計算機溫度控制課程設計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 實驗目的1</b></p><p>　　1.1 選題背景1</p><p>　　1.2 設計任務1</p><p><b>　　2 電路設計2</b></p><p&g

2、t;　　2.1 設計思路2</p><p>　　2.2 設計思路2</p><p>　　2.3 系統(tǒng)方案確定3</p><p>　　2.4 原理框圖3</p><p><b>　　3 硬件設計4</b></p><p>　　3.1 單片機連接電路4</p><p&

3、gt;　　3.2 溫度檢測電路3</p><p>　　3.3 A/D轉換電路4</p><p>　　3.4 LED溫度顯示電路5</p><p><b>　　3.5 電路圖5</b></p><p><b>　　4 軟件設計5</b></p><p>　　5 課程

4、設計內容及過程6</p><p>　　5.1 18B20的安裝6</p><p>　　5.2 電路板焊接與調試過程6</p><p>　　6 程序調試過程7</p><p>　　6.1 程序清單8</p><p>　　7 總結及體會11</p><p><b>　　參考文獻

5、12</b></p><p><b>　　計算機控制系統(tǒng)設計</b></p><p><b>　　1.實驗目的：</b></p><p><b>　　1.1 選題背景</b></p><p>　　溫度是工業(yè)對象中一種重要的參數，特別在冶金、化工、機械各類行業(yè)里，廣

6、泛使用各種加熱爐、熱護理爐和反應爐等。由于爐子的種類不同，因此采用的加熱方法及燃料也不同，如煤氣、天然氣、油和電等。但是就其控制系統(tǒng)本身的動態(tài)特性來說，基本上都屬于一階滯后環(huán)節(jié)，因其在控制算法上亦基本相同，實踐證明，用微型計算機對加熱爐進行控制，無論在提高產品質量和數量，節(jié)約能源，還是在改善勞動條件等方面都顯示出無比的優(yōu)越性。</p><p><b>　　1.2 設計任務</b></

7、p><p>　　在仿真軟件Protues中設計必要的電路，并進行調試，用Keil C51完成程序設計，在課程設計報告中詳細敘述設計思路和過程總結，畫出系統(tǒng)的總體硬件框圖，電路圖與程序清單附在報告最后。</p><p>　　能夠任意設定溫度；能夠顯示當前溫度；超調量小于5%，測量溫度和設定溫度之差小于0.5攝氏度。</p><p><b>　　2.電路設計<

8、;/b></p><p><b>　　2.1 設計思路</b></p><p>　　該控制系統(tǒng)使用單片機為處理器,連接溫度傳感器,溫度控制電路,并附加LED顯示部分及鍵盤部分，可以實時顯示溫度，實現對溫度控制還可以鍵盤對PID參數進行設置。</p><p>　　該系統(tǒng)使用熱電阻測出電阻爐溫度并轉換成電壓信號，此電壓信號經過溫度傳感器檢測電

9、路轉換成數字信號送人單片機，而單片機經過數據處理后，控制顯示部分顯示溫度。此外，將溫度與設定值比較，根據設定計算出控制控制量，通過控制電阻絲兩端交流電壓的通斷時間比例來實現電阻絲發(fā)熱量的控制。 </p><p><b>　　2.2 設計原理</b></p><p>　　該控制系統(tǒng)使用單片機作為微處理器，連接溫度傳感器、A/D轉換、溫度控制電路，并且附加LED顯示部分及

10、鍵盤部分。他可以實時的顯示溫度，實現對溫度的自動控制，還可以通過鍵盤對PID參數進行設置。</p><p>　　該控制系統(tǒng)使用熱電阻測出電阻爐實際溫度并轉換成電壓信號。此電壓信號經過溫度檢測電路A/D轉換電路轉換成與爐溫相對應的數字信號送入單片機，而單片機經過數據處理后，控制顯示部分顯示溫度。此外，將溫度與設定值比較，根據設定計算出控制量，通過控制電阻絲兩端交流電壓的通斷時間比例來實現電阻絲發(fā)熱量的控制。<

11、/p><p>　　該系統(tǒng)的主要控制算法為經典控制理論中所介紹的PID控制算法，積分的作用是消除殘差，比例的作用是使溫度快速跟蹤設定值而變化，而微分的作用是抑制擾動，提前作用，提高穩(wěn)定性。由于整個水溫調節(jié)過程比較漫長，所以輸出采用電力電子技術中所介紹的調功法，通過改變一個周期內晶閘管導通的波頭數來調整加熱功率，改變溫度變化的速率，最終達到保持溫度穩(wěn)定在設定值上的目的。由于這是一個典型的閉環(huán)系統(tǒng)，自然少不了反饋通路，該溫

