畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書I摘要在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。其中，溫度控制越來越重要。在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測和控制。采用單片機(jī)對溫度進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對溫度的控制問題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的控制問題。單片機(jī)是一種集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統(tǒng)等部分于一體的器件，只需要外加電源和晶振就可實(shí)現(xiàn)對數(shù)字信息的處理和控制。因此，單片機(jī)廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)控制中。本論文側(cè)重介紹“單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)”的硬件設(shè)計(jì)及相關(guān)內(nèi)容。論文的主要內(nèi)容包括：采樣、濾波、鍵盤、LED顯示和報(bào)警系統(tǒng)，溫度PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。作為控制系統(tǒng)中的一個(gè)典型應(yīng)用設(shè)計(jì)，單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)綜合運(yùn)用了微機(jī)原理、自動(dòng)控制原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、鍵盤顯示技術(shù)等諸多方面的知識(shí)。關(guān)鍵詞：MCS；溫度控制；PID；控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書IIAbstractWithscientificconstantprogress,inindustrialproduction,electriccurrent,voltage,temperature,pressurearemainlycommonlyused.especiallyintheheattreatmentindustry,theaccuratetestandcontrollingoftemperatureisveryimportant.Inalotoffields,forexample:Inmetallurgicalindustry,chemicalproduction,powerengineering,machinemanufactures,foodprocessing,familyandindustryheatetc.peopleneedtoheatingfurnace,heat-treatmentfurnaceandallkindsofresponsestoveandboilertemperaturemeasureandcontrol,throughsoftwaredesign,toreachtheintelligentcontrolfinallyandrealizetheinteractivefunction.AdoptSingle-ChipMicrocomputerisitcontrolconvenient,simple,flexibilityadvantagesuchasbeingheavytohavenotmerelytocontroltogoontotemperaturetocome,andcanraisebytechnicalindicatornottoaccuseoftemperaturebyalargemargin,thuscanbigimprovementqualityandthequantityofproducts.SothecontrolproblemtothetemperatureofSingle-ChipMicrocomputeristhecontrolproblemconstantlybeabletoencounterintheindustrymanufacture.ThispaperfocusesonMCStemperaturecontrolsystemhardwaredesignandrelatedcontent.Thecontentofthisthesismainlyincludes:introduces,filteringware,keyboard,man-computerdialoguesupportedbyLEDindication,heatcontrolmethod.Asatypicalexperimentaldesignincontrolsystem,MCStemperaturecontrolsystemintegrateduseofcomputertheories,Controltheory,analogelectronics,digitalcontroltechnology,thekeyboardanddisplaytechnologiesinmanyaspectsofknowledge.Keywords：MCS；temperaturecontrol；PID；ControlSystem蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書III目錄摘要第一章概述.11.1選題背景.11.2加熱爐工藝簡介.11.2.1加熱爐.11.2.2三段連續(xù)推鋼式加熱爐.21.2.3加熱爐的狀況、功能及技術(shù)指標(biāo).31.2.4加熱爐的工藝要求.31.2.5加熱爐的燃燒和鋼坯加熱過程簡述.31.2.6計(jì)算機(jī)控制的基本要求.41.3設(shè)計(jì)內(nèi)容.41.4解決的關(guān)鍵問題.4第二章設(shè)計(jì)方案論證.62.1控制系統(tǒng)選擇：.62.1.1方案一：單回路反饋控制系統(tǒng).62.1.2方案二：串級控制系統(tǒng).62.1.3方案三：前饋控制系統(tǒng).72.