單片機(jī)原理與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

1、二一四二一五 學(xué)年第 二學(xué)期信息科學(xué)與工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)課程名稱：?jiǎn)纹瑱C(jī)原理與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)班 級(jí)： 自動(dòng)化1201班 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 周鳳星 二一五 年 六 月1、 設(shè)計(jì)題目、任務(wù)和要求1、設(shè)計(jì)題目 水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2、設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)水溫控制系統(tǒng)對(duì)象的傳遞函數(shù)：，爐子為電爐結(jié)構(gòu)，單相交流220V供電。溫度設(shè)定值：室溫100，可以根據(jù)要求任意調(diào)節(jié)。要求：（1）畫出電路原理圖，包括：給定值、反饋、顯示的電路及主電路；（2）闡述電路的工作原理；（3）采用對(duì)象為大滯后的算法，求出u(k)；（4）畫出閉環(huán)數(shù)字控制的程序框圖。3、設(shè)計(jì)報(bào)告及書(shū)寫要求課程設(shè)計(jì)任務(wù)完成之后，每位同學(xué)

2、必須獨(dú)立書(shū)寫一份課程設(shè)計(jì)報(bào)告，注意：不得抄襲他人的報(bào)告。課程設(shè)計(jì)報(bào)告的內(nèi)容應(yīng)包括以下五個(gè)部分： （1）設(shè)計(jì)題目和設(shè)計(jì)要求； （2）設(shè)計(jì)任務(wù)分析（包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制方案）； （3）詳細(xì)設(shè)計(jì)：（包括水溫控制系統(tǒng)的有關(guān)知識(shí)的介紹、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析以及改善； （4）課程設(shè)計(jì)總結(jié)：包括課程設(shè)計(jì)過(guò)程中的學(xué)習(xí)體會(huì)與收獲。二、設(shè)計(jì)任務(wù)分析1、總電路圖的設(shè)計(jì) 隨著溫度控制系統(tǒng)功能越來(lái)越強(qiáng)，可靠性和準(zhǔn)確性的要求也越來(lái)越高。以前溫度控制系統(tǒng)大部分都是基于數(shù)字電路組成的。其功能比較單一，使用起來(lái)也不理想，制作過(guò)程復(fù)雜，而且準(zhǔn)確性與可靠性不高，成品面積大，安裝、維護(hù)困難。由于近年來(lái)單片機(jī)的發(fā)展迅速，逐漸出現(xiàn)用單片機(jī)制作

3、，制作簡(jiǎn)單、安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單。由于我國(guó)工業(yè)化信息化程度不斷加深，溫度已成為工業(yè)對(duì)象控制中的重要參數(shù)，廣泛的使用在各種熱處理爐、加熱爐、反應(yīng)爐等。故本設(shè)計(jì)采用以ATS89C51單片機(jī)為核心的一個(gè)爐溫控制系統(tǒng)來(lái)降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)具有對(duì)電爐溫度的給定，定時(shí)檢測(cè)和調(diào)節(jié)對(duì)電爐溫度實(shí)時(shí)控制，溫度數(shù)據(jù)顯示等功能。其總電路圖如圖（1）所示。圖（1）總電路圖2、控制方案的設(shè)計(jì) 在熱工化工等許多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，由于被控對(duì)象模型的不確定性，參數(shù)隨時(shí)間的飄逸性以及含有純滯后環(huán)節(jié)，因此，如果要求控制系統(tǒng)的輸出值在最小拍內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，則不但不能達(dá)到預(yù)期的效果，反而會(huì)產(chǎn)生較大的系統(tǒng)超調(diào)和震蕩。這類控制系統(tǒng)對(duì)快速

4、性的要求是次要的，其主要指標(biāo)是系統(tǒng)無(wú)超調(diào)或超調(diào)很小，并且允許有較長(zhǎng)的調(diào)整時(shí)間，在這種條件下，采用純滯后對(duì)象的控制算法大林算法往往會(huì)有比價(jià)好的控制效果。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖（2）。 圖（2） 單片機(jī)爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3、 詳細(xì)設(shè)計(jì)1、水溫控制系統(tǒng)的介紹 由于水溫控制系統(tǒng)的控制對(duì)象具有熱存儲(chǔ)能力大，慣性也較大的特點(diǎn)。水在容器內(nèi)的流動(dòng)或熱量傳遞都存在一定的阻力，因而可以歸于具有純滯后的一階大慣性環(huán)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，熱過(guò)程大多具有較大的滯后，它對(duì)任何信號(hào)的響應(yīng)都會(huì)推遲一段時(shí)間，使輸出與輸入之間產(chǎn)生相移。 對(duì)于慣性較大的過(guò)程可以簡(jiǎn)單地采用輸出開(kāi)關(guān)量控制的方法。這種方法通過(guò)比較給定值與被控參數(shù)的偏差來(lái)控制輸出的狀態(tài)

