染色機專用控制器的設(shè)計(軟件部分)

1、天津工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）第一章 緒論1.1 染色機發(fā)展的現(xiàn)狀現(xiàn)如今，隨著科社會的發(fā)展，科技的進步，服裝制造工業(yè)也在工業(yè)結(jié)構(gòu)中占據(jù)越來越重的比例。染色機，廣泛用作漂白和染色設(shè)備，其研究和發(fā)展也逐漸形成規(guī)模，中國的印染工藝提高染色機的位置，技術(shù)工藝和控制的要求也越來越高。手工染色工藝逐漸被各式的染色機取代，后者在染色行業(yè)里的應用逐漸廣泛。染色過程在生產(chǎn)紡織品中有著重要的作用，紡織印染質(zhì)量的好壞直接決定了成品的顏色、外觀，甚至影響整體的成本。染液濃度、染液位置、染液溫度等是在染色的過程中影響染色的幾個突出的因素，而溫度的控制是繁瑣的過程，并且尤其重要的工序過程。染色過程的控制實際上是一個溫度

2、曲線根據(jù)用于印染產(chǎn)品不同的染色，在加熱和冷卻過程中，嚴格控制到每個進程的關(guān)鍵。在印染中織物產(chǎn)生的缸差、色差、條痕等問題通常是操作過程的不嚴謹所導致，這使得重復印染的比例增加，直接威脅到生產(chǎn)成本的控制問題。由此可見溫度影響著操作過程中所經(jīng)歷的變化，它控是印染過程中需要被控制的關(guān)鍵因素，所以溫度常常是重要參數(shù)。不同的工藝生產(chǎn)由于采取的加熱方式及燃料配比都不一樣，所以控制情況也不一樣。染色過程通常包括三個階段。第一個是加熱，蒸汽加熱方式；接著是降溫階段，它通常用水冷卻水的方法；再有就是保溫過程。加入燃料和助劑的時間點有兩個，其一是升溫時候，溫度到了固定的某一個溫度而保溫的時刻。其二是溫度降低到某一刻

3、度而校正浴比時。目前染色機發(fā)展的大方向是設(shè)計出數(shù)字化和智能化的設(shè)備來，并且能夠提升安全性，降低能耗。這種需求隨著工藝的突飛猛進越發(fā)明顯。基于這些原因，對染色機專用控制器的研究顯得十分的必要。1.2染色機發(fā)展的趨勢如今，發(fā)達國家的染色機已經(jīng)有了良好的工藝加工范圍和工藝適應性，已經(jīng)可以做到進出布料之間的如精煉、漂白、水洗及染色等操作過程，一臺機器的功能多用已經(jīng)實現(xiàn)。市場的需求是推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的原動力，從全世界整體發(fā)展水平來看，對染色機的需求愈發(fā)強烈，在這樣的背景下，相關(guān)的技術(shù)研發(fā)成為了成為了業(yè)內(nèi)關(guān)注的重心。根據(jù)相關(guān)的文獻，染色機的技術(shù)進展可以理解如下：進入新世紀的前幾年，國內(nèi)染色機行業(yè)的規(guī)模一直保持

4、增長狀態(tài)，到2009年趨于穩(wěn)定。至今，行業(yè)內(nèi)的企業(yè)逐漸從擴大染色機規(guī)模向染色機的技術(shù)研制轉(zhuǎn)型，創(chuàng)新型企業(yè)越來越多。染色機領(lǐng)域權(quán)威的技術(shù)已經(jīng)被國內(nèi)越來越多的企業(yè)掌握，他們?yōu)橛行枨蟮挠脩籼峁┝烁鞣矫娴闹С?，這些技術(shù)信息對行業(yè)整體的發(fā)展有明顯的促進作用，信息對稱了，對企業(yè)了解產(chǎn)品發(fā)展狀況也有很多幫助。對比國內(nèi)市場的快發(fā)展，大部分印染生產(chǎn)還以傳統(tǒng)的方式進行，如升降溫用儀表控制，前后端的處理還是人工進行。作為印染行業(yè)的主要力量，染色機具有明顯的缺陷，如過程控制的標準不嚴格，質(zhì)量控制不夠精確，和能量消耗比較大。 目前，模擬型PID調(diào)節(jié)方式的溫度控制被大多數(shù)企業(yè)采用，但這種方式有溫波大和低合格率的缺點。因此

5、，單一的算法并不能滿足用戶的需求，通過時間控制，結(jié)合PID算法和預測控制算法能夠保證溫度控制精度和運行可靠性。這樣做使產(chǎn)品更小巧更智能同時功能完善，進而提升染色質(zhì)量。不僅降低了生產(chǎn)成本，同時簡化了設(shè)計工藝。印染中有以下特點和染色的生產(chǎn)要求：電磁干擾小，環(huán)境溫度合適，溫度小偏差。專用控制器的出現(xiàn)能夠簡化染色過程中的各種工序，降低對溫度把控的難度，這種控制器由微電腦控制，便捷易用，這種先進的電子控制技術(shù)能夠自行根據(jù)實際需求進行相關(guān)的調(diào)節(jié)，降低了能源與運營費用的消耗。為了滿足用戶的需求并解決市場對于染色機專用控制器的需要，為實現(xiàn)對染色機染缸溫度進行操控，本設(shè)計將許多微控技術(shù)進行了綜合運用。1.3染色

