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計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 | 學(xué)生姓名 |
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| | 題 目 | 基于PID控制的淬火爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) | | 課題性質(zhì) | | | | | 指導(dǎo)教師 |
| | 主要內(nèi)容 | 針對淬火爐爐溫控制系統(tǒng)的控制功能要求，設(shè)計(jì)一個計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，能夠?qū)Υ慊馉t內(nèi)的溫度進(jìn)行測量及顯示，并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制淬火爐內(nèi)的溫度保持在給定值。 | | 任務(wù)要求 | 第1天：熟悉課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求，針對課題查閱技術(shù)資料。 第2天：確定設(shè)計(jì)方案。要求對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析、比較、論證，畫出方框圖，并簡述工作原理。 第3-4天：按照確定的方案設(shè)計(jì)單元電路。要求畫出單元電路圖，元件及元件參數(shù)選擇要有依據(jù)，各單元電路的設(shè)計(jì)要有詳細(xì)論述。 第5天：撰寫課程設(shè)計(jì)報告。要求內(nèi)容完整、圖表清晰、文理流暢、格式規(guī)范、方案合理、設(shè)計(jì)正確，篇幅不少于5000字。 | | 主要參 考資料 | [1] 沙占友. 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)與實(shí)例. 北京：電子工業(yè)出版社，2005 [2] 樓然苗. 單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007 [3] 張毅剛等， MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)，哈工大出版社，2007年 [4] 張晉格．計(jì)算機(jī)控制原理與應(yīng)用．北京：電子工業(yè)出版社，1995
| | 審查意見 | |
目錄 1 引言............................................................ 4 1.1 課題背景...................................................... 4 1.2 控制對象...................................................... 5 1.3 系統(tǒng)功能及技術(shù)要求............................................ 5 2 總體方案設(shè)計(jì)................................................... 5 2.1 控制方案選擇.................................................. 5 2.2 數(shù)學(xué)模型的建立................................................ 6 2.3 控制算法的確定................................................ 6 2.4 系統(tǒng)組成框圖及工作原理........................................ 7 3 硬件電路設(shè)計(jì).................................................... 8 3.1 微控制器...................................................... 8 3.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊.................................................. 8 3.3 溫度測量電路.................................................. 8 3.4 溫度控制電路.................................................. 9 3.5 鍵盤與顯示電路................................................ 9 3.6 報警電路..................................................... 10 4 軟件設(shè)計(jì)...................................................... 11 4.1 主程序流程圖................................................. 11 4.2 中斷程序流程圖............................................... 12 5總結(jié)........................................................... 13 參考文獻(xiàn)........................................................ 14 附錄 系統(tǒng)總原理圖................................................ 16
