毕业设计羰基合成反应器温度控制系统

1、 i 毕毕 业业 设设 计计 论论 文文 题目：题目： 羰基合成反应器温度控制系统羰基合成反应器温度控制系统 系别：系别： 电气工程系电气工程系 专业：电力系统自动化专业：电力系统自动化 班级：班级： 电力电力 09-109-1 班班 姓名姓名 ：* 20122012 年年 月月 日日 i 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 电气工程电气工程 系系 20122012 届届 电力系统及自动化电力系统及自动化 专业专业毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目羰基合成反应器温度控制系统校内（外）指导教师职 称工作单位及部门联系方式张维玲副教授电气工程系1309914

2、3377一、题目说明（目的和意义）：一、题目说明（目的和意义）： 羰基合成模试评价装置为一典型的研究性化工生产线，借助于某一化工产品生产的完整过程，可对该产品性能或催化剂活性进行评价整个产品的生产在密闭的管网和密闭罐中进行羰基合成反应对温度和压力的要求较高 只有保证一定精度的温度和压力，才能保证产品的质量和精确的研究性数据 通过对“羰基合成反应器温度控制系统”这一课题的设计，使学生进一步学习和掌握电子技术 单片机 微机控制技术 电气控制技术 计算机控制技术等知识的综合应用，培养理论联系实际，进行反应器温度控制系统设计，训练以及培养分析解决实际工程问题的能力二、设计（论文）要求（工作量、内容）：

3、二、设计（论文）要求（工作量、内容）：1. 羰基合成反应器温度控制系统总体设计论述； 2. 系统主要技术指标：反应器温度：1902c； 3. 温度控制范围 0-200c； 4. 选用系统中涉及到传感器 调功器及控制电器； 5. 对反应器实现智能恒温控制； 6. 要求智能控制器与上位机实现串行通信，通信距离可达 1000m； 7. 要求显示设定温度及实时温度； 8. 被控过程参量超限时，系统应能发出声光报警信号； 9. 要求以 51 系列单片机为控制核心构建最小硬件系统； 10. 要求运用计算机控制技术及 51 汇编指令设计软件系统。 ii三、进度表三、进度表日 期内 容第 13 周第 14 周

4、第 15 周第 16 周第 17 周第 18 周第 19 周第 20 周 查阅、消化资料、总体方案论证，方案设计。硬件线路设计、分析、确定。软件总体设计及细化设计。撰写论文、准备答辩材料。毕业答辩。完成日期答辩日期四、主要参考文献、资料、设备和实习地点及翻译工作量：四、主要参考文献、资料、设备和实习地点及翻译工作量：设计参考资料： 1. 传感器原理及工程应用 郁有文 常健 程继红 编著 西安电子科技大学出版社 2. 计算机控制系统 何克忠 李伟 编著 清华大学出版社 3. 计算机工业控制 杨劲松 张涛 编著 中国电力出版社 4. 单片机原理及其接口技术 胡汉才 编著 清华大学出版社 5. 单片

5、机在控制系统中的应用 余永权 汪明慧 黄英 编著 电子工业出版社 6. 微型计算机测控技术 李贵山 等编著 机械工业出版社 7. 检测与控制技术 李贵山 周征 黄小峰 编著 西安电子科技大学出版社8. 单片微机测控系统设计大全 王福瑞 等编著 北京航空航天大学出版社 iii9. 电路原理图与电路板设计教程 protel 99se 夏路易等 北京希望电子出版社10. 计算机控制系统 何克忠，李伟 清华大学出版社 11. 智能检测与控制技术 王仲生 西比工业大学出版社12. 温度计量 李吉林，王开道 中国计量出版社13. 传感器与应用电路设计 赵继文，何玉彬 科学出版社 4摘摘 要要本文设计了一个

6、温度自动控制器。本设计以单片机（8031）为控制核心，外加硬件电路，将温度显示和数字控制集和于一体，实现智能温度控制。并采用软件程序实现升温的调节，能对加热炉的升温速度和保温时间严格控制。单片机控制系统由微处理器和工业生产对象两大部分组成。本文是通过热敏电阻和单片机等，来实现对工程上一些系统的温度进行范围控制的过程。关键词关键词：测温；测温；pidpid 算法；单片机；温度控制器算法；单片机；温度控制器 2abstractthis paper describes the design of a automatic temperature controller. the design is ba

7、sed on scm (8031) for the control of the core, the sur- hardware circuit, the temperature demonstration and the numerical control collection and in a body, realizes the intelligence temperature control. it realizes the elevation of temperature adjustment with the software routine, can heating furnac

8、es elevation of temperature speed and the soaking time strict control.microprocessor and microcontroller control system consists of two major components of industrial production of objects. this article is a microcontroller such as through the thermal resistance and to achieve a number of system eng

9、ineering on the temperature range control of the process.key words：measure warm；pid algorithm； single flat machine and temperature controlle兰州工业高等专科学校毕业论文 目 录1第一章第一章 绪论绪论 .2 21.1 课题的背景.21.2 课题现状.21.3 选题的意义.3第二章第二章 总体方案总体方案 .4 42.1 最小系统的构成.42.2 温度测量.42.3 a/d 转换 .52.4 驱动功率的控制.5第三章第三章 硬件电路的设计硬件电路的设计 .6

