電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、武漢華夏理工學(xué)院信息工程課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)課 程 名 稱計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)總評(píng)成績(jī) 學(xué)生姓名、學(xué) 號(hào) 學(xué) 生 專 業(yè) 班級(jí) 自動(dòng)化1142 指 導(dǎo) 教 師 姓名 李文彥 課程設(shè)計(jì)起止日期 2017. 06.12-2016-6.23 課程設(shè)計(jì)基本要求課程設(shè)計(jì)是工科學(xué)生十分重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用先修課程的理論知識(shí)和專業(yè)技能，解決工程領(lǐng)域某一方面實(shí)際問(wèn)題的能力。課程設(shè)計(jì)報(bào)告是科學(xué)論文寫(xiě)作的基礎(chǔ)，不僅可以培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的邏輯歸納能力、綜合分析能力和文字表達(dá)能力，也是規(guī)范課程設(shè)計(jì)教學(xué)要求、反映課程設(shè)計(jì)教學(xué)水平的重要依據(jù)。為了加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)教學(xué)管理，提高課程設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量，

2、特?cái)M定如下基本要求。1. 課程設(shè)計(jì)教學(xué)一般可分為設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題、項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證、項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析、答辯等4個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)有一定的考核要求和考核成績(jī)。2. 課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題要符合本課程設(shè)計(jì)教學(xué)大綱的要求，該項(xiàng)目應(yīng)能突出學(xué)生實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；該項(xiàng)目有一定的實(shí)用性，且學(xué)生通過(guò)努力在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)是可以完成的。課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱、目的及技術(shù)要求記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)一、二項(xiàng)中，課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題考核成績(jī)占10%左右。3. 項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證主要包括可行性設(shè)計(jì)方案論證、從可行性方案中確定最佳方案，實(shí)施最佳方案的軟件程序、硬件電路原理圖和PCB圖。項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證內(nèi)容記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告

3、書(shū)第三項(xiàng)中，項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證主要考核設(shè)計(jì)方案的正確性、可行性和創(chuàng)新性，考核成績(jī)占30%左右。4. 項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析主要包括項(xiàng)目設(shè)計(jì)與制作結(jié)果的工藝水平，項(xiàng)目測(cè)試性能指標(biāo)的正確性和完整性，項(xiàng)目測(cè)試中出現(xiàn)故障或錯(cuò)誤原因的分析和處理方法。項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)第四項(xiàng)中，考核成績(jī)占25%左右。5. 學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)認(rèn)真閱讀與本課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目相關(guān)的文獻(xiàn)，培養(yǎng)自己的閱讀興趣和習(xí)慣，借以啟發(fā)自己的思維，提高綜合分和理解能力。文獻(xiàn)閱讀摘要記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)第五項(xiàng)中，考核成績(jī)占10%左右。6. 答辯是課程設(shè)計(jì)中十分重要的環(huán)節(jié)，由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師向答辯學(xué)生提出23個(gè)問(wèn)題，通過(guò)答辯可進(jìn)一步了解學(xué)

4、生對(duì)課程設(shè)計(jì)中理論知識(shí)和實(shí)際技能掌握的程度，以及對(duì)問(wèn)題的理解、分析和判斷能力。答辯考核成績(jī)占25%左右。7.學(xué)生應(yīng)在課程設(shè)計(jì)周內(nèi)認(rèn)真參加項(xiàng)目設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，按時(shí)完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)交給課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評(píng)閱。課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師應(yīng)認(rèn)真指導(dǎo)學(xué)生課程設(shè)計(jì)全過(guò)程，認(rèn)真評(píng)閱學(xué)生的每一份課程設(shè)計(jì)報(bào)告，給出課程設(shè)計(jì)綜合評(píng)閱意見(jiàn)和每一個(gè)環(huán)節(jié)的評(píng)分成績(jī)（百分制），最后將百分制評(píng)分成績(jī)轉(zhuǎn)換為五級(jí)分制（優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格）總評(píng)成績(jī)。8. 課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)是實(shí)踐教學(xué)水平評(píng)估的重要資料，應(yīng)按課程、班級(jí)集成存檔交實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一管理。課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)（八）學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化1142 指導(dǎo)教師： 李文彥 工作單位：

