1、 南 阳 理 工 学 院 本科生 毕业设计 （论文） 学院（系）： 电子与电气工程 学院 专 业： 自动化 学 生： 张铁刚 指导教师： 尹应鹏 完成日期 2014 年 5 月 南阳理工学院本科生毕业设计（论文） 反应釜温度控制系统设计 Design of Reactor Temperature Controlling System 总计： 毕业设计（论文） 25 页 表格： 6 个 公式： 3 个 插图： 24 幅 南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文） 反应釜温度控制系统设计 Design of Reactor Temperature Controlling System
2、学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 自动化 学 生 姓 名： 张铁刚 学 号： 1209624009 指 导 教 师 ： 尹应鹏 （导师） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology 反应釜温度控制系统设计 I 反应釜温度控制系统设计 自动化 张铁刚 摘 要 本设计以 STC 公司生产的 8位 STC89C52 单片机为硬件核心处理器 ,首先，通过 PT100 热电阻型传感器采集反应釜内温度值 ,然后再通过使用双向 积分型 A/D 模数转化器 TLC7135 将 脉冲信号经过标度转化为单片机可处理的 脉冲频率 信号送给
3、STC 单片机处理，并通过液晶显示模块 LCD1602 显示电压值、脉冲值及温度参数值等信息。设计流程结构上采用模块化分割设计，先将各个模块设计出来再通过主程序 调用各个模块，具有可读性好，移植性强，便于发现解决问题。 关键词 单片机 ； PT100； LCD1602 Design of Reactor Temperature Controlling System Automation Specialty Zhang Tie-gang Abstract:Hold this design by famous STC companys eight STC89C52 single-chip micr
4、ocomputer as the hardware core processor,first of all, through the thermal resistance PT100 temperature sensor acquisition in the reaction kettle,and then through the use of double integral type A/D module converter TLC7135 pulse signal through scale into pulse frequency signal to microcontroller ca
5、n pick up on STC microcontroller processing,and through LCD1602 LCD module display the voltage value,pulse and temperature parameter values and other information.Modular division is used to design structure of design process, first the various modules designed by the main program calls each module,
6、has a good readability, portability, easy to find and solve the problem. Key words： STC89C52; PT100; LCD1602 反应釜温度控制系统设计 II 目 录 1 引言 . 1 2 系统的总体方案设计 . 2 2.1 方案比较 . 2 2.2 控制系统总体设计 . 3 2.3 温度控制系统总体方框流程 . 4 2.4 反应釜控制总体流程设计 . 4 2.5 系统软件总体设计 . 5 3 温度控制系统硬件设计 . 5 3.1 温度控制系统硬件设计原则 . 5 3.2 微处理器应用 . 6 3.3 A/
7、D 模数据转换设计 . 7 3.3 温度检测模块设计 . 8 3.5 操作界面 . 9 3.6 液晶显示单元设计 . 10 3.7 按键电路设计 . 11 3.8 数据保护电路设计 . 12 3.9 驱动控制部分 . 12 3.10 电加热型反应釜 . 13 4 温度控制系统软件设计 . 14 4.1 软件设计概述 . 14 4.2 按键模块设计 . 14 4.3 液晶显示模块设计 . 15 4.4 主控制器模块软件设计 . 16 5 系统的调试运行结果及分析 . 18 5.1 系统调试 . 18 5.2 系统运行结果 . 19 结束语 . 22 参考文献 . 23 附录 . 24 致谢 .
