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1、 过程控制系统 课程设计设计题目：玻璃炉窑温度控制、玻璃进给控制系统设计 学 生： 专 业：测控技术与仪器班级学号： 指导教师： 设计时间： 目录一任务书31.1、设计实验条件31.2、设计任务31.3、设计说明书的内容31.4、设计时间与设计时间安排3二前言32.1温室温度控制系统设计的意义32.2温室温度控制系统的设计背景42.3温室温度控制系统的设计目的42.4温度控制系统完成的功能4三钢化玻璃控制系统总体设计方案4四PlC进给过程控制设计64.1 三菱系列fxplc简介64.2、三菱PLC FX2-32MR简介74.3进给控制流程图74.4系统框图94.5程序设计94.6语句表104.
2、7 I/O端子号分配表12五基于at89s51单片机的温度控制设计125.1系统框图125.2器件选型及模块设计13（1）测量部分。13（2）滤波电路13（3）冷端补偿14（4）8155矩阵键盘14（5）ICL7135（A/D转换）17（6）存储模块193.时序图194.程序读写示例20（7）LCD显示电路215.3温度控制整体流程图22六附属设计226.1单片机与PC机串行通信电路226.2电源，晶振，复位电路23七.结论与展望24八参考文献25九.结束语26一任务书专业 测控技术与仪器 班级学号 5070802 学生姓名 设计题目：玻璃炉窑温度控制、玻璃进给控制系统设计1.1、设计实验条件
3、过程控制系统实验室1.2、设计任务1、设计玻璃炉窑温度控制控制工艺，画出控制工艺流程图。2、写出温度控制、进给控制的工作过程，绘出系统框图。3、用PLC控制进给过程，设计PLC进给控制硬件图，列出输入输出功能对应表。4、编制PLC进给控制梯形图，写出语句表。5、采用单片机对炉温进行检测控制。系统的硬件电路设计。 要求单片机采用89S51，数据存储器采用串行存储器。（24LC系列）字符型液晶显示器方案如（162LCD显示器）扩展8155矩阵键盘或分立式键盘。A/D转换采用双积分MC14433或ICL7135，设计采集电路。热电偶检测温度。多路转换器实现多点检测。可控硅温度控制电路采用固态继电器方
4、案。编制温度控制系统各模块流程图。（数据采集、处理；数据存储；炉温控制；键盘、显示等）附加：1、单片机与PC机串行通信电路及通讯程序设计。（传输温度等参数）。2、采用智能调节器、热电偶温度变送器、可控硅温度控制模块等组成温度控制系统设计控制系统控制框图及接线图。说明各种仪表结构及工作原理。1.3、设计说明书的内容设计题目与设计任务（设计任务书）前言（绪论）(设计的目的、意义等)主体设计部分结束语参考文献1.4、设计时间与设计时间安排1、设计时间： 2周2、设计时间安排： 熟悉实验设备、实验、收集资料： 4 天 设计计算、绘制技术图纸： 3 天编写课程设计说明书： 4 天答辩： 1 天二前言2.
