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文檔簡介
1、摘要:隨著微機(jī)測量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用,以單片機(jī)為核心的溫度采集與控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用在很大程度上提高了生產(chǎn)生活中對溫度的控制水平。溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一,特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械等工業(yè)中,具有舉足重輕的作用,因此,溫度控制系統(tǒng)是典型的控制系統(tǒng)。本文介紹了基于單片機(jī)AT89C51 的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與軟硬件實(shí)現(xiàn),論述了一種以STC89C52單片機(jī)為主控制單元,以DS18B20為溫度傳感器的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)定的溫度,通過PID算法調(diào)節(jié)和控制pwm波的輸出,控制晶閘管導(dǎo)通時(shí)間從而控制水溫的自動(dòng)調(diào)節(jié),系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相關(guān)的硬件電路和相關(guān)應(yīng)用程序
2、。硬件電路主要包括STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng),DS18b20測溫電路、鍵盤電路.LCD液晶顯示電路,加熱功率電路等。系統(tǒng)程序主要包括主程序,溫度處理子程序、按鍵處理程序、LCD顯示程序等,pwm波輸出程序。給出了系統(tǒng)總體框架、程序流程圖和Proteus 仿真結(jié)果,并在硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的功能。關(guān)關(guān)鍵詞 單片機(jī);溫度控制系統(tǒng);溫度傳感器;PID控制算法。目 錄1.選題背景-22.設(shè)計(jì)要求-2 2.1設(shè)計(jì)任務(wù)-2 22設(shè)計(jì)要求-23.方案論證比-33.1 溫度檢測電路方案選擇-33.2顯示電路方案選擇 -33.3加熱方案選擇 -33.4控制方法方案選擇 -34總體方案及工作原理-45.系統(tǒng)
3、硬件設(shè)計(jì)-45.1溫度傳感器電路單元 -55.2 輸入電壓單元 -65.3液晶顯示單元-65.4溫度上下限模塊單元 -75.5主控制單元設(shè)計(jì) -76.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) -96.1 PID控制程序算法 -96.2 PWM脈寬調(diào)制技術(shù) -126.3 控制系統(tǒng)程序 -137.設(shè)計(jì)結(jié)論及總結(jié)-19參考文獻(xiàn)資料-211.選題背景對于不同場所、不同工藝、所需溫度高低 范圍不同、精度不同,則采用的測溫元件、測溫方法以及對溫度的控制方法也將不同;產(chǎn)品工藝不同、控制溫度的精度不同、時(shí)效不同,則對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同,因而,對溫度的測控方法多種多樣。 技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展,微機(jī)測量和控制技術(shù)也得
4、到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。利用微機(jī)對溫度進(jìn)行測控的技術(shù),也便隨之而生,并得到日益發(fā)展和完善,越來越顯示出其優(yōu)越性。目前, 單片微機(jī)已普遍地作用于生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制領(lǐng)域中。單片機(jī)以其體積小、價(jià)格低廉、可用其構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的智能控制單元和可靠性高等特點(diǎn), 受到廣大工程技術(shù)人員的重視。溫度是生產(chǎn)過程中最常見的物理量, 許多生產(chǎn)過程是以溫度作為其被控參數(shù)的。因此,溫度控制系統(tǒng)是典型的控制系統(tǒng)2.課題設(shè)計(jì)要求:2.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng),控制對象為300W或400W電阻爐,容器為薄壁不銹鋼可以加溫的器皿。22設(shè)計(jì)要求基本要求(1)調(diào)溫功能,水溫可以在0100范圍內(nèi)由人工設(shè)定,人
