電阻爐溫度控制系畢業(yè)設計.doc

III 電阻爐溫度控制系畢業(yè)設計電阻爐溫度控制系畢業(yè)設計 目目 錄錄 第第 1 1 章章 概概 述述1 1 1 電阻加熱爐介紹 1 1 2 電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)的目的和意義 1 1 3 電阻加熱爐的特點與展望 1 1 4 控制算法 2 1 4 1 模糊控制 2 1 4 2 神經(jīng)網(wǎng)絡 3 1 5 PID 控制算法 3 1 6 電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計的指導思想 5 1 7 系統(tǒng)主要技術參數(shù) 5 第第 2 2 章章 方案論證方案論證 6 2 1 單片機的選擇 7 2 2 溫度傳感器的選擇 7 2 2 1 熱電阻 8 2 2 2 集成溫度傳感器 8 2 2 3 熱電偶 8 2 3 檢測放大電路的選擇 10 2 3 1 采用差分放大電路 10 2 3 2 電壓比較器方案 10 2 3 3 使用普通集成運算放大電路 10 2 4 模數(shù)轉換電路的選擇 11 2 4 1 采用 V F 轉換器 11 2 4 2 采用雙積分型 A D 轉換器 MC14433 11 2 4 3 采用逐次逼近型 A D 轉換器 AD574A 12 2 5 鍵盤的設計 12 2 5 1 獨立式按鍵接口 12 2 5 2 矩陣式鍵盤接口 13 2 6 顯示器的選擇 15 2 7 接口芯片 8255A 17 IV 第三章第三章 硬件電路設計硬件電路設計 20 3 1 主控制器 8051 單片機 20 3 1 1 8051 單片機的主要功能如下 20 3 1 2 8051 單片機的優(yōu)點 20 3 1 3 8051 單片機的時鐘和復位電路 21 3 1 4 8051 單片機的引腳圖 22 3 2 前向通道的設計 23 3 2 1 溫度檢測電路 23 3 2 2 模數(shù)轉換電路 25 3 3 后向通道的設計 28 3 4 接口電路的設計 30 第第 4 4 章章 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計 32 4 1 PID 計算程序 32 4 2 程序設計 34 4 2 1 主程序設計 34 4 2 2 中斷程序的設計 35 4 2 3 鍵盤輸入子程序流程圖 38 4 2 4 顯示子程序流程圖 39 4 3 數(shù)字濾波子程序 40 4 3 1 數(shù)字濾波的優(yōu)點 40 4 3 2 數(shù)字濾波的常用方法 40 4 3 3 幾種濾波方法的比較 44 總總 結結 45 致致 謝謝 46 參考文獻參考文獻47 附錄附錄 1 1 電阻爐溫度控制硬件電路電阻爐溫度控制硬件電路49 附錄附錄 2 2 程序清單程序清單50 1 第第 1 1 章章 概概 述述 1 11 1 電阻加熱爐介紹電阻加熱爐介紹 電阻加熱爐和一般燃燒爐相比具有占地小 無污染 操作管理方便 易于控 制質(zhì)量和熱效率高等優(yōu)點 電阻加熱爐是熱處理生產(chǎn)中應用最廣泛的加熱設備 這樣在加熱時均溫過程的測量與控制就成為關鍵性的技術 促使人們更加積極地 研究控制熱加工工藝過程的方法 電阻加熱爐的溫度控制具有升溫單向性 大慣 性 大滯后 時變性等特點 其升溫 保溫是依靠電阻絲加熱 降溫則是依靠環(huán) 境自然冷卻 隨著電力工業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展和機械 電子和食品等工業(yè)的發(fā)展 電阻 爐的比重和功能亦將不斷增加 電阻加熱爐是典型的工業(yè)過程控制對象 在我國 有著廣泛的應用 1 21 2 電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)的目的和意義電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)的目的和意義 在工業(yè)領域 如冶金 機械 建材及化工等部門 都大量使用各種爐窯 如 用于熱處理的加熱爐 用于熔化金屬的塔鍋電阻爐等 爐窯運行時 溫度是需要 測控的最基本參數(shù) 不同爐窯的加熱方法與所用燃料有所差異 但被控對象都可 歸于有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié) 溫度以往多采用常規(guī)儀表加接觸器式的斷續(xù)控制 存在不少固有的缺點 為了提高產(chǎn)品質(zhì)量與數(shù)量 節(jié)約能源 改善勞動環(huán)境 已 逐步采用微機控制技術 本文將應用目前性能價格比較高的 8051 單片機 對電阻 爐進行溫度控制 電阻爐是一類量大而廣的工業(yè)設備 利用單片機實現(xiàn)爐內(nèi)溫度 的實時控制 數(shù)字顯示 對于提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量 節(jié)約能源等都有著積 極意義 1 31 3 電阻加熱爐的特點與展望電阻加熱爐的特點與展望 2 在電力穩(wěn)定的供應條件下 電熱爐和燃料爐相比有許多優(yōu)點 特別是不需要 燃料貯存 輸送及燃燒后灰渣和龐大的煙氣排放 凈化等裝置 從而有占地小 裝置 簡單 操作管理方便和無 CO2 SO2等污染的優(yōu)點 同時對加熱質(zhì)量較易控制和保證 可按需要進行整體 局部或表面加熱 從而質(zhì)量高和熱效率高 由于以上特點 電熱爐適合于高級材料和零部件的制造 節(jié)能效果亦好 從 而在汽車 電機 家電和電子等機電加工組裝工業(yè)得到廣泛應用 今后隨著電力 工業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展和加工業(yè)和加工高度化與比重的擴大 電阻爐 感應爐和電阻絲 加熱等將不斷發(fā)展 在鋼鐵工業(yè) 金屬制品和窯業(yè)等高能耗部門 隨著深度加工 高質(zhì)量產(chǎn)品和陶瓷材料等的開發(fā) 加上對節(jié)能和對 CO2等的控制 電阻加熱爐比 重亦將擴大 1 41 4 控制算法控制算法 