压力闭环控制系统的研究与设计.docx

1、压力闭环控制系统的研究与设计第一部分 设计说明书一、 设计说明书第二部分 外文资料翻译一、外文资料原文二、外文资料翻译第三部分 过程管理资料一、 毕业设计课题任务书二、 本科毕业设计开题报告三、 本科毕业设计中期报告四、 毕业设计指导教师评阅表五、 毕业设计评阅教师评阅表六、 毕业设计答辩评审表20 11 届本科生毕业设计资料第一部分 设计说明书（20 11届）本科生毕业设计说明书题 目 压力控制系统的研 究与设计系部： 电子与通信工程 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 班 级： 学号 指导教师姓名： 职称 最终评定成绩 2011 年 5月 长沙学院本科生毕业设计压力控制系统的研

2、究与设计系 （部）： 电子与通信工程 专 业：电气工程及其自动化学 号： 学生姓名： 指导教师： 副教授 2011 年 5 月摘 要随着国民经济的发展，人们需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。采用单片机来对他们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。温度的检测与控制是工业生产过程中比较典型的应用之一，随着传感器在生产和生活中的更加广泛的应用，利用新型单总线式数字温度传感器实现对温度的测试与控制得到更快的开发，本文设计了一种基于AT89S52的温度检测及控制系统的恒温箱。该系统将单总线温度传感

3、器DS18B20接在控制器的一个端口上,对传感器温度进行采集,将采集到的温度值与设定值进行比较,进行加热到设定温度。文中着重介绍了LCD液晶显示、键盘扫描及按键处理、温度信号处理、超温报警等程序及电路。通过模块化的设计，最终仿真成功，能够快速调节温度，使恒温箱达到设定的温度并维持，并且整个过程伴随指示灯显示各状态。关键词：单片机，AT89S52，温度传感器，DS18B20，键盘，温度显示ABSTRACTAlong with national economy development, the people need to each heating furnace、the heat-treatme

4、nt furnace、in the reactor and the boiler the temperature carry on the monitor and the control. Not only uses the monolithic integrated circuit to come to them to control has the control to be convenient, simple and flexibility big and so on merits, moreover may enhance large scale is accused the tem

5、perature technical specification, thus can big enhance the product the quality and quantity.Temperature detection and control of industrial production process, one of the more typical applications, with sensors in production and life is more widely used, using a new single-bus digital temperature se

6、nsor to achieve the test and control the temperature more rapidly development, this incubator is designed based on AT89S52 temperature detection and control systems. The system will be a single-bus temperature sensor DS18B20 and connected to a port on the controller,.Then collect the data from the t

7、emperature sensors. The temperature will be collected to compare with the set value,and to be heated to the set temperature. In the article emphatically introduced circuit and procedure of lcd display , keyboard scanning and pressed key disposal, temperature signal processing and excess temperature

8、warning. Through the modular design, and finally, to regulate the simulation, the constant temperature box temperature to set temperature and maintain, and the whole process is that each indicator.Keywords:singlechip，AT89S52，temperature sensor，DS18B20，keyboard, temperature display第1章 系统总体方案设计1.1课题背景

9、随着单片机技术的迅速兴起与蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。单片机已经无处不在、与我们生活息息相关，并且渗透到生活的方方面面。单片机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其内部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完整的小系统，单片机具有很强的可扩展性。它具有和普通计算机类似的、强大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的数据处理能力。所以单片机在工业中应用中，可以极大地提高工业设备的智能化、数据处理能力和处理效率，而且单片机无需占用很大的空间。随着温度检测理论和技术的不断更新, 温度传感器的种类也越来越多，在微机系统中使

10、用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器，目前常用的有热电偶传感器、热电阻传感器和半导体集成传感器等，每种传感器根据其自身特性，都有它自己的应用领域。本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机AT89S52，测温传感器使用DS18B20，用LCD液晶屏实现温度显示,能准确达到以上要求。1.2温度检测与及报警系统的国内外状况温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度

11、控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。因此对温度的检测的意义就越来越大。温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。 温度采集控制系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的。嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价位、可靠性，都无法满足广大对象对嵌入式系统的要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路

12、。这条道路就是芯片化道路。将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。单片机诞生于二十世纪七十年代末，经历了SCM、MCU和SOC三大阶段在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。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，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经

13、常会遇到的问题。同时温度也是生活中最常见的一个物理量，也是人们很关心的一个物理量，它与我们的生活息息相关，有着十分重要的意义，在工业生产中，温度过高或过低会直接影响到产品的质量、对机械设备和控制系统中的各种元器件造成一定的损坏，严重的会影响到生产安全。在日常生活中，温度过高或过低同样会造成一些不良影响。在实际生产、生活等各个领域中，温度是环境因素的不可或缺的一部分，对温度及时精确的控制和检测显得尤为重要。比如，农业上土壤各个层面上的温度将会影响植物的生长；在医院的监护中也用到温度的测量。在工业中，料桶里外上限温度要求不一，以及热处理中工件各个部位的温度对工件形成后的性能至关重要等等。现代电子工

