工业加热炉温度控制新版专业系统设计.doc
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1、0引 言在科学技术日新月异今天,工艺精度、产品质量提高对于工业加热炉温度控制系统规定日益增强。对工业加热炉工作进行监视及报警,温度值是加热炉随着加热需要随时变化进行控制重要参数。但当前国内绝大多数工业还是采用加湿机等设备通过人工来控制加热炉温度,很难达到最佳控制效果,同步也无法进行温度数据自动记录与时事管理。因而,工业加热炉温度自动控制系统取代人工完毕成为了一种刻不容缓需要,工业加热炉温度自动控制系统也是在这种需求驱动下被开发和实现,并且达到了温度控制、声音报警规定。由于工业加热炉温度控制系统和报警自动监控器系统均采用电能作能源,因而可以通过对输入功率控制,达到对温度、声音报警控制。运用简朴单
2、片机芯片组实现系统控制功能,可以实现并满足系统需要,又在经济上节约了支出,避免了系统小功能挥霍现象。通过进一步调查和认真分析本系统是一种二级计算机测控系统。现场计算机承担各个加热炉温度实时检测与控制以及报警监视和报警任务。控制中心位于中央控制室,负责对现场计算机工作进行管理,完毕实时数据收集、显示系统、打印报表以及对现场计算机工作状态和温度给定值设立等工作。位于车间工作人员值班室值班机上,平时作为电子表运营。当报警发生时,值班机能以声、显示数据等报警形势批示出报警加热炉。且当控制总台关机时,值班机能自动上升为主机代替上位机接管通讯系统向控制器发出报警查询控制字。由于单片机使用,现场计算机任务也
3、由单片机控制系统人机接口某些来完毕,再通过模数转换通道某些实现对系统精准控制,最后采用8051单片机为主解决芯片实现对系统进行控制解决。1 工业加热炉温度控制系统1.1 温度控制系统简介1.1.1 选题背景温度是工业生产中常用工艺参数之一,任何物理变化和化学反映过程都与温度密切有关,因而温度控制是生产自动化重要任务。对于不同生产状况和工艺规定下温度控制,所采用加热方式、燃料、控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用各种加热炉、热解决炉、反映炉等;燃料有煤气、天然气、油、电等;控制方案有直接数字控制(DDC)、推断控制、预测控制、模糊控制、专家控制、鲁棒控制、推理控
4、制等。温度是工业控制中重要被控参数之一,特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中,具备举足重轻作用。随着电子技术和微型计算机迅速发展,微机测量和控制技术得到了迅速发展和广泛应用。单片机具备解决能强、运营速度快、功耗低等长处,并且控制简朴以便、测量范畴广、精度较高。工业加热炉特点有:1) 炉热惯性大2) 温度变化迟缓3) 滞后状况严重4) 时变性因此当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降温,因而很难用数学办法建立精准模型和拟定参数,应用老式控制理论和办法难以达到抱负控制效果,因此这就迫切规定咱们工业加热炉温度控制技术得到提高。1.1.2 选题意义随着集成电路技术发展,单片微型计算机功能
5、也不断增强,许多高性能新型机种不断涌现出来。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等长处,称为自动化和各个测控领域中广泛应用器件,在工业生产中称为必不可少器件,特别是在寻常生活中发挥作用也越来越大。在温度控制系统中,单片机更是起到了不可代替核心作用。同样咱们在这次设计中也运用了计算机软件作用。在第二章将详细简介硬件选取和特性,在第三章里将简介控制器设计原理,在第四章里简介工业加热炉软件设计过程,并用汇编语言将其编制。1.2 温度控制系统功能简介1.2.1 系统模块在工业生产中,对温度控制系统规定重要是保证炉温按规定温度工艺曲线变化、超调小或者无超调、稳定性好、不振荡,但对系统迅