5、 信息工程系 題 目: 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）初始條件：1、設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)電阻爐溫度控制系統(tǒng)，控制對(duì)象為電阻加熱爐功率為8KW，220V交流電源供電，利用大功率可控硅控制器控制熱阻絲兩端所加的電壓大小，來(lái)改變流經(jīng)熱阻絲的電流，從而改變電爐爐內(nèi)的溫度。溫度范圍50-350，控制精度為1，通過(guò)LED 顯示溫度，其對(duì)象溫控?cái)?shù)學(xué)模型為： 其中Td350秒， Kd50，=10秒。要求完成的主要任務(wù): 1、硬件設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體電路，設(shè)計(jì)輸入通道及輸出通道，分析的工作原理；2、軟件設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體程序程圖，編寫(xiě)PID算法程序，從鍵盤(pán)接受Kp、Ti、Td、T；編寫(xiě)顯示程序； 3、采用PID算法，

6、通過(guò)數(shù)據(jù)分析Kp改變時(shí)對(duì)系統(tǒng)超調(diào)量的影響；在MATLAB/SIMULINK上對(duì)控制算法進(jìn)行仿真；4、仿真并調(diào)試設(shè)計(jì)的部分硬件電路和軟件程序； 5、完成符合要求的課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；6、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)要求：引言、設(shè)計(jì)要求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原理分析、各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)與仿真、軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程、收獲、體會(huì)及總結(jié)、參考文獻(xiàn)、電路圖和源程序。說(shuō)明書(shū)使用A4打印紙計(jì)算機(jī)打印或手寫(xiě)，用Protel等繪圖軟件繪制電子線路圖紙。時(shí)間安排：第12天 下達(dá)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)和日程安排，根據(jù)任務(wù)書(shū)查找資料；第3-4天 完成方案論證比較，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)； 第45天 詳細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各部分的硬件電路； 第67天 詳細(xì)總體軟件及各部

7、分的程序流程，完成程序的編寫(xiě)第78天 仿真并調(diào)試設(shè)計(jì)的部分硬件電路和軟件程序；第910天 結(jié)果分析整理、撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告，驗(yàn)收和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日一、課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)目的及技術(shù)要求1、硬件設(shè)計(jì)：用51單片機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體電路，設(shè)計(jì)輸入通道及輸出通道，分析的工作原理；2、軟件設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體程序程圖，編寫(xiě)積分分離PID算法程序，從鍵盤(pán)接受Kp、Ti、Td、T及的值；編寫(xiě)顯示程序； 3、采用PID算法，通過(guò)數(shù)據(jù)分析Kp改變時(shí)對(duì)系統(tǒng)超調(diào)量的影響；在MATLAB/SIMULINK上對(duì)控制算法進(jìn)行仿真；4、仿真并調(diào)試設(shè)計(jì)的部分硬件電路和軟件程序；

8、 5、完成符合要求的課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；6、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)要求：引言、設(shè)計(jì)要求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原理分析、各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)與仿真、軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程、收獲、體會(huì)及總結(jié)、參考文獻(xiàn)、電路圖和源程序。說(shuō)明書(shū)使用A4打印紙計(jì)算機(jī)打印或手寫(xiě)，用Protues等繪圖軟件繪制電子線路圖紙。三、項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證3.1方案論證比較3.1.1.硬件選擇微型計(jì)算機(jī)是指由微處理器加上采用大規(guī)模集成電路制成的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以及輸入輸出設(shè)備相連接的I/O接口電路，微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱MC。如果將微處理器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出接口電路集成在一塊集成電路芯版上，稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。本次設(shè)計(jì)選用的是AT89C51，是MC

9、S-51單片機(jī)系列的一種。其結(jié)構(gòu)體系完整、指令系統(tǒng)功能完善、內(nèi)部寄存器規(guī)范、性能優(yōu)越、技術(shù)成熟、具有高可靠性和高性價(jià)比。它提供以下標(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，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?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)鐘電路。同時(shí)，AT89C51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。掉電方式保存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到下一個(gè)硬件復(fù)位。3.1.2.算法選擇由于計(jì)算機(jī)控制是一