10、 63.1 单片机的介绍.63.2 8031 与 8155 的连接 .103.3 测量电路 .123.3.1 传感器的介绍及选择.123.3.2 a/d转换器的认识及选择.153.3.3固态继电器.163.4 外围电路.173.4.1报警电路.173.4.2显示电路.183.4.3键盘接口.21第四章第四章 系统的软件设计系统的软件设计 .24244.1 程序框图 .244.2 控制算法的选择.244.3程序构成.264.3.1温度控制算法.264.3.2中断服务程序.264.3.3主要子服务程序框图.26第五章第五章 设计总结设计总结 .2929致谢致谢 .3030参考文献参考文献 .1 1

11、附件附件 a a.2 2附件附件 b b.5 5兰州工业高等专科学校毕业论文 2第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题的背景课题的背景羰基合成模试评价装置为一典型的研究性化工生产线（年产 5 吨） ，借助于某一化工产品生产的完整过程，可对该产品性能或催化剂活性进行评价，以对催化剂的大规模生产提供中试。该装置采用稀烃中压羰基合成制醇反应工艺，长链稀烃和合成气在钴磷配位催化剂体系作用下完成反应。整个生产工艺由催化剂制备、造气、净化、反应、分离、蒸馏组成。整个产品的生产在密闭的管网和密闭罐中进行。羰基合成反应对温度和压力的要求较高。只有保证一定精度的温度和压力，才能保证产品的质量和精确的研究性数据。近

12、年来随着单片机、计算机及自动控制技术的发展和应用，采用了具有程序升温、pid 算法，对反应罐内温度实现了自动控制。由于市场上所售智能化仪表一般采用专家智能 pid 系统，主要解决惯性环节的控制问题。而由实验结果及理论分析表明，羰基合成反应罐的温度控制为一阶惯性加纯滞后环节，市售智能化仪表的控制结果不是很理想。另外，反应罐内的温度除了与介质、散热面积、环境温度有关外，还与稀烃进料量、合成气流速、相邻罐温度的热耦合等多种因素有关，故无法建立一个对应的数学模型以确定相应的控制算法。对温度控制影响的因素进行综合分析后，稀烃进料量、合成气流速变化造成的温度误差可采用相应措施加以解决，相邻罐单向热耦合造成

13、的温度误差本反应罐控制器无法进行跟踪控制，因此，反应罐的温度始终达不到生产工艺的要求。1.2 课题现状课题现状 对于温度控制对象构成的 (一阶或二阶 )惯性环节,传统的控制算法就是采用pid 构成闭环以控制温度 ,对于电加热的功率控制问题 ,一般采可控整流方式或采用pwm 技术以实现对加热交流功率的连续控制 . 就目前国内自动控制领域而言 ,采用 pid 算法组成温度控制系统在国内有关专业杂志,学报已多有报道 .课题的关键点根据课题要求 ,考虑到反应器对程序升温的要求及温度控制精度高 (1902)的特点,为了保证羰基合成反应对温度精度的要求 ,可应用 pid 算法等,单独开发满足反应器特殊要求

14、的具有程序升温功能 ,pid 参数可调,具有 485 通信接口的智能化仪表.因此本课题的工作点为 :考虑到 pid 控制在工程领域的普遍使用性 ,无需知道被控制对象精确地数学模型等特点,以 mcs-51 单片机为核心 ,采用 pid 控制算法,开发一个能进行较复杂的数据处理,具有程序升温 ,pid 参数可调及串行 485 通讯功能,能完成复杂的控制功能的智能控制器 .兰州工业高等专科学校毕业论文 31.3 选题的意义选题的意义工业产品生产线实现自动化 ,信息管理自动化 ,网络化是信息时代的特征之一 ,而计算机控制系统的可靠性稳定性及控制精度又是衡量控制系统性能的重要标志“羰基合成模式评价装置

15、” 是对化学反应中德催化剂活性做出定性定量评价的研究性装置,对过程参量的控制精度要求较高 ,同时对计算机控制系统的可靠性及抗干扰性能要求也很高 .“羰基合成模式评价装置 ”通过对某一化工产品的完整生产过程的实施,对催化剂活性可做出定性定量实际上是一个典型完整的化工产品研究性生产线,其过程包括了所有的生产的过程参量 ,但又有其自身的特殊性高压(10mpa、6.4mpa)、高压差（6.4mpa 降为 0.5mpa 并稳压）、高温（ 340）。整个系统全部采用国产件（包括工控组态软件）实现自动控制和信息管理自基合成模式评价装置计算机控制系统 ”的研制成功，意味着整个系统全部采用国产件（包括工控组态软

16、件）实现自动控制和信息管理自动化，这将对我国民族工业发展和提高工业自动化水平具有极其重要德社会意义和现实意义。系统具体要求如 下：（1）对反应器实现智能恒温控制（2）系统只要技术指标；反应温度； 1902；（3）控制计算机建立可视化界面，要求实时动态模拟显示研究性生产的工艺过程及各参量变化并对过程各参量进行存储实现浏览、显示、报警、打印、数据处理等功能。（4）温度控制范围 0-200；（5）系统各参量自控系统及智能检测系统和监控计算机要求串行通信，通信距离在1000 米以内；（6）要求显示定温度及实时温度；（7）被控过程参量超限时，系统应能发出声光报警信号；（8）要求 51 系列单片机为控制核