6、機專用控制器設(shè)計的意義 目前，我們國家大多數(shù)生產(chǎn)廠家應用模擬性PID調(diào)節(jié)的溫控儀表，但是，這種溫控儀表的弊端在于溫度上下波動十分大，導致產(chǎn)品的合格率低。在我們現(xiàn)今的生產(chǎn)生活中，傳統(tǒng)的控制算法十分單一，很難滿足我們的控制需要，我們采用講PID算法和預測控制算法結(jié)合的方法，來保證溫度控制的精確度，控制的效率以及可靠性，采用分時段進行控制。本次設(shè)計以STC89C52為核心，設(shè)計的系統(tǒng)包括：微處理器、溫度采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、溫度控制模塊、報警模塊以及鍵盤顯示模塊等等。該系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能是：利用電阻測溫，對染色機實現(xiàn)溫度控制以及將溫度顯示在屏幕上，當溫度超過一定界限時會產(chǎn)生報警，本次設(shè)計具有針對于

7、染色機的專用控制功能。第二章 相關(guān)技術(shù)及理論分析2.1溫度測試技術(shù)溫度是普遍的實際應用中會遇到的衡量標準，不僅工業(yè)生產(chǎn)中需要對溫度的把控，而且許多精密的電子儀器本身也有溫度的限定，可見溫度測試使用很廣。本次設(shè)計的染色機專用控制器也對溫度測量有較大的需求。溫度傳感器通常在科學研究和工業(yè)生產(chǎn)兩個方面都有著很普遍的使用，它連接著應用系統(tǒng)與我們的現(xiàn)實環(huán)境。接下來將對不同的溫度傳感及簡要描述：（1）熱敏電阻器 熱敏電阻器分為正溫度的電阻器和負溫度電阻器。在電路中，熱敏電阻采用的是串聯(lián)分壓的連接方式，導致相連節(jié)點的電壓值會隨阻值變化而變化。而精度則有電壓參考精度和熱敏電阻誤差決定。熱敏電阻器的溫度和阻值的

8、變換不是嚴格的線性關(guān)系，所以元件達不到高度的統(tǒng)一性，使得更換的成本和器件的老化程度都比較高，但其最主要的缺點是不符合測溫范圍。（2）熱電偶和熱電阻熱電偶是溫度測量設(shè)備中使用的溫度測量器，當應用在不同的溫度環(huán)境中，它會產(chǎn)生熱量和內(nèi)部電流環(huán)路。如果熱電偶參考端溫度的溫差和工作端差存在，顯示器將顯示相應的熱電偶產(chǎn)生的熱電溫度值。熱電偶的熱電動勢規(guī)模跟電極的長度和直徑?jīng)]有關(guān)系，只隨測量的溫度而變化，也只與材料兩端的溫度相關(guān)。熱電偶往往因需求不同而形狀各異，但基本的結(jié)構(gòu)大體是想死的，熱電極是其主要部分，也包括絕緣保護裝置和顯示儀表等配套的監(jiān)控設(shè)施。兩種不同的金屬材料結(jié)合而成的熱電偶，在熱的作用下會有細微

9、的電壓波動，這種電壓與組成的金屬材質(zhì)息息相關(guān)。鉑熱電阻被廣泛的應用在很多測溫場合，通常作為標準溫度計，是有著良好性價比的熱電阻。通常選擇熱電阻的溫度段是-200到800。而高溫段的測量因溫度的關(guān)系通常選擇熱電偶而非熱電阻作為溫度測量的傳感設(shè)備。K型熱電偶的測量溫度在600，而S型和B型熱電偶應用在1200到1600。熱電阻的特點如下：l 同溫下，易于測量，輸出信號大；l 需要外加電源；l 有較大的感溫部分，反應速度較快；l 測溫上線有限。兩種溫度測量傳感設(shè)備的表2-1。表2-1 測溫范圍· 熱電偶類型溫度范圍熱電偶類型溫度范圍S-501768N-2701300R-501768E-27

10、01000B01820J-2101200K-2701372T-270400熱電阻類型溫度范圍熱電阻類型溫度范圍Pt10-200850Cu50-50150Pt100-200850Cu100-50150PT-100作為一種溫度傳感器的元件。隨著環(huán)境溫度的變化，在溫變下改變其電阻值，電阻與溫度曲線（R T）曲線具有良好的線性度。它在中低溫段的應用很廣泛，因為它的測量精度和測溫的范圍都很優(yōu)秀，且成本比較低。鉑熱電阻有著小于30秒的響應時間，幾乎是線性的溫度測量元件。隨著溫度不斷的增加，線性度越來越低，在0到200的范圍內(nèi)時，有不錯的線性關(guān)系。當溫度在中溫范圍內(nèi)時，可以通過減小測量溫度的范圍來控制非線性

11、度的大小。但在具體的測量中若對精度要求苛刻時，就必須解決非線性的問題。不同溫度范圍，鉑熱電阻與溫度的關(guān)系用數(shù)學模型表示為：在溫度為-200-0范圍內(nèi)為：Rt=R0 1+At+Bt²+C(t-100)t³ (2.1)在溫度為0-850范圍內(nèi)為：Rt=R0(1+At+Bt²) (2.2)式子中常數(shù)A=3.90802×10-3 ；常數(shù)B=-5.802×10-7。本系統(tǒng)適合測溫范圍在幾百攝氏度內(nèi)的測溫元件，所以鉑熱電阻很合適。目前，隨著溫度傳感器的迅猛發(fā)展，溫度測量技術(shù)也不斷進步。新技術(shù)和產(chǎn)品越來越多，其表現(xiàn)主要為：開發(fā)新技術(shù)，溫度傳感器正在向集成化和

