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温度控制器毕业论文
题目:
温度控制器的设计
机电工程学院
李小草
摘要
本文设计了一个温度自动控制器.本设计以单片机(8031)为控制核心,外加硬件电路,将温度显示和数字控制集和于一体,实现智能温度控制.并采纳软件法式实现升温的调节,能对加热炉的升温速度和保温时间严格控制.
单片机控制系统由微处置器和工业生产对象两年夜部份组成.本文是通过热敏电阻和单片机等,来实现对工程上一些系统的温度进行范围控制的过程.
关键词:
测温;PID算法;单片机;温度控制器
摘要..............................................................I
ABSTRACT..........................................................II
第1章前言......................................................1
1.1概述.......................................................2
1.2课题分析...................................................2
1.3设计思路...................................................2
第2章系统的基本组成及工作原理....................................3
2.1系统的基本组成.............................................3
2.2系统的基本工作原理.........................................3
第3章测温电路的选择及设计........................................5
3.1热电偶测温电路..............................................5
3.1.1热电偶...................................................5
3.1.2毫伏变送器...............................................6
3.2热敏电阻测温电路............................................6
3.2.1热敏电阻.................................................6
3.2.2关于铂电阻的特性.........................................7
3.2.3温度丈量电路.............................................7
第4章芯片组的电路设计...........................................8
4.1ADC0809与8031接口硬件电路设计...............................8
4.28155与8031接口硬件电路设计..................................9
4.2.18155芯片的结构..........................................9
4.2.28155与8031接口电路......................................9
4.32732EPROM的工作原理及硬件接口设计..........................11
第5章失落电呵护功能电路...........................................14
第6章温度控制电路...............................................15
6.1温度控制电路...............................................15
6.2控制规律的选择.............................................16
第7章系统法式设计...............................................18
7.1系统控制主法式.............................................18
7.2
中断服务法式.............................................20
7.3采样法式及其流程图.........................................24
7.4数字滤波子法式及其流程图...................................25
总结............................................................27
致谢...........................................................28
参考文献..........................................................29
附录............................................................30
第1章前言
现代信息技术的三年夜基础是信息收集控制(即温度控制器技术)、信息传输(通信技术)和信息处置(计算机技术).温度控制器属于信息技术的前沿尖端产物,尤其是温度控制器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域,数量日渐上升.
温度控制器是基于单片机开发的温度控制装置.其主要功能是,根据用户设定温度与实际温度的差值来控制加热器等执行机构,从而改变温度至用户所需.
近些年来,因为温度控制器环节已经被纳入为分布式控制系统(DCS),个人电脑(PC)和可编程逻辑控制器(PLC),全球工业电子温度控制器市场增长缓慢.随着我国电子温度控制器市场的迅猛发展,与之相关的核心生产技术应用与研发势必成为业内企业关注的焦点.了解国内外电子温度控制器生产核心技术的研发意向、工艺设备、技术应用及趋势对企业提升产物技术规格,提高市场竞争力十分关键.
目前主要有模拟、集成机械式温度控制器和智能电子式温度控制器两年夜系列.且国际上新型温度控制器正从模拟式向数字式、电子式;从集成化向智能化、网络化的方向发展.在现今电子信息时代,电子自动化、信息收集控制在任何行业都是不成逆转的潮水.
温度控制器发展早期是机械式温度控制器,这类温度控制器采纳双金属片或充气膜盒感测室内温度,使用波段开关直接调整风速.双金属片温度控制器现基本已淘汰,只使用在一些要求不高较高档场所;充气膜盒温度控制器以后较流行,但总体来讲机械式温度控制器缺点十分明显:
1.机械式温度控制器外观陈腐板滞;2.机械式温度控制器控温精度差;3.容易打火(直接切换强电);4.极易在一个极小温差范围内频繁开关水阀(风阀);5.功能比力单一.鉴于这些,智能电子式温度控制器全面取代机械式温度控制器将是不成逆转的潮水.本文将介绍一款以单片机为核心,具有智能、可编程、环保和节能等特点的温度控制系统的设计.
