過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)--小型澡堂供水總管溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課 程 設(shè) 計(jì)</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： </p><p>　　題 目: 小型澡堂供水總管溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) </p><p>　　初

2、始條件：某小型澡堂采用附近的大型熱電廠提供的壓力比較穩(wěn)定的蒸汽為熱源，通過(guò)熱交換器向供水總管提供60±3℃的熱水，該澡堂由于規(guī)模較小，用水負(fù)荷變化較大，試為其設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)。</p><p>　　要求完成的主要任務(wù): </p><p>　　1、了解對(duì)象及蒸汽熱交換器有關(guān)知識(shí)</p><p>　　2、繪制溫度控制系統(tǒng)方案圖</p><p

3、>　　3、確定系統(tǒng)所需檢測(cè)元件、執(zhí)行元件、調(diào)節(jié)儀表技術(shù)參數(shù)</p><p>　　4、撰寫系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理及調(diào)節(jié)過(guò)程說(shuō)明書</p><p><b>　　時(shí)間安排</b></p><p>　　1月2日 選題、理解課題任務(wù)、要求</p><p><b>　　1月3日 方案設(shè)計(jì)</b></p>

4、;<p>　　1月4-9日 參數(shù)計(jì)算撰寫說(shuō)明書</p><p><b>　　1月10日 答辯</b></p><p>　　指導(dǎo)教師簽名： 2014年 12 月 30 日</p><p>　　系主任（或責(zé)任教師）簽名： 2015年 1 月 20 日</p&g

5、t;<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)在社會(huì)領(lǐng)域的滲透，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測(cè)日新月異更新。在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往是作為一個(gè)核心部件來(lái)使用，僅僅單片機(jī)方面的知識(shí)是不夠的，還應(yīng)該根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及具體應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，做以完善。</p><p>　　本

6、文從硬件與軟件兩方面?zhèn)z講述小型澡堂供水總管溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在控制過(guò)程中主要應(yīng)用到了89c51，adc0809，LED，LM35等，主要以單片機(jī)為核心控制部件，并通過(guò)四位數(shù)碼管的顯示的一種熱交換器溫度控制系統(tǒng)，軟件方面采用C語(yǔ)言來(lái)編寫，使指令不過(guò)于復(fù)雜，成模塊化，易懂易移植。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 熱交換器 溫度 傳感器</p><p><b>　　目 錄&l

7、t;/b></p><p><b>　　1控制對(duì)象1</b></p><p>　　1.1控制對(duì)象介紹1</p><p>　　1.2控制性能要求1</p><p>　　2方案的比較和確定2</p><p>　　3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3</p><p><b&

8、gt;　　4系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)4</b></p><p>　　4.1溫度信號(hào)輸入通道4</p><p>　　4.1.1溫度傳感器4</p><p>　　4.1.2運(yùn)算放大器4</p><p>　　4.1.3 A/D轉(zhuǎn)換器5</p><p>　　4.2執(zhí)行信號(hào)輸出通道5</p><p

9、>　　4.3 LED接口設(shè)置6</p><p>　　4.4單片機(jī)及其電路設(shè)計(jì)6</p><p><b>　　5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)7</b></p><p><b>　　心得體會(huì)8</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)9</b></p><p

10、><b>　　附錄10</b></p><p>　　小型澡堂供水總管溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1控制對(duì)象</b></p><p><b>　　1.1控制對(duì)象介紹</b></p><p>　　蒸汽熱交換器是以蒸汽為熱源將水加熱的設(shè)備，用蒸汽作熱源加熱

11、水的設(shè)備分兩類：</p><p>　　1.直接加熱設(shè)備――蒸汽與水直接混合，將水加熱。</p><p>　　2.間接加熱設(shè)備――蒸汽與水為兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，通過(guò)金屬表面熱能從高品位向低品位傳導(dǎo)。</p><p>　　隨著蒸汽直接加熱時(shí)噪音、壓力、流量、溫度等問(wèn)題的控制有了明顯提高，人們對(duì)蒸汽直接加熱有了新的認(rèn)識(shí)，世界各國(guó)都在研究蒸汽直接換熱設(shè)備。</p>

12、<p><b>　　1.2控制性能要求</b></p><p>　　本系統(tǒng)進(jìn)行微型計(jì)算機(jī)控制，系統(tǒng)為一階慣性純滯后特性動(dòng)態(tài)特性，水溫控制在60℃，溫度控制精度為3℃，通過(guò)LED顯示溫度。</p><p>　　該澡堂由于規(guī)模較小，用水負(fù)荷變化較大，試為其設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　2方案的比較和確定<

13、/b></p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　系統(tǒng)采用8084芯片作為系統(tǒng)的微處理器。溫度信號(hào)由熱電偶檢測(cè)后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理（放大）送到A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)再送到8084芯片內(nèi)部進(jìn)行判斷或計(jì)算。從而輸出的控制信號(hào)來(lái)控制鍋爐是否加熱。但對(duì)于8084芯片來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部只有128個(gè)字節(jié)的RAM，沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，并且系統(tǒng)的程序很

