過程控制系統(tǒng) 1 過程控制系統(tǒng) 緒論 在科技高速發(fā)展的信息時代，電子技術(shù)、微型計算機技術(shù)的應用更是空前廣泛，伴隨著科學技術(shù)和生產(chǎn)不斷發(fā)展，需要對各種參數(shù)進行溫度測量。在單片機溫度測量系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是測量溫度、控制溫度和保持溫度，溫度測量是對工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一，因此單片機測量是對溫度的有效的測量，并能在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用。 本次課設所研究的課題是“基于單片機的熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)設計，主要介紹了對熱水鍋爐的溫度顯示、控制及報警、實現(xiàn)了溫度的實時顯示及控制。鍋爐水溫控制部分采用了 片機、 度傳感器以及步進電機來實現(xiàn)，通過溫度傳感器 集環(huán)境溫度，以單片機為核心控制部件將采集到的溫度通過串口通信 入到電腦中，在電腦中通過 C 語言編程來控制單片機的工作方式，將程序下載到單片機中，通過設定溫度與給定溫度的比較來控制電機的正反轉(zhuǎn)來模擬升溫和降溫使系統(tǒng)工作在設定的溫度范圍之內(nèi)，當溫度高于設定值時，通過電機正轉(zhuǎn)來模擬開大冷水閥，進而使水溫降低；當溫度低于設定值時，通過電機反轉(zhuǎn)來模擬關(guān)小冷水閥，進而使水溫升高；直到在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進行恒溫加熱。本 次課設通過 繪制人機交互界面設置溫度的上下限。并且通過該界面可以實時顯示當前的溫度值，發(fā)出報警信號等，便于操作人員觀察。 關(guān)鍵詞： 片機 度傳感器 串口通訊 進電機 過程控制系統(tǒng) 2 一 設計任務、要求和技術(shù)指標 計任務 系統(tǒng)構(gòu)成： 系統(tǒng)主要由溫度傳感器，單片機控制系統(tǒng)、鍋爐溫度對象、執(zhí)行器（查找資料自己選擇）等組成。 溫度傳感器、控制器、執(zhí)行器可查找資料自行選擇，控制器選擇單片機為控制器。單片機型號自選 寫出溫度測量與控制過程，繪制 溫度控制系統(tǒng)組成框圖。 （ 1）系統(tǒng)硬件電路設計自選。 溫度測量程序、溫度校準程序、溫度控制程序等部分組成。 要技術(shù)指標 （ 1） 溫度顯示誤差不超過 1。 （ 2） 溫度顯示范圍為 0 99。 二、總體設計方案 計思路 本設計方案采用 片機作為控制器， 片作為溫度傳感器，步進電機作為執(zhí)行器構(gòu)成過程控制系統(tǒng)，來模擬熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)。通過溫度傳感器 集鍋爐水溫，以單片機為核心控制部件將采集到的溫度通過串口輸入到電腦中，在電腦中通過 態(tài) 軟件來顯示實時溫度和設置預置溫度，并根據(jù)實時溫度與預置溫度的偏差大小控制進水閥門的開關(guān)，進而達到調(diào)節(jié)鍋灶水溫的目的。當實時溫度高于設定值時，通過電機正轉(zhuǎn)來模擬開大冷水閥，進而使水溫降低；當溫度低于設定值時，通過電機反轉(zhuǎn)來模擬關(guān)小冷水閥，進而使水溫升高；直到在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進行恒溫加熱。本次課設通過繪制人機交互界面，設置所需溫度值。 統(tǒng)總體框圖 過程控制系統(tǒng) 3 統(tǒng)框圖 三、 控制器 介 一種低功耗、高性能 微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可程 儲器。使用 司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80品指令和引腳完全兼容。片上 許程序存儲器在系統(tǒng)可編程亦適于常規(guī)編程器在單芯片上擁有靈巧的 8 位 在系統(tǒng)可編程得 眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 有以下標準功能： 8k 字節(jié) 256 字節(jié) 32 位 I/O 口線、看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針、三個 16 位 定時器 /計數(shù)器、一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)、全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外 降至 0態(tài)邏輯操作， 上位機 電平轉(zhuǎn)換 芯片 限報警 度芯片數(shù)據(jù)傳輸 步進電機 數(shù)據(jù)顯示 程控制系統(tǒng) 4 支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下， 止工作允許 時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護方式下， 容被保存振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。