染色机专用控制器的设计软件部分讲解.docx
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染色机专用控制器的设计软件部分讲解
第一章绪论
1.1染色机发展的现状
现如今，随着科社会的发展，科技的进步，服装制造工业也在工业结构中占据越来越重的比例。
染色机，广泛用作漂白和染色设备，其研究和发展也逐渐形成规模，中国的印染工艺提高染色机的位置，技术工艺和控制的要求也越来越高。
手工染色工艺逐渐被各式的染色机取代，后者在染色行业里的应用逐渐广泛。
染色过程在生产纺织品中有着重要的作用，纺织印染质量的好坏直接决定了成品的颜色、外观，甚至影响整体的成本。
染液浓度、染液位置、染液温度等是在染色的过程中影响染色的几个突出的因素，而温度的控制是繁琐的过程，并且尤其重要的工序过程。
染色过程的控制实际上是一个温度曲线根据用于印染产品不同的染色，在加热和冷却过程中，严格控制到每个进程的关键。
在印染中织物产生的缸差、色差、条痕等问题通常是操作过程的不严谨所导致，这使得重复印染的比例增加，直接威胁到生产成本的控制问题。
由此可见温度影响着操作过程中所经历的变化，它控是印染过程中需要被控制的关键因素，所以温度常常是重要参数。
不同的工艺生产由于采取的加热方式及燃料配比都不一样，所以控制情况也不一样。
染色过程通常包括三个阶段。
第一个是加热，蒸汽加热方式；接着是降温阶段，它通常用水冷却水的方法；再有就是保温过程。
加入燃料和助剂的时间点有两个，其一是升温时候，温度到了固定的某一个温度而保温的时刻。
其二是温度降低到某一刻度而校正浴比时。
目前染色机发展的大方向是设计出数字化和智能化的设备来，并且能够提升安全性，降低能耗。
这种需求随着工艺的突飞猛进越发明显。
基于这些原因，对染色机专用控制器的研究显得十分的必要。
1.2染色机发展的趋势
如今，发达国家的染色机已经有了良好的工艺加工范围和工艺适应性，已经可以做到进出布料之间的如精炼、漂白、水洗及染色等操作过程，一台机器的功能多用已经实现。
市场的需求是推动产业发展的原动力，从全世界整体发展水平来看，对染色机的需求愈发强烈，在这样的背景下，相关的技术研发成为了成为了业内关注的重心。
根据相关的文献，染色机的技术进展可以理解如下：
进入新世纪的前几年，国内染色机行业的规模一直保持增长状态，到2009年趋于稳定。
至今，行业内的企业逐渐从扩大染色机规模向染色机的技术研制转型，创新型企业越来越多。
染色机领域权威的技术已经被国内越来越多的企业掌握，他们为有需求的用户提供了各方面的支持，这些技术信息对行业整体的发展有明显的促进作用，信息对称了，对企业了解产品发展状况也有很多帮助。
对比国内市场的快发展，大部分印染生产还以传统的方式进行，如升降温用仪表控制，前后端的处理还是人工进行。
作为印染行业的主要力量，染色机具有明显的缺陷，如过程控制的标准不严格，质量控制不够精确，和能量消耗比较大。
目前，模拟型PID调节方式的温度控制被大多数企业采用，但这种方式有温波大和低合格率的缺点。
因此，单一的算法并不能满足用户的需求，通过时间控制，结合PID算法和预测控制算法能够保证温度控制精度和运行可靠性。
这样做使产品更小巧更智能同时功能完善，进而提升染色质量。
不仅降低了生产成本，同时简化了设计工艺。
印染中有以下特点和染色的生产要求：
电磁干扰小，环境温度合适，温度小偏差。
专用控制器的出现能够简化染色过程中的各种工序，降低对温度把控的难度，这种控制器由微电脑控制，便捷易用，这种先进的电子控制技术能够自行根据实际需求进行相关的调节，降低了能源与运营费用的消耗。
为了满足用户的需求并解决市场对于染色机专用控制器的需要，为实现对染色机染缸温度进行操控，本设计将许多微控技术进行了综合运用。
1.3染色机专用控制器设计的意义
