基于单片机的纸张定量的自动控制系统

目 录

第一章 绪论 ........................................................................................................................................ - 1 -

1．1 课题研究的目的和意义 ..................................................................................................... - 2 - 1．2 纸机的工艺过程 ................................................................................................................. - 3 - 1．3 造纸过程国内外研究现状 ................................................................................................. - 4 -

1．3．1 国外造纸概况 ....................................................................................................... - 4 - 1．3．2 国内造纸发展概况 ............................................................................................... - 5 - 1．4 本课题的研究内容 ............................................................................................................. - 6 - 第二章 系统总体方案论证 ................................................................................................................. - 6 -

2．1 控制系统方案的确定 ......................................................................................................... - 6 -

2．1．1 控制系统类型的确定 ........................................................................................... - 7 - 2．1．2 微控制器方案的确定 ......................................................................................... - 7 - 2．2 输入输出通道方案的确定 ................................................................................................. - 8 -

2．2．1 模拟量输入通道方案的确定 ............................................................................... - 9 - 2．2．2 模拟量输出通道的确定 ..................................................................................... - 10 - 2．3 系统外部设备的确定 ......................................................................................................- 11 -

2．3．1 键盘的选择 ..........................................................................................................- 11 - 2．3．2 显示器的选择 ..................................................................................................... - 12 - 2．3．3 报警系统 ............................................................................................................. - 12 - 2．4 系统总体框图................................................................................................................... - 13 - 第三章 系统的硬件设计................................................................................................................... - 14 -

3．1 8031单片机的最小系统 ................................................................................................ - 14 -

3．1．1 8031单片机的引脚结构 .................................................................................... - 14 - 3．1．2 地址锁存器74LS373 .......................................................................................... - 16 - 3．1．3 程序存储器27128 .............................................................................................. - 17 - 3．1．4 时钟电路的设计 ................................................................................................. - 19 - 3．1．5 复位系统的设计 ................................................................................................. - 20 - 3．2 输入输出通道的设计 ....................................................................................................... - 21 -

3．2．1 输入通道的设计 ................................................................................................. - 22 - 3．2．2输出通道系统的设计 .......................................................................................... - 25 - 3．3 外围设备电路的设计 ....................................................................................................... - 27 -

3．3．1键盘电路的设计 .................................................................................................. - 27 - 3．3．2显示电路的设计 .................................................................................................. - 28 - 3．4 报警系统及电源设计 ....................................................................................................... - 29 - 第四章 系统的软件设计................................................................................................................... - 31 -

4．1 程序设计方法和程序语言的选择 ........................................................................... - 31 - 4．2 主程序的设计................................................................................................................... - 32 -

4．2．1 中断服务子程序的设计 ..................................................................................... - 32 - 4．2．2 采样子程序的设计 ............................................................................................. - 34 - 4．2．3 数字滤波程序设计 ............................................................................................. - 35 - 4．2．4 报警系统的设计 ................................................................................................. - 36 - 4．2．5 按键子程序设计 ................................................................................................. - 37 -

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4．3 系统PID的设计 ............................................................................................................... - 37 - 结束语 ................................................................................................................................................ - 40 - 致 谢 .............................................................................................................................................. - 41 - 参考文献 ............................................................................................................................................ - 42 - 附录1 程序清单 ............................................................................................................................... - 44 - 附录2 系统硬件图 ........................................................................................................................... - 54 -

第一章 绪论

1．1 课题研究的目的和意义

纸张是人们生活和工作所不可缺少的，在人们的生活中占着重要地位。随着国民经济，科学文化教育事业的发展，对纸张的需要无论是数量还是质量都大大提高了。造纸机是生产纸张的主要工具,造纸机生产过程运行的好坏对纸张的产量，质量以及原料的消耗关系很大。造纸工业是许多国民经济配套的、必要的重要原材料工业。随着人们生活水平的提高，纸和纸板所需的品种和数量日益增长，在国民经济中占有越来越重要的地位。我国造纸工业的发展前景十分乐观，但与国外造纸工业相比，还有一定差距。我国造纸工业技术落后，自动化程度很低，绝大部分生产流程还是人工操作，限制了我国造纸工业的发展。另一方面，人们对纸的质量和产量要求越来越高，但是日益严重的世界性能源紧张和工业污染问题，迫使能量消耗多、污染影响大的纸浆造纸业采用各种措施来减少污染，降低能耗。整个制浆造纸生产过程变得越来越复杂，人工操作难以保证达到产品质量，对造纸过程进行自动控制迫在眉睫。所以研究纸机生产过程的控制是有意义的。

在纸张生产中，表示纸张的质量有一系列指标，如定量，水份，灰份，平滑度，光洁度等，其中最重要的是定量和水份。定量就是单位面积纸的重量，它反映了纸张的厚度和均匀度。水份就是纸中的含水率，起值过高，将导致纸页容易撕裂，过低有会导致纸张发脆，撕裂度差。在质量检验时，要求这两项指标都落在一定的公差范围之内。定量控制的效益来自定量偏差的减小。假如生产 100 克/米 的纸张，允许定量偏差为±5 克/米 ，若实现下偏差卡边控制后，使定量稳定在 96 克/米 ，生产同样长度的纸，可节约纸浆 4％。相反，实现上偏差卡边控制后，使定量稳定在 104 克/米 ，生产同样长度的纸，就多用纸浆 4％。水分控制与定量控制类似。