本设计的温度控制器是已单片机为核心的.单片微型机简称单片机,它是在一片芯片上集成了中央处置部件,存储器、按时器/计数器和各种输入输出设备等接口部件.单片机是微机发展的一个重要的分支,自问世以来,性能不竭地改善和提高,加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗小、使用方便、性能可靠、价格廉价等优点,故在工业控制、数据收集和处置、通信系统、家用电器等领域的应用日益广泛.国内虽然起步较晚,但单片机的潜力越来越被人们所重视,尤其在工业控制、自动化仪器仪表、计算机系统接口、智能化外设等应用领域发展很快.它的应用对产物升级换代、机电一体化都具有重要的意义.在工业生产中,电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是经常使用的主要被控参数.其中,温度控制也越来越重要.在工业生产的很多领域中,人们都需要对各类加热炉、热处置炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制.采纳单片机对温度进行控制不单具有控制方便、简单和灵活性年夜等优点,而且可以年夜幅度提高被控温度的技术指标,从而能够年夜年夜的提高产物的质量和数量.
单片机控制系统由微机和工业生产对象两年夜部份组成,其中包括硬件电路和软件法式,整个控制系统是通过接口将计算机和生产过程联系起来实现计算机对生产过程中的数据处置和控制.
本文介绍了MCS—51单片机对温度控制系统硬件接口和软件设计的基本思想.包括单片机系统的扩展即法式存储器和数据存储器的扩展,输入/输出接口扩展和温度控制电路的接口.
首先,收集年夜量相关资料,参考多种温度控制器方案并确定出自己将要设计的方案;(根据系统具体指标要求,可以对每一个具体部份进行分析设计.另外,整个控制系统可分为硬件电路设计和软件法式设计两年夜部份.可分别对它们进行分析设计)再对自己筹算设计的方案进行仿真调试;当仿真调试获得理想效果时,再将设计好的原理电路制成PCB板;随后清点需要的元器件,并购买;最后,依照自己设计的电路完成实物并调试.
第2章系统的基本组成及工作原理
在工业生产中,电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是经常使用的主要被控参数.其中,温度控制也越来越重要.在工业生产的很多领域中,人们都需要对各类加热炉、热处置炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制.采纳单片机对温度进行控制不单具有控制方便、简单和灵活性年夜等优点,而且可以年夜幅度提高被控温度的技术指标,从而能够年夜年夜的提高产物的质量和数量.
本系统是由核心处置模块、温度收集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等组成.
方案一:
采纳AT89S51作为电路的控制核心,使用12位的高精度模数转换器AD574A进行数据转换,控制电路部份采纳PWM控制可控硅的通断以实行对温度的连续控制,此方案精度相对较高,但价格昂贵.如用于本设计,显得浪费资源.
方案二:
采纳8031作为控制核心,以使用最为普遍的器件ADC0809作模数转换,控制上使用对电阻丝加电使其升温.此方案简易可行,器件的价格廉价,且应用简单.对本次设计而言,相对适宜.
综上分析,针对此次设计,我们采纳方案二即可:
整个系统由8031单片机、8155外围接口芯片,以及2732EPROM可擦除法式存储器、ADC0809模数转换器、温度检测元件和温度控制电路组成.[8]
控制系统工作如下:
资料温度由热电阻丈量,信号放年夜通过放年夜器,毫伏信号放年夜后由A/D转换成相应的数字量,再通过光电耦合器,进入主机电路.由主机进行数据处置,判断分析,再输出数字控制量,去控制加热功率,从而实现对温度的控制.同时,超越上下限时进行自动报警,控制中自动显示温度值.
进行系统设计时,应考虑如下问题:
⑴具有失落电呵护功能;
⑵具有超偏报警功能,超偏时,发光管以闪光形势报警;
⑶输入输出通道和主机都用光电耦合器进行隔离,使仪器具有较强的抗干扰能力;
⑷采纳六位LED显示;
⑸温度控制范围涉及测温元件、电炉功率的选择;
⑹控制精度、超调量等指标,涉及到A/D转换精度、控制规律选择等.
