基于单片机对精馏塔的温度控制系统设计课程设计说明书.docx

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基于单片机对精馏塔的温度控制系统设计课程设计说明书

课程设计说明书

题目：

基于单片机对精馏塔温度的控制系统设计

贵州大学明德学院本科课程设计

诚信责任书

本人郑重声明：

本人所呈交的课程设计，是在导师的指导下独立进行研究所完成。

设计中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。

特此声明。

论文（设计）作者签名：

杨政坤

日期：

2012.07.05课程设计任务书

机电系院系

学号

092003111048

学生姓名

杨政坤

专业（班级）

机电091

设计题目

基于单片机对精馏塔温度的控制系统设计

主

要

内

容

设计实时在线检测反应塔测量控制系统

1单片机温度控制系统方案简介

2单片机的内部模块

3系统的硬件设计

4系统的软件设计

设

计

要

求

1：

能进行在线检测；

2：

要求采用闭环控制系统，提高系统的控制精度；

3：

采用显示器实时显示检测值；

4：

但检测参数越程时，系统自动报警功能。

5：

测量误差为±0.01

工

作

量

工

作

计

划

1：

确定设计思路

2：

查阅资料

3：

整理规划

4：

开始设计

5：

设计完成

参

考

资

料

《单片机原理及接口技术》清华大学出版社，段晨东主编

《数字电路与逻辑设计》林宏编著

《EAD技术及应用实践》高有堂编著

2012年7月5日

第47题

基于单片机对精馏塔的温度控制系统设计

摘要

精馏法是把混合物中各成分分离出来，并分别达到规定纯度的方法；精馏法是石油，化工等生产过程中最常用的方法。

精馏需要在精馏反应塔中进行，反应塔中必然会产生温度，而且温度很高。

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，我们需要对塔中温度进行严格的监测和控制。

由于温度很高，为了安全起见，我们需要采用单片机对他们进行远距离控制，单片机控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。

本设计采用无ROM的8031作为主控制芯片。

8031的接口电路有8155、2764。

8155用于键盘/LED显示器接口，2764可作为8031的外部ROM存储器。

其中温度控制电路是通过可控硅调功器实现的。

双向可控硅管和加热丝串联接在交流220V，50HZ交流试点回路，在给定周期内，8031只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。

使用单片机作为核心进行控制。

单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。

本系统所使用的单片机8031有128K的RAM，使温度控制大为简便。

关键字：

温度控制；接口电路；MCS-51单片机8031。

第一章单片机温度控制系统方案简介

单片机温度控制系统是以MS-5l单片机为控制核心，辅以采样反馈电路，驱动电路，晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。

其系统结构框图可表示为:

系统采用单闭环形式，其基本控制原理为:

将温度设定值（即输入控制量）和温度反馈值同时送入控制电路部分，然后经过调节器运算得到输出控制量，输出控制量控制驱动电路得到控制电压施加到被控对象上，反应塔内因此达到一定的温度。

图1.1控制电路的设计

第二章单片机

单片机是单片微型计算机简称，它包括中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统、定时器/计数器、串行口和I/O等。

单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对象的控制。

它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点，单片微型计算机（简称单片机）是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃和颇具生命力的机种，特别适合用于智能控制系统。

2.1单片机内部模块

在本设计中,从经济上以及性能上考虑，我选用8031作为CPU。

8031是MCS－51系列单片机的一种型号。

MCS-51单片机的类型有：

8051、8031、8751等。

2.1MCS-51单片机内部结构

8031单片机内部结构见图2.1。

它其中包含CPU、震荡器和时序电路、4KB的ROM、256B的RAM、两个16定时/计数器T0和T1、4个8位I/O端口（P0、P1、P2、P3）、串行口等组成。

其中震荡时序与时钟组成定时控制部件。

图2.18031单片机的内部结构

2.2单片机外总线结构

如图2.2所示

微型计算机大多数CPU外部都有单独的地址总线、数据总线和控制总线，而MCS—51单片机由于受到芯片管脚的限制，数据线和地址线（低8位）是复用的，而且是I/O口兼用。

为了将它们分离开来，以便同单片机之外的芯片正确地相连，常常在单片机外部加地址锁存器来构成与一般CPU相类似的三总线。

图2.2三总线图

2.3芯片的扩展设计[7]

1）程序存储器扩展设计；（A）程序存储器简介

常见的EPROM有：

2716（容量2K×8位）、2732（容量4K×8位）、2764（容量8K×8位）、27128（容量16K×8位）、27256（容量32K×8位）、27512（容量64K×8位）。