12、智能化的方向迅速進展，創(chuàng)造出了良好的外部條件。（3）溫度傳感器是凝聚了如微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的產(chǎn)物。智能溫度傳感器可以適配很多微控制器，通過軟硬結(jié)合進行實物的測量和校正。在溫度傳感器的實際使用中，對于一些精度需求較高的測量，常常由于傳感器按照特定的計量機構(gòu)給出的檢測標準和證書來檢定流程中的各項系數(shù)并修訂，這種方式會在測量中帶來誤差。為了提高溫度傳感器的檢測精度，根據(jù)不同傳感器本身的特點，對其修改和修訂。2.2溫度控制原理在工業(yè)自動化中，溫度扮演著重要的角色，所有的物化變化都與它息息相關(guān)，所以溫度是重要的考慮參數(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中?，F(xiàn)代工業(yè)中對溫控的適用范圍也很大，我們常見的領(lǐng)域如：冶金的制造過

13、程；電力化工類的生產(chǎn)型企業(yè)；輕工業(yè)生產(chǎn)，如造紙和印染；還有機械、食品等等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，操作人員需要對各類熱處理裝置進行溫度的觀察來確保制造過程萬無一失。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，誕生了一種具小體積、多功能、高性價比等特點的機器產(chǎn)生，它就是單片機。將單片機作為主控元件，不添加觸點，使用在溫度控制的系統(tǒng)中，作為系統(tǒng)的核心，它可以實現(xiàn)溫控過程中如測量、采集、控制等過程。因此它常用在如精密儀表、家電用品、工業(yè)生產(chǎn)等眾多領(lǐng)域中，以高性價比，多功能和低成本收到了市場的認可。不同的生產(chǎn)環(huán)境的溫度控制的要求是不一樣的。不同的就是反應所需的燃料，如天然氣、電力、煤氣和石油等。最后還有控制方案的不同，如推斷

14、控制、模糊控制、數(shù)字控制、專家控制等。PID是工業(yè)控制中主要的控制技術(shù)之一，它以穩(wěn)定性高、調(diào)整方便以及簡單的結(jié)構(gòu)和可靠性成為工業(yè)控制中廣泛應用的控制方式。在對象是一個或兩個介電慣性節(jié)點或時間延遲，且滯后時間小時，在連續(xù)系統(tǒng)，PID控制是一種較好的控制方法。通常我們管PID控制叫做比例積分微分控制，這其中，校正偏差的事比例項，減少系統(tǒng)超調(diào)量與消除誤差的分別是微分項與積分項，同時微分項還可以強化系統(tǒng)的穩(wěn)定。PID算法的算數(shù)表達式為： （2.3） 式中:為調(diào)節(jié)器輸出信號； 為偏差信號； 為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 為調(diào)節(jié)器的積分時間； 為調(diào)節(jié)器的微分時間。將連續(xù)微分轉(zhuǎn)化為差分形式來實現(xiàn)數(shù)控操作，上式可以改

15、為： （2.4） （2.5）于是原式可寫成： （2.6） 由上式（2.6）可得： （2.7）上兩式相減得：U = U（n）-U（n-1） （2.8）計算式（2.8）并處理可得 （2.9）上式是增量式PID算法式。將其簡化為： （2.10）式中 , 。該系統(tǒng)具有很強的靈活性的優(yōu)點，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，采用單片機和PID控制算法在實際中進行溫度控制。不僅如此，還可以很好的改善原有的溫控指標，從而使得測控時候能極大的增強系統(tǒng)的性能。有很多不同的溫度傳感器，需要根據(jù)使用場景的不同軟硬件，選擇適合自己的傳感器應用。為符合溫度控制在25到135的范圍內(nèi)，并且用鉑電阻作為傳感器，本次采用Pt100型鉑熱電阻

16、進行本次設(shè)計，首先，把測量的溫度變化為電阻的變化后，通過轉(zhuǎn)換電路，最終轉(zhuǎn)化成電壓值，通過ADC把數(shù)值在CPU進行處理。最后用PID算法對溫度進行控制。第三章 染色機專用控制器的系統(tǒng)組成以及工作原理 3.1 系統(tǒng)設(shè)計要求與技術(shù)指標本課題要求采用鉑熱電阻測溫，通過溫度傳感器采集溫度，并且采用數(shù)字PID算法，保證溫度控制的精度為±2，能夠?qū)崟r檢測顯示染色機內(nèi)溫度，方便進行調(diào)整，超溫時可以進行報警。其具體技術(shù)要求：1、 采用鉑熱電阻測溫，采集溫度信號；2、 采用數(shù)字PID控制算法，保證控溫精度；3、 控溫范圍：控溫范圍為：25-135，控溫精度達到±2；4、 能夠?qū)崟r檢測顯示染色機

17、內(nèi)溫度，方便進行調(diào)整，超溫時可以進行報警。3.2 溫度控制原理溫度是本次課題中最最重要的參數(shù)之一，它伴隨著各種各樣的物理變化以及化學反應，因為溫度的不同很可能導致不同的結(jié)果，所以溫度在各類生產(chǎn)中都是十分重要的。在染色機的專用控制其設(shè)計中，如何能夠使染缸內(nèi)的溫度保持在我們所需要的范圍之內(nèi)，并且對于缸內(nèi)溫度有過大變化時，如何能夠?qū)⑵湔{(diào)控，是本次設(shè)計的關(guān)鍵所在。單片機在本次課題設(shè)計中的作用相當于人的大腦，它能夠接受各種信號，例如采集到的溫度數(shù)據(jù)，輸入鍵盤的鍵值等等，同時，它還能夠進行各種信號的輸出，例如將過高或者過低溫度信號輸出給溫度控制電路，判斷如果溫度過高通知報警電路等等。作為該系統(tǒng)中的控制模塊

