基于單片機對精餾塔的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計說明

1、課程設(shè)計說明書題目：基于單片機對精餾塔溫度的控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué) 院： 大學(xué)明德學(xué)院 專 業(yè)： 機械 設(shè)計 與制造 班 級： 機 電091 學(xué) 號： 8 學(xué)生： 政 坤 指導(dǎo)教師： 王 許 2012年 7月 5日 20 / 24大學(xué)明德學(xué)院本科課程設(shè)計誠信責(zé)任書本人重聲明：本人所呈交的課程設(shè)計，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所完成。設(shè)計中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點等，均已明確注明出處。特此聲明。論文（設(shè)計）作者簽名： 政坤 日期：2012.07.05課程設(shè)計任務(wù)書 機電系 院系 學(xué) 號8學(xué)生政坤專業(yè)（班級）機電091設(shè)計題目基于單片機對精餾塔溫度的控制系統(tǒng)設(shè)計主要容設(shè)計實時在線檢測反

2、應(yīng)塔測量控制系統(tǒng)1單片機溫度控制系統(tǒng)方案簡介2單片機的部模塊3系統(tǒng)的硬件設(shè)計4系統(tǒng)的軟件設(shè)計設(shè)計要求1：能進行在線檢測； 2：要求采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的控制精度； 3：采用顯示器實時顯示檢測值； 4：但檢測參數(shù)越程時，系統(tǒng)自動報警功能。5：測量誤差為±0.01工作量工作計劃 1：確定設(shè)計思路 2：查閱資料 3：整理規(guī)劃 4：開始設(shè)計 5：設(shè)計完成參考資料 單片機原理與接口技術(shù)清華大學(xué)，段晨東 主編 數(shù)字電路與邏輯設(shè)計 林宏 編著 EAD技術(shù)與應(yīng)用實踐 高有堂 編著 2012年7月 5日 第47題基于單片機對精餾塔的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要精餾法是把混合物中各成分分離出來，并分別達

3、到規(guī)定純度的方法；精餾法是石油，化工等生產(chǎn)過程中最常用的方法。精餾 需要 在 精餾反應(yīng)塔中 進行，反應(yīng)塔中必然會產(chǎn)生溫度，而且溫度很高。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，我們需要 對塔中 溫度進行 嚴格的 監(jiān)測 和 控制。由于溫度很高，為了安全起見，我們需要采用單片機對他們進行遠距離控制，單片機控制不僅具有控制方便，簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。本設(shè)計采用無ROM的8031作為主控制芯片。8031的接口電路有8155、2764。8155用于鍵盤/LED顯示器接口，2764可作為8031的外部ROM存儲器。其中溫度控制電路是通過

4、可控硅調(diào)功器實現(xiàn)的。雙向可控硅管和加熱絲串聯(lián)接在交流220V，50HZ交流試點回路，在給定周期，8031只要改變可控硅管的接通時間便可改變加熱絲功率，以達到調(diào)節(jié)溫度的目的。使用單片機作為核心進行控制。單片機具有集成度高，通用性好，功能強，特別是體積小，重量輕，耗能低，可靠性高，抗干擾能力強和使用方便等獨特優(yōu)點，在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途。本系統(tǒng)所使用的單片機8031有128K的RAM，使溫度控制大為簡便。關(guān)鍵字：溫度控制；接口電路 ；MCS-51單片機8031。第一章 單片機溫度控制系統(tǒng)方案簡介單片機溫度控制系統(tǒng)是以MS-5l單片機為控制核心，輔以采樣反饋電路，驅(qū)動電路，晶閘管主電路對電爐

