精品微电脑多路染色机温度控制器的硬件设计毕业论文设计.docx
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精品微电脑多路染色机温度控制器的硬件设计毕业论文设计
毕业设计（论文）
题目：
微电脑多路染色机温度控制器的硬件设计
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第一章前言1
第二章相关技术及理论分析3
2.1温度测试技术3
2.2温度控制原理6
第三章微电脑多路染色机温度控制器的系统组成及工作原理9
3.1系统设计要求与技术指标9
3.2系统功能9
3.3系统组成9
第四章微电脑多路染色机温度控制器的硬件设计电路11
4.1温度采集模块11
4.2多路开关选择模块13
4.3放大电路模块15
4.4A/D转换模块17
4.5键盘显示模块18
4.5.1液晶概述19
4.5.2模块接口说明20
4.5.3并行接口21
4.6温控模块22
4.6.1加热控制电路23
4.6.2制冷控制模块26
4.7报警模块26
4.8时钟模块28
4.9单片机基本系统29
4.10系统总电路设计30
第五章微电脑多路染色机温度控制器的软件设计31
5.1主程序设计31
5.2中断服务程序32
5.3算法子程序33
5.4键盘显示子程序33
第六章微电脑多路染色机温度控制器的系统调试35
6.1温度采集模块的调试35
6.2温度控制模块的调试35
6.3语音报警模块的调试37
6.4总体调试37
第七章总结38
7.1完善功能38
7.2心得体会38
致谢39
参考文献40
附录A原理总图41
附录BPCB图42
附录C实物图43
第一章前言
当今社会的发展日新月异，各行各业都在迅猛崛起，随着计算机技术、自动控制理论及温度测量控制技术等技术的应用和发展，在纺织服装等行业里，染色工艺的地位也日渐突出。
伴随本国经济体制改革步伐的加快以及印染行业的不断发展，染色机的研制和开发也在逐步形成规模。
对其技术工艺和控制水平的要求也越来越高。
各种染色机的出现，逐渐代替了手工染色工艺进入了染色行业的应用里。
染色工序在纺织品生产中占有重要地位，染色质量直接决定了纺织品的色泽、外观，甚至还影响纺织品的生产成本。
在染色工序中，影响染色的因素主要有染液浓度、温度、液位等，其中温度控制是很重要而又复杂的控制过程。
染色过程实际上是由工艺人员针对不同织物的一条温度曲线，执行每个工艺对染色的温度中升温及降温过程的严格控制。
如果操作过程没有达到相应的严格标准和要求，就容易使织物产生色差、缸差、条痕等疵点，造成复染率上升，生产成本增加等问题。
[2]而温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。
因此，对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。
传统的染色工艺过程主要由升温、保温、降温等几个连续阶段组成。
升温过程采用蒸汽加热，降温阶段采用冷却水冷却。
在升温过程中，当温度达到某一特定温度值时，保温一段时间，在这段时间内加入染料、助剂等化学药品。
当温度降到某一特定温度值时，校正浴比，在加入染料或助剂。
随着染色工艺的迅速发展和印染技术的不断进步，对染色机温度控制的要求也在逐步增长，设计出安全、实用、节能、智能化和数字化的染色机温度控制器已成必然趋势。
由此可见，由微电脑控制的多路染色机的温度控制器的研究显得尤为重要。
近期国外的各类染色机的技术性能已经发生了很大的变化和提高，有着较高的织物加工范围和较广的工艺适应性，并且实现一机多用。
一般从进布到出布，可连续完成精练、漂白、染色、水洗等工艺过程。
根据目前的国内外市场需求来看，随着本国染色机市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。
市场需求是决定染色机发展的主要动力，通过参考大量文献对染色机的工艺技术进展做了系统了解如下：
从21世纪到2008年，本国从事染色机行业的企业和人员呈现一直持续发展，增多的趋势；2009年后呈现较为稳定的状态。
如今，多数染色机企业开始走上不断研制新产品的路线，不再拘泥于数量，规模的增大，向创新型企业发展。
国内大多数企业通过详细的调查和权威技术资料及相关情报的收集，为客户提供了各种染色机产品核心技术应用现状、技术研发、工艺设备配套、高端技术应用等多方面的信息，对于企业了解各类成衫染色机产品生产技术及其发展状况十分有益。