12、度傳感器就是反饋通路不可或缺的部分。它可以較準確地測得加熱杯內當前水溫，單片機接受溫度傳感器測得的數據，經過內部程序的處理，將該數據轉換為實際溫度。程序中有一設定加熱溫度值的變量（設定值），此變量通過按鍵賦值，這樣增加了程序的靈活性和方便性，可以直接修改加熱溫度，而不用修改程序本身。將設定溫度值與當前溫度值相減，產生偏差值，該值經過PID算法，得到一個控制參數，即每個周期內晶閘管的導通波頭數，通過該值控制晶閘管的導通與關斷，調節(jié)加熱功率

13、，最終保持溫度恒定。偏差越小，加熱的功率越小。當然PID的形式是多種多樣的，可以是經典的PID，也可以是模糊PID，積分分離PID。</p><p>　　2.3 系統(tǒng)方案的確定</p><p>　　單片機溫度控制系統(tǒng)是以51單片機為控制核心，輔以溫度采樣反饋電路，驅動電路，晶閘管主電路對電熱爐爐溫進行控制的微機控制系統(tǒng)。其控制原理圖見圖一，其基本控制原理為：用鍵盤將溫度的設定值送入單片機，

14、啟動運行后，通過信號采集電路將溫度信號采集到后，送到A/D轉換電路將信號轉換成數字量送入單片機系統(tǒng)進行PID控制運算，將控制量輸出，控制電阻爐的加熱。</p><p><b>　　2.4 原理框圖</b></p><p><b>　　下面為框圖：</b></p><p><b>　　圖一、系統(tǒng)結構圖</b&

15、gt;</p><p><b>　　3. 硬件設計</b></p><p>　　控制系統(tǒng)的硬件設計是系統(tǒng)設計的基礎，具有重要意義。主要設計內容包括溫度測量、A/D轉換、單片機系統(tǒng)、鍵盤操作系統(tǒng)、溫度顯示系統(tǒng)、D/A轉換等部分。下面分步介紹硬件電路設計方法。</p><p>　　3.1 單片機連接電路</p><p>　　

16、本設計選用了89C51單片機，內部集成了微處理器、儲存器、I/O接口、定時、計數器、中斷系統(tǒng)、串行接口等基本元件，完全能滿足要求。</p><p>　　3.2 溫度檢測電路</p><p>　　溫度傳感器采用熱電阻及其放大電路組成</p><p>　　3.3 A/D轉換電路</p><p>　　A/D轉換十八從溫度傳感器送來模擬量轉換成溫度數

17、字量輸送到單片機，以便可以用單片機進行控制AD574再由單片機的控制下，可以在初始化程序中將B.C端置為高電平，DR端的狀態(tài)有芯片內部決定，其初始化也是高電平，刺客輸出總線處于高阻態(tài)狀態(tài)。當B.C端輸入低電平信號時，AD754便開始轉換。此時，DR端技術處狀態(tài)不變，經25微秒后轉換結束，DR端變低延時0.5微秒后，數據線上出現轉換后的數據。當單片機取完數據后轉換命令可以撤銷，B/C端置高電平。在B/C變化后的1.5微秒，DR線隨之自動變

18、高，同時數據線呈現高阻態(tài)，一次轉換完成。</p><p>　　A/D轉換結束后，A/D輸出芯片會輸出轉換結束信號，通過單片機讀取轉換數據。</p><p>　　3.4 LED溫度顯示電路</p><p>　　為了使操作人員能隨時掌握每個爐子的溫度的變化情況，設計了4位LED顯示。</p><p><b>　　3.5 電路圖</

19、b></p><p><b>　　圖二、電路圖</b></p><p><b>　　4 軟件設計</b></p><p>　　在該溫度控制系統(tǒng)中，溫度信號要經過周期采樣、數字濾波、PID運算、輸出等過程</p><p><b>　　周期采樣程序</b></p>

20、<p>　　在計算機內部，執(zhí)行算法時，需要將外部信號經行離散化處理，需要對外部模擬信號進行周期采樣。從理論上講，采樣頻率越高，失真頻率越小，但從控制器本身而言，大都依靠偏差信號E(K)進行調節(jié)器計算。當采樣周期T太小時，偏差信號也會過小，此時計算機將會失去調節(jié)作用，而采用周期過長又會引起誤差，因此采樣周期必須綜合考慮，一般而言采樣周期根據外部信號變化快慢而定，如在該溫度控制系統(tǒng)中，水箱溫度變化比較緩慢，因此采樣時間應該適應