5、：開(kāi)關(guān)或者通斷，因此控制過(guò)程十分簡(jiǎn)單，也容易實(shí)現(xiàn)。但由于輸出控制量只有兩種狀態(tài)，使被控參數(shù)在兩個(gè)方向上變化的速率均為最大，因此容易硬氣反饋回路產(chǎn)生振蕩，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生十分不利的影響，甚至?xí)驗(yàn)檩敵鲩_(kāi)關(guān)的頻繁動(dòng)作而不能滿足系統(tǒng)對(duì)控制精度的要求。因此，這種控制方案一般在大慣性系統(tǒng)對(duì)控制精度和動(dòng)態(tài)特性要求不高的情況下采用。 單片機(jī)溫控系統(tǒng)多種多樣，針對(duì)不同的被控對(duì)象可以設(shè)計(jì)出不同的硬件電路。為了實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，我采用了以AT89C51為控制核心的單片機(jī)控制系統(tǒng)，溫度實(shí)現(xiàn)控制采用的是溫度傳感器DS1820的測(cè)量值，與系統(tǒng)給定值比較得到不同的PWM值來(lái)觸發(fā)光電耦合器使主電路導(dǎo)通或斷開(kāi)，從而對(duì)

6、電爐（本設(shè)計(jì)以電阻R11代替）進(jìn)行加熱或者不加熱（降溫）。并采用LCD1602液晶屏顯示水的給定溫度和實(shí)際溫度。通過(guò)按鍵ADD，SUB實(shí)現(xiàn)給定溫度的變化。主程序主要處理系統(tǒng)初始化（包括控制參數(shù)、給定溫度等）、按鍵掃描、采樣溫度值及其D/A轉(zhuǎn)換與給定值進(jìn)行比較，輸出PWM等。系統(tǒng)靈敏度高和抗干擾性強(qiáng)，具備較高的測(cè)量和控制精度。2、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1、電路部分的設(shè)計(jì) 由于本系統(tǒng)需要溫度顯示、溫度給定、測(cè)溫和溫度控制等要求。則顯示部分我采用的是LCD1602進(jìn)行顯示；給定溫度的調(diào)節(jié)我采用的是ADD/SUB兩個(gè)按鍵進(jìn)行調(diào)節(jié)；測(cè)溫我采用的是DS1802單線數(shù)字溫度傳感器；通過(guò)光電耦合電路實(shí)現(xiàn)溫度的控制。2

7、.1.1、單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)主要是由外部晶振加復(fù)位電路組成，因?yàn)镻0口缺少內(nèi)部上拉電阻，這里用了一個(gè)RP1的上拉電阻群如圖（3）。圖（3）單片機(jī)最小系統(tǒng)2.1.2、顯示電路（LCD1602） 1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。 1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶

8、模塊（顯示字符和數(shù)字）。 目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶如圖（4）。圖（4）顯示電路（LCD1602）2.1.3、溫度調(diào)節(jié)電路 當(dāng)程序給定一個(gè)基本溫度時(shí)然后需要在此基礎(chǔ)之上重新升高或者降低給定溫度，則可以分別通過(guò)按下按鍵ADD/SUB進(jìn)行操作如圖（5）。圖（5）溫度調(diào)節(jié)電路2.1.4、溫度測(cè)量電路 DSl820數(shù)字溫度計(jì)提供9位溫度讀數(shù)，指示器件的溫度。信息經(jīng)過(guò)單線接口送入DSl820或從DSl820送出，因此從中央處理器到DSl820僅需連接一條線（和地）。讀、寫和完

9、成溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供，而不需要外部電源。因?yàn)槊恳粋€(gè)DSl820有唯一的系列號(hào)（silicon serial number），因此多個(gè)DSl820可以存在于同一條單線總線上。這允許在許多不同的地方放置溫度靈敏器件。此特性的應(yīng)用范圍包括HVAC環(huán)境控制，建筑物、設(shè)備或機(jī)械內(nèi)的溫度檢測(cè)，以及過(guò)程監(jiān)視和控制中的溫度檢測(cè)如圖（6）。圖（6）溫度測(cè)量電路 在DSl820內(nèi)部完成以提供0.5的分辯率。溫度讀數(shù)以16位、符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供。表l說(shuō)明輸出數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)量溫度的關(guān)系。數(shù)據(jù)在單線接口上串行發(fā)送。DSl820可以以0.5的增量值，在0.5至+125的范圍內(nèi)測(cè)量溫度。對(duì)于應(yīng)用