1 引言1.1 課題背景
溫度是工業(yè)對象中一個主要的被控參數(shù)，它是一種常見的過程變量，因?yàn)樗苯佑绊懭紵⒒瘜W(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結(jié)晶以及空氣流動等物理和化學(xué)過程。溫度控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問題。溫度控制是許多設(shè)備的重要的構(gòu)成部分，它的功能是將溫度控制在所需要的溫度范圍內(nèi)，以利于進(jìn)行工件的加工與處理。不論是在生活中還是在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度的變化對生活、生產(chǎn)的某些細(xì)節(jié)環(huán)節(jié)都會造成不同程度的影響，所以適時地對溫度進(jìn)行控制具有重要的意義。
一直以來，人們采用了各種方法來進(jìn)行溫度控制，都沒有取得很好的控制效果。起先由于電阻爐的發(fā)熱體為電阻絲，傳統(tǒng)方法大多采用儀表測量溫度，并通過控制交流接觸器的通斷時間比例來控制加熱功率。由于模擬儀表本身的測量精度差，加上交流接觸器的壽命短，通斷比例低，故溫度控制精度低，且無法實(shí)現(xiàn)按程序設(shè)定的升溫曲線升溫和故障自診斷功能，因此要對傳統(tǒng)的溫度控制方法進(jìn)行改造。如今，隨著以微機(jī)為核心的溫度控制技術(shù)不斷發(fā)展，用微機(jī)取代常規(guī)控制已成必然，因?yàn)樗_保了生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行，提高了產(chǎn)品的數(shù)量與質(zhì)量，減輕了工人的勞動強(qiáng)度以及節(jié)約了能源，并且能夠使加熱對象的溫度按照某種指定規(guī)律變化。這不但對用戶來說具有很大的意義，而且對整個社會來說都是有重大意義。
1.2 控制對象
淬火是生產(chǎn)過程中的一道關(guān)鍵工序，其溫度控制的精度直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，因此淬火爐的溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義。
1.3 系統(tǒng)功能及技術(shù)要求
淬火爐溫度控制通常由多個溫區(qū)，本設(shè)計(jì)針對一個溫區(qū)進(jìn)行溫度控制，要求控制溫度范圍600-800℃，控制精度在±1℃。溫度探頭選用熱電偶。系統(tǒng)具體化技術(shù)指標(biāo)如下：
1. 淬火爐溫度控制在600-800℃；
2. 加熱過程中恒溫控制，誤差為±2℃；
3. LED實(shí)時顯示系統(tǒng)溫度，用鍵盤輸入溫度，精度為1℃；
4. 采用直接數(shù)字控制算法，要求誤差小，平穩(wěn)性好；
5. 溫度超出預(yù)置溫度±5℃時發(fā)出報警。
2 總體方案設(shè)計(jì)2.1 控制方案選擇
方案一：系統(tǒng)采用8031作為系統(tǒng)的微處理器。溫度信號由熱電偶檢測后轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)過預(yù)處理（放大）送到A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號再送到8031內(nèi)部進(jìn)行判斷或計(jì)算。從而輸出的控制信號來控制鍋爐是否加熱。但對于8031來說，其內(nèi)部只有128個字節(jié)的RAM，沒有程序存儲器，并且系統(tǒng)的程序很多，要完成鍵盤、顯示等功能就必須對8031進(jìn)行存儲器擴(kuò)展和I/O口擴(kuò)展，并且需要容量較大的程序存儲器，外擴(kuò)時占用的I/O口較多，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。
方案二：AT89C51單片機(jī)是最常用的單片機(jī)，是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器。AT89C51與MCS-51系列的單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒有的功能，功能強(qiáng)、靈活性高而且價格低廉。AT89C51可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長度小于4K，四個I/O口全部提供給擁護(hù)。系統(tǒng)運(yùn)行中需要存放的中間變量較少，可不必再擴(kuò)充外部RAM。
綜上所述的二種方案，該設(shè)計(jì)選用方案二比較合適。
2.2 數(shù)學(xué)模型的建立
本設(shè)計(jì)針對一個溫區(qū)進(jìn)行溫度控制，要求控制溫度范圍600-800℃，控制精度在±1℃。溫度探頭選用熱電偶。輸出0-10mA電流信號，通過雙向可控硅控制器控制加熱電阻兩端的電壓，輸入電流輸出電壓線性關(guān)系。其對象溫控數(shù)學(xué)模型為：
（2-2-1）
