2022年电炉炉温控制系统方案设计书开题报告.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 电炉炉温掌握系统设计开题报告一、课题的开发背景与需求分析随着现代科学技术的迅猛进展,各个领域对温度掌握系统的精度、稳固性等的 要求越来越高,掌握系统也千变万化；例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中,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掌握等等；随着电炉广泛应用于各行各业,其温度掌握通常采纳模拟或数字调剂外表进行调剂,但存在着某些固有的缺点；而 采纳单片机进行炉温掌握,不仅可以大大地提高掌握质量和自动化水平,而且具有 良好的经济效益和推广价值；本设计以AT89C51 单片机为核心掌握器件,以MAX6675 作为 A/D 转换器件,采纳闭环直接数字掌握算法,通过掌握可控硅来掌握热电阻,进而掌握电炉温 度,最终设计了一个满意要求的电炉微型运算机温度掌握系统；二、调研分析经过开题期间的文献查阅和实际情形调研,明白到在电炉炉温掌握过程中主要应用 AT89C51、MAX6675 、LED 显示器、 LM324 比较器等等,而主要是通过 K 型（镍铬镍硅）热电偶 温度传感器采集环境温度,以单片机为核心掌握部件,并通过 四位数码管显示实时温度的一种数字温度计；软件方面采纳汇编语言来进行程序设 计,使指令的执行速度快,节约储备空间；为了便于扩展和更换,软件的设计采纳模 块化结构,使程序设计的规律关系更加简洁明白,使硬件在软件的掌握下和谐运作； 而系统的过程就是：第一,通过设置按键 ,设定恒温运行时的温度值,并且用数码管显示这个温度值 .然后 ,在运行过程中将采样的温度模拟量送入 A/D 转换器中进行模拟 数字转换,再将转换后的数字量用数码管进行显示,最终用单片机来掌握加热器 ,进行加热或停止加热,直到能在规定的温度下恒温加热；三、关键技术与解决方案1、温度传感器的选取目前市场上温度传感器较多,主要有以下几种方案：方案一：选用铂电阻温度传感器；此类温度传感器线性度、稳固性等方面性能名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 都很好 , 但其成本较高；方案二：采纳热敏电阻；选用此类元器件有价格廉价的优点,但由于热敏电阻的非线性特性会影响系统的精度；方案三：采纳K 型（镍铬镍硅）热电偶；其可测量1312以内的温度,其线性度较好,而且价格廉价；K 型热电偶的输出是毫伏级电压信号,最终要将其转换成数字信号与 CPU通信；传统的温度检测电路采纳“ 传感器滤波器放大器冷端补偿线性化处理A/D 转换” 模式,转换环节多、电路复杂、精度低；在本系统中,采纳的是高精度的集成芯片 MAX6675来完成“ 热电偶电势温度” 的转换,不需外围电路、 I/O 接线简洁、精度高、成本低；MAX6675是 MAXIM公司开发的 K 型热电偶转换器,集成了滤波器、放大器等,并带有热电偶断线检测电路,自带冷端补偿,能将K型热电偶输出的电势直接转换成 12 位数字量,辨论率0. 25,工作电压为3.0 5.5V；温度数据通过SPI 端口输出给单片机 , 其冷端补偿的范畴是 -20 80, 测量范畴是 01023. 75；表 1 MAX6675 的引脚功能图引脚号名称功能1 GND 接地端2 T- 热电偶负极（使用时接地）3 T+ 热电偶正极4 VCC 电源端5 SCK 串行时钟输入端6 SO 片选信号7 数据串行输出口8 NC 悬空不用当 MAX6675的 CS引脚从高电平变为低电平常, MAX6675 将停止任何信号的转换并在时钟 SCK的作用下向外输出已转化的数据；相反 , 当 CS从低电平变回高电平时 , MAX6675 将进行新的转换；在 CS 引脚从高电平变为低电平常 , 第一个字节D15 将显现在引脚 SO；一个完整的数据读过程需要 16 个时钟周期 , 数据的读取通常在 SCK的下降沿进行；MAX6675的输出数据为 16 位, 其中 D15 始终无用 , D14 D3对应于热电偶模拟名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 输入电压的数字转换量 , D2 用于检测热电偶是否断线 D2 为 1 说明热电偶断开 , D1 为 MAX6675 的标识符 , D0 为三态；需要指出的是 : 在以往的热电偶电路设计中 ,往往需要特地的断线检测电路 , 而 MAX6675 已将断线检测电路集成于片内 , 从而简化了电路设计； D14D3 为 12 位数据 , 其最小值为 0 , 对应的温度值为 0 ； 最大值为 4095 , 对应的温度值为1023. 