18、，可以完成對采集到的溫度進行分析處理，并將此數(shù)據(jù)反饋出去。本次課題設(shè)計采用了PID控制的方法，PID控制是目前世界上在工業(yè)領(lǐng)域應用最為廣泛的控制方式，P、I、D分別對應比例、積分、微分，這樣可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.3 系統(tǒng)功能系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為其核心控制器，控制系統(tǒng)保證其正常工作。具體過程為：先通過PT100所組成的電橋電路測溫，采集染色機缸內(nèi)的實時溫度信號，然后將溫度傳感器上的阻值轉(zhuǎn)化為電壓變量，由于電橋上產(chǎn)生的電壓信號量過低，就要通過放大電路使輸出電壓控制在0-5V的范圍內(nèi)，然后將輸出的電壓信號送入A/D轉(zhuǎn)換器中進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)送入單片機中進行顯示，并通過

19、PID算法判斷采集的溫度信號在不在控制溫度范圍內(nèi)，實現(xiàn)對系統(tǒng)的加熱過程與制冷過程，溫度過高還要進行報警。各個模塊具體功能如下：1、 溫度采集模塊：采集信號，并將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片機進行處理；2、 鍵盤以及顯示模塊：可以實現(xiàn)對溫度以及時間的設(shè)定和顯示，并且給用戶一個直觀數(shù)據(jù)；3、 PT100電橋電路模塊：實現(xiàn)對溫度信號量的采集；4、 加熱、降溫控制模塊：通過單片機控制實現(xiàn)對系統(tǒng)的加熱以及降溫控制；5、 報警模塊：實現(xiàn)對染色機缸內(nèi)溫度過高的報警功能，提示降溫。3.4 系統(tǒng)組成以及框圖系統(tǒng)設(shè)計由以下幾個部分組成：溫度采集部分、A/D轉(zhuǎn)換部分、液晶顯示部分、鍵盤控制部分、語音報警部分、時鐘電路

20、部分以及單片機最小系統(tǒng)控制部分。 通過溫度傳感器采集到的電壓變量，利用放大器將其電壓信號量放大，模擬開關(guān)試下數(shù)據(jù)選擇以及傳輸，最后AD轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換位數(shù)字信號送入單片機。然后通過數(shù)字PID算法來輸出控制信號，控制加熱和降溫的執(zhí)行，最后由液晶顯示模塊將采集到的溫度、時間以及設(shè)定的溫度值直觀的展現(xiàn)出來，語音報警模塊接收單片機輸出端口的信號來控制報警。 其系統(tǒng)框圖如下圖3-1所示：STC89C52溫度采集電路放大電路鍵盤控制電路液晶顯示電路語音報警電路電 源復位電路A/D轉(zhuǎn)換電路加溫降溫控制電路時鐘電路圖3-1 系統(tǒng)電路組成框圖 與硬件部分的組成相似，系統(tǒng)的軟件部分主要由以下幾個功能模塊組成：

21、主模塊、溫度的收集模塊、中斷服務模塊、顯示模塊、語音模塊、時鐘模塊及PID算法模塊組成。處理實時的溫度收集的是中斷服務模塊，為了做好交互設(shè)計，提升用戶的操作體驗，鍵盤顯示模塊起著很重要的作用。而軟件設(shè)計中的重點環(huán)節(jié)是PID算法模塊。 第四章 染色機的專用控制器的硬件設(shè)計 硬件系統(tǒng)是保證整個系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵，對硬件電路進行合理的設(shè)計是整個系統(tǒng)能夠正常運行的重要因素，并且硬件電路還影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)硬件電路由溫度采集部分（包括電橋電路測溫，放大電路將電壓信號放大以及A/D轉(zhuǎn)換電路將信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號）、7279鍵盤部分（由HD7279芯片構(gòu)成）、時鐘電路部分（有時鐘芯片DS1302構(gòu)成）、

22、單片機最小系統(tǒng)控制部分（由STC89C52芯片構(gòu)成）、溫度控制部分（包括驅(qū)動器，光電耦合器以及雙向可控硅）、語音報警電路部分（包括ISD1420芯片以及外圍電路）和液晶顯示部分（由FYD12864液晶顯示器構(gòu)成）組成，其各部分設(shè)計如下：4.1 溫度采集部分 溫度采集部分是由PT-100測溫元件組成的電橋式測溫電路、由TL084芯片構(gòu)成的差分放大電路以及由ADC0804芯片構(gòu)成的A/D轉(zhuǎn)換電路組成的。4.1.1電橋電路 PT-100電橋電路采用PT-100鉑熱電阻作為測溫元件，當PT-100在0攝氏度的時候他的阻值為100歐姆，它的阻值大小會根據(jù)溫度升高而升高，但是與溫度之間并不是成線性關(guān)系。P

23、T-100擁有很好的穩(wěn)定性和測量精度，測量范圍寬。PT-100元件將采集到的溫度的變化轉(zhuǎn)化為其電阻的變化，再通過電橋電路將其轉(zhuǎn)化為電壓的變化。PT-100電橋電路如圖4-1所示：圖4-1 PT-100電橋電路4.1.2 放大電路TL084是一款高輸入電阻的四輸入運算放大器。首先電橋電路部分先將采集到的溫度的變化轉(zhuǎn)化為其電阻的變化，再通過電橋電路將其轉(zhuǎn)化為電壓的變化，但是此時得到的電壓非常的小，只有mV級，所以要通過TL084構(gòu)成的放大電路進行電壓的放大。而在真正的實際操作中，溫漂的現(xiàn)象是經(jīng)常會出現(xiàn)在放大電路中的，所以選擇使用TL084組成的差分放大電路，可以有效防止漂移現(xiàn)象。放大電路如圖4-2

