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1、摘要小型HTAC室式炉过程检测控制系统设计摘要本系统主要是设计小型HTAC室式炉过程检测控制系统。通过触摸屏来实现对下位机(单片机C语言)的数据基于MODBUS协议帧格式的传输以及控制，并且通过PID温度控制算法对下位机的采集温度进行调节和控制。本论文首先介绍了HATA锅炉控制系统的特点和发展和应用；其次介绍了ModBus通讯协议的知识和原理；再者解释了PID算法以及怎样实现PID算法控制温度；最后通过设计硬件图来实现对温度的采集和通信系统的控制，并实现通过触摸屏软件可以按照ModBus协议的帧格式来收发数据的软件设计。其中，下位机软件负责采集温度信息，控制温度以及接受触摸屏的控制信息并给出相
2、应的异常检测等；同时给出了基于PID控制算法的HATC室式炉的的总体设计框图、控制原理初步设计。下位机的控制系统主要是采用ATmega128单片机，并且结合一系列的硬件设计，给出了详尽的系统硬件线路、详细的控制系统流程图、功能表图以及控制软件的完整描述。关键词：ModBus协议, PID，触摸屏软件设计41AbstractTHE SMALL HTAC CHAMBER FURNACE PROCESS TEST ANDCONTROL SYSTEMAbstract.The System is mainly to design the small HTAC chamber furnace test a
3、nd control system. The system to achieve the ultimate goal is to transmit and control the data from single chip (single chip C langhage) based on ModBus protocol by the toutch screen software interface, and the system will adjust and control the single chip through the PID algorithm. Firstly, this p
4、aper introduct the characteristic, the development and the application of the HATA chamber furnace; secondly, it gives the information of the Modbus communication protocol and theory; thirdly, it explains the PID algorithm and how to use the algorithm to achieve to control the temperature; at last,
5、it designs the hardware theiory graph to collect the temperature and realize the order of communication system.,which is based on the toutch screen software design to achieve serial port operation. Among them, the single chip software is responsible for software acquisition information, control and
6、acceptance of toutch screen software information, system information and the corresponding anomaly detection, etc, and then gives the overall design based on PID controlling algorithm HATC chamber furnace diagram, preliminary design of control theory。 The slave is mainly based on ATmega128, and thro
7、ugh a serial of hardware design, and I give a detailed diagram of the system hardware line, and finally given a detailed flow chart of the control system, the menu map and a complete description of the control softwareKey words: ModBus Protocol , PID ，Toutch Screen Software第1章 绪论目 录前 言0第1章 绪论11.1 研究
8、背景11.2 研究现状11.3 研究内容2第2章 MODBUS协议简介32.1 ModBus协议简述32.2 ModBus协议的通讯格式32.3 错误的检测方法42.4 MODBUS公共功能码的定义62.5 RS-232、RS-422与RS-485的由来102.5 RS-232串行接口标准11第3章 PID温度控制算法133.1 PID控制算法的产生与背景133.2现在控制系统的种类133.3 PID控制的原理和特点153.31比例（P）控制153.3.2比例微分（PD）控制153.3.3积分（I）控制163.3.4比例积分（PI）控制163.3.5比例积分微分（PID）控制173.4 PID
