电热锅炉温度控制器的设计开题报告

时间:2017-07-16 开题报告 我要投稿

一、开题报告背景和意义
    随着现代控制技术的发展,在工业控制领域需要对现场数据进行实时采集,在一些重要场合对数据采集的要求更高,例如在电厂、钢铁厂、化工领域的生产中都需要对大量数据进行现场采集,而温度采集又是其中极为重要的部分,因此,需要一种高精度、低成本的数据采集与控制系统。温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量,因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。
二、 开题报告任务的主要内容
完成温度测量与PID控制算法等相关资料的收集整理;
完成电路原理图的设计;
完成印刷电路板设计与制作;
完成软件设计;
完成软件与硬件的联调,实现设计功能;
完成对制作实物的测试;
完成毕业设计报告。
在这项开题报告中本人主要完成硬件部分的设计工作。
三、已具备的条件
学院实验室拥有单片机程序下载板、PROTUS程序仿真软件、PROTEL99SEPCB
制作软件、MEDWIN程序编译软件等开发条件。同时在校其间我们学习和掌握了以上硬件和软件的使用方法。此外我们可以方便的购买到元器件,例如:数码管(3位一体)、芯片STC89C51、AD590、光电耦合器等。最后,学院和校内外基地均有单片机应用系统的项目开发和胜任毕业设计指导工作的师资团队,为本开题报告的顺利完成提供了软硬件的保证。
四、开题报告任务实施的思路与方案
系统设计总体框图如图1所示,包括单片机、显示电路、越限报警电路、传感器、
数据采集电路、键盘电路、控制电路这七个组成部分。
通过温度传感器将温度值转换为模拟电流量,电流量通过数据采集电路转换成与模拟量成对应关系的数字量,单片机通过标度变换,将数字量转换为实际的温度值。实际所需要的锅炉温度通过按键来设置,温度的设定值和实际值比较,当两者不等时采用PWM控制可控硅的通断以实现对锅炉温度的控制。实际温度和设定温度可通过显示器显示。
1. 硬件设计方案
硬件电路主要有两大部分组成:模拟部分和数字部分:从功能模块上来分有:主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行电路.
(1) 主机电路的设计
主机选用51系列单片机STC89C51来实现,利用单片机软件编程灵活、自由度大的特点,力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。本系统选用的STC89C51芯片时钟可达12MHz,运算速度快,控制功能完善。其内部具有128字节RAM,而且内部含有4KB的flash ROM 不需要外扩展存储器,可使系统整体结构更为简单、实用。
(2)I/0通道的硬件电路的设计
就本系统来说,需要实时采集水温数据,然后经过A/D转换为数字信号,送入单片机中的特定单元,然后一部分送去显示;另一部分与设定值进行比较,通过PID算法得到控制量并经由单片机输出去控制电热锅炉加热或降温。
(3)数据采集电路的设计
数据采集电路主要由高精度温度传感器AD590, 高精度运算放大器0P07,74LS373,12位A/D转换器AD574A等组成。为了达到测量高精度的要求,选用温度传感器AD590,AD590具有较高精度和重复性(重复性优于0.1℃,其良好的非线形可以保证优于0.1℃ 的测量精度,利用其重复性较好的特点,通过非线形补偿,可以达到0.1℃测量精度.)超低温漂移高精度运算放大器0P07将温度一电压信号进行放大,便于A/D进行转换,以提高温度采集电路的可靠性。
(4)电控制执行电路的设计
该系统的执行元件为可控硅,可控硅可以线性调节实现对水温的控制。单片机输出与电炉功率分别属于弱电与强电部分,需要进行隔离处理,这里采用光耦元TLP521 在控制部分进行光电隔离,此外采用变压器隔离实现弱强电的电源隔离。
单片机通过PWM 输出来控制可控硅的通断,从而控制可控硅上的交流通路达到控
制电炉功率的目的。
(5) 键盘及显示的设计
根据设计要求,本系统设置了5个按键,按键AN1,AN2,AN3,AN4, AN5的功能定义如表1所示。键盘采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计,低电平有效。
按键AN3与P3.2相连,采用外部中断方式,并且优先级定为最高;按键AN5和AN4分别与P1.7和P1.6相连,采用软件查询的方式;AN1则为硬件复位键,与R、C构成复位电路。
显示采用3位共阳LED静态显示方式,显示内容有温度值的十位、个位及小数点后一位,这样可以只用P3.0(RXD)口来输出显示数据,从而节省了单片机端口资源,在P1.4 口和P3.1(TXD)的控制下通过74LS164来实现3位静态显示。数字电路硬件部分见图2。
2.系统软件设计
系统的软件由三大模块组成:主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。
(1)主程序模块
在主程序中首先给定PID算法的参数值,然后通过循环显示当前温度,并且设定键
盘外部中断为最高优先级,以便能实时响应键盘处理;软件设定定时器T0为1秒定时,在无键盘响应时每隔1秒响应一次,以用来采集经过A/D转换的温度信号;设定定时器T1为嵌套在T0之中的定时中断,初值由PID算法子程序提供。
(2)功能实现模块
以用来执行对可控硅及电炉的控制。功能实现模块主要由A/D转换子程序、中断处理子程序、键盘处理子程序、显示子程序等部分组成。
(3)运算控制模块
运算控制模块涉及标度转换、PID算法、以及该算法调用到的乘法子程序等。
五、预期目标
完成电热锅炉温度控制器的硬件电路设计和软件设计,最后完成电热锅炉温度控制器的整机调试,制作的实物实现如下设计功能:
测量精度小于±5%,控制精度小于±8%,超调整量小于±10%;
锅炉可以升温也可以降温;
实时显示当前温度值,三位数码管显示,包含一位小数;
具有越限报警功能;
采用PID控制算法。

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