5、1温室温度控制系统设计的意义随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。特别是近年来，温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，但温室温度控制一直是一个未开发的领域，却又是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情况，设计一个温室温度控制系统，具有广泛的应用前景与实际意义。2.2温室温度控制系统的设计背景温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。比如，发电厂锅炉的温
6、度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行；炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。因此，各行各业对温度控制的要求都越来越高。可见，温度的测量和控制是非常重要的。单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。2.3温室温度控制系统的设计目的本设计的内容是玻璃炉窑温度控制-进给系统，控制对象是炉窑温度
7、。温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。针对此问题，本系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温的温度控制系统，它应用广泛，功能强大，是一款既实用又廉价的控制系统。2.4温度控制系统完成的功能 本设计中的温度-进给控制系统，采用AT89C51单片机扩展实现，加热元件由电阻丝、可控硅控制电路等组成，通过热电偶及其变送器检测加热炉内的温度并转化为4-20mA电流信号。微机控制系统有微机部分、键盘及显示器和可控硅控制电路等组成。进给控制由plc控制实现。力求实现温度、
8、进给的协调稳定控制。三钢化玻璃控制系统总体设计方案3.1系统总体框图图1 系统总体框图钢化玻璃自动化生产设备主要有加热炉、冷却风栅、玻璃传送给进装置及控制系统等组成。对5mm厚度的玻璃加热时间在2分2秒至2分10秒之间。加热温度为680685摄氏度。玻璃呈水平由给进装置中的辊道输送，以6米/分钟左右的速度加入加热炉内加热，玻璃有加热炉出来后移到开度为100mm，风压为650水柱的风栅中急速冷却1分40秒左右进行钢化。下图为设备工作原理示意图。图中左部位炉前玻璃进给装置，中部为加热炉，右部为冷却风栅部分。3.2钢化玻璃控制工艺流程图四PlC进给过程控制设计4.1 三菱系列fxplc简介三菱FXP
9、LC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出1625点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。特点：-系统配置即固定又灵活；-编程简单；-备有可自由选择，丰富的品种；-令人放心的高性能；-高速运算；-使用于多种特殊用途；-外部机器通讯简单化；-共同的外部设备。产品说明：FX系列PLC拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点；FX2N是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超
10、小形程序装置。除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。程序容量：内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示
11、器输出等。数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，10KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。外部设备相互通信，串行数据传送，ASCII code印刷，HEX ASCII变换，校验码等。时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。4.2、三菱PLC FX2-32MR简介M:基本单元.，R:继电器输出. 合计总数32点16点输入，DC24V，16点继电器输出；尺寸（mm）：1508790；品牌：MITSUBISH/三菱，产地：日本FX2N系列PLC具有如下特点：1.集成型&高性能CPU 电源 输入输
12、出三为一体。对6种基本单元，可以以最小8点为单位连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点。2.高速运算基本指令：0.08s/指令应用指令：1.52-数100s/指令3.安心、宽裕的存储器规格内置8000步RAM存储器安装存储盒后，最大可以扩展到16000步4.丰富的软元件范围辅助继电器：3072点，定时器：256点，计数器：235点数据寄存器：8000点4.3进给控制流程图YNYNN开始接通手动手动操作1组行程开关通？N延时10 s电机1启动2组行程开关通？电机1停，延时125 s电机2启动3组行程开关通？电机2停，风栅开延时100 s电机2启动3组行程开关断？4.4系统框图Y0Y1