系统原理框图如下所示:
本设计温度控制器以单片机芯片组为控制中心,由失落电呵护供电系统对各个部份进行供电.温度测试电路将温度信息转换为模电信息,经数模转换将其转换为数字信号,然后再传到温度控制中心(芯片组)进行分析处置.在芯片组的处置下,控制温度控制电路的工作,控制显示以后温度及过温报警.温度控制电路工作以改变温度,从而到达控温目的.
第3章测温电路的选择及设计
3.1热电偶测温电路
热电偶是将温怀抱转换成电势年夜小的热电传感器,它被广泛用来丈量100℃─1300℃范围内的温度,它具有结构简单,使用方便,精度高,热惯性小,可测局部温度,集中检测,自动记录等特点.[2]
如图,将两种分歧资料导体A、B两端接在一起,一端温度为
另一端为T(T>
),这时在这个回路中将发生一个与温度
、T以及导体料性质有关的电势
(T、
),这样构成的热电变换元件称为热电偶,可用来丈量温度,这种热电效应发生的电势
(T、
)是由珀尔帖效应和汤姆逊效应引起的.
罕见的几种标准化热电偶有:
铂
—铂热电偶(WRLB)(分度号LB-3)、铂
—铂
热电偶(WRLL)(分度号:
LL-2):
镍铬、镍硅或镍铬—镍铝热电偶(WREV)(分度号EV-2):
镍铬—考铜热电偶(WREA)(分度号EA-2).
3.1.2毫伏变送器
毫伏变送器是电动单位组合仪表中的一种,它可以将来自热电偶的MV级信号转换为电流输出,同时还能对热电偶温—电曲线进行校正,从而使热电偶检测的温度值与变送器的输出具有线性关系,本系统中所有用的变送器为EX系列仪表中的热电偶温度变送器它的输入电路有冷端赔偿和断偶呵护办法,负反馈电路具有线性功能.
线性功能:
毫伏单位变送用折线近似地取代曲线构成非线性负反馈使变送器整个闭合的特性具有非线性,如果这个非线性的规律和所用热电偶特性曲线互相抵消,就可以使输出电压和电流具有完全正比于温度的性能.
为了提高丈量精度,可将变送器进行零点迁移,当温度范围为400℃─1000℃,热电偶输出mv,使变送器输出0~10mv,其输出经过电流—电压变换电路转换为0~5v电压信号,这样,使用8位的ADC使量化误差达±℃.
3.2热敏电阻测温电路
利用感温电阻,把丈量温度转化成丈量电阻的电阻式测温系统,经常使用于丈量-200℃~+500℃范围内的温度,年夜大都金属导体的电阻,都具有随温度变动的特性,其特性方程如下:
、
分别为热电阻在t℃和0℃时的电阻值.
a为热电阻的电阻温度系数(1/℃)
对绝年夜大都的金属导体,a其实不是一个常数,而是温度的函数,分歧的金属导体,a坚持常数所对应的温度范围分歧,选作感温元件的资料应满足如下要求:
⑴资料的电阻温度系数a越年夜,热阻的系数年夜,最敏度越高,纯金属的a比合金的高,所以一般采纳纯金属作热敏电阻元件.
⑵在测温范围内,a坚持常数,便于实现温度表的线性刻度特性.
⑶具有比力年夜的电阻率,有利于减少热电阻的体积,减少热惯性.
⑷特性复现性好,容易复制.
铂的物理化学性能非常稳定,是目前制造热电阻的比力好的资料,有很好的稳定性和丈量精度.
铂的使用温度范围-200℃─+600℃
0─100℃的电阻温度系数平均值(
/℃)为~3.98,电阻率为(Ω·
)
在0℃时,铂的电阻值
=100Ω
3.2.3温度丈量电路
图3.2温度丈量电路
本电路主要分为两个部份:
一部份是温度传感,一部份是信号放年夜.热敏电阻Rt随着温度的分歧而输出相应的电阻值,从而在各个输出端输出分歧的电压值,形成一个微弱的电压信号.这个电压信号经运放放年夜处置后,最终输出一个反应温度情况的可识别电压信号Uo.
