(完整word版)造紙?jiān)险糁筮^程溫度微機(jī)控制系

3/21太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)名稱造紙?jiān)险糁筮^程溫度微機(jī)控制系統(tǒng)專業(yè)班級學(xué)號姓名指導(dǎo)教師太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院課程設(shè)計(jì)……裝………訂…………線………專業(yè)班級……裝………訂…………線………目錄課程設(shè)計(jì)任務(wù)書3造紙?jiān)险糁筮^程溫度微機(jī)控制系統(tǒng) 4控制要求 4要求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基本功能 5硬件設(shè)計(jì) 5傳感器選擇 5執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇 5選擇計(jì)算機(jī)機(jī)型與現(xiàn)場總線 6溫度變送及A/D電路 6D/A轉(zhuǎn)換及隔離輸出電路 8鍵盤顯示接口與設(shè)計(jì) 9鍵盤選擇 9LED顯示器 10軟件設(shè)計(jì) 11系統(tǒng)流程圖 11內(nèi)存地址分配 13數(shù)字控制器 13附錄1 16系統(tǒng)電路圖 16附錄2 17程序清單 17太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院專業(yè)班級學(xué)生姓名課程名稱計(jì)算機(jī)控制技術(shù)設(shè)計(jì)名稱造紙?jiān)险糁筮^程溫度微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)周數(shù)1指導(dǎo)教師設(shè)計(jì)任務(wù)主要設(shè)計(jì)參數(shù)蒸煮過程是制漿造紙生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序之一，對于整個(gè)造紙生產(chǎn)過程中紙漿得率和紙的質(zhì)量有很大影響。它要求根據(jù)原料的特點(diǎn)、紙漿的質(zhì)量和生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)際情況制定出合理的蒸煮工藝，確定裝球量、用堿量、蒸煮溫度和壓力。造紙廠蒸煮車間有五個(gè)蒸球，依靠調(diào)節(jié)其進(jìn)氣量以達(dá)到控制蒸球工作壓力和溫度，調(diào)節(jié)噴料閥控制裝料量。人工控制準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性差，浪費(fèi)能源。因此需要用微機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)該過程的自動(dòng)控制。保證蒸球的實(shí)際工作溫度準(zhǔn)確跟蹤給定溫度曲線，允許偏差為±1℃。要求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基本功能微機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)：正常工況下，系統(tǒng)投入自動(dòng)。模擬手動(dòng)操作：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常，投入手動(dòng)控制。微機(jī)監(jiān)控功能：顯示當(dāng)前被控量的設(shè)定值、實(shí)際值，控制量的輸出值，參數(shù)報(bào)警時(shí)有燈光報(bào)警。詳細(xì)內(nèi)容見附頁設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)要求一、總體方案設(shè)計(jì)二、硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)三、數(shù)字控制器設(shè)計(jì)四、控制算法仿真五、軟件設(shè)計(jì)六、編寫課程設(shè)計(jì)說明書，繪制完整的系統(tǒng)電路圖（A3幅面）。詳細(xì)內(nèi)容見附頁主要參考資料[1]潘新民，王燕芳.計(jì)算機(jī)控制技術(shù).電子工業(yè)出版社,2011[2]劉寶坤.計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社,2005[3]劉煥彬.制漿造紙過程自動(dòng)測量與控制（第二版）.中國輕工業(yè)出版社,2009[4]何衍慶.工業(yè)生產(chǎn)過程控制.