基于智能调节仪的温度控制软件设计毕业设计

本 科 生 毕 业 设 计（申请学士学位）论文题目 基于智能调节仪的温度控制软件设计 作者姓名 所学专业名称 自动化 指导教师 2013年 6月1滁州学院本科毕业论文目 录摘要1Abstract11 前言21.1 课题的背景及选题意义21.2 温度控制系统的设计要求及实现功能21.3 温度控制系统的工作过程32 温度控制系统的软件设计32.1 主程序流程图42.2 各子程序模块流程52.2.1 显示部分52.2.2 中断程序部分62.2.3 PID控制算法实现程序83 温度控制系统的仿真与调试83.1 温度控制系统原理框图93.1.1 交流变频调速93.1.2 铂热电阻温度传感器103.1.3 智能调节仪简介113.2 调试结果12结论15参考文献16附录117附录218致谢242 基于智能调节仪的温度控制软件设计摘要：随着科学技术的发展，温度控制也获得飞速发展。各种新产品不断涌现，使得温度控制的应用更加广泛。本文首先介绍了温度控制的发展情况和意义，然后详细介绍了总体设计方案、各模块的工作原理和调试结果分析。该温度控制软件主要完成对温度信号的转换处理并与设定值进行比较输出控制信号控制温度的功能。程序调试运用PT100铂热电阻采集温度，通过转换、处理送至温度智能位式调节仪后，根据输入的程序与设定值进行比较后，输出控制信号控制加热电阻丝的通电和断电，实现调温。关键词：智能调节仪；温度控制；铂热电阻The software design of temperature control based on intelligent instrumentAbstract: With the development of science and technology, temperature control is also obtained the rapid development. Many new products is still pumping out, which makes the application of the temperature control is more widely. This paper firstly introduces the development and significance of the temperature control, then introduced the working principle and debugging overall design, each module of the result analysis. The temperature control software mainly completes the conversion of temperature signal processing. And to compare the output control signals to control the temperature of the function and setting value. Program debug is which PT100 platinum thermal resistance to collect temperature and sent to the intelligent instrument. Intelligent instrument take temperature to compare with fixed value. Then output control signals to control the heating resistance wire is energized and de-energized, to realize steady control on the temperature of water.Key Words: Intelligent instrument; Temperature control; Platinum thermal resistance1 前言1.1 课题的背景及选题意义工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制系统正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术，它主要研究如何将计算机技术、通过信息技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。