基于PID算法的烤煙房溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 圖文-

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 課程設(shè)計(jì)(論文題目: 基于PID算法的烤煙房溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院(系: 電氣工程學(xué)院 課程設(shè)計(jì)(論文任務(wù)及評語院(系:電氣工程學(xué)院 教研室:自動(dòng)化教研室 注:成績:平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算課程設(shè)計(jì)(論文題目基于PID 算法的烤煙房溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)(論文任務(wù)課題完成的功能、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求、技術(shù)參數(shù) 實(shí)現(xiàn)功能烤煙爐的溫度影響烤煙的質(zhì)量,本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為控制器,設(shè)計(jì)相應(yīng)的輸入輸出通道,采用常規(guī)的PID 算法,對烤煙爐的溫濕度加以控制,能達(dá)到期望的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。 兩位LED 動(dòng)態(tài)顯示溫濕度值。 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 1、確定系統(tǒng)

2、設(shè)計(jì)方案,包括單片機(jī)的選擇,輸入輸出通道,鍵盤顯示電路; 2、建立被控對象的數(shù)學(xué)模型; 3、設(shè)計(jì)PID 算法的程序流程圖,給出程序清單; 4、仿真研究,驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果;5、撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書一份;設(shè)計(jì)說明書應(yīng)在4000字以上。技術(shù)參數(shù)溫度070;濕度小于2%RH進(jìn)度計(jì)劃1、 布置任務(wù),查閱資料,確定系統(tǒng)方案(1天2、 系統(tǒng)功能分析(1天3、 系統(tǒng)建模(1天4、 算法推導(dǎo),程序設(shè)計(jì)(2天5、 仿真分析與研究(2天6、 撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書(2天7、 答辯(1天 指導(dǎo)教師評語及成績平時(shí): 論文質(zhì)量: 答辯: 總成績: 指導(dǎo)教師簽字: 年 月 日 摘要我國是煙葉生產(chǎn)大國,年平均產(chǎn)量占全世界的三分之一

3、。中國所產(chǎn)煙葉以烤煙最為主要,占總產(chǎn)量的93%,我國目前每年的煙葉種植面積為二千多萬畝,有烤煙房幾百萬座。為保質(zhì)量地抓好煙葉種植、生產(chǎn),除煙種、土壤、水利、防蟲防害外,烤煙是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。俗話說,種煙容易烤煙難,烤煙技術(shù)一直困擾著廣大煙民。介紹了基于PID控制算法,單片機(jī)89C51的烤煙房溫濕度設(shè)計(jì),整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)調(diào)理、單片機(jī)和控制部分組成。引入了溫度傳感器AD590和濕度傳感器HS1101在烤煙方面的運(yùn)用,采用該系統(tǒng)準(zhǔn)確地檢測烤煙房內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù),PID控制算法有效地控制烤煙房內(nèi)的溫濕度,提高了烤煙房內(nèi)的控制水平和煙葉的烘烤質(zhì)量,從而增加了煙農(nóng)的收入。關(guān)鍵詞:烤煙房;溫濕度;PI

4、D算法;單片機(jī) 目錄第1章 緒論 (1第2章 課程設(shè)計(jì)的方案 (22.1概述 (22.2系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) (3第3章 主要器件及硬件電路設(shè)計(jì) (43.1單片機(jī) (43.2溫度傳感器AD590 (43.3濕度傳感器HS1101 (53.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 (63.5鍵盤電路設(shè)計(jì) (63.6LED顯示電路 (7第4章 軟件設(shè)計(jì) (94.1主程序設(shè)計(jì) (94.2控制算法程序 (104.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 (114.4系統(tǒng)控制算法原理及實(shí)現(xiàn)思想 (11第5章 系統(tǒng)測試與分析 (13第6章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) (14參考文獻(xiàn) (15 第1章緒論目前煙草行業(yè)在世界各國的經(jīng)濟(jì)中都占有非常重要的地位,其稅收是各國政府財(cái)