5、工設(shè)定溫度后系統(tǒng)自動(dòng)控制加熱或降溫,最小區(qū)分度為0.1,所測溫度和實(shí)際溫度偏差1。(2)恒溫功能,在環(huán)境溫度變化時(shí)(例如用電風(fēng)扇降溫,電壓波動(dòng))實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,以保持容器內(nèi)根據(jù)設(shè)定的溫度保持基本不變。(3)用LCD或LED顯示:水的設(shè)定溫度、實(shí)際溫度、工作時(shí)間等參數(shù)信息。2.2.2發(fā)揮部分(1)采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?,?dāng)設(shè)定溫度突變(由70提高到90)時(shí),減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。(2)采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?,?dāng)突加涼水?dāng)_動(dòng)時(shí),減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。(3)溫度控制的靜態(tài)誤差0.5。3.方案論證比較3.1溫度檢測電路的方案選擇: 方案一:用普通半導(dǎo)體溫度傳感器作為敏感元件,再結(jié)合電壓放大器和AD轉(zhuǎn)
6、換器將感應(yīng)到的溫度數(shù)值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存儲(chǔ)在某一單元內(nèi)。但由于該方案所需元件較多,且電路較繁,調(diào)試起來較復(fù)雜,所以舍之不用。方案二:使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測溫度,內(nèi)含AD轉(zhuǎn)換器,因此線路連接十分簡單,它無需其他外加電路,直接輸出數(shù)字量,可直接與單片機(jī)通信,讀取測溫?cái)?shù)據(jù),電路十分簡單,它能夠達(dá)到0.5的固有分辨率,使用讀取溫度暫存寄存器的方法還能達(dá)到0.2以上精度,應(yīng)用方便,這樣的電路主要工作量就集中到了單片機(jī)軟件編程上,故我們選用該方案。3.2顯示電路的方案選擇:方案一:使用數(shù)碼管顯示,通過數(shù)碼管顯示被測溫度和設(shè)定溫度。該方案程序簡單,但硬件占用單片機(jī)I/O口較多,對于盡量節(jié)約端口,讓
7、線路簡單來說不是好方法,而且顯示也不夠直觀靈活,只能顯示數(shù)字,不能顯示漢字顯示功能提示,故不適合本次設(shè)計(jì)應(yīng)用。 方案二:使用液晶屏lcd12864,可以顯示字母,數(shù)字及漢字,而且一次可以顯示4行,顯示很直觀,通過字幕顯示模式、溫度、曲線。該方案程序較復(fù)雜,而且lcd12864的價(jià)格昂貴,對于節(jié)約成本的角度來說,我們選擇放棄選擇方案二。方案三:使用液晶屏1602顯示,可以顯示設(shè)定溫度及測量溫度,但顯示時(shí)1602能顯示兩行能顯示字符及數(shù)字,不能顯示漢字及曲線,完全滿足本次設(shè)計(jì)的要求,而且成本低廉,設(shè)計(jì)簡單可靠,故選擇方案三。3.3加熱方案的選擇:方案一:使用電熱爐進(jìn)行加熱,控制電爐的功率即可控制加
8、熱速度,當(dāng)水溫過高時(shí),關(guān)掉電爐即可,但考慮到電爐成本較高,且精度不好控制,故不選用。方案二:固態(tài)繼電器控制加熱器工作,固態(tài)繼電器使用非常簡單,而且沒有觸點(diǎn),無需外加光耦,自身就可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離,還可以頻繁動(dòng)作??梢允褂妙愃苝wm的方式,通過控制固態(tài)繼電器的開,斷時(shí)間比來達(dá)到控制加熱器功率的目的,適合功率不大精度不高,簡易水溫控制系統(tǒng)。方式三:是使用可控硅控制加熱器的工作。可控硅是一種半控器件,通過控制導(dǎo)通角的方式來控制,對每個(gè)周期的交流電進(jìn)行控制,因?yàn)閷?dǎo)通角連續(xù)可調(diào),故控制精度較高,且元件便宜,易于制作,我們選擇方案三。3.4控制方法選擇方案:方案一:采用普通的控制方法,即隨著水溫的變化調(diào)節(jié)溫