第4章芯片组的电路设计
4.1ADCO809与8031接口硬件电路设计
ADCO809是8路输入单片机模数转换器,它采纳逐位迫近式A/D转换原理,可以直接接到微机总线接口上,不需另加I/O接口芯片,它可作为微机的I/O接口,亦可作为存储单位看待,它无需进行调零和满量程调节,多路开关地址输入能够进行锁存和译码,而且其三态TTL输出也可锁存.
图4.1ADC0809与8031接口电路
如图所示ADC0809与8031单片机的接口电路,当P2.2=0时,选中了ADC0809(允许启动各通道转换与读取相应的转换结果),转换结束信号EOC经倒相后接至单片机的外部中断
当p3.3=0时,说明转换结束,我们选用0通道作为输入,因而可以把0809视为一个地址为03F8H的外部数据存储单位,对其写数据时,8031的
信号使ALE和START有效,将74LS373锁存的地址低三位存入0809并启动ADC,当EOC为低电平时,说明A/D转换正在进行,当EOC为高电平(即P3.3=0)时,暗示转换结束,8031可以读入转好的数据.[11]
4.28155和8031接口硬件电路设计
4.2.18155芯片的结构
8155芯片是一种多功能的可编程经常使用外围接口芯片,它具有三个可编程I/O端口(A口和B口是8位C口是6位)一个可编程14位按时计数器和256字节的RAM,能方便地进行I/O扩展和RAM扩展,
芯片引脚功能如下
RESET:
复位输入信号
AD0~AD7:
三态地址/数据复用线
:
片选信号
:
读选通信号线,低电平有效
:
写选通信号线,低电平有效
IO/
RAM/IO选择,IO/
=O,
=0时,单片机选择8155的RAM读写AD0~AD7上的地址为8155的RAM单位地址.
当IO/
=1,
=0时,单片机选择8155的I/O读写AD0~AD7上的地址为8155的I/O地址.
ALE:
地址锁存信号线
PA0~PA7:
端口AI/O线
PB0~PB7:
端口BI/O线
PC0~PC7:
端口CI/O线
TIMER:
按时计数器的输入端
:
按时计数器的输出端
4.2.28155与8031接口电路
P接8155的AD0~AD7时,8155的I/O和RAM地址分配将是:
(1)P2.1=0,P2.0=0时选中8155片中RAM,地址是0000H~00FFH
(2)P2.1=0,P2.0=1时选中2/0口,各口分想地址为:
0100H命令状态寄存器
0101HA口地址
0102HB口地址
0103HC口地址
0104H计数值低8位
0105H计数值高8位和方式寄存器
(3)8155的命令字和状态字
a、8155的命令字
图4.28155命令字
按时器命令
00=无把持
01=停止计数
10=时间到由停止计数
11=装入工作方式和计数长度后立即启动计数器
b、8155的控制字
图4.38155控制字
图4.48031与8155接口电路图
4.32732EPROM的工作原理及硬件接口设计
2732是4K×8位EPROM器件,有12根地址线A11~A0,可以寻址片内4K字节存储器中任何单位,所以称2732为4K字节EPROM.它是一种可编程只读存储器,单一正5V供电,最年夜静态电流150mA,维持电流30mA,24线双列直插式封装,管脚图如下:
图4.52732管脚图
2732是4K×8位的EPROM器件,有12根地址线A11~A0,这12根地址线中高4位A8~A11与P连接,低8位A0~A7与地址锁存器74LS373的输出端Q0~Q7连接(这里地址可映象P0口的地址)数据端D0~D7直接与8031的P0口连接,当8031系统发出低12位地址信息时,分别选中2732片内4K字节存储器中各单位,2732的CE引脚为片选信号输入端,低电平有效,暗示选中该2732芯片.该片选信号决定了2732这块芯片的4K字节存储器在8031系统扩展法式存储器64KB空间中的位置,图中接法2732占有的扩展法式存储器地址空间为0000H~07FFH.[5]
另外,2732的
端,Vpp、
端可组合成2732的各种工作方式(读待机即维持,写即编程,编程检验等)图中连接法其工作方式为读状态,被选
通信号为低电平选通2732即把2732中的D0~D7端口上的法式或常数读入,8031单片机的P0口上去,当
为高电平时,即无效,则禁止2732的数据读入P0口.