相对于国内市场的发展，现今大部分印染厂还是沿袭传统的操作方式：
升/降温控制采用智能仪表，前/后处理依然为人工操作。
这种染色机作为印染行业最主要的生产设备，其控制手段主要是对温度进行控制，还不能严格执行染色的工艺标准，达不到布匹着色所要求的质量，同时耗费大量是水、电资源。
目前，本国大多数生产厂家采用模拟型PID调节方式的温控仪表，温度波动大，产品合格率低。
在现代化的工业生产和生活中，温度控制的应用相当广泛。
基于此，传统单一的控制算法难以满足控制要求，为保证温度控制的精度、控制效率和可靠性，将PID算法与预测控制算法相结合，采用分时段进行控制。
以染色过程的温度跟踪控制系统为背景,针对温度对象动态范围宽,其动态特性随温度变化且存在结构变化,以STC89C52为核心，采用软件方法通过STC89C52对温度采集、温度控制系统的控制来达到控制温度的目的。
使控制器能适应染色过程动态特性的变化,保证了温度控制的精度,可有效地提高染色质量；使产品小型化、智能化，即提高了产品功能和质量，又降低了成本，简化了设计。
针对染布生产环境电磁干扰大，染布工艺要求温度升降速度恒定、保温温度偏差小的特性，产生了一种基于单片机控制的染色机温度控制系统的设计方案。
温度控制器的出现可以减少染色工艺中对温度的把握度的控制，用以减少工序，而染色机由微电脑控制，操作简便，先进的电子控制技术系统可根据实际负荷自动化运行，节约能源及运行费用。
为了满足市场的需要和给客户提供一个实用的微电脑多路染色机温度控制器，本设计综合运用了单片机技术、温度采集技术、温度控制技术等来实现对各染色机染缸的温度进行测量和控制。
本次设计的系统包含微处理器、温度检测采集模块、A/D转换模块、温度控制模块、报警模块以及键盘显示模块等，软件设计上采用数字PID算法实现对染布控制过程中各个步骤温度的精确控制。
本系统要实现的具体功能为：
采用铂热电阻测温，能同时对8台染色机实现温度控制及染缸实测温度的显示，使其控温范围为25℃-135℃，且控温精度达到±2℃，超温时能报警。
总之，本设计应该具有多路染色机温度控制器的基本性能，对其相关技术进行很好的研究和应用，符合相关方面的技术发展趋势。
第二章相关技术及理论分析
2.1温度测试技术
温度是实际应用中经常需要测试的参数，温度测量的应用非常广泛，不仅生产工艺需要温度控制，有些电子产品还需对它们自身的温度进行测量，本次设计的染色机温度控制器也要求测量染缸液体温度。
温度传感器是应用系统与现实世界之间的桥梁，不论是在科学研究领域还是在工业生产领域，都有十分广泛的应用。
下面将对不同的温度传感器进行简要概述，常用的温度传感器有：
（1）热敏电阻器
热敏电阻器是用来测量温度的传感器之一，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。
热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。
正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。
在所有被动式温度传感器中，热敏电阻的灵敏度最高，但热敏电阻的电阻/温度曲线是非线性的。
一般电路中热敏电阻和电阻串联产生分压，其阻值变化使得节点处的电压也产生变化，该电路的精度取决于热敏电阻和电阻的误差以及参考电压的精度。
热敏电阻一般有一个误差范围，用来规定样品之间的一致性。
根据使用的材料不同，误差值通常在1%至10%之间。
热敏电阻器主要缺点是阻值和温度的关系非线性严重；元件一致性和互换性差；易老化且稳定性较差；除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0～150℃范围。
（2）固态热传感器
最简单的半导体温度传感器就是一个PN结，例如二极管或晶体管基极-发射极之间的PN结。
如果一个恒定电流流过正向偏置的硅PN结，正向压降在温度每变化1℃时会降低1.8mV。
很多IC利用半导体的这一特性来测量温度，包括美信的MAX1617、国半的LM335和LM74等等。
半导体传感器的接口形式多样，从电压输出到串行SPI/微线接口都可以。
（3）热电偶和热电阻
热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件,是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。
如果热电偶的工作端与参比端存有温差时，显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。