17、心构建最小硬件系统；（9）要求运用计算机控制技术及 51 系列指令设计软件 兰州工业高等专科学校毕业论文 4第二章第二章 总体方案总体方案 2.1 最小系统的构成最小系统的构成整个系统由工控机通信接口，智能仪表，传感器，固态继电器，智能伺服装置，上下限报警等部分组成，整体构成一个分布式远程计算机自动控制与数据采集控制系统。鉴于此次设计的是温度控制系统，其主要目的是控制反应器中的温度和实现与上位机通信的问题，根据设计的要求以51 系列单片机为控制核心构建最小硬件系统。采用 mcs-51 单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便，组态简单和灵活性大等优点，可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够

18、大大提高整个系统精度和性能。选择 51 系列是对温度控制要求的符合，而其主要是为了保证反应罐按规定的温度变化，超调小或无超调，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。所以单片机温度控制系统设计过程为：用温度传感器将反应罐温度变换为模拟电压信号，经变送器对信号处理放大为标准信号，后送往模 数转换器转换为数字量送单片机，经处理后由数 模转换器送出，经功率放大处理为执 行机构能动作 的信号其中还必须设置输入键盘和输出显示环节，对温度超限报警要做出重要的设置等。总体框图如下：反应罐温度测量执行机构信号调理驱动功率控制转换单片机报警显示键盘图 2-1 总体框图兰州工业高等专科学校毕业论文 52.2 温

19、度测量温度测量就一般而言，生产工艺过程对温度控制精度要求较高。因此温度元件的 灵敏度，温度稳定性对温度检测的精度至关重要。传感器的作用就是 把工业现场的各种非电物理量检测出来，并转换成相应的电信号。此次设计可以选用温度传感器来对温度进行测量，然而温度传感器的类型很多，选用的同时要注意测量范围，稳定性和线性度及抗腐蚀性等设计的要求。根据设计的要求，我们可以考虑铂、铑 10-铂热电偶。它的热稳定性好，抗氧化性强，精度高，易在氧化性，惰性环境中工作。 传感器的输出信号调理电路的滤波、放大、隔离、变换，以及线性化处理等作适当的处理使之成为适合 ad 转换的电压信号。 2.3 a/d 转换转换a/d 转

20、换器的基本原理由于模拟量时间和 数值上是连续的，而数字量在时间和数值上都是离散的，所以转换时要在时间上对模拟信号离散化（采样），还要在数值上离散化（量化），一般步骤为： 采样保持量化编码图 2-2 a/d 转换原理图2.4 驱动功率的控制驱动功率的控制在测控系统中，对被控设备的驱动常采用模拟量输出驱动和数字量（开关量）输出驱动两种方式，其中模拟量输出是指其输出信号（电压.电流）可变，根据控制算法，使设备在零到满负荷之间进行，在 一定的 时间 t 内输出所需的能量 p,开关量输出则是通过控制设备处于 “开”或“关”状态的时间来达到运行控制的目的。在许多场合开关量输出控制精度比一般的模拟量输出控制

21、系统。故在本控制系统中采用了固态继电器（ ssr）驱动电路。固态继电器（亦称固体继电器）英文名称为solid state relay，简称 ssr。又称为“无触点开关”。它有两个输入端用以引入控制电流，有两个输出端用以接通或切断负载电流。器件内部有一个光电耦合器将输入输出隔离，与普通继电器一样，它的输入侧与输出侧之间是电绝缘的，但是与普通电磁继电器相比，ssr 体积小，开关速度快，无机械触动，因而没有机械摩擦，不怕有害气体腐蚀，没有机械噪声，耐振动，耐冲击，使用寿命长，另外， ssr 驱动电压低，电流小，易与计算机接口，因此， ssr 作为自动控制的执行部件得到越来越广泛的应用，特别是在防震，

22、防腐蚀的地方， ssr 更显出其优越性。 ssr 有直流 ssr（dcssr)和交流 ssr（acssr)两种。dcssr 用于接通或断开直兰州工业高等专科学校毕业论文 6流电源供电的电路， acssr 用于接通或断开交流电源供电的电路， ssr 由于是全固态电子元件组成，与线圈一簧片触点或继电器（简称mer)相比，它没有任何可动的机械部件，工作中没有任何机械动作， ssr 由电路的工作状态变换实现 “通”和“断”的开关功能，没有接触点，所以它有一系列mer 不具备的优点，即高寿命，高可靠，没有机械噪声，耐振动，耐冲击，安装位置无限制，很容易用绝缘防水材料罐封做成全密封形式，而且具有良好的防潮

23、，防霉，防腐性能，在防爆，化工，井下采煤和各种工业民用电控设备的应用中大显身手，具备超越mer 的技术。 第三章第三章 硬件电路的设计硬件电路的设计3.1 单片机的介绍单片机的介绍由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，mcs-51 系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。目前，可用于 mcs-51系列单片机开发的硬件越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善，因此，可以极方便地利用现有资源，开发出