10、華氏溫度的場(chǎng)合，必須使用查找表或變換系數(shù)。以下的過(guò)程可以獲得較高的分辯率。首先，讀溫度，并從讀得的值截去0.5位（最低有效位）。這個(gè)值便是TEMP_READ。然后可以讀留在計(jì)數(shù)器內(nèi)的值。此值是門開(kāi)通期停止之后計(jì)數(shù)剩余表1 溫度數(shù)據(jù)關(guān)系2.1.5、溫度控制電路 溫度實(shí)現(xiàn)控制采用的是溫度傳感器DS1820的測(cè)量值，與系統(tǒng)給定值比較得到不同的PWM值來(lái)觸發(fā)光電耦合器使主電路導(dǎo)通或斷開(kāi)，從而對(duì)電爐（本設(shè)計(jì)以電阻R11代替）進(jìn)行加熱或者不加熱（降溫）如圖（7）。圖（7）溫度控制電路2.1.6監(jiān)控電路 當(dāng)溫度設(shè)定值不在室溫100時(shí)，P2.7（初始化低電平）輸出高電平，紅色LED燈亮（原本打算用蜂鳴器結(jié)果找

11、不到那個(gè)原件畢竟新手）如圖（8）。圖（8）監(jiān)控電路2.2、電路的工作原理 用單片機(jī)的P2.4讀取溫度值，將實(shí)際溫度與給定的值進(jìn)行比較得到偏差，通過(guò)設(shè)計(jì)好的數(shù)字控制器進(jìn)行運(yùn)算，得到要輸出的電壓值，然后對(duì)應(yīng)相應(yīng)的占空比，通過(guò)P2.3光電耦的轉(zhuǎn)化，使得主電路工作加熱電阻R11或者不加熱，從而實(shí)現(xiàn)控制電路溫度的作用使得溫度達(dá)到設(shè)定值，其LCD1602第一行顯示給定溫度第二行顯示實(shí)際溫度。2.3、大林算法 設(shè)計(jì)以大林算法為模型的數(shù)字控制器，使得閉環(huán)系統(tǒng)具有時(shí)間滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，且滯后時(shí)間與被控對(duì)象的滯后時(shí)間相同，此時(shí)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：2.4、閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)的程序框圖 根據(jù)所設(shè)計(jì)的數(shù)字控制器即（17）式

12、，可以得到程序流程圖如圖（9）所示，PWM會(huì)對(duì)主電路的溫度起控制作用，最終使得實(shí)際溫度和給定溫度相同。圖（9）閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)的程序框圖四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，當(dāng)然覺(jué)得很累的，畢竟話費(fèi)自己大量的時(shí)間，盡管還沒(méi)有對(duì)其程序進(jìn)行編寫也就是只是停留在理論的角度。這次畫的電路圖原本打算直接使用Atium Designer畫原理圖，但是找不到LCD1602最終使用的時(shí)一個(gè)仿真的軟件ISIS 7 professional。當(dāng)然剛開(kāi)始基本不知道怎么使用最后在網(wǎng)上找到了一個(gè)教學(xué)視頻，就是王心明老師進(jìn)行講解的那一個(gè)。最終最算是畫出了基本的電路圖，當(dāng)然由于對(duì)元器件名稱（在軟件中）的不了解，導(dǎo)致找部分元器件

13、花費(fèi)了很長(zhǎng)時(shí)間。找到相應(yīng)的元器件也需要對(duì)其進(jìn)行一定的了解，不然無(wú)法對(duì)其引腳進(jìn)行正確的連線，本課設(shè)里面有我在網(wǎng)上找的對(duì)其中主要的元器件，例如LCD1602，DS1802等的介紹與講解這里就不再敘述。對(duì)于大林算法當(dāng)然這個(gè)也必須自己看懂關(guān)于計(jì)控里面的相關(guān)內(nèi)容，里面的公式都是在自己寫在紙上的基礎(chǔ)上進(jìn)行的純手打，可能是受智能控制的趙老師對(duì)我們讀書(shū)報(bào)告要求的影響，感覺(jué)寫在紙上有點(diǎn)別扭。里面的公式很多字母符號(hào)一般在WPS上找不到，于是我在網(wǎng)上找到了一個(gè)公式編輯器進(jìn)行的書(shū)寫。感覺(jué)這些都是體力活，不過(guò)最終的格式效果還是比較讓人滿意的，或許正是自己的字跡不那么令人滿意于是只能借助于軟件。通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)自己學(xué)到了很多東西，當(dāng)然讓我第一次接觸了ISIS 7 professional這個(gè)仿真軟件，只不過(guò)自己現(xiàn)在還只是停留在皮毛。還不能進(jìn)一步的對(duì)其進(jìn)行程序的編寫以及仿真操作。這或許也是周老師對(duì)我們的用意，單片機(jī)書(shū)上的內(nèi)容往往會(huì)讓人覺(jué)得枯燥，但是當(dāng)我們能夠?qū)⑵溥\(yùn)用到一個(gè)小小的實(shí)際應(yīng)用中的