8、25 反应釜温度控制系统设计 1 1 引言 反应釜广泛应用于染料、医药、石油化工及大专院校隶属的科研单位，凭借它优良的密封性克服了机械密封和填料密封无法解决的泄漏问题，是易燃、易爆、剧毒、贵重等物质加 温、加压搅拌反应的理想设备容器，也是目前市场上最理想最流行的无泄漏反应装置 2。 上世纪四十年代以前 ,反应釜的生产绝大多数处于刚刚起步阶段 ,更多的还是沿用传统的压力表、温度计等仪器仪表类设备，操作工人主要是根据反映物质主要工艺参数的仪表指示情况 ,用来改变化学反应条件 ,生产过程完全依赖于经验和手工操作进行 ,不仅操作的劳动强度大 ,控制精度不高 ,而且一旦发生操作失误，极容易引发安全事故的
9、发生 2。随着计算机和电子技术的迅猛发展，传统的化工过程监控方法也面临了前所未有的冲击 ,许多的人开始把目光转向研究各种反应釜 的自动控制装置。从七十年代以来 ,国外温度控制系统发展迅速并在智能化自适应参数自整定领域取得显著突破性成果 ,并且制造出了一大批适合市场要求的商品化性能优异的温度控制器设施及仪器仪表 ,温度控制系统及仪器仪表正以高精度智能化、小型化等方向快速发展 3。温度控制系统在国内的各行各业的应用虽已十分广泛，但从国内生产的温度控制器来看总体发展状态来看仍然处于初级阶段，与同时期国外先进国家相比仍然有着较大差距。我国在这方面总体技术水平处于二十世纪八十年代中后期水准状况，成果产品
10、主要以点位控制及常规的 PID控制器为主打，仅 仅只能适用于常规系统控制难于控制滞后复杂时变的温度系统控制为主 2。踏入 21世纪以后智能温度控制器正以多功能、高精度、高可靠性、总线标准化及安全性等方向快速发展。 近年来，多种控制方式如雨后春笋应运而生，如： PID 控制、神经网络、模糊控制及遗传算法控制等各种先进控制理论 3。这些技术提升了控制控制系统的精度，不仅使控制变得越来越简便，而且使产品的质量更好，同时也大大的降低成本，提高生产效率，但是，高昂的设备投资成本费用，仍然让许多中小企业望而却步 3。单片微型计算机的功能不断增强，提供了许多行之有效 的先进的控制算法， 许多高性能的新型机种
11、 得到 应用，尤其是单片机，依据 其 特性优点成为 自动化 控制领域中的重要 器件 。 在 自能控 制系统 领域 中，单片机 占据着不可或缺的地位，比如： 用于 自能玩具的生产开发，家用电器的智能化以及商务应用，甚至部分军事应用。在我们的生活中无处不在的使用单片机及以此为基础的延生的各种控制芯片。伴随着社会的进步，人类生活的智能化及生活观念的进步提高，人们对工业智能化的需求也越来大，迫切需要不断进步提升，而单片机恰恰能够满足人们这一愿望，尤其是对于要求精度不是太高且成本较低的情况。自能控制领域低成本、 多功能、智能化将是未来其发展的重要方向。同样，反应釜的智能控制也将是其未来发展的重要方向。
12、反应釜温度控制系统设计 2 2 系统 的总体方案设计 2.1 方案比较 从 目前流行的控制方法而言，重要的控制理论有以下几类： （ 1）比较控制法：其定义 就是通过 比较当前参数 与设定 参数 值之间的关系，进 行指令输出控制，如果 当前 参数 值比设定 参数 值高，则 相应操作 ； 同理，如 当前 参数 值比设定 参数 值低，则 同样做出设定操作控制 1。这种 比较温度控制方 法比较 容易理解 ， 也很容易能够 实。 国内许多企业就是使用的这种简单易懂的传统方式 。 同样，这种控制方式也有其天生的弊端， 例如：控制精度低、无法解决滞后和延问题，无法胜任高精度要求，只适用于低精度要求的生产 。
13、 （ 2） PID 控制法 ： 1922 年 Minorsky 发 表了关于 比例积分微分 （ PID， Proportional Integral Differential） 控制器的设计方法 文章，标志着 PID 控制方法的产生 1。此后， PID控制 方法 依其优异的特性很快被运用到各行各业中。 PID 理论进入了 黄金时期 。 在解决人们需要问题的同时，自身也得到了迅速发展。现在 PID 更加完善、更加可靠稳定、使用也更加简单普及、更加适合带有滞后的延时等特点 的控制系统中去。然而，同比较控制方法一样也有天生的缺陷不足，例如：在面度滞后温度问题时候能过很好的解决它，但是在面度非线性问题
14、时候，却无能为力，对于时变问题也是力不从心，甚至，对大滞后问题也是爱莫能助，因此就需要一种更加完美的控制方法，既要解决提高精度要求，同时也要解决滞后性和非线性及延时问题 1。 （ 3）智能温控方法： 1971 年傅京孙教授 提出并发表了 智能控制系统（ Intelligent Control Systems）。 在 IEEE 控制学术讨论会 上 智能控制原理 及以 智能控 制系统结构 为主题的会议标志着智 能控制方法的诞生 1。在随后的几十年里，大量科学巨人把目光投向了这个刚出生的太阳，还有政府巨额资金的支持及社会企业的拥戴，智能控制理论得到迅猛发展，产生了一大批控制 理论 1。例如：模糊控制
