毕业设计论文密炼机温度巡检控制系统的设计.docx
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毕业设计论文密炼机温度巡检控制系统的设计
1．绪论
密炼机是在开炼机的基础上发展起来的一种高强度间隙性的混炼设备。
它在橡胶混炼过程中显示出来比开炼机优异的一系列特征，如：
混炼容量大、时间短、生产效率高；较好的克服粉尘飞扬，减少配合剂的损失，改善产品质量和工作环境[1]；操作安全便利，减轻劳动强度；有益于实现机械与自动化操作等。
但是，较之过去，混炼的精确性更高，使用的胶料更硬，粘度更大。
加之近几年来研制的新型转子使混炼周期缩减到2至3分钟，允许误差极小[2]。
于是，温度控制就成了关键性问题。
而随着产业规模的扩大和作业地域的拓展，使得我国传统的人工管理以及现场简单仪表加人工操作和巡检的密炼机工作模式已无法满足日趋严峻的高效生产工作的需要，密炼机安全高效生产工作也必须遵循“科技兴安”的战略，以技术进步和硬件建设提升企业的安全生产技术水平[3]，用现代信息技术提升密炼机信息资源采集和处理的效率和能力，预防和控制密炼机安全事故的发生以及提高炼胶的质量，系统建设的总体目标是为密炼机设计一套技术先进、运行成熟、操作简单、扩展性好、容易维护和使用方便的温度监控方案，实现对密炼机温度即时监控[4]。
1.1温度巡检控制系统的现状和进展
1.1.1温度检测控制系统的现状
密炼机的温度是一个重要的物理参数[5]。
自然界中任何物理化学过程都紧密地与温度相联系。
在密炼机的正常运行中，温度检测和控制都直接和安全运营、运行效率、节约能源等重大技术经济指标相联系，因此不仅在密炼机系统中十分重要，在国民经济的各个领域中都受到普遍重视。
温度检测控制系统也得到了广泛应用。
以单片机为主的嵌入式系统已广泛应用于橡胶生产以及各个领域[6]。
传统的机械式温度检测控制系统在工厂企业中已经有上百年的历史了。
近年来由于微电子学的进步以及计算机应用的日益广泛，智能化检测控制系统已经取得了巨大的进步。
智能仪表在测量过程自动化，测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展[7]。
目前在研制高箱度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用单片机使之成为智能仪表的。
我国的单片机开发应用始于80年代，在这二十年中单片机应用向纵深发展，技术日趋成熟。
单片机为主体取代常规电子线路，可以熟练的将计算机技术、预测量控制技术结合在一起。
单片机为主体取代常规电子线路，可以熟练的将计算机技术、预测量控制技术结合在一起。
与国内己经出现的各种各样的智能化测量控制系统相比，国际上更是品种繁多[9]，而国内的开发规模相对较小，开发费用相对较高，与国际相比还存在很大的差距，在密炼机温度的巡检方式上也是各不相同，往往采取逐点的检测，这种检测方式的巡检非常繁杂，耗时耗力。
1.1.2温度巡检控制系统的进展
温度巡检控制系统已广泛应用于测量、监测、诊断、控制、科学试验等各个领域中。
近二十年来，温度巡检控制技术由于采用了一系列新技术，得到了飞速的发展[10]。
其数据采集的分辨率从4位、8位到现在的24位分辨率；采集的速率从几KBS到现在的最高速率已达2GPS，记录设备从原来的手记的、模拟或数字记录到磁盘记录，一直到现在的硬盘记录。
所有这些都是不断采用新技术的成果。
所谓温度巡检控制，就是系统按照所定的定时间隔顺序读取各个待测温度点的温度值，读取的温度数据经运算处理后存入数据库，同时将设定的温度限值进行比较，如发现越限，则发出报警信号，显示越限点的名称、地点和温度，并将其自动打印输出，以便工作人员进行检查和处理并通过温度控制电路对越限温度进行控制；如未越限，则顺序显示各个温度点的温度值。
温度巡检控制与电子学、精密仪器学、计算机科学密切相关。
尽管温度巡检控制技术起步早，应用广，但在核物理试验这样复杂的试验系统中，获得广泛的应用，还是七十年代以后的事情。
从七十年代到现在，温度巡检控制技术在核物理试验中不断完善和发展，已形成了一个独立的分支，它们不再是温度检测控制的简单系统，而是包括数据存储、数据采集、数据变换、数据压缩及实时处理等一系列功能的复杂系统[11]。
由于许多物理现象无法通过人的直接观察来了解其规律，这就需要通过一定的仪器设备进行信息转换，成为人能够直接观察的对象，使用计算机进行这种转换时就需要数据采集与处理系统，随着过程控制技术，自动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和发展，控制领域又发生了一次技术变革，这次变革使传统的温度巡检控制系统无论在结构上还是性能上都发生了巨大的飞跃[12]。
1.2课题的意义
多路温度的测量、记录、传输及控制在工业及民用领域应用中一直是量大面广的设备之一，所以目前多路温度巡检控制仪并不少见。
甚至其中有很多己经作为例题出现在许多关于单片机应用的教科书中，虽然在电路结构、元器件的选择和相应的软件编程上略有区别，但是它们均能以单片机为核心，完成巡检、显示、记录和控制功能。
