小型澡堂供水總管溫度控制系統(tǒng)的設計

1、武漢理工大學過程控制課程設計說明書目錄摘要1 控制對象1 1.1控制對象介紹1 1.2 控制性能要求12方案的比較和確定23系統(tǒng)總體結構設計34 系統(tǒng)模塊設計44.1 溫度信號輸入通道44.1.1 溫度傳感器44.1.2 運算放大器54.1.3 A/D轉(zhuǎn)換器54.2 執(zhí)行信號輸出通道54.3 LED接口設置64.4 單片機及其電路設計75 Smith預估控制算法86 系統(tǒng)軟件設計10心得體會12參考文獻13附錄一 電路圖14附錄二 程序代碼15成績評定表.211小型澡堂供水總管溫度控制系統(tǒng)的設計1控制對象1.1控制對象介紹蒸汽熱交換器是以蒸汽為熱源將水加熱的設備，用蒸汽作熱源加熱水的設備分兩類

2、：1.直接加熱設備蒸汽與水直接混合，將水加熱。2.間接加熱設備蒸汽與水為兩個獨立系統(tǒng)，通過金屬表面熱能從高品位向低品位傳導。隨著蒸汽直接加熱時噪音、壓力、流量、溫度等問題的控制有了明顯提高，人們對蒸汽直接加熱有了新的認識，世界各國都在研究蒸汽直接換熱設備。1.2 控制性能要求本系統(tǒng)進行微型計算機控制，系統(tǒng)為一階慣性純滯后特性動態(tài)特性，水溫控制在60，溫度控制精度為3，通過LED顯示溫度。 該澡堂由于規(guī)模較小，用水負荷變化較大，試為其設計溫度控制系統(tǒng)。2方案的比較和確定方案一：系統(tǒng)采用8084芯片作為系統(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)過預處理（放大）送到A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)

3、字信號再送到8084芯片內(nèi)部進行判斷或計算。從而輸出的控制信號來控制鍋爐是否加熱。但對于8084芯片來說，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8084芯片進行存儲器擴展和I/O口擴展，并且需要容量較大的程序存儲器，外擴時占用的I/O口較多，使系統(tǒng)的設計復雜化。方案二：系統(tǒng)采用AT89C51作為系統(tǒng)的微處理器來完成對水溫的控制和鍵盤顯示功能。C51單片機片內(nèi)除了128B的RAM外，片內(nèi)又集成了4KB的ROM作為程序存儲器，是一個程序不超過4K字節(jié)的小系統(tǒng)。系統(tǒng)程序較多時，只需要外擴一個容量較小的程序存儲器，占用的I/O口減少，同時也為

4、鍵盤、顯示等功能的設計提供了硬件資源，簡化了設計，降低了成本。因此89C51可以完成設計要求。綜上所述的二種方案，該設計選用方案二比較合適。3系統(tǒng)總體結構設計單片機溫度控制系統(tǒng)是以89C51單片機為控制核心，輔以采樣反饋電路，驅(qū)動電路，晶閘管主電路對電爐爐溫進行控制的微機控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)基本控制原理為:將溫度設定值(即60)和溫度反饋值同時送入控制電路部分，然后經(jīng)過調(diào)節(jié)器運算得到輸出控制量，輸出控制量控制驅(qū)動電路得到控制電壓施加到被控對象上，電爐因此達到規(guī)定的溫度。結構圖如圖3-1所示：圖3-1 電阻爐控制系統(tǒng)總體結構設計圖圖3-2 系統(tǒng)總體結構圖4系統(tǒng)模塊設計4.1 溫度信號輸入通

5、道溫度檢測電路包括溫度檢測電路、放大器和A/D轉(zhuǎn)換三部分。原理圖如圖4-1所示圖4-1 溫度輸入信號通道4.1.1溫度傳感器采用的是National Semiconductor 所生產(chǎn)的LM35。計算公式： LM35是一種得到廣泛使用的溫度傳感器。由于它采用內(nèi)部補償，所以輸出可以從0開始。LM35有多種不同封裝型式。在常溫下，LM35 不需要額外的校準處理即可達到 ±1/4的準確率。其在靜止溫度中自熱效應低(0.08)，單電源模式在25下靜止電流約50A，工作電壓較寬，可在420V的供電電壓范圍內(nèi)正常工作非常省電。工作電壓430V，在上述電壓范圍以內(nèi)，芯片從電源吸收的電流幾乎是不變的