热电偶的热电动势将随着测量端温度升高而增长，它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关，与热电极的长度、直径无关。
各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表,记录仪表和电子调节器配套使用。
热电偶由两种不同金属结合而成，它受热时会产生微小的电压，电压大小取决于组成热电偶的两种金属材料，有铁-康铜（J型）、铜-康铜（T型）和铬-铝（K型）热电偶等。
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。
它的主要特点是测量精度高，性能稳定。
其中铂热电阻是目前热电阻中性能最好的，主要用作标准电阻温度计。
被广泛应用于作温度的基准，标准的传递。
热电阻与热电偶的选择最大的区别就是温度范围的选择，热电阻是测量低温的温度传感器，一般测量温度在-200～800℃，而热电偶是测量中高温的温度传感器，一般测量温度在400～1800℃，在选择时如果测量温度在200℃左右就应该选择热电阻测量，如果测量温度在600℃就应该选择K型热电偶，如果测量温度在1200～1600℃就应该选择S型或者B型热电偶。
热电阻与热电偶相比有以下特点：
•同样温度下输出信号较大，易于测量；
•测电阻必须借助外加电源；
•热电阻感温部分尺寸较大，而热电偶工作端是很小的焊点，因而热电阻测温的反应速度比热电偶慢；
•同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高。
各类常用热电偶和热电阻测温范围如表2-1。
表2-1各类常用热电偶和热电阻的测温范围
热电偶类型
温度范围
热电偶类型
温度范围
S
-50℃～1768℃
N
-270℃～1300℃
R
-50℃～1768℃
E
-270℃～1000℃
B
0℃～1820℃
J
-210℃～1200℃
K
-270℃～1372℃
T
-270℃～400℃
热电阻类型
温度范围
热电阻类型
温度范围
Pt10
-200℃～850℃
Cu50
-50℃～150℃
Pt100
-200℃～850℃
Cu100
-50℃～150℃
PT-100铂热电阻是一种由金属铂作为原料制成的温度传感元件。
其电阻值随外界温度的变化而变化，且在常温下电阻与温度的变化的曲线（R-T）曲线线性度较好。
在中低温的测量任务中，PT-100因其测量精度高、测温范围宽、稳定性好、价格低等优点而得到广泛应用。
PT-100铂热电阻是一种近似线性的测温元件，热响应时间<30s。
其阻值和温度变化的函数在0--200℃范围内拥有较好的线性关系，随着测量范围的增大，非线性范围，将使非线性减小。
但是，当精度要求高或者测温范围宽时，就必须解决非线性问题。
铂热电阻值与温度之间的关系式，在不同的温度范围内用不同的数学模型表示：
Rt=R0[1+At+Bt²+C（t-100）t³]（2.1）
在温度为0--850℃范围内为：
Rt=R0（1+At+Bt²）（2.2）
式中，Rt、R0温度分别PT-100铂热电阻为t℃和0℃时的铂热电阻值；A、B、C为常数。
A=3.90802×10-3；B=-5.802×10-7；C=-4.27350×10-12。
适当的测温范围在几百摄氏度内，对于本系统很适合，所以选用铂热电阻作为测温元件。
目前，温度传感器正朝着集成化、智能化、系统化的方向发展；与此同时，温度测量技术也在不断进步。
温度测量领域的新技术不断涌现，新产品也层出不穷。
主要表现在以下两方面：
a.温度传感器正从分立元件向集成化、智能化、系统化的方向迅速发展，为开发新一代温度测控系统创造了有利条件；
b.在温度测量系统中普遍采用线性化处理、自动温度补偿和自动校准湿度等项新技术。
（4）集成温度传感器主要包括模拟集成温度传感器和智能温度传感器（亦称数字温度传感器）两大类。
模拟集成温度传感器是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。
模拟集成温度传感器的特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等优点，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准。
外围电路简单。
其典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。
