单片机原理与计算机控制技术

二○一四～二○一五学年第二学期信息科学与工程学院课程设计报告书课程名称：单片机原理与计算机控制技术班级：自动化1201班学号：姓名：指导教师：周凤星二○一五年六月一、设计题目、任务和要求1、设计题目水温控制系统的设计2、设计任务设计一个水温控制系统对象的传递函数：s s G 50e 110020)s (-+=，炉子为电炉结构，单相交流220V 供电。

温度设定值：室温～100℃，可以根据要求任意调节。

要求：（1）画出电路原理图，包括：给定值、反馈、显示的电路及主电路；（2）阐述电路的工作原理；（3）采用对象为大滞后的算法，求出u(k)；（4）画出闭环数字控制的程序框图。

3、设计报告及书写要求课程设计任务完成之后，每位同学必须独立书写一份课程设计报告，注意：不得抄袭他人的报告。

课程设计报告的内容应包括以下五个部分：（1）设计题目和设计要求；（2）设计任务分析（包括系统设计、控制方案）；（3）详细设计：（包括水温控制系统的有关知识的介绍、系统的设计、分析以及改善；（4）课程设计总结：包括课程设计过程中的学习体会与收获。

二、设计任务分析1、总电路图的设计随着温度控制系统功能越来越强，可靠性和准确性的要求也越来越高。

以前温度控制系统大部分都是基于数字电路组成的。

其功能比较单一，使用起来也不理想，制作过程复杂，而且准确性与可靠性不高，成品面积大，安装、维护困难。

由于近年来单片机的发展迅速，逐渐出现用单片机制作，制作简单、安装、维护简单。

由于我国工业化信息化程度不断加深，温度已成为工业对象控制中的重要参数，广泛的使用在各种热处理炉、加热炉、反应炉等。

故本设计采用以ATS89C51单片机为核心的一个炉温控制系统来降低劳动强度，提高生产效率。

该系统具有对电炉温度的给定，定时检测和调节对电炉温度实时控制，温度数据显示等功能。

其总电路图如图（1）所示。

图（1）总电路图2、控制方案的设计在热工化工等许多工业生产过程中，由于被控对象模型的不确定性，参数随时间的飘逸性以及含有纯滞后环节，因此，如果要求控制系统的输出值在最小拍内达到稳态，则不但不能达到预期的效果，反而会产生较大的系统超调和震荡。

这类控制系统对快速性的要求是次要的，其主要指标是系统无超调或超调很小，并且允许有较长的调整时间，在这种条件下，采用纯滞后对象的控制算法——大林算法往往会有比价好的控制效果。

系统结构图如图（2）。

图（2）单片机炉温控制系统结构图三、详细设计1、水温控制系统的介绍由于水温控制系统的控制对象具有热存储能力大，惯性也较大的特点。

水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。

一般来说，热过程大多具有较大的滞后，它对任何信号的响应都会推迟一段时间，使输出与输入之间产生相移。

对于惯性较大的过程可以简单地采用输出开关量控制的方法。

这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态：开关或者通断，因此控制过程十分简单，也容易实现。

但由于输出控制量只有两种状态，使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大，因此容易硬气反馈回路产生振荡，对自动控制系统会产生十分不利的影响，甚至会因为输出开关的频繁动作而不能满足系统对控制精度的要求。

因此，这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。

单片机温控系统多种多样，针对不同的被控对象可以设计出不同的硬件电路。

为了实现高精度的温度控制，我采用了以AT89C51为控制核心的单片机控制系统，温度实现控制采用的是温度传感器DS1820的测量值，与系统给定值比较得到不同的PWM值来触发光电耦合器使主电路导通或断开，从而对电炉（本设计以电阻R11代替）进行加热或者不加热（降温）。

并采用LCD1602液晶屏显示水的给定温度和实际温度。

通过按键ADD，SUB实现给定温度的变化。

主程序主要处理系统初始化（包括控制参数、给定温度等）、按键扫描、采样温度值及其D/A转换与给定值进行比较，输出PWM等。

系统灵敏度高和抗干扰性强，具备较高的测量和控制精度。

2、系统设计2.1、电路部分的设计由于本系统需要温度显示、温度给定、测温和温度控制等要求。

则显示部分我采用的是LCD1602进行显示；给定温度的调节我采用的是ADD/SUB两个按键进行调节；测温我采用的是DS1802单线数字温度传感器；通过光电耦合电路实现温度的控制。

2.1.1、单片机最小系统单片机最小系统主要是由外部晶振加复位电路组成，因为P0口缺少内部上拉电阻，这里用了一个RP1的上拉电阻群如图（3）。

图（3）单片机最小系统2.1.2、显示电路（LCD1602）1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。

1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。

目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶如图（4）。

图（4）显示电路（LCD1602）2.1.3、温度调节电路当程序给定一个基本温度时然后需要在此基础之上重新升高或者降低给定温度，则可以分别通过按下按键ADD/SUB进行操作如图（5）。

