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計算機控制技術課程設計任務書 | 學生姓名 |
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| | 題 目 | | | 課題性質 | | | | | 指導教師 |
| | 主要內容 | 針對淬火爐爐溫控制系統的控制功能要求，設計一個計算機控制系統，能夠對淬火爐內的溫度進行測量及顯示，并通過執行機構控制淬火爐內的溫度保持在給定值。 | | 任務要求 | 第1天：熟悉課程設計任務及要求，針對課題查閱技術資料。 第2天：確定設計方案。要求對設計方案進行分析、比較、論證，畫出方框圖，并簡述工作原理。 第3-4天：按照確定的方案設計單元電路。要求畫出單元電路圖，元件及元件參數選擇要有依據，各單元電路的設計要有詳細論述。 第5天：撰寫課程設計報告。要求內容完整、圖表清晰、文理流暢、格式規范、方案合理、設計正確，篇幅不少于5000字。 | | 主要參 考資料 | [1] 沙占友. 單片機應用技術與實例. 北京：電子工業出版社，2005 [2] 樓然苗. 單片機課程設計指導. 北京：北京航空航天大學出版社，2007 [3] 張毅剛等， MCS-51單片機應用設計，哈工大出版社，2007年 [4] 張晉格．計算機控制原理與應用．北京：電子工業出版社，1995
| | 審查意見 | |
目錄 1 引言............................................................ 4 1.1 課題背景...................................................... 4 1.2 控制對象...................................................... 5 1.3 系統功能及技術要求............................................ 5 2 總體方案設計................................................... 5 2.1 控制方案選擇.................................................. 5 2.2 數學模型的建立................................................ 6 2.3 控制算法的確定................................................ 6 2.4 系統組成框圖及工作原理........................................ 7 3 硬件電路設計.................................................... 8 3.1 微控制器...................................................... 8 3.2 A/D轉換模塊.................................................. 8 3.3 溫度測量電路.................................................. 8 3.4 溫度控制電路.................................................. 9 3.5 鍵盤與顯示電路................................................ 9 3.6 報警電路..................................................... 10 4 軟件設計...................................................... 11 4.1 主程序流程圖................................................. 11 4.2 中斷程序流程圖............................................... 12 5總結........................................................... 13 參考文獻........................................................ 14 附錄 系統總原理圖................................................ 16
1 引言1.1 課題背景
溫度是工業對象中一個主要的被控參數，它是一種常見的過程變量，因為它直接影響燃燒、化學反應、發酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結晶以及空氣流動等物理和化學過程。溫度控制不好就可能引起生產安全，產品質量和產量等一系列問題。溫度控制是許多設備的重要的構成部分，它的功能是將溫度控制在所需要的溫度范圍內，以利于進行工件的加工與處理。不論是在生活中還是在工業生產過程中，溫度的變化對生活、生產的某些細節環節都會造成不同程度的影響，所以適時地對溫度進行控制具有重要的意義。