其中，θ（s）為爐溫，U（s）為輸入電壓，K、TP、τ為爐子的參數(shù)。這三個參數(shù)都能通過實(shí)驗(yàn)的方法得到。
2.3 控制算法的確定
PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟的、應(yīng)用最廣泛的一種控制算方法。它結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用各種PID的變型，如PI、PD控制及改進(jìn)的PID控制等。它具有許多特點(diǎn)，如不需要求出數(shù)學(xué)模型、控制效果好等，特別是在微機(jī)控制系統(tǒng)中，對于時間常數(shù)比較大的被控制對象來說，數(shù)字PID完全可以代替模擬PID調(diào)節(jié)器，應(yīng)用更加靈活，使用性更強(qiáng)。所以該系統(tǒng)采用PID控制算法。
在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時，用求和代替積分，用后向差分代替微分，是模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠獭?br />
數(shù)字PID位置型控制算式為：
（2-3-1）
數(shù)字PID增量型控制算式為：
（2-3-2）
其中 稱為比例增益；
稱為積分系數(shù)；
稱為微分系數(shù)。
2.4 系統(tǒng)組成框圖及工作原理
系統(tǒng)的硬件包括微控制器部分（主機(jī)）、A/D轉(zhuǎn)換模塊、溫度檢測、溫度控制、鍵盤與顯示、報警幾個主要部分，系統(tǒng)的組成框圖如圖2.1所示。
圖2.1 系統(tǒng)組成框圖
工作原理：淬火爐的溫度由溫度傳感器獲得，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后送給單片機(jī)，然后經(jīng)相應(yīng)的顯示電路顯示出來。工作人員根據(jù)工序所需溫度然后通過鍵盤把相應(yīng)的指令送入單片機(jī)，經(jīng)過光耦驅(qū)動電路和可控硅控制器的控制使淬火爐的溫度滿足工序的需要。報警電路則是在淬火爐溫度低于600℃或高于800℃的時候發(fā)出報警信號。
3 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 微控制器
AT89C51是一種帶4K字節(jié)Flash可編程可擦除的高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價格低廉的方案。
3.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊
系統(tǒng)中的AD轉(zhuǎn)換模塊的功能主要是由AD574來實(shí)現(xiàn)的，AD574是12位逐次逼近型的AD轉(zhuǎn)換芯片，片內(nèi)有數(shù)據(jù)輸出寄存器并有三態(tài)輸出的控制邏輯。其運(yùn)算方式靈活，可進(jìn)行12位轉(zhuǎn)換，也可進(jìn)行8位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果可直接12位輸出，也可先輸出高8位，后輸出低4位。片內(nèi)有時鐘電路，無需外部時鐘。
3.3 溫度測量電路
本系統(tǒng)采用熱電偶來采集溫度，熱電偶是一種感溫元件，它把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢，即熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表，分度表是自由端溫度在0 ℃時的條件下得 到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時，只要該材料兩個接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。
3.4 溫度控制電路
電阻絲由過零觸發(fā)型的雙向晶閘管整流電路驅(qū)動，通過調(diào)節(jié)加熱阻絲上的平均電壓來控制加熱功率，最終達(dá)到控制爐溫的目的，其原理見圖3.1。MOC3021是晶閘管型光電隔離器件，它只能觸發(fā)小功率晶閘管。因此，本系統(tǒng)中通過MOC3021控制雙向晶閘管T1，再由T1控制主電路的雙向晶閘管T2。將當(dāng)前溫度與預(yù)置溫度比較，當(dāng)前溫度小于預(yù)置溫度時，繼電器閉合，接通電阻絲加熱；當(dāng)前溫度大于預(yù)置溫度時，繼電器斷開，停止加熱；當(dāng)二者相等時電路保持原來狀態(tài)；當(dāng)溫度降低到比預(yù)置溫度低2℃時，再重新啟動加熱；當(dāng)前溫度超出報警上下限時將啟動報警，并停止加熱。由于淬火爐加熱時，當(dāng)前溫度有可能低于報警下限，為防止誤報，在未達(dá)到預(yù)置溫度時，不允許報警，為此設(shè)置了報警允許標(biāo)志位F0。
圖 加熱控制電路原理圖
3.5 鍵盤與顯示電路
鍵盤可以分為獨(dú)立連接式和行列式（矩陣式）兩類。獨(dú)立式鍵盤是各按鍵相互獨(dú)立地接通一條輸入數(shù)據(jù)線，電路簡單。但是當(dāng)按鍵較多時，要占用較多的I/O口線。為了減少鍵盤與單片機(jī)接口時所占用I/O線的數(shù)目，在鍵數(shù)較多時，通常將鍵盤排列成行列矩陣形式。本系統(tǒng)允許用戶根據(jù)需要隨時改變系統(tǒng)的工作狀態(tài)和控制參數(shù)，為此設(shè)置了4位LED顯示和相應(yīng)的操作鍵盤，并由專用控制芯片8279實(shí)現(xiàn)與CPU的接口。采用8279后，可以節(jié)省CPU用于查詢鍵盤輸入和管理顯示輸出的時間，降低了對CPU處理速度的要求，同時也減少了軟件工作量。接口電路圖如圖3.2所示。