图4.62732EPROM与8031硬件接口电路
图中74LS373是带三态输出的8口锁存器,扩展电路中用作外部地址锁存器,三态控制端E接地,以坚持输出疏通,其三态输出还有一定的驱动能力,G端与8031单片机的ALE连接,当G=1时(ALE高电平继续期间)74LS373的输出Q0~Q7随其输入的D0~D1的状态变动即P0口送出的8位地址信号一旦输出,就能映射到2732EPROM的地址输入A0~A7上,G真个状态由“1”变“0”时(ALE不跳变)低8位地址被锁存.
第5章失落电呵护功能电路
失落电呵护电路功能的实现有两种方案:
一是选用E²ROM将重要数据置于其中,二是加接备用电池,如下图所示,稳压电源和备用电池分别通过二级管接于存储器或单片机的Vcc端,当稳压电源电压年夜于备用电池电压时,电池不供电,当稳压电源失落电时,备用电池工作.[9]
仪器内还应设置失落电检测电路,以便在一旦检测到失电时,将断点(PC及各种寄存器)内容呵护起来,图中CMOS555接成单稳形式,失落电时3端输出低电平脉冲作为中断请求信号.光电耦合器的作用是防止干扰而发生误举措,在失落电瞬时,稳压电源在年夜电容支持下,仍维持供电,这段时间主机执行中断服务法式,将断点和重要数据置入RAM.[6]
第6章温度控制电路
温度控制电路采纳可控硅调功方法,双向可控硅相当于一双反相并联的普通可控硅,具有正反相都能控制导通的特性,可用作调温器.将它串在50HZ交流电源和加热丝电路中,只要在给定周期内改变可控硅开关的接通时间,就能改变加热功率,从而实现温度的调节.[13]
对这样的执行机构,单片机只要输出能控制可控硅通断时间的脉冲作为信号就可以了,这可用一条功线通过法式输出控制脉冲.
为了到达过零触发的目的,需要交流电过零检测电路,此电路输出对应于50HZ交流电压过零时刻的脉冲作为触发双向可控硅的同步脉冲,是可控硅在交流电压过零时刻触发导通,电路如下图:
图中电压比力器LM311将50HZ正弦交流电压酿成方波,方波的正跳沿和负跳沿分别作为两个单稳触发器的触发信号,单稳触发器输出的窄脉冲经二极管或门混合就获得对应于220V市电过零时刻的同步脉冲.此同步脉冲一路作为触发同步脉冲加到温控电路,一路作为计数脉冲加到单片机8031和P、P3.5输入端.
电阻炉炉温控制是这样一个反馈调节作用过程:
比力实际炉温和需要炉温获得的偏差通过对偏差的处置获得控制信号去调节炉子的加热功率,从而实现对炉温的控制.
依照偏差的比例,积分和微分发生控制作用,简称PID控制,是过程控制中应用最广泛的一种控制形式,通过对实际运行效果和理论分析标明,这种控制规律在相当多的工业生产中能获得比力好的效果.
计算机PID算法是用差分方程近似实现的.
用微分方程暗示PID调节规律的理想算式为:
式中e(t)=r(t)-y(t)为偏差信号,是调节器的输入信号;r(t)是给定值;y(t)为被控变量;U(t)为调节器输出的控制信号;Kp为比例系数;Ti为积分时间常数;Td为微
分时间常数.计算机只能
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