加热炉多参数检测和炉温控制系统学士学位论文.doc
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1、武汉科技大学机电与控制学院学士学位论文加热炉多参数检测和炉温控制系统学士学位论文目录第一章 绪论11.1 概述11.2 MCS-51单片机的结构41.3键盘及其显示器方式9第二章 采样与滤波172.1 采样系统172.2 数字滤波182.3关于温度控制的PID算法24第三章 系统设计313.1硬件电路模块313.2软件系统设计33第四章 总结和展望384.1引言384.2 PID 控制38致谢50参考文献51湖北师范学院学士学位论文(设计)评审表53加热炉多参数检测和炉温控制系统第一章 绪论1.1 概述 随着现代工业的逐步发展,在工业生产中,温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中,
2、温度是一个非常重要的过程变量。例如:在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域,都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。然而,用常规的控制方法,潜力是有限的,难以满足较高的性能要求。采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点,而且可以大幅度提高被测温度的技术指标,从而能够大大提高产品的质量和数量。因此,单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。单片机温度控制系统,是利用单片机作为系统的主控制器,测量电路中的温度反馈信号经A/D变换后,送入单片机中进行处理,经过一定的算法后,单片机的输出用来控制可控硅的通断,控制加热炉的
3、输出功率,从而实现对温度的控制。本单片机温度控制系统的具体指标要求是,对加热器加热温度调整范围为6001000,温度控制精度小于3,系统的超调量须小于15%。软件设计须能进行人机对话,考虑到本系统控制对象为电炉,是一个大延迟环节,且温度调节范围较宽,所以本系统对过渡过程时间不予要求。单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于一体的器件,只需要外加电源和晶振就可以实现对数字信号的处理和控制。本设计运用MCS-51系列单片集中的8051单片机为主控制器,对加热炉的温度进行智能化控制,最终通过软件设计来实现人机对话功能,实现对加热炉的温度控制。本论文主要介绍单片机温度控制系统,内容
4、主要包括:采样、滤波、键盘显示、加热控制系统,单片机MCS-51的开发及系统应用软件的开发等。全文共分五章。第一章绪论介绍课题背景、目的、意义及设计的总体思路。第二章介绍主控电路核心部分MCS-51单片机8051的基本结构和配置。第三章介绍A/D采样技术和数字滤波技术。第四章介绍以PID为主的温度控制算法及系统加热控制系统。第五章主要是系统软件编程。设计思路 根据系统具体指标要求,可以对每一个具体部分进行分析设计。整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。硬件电路见附录。分析硬件电路主要包括:加热及控制电路部分,数据采集和模/数(A/D)转换处理部分,键盘和显示器部分,单片机与各部分的
5、接口处理部分。这些可用一个方框图来表示,如图1-1所示,显然,这是一个典型的单反馈控制系统。 图 1-1 单片机温度控制系统框图从框图上我们可以看出,整个系统也可划分为控制电路部分、加热电路部分和测量电路三部分。控制电路是由单片机来处理给定信号和反馈信号,发出相应的指令来控制可控硅,是系统的核心。测量电路功能为将测量到的信号经过处理变成数字信号送入单片机中进行处理。主要由温度检测和变送器组成。温度检测元件和变送器的类型选择和被控温度及精度等级有关。镍络/镍铝热电偶(2001000)适用于01000的温度测量范围,相应输出电压为0mV41.32mV。变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成:毫伏
6、变送器用于把热点偶输出的0mV41.32mV变换成0 mA10 mA范围内的电流;电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的0 mA10 mA电流变换成0 V5V范围内的电压。 为了提高测量精度,变送器可以进行零点漂移。本次设计的温度控制范围为6001000之间,温度误差要求在3左右,系统超调量不超过10%,采用8位转换器ADC0809就可以使温度误差保持在2.34以内,满足设计要求。除上述电路,89C51还要有8279DAC0832和ADC0809等芯片接口电路。其中8279用于键盘/LED显示器接口,DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成,主要用