24、所示： 圖4-2 放大電路4.1.3 A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0804是一個8 位的A/D 轉(zhuǎn)換器，它的模數(shù)轉(zhuǎn)換時間大約是100us，頻率為640KHz。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖4-3所示：圖4-3 A/D轉(zhuǎn)換電路圖4.2 單片機最小系統(tǒng)控制部分 該單片機最小系統(tǒng)的控制部分主要由單片機、時鐘電路以及復位電路組成。其單片機最小系統(tǒng)控制部分電路圖如圖4-4所示： 圖4-4 單片機最小系統(tǒng)控制部分電路圖該單片機最小系統(tǒng)地控制部分想要實現(xiàn)計算機與單片機之間的通信還要通過MAX232串口通信電路，其電路圖如圖4-5所示： 圖4-5 MAX232串口通信電路4.3 7279鍵盤部分在7279鍵盤部分，用HD7279

25、A芯片來進行按鍵操作。 HD7279如圖4-6所示：圖4-6 HD72794.4 時鐘電路部分時鐘電路部分采用串行時鐘芯片DS1302，它僅有8個引腳，通過簡單地三線串行方式與單片機進行通信，節(jié)省資源。其電路圖如圖4-7所示：圖4-7 時鐘電路 4.5溫度控制部分 溫度控制部分分為加熱控制以及降溫控制兩個部分。通過之前系統(tǒng)收集到的溫度信號送入單片機進行分析，判斷其溫度與鍵盤設(shè)定溫度是否有差別，當有差別時，就要通過溫度控制部分進行調(diào)控。當溫度過高時，啟用降溫控制電路進行制冷處理；當溫度過低時，啟用加熱控制電路進行加熱處理。4.5.1 加熱控制部分該部分電路主要由驅(qū)動器7407、光電耦合器MOS3

26、041和雙向可控硅組成。并且該電路的優(yōu)點是具有非常高的穩(wěn)定性，很小的驅(qū)動功率，十分低的噪聲干擾等特點。加熱控制電路其電路圖如圖4-8所示：圖4-8 加熱控制電路圖4.5.2 降溫控制電路部分該部分電路主要由驅(qū)動器7407、光電耦合器MOS3041和雙向可控硅組成。其原理圖如圖4-9所示：圖4-9降溫控制電路圖4.6語音報警電路部分ISD1420芯片具有極好的錄放音質(zhì)，還具有很好的混響效果，采用直接模擬存儲技術(shù)，外圍元件非常簡單。語音報警系統(tǒng)的設(shè)計采用ISD1420語音芯片及其外圍電路組成。其電路圖如圖4-10所示：圖4-10語音報警電路 功放驅(qū)動電路采用LM386作為芯片，能夠增強音效，使報警

27、功能更加清晰明顯的傳到人們的耳朵里，通過調(diào)節(jié)電位器組織的大小可以調(diào)節(jié)喇叭聲音的高低。喇叭功放電路圖如圖4-11所示：圖4-11 喇叭功放驅(qū)動電路圖4.7 液晶顯示部分液晶顯示部分采用了FYD12864，選取串行通訊方式，無需片選信號，簡化軟件設(shè)計。液晶顯示模塊連接圖如圖4-12所示：圖4-12 液晶模塊連接圖第五章 染色機專用控制器的軟件設(shè)計 5.1 軟件整體設(shè)計的思路系統(tǒng)的軟件設(shè)計比較復雜，要對各個模塊的芯片進行編程定義。程序由主程序，子程序以及相應的中斷程序組成。對系統(tǒng)的軟件設(shè)計最核心的地方是能夠?qū)⒄麄€程序的邏輯順序表述清楚無誤。在本次設(shè)計的軟件設(shè)計中，我采用的方式是先局部后整體，由于模塊

28、較多，所以先進行獨立模塊的程序編寫設(shè)計。雖然模塊比較多，但是彼此聯(lián)系并不大，可以先將各個模塊調(diào)試好之后再進行整體整合。這種方式大大的節(jié)省了時間。系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括九個模塊，主程序主要完成的是鍵盤處理以及液晶顯示的功能，其余子程序主要完成對系統(tǒng)功能的完善中斷程序主要完成PID控制等功能。5.2 軟件模塊化分析 系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括九個模塊：主模塊、中斷服務模塊、溫度采集模塊、7279鍵盤模塊、時鐘模塊、液晶顯示模塊、語音報警模塊、PID算法模塊和PID控制模塊。其各個模塊設(shè)計如下：5.2.1 主程序模塊在給系統(tǒng)通電后，主程序模塊將會對LCD液晶進行初始化，同時調(diào)用LCD初始化的子程序，進行定時器以