10、種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值來(lái)計(jì)算控制量。因此，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須首先對(duì)式（3-1）進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時(shí)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式表達(dá)。對(duì)溫度的控制算法，采用技術(shù)成熟的PID算法，對(duì)于時(shí)間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其近似于連續(xù)變化，因此用數(shù)字PID完全可以得到比較好的控制效果。簡(jiǎn)單的比例調(diào)節(jié)器能夠反應(yīng)很快，但不能完全消除靜差，控制不精確，為了消除比例調(diào)節(jié)器中殘存的靜差，在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)器，積分器的輸出值大小取決于對(duì)誤差的累積結(jié)果，在誤差不變的情況下，積分器還在輸出直到誤差為零，因此加入積分調(diào)節(jié)器相當(dāng)于能自動(dòng)調(diào)節(jié)控制常量

11、，消除靜差，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。積分器雖然能消除靜差，但使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢。進(jìn)一步改進(jìn)調(diào)節(jié)器的方法是通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的變化率來(lái)預(yù)報(bào)誤差，并對(duì)誤差的變化作出響應(yīng)，于是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再加上微分調(diào)節(jié)器，組成比例、積分、微分(PID)調(diào)節(jié)器，微分調(diào)節(jié)器的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，同時(shí)加快了系統(tǒng)的穩(wěn)定速度，縮短調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，其控制規(guī)律為：(3-2)單片機(jī)是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的誤差值計(jì)算控制變量，不能直接計(jì)算公式中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，采用數(shù)值計(jì)算法逼近后，PID的調(diào)節(jié)規(guī)律可以通過(guò)數(shù)值公式(3-3)計(jì)算，如果采樣取得足夠小，這種逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過(guò)程與

12、連續(xù)過(guò)程十分接近。我們變換上式(3-3)得：(3-4)把ei = ei - ei-1,2 ei=ei -ei-1帶人上式（3-4）得：(3-5)式中ei=WYi，W為設(shè)定值，Yi為第i次實(shí)際輸出值，Kp為比例系數(shù)，積分系數(shù)I=T/Ti，微分系數(shù)D=Td/T，T為采樣周期，以(3-5)式來(lái)編程比較方便。用PID控制算法實(shí)現(xiàn)溫度控制是這樣一個(gè)反饋過(guò)程：比較實(shí)際溫度和設(shè)定爐溫得到偏差，通過(guò)對(duì)偏差的處理獲得控制信號(hào)，再去調(diào)節(jié)電加熱爐的加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制，由于電阻爐一般都是下一階段對(duì)象和帶純滯后的一階對(duì)象，所以式中Kp、Kd和Ki的選擇取決于電阻爐的響應(yīng)特性和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。本程序先將用戶設(shè)定溫度

13、和鍋爐實(shí)際溫度T比較，計(jì)算出偏差ei，然后分兩種情況進(jìn)行計(jì)算控制變量：1ei大于等于設(shè)定的偏差e時(shí)，由于積分控制器使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，不采用積分控制器調(diào)節(jié)，直接使用PD調(diào)節(jié)，獲得比較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，計(jì)算Pd和Pp，最終得到控制量獲得比較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。2ei小于設(shè)定的設(shè)定的偏差e時(shí)，正常的分別計(jì)算Pi、Pd和Pp，然后根據(jù)算法公式計(jì)算出控制變量。3.2總體方案設(shè)計(jì)與原理分析由于溫度控制系統(tǒng)的控制對(duì)象具有慣性大，連續(xù)性的特點(diǎn)。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)于這樣一些存在大的滯后特性的過(guò)渡過(guò)程

14、控制，一般來(lái)說(shuō)可以采用以下幾種控制方案：3.2.1輸出開(kāi)關(guān)量控制對(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)：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，因此容易引起反饋回路產(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。3.2.2比例控制（P控制）比例控制的特點(diǎn)是控制器的輸出與偏差成比例，輸出量的大小與偏差之間有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

15、當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，抗干擾能力強(qiáng)，過(guò)渡時(shí)間短，但過(guò)程始終存在余差。因此它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、允許被控量在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)。使用時(shí)還應(yīng)注意經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后需將累積誤差消除。3.2.3比例積分控制（PI控制）由于比例積分控制的特點(diǎn)是控制器的輸出與偏差的積分成比例，積分的作用使得過(guò)渡過(guò)程結(jié)束時(shí)無(wú)余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。雖然加大比例度可以使穩(wěn)定性提高，但又使過(guò)渡時(shí)間加長(zhǎng)。因此，PI控制適用于滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控量不允許有余差的控制系統(tǒng)，它是工程上使用最多、應(yīng)用最廣的一種控制方法。3.2.4比例積分加微分控制（PID控制）比例積分加微分控制的特點(diǎn)是微分的作用使控制器的輸出與偏差變