5、政收入的重要來源之一。提高煙葉質(zhì)量的主要途徑除了煙葉品種優(yōu)良化,就是烘烤的科學(xué)化。而在烤煙過程中,最重要的是控制烤煙房的溫度和濕度,烘烤過程當(dāng)中的溫度會(huì)直接影響煙草的質(zhì)量。文中將會(huì)介紹一套基于89C51的PID算法的溫濕度控制系統(tǒng)。其能夠明顯提高煙草的烘烤質(zhì)量,減輕煙農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度,并且還能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)檢測與控制,產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。煙葉四段式烘烤工藝分為變黃期、凋零期、定色干葉期、干筋期這四個(gè)階段,每個(gè)階段又包含若干個(gè)升溫子階段、恒溫子階段、恒濕子階段。四段式烘烤工藝流程如圖1.1所示。 圖1.1 煙葉烤制各個(gè)階段溫度示意圖煙葉烤制過程中,其熱源為燃煤鍋爐。鍋爐燃燒產(chǎn)生的熱空氣通過空

6、氣熱交換器管道及煙道排出。烤房由通風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫風(fēng)循環(huán),并從空氣熱交換器獲得熱量使風(fēng)溫升高,從而使烤煙房溫度升高并得以保持。溫濕度傳感器測量干球溫度和濕球溫度。溫度控制主要通過風(fēng)門電機(jī)控制,風(fēng)門主要作用為補(bǔ)充新風(fēng)。由于生煙葉含有大量水分,在烘烤過程中會(huì)蒸發(fā)至空氣中,使烤煙房內(nèi)濕度增大,為此,通過補(bǔ)充外部干燥空氣降低濕度。溫度控制主要通過控制鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)量來控制鍋爐燃燒程度,而加煤電機(jī)則控制進(jìn)煤量。 第2章課程設(shè)計(jì)的方案2.1 概述煙葉烘烤是烤煙生產(chǎn)中決定品質(zhì)和產(chǎn)量高低的關(guān)鍵環(huán)節(jié),為了生產(chǎn)出高品質(zhì)的煙草,要求烘烤房的溫度范圍在070,濕度小于2%RH。目前我國烤煙生產(chǎn)在烘烤過程中的供熱排濕主要依靠

7、操作人員的烘烤經(jīng)驗(yàn),認(rèn)為通過火力、天窗、地洞開啟的大小和氣流上升(下降的自然速度控制烤煙房的溫濕度,但存在著操作誤差大、反應(yīng)不靈敏、預(yù)期結(jié)果滯后不足。因此改變過去烘烤中溫度、濕度的人工控制,準(zhǔn)確地控制煙葉烘烤過程,達(dá)到烤煙全過程的只能監(jiān)控是十分必要的。該系統(tǒng)是一種基于PID的煙葉烤房控制系統(tǒng),提高了煙葉烘烤過程的準(zhǔn)確性,解決操作誤差大等不足。如圖2.1烤煙房結(jié)構(gòu)圖。 圖2.1 烤煙房結(jié)構(gòu)圖 2.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)烤煙房控制系統(tǒng)主要由4部分組成:微處理器、溫濕度檢測電路、控制輸出電路。其結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。由溫濕度傳感器檢測烤煙房棚內(nèi)問世度傳送至微處理器,處理器根據(jù)實(shí)際溫濕度與設(shè)定溫濕度比較,

8、經(jīng)PID 預(yù)算得到相應(yīng)的輸出量,由步進(jìn)電機(jī)A 控制控火門的開度,來控制溫度;由步進(jìn)電機(jī)B 控制風(fēng)門的開度,來控制濕度。烤煙房的溫濕度分別以數(shù)字的方式顯示在液晶屏上,以便工作人員了解溫度、濕度值。圖2.2 烤煙房控制系統(tǒng)電路采用了單片機(jī)89C51為最小系統(tǒng),溫度檢測采用了電流輸出型單片集成兩端感溫傳感器AD590,濕度檢測采用的是側(cè)面接觸封裝的電容是集成溫度傳感器HS1101。控制電路采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)來控制控火門及風(fēng)門的開度,達(dá)到溫度與濕度的調(diào)節(jié)。另外采用了LED 顯示電路顯示溫度濕度,鍵盤電路控制系統(tǒng)的運(yùn)行停止等。LED 顯示電路棚內(nèi)溫度傳感器 微 處 理 器棚內(nèi)濕度傳感器 鍵盤

9、電路驅(qū) 動(dòng) 電 路步進(jìn)電機(jī)A步進(jìn)電機(jī)B 控火門風(fēng)門 第3章主要器件及硬件電路設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)通過比較,選用MCS-51的89C51來構(gòu)成系統(tǒng)。該芯片是由北京集成電路設(shè)計(jì)中心推出的8位CMOS單片機(jī),具有4KB的EEPROM,使用高密度、非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造。另外還具有256KB片內(nèi)RAM,3個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器,6個(gè)中斷源,無需進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展可滿足任務(wù)要求,能較大幅度提高系統(tǒng)的性價(jià)比。該芯片的最大特點(diǎn)就是片內(nèi)的4KB程序存儲(chǔ)器可在線用編程器。 圖3.1 單片機(jī)89C51最小系統(tǒng)3.2 溫度傳感器AD590對于烤煙房內(nèi)部溫度的檢測,系統(tǒng)采用美國模擬器件公司生產(chǎn)的電流輸出型單片集成兩端感溫傳感器AD590,

