测控专业单片机课程设计实例

发布者:清新时光最新更新时间:2014-12-09 来源: laogu关键字:水温控制系统  PID控制  单片机 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量,因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。

  系统设计方案的论证与比较

根据题目要求,电热锅炉温度控制系统由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等组成。

方案一   采用8031作为控制核心,以使用最为普遍的器件ADC0809作模数转换,控制上使用对电阻丝加电使其升温和开动风扇使其降温。此方案简易可行,器件的价格便宜,但8031内部没有程序存储器,需要扩展,增加了电路的复杂性,且ADC0809是8位的模数转换,不能满足本题目的精度要求。

方案二   采用比较流行的AT89S51作为电路的控制核心,使用12位的高精度模数转换器AD574A进行数据转换,控制电路部分采用PWM控制可控硅的通断以实行对锅炉温度的连续控制,此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。

综上分析,我们采用方案二。系统设计总体框图如下。

 

1  控制器设计总体框图

根据温度变化慢,并且控制精度不易掌握的特点,我们设计了以AT89S51单片机为检测控制中心的电热锅炉温度自动控制系统。温度控制采用改进的PID数字控制算法,显示采用3位LED静态显示。该设计结构简单,控制算法新颖,控制精度高,有较强的通用性。所设计的控制系统有以下功能:

· 温度控制设定波动范围小于±1%,测量精度小于±1%,控制精度小于±2%,超调整量小于±4%;

· 实现控制可以升温也可以降温;

· 实时显示当前温度值;

· 按键控制:设置复位键、运行键、功能转换键、加一键、减一键;

· 越限报警。

 

  硬件电路设计

硬件电路主要有两大部分组成:模拟部分和数字部分:从功能模块上来分有:主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行电路。

 

1 主机电路的设计

主机选用ATMEL公司的51系列单片机AT89S51来实现,利用单片机软件编程灵活、自由度大的特点,力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。本系统选用的AT89S51芯片时钟可达12MHz,运算速度快,控制功能完善。其内部具有128字节RAM,而且内部含有4KB的flash ROM 不需要外扩展存储器,可使系统整体结构更为简单、实用。

2  I/0通道的硬件电路的设计

就本系统来说,需要实时采集水温数据,然后经过A/D转换为数字信号,送入单片机中的特定单元,然后一部分送去显示;另一部分与设定值进行比较,通过PID算法得到控制量并经由单片机输出去控制电热锅炉加热或降温。

2.1 数据采集电路的设计

数据采集电路主要由AD590, 0P07,74LS373,AD574A等组成。由于控制精度要求为0.1 度,而考虑到测量干扰和数据处理误差,则温度传感器和AD 转化器的精度应更高才能保证控制精度的实现,这个精度可处粗略定为0.1 度。故温度传感器需要能够区分0.1 度;而对于AD 转换器,由于测量范围为40-90 度,以0.1 度作为响应的AD 区分度要求,则AD 需要区分(90-40)/0.1=500 个数字量,显然需要10 位以上的AD 转换器。为此,选用高精度的12位AD574A。

为了达到测量高精度的要求,选用温度传感器AD590,AD590具有较高精度和重复性(重复性优于0.1℃,其良好的非线形可以保证优于0.1℃ 的测量精度,利用其重复性较好的特点,通过非线形补偿,可以达到0.1℃测量精度.)超低温漂移高精度运算放大器0P07将温度一电压信号进行放大,便于A/D进行转换,以提高温度采集电路的可靠性。模拟电路硬件部分见图2。

 

              图2  温度电压转换电路

 

2.2 电控制执行电路的设计

由输出来控制电炉,电炉可以近似建立为具有滞后性质的一阶惯性环节数学模型。其传递函数形式为:

可控硅可以认为是线形环节实现对水温的控制。单片机输出与电炉功率分别属于弱电与强电部分,需要进行隔离处理,这里采用光耦元件TLP521 在控制部分进行光电隔离,此外采用变压器隔离实现弱强电的电源隔离。