16、化的速度成正比例,它對(duì)克服對(duì)象的容量滯后有顯著的效果。在比例基礎(chǔ)上加上微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消除余差。因此，PID控制適用于負(fù)荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求又很高的控制系統(tǒng)。結(jié)合本例題設(shè)計(jì)任務(wù)與要求，由于溫度系統(tǒng)的傳遞函數(shù)事先難以精確獲得，因而很難判斷哪一種控制方法能夠滿足系統(tǒng)對(duì)控制品質(zhì)的要求。但從以上對(duì)控制方法的分析來(lái)看，PID控制方法最適合本例采用。另一方面，由于可以采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程，無(wú)論采用上述哪一種控制方法都不會(huì)增加系統(tǒng)硬件成本，而只需對(duì)軟件作相應(yīng)改變即可實(shí)現(xiàn)不同的控制方案。因此本系統(tǒng)可以采用PID的控制方式，以最大限度地滿足系統(tǒng)對(duì)諸如控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)

17、間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。3.3 硬件電路設(shè)計(jì)與分析3.3.1.系統(tǒng)概況本系統(tǒng)是采用以AT89C51單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)，通過(guò)溫度傳感器采樣實(shí)時(shí)溫度，并通過(guò)變送器將溫度最終轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器0808將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)與給定值進(jìn)行比較，通過(guò)運(yùn)用PID算法得出控制結(jié)果，送顯示并進(jìn)行控制?？傮w設(shè)計(jì)方案見(jiàn)如圖4-1所示。測(cè)量變送看門(mén)狗圖3-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖3.3.2.功能模塊1、單片機(jī)控制模塊A/T89C51是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，將采集來(lái)的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，利用PID算法得出結(jié)果并送輸出。整個(gè)控制系統(tǒng)的程序就下載到單片機(jī)中去。A/T89C51仿真圖如圖3-2所示。

18、圖3-2 單片機(jī)仿真2、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與采集模塊A/D0808AD0808是CMOS的8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用逐次逼近原理進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，芯片內(nèi)有模擬多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換兩大部分，可對(duì)8路05V的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。模擬多路開(kāi)關(guān)由8路模擬開(kāi)關(guān)和3位地址鎖存譯碼器組成，可選通8路模擬輸入中的任何一路，地址鎖存信號(hào)ALE將3位地址信號(hào)ADDA、ADDB、ADDC進(jìn)行鎖存，然后由譯碼電路選通其中的一路，被選中的通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換部分包括比較器、逐次逼近寄存器（SAR）、256R電阻網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)狀電子開(kāi)關(guān)、控制與時(shí)序電路等。另外ADC0809輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到CPU

19、數(shù)據(jù)總線上。實(shí)時(shí)溫度經(jīng)過(guò)傳感器的檢測(cè)并通過(guò)變送器將其轉(zhuǎn)換成模擬的電壓信號(hào)，而A/D0808則用來(lái)采集電壓信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在單片機(jī)中，以便后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)的處理。其硬件仿真圖如圖3-3所示。圖3-3 A/D0808仿真圖3、按鍵選擇模塊系統(tǒng)采用了兩個(gè)按鍵用來(lái)進(jìn)行溫度的設(shè)定，一個(gè)進(jìn)行溫度加，一個(gè)進(jìn)行溫度減。每按下一次，溫度就相應(yīng)的加一或減一。按照設(shè)計(jì)要求，溫度的設(shè)定范圍為50-150度，其仿真如圖3-4所示。圖3-4 按鍵示意圖4、顯示模塊顯示模塊采用兩個(gè)7段共陰極數(shù)碼管，一個(gè)用來(lái)顯示實(shí)時(shí)溫度，一個(gè)用來(lái)顯示設(shè)定溫度。并用74LS04來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。其仿真圖如圖3-5所示。圖3-5 顯示示意圖5