29、及DS1302的初始化，通過鍵盤掃描，判斷有無按鍵被按下。如果有按鍵，則讀取鍵值并調(diào)用對應的子程序運行；如果沒有，就會顯示LCD初始化的界面。系統(tǒng)主流程圖如圖5-1所示：開始液晶初始化調(diào)用LCD初始化子程序定時器初始化DS1302芯片初始化通過掃描鍵盤，得出flag=?調(diào)用屏幕3調(diào)用屏幕20 12圖5-1 主程序流程5.2.2 中斷服務模塊中斷服務模塊十分重要，首先保護現(xiàn)場，再重新設(shè)置定時/計數(shù)器，通過調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換器對采集到的溫度數(shù)據(jù)進行分析和處理，將其與系統(tǒng)要求的溫度進行比較，判斷是否需要調(diào)溫，有無超溫報警的情況；然后通過PID控制算法輸出等。其具體流程圖如圖5-2所示：中斷入口保護現(xiàn)場重

30、賦定時器初值時間變量aa+aa=20？調(diào)用A/D子程序，清零aa采樣T=設(shè)定T？采樣T>設(shè)定T？語音報警PID控制算法PID控制輸出恢復現(xiàn)場中斷返回N YYNY N圖5-2 中斷服務程序流程圖5.2.3 溫度采集模塊 ADC0804是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,它的轉(zhuǎn)換時間是100us。其A/D轉(zhuǎn)換流程圖如圖5-3所示：啟動A/D轉(zhuǎn)換P0=0xff，允許輸入數(shù)據(jù)調(diào)用100us延時子程序P0口數(shù)據(jù)處理送顯示返回入口圖5-3 A/D轉(zhuǎn)換流程圖5.2.4 7279鍵盤模塊7279鍵盤模塊能夠在使用者進行按鍵后對按鍵的識別以及對于按下的鍵對應進行處理。它的功能包括對設(shè)定溫度、調(diào)整始終以及選擇檢測

31、通道。 并且選用7279鍵盤能非常方便使用者使用，因為其用有防止抖動這一特性，相比于其他鍵盤設(shè)計的十分人性。同時，7279鍵盤具有自己的串行接口，不需要外圍的元件就可以直接驅(qū)動LCD，7279鍵盤具有段尋址指令，可以更加方便的控制獨立LCD還具有很多的控制指令，比如循環(huán)右移動，復位指令，清除指令等等，在本次設(shè)計中，應用很多的是7279的對鍵盤數(shù)據(jù)的讀取指令。其鍵值表如表5-1所示：按鍵號鍵值功能說明161FH對時間的切換151EH+時間141DH時間131CH切換工作界面1217H切換設(shè)定溫度的位1116H設(shè)定溫度+1015H設(shè)定溫度914H通道的選擇表5-1 7279鍵盤鍵值表 在進入鍵盤模

32、塊時，當系統(tǒng)判斷讀出的鍵盤值為“1CH”時，液晶界面切換標志位=1，此時系統(tǒng)認為從開始進入工作界面。第二次讀出鍵值為“1CH”時液晶界面切換標志位=2，此時系統(tǒng)認為從工作界面進入結(jié)束界面。第三次讀出鍵盤值為“1CH”時液晶界面切換標志位=1，此時系統(tǒng)認為從結(jié)束界面又進入工作界面。定義時間設(shè)定值秒、分、時、星期、日、月、年的切換標志位值大小應該是從1到6，對應該鍵盤對秒、分、時、星期、日、月、年的設(shè)置。鍵值“16H”“15H”能夠?qū)獪囟仍O(shè)定值加和溫度設(shè)定值減。而“14H”的鍵值對應通道選擇。其流程圖如圖5-4所示：讀鍵值，賦給key_num入口判定鍵值，key_num=？1CH1FH07H04

33、H界面設(shè)置時間設(shè)置溫度設(shè)置通道選擇返回圖5-4 7279鍵盤模塊流程圖5.2.5時鐘模塊時鐘芯片DS1302與單片機進行通信的方式是利用簡單地串行接口，時鐘模塊主要完成寫入值并且能夠在屏幕中將值讀出來的功能，并能夠在使用者要求時進行調(diào)整。 DS1302時鐘寄存器地址與格式如表5-2所示：寄存器名 命令字取值范圍 格 式 讀操作 寫操作 D7D6D5D4D3D2D1D0秒寄存器81H80H0059CH秒（十位）秒（個位）分寄存器83H82H00590分（十位）分（個位）時寄存器85H54H0112或012312或240 A/P 時(十位)時(十位)時(個位)日寄存器87H86H 0128/30/

34、3100日(十位)日(個位)月寄存器89H88H0112000月(十位)月（個位)周寄存器8BH8AH010700000周年寄存器8DH8CH0099年（十位）年（個位）表5-2 DS1302時鐘寄存器地址與格式 操作DS1302芯片的時候，首先需要定義Time_struct這個結(jié)構(gòu)體，通過這個結(jié)構(gòu)體進行秒、分、時以及日期的儲存。在時鐘部分中，將時間的初值寫進DS1302芯片中，是寫子程序的過程。之后將寫入芯片的初值讀出來，并在液晶顯示屏中顯示出來，是讀子程序的過程。 寫子程序及讀子程序的流程圖如圖4-5、圖4-6所示。入口允許傳輸數(shù)據(jù)發(fā)送地址接受數(shù)據(jù)關(guān)閉傳輸數(shù)據(jù)返回入口允許傳輸數(shù)據(jù)發(fā)送地址發(fā)