7、于将最终输出电压值的数字信号转换成模拟信号。ADC0809为温度测量电路的输入接口,用于把连续变化的信号进行离散化。最终再通过控制电路中的键盘显示器电路实现人机对话功能。软件设计主要由温度控制的算法和温度控制程序组成。软件设计主要为控制器部分,即温度控制系统,采用PID算法,其原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值,而后对偏差值处理而获得控制信号去调节加热炉的加热功率,以实现对炉温的控制。PID基本可满足系统要求。程序设计是本次设计的核心部分。整个程序包括管理程序和控制程序两部分。管理程序是对显示LED进行动态刷新,控制指示灯,处理键盘的扫描和响应,进行掉电保护,执行中断服务程序等。控制程序是
8、用来对被控进行采样,数据处理,根据控制算法进行计算和输出等。1.2 MCS-51单片机的结构 89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的89C51是一种高效微控制器。AT89C2051的引脚图如图3-1所示,其引脚定义
9、如下: 1、Vcc:,电源电压。2、GND:接地。3、P1口:P1口是一个8位双向I/O口。其中P1.0、P1.1是片内精密模拟比较器的同相输入端和反向输入端,P3.6固定用于该比较器的输出端(P3.6对外无引脚,不可作I/O口访问)。当不用该模拟比较器时,P1.0、P1.1经外接上拉电阻后,也可作为普通I/O口使用。P1.2P1.7为普通I/O口,内部已接上拉电阻。图3-1 AT89C51引脚图4、P3口:P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。但由于P3.6口固定用作片内精密模拟比较器的输出端,对外无引脚,所以真正可作为I/O口用的只有7个。除了作为一般的I/O口外,更重要的用途是
10、它的第二功能.端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INT0(外中断0)P3.3INT1(外中断1)P3.4T0(定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器1) 5、RST:复位输入,当振荡器工作时,RST引脚出现两个周期以上高电平将使单片机复位。6、XTAL1、 XTAL2:晶体振荡电路反相输入端和输出端。使用内部振荡电路时外接石英晶体;外振荡输入时,XTAL1接地,XTAL2接外部振荡脉冲单片机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。单片机是把包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入输出口电路、串行口电路、中断和
11、定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。 MCS-51单片机芯片内部有数据存储器和程序存储器两类存储器,即所谓的内部RAM和内部ROM。同学重点要掌握内部数据存储器的结构、用途、地址分配和使用特点。一是内部数据存储器的低128单元,它包括了寄存器区、位寻址区、用户RAM区,要掌握这些单元的地址分配、作用等。二是内部数据存储器高128单元,这是为专用寄存器提供的,地址范围为80HFFH。所谓专用寄存器是区别于通用寄存器而言的,即这些寄存器的功能或用途已作了专门的规定,用于存放单片机相应部件的控制命令、状态或数据等。在这些专用寄存器中,重点要掌握以下寄存器的使用:程序计数器、累加器A、B寄存器、程
12、序状态字(PSW)、数据指针(DPTR)。堆栈是计算机的重要概念,要掌握以下几方面:1. 堆栈的功用2. 堆栈的设置3. 堆栈指示器4. 堆栈使用方式 89C51芯片内有4K ROM存储单元,其地址为0000H0FFFH,这就是我们所说的内部程序存储器(或简称“内部ROM”)。无论是片内或是片外存储器(对于无片内ROM的单片机),在程序存储器中有一组特殊的保留单元0000H002AH,使用时应特别注意。 系统的启动单元:0000H0002H五个中断源的中断地址区:0003H002AH0003H000AH 外部中断0中断地址区000BH0012H 定时器/计数器0中断地址区0013H001AH
13、外部中断1中断地址区001BH0022H 定时器/计数器1中断地址区0023H002AH 串行中断地址区中断响应后,系统能按中断种类,自动转到各中断区的首地址去执行程序。因此在中断地址区中本应存放中断服务程序。但通常情况下,8个单元难以存下一个完整的中断服务程序,因此一般也是从中断地址区首地址开始存放一条无条件转移指令,以便中断响应后,通过中断地址区,再转到中断服务程序的实际入口地址去。 MCS-51单片机系统的存储器结构特点单片机的存储器结构有两个重要的特点:一是把数据存储器和程序存储器截然分开,二是存储器有内外之分。总的来说,由芯片内存储器和芯片外扩展存储器构成了单片机应用系统的整个存储器
14、系统。MCS-51单片机并行输入/输出口电路单片机芯片内还有一项重要内容就是并行I/O口电路。MCS-51共有四个8位的并行双向I/O口,分别记作P0、P1、P2、P3,实际上它们已被归入专用寄存器之列。这四个口除了按字节寻址之外,还可以按位寻址,四个口合在一起共有32位。在单片机中,口是一个集数据输入缓冲、数据输出驱动及锁存等多项功能于一体的I/O电路。MCS-51的四个口在电路结构上是基本相同的,但它们又各具特点,因此在功能和使用上各口之间有一定的差异。在学习中必须要掌握各个口的用途。定时器及其应用 MCS-51单片机时钟电路与时序时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号,单片机本身就是