20、、報(bào)警模塊當(dāng)實(shí)時(shí)溫度高于或低于設(shè)定溫度5度以上時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，報(bào)警指示燈紅燈亮。如圖3-6所示。圖3-6 報(bào)警示意圖6 、輸出模塊經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的運(yùn)算，單片機(jī)通過(guò)P3.4口的高低電平來(lái)控制加熱系統(tǒng)的通斷，通過(guò)導(dǎo)通時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)控制加熱的強(qiáng)度，以達(dá)到精確控制的效果。當(dāng)溫度在設(shè)定溫度的正負(fù)5度之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行PID運(yùn)算控制；當(dāng)高于設(shè)定溫度5度時(shí)，停止加熱；當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定溫度5度時(shí)，全功率加熱。由于仿真軟件自身?xiàng)l件的原因，使用綠色的LED燈代替，當(dāng)綠燈亮?xí)r，表示正在加熱，不亮?xí)r，停止加熱。仿真圖如3-7所示。圖3-7 加熱示意圖3.3.3.系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖如圖3-8所示。圖3-8 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖

21、其中：1單片機(jī)采用的是MCS-51系列的89C51，其集成了中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器ROM或EPROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制器及串型和并行I/O接口等部件。單片機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)、數(shù)據(jù)的采集以及對(duì)應(yīng)用對(duì)象的控制。它具有體積小、重量輕、價(jià)格低、可靠性高、耗電少和靈活機(jī)動(dòng)等許多優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，特別適合用于智能控制系統(tǒng)。2實(shí)時(shí)的溫度測(cè)量由于條件的限制直接用模擬電壓來(lái)代替?zhèn)鞲衅骷白兯推?，?808來(lái)采樣和轉(zhuǎn)換溫度。3.3.4.元器件清單系統(tǒng)所需的元器件清單如表4-1所示。表3-1系統(tǒng)配置清單表序號(hào)部件名稱所屬類數(shù)量1AT89

22、C51Microprocessor ICs12A/D0808Data Converters137SEG-MPX4-CCOptoelectronics24BUTTONSwitches&Relays35LED-GREENOptoelectronics16LED-REDOptoelectronics1774LS373TTL 74LS series18RESPACK-8Resistors1974LS04TTL 74LS series810NOTSimulator Primitives111NORSimulator Primitives212POT-HGResistors113電容Capacitors2

23、14CLOCKSimulator Primitives215CRYSTALMiscellaneous116電阻Resistors117INPUT終端418GROUND終端719VSOURCESimulator Primitives13.3.5.小結(jié)系統(tǒng)硬件是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)軟件程序之前，要對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有個(gè)深入的了解，本章詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和各模塊的選型，介紹了系統(tǒng)的概況，使讀者對(duì)總體的設(shè)計(jì)有個(gè)大致了解。3.4 軟件設(shè)計(jì)3.4.1.Protues7軟件概況PROTUES是一種基于標(biāo)準(zhǔn)仿真殷勤SOICE3F5的混合電路仿真工具，既可以仿真模擬電路，又可以仿真數(shù)字電路以及數(shù)字、模擬混合電

24、路，其最大特色在于能夠仿真基于控制器的系統(tǒng)。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛(ài)好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex

25、和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯。其程序界面如圖3-9所示。圖3-9 Protues7工作界面PROTUES軟件的功能特點(diǎn)介紹如下：1原理布圖 2PCB自動(dòng)或人工布線 3SPICE電路仿真 革命性的特點(diǎn)： 1互動(dòng)的電路仿真。用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如RAM，ROM，鍵盤(pán)，馬達(dá)，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 2仿真處理器及其外圍電路?？梢苑抡?1系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機(jī)。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的

26、虛擬邏輯分析儀、示波器等，Protues建立了完備的電子設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境。同時(shí)它還具有4大功能模塊：智能原理圖設(shè)計(jì)（ISIS），完善的電路仿真功能（Prospice），獨(dú)特的單片機(jī)協(xié)同仿真功能（VSM），實(shí)用的PCB設(shè)計(jì)平臺(tái)。Protues提供了豐富的資源：1Protues可提供的仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件，有30多個(gè)元件庫(kù)。 2Protues可提供的仿真儀表資源 ：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器、信號(hào)發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個(gè)電路中隨意的調(diào)用。3除了現(xiàn)實(shí)存在的儀器外，Protues還提供了一個(gè)

27、圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號(hào)，以圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)，其作用與示波器相似，但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo)，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了儀器對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。4Protues可提供的調(diào)試手段 Protues提供了比較豐富的測(cè)試信用于電路的測(cè)試。這些測(cè)試信號(hào)包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。3.4.2.軟件流程圖溫度控制系統(tǒng)的軟件流程圖，系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)會(huì)檢測(cè)爐溫，一般情況下此時(shí)爐溫比給定值低，于是電爐開(kāi)始全速加熱。于此同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)按照預(yù)定的采樣周期進(jìn)行采樣，當(dāng)檢測(cè)爐溫在上限溫度和下限溫度之間，那么開(kāi)始進(jìn)行PID控制，并繼續(xù)按照預(yù)定的采樣周期進(jìn)行采樣，直至