1 1 4 4 1 1 模糊控制模糊控制 模糊控制利用隸屬度函數(shù)和模糊合成法則等思想巧妙地綜合了人們的直覺經(jīng) 驗 從而在其他經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論不太奏效的場合 如具有純滯后 大慣性 參數(shù)漂移大的非線性不確定分布參數(shù)系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)較滿意的控制 所 以它至少應是一種有效的補充控制手段 反過來也就是說 模糊控制也并非是一 味放之任何系統(tǒng)均有效的 萬應藥 假如某系統(tǒng)可由一組線性微分方程很好地加 以描述 那么也就沒必要使用模糊控制了 可見 模糊控制應用于工業(yè)過程控制 領域相對來講更為合適些 另外 量化因子和比例因子的選擇也影響著整個系統(tǒng)的 品質(zhì) 這些因素致使簡單模糊控制器存在一些缺陷 1 精度不太高 這主要是由于模糊控制表的檔級有限而造成 通 過增加量化等級數(shù)目雖可提高精度 但查詢表將過于龐大 往往受物理條件限制 2 自適應能力有限 這是因為模糊控制器對某些參數(shù)變化不敏感 只能說明 具有魯棒性 而不能講具有自適應能力 3 3 很易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象 如果查詢表構造得不合理或量化因子和比例因子選擇 不當 都會導致振蕩現(xiàn)象 由于以上缺點 不采用模糊控制算法 1 4 21 4 2 神經(jīng)網(wǎng)絡神經(jīng)網(wǎng)絡 神經(jīng)網(wǎng)絡從模仿人腦內(nèi)部結構出發(fā) 試圖在模擬推理 自動學習等方面更接 近人腦的自組織和并行處理能力 它在模式識別 聚類分析和專家系統(tǒng)等方面已 顯出很好的前景 模糊理論突出對人的外在表達方式的描述 以模糊邏輯為基礎 抓住人腦思維的模糊性特點 用以模仿人的模糊綜合判斷推理來處理一般數(shù)學控 制難以解決的模糊綜合控制 兩者之間存在必然 密切的聯(lián)系 神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)點 之一是不依賴于控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 它是通過學習 將輸入與輸出以權值的方 式編碼 將它們關聯(lián)起來 但以網(wǎng)絡的表達權值難以理解為代價換取的 從權值 很難知道網(wǎng)絡編碼的內(nèi)容是什么 另一個問題是它的訓練樣本如何從專家那里取 來 如何表達成神經(jīng)網(wǎng)絡能接收的知識 怎么知道它們是否可靠和具有代表性 還不清楚 有用的信息是如何存儲在網(wǎng)絡中的各神經(jīng)元之中的 其機理尚不清楚 因此關于網(wǎng)絡結構的選擇缺乏充分的理論分析 究竟選擇幾層 每層有多少個神 經(jīng)元為可行 對此目前只能憑經(jīng)驗 1 51 5 PIDPID 控制算法控制算法 本文對工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)電阻爐爐溫進行研究 設計了硬件電路和 軟件程序 硬件電路選用 8051 單片機 軟件程序采用中斷查詢方式 提出了一種 PID 控制的方法 即只調(diào)節(jié) Kp 一個參數(shù) 來實現(xiàn) PID 控制 與常規(guī) PID 三個參數(shù) 調(diào)整相比 省時 高效 為實現(xiàn)簡易的自整定控制帶來方便 電阻爐爐溫為一階 慣性純滯后系統(tǒng) 調(diào)節(jié) Kp 的值 可得到較為理想的階躍響應曲線 PID 調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術最成熟 且應用最廣泛的一種控制方法 它結構 靈活 不僅可以采用常規(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 的變種 如 PI PD 控制 不完全微分控制 積分分離式 PID 控制 帶死區(qū)的 4 PID 控制 變速積分 PID 控制 比例 PID 控制等等 PID 控制器把設定值與實際輸 出值相減 得到控制偏差 偏差值經(jīng)過比例 積分 微分運算后通過線性組合構成 控制量 然后對對象進行控制 雖然計算機控制是離散的 但對于時間常數(shù)比較大 的系統(tǒng)來說 其近似于連續(xù)變化 因此 用數(shù)字 PID 完全可以代替模擬調(diào)節(jié)器 而且可以得到比 較滿意的效果 所以 用數(shù)字方式模擬 PID 調(diào)節(jié)器仍是目前應用比較廣的方法之 一 在模擬控制系統(tǒng)中 其過程控制是將被測參數(shù) 如溫度 壓力 流量 成分 液位等由傳感器變換成統(tǒng)一的標準信號后輸入調(diào)節(jié)器 在調(diào)節(jié)器中與給定值進行 比較 再把比較出的差值經(jīng) PID 運算后送到執(zhí)行機構 改變進給量 以達到自動 調(diào)節(jié)的目的 在數(shù)字控制系統(tǒng)中則是用數(shù)字調(diào)節(jié)器來代替模擬調(diào)節(jié)器 按偏差的 比例 積分和微分進行控制和調(diào)節(jié) 是連續(xù)系統(tǒng)中應用最廣泛的一種調(diào)節(jié)器 在 工業(yè)過程控制中 由于控制對象的精確數(shù)學模型難以建立 系統(tǒng)的參數(shù)又經(jīng)常發(fā) 生變化 運用現(xiàn)代控制理論分析綜合要耗費很大代價進行模型辨識 建立系統(tǒng)的 數(shù)學模型十分困難 應用直接數(shù)字控制方法比較困難 甚至根本不可能 所以人 們經(jīng)常采用 PID 調(diào)節(jié)器 并根據(jù)經(jīng)驗進行在線整定 即用實驗和分析的方法來確 定數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù) 但是 