75 ； 由于 MAX6675 内部经过了激光修正 , 因此 , 其转换结果与对应温度值具有较好的线性关系；温度值与数字量的对应关系 为: 温度值 = 1023.75 × 转换后的数字量 / 4095 ；由于 MAX6675 的数据输出为 3 位串行接口 , 因此只需占用微处理器的 3 个 I/ O 口；图 2 是以 89C51系列单片机为例给出的系统连接图；使用时 , 可用软件模拟 P1.3 供应 , 片选信号由 P1.2 同步串行读取过程；图中串行外界时钟由微处理器的供应 , 转换数据由 P1. 1 读取；热电偶的模拟信号由T+ 和 T-端输入 , 其中 T-需接地； MAX6675 的转换结果将在SCK的掌握下连续输出,如图1 所示；图 1 温度检测电路比较以上三种方案,方案三具有明显的优点,因此选用方案三；2、键盘显示部分掌握与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分,所以此部分电路设计的好坏直接影响到电路的好坏；方案一：采纳可编程掌握器 8279 与数码管及地址译码器 74LS138 组成,可编程/ 显示器件 8279 实现对按键的扫描、排除抖动、供应 LED的显示信号,并对 LED显示掌握；用 8279 和键盘组成的人机掌握平台,能够便利的进行掌握单片机的输出；名师归纳总结 方案二：采纳单片机AT89C52与 4X4矩阵组成掌握和扫描系统,并用89C52的第 3 页,共 11 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - P1 口对键盘进行扫描,并用总线的方式在P0 口接 1602 液晶来显示炉温顺设定值,这种方案既能很好的掌握键盘及显示,又为主单片机大大的削减了程序的复杂 性,而且具有体积小,价格廉价的特点；对比两种方案可知,方案一虽然也能很好的实现电路的要求,但考虑到电路设 计的成本和电路整体的性能,我们采纳方案二；3、掌握电路部分方案一：采纳 8031 芯片,其内部没有程序储备器,需要进行外部扩展,这给 电路增加了复杂度；方案二：采纳2051 芯片,其内部有2KB单元的程序储备器,不需外部扩展程序储备器；但由于系统用到较多的I/O 口,因此此芯片资源不够用；方案三：采纳 AT89C52单片机,其内部有 4KB单元的程序储备器,不需外部扩展程序储备器,而且它的I/O 口也足够本次设计的要求；比较这三种方案,综合考虑单片机的各部分资源,因此此次设计选用方案三；4、报警部分 当电炉温度高于上限温度时,报警系统报警；显示部分可实时显示电炉的炉温 值；多功能掌握按键,通过软件掌握实现按键的多功能操作,可以完成设定温度基 准值和报警取消等功能；5、PID过程掌握部分（1）过程掌握的基本概念 过程掌握对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动掌握； 1）模拟掌握系统 模拟调剂器给定值+-偏差掌握规律执行器操作变量过程被控变量传感器 变送器 图 2 基本模拟反馈掌握回路名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 被控量的值由传感器或变送器来检测,这个值与给定值进行比较,得到偏差,模拟调剂器依肯定掌握规律使操作变量变化,以使偏差趋近于零,其输出通过执行器作用于过程；掌握规律用对应的模拟硬件来实现,掌握规律的修改需要更换模拟硬件；2）、微机过程掌握系统微型运算机给定值+-偏差掌握器掌握器D/AA/D执行器传感器过程被控变量变送器图 3 微机过程掌握系统基本框图以微型运算机作为掌握器；掌握规律的实现,是通过软件来完成的；转变掌握 