單片機(jī)閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-資料下載頁(yè)
2025-05-12 15:16本頁(yè)面
【導(dǎo)讀】了解熟悉單片機(jī)閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原理。學(xué)習(xí)掌握溫度控制的基本理論。深入研究閉環(huán)溫度控制方法。何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)—系統(tǒng)配置與接口技術(shù).北京航天大學(xué)出版社.京工學(xué)院出版社.~180.術(shù).北京：航空工業(yè)出版社.~161.電子科技大學(xué)出版.2020.天大學(xué)出版出社，11月23日完成論文初稿。12月14日完成設(shè)計(jì)，并交設(shè)計(jì)論文。12月21日演示設(shè)計(jì)結(jié)果。1月4日論文答辯。年1月1日前完成，然后提交畢業(yè)考試委員會(huì)進(jìn)行答辯。算機(jī)中，與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差。對(duì)此偏差按PID算法進(jìn)行修正，求得對(duì)。應(yīng)的控制量控制可控硅驅(qū)動(dòng)器，調(diào)節(jié)電爐的加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。因此采集的爐溫?cái)?shù)據(jù)精度至關(guān)重要。示，包括各參數(shù)數(shù)值的修正。但在控制過(guò)程中應(yīng)該注意，采樣周期不能太短，否。則使調(diào)節(jié)過(guò)于頻繁，不但執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能反應(yīng)，而且計(jì)算機(jī)的利用率大為降低。樣周期太長(zhǎng),也是不合適，因?yàn)楦蓴_無(wú)法及時(shí)消除，使調(diào)節(jié)品質(zhì)下降。實(shí)施手段及系統(tǒng)特點(diǎn)。
【正文】 系統(tǒng)中 PID 參數(shù)值是很重要的，系統(tǒng)參數(shù)整定的好壞直接影響調(diào)節(jié)品質(zhì)。利用 PID 溫度控制曲線可以方便地實(shí)現(xiàn) PID 參數(shù)的整定。曲線反映了系統(tǒng)對(duì)溫度控制的狀況。通過(guò)該曲線可以很方便地輸入或修改 P 參數(shù)、 I 參數(shù)、 D參數(shù)和 T 參數(shù) 。表中“上限、正常和下限”指示當(dāng)前溫度范圍。當(dāng)測(cè)得溫度大于上限溫度設(shè)定值理，表中上限指示燈閃爍，測(cè)得溫度小于等于溫度下限設(shè)定值時(shí)，下限指示燈閃爍；反之，溫度在上限溫度和下限溫度之間時(shí)正常指示燈亮，同時(shí)，當(dāng)溫度越上限或下限時(shí)，單片機(jī)硬件部分也會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 本軟件具備與硬件實(shí)時(shí)通訊，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)狀態(tài)的特點(diǎn)。單片機(jī)系統(tǒng)的鍵盤對(duì)參數(shù)的任何修改，也會(huì)影響本軟件的參數(shù)。另外通過(guò)本軟件也可很方便對(duì)串行通訊波特率進(jìn)行修改。 系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實(shí)現(xiàn)模塊和運(yùn)算控制模塊。程序結(jié)構(gòu)采用中斷方式，其中， 8098 作為外部中斷 0 的中斷源， T0 定時(shí)器用作采樣周期的定時(shí)中斷，每隔 15 秒種中斷一次。在中斷服務(wù)程序中啟動(dòng) A/D，讀入采樣數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字濾波，上下限報(bào)警處理， PID 計(jì)算，然后調(diào)節(jié) T1 輸出控制脈沖信號(hào)，啟動(dòng)定時(shí)器 T1，返回主程序。脈沖的寬度由 T1 計(jì)數(shù)器溢出中斷決定。在等待 T1 中斷時(shí)，將本次采樣數(shù)值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度值放入顯示緩沖區(qū)，然后調(diào)用顯示子程序；從 T1 中斷返回后，再?gòu)?T0中斷返回主程序并繼續(xù)顯示本次采樣溫度，等待下次 T0中斷。 需要說(shuō)明的是，系統(tǒng)控制程序邏輯采用兩次中斷嵌套方式來(lái)設(shè)計(jì)， T1 中斷嵌套在 T0 中 斷之中。 2． 1 主程序模塊 在主程序中首先給定 PID 算法的參數(shù)值，然后通過(guò)循環(huán)顯示當(dāng)前溫度，并且設(shè)定鍵盤外部中斷為最高優(yōu)先級(jí)，以便能實(shí)時(shí)響應(yīng)鍵盤處理；軟件設(shè)定定時(shí)器T0為 5 秒定時(shí)，在無(wú)鍵盤響應(yīng)時(shí)每隔 5秒響應(yīng)一次，以用來(lái)采集經(jīng)過(guò) A／ D轉(zhuǎn)換的溫度信號(hào)；設(shè)定定時(shí)器 T1 為嵌套在 T0 之中的定時(shí)中斷，初值由 PID 算法子程序提供，以用來(lái)執(zhí)行對(duì)電爐或風(fēng)扇的控制。主程序流程圖見(jiàn)圖 4。 圖 4 主程序流程圖 2． 2 功能實(shí)現(xiàn)模塊 功能實(shí)現(xiàn) 模塊主要由 A／ D轉(zhuǎn)換子程序、中斷處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序等部分組成。限于篇幅，只介紹中斷處理子程序。 2． 2． 1 T0 中斷子程序 該中斷是單片機(jī)內(nèi)部 5s 定時(shí)中斷，優(yōu)先級(jí)設(shè)為最低，但卻是最重要的子程序。在該中斷響應(yīng)中，單片機(jī)要完成 A／ D 數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、判斷是否越限、標(biāo)度轉(zhuǎn)換處理、繼續(xù)顯示當(dāng)前溫度、與設(shè)定值進(jìn)行比較，調(diào)用 PID算法子程序并輸出控制信號(hào)等功能。 