【正文】 《計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)》——終期報(bào)告姓名： 學(xué)號： 班級： 指導(dǎo)教師： 周永華 時(shí)間： 201371 目錄一、設(shè)計(jì)題目 3二、系統(tǒng)方案 3水溫自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 3水溫自動控制系統(tǒng)部分 3溫度控制系統(tǒng)的算法分析 4三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 5總體設(shè)計(jì)框圖及說明 5各個(gè)子模塊設(shè)計(jì) 5 CPU的選擇 5 測量單元選型 6 水溫控制電路設(shè)計(jì) 6 鍵盤設(shè)置電路 7 LCD顯示電路 8 報(bào)警電路 8五、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9程序框架結(jié)構(gòu) 9主程序模塊 10按鍵程序 11LCD顯示程序 12DS18B20采集溫度程序 12PID計(jì)算和繼電器控制程序 12附加時(shí)間顯示程序 14六、MATLAB/SIMULINK仿真部分 14理論分析 14具體傳遞函數(shù)計(jì)算 15SIMULINK仿真 15MATLAB仿真 18七、PROTEUS仿真部分 24八、結(jié)論及心得體會 25實(shí)驗(yàn)結(jié)論 25心得體會 26八、參考文獻(xiàn) 26一、設(shè)計(jì)題目基于單片機(jī)的水溫自動控制系統(tǒng)二、系統(tǒng)方案水溫自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求該系統(tǒng)為一實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)如下：設(shè)計(jì)一個(gè)水溫自動控制系統(tǒng)，控制對象為一杯子內(nèi)水的溫度。水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整，以保持特定的溫度不變。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體要求： （1）溫度設(shè)定范圍為3050攝氏度； （2）環(huán)境溫度降低是控制水溫誤差小于1攝氏度； （3）采用適當(dāng)?shù)姆椒?，使得溫度在一定范圍?nèi)才進(jìn)行控制，超過某一范圍直接加熱或者不加熱，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間； （4）采用適當(dāng)方法減少系統(tǒng)的超調(diào)量； （5）用LCD1602顯示溫度與時(shí)間。水溫自動控制系統(tǒng)部分水溫自動控制系統(tǒng)是一個(gè)過程控制系統(tǒng)，組成框圖如圖1所示，由輸入、輸出、控制器、執(zhí)行器、被控對象其反饋?zhàn)饔玫臏y量組成。輸入控制器執(zhí)行器受控對象輸出測量反饋 圖1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)中CPU選擇為單片機(jī)，執(zhí)行器為繼電器，控制加熱片通斷，檢測裝置為溫度傳感器采集溫度并反饋給單片機(jī)。另外還有鍵盤輸入部分、顯示部分以及報(bào)警部分，總體框圖如下（圖2）AT89C52控制器報(bào)警顯示輸入測量執(zhí)行器加熱器 圖2 溫控箱控制系統(tǒng)總體框圖溫度控制系統(tǒng)的算法分析本實(shí)驗(yàn)的基本思路是采用位置式PID控制算法，其基本算式為uk=KPek+KIj=0kej+KD[eke(k1)]當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)具體情況對控制參數(shù)做出改進(jìn),針對PID控制算法的積分作用，采用積分分離的控制算法?？刂葡到y(tǒng)在開始工作時(shí)必然會有較大的誤差，而且它在短時(shí)間內(nèi)不會消除，而且經(jīng)過積分項(xiàng)累積后會使得控制作用u(k)在誤差較小時(shí)仍然保持較大的值，即進(jìn)入積分飽和狀態(tài)，這使得系統(tǒng)需要經(jīng)過很長的時(shí)間才能恢復(fù)正常，這就大大影響了控制效果。一種比較好的克服積分飽和的方法是采用積分分離法。積分分離法的基本控制思想是在偏差大于某個(gè)規(guī)定的門限值時(shí)，停止并取消積分作用；而在誤差小于此門限值時(shí)才計(jì)算并引入積分作用，來消除穩(wěn)定誤差。其基本算式為uk=KPek+αKIj=kikej+KD[eke(k1)]當(dāng)ek≤∈值，α=1，當(dāng)ek∈值，α=0三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)框圖及說明本系統(tǒng)是一個(gè)簡單的單回路控制系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)水溫的自動測量和控制，根據(jù)系統(tǒng)總體方案，系統(tǒng)由單片機(jī)基本系統(tǒng)、前向通道、反饋通道和人機(jī)對話通道等4個(gè)主要的功能模塊組成，總體框圖如上面圖2所示。