10、該傳感器利用PN結(jié)構(gòu)正向電流與溫度的關(guān)系制成,測溫范圍為55+150。AD590溫度傳感器具有良好的線性和互換性,不但實(shí)現(xiàn)了溫度轉(zhuǎn)換為線性化電量測量,而且具有消除電源波動(dòng)的特性、精確度高、互換性好、應(yīng)用簡單方便。因此,可把輸出的電信號(hào)經(jīng)A/D卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信 號(hào),有計(jì)算機(jī)采集vi-t的數(shù)據(jù),以發(fā)揮其實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的特點(diǎn)。另外,該器件價(jià)格比較低廉,也完全能滿足煙葉烘烤各個(gè)階段的需要。 圖3.2 溫度傳感器AD5903.3 濕度傳感器HS1101烤煙房內(nèi)部濕度的檢測,系統(tǒng)采用的是側(cè)面接觸封裝的電容是集成溫度傳感器HS1101。其測試濕度范圍是0%RH100%RH,電容量有162pF變到200pF,其誤差

11、不大于±2%RH,響應(yīng)時(shí)間小于5s,溫度系數(shù)為0.04pF/。可見精度是較高的。HS1101電容傳感器在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件,其電容量隨著所測的空氣濕度的增大而增大。該器件具有不需要校準(zhǔn)的完全互換性、高度可靠性、長期穩(wěn)定性、快速響應(yīng)和專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu),適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路。 圖3.3 濕度傳感器HS1101 3.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路溫度控制主要通過步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)控火門和風(fēng)門的開度實(shí)現(xiàn),該系統(tǒng)選用了常州寶來公司的4相步進(jìn)電機(jī),并使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器ULN2003A,連接電路如圖2.3所示。ULN2003A是集成林頓管IC,內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢的二極

12、管,可用來驅(qū)動(dòng)繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅(qū)動(dòng)電壓為50V、電流為500mA、輸入電壓為5V,適用于TTL、CMOS電路等由達(dá)林頓管組成的驅(qū)動(dòng)電路。它的輸出端允許通過電流為200mA,飽和壓降V_CE約為1V,而集電極與發(fā)射極的最高反向耐壓V_(CEO(BR約為36V。用戶輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出,輸出電流大,故可直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器,也可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN2003A時(shí),上拉2k的電阻較為合適,同時(shí),COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。ULN2003A是一個(gè)非門電路,包含7個(gè)單元,但每個(gè)單元驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)350mA。下面有

13、引用電路圖,9引腳可以懸空。比如1腳輸入,16腳輸出,負(fù)載可以接在VCC與16腳間,不用9腳。 圖3.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.5鍵盤電路設(shè)計(jì)鍵盤電路設(shè)計(jì)包括S1溫濕度選擇,溫度增加S2和溫度減小S3。如圖3.6所示。 圖3.5鍵盤電路設(shè)計(jì)3.6 LED顯示電路LED的驅(qū)動(dòng)采用集電極開路輸出8為驅(qū)動(dòng)器8717。并采用動(dòng)態(tài)顯示、軟件譯碼的工作方式。顯示電路如圖3.7所示。 圖3.5 LED顯示電路設(shè)計(jì) 第4章 軟件設(shè)計(jì)4.1 主程序設(shè)計(jì)主程序設(shè)計(jì)總體采用循環(huán)結(jié)構(gòu),主要包含以下幾個(gè)模塊:系統(tǒng)初始化、中斷模塊、鍵盤模塊、數(shù)據(jù)采樣、模糊PID 算法模塊和控制量輸出模塊。系統(tǒng)初始化主要完成單片機(jī)初始化、L