6、（約50A），所以芯片自身幾乎沒有散熱的問題。這么小的電流也使得該芯片在此系統(tǒng)中特別適合，輸出可以由第三個引腳取出，根本無需校準。4.1.2 運算放大器運算放大器采用差動運算放大器LM324。LM324系列器件帶有差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性?？梢缘贸鲞\放的輸出電壓為 為了使后面的A/D轉(zhuǎn)換器得到合適的輸入模擬電壓，本系統(tǒng)選取=100k，=200k。4.1.3 A/D轉(zhuǎn)

7、換器ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，它由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關樹型DA轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成。溫度信號輸入通道的總增益由溫度傳感器、運放和A/D轉(zhuǎn)換器三個環(huán)節(jié)的增益所決定。在本系統(tǒng)中，由于溫度要求100是固定的，這三個環(huán)節(jié)的增益也是固定的。這樣有利于整個通道在設計和安裝時，避免不必要的精度誤差和偏差。4.2 執(zhí)行信號輸出通道本系統(tǒng)采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)的控制方法。單片機輸出控溫信號：輸出高電平時，使雙向可控硅導通，電熱絲通電；輸出低電平時，雙向可控硅截止，電熱絲斷電。脈沖寬度與周期T的比值為P，它反映了系統(tǒng)的輸出控制量

8、。執(zhí)行信號輸出通道的原理圖如圖3-2所示，單片機系統(tǒng)AT89C51的P2.5口輸出信號經(jīng)過光電耦合器，直接控制雙向可控硅的門極，從而控制電熱絲的平均加熱功率。這樣使輸出通道省去了數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器和可控硅一項觸發(fā)電路，大大簡化了硬件；而且可控硅工作在過零觸發(fā)狀態(tài)，提高了設備的功率因數(shù)，減輕了對電網(wǎng)的干擾。AT89C51的I/O腳的負載能力不足以驅(qū)動光電耦合器的發(fā)光二極管，所以用1413的一路作為功放。光電耦合器的光敏二極管所能通過的電流足以觸發(fā)5A的雙向可控硅，其間不必加功放環(huán)節(jié)，其中對可控硅可用負極性觸發(fā)。圖3-2 執(zhí)行輸出信號控制通道觸發(fā)電路6V不必采用穩(wěn)壓，只需一般的阻容濾波即可，但

9、不能與單片機基本系統(tǒng)5V電源相通。可控硅門極回路與220V電源相通，光電耦合器的結緣耐壓能有效地把單片機系統(tǒng)與220V強電隔離。4.3 LED接口設置設計中用到四個LED數(shù)碼管顯示器。LED工作方式有兩種：靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。LED數(shù)碼管，其原理和數(shù)字表掃描顯示的原理一致即采用動態(tài)顯示，動態(tài)顯示是將所有數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。選擇導通數(shù)碼管的方式是采用動態(tài)掃描顯示。所謂動態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數(shù)碼管同時都在顯示。動態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時應略

10、小于靜態(tài)顯示電路的。 圖3-3 顯示模塊電路圖4.4 單片機及其電路設計單片機控制系統(tǒng)原理圖如圖3-4所示。微處理器采用51系列單片機AT89C51。單片機系統(tǒng)的硬件結構簡單，調(diào)試方便。單片機系統(tǒng)主要I/O口的分配如下：89C51的P1口為溫度信號的輸入口，P0口為溫度顯示信號數(shù)據(jù)輸出，P2口的P2.0端到P2.3端為顯示信號的掃描，P2.4端口為執(zhí)行信號輸出口。圖3-4 單片機控制系統(tǒng)5 SMITH預估控制算法如圖4-1，在所示的單回路控制系統(tǒng)中，D（s）表示控制器的傳遞函數(shù)，用于校正部分；表示被控對象的傳遞函數(shù)，為表示被控制對象中不包含純滯后部分的傳遞函數(shù)，為被控制對象純滯后部分的傳遞函數(shù)

11、。u(t)e(t)y(t)D(s)圖5-1 帶純滯后環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)令=，為被控對象的放大系數(shù)，；為被控對象的時間常數(shù)；為純滯后時間。由圖4-2可見，純滯后補償?shù)臄?shù)字控制器由兩部分組成：一部分是數(shù)字PID控制器(由(s)離散化得到)；一部分是施密斯預估器。r(t)u (k)(t)(t)y (t)數(shù)字PIDT(t)圖5-2 具有純滯后補償?shù)目刂葡到y(tǒng)施密斯預估器的輸出可按圖5-3的順序計算：(k)u (k)m (k)m(k-N)圖3-3 史密斯預估器框圖圖中，u(k)是PID數(shù)字控制的輸出，是施密斯預估的輸出。從圖中可知，必須先計算傳遞函數(shù)的輸出m(k)后，才能計算反饋回路偏差：純滯后補償器的輸出