15、一个复杂的同步时序电路,为了保证同步工作方式的实现,电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。而时序所研究的则是指令执行中各信号之间的相互时间关系。要理解时钟电路的产生与作用,能根据外部所加入的晶体的振荡频率计算时序的定时单位。1. MCS-51的外部晶体的振荡频率范围:1.2MHz12MHz,2. MCS-51时序的定时单位共有4个,依次是:拍节、状态、机器周期和指令周期。 8279芯片简介利用软件的方法实现键扫描及动态显示的最大缺点是占用很多CPU时间,一旦程序进入 处理其它功能的程序段,键盘及显示器即停止工作。可编程键盘、显示器接口8279可在编程后对键盘、显示器进行扫描,记下按
16、下键的坐标并显示数据。8279是一个40线的双列直插式器件,如下图所示。它最多可外接88的键盘及168的发光二极管显示器。8279与CPU之间的连线有:D0D7数据线IRQ中断申请信号,高电平有效/RD、/WR读、写信号RESET复位信号/CS片选信号A0缓冲器地址。0表示数据口,1表示命令、状态口CLK外部时钟输入,用以产生内部100KHz的信号,输入信号频率低于2MHz8279与外部的连线有:SL0SL3扫描信号,用于键盘与显示器的扫描RL0RL7键输入信号,由内部电阻拉成高电平SHIFT,CNTL/STB键控制线,由内部电阻拉成高电平OUTB03,OUTA03输出显示数据,OUTA3为最
17、高位,OUTB0为最低位/BD消隐信号在8279内部,有8字节的先进先出的键输入缓冲器及16个字节的显示数据缓冲器。当外部有键闭合时,其键值存入键输入缓冲器,中断信号IRQ变为高电平,当CPU将键值读取后,IRQ信号变低。CPU向8279的显示数据缓冲器写入数据后,8279即自动地将此数据用动态显示的方式显示出来。2.工作方式和编程由缓冲器地址信号可以决定8279的两个端口,当A0=1时选中命令、状态口,8279的编程通过向其命令、状态口写入命令字来实现。8279的命令字包括:键盘、显示器方式设置;程序时钟设置;读FIFO/传感器RAM;读显示RAM;写显示RAM;显示器写入禁止/空格;清除;
18、中断结束/出错方式设置。1.3键盘及其显示器方式 此命令用于设置键盘与显示器的工作方式,其格式为:000为此命令的特征位。000DDKKKDD为显示方式设置,定义如下:D D显示方式0 08个8段字符显示,左边输入0 116个8段字符显示,左边输入1 08个8段字符显示,右边输入1 116个8段字符显示,右边输入根据显示方式的设置,可外接8个或16个8段发光二极管显示器,向显示器RAM写入显示字型的方式有左边输入和右边输入两种。KKK为键盘操作方式,定义如下:K K K键盘操作方式0 0 0外部译码,双键互锁0 0 1内部译码,双键互锁0 1 0外部译码,N键巡回0 1 1内部译码,N键巡回1
19、 0 0外部译码,传感器方式1 0 1内部译码,传感器方式1 1 0选通输入,外部译码显示扫描1 1 1选通输入,内部译码显示扫描根据键盘操作方式的选择,在选择外部译码方式时可外接88的键盘或88的传感器矩阵。在选择内部译码方式时,只能接48的键盘或48的传感器矩阵。此时显示器只能接4个8段的发光二极管显示器。在键盘方式时,SHIFT,CNTL/STB作为两个独立的键,其键值直接送入8279,在选用选通工作方式时,CNTL/STB为选通脉冲输入端,而RL0RL7为信号输入口。程序时钟设置此命令用来设置分频系数,其格式为:001PPPPP001为此命令的特征位。PPPPP为分频系数,其数值为23
20、1,用来产生一个100KHz的内部时钟。在复位后自动定为31。读FIFO/传感器RAM,其格式为010AIAAA010为此命令的特征位。AI为地址自动加1标志,AAA为FIFO/传感器RAM地址。在键扫描方式时,每次读取数据总按先进先出的原则依次读出,而与AI、AAA无关。在传感器方式及选通方式时,AAA为RAM地址。当AI=0时,CPU对地址为AAA的单元读数,读完后地址不变。当AI=1时,CPU对地址为AAA的单元读数,读完后其地址自动加1 。读显示RAM此命令用来设置读显示器RAM,其格式为:011AIAAAA011为此命令的特征位。AI、AAAA分别为地址自动加1 标记及显示器RAM的
21、地址。写显示RAM此命令用来设置写显示器RAM,其格式为:100AIAAAA100为此命令的特征位。AI、AAAA分别为地址自动加1 标记及显示器RAM的地址。显示器写入禁止/空格此命令用来禁止数据写入显示器RAM或向显示器RAM写入空格,其格式为:101IWAIWBBLABLB101为此命令的特征位。此命令用在将一个8段显示分作两个4段显示的情况,在IWA置1、IWB置0时,将屏蔽半字节A,即CPU向显示器RAM写入数据时,只能更改半字节B,而不能更改半字节A。此时显示器仅将OUTB03的部分更改,而由OUTA03控制的显示器保持不变,即A的部分不允许新的数据写入。同样,当IWA=0、IWB
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