常規(guī) PID 調(diào)節(jié)三個參數(shù)的整定一般需要經(jīng)驗豐 富的工程技術人員來完成 步驟繁瑣復雜 既耗時又耗力 而且當對象特性變化 時 又要重新整定 并且在現(xiàn)代工業(yè)控制過程中 許多被控對象機理復雜 具有 多輸入多輸出的強耦合性 參數(shù)時變性 嚴重的非線性特性 滯后性等特點 在 這種情況下 采用常規(guī) PID 調(diào)節(jié)器 三個參數(shù)的整定比較困難 為此本文提出了 采用歸一參數(shù)整定法 即只整定一個參數(shù) 這樣減少了許多工作量 提高了工作 效率 為實現(xiàn)簡易的自整定控制帶來方便 隨著計算機運算速度的大幅度提高和存儲信息的大量增加 PID 調(diào)節(jié)在工業(yè) 過程控制 航空航天領域內(nèi)將得到廣泛的應用 因此研究 PID 控制具有較高的工 程實踐意義 具有廣泛的應用前景 13 熱電阻爐的發(fā)熱體為電阻絲 常規(guī)方式大多采用模擬儀表測量溫度 并通過 控制交流接觸器的通斷時間比例來控制加熱功率 此方法存在某些固有的缺點 如溫度與儀表值不符 溫度延遲等問題 而采用微機進行爐溫控制 可大大提高 5 控制質(zhì)量和自動化水平 具有良好的經(jīng)濟效益 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 且無法實現(xiàn)按程序 設定的升溫曲線升溫和故障自診斷功能 本文提出的爐溫控制系統(tǒng)采用高精度放 大器及 A D 轉換器以獲得較高的測溫精度 并采用溫度傳感器對熱電偶進行冷端 補償 利用單片機 8051 實現(xiàn)控制算法 按設定值 所測溫度值 溫度變化速率 自動進行 P 參 數(shù)自整定和運算 按程序設定溫度曲線升溫 具有鍵盤輸入及顯示功能 使用雙 向 導通可控硅實現(xiàn)加熱功率的控制 顯著提高了測量精度 采用單片微型計算機 雙向可控硅調(diào)功 動態(tài)給定和變參數(shù)的 PID 控制系統(tǒng) 與以前常用的模擬控制系統(tǒng)比較 不但控制精確 本系統(tǒng)恒溫期間溫度波動可不大 于 1 簡單方便 大大減輕運行工人的勞動強度 而且能降低電耗 本系統(tǒng)電 耗降低 10 以上 有較好的經(jīng)濟效益和社會效益 使電阻爐的溫度控制提高到一 個新的水平 1 61 6 電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計的指導思想電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計的指導思想 電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本主要由溫度檢測系統(tǒng) 信號處理系統(tǒng) 輸入輸 出系統(tǒng) 輸出控制系統(tǒng)四部分組成 溫度檢測主要由溫度傳感器構成 根據(jù)精度 及測量范圍的要求選擇也不同 可以是熱電偶式的 也可以是熱電阻式的 還可 以是熱敏電阻或集成溫度傳感器器件的等等 在信號處理系統(tǒng)原理上無外乎是信 號的放大 數(shù)模轉換 微機處理一系列環(huán)節(jié) 根據(jù)不同的要求其內(nèi)部結構也不同 但基本都是遵循這條原則 輸入輸出可根據(jù)不同的需要和不同的場合來設計 在 精度要求高 設置要求快的環(huán)境下可使用多鍵鍵盤和 LCD 液晶顯示 在精度和速 度要求不高的情況下則可使用簡易鍵盤和 LED 數(shù)碼管顯示 輸出方面的指導思想 是在精度要求高的情況下采用連續(xù)調(diào)節(jié)電阻兩端的電壓進行功率調(diào)節(jié) 而精度要 求不是很高的情況下則是通過控制電阻兩端電壓的通斷來進行對溫度的控制 通 常都是選用雙向可控硅來實現(xiàn)功率調(diào)節(jié) 這樣能更好的控制溫度 提高精度 6 1 71 7 系統(tǒng)主要技術參數(shù)系統(tǒng)主要技術參數(shù) 1 測溫范圍 0 1000 2 控制精度 1 3 保溫精度 1 5 第第 2 2 章章 方案論證方案論證 系統(tǒng)的組成及工作原理 溫度是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一 如冶金 機械 食品 化工各類專 業(yè)中廣泛使用各種加熱爐 熱處理爐 反應爐等 對工件的處理溫度要求嚴格控 制 圖 2 1 為電阻爐爐溫控制系統(tǒng)原理圖 控制過程是這樣的 單片機定時對爐溫 進行檢測 經(jīng) A D 轉換得到相應的數(shù)字量 再送到微機進行判斷和運算 得到應 有的控制量 去控制加熱功率 從而實現(xiàn)對溫度的控制 具體包括 1 爐溫變化規(guī)律控制 即爐溫按預定的溫度一時間關系變化 這主要在控制 程序中考慮 2 溫度控制范圍 如 400 1000 這就涉及到測溫元件 電爐功率等的 選擇 3 控制精度 超調(diào)量等指標 這涉及到 A D 轉換精度 控制規(guī)律的選擇等 本文用 8051 單片機實現(xiàn)控制 為了便于用戶根據(jù)不同的實際需要對工作方式 及其他參數(shù)組態(tài)進行修改 要求所有的參數(shù)及組態(tài)狀況均可通過面板的幾個操作 鍵輸入 檢查 修改 并可在斷電情況下 使參數(shù)保存半年 為了便于與上級計 算機構成兩級控制系統(tǒng) 在單片機控制系統(tǒng)中還加入了通信功能 采用 RS 232 接 7 口 通信速率為 1200b s 2400b s 4800b s 和 9600b s 等四種波特率 由用戶 通過鍵盤自行按需要選擇 系統(tǒng)的測量值和所有設定參數(shù)均由 LED 數(shù)碼管直接顯 示 讀數(shù)清晰 直觀 控制器的結構如圖 2 1 所示 2 1 控制原理圖 2 12 1 單片機的選擇單片機的選擇 在大學期間我們主要學習了 8031 和 8051 兩種單片機 他們都是 MCS 51 系列 單片機的代表產(chǎn)品 因為 8031 單片機片內(nèi)無程序存儲器 在使用時需要外部加擴 展 而 8051 片內(nèi)有 