5、爐溫進行控制的微機控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可表示為:系統(tǒng)采用單閉環(huán)形式，其基本控制原理為:將溫度設(shè)定值(即輸入控制量)和溫度反饋值同時送入控制電路部分，然后經(jīng)過調(diào)節(jié)器運算得到輸出控制量，輸出控制量控制驅(qū)動電路得到控制電壓施加到被控對象上，反應(yīng)塔因此達到一定的溫度。給定值采樣電路輸出溫度被控對象8031控制電路驅(qū)動電路晶閘管主電路圖1.1 控制電路的設(shè)計第二章 單片機單片機是單片微型計算機簡稱，它包括中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器、串行口和I/O等。單片機主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，用來實現(xiàn)對信號的檢測、數(shù)據(jù)的采集以與對應(yīng)用對象的控制。它具有體積小、重

6、量輕、價格低、可靠性高、耗電少和靈活機動等許多優(yōu)點，單片微型計算機(簡稱單片機)是微型計算機的一個重要分支，也是一種非?；钴S和頗具生命力的機種，特別適合用于智能控制系統(tǒng)。2.1 單片機部模塊在本設(shè)計中,從經(jīng)濟上以與性能上考慮，我選用8031作為CPU。8031是MCS51系列單片機的一種型號。MCS-51單片機的類型有：8051、8031、8751等。2.1 MCS-51單片機部結(jié)構(gòu)8031單片機部結(jié)構(gòu)見圖2.1。它其中包含CPU、震蕩器和時序電路、4KB的ROM、256B的RAM、兩個16定時/計數(shù)器T0和T1、4個8位I/O端口（P0、P1、P2、P3）、串行口等組成。其中震蕩時序與時鐘組

7、成定時控制部件。圖2.1 8031單片機的部結(jié)構(gòu)2.2 單片機外總線結(jié)構(gòu)如圖2.2所示,微型計算機大多數(shù)CPU外部都有單獨的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，而MCS51單片機由于受到芯片管腳的限制，數(shù)據(jù)線和地址線（低8位）是復(fù)用的，而且是I/O口兼用。為了將它們分離開來，以便同單片機之外的芯片正確地相連，常常在單片機外部加地址鎖存器來構(gòu)成與一般CPU相類似的三總線。圖2.2三總線圖2.3芯片的擴展設(shè)計71）程序存儲器擴展設(shè)計；(A)程序存儲器簡介常見的EPROM有：2716（容量2K×8位）、2732（容量4K×8位）、2764（容量8K×8位）、27128（容量1

8、6K×8位）、27256（容量32K×8位）、27512（容量64K×8位）。2） 數(shù)據(jù)存儲器設(shè)計由于算法的需要，在存儲器中需要存儲24個從A/D片出來的數(shù)據(jù)，即需要24單元的存儲單元。在8031的部數(shù)據(jù)存儲區(qū)低128字節(jié)RAM中30H7FH共80個存儲單元使用戶RAM區(qū)，完全可以容納下24個數(shù)據(jù)以與其運算過程中的臨時數(shù)據(jù)，故不需要在另外擴展片外數(shù)據(jù)存儲器。我選用的EPROM芯片為2764。連接如圖2.3所示圖2.3 2764與8031連接圖2.4單片機溫控模塊溫度檢測元件和變送器的選擇和被控溫度與精度等級有關(guān)。本設(shè)計采用鎳鉻/鎳鋁熱電偶，此電偶用于01000的溫

9、度測量圍，相應(yīng)的輸出電壓為0mV-41.32mV.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電偶輸出的0-41.32mV變換成0-10mA圍的電流；電流/電壓變送器用于把毫伏變送器輸出的0-10MA電流變換成0-5V圍的電壓。54001000，則熱電偶輸出為16.4mV-41.32mV,毫伏變送器零點遷移后輸出0-10mV圍電流。這樣，采用8位A/D轉(zhuǎn)換器就可以使量化誤差達到正負2.34度以。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計系統(tǒng)控制主電路是由8031與其外圍芯片，與一些輔助的部分構(gòu)成的。系統(tǒng)設(shè)計原理圖如 圖3.1 所示。圖3.1 系統(tǒng)設(shè)計原理圖3.2 8155接口電路