本设计就是基于单片机温度控制系统的设计，通过本次课程实践，我们更加的明确了单片机的广泛用途和使用方法，以及其工作的原理。通过这个温度控制系统的制作，使我初步掌握了温度控制系统的设计及测试方法，提高了独立思考能力和排除障碍能力。巩固了已学的理论知识，建立了理论与实际相结合的理念。所设计的温度控制系统能准确的实现预定的控制目标，为工业以及其他领域提供帮助。1.2 温度控制系统的设计要求及实现功能系统设计主要包括软件设计和硬件调试两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将软件设计和硬件调试分开。软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计。然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等。最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。温度控制系统设计要求：把复合加热水箱注满水，通过水箱中的PT100温度传感器检测温度，并把温度信号输入温度智能位式调节仪的单片机中，根据自己编写的程序和预先设定的控制目标（控制在30摄氏度），单片机通过控制水箱中的加热电阻丝的通电与断电，实现水箱中的水温的加热与冷却，并一直在水箱中注入冷水使水箱中的水更快的冷却，最终处于动态的平衡。系统所要实现的功能主要有：(1)检测水箱中水的温度并送入单片机；(2)可以设置预设的控制温度，本设计以30摄氏度为控制目标；(3)显示实时温度；（4）通过温度智能位式调节仪的单片机控制加热电阻丝的通电与断电。1.3 温度控制系统的工作过程启动电机后，电机向复合加热水箱注满水，同时打开复合加热水箱的放水口使复合加热水箱中的水处于动态平衡，此举是为了使水加速冷却。同时位于复合加热水箱中的PT100铂电阻温度传感器检测出水箱中的温度并把信号传入AI-708温度智能位式调节仪的单片机核心中，并实时显示出来，根据设计的程序预先输入的需要控制的温度值如30摄氏度。软件设计其主要思路为接收由PT100铂热电阻检测的温度后与预设的温度值进行比较，当大于预设温度时AI708控制固态继电器断电使电热丝停止加热；当小于预设温度时AI708控制固态继电器通电使电热丝开始加热。2 温度控制系统的软件设计2.1主程序流程图开始初始化延时采集一次温度数据并进行转换数据暂存B修改指针延时采集一次温度数据并进行转换A=B?A=B?A=B?A10?是ei=ei+ekUk=kp*ek+ki*ei+kd*(ek-ek-1)uk=255uk255? 是uk=255 否uk0? 是uk=0 是ek-1=ek返回uk值图2-7 PID控制算法实现程序对PID的三个比例系数赋初始值，然后将采集的信号与给定值进行比较，得到偏差量，代入控制规律式：Uk=kp*ek+ki*ek+kd*(ek-ek-1)求得控制信号。其中，Uk为PID控制的输出信号3温度控制程序的仿真与调试系统调试包括硬件调试和软件调试，设计好的硬件电路和软件程序，只有经过联合调试，才能验证其正确性；软硬件的配合情况以及是否达到设计任务的要求，也只有经过调试，才能发现问题并加以解决、完善，最终完成实用产品。3.1温度控制系统原理框图该温度控制系统的控制框图与结构图如下，本设计是为了控制复合加热水箱中的水温，其中要实现的功能包括（1）为水箱注水：主要用到了变频器模块，功能是启动电机为水箱加水；（2）检测水箱中的温度：用PT100温度传感器采集信号；（3）用智能仪表接受温度传感器中的信号并与预设定的温度值进行比较来通过继电器控制加热电阻丝的通断电。 T(温度)变频器磁力驱动泵AI-708智能仪表固态继电器电热丝复合加热水箱PT100铂热电阻手动图3-1 智能仪表温度控制系统方块图继电器220V进水扰动电热丝溢出口复合加热水箱AI708调节器给定值 图3-2 智能仪表温度控制系统结构图3.1.1 交流变频调速该硬件调试中变频器选取三菱FR-S520S-0.4K型。三菱变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。三菱变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。三菱变频器的电路一般由以下四个部分组成：（1）整流部分：分为为三相桥式不可控整流器；（2）中间直流环节：为滤波、直流储能和缓冲无功功率；（3）逆变部分：为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形；（4）控制。