9、度,但局限性太小,由于水溫變化快,且慣性大,不易控制精度,故采用普通控制方法顯得力不從心。方案二:采用控制加PID算法,通過采用PWM可以產(chǎn)生一個(gè)波形,而PWM波形的占空比是通過PID算法調(diào)節(jié),這樣就可以調(diào)節(jié)加熱棒的功率進(jìn)而控制溫度的變化,從而使精度提高,我們選擇方案二。4.總體方案及工作原理溫度傳感器 DS18B20 從設(shè)備環(huán)境的不同位置采集溫度,單片機(jī) AT89S51 獲取采集的溫度值,經(jīng)處理后得到當(dāng)前環(huán)境中一個(gè)比較穩(wěn)定的溫度值,再根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的溫度上下限值,通過加熱和降溫對當(dāng)前溫度進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后超過設(shè)定溫度的上限時(shí),當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后低于設(shè)定溫度的下時(shí) , 單片機(jī)通過控
10、制晶閘管開啟升溫設(shè)備 (加熱器) 。 系統(tǒng)總體的原理框圖如下;PC機(jī)MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片鍵盤電路AT89S518BIT CPU數(shù)據(jù)顯示DS18B20 溫度芯片數(shù)據(jù)傳輸輸入電源加熱器雙向可控硅系統(tǒng)工作原理框圖 5.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)對題目進(jìn)行深入的分析和思考,可以將整個(gè)系統(tǒng)硬件總體分為以下幾個(gè)方面:5.1 溫度傳感器電路單元測溫電路是使用DS18b20數(shù)字式溫度傳感器,它無需其他的外加電路,直接輸出數(shù)字量,可直接與單片機(jī)通信,讀取測溫?cái)?shù)據(jù),電路十分簡單。它能夠達(dá)到0.5的固有分辨率,使用讀取溫度的暫存寄存器的方法還能達(dá)到0.2以上的精度。DS18B20溫度傳感器只有三根外引線:單線數(shù)據(jù)傳輸總線端口
11、DQ ,外供電源線VDD,共用地線GND。外部供電方式(VDD接+5V,且數(shù)據(jù)傳輸總線接4.7k的上拉電阻。綜上,在本系統(tǒng)中我采用溫度芯片DS18B20測量溫度。該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定,它能用做工業(yè)測溫元件,且此元件線形較好。在0100攝氏度時(shí),最大線形偏差小于1攝氏度。該芯片直接向單片機(jī)傳輸數(shù)字信號(hào),便于單片機(jī)處理及控制。DS18B20接口電路 DS18B20實(shí)物圖5.2 輸入電壓單元控制系統(tǒng)主控制部分電源需要用5V直流電源供電,其電路所示,把頻率為50Hz、有效值為220V的單相交流電壓轉(zhuǎn)換為幅值穩(wěn)定的5V直流電壓。其主要原理是把單相交流電經(jīng) 過電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)
12、換成穩(wěn)定的直流電壓。 由于輸入電壓為電網(wǎng)電壓,一般情況下所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效值相差較大,因而電源變壓器的作用顯現(xiàn)出來起到降壓作用。降壓后還是交流電壓,所以需要整流電路把交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。由于經(jīng)整流電路整流后的電壓含有較大的交流分量,會(huì)影響到負(fù)載電路的正常工作。需通過低通濾波電路濾波,使輸出電壓平滑。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變化的影響,從而獲得穩(wěn)定性足夠高的直流電壓。本電路使用集成穩(wěn)壓芯片7805解決了電源穩(wěn)壓問題。5.3 液晶顯示單元LCM1602 是2 行×16 個(gè)字符的字符型LCD 顯示器,它由32 個(gè)字符點(diǎn)陣塊組成,每個(gè)字
13、符點(diǎn)陣塊由5×7 或5×10 個(gè)點(diǎn)陣組成,可以顯示ASCII 碼表中的所有可視的字符。它內(nèi)置了字符產(chǎn)生器ROM (Character Generator ROM,CGROM)、 字符產(chǎn)生器RAM (CharacterGenerator RAM, CGRAM)和顯示數(shù)據(jù)RAM(Data Display RAM, DDRAM)。CGROM 中內(nèi)置了192個(gè)常用字符的字模,CGRAM 包含8 個(gè)字節(jié)的RAM,可存放用戶自定義的字符,DDRAM 就是用來寄存待顯示的字符代碼。P3.0、P3.1、P3.2接LCD1602的三個(gè)控制引腳,P4口作為LCD1602的數(shù)據(jù)接口。通過對控制引