14、多，要完成鍵盤、顯示等功能就必須對(duì)8084芯片進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展和I/O口擴(kuò)展，并且需要容量較大的程序存儲(chǔ)器，外擴(kuò)時(shí)占用的I/O口較多，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　系統(tǒng)采用AT89C51作為系統(tǒng)的微處理器來(lái)完成對(duì)水溫的控制和鍵盤顯示功能。C51單片機(jī)片內(nèi)除了128B的RAM外，片內(nèi)又集成了4KB的ROM作為程序存

15、儲(chǔ)器，是一個(gè)程序不超過(guò)4K字節(jié)的小系統(tǒng)。系統(tǒng)程序較多時(shí)，只需要外擴(kuò)一個(gè)容量較小的程序存儲(chǔ)器，占用的I/O口減少，同時(shí)也為鍵盤、顯示等功能的設(shè)計(jì)提供了硬件資源，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，降低了成本。因此89C51可以完成設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　綜上所述的二種方案，該設(shè)計(jì)選用方案二比較合適。</p><p><b>　　3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><

16、p>　　單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)是以89C51單片機(jī)為控制核心，輔以采樣反饋電路，驅(qū)動(dòng)電路，晶閘管主電路對(duì)電爐爐溫進(jìn)行控制的微機(jī)控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)基本控制原理為:將溫度設(shè)定值(即60℃)和溫度反饋值同時(shí)送入控制電路部分，然后經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器運(yùn)算得到輸出控制量，輸出控制量控制驅(qū)動(dòng)電路得到控制電壓施加到被控對(duì)象上，電爐因此達(dá)到規(guī)定的溫度。</p><p>　　結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示：</p><p>　

17、　圖3-1 電阻爐控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖</p><p>　　圖3-2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　4系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　4.1溫度信號(hào)輸入通道</p><p>　　溫度檢測(cè)電路包括溫度檢測(cè)電路、放大器和A/D轉(zhuǎn)換三部分。</p><p>　　4.1.1溫度傳

18、感器</p><p>　　采用的是National Semiconductor 所生產(chǎn)的LM35。</p><p><b>　　計(jì)算公式：</b></p><p>　　LM35是一種得到廣泛使用的溫度傳感器。由于它采用內(nèi)部補(bǔ)償，所以輸出可以從0℃開(kāi)始。</p><p>　　LM35有多種不同封裝型式。在常溫下，LM35

19、不需要額外的校準(zhǔn)處理即可達(dá)到 ±1/4℃的準(zhǔn)確率。其在靜止溫度中自熱效應(yīng)低(0.08℃)，單電源模式在25℃下靜止電流約50μA，工作電壓較寬，可在4—20V的供電電壓范圍內(nèi)正常工作非常省電。</p><p>　　工作電壓4～30V，在上述電壓范圍以內(nèi)，芯片從電源吸收的電流幾乎是不變的（約50μA），所以芯片自身幾乎沒(méi)有散熱的問(wèn)題。這么小的電流也使得該芯片在此系統(tǒng)中特別適合，輸出可以由第三個(gè)引腳取出，根

20、本無(wú)需校準(zhǔn)。</p><p>　　4.1.2運(yùn)算放大器</p><p>　　運(yùn)算放大器采用差動(dòng)運(yùn)算放大器LM324。LM324系列器件帶有差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要

21、性。</p><p>　　4.1.3 A/D轉(zhuǎn)換器</p><p>　　ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，它由8路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開(kāi)關(guān)樹(shù)型D／A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時(shí)電路組成。</p><p>　　溫度信號(hào)輸入通道的總增益由溫度傳感器、運(yùn)放和A/D轉(zhuǎn)換器三個(gè)環(huán)節(jié)的增益所決定。在本系統(tǒng)中，由于溫度要求100℃

22、是固定的，這三個(gè)環(huán)節(jié)的增益也是固定的。這樣有利于整個(gè)通道在設(shè)計(jì)和安裝時(shí)，避免不必要的精度誤差和偏差。</p><p>　　4.2執(zhí)行信號(hào)輸出通道</p><p>　　本系統(tǒng)采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)的控制方法。單片機(jī)輸出控溫信號(hào)：輸出高電平時(shí)，使雙向可控硅導(dǎo)通，電熱絲通電；輸出低電平時(shí)，雙向可控硅截止，電熱絲斷電。脈沖寬度與周期T的比值為P，它反映了系統(tǒng)的輸出控制量。</p>

23、<p>　　執(zhí)行信號(hào)輸出通道的原理圖如圖3-2所示，單片機(jī)系統(tǒng)AT89C51的P2.5口輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合器，直接控制雙向可控硅的門極，從而控制電熱絲的平均加熱功率。這樣使輸出通道省去了數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器和可控硅一項(xiàng)觸發(fā)電路，大大簡(jiǎn)化了硬件；而且可控硅工作在過(guò)零觸發(fā)狀態(tài)，提高了設(shè)備的功率因數(shù)，減輕了對(duì)電網(wǎng)的干擾。</p><p>　　AT89C51的I/O腳的負(fù)載能力不足以驅(qū)動(dòng)光電耦合器的發(fā)光二