化學(xué)工業(yè)出版社,2010學(xué)生提交歸檔文件（1）課程設(shè)計(jì)報(bào)告（2）設(shè)計(jì)電路原理圖課程設(shè)計(jì)任務(wù)書注：1.課程設(shè)計(jì)完成后，學(xué)生提交的歸檔文件應(yīng)按照：封面—任務(wù)書—說明書—圖紙的順序進(jìn)行裝訂上交（大張圖紙不必裝訂）2.可根據(jù)實(shí)際內(nèi)容需要續(xù)表，但應(yīng)保持原格式不變。指導(dǎo)教師簽名：日期：2013年06月20日造紙?jiān)险糁筮^程溫度微機(jī)控制系統(tǒng)蒸煮過程是制漿造紙生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序之一，對于整個(gè)造紙生產(chǎn)過程中紙漿得率和紙的質(zhì)量有很大影響。它要求根據(jù)原料的特點(diǎn)、紙漿的質(zhì)量和生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)際情況制定出合理的蒸煮工藝，確定裝球量、用堿量、蒸煮溫度和壓力。造紙廠蒸煮車間有五個(gè)蒸球，依靠調(diào)節(jié)其進(jìn)氣量以達(dá)到控制蒸球工作壓力和溫度，調(diào)節(jié)噴料閥控制裝料量。人工控制準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性差，浪費(fèi)能源。因此需要用微機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)該過程的自動(dòng)控制。溫度控制系統(tǒng)示意圖控制要求保證蒸球的實(shí)際工作溫度準(zhǔn)確跟蹤給定溫度曲線，允許偏差為±1℃。典型的蒸煮過程工藝溫度曲線如圖所示。被控過程傳遞函數(shù)：要求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基本功能微機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)：正常工況下，系統(tǒng)投入自動(dòng)。模擬手動(dòng)操作：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常，投入手動(dòng)控制。微機(jī)監(jiān)控功能：顯示當(dāng)前被控量的設(shè)定值、實(shí)際值，控制量的輸出值，參數(shù)報(bào)警時(shí)有燈光報(bào)警。硬件設(shè)計(jì)傳感器選擇本設(shè)計(jì)中為溫度量測。溫度傳感器是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。溫度計(jì)的檢測元件和變送器的類型選擇與被控溫度及進(jìn)度等級有關(guān)。鎳鉻/鎳鋁熱電偶適用于0~1000攝氏度的溫度測量范圍，相應(yīng)輸出電壓為0~41.32mV變送器由毫伏變送器和電流/電壓變送器組成：毫伏變送器用于把熱電偶輸出的0~41.32mV變換成0~10mA范圍內(nèi)的電流；電流/電壓變送器用于把毫伏變送器輸出的0~10mA電流變換成0~5V范圍內(nèi)的電壓。為了提高測量精度，變送器可以進(jìn)行零點(diǎn)遷移。例如，若溫度測量范圍為0~300攝氏度，則熱電偶輸出為0~12.396mV，毫伏變送器零點(diǎn)遷移后輸出0~10mA范圍的電流。這樣，采用8位A/D轉(zhuǎn)換器就可以量化溫度誤差達(dá)到正負(fù)2.34執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇執(zhí)行器的選用是否得當(dāng)，將直接影響控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量、安全性和可靠性，因此，必須根據(jù)工況特點(diǎn)、生產(chǎn)工藝及自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求等多方面的因素，綜合考慮，正確選用。執(zhí)行器的選擇主要從以下三方面考慮：a執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)形式；b調(diào)節(jié)閥的流量特性c調(diào)節(jié)閥的口徑。其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇尤為重要。