35、送數(shù)據(jù)返回關(guān)閉傳輸數(shù)據(jù) 圖5-5 寫子程序流程圖 圖5-6 讀子程序流程圖5.2.6液晶顯示模塊 系統(tǒng)使用了FYD12864液晶顯示模塊,該模塊具有串/并行兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，為了節(jié)省系統(tǒng)口線，選用串行方式，接線簡單。在進行液晶顯示模塊的程序編寫時，要對液晶時序圖有所了解。該串行模式數(shù)據(jù)傳輸時序圖如圖5-7所示：圖5-7 串行模式數(shù)據(jù)傳輸時序圖其串口方式讀寫數(shù)據(jù)時序圖如圖5-8所示：圖5-8 串口方式讀寫數(shù)據(jù)時序圖 在進行液晶顯示模塊之前，需要先進行液晶顯示模塊的初始化過程。并且需要對液晶顯示進行一些設(shè)定，對液晶顯示的狀態(tài)的設(shè)定以及對液晶的工作模式的設(shè)定。在進行液晶初始化的工作后，進行子程序的編

36、寫，發(fā)送子程序該流程圖如圖5-9所示，寫子程序如圖5-10所示：入口CS=1發(fā)送寫指令/數(shù)據(jù)取高四位并發(fā)送取低四位并發(fā)送返回入口i=0i<8?i+,數(shù)據(jù)最高位送數(shù)據(jù)線產(chǎn)生同步時鐘信號返回 圖5-9 發(fā)送子程序流程圖 圖5-10 寫子程序流程圖 寫完發(fā)送子程序以及寫子程序的過程之后，編寫好液晶的顯示子程序。 其流程圖如圖5-11所示：入口進行液晶的初始化將寫命令輸入首字節(jié)顯示位置的設(shè)置首字節(jié)收到數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)線收到要顯示的字符是否寫完？返回 N Y圖5-11 液晶顯示子程序流程圖 RS、R/W的不同選擇決定控制界面的4種模式如表4-3所示： RSR/W功能說明LL指令寄存器收到來自MPU指令LH

37、讀出忙標志（BF）及地址記數(shù)器（AC）的狀態(tài)HL數(shù)據(jù)寄存器收到來自MPU指令HH數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)寄存器中被MPU讀出 表5-3 控制界面的4種模式 E信號如表4-4所示：E狀態(tài)執(zhí)行動作結(jié)果從高到低I/O緩沖到DR通過/W寫出數(shù)據(jù) 高DR到I/O緩沖通過R寫出數(shù)據(jù)從低到高沒有 表5-4 E信號5.2.7 語音報警模塊在語音報警這個部分中，使用的是ISD1420芯片。該部分實現(xiàn)的功能是當溫度采集部分傳遞給單片機的溫度高于當初設(shè)定的溫度時，單片機對語音報警部分進行通知，使ISD1420芯片啟動播放功能進行報警。ISD語音芯片的地址功能表如表5-5所示：地址狀態(tài)功能說明DIP開關(guān)12345678(ON=0，

38、OFF=1)地址位A0A1A2A3A4A5A6A7(1為高電平，0為低電平，*為高或低電平)00000000一段式最長20 秒錄放音，從首地址開始。10000000以八位二進制表示地址，每個地址代表125 毫秒。地址模式00000010開始是從A6地址的12秒進行錄放*0地址模式只要A6、A7任一是0*0*00010011按一下PE 鍵可循環(huán)放音，按PL 鍵停止；或按住PL 鍵放音，松開即停止。操作模式00001011按順序連續(xù)分段錄放音00000011地址指針復位，開始錄放第一段。10001011按PE 鍵可快速選段放音表5-5 ISD1420地址功能表ISD1420語音芯片的程序流程圖如圖

39、5-12所示：入口設(shè)置ISD1420工作方式寫入播放首地址PLAYE端置“0”延時10秒PLAYE端置“1”返回 圖5-12 語音芯片程序流程圖5.2.8 PID算法模塊在本次染色機的專用控制器的軟件設(shè)計中，PID算法模塊是其中最重要的部分。PID中P指的是proportion比例；I指的是integration積分；D指的是differentiation微分。PID控制器的使用歷史非常久，仍讓是當今世界上應用最為寬泛的工業(yè)控制器。PID控制器操作簡單，使用條件不是很多，不受其它因素制約，所以它在工業(yè)應用上廣受好評。它使用中只需設(shè)定三個參數(shù)（Kp、Ki和Kd）即可。在軟件設(shè)計中，程序編寫通過使

40、用結(jié)構(gòu)體將PID算法中的變量都定義好。需要定義的變量有P系數(shù)、I系數(shù)、D系數(shù)、設(shè)定值、實際值、偏差值、偏差值符號。 其流程圖如圖5-13所示：圖5-13 PID控制算法增量式PID算法的系統(tǒng)框圖如圖5-14所示：圖 5-14 增量式PID算法系統(tǒng)框圖5.2.9 PID控制模塊 PID控制模塊的作用是將PID算法模塊中算法子程序得出的值送入本模塊中進行對數(shù)據(jù)的分析以及處理。通過進行PID值的減至0又加至100進行加熱和降溫的處理。如圖5-15所示：PWM 1 0 1 2 3 100 t/50ms 一個控制周期 控制值輸出 PWM 1 0 5 t/s圖5-15 PWM控制輸出原理圖第六章 染色機專

41、用控制器的系統(tǒng)調(diào)試 染色機的專用控制器的設(shè)計過程中包含了硬件設(shè)計以及軟件設(shè)計兩個部分。在進行設(shè)計的過程中也采用了先局部后整體的方法，先將每個模塊進行調(diào)試，然后進行整合。同時，一般情況下應該先確保硬件沒有問題，然后在進行軟件的調(diào)試。而后在軟件也正確的情況下，硬件電路的問題也比較容易找到。下面是一些模塊的調(diào)試。6.1 鍵盤顯示模塊的調(diào)試 鍵盤顯示模塊的調(diào)試十分重要，因為該模塊是保證人和計算機能夠進行合理聯(lián)系的模塊，在本模塊進行使用之前，我們首先應該對本模塊進行合理的調(diào)試。調(diào)試過程如下：1、首先保證硬件電路沒有問題，進行軟件調(diào)試。首先，要進行7279的初步調(diào)試，將測試的指令寫入7279：send_b