電路圖如下： 四、 傳感器 美國 導體公司最 新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn) 9的數(shù)字值讀數(shù)方式。 性能特點如下： 獨特的單線接口僅需一個端口引腳進行通訊 簡單的多點分布應用 無需外部器件 可通過數(shù)據(jù)線供電 零待機功耗 測溫范圍 125，以 增。華氏器件 2570F，以 增 溫度以 9 位數(shù)字量讀出 過程控制系統(tǒng) 5 溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時間 200型值） 用戶可定義的非易失性溫度報警設 置 報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件。 測溫原理如圖 示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器 1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器 2 的脈沖輸入， 圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門打開時， 對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量 次測量前，首先將 所對應的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器 1 和溫度寄存器中，減法計數(shù)器 1 和溫度寄存器被預置在 所對應的一個基數(shù)值。 減法計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器 1 的預置值減到 0 時溫度寄存器的值將加 1，減法計數(shù)器 1 的預置將重新被裝入 ,減法計數(shù)器 1 重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù) ,如此循環(huán)直到減法計數(shù)器 2 計數(shù)到 0 時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫圖 2 中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性其輸出用，于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被 測溫度值，這就 是 測溫原理。 另外，由于 線通信功能是分時完成的，他有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對 各種操作必須按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初始化 復位脈沖） 發(fā) 能命令 發(fā)存儲器操作命令 處理數(shù)據(jù)。 預 置低 溫 度 系 數(shù) 振 蕩 器高 溫 度 系 數(shù) 振 蕩 器斜 率 增 加 器計 數(shù) 器 1比 較預 置= 0溫 度 寄 存 器計 數(shù) 器 2= 01停 止 1 2過程控制系統(tǒng) 6 圖 溫原理圖 五、 接口通訊單元 51 單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和電腦之間可以方便地進行 串口通訊。進行串行通訊時要滿足一定的條件，比如電腦的串口是 平的，而單片機的串口是 平的，兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路，因此采用專 用芯片 行轉(zhuǎn)換。 料簡介 ： 該產(chǎn)品是由德州儀器公司（ 出的一款兼容 準的芯片。由于電腦串口 平是 10v，而一般的單片機 應用 系統(tǒng)的信號電壓是 平 0 +5v,是用來進行電平轉(zhuǎn)換的 ,該器件包含 2 驅(qū)動器、 2 接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供 平。 該器件符 合 準，每一個接收器將 平轉(zhuǎn)換成 5平。每一個發(fā)送器將 平轉(zhuǎn)換成 主要特點 ： 1、單 5V 電源工作 2、 藝技術(shù) 3、 兩個驅(qū)動器及兩個接收器 4、 30V 輸入電平 5、低電源電流：典型值是 8、符合甚至優(yōu)于 準 薦標準 、 護大于 法 3015）標準的 2000V 5 1 單 片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和電腦之間可以方便地進行串口通訊。