24、用于不同目的的各类应用系统。 单片机最小系统是在以 mcs-51 单片机为基础上扩展，使其能更方便地运用于测试系统中，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测试的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为在实时检测和自动控制领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。本课题设计主要在 mcs-51 单片机上扩展 i/o 口，扩展定时器定时范围，扩展键盘显示接口。适合于我们学生用于单片机的学习掌握和一些各种科研立项等的需求。因此，研究单片机最小系统有很大

25、的实用意义。 本次设计我选择了 8031 和 8051 以及使用 8155 作为扩展。8031 和 8051 是最常见的 mcs51 系列单片机，是 inter 公司早期的成熟的单片机产品，应用范围涉及到各行各业,下面介绍一下它的引脚图等资料。兰州工业高等专科学校毕业论文 7图 3-1 8031，8051 管脚图8031,8051 引脚功能（1）主电源引脚 vss 和 vcc vss 接地 vcc 正常操作时为+5 伏电源（2）外接晶振引脚 xtal1 和 xtal2 xtal1 内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。 xtal2 内部振荡电路反

26、相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。（3）控制或与其它电源复用引脚 rst/vpd，ale/ ， 和 /vpp rst/vpd 当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位兰州工业高等专科学校毕业论文 8在 vcc 掉电期间，此引脚可接上备用电源，由 vpd 向内部提供备用电源，以保持内部ram 中的数据。 ale/ 正常操作时为 ale 功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ale 引脚以不变的频率（振荡器频率的 ）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。但要注意，

27、每当访问外部数据存储器时，将跳过一个 ale 脉冲，ale 端可以驱动（吸收或输出电流）八个 lsttl 电路。 对于eprom 型单片机，在 eprom 编程期间，此引脚接收编程脉冲（ 功能） 外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间， 在每个机器周期内两次有效。 同样可以驱动八 lsttl 输入。（4）8155 的结构和引脚8155 有 40 个引脚，采用双列直插封装，其引脚图和组成框图如图所示。 图 3-2 8155 管脚图(1) 地址/数据线 ad0ad7（8 条） (2) i/o 口总线（22 条）：pa0pa7、pb0pb7、 pc0pc5。 (3) 控

28、制总线（8 条）ale 地址锁存（输入）io / /m io 口/ram 选择， 0：选内 ram； 1：选内 io 口/ce 片选线兰州工业高等专科学校毕业论文 9/rd、/wr 读、写控制timerin 定时器输入（输入定时器所需时钟）timerout 定时器输出（输出所产生的方波脉冲） *8155 的 ram 和 i / o 口地址编码 8155 的工作方式与基本操作有三种基本操作：1、作单片机片外 256b 数据存储器io / /m = 0，与其它数据存储器统一编址。用 movx 访问。2、作扩展 i / o 口使用io / /m = 1，pa 口、pb 口、pc 口，可通过编程决定如

29、何使用。1）命令寄存器（命令控制字） i / o 口工作方式i / o 口工作方式有四种：a 口、b 口 基本 i / o 口， c 口输入；a 口、b 口 基本 i / o 口， c 口输出；a 口选通 i / o、b 口基本 i / o、c 口作联络线；a 口、b 口选通 i / o、c 口作联络线。2）状态标志寄存器 pa 口、pb 口状态标志。状态标志寄存器： bf 缓冲器满标志； intr 端口中断请求标志； inte 端口中断允许标志； timer 定时器中断请求。命令寄存器，只写不读；状态标志寄存器，只读不写； 这二者使用同一地址3、作定时器扩展使用可以通过编程决定输出 4 种信

30、号，即有四种工作台方式。 单方波； 连续方波； 单脉冲； 连续脉冲。由两个 8 位寄存器，决定 14 位定时器计数常数及四种工作方式。由命令寄存器的最高两位对定时器进行四种控制。兰州工业高等专科学校毕业论文 10简单的 i/o 接口扩展在单片机应用系统中，经常采用 ttl 电路或 cmos 电路锁存器、三态门电路作为i/o 口扩展芯片。这种 i/o 口一般都是通过 p0 口扩展，不占用单片机的 i/o 口资源，只需一根地址线作片选线用。这种方法具有电路简单、成本低、配置灵活方便等特点。4./vpp 、 /vpp 为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当 /vpp 为高电平时，访问内部程序存储

31、器，当 /vpp 为低电平时，则访问外部程序存储器。对于 eprom 型单片机，在 eprom 编程期间，此引脚上加 21 伏 eprom 编程电源（vpp） 。单片机的介绍3.2 8031 与与 8155 的连接的连接8155 和 8031 可以直接连接，不需要任何外加电路，对系统增加了 256 字节的ram，22 位 i/o 线及一个计数器，电路中 8031 的 p2.1 接 8155 的 ce，p2.0 接 8155 的io/，p0.0p0.7 接 8155 的 ad0ad7 时，8155 的 i/o 和 ram 地址分配将是：m（1）p2.1=0,p2.0=0 时选中 8155 片中

32、ram，地址是 0000h00ffh（2）p2.1=0,p2.0=1 时选中 2/0 口，各口分想地址为：0100h 命令状态寄存器0101h a 口地址0102h b 口地址0103h c 口地址0104h 计数值低 8 位0105h 计数值高 8 位和方式寄存器（3）8155 的命令字和状态字a、8155 的命令字兰州工业高等专科学校毕业论文 11 图 3-3 8155 命令字 定时器命令00=无操作01=停止计数10=时间到由停止计数11=装入工作方式和计数长度后立即启动计数器b、8155 的控制字图 3-4 8155 控制字兰州工业高等专科学校毕业论文 12图 3-5 8031 与 8

