微电脑多路染色机温度控制器的硬件设计毕业论文(编辑修改稿)

微电脑多路染色机温度控制器的硬件设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

支传感器都具有自己的特性，因此可以针对每一支传感器的特性进行特定的修正，从而达到提高温度传感器测试准确性的目的。 温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。 在现代化的工业生产和生活中，温度控制的应用相当广泛，例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和制冷行 业等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。 因为单片机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，它具有体积小、功能强、性价比高等特点，把单片机应用于温度控制系统中，采用单片机做主控单元，无触点控制，可完成对温度的采集和控制等的要求。 所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，即提高了产品功能和质量，又降低了成本，简化了设计。 对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。 例如冶 金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等；控制方案有直接数字控制（ DDC），推断控制，预测控制，模糊控制（ Fuzzy），专家控制 (Expert Control)，鲁棒控制（ Robust Control），推理控制等。 PID 控制是目前工业控制中使用的最广泛的控制规律，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 且在连续控制系统中，对象为一介和二介惯性环节或同时带有滞后时间不大的滞后环节时， PID 控制也是一种较好的 方法。 PID 控制也称为比例 积分 微分控制，其中的比例项用与校正偏差，积分项用于消除系统的稳态误差，微分项用于减少系统的超调量，增加系统的稳定性。 南昌航空大学学士学位论文 7 PID 控制器控制器的性能取决于 Kp,Ti 和 Td 这三个系数，设计和调试者的任务就是决定这三个系数。 PID 算法的算数表达式为： （ ） 式中 : 为调节器输出信号； 为偏差信号； 为调节器的比例系数； 为调节器的积分时间； 为调节器的微分时间。 在计算机控制系统中，为了实现数字控制，必须对式（ ）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程。 令 t=nT， T 为采样周期，且有 T代替微分增量 dt，用误差的增量△ e(nt)代替 de(t)，则： （ ） （ ） 于是原式可写成： （ ） 由上式（ ）可得： （ ） 上两式相减得： △ U = U（ n） U（ n1） （ ） 计算 式 （ ）并处理可得 （ ） 式 （ ） ，称为增量式 PID 控制算式。 式中的 为在第 n1次输出 的基础上，]1[ )(0 )()( dtdeTdteTeKU tDt tItPt  TeT eeT eedtde nnnTnnTt )()1()()1()()(     ni ini iTt t eTTedte 0 )(0 )(0 )(0)1()(0 )()()( ]}[{ UeeTTeTTeKU nnDni iInPn  0)()()( UnUnUnU DIp 0)2()1(10 )()1()1( ]}[{ UeeTTeTTeKU nnDni iInPn   ]}2[{ )2()1()()()1()(   nnnDnInnPeeeTTeTTeeKU南昌航空大学学士学位论文 8 输出的增加（或减少）量。 这种增量式 PID 控制算 法在生产实际中比位置式 PID 控制算法更为常用。 式 （ ） ，经简化后的 PID表达式变为： )]2()1(2)([)()]1()([  neneneKDnK I eneneKpU （ ） 式中 TITKKI , TTDKKD。 本系统利用单片机和 PID 算法来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵 活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高系统的稳定性和性能。 因此，单片机对温度的控制问题是一个生产、生活中经常会遇到的问题。 温度传感器种类很多，但要根据选择的软件和硬件，找到适合自己应用的传感器。 由于 本次设计 要求 是采用铂电阻作为传感器，且 控温范围在 25℃ 135℃之间，所以本系统采用 Pt100 型铂热电阻作为温度传感器，将温度的变化转化为电阻的变化，并通过桥路将电阻的变化转化为电压的变化，再通过 A/D 转换器，然后将转换的数值送CPU 处理。 再利用 PID 算法对温度进行控制。 南昌航空大学学士学位论文 9 第三章 微电脑多路染色机温度控制器的系统组成及工作原理 本课题要求 通过 单片机程序 的 设计 ， 对 温度传感器检测的 各路温度进行采集，并将数据数字控制算法输出控制信号， 用以 控制加热等 部分 ， 通过按键 切换 用液晶模块显示 各 个 染色机 的 染缸中的 温度。 具体技术要求如下： 采用铂热电阻测温 ； 其控温范围为： 25℃ 135℃ ,控温精度达到177。 2℃； 采用数字 PID 算法； 该控制器能对 8台染色机实现温度控制 ； 能实时输入控温工艺，实时显示染缸实测温度 ，超温时能报警。 系统功能 此次设计主要以单片机 STC89C52 为核心，控制整个系统的工作。 先 通过由铂电阻组成的 电桥电路模块 检测染缸中的实时温度，然后 将随温度变化 而变化 的 温度传感器的阻值 转化为电压变量， 但是 输出 为毫伏级的 电压太小，为了提高测温灵敏度再经过放大电路使输出电压控制在 0V5V，再 通过多路模拟 选择 开关 向后一级模块输入多路信号 ， 将输出信号送 入 A/D 转换器进行模数转换，最后将采集的数据送入单片机。 单片机 利用 PID 算法 ，先判断采集的温度是否在控制温度范围内，如果温度低于控制温度则 控制加热机构 进行加 温处理，反之则 控制 报警模块进行报警，且控制降温 机构进行降温。 液晶 显示电路为用户提供一个直观的数据， 其中包括时钟、各染缸实时温度和设定温度值；按键控制切换显示、数据设定及修改， 方便用户 对染色机温度控制器 进行操作。 从设计硬件电路的功能来看，利用单片机、 A/D 转换器及温度传感器设计多路温度的采集与控制。 测温电路模块的作用是将随温度变化的电阻转化为电压变量，用放大器将电压信号放大为了提高测温灵敏度。 模拟开关模块实现多路温度数据的选择及传输。 A/D 转换模块实现温度采集 及模拟量到数字量的转换。 最后通过 数字 PID 算法来输出控制信号，控制加 温和降温 执行机构。 液晶 显示模块显示采集温度 、时间和设定的温度值，而 键盘 可 设定 需要控制的 温度值 及时间值。 语音 报警电路模块 可 实现 录音和放音功效，通过单片机输出口的信号来控制报警。 南昌航空大学学士学位论文 10 整个电路设计包括以下几个模块：温度采集模块、 模拟开关模块、 A/D 转换模块、键盘显示模块、液晶显示模块、键盘控制模块、 语音报警开关、时钟模块及 单片机控制模块。 其系统框图如图 31 所示： 图 31系统结构框图 系统的软件部分 由 主模块、中断服务模块、温度采集模块、 7279 键盘模块、时钟模块、液晶显示模块、语音报警模块、 PID 算法模块和 PID 控制模块组成。 中断服务模块用来处理定时温度采集、键盘显示模块达到更好的人机交互效果，软件设计中PID 算法模块是重点同时也是难点。 STC 89C52 温 度 采集 电路 放大 电路 模拟开关 键盘控制电路 液晶显示电路 语音报警电路 电 源 复位电路 A/D转换电路 加温降温控制电路 时钟电路 南昌航空大学学士学位论文 11 第四章 微电脑多路染色机温度控制器的硬件设计电路 温度采集模块 方案一：采用集成温度传感器 AD590。 其基本应用电路如 图 41(a)所示。 这种 温度传感器是一种已经 IC 化的温度感测器，它会将温度转换为电流， 其 测温范围为55℃ ～ +150℃ ，符合本次设计要求。 AD590 的电源电压范围为 4V～ 30V， 电源电压可在 4V～ 6V 范围变化，电流 TI 变化 1mA，相当于温度变化 1K。 AD590 可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反接也不会被损坏。 输出电阻为 710MW。 且 AD590的设计电路简单，体积小，但是市场价格较高，且不符合设计所要求的采用铂电阻，不适合于测量染缸中染液的温度。 图 41(a)AD590 基本运用电路 图 41(b)DS18B20 温度采样模块电路图 方案 二 ： 如图 41(b)所示 ，采 用 数字温度传感器 DS18B20 采集温度。 DS18B20是美国 DALLAS 公司生产的单线数字温度传感器芯片 , 其器件的管芯内集成了温敏元件、数据转换芯片、存储器芯片和计算机接口芯片等多功能模块，该器件可直接输出二进制温敏信号，使用一总线接口实现和外部微处理器的通信。 可编程的分辨率为9~12 位， 对应的可分辨温度分别为 ℃、 ℃、 ℃和 ℃，默认情况下，是 12 位的分辨率；就算电源正负极接反时，温度计不会因发热而烧毁，但芯片不能正常工作。 电路相对简单，只要将 DS18B20 温度传感器采集 到的量直接送给单片机处理即可显示出温度值。 但是 温度的测量范围为 55℃ ～ +125℃ , 在 10℃ ～+85℃时精度为177。 ℃； 不 符合本 次 设计的精度要求。 方案 三 ： 铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器 ,由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等 ,被广泛用于中温(200℃～ 650℃ )范围的温度测量中。 由于设计要求的控温范围在 25℃ ～ 135℃ 之间，南昌航空大学学士学位论文 12 采用 PT100 型铂热电阻作为温度传感器，将温度的变化转化为电阻的变化，并通过桥堆将电阻的变化转化为电压的变化，经过放大器放大后 ，再通过 A/D 转换器，把电压模拟量转换成数字量， 然后 将转换的数值送单片机。 用于测温的传感器种类很多， PT100 铂热电阻为最常用的温度传感器之一，铂热电阻是利用阻值随温度而变化的特性来测量温度，它有很好的稳定性和测量精度，测温范围宽。 铂热电阻与温度之间的关系近似线性关系。 R0 是温度 0℃时阻值为 100Ω。 铂热电阻在 0℃ ～ 149℃ 时的电阻值及铂热电阻与温度之间的关系如表 41 所示。 表 41 PT100 在 0℃ ～ 149℃ 时的电阻值与温度之间的关系 经比较，虽然方案一 和方案二 的接法比较简单、精度高，但价格偏高，也不符合设计中要求使用 PT100 的要求。 所以本设计采用了方案 三 温度转换电路。 PT100 是一种广泛应用的测温元件，在 50℃ ～ 600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。 由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。 校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响 ； 数字化校正则需要在微处理。