10、圖3.2所示，8155芯片具有256個字節(jié)的RAM，兩個8位、一個16位的可編程I/O口和一個14位計數(shù)器。它與51型單片機接口簡單，是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用的芯片。圖3.2 帶有I/O接口和計時器的靜態(tài)RAM81558155用作鍵盤/LED顯示器接口電路，當(dāng)IO/為高電平時，8155選通片的I/O端口。A,B,C三個口可以作為擴展的I/O口使用，MCS51單片機的PO口與8155的AD0AD7相連。MCS51單片機可以和8155直接連接，不需要任何外加電路，給系統(tǒng)增加了256個字節(jié)的RAM、22位I/O線與一個計數(shù)器。當(dāng)P2.00且P2.1=0時，選中8155的RAM工作；在P2.0=1和

11、P20=0時，8155選中片三個I/O端口。相應(yīng)地址分配為：20000H-00FFH 8155部RAM 0100H 命令/狀態(tài)口 0101H A口 0102H B 口 0103H C 口 0104H 定時器低八位口 0105H 定時器高八位口3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路圖3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路圖ADC0809的IN0上輸入的0V-+5V圍的模擬電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后可由8031通過程序從P0口輸入到它的部RAM單元。首先輸入地址選擇信號，在ALE信號作用下，地址信號被鎖存，產(chǎn)生譯碼信號，選中一路模擬量輸入。然后輸入啟動轉(zhuǎn)換控制信號START啟動轉(zhuǎn)換。3.4 可控硅控制電路8031對溫度的控制是通過可控硅

12、調(diào)控器實現(xiàn)的。如圖3.4所示，圖3.4 可控硅功輸出與通斷時間關(guān)系雙向可控硅管和加熱絲串聯(lián)接在交流220V，50Hz交流試點回路。在給定的周期T，8031只要改變可控硅管的接通時間便可改變加熱絲功率，以達到調(diào)節(jié)溫度的目的。圖3.4示出了可控硅管在給定周期T具有不同接通時間的情況。顯然，可控硅在給定周期T的100%時間接通的功率最大?？煽毓杞油〞r間可以通過可控硅控制板上控制脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由8031用軟件在P1.3引腳上產(chǎn)生，受過零同步脈沖后經(jīng)光偶管和驅(qū)動器輸送到可控硅的控制極上。通常，電阻爐爐溫控制采用偏差控制法?？刂普摳嬖V我們，PID控制的理想方程是： （3.1）式中e測量值與給定值之間

13、的偏差;TD微分時間:T - 積分時間; 3.2KP調(diào)節(jié)器的放大系數(shù).將上式離散化得到數(shù)字PID位置式算法式中在位置式算法的基礎(chǔ)之上得到數(shù)字PID增量式算法： 3.3第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 主程序主程序流程圖如 圖4.1 所示圖4.1 主程序流程圖主程序：ORG 0100HDISM0 DATA 78HDISM1 DATA 79HDISM2 DATA 7AHDISM3 DATA 7BHDISM4 DATA 7CHDISM5 DATA 7DHMOV SP, #50H; 50H送SPCLR 5EH ; 清本次越限標志CLR 5FH ； 清上次越限標志CLR A ； 清累加器AMOV 2FH, A

14、MOV 30H, AMOV 3BH, AMOV 3CH, A清暫存單元MOV 3DH, AMOV 3EH, AMOV 44H, AMOV DISM0, AMOV DISM1, AMOV DISM2, AMOV DISM3, A清顯示緩沖區(qū)MOV DISM4, AMOV DISM5, AMOV TMOD, #56HMOV TL0, #06HMOV TH0, #06HCLR PT0SETB TR0SETB ET0SETB EALOOP ACALL DISPLY ；調(diào)用顯示程序ACALL SCAN ；調(diào)用掃描程序AJMP LOOP ；等待中斷應(yīng)當(dāng)注意：由于T0被設(shè)定為計數(shù)器方式2，初值為06H，故它