33、155 接口电路图3.3 测量电路测量电路 3.3.1 传感器的介绍及选择传感器的介绍及选择 传感器的主要作用是拾取外界信息.如同人类在从事各种作业和操作时,必须要有眼睛、耳朵等五官获取外界信息一样，否则就无法进行有效地工作和正确的操作。传感器是测控系统中不可缺少的基础部件。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将测量感受到的信息按一定规律变换成为电信号或所需其他形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。（1）热电偶热电偶是将温度量转换成电势大小的热电传感器，它被广泛用来测量1001300范围内的温度，它具有结构简单，使用方便，精度高，热惯性小，可测局部温

34、度，集中检测，自动记录等特点。 图 3-6 热电效应如图，将两种不同材料导体 a、b 两端接在一起，一端温度为，另一端为0t兰州工业高等专科学校毕业论文 13t（t） ，这时在这个回路中将产生一个与温度、t 以及导体料性质有关的电势0t0t（t、） ，这样构成的热电变换元件称为热电偶，可用来测量温度，这种热电效abe0t应产生的电势（t、）是由珀尔帖效应和汤姆逊效应引起的。abe0t常见的几种标准化热电偶有：铂铂热电偶（wrlb） （分度号 lb-3） 、铂10锗铂热电偶（wrll） （分度号：ll-2）：镍铬、镍硅或镍铬镍铝热电偶30铑6铑（wrev） （分度号 ev-2）：镍铬考铜热电偶（

35、wrea） （分度号 ea-2） 。 （2）毫伏变送器 毫伏变送器是电动单元组合仪表中的一种，它可以将来自热电偶的 mv 级信号转换为电流输出，同时还能对热电偶温电曲线进行校正，从而使热电偶检测的温度值与变送器的输出具有线性关系，本系统中所有用的变送器为 ex 系列仪表中的热电偶温度变送器它的输入电路有冷端补偿和断偶保护措施，负反馈电路具有线性功能。线性功能：毫伏单元变送用折线近似地代替曲线构成非线性负反馈使变送器整个闭合的特性具有非线性，如果这个非线性的规律和所用热电偶特性曲线互相抵消，就可以使输出电压和电流具有完全正比于温度的性能。为了提高测量精度，可将变送器进行零点迁移，当温度范围为 4

36、001000，热电偶输出 16.441.32mv，使变送器输出 010mv,其输出经过电流电压变换电路转换为 05v 电压信号，这样，使用 8 位的 adc 使量化误差达2.34。（3）.热敏电阻利用感温电阻，把测量温度转化成测量电阻的电阻式测温系统，常用于测量-200+500范围内的温度，大多数金属导体的电阻，都具有随温度变化的特性，其特性方程如下： 、001()irra ttir分别为热电阻在 t和 0时的电阻值。0ra 为热电阻的电阻温度系数（1/）对于绝大多数的金属导体，a 并不是一个常数，而是温度的函数，不同的金属导体，a 保持常数所对应的温度范围不同，选作感温元件的材料应满足如下要

37、求：材料的电阻温度系数 a 越大，热阻的系数大，最敏度越高，纯金属的 a 比合金的高，所以一般采用纯金属作热敏电阻元件。在测温范围内，a 保持常数，便于实现温度表的线性刻度特性。具有比较大的电阻率，有利于减少热电阻的体积，减少热惯性。兰州工业高等专科学校毕业论文 14特性复现性好，容易复制。关于铂电阻的特性铂的物理化学性能非常稳定，是目前制造热电阻的比较好的材料，有很好的稳定性和测量精度。铂的使用温度范围-200+6000100的电阻温度系数平均值（/）为 3.923.98，电阻率为（）3102mm0.098100.106在 0时，铂的电阻值=1000r 经过比较最后我确定本次设计传感器选用热

38、电偶。温度测量电路如下图所示图图 3-73-7 温度测量电路温度测量电路本电路主要分为两个部分：一部分是温度传感，一部分是信号放大。热敏电阻 rt随着温度的不同而输出相应的电阻值，从而在各个输出端输出不同的电压值，形成一个微弱的电压信号。这个电压信号经运放放大处理后，最终输出一个反应温度情况的可识别电压信号。 兰州工业高等专科学校毕业论文 153.3.2 a/d 转换器的认识及选择转换器的认识及选择a/d 转换器是一种能把输入模拟电压或电流变成与它成正比的数字量，既能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。a/d 转换器种类很多，但从原理上通常可分为以下四种：计数器式 a/d 转

39、换器、双积分式 a/d 转换器、主次逼近式 a/d转换器和并列 a/d 转换器。 adc 有两大类：一类在电子线路中使用，不带使能控制端；另一类带有使能控制端，可与微机直接接口。adc0809 是一种 8 位主次逼近式 a/d 转换器，可以与微机直接接口，所以本次设计采用了 adc0809。 图 3-8 ado8o9 的管脚图adc0809 引脚功能：(1)in0in7(8 条) in0in7 为 8 路模拟电压输入线用于输入被转换的模拟电压。(2)地址输入和控制（4 条） ale 为地址锁存容许输入线，高电平有效。当 ale 线为高电平时，adda、addc 和 addb 三条地址线上的地址