单片机PWM 输出电平为0 时,光耦元件导通,从而使三极管形成有效偏置而导通,通过整流桥的电压经过集电极电阻以及射集反向偏压,有7V 左右的电压加在双向可控硅控制端,从而使可控硅导通,交流通路形成,电阻炉工作;反之单片机输出电平为0 时,光耦元件不能导通,三极管不能形成有效偏置而截止,可控硅控制端电压几乎为零,可控硅截止从而截断交流通路,电炉停止工作。此外,还有越限报警,当温度低于下限时发光二极管亮;高上限时蜂鸣器叫控制执行部分的硬件电路如下图。

 

3  控制执行部分电路

 

3 键盘及显示的设计

键盘采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计,低电平有效。图3 中按键AN1,AN2,AN3,AN4, AN5的功能定义如表1所示。

按键AN3与P3.2相连,采用外部中断方式,并且优先级定为最高;按键AN5AN4分别与P1.7和P1.6相连,采用软件查询的方式;AN1则为硬件复位键,与R、C构成复位电路。[page]

 

                    1 按键功能

按键

键名

功能

AN1

复位键

使系统复位

AN2

运行键

使系统开始数据采集

 

AN3   

 

功能转换键

按键按下(D1亮)时,显示温度设定值;按键升起(D1不亮)时,显示前温度值

AN4

加一键

设定温度渐次加一

AN5

减一键

设定温度渐次减一

 

 

显示采用3位共阳LED静态显示方式,显示内容有温度值的十位、个位及小数点后一位,这样可以只用P3.0(RXD)口来输出显示数据,从而节省了单片机端口资源,在P1.4 口和P3.1(TXD)的控制下通过74LS164来实现3位静态显示。数字电路硬件部分见图4. 

4  数字硬件电路示意图

 

 系统软件设计

系统的软件由三大模块组成:主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。

1 主程序模块

在主程序中首先给定PID算法的参数值,然后通过循环显示当前温度,并且设定键盘外部中断为最高优先级,以便能实时响应键盘处理;软件设定定时器T0为5秒定时,在无键盘响应时每隔5秒响应一次,以用来采集经过A/D转换的温度信号;设定定时器T1为嵌套在T0之中的定时中断,初值由PID算法子程序提供。在主程序中必须分配好每一部分子程序的起始地址,形式如下:

           ORG  0000H

           AJMP  MAIN

           ORG  0003H

           AJMP  INTO

           ORG  000BH

           AJMP  TT0

           ORG  001BH   

           AJMP  TT1 

 

主程序流程图见图5。

 

   


 

5  主程序流程图                      图6  键盘及中断程序图

 

2 功能实现模块

以用来执行对可控硅及电炉的控制。功能实现模块主要由A/D转换子程序、中断处理子程序、键盘处理子程序、显示子程序等部分组成。

2.1 T0中断子程序

该中断是单片机内部5s定时中断,优先级设为最低,但却是最重要的子程序。在该中断响应中,单片机要完成A/D数据采集转换、数字滤波、判断是否越限、标度转换处理、继续显示当前温度、与设定值进行比较,调用PID算法子程序并输出控制信号等功能。

     2.3 T1中断子程序

     T1定时中断嵌套在T 中断之中,优先级高于T 中断,其定时初值由PID算法子程序提供,T1中断响应的时间用于输出可控硅(电炉)的控制信号。 

3  运算控制模块

运算控制模块涉及标度转换、PID算法、以及该算法调用到的乘法子程序等。

3.1 标度转换子程序

该子程序作用是将温度信号(00H~FFH)转换为对应的温度值,以便送显示或与设定值在相同量纲下进行比较。所用线形标度变换公式为:

    

式中,Ax: 实际测量的温度值;Nx:经过A/D转换的温度量;

Am =90; Ao=40; Nm =FEH; No=01H;

单片机运算采用定点数运算,并且在高温区和低温区分别用程序作矫正处理,温度计测量值与LED显示见图7。[page]