13、COM Y2X0 Y3X1 COM1X2 Y4X3 Y5X4 Y6X5 Y7X6 COM2X7 Y10X10 Y11X11 Y12X12 Y13X13 COM3X14 Y14X15 Y15X16 Y16X17 Y17COM COM4FX2-32MROUT1 OUT2FX-2DAGND GND220ACAC启动总停电机1正转电机1反转电机2正转电机2反转路钱进给启动炉前进给启动风冷进给启动风冷进给启动220VP1P2CN1 接变频器报警指示灯保险丝KM2KM1KM4KM3KM1 电机1正转KM2 电机1反转KM3 电机2正转KM4 电机2反转220V工作指示灯接单片机温度控制系统+24V220V
14、CM24.5程序设计4.6语句表语句表：0 LD X01 AND X102 CJ P203 LD X24 AND X35 OR M06 ANI X17 OUT T0 K1008 OUT M09 LDI X410 ORI X511 AND T012 OUT Y3013 LD X414 AND X515 OR M116 ANI X117 OUT T1 K125018 OUT M119 LDI X620 ORI X721 AND T122 OUT Y3223 LD X624 AND X725 ANI X126 OUT Y3527 OUT T2 K100028 LD X629 OR X730 AND
15、T231 OUT Y3232 FEND33 P 2034 LD X1135 OR Y3036 ANI Y3137 ANI X138 OUT Y3039 LD X1240 OR Y3141 ANI Y3042 ANI X143 OUT Y3144 LD X1345 OR Y3246 ANI X1447 ANI X148 OUT Y3249 LD X1450 OR Y3351 ANI X1352 ANI X153 OUT Y3354 END4.7 I/O端子号分配表输入器件及符号输入端子号输出器件及符号输出端子号启动按钮1SBX0电机2反转PB4X14总停按钮2SBX1电机正转接触器Y30行程开关
16、SW11X2线圈KM1行程开关SW12X3电机1反转接触器Y31行程开关SW21X4线圈KM2行程开关SW22X5电机2正转接触器Y32行程 开 关SW31X6线圈KM3行程 开 关SW32X7电机2反转接触器Y33自动/手动线圈KM4切换开关SW3X10风栅接触器Y35电机1正转PB1X11线圈KM5电机1反转PB2X12工作指示灯Y36电机2正转PB3X13报警指示灯Y37五基于at89s51单片机的温度控制设计5.1系统框图24LC04存储芯片SSR加热电阻LCD1602液晶显示N型热电偶N型热电偶多路转换器ICL7135 A/D转换器8155键盘输入显示电路AT89S51增量型PID算
17、法滤波待添加的隐藏文字内容1电路冷端补偿电源，晶振，复位电路指示及报警电路5.2器件选型及模块设计（1）测量部分。测量元件选用N型热电偶：镍铬硅-镍硅热电偶热电偶的测温原理如下：（2）滤波电路就用普通的一阶RC滤波电路就可以，对于热电偶的数据处理主要是下面的冷端补偿。（3）冷端补偿补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号, 来自动补偿热电偶测量过程中冷端温度变化而引起热电势的变化值。补偿电桥铜电阻与热电偶参考端处在同一环境温度。室温时电桥平衡 R1R3=R2RCu 此时UAB=0 （4）8155矩阵键盘本设计用8155实现键盘扫描和lcd显示，将由键盘键入的数字显示在液晶显示器上
18、。键盘扫描：行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法。8155键盘程序：（5）ICL7135（A/D转换）双积分型A/D转换器精度高，但速度较慢(如：ICL7135),具有精确的差分输入，输入阻抗高（大于 ），可自动调零，超量程信号，全部输出于TTL电平兼容。双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50HZ的工频干扰抑制能力较强，对高于工频干扰（例如噪声电压）已有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电
19、路的要求。作为玻璃炉窑高温控制，系统对A/D的转换速度要求并不高，精度上14位的AD足以满足要求。另外双积分型A/D转换器较强的抗干扰能力，和精确的差分输入，低廉的价格。综合的分析其优点和缺点，我们最终选择了ICL71351.ICL7135连线图2.硬件连接.设MCS-51的外接晶振fosc=6MHz,则ALE输出约为1MHz,将ALE信号输入CD4040的CLK引脚.CD4040是由12个T型触发器组成的串行二进制计数器/分频器,有12个分频输出端,Q1Q12,最大分频系数为212=4096,由于CD4040的所有输入,输出端都设有缓冲器,所以有较好的噪声容限.CD4040的Q2输出是对AL