15、的溢出中斷時間為250個過零同步脈沖。為了系統(tǒng)正常工作，T1中斷服務(wù)程序的執(zhí)行時間必須滿足T0的制一時間要求，因為T1的中斷是嵌套在T0中斷之中的。4.2 T0中斷服務(wù)程序T0中斷服務(wù)程序是溫度控制系統(tǒng)的主程序，用于啟動A/D轉(zhuǎn)換器，讀如數(shù)據(jù)采樣，數(shù)字濾波，越權(quán)溫度報警和處理，PID計算和輸出可控硅的同步觸發(fā)脈沖等。P1.3引腳上輸出的該同步脈沖寬度由T1計數(shù)器的溢出中斷控制，8031利用等待T1溢出中斷空隙時間完成把本次采樣數(shù)值轉(zhuǎn)換成顯示值而放入顯示緩沖區(qū)和調(diào)用溫度顯示程序，8031從T1中斷服務(wù)程序返回后便可以恢復(fù)現(xiàn)場和返回主程序，以等待下次T0中斷。T0中斷服務(wù)程序框圖如圖4.2所示圖4

16、.2 T0中斷服務(wù)程序流程圖T0中斷服務(wù)程序：ORG 000BH AJMP CT0 CT0： PUSH ACC ；PUSH DPL ；保護現(xiàn)場PUSH DPH ；SETB D5H ； 置標志ACALL SAMPACALL FILTERCJNE A，42H，TPLWL： MOV C，5EHMOV 5FH，CCLR 5EHACALL UPLPOP DPHPOP DPLPOP ACCRETI ；中斷返回TPL： JNC TPL1CLR 5FH ；清上次越限標志CJNE A，43H，MTPLHAT： SETB P1.1 ；若溫度不越限，則綠燈亮ACALL PIDMOV A，2FHCPL A ；INC

17、A ；對PID值求補，作為TL1值NM： SETB P1.3MOV TL1，AMOV TH1,#0FFHSETB PT1SETB TR1 ；啟動T1SETB ET1 ；允許T1中斷ACALL TRASTLOOP: ACALL DISPLY ；顯示溫度 D5H,LOOP ；等待T1中斷POP DPHPOP DPLPOP ACCRETIMTPL: JNC HATSETB P1.0 ；否則，下限聲光報警MOV A,45HCPL AINC AAJMP NMTPL1: SETB 5EHJNB 5FH,WLINC 44H ；越限計數(shù)器加1MOV A,44HCLR CSUBB A,#N ；越限N次嗎？JNZ

18、 WLSETB P1.2CLR 5EHCLR 5FHPOP DPHPOP DPLPOP ACCRETI4.3 采樣子程序采樣子程序SAMP：流程圖如下圖所示， 圖4.3 采樣子程序流程圖NY選同IN0啟動ADC延時A/D完成？所有采樣結(jié)束？返 回N采樣值始址送R0采樣次數(shù)送R2采樣子程序：SAMP: MOV R0,#2CH ；采樣值始址送R0MOV R2,#03HMOV DPTR,#03F8HSAM1: MOVX DPTR,A ；啟動ADC0809工作 MOV R3,#20HDLY: DJNZ R3,DLY ；延時HERE: P3.3,HEREMOVX A,DPTRMOV R0,A ；存放采樣值INC R0DJNC R2,SAM1RET4.4 數(shù)字濾波程序數(shù)字濾波程序FILTER:用于濾去來自控制現(xiàn)場對采樣值的干擾。 本設(shè)計采用中值濾波，程序如下：FILTER: MOV A,2CH CJNE A,2DH,CAMP1AJMP CMP2CMP1: JNC CMP2 XCH A,2DH XCH A,2CHCMP2 MOV A,2DH CJNE A,2EH,CMP3 MOV 2AH,A RETC