圖U 鍵盤與顯示電路
其工作原理：用8行2列擴(kuò)展14個鍵盤。8條行線分別接到8279的RL0～RL7，2條列線接74LS138的BO、B1輸出端。假設(shè)B0為低電平，B1為高電平，若BO這列有鍵按下，則該行被拉為低電平。因此，如果某列掃描信號為低電平，這列中有某一行輸入到8279為低電平，則可以知道該行和列交叉的鍵被按下。當(dāng)然，這些工作是由8279自動掃描來完成的，不需要CPU的干涉。
3.6 報警電路
在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)報警電路是很重要的，在本系統(tǒng)中檢測的溫度信號高于或低于測溫范圍時發(fā)出警告信號，保證性能好、結(jié)構(gòu)簡單、適用，所以選擇鳴音報警。本系統(tǒng)中分別設(shè)計(jì)了斷點(diǎn)報警信號和恒溫完成報警信號，均采用揚(yáng)聲器加指示燈的方法來進(jìn)行報警，其電路如圖3.3所示。若出現(xiàn)斷偶故障，則輸入P2.5由低變高，紅色指示燈亮，同時揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。若恒溫時間到，則輸入P2.4由低變高，黃色指示燈亮，同時揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。
圖3.3 報警與指示電路
4 軟件設(shè)計(jì)4.1 主程序流程圖
主程序流程圖如圖4.1所示。 熱電偶檢測到的溫度經(jīng)MAX6675放大和A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)，程序首先在液晶顯示器上顯示開始設(shè)定的溫度和實(shí)際溫度，接著一直掃描鍵盤，如果KS0按下一次，則設(shè)定溫度加1，并在液晶顯示器上顯示出來；如果KS1按下一次，則設(shè)定溫度減1，在液晶顯示器上顯示出來。將設(shè)定值溫度與實(shí)際值比較，計(jì)算差值，如果實(shí)際溫度小于設(shè)定溫度，將差值送入AD轉(zhuǎn)換器，使加熱電路進(jìn)行加熱，如果實(shí)際溫度大于設(shè)定溫度，因?yàn)闆]有冷卻裝置，只能不進(jìn)行加熱，是溫度自然降下來。運(yùn)行過程對鍵盤掃描重復(fù)上述過程。
圖4.1 主程序流程圖
4.2 中斷程序流程圖
主程序首先進(jìn)行初始化，包括I/O口、定時器、中斷系統(tǒng)、8255A的初始化，然后等待定時器中斷。在定時器中斷服務(wù)子程序中，先判斷30s到否，若未滿30s，則返回；若到30s，則進(jìn)行一系列操作：檢測鍵盤設(shè)定值、檢測溫度并進(jìn)行標(biāo)度變換，刷新顯示溫度，輸出溫度控制，并根據(jù)溫度檢測值是否超限而報警等。系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)屬中斷方式，系統(tǒng)功能均在中斷服務(wù)子程序中完成，30s完成一次。根據(jù)總體結(jié)構(gòu)，可將程序劃分為幾個功能模塊：溫度設(shè)定輸入、溫度檢測、溫度值標(biāo)度變換、溫度顯示、PID算法、溫度控制、報警。中斷程序流程圖如圖4.2所示：
圖4.2 中斷程序流程圖
5總結(jié)
大三下學(xué)期開了五門專業(yè)課，各種學(xué)科相互交叉，好多東西我都不是很理解不能夠掌握其精髓，課程設(shè)計(jì)幫我及時梳理了這么多的知識，讓我能把所學(xué)的知識應(yīng)用于實(shí)踐，對即將進(jìn)入社會的我有很大的幫助。
課程設(shè)計(jì)是對我們這學(xué)期學(xué)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)這門課的理論知識的一個綜合測評，是對我們將理論結(jié)合實(shí)踐的綜合能力的考查，是培養(yǎng)我們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，是激發(fā)我們內(nèi)在創(chuàng)新意識的途徑。在此次課程設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了0許多平時課堂上學(xué)不到的東西，比如：單片機(jī)系統(tǒng)的可行性分析、淬火爐的設(shè)計(jì)與制作、各種器件的選型等。在設(shè)計(jì)過程中我還遇到了許多難以解決的問題，并為之投入了大量的時間和精力。回想起這次的課程設(shè)計(jì)，我感觸頗多，為很多從沒碰到的問題而絞盡腦汁，為無法找出的錯誤而郁悶煩躁,也曾經(jīng)為取得的一小步成功而欣喜過……幾分欣喜幾分愁，終于，功夫不負(fù)有心人,最終我成功了，看著自己做的課程設(shè)計(jì)，看看自己親自用Protel畫的電路圖及用Visio做的程序流程圖，我激動不已。
在本次設(shè)計(jì)中，我發(fā)現(xiàn)了自己的許多缺點(diǎn)，比如：知識面太窄，學(xué)習(xí)知識不牢固，在硬件上的水平還比較差，不能很好地將自己所學(xué)的知識與實(shí)際相結(jié)合等。所以，在以后的學(xué)習(xí)中，我會努力完善自己，使自己的實(shí)踐動手能力進(jìn)一步提高。
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