4KB 的程序存儲器 無須外部擴展 電路設計也更簡單 所以 設計選擇了 8051 單片機 系統(tǒng)采用 MCS 51 系列的單片機 8051 MCS 51 單片機是美國 INTE 公司于 1980 年推出的產(chǎn)品 與 MCS 48 單片機相比 它的結構更先進 功能更強 在原 來的基礎上增加了更多的電路單元和指令 指令數(shù)達 111 條 MCS 51 單片機可以 算是相當成功的產(chǎn)品 一直到現(xiàn)在 MCS 51 系列或其兼容的單片機仍是應用的主 流產(chǎn)品 各高校及專業(yè)學校的培訓教材仍與 MCS 51 單片機作為代表進行理論基礎 學習 8051 是 MCS 51 系列單片機中的代表產(chǎn)品 它內(nèi)部集成了功能強大的中央 PID調(diào)節(jié)被控過程執(zhí)行機構 溫度檢測與變送 e W Y 溫度 8 處理器 包含了硬件乘除法器 21 個專用控制寄存器 4kB 的程序存儲器 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器 4 組 8 位的并行口 兩個 16 位的可編程定時 計數(shù)器 一個 全雙工的串行口以及布爾處理器 3 2 22 2 溫度傳感器的選擇溫度傳感器的選擇 溫度是表征物體冷熱程度的物理量 它與人們生活關系最為密切 是工業(yè)控 制中的四大物理量 溫度 壓力 流量和物位 之一 也是人們研究最早 檢測 方法 最多的物理量之一 各種不同的物體有著不同的溫度范圍 從總體來說 溫度分 布范圍極廣 加上被控對象的種類繁多 雖然溫度的傳感器種類很多 但至今沒 有一種溫度傳感器能覆蓋整個溫度范圍 而又能滿足一定的測量精度 只能根據(jù) 不同的溫度范圍和不同的被測對象 適當選擇不同的傳感器 2 2 12 2 1 熱電阻熱電阻 熱電阻材料一般有兩類 貴金屬和非金屬 熱電阻利用物質(zhì)在溫度變化時本 身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來測量溫度的 被測溫度的變化是直接通過熱電阻 阻值的變化來測量的 熱電阻的受熱部分 感溫元件 是用細金屬絲均勻的纏繞 在絕緣材料制成的骨架上 當被測介質(zhì)中有溫度梯度存在時 所測得的溫度是感 溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度 它的主要特點是測量精度高 性能穩(wěn)定 其中鉑熱電阻的測量精確度最高 因為熱電阻是中低溫區(qū)常用的一種測溫元件 其測溫范圍一般在 200 500 在本設計中遠遠低于最高溫度的要求 所 以不采用它測溫 2 2 22 2 2 集成溫度傳感器集成溫度傳感器 集成溫度傳感器是把溫度傳感器與放大電路等后續(xù) 利用集成化技術制作在 同一芯片的功能器件 這種傳感器輸出信號大 與溫度有較好的線性關系 小型 9 化 成本低 使用方便 測量精度高等優(yōu)點 由于感溫元件與全部其他電器都集 中在一個小芯片 所以傳感器的功 耗及自然效應 以及在工作溫度范圍內(nèi)電路元件的熱穩(wěn)定性 是影響這種傳感器 性能的主要因素 集成電路溫度傳感器的工作范圍是 50 150 低于設計 要求 不予采用 2 2 32 2 3 熱電偶熱電偶 熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一 其優(yōu)點是 測量精度高 因熱電偶直接與被測對象接觸 不受中間介質(zhì)的影響 測量范圍廣 常用的熱電偶從 50 1600 均可持續(xù)測量 某些特殊熱電偶 最低可測到 269 如金鐵鎳鉻 最高可達 2800 如鎢 錸 構造簡單 使用方便 熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成 而且不受大小 和開頭的限制 外有保護套管 用起來非常方便 1 熱電偶測溫基本原理 將兩種不同材料的導體或半導體 A 和 B 焊接起來 構成一個閉合回路 當導體 A 和 B 的兩個執(zhí)著點之間存在溫差時 兩者之間便產(chǎn)生電動勢 因而在回路中形成 一定大小的電流 這種現(xiàn)象稱為熱電效應 熱電偶就是利用這一效應來工作的 2 熱電偶的種類及結構形成 1 熱電偶的種類 常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類 所謂標準熱電偶是指國 家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關系 允許誤差 并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電 偶 它有與其配套的顯示儀表可供選用 非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上 均不及標準化熱電偶 一般也沒有統(tǒng)一的分度表 主要用于某些特殊場合的測量 熱電偶標準我國從 1988 年 1 月 1 日起制定 熱電偶和熱電阻全部按 IEC 國際標準 生產(chǎn) 并指定 B S K E J 等幾種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶 2 熱點偶的冷端補償 10 由于熱電偶的材料一般都比較貴重 特別是采用貴金屬時 而測溫點到儀 表的距離都很遠 為了節(jié)省熱電偶材料 降低成本 通常采用補償導線把熱電偶 的冷端 自由端 延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi) 連接到儀表端子上 必須指 出 熱電偶補償導線的作用只是延伸熱電極 使熱電偶的冷端移動到控制室的儀 表端子上 它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響 不起補償作用 因此 還需采用其他修正方法來補償冷端溫度 t0 0 時對測溫的影響 在使用熱電偶補償導線時必須注意型號相配 極性不能接錯 補償導線與熱 電偶連接端的溫度不能超過 100 本設計要求的測溫范圍在 0 1000 溫度 較高 因此選擇熱電偶中的 K 型熱電偶來測溫 可以滿足設計要求 所以溫度傳 