14、腳的控制,從而實(shí)現(xiàn)溫度顯示的功能。5.4 溫度上下限鍵盤設(shè)置模塊溫度上下限設(shè)置模塊包括四個(gè)按鍵:(1)模式切換鍵:進(jìn)行模式之間的切換,模式包括設(shè)置溫度上限模式、設(shè)置溫度下限模式,每次按下該鍵就在這兩種模式之間切換。(2)溫度上下限增加鍵:增加溫度上下限的值。(3)溫度上下限減少鍵:減少溫度上下限的值。(4)溫控開關(guān)鍵:是溫控與非溫控之間的切換鍵。它用于設(shè)置是否進(jìn)行溫度控制即是否讓越界的溫度值觸發(fā)加熱器的啟動(dòng)5.5 主控制單元設(shè)計(jì): AT89S51 是一個(gè)低功耗,高性能CMOS 8位單片機(jī),片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Fl
15、ash只讀程序存儲(chǔ)器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造,兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu),芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元,功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89S51具有如下特點(diǎn):40個(gè)引腳,4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器,128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM),32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)口,5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷,2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口,看門狗(WDT)電路,片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外,AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩
16、頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式??臻e模式下,CPU暫停工作,而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器,串行口,外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作,掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù),停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式,以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。由于系統(tǒng)控制方案簡單 ,數(shù)據(jù)量也不大 ,考慮到電路的簡單和成本等因素 ,因此在本設(shè)計(jì)中選用 A TMEL 公司的 A T89S51單片機(jī)作為主控芯片。主控模塊采用單片機(jī)最小系統(tǒng)是由于 A T89S51芯片內(nèi)含有4 kB的 E2PROM ,無需外擴(kuò)存儲(chǔ)器 ,電路簡單可靠 ,其時(shí)鐘頻率為 024 MHz ,并且價(jià)格低廉 ,
17、批量價(jià)在 10元以內(nèi)。其主要功能特性: 兼容MCS-51指令系統(tǒng) 4k可反復(fù)擦寫(>1000次)ISP Flash ROM 32個(gè)雙向I/O口 4.5-5.5V工作電壓 2個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器 時(shí)鐘頻率0-33MHz 全雙工UART串行中斷口線 128x8 bit內(nèi)部RAM 2個(gè)外部中斷源 低功耗空閑和省電模式 中斷喚醒省電模式 3級(jí)加密位 看門狗(WDT)電路 軟件設(shè)置空閑和省電功能 靈活的ISP字節(jié)和分頁編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 可以看出AT89S51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能:4K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器,128字節(jié)內(nèi)部RAM,32個(gè)I/O口線,看門狗(WDT),兩個(gè)數(shù)據(jù)指針,兩個(gè)16位