12、： 其中，上式稱為施密斯預估控制算式。偏差： 控制器的輸出：式中，為PID控制的比例系數(shù)；為積分系數(shù)；為微分系數(shù)。在純滯后補償控制算法中，相對于標準的PID算法，只是加入了補償環(huán)節(jié)，可以采用PID的方式來處理。為了提高控制質(zhì)量，我們對其進行改進，采用所謂的積分分離的PID位置式算法。當偏差絕對值小于某一預定門限時，采用標準的PID算法：式中：為系統(tǒng)控制量，為第i-1次偏差，T為采樣周期，為積分時間，k為比例系數(shù)，為系統(tǒng)基準控制量。當偏差絕對值大于這一預定門限時，舍去積分項的運算。6系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)主程序初始化時，允許INT0中斷，并設置為邊沿觸發(fā)方式，ADC0809 EOC為中斷請求信號口，中

13、斷服務程序把“轉(zhuǎn)換結束”標志置位時，采用查詢的方式，根據(jù)ADC0809的D0D7的信息分別進行處理和存放。程序的每次循環(huán)，只讀入一組數(shù)據(jù)。為了削弱干擾和純滯后帶來的影響，程序采用純滯后補償?shù)姆椒ǎ碨MITH預估控制，對讀入信號進行平滑加工。顯示更新程序把濾波后的溫度從單片機的P0輸送到顯示接口電路。圖5-1 控制系統(tǒng)的主流程圖程序還對系統(tǒng)控制量作上、下限幅，使輸出脈沖寬度與脈沖周期的比值p的范圍為5%95%。本系統(tǒng)中的脈沖周期取10s，與采樣周期相同，這樣與電熱元件并聯(lián)的指示燈始終閃爍發(fā)光，這是系統(tǒng)正常工作的一種標志。操作人員還可以從亮、暗時間的比例，方便地了解系統(tǒng)的控制量?？刂葡到y(tǒng)主流程圖

14、如上圖所示。心得體會本次課程設計之初，通過老師的給的資料，對報告的要求和所設計的內(nèi)容有了一定的了解。由于對電阻爐，溫度傳感器等不是太了解，于是在我查詢了相關的資料，了解了電阻爐，溫度傳感器，根據(jù)題目的要求選擇了熱電阻中的鉑電阻。同時本次課程設計中運用到了51單片機、ADC0809等較多的芯片，為此查詢了相關芯片的引腳圖，對這些芯片有了大致的了解，在學會使用這些芯片的過程，加深了我運用專業(yè)知識解決實際問題的能力并且在芯片選型以及設計方案對比方面有了一定的訓練。本次課程設計讓Protues，Word，Keil等軟件的使用，增強了我相應專業(yè)軟件的使用能力，對單片機的使用讓我重新回顧了C語言和匯編語言

15、的使用，對以前的知識有了復習的機會。而本次課程設計主要的難點也是在于程序的設計。本次課程設計中也遇到了些問題，如剛開始時題目的理解錯誤，程序運行出錯，仿真出問題等，在同學的指導和幫助下，這些問題得到了一定的解決。在今后的學習生活中也是如此，除了自己的努力外，還需請教他人，從他人那里學習有關經(jīng)驗和獲得幫助，另外此次課程設計為畢業(yè)設計打下了良好的基礎。13參考文獻1 陳立周、陳宇.單片機原理及其應用.機械工業(yè)出版社，20062 于海生.計算機控制技術.機械工業(yè)出版社，20033 譚浩強.C程序設計.清華大學出版社，20054 于海生.計算機控制技術.機械工業(yè)出版社，2007.5 劉紅麗、張菊秀.