20、E进行了22=4分频,故输入ICL7135的时钟为1MHz/4=250kHz,可得TCP=1/250ms=0.004mS,由于一次转换最多需(10001+10000+20001)=40002个脉冲,故转换一次需0.00440002160ms,因此ICL7135的转换速度为6.25次/s.选择这一频率,以牺牲ICL7135抗工频干扰为代价,使MCS-51的16位计数器能一次计数A/D转换的CP脉冲数.在满电压输入时,BUSY宽度为正向积分10000个CP脉冲,反向积分20001个CP脉冲(总计30001个CP脉冲).在fosc=6MHz情况下,8031内部定时频率为6MHz/12=500kHz,
21、比ICL7135时钟频率250kHz大了1倍.在满刻度电压输入时,定时器计数值应为30 0012=60002,不超过MCS-51的16位计数的最大可计数值(216),故在BUSY高电平期间,计数器计数值除以2,再减去10000(2710H),余数就是被测电压的数值.3.程序设计.假定将转换的结果(二进制)存放在R3,R2寄存器中,其中R3存放高位.程序清单如下:JB P3.2,$ ;等待BUSY变低(A/D转换结束)MOV TL0,#0MOV THO,#0 ;16位计数器初值清0MOV TMOD,#01H ;TO定时,方式1(16位定时)JNB P3.2,$ ;等待BUSY变高(A/D转换开始
22、)SETB TR0 ;启动定时JB P3.2,$ ;等待A/D结束CLR TR0 ;停定时CLR CMOV A,THORRC A ;高位除以2MOV R3,A ;存高位MOV A,TL0RRC A ;低位除以2MOV R2,A ;存低位CLR CSUBB A,#10H ;低位减10HMOV R2,AMOV A,R3SUBB A,#27H ;高位减27HMOV R3,ARET（6）存储模块1芯片简介.24LC04EEPROM采用CMOS加工工艺,正常工作电压2.5VCC5.5,存储容量为32KB,具有较强的抗干扰能力,功耗低,可断电保存数据200年以上,擦写次数最少10万次,过压保护。2.硬件接
23、法 3.时序图4.程序读写示例写程序是按照图3写时序进行设计：如将立即数#33H写刭24LC04的55H单元：oRG 4000HSDA BIT P11SCL BIT P10start MoV R0#20HMoV R0，#oAoHINC R0MoV R0，#55HINC R0M0v R0， #33HSETB SDA： 启动总线SETB SCLCLR SDAM0V R0， #20HLooP1： MoV R1，#08HMoV A，R0LooP2： RLC AMoV SDACSETB SCL ；写数据CLR SCLDJNZ R0 LooP2sETB SDA；检测应答信号SETB SCLLOOP3： J
24、B SDA，LOOP3 ；收到应答信号程序继续进行，否则停止不动。DJNZ R1LoOP1SETB SCL ；结束总线SETB SDAEND读程序设计与写程序设计一样，如读24LC中数据到A：0RG 2000HSDA BIT P11SCL BIT P10MOV R0， #08HSTART： SETB SCL；启动总线CLR SDALOOP： SETB SCL ；读当前地址数据M0V C， SDACLR SCLRLC ADJNZ R0 ， LooPSETB SCL ；结束总线SETB SDAEND（7）LCD显示电路1.芯片简介及引脚定义字符液晶显示绝大多数是基于HD4478液晶芯片的，控制原理
25、是完全相同的，因此HD44780写的控制程序可以很方便的应用于市面上大部分字符型液晶产品。字符型LCD通常有14条引脚或16条引脚的LCD，多出来的两条线是背光电源线VCC（15脚）和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样。引脚定义如下表所示：引脚号符号输入输出作用电平1Vss电源地2Vdd+5V电源3Vo液晶驱动电源，可调整屏亮度。0/14RS输入数据/指令寄存器选择：数据=1，指令=05R/W输入寄存器读/写操作选择：读=1，写=00/16E输入使能信号1，107DB0三态数据线0（最低位）0/18DB1三态数据线10/19DB2三态数据线20/110DB3三态数据线30
26、/111DB4三态数据线40/112DB5三态数据线50/113DB6三态数据线60/114DB7三态数据线7（最高位）0/115A空脚或背光电源正极+Vcc16 K空脚或背光电源负极接地.5.3温度控制整体流程图初始化单片机 端口地址开始 读入预设温度值启动A/D转换将A/D转换结果送入NX单元并显示将结果进行PID运算结果限度NSSR闭合，开始加热N指示灯，蜂鸣器报警Y六附属设计6.1单片机与PC机串行通信电路通信接口标准有RS232、RS423A、RS422A、RS485等，常用的接口标准有RS232和RS485。RS232在微机串行通信接口中广泛采用，在加装了调制解调器（modem）的