工作原理：（1）主回路：电抗器的作用是防止三菱变频器产生的高次谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其他的受电设备；滤波器是安装在三菱变频器的输出端，减少三菱变频器输出的高次谐波。断路器在主回路中起到过载，缺相等保护。（2）控制回路：具有工频变频的手动切换，以便在变频出现故障时可以手动切工频运行，因输出端不能加电压，固工频和变频要有互锁。在现代工业控制系统中，多采用微机或者PLC 控制技术，在系统设计或者改造过程中，一定要注意三菱变频器对微机控制板的干扰问题。在采用三菱变频器后，产生的传导和辐射干扰，往往导致控制系统工作异常，因此需要采取下述必要措施：（1）良好的接地；（2）给微机控制板输入电源加装EMI滤波器、共模电感、高频磁环等，可以有效抑制传导干扰；（3）给三菱变频器输入端加装EMI 滤波器；（4）对模拟传感器检测输入和模拟控制信号进行电气屏蔽和隔离。此模块的主要作用是控制电机向水箱中注水，并且根据设置的参数控制电动机的转速使水箱水温达到预设的目标。3.1.2铂热电阻温度传感器 温度测量通常采用感温元件如热电阻。它的工作原理是金属导体的电阻值随温度变化而变化。其电阻值与温度间的关系式为:RtRt01+(t-t0)式中，Rt温度为t(如室温20)时的电阻值；Rt0温度为t0(通常为0)时的电阻值；电阻的温度系数。可见，当温度发生变化时热电阻的阻值会发生变化，这样只要设法测出电阻值的变化，并找出温度和阻值变化的对应关系，就可以测量出温度。虽然大多数金属导体的电阻值随温度的变化而变化，但是作为热电阻的材料有着特殊的要求。作为热电阻的材料一般要求是：电阻温度系数小、电阻率大、热容量小；在整个测温范围内，应具有稳定的物理、化学性质和良好的重复性；并要求电阻值随温度的变化呈线性关系。但是，要完全符合上述要求的热电阻材料实际上是有困难的。根据具体情况，目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜。本装置使用的是铂电阻元件PT100，并通过温度变送器（测量电桥或分压采样电路或者AI人工智能工业调节器）将电阻值的变化转换为电压信号。铂电阻元件是采用特殊的工艺和材料制造，它具有很高的稳定性和耐震动等特点，还具有较强的抗污染能力。在0650的温度范围内，铂电阻与温度的关系为:RtRt0(1+At+Bt2+Ct3)式中，Rt温度为t(如室温20)时的电阻值；Rt0温度为t0(通常为0)时的电阻值；A、B、C是常数，一般A=3.90802*1031/，B=-5.802*1071/，C=-4.2735*10121/。Rt-t的关系称为分度表，用分度号来表示。本模块在设计中的作用是检测加热水箱中的水温，并将温度信号转换为电压信号输送给智能调节仪。3.1.3智能调节仪简介温度智能位式调节仪结构如图3-3：在此把调节仪的输出和输入端子都引到面板上了，输出端包括位式调节输出及变送输出两部分，输入端包括PT100铂热电阻输入。最下面有PT100铂热电阻输出端，是检测加热水箱温度的，可以直接加到智能仪表的“PT100铂热电阻”输入端。此模块主要的作用为：（1）检测水箱中的温度：用到了PT100铂热电阻温度传感器；（2）接受温度传感器中的信号并与预设定的温度值进行比较来通过继电器控制电热丝的通断电：用到了AI-708智能仪表以及继电器和电热丝。面板操作说明调节输出指示灯报警1指示灯报警2指示灯AUX辅助接口工作指示灯数据移位（兼手动/自动切换及程序设置进入）显示转换（兼参数设置进入） 数据增加键（兼程序停止操作）数据减小键（兼程序运行/暂停操作） 测量值显示窗 给定值显示窗图3-3 AI708智能仪表面板图特点与用途：AI-708型仪表，具备0.2级精度，可编程输入，通过参数设置即可选择热电偶、热电阻、线性电阻和电压（电流）的输出，具备位式调节、AI人工智能调节、通讯、变送和上限、下限、正偏差、负偏差等报警功能，同时有可编程模块化输出，支持时间比例和线性电流（包括010mA及020mA等）。它适用于化工、石化、火电、制药、冶金等行业做高精度测量、显示、变送、位式/人工智能/PID调节或报警等工作。其中AI人工智能调节可使系统实现较为理想的温度控制。主要参数功能说明：Ctrl(控制方式)：Ctrl=0，采用位式调节，只适合要求不高的场合。Ctrl=1，采用AI人工智能调节/PID调节，该设置下，允许从面板启动执行自整定功能。Ctrl=2，启动自整定参数功能，自整定结束后会自动设置3或4。Ctrl=3，采用AI人工智能调节，自整定结束后仪表自动进入该设置，在该设置下不允许从面板启动自整定参数功能，防止操作失误再次启动自整定。