聚酯网拉伸机温度控制器的设计与制作课程设计

摘要聚酯网是造纸工业中不可缺少的贵重易耗脱水器材，在加工聚酯网时对温度的控制十分严格，所以设计一款可以根据要求自动对加工温度进行控制的温度控制器，在造纸的工业生产中十分有必要。本次课设所要设计的温度控制器是能够根据要求自动调节温度，并采用12位数码显示器显示当前的温度值和加工时间。采用单片机及看门狗、温度检测电路、控制输出电路、键盘电路、显示电路、设置温度存储电路和电源电路等组成。系统可以通过串口将数据实时上传到PC机上。设计过程中包括前向通道设计、后向通道设计、人机接口设计、通信接口设计、等。前向通道主要包括传感器、变送电路、采样保持器、信号放大调整、线性化、A/D转换器和调制解调等部分内容。后向通道主要包括模拟量输出、模拟量输出保持器和开关量输出等。人机接口设计主要包括键盘、显示。关键词单片机；显示器；温度检测目录第1章绪论1第2章课程设计的方案论证221系统方案论证222温度控制系统的原理2第3章硬件设计331硬件系统设计332温度传感器333控制输出电路334键盘电路435显示电路536通讯电路537AT89C51硬件电路638ADC0809硬件电路图739线性加热器原理8第4章软件系统设计941温控系统采用模块化程序结构942A/D转换子程序设计943温度控制系统的程序流程图9第5章系统测试与分析1151硬件系统的调试1152软件系统的调试1153整机调试11第6章总结12参考文献13附录14附录21第1章绪论在造纸工业中，能广泛应用到聚酯网。聚酯网，英文POLYESTERNET，是利用纺织机械，采用不同织造方法编织的网布。聚酯网是目前世界上主要的烘燥、过滤材料之一，因此广泛应用于造纸领域，是造纸工业中不可缺少的贵重易耗脱水器材，应用于造纸领域时又称聚酯造纸网。聚酯网的制作过程一般是整径，织造，一次定型，插接，二次定型。聚酯网具有强度大、变型小、抗腐蚀、耐磨性好，且寿命长的特点，目前也用于选矿、面粉、污水处理、制糖、制药、陶瓷、食品、印刷、洗煤等行业。随着社会的发展,科技的进步,以及测温仪器在各个领域的应用,智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。特别是近年来，温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，设计一个温度控制系统，具有广泛的应用前景与实际意义。温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理，化学，生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中，像电力，化工，石油，冶金，航空航天，机械制造，粮食存储，酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行；炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油，柴油，煤油等产品。没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。因此，各行各业对温度控制的要求都越来越高。可见，温度的测量和控制是非常重要的。单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。比较成熟的产品就有水温测控温度控制系统和语音报警的温度监控仪等。其中水温测控温度控制系统的功能可以实现从常温开始对自来水加温，加热到人工设定的温度的恒温控制。而语音报警的温度监控仪可以通过控制空调对温度进行自动调节，使被控环境的温度达到要求的范围，并能实现对所控区域内环境温度的自动监控的远程智能调控系统。第2章课程设计的方案论证21系统方案论证方案一采用8031芯片作为控制核心，以ADC0809做模数转换，采用LED显示当前的温度和设定的温度，经过一定的算法来控制输出，从而来控制炉温。此方案的缺点是8031芯片内部没有程序存储器，在硬件设计中需要外扩展程序存储器，这样硬件电路比较复杂。在软件设计时的读取数据比较麻烦。方案二采用AT89C51芯片作为控制核心，以ADC0809做模数转换，并用LED显示当前的温度和工作时间，设置复位键和设定温度键，通过PID算法来控制输出，从而达到温度控制器自动按照设定温度调节的目的。此方案的优点是系统简明扼要，硬件电路比较简单；缺点是所测的温度精度不高。方案三采用PLC西门子300来作为控制核心，并用LED显示当前的温度和设定的温度，经过一定的算法来控制输出，从而达到控制炉温的目的。