2）数据存储器设计

由于算法的需要，在存储器中需要存储24个从A/D片出来的数据，即需要24单元的存储单元。

在8031的内部数据存储区低128字节RAM中30H~7FH共80个存储单元使用户RAM区，完全可以容纳下24个数据以及其运算过程中的临时数据，故不需要在另外扩展片外数据存储器。

我选用的EPROM芯片为2764。

连接如图2.3所示

图2.32764与8031连接图

2.4单片机温控模块

温度检测元件和变送器的选择和被控温度及精度等级有关。

本设计采用镍铬/镍铝热电偶，此电偶用于0℃～1000℃的温度测量范围，相应的输出电压为0mV-41.32mV.

变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：

毫伏变送器用于把热电偶输出的0-41.32mV变换成0-10mA范围内的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的0-10MA电流变换成0-5V范围的电压。

[5]

400℃～1000℃，则热电偶输出为16.4mV-41.32mV,毫伏变送器零点迁移后输出0-10mV范围电流。

这样，采用8位A/D转换器就可以使量化误差达到正负2.34度以内。

第三章系统硬件设计

3.1系统总体设计

系统控制主电路是由8031及其外围芯片，及一些辅助的部分构成的。

系统设计原理图如图3.1所示。

图3.1系统设计原理图

3.28155接口电路

图3.2所示，8155芯片内具有256个字节的RAM，两个8位、一个16位的可编程I/O口和一个14位计数器。

它与51型单片机接口简单，是单片机应用系统中广泛使用的芯片。

图3.2带有I/O接口和计时器的静态RAM8155

8155用作键盘/LED显示器接口电路，当IO/

为高电平时，8155选通片内的I/O端口。

A,B,C三个口可以作为扩展的I/O口使用，MCS－51单片机的PO口与8155的AD0～AD7相连。

MCS－51单片机可以和8155直接连接，不需要任何外加电路，给系统增加了256个字节的RAM、22位I/O线及一个计数器。

当P2.0＝0且P2.1=0时，选中8155的RAM工作；在P2.0=1和P20=0时，8155选中片内三个I/O端口。

相应地址分配为：

[2]

0000H-00FFH8155内部RAM

0100H命令/状态口

0101HA口

0102HB口

0103HC口

0104H定时器低八位口

0105H定时器高八位口

3.3A/D转换电路

图3.3A/D转换电路图

ADC0809的IN0上输入的0V-+5V范围的模拟电压经A/D转换后可由8031通过程序从P0口输入到它的内部RAM单元。

首先输入地址选择信号，在ALE信号作用下，地址信号被锁存，产生译码信号，选中一路模拟量输入。

然后输入启动转换控制信号START启动转换。

3.4可控硅控制电路

8031对温度的控制是通过可控硅调控器实现的。

如图3.4所示，

图3.4可控硅功输出与通断时间关系

双向可控硅管和加热丝串联接在交流220V，50Hz交流试点回路。

在给定的周期T内，8031只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。

图3.4示出了可控硅管在给定周期T内具有不同接通时间的情况。

显然，可控硅在给定周期T的100%时间内接通的功率最大。

可控硅接通时间可以通过可控硅控制板上控制脉冲控制。

该触发脉冲由8031用软件在P1.3引脚上产生，受过零同步脉冲后经光偶管和驱动器输送到可控硅的控制极上。

通常，电阻炉炉温控制采用偏差控制法。

控制论告诉我们，PID控制的理想方程是：

（3.1）

式中e—测量值与给定值之间的偏差;

TD—微分时间:

T-积分时间;

【3.2】

KP—调节器的放大系数.

将上式离散化得到数字PID位置式算法

式中在位置式算法的基础之上得到数字PID

增量式算法：

【3.3】

第四章系统软件设计

4.1主程序

主程序流程图如图4.1所示

图4.1主程序流程图

主程序：

ORG0100H

DISM0DATA78H

DISM1DATA79H

DISM2DATA7AH

DISM3DATA7BH

DISM4DATA7CH

DISM5DATA7DH

MOVSP,#50H;50H送SP

CLR5EH;清本次越限标志

CLR5FH；清上次越限标志

CLRA；清累加器A

MOV2FH,A

MOV30H,A

MOV3BH,A

MOV3CH,A清暂存单元

MOV3DH,A

MOV3EH,A

MOV44H,A

MOVDISM0,A

MOVDISM1,A

MOVDISM2,A

MOVDISM3,A清显示缓冲区

MOVDISM4,A

MOVDISM5,A

MOVTMOD,#56H

MOVTL0,#06H

MOVTH0,#06H

CLRPT0

SETBTR0

SETBET0

SETBEA

LOOPACALLDISPLY；调用显示程序

ACALLSCAN；调用扫描程序

AJMPLOOP；等待中断

应当注意：

由于T0被设定为计数器方式2，初值为06H，故它的溢出中断时间为250个过零同步脉冲。

为了系统正常工作，T1中断服务程序的执行时间必须满足T0的制一时间要求，因为T1的中断是嵌套在T0中断之中的。

4.2T0中断服务程序

T0中断服务程序是温度控制系统的主程序，用于启动A/D转换器，读如数据采样，数字滤波，越权温度报警和处理，PID计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。