目前，我们国家大多数生产厂家应用模拟性PID调节的温控仪表，但是，这种温控仪表的弊端在于温度上下波动十分大，导致产品的合格率低。
在我们现今的生产生活中，传统的控制算法十分单一，很难满足我们的控制需要，我们采用讲PID算法和预测控制算法结合的方法，来保证温度控制的精确度，控制的效率以及可靠性，采用分时段进行控制。
本次设计以STC89C52为核心，设计的系统包括：
微处理器、温度采集模块、A/D转换模块、温度控制模块、报警模块以及键盘显示模块等等。
该系统要实现的功能是：
利用电阻测温，对染色机实现温度控制以及将温度显示在屏幕上，当温度超过一定界限时会产生报警，本次设计具有针对于染色机的专用控制功能。
第二章相关技术及理论分析
2.1温度测试技术
温度是普遍的实际应用中会遇到的衡量标准，不仅工业生产中需要对温度的把控，而且许多精密的电子仪器本身也有温度的限定，可见温度测试使用很广。
本次设计的染色机专用控制器也对温度测量有较大的需求。
温度传感器通常在科学研究和工业生产两个方面都有着很普遍的使用，它连接着应用系统与我们的现实环境。
接下来将对不同的温度传感及简要描述：
（1）热敏电阻器
热敏电阻器分为正温度的电阻器和负温度电阻器。
在电路中，热敏电阻采用的是串联分压的连接方式，导致相连节点的电压值会随阻值变化而变化。
而精度则有电压参考精度和热敏电阻误差决定。
热敏电阻器的温度和阻值的变换不是严格的线性关系，所以元件达不到高度的统一性，使得更换的成本和器件的老化程度都比较高，但其最主要的缺点是不符合测温范围。
（2）热电偶和热电阻
热电偶是温度测量设备中使用的温度测量器，当应用在不同的温度环境中，它会产生热量和内部电流环路。
如果热电偶参考端温度的温差和工作端差存在，显示器将显示相应的热电偶产生的热电温度值。
热电偶的热电动势规模跟电极的长度和直径没有关系，只随测量的温度而变化，也只与材料两端的温度相关。
热电偶往往因需求不同而形状各异，但基本的结构大体是想死的，热电极是其主要部分，也包括绝缘保护装置和显示仪表等配套的监控设施。
两种不同的金属材料结合而成的热电偶，在热的作用下会有细微的电压波动，这种电压与组成的金属材质息息相关。
铂热电阻被广泛的应用在很多测温场合，通常作为标准温度计，是有着良好性价比的热电阻。
通常选择热电阻的温度段是-200℃到800℃。
而高温段的测量因温度的关系通常选择热电偶而非热电阻作为温度测量的传感设备。
K型热电偶的测量温度在600℃，而S型和B型热电偶应用在1200℃到1600℃。
热电阻的特点如下：
●同温下，易于测量，输出信号大；
●需要外加电源；
●有较大的感温部分，反应速度较快；
●测温上线有限。
两种温度测量传感设备的表2-1。
表2-1测温范围
热电偶类型
温度范围
热电偶类型
温度范围
S
-50℃～1768℃
N
-270℃～1300℃
R
-50℃～1768℃
E
-270℃～1000℃
B
0℃～1820℃
J
-210℃～1200℃
K
-270℃～1372℃
T
-270℃～400℃
热电阻类型
温度范围
热电阻类型
温度范围
Pt10
-200℃～850℃
Cu50
-50℃～150℃
Pt100
-200℃～850℃
Cu100
-50℃～150℃
PT-100作为一种温度传感器的元件。
随着环境温度的变化，在温变下改变其电阻值，电阻与温度曲线（RT）曲线具有良好的线性度。
它在中低温段的应用很广泛，因为它的测量精度和测温的范围都很优秀，且成本比较低。
铂热电阻有着小于30秒的响应时间，几乎是线性的温度测量元件。
随着温度不断的增加，线性度越来越低，在0到200℃的范围内时，有不错的线性关系。
当温度在中温范围内时，可以通过减小测量温度的范围来控制非线性度的大小。
但在具体的测量中若对精度要求苛刻时，就必须解决非线性的问题。