此方案的优点是硬件电路简单，系统稳定；缺点是所设计的系统成本比较高。综上所述，并结合我们学校实验室的具体情况，选择第二种方案。22温度控制系统的原理本系统采用典型的反馈式温度控制系统，数字控制器的功能由AT89C51单片机实现；由热敏电阻、电桥、A/D转换器构成输入通道，用于采集炉内的温度信号，其中热敏电阻选用MF1226型号，它将温度信号转变为阻值变化信号再经电桥变为010V标准电压信号，以供A/D转换用；转换后的数字量与设定值数字化后进行比较，即可得到实际温度和给定温度的偏差；控制器的设定值由键盘输入。由单片机构成的数字控制器按最小拍进行计算，计算出所需要的控制量。数字控制器的输出经标度变换后送给由P30通过T0调制的PWM波送至SSR，从而改变控制器单位时间内电压导通的百分比,从而控制温度控制器的加热功率，起到调温的作用。第3章硬件设计31硬件系统设计硬件系统由七部分组成，即单片机、温度传感器、控制输出电路、键盘电路、显示电路、PC机电路及电源电路。其总体结构图如图31所示。C51单片机温度检测模块控制输出模块键盘模块显示模块PC机模块电源模块图31总体结构图32温度传感器温度传感器采用AD590，它实际上是一个与绝对温度成正比的电流源，它的工作电压为010V，感测的温度范围为室温3500C，具有良好的线性输出，其输出电流与温度成正比，即1A/K。因此在00C时的输出电流为2732A，在1000C时输出电流为3732A。温度传感器将温度的变化转变为电流信号，通过电阻后转变电压信号，经过运算放大器JRC4558运算处理，处理后得到的模拟电压信号传输给A/D转换部分。A/D转换器选用ADC0804，它是用CMOS集成工艺制成的逐次逼近型模数转换芯片，分辨率8位，转换时间100S，基准电压010V，输入模拟电压010V。33控制输出电路控制信号由单片机输出，输出的为数字信号，数字信号经D/A转换后变为模拟信号，控制线性加热器进行加热。如果所接的电加热设备的功率2KW，则可利用继电器的常开触点直接控制加热设备，如果加热设备的功率2KW，可以继电器控制接触器，由接触器直接控制加热设备。如图32所示。图32控制输出电路原理图34键盘电路键盘共有四个按键，分别是S1（设置）、S2（）、S3（）、S4（储存）。通过键盘来设置相应的参数和加热曲线，键盘采用中断方式控制。通过光耦隔离，利用74LS244三态缓冲器，连至单片机的PI0P13口。原理图如图33所示。图33键盘电路原理图35显示电路显示电路由12位LED数码管组成，由74LS83驱动，实现动态显示。采用12位数码管显示器显示当前温度值和加工时间，温度显示格式为“XXXX”，加工时间显示为“XXXXXX”。如图34所示。图34显示电路原理图图34显示电路原理图36通讯电路AT89S51单片机采用的是TTL电平的正逻辑，必须通过接口芯片进行电平转换和逻辑变换。MAX232芯片是一种单电源供电的接口芯片，可以将单一的5V电源转换为符合RS232C标准所需要的10V电源，并完成TTL正逻辑与RS232的负逻辑之间的转换。单片机串口电路如图35所示。图35单片机串口电路原理图37AT89C51硬件电路功能标准8K字节FLASH，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时/记数器，全双工串行口，片内有晶振及时钟电路，工作原理其中D0D7八位双向并行总线与单片机的P1口相连接，用来传送命令和数据，RS与单片机的P3口相连，作为命令数据选择引脚，R/W与单片机P36相连接，作为读/写选择端，E与单片机P35相连，用于控制信号读取。基本操作指令写指令RSL，RWL，D0D7为指令码，E为高脉冲。写数据RSH，RSH，D0D7为数据，E为高脉冲。显示模式设置显示模式控制表如表31所示表31显示模式控制表指令码功能00111100设置8位数据接口AT89C51硬件电路原理图如36图所示。图36AT89C51硬件电路原理图38ADC0809硬件电路图首先从ADDA、ADDB、ADDC3根地址线输入3位地址，并使ALE1为高电平，将输入的地址存入地址所存器中，以便选通一个模拟通道。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当EO输入高电平时，输出三态门打开，转换结果通过P00P07端输出到数据总线上，以便能将转换好的传递给单片机进行数据处理。如37图所示。