这是由于温度的检测离不开温度传感器，而传统的温度传感器例如PT-100等都是模拟量输出，需要进行信号的放大和A/D转换只能被单片机接受，如果要增加测试路数，那么必定要增加放大器和A/D转换器的个数，接线将十分复杂。
并且它们的准确性易受环境、接线、放大等因素的影响。
密炼机温度巡检控制系统的整个工作过程都是在软件程序的控制下自动完成的。
装在仪表内部EPROM中的监控程序由许多程序模块组成，每一个模块完成一种特定的功能，例如实现某种算法、执行某一中断服务程序、接受并分析键盘输入命令等。
编制完善的监控程序的某些功能模块，能够取代某些硬件电路的功能。
这就为设计扩展或改变仪表具体功能给了方便。
例如打印的内容、格式，报警值的上、下限，报警的方式（如发光、发声）等就完全可以通过改变具体的某一段程序来实现，同时又不会影响软件中其它程序的功能。
仪表在使用上更具有灵活性。
密炼机温度巡检系统中引入单片机之后，已经降低了对某些硬件电路的要求。
但是测试电路仍然占有很重要的位置，尤其是直接获取被测信号的传感器部分仍应给予充分的重视，有时提高整个系统性能的关键仍然在于测试电路的改进。
现在传感器也正在受着微电子技术的影响，不断发展变化。
传感器正朝着小型、固态、多功能和集成化的方向发展。
有许多国家正致力于将微处理器与传感器集成于一体，以构成超小型、廉价的测量仪器的主体。
但是密炼机传统的温度巡检方式一般是网点式检测，这种检测方式的巡检非常繁杂，耗时耗力。
这就需要一种使用更加方便，检测更加精确的温度，巡检。
而本文的密炼机温度巡检控制系统采用的分层次、分级别巡检就解决了以上的问题，所以意义十分重大。
1.3课题的内容
本文介绍一种采用单片机实现对密炼机的温度进行自动监测和显示并进行相应控制的温度巡检系统。
我国的密炼机系统中，大部分还采用传统的测温控制方法，这不仅效率低、劳动时间长，而且由于该操作往往存在不合理，不能及时发现异常情况，并采取相应措施，致使危险发生，并使炼胶质量得不到保证，给国家造成重大的经济损失和严重的后果。
密炼机温度巡检控制系统要求实现实时测量、显示、控制，以热电偶为温度传感器、以AD590为热电偶的冷端温度补偿、以MCS-51为处理器，以晶闸管为执行器来完成设计任务所做出的控制要求。
本系统涉及硬件方案设计，单元电路设计和元器件选择。
通过对机内数字PID参数的设置，达到对不同受控对象的不同温度要求进行高精度控制。
此系统软件设计的核心是数据采集和处理系统，采用热电偶进行测温并伴有冷端温度补偿电路和先进的单片机技术，采用分段巡检，使系统获得了更高的工作效率和更优良的工作性能。
另外，该系统进行了抗干扰性的设计，从而使系统的可靠性得到明显的提高。
该系统主要用在密炼机温度巡检系统中，数据通讯准确、可靠，可以有效预报温度情况，提高密炼机炼胶的质量，进而能够取得显著的经济和社会效益。
通过对传感器的适当选型，本系统同时也适用于其他方面需要大规模测温的系统，如供暖系统、电站、粮仓等系统。
2.系统温度采集部分的设计
2.1系统的测温原理
本文中采用热电偶进行温度测量，由于热电偶输出的电动势是两节点温度差的函数。
如图所示，为了使输出的电动势是被测温度的单一函数，一般将T作为被测温度端，T0作为参比温度端（冷端）。
由于要求T0保持为0℃，但在实际中做到这一点很困难，于是采用热电偶冷端温度补偿。
本系统设计中采用了AD590进行温度补偿。
将两种不同性质的导体A、B串接成一个闭合回路，如果两结合点的温度不同（T0
T），则在两导体间产生热电动势，并在回路中有一定大小的电流，因此产生了热电动势。
由这两种导体的组合并将温度转换成热电动势的传感器叫做热电偶，即热电偶是将温度转换为电动势的装置。
热电动势是由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势所组成。
图2-1热电效应
Fig.2-1Thermoelectriceffect
2.2温度传感器
密炼机各测试区点的温度值经过测温元件，被转换为模拟电压信号，这样得到的多路采样信号经放大器及A/D转换电路，由单片机控制多通道A/D转换，分时对电压信号进行循环采样和A/D转换。
这是单片机处理非电量信号的传统方法，它的优点是测温范围广。
选用合适的测温元件可以检测-300℃～3000℃的温度。
但是一方面，单片机外电路复杂，其传送数据的信号线总是多根的，这样系统连线非常复杂，并且需要额外的接口芯片，其成本也高；另一方面，A/D转换器要占用多个I/0口向单片机输入多位的数字量，这使得有限的I/0口在设计时显得较为局促。
2.2.1温度传感器热电偶
温度传感器对整个系统的精确度非常重要，常用的温度传感器有热电阻、热电偶，半导体集成型等温度传感器。
本系统对传感器的测量精度、线性度要求较高，且信号采集与处理电路的距离变化较大，温度传感器热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。
其优点是：
测量精度高；因温度传感器热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。
