1、摘 要I本科毕业论文（20 届）化学反应器温度控制系统设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II摘 要由于计算机的技术的不断发展，单片机等微型机已经被广泛的应用到各个行业，尤其是对工业自动控制的发展起着很大的推动作用。单片机技术的成熟俨然已经成为工业科技发达与否的标志。自动控制系统的核心技术是单片机技术，如何更快、更好地将它的优势全面、广泛地应用到各行各业已经是全球科技领域的新课题，也是推动工业发展的首要问题。经过多年的发展，单片机技术已经日益完善，自动控制系统这方面的研究已经成为推动工业发展不可或缺的决定性力量。为了跟上工业、科技的发展需要我们对自
2、动控制系统有着更深入、更完善的学习和了解。我们对这门技术的要求是更加方便、快捷、成本低、精确度高。温度控制系统作为工业中最基本的控制系统，有着典型的特点、体现着单片机在自动控制中的作用。本文中我们将详细的单片机对化学反应器的温度控制，包括对控制系统的总体设计构思、方案的选择、系统的硬件设计、软件编程、各种元器件的使用说明。关键词：单片机，自动控制系统，温度，化学反应器AbstractIIIAbstractAs the computer technology development, computer and other microcomputer has been widely applied
3、 to various industries, especially for the industrial automatic control development plays a great role in promoting. SCM technology has become industrial technology developed and symbol. Automatic control system is the key technology of SCM technology, how faster, better its advantage fully, widely
4、applied to all walks of life is a global science and technology a new topic, but also to promote the industrial development the most important question. After years of development, SCM technology has become more perfect, the automatic control system of research in this area has become the industrial
5、 development indispensable decisive force. In order to keep up with the industry, the development speed of science and technology we need to automatic control system has a deeper, more perfect learning and understanding. Us to the door technical requirement is more convenient, fast, low cost, high a
6、ccuracy.Temperature control system as the industry in the basic control system, with typical characteristics, embodies the microcontroller in automatic control function. In this paper, we will introduce the chemical reactor based on single-chip microcomputer temperature control system, including the
7、 control systems overall design, scheme selection, system hardware design, software programming, the use of various components.Key words: SingleChip,temperature,automatic, control systems目 录IV目 录摘 要 .1Abstract .II目 录 .III第一章 绪 论 .11.1 课题的意义 .11.2 课题的发展状况 .11.3 课题的概述 .21.4 设计方案的可行性分析和预期目标： .31.4.1 可行
8、性分析： .31.4.2 课题的预期目标： .3第二章 系统方案设计 .42.1 系统工作原理 .42.2 系统的方案设计及元件选择。 .42.2.1 温度检测电路方案选择 .42.2.2 温度设置电路的选择。 .52.2.3 振荡电路 .5第三章 系统硬件设计 .73.1 系统的硬件构成 .73.1.1 系统的温度检测电路 .73.1.2 系统的信号放大电路 .83.1.3 数字模拟转换电路 .93.1.4 温度控制电路 .113.1.5 显示电路 .123.1.6 功率放大电路以及执行电路 .143.1.7 系统报警电路。 .173.2 电源电路 .183.3 温度传感器特性的线性化 .1
9、9目 录V3.4 控制算法的选择 .203.5 PID 控制参数的整定 .21第四章 系统软件设计 .244.1 系统软件功能 .244.2 主程序 .244.3 主要子程序 .244.3.1 数据采集模块 .244.3.2 数据处理模块 .264.3.3 步进电机驱动程序 .28结 论 .30参考文献 .31致 谢 .32附录一 程 序 .33附录二 硬件原理图 .39第一章 绪 论- 1 -第一章 绪 论1.1 课题的意义工业革命以来，科学技术对工业领域的发展起着巨大的推动作用。温度的测量控制广泛应用于社会的各个领域如汽车，钢铁制造，化学工业等。对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储
10、等都起着极其重要的作用。由于不同应用场合所需要的技术指标，控制参数都有其各自特点，所以不同方面的控制方法多有不同，采用的调节技术也多种多样。在许多场合，及时准确获得目标的温度信息是十分重要的，近年来，温度控制领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温度控制系统也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。本课题主要针对的是化学反应器的温度控制系统。在精细化工行业，化学反应器是常用的反应容器，而温度是主要的控制指标，是保证产品质量的一个重要的因素。由于工业科技的高速发展，化学反应器在各个工业领域中有着极其广泛的应用，尤其在化学工业中，影响着我们的生活和工作，是化工生产的核心内容。化学
11、反应器是化工工艺过程的核心，是工程设计和工业生产操作的关键。所以化学反应器对现在工业的影响也是深远的，在化学反应器中对温度指标参数的自动化控制也显得尤为重要。温度控制系统作为自动控制系统的一部分，在一定程度上也就影响着化工制造业的发展。1.2 课题的发展状况近年来，随着国内外以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，工业生产已经成为社会生产的重要支柱产业，化学工业对我们的生活息息相关，在化学反应中，诸多的外界因素以及各种反应参数是生产过程的重要指标，这些参数的控制能力的直接影响着工业生产的成果，是整个行业发达与否的标志。其中温度作为工业生产中一项重要的生产参数，特别是在冶炼、能源等等工业生产中，广泛使
12、用各种加热装置，高温处理仪器、温度反应器皿等。在不同的工业生产中，由于反应原材料的不同，提炼物质也不一样，所以对反应条件的要求也不一样，在不同的反应器中，对温度的控制方式不同，对反应器的控制设计的设第一章 绪 论- 2 -计也就各不相同。随着自动控制技术的不断完善改进，目前对自动控制控制系统的精度，速度都有很高的要求。在当前的应用中有许多的反应器到底温度波动大，导致的误差也很大，这是仪器本身的误差，还有计算方法的误差，这样对温度的控制非常的不稳定。经过不断的发展，由于控制算法的提高改进，微型处理机的出现，温度控制系统的控制方式也有多种，例如应用较为广泛的 PID 控制等。PID 控制就是比例、
13、积分、微分控制器。自从 19 世纪中期知道现在，都得到了广泛的发展和应用，长久以来在工业生产中占据着十分重要的地位。其自身特点：价格低廉、实用性强、结构简单，由此在许多的领域都可以达到满采用这种技术实现对化学器中的温度的控制。化学反应器温度控制要求严格，温度的高低直接影响产品的质量。根据自动化技术和计算机控制技术的发展，开发了化学反应器的温度控制系统，硬件的计算机接口和智能仪表和潜/气动伺服系统。计算机通信与智能仪器接口，实现了实时控制和实时检测化学反应器的温度。计算机控制软件的编译语言控制参数可以建立人与计算机的对话。根据工艺需要，技术人员可以在任何时间修改工艺参数，并设置上限和下限温度使计
14、算实现机报警。化学反应器温度控制的计算机与智能仪表可以提高反应速度、修改温度，使系统满足不同的技术，提高产品合格率。本文则以单片机为核心、PID 算法为控制方式而设计的反应器温度控制系统。1.3 课题的概述本文旨在通过软、硬件的有机结合，以硬件为基础，进行各功能模块的编写。论文对系统硬件的工作原理进行了简单描述，并附以系统硬件设计框图。并具体描述温度传感器、步进电机、及 AT89S52 等器件外接电路接口的软、硬件调试，程序流程和实现过程。通过对温度控制系统的硬件设计制作，软件的编写程序的调试，元件的选择，数据的采集，方案的选取，提高自己实际操作过程中的能力，培养思考动手能力。第一章 绪 论-
15、 3 -1.4 设计方案的可行性分析和预期目标：1.4.1 可行性分析： 该控制系统主要是基于单片机的智能温度控制系统的设计，主要包括了硬件部分的组成和软件部分的设计，该系统在硬件设计上主要是通过温度传感器对温度进行采集，在把温度信号转换成变化的电压信号，然后利用放大器将信号进行放大，通过 A/D 转换器，将模拟电压信号转化为对应的数字温度信号。步进电机作为系统的执行结构，会根据单片机输入的脉冲信号完成对温度的直接控制。其硬件设计中最为核心的器件是单片机，它一方面控制 A/D 转换器实现模拟信号到数字信号的转换；另一方面，将采集到的数字温度电压值经计算机处理得到相应的温度值，传送到显示器，以数
16、字形式显示测量的温度。在系统的执行环节中最重要的应用就是步进电机，单片机的控制信号控制步进电机的运转从而达到对反应器内温度的直接控制。整个系统的软件编程就是通过汇编语言或者 C 语言等对单片机实现其对温度的控制功能。整个控制系统特点就是结构紧凑，简单可靠，操作灵活，功能强大性能价格比高，较好的满足了现代生产能和科研的需要。1.4.2 课题的预期目标：（1）温度测量范围 0C +800C。（2）温度测量精度3C。（3）温度控制范围400C 。（4）控制要求：升温阶段：以每小时升温 15C。加入触媒层后的温度需要恒温控制：前期为 370C，中期为 380C，后期为 390C，最高温度达到 3次 4
17、00C 报警。第二章 系统方案设计- 4 -第二章 系统方案设计2.1 系统工作原理温度控制系统的设计主要包括硬件部分的器件选择，设计；还有软件程序的编写控制。系统硬件的主要组成部分有温度检测电路、温度设置电路、A/D转换电路、信号放大、执行结构，报警电路，显示电路，复位电路。其中系统硬件的结构框图如图 2-1 图所示。信号放大电路A / D转换电路单片机温 度检测电路温度设置电路执行机构报警显示电路图 2-1 硬件结构框图温度检测电路是利用温度传感器检测反应器内的温度大小，并将测的温度转换成相应起的电压信号，电压信号经过放大电路将检测到的信号放大后传递给模拟数字转换器，将转换后的信号送入到单
18、片机内进行处理，最后信号传输到执行机构也就是步进电机对温度进行控制。温度设置电路是通过电键开关直接输入想要达到的目标温度，单片机根据输入的控制温度进行温度设计，温度显示电路会将系统内的实时温度显示出来，温度显示利用的显示数码管是四只1.5 英寸共阳极 LED 数码管，温度的变化是有界限的当温度超过规定的界限时，报警系统会发出报警信号。2.2 系统的方案设计及元件选择2.2.1 温度检测电路方案选择温度检测电路是控制系统的重要部分，检测元件的选择关系到整个控制系统的调节精度。在选择温度控制电路的方案的时候要综合考虑检测的精度、范围、成本稳定性等综合因素。温度检测的方式多种多样我们现在主要考虑一下
19、第三章 系统硬件设计- 5 -三种方案：方案一：Pt100 型铂电阻温度传感器。这是一种金属热电阻材料的检测电路。铂电阻的测量温度范围一般是-200850。它具有以下优点：物理化学性能稳定，不易腐蚀；有较高的电阻率，以便制成小尺寸元件，减小热惯性；电阻随温度变化保持单值函数，而且是线性关系；复现性好。方案二：采用热敏电阻元件。这是利用半导体材料的电阻率随温度变化比较显著的特点制成的一种热敏元件。他的测温范围在-50350。特点是：灵敏度高、体积小；热惯性小，制作简单，价格低廉；使用方便易于大批量生产。但是这种元件的也有其缺点：互换性差，热电特性为非线性；用于温度控制和精度要求不高的温度检测系统
20、；测量需要冷温度，使用不方便。方案三：采用 DS18B20 元件。这是一款常用的测温芯片。它的优点是：体积小，易于安装；坚固耐磨使用寿命长；封装形式多样适合多种场合。这款芯片是一线接口，只需要一条口线通信。简化了分布式温度传感应用，无需外部元件，可用数据总线供电，电压范围为 3.0 V 至 5.5 V 无需备电源，测量范围内精度为0.5 C。缺点就是测量温度范围为太小，-55 C 至+125 这个范围太小不适合该系统。综上所述我们采用方案二 Pt100 电阻型铂电阻温度传感器。2.2.2 温度设置电路的选择在温度设置电路中经常使用的是开关对温度进行设置。通常的开关有两种设计方案：方案一：采用四个独立开关对温度的设置。方案二：采用八个独立开关对温度的设置。由于系统温度设置不是很复杂四个或者开关都足以达到对位数的控制要求。但为了更好的控制电路我们所选用的是四个独立开关实现对温度的控制，这样连接方便，编程也容易。 2.2.3 振荡电路振荡电路是为了产生交流振荡作为信号源，虽然单片机内部都带有晶振，