规律,只要转变相应的程序即可；3）数字掌握系统 DDC 显示设定值微接输入通道检测元件工口型业计对打印算接输出通道执行器象记录机报警口图 4DDC系统构成框图 DDCDirect Digital Congtrol系统是运算机用于过程掌握的最典型的一种系统；微型运算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测,并依据确定的掌握规律算法 进行运算,通过输出通道直接去掌握执行机构,使各被控量达到预定的要 求；由于运算机的决策直接作用于过程,故称为直接数字掌握； DDC 系统也是运算机在工业应用中最普遍的一种形式； 4）模拟 PID 掌握系统组成名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 比例rt-+et积分+ut执行机构对象ct+微分图 5 模拟 PID 掌握系统原理框图PID 调剂器是一种线性调剂器,它将给定值rt与实际输出值ct 的偏差的比例 P 、积分 I 、微分 D 通过线性组合构成掌握量,对掌握对象进行掌握；A、PID 调剂器的微分方程utKPet1tetdtTDdetet ,偏差一旦产生,TI0dt B式中etrtct、PID 调剂器的传输函数DSUSKP1T1STDSESI 5）PID 调剂器各校正环节的作用 A、比例环节：即时成比例地反应掌握系统的偏差信号调剂器立刻产生掌握作用以减小偏差； B、积分环节：主要用于排除静差,提高系统的无差度；积分作用的强弱取决 于积分时间常数 TI ,TI 越大,积分作用越弱,反之就越强； C、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势 变化速率 ,并能在偏差信号的值 变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号；（1） 数字 PID 掌握器 1）模拟 PID 掌握规律的离散化 表 2 模拟 PID 掌握规律名师归纳总结 模拟形式rtct离散化形式rncn第 6 页,共 11 页eten- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - detenen10tdTtdtin0eiTTTin0eie2）数字 PID 掌握器的差分方程unKPe nTine iTDe n e n1 u0TI0TuPnuInu0uDn式中uPnKPen1称为比例项TnuInKPei称为积分项TIi0uDnKPTDe nen称为微分项T四、系统完成的功能该系统的被控对象为电炉,采纳热阻丝加热,利用大功率可控硅掌握器掌握热阻丝两端所加的电压大小,来转变流经热阻丝的电流,从而转变电炉炉内的温度；可控硅掌握器输入为 05伏时对应电炉温度 0500,温度传感器测量值对应也为05伏,对象的特性为带有纯滞后环节的一阶惯性系统,这里惯性时间常数取 T130秒,滞后时间常数取 10秒；该系统利用单片机可以便利地实现对PID 参数的挑选与设定,实现工业过程中 PID 掌握；它采纳温度传感器热电偶将检测到的实际炉温进行 A/D 转换,再送入运算机中,与设定值进行比较,得出偏差；对此偏差按PID 规律进行调整,得出对应的掌握量来掌握驱动电路,调剂电炉的加热功率,从而实现对炉温的掌握；利用单片机实现温度智能掌握,能自动完成数据采集、处理、转换、并进行 PID 掌握和键盘终端处理（各参数数值的修正）及显示；在设计中应当留意,采样周期 不能太短,否就会使调剂过程过于频繁,这样,不但执行机构不能反应,而且运算机的利用率也大为降低；采样周期不能太长,节品质下降；否就会使干扰无法准时排除,使调名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 五、系统模块设计1、系统硬件设计框图与元器件挑选电炉炉温掌握系统的硬件选用MCS51 系列 89C51 作为主控中心；为实现对系统的处理,将温度传感器采集得到的值,与通过键盘设置的上限及下限值进行比较,系统依据比较结果进行相应的掌握操作；并选用89C52 芯片实现键 /显的功能,将结果送到LED 显示；硬件框图见图6 所示：传感器电温度检测电路键盘AT89C51 