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)三大類，而液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用甚少，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中使用最廣的是氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此執(zhí)行的選擇主要是指氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇一方面要與控制算法匹配，另一方面要根據(jù)被控對象的實(shí)際情況決定。根據(jù)實(shí)際使用要求，結(jié)合兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)本設(shè)計(jì)選用智能式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。智能式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不僅具有定位精度高，響應(yīng)速度快，非接觸式檢測等優(yōu)點(diǎn)，而且具有通訊、故障診斷和處理功能。選擇計(jì)算機(jī)機(jī)型與現(xiàn)場總線MCS-51系列單片機(jī)是8位增強(qiáng)型，其主要的技術(shù)特征是為單片機(jī)配置了完善的外部并行總線和具有多級識別功能的串行通訊接口（UART），規(guī)范了功能單元的SFR控制模式及適應(yīng)控制器特點(diǎn)的布爾處理系統(tǒng)和指令系統(tǒng)。由于單片機(jī)具有較高的性能比，國內(nèi)尤以MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用最廣，易于開發(fā)、使用靈活、而且體積小、易于開發(fā)、抗干擾能力強(qiáng)，可以工作于各種惡劣的條件下，工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)本著應(yīng)用性，因此選擇MCS-51系列的8051單片機(jī)作為中央處理器，如圖1所示。8051片內(nèi)有4KB程序存儲(chǔ)器和128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，片內(nèi)RAM和ROM最多可以擴(kuò)展64K字節(jié)數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器空間。采用8051的最小系統(tǒng)作為中央處理器，再加上必要的外圍電路，形成自動(dòng)控制電路。8051的內(nèi)部資源如下：一個(gè)8位CPU4KB的程序存儲(chǔ)器，采用ROM或EPROM128字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器21個(gè)特殊功能寄存器（SFR）兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器可尋址64K外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64K外部程序存儲(chǔ)空間的控制電路4個(gè)8位并行口，其中P0、P2、P3是復(fù)用口一個(gè)可編程全雙工串行口具有五個(gè)中斷源，兩個(gè)優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)時(shí)鐘頻率：1.2MHZ～12MHZ一個(gè)片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路溫度變送及A/D電路電路如圖所示：模擬量輸入通道的組成：A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)：ADC0809是帶有8為A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及與微型計(jì)算機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件，其轉(zhuǎn)換方法是逐次逼近型。采用雙列直插式封裝，共有28條引腳。其內(nèi)部有一個(gè)8位“三態(tài)輸出鎖存器”可以鎖存A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，故它本身既可看作一種輸入設(shè)備，也可以認(rèn)為是并行I/O接口芯片。流量變送器與A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809技術(shù)指標(biāo):單一電源,+5V供電,模擬量輸入范圍為0-5V分辨率為8位最大不可調(diào)誤差:ADC0808<±1/2LSBADC0809<±1LSB功耗為15mW轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時(shí)鐘頻率。