青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11緒論密煉機(jī)是在開(kāi)煉機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高強(qiáng)度間隙性的混煉設(shè)備。它在橡膠混煉過(guò)程中顯示出來(lái)比開(kāi)煉機(jī)優(yōu)異的一系列特征，如：混煉容量大、時(shí)間短、生產(chǎn)效率高；較好的克服粉塵飛揚(yáng)，減少配合劑的損失，改善產(chǎn)品質(zhì)量和工作環(huán)境1；操作安全便利，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；有益于實(shí)現(xiàn)機(jī)械與自動(dòng)化操作等。但是，較之過(guò)去，混煉的精確性更高，使用的膠料更硬，粘度更大。加之近幾年來(lái)研制的新型轉(zhuǎn)子使混煉周期縮減到2至3分鐘，允許誤差極小2。于是，溫度控制就成了關(guān)鍵性問(wèn)題。而隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和作業(yè)地域的拓展，使得我國(guó)傳統(tǒng)的人工管理以及現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)單儀表加人工操作和巡檢的密煉機(jī)工作模式已無(wú)法滿(mǎn)足日趨嚴(yán)峻的高效生產(chǎn)工作的需要，密煉機(jī)安全高效生產(chǎn)工作也必須遵循“科技興安”的戰(zhàn)略，以技術(shù)進(jìn)步和硬件建設(shè)提升企業(yè)的安全生產(chǎn)技術(shù)水平3，用現(xiàn)代信息技術(shù)提升密煉機(jī)信息資源采集和處理的效率和能力，預(yù)防和控制密煉機(jī)安全事故的發(fā)生以及提高煉膠的質(zhì)量，系統(tǒng)建設(shè)的總體目標(biāo)是為密煉機(jī)設(shè)計(jì)一套技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行成熟、操作簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性好、容易維護(hù)和使用方便的溫度監(jiān)控方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)密煉機(jī)溫度即時(shí)監(jiān)控4。1.1溫度巡檢控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀和進(jìn)展1.1.1溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀密煉機(jī)的溫度是一個(gè)重要的物理參數(shù)5。自然界中任何物理化學(xué)過(guò)程都緊密地與溫度相聯(lián)系。在密煉機(jī)的正常運(yùn)行中，溫度檢測(cè)和控制都直接和安全運(yùn)營(yíng)、運(yùn)行效率、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系，因此不僅在密煉機(jī)系統(tǒng)中十分重要，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中都受到普遍重視。溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)也得到了廣泛應(yīng)用。以單片機(jī)為主的嵌入式系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于橡膠生產(chǎn)以及各個(gè)領(lǐng)域6。傳統(tǒng)的機(jī)械式溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)在工廠企業(yè)中已經(jīng)有上百年的歷史了。近年來(lái)由于微電子學(xué)的進(jìn)步以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，智能化檢測(cè)控制系統(tǒng)已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步。智能儀表在測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化，測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理以及功能的多樣化方面，都取得了巨大的進(jìn)展7。目前在研制高箱度、高性能、多密煉機(jī)溫度巡檢控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2功能的測(cè)量控制儀表時(shí)，幾乎沒(méi)有不考慮采用單片機(jī)使之成為智能儀表的。我國(guó)的單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用始于80年代，在這二十年中單片機(jī)應(yīng)用向縱深發(fā)展，技術(shù)日趨成熟。單片機(jī)為主體取代常規(guī)電子線(xiàn)路，可以熟練的將計(jì)算機(jī)技術(shù)、預(yù)測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起。單片機(jī)為主體取代常規(guī)電子線(xiàn)路，可以熟練的將計(jì)算機(jī)技術(shù)、預(yù)測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起。與國(guó)內(nèi)己經(jīng)出現(xiàn)的各種各樣的智能化測(cè)量控制系統(tǒng)相比，國(guó)際上更是品種繁多9，而國(guó)內(nèi)的開(kāi)發(fā)規(guī)模相對(duì)較小，開(kāi)發(fā)費(fèi)用相對(duì)較高，與國(guó)際相比還存在很大的差距，在密煉機(jī)溫度的巡檢方式上也是各不相同，往往采取逐點(diǎn)的檢測(cè)，這種檢測(cè)方式的巡檢非常繁雜，耗時(shí)耗力。1.1.2溫度巡檢控制系統(tǒng)的進(jìn)展溫度巡檢控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于測(cè)量、監(jiān)測(cè)、診斷、控制、科學(xué)試驗(yàn)等各個(gè)領(lǐng)域中。