6、速性规定不高。因此在本次设计中将有如下重要模块:1) 温度检测模块2) 温度信号变换模块3) 温度显示模块4) 温度控制模块5) 报警装置在普通状况下,CPU(进行运算、控制)、RAM(数据存储)、ROM(程序存储)、输入/输出设备(例如:串行口、并行输出口等),可以构成一台可以工作计算机。有些单片机中除了上述部份外,还集成了其他部份如A/D、D/A等。例如在本设计系统中,采用了许多附加控制驱动电路芯片来达到上述模块功能。1.2.2温度控制系统原理分析在工业生产中,对温度控制系统规定重要是保证炉温按规定温度工艺曲线变化、超调小或者无超调、稳定性好、不振荡, 至于系统迅速性规定则不高。如下浅析温
7、度控制系统设计过程及其实现办法。热电偶将炉温变换为模仿电压信号,经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器,信号放大为05 V 后送模/ 数转换器转换为数字量送往单片机。同步,热电偶冷端温度也由温度传感器变为电压信号,经放大和转换后送给单片机。标度变换限度依照温度检测值求得实际炉温。数字调节器程序依照恒温给定值偏差,按预定PID 控制算法得到输出控制量。数字触发器程序依照控制电阻炉子导通时间,从而调节炉温变化使之与给定恒温值一致。显示与恒温判断程序完毕炉温与恒温时间显示、恒温开始与恒温完毕鉴别、恒温完毕时给出声光批示信号。断偶判断程序依照温度检测值判断温度传感与否开路;若开路,则给出断偶报警信号。本次设
8、计工业炉温控制系统是采用单片机8051为核心自动控制系统,其控制原理如下图:图1-1 温度控制系统控制原理图Fig 1 - 1 temperature control system control scheme1.3 温度控制系统设计规定在工业生产过程中,稳定性是保证控制系统正常工作先决条件。一种稳定性好控制系统,其被控量偏离盼望值初始偏差应随时间增长逐渐减小并趋于零。为了较好完毕控制任务,控制系统仅仅满足稳定性规定是不够,还必要对其过渡过程形式和快慢提出规定。因而,对控制系统过渡过程时间(即迅速性)普通均有详细规定。在抱负状况下,当过渡过程结束后,被控量达到稳定值(即平衡状态)应与盼望值一致
9、。但事实上,由于系统构造,外作用形式以及摩擦、间隙等非线性因素影响,被控量稳态值与盼望值之间会有误差存在,称为稳态误差。稳态误差是衡量控制系统精度重要标志,在技术指标中普通均有详细规定。因此稳定性、迅速性和精确性,即稳、准、快是工业加热炉温度控制系统必要满足规定。结合工业加热炉详细工艺规定即加热炉炉内温度从室温开始自由升温,当温度一旦到达正常工作温度最低限值时,就进入系统调节;当温度到达正常工作温度时就进入保温段。要始终保证在系统控制之下,保证所需炉内温度精度。加工结束,要进行降温控制。保温阶段时间由工艺规定来决定。在保温时间里,当温度高于正常工作温度最高限值或低于正常工作温度最低限值时要及时
10、报警,在升温和降温阶段也要进行控制,使炉内温度按照预定曲线斜率升降、保证系统有充分时间过渡、保证设备和工作人员安全。综上所述,本次设计系统所要完毕功能如下:1)本系统所检测温度范畴为3001000摄氏度,当温度超过上限和低于下限时,发出报警,其持续鸣音30MS,并通过P1.4送出低电平,经光电耦合后通过晶闸管驱动自动喷洒水设备并监测湿度值。为了保证数据可靠性,定期启动ADC0809进行A/D转换,以检测温度值。 为了温度控制实现,即依照温度给定值和采样值大小决定驱动加热炉加热过程控制,即实现对温度控制。2)系统运用MCS-51系列单片机片内定期器T0,对温度进行10S定期,以满足对温度采样周期
11、规定。在每次检测温度之后,进行一次温度显示更新,即将新温度值通过标度变换后由键盘、显示屏接口芯片8279输出给LED显示屏。2 工业加热炉温度控制系统硬件设计本系统采用上下位控制,下位机采用工业控制计算机,即现场控制计算机,它重要用于过程测量、控制、数据采集等工作,同步它具备可靠性高、实时性好、环境适应性强等诸多长处;上位采用可编程控制器,它是一种以微解决器为核心,带有指令储存器和输入、输出接口,将自动化技术和计算机技术融为一体新型工业控制装置,即总台控制中心。温度控制系统是运用下位机设立温度上下限、实时温度采集再传播到上位机。以达到对温度比较、控制。本设计采用MCS51单片机为重要硬件,并设