图37ADC0809硬件电路图39线性加热器原理线性加热器硬件电路不包含任何可调节元件，因此只要器件质量可靠，引脚焊接正确，硬件电路无需调试。该电路中测温部分的振荡电路对电容C1的容量比较敏感，若此电路要批量生产，可在热敏电阻R24上再串一个可变电阻，以补偿C1的容量变化。在初次试做本电路或关键硬件参数有调时，应对系统软件中控制加热功率的可控硅导通角延时参数表和温度/频率转换表这两部分进行调整。可控硅导通角延时参数主要由市电频率和过零检测电路的脉冲宽度决定，可以先根据市电频率，按等功率的要求计算理论值，再根据过零检测电路的脉冲宽度可以调整。310总体硬件电路图总体硬件电路图见附录。第4章软件系统设计41温控系统采用模块化程序结构可分为四大模块系统初始化模块完成变量的设定、中断入口的设定、各变量赋初值、堆栈设定、读设置温度、定时器T0工作方式及初值的设定并启动、开中断。循环模块完成A/D转换及温度值的换算、温度值显示、温度比较、看门狗的触发。定时器T0中断模块完成1秒的定时。外部中断INT1中断模块完成键盘对温度值的设定。42A/D转换子程序设计显示缓冲器存放0AH，0DH，0XH，0XH；串行静态显示“ADXX”XX表示0F；A/D地址清零，启动A/D转换器，延时等待转换结果然后读入结果送入数码管显示。累加器内容存入B中，A的内容高四位与低四位交换，A的内容高四位清零，A/D转换结果高位送入DBUF3中，取出A/D转换后的结果，A的内容高四位清零则结果低位送入DBF4中；串行静态显示“ADXX”。静态显示子程序；显示表头地址；取段码到TEMP中去显示段码地址指针读出段码字节数；移位次数取段码；段码左移；输出一位段码；发送一个一位脉冲。43温度控制系统的程序流程图温度控制器系统的程序流程图如图41所示。上电复位置系统各模块初始化A/D转换处理数据读取键值信息记录加热时间和温度LED显示远程通信传输数据结束设定相应参数图41温度控制系统的总流程图第5章系统测试与分析51硬件系统的调试看温度检测电路部分，图中标有VI1、VI2、VO,由运放构成的差分比例运算电路。搭接电路前，要准确调整RP3；要准确调整RP4；保证了上述两项，即保证了。电路搭接完毕后，上电微调RP3；再微调RP4。为了避免调整的麻烦，也可将RP3和RP4用1K的固定电阻代替。调整RP1，保证ADC0804的9脚基准电压为256V。将AD590放入冰水混合物中，注意不要让裸露的引脚部分沾水，调整RP2。52软件系统的调试先各个模块独立调试，最后各个模块连在一起调试。53整机调试键盘调试当按下S1键3S，设置灯D4点亮，进入设置状态，数码管显示当前设置温度。在设置状态下，每按一下S2，温度设置值加1，最高设置到51。在设置状态下，每按一下S3，温度设置值减1，最低设置到0。在设置状态下，按一下S4，将温度设置值存储于AT24C01中，设置灯熄灭，退出设置状态。如果在设置状态下，S2、S3、S4在10秒内无任何操作，系统将自动退出设置状态，设置温度不进行保存。不在设置状态，按下S2、S3、S4键无任何反应。设置温度的存储调试进入设置状态，将设置温度重新设值，然后按S4键保存。将温度控制器断电，再通电，再进入设置状态，看重新设定的温度值是否存在，如存在就说明设置温度的存储正常，否则就要检查硬件和软件两部分，直到存储正常为止。温控调试用温控器控制电热水壶烧水，将AD590置于电水壶中，注意不要让裸露的引脚部分沾水，当水的温度没有达到设定温度时，温控器将接通电热水壶的电源，当水的温度达到设定温度时，温控制器将断开电热水壶的电源，当热水的温度降到比设定温度小2时，温度控制器又重新接通电热水壶的电源，如此反复。第6章总结本次课程设计主要是针对在造纸工业中，对聚酯网拉伸机温度控制器的设计与制作。为了方便工作人员的操作，在设计时，着重设计了人机界面方面，以及智能调节温度的方面，以便随时谁地的按照要求调节温度的变化。系统采用12位数码显示器同时显示当前温度和工作时间，并将实时数据通过PC机显示出来，方便工作人员的观察。通过本次课程设计，对51单片机有了进一步的认识与了解，在完成设计题目的过程中，经历了设计整体思路，编写程序，调制（整体调试和单步调试），锻炼了实际的动手能力，达到了本次课程设计的要求。最后很感谢单片机实验的老师给我们提供的一个自由的环境，可以选择自己感兴趣的题目，充分提高了我们的积极性。总之，这次课程设计终于顺利完成了，但是自己所设计的系统中还存在不少缺点和不足，希望老师给予指正。