16、傳感與檢測技術. 國防工業(yè)出版社，2007.6 康華光編著.電子技術基礎.模擬部分.高等教育出版社，2000附錄一電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng)設計原理圖：附錄二程序代碼#include<reg51.h>#include<intrins.h>#include<math.h>#include<string.h>struct PID unsigned intSetPoint; / 設定目標 Desired Valueunsigned int Proportion; / 比例常數(shù) Proportional Constunsigned int Integr

17、al; / 積分常數(shù) Integral Constunsigned int Derivative; / 微分常數(shù) Derivative ConstunsignedintLastError; / Error-1unsignedintPrevError; / Error-2unsignedintSumError; / Sums of Errors;struct PID spid; / PID Control Structureunsignedint rout; / PID Response (Output)unsignedintrin; / PID Feedback (Input)sbit dat

18、a1=P10;sbitclk=P11;sbit plus=P20;sbit subs=P21;sbit stop=P22;sbit output=P34;sbit DQ=P33;unsigned char flag,flag_1=0;unsigned char high_time,low_time,count=0;/占空比調(diào)節(jié)參數(shù)unsigned char set_temper=35; unsigned char temper; unsigned char i;unsigned char j=0;unsignedint s;/*延時子程序,延時時間以12M晶振為準,延時時間為30us×

19、;time*/void delay(unsigned char time) unsigned char m,n;for(n=0;n<time;n+)for(m=0;m<2;m+) /*獲取溫度子程序*/voidget_temper() unsigned char i,j;do i=reset(); /*復位*/while(i!=0); /*1為無反饋信號*/ i=0xcc; /*發(fā)送設備定位命令*/write_byte(i); i=0x44; /*發(fā)送開始轉(zhuǎn)換命令*/write_byte(i); delay(180); /*延時*/do i=reset(); /*復位*/while

20、(i!=0); i=0xcc; /*設備定位*/write_byte(i); i=0xbe; /*讀出緩沖區(qū)內(nèi)容*/write_byte(i); j=read_byte(); i=read_byte(); i=(i<<4)&0x7f; s=(unsigned int)(j&0x0f); s=(s*100)/16; j=j>>4; temper=i|j; /*獲取的溫度放在temper中*/ /*Smith控制算法*/voidSMITHInit (structSMITH *pp)memset ( pp,0,sizeof(structSMITH);/*SMI

21、TH計算部分*/unsignedintSMITHCalc( structSMITH *pp, unsigned intNextPoint )unsignedintdError,Error;Error = pp->SetPoint - NextPoint; / 偏差pp->SumError += Error; / 積分dError = pp->LastError - pp->PrevError; / 當前微分pp->PrevError = pp->LastError;pp->LastError = Error;return (pp->Proport

22、ion * Error / 比例項+ pp->Integral * pp->SumError / 積分項+ pp->Derivative * dError); / 微分項/*溫度比較處理子程序*/compare_temper()unsigned char i;if(set_temper>temper) if(set_temper-temper>1) high_time=100;low_time=0; else for(i=0;i<10;i+) get_temper();rin = s; / Read Inputrout = PIDCalc ( &sp

23、id,rin ); / Perform PID Interation if (high_time<=100)high_time=(unsigned char)(rout/800);elsehigh_time=100;low_time= (100-high_time); else if(set_temper<=temper) if(temper-set_temper>0) high_time=0;low_time=100; else for(i=0;i<10;i+) get_temper();rin = s; / Read Inputrout = PIDCalc ( &a

24、mp;spid,rin ); / Perform PID Interation if (high_time<100)high_time=(unsigned char)(rout/10000);elsehigh_time=0;low_time= (100-high_time); / else / /*T0中斷服務子程序，用于控制電平的翻轉(zhuǎn) ,40us*100=4ms周期*/void serve_T0() interrupt 1 using 1 if(+count<=(high_time)output=1;else if(count<=100) output=0; elsecou

25、nt=0; TH0=0x2f; TL0=0xe0; /*顯示子程序*/void display() unsigned char code number=0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6;unsigned char disp_num6;unsignedint k,k1; k=high_time; k=k%1000; k1=k/100;if(k1=0)disp_num0=0;elsedisp_num0=0x60; k=k%100;disp_num1=numberk/10;disp_num2=numberk%10; k=temper;

26、 k=k%100;disp_num3=numberk/10;disp_num4=numberk%10+1;disp_num5=numbers/10; disp_1(disp_num); /*主程序*/main() unsigned char z;unsigned char a,b,flag_2=1,count1=0; unsigned char phil=2,0xce,0x6e,0x60,0x1c,2; TMOD=0x21; TH0=0x2f; TL0=0x40; SCON=0x50; PCON=0x00; TH1=0xfd; TL1=0xfd; PS=1; EA=1; EX1=0; ET0=1; ES=1; TR0=1; TR1=1;high_time=50;