14、ED 顯示初始化和系統(tǒng)外設(shè)檢測等;鍵盤模塊主要完成鍵盤掃描、系統(tǒng)設(shè)置和工藝設(shè)置等;中斷模塊指定時(shí)器中斷,中斷程序設(shè)置主要輸入輸出量標(biāo)志,如溫度濕度檢測、步進(jìn)電機(jī)控制、循環(huán)風(fēng)機(jī)控制等,被設(shè)置的標(biāo)志在主循環(huán)中調(diào)用子程序執(zhí)行。主程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1 主程序流程執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出結(jié)束報(bào)警烘烤完成?開 始系統(tǒng)初始化鍵盤掃描子程序數(shù)據(jù)采樣及顯示PID 運(yùn)算是否 4.2 控制算法程序(1獲取系統(tǒng)初始PID 參數(shù) (2運(yùn)用模糊控制理論調(diào)節(jié)PID 參數(shù) (3通過PID 算式計(jì)算控制量輸出采用繼電整定方法獲取系統(tǒng)初始PID 參數(shù),通過試驗(yàn)和專家經(jīng)驗(yàn)獲得模糊控制表,同時(shí)采用積分分離算法避免了積分飽和問題。如

15、圖所示PID 算法流程圖。圖4.2 PID 算法程序流程PID 運(yùn)算計(jì)算當(dāng)前 、 、限幅輸出控制值u(kPID 入口取采樣當(dāng)前值計(jì)算e (k , ( e (k , ( 模糊化查表得 、 、u (k 1=u (k ,e (k 1=e(k返回 控制模糊PID算法流程圖如圖4.2所示。e(k、e(k1分別為當(dāng)前誤差和上次采樣樣誤差e(k=r(ky(k, ( =e(ke(k1,其中y(k是當(dāng)前溫度采樣值,r(k為當(dāng)前溫度設(shè)定值, (k為當(dāng)前誤差變化率,u(k是此次PID運(yùn)算結(jié)果, 、 、 分別為修正后的PID控制比例、積分和微分系數(shù)。4.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求主設(shè)計(jì)要求:能檢測并顯示煙葉烤房內(nèi)的溫度和濕度,烤

16、煙房內(nèi)溫度控制在070,濕度要求小于2%RH;系統(tǒng)具有專家工藝儲(chǔ)存功能,控制科根據(jù)專家曲線自動(dòng)運(yùn)行,也可以人工設(shè)定運(yùn)行;系統(tǒng)能根據(jù)溫濕度控制要求只能啟停循環(huán)風(fēng)機(jī)和風(fēng)門;采用單片機(jī)控制器,設(shè)計(jì)相應(yīng)的輸入輸出通道,采用模糊PID算法,兩位LED動(dòng)態(tài)顯示溫濕度值。系統(tǒng)穩(wěn)定,能適應(yīng)較大程度的電網(wǎng)電壓波動(dòng),操作簡便,易于使用。4.4系統(tǒng)控制算法原理及實(shí)現(xiàn)思想由于烤煙房是典型的大延遲,非線性系統(tǒng),一般的PID控制不能達(dá)到溫濕度控制要求,該系統(tǒng)采用了模糊控制與PID形結(jié)合的模糊PID控制算法,該算法是一種在常規(guī)PID調(diào)節(jié)器及其繼電整定的基礎(chǔ)上,應(yīng)用模糊集合理論,根據(jù)控制偏差e和偏差變化率 ,在線自動(dòng)整定比例

17、系數(shù)K P、積分系數(shù)K I和微分系數(shù)K D(PID的復(fù)合控制器,其結(jié)構(gòu)如圖4.3。 圖4.3 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)該控制器由基本PID控制器、繼電器環(huán)節(jié)和校正PID參數(shù)的模糊控制器3部分組成。PID控制器完成控制算法,計(jì)算出輸出控制量;繼電環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)PID控制本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 第5章 系統(tǒng)測試與分析 Simulink 模型的建立圖 5.1 圖 5.1 Simulink 模型 子系統(tǒng)如圖 5-2 圖 5.2 子系統(tǒng) Simulink 模型 得到仿真結(jié)果 圖 5.3 仿真結(jié)果 13 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 第6章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 該系統(tǒng)基于 PID 控制算法， 單片機(jī) 89C51 的烤煙房溫濕度微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟 硬件設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)調(diào)理、單片機(jī)和控制部分組成。引入了溫 度傳感器 AD590 和濕度傳感器 HS1101 在烤煙方面的運(yùn)用，采用該系統(tǒng)準(zhǔn)確地檢 測烤煙房內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)具有自適應(yīng)只能控制能力，解決了普通控制算 法在烤煙房溫濕度控制中的缺陷，提高了煙葉烤房溫濕度的控制精度。顯示屏的 使用，是的工作人員對整個(gè)烘