進行串行通訊時要滿足一定的條件，比如電腦的串口是 單片機的串口是 平的，兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路，我采用了專用芯片 行轉(zhuǎn)換，雖然也可以用幾個三極管進行模擬轉(zhuǎn)換，但是還是用專用芯片更簡單可靠。 三、 系統(tǒng)總工作原理 過程控制系統(tǒng) 7 工作原理 本設計方案采用 片機作為控制器， 片作為溫度傳感器，步進電機作為執(zhí)行器構(gòu)成過程控制系統(tǒng)，來模擬熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)。通過溫度傳感器 集鍋 爐水溫，以單片機為核心控制部件將采集到的溫度通過串口輸入到電腦中，在電腦中通過 態(tài)軟件來顯示實時溫度和設置預置溫度，并根據(jù)實時溫度與預置溫度的偏差大小控制進水閥門的開關(guān)，進而達到調(diào)節(jié)鍋灶水溫的目的。當實時溫度高于設定值時，通過電機正轉(zhuǎn)來模擬開大冷水閥，進而使水溫降低；當溫度低于設定值時，通過電機反轉(zhuǎn)來模擬關(guān)小冷水閥，進而使水溫升高；直到在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進行恒溫加熱。本次課設通過繪制人機交互界面，設置所需溫度值。 系統(tǒng)通過 測鍋爐的水溫， 為全數(shù)字式 的溫度傳感器，將所測溫度以數(shù)字量形式傳給 片機，單片機先不直接處理所測溫度，而是將溫度傳給上位機，計算機通過 溫度信息進行記錄和處理然后又發(fā)送到單片機通過單片機控制執(zhí)行器件。 對溫度進行中值濾波以消除隨機誤差。然后再與設定溫度相減以取得偏差，然后再根據(jù)偏差方向控制步進電機的正反轉(zhuǎn)以調(diào)節(jié)冷水閥的開度。進而達到控制鍋爐水溫的目的 七、參考文獻 1、 馬淑華 單片機原理與接口技術(shù) 北京郵電大學出版社 2、 任彥碩 自動控制系統(tǒng) 北京郵電大學出版社 3、 譚浩強 C 語言程序設計 清華大學出版社 八、 結(jié)束語 通過本次課程設計，將之前所學的專業(yè)課單片機原理 、過程控制系統(tǒng) 、虛擬儀器 、 C 語言等課程有機的結(jié)合到了一起。將所學的知識付諸于實踐是一件很興奮的事情，這讓我明白了自己所學的知識與實際的生產(chǎn)生活有著很大的聯(lián)系。但通過本次課設我也發(fā)現(xiàn)了自己有很多不足之處，對編程缺乏興趣、對一些本專業(yè)的軟件不能熟練的掌握等缺點。因此，在即將到來的畢業(yè)設計中，我要主動去學習一些軟件的用法，不拿不敢興趣為理由，做出一個漂亮的作業(yè)。 過程控制系統(tǒng) 8 附錄 1 源程序 /*主程序 */ # /包含單片機寄存器的頭文件 #()函數(shù)定義的頭文件 =0 =0 i,j; i=0;i=1; Q=1) 0 /如果讀到的數(shù) 據(jù)是 1，則將 1 存入 0，則將 0 存入 程控制系統(tǒng) 11 /將單片機檢測到的電平信號 入 ri ;1; /將 的各二進制位數(shù)據(jù)右移 1 位 ; /如果低 8 位大于 255，向高 8 位進 1 H*16+6; / 實 際 溫 度 值 =(56+16, 即：6+6 /這樣得出的是溫度的整數(shù)部分 ,小數(shù)部分被丟棄了 6)*10/16; /計算溫度的小數(shù)部分 ,將余數(shù)乘以 10再除以 16取整， H*16+6; / 實 際 溫 度 值 =(56+16, 即：6+6 /這樣得出的是溫度的整數(shù)部分 ,小數(shù)部分被丟棄了 6)*10/16; /計算溫度的小數(shù)部分 ,將余數(shù)乘以 10 再除以 16取整， /這樣得到的是溫度小數(shù)部分的第一位數(shù)字 (保過程控制系統(tǒng) 13 留 1 位小數(shù) ) 0); N); D); (1) ; /電機正轉(zhuǎn) if(3) /退出此循環(huán)程序 if(2) ; /電機反轉(zhuǎn) if(3) /退出此循環(huán)程序 0 /串口接收中斷函數(shù) 0,r=0; I) /查詢接收標志位（有數(shù)據(jù)發(fā)送過來時置為 1） 0; /接收標志位清零 /存儲緩沖區(qū)的數(shù)據(jù) 過程控制系統(tǒng) 14 附錄 2 主程序框圖 子程序框圖（溫度讀寫） 過程控制系統(tǒng) 15 附錄三 精品文檔 精品文檔 精品資料 精品文檔 - 精品資料 9g&6a*#͑E%&c c E%& !#͑c#&c K N&c c *a* #͑c 89#͑c c #E%&v xc *a*H$#͑c xc c c #͑c c c xc #E%&#&c A 5c A 5wcxc !U*3!c&!ccE%&U*3c c A 5xcU*3 c U*3c& !c u