40、信号得以锁从，经翻译后控制 8 路模拟开关工作。add、addb 和 addc 为地址输入线，用于选择 in0in7 上的那一路模拟电压送给比较器进行 a/d 转换。(3)数字量输出及控制线（11 条） start 为“启动脉冲”输入线，该线上的正脉冲由cpu 送来，宽度应大于 100ns，上升沿清零 sar，下降沿启动 adc 工作。eoc 为转换结束输出线，该线上的高电平表示 a/d 转换已结束，数字量已锁入“三态输出锁存器” 。(4)电源线及其他（5 条） clock 为时钟输入线，用于为 adc0809 提供逐次比较所需640khz 时钟脉冲序列。兰州工业高等专科学校毕业论文 16图

41、3-9 adc0809 与 8031 接口电路如图所示 adc0809 与 8031 单片机的接口电路，当 p2.2=0 时，选中了 adc0809（允许启动各通道转换与读取相应的转换结果） ，转换结束信号 eoc 经倒相后接至单片机的外部中断，当 p3.3=0 时，说明转换结束，我们选用 0 通道作为输入，因而可以1int把 0809 视为一个地址为 03f8h 的外部数据存储单元，对其写数据时，8031 的信号wr使 ale 和 start 有效，将 74ls373 锁存的地址低三位存入 0809 并启动 adc，当 eoc 为低电平时，说明 a/d 转换正在进行，当 eoc 为高电平（即

42、 p3.3=0）时，表示转换结束，8031 可以读入转好的数据。 兰州工业高等专科学校毕业论文 173.3.3 固态继电器固态继电器 固态继电器（简称 ssr） ，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。ssr 是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，它利用光电隔离技术实现了控制端（输入端）与负载回路（输出端）之间的电气隔离，同时又能控制电子开关的动作。（3）固态继电器的结构和工作原理其结构一般由耦合电路，整形放大电路，开关电路和吸收电路四部分构成，交流型固态继电器的结构如图所示（4）各部分作用1 合电路由光电耦合器组成，作用是耦合控制信号同时实现

43、隔离2 放大电路的作用是将光电管接收到的控制信号进行放大用于出发电子开关3 开关电路的作用是电子开关 t 导通与负载构成回路4 吸收电路 d 的作用是用于防止从负载电源传来的尖峰浪涌电压对开关器件的冲击。（5）ssr 应用中应注意的问题1.直流型和交流型用途不同，不能互换。2.交流型有过零型和移相型两种，要求射频干扰小的场合应使用过零型。3.使用交流型应有吸收电路。4.ssr 的输入均为发光二极管，可直接由 ttl 驱动，也可以用 cmos 电路再加一级跟随器驱动，驱动电流为 5-10ma 时，输出端导通，1ma 以下时，输出端断开。5.选用 ssr 时电压和电流是两个最重要的参数。6.为减少

44、 ssr 的射频干扰，可在电源变压器原边处与电源引线之间并接 0.0047uf 电容。7.切忌负载短路。固态继电器的驱动；固态继电器的应有电路；固态继电器主要用于大功率驱动场合，基本的驱动电路图如下所示，因为 ssr 的输入电压为 4-32v、dc-ssr 的输入电流小于 500ma，因此要选用适当的电压 v 和限流电阻 r，dc-ssr 可用 oc 门或晶体管直接驱动。dc-ssr 的输入断态电流一般小于 5ma，输出工作电压 30-180v。所接为感性负载，对一般电阻性负载可直接加负载，设备 ac-ssr 可用 220v.380v 等常用市电场合，输出断态电流一般小于 10ma，一般应让

45、ac-ssr 的开关电流至少为断态电流的 10 倍，负载电流若低于该值，则立并联电阻 rp 以提高开关电流。3.4 外围电路外围电路3.4.1 报警电路报警电路 在单片机控制系统中，一般的工作状态，可以通过指示灯或数码显示来指示，供操作人员参考。紧急场合为了使操作人员不被忽略，以便及时采取措施，往往还需要有某种更能引起人注意，提高警觉的报警信号。这种报警信号通常有三种：一是闪光兰州工业高等专科学校毕业论文 18报警，因为闪动的指示灯更能提醒人们的注意；二是鸣音报警，发出特定的鸣音，作用与人的听觉器官，易于引起和加强警觉；三是语音报警，不仅能起到报警作用，还能给出某种信息。为了减少系统的费用又能

46、使操作人员能够警觉，在本次设计中采用了鸣音报警。鸣音报警方法有两种：单频音报警；音乐声报警，前者报警使用简单。单频音报警电路，简单实用，满足一般报警的需要。故在本次设计中采用了单频音乐报警电路。实现单频音报警的接口电路比较简单。其发音元件通常可用压点蜂鸣器和电铃等，这种蜂鸣器只需在其两引线上加 35v 的直流电压，就能产生 3khz 左右的蜂鸣振荡音响。比电研式蜂鸣结构简单、耗电少，且更适用于单片机控制系统中。压电式蜂鸣器，约需 10ma 的驱动电流，因此可以使用一个晶体三级管驱动。驱动电路图如图 4.14 所示。图中驱动器的输入端接 8031 的 p1.0 口，p1.0 接晶体管基极输入端，