近二十年來(lái)，溫度巡檢控制技術(shù)由于采用了一系列新技術(shù)，得到了飛速的發(fā)展10。其數(shù)據(jù)采集的分辨率從4位、8位到現(xiàn)在的24位分辨率；采集的速率從幾KBS到現(xiàn)在的最高速率已達(dá)2GPS，記錄設(shè)備從原來(lái)的手記的、模擬或數(shù)字記錄到磁盤(pán)記錄，一直到現(xiàn)在的硬盤(pán)記錄。所有這些都是不斷采用新技術(shù)的成果。所謂溫度巡檢控制，就是系統(tǒng)按照所定的定時(shí)間隔順序讀取各個(gè)待測(cè)溫度點(diǎn)的溫度值，讀取的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算處理后存入數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)將設(shè)定的溫度限值進(jìn)行比較，如發(fā)現(xiàn)越限，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，顯示越限點(diǎn)的名稱(chēng)、地點(diǎn)和溫度，并將其自動(dòng)打印輸出，以便工作人員進(jìn)行檢查和處理并通過(guò)溫度控制電路對(duì)越限溫度進(jìn)行控制；如未越限，則順序顯示各個(gè)溫度點(diǎn)的溫度值。溫度巡檢控制與電子學(xué)、精密儀器學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)密切相關(guān)。盡管溫度巡檢控制技術(shù)起步早，應(yīng)用廣，但在核物理試驗(yàn)這樣復(fù)雜的試驗(yàn)系統(tǒng)中，獲得廣泛的應(yīng)用，還是七十年代以后的事情。從七十年代到現(xiàn)在，溫度巡檢控制技術(shù)在核物理試驗(yàn)中不斷完善和發(fā)展，已形成了一個(gè)獨(dú)立的分支，它們不再是溫度檢測(cè)控制的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，而是包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)變換、數(shù)據(jù)壓縮及實(shí)時(shí)處理等一系列功能的復(fù)雜系統(tǒng)11。由于許多物理現(xiàn)象無(wú)法通過(guò)人的直接觀察來(lái)了解其規(guī)律，這就需要通過(guò)一定的儀器設(shè)備進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換，成為人能夠直接觀察的對(duì)象，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換時(shí)就需要數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，隨著過(guò)程控制技術(shù)，自動(dòng)化儀表技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展，控制領(lǐng)域又發(fā)生了一次技術(shù)變革，這次變革使青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3傳統(tǒng)的溫度巡檢控制系統(tǒng)無(wú)論在結(jié)構(gòu)上還是性能上都發(fā)生了巨大的飛躍12。1.2課題的意義多路溫度的測(cè)量、記錄、傳輸及控制在工業(yè)及民用領(lǐng)域應(yīng)用中一直是量大面廣的設(shè)備之一，所以目前多路溫度巡檢控制儀并不少見(jiàn)。甚至其中有很多己經(jīng)作為例題出現(xiàn)在許多關(guān)于單片機(jī)應(yīng)用的教科書(shū)中，雖然在電路結(jié)構(gòu)、元器件的選擇和相應(yīng)的軟件編程上略有區(qū)別，但是它們均能以單片機(jī)為核心，完成巡檢、顯示、記錄和控制功能。這是由于溫度的檢測(cè)離不開(kāi)溫度傳感器，而傳統(tǒng)的溫度傳感器例如PT-100等都是模擬量輸出，需要進(jìn)行信號(hào)的放大和A/D轉(zhuǎn)換只能被單片機(jī)接受，如果要增加測(cè)試路數(shù)，那么必定要增加放大器和A/D轉(zhuǎn)換器的個(gè)數(shù)，接線(xiàn)將十分復(fù)雜。并且它們的準(zhǔn)確性易受環(huán)境、接線(xiàn)、放大等因素的影響。密煉機(jī)溫度巡檢控制系統(tǒng)的整個(gè)工作過(guò)程都是在軟件程序的控制下自動(dòng)完成的。裝在儀表內(nèi)部EPROM中的監(jiān)控程序由許多程序模塊組成，每一個(gè)模塊完成一種特定的功能，例如實(shí)現(xiàn)某種算法、執(zhí)行某一中斷服務(wù)程序、接受并分析鍵盤(pán)輸入命令等。編制完善的監(jiān)控程序的某些功能模塊，能夠取代某些硬件電路的功能。這就為設(shè)計(jì)擴(kuò)展或改變儀表具體功能給了方便。例如打印的內(nèi)容、格式，報(bào)警值的上、下限，報(bào)警的方式(如發(fā)光、發(fā)聲)等就完全可以通過(guò)改變具體的某一段程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)又不會(huì)影響軟件中其它程序的功能。儀表在使用上更具有靈活性。密煉機(jī)溫度巡檢系統(tǒng)中引入單片機(jī)之后，已經(jīng)降低了對(duì)某些硬件電路的要求。但是測(cè)試電路仍然占有很重要的位置，尤其是直接獲取被測(cè)信號(hào)的傳感器部分仍應(yīng)給予充分的重視，有時(shí)提高整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵仍然在于測(cè)試電路的改進(jìn)?，F(xiàn)在傳感器也正在受著微電子技術(shù)的影響，不斷發(fā)展變化。傳感器正朝著小型、固態(tài)、多功能和集成化的方向發(fā)展。有許多國(guó)家正致力于將微處理器與傳感器集成于一體，以構(gòu)成超小型、廉價(jià)的測(cè)量?jī)x器的主體。但是密煉機(jī)傳統(tǒng)的溫度巡檢方式一般是網(wǎng)點(diǎn)式檢測(cè)，這種檢測(cè)方式的巡檢非常繁雜，耗時(shí)耗力。