42、yte(0xbf)，該程序能夠點亮7279顯示板上的所有數(shù)碼管，并讓其一直閃爍，如果是這樣，證明7279顯示板硬件無誤。硬件沒有問題之后，再次寫入程序：write7279(0xc8,5)到7279顯示板，改程序能夠使7279顯示板上現(xiàn)實的第一位數(shù)字為“5”，如果是，那么證明7279現(xiàn)實的子程序無誤，7279顯示板的初步調(diào)試成功。2、在上一步調(diào)試過程完成無誤后，開始進行讀取鍵盤值的調(diào)試。當系統(tǒng)檢測到按鍵被按下后，KEY的引腳能夠從高電平變更為低電平，并且一直到結(jié)束。此時寫入程序：keynum=read7279(0x15)，可以使7279輸出之前按下的按鍵代碼。6.2 A/D采樣及數(shù)據(jù)處理模塊的調(diào)

43、試A/D采樣以及數(shù)據(jù)處理模塊應用的是ADC0804芯片，其調(diào)試過程如下：1、A/D采樣以及數(shù)據(jù)處理調(diào)試的過程中，通過改變電位器的阻值大小來改變ADC0804采集到的數(shù)據(jù)，用來判斷A/D采集程序的正確與否。采集的數(shù)據(jù)能夠通過7279顯示板進行顯示。通過調(diào)試，7279顯示板所得到的數(shù)據(jù)能夠改變，證明A/D采樣沒有問題，調(diào)試完成。2、之前的調(diào)試成功完成后，通過對采集到的數(shù)據(jù)進行分析以及處理，使系統(tǒng)能夠顯示溫度。所以通過處理的數(shù)據(jù)，將顯示溫度25-135。結(jié)果符合數(shù)據(jù)處理得結(jié)果。6.3總體調(diào)試 首先進行硬件的調(diào)試，將硬件的各個部分調(diào)試成功購，在進行軟件部分的調(diào)試，采用先局部后整體的方法，各個模塊先進性

44、單獨調(diào)試，方便問的發(fā)現(xiàn)和解決。經(jīng)過調(diào)試，該系統(tǒng)能夠達到預期效果，能夠?qū)崿F(xiàn)基本功能。 結(jié)束語本次畢業(yè)設(shè)計的課題是：染色機專用控制器的設(shè)計（軟件部分），經(jīng)過了將近三個月的努力設(shè)計已經(jīng)基本完成，基本功能基本達到，但是整個設(shè)計還是不夠完善，存在一些缺陷，比如:在系統(tǒng)控溫模塊中，由于電機可能燒壞，導致當軟件給出降溫信號后，知識點燈模擬制冷控制電源的啟動，電機并沒有真正實現(xiàn)降溫功能。 本次畢業(yè)設(shè)計基本完成了課題的基本要求。從最開始的查閱資料到對硬件電路原理圖的設(shè)計、軟件程序的編寫以及最終的調(diào)試，這些過程都是對我大學四年所學到的知識的考察。在設(shè)計的過程中，不僅需要我們有扎實的理論知識基礎(chǔ)，認真的學習態(tài)度，還

45、要有自己真正動手實踐的能力。通過這兩個多月的努力，不僅完成了自己的畢業(yè)設(shè)計，也讓自己的各方面能力得到了很大提升。在跟同組成員一起對硬件電路進行設(shè)計讓自己對整個系統(tǒng)有了一個初步了解，而后，通過進行軟件程序的設(shè)計，完善了自己編程方面的能力。經(jīng)過了不斷失敗，不斷改正的過程，終于將作品完成。相信這也會在自己在今后的工作生活中添上一筆寶貴的經(jīng)驗，給自己未來的發(fā)展贏得了很大的幫助。參考文獻1.陶永華，尹怡欣，葛蘆生新型PID控制及其應用M北京：機械工業(yè)出版社，19982.韓啟綱，吳錫祺，等計算機模糊控制技術(shù)與儀表裝置M. 北京：中國計量出版社，19993.何希才，傳感器及其應用電路M. 北京: 電子工業(yè)出

46、版社,2001.24郭速學，朱承彥，郭楠圖解單片機功能與應用M北京：中國電力出版社，20082 5.林軍,單片機型計算機原理及接口技術(shù)實驗指導與實訓M.北京:中國水利水電出版社,20046.黃俊，王兆安.電力電子技術(shù)（第三版）M. 北京：機械工業(yè)出版社，19998. He S Z. Fuzzy Self-tuning of PID ControllerJ.Fuzzy and System 1993(1)9.HUSSAIN A，SUKAIRIM H,et al.Automatic Deteetion of Power Quality Distub- ranecs and Identifieati

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49、道溫度采集系統(tǒng)的研制J.現(xiàn)代電子技術(shù).2006年29期.起止頁碼： 91-95頁附錄 程序清單#include<reg52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char/=sbit CS_LCD=P10; /LCDsbit SID_LCD=P11;sbit SCLK_LCD=P12;sbit SCLK_DS1302=P13; /DS1302sbit IO_DS1302=P14;sbit RST_DS1302=P15;sbit cs=P16; /7279sbit clk=P17;sbit dat=P34; sbit key=P35; sbit wr=P36; /AD0804