12、计了相应复位电路,振荡器和时钟电路。为实现设计目此设计还设计了涉及温度采集、温度显示、系统控制、串口通信等外围电路。并且对所设计电路给出了相应软件设计,涉及定期器初始化、串行口初始化和数据传播等程序。以简朴阐明了温度控制系统工作原理。2.1 硬件功能依照本次设计工业加热炉温度控制系统工艺规定,将系统硬件分为一下几种某些:1)温度检测电路,涉及热电偶传感器、放大器等某些。热电偶传感器具备价廉、精度高、构造简朴、测量范畴宽(普通从- 50 + 1600 ) 及反映迅速长处。热电偶传感器输出电压信号较为薄弱(只有几毫伏到几十毫伏) ,因而在进行A/ D 转换之前必要进行信号调理,由高放大倍数电路将它
13、放大到A/ D 转换器普通所规定伏特级电平。2)温度采集电路,对温度检测电路传送过来温度进行时事采集,并传送给中央解决器。3)温度控制驱动电路,重要用于变化炉内温度,使其达到控制目。从而符合工艺规定。4)温度初始化电路,对系统进行初始化操作。重要涉及控制键盘。5)温度显示电路,对温度值进行显示。6)报警电路,当炉内温度低于最低限度温度或高于最高限度温度时进行报警。从而更好控制炉内温度。2.2 系统硬件方框图依照工业加热炉工作工艺规定本次设计采用惯用MCS-51系列单片机中8051作为CPU,数据存储器为6264,其容量为8K8位。所采用AD转换器选用ADC0809,温度、湿度显示采用LED显示
14、。为了不间断监视程序循环动作时间,若发现时间超过设定期间,则系统陷入了“死循环”,因此采用了“看门狗”技术。加热炉温度控制系统硬件构造,如图2-1所示:图2-1加热炉温度控制系统硬件构造Fig 2-1 heating furnace temperature control system hardware architecture2.3 加热炉温度控制系统硬件电路设计随着电子计算机技术特别是微机技术迅猛发展和当代控制系统理论进步,以单片机为主芯片广泛应用。工业加热炉温度控制系统控制精度有了很大提高,在软件配合下,能自动精确对加热炉内温度进行监测与控制。这里简要对各个芯片及其功能进行分析。2.3.
15、1加热炉温度控制系统CPU及扩展电路设计CPU性能分析MCS-51系列单片机是Intel高档8位机,是在MCS-48系列基本上发展而成,也是国内当前应用最广泛一种单片机。它涉及8031、8051和8751这几种芯片。它们之间区别仅在于片内存储器,8031片内无程序存器,8051片4KBROM,8751片内有4KBEPROM;其他构造性能相似。8051内置1个8位微解决器CPU、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定期/计数器和5个两级中断源、2个优先级中断嵌套构造,一种全双工串行通信端口,特殊功能寄存器以及一种钟振荡器和时钟电路。此外,8051还可工作于
16、低功耗模式,可通过两种软件选取空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU,而RAM定期器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下,保存RAM数据,时钟振荡停止,同步停止芯片内其他功能。 8051引脚图如下:图2-2 8051引脚图Fig 2-2 8051 pins charts1) 输入输出引脚P0、P1、P2、P3(共32根)P0口(3932脚)有三个功能: a)外部扩展存储器时,当做数据总线(如图1中D0D7为数据总线接口) b)外部扩展存储器时,当作地址总线(如图1中A0A7为地址总线接口) c)不扩展时,可做普通I/O使用,但内部无上拉电阻,作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。 P1口(1