28、溫度穩(wěn)定為給定值。4、 項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析5、 4.1調(diào)試記錄及結(jié)果分析4.1.1. 仿真程序及圖形在打開(kāi)Matlab中的Simulink之后，開(kāi)始繪制系統(tǒng)仿真圖形，如圖4.1所示，該圖中對(duì)積分和微分先進(jìn)行處理，使得的到當(dāng)為等幅震蕩時(shí)的kc值，然后通過(guò)Z-N法則的第二法，加入為微分和積分之后，采用PID控制。改變Kp的值，既可以的得到不同的結(jié)果，從而可以分析出Kp的改變對(duì)系統(tǒng)超調(diào)量造成的影響。圖4.1系統(tǒng)仿真圖4.1.2仿真結(jié)果及分析由圖可以得到Kc=1.13，Tc=40，TI=0，TD=0，時(shí)出現(xiàn)的等幅震蕩曲線圖Kp=0.678 Ki=0.05 Kd=5當(dāng)Kp=0.7時(shí)，曲線圖如下所示：當(dāng)Kp

29、=0.8時(shí)曲線如上圖所示當(dāng)Kp=1時(shí)，曲線如上圖所示當(dāng)Kp=1.1時(shí)如上圖所示從上述結(jié)果圖中可以看出，但當(dāng)Kp增大到一定程度時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的超調(diào)量增加，穩(wěn)定性變差，并且使得系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩。從上面曲線圖中可以明顯看出當(dāng)Kp為1時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)震蕩，在Kp大于1時(shí)，出現(xiàn)劇烈震蕩，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。4.2.結(jié)論本實(shí)驗(yàn)通過(guò)PID算法調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)并比較實(shí)際溫度與設(shè)定溫度，最終達(dá)到實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的誤差穩(wěn)定在一定范圍。在這次課設(shè)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我遇到了諸多問(wèn)題，算的上是困難重重，也讓我在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中了解了自己的不足之處，讓我了解了自己對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，我不僅鞏固了以前

30、所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。這次課程設(shè)計(jì)使我了解了微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)的真正用意是培養(yǎng)我們的自學(xué)能力，養(yǎng)成編寫(xiě)程序的好習(xí)慣，懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為實(shí)際所用，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。五、參考文摘1于海生微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)M.清華大學(xué)出版社，2007計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述、線性離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述和分析方法、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的多種控制算法、過(guò)程輸入輸出通道、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、控制軟件設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容。本書(shū)

31、注重了先進(jìn)性、系統(tǒng)性和實(shí)用性。增加了內(nèi)?？刂?、模型預(yù)測(cè)控制等先進(jìn)控制內(nèi)容；加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)控制的內(nèi)容；每章附有大量的實(shí)例，并增加大量MATLAB仿真等實(shí)踐內(nèi)容，以利于學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和鍛煉。2于海生單片微機(jī)原理與接口技術(shù).冶金工業(yè)出版社，2003主要內(nèi)容包括嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)。單片機(jī)的內(nèi)部指令、指令系統(tǒng)、內(nèi)部功能部件的工作原理、應(yīng)用編程及外部擴(kuò)展技術(shù)。介紹mcs-51系列及增強(qiáng)型單片機(jī)的硬件編程結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)、中斷系統(tǒng)、存儲(chǔ)器配置，以及mcs-96系列單片機(jī)硬件、軟件、pts、epa和人-機(jī)聯(lián)系設(shè)備，新產(chǎn)品80c196kc的應(yīng)用結(jié)構(gòu)。3鄭榮煥Proteus電子電路設(shè)計(jì)及仿真.電子工業(yè)出版社，