（5）智能温度传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A／D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。
有的产品还带多路转换器器（MUX）、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。
典型产品有DS18B20、MAX6654、LM76等。
在温度传感器的实际使用中，大多数传感器都按照计量机构出具的检定或校准证书来对其在检定点或者按照检定规程上给出的系数进行修正，这样在实际的测试中就会带来一定的偏差，尤其是对于一些精密测量。
由于每一支传感器都具有自己的特性，因此可以针对每一支传感器的特性进行特定的修正，从而达到提高温度传感器测试准确性的目的。
2.2温度控制原理
温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。
在现代化的工业生产和生活中，温度控制的应用相当广泛，例如：
在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和制冷行业等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。
因为单片机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，它具有体积小、功能强、性价比高等特点，把单片机应用于温度控制系统中，采用单片机做主控单元，无触点控制，可完成对温度的采集和控制等的要求。
所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，即提高了产品功能和质量，又降低了成本，简化了设计。
对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。
例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等；控制方案有直接数字控制（DDC），推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy），专家控制（ExpertControl），鲁棒控制（RobustControl），推理控制等。
PID控制是目前工业控制中使用的最广泛的控制规律，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
且在连续控制系统中，对象为一介和二介惯性环节或同时带有滞后时间不大的滞后环节时，PID控制也是一种较好的方法。
PID控制也称为比例-积分-微分控制，其中的比例项用与校正偏差，积分项用于消除系统的稳态误差，微分项用于减少系统的超调量，增加系统的稳定性。
PID控制器控制器的性能取决于Kp,Ti和Td这三个系数，设计和调试者的任务就是决定这三个系数。
PID算法的算数表达式为：
（2.3）
式中:
为调节器输出信号；
为偏差信号；
为调节器的比例系数；
为调节器的积分时间；
为调节器的微分时间。
在计算机控制系统中，为了实现数字控制，必须对式（2.3）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程。
令t=nT，T为采样周期，且有T代替微分增量dt，用误差的增量△e（nt）代替de（t），则：
（2.4）
（2.5）
于是原式可写成：
（2.6）
由上式（2.6）可得：
（2.7）
上两式相减得：
△U=U（n）-U（n-1）（2.8）
计算式（2.8）并处理可得
（2.9）
式（2.9），称为增量式PID控制算式。
式中的为在第n-1次输出的基础上，输出的增加（或减少）量。
这种增量式PID控制算法在生产实际中比位置式PID控制算法更为常用。
式（2.9），经简化后的PID表达式变为：
（2.10）
式中,。
本系统利用单片机和PID算法来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高系统的稳定性和性能。
因此，单片机对温度的控制问题是一个生产、生活中经常会遇到的问题。
温度传感器种类很多，但要根据选择的软件和硬件，找到适合自己应用的传感器。
由于本次设计要求是采用铂电阻作为传感器，且控温范围在25℃-135℃之间，所以本系统采用Pt100型铂热电阻作为温度传感器，将温度的变化转化为电阻的变化，并通过桥路将电阻的变化转化为电压的变化，再通过A/D转换器，然后将转换的数值送CPU处理。
