。具有準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，測溫范圍寬，使用權(quán)用壽命長等優(yōu)點，適用于氧化性和惰性氣氛中，也可短期用于真空中，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸氣中。能用做工業(yè)測溫元件，且此元件線形較好。等級3，允許偏差±0.5%

9、 * t，符合控制精度的要求，同時也滿足長期測量1310-1330的要求。4.2變送器部分由于熱電偶輸出毫伏信號所以需要變送器將其轉(zhuǎn)換為1-5v標(biāo)準(zhǔn)電壓信號送A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)化，本設(shè)計選用產(chǎn)品型號為: XPZX溫度變送器主要特點 ：1. 二線制傳送。信號轉(zhuǎn)換器供電的兩根導(dǎo)線同時也傳送輸出信號。 2. 輸出恒流信號（420mA）?？垢蓴_能力強(qiáng)、遠(yuǎn)傳性能好。 3. 信號轉(zhuǎn)換器用環(huán)氧樹脂封裝成模塊，具有抗震動、耐腐蝕、防潮濕等優(yōu)點，可用于條件較差的場所。 4. 熱電偶的毫伏信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)換器直接轉(zhuǎn)換成420mA電流輸出、用普通電纜線傳送信號，可省去價格昂貴的補(bǔ)償導(dǎo)線。 5. 帶現(xiàn)場顯示的溫度變送器既輸出4

10、20mA的電流信號，又能在測溫現(xiàn)場讀到實測溫度，給操作人員帶來很大方便。 供電電壓：1330V，DC 負(fù)載電阻：0850， 輸出信號：420mA ，基本誤差：±0.2%，±0.5%當(dāng)負(fù)載電阻為250歐姆時輸出1-5伏電壓信號4.3電動調(diào)節(jié)閥選用3610系列電子式電動調(diào)節(jié)閥其主要特點：1.伺服控制器和執(zhí)行器合二為一，集機(jī)電于一體，控制精度高，可構(gòu)成高品質(zhì)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。2.伺服控制器功能多，高度集成化，可靠性高，操作簡便。3.具有選擇功能： 控制信號：DCO10mA/DC420mA.動作方向：正作用/反作用。 4.位置檢測采用高可靠性器件，并有間隙補(bǔ)償裝置，通過發(fā)送器可輸出DCO

11、-10MA、DC4-20MA閥位信號。具有自診斷及處理和指示功能。 5.具有狀態(tài)設(shè)定功能，斷信號后自動進(jìn)入設(shè)定狀態(tài)（開啟、保持原位、關(guān)閉）。 6.在運行過程中，遇到斷電，具有自鎖功能，保持其原位。 7.行程零位及滿位、死區(qū)、反饋零位及滿位調(diào)整方便。 型號量程范圍傳感器 鉑銠30-鉑銠6溫度0-1800變送器XPZX 變送器輸出4mA20mA 執(zhí)行器3610系列 輸入4mA20mA三數(shù)字控制器的設(shè)計 被控過程傳遞函數(shù)： 是一個大的延遲環(huán)節(jié)，而且溫度的控制對系統(tǒng)的輸出超調(diào)量有嚴(yán)格的限制，用最少拍無紋波數(shù)字控制器的設(shè)計，和PID算法效果欠佳，所以本設(shè)計采用大林算法設(shè)計數(shù)字控制器。 大林算法的設(shè)計目標(biāo)

12、是設(shè)計一個合適的數(shù)字控制器，使整個閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即：通常認(rèn)為對象與一個零階保持器相串聯(lián)，相對應(yīng)的整個閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)是： 由于三階大林算法太復(fù)雜，而且實際生產(chǎn)中的傳遞函數(shù)也不一定是三階，所以本設(shè)計將傳遞函數(shù)簡化為一階慣性環(huán)節(jié)，取T=10s,N=4連同零階保持器在內(nèi)的系統(tǒng)廣義被控對象的傳遞函數(shù)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)數(shù)字控制器：由于選取系統(tǒng)時間常數(shù)大于被控對象的時間常數(shù)所以不會產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。離散后數(shù)字控制器為：其中：K1= K2= 最終得：U（K）= 0.128e（K）0.086e（K1）+0.905U（K1）+0.095 U（K5）四軟件的設(shè)計 1.系統(tǒng)程

13、序框圖 2.數(shù)字調(diào)節(jié)器軟件模塊float Dalin(float M,floatR) int i; float u; /用于返回輸出值 float e2=0; /定義數(shù)組用于存放偏差e(k)和輸出u(k) float u5=0; e0=R-M; /本次偏差 u0=0.128e0-0.086e1+0.905u1+0.0095u4; u=u0; e1=e0; for(i=0;i<4;i+) /將最后面的輸出賦以新值 ui+1=ui; return(u) /返回控制量3.A/D及 D/A轉(zhuǎn)換器處理程序模塊A/D轉(zhuǎn)換程序：void main(void) WDTCTL = WDTPW + WDTH