一直以來，人們采用了各種方法來進行溫度控制，都沒有取得很好的控制效果。起先由于電阻爐的發熱體為電阻絲，傳統方法大多采用儀表測量溫度，并通過控制交流接觸器的通斷時間比例來控制加熱功率。由于模擬儀表本身的測量精度差，加上交流接觸器的壽命短，通斷比例低，故溫度控制精度低，且無法實現按程序設定的升溫曲線升溫和故障自診斷功能，因此要對傳統的溫度控制方法進行改造。如今，隨著以微機為核心的溫度控制技術不斷發展，用微機取代常規控制已成必然，因為它確保了生產過程的正常進行，提高了產品的數量與質量，減輕了工人的勞動強度以及節約了能源，并且能夠使加熱對象的溫度按照某種指定規律變化。這不但對用戶來說具有很大的意義，而且對整個社會來說都是有重大意義。
1.2 控制對象
淬火是生產過程中的一道關鍵工序，其溫度控制的精度直接影響到產品的質量，因此淬火爐的溫度控制在工業生產中具有重要意義。
1.3 系統功能及技術要求
淬火爐溫度控制通常由多個溫區，本設計針對一個溫區進行溫度控制，要求控制溫度范圍600-800℃，控制精度在±1℃。溫度探頭選用熱電偶。系統具體化技術指標如下：
1. 淬火爐溫度控制在600-800℃；
2. 加熱過程中恒溫控制，誤差為±2℃；
3. LED實時顯示系統溫度，用鍵盤輸入溫度，精度為1℃；
4. 采用直接數字控制算法，要求誤差小，平穩性好；
5. 溫度超出預置溫度±5℃時發出報警。
2 總體方案設計2.1 控制方案選擇
方案一：系統采用8031作為系統的微處理器。溫度信號由熱電偶檢測后轉換為電信號經過預處理（放大）送到A/D轉換器，轉換后的數字信號再送到8031內部進行判斷或計算。從而輸出的控制信號來控制鍋爐是否加熱。但對于8031來說，其內部只有128個字節的RAM，沒有程序存儲器，并且系統的程序很多，要完成鍵盤、顯示等功能就必須對8031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，使系統的設計復雜化。
方案二：AT89C51單片機是最常用的單片機，是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器。AT89C51與MCS-51系列的單片機在指令系統和引腳上完全兼容，而且能使系統具有許多MCS-51系列產品沒有的功能，功能強、靈活性高而且價格低廉。AT89C51可構成真正的單片機最小應用系統，縮小系統體積，增加系統的可靠性，降低了系統成本。只要程序長度小于4K，四個I/O口全部提供給擁護。系統運行中需要存放的中間變量較少，可不必再擴充外部RAM。
綜上所述的二種方案，該設計選用方案二比較合適。
2.2 數學模型的建立
本設計針對一個溫區進行溫度控制，要求控制溫度范圍600-800℃，控制精度在±1℃。溫度探頭選用熱電偶。輸出0-10mA電流信號，通過雙向可控硅控制器控制加熱電阻兩端的電壓，輸入電流輸出電壓線性關系。其對象溫控數學模型為：
（2-2-1）
其中，θ（s）為爐溫，U（s）為輸入電壓，K、TP、τ為爐子的參數。這三個參數都能通過實驗的方法得到。
2.3 控制算法的確定
PID調節是連續系統中技術最成熟的、應用最廣泛的一種控制算方法。它結構靈活，不僅可以用常規的PID調節，而且可以根據系統的要求，采用各種PID的變型，如PI、PD控制及改進的PID控制等。它具有許多特點，如不需要求出數學模型、控制效果好等，特別是在微機控制系統中，對于時間常數比較大的被控制對象來說，數字PID完全可以代替模擬PID調節器，應用更加靈活，使用性更強。所以該系統采用PID控制算法。
在計算機控制系統中，PID控制規律的實現必須用數值逼近的方法。當采樣周期相當短時，用求和代替積分，用后向差分代替微分，是模擬PID離散化變為差分方程。
數字PID位置型控制算式為：
（2-3-1）
數字PID增量型控制算式為：
（2-3-2）
其中 稱為比例增益；
稱為積分系數；
稱為微分系數。
2.4 系統組成框圖及工作原理
系統的硬件包括微控制器部分（主機）、A/D轉換模塊、溫度檢測、溫度控制、鍵盤與顯示、報警幾個主要部分，系統的組成框圖如圖2.1所示。
圖2.1 系統組成框圖
工作原理：淬火爐的溫度由溫度傳感器獲得，經A/D轉換模塊轉換后送給單片機，然后經相應的顯示電路顯示出來。工作人員根據工序所需溫度然后通過鍵盤把相應的指令送入單片機，經過光耦驅動電路和可控硅控制器的控制使淬火爐的溫度滿足工序的需要。報警電路則是在淬火爐溫度低于600℃或高于800℃的時候發出報警信號。
3 硬件電路設計3.1 微控制器
AT89C51是一種帶4K字節Flash可編程可擦除的高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價格低廉的方案。
3.2 A/D轉換模塊
系統中的AD轉換模塊的功能主要是由AD574來實現的，AD574是12位逐次逼近型的AD轉換芯片，片內有數據輸出寄存器并有三態輸出的控制邏輯。其運算方式靈活，可進行12位轉換，也可進行8位轉換，轉換結果可直接12位輸出，也可先輸出高8位，后輸出低4位。片內有時鐘電路，無需外部時鐘。
3.3 溫度測量電路
本系統采用熱電偶來采集溫度，熱電偶是一種感溫元件，它把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電氣儀表轉換成被測介質的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的均質導體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢，即熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應。兩種不同成份的均質導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據熱電動勢與溫度的函數關系，制成熱電偶分度表，分度表是自由端溫度在0 ℃時的條件下得 到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時，只要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶所產生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后，即可知道被測介質的溫度。