單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，AT89C52可以提供系統(tǒng)控制所需的I/O口、中斷、定時(shí)及存放中間結(jié)果的RAM電路；前向通道是控制執(zhí)行的通道，主要包括光耦、繼電器、加熱管；反饋通道由DS18B20構(gòu)成，采集當(dāng)前實(shí)際的溫度。鍵盤設(shè)定：采用4*4矩陣鍵盤，用于溫度設(shè)定、設(shè)定加熱開關(guān)以及時(shí)間的顯示。數(shù)據(jù)采集：運(yùn)用DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集當(dāng)前溫度并反饋給CPU進(jìn)行處理，用于控制和顯示。數(shù)據(jù)顯示：運(yùn)用LCD1602字符型液晶顯示屏顯示設(shè)定溫度、實(shí)際溫度以及當(dāng)前的時(shí)間。執(zhí)行機(jī)構(gòu)：通過三極管控制繼電器來完成對加熱管的控制，為防止強(qiáng)電弱電相互影響，在單片機(jī)與繼電器之間加入光電耦合器進(jìn)行強(qiáng)電弱電的隔離。各個(gè)子模塊設(shè)計(jì) CPU的選擇單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其使用起來十分簡單靈活方便，因此選擇單片機(jī)作為CPU。本系統(tǒng)選擇本人較為熟悉的AT89C52單片機(jī)作為CPU。如圖3所示。圖3 AT89C52封裝圖 測量單元選型方案1：采用熱敏電阻，可滿足35℃95℃的測量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性和可靠性都比較差，對于檢測精度小于1℃的溫度信號是不適用的。方案2：采用溫度傳感器DS18B20。在本課題中我用的溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20它的體積非常小，硬件開銷也小，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，附加功能強(qiáng)。它之所以能夠有這些優(yōu)點(diǎn)，是因?yàn)樗褱囟葯z測與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個(gè)芯片之上，從而抗干擾力更強(qiáng)。其一個(gè)工作周期可分為兩個(gè)部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。這里最后確定使用方案2，即采用帶防水封裝的18B20溫度傳感器。 水溫控制電路設(shè)計(jì) 此部分通過控制繼電器的通斷從而控制加熱片，采用對加在電熱管兩端的電壓進(jìn)行通斷的方法進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對水的加熱功率的調(diào)整，從而達(dá)到對水溫控制的目的，即在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對被控對象實(shí)施控制。另外，為了防止強(qiáng)電對弱電的影響，我在繼電器與單片機(jī)之間加了光耦進(jìn)行隔離。繼電器是一種電控制器件。它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動關(guān)系。通常應(yīng)用于自動化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。如圖4所示 圖4 繼電器原理圖 圖5 實(shí)際應(yīng)用的繼電器只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）釋放。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。 光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端。在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。 鍵盤設(shè)置電路 本系統(tǒng)選擇4*4矩陣鍵盤作為輸入部分，用來輸入預(yù)設(shè)溫度、開啟與關(guān)閉加熱、調(diào)節(jié)時(shí)間等。 4*4矩陣鍵盤內(nèi)部電路及實(shí)物圖如圖6所示，每行4個(gè)按鍵的一端連在一起，每列也連在一起，通過選擇行與列就能判斷出究竟是哪個(gè)鍵按下。圖6 4*4矩陣鍵盤其中數(shù)字鍵用于設(shè)定溫度值。另外4個(gè)鍵分別用來控制加熱、調(diào)整時(shí)間模式選擇鍵、時(shí)間加、時(shí)間減，還有兩個(gè)鍵暫時(shí)保留功能。 LCD顯示電路本系統(tǒng)采用LCD1602顯示溫度值與時(shí)間。如圖7所示。