不同温度范围，铂热电阻与温度的关系用数学模型表示为：
在温度为-200--0℃范围内为：
Rt=R0[1+At+Bt²+C（t-100）t³]（2.1）
在温度为0--850℃范围内为：
Rt=R0（1+At+Bt²）（2.2）
式子中常数A=3.90802×10-3；常数B=-5.802×10-7。
本系统适合测温范围在几百摄氏度内的测温元件，所以铂热电阻很合适。
目前，随着温度传感器的迅猛发展，温度测量技术也不断进步。
新技术和产品越来越多，其表现主要为：
开发新技术，温度传感器正在向集成化和智能化的方向迅速进展，创造出了良好的外部条件。
（3）温度传感器是凝聚了如微电子技术和自动控制技术的产物。
智能温度传感器可以适配很多微控制器，通过软硬结合进行实物的测量和校正。
在温度传感器的实际使用中，对于一些精度需求较高的测量，常常由于传感器按照特定的计量机构给出的检测标准和证书来检定流程中的各项系数并修订，这种方式会在测量中带来误差。
为了提高温度传感器的检测精度，根据不同传感器本身的特点，对其修改和修订。
2.2温度控制原理
在工业自动化中，温度扮演着重要的角色，所有的物化变化都与它息息相关，所以温度是重要的考虑参数，在工业生产中。
现代工业中对温控的适用范围也很大，我们常见的领域如：
冶金的制造过程；电力化工类的生产型企业；轻工业生产，如造纸和印染；还有机械、食品等等领域。
在这些领域中，操作人员需要对各类热处理装置进行温度的观察来确保制造过程万无一失。
随着大规模集成电路的发展，诞生了一种具小体积、多功能、高性价比等特点的机器产生，它就是单片机。
将单片机作为主控元件，不添加触点，使用在温度控制的系统中，作为系统的核心，它可以实现温控过程中如测量、采集、控制等过程。
因此它常用在如精密仪表、家电用品、工业生产等众多领域中，以高性价比，多功能和低成本收到了市场的认可。
不同的生产环境的温度控制的要求是不一样的。
不同的就是反应所需的燃料，如天然气、电力、煤气和石油等。
最后还有控制方案的不同，如推断控制、模糊控制、数字控制、专家控制等。
PID是工业控制中主要的控制技术之一，它以稳定性高、调整方便以及简单的结构和可靠性成为工业控制中广泛应用的控制方式。
在对象是一个或两个介电惯性节点或时间延迟，且滞后时间小时，在连续系统，PID控制是一种较好的控制方法。
通常我们管PID控制叫做比例积分微分控制，这其中，校正偏差的事比例项，减少系统超调量与消除误差的分别是微分项与积分项，同时微分项还可以强化系统的稳定。
PID算法的算数表达式为：
（2.3）
式中:
为调节器输出信号；
为偏差信号；
为调节器的比例系数；
为调节器的积分时间；
为调节器的微分时间。
将连续微分转化为差分形式来实现数控操作，上式可以改为：
（2.4）
（2.5）
于是原式可写成：
（2.6）
由上式（2.6）可得：
（2.7）
上两式相减得：
△U=U（n）-U（n-1）（2.8）
计算式（2.8）并处理可得
（2.9）
上式是增量式PID算法式。
将其简化为：
（2.10）
式中
。
该系统具有很强的灵活性的优点，结构简单，易于控制，采用单片机和PID控制算法在实际中进行温度控制。
。
不仅如此，还可以很好的改善原有的温控指标，从而使得测控时候能极大的增强系统的性能。
有很多不同的温度传感器，需要根据使用场景的不同软硬件，选择适合自己的传感器应用。
为符合温度控制在25℃到135℃的范围内，并且用铂电阻作为传感器，本次采用Pt100型铂热电阻进行本次设计，首先，把测量的温度变化为电阻的变化后，通过转换电路，最终转化成电压值，通过ADC把数值在CPU进行处理。
最后用PID算法对温度进行控制。
第三章染色机专用控制器的系统组成以及工作原理
3.1系统设计要求与技术指标