17、8脚)是8位准双静态I/O端口。 P2口(2128脚)有两个功能: a)扩展外部存储器时,当作扩展电路高8位地址总线使用 ,送出高8位地址;b)是8位准双向I/O端口,其内部有上拉电阻; P3口(1017脚)有两个功能: 除了作为I/O使用外(其内部有上拉电阻),尚有某些特殊功能,由特殊寄存器来设立. P3口第二功能见下表2-1.2) 电源引脚和a)(40脚):电源端,接+5V。b)(20脚):接+5V电源地。表2-1 P3口第二功能Tab 2-1 P3 mouth of the second function位线引脚第二功能P3.0 10 RXD(串行输入口)P3.1 11 TXD(串行输出
18、口) P3.2 12 (外部中断0)P3.3 13 (外部中断1)P3.4 14 T0(定期器0计数输入)P3.5 15 TI(定期器1计数输入)P3.6 16 (外部数据存贮器写脉冲)P3.7 17 外部数据存贮器读脉冲)3) 外接晶振引脚XTAL1和XTAL2a)XTAL1(19脚):片内反向放大器输入端,接外部晶振一种引脚。当单片机采用外部时钟信号时,此引脚应接地。b)XTAL2(18脚):片内外反相放大器输出端,接外部晶振另一种引脚。但单片机采用外部时钟信号时,外部信号引脚接入。在本系统使用是内部时钟,MCS-51单片机内部有一种用于构成振荡器高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL
19、2分别是该放大器输入端。在XTAL1和XTAL2两端跨接一种片外石英晶体或陶瓷谐振器就构成了稳定自激振荡器。这种方式称为内部时钟方式。外接石英晶体时,电容 C1和C2值常选取为30PF左右陶瓷谐振器时,C1和C2值为47PF,接入电容 C1和C2有助于振荡器起振,对频率有微调作用,振荡步态经由石英晶体谐 振频率拟定。普通振荡频率荡围是1.212MHZ,为了减少寄生电容,保证振荡器稳定可靠地工作,石英晶体或陶瓷谐振器和电容也许安装得与单片机芯片接近。时钟电路是一种二分频触发电路,它将振荡器信号频率进行二分频,向芯片内提供一种二节拍信号,在每个时钟周期前半周期内,节拍1使信号P1有效,在每个时钟周
20、期后半周期内,节拍2使信号P2有效。4) 控制或其她电源复用引脚 a)RST/VPD(9脚):复位信号输入端。掉电后,此引脚可接备用电源,以保持内部RAM数据不丢失。当输入信号持续2个机器周期以上高电平时即为有效,用以完毕单片机复位初始化操作,当复位后程序计数器PC=0000H,即复位后将从程序存储器0000H单元读取第一条指令码。b)ALE/(30脚):地址锁存容许端。当单片机访问外部存储器时,该引脚输出信号用于锁存P0端口送出低8位地址。其输出信号频率为时钟振荡频率1/6(即6分频)。c)(29脚):外部程序存储器读选通信号输出端,或称为片外取指信号输出端。在从外部程序存储器取指令期间,在
21、每个机器周期两次有效,其频率为振荡频率1/6;但若此期间有访问外部数据存储器,则两次有效信号将不浮现。在读外部ROM时低电平有效,以实现外部ROM单元读操作。 d)/(31脚):当其保持低电平时,单片机只访问外部程序存储器,而不论片内与否有程序存储器。8051内部CPU是一种字长为8位中央解决单元,也就是说它对数据解决是按字节为单位进行。和微型计算机CPU类似,8051内部CPU也是由运算器(ALU)、控制器(定期控制部件等)和专用寄存器组3个某些电路构成。运算器8051算术逻辑部件ALU是一种性能极强运算器,它既可以进行加、减、乘、除四则运算,也可以进行与、或、非、异或等逻辑运算,有数据传送
22、、移位、判断和程序转移等功能,同步尚有独特位解决功能,如置位、清0、取反、转移、检测等。8051ALU为顾客提供了丰富指令系统和极快指令执行速度,如振荡器频率为12MHz状况下,大某些指令执行时间为1us,乘法指令可达4us.8051ALU由一种加法器、两个8位暂存器(TMP1和TMP2)和一种性能卓著布尔解决器构成。虽然TMP1和TMP2对顾客并不开放,但也可用来为加法器和布尔解决器暂存两个8位二进制操作数。归纳其特点有如下:在B寄存器配合下,能完毕乘法与除法操作;可进行各种内容互换操作;比较判断操作;有教强位操作功能。定期控制器定期控制部件起着控制器作用,由定期控制逻辑、指令寄存器IR、指
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