18、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,一個(gè)5向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu),一個(gè)全雙工串行通信口,片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘。同時(shí), AT89S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作,并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式??臻e方式停止CPU的工作,但允許RAM,定時(shí)/計(jì)數(shù)器,串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式何在RAM中的內(nèi)容,但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一個(gè)硬件復(fù)位。AT89S51單片機(jī)引腳圖 6.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)6.1 PID控制程序算法 6.1.1 PID算法簡介PID控制算法是控制理論中應(yīng)用很廣泛的一種算法,對于一般控制系統(tǒng)來說,PID算法從某種意義來說具有通用性,對各種系統(tǒng)具有廣泛的適用性,通過現(xiàn)場的參數(shù)調(diào)試,可以達(dá)到很好的
19、控制效果。對于我們這次水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),我們同樣也可以使用PID控制算法,具體算法如下: e(i)=t測-t設(shè) E= (2) 算法中,u(i)為當(dāng)時(shí)的功率輸出。T為采樣時(shí)間,E為誤差積累,KP為比例常數(shù),Ti為積分常數(shù),Td為微分常數(shù)。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng),調(diào)節(jié)這三個(gè)常數(shù),可以達(dá)到很好的效果。大多數(shù)的溫度控制系統(tǒng)可以看作一階純滯后環(huán)節(jié),由于本系統(tǒng)純滯后時(shí)間較小,故可采用PID(比例、積分、微分)控制算法實(shí)施控制。61.2 PID控制作用PID是比例(P)、積分(I)和微分(D)3個(gè)控制作用的組合。連續(xù)系統(tǒng)PID控制器的微分方程為:y(t)= KPPe(t)+ (4-1)式中 y(t)為控制器的輸出;
20、e(t)為控制器的輸入;KP比例放大系數(shù);TI為控制器的積分時(shí)間常數(shù);TD為控制器的微分時(shí)間常數(shù)。顯然,KP越大,控制器的控制作用越強(qiáng);只要e(t)不為0,積分項(xiàng)會(huì)因積分而使控制器的輸出變化;只要e(t)有變化的趨勢,控制器就會(huì)在微分作用下,在偏差出現(xiàn)且偏差不大時(shí)提前給輸出一個(gè)較強(qiáng)的控制作用。6.1.3 PID算法的微機(jī)實(shí)現(xiàn)由于微機(jī)控制系統(tǒng)是一種時(shí)間離散控制系統(tǒng),故必須把微分方程離散化為差分方程,最終寫出遞推公式才能直接應(yīng)用。顯然: (4-2) (4-3)于是, KPe(n)+e(n)-e(n-1) (4-4)式中t=T,為采樣周期;e(t)為第n次采樣的偏差值;e(n-1)為第(n-1)次采
21、樣時(shí)的偏差值;n為采樣序列,n=0,1,2,。由式(4-4)可以看出:計(jì)算一次Y(n),不僅需要的存儲(chǔ)器空間大,而且計(jì)算量也很大,于是進(jìn)一步寫出遞推公式:由 Y(n-1)= KP e(n-1)+ +e(n-1)-e(n-2) (4-5) 由式(4)減去式(5)得: Y(n)=Y(n)-Y(n-1) =KP e(n)-e(n-1)+e(n)-2e(n-1)+e(n-2) = KPe(n)-e(n-1)+ KI e(n)+KDe(n)-2e(n-1)+e(n-2) (4-6) 或 Y(n)=Y(n-1)+ KPe(n)-e(n-1)+ KI e(n)+KDe(n)-2e(n-1)+e(n-2)(4