27、情况下，这种通信可以通过电话线传输数据，并且可以传输几千公里远的距离，如果没有modem可以传输十几米远。本课题采用的是RS-232直连无modem方式和DB-9连接器，单片机采用 AT89S52，使单片机的串行输入端（RXD）和串行输出端（TXD）与PC机的COM口相连接。 RS232是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口相连或TTL器件相连，必须在 RS232与 TTL之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可以用单立元件，也可以用集成芯片，本文采用MAX232来完成TTL- EIA（美国电子工业联合会）双向电平转换。MAX2
28、32内部有电压倍增电路和转换电路，仅需+5 V电源便可工作，使用十分方便，其与AT89S52连接时可以采用最简单的方式连接（见图1），MAX232的T1 IN引脚与89S52的串行输入口线P31TXD相连，R1 OUT引脚与89S52的串行输入口线P30RXD相连，MAX232的T1 OUT、R1 IN分别于与RS232的2、3引脚相连。MAX232泵电源引脚必须接01f 电容，如图中的C26、C27、C28、C29。因为电路中采用了电平转换芯片，只需把单片机所用到的连接器和PC机串口所用的连接器的2、3、5管脚对应连接起来，2、3管脚不需交叉连接（如图2所示）；如果是PC机之间或同一个PC机
29、的两个COM口相连，则两个连接器的2、3管脚需交叉相连。 6.2电源，晶振，复位电路电源：由于一般供电为220V交流供电，但是AT89S51单片机却适合5V电源，因此需电源转换电路将电源转换成适合单片机的电源。7805/7905：电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78 系列和负电压输出的79系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。 用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使
30、用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。晶振： 复位： 七.结论与展望近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测的更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合来加以完善。本论文中利用AT89S51单片机模拟实现玻璃炉窑的温度控制。从这次的设计中，我真真
31、正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识运用到实际当中，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次设计中的最大收获。 通过对温度控制系统的分析研究，本论文自行设计并实现了一种温度测试控制系统。该系统基于51系列单片机的控制，通过AT89S51处理温度传感器检测的数字信号，从而实现对温度的控制，同时配合按键的手动控制，使得系统操作更加方便、人性化。通过对硬件与软件的调试情况，系统基本能实现论文所预期的设计功能，不过系统仍然存在一些不足之处，有待改进。从设计方案的选择到最终系统功能的实现，我在这个过程中学到了许多新的知识。首先是阅读了一些
32、参考文献，使我对温度控制系统有了全新的认识。在这次系统设计的过程中遇到了很多困难，但通过自己的努力都一一克服了。这次设计我不光在硬件方面有很大收获，在理论上也学到了很多。八参考文献1.李朝青，单片机原理及接口技术（简明修订版）M，北京航空航天大学出版社，19982.李广弟，单片机基础M，北京航空航天大学出版社，19943.阎 石，数字电子技术基础（第三版）M，高等教育出版社，19894.廖常初，现场总线概述J，电工技术，19995.于永学、葛建，1-WIRE总线数字温度传感器DS18B20及应用J，电子产品世界，20036.陈跃东，DS18B20集成温度传感器原理与应用J，安徽机电学院学报，2
33、0027.胡振宇、刘鲁源、杜振辉，DS18B20接口的C语言程序设计J，单片机与嵌入式系统应用，20028.金伟正，单线数字温度传感器的原理与应用J，电子技术与应用，20009.Maxim 公司， 1-Wire 单总线的基本原理 EB/ OL 10.马云峰、陈子夫、李培全， 数字温度传感器DS18B20 的原理与应用 EB/ OL 11.Dallas Corp，DS18B20 EB/ OL 12.李 钢，1-Wire总线数字温度传感器DS18B20原理及应用，现代电子技术J，2005九.结束语结束语通过本次的课程设计，我受益匪浅，充分意识到自己所学的东西还是非常有限的，不过在完成设计的过程当中，还是学到了许多书本上没有设计到的实际工况的相关只是，为自己进一步的深造打下了重要基础。在撰写论文的过程中，再次深刻的体会到当今科技技术飞速的发展，特别是单片机的发展使得许多技术难题迎刃而解。随着科学技术的不断发展，单片机技术、plc控制的应用将是前途无量。由于本次课设涉及到的知识面比较广，再加上本人在相关领域知识的局限，所以本次课设的性能指标还是有待改善的，然而，程序调试证明了本次课设的基本设计思想和设计方法以及基本功能是现实可行的。