感器選擇熱電偶 10 2 32 3 檢測放大電路的選擇檢測放大電路的選擇 放大是最基本的模擬信號處理功能 它是通過放大電路實現(xiàn)的 大多數(shù)模擬 電子系統(tǒng)都應用了不同類型的放大電路 因為檢測外部物理信號的傳感器所輸出 的電信號通常是很微弱的 對這些能量過于微弱的信號 既無法直接顯示 一般 也很難作進一步處理 通常必須把它們放大到一定的數(shù)量級 才能被數(shù)字儀表或 傳統(tǒng)的指針式儀表顯示出來 2 3 12 3 1 采用差分放大電路采用差分放大電路 差分放大電路是由典型的工作點穩(wěn)定電路演變而來的 它是構成多級直接耦 合放大電路的基本單元電路 但是差分放大電路應用的元件小而多 會把電路復 雜化 因此應選用集成度更高的 精度也更高的元件 所以不予采用 2 3 22 3 2 電壓比較器方案電壓比較器方案 電壓比較器的功能是比較兩個電壓的大小 例如將一個信號電壓和一個參 i U 考電壓進行比較 在 和Ui 1 ei ei 1 Ei 1 ei 2 返回 36 4 24 2 程序設計程序設計 4 4 2 2 1 1 主程序設計主程序設計 主程序包括 8051 本身的初始化以及各并行 I O 口的初始化等 為簡化起見 本程序只給出有關標志暫存單元和顯示緩沖區(qū)清零 T0 初始化開 CPU 中斷溫度顯示 和鍵盤掃描等程序等 相應程序框圖如圖 4 2 所示 1 圖 4 2 主程序流程圖 4 4 2 2 2 2 中斷程序的設計中斷程序的設計 T0 中斷服務程序框圖如圖 4 3 所示 圖中可見 T0 中斷服務程序是溫度控制 開始 設定堆棧指針 清標志和暫存單元 清顯示緩從器區(qū) T0初始化開 CPU中斷 掃描鍵盤 37 系統(tǒng)的主體程序 用于采樣爐溫 讀入采樣數(shù)據(jù) 數(shù)字濾波 PID 計算和在 P1 3 引腳上輸出控制脈沖等 在 T0 中斷服務程序中 8051 把計算出的 PID 值得補碼 送入 TL0 使 P1 3 置為高電平 1 狀態(tài)和啟動 T1 工作 另一方面是進行溫度標 度轉換 把本次采樣的溫度值放入顯示緩沖區(qū)和調(diào)用溫度顯示程序 然后等待 T1 中斷 并在該中斷服務程序中使 P1 3 復位成低電平 0 狀態(tài) 以便在 P1 3 引腳 上形成一個正控制脈沖 控制加在可控硅管控制板上過零同步脈沖個數(shù) 達到對 爐內(nèi)溫度的調(diào)節(jié) 保護現(xiàn)場 Ui K Umax 求補 取最小PID值輸出 Y N Y N 38 圖4 3 T0中斷服務程序流程圖 39 圖 4 4 T1中斷服務程序 T1中斷程序 停止輸出 清標志D5H 返回 40 4 4 2 2 3 3 鍵盤輸入子程序流程圖鍵盤輸入子程序流程圖 圖 4 5 鍵盤輸入程序 調(diào)用顯示子程序 延遲6m 有鍵盤閉合 2次調(diào)用顯示子程序 延遲12m 判斷閉合鍵鍵號 堆棧 有鍵盤閉合 閉合鍵釋放否 輸入鍵號 A RET Y N Y N Y N 開始 41 4 2 44 2 4 顯示子程序流程圖顯示子程序流程圖 圖 4 6 顯示子程序 掃描模式置初值07H R3 R3 8255A口 顯示數(shù)據(jù) 8255B口 延遲5m 顯示緩沖器指針R0加1 顯示緩沖區(qū)置初值79H R0 R3 5 1 R3左移一位 RET Y 開始 42 4 34 3 數(shù)字濾波子程序數(shù)字濾波子程序 4 4 3 3 1 1 數(shù)字濾波的優(yōu)點數(shù)字濾波的優(yōu)點 一般微機應用系統(tǒng)的輸入信號中 均含有種種噪音和干擾 它們來自被測信 號源本身 傳感器 外界干擾等 為了進行準確測量和控制 必須消除被測信號 中的噪音和干擾 噪音有兩大類 一類為周期性的 另一類為不規(guī)則隨機性的 前 者的典型代表為 50Hz 的工頻干擾 對于這類信號 可以采用積分時間等于 20ms 整數(shù)倍的雙積分 A D 轉換器 能有效的消除其影響 后者為隨機信號 而不是周 期信號對于隨機干擾 可以用數(shù)字濾波方法加以消弱或濾除 所謂數(shù)字濾波 就 是通過程序計算或判斷以減少干擾在有用信號中的比重 故實際上它是一種程序 濾波 數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足 它與模擬濾波器相比 有以下幾個優(yōu) 點 1 數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的 不需要增加硬設備 所以可靠性高 穩(wěn)定性 好 2 數(shù)字濾波可以對頻率很低 如 0 01 Hz 的信號實現(xiàn)濾波 克服了模擬濾 波器的缺陷 3 模擬濾波器通常每個通道都有 而數(shù)字濾波器則可以多個通道共用 從 而降低成本 4 數(shù)字濾波器可以根據(jù)信號的不同 采用不同的濾波方法或濾波參數(shù) 具 有靈活 方便 功能強的特點 由于數(shù)字濾波器具有以上優(yōu)點 所以數(shù)字濾波在微機應用系統(tǒng)中得到了廣泛 的應用 16 4 4 3 3 2 2 數(shù)字濾波的常用方法數(shù)字濾波的常用方法 1 算術平均濾波程序 算術平均法是輸入一次采樣的 N 個數(shù)據(jù) Xi 1 為 1 N 并尋找這樣一個 y 使 y 與各采樣值之間的偏差的平方和為最小 即 43 4 5 由一元函數(shù)求極值原理可得 4 5 這時 y 即可滿足式 4 1 式 4 2 即是算術平均值法的算式 設第二次測量的測量值包含信號成分 Si和噪音成分 Ci 則進行 N 次測量的信 號成分之和為 4 6 噪音的強度是用均方根來衡量的 當噪音為隨機信號時 進行 N 次測量的噪 音強度之和為 4 7 上述兩式中 S C 分別表示進行 N 次測量后信號和噪音的平均幅度 這樣對 N 次測量進行算術平均后的信噪比為 4 8 式中 S C 是求算術平均值的信噪比 因此 采用算術平均法后 使信噪比提高了 倍 N 算術平均值法適用于一般的具有隨機干擾的信號濾波 并特別適合于信號本 身在某一數(shù)值范圍附近作上下波動的情況 如流量 液平面等信號的測量 由式 4 5 可知 算術平均值法對信號的平滑濾波程序完全取決于 