从生产者来说，总是希望产品的定量靠近公差的下限，这样可以节省原料；同时希望水分靠近公差的上限，这样既可以减少烘干所需能源，又可以增加成品纸的重量，在不增加原料能耗的情况下增加产量。但是在生产过程中，由于种种干扰因素的影响，定量和水份的波动总是存在的，它们都是围绕各自平均值上下波动的随机变量。因此，

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为了保证产品合格率，必须使定量的平均值高于公差下限。

1．2 纸机的工艺过程

纸机按结构（主要是网部结构）不同，有长网纸机，圆网纸机，夹网纸机和复合纸机几种类型。它们的基本组成相同，都是由网部、压榨部、干燥部和卷纸机等组成。长网造纸机与其他三种的不同之处，主要是网部由网笼和网槽组成。

长网造纸机是造纸工业中使用最广泛的一种造纸机。如图1-1所示：典型长网造纸机可以看作由多台设备组成的联动机，通常分为湿部和干部两部分。湿部包括浆料流送设备、网部和压榨部；干部包括干燥部、压光机和卷纸机（切纸机）。

图1－1纸张生产过程系统示意图

经过打浆处理的浓纸浆（浓度约为3%），用回水池中的水稀释到0.3%左右，通过除砂与过滤处理后送入稀浆池中。在这里把滑石粉等填料假如稀浆池中，再把稀浆池中的稀浆用泵打入流浆箱内。流浆箱里的液位和压力都要求保持恒定，以保证稀纸浆以恒定的速度由流浆箱均匀地喷到铜网上。铜网上纸浆中的纸纤维量就决定了成品纸张中所含的纸纤维量。它的多少直接影响纸张的厚度，即纸张的定量。纸纤维量由浓纸浆的流量来控制。纸浆在网上被脱水，然后在烘干缸段被挤压，烘干和压光。纸浆脱水和纸页烘干由电机拖动匀速前进，最后成为成品纸卷在卷筒上。烘缸内充有蒸汽，蒸汽流量控制着烘干的程度，即纸张水份的含量。纸张的定量和水份分别由卷筒前面的β射线测厚仪和红外线湿度计来测定，又分别通过调节浆料阀门和蒸汽阀门来得到控制。

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1．3 造纸过程国内外研究现状

造纸起源于我国，是我国古代的四大发明之一。我国东汉时期的蔡伦制成了人类历史上的第一张纸，开创了人类社会文明进步的新纪元,对世界文明的发展与进步，做出了无与伦比的贡献。约 200 年前，机制纸技术首先在欧洲出现，后逐渐传播到世界各地。至今只有少数几个国家不能造纸，绝大多数国家都拥有自己的造纸工业。

随着文化和信息产业的飞速发展，造纸业在全世界产业中的地位已经变得越来越重要，被列为国民经济十大支柱制造产业之一。纸与纸板的消费水平已经成为衡量一个国家现代化水平的重要标志之一。1995 年，全球造纸工业的总销售额为 2600 亿美元，总资产为 4000 亿美元。根据联合国粮农组织（FAO）的统计，全球纸和纸板产量已由 1950 年的 4300 多万吨发展到 1998 年的 3.01 亿吨。建国以来，特别是改革开放以来，我国造纸工业得到了快速发展。纸和纸板的产量从 1950 年的 38 万吨猛增到 2001 年的 3200 万吨，已跃居世界第三位。按产量排序，我国目前可以称为纸业大国，但我国决不是纸业强国[11]-[13]。

1．3．1 国外造纸概况

随着控制理论和计算机技术的发展，制浆造纸工业的自动化也得到了较快发展。国外对制浆过程计算机控制的研究始于上世纪六十年代末，在此期间，研究者建立了各种能适用于计算机控制的数学模型。七十年代初出现了以电子计算机为中心的对整个制浆过程进行控制的自动化系统。1974 年瑞典 Modocell AB 和 ASEALME AutomationAB 公司,研制出具有蒸锅内碱液浓度在线分析的间歇蒸煮计算机控制系统[1]。目前国外先进的间歇计算机控制系统一般都是由过程级、优化级和管理级三级组成，能对整个制浆过程的能源、原料、药液和产量进行优化、管理和控制。国外对回收过程的动态建模和控制方面的研究始于五六十年代，但至今建立的各种模型大多是过阻尼类的线性模型，很难解释多效蒸发系统的欠阻尼振荡现象，而控制策略大多是 PID 反馈加前馈的传统控制方法，现代控制理论的应用还不成熟。

国外对抄纸过程计算机控制的研究始于五十年代末。美国于 1960 年最早实现了造纸过程计算机控制[2]-[3]。美国的 Measurex 公司和 AccuRay 公司，以及德国的 Lippika 公司，是当今世界造纸机定量、水分计算机控制系统最先进的三家公司，这三家公司已有商品化的计算机控制系统，它们的定量仪、水分仪、灰份仪、浓度仪、流量计、控制阀、扫描架和工业控制机都代表了当今世界的最高水平。它们的成套技术和实施技术也是最高水平的，模型和控制算法比较简单。

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