3.2 PID算法子程序

系统算法控制采用工业上常用的位置型PID数字控制,并且结合特定的系统加以算法的改进,形成了变速积分PID一积分分离PID控制相结合的自动识别的控制算法。该方法不仅大大减小了超调量(见图9),而且有效地克服了积分饱和的影响,使控制精度大大提高。PID控制算法的流程图如图8。

7  温度计测量值与报警方式图

 

 

 

 

 8  PID控制算法流程图

 

9中,初始水温为26 C。实现思想:Ui(k)为第k次采样温度值,Ur 为设定值。

 

e(k) ≥ε 使用PD算法;

e(k) <ε使用变速积分PID算法。

在此只给出本算法的控制结果曲线(见下图9)。

9 温度控制曲线图

 

  源程序

本设计方案软件实现完全使用汇编程序语言。具体源程序略。

            

  结果分析论述

本文针对电热锅炉温度控制系统模型,提出了一种基于单片机AT89S51的设计方案。设计中运用PID算法更新T1的定时常数,PWM输出控制可控硅的通断,从而实现对温度的连续控制。设计结果由图7和图9可以看出:本设计的控制器工作稳定,控制精度高,改进的PID算法超调量大大降低;软件采用模块化结构,提高了通用性。本设计的目的不仅仅是温度控制本身,主要提供了单片机外围电路及软件包括控制算法设计的思想,应该说,这种思想比控制系统本身更为重要。

   参考文献

 

[1]  何立民 主编.单片机中级教程. 北京航空航天大学出版社.

  2002年8月.

[2]  李朝青 编著.单片机原理及接口技术. 北京航空航天大学出版社.1999年3月.

[3]  第三届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编.北京理工大学出版社.1997年1月.