21、大一些。</p><p><b>　　PID程序</b></p><p>　　PID調節(jié)由比例、積分調節(jié)、微分調節(jié)三者組成，是技術最成熟、應用最廣泛的一種調節(jié)方式。PID調節(jié)的實質就是根據輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數關系進行運算，運算結果用于控制輸出。在實際應用中，根據被控對象的特征和控制要求，可靈活的改變PID的結構，取其中一部分環(huán)節(jié)構成控制規(guī)律，如比例調

22、節(jié)、比例積分調節(jié)、比例積分微分調節(jié)等。</p><p>　　5 課程設計內容及過程：</p><p>　　5.1 18B20安裝過程：</p><p>　　這個安裝比較重要，因為這個正反極安反后果就是立馬燒掉，不注意的話在后面燒水剛開始時很可能就燒掉了這個元件。并且要講引腳全部都用膠帶纏上，因為安裝18B20的管子不是嚴格密封的，所以必須保證它進水之后不短路。安裝這

23、個還是要小心的。</p><p>　　5.2 電路板焊接與調試過程：</p><p>　　這個考驗人的焊接技術與信心程度，因為一個點焊錯了，電路板都不可能工作。而且要看各個元器件的引腳是否正確。我在焊接電路板的時候犯了一個嚴重的錯誤，就是把7805和BAT06兩個器件搞混了，自然焊出來沒效果，這是在上電之前就發(fā)現的。這個拆的過程很辛苦，沒有吸錫器，而且拆下來的時候很容易把焊盤弄掉。我就吃了

24、這個虧，所以，做什么事還是要用心，三思而后行。特別是不能嬉笑著去工作（這個錯誤就是和旁邊的同學一邊聊天一邊焊接出現的），這給我們同以后工作提個醒，否則出了什么生產事故可是要負責的。當然這個焊接下來還是沒什么問題的。但是在調試板子的時候就出現問題了。首先是上電之后指示燈不亮。仔細分析下電源電路后發(fā)現7805那部分有問題，用萬用表測完發(fā)現電就沒供上來。所以肯定是引腳那里有問題。后來發(fā)現是虛焊了第一腳。接上之后，指示燈算是亮了。下來調試LCD

25、液晶顯示。調了變阻器后竟然沒顯示，以為測試程序沒少進去，再次燒了一邊后還是沒顯示，還以為是液晶壞了，拔下來插另外板子上能亮。沒辦法，再查下其他器件引腳電平情況，+5v與接地（開始之前已經查了一邊，正常），還是在別人的幫助下找到問題。根源還是在7805----</p><p><b>　　6 程序調試過程：</b></p><p>　　首先，對測試程序進行了測試，由于是

26、純比例控制，所以超調很大，震蕩很劇烈，印證了所學的知識。剛開始都是一個熟悉調試的過程。一個好的溫度控制系統(tǒng)應該和加的水的多少沒有關系，但是畢竟對自己幾斤幾兩還是有那么一點認識的，所以自己弄得肯定和加水的多少有關系，因此就剛開始加少量水，再加多量水比較，發(fā)現關掉加熱后，靠熱慣性水的溫度還是會上升，并且水少水多溫度上升大概是7到10度。而且占空比0.25是可以保證溫度緩速增長的，在溫度高于設定值的時候，為了不至于溫度降得太快，可以用0.05

27、的占空比保持一下。這些值都是在經過很多次試驗后得到的比較理想的值。而且其動態(tài)的性還是基本滿足要求的。當然這只是試驗，畢竟是要控制算法的。</p><p>　　在這過程中，查過很多資料，比如積分分離PID，串級PID史密斯預估器，專家控制，模糊控制等，書到用時方恨少啊，發(fā)現自己知識還真是匱乏。當然課本上也有這方面的知識，比如過程控制書，是很好的參考資料。當然也有經典的PID，形式如下：</p><

28、;p>　　當然由于此次為溫度采樣，必須進行離散化，積分寫成和的形式，微分寫成差分形式。雖然經典PID現在在很多領域都有很大用處，但參數也不是那么好調，所以大家選擇更好效果的積分分離PID：</p><p>　　積分分離即是在高于某個設定值時才加入積分，之前用常規(guī)PID，這樣做的好處是上升時間快，穩(wěn)態(tài)誤差小等。并且從工程控制書上得知，在加入積分的時刻，適當的減小比例作用，會得到較好的結果。</p>

29、<p>　　而由于我之前大量燒水總結的經驗，并且自己開始用的也不是經典PID，所以，就分了兩個模式，水多和水少，因為熱慣性使其上升溫度不一樣，所以分水多水少模式，通過占空比的改變就可以基本上控制。當前值與設定值差值在10度以外全速加熱，十度以內改變占空比，水少的時候占空比0.25就可以保證其上升到設定值，水多的時候把十度又分文兩個階段，誤差2到10度，占空比0.55，誤差0到2度，占空比5，這樣可以保證水溫一定能上升上去。