D/A轉(zhuǎn)換及隔離輸出電路DAC0832數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部，具有兩極輸入數(shù)據(jù)緩沖器和一個(gè)R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)。即包括一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器、DAC寄存器和D/A轉(zhuǎn)換器三大部分。數(shù)據(jù)寄存器和DAC寄存器實(shí)現(xiàn)兩次緩沖，故在輸出的同時(shí)，還可以接收一個(gè)數(shù)據(jù)，提高了轉(zhuǎn)換速度。當(dāng)多芯片工作時(shí)，可用同步信號實(shí)現(xiàn)各模擬量的同時(shí)輸出。該器件采用先進(jìn)的CMOS工藝，功耗低，輸出漏電流誤差小，主要特性有：輸出電流線性度可在滿量程下調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)換時(shí)間為1μs；數(shù)據(jù)輸入可采用雙緩沖、單緩沖或直通方式；增益溫度補(bǔ)償為0.02%FS/℃；每次輸入數(shù)字為8為二進(jìn)數(shù)；功耗為20mW；邏輯電平與TTL兼容；單一電源供電，可在5～15V內(nèi)。DAC0832可工作在單，雙緩沖器方式。單緩沖器方式即輸入寄存器的信號和DAC寄存器的信號同時(shí)控制，使一個(gè)數(shù)據(jù)直接寫入DAC寄存器。這種方式適用于只有一路模擬量輸出或幾路模擬量不需要同步輸出的系統(tǒng)；雙緩沖器方式即輸入寄存器的信號和DAC寄存器的信號分開控制，這種方式適用于幾路模擬量需要同步輸出的系統(tǒng)。為了提高轉(zhuǎn)換精度，可增加D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。DAC0832接口電路：DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳鍵盤顯示接口與設(shè)計(jì)鍵盤選擇本系統(tǒng)采用非編碼行列式鍵盤，即用I/O口線組成行列式結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。在按鍵數(shù)較多時(shí)，可節(jié)省I/O口線。該鍵盤采用的工作方式為編程掃描工作方式，它是利用CPU在完成其他工作的空余，調(diào)用鍵盤掃描子程序，來響應(yīng)鍵輸入要求。在執(zhí)行鍵功能程序時(shí)，CPU不再響應(yīng)鍵輸入要求。編程掃描工作方式只有在CPU空閑時(shí)才調(diào)用鍵盤掃描子程序。鍵盤采用的掃描法掃描方式，掃描法是在判定有鍵按下后逐行（或列）置低電平，同時(shí)讀入行（或列）狀態(tài)，如果行（或列）狀態(tài)出現(xiàn)非全1狀態(tài)，這時(shí)0狀態(tài)的行、列交點(diǎn)的鍵就是所按下的鍵。LED顯示器LED顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，常使用七段LED。這種顯示塊有共陰極與共陽極兩種接法。N位LED顯示器有N根位選線和8×N根段選線。根據(jù)顯示方式不同，位選線與段選線的連接方法不同。段選線控制字符選擇，位選線控制顯示器的亮暗。LED顯示方式有靜態(tài)顯示方式（因其占用I/O資源較多，故在位數(shù)較多時(shí)不采用）和動(dòng)態(tài)顯示方式，如八位LED動(dòng)態(tài)顯示電路只需要兩個(gè)8位I/O口。其中一個(gè)控制段選碼，另一個(gè)控制位選碼。由于所有位的段選碼皆由一個(gè)I/O控制，因此，在每個(gè)瞬間，八位LED只可能顯示相同的字符，必須采用掃描顯示方式。即在每一瞬間只使某一位顯示相應(yīng)字符。在此瞬間，段選控制I/O口輸出相應(yīng)字符段選碼，位選控制I/O口在該顯示位送入選通電平以保證該位顯示相應(yīng)字符。如此輪流，使每位顯示該位應(yīng)顯示字符，并保持延時(shí)一段時(shí)間，以造成視覺暫留效果。段選、位選碼每送一次后延時(shí)1～5ms。LED數(shù)碼管顯示接口電路（3）鍵盤接口電路如下：軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖改變設(shè)定值嗎？（讀鍵盤）改變設(shè)定值嗎？（讀鍵盤）設(shè)定值→工作單元啟動(dòng)A/D和定時(shí)器，并且開中斷等待定時(shí)中斷NY開始調(diào)RAM自檢子程序RAM正常嗎？