N 當 N 較大時 平 滑度高 但靈敏度低 即外界信號的變化對測量計算結果 y 的影響小 當 N 較小時 1 1 N i i yX N 2 1 N i i CNC NSS N CNC S N 1i N Si min 2 1 N i i XyE 44 平滑度較低但靈敏度高 因此 應按具體情況選取 N 如對流量的測量 可取 N 8 到 16 對壓力的測量 可取 N 4 等 算術平均值法程序可直接按式 4 2 編出 只是需注意兩點 一是 xi 的輸入方 法 對于定時測量 為了減少數(shù)據(jù)的存儲容量 可對測得的 xi 值直接按式 4 2 進行計算 但對某些應用場合 為了加快數(shù)據(jù)測量的速度 可采用先測量數(shù)據(jù) 并把它先存放在存儲器中 測量完 N 點后 再對測得的 N 個數(shù)據(jù)進行平均值計算 二是選取適當?shù)?x y 的數(shù)據(jù)格式 即 x y 是定點數(shù)還是浮點數(shù) 采用浮點數(shù)計 算比較方便 但計算時間較長 采用定點數(shù)可加快計算速度 但是必須考慮累加時 是否會產(chǎn)生溢出 如數(shù)據(jù)為 14 為的二進制定點數(shù) 可采用雙字節(jié)運算 但當 N 4 時就可能產(chǎn)生溢出 2 滑動平均值濾波程序 算術平均濾波法 每計算一次數(shù)據(jù) 需測量 N 次 對于測量速度較慢或要求 數(shù)據(jù)計算速率較高的實時系統(tǒng) 該方法是無法使用的 如假設 A D 數(shù)據(jù)采樣速率 為每秒采樣 10 次 而要求每秒輸入 4 次數(shù)據(jù)時 則 N 不能大于 2 下面介紹一種 只需進行一次測量 就能得到一個新的算術平均值的方法 滑動平均值法 滑動平均值法采用隊列作為測量數(shù)據(jù)存儲器 隊列的隊長固定為 N 每進行 一次新的測量 把測得的結果放入隊尾 而扔掉原來隊首的一個數(shù)據(jù) 這樣在隊 列始終有 N 個最新的數(shù)據(jù) 計算平均值時 只要把隊列中的 N 個數(shù)據(jù)進行算術平 均 就的得到新的算術平均值 這樣每進行一次測量 就可得到一個新的算術平 均值 上面介紹的這兩種平均值方法 都是采用算術平均的方法 在這種方法中 對于 N 次內(nèi)的所有采樣值 在其結果中的比重是相等的 但是有時為了提高濾波 效果 將各采樣值取不同的比例 然后再相加 此種方法即為加權平均法 一個 N 項加權平均式為 式中 C0 C1 Cn 1 均為常數(shù)項 應滿足下列關系 1 0 1 n i i C 1 0 1 n i ixn CY 45 式中 C0 C1 C2 Cn l為各此采樣值的系數(shù) 可根據(jù)具體情況決定 一般采樣 次數(shù)愈靠后 取的比例愈大 這樣可增加新的采樣值在平均值中的比例 其目的 是 增加信號的某一部分 抑制信號的另一部分 為計算方便 可取各加權系數(shù) Ci 均為整數(shù)且總和為 256 加權運算之后的累 加和 Yn 除以 256 以后便是有效采樣值 各加權系數(shù)用一個表格存放在 ROM 中 各 次采用值依次存放在 RAM 中 3 擾平均值濾波 復合濾波 在工業(yè)控制等應用場合中 經(jīng)常會遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象 干擾通常只影響 個別采樣點數(shù)據(jù) 此數(shù)據(jù)與其他采樣點數(shù)據(jù)相差比較大 如果采用一般的平均值 法 則干擾將 平均 到計算結果上去 故平均值法不易消除由干擾脈沖引起的 采樣值的偏差 為此 可采取先對平均值法的 N 個數(shù)據(jù)進行比較 并按大小順序 排隊后 除掉其中最大值和最小值 然后計算余下的 N 2 個數(shù)據(jù)的算術平均值 這種方法即可濾去脈沖干擾又可濾除小的隨機干擾 在實際應用中 N 可取任何值 但為了加快數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理速度 一般 N 不能太大 通常 N 取為 4 這時即為四取二再取平均值法 它具有計算方便 速 度快 需存儲容量小等特點 因而得到了廣泛的應用 4 程序判斷濾波 當采樣信號由于隨機干擾 誤檢測或者轉換器不穩(wěn)定而引起嚴重失真時 可 采用程序判斷濾波 程序判斷濾波的方法 是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗 確定出兩次采樣輸入信號可能出現(xiàn) 的最大偏差 x 若超過此偏差值 則表明本次輸入信號是干擾信號 應該去掉 若小于此偏差值 則表明本次采樣信號有效 可作為本次采樣值 程序判斷濾波根據(jù)濾波方法不同 可分限幅濾波和限速濾波兩種 限幅濾波 所謂限幅濾波就是把兩次相鄰的采樣值進行相減 求出其增量 然后有兩次 采樣允許的最大差值進行比較 如果小于或等于 x 則取本次采樣值 如果大于 x 則仍取上次采樣值作為本次采樣值 46 為了加快程序的判斷速度 將經(jīng)驗限額值取反 后以立即數(shù)的形式編入程序 中 然后用加法運算來取代比較運算 如果相鄰兩次采樣值最大變化范圍不超過 04H 取反為即為 0FBH 當變化量為 05H 時 與經(jīng)驗限額值的反碼 0FBH 相加后 即產(chǎn)生進位 從而為判斷指令提供了判斷標志位 限速濾波 設順序采樣時刻 t1 t2 t3 所采集的參數(shù)分別為 xl x2 x3 則當區(qū) 2 xl x 則 x2 輸入計算機 x2 x1 x 則 x2 不采用 但仍保留 再繼續(xù)采 樣一次 得 x3 x3 xl x 則 x3 輸入計算機 x3 xl x 則 x2 x3 2 輸 入計算機 這是一種折中的方法 即照顧了采樣的實時性 又照顧了采樣的連續(xù)性 程 序判斷濾波程序 可用于變化比較緩慢的參數(shù)如溫度 液位等 4 4 3 3 3 3 幾種濾波方法的比較幾種濾波方法的比較 以上介紹了幾種常用的數(shù)字濾波程序 隨著微機控制技術的發(fā)展 數(shù)字濾波 方法將越來越完善 每種濾波程序都有其各自的特點 可根據(jù)具體的測量參數(shù)進 行合理的利用 