14、业的飞速发展对自动测试的要求越来越高。采用单片机对温度进行控制,不仅具有控制方便和组态简单的优点,而且可以提高被控温度的技术指标。针对以上情况，在控制成本的前提下，通过本设计设计一款能够实时检测控制温度，又具有对系统设定不同的报警温度的温度控制报警系统功能。此系统能够满足现代生产生活的需要，效率高，具有较强的稳定性和灵活性。因此，在生产和生活中要对温度进行严格的控制，使温度在规定的范围内变化。通过本系统提高学生对于温度控制的认识。在学习实践中提高对理论的认知能力和动手解决实际问题的能力，达到教学实践相结合的目的。及采用先进的科学技术，加以丰富的保安实际经验和知识，向社会提供各种超值安全设备服务

15、，给用户带来安全和放心。随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。1.3确定系统任务设计基于单片机的温度控制器，使恒温箱达到键盘设置温度，显示器要同时显示设置温度和恒温箱实际温度；温度调节范围：室温到60；温度误差2；温度上升调节时间1000次)Flash ROM（9）256x8 bit内部RAM（10）时钟频率0-24MHz（11）可编程UART串行通道（12）共

16、6个中断源（13）3级加密位（14）软件设置睡眠和唤醒功能。2.1.2 AT89S52单片机信号引脚介绍输入输出口线 口8位双向口线 口8位双向口线 口8位双向口线 口8位双向口线ALE 地址锁存控制信号在系统扩展时,ALE用于控制把口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来,以实现低位地址和数据的分时传送。此外由于ALE是以六分之一晶振频率的固定频率输出正脉冲,因此可作为外部定时脉冲使用。 外部程序存储器读选通信号在读外部ROM时,有效(低电平),以实现外部ROM单元的读操作。 访问程序存储趋控制信号但信号为低电平时,对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当信号为高电平时,则对ROM的读操作是从

17、内部程序存储器开始,并可延续至外部程序存储器。RST 复位信号当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位操作。和 外接晶体引线端当使用芯片内部时钟时，此二引线端与外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。 地线 +5V电源2.1.3 AT89S52单片机时钟和复位电路时钟电路时钟电路用于产生单片机工作时所需的时钟信号。单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现，单片机应该在唯一的时钟信号控制下工作，严格按照时序执行指令进行工作，而时序所研究的是指令执行中各个信号的关系。时钟是单片机的心脏，单片机的各功能部件的运行都是以

18、时钟频率为基础，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。单片机内部有一个高增益反向放大器，输入端为芯片引脚，输出端为引脚。而在芯片外部和之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。晶体震荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快，但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，对印制电路板的工艺要求也高，所以，这里使用震荡频率为12MHz的石英晶体。震荡电路产生的震荡脉冲并不直接是使用，而是经分频后再为系统所用，震荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号。电路中的电容典型选择通常是30pF左右。对外接电容的值虽然没有严

19、格的要求，但电容值的大小会影响振荡频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体的振荡频率通常为1.2MHz12MHz之间。晶体的频率越高，则系统的时钟频率也越高，单片机的运行速度也就越快。但运行越快对存储器的速度要求就越高，对电路板的工艺要求也就更高，即要求线间的寄生电容要小，晶体和电容应该尽量安装在单片机附近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应该采用温度稳定性能好的NPO高频电容。在设计电路板时，振荡器和电容应尽量靠近单片机，以避免干扰。需要注意的是：电路板时，振荡器和电容应尽量安装得与单片机靠近，以减小寄生电容的存在更好的保障振荡器稳定、可靠的工作电

20、路图如图2.2所示。 图2.2时钟电路复位电路 单片机的复位电路分上电复位和按键复位两种方式。(a)上电复位：在加电之后通过外部复位电路的电容充电来实现的。当的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的初始化电路原理图。RST上的电压必须保证在斯密特触发器的阀值电压以上足够长时间，满足复位操作的要求。(b) 按键复位：程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需按复位键以重新启动。RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效。按键复位又分按键脉冲复位（图2.3）和按键电平复位。电平复位将复位端通过电阻与相连，按键脉冲复位是利用RC分电路产生正