47、当 p1.0 输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器得电而鸣音，p1.0 输出低电平“0”时，三极管退出导通状态，蜂鸣器停止发音。图 3-10 报警电路如下图声光报警电路所示，当反应罐内温度高于上限温度，低于下限温度或者在误输入时，单片机 p1.1 口给 warn 一个低电平信号来导通三极管 8550 以驱动蜂鸣器和led 灯，进行系统声光报警。当温度恢复到设置范围内后，声光报警自动撤销。 兰州工业高等专科学校毕业论文 193.4.2 显示电路显示电路 led（light emitting diode）是发光二极管的缩写。led 显示器是由发光二极管构成的，所以显示器前面灌以“led”。它

48、是智能测量控制仪表中简单而常用的输出设备，通常用来指示机器的状态或其他信息。它的有优点是价格低，寿命长，对电压电流的要求低以及容易实现多路，阈值特性好，体积小， ，响应速度快，可靠性高，亮度高，与单片机接口灵活等诸多优点等，因而在单片机中的应用非常广泛。led 近似于恒压元件，导电发光时的正向压降一般约为 1.6v 或 2.4v 左右，反向击穿电压一般大于等于 5v，工作电流通常在 1020ma 左右，故电路中需要串入适当的限流电阻。发光强度基本上与正向电流成正比。发光效率和颜色取决于制造材料。七段显示器与单片机接口非常容易，只要将一个 8 位并行输出口与显示器的引脚相连即可。（1） led

49、的结构和分类led 显示器是由 7 个发光二极管组成，因此也称七段 led，其排列形状如图（b）所示。另外还有一个圆点形的发光二极管用于显示小数点。通过发光二极管的被点亮段的组合，可以显示全部十个数字和部分字母符号。 led 显示器有两种类型，共阴极与共阳极。两者不能互换,本次设计选用共阴极 10 9 8 7 6 1 2 3 4 5 dp g f gnd a b e d gnd c dp e a b c d f g 图 3-11 led 的类型和管脚配置（a）共阴极（b）管脚配置图兰州工业高等专科学校毕业论文 20led 显示器。共阴极 led 显示器是将 8 个发光二极管的阴极连一起，并接地

50、。这样，阳极端输入高电平的段就会发光，输入低电平的段就不发光。（2） led 显示器接口方法点亮 led 显示器有静态和动态两种，即静态显示和动态显示。静态显示为动态显示亮度的 n 倍，n 约为显示器位数。静态显示时，每段 led 流过恒定的电流，每段驱动电流约为 610ma。动态显示时，每段 led 流过随时间变化的脉动电流，每段驱动脉冲电流的大小与显示器位数有关，如显示器的位为 6 位，要达到静态显示的亮度时，则脉动电流约需要 3660ma，故选用动态显示法。所谓动态显示法，是指在每一刻只有一位 led 显示，其他 led 不显示。但显示是逐位 led 依次轮流显示，由于人眼有视觉残留效应

51、，所以人看到的是全显示。（3） led 与 8031 接口电路在动态显示方式中，多位 led 显示器的各位短选线并联，由一个 8 位 i/o 口控制，形成段选的多路复用。而各位的公共端由相应的 i/o 口线控制，实现各位的选通。位控线的个数等于 led 显示器的个数。因段选线共用，若要各位 led 能显示出与本位相应的字符，就必须采用扫描方式。即某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，同时段选线输出要显示字符的段码，在这一时刻被选通的显示器显示字符，未被选通的显示器全灭。单片机依次发出段选码和对应位 led 显示器的位选码，显示器逐个循环点亮。适当选择扫描速度，利用人眼的“视觉暂留”作用。采

52、用动态显示控制的 led 与 8031 接口电路如图所示。兰州工业高等专科学校毕业论文 21图中扩展一片 8155 用于显示器和键盘的 i/o 接口，6 个共阴极显示块相同的段选端并接在一起，由一个 8 位 i/o 口 8155 的 pa 口控制，8155 的 pb 口的 6 位作为位控线，分别控制 led 显示器的共阴极。由于控制线的驱动电流较大，8 段全亮时约为 3660ma，因此 b 口输出须经 74ls07 提高驱动能力，然后再接各 led。3.4.3 键盘接口键盘接口通常，键盘有编码和非编码两种。编码键盘通过硬件电路产生被按按键的键码和一个选通脉冲。选通脉冲可作为 cpu 的中断请求

53、信号，以通知 cpu 以中断方式接收所按按键的键码。这种键盘使用方便，所需程序简单，但硬件电路复杂，常不被微型计算机使用。非编码键盘常用一些按键排列成行列矩阵，按键的作用只是使相应接点接通和断开，在相应程序配合下也可产生被按按键的键码。非编码键盘硬件电路极为简单，故能广泛用于微型计算机中。非编码键盘有线选键盘和矩阵键盘两种，它们的比较如下：（1） 线选键盘的工作原理及其接口在单片机应用系统中有时候只需要使用简单的键盘就能输入操作，按键的数量较图 3-12 动态显示器与 8031 的接口电路兰州工业高等专科学校毕业论文 22少时可采用线选键盘（如图 4.12 所示） 。此接口电路的按键一端接地，