22、-7)式中 KI=KP,稱為積分常數(shù);KD=KP,稱為微分常數(shù)。數(shù)字PID控制的參數(shù)選擇一、數(shù)字PID參數(shù)的原則要求和整定方法1、原則要求:被控過程是穩(wěn)定的,能迅速和準(zhǔn)確地跟蹤給定值的變化,超調(diào)量小,在不同干下系統(tǒng)輸出應(yīng)能保持在給定值,操作變量不宜過大,在系統(tǒng)與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化控制應(yīng)保持穩(wěn)定。顯然,要同時(shí)滿足上述各項(xiàng)要求是困難的,必須根據(jù)具體過程的要求,滿足主要方面,并兼顧其它方面。2、PID參數(shù)整定方法:理論計(jì)算法依賴被控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型(一般較難做到)工程整定法不依賴被控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型,直接在控制系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場整定(簡單易行)二、常用的簡易工程整定法1、擴(kuò)充臨界比例度法適用于有自平衡
23、特性的被控對象整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟是:(1)選擇采樣周期為被控對象純滯后時(shí)間的十分之一以下。(2)去掉積分作用和微分作用,逐漸增大比例度系數(shù)直至系統(tǒng)對階躍輸入的響應(yīng)達(dá)到臨界振蕩狀態(tài)(穩(wěn)定邊緣),記下此時(shí)的臨界比例系數(shù)及系統(tǒng)的臨界振蕩周期。(3)選擇控制度。通常,當(dāng)控制度為1.05時(shí)。就可以認(rèn)為DDC與模擬控制效果相當(dāng)。(4)根據(jù)選定的控制度,查表5-3-2求得T、KP、TI、TD的值。2、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法適用于多容量自平衡系統(tǒng)參數(shù)整定步驟如下:(1)讓系統(tǒng)處于手動(dòng)操作狀態(tài),將被調(diào)量調(diào)節(jié)到給定值附近,并使之穩(wěn)定下來,然后突然改變給定值,給對象一個(gè)階躍輸入信號(hào)。(2)用記錄儀表記錄被調(diào)量在階躍輸
24、入下的整個(gè)變化過程曲線,如圖所示。(3)在曲線最大斜率處作切線,求得滯后時(shí)間,被控對象時(shí)間常數(shù)T以及它們的比值T/。(4)由求得的、T及T/查表5-3-3,即可求得數(shù)字調(diào)節(jié)器的有關(guān)參數(shù)KP、TI、TD及采樣周期T。3、歸一參數(shù)整定法令,。則增量型PID控制的公式簡化為 改變KP,觀察控制效果,直到滿意為止。54數(shù)字PID控制的工程實(shí)現(xiàn)6.2 PWM脈寬調(diào)制技術(shù)脈寬調(diào)制(PWM)基本原理:控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制,使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖,使各脈沖的等值電壓為正弦波形,所獲得的輸出平滑且低
25、次諧波少。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制,即可改變逆變電路輸出電壓的大小,也可改變輸出頻率。 例如,把正弦半波波形分成N等份,就可把正弦半波看成由N個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等,都等于 /n ,但幅值不等,且脈沖頂部不是水平直線,而是曲線,各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替,使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合,且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積(即沖量)相等,就得到一組脈沖序列,這就是PWM波形??梢钥闯?,各脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理,PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦的負(fù)半周,也可以
26、用同樣的方法得到PWM波形。在PWM波形中,各脈沖的幅值是相等的,要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí),只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可,因此在交直交變頻器中,整流電路采用不可控的二極管電路即可,PWM逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側(cè)電壓的幅值。根據(jù)上述原理,在給出了正弦波頻率,幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后,PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷,就可以得到所需要的PWM波形。6.3控制系統(tǒng)程序系統(tǒng)主函數(shù):#include<reg52.h> /包含51單片機(jī)頭文件#include<math.h> /包含數(shù)學(xué)計(jì)算頭文件#incl