21、脉冲来达到复位的。 图2.3复位电路(c) 注意： 因为按键脉冲复位是利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位的。所以电平复位要将复位端通过电阻与相连.如复位电路中R、C的值选择不当，使复位时间过长，单片机将处于循环复位状态。故本设计采用按键复位。2.2 温度传感器选择温度检测方法根据敏感元件和被测介质接触与否，可以分为接触式和非接触式两大类。接触式检测方法主要包括基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度检测仪表，基于导体和半导体电阻值随温度变化的热电阻温度检测仪表，基于热电效应的热电偶检测仪表。而非接触式的主要是利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系对温度进行检测。由于此系统中被测物体为金属和空气

22、，所以没用必要使用非接触式的传感器。温度是非电量信号，要想测量温度信号必须将其转化为可以方便处理的电信号。温度传感器依据自身材料的特点可以将温度信号转变为电信号，目前我们常见的温度传感器主要有热电偶、热敏电阻、电阻式温度探测器(RTD)和集成温度传感器。1、热电偶热电偶是利用热电效应原理(将两种不同材料的导体组成一个闭环回路，如果两个结点的温度不同，则回路中将产生一定的电势，其大小与材料性质及结点温度有关，称这种现象为热电效应)将温度转换成电势变化的热敏传感器。使用热电偶测量温度时容易引起误差，由于热电势是因不同金属材料的结合产生的，故不同材料连接形成的其它结合也会在电路中引入电压变化，这一误

23、差信号称为冷端误差。因此在测量中需要冷端补偿环节来消除这一误差。热电偶的测温范围很宽，一般在200+2000之间，常用的测温区段是500的高温区。2.、电阻式温度探测器RTD的电阻随温度增加而增加，常见的RTD的构成材料是铂、镍、铜。RTD的基本结构十分简单，其敏感部分由玻璃、云母、陶瓷等绝缘材料支撑并与导线相连，外部包裹保护性外套。RTD的引线结构有2线、3线和4线三种。当RTD直接与接收信号的仪器端连接以防止导线长度引入的误差时，可以采用2线RTD。若传感器与接受仪器之间距离较长互连的导线长度必须予以考虑时，则应采用3线RTD。这种方法的精度对于许多工业应用已经足够。若需要更高的精度，则可

24、以采用4线RTD。这种RTD的两对引线中，一对用于对RTD提供激励电流，而另一对则用于测量其两端电压。这种方法可显著地减小导线的电压降，从而保证高精度。3、热敏电阻热敏电阻是一种用半导体材料制成的敏感元件，它是电阻随温度变化的热敏器件，因此它又可以分为正温度系数热敏电阻(PTC，电阻值随温度的升高而增大)和负温度系数热敏电阻(NTC，电阻值随温度的升高而减小)。PTC热敏电阻主要采用BTaO3系列材料制成的，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正方向决速变化。PTC的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻温度曲线上有两个拐点Tpl和Tp2,当温度低于TPI时，温度灵敏度低;当温度升高到Tp2后，电阻

25、值随温度的升高按指数规律迅速增大。因此PTC主要用于彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，也可作限流元件使用。NTC在很高的温度范围(一般在55300)内，电阻值随温度是按指数规律变化的。NTC的主要优点有:电阻温度系数达，灵敏性高;结构简单，体积小，可测点温度;电阻率高，热惯性小，适用于动态测量;易于维护和进行远距离控制;制造简单，使用寿命长。缺点是非线性严重。4、集成温度传感器按照温度传感器输出信号的模式，可大致分为模拟式集成温度传感器和数字式集成温度传感器。（1）模拟式集成温度传感器模拟式集成温度传感器是在半导体PN结测温基础上迅速发展起来的一种新型测温元件，常见的型号有A

26、D590和LM335。AD590在50+l50范围内相当于一个高阻抗电流源，它的输出电流与温度呈线性关系:Io=luA/K，测温精度是士0.5。LM335在40+l00范围内相当于一个电压源，输出电压与温度的关系为:UO=10mV/K。模拟式集成温度传感器具有优良的线性特性，并具有抗干扰能力强，可远距离测温等特点，但是体积比NTC稍大，不适合于点测温的场合。（2）数字式集成温度传感器数字温度传感器对于更紧密控制能力、更高精度和更大分辨率的需求带动了数字温度传感器的发展。被测温度信号从敏感元件接收的非电量到转换为微处理器可处理的数字信号, 环节较多, 而且模拟信号在长距离传输的过程中, 受到的干扰较多, 误差较大。因此, 从非电量转换到数字信号, 一般将其处理过程集成在单片IC 器件体内部, 这样就形成了功能强大, 精确的数字传感器。5、方案选择方案1：采用热敏电阻，这种电阻是利用对温度敏感的半导体材料制成的，其阻值随温度变化有明显的改变。负温度系数热敏阻电通常是、钴的氧化物烧制成半导体由陶锰瓷制成。其特点是，在工作范围内阻值随温度声高而降低。可满足4090测量范围。但热敏电阻精度、重复性、