2． 2． 2 鍵盤中斷子程序 作為優(yōu)先級(jí)最高的功能控制鍵，系統(tǒng)要實(shí)時(shí)響應(yīng)該中斷。在該中斷的響應(yīng)過(guò)程中，系統(tǒng)要顯示上一次的溫度設(shè)定 值，并且可以通過(guò) AN AN4 來(lái)實(shí)現(xiàn)加 減 1 的輸入修改。鑒于系統(tǒng)要求，程序?qū)崿F(xiàn)為加 1 到 90 時(shí)再加則為 40；減 1到40時(shí)再減則為 90。 2． 2． 3 T1 中斷子程序 T1 定時(shí)中斷嵌套在 Tφ 中斷之中，優(yōu)先級(jí)高于 Tφ 中斷，其定時(shí)初值由 PID算法子程序提供， T1中斷響應(yīng)的時(shí)間用于輸出電爐或風(fēng)扇的控制信號(hào)。 2． 2． 4 采樣子程序 流程圖如圖 5所示。 2． 2． 5 數(shù)字濾波子程序 用于濾去控制過(guò)程中外部對(duì)采樣值的干擾，采用三次采樣值進(jìn)行比較，取中間值存放在溫度查表程序的參數(shù)入口。 2． 2． 6 溫度查表程序 為解決鉑熱 電阻溫度 /電壓變換電路中的非線性，采用模擬數(shù)據(jù)擬合法，利用已調(diào)好的硬件電路，用電壓表產(chǎn)生模擬的熱電勢(shì)信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大及 A/D轉(zhuǎn)換后，由單片單板機(jī)讀出對(duì)應(yīng)該熱電勢(shì)的數(shù)字量，這個(gè)數(shù)字量與模擬的溫度標(biāo)準(zhǔn)值構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，在使用的溫度范圍內(nèi)逐點(diǎn)獲得全部數(shù)據(jù)對(duì)后再采用曲線擬合法的方法建立 A/D 值與溫度之間的函數(shù)關(guān)系式，由此得到 A/D轉(zhuǎn)換值與溫度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由這些一一對(duì)應(yīng)關(guān)系制成表格存貯在 ROM 中，供實(shí)際測(cè)試與程序運(yùn)行過(guò)程中查表用。 2． 3 運(yùn)算控制模塊 運(yùn)算控制模塊涉及標(biāo)度轉(zhuǎn)換、 PID 算法、以及該算法調(diào)用到的 乘法子程序等。 2． 3． 1 標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序 該子程序作用是將溫度信號(hào) (00H~FFH)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的溫度值，以便送顯示或與設(shè)定值在相同量綱下進(jìn)行比較。所用線形標(biāo)度變換公式為： 式中， Ax：實(shí)際測(cè)量的溫度值； Nx：經(jīng)過(guò) A／ D 轉(zhuǎn)換的溫度量； Am＝ 90； Ao=40； Nm＝ FEH； No＝ 01H 單片機(jī)運(yùn)算采用定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，并且在高溫區(qū)和低溫區(qū)分別用程序作矯正處理，測(cè)量值與 LED 顯示見(jiàn)圖 5。 2． 3． 2 PID 算法子程序 系統(tǒng)算法控制采用工業(yè)上常用的位置型 PID 數(shù)字控制，并且結(jié)合特定的 系統(tǒng)加以算法的改進(jìn)，形成了變速積分 PID— 積分分離 PID 控制相結(jié)合的自動(dòng)識(shí)別的控制算法。該方法不僅大大減小了超調(diào)量 (見(jiàn)圖 6)，而且有效地克服了積分飽和的影響，使控制精度大大提高。 圖 6 中，初始水溫為 26C。 實(shí)現(xiàn)思想： ui(k)為第 k 次采樣溫度值， Ur 為設(shè)定值。 ui(k)ur=e(k) |e(k)|≥ε ，使用 PD算法； |e(k)|ε ，使用 PID算法； 給出本算法的控制結(jié)果曲線 (見(jiàn)圖 6) 結(jié)束語(yǔ) ： 本文針對(duì)水溫控制系統(tǒng)模型，提出了一種基于單片機(jī) 89C5l 的設(shè) 計(jì)方案。設(shè)計(jì)結(jié)果由圖 5和圖 6 可以看出：本設(shè)計(jì)的控制器工作穩(wěn)定，控制精度高，改進(jìn)的 PID 算法超調(diào)量大大降低；軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，提高了通用性。本設(shè)計(jì)的目的不僅僅是水溫控制本身，主要提供了單片機(jī)外圍電路及軟件包括控制算法設(shè)計(jì)的思想，應(yīng)該說(shuō)，這種思想比控制系統(tǒng)本身更為重要。 可以方便地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示與控制；實(shí)時(shí)地利用鍵盤或 PID曲線整定溫度控制的參數(shù)如比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)和采樣時(shí)間等，從而真正實(shí)現(xiàn)了交互式溫度控制的目的，大大提高了控制的效果。 參考文獻(xiàn) 譚運(yùn)光、陳安源等．單片機(jī)開(kāi)發(fā)手冊(cè)．華齡出版社． 1994年 12月 李華編． MCS— 51 系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)．北京航空航天大學(xué)出版社． 1993 年 8月 實(shí)用電子電路手冊(cè) LJ3．高等教育出版社． 1992年 10月 黃一夫編著 .微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) .北京 .機(jī)械工業(yè)出版社， 1987年 何立民編著 .單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐 .北京 .北京航空航天大學(xué)出版社， 1993年
畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號(hào)-1