24、極管，所以用1413的一路作為功放。光電耦合器的光敏二極管所能通過(guò)的電流足以觸發(fā)5A的雙向可控硅，其間不必加功放環(huán)節(jié)，其中對(duì)可控硅可用負(fù)極性觸發(fā)。</p><p>　　4.3 LED接口設(shè)置</p><p>　　設(shè)計(jì)中用到四個(gè)LED數(shù)碼管顯示器。LED工作方式有兩種：靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式。LED數(shù)碼管，其原理和數(shù)字表掃描顯示的原理一致即采用動(dòng)態(tài)顯示，動(dòng)態(tài)顯示是將所有數(shù)碼管的段選線并聯(lián)

25、在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。選擇導(dǎo)通數(shù)碼管的方式是采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂動(dòng)態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺(jué)暫留作用，使人的感覺(jué)好像各位數(shù)碼管同時(shí)都在顯示。動(dòng)態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時(shí)應(yīng)略小于靜態(tài)顯示電路的。</p><p>　　4.4單片機(jī)及其電路設(shè)計(jì)</p><p>　　單片機(jī)控制系統(tǒng)原理圖如圖4-1所示

26、。微處理器采用51系列單片機(jī)AT89C51。單片機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。單片機(jī)系統(tǒng)主要I/O口的分配如下：89C51的P1口為溫度信號(hào)的輸入口，P0口為溫度顯示信號(hào)數(shù)據(jù)輸出，P2口的P2.0端到P2.3端為顯示信號(hào)的掃描，P2.4端口為執(zhí)行信號(hào)輸出口。</p><p>　　圖4-1單片機(jī)控制器</p><p><b>　　5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p&g

27、t;<p>　　系統(tǒng)主程序初始化時(shí)，允許INT0中斷，并設(shè)置為邊沿觸發(fā)方式，ADC0809 EOC為中斷請(qǐng)求信號(hào)口，中斷服務(wù)程序把“轉(zhuǎn)換結(jié)束”標(biāo)志置位時(shí)，采用查詢的方式，根據(jù)ADC0809的D0~D7的信息分別進(jìn)行處理和存放。程序的每次循環(huán)，只讀入一組數(shù)據(jù)。為了削弱干擾和純滯后帶來(lái)的影響，程序采用純滯后補(bǔ)償?shù)姆椒?，即SMITH預(yù)估控制，對(duì)讀入信號(hào)進(jìn)行平滑加工。顯示更新程序把濾波后的溫度從單片機(jī)的P0輸送到顯示接口電路。&l

28、t;/p><p>　　圖5-1控制系統(tǒng)流程圖</p><p><b>　　心得體會(huì)</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)之初，通過(guò)老師的給的資料，對(duì)報(bào)告的要求和所設(shè)計(jì)的內(nèi)容有了一定的了解。由于對(duì)電阻爐，溫度傳感器等不是太了解，于是在我查詢了相關(guān)的資料，了解了電阻爐，溫度傳感器，根據(jù)題目的要求選擇了熱電阻中的鉑電阻。同時(shí)本次課程設(shè)計(jì)中運(yùn)用到了51

29、單片機(jī)、ADC0809等較多的芯片，為此查詢了相關(guān)芯片的引腳圖，對(duì)這些芯片有了大致的了解，在學(xué)會(huì)使用這些芯片的過(guò)程，我也學(xué)到了許多的知識(shí)。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)讓protues，word，Keil等軟件的使用，增強(qiáng)了我的電腦操作能力，對(duì)單片機(jī)的使用讓我重新回顧了C語(yǔ)言的使用，對(duì)以前的知識(shí)有了復(fù)習(xí)的機(jī)會(huì)。而本次課程設(shè)計(jì)主要的難點(diǎn)也是在于程序的設(shè)計(jì)。</p><p>　　本次課程設(shè)

30、計(jì)中也遇到了些問(wèn)題，如剛開(kāi)始時(shí)題目的理解錯(cuò)誤，程序運(yùn)行出錯(cuò)，仿真出問(wèn)題等，在同學(xué)的指導(dǎo)和幫助下，這些問(wèn)題得到了一定的解決。在今后的學(xué)習(xí)生活中也是如此，除了自己的努力外，還需請(qǐng)教他人，學(xué)習(xí)他人的經(jīng)驗(yàn)，讓今后的路更加的平坦。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 陳立周、陳宇.《單片機(jī)原理及其應(yīng)用》.機(jī)械工業(yè)出版社，2006</p

31、><p>　　[2] 于海生.《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》.機(jī)械工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[3] 譚浩強(qiáng).《C程序設(shè)計(jì)》.清華大學(xué)出版社，2005</p><p>　　[4] 于海生.《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》.機(jī)械工業(yè)出版社，2007.</p><p>　　[5] 劉紅麗、張菊秀. 《傳感與檢測(cè)技術(shù)》. 國(guó)防工業(yè)出版社，2007.</p&g

32、t;<p>　　[6] 康華光編著.《電子技術(shù)基礎(chǔ).模擬部分》.高等教育出版社，2000</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖：</p><p>　　本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表</p><p>　　指導(dǎo)教師簽字：