阻显示炉温度掌握单片机蜂鸣器图 6 电炉炉温掌握系统硬件框图在考虑性能 /价格比的前提下 ,在本次设计中我挑选最简洁实现产品的指标的几种仿真器件如下：（1）主机：一台奔腾 4 PC机,伟福仿真器；（2）主控芯片： MCS-51 系列中的 89C51 芯片；（3）温度传感器：用K 型（镍铬镍硅）热电偶组成一个温度检测电路；（4）编辑键 /显：一片 AT89C52芯片； LED 数码管；（5）报警器： 1 个蜂鸣报警器；2、系统软件功能模块设计图利用层次图来表示系统中各模块之间的关系；层次方框图是用树形结构的一系列多层次的矩形框描画数据的层次结构；树形结构的顶层是一个单独的矩形框,它 代表完整的数据结构,下面的各层矩形框代表各个数据的子集,最底层的各个矩形 框代表组成这个数据的实际数据元素（不能再分割的元素）；随着结构的精细化,层次方框图对数据结构也描画得越来越具体,这种模式特别适合于需求分析阶段的 需要；从对顶层信息的分类开头,沿着图中每条路径反复细化,直到确定了数据结 构的全部细节为止；本系统一共分为键盘显示、数据采集、蜂鸣器报警报警、温度掌握和仿真电炉名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 五大模块,每个模块之间虽然在表面上是相互独立的,但是在对数据库的拜访上是紧密相连的；每个模块的功能都是依据在调研中搜集的资料进行编排制作的；系统功能模块图,如图 7 所示：电炉炉温掌握系统仿 真 电 炉 模 块温 度 控 制 模 块报 警 模数 据 采 集 模 块键 盘 显 示 模 块块图 7 系统功能模块图流程图如图 8 所示：名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 开头系统初始化设置键盘输入及目标炉温设置停止加热炉温测量与显示全速加热Y Y 炉温等于下限温度. N . 炉温等于上限温度N PID 算法掌握炉温加热 炉温测定并显示N 等于目标温度且稳固时间到 . Y 终止图 8 总体流程图六、进度支配本课题的进度支配如表 3 所示；表 3 进度支配表名师归纳总结 序号名称周数起止时间备注第 10 页,共 11 页1 需求分析1 周2022.09.272022.10.01 2 方案论证1 周2022.10.042022.10.08 3 硬件设计2 周2022.10.112022.10.22 4 软件编码与4 周2022.10.252022.11.19 调试5 总体联调2 周2022.11.222022.12.03 6 撰写论文3 周2022.12.062022.12.24 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 七、设备保证已经具备以下设备保证毕业设计的顺当开展：软件条件：开发工具AEDK-T598D ；伟福 6000；Protel99SE；硬件条件：电脑一台； AEDK 试验平台；伟福仿真器；示波器；万用表；焊接 工具等；参考文献 1 于海生 . 运算机掌握技术 M. 北京：机械工业出版社 ,2007. 2 范立南 . 单片微型运算机掌握系统设计M. 北京：人民邮电出版社, 2004. 3 潘新民 . 微型运算机掌握技术 M. 北京：电子工业出版社 ,2003. 4 谢剑英 . 微型运算机掌握技术 M. 北京：国防工业出版社 ,1998. 5 黄一夫 . 微型运算机掌握技术 M. 北京：机械工业出版社 ,1996. 6 杨智 , 明艳萍 .21 世纪燃气锅炉在中国的进展前景J. 锅炉制造, 2001 7 杨国富 . 变频技术在锅炉中的应用 J. 锅炉制造, 2002,8 何立民 . 单片机高级教程应用设计. 北京：北京航空航天高校出版社,2000. 9 朱定华 . 单片机原理与接口技术10 刘瑞新 . 单片机原理及应用教程. 电子工业出版社, 2006. . 机械工业出版社, 2003. 11 高校生电子设计联盟 潘新民,王艳芳微型运算机掌握技术 M. 高等训练出版社, 2002. 12 马建伟,李银伢 . PID 掌握设计理论与方法 . 科学出版社, 2022.名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 11 页