27、ude"Delay.h" /包含用戶頭文件delay.h,作用:延時(shí)#include"LCD1602.h" /包含用戶頭文件LCD_1602.h,作用:驅(qū)動(dòng)1602液晶顯示器顯示#include"DS18B20.h" /包含用戶頭文件ds18b20.h,作用:驅(qū)動(dòng)溫度傳感器測量當(dāng)前溫度#include"KeyScan.h" /包含用戶頭文件Keyscan.h,作用:鍵盤掃描,獲取按鍵值#define uchar unsigned char /用uchar代替unsigned char#define uint uns
28、igned int /用uint代替unsigned intsbit kaitong = P20; /定義電熱杯開通關(guān)斷引腳int PrevError = 0; /定義上上一次偏差值int LastError = 0; /定義上一次偏差值int Error = 0; /定義當(dāng)前偏差值int PError,IError,DError; /中間變量int LastValue; /上一次的輸出值int NowValue; /本次的輸出值int Full,Part; /加熱占空比調(diào)節(jié)參數(shù)int SetValue=600; /初始化溫度值60度float Proportion = 0.5; /定義比例參
29、數(shù)float Integral = 0.1; /定義積分參數(shù)float Derivative = 1; /定義微分參數(shù)int PIDCalc(int NextValue)/增量式PID計(jì)算部分 PrevError = LastError; /將上一次偏差LastError賦給上上一次偏差PrevErrorLastError = Error; /將當(dāng)前偏差Error賦給上一次偏差LastErrorError = keyscan() - NextValue; /將新的偏差賦給當(dāng)前偏差Error 偏差是絕對值,有錯(cuò)LastValue = NowValue;/將本次輸出值賦給上一次輸出值if(Erro
30、r >=100)return(20);else if(Error<100)&&(Error>=50)return(14);else if(Error<50)&&(Error>=0)PError = Proportion *(Error - LastError);IError = Integral *Error;DError = Derivative *(Error - 2 * LastError + PrevError);NowValue =PError + IError + DError + LastValue; return N
31、owValue; /計(jì)算PID控制值else return 0;void main()/uint ccc=100;LCD_init(); /初始化LCDsetPosition(1,2); /從第1行第2個(gè)字符位開始顯示“Welcom to”prints("Welcom to");setPosition(2,5); /從第1行第2個(gè)字符位開始顯示“SUST”prints("SUST");delayl(1000); /延時(shí),使歡迎界面在屏幕上停留片刻LCD_init(); /初始化LCDwhile(1) Part = PIDCalc(readtemp();F
32、ull+; /加1,if(Full > 20) /如果full大于20,則復(fù)位為1Full = 1;if(Full <= Part) /判斷PID計(jì)算值,如果Full小于等于該值,則開通發(fā)熱管;否則關(guān)斷kaitong = 0;elsekaitong = 1;/*從第2行第2字符位開始顯示設(shè)定溫度值*/setPosition(1,0); IntToStr(keyscan(),buffer,3); /處理溫度值,以便顯示/prints("SV:"); /顯示"SET:"printc(buffer0); /顯示十位printc(buffer1);
33、/顯示個(gè)位printc('.'); /顯示小數(shù)點(diǎn)printc(buffer2); /顯示十分位printc(0xDF); /顯示攝氏度符號(hào)右上角的小圓圈printc('C'); /顯示攝氏度符號(hào)“C”/*從第1行第2字符位開始顯示當(dāng)前溫度值*/setPosition(1,8); IntToStr(readtemp(),buffer,3); /處理溫度值,以便顯示/prints("PV:"); /顯示"CUR:"printc(buffer0); /顯示十位printc(buffer1); /顯示個(gè)位printc('.