30、超過設定值占空比改為0.05保持。這些占空比的改變都是建立在多次的試驗上面的。</p><p><b>　　6.1 程序清單</b></p><p><b>　　控制程序如下：</b></p><p>　　int PIDCalc1(int NextPoint) </p><p><b>　

31、　{ </b></p><p><b>　　int i;</b></p><p>　　Error = SetPoint - NextPoint; </p><p>　　if(Error>100) i=1;</p><p>　　else if(Error<0) i=2;</p><

32、;p>　　else if(20<Error&&Error<100) i=3;</p><p>　　else if(0<Error&&Error<20) i=4;</p><p><b>　　// 偏差 </b></p><p><b>　　switch(i)<

33、/b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　case 1: return 20; break;</p><p>　　case 2: return 1; break;</p><p>　　case 3: return 11; break;</p><p>　　case

34、4: return 5; break;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　int PIDCalc2(int NextPoint) </p><p><b>　　{ </b></p><p>

35、;<b>　　int i;</b></p><p>　　Error = SetPoint - NextPoint; </p><p>　　if(Error>100) i=1;</p><p>　　else if(Error<0) i=2;</p><p>　　else if(0<Error<100

36、) i=3;</p><p><b>　　// 偏差 </b></p><p><b>　　switch(i)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　case 1: return 20; break;</p><p>　

37、　case 2: return 1; break;</p><p>　　case 3: return 5; break;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　這樣上電后通過鍵盤來切換模式：</p><p>&l

38、t;b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　num=keyscan();</p><p><b>　　fl=num;</b></p><p>　　if(fl>0) break;</p><p>&l

39、t;b>　　}</b></p><p>　　按下相應的鍵，切換成相應的模式燒水。效果基本滿足要求。這是第一個。</p><p>　　第二個是個積分分離的程序：</p><p>　　int PIDCalc(int NextPoint) </p><p><b>　　{ </b></p>&l

40、t;p>　　Error = SetPoint - NextPoint; </p><p>　　if(Error>=30) SumError=0; </p><p>　　dError = Error - LastError; </p><p>　　PrevError = LastError; </p&

41、gt;<p>　　LastError = Error;</p><p>　　if(Error>=100)return(20);</p><p>　　else if(Error<110&&Error>30) return(Proportion*Error+ Derivative * dError); </p>&l

42、t;p>　　else if(Error>0&&Error<=30) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　SumError += Error; </p><p>　　return(0.85*Proportion*Error+ Integral * SumError+ D

43、erivative * dError+1);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else if(Error<=0) return(1);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　加入積分后比例變?yōu)樵瓉淼?.85，這個是為了保證引入積分后系統(tǒng)的穩(wěn)定性

44、不發(fā)生變化。</p><p><b>　　測試結果：</b></p><p><b>　?。ū硪唬y量結果</b></p><p><b>　　7. 總結及體會：</b></p><p>　　此次設計為計算機溫度控制系統(tǒng)設計，我努力將微型計算機控制技術及單片機技術的理論知識付諸

45、實踐，獨立完成了一個基于C51單片機的小型自動控制系統(tǒng)的設計。</p><p>　　整個系統(tǒng)設計分為四部分：測量檢測模塊，控制調節(jié)，驅動執(zhí)行，按鍵等等。軟件采用了PID算法控制。</p><p>　　在整個緊張而又充實的設計過程中，我認識到：他不單純只是一個題目，而是要求我對大學三年來所學的知識都要弄懂，并且能夠把他們熟練的運用出來，當我完成這份設計的時候，仿佛覺得自己又把大學重新過了一遍

46、，其中的樂趣與收獲是很難用語言表達的。同時我也意識到，在大學生涯結束以前，我不禁要掌握書中的基本知識，還要靈活思考，善于變換，這樣才能夠在今后的運用過程中達到事半功倍的效果。毋庸置疑，只有不斷的學習，實踐，再學習，再實踐，才能使自己不被社會淘汰。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　張榮標 《微型計算機原理與接口技術》（第二版） 機

47、械工業(yè)出版社，2009.2</p><p>　　謝維成 楊加國 《單片機原理與應用及C51程序設計》清華大學出版社，2009.7</p><p>　　王兆安 《電力電子技術》（第五版） 機械工業(yè)出版社，2009,5</p><p>　　李曉瑩 《傳感器與測量技術》 高等教育出版社，2002<