N調(diào)A/D自檢子程序A/D正常嗎？YN調(diào)D/A自檢子程序D/A正常嗎？YN啟動(dòng)按鈕按下嗎？Y等待并顯示相應(yīng)指示燈停止按鈕按下嗎？N轉(zhuǎn)至手動(dòng)控制，且系統(tǒng)故障顯示燈亮和電笛響Y內(nèi)存地址分配數(shù)字控制器本設(shè)計(jì)采用系統(tǒng)數(shù)字控制器因?yàn)樗裕═=0.5s）所以（式1-1）假設(shè)輸入為單位階躍，取，所以又取采樣周期T=0.5s，得（式1-2）從而有由差分方程得控制器輸出為：（式1-3）最少拍隨動(dòng)系統(tǒng)的誤差為：其中分為：1)堿液設(shè)定值與實(shí)際輸出堿液之差2)水設(shè)定值與實(shí)際輸出水之差因?yàn)?1.5所以為第k次采樣時(shí)實(shí)際輸出堿液或?qū)嶋H輸出水系統(tǒng)的建模和仿真此系統(tǒng)經(jīng)過建模仿真得到的圖形為附錄1系統(tǒng)電路圖附錄2程序清單主程序ORG0400HDISM0DATA78HDISM1DATA79HDISM2DATA7AHDISM3DATA7BHDISM4DATA7CHDISM5DATA7DHMOVSP,#50H;50H送SPCLR5EH;清本次越限標(biāo)志CLR5FH;清上次越限標(biāo)志CLRA;清累加器AMOV2FH,A;MOV30H,A;MOV3BH,A;MOV3CH,A;MOV3DH,A;清暫存單元MOV3EH,A;MOV44H,A;MOVDISM0,A;MOVDISM1,A;MOVDISM2,A;MOVDISM3,A;清顯示緩沖區(qū)MOVDISM4,A;MOVDISM5,A;MOVTMOD,#56H；設(shè)T0為計(jì)數(shù)器方式2，T1為方式1MOVTL0,#06H；MOVTH0,06H；T0賦初值CLRPT0；令T0為低中斷優(yōu)先級SETBTR0；啟動(dòng)T0工作SETBET0 ；允許T0中斷SETBEA；開CPU中斷LOOP:ACALLDISPLY；調(diào)用顯示程序ACALLSCAN；調(diào)用掃描程序AJMPLOOP；等待中斷T0中斷服務(wù)程序ORG000BHAJMPCT0ORG0100HCT0:PUSHACC；PUSHDPL； 保護(hù)現(xiàn)場PUSHDPH；SETBD5H；置標(biāo)志ACALLSAMP；調(diào)用采樣子程序ACALLFILTER；調(diào)用數(shù)字濾波程序CJNEA,42H,TPL；若Ui（k）不等于Umax，則TPLWL:MOVC,5EH ；MOV5FH,C；5EH送5FHCLR5EH；清5EH單元ACALLUPL；轉(zhuǎn)上限處理程序POPDPHPOPDPLPOPACCRETI；中斷返回TPL:JNCTPL1；若Ui（k）大等Umax，則TPL1CLR5FH ；清上次越限標(biāo)志CJNEA,43H,MTPL；若Ui（k）不等于Umin，則MTPLHAT:SETBP1.1；若溫度不越限則令綠燈亮ACALLPID；調(diào)用計(jì)算PID子程序MOVA,2FH；PID值送ACPLA；INCA；對PID值求補(bǔ)，作為TL1值NM:SETBP1.3；令p1.3輸出高電平脈沖MOVTL1,A；MOVTH1,#0FFH；T1賦初值SETBPT1；T1高優(yōu)先級中斷SETBTR1；啟動(dòng)T1SETBET1；允許T1中斷ACALLTRAST；調(diào)用標(biāo)度轉(zhuǎn)換程序LOOP:ACALLDISPLY；顯示溫度JBD5H,LOOP；等待T1中斷POPDPH；POPDPL；恢復(fù)現(xiàn)場POPACC；RETI；中斷返回MTPL:JNCHAT；若Ui（k）大于Umin，則HATSETBP1.0；否則越下限聲光報(bào)警MOVA,45H；取PID最大值輸出CPLA；INCA；對PID值求補(bǔ)，作為TL1AJMPNM；轉(zhuǎn)NM執(zhí)行TPL1:SETB5EH；若Ui（k）大于Umax，則5EH單元置位JNB5FH,WL；若上次未越限，則轉(zhuǎn)WLINC44H；越限計(jì)數(shù)器加1MOVA,44HCLRCSUBBA,#N；越限N次？JNZWL；越限小于N次，則WLSETBP1.2；否則，越上限聲光報(bào)警CLR5EH；CLR5FH；清越限標(biāo)志POPDPH ；POPDPL；恢復(fù)現(xiàn)場POPACC；RETI；中斷返回T1中斷服務(wù)程序ORG001BHAJMPCT1ORG0200HCT1:CLRD5H;清標(biāo)志CLRP1.3;令p1.3變?yōu)榈碗娖絉ETI ;中斷返回子程序采樣子程序SAMP：SAMP：MOVR0,#2CH;采樣值起始地址送R0MOVR2,#03H;采樣次數(shù)初值送R2MOVDPTR,#03F8SAM1:MOVX@DPTR,A