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1、课程设计任务书题 目: 温度控制系统设计初始条件：被控对象为电炉.采用热阻丝加热.利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小.来改变流经热阻丝的电流.从而改变电炉炉内的温度。可控硅控制器输入为05伏时对应电炉温度0300.温度传感器测量值对应也为05伏.对象的特性为积分加惯性系统.惯性时间常数为T140秒。要求完成的主要任务: 包括课程设计工作量及其技术要求.以及说明书撰写等具体要求1设计温度控制系统的计算机硬件系统.画出框图；2编写积分分离PID算法程序.从键盘接受Kp、Ti、Td、T及的值；3计算机仿真被控对象.编写仿真程序；4通过数据分析Td改变时对系统超调量的影响。5. 撰写设
2、计说明书。课程设计说明书应包括：设计任务及要求；方案比较及认证；系统滤波原理、硬件原理.电路图.采用器件的功能说明；软件思想.流程.源程序；调试记录及结果分析；参考资料；附录：芯片资料.程序清单；总结。时间安排：6月29日7月1日查阅和准备相关技术资料.完成整体方案设计7月2日7月3日完成硬件设计7月6日7月7日编写调试程序7月8日7月9日撰写课程设计说明书7月10日提交课程设计说明书、图纸、电子文档指导教师签名： 年 月 日系主任或责任教师签名： 年 月 日温度控制系统设计1 设计方案温度控制系统的硬件设计框图如图1所示.用热电偶来检测炉的温度.将炉温转变成毫伏级的电压信号.经温度变送器放大
3、并转换成电流信号。由电阻网络讲电流信号变成电压信号.送入A/D转换器.通过采样和模数转换.所检测到的电压信号和炉温给定值的电压信号都转换成数质量送入单片机进行比较.其差值即为实际炉温和给定炉温的偏差.以单片机为核心的数字PID控制器对偏差按照给定的方法运算.运算结果送DAC0832转换成模拟电压.经功率放大器放大后送入晶闸管调压器.触发晶闸管并改变其导通角的大小.从而控制电阻炉的加温电压.起到炉温调节的作用。温度给定值ADC0809电阻网功 率放大器热敏电阻 8051 单 片 机DAC0832晶闸管调压器晶闸管加热炉数字滤波图1 温度控制系统方框图2 系统数学模型的建立温度控制系统是一个由数字
4、和模拟两部分组成.经过D/A和A/D转换器相互转换而成的混合系统。与电阻炉的惯性时间常数相比.晶闸管调压器、温度传感器、功率放大器等环节简化为比例环节。由初始条件可知电阻炉可用一个积分环节和一个惯性环节来近似.这样可得被控对象的传递函数为：为各环节的比例系数的乘积.为电阻炉的时间常数.经查资料可得：1.16D/A转换器归入保持器范围.系统采用零阶保持器.其传递函数为：T为采样周期。故系统的传递函数可写为：由泰勒公式： 可近似得：故被控对象的传递函数可简化为一个二阶环节.运用最少拍控制相关知识可用PI调节器来矫正系统.3系统硬件设计3.1 硬件电路图图2 系统硬件原理图用热电偶来检测炉的温度.将
5、炉温转变成毫伏级的电压信号.经温度变送器放大并转换成电流信号。由电阻网络讲电流信号变成电压信号.送入A/D转换器.通过采样和模数转换.所检测到的电压信号和炉温给定值的电压信号都转换成数质量送入单片机进行比较.其差值即为实际炉温和给定炉温的偏差.以单片机为核心的数字PID控制器对偏差按照给定的方法运算.运算结果送DAC0832转换成模拟电压.经功率放大器放大后送入晶闸管调压器.触发晶闸管并改变其导通角的大小.从而控制电阻炉的加温电压.起到炉温调节的作用。3.2 ADC0809芯片功能A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的期间或装置.它是一种模拟系统和计算机之间的接口.它在数据采集和控制系统
6、中.得到了广泛的应用.常用的A/D转换器有ADC0809. 它是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器.转换时间为100us左右.线性误差为1/2LSB.采用28脚双立直插式封装.ADC0809由8通道模拟开关、通道选择逻辑、8位A/D转换器及三态输出锁存缓冲器组成。18通道模拟开关及通道选择逻辑该部分的功能是实现8选1操作.通道选择信号C、B、A与所选通道的关系如下：CBA所选通道000001111地址锁存允许信号ALE、正脉冲用于通道选择信号C、B、A的锁存。加至C、B、A上的通道选择信号在ALE的作用下送入通道选择逻辑后.通道i.i=0.1.7上的模拟输入被送至A/D转换器转