在具體選用濾波方法時需從以下幾個個方面加以考慮 1 濾波效果 一般說來 對于變化比較緩慢的參數(shù)如溫度 可選用程序判斷濾波以及一階 滯后濾波方法比較好 而對于變化較快的脈沖參數(shù) 則可選用算術平均和加權平均 濾波方法 而且加權平均濾波方法比算術平均方法更好 22 2 濾波時間 在考慮濾波效果的前提下 應盡量采用執(zhí)行時間比較短的程序 如果微機的 時間允許 則可采用效果較好的復合濾波程序 需要說明的是 數(shù)字濾波固然是消除微機控制系統(tǒng)干擾的好方法 但一定要 注意 并不是在任何一個系統(tǒng)種都需要進行數(shù)字濾波 有時不適當?shù)牟捎脭?shù)字濾 波反而適得其反 造成不良影響 如在自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中 采用數(shù)字濾波有時會把 偏差值濾掉 因而使系統(tǒng)失去調(diào)節(jié)作用 因此 在設計微機控制系統(tǒng)時 要不要 數(shù)字濾波 或者到底采用哪一種形式的濾波方法 一定要根據(jù)實驗后確定 絕對 47 不能照搬硬套 微機控制系統(tǒng)通常直接放在生產(chǎn)現(xiàn)場 會受到很嚴重的干擾 可以采用濾波 的方法來消除干擾 這里采用中值濾波 就是連續(xù)三次取樣 取中間值作為本次 取樣值 三次取樣值分別放在 2CH 2DH 2EH 中 取中間值放在累加器 A 中 同 時也轉存在 2AH 單元內(nèi) 以備進行溫度標度轉換用 總總 結結 本設計主要是對電阻爐溫度自動控制系統(tǒng)的研究 其電阻爐的功能是對溫度 進行自動控制 系統(tǒng)由 8051 處理器為核心 采用 PID 控制算法進行程序設計 由 單片機直接控制雙向可控硅進行溫度控制 本論文是我三個月來不斷努力的成果 其間查閱和整理了大量資料 但由于 時間有些倉促和我對知識掌握的不夠 論文還存在著缺點和不足需要去改進完善 在本設計中 我深深的體會到了自己所學知識不足等缺點 尤其是不能把在 書本上所學的知識理論靈活的應用在實踐中去 由于本人的水平有限 在設計中 存在很多不足之處 比如在各個電路的選擇和方案的選擇上 沒有達到最理想的 要求 存在欠缺和需要改善的地方 請各位答辯老師指正 48 致致 謝謝 在這畢業(yè)設計即將完成之際 我要向我的指導教師謝慕君老師表示由衷的感 謝 在這次設計期間 謝老師給予了我耐心的指導和不斷的鼓勵 為我們提供了 大量的學習的條件 使我能順利完成這次設計 謝老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度 耐心細 致的講解 對學生認真負責的精神以及寬以待人的胸懷 都給我留下了深刻的印 象 使我受益匪淺 更重要得是 我從她那里不僅學習到知識 而且掌握了許多 學習方法 增長了學習的能力 最后感謝四年來學校全體老師們對我的培養(yǎng) 在這四年里我收獲了很多 在 我投身社會之際 我將以滿腔的熱情 旺盛的精力努力工作 不辜負學校對我的 期望 49 參參 考考 文文 獻獻 1 胡漢才編著 單片機原理及系統(tǒng)設計 J 北京 清華大學出版社 2001 2 白文峰 李霄燕編著 自動控制原理 J 吉林科學技術出版社 2003 3 張毅剛編著 單片機原理與應用 J 高等教育出版社 2004 4 王兆安 黃俊 電力電子技術 J 機械工業(yè)出版社 2002 5 陳杰 黃鴻編著 傳感器與檢測技術 J 高等教育出版社 2002 6 于海生等編著 微型計算機控制技術 J 北京 清華大學出版社 1998 7 李正軍編著 計算機測控系統(tǒng)的設計與應用 J 機械工業(yè)出版社 2004 8 康華光主編 電子技術基礎 J 高等教育出版社 1998 9 高金源等編著 計算機控制系統(tǒng) J 北京 北京航空航天大學出版社 2000 10 鄒伯敏編 自動控制理論 J 北京 機械工業(yè)出版社 1998 11 趙曉安主編 MCS 51 單片機原理及應用 J 天津 天津大學出版社 2000 12 曾慶波 孫國霞編著 微型計算機控制技術 J 四川 電子科技大學出版 社 1999 13 沈國江 孔亞廣 強時變時滯系統(tǒng)的魯棒 PID 繼電自整定控制技術 自 動化博覽 14 王亞剛 邵惠鶴 一種基于靈敏度的自整定最優(yōu) PI 控制器 自動化學報 2001 15 趙建華 沈永良 一種自適應 PID 控制算法 自動化學報 2001 16 周斌 吳剛 張志剛等 基于自適應法的 PID 自整定儀的開發(fā)及應用 儀 器儀表與裝置 2001 17 吳曉帆 智能 PID 控制 自動化與儀表 2001 18 張軍英 方敏 智能 PID 控制器及其自學習 黑龍江自動化技術與應用 19 陶永華著 新型 PID 控制及其應用 J 北京 機械工業(yè)出版社 1998 20 何立民編著 MCS 5 I 系列單片機應用系統(tǒng)設計 J 北京 北京航空航天 大學出版社 1999 21 潘新民編著 微型計算機控制技術 J 北京 人民郵電出版社 1998 22 郭鎖風主編 計算機控制系統(tǒng) J 北京 航空工業(yè)出版社 1987 23 張晉格主編 計算機控制原理及應用 J 北京 電子工業(yè)出版社 1995 50 24 金以惠著 過程控制 J 北京 清華大學出版社 25 杜雋隆著 微型計算機控制系統(tǒng) J 西安 西北工業(yè)大學出版社 1992 26 楊大怡著 微型計算機控制技術 J 重慶 重慶大學出版社 1996 27 李人厚編著 智能控制理論和方法 J 西安 西安電子科大出版 1998 28 任興全土編 控制系統(tǒng)計算機仿真 J 北京 機械工業(yè)出版社 1987 29 吳麟主編 白動控制原理 J 北京 清華大學出版社 1987 30 戴忠達著 自動控制理論基礎 J 北京 清華大學出版社 1988 31 Nick Sigrimis Robort E King Advances in greenhouse environment control Computers and Electronics Agriculture 20D0 26 3 217 219 32 Zhou Changji Wang Yingkuan