3.4 溫度控制電路
電阻絲由過零觸發型的雙向晶閘管整流電路驅動，通過調節加熱阻絲上的平均電壓來控制加熱功率，最終達到控制爐溫的目的，其原理見圖3.1。MOC3021是晶閘管型光電隔離器件，它只能觸發小功率晶閘管。因此，本系統中通過MOC3021控制雙向晶閘管T1，再由T1控制主電路的雙向晶閘管T2。將當前溫度與預置溫度比較，當前溫度小于預置溫度時，繼電器閉合，接通電阻絲加熱；當前溫度大于預置溫度時，繼電器斷開，停止加熱；當二者相等時電路保持原來狀態；當溫度降低到比預置溫度低2℃時，再重新啟動加熱；當前溫度超出報警上下限時將啟動報警，并停止加熱。由于淬火爐加熱時，當前溫度有可能低于報警下限，為防止誤報，在未達到預置溫度時，不允許報警，為此設置了報警允許標志位F0。
圖 加熱控制電路原理圖
3.5 鍵盤與顯示電路
鍵盤可以分為獨立連接式和行列式（矩陣式）兩類。獨立式鍵盤是各按鍵相互獨立地接通一條輸入數據線，電路簡單。但是當按鍵較多時，要占用較多的I/O口線。為了減少鍵盤與單片機接口時所占用I/O線的數目，在鍵數較多時，通常將鍵盤排列成行列矩陣形式。本系統允許用戶根據需要隨時改變系統的工作狀態和控制參數，為此設置了4位LED顯示和相應的操作鍵盤，并由專用控制芯片8279實現與CPU的接口。采用8279后，可以節省CPU用于查詢鍵盤輸入和管理顯示輸出的時間，降低了對CPU處理速度的要求，同時也減少了軟件工作量。接口電路圖如圖3.2所示。
圖U 鍵盤與顯示電路
其工作原理：用8行2列擴展14個鍵盤。8條行線分別接到8279的RL0～RL7，2條列線接74LS138的BO、B1輸出端。假設B0為低電平，B1為高電平，若BO這列有鍵按下，則該行被拉為低電平。因此，如果某列掃描信號為低電平，這列中有某一行輸入到8279為低電平，則可以知道該行和列交叉的鍵被按下。當然，這些工作是由8279自動掃描來完成的，不需要CPU的干涉。
3.6 報警電路
在系統中設計報警電路是很重要的，在本系統中檢測的溫度信號高于或低于測溫范圍時發出警告信號，保證性能好、結構簡單、適用，所以選擇鳴音報警。本系統中分別設計了斷點報警信號和恒溫完成報警信號，均采用揚聲器加指示燈的方法來進行報警，其電路如圖3.3所示。若出現斷偶故障，則輸入P2.5由低變高，紅色指示燈亮，同時揚聲器發出聲音。若恒溫時間到，則輸入P2.4由低變高，黃色指示燈亮，同時揚聲器發出聲音。
圖3.3 報警與指示電路
4 軟件設計4.1 主程序流程圖
主程序流程圖如圖4.1所示。 熱電偶檢測到的溫度經MAX6675放大和A/D轉換送入單片機，程序首先在液晶顯示器上顯示開始設定的溫度和實際溫度，接著一直掃描鍵盤，如果KS0按下一次，則設定溫度加1，并在液晶顯示器上顯示出來；如果KS1按下一次，則設定溫度減1，在液晶顯示器上顯示出來。將設定值溫度與實際值比較，計算差值，如果實際溫度小于設定溫度，將差值送入AD轉換器，使加熱電路進行加熱，如果實際溫度大于設定溫度，因為沒有冷卻裝置，只能不進行加熱，是溫度自然降下來。運行過程對鍵盤掃描重復上述過程。
圖4.1 主程序流程圖
4.2 中斷程序流程圖
主程序首先進行初始化，包括I/O口、定時器、中斷系統、8255A的初始化，然后等待定時器中斷。在定時器中斷服務子程序中，先判斷30s到否，若未滿30s，則返回；若到30s，則進行一系列操作：檢測鍵盤設定值、檢測溫度并進行標度變換，刷新顯示溫度，輸出溫度控制，并根據溫度檢測值是否超限而報警等。系統程序結構屬中斷方式，系統功能均在中斷服務子程序中完成，30s完成一次。根據總體結構，可將程序劃分為幾個功能模塊：溫度設定輸入、溫度檢測、溫度值標度變換、溫度顯示、PID算法、溫度控制、報警。中斷程序流程圖如圖4.2所示：
圖4.2 中斷程序流程圖
5總結
大三下學期開了五門專業課，各種學科相互交叉，好多東西我都不是很理解不能夠掌握其精髓，課程設計幫我及時梳理了這么多的知識，讓我能把所學的知識應用于實踐，對即將進入社會的我有很大的幫助。
課程設計是對我們這學期學的計算機控制技術這門課的理論知識的一個綜合測評，是對我們將理論結合實踐的綜合能力的考查，是培養我們發現問題、解決問題的能力，是激發我們內在創新意識的途徑。在此次課程設計中，我學到了0許多平時課堂上學不到的東西，比如：單片機系統的可行性分析、淬火爐的設計與制作、各種器件的選型等。在設計過程中我還遇到了許多難以解決的問題，并為之投入了大量的時間和精力。回想起這次的課程設計，我感觸頗多，為很多從沒碰到的問題而絞盡腦汁，為無法找出的錯誤而郁悶煩躁,也曾經為取得的一小步成功而欣喜過……幾分欣喜幾分愁，終于，功夫不負有心人,最終我成功了，看著自己做的課程設計，看看自己親自用Protel畫的電路圖及用Visio做的程序流程圖，我激動不已。
在本次設計中，我發現了自己的許多缺點，比如：知識面太窄，學習知識不牢固，在硬件上的水平還比較差，不能很好地將自己所學的知識與實際相結合等。所以，在以后的學習中，我會努力完善自己，使自己的實踐動手能力進一步提高。
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