7、换。28位A/D转换器管脚说明：图3 ADC0809引脚图 IN0IN7为模拟信号的8个输入通道。、为基准电压的正极和负极。、和为模拟信号输入通道的地址选择线。ALE为地址锁存信号.由低电平到高电平正跳变时讲地址选择线的状态锁存.一选通相应的输入通道。 START 为启动信号.正脉冲的上升沿使所有的内部寄存器清零.从下降沿开始进行A/D转换。EOC为转换结束信号.在START信号之后变低.转换结束变为高电平.用来申请中断。OE为输出允许信号.有效时将输出寄存器中的数据放到数据总线上。为数码输出端.为最低有效位.为最高有效位。3.3 DAC0832芯片功能D/A转换器的功能是把二进制数字量电信号
8、转换为与其数值成正比的模拟量电信号。常用D/A转换器为DAC0832芯片。DAC0832工作在单缓冲寄存器方式.即当信号来时.数据线送来的数据直通进行D/A转换.当变高时.则此数据便被锁存在寄存器中.因此D/A转换的输出也保持不变。DAC0832讲输入的数字量转换成差动的电流输出和.为了将其编程电压输出.必须经过运算放大器.使其输出0+5V为-5V或0+10V为-10V.若要形成负电压输出.则需接正的基准电压。DAC0832是双列直插式8位D/A转换器。能完成数字量输入到模拟量输出的转换。图4为DAC0832的引脚图。其主要参数如下：分辨率为8位.转换时间为1s.满量程误差为1LSB.参考电压
9、为-10V.供电电源为V.逻辑电平输入与TTL兼容。在DAC0832中有两级锁存器.第一级锁存器称为输入寄存器.它的允许锁存信号为ILE.第二级锁存器称为DAC寄存器.它的锁存信号也称为通道控制信号 /XFER。 图4 DAC0832引脚图 图1-1中.当ILE为高电平.片选信号 /CS 和写信号 /WR1为低电平时.输入寄存器控制信号为1.这种情况下.输入寄存器的输出随输入而变化。此后.当 /WR1由低电平变高时.控制信号成为低电平.此时.数据被锁存到输入寄存器中.这样输入寄存器的输出端不再随外部数据DB的变化而变化。 对第二级锁存来说.传送控制信号 /XFER 和写信号 /WR2同时为低电
10、平时.二级锁存控制信号为高电平.8位的DAC寄存器的输出随输入而变化.此后.当 /WR2由低电平变高时.控制信号变为低电平.于是将输入寄存器的信息锁存到DAC寄存器中。 中国嵌入式产品开发网图1-1中其余各引脚的功能定义如下： 、DI7DI0 ：8位的数据输入端.DI7为最高位。 、IOUT1 ：模拟电流输出端1.当DAC寄存器中数据全为1时.输出电流最大.当 DAC寄存器中数据全为0时.输出电流为0。 、IOUT2 ：模拟电流输出端2. IOUT2与IOUT1的和为一个常数.即IOUT1IOUT2常数。 、RFB ：反馈电阻引出端.DAC0832内部已经有反馈电阻.所以 RFB端可以直接接到
11、外部运算放大器的输出端.这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。 、VREF ：参考电压输入端.此端可接一个正电压.也可接一个负电压.它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度.VREF范围为V。VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。 、Vcc ：芯片供电电压.范围为V。 、AGND ：模拟量地.即模拟电路接地端。 、DGND ：数字量地。若DAC0832的口地址为BASE.则7FH转换为模拟电压的接口程序为： DAOUT：MOV DX.BASE MOV AL, 7FH OUT DX, AL RET管脚说明3.4 8051单片机介绍 8051单片机由以下几部分组
12、成：1 时钟振荡器2 8位的CPU3 128B的RAM是数据存储器4 4KB的ROM程序存储器5 48位的并行I/O端口6 一个双全工异步串行通信口UART7 两个16位的定时/计数器8 5个中断源.两个优先级的中断结构外部引脚8051单片机的内部结构十分复杂.但封装之后.只有引脚是面向用户的.所以使用者需要熟悉各引脚的用途。常用的8051芯片是用双列直插40脚封装20接电源地端40接电源+5V XTAL218外接晶体的一个引脚.若为CMOS芯片采用外部信号.此引脚悬空。 XTAL119外接晶体的另一端.若采用外部的时钟信号.此引脚接外部振荡器。 RST/9用于输入复位信号.当振荡器工作时.若
13、引脚保持两个周期高电平.就能使单片机复位。此引脚也可作为备用电源输入端.当失电期间.备用电源通过此引脚向片内的RAM提供电源.一保护其中内容。29用于输出外部程序存储器选通信号；在外部程序存储器取址操作时.置有效低电平。在执行片内程序存储器取指时.为有效高电平。对外部取指时每个机器周期有效两次。 ALE/PROG30用于输出允许地址锁存信号.8051单片机课寻址64KB.应有16条地址线.其中低8位的地址线与数据线公用P0口.在发出低8位的地址信号时.ALE有效.用它控制外部锁存器锁存地址低8位.然后ALE无效.这时P0输出的是数据。正常操作时又因能按主振频率的1/6从ALE端发出正脉冲信号.