9、控制控制算法183.4.1 PID控制器的实现183.4.2 PID控制器的实现183.5 PID控制器的参数整定19第4章 触摸屏程序设计214.1 系统的总体结构214.2 天任触摸屏软件设计21第5章 硬件系统整体设计335.1 Atmega128微控制器的综合介绍335.2 Atmega128的结构355.3 Atmega128处理器的结构365.4通信接口电路设计375.5温度采集系统介绍39结 论42致 谢43参考文献44第1章 绪论前 言蓄热式燃烧系统又称为高风温低氧燃烧系统，是目前国内外开始流行的一种革命性的燃烧方式，简称为HTAC（High Temperature Air C
10、ombustion）系统，这种燃烧方式的技术关键是在通过交替工作的若干对高效蓄热室将助燃空气从室温预热至8001100高温的同时，通过有效组织燃料与助燃空气入炉流股的流速、交角、混合方式等手段，使燃料在含氧量控制在215%的炉内空间进行体积燃烧，从而可大幅度降低NOx排放量，高效蓄热室可有效截留烟气余热，使排烟温度控制在零点以上、150以下的范围内，最大限度地回收烟气余热,使炉内温度更趋均匀,使用这种先进的燃烧方式可同时达到节约燃料20%50%、提高产量10%30%、减少20%50%烟气排放量等环保、节能、和提高加热质量的效果。该技术被国际公认为是二十一世纪核心工业技术之一。 Modbus协议
11、是应用于电子控制器上的一种通用协议，标准的Modbus接口是使用一RS-232C兼容串行接口。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一种通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。在本系统中，采用ATmega128单片机，系统的设计与控制当中，采用modbus协议与天任触摸屏进行通信，采用PID温度控制算法对对锅炉温度的采样与控制。由于时间以及本人的水平有限，不可能在短短几个月的时间内将所有的功能都实现，因此人机界面的功能还须进一步的研究，有待完善。而本文中的不足、疏漏和错误是在所难免，殷切希望各位老师和专家批
12、评指正。第1章 绪论1.1 研究背景工业锅炉耗用煤炭占全国煤产量的三分之一多，其热能效率的高低对我国能源利用率或单位能耗的高低起着举足轻重的影响，而且对我国环境的污染也有相当大的影响。就全国而言，我国工业锅炉的实际运行平均热效率长期徘徊在60%左右的水平，普遍比锅炉产品鉴定效率低10%左右，全国工业锅炉每年因此多耗煤七千万吨以上。多年来，锅炉制造行业及使用单位为此从锅炉房主辅机的角度做了许多改进和革新，提高了锅炉的热平衡试验效率。然而这些技术进步，并未从根本上改善工业锅炉实际运行时的平均热效率。可见工业锅炉的运行情况是造成实际运行效率远低于热平衡效率的根本原因。大多数工业锅炉实际运行时负荷的波
13、动很大。在我国99%以上燃煤工业锅炉是层燃炉，其动态特性有很大的时滞，当负荷扰动时，现有的热工调节系统仍难免出现一段时间内燃烧工况的恶化，各受热面的传热工况也会受到干扰。当负荷扰动较频繁，幅度较大时，锅炉热效率会出现较大的下降。 根据我国的现状，及能源危机和环境日益恶化的情况，推出新一代的节能、环保的锅炉尤为必要，所以基于此原因，我选择了小型HTAC室式炉过程检测控制系统设计。1.2 研究现状高温空气燃烧（High Temperature Air Combustion,简称HTAC）技术是20世纪90年代初燃料燃烧领域中诞生的一项新技术，它具有高效节能与低NOx、CO2排放等多重优越性。日本、
14、美国及欧洲一些发达国家已将该技术推广应用于冶金、钢铁、机械、化工、陶瓷等众多领域，取得了显著的节能与环保效益用。所以现在我们应该积极的引进先进的技术，致力于改善我国现有的锅炉燃烧技术。所以基于此现状，综合各种锅炉控制系统的优点，将在小型HTAC室式炉过程检测控制系统设计的过程中集中体现出来。常州工学院计算机信息工程学院毕业设计论文1.3 研究内容Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，标准的Modbus口是使用一RS-232C兼容串行接口。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。在本系统中，我们使用RS-232串行接
15、口，采用Modbus标准协议与下位机进行通信。在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后纯滞后”与“二阶滞后纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活，基本上能满足一般控制的要求。ATmega128是一种高性能，低功耗的微处理器，具有先进的RISC结构，可以全静态工作，具有128K字节的系统内可编程FLASH，可以100000次写/擦出周期，具有4K的EEPROM，4K 字节的内部SRAM，JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容)。外设特点：两个具有独立的预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器，两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器，两路8 位PWM，53个可编程I/O 口线，64引脚TQFP 与 64 引脚 MLF 封装。这一系列优点也是其他微处理系统所不具有的特点，也是选择ATmega128的原因。TP天任触摸屏工业图形显示器（简称触摸屏）是一种连接人类和机器的人机
