基于PLC的電熱鍋爐溫度控制器的設計開題報告

時間：2021-04-10 12:06:55 開題報告我要投稿

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　　一、開題報告背景和意義

基于PLC的電熱鍋爐溫度控制器的設計開題報告

　　隨著現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，在工業(yè)控制領域需要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行實時采集，在一些重要場合對數(shù)據(jù)采集的要求更高，例如在電廠、鋼鐵廠、化工領域的生產(chǎn)中都需要對大量數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場采集，而溫度采集又是其中極為重要的部分，因此，需要一種高精度、低成本的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制,有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質量,因而設計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。

　　二、開題報告任務的主要內容

　　完成溫度測量與PID控制算法等相關資料的收集整理；

　　完成電路原理圖的設計；

　　完成印刷電路板設計與制作；

　　完成軟件設計；

　　完成軟件與硬件的聯(lián)調，實現(xiàn)設計功能；

　　完成對制作實物的測試；

　　完成畢業(yè)設計報告。

　　在這項開題報告中本人主要完成硬件部分的設計工作。

　　三、已具備的條件

　　學院實驗室擁有單片機程序下載板、PROTUS程序仿真軟件、PROTEL99SEPCB

　　制作軟件、MEDWIN程序編譯軟件等開發(fā)條件。同時在校其間我們學習和掌握了以上硬件和軟件的使用方法。此外我們可以方便的購買到元器件，例如：數(shù)碼管（3位一體）、芯片STC89C51、AD590、光電耦合器等。最后，學院和校內外基地均有單片機應用系統(tǒng)的項目開發(fā)和勝任畢業(yè)設計指導工作的師資團隊，為本開題報告的順利完成提供了軟硬件的保證。

　　四、開題報告任務實施的思路與方案

　　系統(tǒng)設計總體框圖如圖1所示，包括單片機、顯示電路、越限報警電路、傳感器、

　　數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤電路、控制電路這七個組成部分。

　　通過溫度傳感器將溫度值轉換為模擬電流量，電流量通過數(shù)據(jù)采集電路轉換成與模擬量成對應關系的數(shù)字量，單片機通過標度變換，將數(shù)字量轉換為實際的溫度值。實際所需要的鍋爐溫度通過按鍵來設置，溫度的設定值和實際值比較，當兩者不等時采用PWM控制可控硅的通斷以實現(xiàn)對鍋爐溫度的控制。實際溫度和設定溫度可通過顯示器顯示。

　　1. 硬件設計方案

　　硬件電路主要有兩大部分組成：模擬部分和數(shù)字部分：從功能模塊上來分有：主機電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、控制執(zhí)行電路.

　　(1) 主機電路的設計

　　主機選用51系列單片機STC89C51來實現(xiàn),利用單片機軟件編程靈活、自由度大的特點,力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制。本系統(tǒng)選用的STC89C51芯片時鐘可達12MHz,運算速度快,控制功能完善。其內部具有128字節(jié)RAM,而且內部含有4KB的flash ROM 不需要外擴展存儲器,可使系統(tǒng)整體結構更為簡單、實用。

　　(2)I／0通道的硬件電路的設計

　　就本系統(tǒng)來說,需要實時采集水溫數(shù)據(jù),然后經(jīng)過A／D轉換為數(shù)字信號,送入單片機中的特定單元,然后一部分送去顯示;另一部分與設定值進行比較,通過PID算法得到控制量并經(jīng)由單片機輸出去控制電熱鍋爐加熱或降溫。

　�。�3）數(shù)據(jù)采集電路的設計

　　數(shù)據(jù)采集電路主要由高精度溫度傳感器AD590, 高精度運算放大器0P07,74LS373,12位A/D轉換器AD574A等組成。為了達到測量高精度的要求,選用溫度傳感器AD590,AD590具有較高精度和重復性(重復性優(yōu)于0．1℃,其良好的非線形可以保證優(yōu)于0．1℃ 的測量精度,利用其重復性較好的特點,通過非線形補償,可以達到0.1℃測量精度.)超低溫漂移高精度運算放大器0P07將溫度一電壓信號進行放大,便于A／D進行轉換,以提高溫度采集電路的可靠性。

　�。�4）電控制執(zhí)行電路的設計

　　該系統(tǒng)的執(zhí)行元件為可控硅，可控硅可以線性調節(jié)實現(xiàn)對水溫的控制。單片機輸出與電爐功率分別屬于弱電與強電部分,需要進行隔離處理,這里采用光耦元TLP521 在控制部分進行光電隔離,此外采用變壓器隔離實現(xiàn)弱強電的電源隔離。

　　單片機通過PWM 輸出來控制可控硅的通斷，從而控制可控硅上的交流通路達到控

　　制電爐功率的目的`。

　　(5) 鍵盤及顯示的設計

　　根據(jù)設計要求，本系統(tǒng)設置了5個按鍵，按鍵AN1,AN2,AN3,AN4, AN5的功能定義如表1所示。鍵盤采用軟件查詢和外部中斷相結合的方法來設計,低電平有效。

　　按鍵AN3與P3.2相連,采用外部中斷方式,并且優(yōu)先級定為最高;按鍵AN5和AN4分別與P1.7和P1.6相連,采用軟件查詢的方式;AN1則為硬件復位鍵,與R、C構成復位電路。

　　顯示采用3位共陽LED靜態(tài)顯示方式,顯示內容有溫度值的十位、個位及小數(shù)點后一位,這樣可以只用P3.0(RXD)口來輸出顯示數(shù)據(jù),從而節(jié)省了單片機端口資源,在P1.4 口和P3.1(TXD)的控制下通過74LS164來實現(xiàn)3位靜態(tài)顯示。數(shù)字電路硬件部分見圖2。

　　2.系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實現(xiàn)模塊和運算控制模塊。

　　（1）主程序模塊

　　在主程序中首先給定PID算法的參數(shù)值,然后通過循環(huán)顯示當前溫度,并且設定鍵

　　盤外部中斷為最高優(yōu)先級,以便能實時響應鍵盤處理;軟件設定定時器T0為1秒定時,在無鍵盤響應時每隔1秒響應一次,以用來采集經(jīng)過A／D轉換的溫度信號;設定定時器T1為嵌套在T0之中的定時中斷,初值由PID算法子程序提供。

　�。�2）功能實現(xiàn)模塊

　　以用來執(zhí)行對可控硅及電爐的控制。功能實現(xiàn)模塊主要由A／D轉換子程序、中斷處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序等部分組成。

　�。�3）運算控制模塊

　　運算控制模塊涉及標度轉換、PID算法、以及該算法調用到的乘法子程序等。

　　五、預期目標

　　完成電熱鍋爐溫度控制器的硬件電路設計和軟件設計，最后完成電熱鍋爐溫度控制器的整機調試，制作的實物實現(xiàn)如下設計功能：

　　測量精度小于±5%,控制精度小于±8%,超調整量小于±10%；