图（5）温度调节电路2.1.4、温度测量电路DSl820数字温度计提供9位温度读数，指示器件的温度。

信息经过单线接口送入DSl820或从DSl820送出，因此从中央处理器到DSl820仅需连接一条线（和地）。

读、写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。

因为每一个DSl820有唯一的系列号（silicon serial number），因此多个DSl820可以存在于同一条单线总线上。

这允许在许多不同的地方放置温度灵敏器件。

此特性的应用范围包括HV AC环境控制，建筑物、设备或机械内的温度检测，以及过程监视和控制中的温度检测如图（6）。

图（6）温度测量电路在DSl820内部完成以提供0.5℃的分辩率。

温度读数以16位、符号扩展的二进制补码读数形式提供。

表l说明输出数据对测量温度的关系。

数据在单线接口上串行发送。

DSl820可以以0.5℃的增量值，在0.5℃至+125℃的范围内测量温度。

对于应用华氏温度的场合，必须使用查找表或变换系数。

以下的过程可以获得较高的分辩率。

首先，读温度，并从读得的值截去0.5℃位（最低有效位）。

这个值便是TEMP_READ。

然后可以读留在计数器内的值。

此值是门开通期停止之后计数剩余CPER COUNT REMAINCOUNTCPERCOUNTREADTEMPTEMPRATURE__) ___(25.0_)(-+-=温度表1 温度数据关系2.1.5、温度控制电路温度实现控制采用的是温度传感器DS1820的测量值，与系统给定值比较得到不同的PWM值来触发光电耦合器使主电路导通或断开，从而对电炉（本设计以电阻R11代替）进行加热或者不加热（降温）如图（7）。

图（7）温度控制电路2.1.6监控电路当温度设定值不在室温～100℃时，P2.7（初始化低电平）输出高电平，红色LED灯亮（原本打算用蜂鸣器结果找不到那个原件毕竟新手）如图（8）。

图（8）监控电路2.2、电路的工作原理用单片机的P2.4读取温度值，将实际温度与给定的值进行比较得到偏差，通过设计好的数字控制器进行运算，得到要输出的电压值，然后对应相应的占空比，通过P2.3光电耦的转化，使得主电路工作加热电阻R11或者不加热，从而实现控制电路温度的作用使得温度达到设定值，其LCD1602第一行显示给定温度第二行显示实际温度。

2.3、大林算法设计以大林算法为模型的数字控制器，使得闭环系统具有时间滞后的一阶惯性环节，且滞后时间与被控对象的滞后时间相同，此时系统传递函数为：)11(])1(1)[1(20)1)(1()()10(1120)(2T ,50,100,20,110020)(s 20T ,s 20109])1(1)[()1)(1)(1()()8()(1C )7()(11C 6)1)(1()(])1(11[)()5(])1(1)[1()1)(1()()4(11]11[)()3()1(1)1()(11)(1)()2(1)1()]([)1(1)(22T/-12T/-001T/-1T/100-2T/-1T/100-100T/-21501T/T -1T/T -1211T/T -1T/T -T/T -T/T -2T/T -112112T/T -2T/T -11211T/T -1T/T -1211211T/T -1T/T -T/-1T/T -T/T -1T/T -T/-111T/T -1T/T -1T/T -1T/T -1T/T -e e e e e e e e ee e e e e ee e e e e e ee e e e e e e e e 21122121211111-----------------------=--------------------------------=====+==-------------------+---=------------------------=---------------------------+=------------+=++-ℑ=-----------------------=----------------------=+-ℑ=---------------=Φ-Φ=----------------------------=Φℑ=Φ-------------------------------------=Φ------------+--------------------------Z Z T e Z Z T T T T T T T T e e Z Z e e Z Z Z Z Z e T Z Z D Z Z Z G S K S S G Z C C K Z Z Z D Z Z Z C C KZ S T S T K S Z G K Z Z D Z KZ S T K S Z G Z G Z Z Z G Z D s Z S s S N T T T N TS TSN T T N TS TS N N N S 所以则因为。

这里取温度采样周期一般取）（因此式中，）（）（二阶惯性环节：被控对象为带纯滞后的因此，一阶惯性环节：被控对象为带纯滞后的）（）（函数为：因此数字控制器的传递）（冲传递函数为：相应地，系统的闭环脉）（τττττττττττττττ)17(3635/)]1(819)(999)2(999)1(045.0[)(u )16()1(819.0)(999.0)2(999.0)1(000045.0)(635.3)(U )15()1)(1)(1(20)1)(1()()()()14()1)(1)(1(20)1)(1(Z U )13()()()()12()()()(112T/-001T/-1T/100-2T/-112T/-001T/-1T/100-2T/-e e e e e e e e------------+-+-=--------+-+-=----------------------==--------------------------=-----------------------------------Φ=-------------------------------------=------k e k e k u k u k k e k e k u k u k u z z Z Z Z E Z U Z D Z Z R Z Z C Z G Z C Z U Z Z Z Z 即变换得：变换进行反的计算公式的对所得的）（所以因为2.4、闭环数字控制系统的程序框图根据所设计的数字控制器即（17）式，可以得到程序流程图如图（9）所示，PWM 会对主电路的温度起控制作用，最终使得实际温度和给定温度相同。