测量范围广；常用的温度传感器热电偶从-100~+1800℃均可测量，某些特殊温度传感器热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）；构造简单，使用方便。
温度传感器热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。
将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个接触点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一定大小的电流,这种现象称为热电效应。
温度传感器热电偶就是利用这一效应来工作的。
2.热电偶的种类及结构形式
1）温度传感器热电偶的种类
常用温度传感器热电偶可分为标准温度传感器热电偶和非标准温度传感器热电偶两大类。
所调用标准温度传感器热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的温度传感器热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。
非标准化温度传感器热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化温度传感器热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。
标准化温度传感器热电偶我国从1988年1月1日起，温度传感器热电偶和温度传感器热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化温度传感器热电偶为我国统一设计型温度传感器热电偶。
2）温度传感器热电偶的结构形式
为了保证温度传感器热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：
①组成温度传感器热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；
②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；
③补偿导线与温度传感器热电偶自由端的连接要方便可靠；
④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。
3．温度传感器热电偶冷端的温度补偿
由于温度传感器热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把温度传感器热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。
必须指出，温度传感器热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使温度传感器热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。
因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。
在使用温度传感器热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与温度传感器热电偶连接端的温度不能超过100℃。
2.2.2热电偶的冷端温度补偿
热电偶的冷端补偿．经常应用补偿电桥法，也有利用二极管正向电压随温度上升而减小的特性进行冷端补偿的。
1．补偿原理
在热电偶冷热端电势关系中，有如下公式存在
EAB（t,0）=EAB（t,tn）+EAB（tn,0）
其中，t为实测温度；tn为冷端温度；EAB（t,0）为冷端温度为0℃时，热电偶电势输出；EAB（t，tn）冷端温度为tn℃时，热电偶电势输出；EAB（tn，0）冷端补偿电势。
上式中，EAB（t，tn）可直接从热电偶输出中检测到，只要获取冷端温度tn，就可以由分度表换算出EAB（tn,0），进而求出EAB（t,0）。
于是完成了冷端电势补偿，并可换算出实测温度t。
2．冷端温度的获取
冷端温度的影响是不可忽略的，且热电偶冷端暴露于作业环境中，因而可以认为冷端温度与作业环境温度一致。
作业环境温度随季节气候变化而变化，因此冷端温度的测定是动态测定，冷端电势补偿是动态补偿。
由于电位补偿法和电桥补偿法都对电阻要求较高，尤其在多路温度测量中不易调试，因而随着芯片技术的发展出现了用集成温度传感器精密测量冷端温度对冷端进行补偿的方法。
从原理上讲，这种方法就是由集成温度传感器测得冷端温度（电势），再与热电偶所测温度（电势）叠加。
电路实现主要有两种形式，即模拟信号叠加形式和数字信号叠加形式。
这里选用美国AD公司生产的专用集成温度传感器AD590作为冷端温度补偿输入，它属于电流输出型，满足I=K（T+273.2），其中I和T的单位分别是μA和℃,K=μA/℃。
它直接将温度转换成输出电流，且具有标准化（1μA/K）的线性输出。