本课题要求采用铂热电阻测温，通过温度传感器采集温度，并且采用数字PID算法，保证温度控制的精度为±2℃，能够实时检测显示染色机内温度，方便进行调整，超温时可以进行报警。
其具体技术要求：
1、采用铂热电阻测温，采集温度信号；
2、采用数字PID控制算法，保证控温精度；
3、控温范围：
控温范围为：
25℃-135℃，控温精度达到±2℃；
4、能够实时检测显示染色机内温度，方便进行调整，超温时可以进行报警。
3.2温度控制原理
温度是本次课题中最最重要的参数之一，它伴随着各种各样的物理变化以及化学反应，因为温度的不同很可能导致不同的结果，所以温度在各类生产中都是十分重要的。
在染色机的专用控制其设计中，如何能够使染缸内的温度保持在我们所需要的范围之内，并且对于缸内温度有过大变化时，如何能够将其调控，是本次设计的关键所在。
单片机在本次课题设计中的作用相当于人的大脑，它能够接受各种信号，例如采集到的温度数据，输入键盘的键值等等，同时，它还能够进行各种信号的输出，例如将过高或者过低温度信号输出给温度控制电路，判断如果温度过高通知报警电路等等。
作为该系统中的控制模块，可以完成对采集到的温度进行分析处理，并将此数据反馈出去。
本次课题设计采用了PID控制的方法，PID控制是目前世界上在工业领域应用最为广泛的控制方式，P、I、D分别对应比例、积分、微分，这样可以增加系统的稳定性。
3.3系统功能
系统采用STC89C52单片机作为其核心控制器，控制系统保证其正常工作。
具体过程为：
先通过PT100所组成的电桥电路测温，采集染色机缸内的实时温度信号，然后将温度传感器上的阻值转化为电压变量，由于电桥上产生的电压信号量过低，就要通过放大电路使输出电压控制在0-5V的范围内，然后将输出的电压信号送入A/D转换器中进行模数转换，最后将转换好的数据送入单片机中进行显示，并通过PID算法判断采集的温度信号在不在控制温度范围内，实现对系统的加热过程与制冷过程，温度过高还要进行报警。
各个模块具体功能如下：
1、温度采集模块：
采集信号，并将模拟量转换成数字量送入单片机进行处理；
2、键盘以及显示模块：
可以实现对温度以及时间的设定和显示，并且给用户一个直观数据；
3、PT100电桥电路模块：
实现对温度信号量的采集；
4、加热、降温控制模块：
通过单片机控制实现对系统的加热以及降温控制；
5、报警模块：
实现对染色机缸内温度过高的报警功能，提示降温。
3.4系统组成以及框图
系统设计由以下几个部分组成：
温度采集部分、A/D转换部分、液晶显示部分、键盘控制部分、语音报警部分、时钟电路部分以及单片机最小系统控制部分。
通过温度传感器采集到的电压变量，利用放大器将其电压信号量放大，模拟开关试下数据选择以及传输，最后A\D转换器将模拟信号转换位数字信号送入单片机。
然后通过数字PID算法来输出控制信号，控制加热和降温的执行，最后由液晶显示模块将采集到的温度、时间以及设定的温度值直观的展现出来，语音报警模块接收单片机输出端口的信号来控制报警。
其系统框图如下图3-1所示：
时钟电路
图3-1系统电路组成框图
与硬件部分的组成相似，系统的软件部分主要由以下几个功能模块组成：
主模块、温度的收集模块、中断服务模块、显示模块、语音模块、时钟模块及PID算法模块组成。
处理实时的温度收集的是中断服务模块，为了做好交互设计，提升用户的操作体验，键盘显示模块起着很重要的作用。
而软件设计中的重点环节是PID算法模块。
第四章染色机的专用控制器的硬件设计
硬件系统是保证整个系统正常工作的关键，对硬件电路进行合理的设计是整个系统能够正常运行的重要因素，并且硬件电路还影响系统的稳定性。