14、所以有时可以加以利用.但应注意每次访问外部数据存储器时.会少输出一个ALE 脉冲.这个引脚另一功能是对片内EPROM编程时.作为脉冲输入端。/31用于输入是从外部程序存储器取指还是从内部程序存储器取指的选择信号。当接高电平时.先从片内程序存储器读取指令.读完4KB后.自动改为片外取指.若接低电平时.则所有指令从片外程序存储器读取。编程期间由此引脚引入编程用的电源。 P0口3239为双向输入/输出口.如果系统接有外部存储器.则P0口作为数据总线和低8位的地址总线公用口.通用分时操作达到复用的目的。当CPU对外部存储器操作时.总是先作地址总线.在ALE信号的下降沿.讲地址锁存后.再转为作数据总线。
15、 P1口18为双向输入/输出口.准双向是指该口内部有上拉电阻.能驱动4个LS/TTL负载。 P2口2128为准双向输入/输出口.能驱动4个LS/TTL负载。如果系统接有外部存储器.则CPU访问外部存储器时该口成为高8位地址输出口。 P3口1017为准双向输入/输出口.能驱动4个LS/TTL负载。P3口每一引脚都有两种功能.其第二功能分别是：P3.0、P3.1作为串行口发送与接收.P3.2、P3.3作为外部中断请求输入.P3.4、P3.4作为定时/计数器外部计数信号输入端.P3.6作为片外数据存储器的写选通信号.P3.7作为片外数据存储器选通信号。3.5 系统滤波原理 一般微机应用系统的模拟输入
16、信号中.均含有种种噪音和干扰.它们来自信号源本身、传感器、外界干扰等。为了进行准确测量和控制.必须消除被测信号中的噪音和干扰。噪音有两大类：一类为周期性的.另一类为不规则的。前者可采用双积分A/D转换器.有效地消除其影响。后者为随机信号.他不是周期对于随机干扰.我们可以用数字滤波方法予以消除。所谓数字滤波。就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重。数字滤波算法较多.常用的是算术平均值法。算术平均值法式要按输入的N个采样为周期i=1N.寻找这样一个y.使y与各采样值间的偏差的平方和为最小.使由一元函数求值原理可得4 系统软件编程及仿真4.1 积分分离PID控制算法及仿真 在一般的PID控制中.当有较大的扰动或大幅度改变给定值时.由于此时有较大的偏差.以及系统有惯性和滞后.故在积分项的作用下.往往会产生较大的超调和长时间的波动。特别对于温度等变化缓慢的过程.这一现象更为严重.为此.可采用积分分离措施.即偏差较大时.取消积分作用；当偏差较小时才将积分作用投入。亦即 当时.采用PD控制； 当时.采用PID控制。积分分离阈值应根据具体对象及控制要求。若值过大时.则达不到积分分离的目的；若值过小.则一旦被控量无法跳出个积分分离区.只进行PD控制.将会出现残差.为了实现积分分离.编写程序时必须从数字PID差分方程式中分离出积分项.进行特殊处理。7 / 7