34、'); /顯示小數(shù)點(diǎn)printc(buffer2); /顯示十分位printc(0xDF); /顯示攝氏度符號(hào)右上角的小圓圈printc('C'); /顯示攝氏度符號(hào)“C”setPosition(2,0); IntToStr(NowValue,buffer,3); /處理溫度值,以便顯示printc(buffer0); /顯示十位printc(buffer1); /顯示個(gè)位printc(buffer2);setPosition(2,4); IntToStr(PError,buffer,3); /處理溫度值,以便顯示printc(buffer0); /顯示十位printc
35、(buffer1); /顯示個(gè)位printc(buffer2);setPosition(2,8); IntToStr(IError,buffer,3); /處理溫度值,以便顯示printc(buffer0); /顯示十位printc(buffer1); /顯示個(gè)位printc(buffer2);setPosition(2,12); IntToStr(DError,buffer,3); /處理溫度值,以便顯示printc(buffer0); /顯示十位printc(buffer1); /顯示個(gè)位printc(buffer2); 延時(shí)程序#ifndef Delay#define Delay#def
36、ine uint unsigned int#define uchar unsigned charvoid delayl(uint n)/長延時(shí)n毫秒uint i,j;for(i=n;i>0;i-)for(j=114;j>0;j-);void delays(uchar i)/短延時(shí)while(i-);#endif6.3.3 LCD1602驅(qū)動(dòng)程序#ifndef LCD1602#define LCD1602 #include"Delay.h"/*端口定義*/sbit ledrs=P23;/讀寫控制字,數(shù)據(jù)/命令,H/L sbit leden=P25;/使能端控制字,
37、高有效sbit ledrw=P24;/讀/寫,H/L,1=讀,0=寫,uchar buffer3;void write_com(uchar com) ledrw=0;ledrs=0;P0=com;delays(200);leden=1;delays(200);leden=0;void write_data(uchar date) ledrw=0;ledrs=1;P0=date; /準(zhǔn)備數(shù)據(jù)delays(200);leden=1; /激活LCD(Enabled)delays(200);leden=0;void LCD_init() /初始化LCDleden=0;write_com(0x38);
38、/8位數(shù)據(jù)接口,兩行顯示write_com(0x0c); /顯示開關(guān)控制write_com(0x06); /輸入方式設(shè)置write_com(0x01); /清屏 void setPosition(uchar x,uchar y)uchar pos;switch(x%2)case 1:pos=0x80+y;break; /第一行case 0:pos=0xc0+y;break; /第二行write_com(pos); /寫入定位命令 void printc(uchar a) /寫入一個(gè)字符write_data(a);void prints(uchar * str)/寫入字符串 uchar i =
39、0; while(stri != '0') write_data(stri+);/寫一個(gè)字符,指向下一個(gè) void IntToStr(uint t, uchar *str, uchar n) uchar a5; char i, j; /取得整數(shù)值到數(shù)組 a0=t/100; /百位 a1=(t/10)%10; /十位 a2=t%10; /個(gè)位 for(i=0; i<3; i+) /轉(zhuǎn)成ASCII碼 +32 ai=ai+'0' for(i=0; ai='0' && i<=3; i+); for(j=3-n; j<i;
40、 j+) /填充空格 *str=' ' str+; for(; i<3; i+) *str=ai; str+; /加入有效的數(shù)字*str='0' #endif6.3.4 DS18B20驅(qū)動(dòng)程序#ifndef DS18B20#define DS18B20#include"Delay.h"sbit DQ =P22; /定義通信端口uchar Init_DS18B20(void) uchar x=0; DQ = 1; /DQ復(fù)位 delays(2); /稍做延時(shí) DQ = 0; /將DQ拉低 delays(80); /精確延時(shí)大于480us
41、DQ = 1; /將DQ拉高 delays(3); x=DQ; /稍做延時(shí)后如果x=0則初始化成功,如果x=1則初始化失敗 delays(50); return (x);int ReadOneChar(void)uchar i=0;uchar dat=0;DQ = 1;for (i=8;i>0;i-) /一個(gè)字節(jié)共8位,讀8次DQ = 0; / 給脈沖信號(hào),開始讀dat>>=1; / DAT右移一位DQ = 1; / 給脈沖信號(hào)if(DQ)dat|=0x80;/ 若DQ=1,DAT或立即數(shù)#80h,若DQ=0,DAT只右移delays(40); return(dat);void WriteOneChar(uchar dat) uchar i=0; DQ=1; for (i=8; i>0; i-) /一個(gè)字節(jié)共8位,寫8次 DQ = 0; DQ = dat&0x01; /取出數(shù)據(jù)的最低位(即最右邊的一位) delays(5); DQ = 1; dat>>=1; /寫完了一位 ,右移一次 int readtemp()uchar a=0;uchar b=0;uint t=0;float tt=0; de
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