[4]  Protel DXP教程.电子工业出版社.2004年

关键字:水温控制系统  PID控制  单片机 引用地址:测控专业单片机课程设计实例

上一篇:基于PROFIBUS-DP现场总线的造纸机传动控制系统
下一篇:一种新的无线网络通信技术Zigbee

推荐阅读最新更新时间:2024-03-16 13:48

MSP430单片机中断的定义及原理
430的中断是按照下图1的优先级顺序定义的,有三种中断:1.系统重置、2.不可屏蔽中断(NMI)、3.可屏蔽中断。 图1.中断优先级 部分具体的中断优先级由高到低为: PORT2_VECTOR (1 * 2u) /* 0xFFE2 Port 2 */ PORT1_VECTOR (4 * 2u) /* 0xFFE8 Port 1 */ TIMERA1_VECTOR (5 * 2u) /* 0xFFEA TImer A CC1-2, TA */ TIMERA0_VECTOR (6 * 2u) /* 0xFFEC TImer A CC0 */ ADC_VECTOR (7 * 2u) /* 0xFFEE ADC */ USART0T
[单片机]
MSP430<font color='red'>单片机</font>中断的定义及原理
意法与中南大学成立“嵌入式系统联合实验室”
  微控制器全球市场领先供应商意法半导体(ST),协同其增值分销商深圳市博巨兴实业,宣布与中南大学合作成立“嵌入式系统联合实验室”。三方将致力于提供设备和技术为工程师解决未来的挑战,通过激发创新能力扩展微控制器技术的潜在应用,透过与产业的链接加快研究成果投入市场,进而提升中国嵌入式系统设计产业的实力。    意法半导体将全力支持“嵌入式系统联合实验室”所需的设备和全部培训和技术咨询,包括提供先进的基于ARM CORTEX-M3的STM32 32位微控制器和开发工具、给予学生参与意法半导体实际开发项目的机会,以及相关技术人员给予定期的指导或问题解答。让未来的创新工程师熟悉最新的嵌入式系统产品及技术,提升将来在开发研究上的竞争力。
[嵌入式]
Proteus仿真51单片机C语言-单片机向主机发送字符串
简介:单片机向主机发送字符串:单片机按一定的时间间隔向主机发送字符串,发送内容在虚拟终端显示。
[单片机]
Proteus仿真51<font color='red'>单片机</font>C语言-<font color='red'>单片机</font>向主机发送字符串
单片机的 data/idata/xdata/pdata/bit/code
DATA: 固定指前面0x00-0x7f的128个RAM,可以用acc直接读写的,速度最快,生成的代码也最小。 DATA是 在 0 到 127 之间的一个数据存储器地址,或者加 128 .. 255 范围内的一个特殊功能寄存器(SFR)地址。两者访问的方式不同。实际上由于PSW的复位设置PSW.3=RS0和PSW.4=RS1皆为0,所以通用工作寄存器区就是第0区,所以DATA的00--07H部分是与REG栏中的R0--R7对应的。以后的则仅代表低128字节的内部RAM。 IDATA:固定指前面0x00-0xff的256个RAM,其中前128和DATA的128完全相同,只是因为访问的方式不同。IDATA是用类似C中的指针方式
[单片机]
基于PIC单片机的智能型漏电继电器的设计
漏电继电器是一种可在被保护线路漏电电流达到设定值后切断被保护线路供电电源的保护装置,在电力系统中起着非常重要的作用,是保证供电可靠性的基础。随着电子技术和计算机技术的发展,电力系统的继电保护突破了传统的数字式保护继电器,出现了以微处理器为核心的智能保护继电器 。本文利用PIC18F6585型单片机设计了一款智能型漏电继电器,具有自诊断、故障记录、数据通信等多种功能,为故障分析提供便利,且具有较高的可靠性。 1 PIC系列单片机特点 PIC18F6585是由Microchip公司开发、研制和生产的PIC系列单片机,该系列单片机的技术性能具有以下优点 : (1)哈佛总线结构。PIC系列单片机在架构上采用了与众不同的哈佛总线
[单片机]
PIC单片机常识
1、 中断子程序格式 void interrupt ***(){ if(**IF == 1) ****** ; } 所有中断子函数都用interrupt关键字,根据if中不标志位来进入哪种中断; 2、 串口中断标志位 发送与接收中断标志位是由硬件置一或清零,无法软件操作,此为与其他中断的不同;
[单片机]
MCS-51系列单片机各种不用的类型特点介绍
MCS是Intel公司生产的单片机的系列符号,例如,Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCS-96系列单片机。MCS-51系列单片机是Intel公司在MCS-48系列的基础上于20世纪80年代初发展起来的,是最早进入我国并在我国得到广泛应用的单片机主流品种。 MCS-51系列单片机主要包括基本型产品8031/8051/8751(对应的低功耗型80C31/80C51/87C51)和增强型产品8032/805218752。虽然它们是8位的单片机,但是具有品种全、兼容性强、性能价格比高等特点,且软硬件应用设计资料丰富齐全,已为我国广大工程技术人员所熟悉和掌握。在20世纪80年代和90年代,MCS-51系列单片机是在我国应用
[单片机]
基于S12单片机的循迹小车视觉系统设计与优化
全国大学生智能汽车竞赛已经在国内顺利举行两年。随着智能车速度的提高,越来越多的参赛队开始采用摄像头作为道路辨识的主要传感器,而如何使用单片机进行数字图像信号采集,并识别赛道路径是该系统的设计重点。目前图像采集与处理技术已经得到了广泛的应用,但多数基于图像的控制系统都采用了DSP等高速处理器,并不适合智能车竞赛所规定使用的单片机平台。本文利用CMOS图像传感器的可编程特性,设计了适用于中低速单片机的基于FIFO的数字图像采集处理系统,用MC9S12DG128单片机进行实时图像采集和控制。该系统结构简洁、成本低廉、通用性强,可方便地移植到各种类型的处理器。 1 主要芯片 MC9S12DG128是Freescale公司出品的
[单片机]
基于S12<font color='red'>单片机</font>的循迹小车视觉系统设计与优化
小广播
添点儿料...
无论热点新闻、行业分析、技术干货……
设计资源 培训 开发板 精华推荐

最新单片机文章
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved