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電熱鍋爐溫度控制器的設(shè)計開題報告
一、開題報告背景和意義
隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域需要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集，在一些重要場合對數(shù)據(jù)采集的要求更高，例如在電廠、鋼鐵廠、化工領(lǐng)域的生產(chǎn)中都需要對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場采集，而溫度采集又是其中極為重要的部分，因此，需要一種高精度、低成本的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制,有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量,因而設(shè)計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。
二、 開題報告任務(wù)的主要內(nèi)容
完成溫度測量與PID控制算法等相關(guān)資料的收集整理；
完成電路原理圖的設(shè)計；
完成印刷電路板設(shè)計與制作；
完成軟件設(shè)計；
完成軟件與硬件的聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計功能；
完成對制作實(shí)物的測試；
完成畢業(yè)設(shè)計報告。
在這項(xiàng)開題報告中本人主要完成硬件部分的設(shè)計工作。
三、已具備的條件
學(xué)院實(shí)驗(yàn)室擁有單片機(jī)程序下載板、PROTUS程序仿真軟件、PROTEL99SEPCB
制作軟件、MEDWIN程序編譯軟件等開發(fā)條件。同時在校其間我們學(xué)習(xí)和掌握了以上硬件和軟件的使用方法。此外我們可以方便的購買到元器件，例如：數(shù)碼管（3位一體）、芯片STC89C51、AD590、光電耦合器等。最后，學(xué)院和校內(nèi)外基地均有單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的項(xiàng)目開發(fā)和勝任畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)工作的師資團(tuán)隊(duì)，為本開題報告的順利完成提供了軟硬件的保證。
四、開題報告任務(wù)實(shí)施的思路與方案
系統(tǒng)設(shè)計總體框圖如圖1所示，包括單片機(jī)、顯示電路、越限報警電路、傳感器、
數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤電路、控制電路這七個組成部分。
通過溫度傳感器將溫度值轉(zhuǎn)換為模擬電流量，電流量通過數(shù)據(jù)采集電路轉(zhuǎn)換成與模擬量成對應(yīng)關(guān)系的數(shù)字量，單片機(jī)通過標(biāo)度變換，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為實(shí)際的溫度值。實(shí)際所需要的鍋爐溫度通過按鍵來設(shè)置，溫度的設(shè)定值和實(shí)際值比較，當(dāng)兩者不等時采用PWM控制可控硅的通斷以實(shí)現(xiàn)對鍋爐溫度的控制。實(shí)際溫度和設(shè)定溫度可通過顯示器顯示。
1. 硬件設(shè)計方案
硬件電路主要有兩大部分組成：模擬部分和數(shù)字部分：從功能模塊上來分有：主機(jī)電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、控制執(zhí)行電路.
(1) 主機(jī)電路的設(shè)計
主機(jī)選用51系列單片機(jī)STC89C51來實(shí)現(xiàn),利用單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大的特點(diǎn),力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制。本系統(tǒng)選用的STC89C51芯片時鐘可達(dá)12MHz,運(yùn)算速度快,控制功能完善。其內(nèi)部具有128字節(jié)RAM,而且內(nèi)部含有4KB的flash ROM 不需要外擴(kuò)展存儲器,可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單、實(shí)用。
(2)I／0通道的硬件電路的設(shè)計
就本系統(tǒng)來說,需要實(shí)時采集水溫數(shù)據(jù),然后經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,送入單片機(jī)中的特定單元,然后一部分送去顯示;另一部分與設(shè)定值進(jìn)行比較,通過PID算法得到控制量并經(jīng)由單片機(jī)輸出去控制電熱鍋爐加熱或降溫。
（3）數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計
數(shù)據(jù)采集電路主要由高精度溫度傳感器AD590, 高精度運(yùn)算放大器0P07,74LS373,12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A等組成。為了達(dá)到測量高精度的要求,選用溫度傳感器AD590,AD590具有較高精度和重復(fù)性(重復(fù)性優(yōu)于0．1℃,其良好的非線形可以保證優(yōu)于0．1℃ 的測量精度,利用其重復(fù)性較好的特點(diǎn),通過非線形補(bǔ)償,可以達(dá)到0.1℃測量精度.)超低溫漂移高精度運(yùn)算放大器0P07將溫度一電壓信號進(jìn)行放大,便于A／D進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以提高溫度采集電路的可靠性。
（4）電控制執(zhí)行電路的設(shè)計
該系統(tǒng)的執(zhí)行元件為可控硅，可控硅可以線性調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對水溫的控制。單片機(jī)輸出與電爐功率分別屬于弱電與強(qiáng)電部分,需要進(jìn)行隔離處理,這里采用光耦元TLP521 在控制部分進(jìn)行光電隔離,此外采用變壓器隔離實(shí)現(xiàn)弱強(qiáng)電的電源隔離。
單片機(jī)通過PWM 輸出來控制可控硅的通斷，從而控制可控硅上的交流通路達(dá)到控
制電爐功率的目的。
(5) 鍵盤及顯示的設(shè)計
根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)設(shè)置了5個按鍵，按鍵AN1,AN2,AN3,AN4, AN5的功能定義如表1所示。鍵盤采用軟件查詢和外部中斷相結(jié)合的方法來設(shè)計,低電平有效。
按鍵AN3與P3.2相連,采用外部中斷方式,并且優(yōu)先級定為最高;按鍵AN5和AN4分別與P1.7和P1.6相連,采用軟件查詢的方式;AN1則為硬件復(fù)位鍵,與R、C構(gòu)成復(fù)位電路。
顯示采用3位共陽LED靜態(tài)顯示方式,顯示內(nèi)容有溫度值的十位、個位及小數(shù)點(diǎn)后一位,這樣可以只用P3.0(RXD)口來輸出顯示數(shù)據(jù),從而節(jié)省了單片機(jī)端口資源,在P1.4 口和P3.1(TXD)的控制下通過74LS164來實(shí)現(xiàn)3位靜態(tài)顯示。數(shù)字電路硬件部分見圖2。
2.系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實(shí)現(xiàn)模塊和運(yùn)算控制模塊。
（1）主程序模塊
在主程序中首先給定PID算法的參數(shù)值,然后通過循環(huán)顯示當(dāng)前溫度,并且設(shè)定鍵
盤外部中斷為最高優(yōu)先級,以便能實(shí)時響應(yīng)鍵盤處理;軟件設(shè)定定時器T0為1秒定時,在無鍵盤響應(yīng)時每隔1秒響應(yīng)一次,以用來采集經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換的溫度信號;設(shè)定定時器T1為嵌套在T0之中的定時中斷,初值由PID算法子程序提供。
（2）功能實(shí)現(xiàn)模塊
以用來執(zhí)行對可控硅及電爐的控制。功能實(shí)現(xiàn)模塊主要由A／D轉(zhuǎn)換子程序、中斷處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序等部分組成。
（3）運(yùn)算控制模塊
運(yùn)算控制模塊涉及標(biāo)度轉(zhuǎn)換、PID算法、以及該算法調(diào)用到的乘法子程序等。
五、預(yù)期目標(biāo)
完成電熱鍋爐溫度控制器的硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計，最后完成電熱鍋爐溫度控制器的整機(jī)調(diào)試，制作的實(shí)物實(shí)現(xiàn)如下設(shè)計功能：
測量精度小于±5%,控制精度小于±8%,超調(diào)整量小于±10%；
鍋爐可以升溫也可以降溫；
實(shí)時顯示當(dāng)前溫度值，三位數(shù)碼管顯示，包含一位小數(shù)；
具有越限報警功能；
采用PID控制算法。
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