P1.3引脚上输出的该同步脉冲宽度由T1计数器的溢出中断控制，8031利用等待T1溢出中断空隙时间完成把本次采样数值转换成显示值而放入显示缓冲区和调用温度显示程序，8031从T1中断服务程序返回后便可以恢复现场和返回主程序，以等待下次T0中断。

T0中断服务程序框图如图4.2所示

图4.2T0中断服务程序流程图

T0中断服务程序：

ORG000BH

AJMPCT0

CT0：

PUSHACC；

PUSHDPL；保护现场

PUSHDPH；

SETBD5H；置标志

ACALLSAMP

ACALLFILTER

CJNEA，42H，TPL

WL：

MOVC，5EH

MOV5FH，C

CLR5EH

ACALLUPL

POPDPH

POPDPL

POPACC

RETI；中断返回

TPL：

JNCTPL1

CLR5FH；清上次越限标志

CJNEA，43H，MTPL

HAT：

SETBP1.1；若温度不越限，则绿灯亮

ACALLPID

MOVA，2FH

CPLA；

INCA；对PID值求补，作为TL1值

NM：

SETBP1.3

MOVTL1，A

MOVTH1,#0FFH

SETBPT1

SETBTR1；启动T1

SETBET1；允许T1中断

ACALLTRAST

LOOP:

ACALLDISPLY；显示温度

JBD5H,LOOP；等待T1中断

POPDPH

POPDPL

POPACC

RETI

MTPL:

JNCHAT

SETBP1.0；否则，下限声光报警

MOVA,45H

CPLA

INCA

AJMPNM

TPL1:

SETB5EH

JNB5FH,WL

INC44H；越限计数器加1

MOVA,44H

CLRC

SUBBA,#N；越限N次吗？

JNZWL

SETBP1.2

CLR5EH

CLR5FH

POPDPH

POPDPL

POPACC

RETI

4.3采样子程序

采样子程序SAMP：

流程图如下图所示，

图4.3采样子程序流程图

采样子程序：

SAMP:

MOVR0,#2CH；采样值始址送R0

MOVR2,#03H

MOVDPTR,#03F8H

SAM1:

MOVX@DPTR,A；启动ADC0809工作

MOVR3,#20H

DLY:

DJNZR3,DLY；延时

HERE:

JBP3.3,HERE

MOVXA,@DPTR

MOV@R0,A；存放采样值

INCR0

DJNCR2,SAM1

RET

4.4数字滤波程序

数字滤波程序FILTER:

用于滤去来自控制现场对采样值的干扰。

本设计采用中值滤波，程序如下：

FILTER:

MOVA,2CH

CJNEA,2DH,CAMP1

AJMPCMP2

CMP1:

JNCCMP2

XCHA,2DH

XCHA,2CH

CMP2MOVA,2DH

CJNEA,2EH,CMP3

MOV2AH,A

RET

CMP3:

JCCMP4

MOV2QH,A

RET

CMP4:

MOVA,2EH

CJNEA,2CH,CMP5

MOV2AH,A

RET

CMP5:

JCCMP6

XCHA,2CH

CMP6:

MOV2AH,A

RET

图4.4数字滤波程序流程图

总结

本设计使用无ROM的8031作为主控芯片进行控制，单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。

其中的温控系统采用镍铬/镍铝热电偶，此电偶用于0℃～1000℃的温度测量范围，相应的输出电压为0mV-41.32mV.温度是工业对象中的一个重要的被控参数，在本系统中，若采用模糊控制或者神经网络及遗传算法控制，这些控制技术会大大提高控制精度，不但使控制简捷，降低了产品的成本，提高了生产效率。

我在以后的设计实验中会加以致用，取得更好的成绩。

学生姓名杨政坤学号：

048专业班级：

机电091成绩：

课程设计题目：

基于单片机对精馏塔温度的控制系统设计

指导教师评语：

指导教师：

年月日