Ctrl=4，该方式下与Ctrl=3 时基本相同，但其P参数定义为原来的10倍，即可将P参数放大10倍，获得更精细的控制。HIAL(上限报警)：测量值大于HIAL+dF值时，仪表将产生上限报警。设置 HIAL到其最大值（9999）可避免产生报警作用。LOAL(下限报警)：测量值小于LOAL-dF时产生下限报警。设置LOAL到其最小值（-1999）可避免产生报警作用。dHAL（正偏差报警）：采用AI人工智能调节时，当正偏差（测量值PV减给定值SV）大于dHAL+dF时产生正偏差报警。当偏差小于dHAL-dF时正偏差报警解除。设置dHAL=9999时，负偏差报警功能被取消。dLAL(负偏差报警)：采用AI人工智能调节时，当负偏差（测量值PV减给定值SV）大于dLAL+dF产生负偏差报警，当偏差小于dLAL-dF时负偏差报警解除。设置dLAL=9999时，负偏差报警功能被取消。dF（回差）：回差用于避免因测量输入值波动而导致位式调节频繁通断或报警频繁产生/解除。另外:Sn（输入规格）、CF（系统功能选择）、M5（保持参数），P（速率参数）等。此模块的主要作用为接受PT100温度传感器的信号并与预设的温度值比较来控制继电器的通断电，以此来达到控制电热丝的加热与冷却。 3.2 调试结果启动变频磁力泵后，变频磁力泵向复合加热水箱注满水，同时打开复合加热水箱的放水口使复合加热水箱中的水处于动态平衡，此举是为了使水加速冷却。同时位于复合加热水箱中的PT100铂电阻温度传感器检测出水箱中的温度并把信号传入AI-708温度智能位式调节仪的单片机核心中，并实时显示出来，根据设计的程序以及预先输入的需要控制的温度值如30摄氏度。在上位机的监控软件上可以看到温度的实时变化曲线。（1）布线图如下图3-4 图3-4 硬件调试电路接线图（2）AI-708智能仪表调试如下图3-5图3-5 AI-708智能仪表调试如上图所示：红色数据为实时温度35摄氏度，绿色数据为预设定温度30摄氏度，可以通过AI708智能温度控制仪表面板上的右侧按键设置预设定温度。AI708与下面的PT100铂热电阻温度传感器，左侧的固态继电器、电热丝相连。是整个温度控制器设计的核心部分。（3）同时在上位机监控软件上可以看到温度的实时变化曲线如下图3-6图3-6 温度的实时变化曲线(1)由图3-6可以看出室温下加热水箱中的温度为22摄氏度，当打开电源各个模块开始按照设计，工作时水箱中的温度由PT100温度传感器检测并送至AI708的单片机核心，根据编写的程序于小于设定的温度，AI708控制继电器闭合，电热丝开始加热，水箱中的温度上升。图3-7 温度的实时变化曲线(2)由图3-7可知当水箱中的温度上升到所设定的温度值时，AI708智能仪表通过程序判定控制继电器断开，电热丝断电，加热水箱不再加热，同时水箱中的水位保持动态平衡，始终有冷水进入，使水温加速下降。但由于电热丝的热惯性，温度还会继续上升一段时间。图3-8 温度的实时变化曲线(3)在此后的时间内，整个控制系统重复上面两个过程，使水温保动态平衡。从图3-8可以看出复合加热水箱中的水温始终在一个范围内波动，达到动态平衡。表明此设计成功的把水箱中的水温控制在预设温度附近。从上面三幅实时温度变化曲线可以看出水箱中的温度变化在30摄氏度左右，达到了实验预期的目的。温度波动的原因是由于电热丝的余热并不会在断电时立即消失会导致温度在超过界限后才会发生反应。结论在工业生产和日常生活中，对温度控制系统的要求，主要是保证温度在一定温度范围内变化，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。在论文中简单分析了单片机温度控制系统设计过程及实现方法。本系统预设温度值为30，温度检测系统根据用户设定的温度完成的温度控制。通过软件和硬件上的调试。我想这些对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。在这次设计中遇到很多实际性的问题，所以有些问题不但要深入的理解，而且要不断的更正以前的错误思维。程序设计是一个很灵活的东西，它反应了你解决问题的逻辑思维和创新能力。它才是一个设计的灵魂所在。因此在整个设计过程中大部分时间是用在程序上面的。很多子程序是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个子程序才是关键的问题，这需要对单片机很熟悉。通过查资料和收集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且有原先的被动接受知识转换为主动寻求知识，这可以在学习方法上的一个很大突破。我还学会了如何将学到的知识化为自己的东西，学会了怎么跟好的处理只是和实践相结合的问题，把握重点，攻克难关，活学活用。在设计过程中由于时间仓促有很多地方难免存在不足之处。但在以后的工作中，我会严格要求自己最求完美。这次设计我也发现自己的很多不足之处。在设计过程中我发现自己考虑问题很不全面，自己的专业知识掌握的很不牢靠，所掌握的计算机软件还不够，我希望自己的这些不足之处能在今后的工作和学习中得到改善。参考文献1 胡翔骏. 电路分析. 第二版M. 北京：高等教育出版社，2007.2 于海生. 计算机控制技术. 第一版M. 北京：机械工业出版社，2007.3 张会兵. 通用型智能温度控制系统的设计与应用J. 工业炉，2004(03)：1012.4 沙占友. 智能化集成温度传感器原理与应用M. 机械工业出版社,，20025 张毅刚. 单片机原理及应用. 第一版M. 北京：高等教育出版社，2004.6 乐嘉华. 温度检测技术的现状与未来J. 炼油化工自动化.1995(04)：1112.7 乔守全. 基于单片机的温度检测系统的研究与实现D. 成都：电子科技大学，2011.8 许建安. 电力系统继电保护. 第二版M. 北京：中国水利水电出版社，2005.9 何立民. 单片机高级教程. 第一版M. 北京：北京航空航天大学出版社，2001.10 张普光. 基于单片机的温度控制器设计与研究D. 西安：西安电子科技大学，2008.11 何钦铭，颜晖. 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Beijing: Publishing house of electronics industry, 2000.附录1表附录1-1 实验室仪器使用清单PT100铂热电阻AI智能调节仪交流变频器三菱FR-S520S-0.4K复合加热水箱计算机电源变频磁力泵（电机）固态继电器加热电热丝串行通讯接口上位机监控软件附录2 软件设计总程序： DIN BIT P1.0 CLK BIT P1.1 JR BIT P1.2 F1 BIT 21H ORG 0000H SJMP MAIN ORG 0003H LJMP INT00 ORG 000BH LJMP INTDISP ORG 0030HMAIN: SETB EA SETB EX0 SETB ET0 MOV TMOD,#01H MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H mov 20h,#10 SETB TR0 ;中断初始化 CLR F1CJ1: MOV R0,#30H LCALL D1S LCALL AD0809 MOV B,A CJ2: MOV R0,#31H LCALL D1S LCALL AD0809 CJNE A,B,COMP LJMP CJ2 COMP: CJNE A,#30H,N30 SETB CTRO LJMP CJ1 N30: JNC COM96 SETB JR LJMP CJ1COM96:CJNE A,#96H,N96 CLR JR LJMP CJ1N96: JC COMAB CLR JR LJMP CJ1COMAB:CJNE A,B,DR LJMP CJ2DR: JC DOWNRISE: SETB JR LJMP CJ1DOWN: CLR JR LJMP CJ1AD0809: ;数据采集转换 MOV DPTR,#0FFF8HLOOP: MOVX DPTR,A MOV R7,#0AHDELAY: NOP NOP NOP DJNZ R7,DELAY MOVX A,DPTR MOV DPTR,#TBCD MOVC A,A+DPTR MOV R0,A RETDISP0: ;拆分 MOV R1,#40H MOV A,R0 MOV B,A ANL A,#0F0H SWAP A MOV R1,A inc R1 MOV A,B ANL A,#0FH MOV R1,A RETDISP1: ;查表 MOV R0,#40H MOV R1,#50H MOV R7,#2 L1:MOV DPTR,#SEGTAB MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV R1,A INC R0 INC R1 DJNZ R7,L1 RETDISP2: ;显示 MOV R0,#50H MOV R1,#2 L2:MOV A,R0 MOV R7,#8 L3:RLC A MOV DIN,C CLR CLK SETB CLK DJNZ R7,L3 INC R0 DJNZ R1,L2 RETDISP:PUSH ACC PUSH B mov 33h,r0 LCALL DISP0 LCALL DISP1 LCALL DISP2 mov r0,33h POP B POP ACC RETD100MS:MOV R3,#200DEL0: MOV R4,#125DEL1: DJNZ R4,DEL1 DJNZ R3,DEL0 RETD1S: MOV R5,#10DEL2: CALL D100MS DJNZ R5,DEL2 RET INT00: JNB F1,LINT CLR JR SJMP RETURNLINT:SETB F1 LCALL D1SRETURN: RETIINTDISP: PUSH ACC PUSH B MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H djnz 20h,back mov 20h,#10 LCALL DISPback:POP B POP ACC RETITBCD:DB 00H,00H,01H,01H,02H,02H,02H,03H DB 03H,04H,04H,04H,05H,05H,05H,06H DB 06H,07H,07H,07H,08H,08H,09H,09H DB 09H,10H,10H,11H,11H,11H,12H,12H DB 12H,13H,13H,14H,14H,14H,15H,15H DB 16H,16H,16H,17H,17H,18H,18H,18H DB 19H,19H,20H,20H,20H,21H,21H,21H DB 22H,22H,23H,23H,23H,24H,24H,25H DB 25H,25H,26H,26H,27H,27H,27H,28H DB 28H,28H,29H,29H,30H,30H,30H,31H DB 31H,32H,32H,32H,33H,33H,34H,34H DB 34H,35H,35H,35H,36H,36H,37H,37H DB 37H,38H,38H,39H,39H,39H,40H,40H DB 41H,41H,41H,42H,42H,43H,43H,43H DB 44H,44H,44H,45H,45H,46H,46H,46H DB 47H,47H,48H,48H,49H,49H,49H,50H DB 50H,50H,51H,51H,51H,52H,52H,53H DB 53H,53H,54H,54H,55H,55H,55H,56H DB 56H,57H,57H,57H,58H,58H,59H,59H DB 59H,60H,60H,60H,61H,61H,62H,62H DB 62H,63H,63H,64H,64H,64H,65H,65H DB 66H,66H,66H,67H,67H,67H,68H,68H DB 69H,69H,69H,70H,70H,71H,71H,71H DB 72H,72H,73H,73H,73H,74H,74H,74H DB 75H,75H,76H,76H,76H,77H,77H,78H DB 78H,78H,79H,79H,80H,80H,80H,81H DB 81H,82H,82H,82H,83H,83H,83H,84H DB 84H,85H,85H,85H,86H,86H,87H,87H DB 87H,88H,88H,89H,89H,89H,90H,90H DB 90H,91H,91H,92H,92H,92H,93H,93H DB 94H,94H,94H,95H,95H,96H,96H,96H DB 97H,97H,98H,98H,98H,99H,99H,99H SEGTAB: DB 77H,14H,0B3H,0B6H,0D4H DB 0E6H,0E7H,34H,0F7H,0F6HEND致 谢四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。在这四年的求学生涯中师长、亲友给与了我大力支持，在这个翠绿的季节我将迈开脚步走向远方。怀念，思索，长长的问号一个个在求学的路途中被知识的巨手击碎，而人生的思考才刚刚开始。感谢教书育人的老师，我不是你们最出色的学生，而你们却是我最尊敬的老师。大学时代的老师治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，而且领会了对待知识，走向社会的思考方式。最后衷心地感谢我的导师。本文从选题到完成，从理论上的探讨到实际问题的解决，无处不饱含着导师的心血。导师的悉心指导和建议给了我极大的帮助和支持，使我受益匪浅，在此论文完成之际，谨向导师致以深深的谢意和崇高的敬意。还要感谢这四年来教过我的所有老师们。最后还要感谢滁州学院机械与电子工程学院给我提供场所与支持。23