该系统硬件电路由温度采集部分（包括电桥电路测温，放大电路将电压信号放大以及A/D转换电路将信号转化为数字信号）、7279键盘部分（由HD7279芯片构成）、时钟电路部分（有时钟芯片DS1302构成）、单片机最小系统控制部分（由STC89C52芯片构成）、温度控制部分（包括驱动器，光电耦合器以及双向可控硅）、语音报警电路部分（包括ISD1420芯片以及外围电路）和液晶显示部分（由FYD12864液晶显示器构成）组成，其各部分设计如下：
4.1温度采集部分
温度采集部分是由PT-100测温元件组成的电桥式测温电路、由TL084芯片构成的差分放大电路以及由ADC0804芯片构成的A/D转换电路组成的。
4.1.1电桥电路
PT-100电桥电路采用PT-100铂热电阻作为测温元件，当PT-100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值大小会根据温度升高而升高，但是与温度之间并不是成线性关系。
PT-100拥有很好的稳定性和测量精度，测量范围宽。
PT-100元件将采集到的温度的变化转化为其电阻的变化，再通过电桥电路将其转化为电压的变化。
PT-100电桥电路如图4-1所示：
图4-1PT-100电桥电路
4.1.2放大电路
TL084是一款高输入电阻的四输入运算放大器。
首先电桥电路部分先将采集到的温度的变化转化为其电阻的变化，再通过电桥电路将其转化为电压的变化，但是此时得到的电压非常的小，只有mV级，所以要通过TL084构成的放大电路进行电压的放大。
而在真正的实际操作中，温漂的现象是经常会出现在放大电路中的，所以选择使用TL084组成的差分放大电路，可以有效防止漂移现象。
放大电路如图4-2所示：
图4-2放大电路
4.1.3A/D转换电路
ADC0804是一个8位的A/D转换器，它的模数转换时间大约是100us，频率为640KHz。
A/D转换电路如图4-3所示：
图4-3A/D转换电路图
4.2单片机最小系统控制部分
该单片机最小系统的控制部分主要由单片机、时钟电路以及复位电路组成。
其单片机最小系统控制部分电路图如图4-4所示：
图4-4单片机最小系统控制部分电路图
该单片机最小系统地控制部分想要实现计算机与单片机之间的通信还要通过MAX232串口通信电路，其电路图如图4-5所示：
图4-5MAX232串口通信电路
4.37279键盘部分
在7279键盘部分，用HD7279A芯片来进行按键操作。
HD7279如图4-6所示：
图4-6HD7279
4.4时钟电路部分
时钟电路部分采用串行时钟芯片DS1302，它仅有8个引脚，通过简单地三线串行方式与单片机进行通信，节省资源。
其电路图如图4-7所示：
图4-7时钟电路
4.5温度控制部分
温度控制部分分为加热控制以及降温控制两个部分。
通过之前系统收集到的温度信号送入单片机进行分析，判断其温度与键盘设定温度是否有差别，当有差别时，就要通过温度控制部分进行调控。
当温度过高时，启用降温控制电路进行制冷处理；当温度过低时，启用加热控制电路进行加热处理。
4.5.1加热控制部分
该部分电路主要由驱动器7407、光电耦合器MOS3041和双向可控硅组成。
并且该电路的优点是具有非常高的稳定性，很小的驱动功率，十分低的噪声干扰等特点。
加热控制电路其电路图如图4-8所示：
图4-8加热控制电路图
4.5.2降温控制电路部分
该部分电路主要由驱动器7407、光电耦合器MOS3041和双向可控硅组成。
其原理图如图4-9所示：
图4-9降温控制电路图
4.6语音报警电路部分
ISD1420芯片具有极好的录放音质，还具有很好的混响效果，采用直接模拟存储技术，外围元件非常简单。
语音报警系统的设计采用ISD1420语音芯片及其外围电路组成。
其电路图如图4-10所示：
图4-10语音报警电路
功放驱动电路采用LM386作为芯片，能够增强音效，使报警功能更加清晰明显的传到人们的耳朵里，通过调节电位器组织的大小可以调节喇叭声音的高低。
喇叭功放电路图如图4-11所示：