AD590工作时，两端加上+4V～+30V的电压，器件呈现为一个高阻抗（10MΩ）的电流源，对激励电压变化不敏感，功耗低，用长线传输信号时不会因为电压降或感应的噪声电压而产生误差，抑制干扰的能力也很强，因此可用于较远距离的温度测量，在－55℃～+150℃优于其他温度传感器（测温误差士0.3℃。
这些特点使它极易与热电偶配合，进行高精度的温度测量。
此外它还具有体积小、测量精度高、线性好和互换性强等优点，
其主要技术指标为：
1）AD590的测温范围为-55℃～+150℃；
2）AD590的电源电压范围为4V～30V。
电源电压可在4V~6V范围变化，电流Ir变化1A，相当于温度变化1K。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏；
3）输出电阻为710M；
4）精度高。
AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃；
2.3热电偶冷端温度补偿电路
AD590,R1,R2构成冷端补偿电路，补偿电压为：
V=I（Rl//R2）=K（T+273.2）（Rl//R2）, 而K=1μA/℃，调节电位器R2即可调整补偿电势。
图2-2热电偶冷端温度补偿电路
Fig.2-2Thermocouplecoldjunctioncompensationcircuit
图2-3所示是AD590的内部电路，R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用。
T7、T8，T10为对称的Wilson电路，用来提高阻抗。
T5、T12和T10为启动电路，其中T5为恒定偏置二极管。
T6可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。
R1，R2为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。
T1～T4是为热效应而设计的连接方式。
而C1和R4则可用来防止寄生振荡。
该电路的设计使得T9，T10，T11三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流I的1/3。
T9和T11的发射结面积比为8：
1，T10和T11的发射结面积相等。
T9和T11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上，因此可以写出：
ΔUBE＝（R6—2R5）I/3
R6上只有T9的发射极电流，而R5上除了来自T10的发射极电流外，还有来自T11的发射极电流，所以R5上的压降是R5的2/3。
根据上式不难看出，要想改变ΔUBE，可以在调整R5后再调整R6，而增大R5的效果和减小R6是一样的，其结果都会使ΔUBE减小，不过，改变R5对ΔUBE的影响更为显著，因为它前面的系数较大。
实际上就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其在250℃之下使总电流I达到1μA/K。
温度经过热电偶及AD590采集后是一个模拟信号，这个模拟信号要传送给模数转换器ADC0809进行模数转换。
图2-3AD590内部电路
Fig.2-3theinternalcircuitofAD590
本部分详细介绍了热电偶的工作原理及种类和结构形式。
温度采集电路中使用热电偶和AD590，AD590作为热电偶的冷端温度补偿，这一结构形式保证了温度采集的精度。
3.系统的硬件设计
3.1系统的总体设计思想
由于被控对象的复杂程度不相同，对控制性能指标的要求也不尽相同，另外采用的加热方法及燃料也就不同，如煤气、天然气、油、电等，用普通仪表调节很不理想，有时很难达到理想的控制速度和精度。
但就其控制系统本身的动态特性而言，基本上都是一阶纯滞后环节。
不同的控制对象和不同的要求，应该有不同的设计思想。
密炼机的温度巡检控制系统是一个基于单片机的温控系统，系统内部除单片机以外的其它硬件部分均可看作是单片机的外设部分。
在本系统中，CPU在温度采集和处理时，主要是对温度值进行分级、分层次的巡回检测控制，效率高，速度快，数据记录、数据计算、数据统计和整理、数据越限报警对这些数据进行积累和实时控制。
CPU不直接参与过程控制，对生
产过程不会直接产生影响。
温度经过采样、转换后以数字形式进入CPU，利用CPU具有运算、逻辑判断能力、速度快等特点，在它内部可以对这些输入数据进行必要的集中、加工和处理，并通过DAC8032进行数模转换进入温度控制单元。
另外，添加存储器，预先存入各个测试点的温度极限值和其他的相关数据，以便在处理过程中可以进行越限报警、调整参数和维修调试等。
通过以上分析，本论文所做的系统的整体结构如图2-1。
采用热电偶作为温度传感器主要是采集每个测试点的温度值，并将其采集到的温度值转换成数字信号，送入单片机集中进行处理。
因为单片机的I/O口有限，所以每个温度传感器不可能直接接入单片机，本系统采用ADC0809对信号进行模数转换，再送入单片机。
存储器将存储各种与温度传感器有关的数据，例如，每个传感器的相关信息、每个测试点的温度值和相关的时间数据，以实现单片机对数据的集中管理，并防止丢失。
可编程通信接口芯片8255用于键盘输入和LED显示。