再利用PID算法对温度进行控制。
第三章微电脑多路染色机温度控制器的系统组成及工作原理
3.1系统设计要求与技术指标
本课题要求通过单片机程序的设计，对温度传感器检测的各路温度进行采集，并将数据数字控制算法输出控制信号，用以控制加热等部分，通过按键切换用液晶模块显示各个染色机的染缸中的温度。
具体技术要求如下：
1、采用铂热电阻测温；
2、其控温范围为：
25℃-135℃,控温精度达到±2℃；
3、采用数字PID算法；
4、该控制器能对8台染色机实现温度控制；
5、能实时输入控温工艺，实时显示染缸实测温度，超温时能报警。
3.2系统功能
此次设计主要以单片机STC89C52为核心，控制整个系统的工作。
先通过由铂电阻组成的电桥电路模块检测染缸中的实时温度，然后将随温度变化而变化的温度传感器的阻值转化为电压变量，但是输出为毫伏级的电压太小，为了提高测温灵敏度再经过放大电路使输出电压控制在0V-5V，再通过多路模拟选择开关向后一级模块输入多路信号，将输出信号送入A/D转换器进行模数转换，最后将采集的数据送入单片机。
单片机利用PID算法，先判断采集的温度是否在控制温度范围内，如果温度低于控制温度则控制加热机构进行加温处理，反之则控制报警模块进行报警，且控制降温机构进行降温。
液晶显示电路为用户提供一个直观的数据，其中包括时钟、各染缸实时温度和设定温度值；按键控制切换显示、数据设定及修改，方便用户对染色机温度控制器进行操作。
3.3系统组成
从设计硬件电路的功能来看，利用单片机、A/D转换器及温度传感器设计多路温度的采集与控制。
测温电路模块的作用是将随温度变化的电阻转化为电压变量，用放大器将电压信号放大为了提高测温灵敏度。
模拟开关模块实现多路温度数据的选择及传输。
A/D转换模块实现温度采集及模拟量到数字量的转换。
最后通过数字PID算法来输出控制信号，控制加温和降温执行机构。
液晶显示模块显示采集温度、时间和设定的温度值，而键盘可设定需要控制的温度值及时间值。
语音报警电路模块可实现录音和放音功效，通过单片机输出口的信号来控制报警。
整个电路设计包括以下几个模块：
温度采集模块、模拟开关模块、A/D转换模块、键盘显示模块、液晶显示模块、键盘控制模块、语音报警开关、时钟模块及单片机控制模块。
其系统框图如图3-1所示：
图3-1系统结构框图
系统的软件部分由主模块、中断服务模块、温度采集模块、7279键盘模块、时钟模块、液晶显示模块、语音报警模块、PID算法模块和PID控制模块组成。
中断服务模块用来处理定时温度采集、键盘显示模块达到更好的人机交互效果，软件设计中PID算法模块是重点同时也是难点。
第四章微电脑多路染色机温度控制器的硬件设计电路
4.1温度采集模块
方案一：
采用集成温度传感器AD590。
其基本应用电路如图4-1（a）所示。
这种温度传感器是一种已经IC化的温度感测器，它会将温度转换为电流，其测温范围为-55℃～+150℃，符合本次设计要求。
AD590的电源电压范围为4V～30V，电源电压可在4V～6V范围变化，电流TI变化1mA，相当于温度变化1K。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。
输出电阻为710MW。
且AD590的设计电路简单，体积小，但是市场价格较高，且不符合设计所要求的采用铂电阻，不适合于测量染缸中染液的温度。
图4-1（a）AD590基本运用电路图4-1（b）DS18B20温度采样模块电路图
方案二：
如图4-1（b）所示，采用数字温度传感器DS18B20采集温度。
DS18B20是美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器芯片,其器件的管芯内集成了温敏元件、数据转换芯片、存储器芯片和计算机接口芯片等多功能模块，该器件可直接输出二进制温敏信号，使用一总线接口实现和外部微处理器的通信。
可编程的分辨率为9~12位， 对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，默认情况下，是12位的分辨率；就算电源正负极接反时，温度计不会因发热而烧毁，但芯片不能正常工作。
电路相对简单，只要将DS18B20温度传感器采集到的量直接送给单片机处理即可显示出温度值。
但是温度的测量范围
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