這就需要一種使用更加方便，檢測(cè)更加精確的溫度，巡檢。而本文的密煉機(jī)溫度巡檢控制系統(tǒng)采用的分層次、分級(jí)別巡檢就解決了以上的問(wèn)題，所以意義十分重大。密煉機(jī)溫度巡檢控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)41.3課題的內(nèi)容本文介紹一種采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)密煉機(jī)的溫度進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)和顯示并進(jìn)行相應(yīng)控制的溫度巡檢系統(tǒng)。我國(guó)的密煉機(jī)系統(tǒng)中，大部分還采用傳統(tǒng)的測(cè)溫控制方法，這不僅效率低、勞動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，而且由于該操作往往存在不合理，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，并采取相應(yīng)措施，致使危險(xiǎn)發(fā)生，并使煉膠質(zhì)量得不到保證，給國(guó)家造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的后果。密煉機(jī)溫度巡檢控制系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示、控制，以熱電偶為溫度傳感器、以AD590為熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償、以MCS-51為處理器，以晶閘管為執(zhí)行器來(lái)完成設(shè)計(jì)任務(wù)所做出的控制要求。本系統(tǒng)涉及硬件方案設(shè)計(jì)，單元電路設(shè)計(jì)和元器件選擇。通過(guò)對(duì)機(jī)內(nèi)數(shù)字PID參數(shù)的設(shè)置，達(dá)到對(duì)不同受控對(duì)象的不同溫度要求進(jìn)行高精度控制。此系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心是數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，采用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫并伴有冷端溫度補(bǔ)償電路和先進(jìn)的單片機(jī)技術(shù)，采用分段巡檢，使系統(tǒng)獲得了更高的工作效率和更優(yōu)良的工作性能。另外，該系統(tǒng)進(jìn)行了抗干擾性的設(shè)計(jì)，從而使系統(tǒng)的可靠性得到明顯的提高。該系統(tǒng)主要用在密煉機(jī)溫度巡檢系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通訊準(zhǔn)確、可靠，可以有效預(yù)報(bào)溫度情況，提高密煉機(jī)煉膠的質(zhì)量，進(jìn)而能夠取得顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。通過(guò)對(duì)傳感器的適當(dāng)選型，本系統(tǒng)同時(shí)也適用于其他方面需要大規(guī)模測(cè)溫的系統(tǒng)，如供暖系統(tǒng)、電站、糧倉(cāng)等系統(tǒng)。青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）52.系統(tǒng)溫度采集部分的設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)的測(cè)溫原理本文中采用熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量，由于熱電偶輸出的電動(dòng)勢(shì)是兩節(jié)點(diǎn)溫度差的函數(shù)。如圖所示，為了使輸出的電動(dòng)勢(shì)是被測(cè)溫度的單一函數(shù)，一般將T作為被測(cè)溫度端，T0作為參比溫度端（冷端）。由于要求T0保持為0，但在實(shí)際中做到這一點(diǎn)很困難，于是采用熱電偶冷端溫度補(bǔ)償。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了AD590進(jìn)行溫度補(bǔ)償。將兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體A、B串接成一個(gè)閉合回路，如果兩結(jié)合點(diǎn)的溫度不同（T0T），則在兩導(dǎo)體間產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，并在回路中有一定大小的電流，因此產(chǎn)生了熱電動(dòng)勢(shì)。由這兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)的傳感器叫做熱電偶，即熱電偶是將溫度轉(zhuǎn)換為電動(dòng)勢(shì)的裝置。熱電動(dòng)勢(shì)是由兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)所組成。T0ABT圖2-1熱電效應(yīng)Fig.2-1Thermoelectriceffect2.2溫度傳感器密煉機(jī)各測(cè)試區(qū)點(diǎn)的溫度值經(jīng)過(guò)測(cè)溫元件，被轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，這樣得到的多路采樣信號(hào)經(jīng)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，由單片機(jī)控制多通道A/D轉(zhuǎn)換，分時(shí)對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行循環(huán)采樣和A/D轉(zhuǎn)換。這是單片機(jī)處理非電量信號(hào)的傳統(tǒng)方法，它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫范圍廣。選用合適的測(cè)溫元件可以檢測(cè)-3003000的溫度。