15、、神经网络控制、自适应控制等等。已经成为控制领域的前沿学科，被广泛的应用到各个方面。虽然智能控制有很多特点是现行最理想的控制方案，然而，其价格却是很昂贵理论要求高、技术尖端、对工作人员的素也要求也很高且投资成本过高等原因，使很多中小型企业望洋兴叹。 该设计是以单片机作为核心处理器的温度控制系，同时，其控制原理也同样适用 于其他类型的反应釜系统的控制系统。选用 STC 公司的单片机为控制核心处理器芯片，使用继电器作为执行元件。工作人员可以从键盘设定被控温度上限及温度下限等参数，按下运行键后，系统将进入自动工作状态，当超出设定状态时，有报警器提醒工作人员并自动停止加热等智能处理，具有投资成本小、改
16、装方便、易于操作与维护、对技术人员要求低、工作稳定等优点，特别适合中小型企业。 究的 反应釜温度控制设计： （ l） 在参数显示方面，采用 长沙太阳人生产的 显示器 LCD1602 对系统参数进行显反应釜温度控制系统设计 3 示，界面美观 、 操作方便。 （ 2） 在 反应釜选择上，采用太 康一诺医药化工容器有限公司生产的新一代电加热反应釜 。 （ 3） 在功能上， 具有手动设置温度上 /下限值，通过手动按键设置温度上 /下限值，如果被测釜内温度小于设定值时，则立即对反应釜加热，如果被测反应釜内温度大于设定值相则立即停止加热对反应釜加热。 2.2 控制系统总体设计 反应釜 温度控制系统主要 由
17、 主控制器 电路模块 和 反应釜状态控制 电路 模块俩 个部分 组成 体 。 （ l） 主控制器 模块 主要由中央处理器 STC89C52、矩阵按键、液晶显示 LCD1602、数据保护等电路组成，如图 1 所示。 图 1 主控制器总体电路图 （ 2）反应釜状态控制 电路 模块 过使用中间继电器与控制单片机相连接，已达到控制继电器进而实现对控制对电源模块的有效控制，从而，控制反应釜的工作状态等，其电路图如图 2 所示。 反应釜温度控制系统设计 4 图 2 反应釜状态控制 电路 2.3 温度控制系统总体方框流程 主控制器 模块主要由信息采集 、 信息处理和输出控制三部分构成。 信号采集包括对反应釜
18、 的温度信号的采集 和 操作人员的按键信号的采集 ， 信号 处理是包括 对 采集系统信息 参数的 转化及其相应合理的处理，输出部分包括输出经过信息转化和变成处理 后的结果及通过液晶显示出来的状态结果。主控 制器在温度控制系统中起至关重要的作用 是该温度控制系的核心。主控制器 总体框图如图 3 所示。 P T 1 0 0 热 电 阻 传感 器模 拟 量 前 向 通 道S T C 8 9 C 5 2L C D 1 6 0 2按 键 模 块反 应 釜P W M 继 电 器图 3 主 控 制器 总体框图 2.4 反应釜控制 总体 流程 设计 加热输出 控制 电路的硬件总体框图如图 4 所示。 P W
19、M 控 制 电 路 模 块电 加 热 型 反 应 釜S T C 8 9 C 5 2P T 1 0 0模 拟 量 前 向通 道 模 块图 4 反应釜 加热 控制 电路的硬件总体框图 反应釜温度控制系统设计 5 2.5 系统软件总体设计 软件 方面设计 中 使用比较先进的 模块化设计，模块化设计方法是指 将系统总统 的 程序人为得分割为几个部分模块 而不是一气呵成的完整体，使用一个主程序和若干个子 程组成，通过主程序调用各个子程序 1。这样既能保持思路的清晰性，也可以增加程序的可移植性，于快速查找错误漏洞。 温度控制主控制器模块 可以划分为 以下几部分： （ l） 数据采集模块 通过 PT100
20、热电阻性测温器件反应釜内温度信号测得并经过模拟量前向通道模块将温度信号转化为单片机可识别的数字信号。 （ 2） 数据处理模块 当各个部分将其所需的温度信号采集过后都送给单片机进行目的性处理，并输出相应的控制命令给各个执行部分，如继电器部分、液晶显示部分。 （ 3） 数据输出模块 接收单片机处理过后的指令，输出给继电器模块控制反应釜工作状态和相应的显示模块，供操作者实时了解反应釜内状况和修改数据信息以便达到工作要求。 （ 4） 参数显示模块 采用 长沙太阳人生产的 显示器 LCD1602 显示反应釜 温度 设定值和当前值 参数。 3 温度控制系统硬件设计 3.1 温度控制系统硬件设计原则 硬件电
21、路的设计主要 由中央处理器 STC89C52、矩阵按键、液晶显示 LCD1602、数据保护等电路组成。 硬件是系统设计的 基石，合理的 硬件设计 不但能够有效降低设计成本，而且，还能减少软件编程的难度 1。 本温度 控制系 统在硬件设计 上 主要考虑以下几点 ： （ 1） 硬件设计， 首要的 工作 就是 对微处理器的选择 ，既要满足温度控制任务的要求，又要不要增加设计成本。 （ 2） 在电路 设计方面，优先 使用典型的电路， 这样不 但可以节约时间， 降低设计难度，而且典型电路已经过大量检测，安全性、稳定性、可靠性更高不易出现事故。 （ 3）在外接驱动模块设计上 ， 因为 微处理器的驱动能力 有限，所以，为其添加了一些 必要的驱动电路 模块帮助其能够正常工作。 （ 4） 在 处理 硬件 和 软件 方面的 问题 时 ， 一些功能作用既可以使用硬件完成，又可以使用软件解决时， 我们要需要综合考虑。例如：当采用硬件方法则会大大 增 加 了硬件 设施 ，增加了系统成本 ； 如 换用 软件 方法来解决 ， 将要导致 CPU 处理时间 被大量占用，