32、2014Protues VSM組合了混合模式SPICE電路仿真、處理器模型、動(dòng)態(tài)元器件庫(kù)、虛擬儀器、處理器軟仿真器、第三方編譯器和調(diào)試器等組件，第一次使得在物理原型構(gòu)建出來(lái)之前，在計(jì)算器上完成從原理圖設(shè)計(jì)、電子測(cè)試仿真、處理器代碼調(diào)試聯(lián)系電路實(shí)時(shí)仿真設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證、出版成品成為可能。使用Pouteus能夠幫助電子電路開(kāi)發(fā)人員涉及更多知識(shí)，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。4鄒伯敏自動(dòng)控制理論.機(jī)械工業(yè)出版社，2007超前、滯后、和滯后-超前3種對(duì)系統(tǒng)的校正方法，這些方法是基于校正裝置的輸出與其輸入信號(hào)間相位的超前、滯后來(lái)區(qū)分的，并利用這些特性對(duì)不同的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正。這些校正裝置所起的作用等價(jià)于時(shí)域

33、中的比例-微分（PD）、比例-積分（PI）或它們的組合（PID）。PID控制器有著使用靈活，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，且已有定型的工業(yè)產(chǎn)品溫室，因此它在控制工程中被廣泛應(yīng)用。5吳勤勤控制儀表及裝置.化學(xué)工業(yè)出版社，2012本書(shū)以電子技術(shù)、微機(jī)原理、控制工程和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)的闡述儀表與裝置的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、功能和應(yīng)用。本書(shū)全分為兩篇：第一篇為模擬式控制儀表及裝置，主要介紹模擬式控制器、變送器和轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算器和執(zhí)行器；第二篇為數(shù)字式控制儀器及裝置，主要介紹可編程調(diào)節(jié)器、可編程控制器、智能變送器和閥門(mén)定位器、集散控制器系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。六 附錄6.1軟件程序ORG 0000HAJM

34、P MAINORG 001BHAJMP CT1ORG 0200HA1 EQU 50HMAIN: CLR A MOV 2AH,A MOV 2CH,AMOV 2DH,A MOV 2EH,A MOV A1,#50LOOP: ACALL SAMP ACALL FILTER ACALL TRASTACALL TESTKEY ACALL DISPLAY MOV A,50HADD A,#5MOV 52H,A SUBB A,#10 MOV 53H,A MOV A,51H CJNE A,52H,TPL CLR P3.4 CLR P3.2 AJMP LOOPTPL: JNC TPL1 CJNE A,53H,MTP

35、L SETB P3.4 CLR P3.2 AJMP LOOPMTPL: JNC HAT SETB P3.2 SETB P3.4 AJMP LOOPTPL1: SETB P3.2 CLR P3.4 AJMP LOOPHAT: CLR P3.2ACALL PID MOV A,2FH CPL A INC A SETB F0 MOV TMOD,#50H SETB P3.4 MOV TL1,A MOV TH1,#0FFH CLR PT1 SETB EA SETB TR1 SETB ET1LOOP1: ACALL TESTKEYACALL DISPLAY JB F0,LOOP1 AJMP LOOPCT1:

36、 CLR TR1CLR F0 CLR P3.4 RETI;采樣子程序;SAMP: MOV R1,#02CH MOV R0,#03MOV DPTR,#0FEFFHREAD: MOVX DPTR,AHERE: JB P3.3,HERE MOVX A,DPTRRLC A MOV 20H.0,CRLC AMOV 20H.1,CRLC A MOV 20H.2,C RLC A MOV 20H.3,CRLC A MOV 20H.4,CRLC A MOV 20H.5,CRLC AMOV 20H.6,CRLC AMOV 20H.7,CMOV A,20H MOV R1,A MOV P0,A INC R1DJNZ

37、R0,READ RET;濾波子程序;FILTER: MOV A,2CH CJNE A,2DH,CMP1 AJMP CMP2CMP1: JNC CMP2XCH A,2DHXCH A,2CHCMP2: MOV A,2DHCJNE A,2EH,CMP3MOV 2AH,A RETCMP3: JC CMP4 MOV 2AH,ARETCMP4: MOV A,2EH CJNE A,2CH,CMP5 MOV 2AH,A RETCMP5: JC CMP6 XCH A,2CHCMP6: MOV 2AH,A RETTRAST: MOV A,2AH MOV B,#02H DIV AB ADD A,#25MOV 51H

38、,A RETTRAST1: SUBB A,#25 MOV B,#02H MUL AB RET;按鍵選擇子程序;TESTKEY: JBP3.0,MAIN2_2ACALLDELAY10JBP3.0,MAIN2_2JNBP3.0,$ MOVA,#1 ADDA,A1 CLRC CJNEA,#150,MAIN2_1_1 MOVA,#150 AJMPMAIN2_1_3MAIN2_1_1:JCMAIN2_1_3MAIN2_1_2:CLRCMOVA,#150MAIN2_1_3:MOVA1,A; ;上面這一段是+1度按鍵,按下+1度;MAIN2_2:JBP3.1,MAIN2_3ACALLDELAY10JBP3.