报警电路在温度异常时送出保护信号并能进行故障点的跟踪定位。
键盘在本系统中是操作员控制巡检系统的重要途径，是安装调试的必备手段。
在系统需要改变某些数据，以及操作人员在出现故障时能够实时了解故障路数，对应的时间、温度数据等均应通过键盘完成相应的操作。
图3-1密炼机温度巡检控制整体结构框图
Fig.3-1Theframediagramofthewholestructure
3.2系统设计的关键技术
根据以上所述的总体设计思想，设计中需解决的技术关键性问题是：
第一，这种巡检仪由于需要检测的点多达几十个，为了便于用户安装使用，在硬件的设计时，应分级别分层次检测，力求电路最简单，安装调试最方便。
第二，为保证本系统高可靠性运行，仪器本身要具备很强的抗干扰能力，为此应在硬件及软件设计上引入各种抗干扰措施。
特别是系统中各个部分电路的电源均设计为直流稳压电源供电，当仪器用于复杂的工业环境时，直流电源能够不受干扰的对各部分电路提供直流电压就显得十分重要了。
第三，硬件电路简洁，软件功能强大，在软件设计时也应寻找尽可能简单完善的设计思路，保证程序易于修改、调试。
第四，系统是一个实时运行的系统，当主机电源因某种原因停电时，为了保证系统工作的的数据的实时性，其后备电源应能可靠工作。
第五，系统对单片机和温度传感器的选择也是十分重要的。
3.3模数转换ADC0809
3.3.1ADC0809的特性
ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换[13]。
1．主要特性
1）8路8位A/D转换器，即分辨率8位；
2）具有转换起停控制端；
3）转换时间为100μs；
4）单个＋5V电源供电；
5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准；
6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度；
7）低功耗，约15mW；
2．内部结构
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图3-3所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近。
3．外部特性（引脚功能）
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3-3所示。
下面说明各引脚功能。
IN0～IN7：
8路模拟量输入端。
2-1～2-8：
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC：
3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。
ALE：
地址锁存允许信号，输入，高电平有效。
START：
A/D转换启动信号，输入，高电平有效。
EOC：
A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
OE：
数据输出允许信号，输入，高电平有效。
当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。
CLK：
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF（+）、REF（-）：
基准电压。
Vcc：
电源，单一＋5V。
GND：
地。
3.3.2ADC0809的工作过程
模数转换ADC0809的工作过程是：
首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。
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OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上[14]。
3.4温度巡检系统部分
模数转换ADC0809与89C51连接的硬件结构见图3-6：
本系统采用了应用广泛的MCS-51单片机，由于本系统设计了八个大区以及每个大区有八个检测点进行检测，因此采用三八译码器74LS138以及模数转换器ADC0809九片，标号为零的ADC0809是一级巡检阶层，标号为一到八的ADC0809是二级巡检。
标号为零的ADC0809的八个输入分别检测八个大区的温度，标号为一到八的ADC0809分别检测八个大区里面每个点的具体温度。
普通状态下，MCS8051只巡检标号为零的ADC0809，以它的A、B、C管脚接入单片机，并通过单片机的P2.0、P2.1、P2.2管脚来控制八个大区的检测。
当某一大区温度出现异常时，此时单片机的管脚P1.0、P1.1、P1.2与三八译码器的管脚A、B、C相连，因此单片机能够通过74LS138选中该区域并进入温度异常的大区，通过检测此大区的ADC0809检测出具体是八个检测点的哪一个检测点出现了问题，以便对系
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