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：.82.2.1硬件組成.82.2.2模塊作用.9第三章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì).103.1單片機(jī)選型.103.1.1主要功能.103.1.2內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖.113.1.3外部引腳說明.113.1.4中斷系統(tǒng).143.2A/D轉(zhuǎn)換器概述.143.2.1A/D轉(zhuǎn)換器選型.143.2.2AD0809引腳圖.153.3D/A轉(zhuǎn)換器簡介.163.3.1性能簡介.163.3.2D/A轉(zhuǎn)換器選型.163.3.3DAC1208內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖.173.3.4DAC1208引腳圖.173.3.5DAC1208與單片機(jī)的接口：.183.4I/O擴(kuò)展：.19蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書IV3.4.1擴(kuò)展I/O口芯片選擇.193.4.28155內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖：.193.4.28155引腳圖：.203.4.38155與單片機(jī)連接.213.5地址鎖存器概述：.223.5.1鎖存器選擇.223.5.274LS373引腳圖：.233.5.374LS373與單片機(jī)相連.233.6存儲(chǔ)器的擴(kuò)展：.243.6.1存儲(chǔ)器選型.243.6.2存儲(chǔ)器管腳圖.253.6.32764A工作方式.263.6.42764A與單片機(jī)的連接.263.7按鍵、LED顯示器的設(shè)計(jì)：.263.7.1按鍵的設(shè)計(jì).263.7.2鍵盤工作原理.293.8傳感器及變送器.313.8.1熱電偶的特性.313.8.2熱電偶型號(hào)的選擇.323.8.3溫度傳送.323.8.4流量傳感器.333.8.5傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器電氣接線圖（一體式安裝）.343.8.6儀表的規(guī)格.353.9HONEYWEL電動(dòng)線性調(diào)節(jié)閥.363.9.1電動(dòng)線性調(diào)節(jié)閥特點(diǎn)和性能規(guī)格.373.9.2閥門放大電路.373.10源模塊的設(shè)計(jì).383.11.1電源設(shè)計(jì).38第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).394.1主程序和中斷服務(wù)程序：.394.1.1主程序流程圖：.394.1.2中斷程序的流程圖：.394.2鍵盤掃描程序.404.3溫度檢測子程序：.414.4溫度控制子程序：.424.5溫度越限報(bào)警子程序：.434.6控制算法子程序：.444.6.1增量式PID調(diào)節(jié)器.44蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書V4.6.2單字節(jié)帶符號(hào)數(shù)的減法子程序.464.6.3雙字節(jié)帶符號(hào)數(shù)的加法子程序：.474.7顯示子程序：.484.8系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)存分配.49第五章設(shè)計(jì)總結(jié).51附錄1程序清單：.54附錄2：外文翻譯.65蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書1第一章概述加熱爐是種類繁多的工業(yè)爐窯中的一種，軋制生產(chǎn)線上的主要工藝設(shè)備之一，其作用是將鋼坯加熱到軋制所要求的溫度。這種設(shè)備一方面耗能大另一方面控制起來困難，一直是自動(dòng)化生產(chǎn)中急需要解決的問題之一。目前國內(nèi)仍有大量的加熱爐停留在簡單的人工控制或者通過電子儀表進(jìn)行手工電動(dòng)操作，這種操作方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、控制粗糙、節(jié)能效果不好、對操作工的水平要求較高。隨著要求高效利用能源和降低環(huán)境污染等問題的日益急迫，急需對加熱爐之類的工業(yè)爐窯實(shí)行優(yōu)化控制以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和降低對環(huán)境的污染。1.1選題背景加熱爐的燃料有重油、柴油、煤氣、天然氣等。許多中大型軋鋼廠通常是采用高爐煉鋼所產(chǎn)生的高爐煤氣和焦?fàn)t煉焦所產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣，并將它們按一定的比例混合作為加熱爐的燃料，其次是以重油為燃料，也有兩者混合燃燒的。本論文源于南鋼中板廠二號(hào)加熱爐，燃料基本為高爐焦?fàn)t混合煤氣。七十年代以來，國際上主要從兩方面(設(shè)備方面和自動(dòng)控制方面)采取措施以降低加熱爐的能耗。在設(shè)備方面，諸如采用新型燒嘴，高性能爐體包扎材料，煙道換熱器以及爐徑管絕熱包扎等，以盡量提高爐內(nèi)熱量的利用率；在自動(dòng)控制方面則主要是采用合理的控制策略，使?fàn)t內(nèi)燃燒盡可能完全，以及恰當(dāng)?shù)厥逛撆骷訜岬侥繕?biāo)溫度。這兩方面的工作都取得了不小的進(jìn)展，使得加熱爐的平均耗能大幅度地降低。早期的加熱爐的自動(dòng)控制工作主要在常規(guī)燃燒控制上，如加熱爐各主要過程變量的定值控制，爐溫與燃料流量的串級控制，燃料與助燃空氣的比值控制以及煙道廢氣的含氧量控制等，其直接目標(biāo)是獲得較為穩(wěn)定的爐子工況及合理的燃燒過程，追求最佳燃燒。國內(nèi)加熱爐的控制水平與先進(jìn)國家相比還存在較大的差距，加熱爐控制大多停留在常規(guī)的燃燒控制階段，更有許多處于手工操縱階段。總的來說，加熱爐的高級計(jì)算機(jī)控制策略尚處在初級階段，有關(guān)技術(shù)還不成熟。本文對加熱爐溫度控制技術(shù)的研究主要集中在三個(gè)方面:其一是燃燒控制技術(shù)究；其二是溫度調(diào)節(jié)器的研究；然后是各段爐溫的優(yōu)化設(shè)定研究。這三個(gè)方面工作相輔相成，綜合構(gòu)成了加熱爐的最優(yōu)控制技術(shù)的主要方面。因本人水平有限，文中錯(cuò)誤在所難免，敬請老師和專家批評指正，不勝感激。1.2加熱爐工藝簡介本節(jié)就加熱爐的基本情況及其對加熱爐的控制要求和影響爐溫控制的因素作一些必要的介紹和分析。1.2.1加熱爐加熱爐是鋼鐵企業(yè)的重要設(shè)備之一，屬于工業(yè)窯爐的一種，主要用于在鋼材軋制前蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書2對鋼材進(jìn)行加熱。由于不同的鋼材在加熱到不同的溫度時(shí)其特性不同，且在高溫下便于軋制，所以就必須根據(jù)生產(chǎn)需要和鋼材特性使?fàn)t膛溫度保持在特定的范圍內(nèi)，以使出爐的鋼材溫度滿足軋制要求。目前加熱爐的種類很多，各個(gè)鋼鐵企業(yè)根據(jù)自身的生產(chǎn)情況設(shè)計(jì)了不同類型的加熱爐，主要有連續(xù)式加熱爐、斜底式加熱爐、室狀加熱爐、環(huán)行加熱爐、步進(jìn)式加熱爐。1.2.2三段連續(xù)推鋼式加熱爐連續(xù)式加熱爐是將需要加熱的鋼坯從爐尾由推鋼機(jī)推入，然后在爐膛中進(jìn)行加熱，按照工藝指標(biāo)達(dá)到加熱要求后的鋼坯再從爐頭有出鋼機(jī)推出。由于鋼坯是不斷地一根接一根由爐尾推入，加熱后由爐頭推出，生產(chǎn)過程是連續(xù)的，故稱為連續(xù)式