参考文献1美海德RANDALLHYDE著汇编语言程序设计艺术清华大学出版社20052赫建国,郑燕,薛延侠编著单片机在电子电路设计中的应用清华大学出版社20063沙占友,孟志永,王彦朋等著单片机外围电路设计电子工业出版社20064主编张晓冬,王英电路基础西南交通大学出版社20085主编王艳红,蒋学华,戴纯春电路分析北京大学出版社20086王莹莹,汪东,晁阳编著PROTELDXP电路设计实例教程清华大学出版社20087谈世哲编著PROTELDXP电路设计基础与典型范例电子工业出版社200798张洪润,孙悦,张亚凡编著单片机原理与应用清华大学出版社2008119王琼编著单片机原理及应用合肥工业大学出版社200810张洪润等编著单片机应用设计200例北京航空航天大学出版社200611边春元等编著C51单片机典型模块设计与应用机械工业出版社20080412徐玮,徐富军,沈建良编著C51单片机高效入门机械工业出版社2007附录温度控制系统的总程序S1BITP10S1按键控制口位S2BITP11S2按键控制口位S3BITP12S3按键控制口位S4BITP13S4按键控制口位WDKZBITP14温度控制口位WDIBITP15看门狗触发端SDABITP17AT24C01的数据线SCLBITP16AT24C01的时钟线DRXDBITP3074LS164数据DTXDBITP3174LS164时钟INTRBITP32A/D转换结束信号控制口位SZLEDBITP35设置LEDSBZBIT00H秒标志位SWWDEQU30H十位温度的BCD码存储单元GWWDEQU31H个位温度的BCD码存储单元ADPJEQU32HA/D转换后的平滑滤波值存储单元SZWDEQU33H设置温度值存储单元ADWZEQU34H5次A/D值的初始位置,即34H38HMJSZEQU39H1秒记数值50MS次数SMJSZEQU3AH3秒记数值（200MS次数）SHMJSZEQU3BH10秒记数值（200MS次数）ORG0000HLJMPSTARTORG000BHLJMPTIMEZDT0中断ORG0013HLJMPTEMSZZDINT1中断ORG0030HCYCLCALLADZHMOVA,ADPJLCALLBCDZHLCALLDISPLCALLTEMBJJNBSBZ,CLRSBZLCALLWDOGSJMPCYC模数转换子程序名ADZH入口参数无出口参数ADPJ5次A/D值完成MOVR0,ADWZMOVR2,5LCALLPAIX5次A/D值排序MOVR5,00HDJNZR7,JIAFA去极值后,余下的3个值求和和在R6R5中CHUFAMOVR3,16为“四舍五入“作准备即和值乘以2加上15除以30CHUFA1CLRCMOVA,RCHUFA2INCR5CHUFA3MOVR7,ADJNZR3,CHUFA1MOVADPJ,R5完成温度平均值POPACCPOPPSWRET排序子程序名PAIX从大到小入口参数R0指向数据存储区的首地址,R2存放数据长度PAIX1MOVA,R1INCR1CLRCSUBBA,R1JNCPAIX2SETBF0ADDA,R1XCHA,R1DECR1MOVR1,AINCR1T0中断程序名TIMEZD出口参数SBITTIMEZDMOVTH0,3CHTEMSZ0LCALLWDOGLCALLDELAY200MSJBS1,TEMSZ0ALJMPTEMSZ0BTEMSZ0ALJMPRET0TEMSZ0BDJNZSMJSZ,TEMSZ0MOVSMJSZ,15CLRSZLEDWDOG1LCALLWDOGLCALLDELAY200MSJNBS1,WDOG1LJMPTEMSZ2TEMSZ1LCALLDELAY200MSDJNZSHMJSZ,TEMSZ2MOVSHMJSZ,50LJMPRET0WDOG2LCALLWDOGLCALLDELAY200MSJNBS2,WDOG2INCSZWDMOVA,SZWDCJNEA,52,TEMSZ2AMOVA,51MOVSZWD,ATEMSZ3JBS3,TEMSZ4LCALLDELAY20MSJBS3,TEMSZ4WDOG3LCALLWDOGLCALLDELAY200MSJNBS3,WDOG3DECSZWDMOVA,SZWDCJNEA,255,TEMSZ3AMOVA,0MOVSZWD,ATEMSZ3ALCALLBCDZHLCALLDISPMOVSHMJSZ,50SJMPTEMSZ2WDOG4LCALLWDOGLCALLDELAY200MSJNBS4,WDOG4LCALLXIEROMBCD码转换子程序名BCDZH入口参数A出口参数SWWD、GWWDRET温度比较子程序名TEMBJ入口参数ADPJ、SZWD出口参数WDKZTEMBJPUSHPSWPUSHACCMOVA,ADPJCJNEA,SZWD,TEMBJ0TEMBJ0JCTEMBJ1SETBWDKZSJMPTEMBJ3TEMBJ1ADDA,2CJNEA,SZWD,TEMBJ2TEMBJ2JNCTEMBJ3CLRWDKZTEMBJ3POPACCPOPPSWRET读ROM子程序名DUROM出口参数ALCALLA_SENDLCALLA_RECEIVECLRSDANOPNOPSETBSCLNOPNOPSETBSDAPOPPSWRET字节发送子程序名A_SEND入口参数AA_SENDPUSHPSW字节接收子程序名A_RECEIVE出口参数AA_RECEIVEPUSHPSWMOVR0,08HA_RECSETBSCL写ROM子程序名XIEROM入口参数SZWDXIEROMPUSHPSWPUSHACCSETBSCLSETBSDACLRSDAMOVA,0A0HPOPACCPOPPSWRET附录总体硬件电路图123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE8JAN201SHETOFFILECDOCUMENTSANDSETTINGSADMINISTRATOR仪仪仪仪仪仪仪仪DDBDRAWNBYP101P112P123P134P145P156P167P178RESET9P3010P311P3212P3313P3414P3515P3616P3717XTAL218XTAL119VS20VC40P0039P0138P0237P0336P0435P0534P063P0732EA31ALE30PSEN29P2728P2627P2526P2425P2324P2223P212P2021U189C51C32UFR21KR11KC42UFRESETVCS4S3S2S1R31KR41KR51KR61K5VY1C1C2OEALED0EOCD1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8IN15V12MHZ30PF30PFC23B24A25D014D115D216D317D418D519D620D721CLK10IN01IN12IN23IN34IN45IN56IN67IN78REF1ALE9START2OE26REF12EOC27GND13VC28U2ADC0809Q710Q61Q512Q413Q314Q215Q116Q017D78D67D56D45D34D23D12D01GOEU374LS373Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8ALE5VOEEOC仪仪ER/WRS1KGNDVC1KGND20KIN2IN3IN3D10D1D12D13D14D15D16D17XFERCSWR1WR2ILEVC5VDGNDGNDD0D1D2D3D4D5D6D7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q774LS83WRQ1OUT仪仪仪仪仪C1C1C2C2T1R1T2R2VVT1R1T2R210UF10UF10UFCCAP10UF10UFVCGND5VVCRXDGNDTXDGNDER/WGNDGND123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE8JAN201SHETOFFILECDOCUMENTSANDSETINGSADMINISTRATOR仪仪仪仪仪仪仪仪DDBDRAWNBYP101P112P12313445156167178RESET93010311P3212P3313341435153163717XTAL218XTAL119VS20VC40P0039P0138P0237P0336P0435P0534P063P0732EA31ALE30PSEN29P2728P2627P2526P2425P2324P2223P212P2021U189C51C32UFR21KR11KC42UFRESETVCS4S3S2S1R31KR41KR51KR61K5VY1C1C2OEALED0EOCD1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8IN15V12MHZ30PF30PFC23B24A25D014D115D216D317D418D519D620D721CLK10IN01IN12IN23IN34IN45IN56IN67IN78REF1ALE9STAT2OE26REF12EOC27GND13VC28U2ADC0809Q710Q61