39、1,MAIN2_3JNBP3.1,$MOVA,A1CJNEA,#50,MAIN2_2_1AJMP MAIN2_2_3MAIN2_2_1:JCMAIN2_2_2CLR CMOVB,#1SUBB A,BAJMP MAIN2_2_3MAIN2_2_2:MOVA,#50MAIN2_2_3:MOV A1,A;MAIN2_3: ACALL TRAST1MOV 32H,AMOV 31H,B RET;顯示子程序;DISPLAY: MOV A,A1;將待顯示的數(shù)存在70H到75H中 MOVB,#100 DIV AB ;顯示子程序 MOV 73H,A ;百位在A MOVA,B;MOV B,#10 DIV AB M

40、OV 72H,A ;十位在B MOV 71H,B ;個(gè)位在C MOV A,51H ;將的十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制 MOVB,#100 DIV AB ;顯示子程序 MOV 76H,A ;百位在A MOVA,B MOV B,#10 DIV AB MOV 75H,A ;十位在B MOV 74H,B ;個(gè)位在CDISP1: MOV R1,#70H ;指向顯示數(shù)據(jù)首址 MOV R5,#0FEH ;掃描控制字初值PLAY: MOV P1,#0FFH MOV A,R5 ;掃描字放入A MOV P2,A ;從P2口輸出 MOV A,R1 ;取顯示數(shù)據(jù)到A MOV DPTR,#TAB ;取段碼表地址 MOVC A

41、,A+DPTR ;查顯示數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)段碼 MOV P1,A ;段碼放入P1口 MOV A,R5 LCALL D1MS ;顯示1MS INC R1 ;指向下一地址 MOV A,R5 ;掃描控制字放入A JNB ACC.6,ENDOUT ;ACC.5=0時(shí)一次顯示結(jié)束 RL A ;A中數(shù)據(jù)循環(huán)左移 MOV R5,A ;放回R5內(nèi) AJMP PLAY ;跳回PLAY循環(huán)ENDOUT: MOV P1,#0FFH ;一次顯示結(jié)束，P2口復(fù)位 MOV P2,#0FFH ;P3口復(fù)位 RET ;子程序返回TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0

42、FFH;共陽(yáng)段碼表 0 1 234 56 789不亮“-”;延時(shí)子程序;D1MS: MOV R6,#14H ;1MS延時(shí)程序，LED顯示程序用DL1: MOV R7,#19HDL2: DJNZ R7,DL2DJNZ R6,DL1RETDELAY10: MOV R6,#20;10MS延時(shí)D3: MOVR5,#255DJNZR5,$DJNZR6,D3RETDELAY125: MOV R6,#255;125MS延時(shí)D1:MOVR5,#255DJNZR5,$DJNZR6,D1RETDELAY1S: MOV R7,#8 ;1S延時(shí)D2:LCALLDELAY125DJNZR7,D2RET;PID算法子程序

43、;PID: MOV R5,31H MOV R4,32H MOV R3,2AH MOV R2,#00H ACALL CPL1ACALL DSUM MOV 39H,R7MOV 3AH,R6 MOV R5,35HMOV R4,36HMOV R0,#4AH ACALL MULT1 MOV R5,39HMOV R4,3AH MOV R3,3BH MOV R2,3CH ACALL CPL1ACALL DSUM MOV R5,33H MOV R4,34HMOV R0,#46H ACALL MULT1 MOV R5,49HMOV R4,48HMOV R3,4DHMOV R2,4CH ACALL DSUM MOV 4AH,R7 MOV 4BH,R6MOV R3,4AHMOV R2,4BH MOV R5,2FH MOV R4,30H ACALL DSUM MOV 2FH,R7MOV 30H,R6 MOV 3DH,3BH MOV 3EH,3CH MOV 3BH,39H MOV 3CH,3AH RET;雙字節(jié)加法程序; R5R4+R3R2=R7R6 ;DSUM: MOV A,R4ADD A,R2MOV