54、另一端接 cpu的口线和一个拉高电阻。平时无键按下时各端输入线均为高电平，当有某键按下时，相应的输入线为低电平。cpu 查询此输入口的状态就可知是哪个键闭合，这是采用一键一线的方法，当按键的数目增加时，将增加输入口的线数可用矩阵式键盘。（2） 矩阵键盘的工作原理及接口图 4.12 是 65 键盘的接口，它是矩阵式结构，如采用线选键盘结构，要占用 30条 i/o 线，而采用矩阵式结构仅需占用 11 条 i/o 口线。此时 cpu 必须对所有按键进行监视，一旦发现有键按下，cpu 通过程序加以识别，并转入相应键的处理程序，实现该键功能。键盘识别程序包括从判断是否有键按下到获取键值并进行相应的键处理

55、的过程。（3） 是否有键按下的识别要确定键盘是否有键按下，应把所有的列线置成低电平，即送出全扫描字，然后将行线电平读入 cpu 并判断，如果有键盘按下，行输入不为全 1。具体是哪个键被按下就要依次给列线送低电平，即列扫描，并查所有行线的状态，如果为全 1，则所按下之键不在此列；否则所按下的键必在此列。图 3-13 线选键盘的接口电路兰州工业高等专科学校毕业论文 23 图 3-14 65 非编码键盘与 8031 单片机的接口我们采用 65 行列结构组成的 30 个键的键盘，通常将行线接到微机的输入口，列线接入输出口。行线通过上拉电阻接+5v，当没有键闭合时，被嵌位在高电平状态，当某一键按下闭合时

56、，则该键所对应的行线与列线短路，此时，行线的电平由列线决定。8031 对键盘的 接口电路如图 4.13 所示，（4） 按键的去抖动和窜键处理在单片机应用系统中，为了降低成本，通常采用触点式的键盘按键，由于机械触点的弹性作用，在闭合几断开瞬间均有一个抖动过程。抖动时间的长短与开关的机械性有关，一般为 510ms。为了避免抖动引起的 cpu 的误动，一般需要去抖动 ，最好的办法是使 cpu 在检测到有键按下时，延时 20ms 再进行扫描。在操作时，常因不小心同时按下了一个以上的键，即发生窜键。cpu 处理窜键的原则是把放开的按键认作真正被按的按键，也就是如果发生了窜键，则 cpu 再扫描一遍，直到

57、只有一个键按下为止。兰州工业高等专科学校毕业论文 24第四章第四章 系统的软件设计系统的软件设计4.14.1 程序框图程序框图 图 4-1 中断服务框图 图 4-2 总体框图4.2 控制算法的选择控制算法的选择不同的控制对象，所采用的算法有所不同。例如对于热惯性大、时间滞后明显、耦合强、难于建立精确数学模型的大型立式淬火炉，可以采用人工智能模糊控制算 法，通过对淬火炉电热元件通断比的调节，实现对炉温的自动控制，也可以采用仿人智能控制（shic）算法和 pid 控制算法的联合控制方案，实际应用时应灵活运用。本次设计我选择了 pid 控制算法进行温度计算。兰州工业高等专科学校毕业论文 25按照偏差

58、的比例，积分和微分产生控制作用，简称 pid 控制,是过程控制中应用最广泛的一种控制形式，通过对实际运行效果和理论分析表明，这种控制规律在相当多的工业生产中能得到比较好的效果。计算机 pid 算法是用差分方程近似实现的。用微分方程表示 pid 调节规律的理想算式为：1( )( ) ( )( )0tde tu tkp e te t dttdtidt式中 e(t)=r(t)-y(t)为偏差信号，是调节器的输入信号;r(t)是给定值;y(t)为被控变量;u(t)为调节器输出的控制信号;kp 为比例系数;ti 为积分时间常数;td 为微分时间常数。计算机只能处理数字信号，若采样周期为 t，第几次采样输

59、入偏差为en，调节器输出为 un,pid 算法中的微分用差分代替，积分用dedt1nneet( )0te t dt代替，于是得到,写成递ek101nnnkeeunkp enekttdtit推形式： 1112(2)nnnnttdunukp eneeneneetit改写成：112(1)2(1)nnindnnnpidunu nkp eek ek eeeu nppp由于电阻炉一般都属于一阶对象和带纯滞后的一阶对象，所以式中 kp、ki、kd 的选择取决于电阻炉的阶跃响应特性和实际经验,在程序中假设都为正小数,参与运算的数都变为计算机易于处理的形式，数据处理方法如下：（1）把所有的数都变成定点纯小数进行

60、处理（2）算式中的各项都有正负，用补码表示,计算结果以原码输出。（3）双精度运算，为了保证运算精度把单字节 16 位进行运算，最后结果取 8 位有效值输出。兰州工业高等专科学校毕业论文 264.3程程序序构构成成 4.3.1 温度控制算法温度控制算法 通常电阻炉炉温控制都采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值，然后对偏差值处理获得控制信号去调节电阻炉的加热功率，以实 现对炉温的控制。在工业上，偏差控制又称 pid 控制，这是工业控制过程中应用最广泛的一种控制形式，一般都能收到令人满意的效果。4.3.2 中断服务程序中断服务程序 t0 中断服务程序是温度控制系统的主体程