图4-11喇叭功放驱动电路图
4.7液晶显示部分
液晶显示部分采用了FYD12864，选取串行通讯方式，无需片选信号，简化软件设计。
液晶显示模块连接图如图4-12所示：
图4-12液晶模块连接图
第五章染色机专用控制器的软件设计
5.1软件整体设计的思路
系统的软件设计比较复杂，要对各个模块的芯片进行编程定义。
程序由主程序，子程序以及相应的中断程序组成。
对系统的软件设计最核心的地方是能够将整个程序的逻辑顺序表述清楚无误。
在本次设计的软件设计中，我采用的方式是先局部后整体，由于模块较多，所以先进行独立模块的程序编写设计。
虽然模块比较多，但是彼此联系并不大，可以先将各个模块调试好之后再进行整体整合。
这种方式大大的节省了时间。
系统的软件设计包括九个模块，主程序主要完成的是键盘处理以及液晶显示的功能，其余子程序主要完成对系统功能的完善中断程序主要完成PID控制等功能。
5.2软件模块化分析
系统的软件设计包括九个模块：
主模块、中断服务模块、温度采集模块、7279键盘模块、时钟模块、液晶显示模块、语音报警模块、PID算法模块和PID控制模块。
其各个模块设计如下：
5.2.1主程序模块
在给系统通电后，主程序模块将会对LCD液晶进行初始化，同时调用LCD初始化的子程序，进行定时器以及DS1302的初始化，通过键盘扫描，判断有无按键被按下。
如果有按键，则读取键值并调用对应的子程序运行；如果没有，就会显示LCD初始化的界面。
系统主流程图如图5-1所示：
开始
液晶初始化
调用LCD初始化子程序
定时器初始化
DS1302芯片初始化
通过扫描键盘，得出flag=?
调用屏幕3
调用屏幕2
012
图5-1主程序流程
5.2.2中断服务模块
中断服务模块十分重要，首先保护现场，再重新设置定时/计数器，通过调用A/D转换器对采集到的温度数据进行分析和处理，将其与系统要求的温度进行比较，判断是否需要调温，有无超温报警的情况；然后通过PID控制算法输出等。
其具体流程图如图5-2所示：
中断返回
N
Y
Y
N
Y
N
图5-2中断服务程序流程图
5.2.3温度采集模块
ADC0804是8位逐次逼近型A/D转换器,它的转换时间是100us。
其A/D转换流程图如图5-3所示：
入口
图5-3A/D转换流程图
5.2.47279键盘模块
7279键盘模块能够在使用者进行按键后对按键的识别以及对于按下的键对应进行处理。
它的功能包括对设定温度、调整始终以及选择检测通道。
并且选用7279键盘能非常方便使用者使用，因为其用有防止抖动这一特性，相比于其他键盘设计的十分人性。
同时，7279键盘具有自己的串行接口，不需要外围的元件就可以直接驱动LCD，7279键盘具有段寻址指令，可以更加方便的控制独立LCD还具有很多的控制指令，比如循环右移动，复位指令，清除指令等等，在本次设计中，应用很多的是7279的对键盘数据的读取指令。
其键值表如表5-1所示：
按键号
键值
功能说明
16
1FH
对时间的切换
15
1EH
+时间
14
1DH
—时间
13
1CH
切换工作界面
12
17H
切换设定温度的位
11
16H
设定温度+
10
15H
设定温度—
9
14H
通道的选择
表5-17279键盘键值表
在进入键盘模块时，当系统判断读出的键盘值为“1CH”时，液晶界面切换标志位=1，此时系统认为从开始进入工作界面。
第二次读出键值为“1CH”时液晶界面切换标志位=2，此时系统认为从工作界面进入结束界面。
第三次读出键盘值为“1CH”时液晶界面切换标志位=1，此时系统认为从结束界面又进入工作界面。
定义时间设定值秒、分、时、星期、日、月、年的切换标志位值大小应该是从1到6，对应该键盘对秒、分
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