Moder Greenhouses and Their Performances in China Transactions of the CSAE 2001 17 1 16 21 33 S Ameur a M Laghrouche a A Adane b Monitoring a greenhouse using a microcontroller based meteorological data acquisition system Renewable Energy RPnewahie Fnprev 2001 24 1 19 30 34 K G Arvan it is a P 1 Paraskevopoulos b A A Vernardos b Multirate adaptive temperature control of greenhouses Computers and Electronics in Agriculture 2000 26 3 303 320 35 Th H Gieling K Schurer Sensors for information acquisition and control in Greenhouse Systems Automation Culture and Environment ed G Giacomell i Nw Brunswick Nw Tersev 1994 36 Th H Gieling W Th M van Meurs H J J Janssen A computer network with scada and case tools for on line process control in greenhouses Advances in Space Research 1996 iR 1 2 171 174 37 P Jones Simulation For Determining Greenhouse Temperature Setpoints Transactions of the ASAF 1990 33 5 38 Nasser Sionit Hellmers B R strain Growth and yield of wheat under CO2 enrichment and water stress Crop Sciense 1980 20 687 690 39 Katsu Imai Manami Okamoto Saro Effect of temperature on C02 dependence of gas exchanges in C3 and C4 crop plants japan J Crop 51 Sci 1991 60 1 139 145 40 Deng Man Tu Generating Rules for Fuzzy Logic Controller by Functions Fuzzy Sets and Systems 1996 36 83 89 52 附錄附錄 1 1 電阻爐溫度控制硬件電路電阻爐溫度控制硬件電路 123456 A B C D 654321 D C B A B 24 May 2011 K 3 DD B D0 34 D1 33 D2 32 D3 31 D4 30 D5 29 D6 28 D7 27 PA 0 4 PA 1 3 PA 2 2 PA 3 1 PA 4 40 PA 5 39 PA 6 38 PA 7 37 PB0 18 PB1 19 PB2 20 PB3 21 PB4 22 PB5 23 PB6 24 PB7 25 PC0 14 PC1 15 PC2 16 PC3 17 PC4 13 PC5 12 PC6 11 PC7 10 RD 5 WR 36 A0 9 A1 8 RE SE T 35 CS 6 8255 EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 8051 VCC 1 RE F IN 10 lsbDB0 16 DB1 17 AN G ND 9 DB2 18 DB3 19 DB4 20 BPLRof 12 DB5 21 DB6 22 DB7 23 10Vspn 13 DB8 24 DB9 25 20Vspn 14 DB10 26 msb 11 27 RE Fout 8 ST AT US 28 CE 6 CS 3 V s 7 A0 SC 4 R C 5 Vs 11 12 8 2 AD 574A D0 3 Q0 2 D1 4 Q1 5 D2 7 Q2 6 D3 8 Q3 9 D4 13 Q4 12 D5 14 Q5 15 D6 17 Q6 16 D7 18 Q7 19 OE 1 LE 11 74LS373 7407 2 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 5V R31 10K R32 200 C8 22uF 5v GN D C7 30pF C6 30pF GN D 1K R25 R26 510 10K R28 4 7uF C5 GN DGN D AD OP07 GN D 120K R27 Rx2 3K 20K Uout K絲 8255 8051 74LS373 AD574A 1 1 1 1 2 2 2 2 8 100 R12 R19 6M Hz 75452 2 1 1 070912 2011 6 3 5 1k 4 TRANS1 R1 1K Rx1 20 NO T MC14528 4 11 GN D R2 100 5V Q3 NPN3 Q2 NPN2 Q1 NPN1 DIOD ED DIOD E 1 2 3 1 74LS00 R7 20 R8 300 R9 300 R10 300 R11 39 C3 0 01uF 220V R3 1K R4 1K C1 0 1uF C2 0 1uF LM311 Q1 Q2 214 6 10 12V 絲絲絲 OPTOISO1 R6 200 VCC 100K 100K 100K R30 100K R29 15 15 Rx3 GN D GN D 15 15 P3 0 1 2 3 74LS00 1 R5 1K 5 5 8 5 53 附錄附錄 2 2 程序清單程序清單 一 初始化程序一 初始化程序 CLEARMEMIO CL