14、OLD; / 關(guān)閉WDT ADC12CTL0 = SHT0_2 + ADC12ON; / 設(shè)置采樣時間, 打開ADC12 ADC12CTL1 = SHP; / 使能采樣保持器 ADC12IE = 0x01; / 中斷使能 ADC12CTL0 |= ENC; / 轉(zhuǎn)換使能 P6SEL |= 0x01; / P6.0 ADC 作為輸入通道t P3DIR |= 0x02; / P3.1 設(shè)為輸出 for (;) ADC12CTL0 |= ADC12SC; / 采集開始 _BIS_SR(CPUOFF + GIE); / 進(jìn)入低功耗, 等待轉(zhuǎn)化完畢 i#pragma vector=ADC_VECTOR

15、/ ADC12中斷處理程序_interrupt void ADC12_ISR (void)P3OUT |= ADC12MEM0 ; / P3.1輸出轉(zhuǎn)換值 D/A轉(zhuǎn)換程序：void convert (int nValue) unsigned char hi_byte;unsigned char lo_byte;/取出高字節(jié)hi_byte = (char)(nValue >> 8);/取出低字節(jié)lo_byte = (char)(nValue & 0x0ff);/選通DAC8830CS_Enable();/等待傳輸完成 while (IFG1 & UTXIFG0) =

16、0) ;/發(fā)送數(shù)據(jù) U0TXBUF = lo_byte;/等待傳輸完成 while (IFG1 & UTXIFG0) = 0) ;/發(fā)送數(shù)據(jù) U0TXBUF = hi_byte;/不選通DAC8830CS_Disable(); return ;4.數(shù)字濾波程序模塊由于溫度量變化緩慢所以采用中值濾波效果較好下面為中值濾波程序N值可根據(jù)實際情況調(diào)整，排序采用冒泡法#define N 11char filter() char value_bufN; char count,i,j,temp; for ( count=0;count<N;count+) value_bufcount = g

17、et_ad(); delay(); for (j=0;j<N-1;j+) for (i=0;i<N-j;i+) if ( value_bufi>value_bufi+1 ) temp = value_bufi; value_bufi = value_bufi+1; value_bufi+1 = temp; return value_buf(N-1)/2; 5.輸出控制程序模塊void DataOut(unsigned char nValue) int i; int j; for(i = 0;i < 8;i+) if (nValue & 0x01) = 1) P1

18、OUT |= BIT0;/輸出高電平 else P1OUT &= (BIT0);/輸出低電平 SHCLK_Hi();/時鐘高電平，上升沿有效 for(j = 10; j > 0; j-) ;/延遲一點時間 SHCLK_Lo();/時鐘低電平 for(j = 10; j > 0; j-) ; nValue >>= 1; return;void main(void) unsigned char nValue;/初始化時鐘 Init_CLK();/端口初始化 Init_Port(); /清除鎖存信號 STCLK_Lo()/輸出0 nValue = 0; DataOut

19、(segnValue);/輸出2 nValue = 2; DataOut(segnValue);/顯示上面的8位數(shù)據(jù) STCLK_Hi(); return;6.按鍵程序模塊程序:unsigned char key(void) unsigned char x=0xff; P1DIR=0X0F; P1OUT=0X01; /掃描第一行 if(P1IN&0X70)=0X10) x=0; else if(P1IN&0X70)=0X20) x=1; else if(P1IN&0X70)=0x40) x=2; else P1OUT=0X2; /掃描第二行 if(P1IN&0X

20、70)=0X10) x=3; else if(P1IN&0X70)=0X20) x=4; else if(P1IN&0X70)=0x40) x=5; else P1OUT=0X4; /掃描第三行 if(P1IN&0X70)=0X10) x=6; else if(P1IN&0X70)=0X20) x=7; else if(P1IN&0X70)=0x40) x=8; else P1OUT=8; /掃描第四行 if(P1IN&0X70)=0X10) x=9; else if(P1IN&0X70)=0X20) x=10; else if(P1IN&0X70)=0x40) x=11; return(x); 7.報警程序模塊程序:void alarm() P3DIR=0X0F; if(out>outmax) P3OUT=0X7F; /高于上限值時p3.7輸出低電平 out=0; /同時將輸出置0 if(out<outmin) P3OUT=0Xbf; /低于下限值時p3.6輸出低電平 8.I2C模塊程序：bit shout(uchar write_data) / 從MCU移出數(shù)據(jù)到AT24C128 uchar i; bit ack_bit; for(i = 0; i