但是一方面，單片機(jī)外電路復(fù)雜，其傳送數(shù)據(jù)的信號(hào)線(xiàn)總是多根的，這樣系統(tǒng)連線(xiàn)非常復(fù)雜，并且需要額外的接口芯片，其成本也高；另一方面，密煉機(jī)溫度巡檢控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)6A/D轉(zhuǎn)換器要占用多個(gè)I/0口向單片機(jī)輸入多位的數(shù)字量，這使得有限的I/0口在設(shè)計(jì)時(shí)顯得較為局促。2.2.1溫度傳感器熱電偶溫度傳感器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的精確度非常重要，常用的溫度傳感器有熱電阻、熱電偶，半導(dǎo)體集成型等溫度傳感器。本系統(tǒng)對(duì)傳感器的測(cè)量精度、線(xiàn)性度要求較高，且信號(hào)采集與處理電路的距離變化較大，溫度傳感器熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量精度高；因溫度傳感器熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。測(cè)量范圍廣；常用的溫度傳感器熱電偶從-100+1800均可測(cè)量，某些特殊溫度傳感器熱電偶最低可測(cè)到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800（如鎢-錸）；構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。溫度傳感器熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開(kāi)頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)接觸點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),因而在回路中形成一定大小的電流,這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。溫度傳感器熱電偶就是利用這一效應(yīng)來(lái)工作的。2.熱電偶的種類(lèi)及結(jié)構(gòu)形式1）溫度傳感器熱電偶的種類(lèi)常用溫度傳感器熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器熱電偶兩大類(lèi)。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的溫度傳感器熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化溫度傳感器熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化溫度傳感器熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化溫度傳感器熱電偶我國(guó)從1988年1月1日起，溫度傳感器熱電偶和溫度傳感器熱電阻全部按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化溫度傳感器熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型溫度傳感器熱電偶。2）溫度傳感器熱電偶的結(jié)構(gòu)形式為了保證溫度傳感器熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對(duì)它的結(jié)構(gòu)要求如下：組成溫度傳感器熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固；兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路；補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與溫度傳感器熱電偶自由端的連接要方便可靠；青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。3溫度傳感器熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償由于溫度傳感器熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時(shí)），而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)把溫度傳感器熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。必須指出，溫度傳感器熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的作用只起延伸熱電極，使溫度傳感器熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不起補(bǔ)償作用。因此，還需采用其他修正方法來(lái)補(bǔ)償冷端溫度t00時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響。在使用溫度傳感器熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)時(shí)必須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與溫度傳感器熱電偶連接端的溫度不能超過(guò)100。2.2.2熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償熱電偶的冷端補(bǔ)償經(jīng)常應(yīng)用補(bǔ)償電橋法，也有利用二極管正向電壓隨溫度上升而減小的特性進(jìn)行冷端補(bǔ)償?shù)摹?補(bǔ)償原理在熱電偶冷熱端電勢(shì)關(guān)系中，有如下公式存在EAB(t,0)=EAB(t,tn)+EAB(tn,0)其中，t為實(shí)測(cè)溫度；tn為冷端溫度；EAB(t,0)為冷端溫度為0時(shí)，熱電偶電勢(shì)輸出；EAB(t，tn)冷端溫度為tn時(shí)，熱電偶電勢(shì)輸出；EAB(tn，0)冷端補(bǔ)償電勢(shì)。上式中，EAB(t，tn)可直接從熱電偶輸出中檢測(cè)到，只要獲取冷端溫度tn，就可以由分度表?yè)Q算出EAB(tn,0)，進(jìn)而求出EAB(t,0)