LCD1602液晶顯示模塊可以和單片機(jī)STC89C52直接接口，電路如圖8所示。通過LCD1602顯示預(yù)設(shè)以及實(shí)際的溫度，并能顯示加熱管現(xiàn)在處于的狀態(tài)是加熱還是停止加熱，并附加顯示時(shí)間。 圖7 LCD1602 圖8 LCD proteus仿真圖 報(bào)警電路本系統(tǒng)采用簡易的報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警，仿真圖如圖9所示。設(shè)計(jì)思想為當(dāng)預(yù)設(shè)溫度不在所期望的范圍（30—50度）內(nèi)，則蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，若實(shí)際溫度大于50度則亮黃燈進(jìn)行提醒，若實(shí)際溫度小于30度則亮綠燈進(jìn)行提醒。圖9 報(bào)警電路的仿真五、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序框架結(jié)構(gòu)一個(gè)整體的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是由各個(gè)在系統(tǒng)里起著不同作用的模塊整合在一起，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的所要實(shí)現(xiàn)的功能。本系統(tǒng)包括主控制程序，鍵盤掃描程序，溫度采集程序，時(shí)間顯示與調(diào)整程序，PID算法程序，LCD顯示程序。結(jié)構(gòu)框架圖如圖10所示。主程序模塊鍵盤掃描LCD顯示DS18B20采集溫度PID計(jì)算繼電器工作圖10 系統(tǒng)程序框架主程序模塊相當(dāng)于調(diào)度室，對子程序模塊的調(diào)用進(jìn)行管理，它主要負(fù)責(zé)初始化IO口；等待鍵盤的被按下，并調(diào)用相應(yīng)的模塊進(jìn)行處理；顯示溫度控制過程及時(shí)間；在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候通過DS18B20檢測實(shí)際溫度，并與所設(shè)定的值進(jìn)行比較，判斷報(bào)警并通過調(diào)用PID算法處理數(shù)據(jù)，處理后來控制繼電器的通斷，從而控制熱電管達(dá)到控制溫度的目的。主程序模塊由于模塊化程序的設(shè)計(jì)，通過調(diào)用程序即可實(shí)現(xiàn)所用功能，主程序流程圖如圖11所示。 圖11 主程序流程圖 圖12 鍵盤掃描流程圖主程序見附件一。按鍵程序本系統(tǒng)采用4*4鍵盤，鍵盤掃描的思想是首先判斷是否真的有鍵按下，然后開始判斷究竟是哪一個(gè)鍵按下。具體思路是先給P1口置成0xf0,若有鍵按下，則P0口的電平發(fā)生變化，然后依次置P1口為0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,找出是哪一行有鍵按下，行找到后再確定是該行的哪列被按下，最終找到鍵值。程序流程圖如圖12所示。按鍵程序見附件一。LCD顯示程序1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如表1所示：序號指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標(biāo)返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關(guān)控制0000001DCB5光標(biāo)或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標(biāo)志或地址01BF計(jì)數(shù)器地址10寫數(shù)到CGRAM或DDRAM）10要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容表1：控制命令表由于LCD1602比較常用，編程序是按照時(shí)序?qū)懭爰纯?，這里不再贅述。LCD顯示程序見附件一。DS18B20采集溫度程序 DS18B20數(shù)字溫度傳感器對時(shí)序的要求十分嚴(yán)格，延時(shí)大多是us級的，因此該子程序中的延時(shí)程序需要區(qū)別于LCD顯示的延時(shí)程序。只要嚴(yán)格按照時(shí)序圖寫程序，DS18B20即可運(yùn)行。DS18B20溫度采集程序間附件一。PID計(jì)算和繼電器控制程序 前面已經(jīng)提到PID是一種線性控制器，因此本系統(tǒng)PID控制的思路是在第一次PID調(diào)節(jié)時(shí)記下PID調(diào)節(jié)器的輸出值uk0（該值為以后PID調(diào)節(jié)器輸出地最大值）,并以該值為參考，以后的輸出uk與uk0做比值，假設(shè)uk0表示加熱a， 那么輸出uk與uk0比值表示加熱a*uk/uk0時(shí)間，以此類推，最后算出每次計(jì)算應(yīng)該加熱的時(shí)間作用于繼電器，控制加熱管加熱。由于溫度變化緩慢，則設(shè)置為5s計(jì)算PID一次。