《綜合課程設(shè)計(jì)》指導(dǎo)書DOC

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1、綜合課程設(shè)計(jì)》 指導(dǎo)書 機(jī)電工程系 2015 年 1 月 目錄 一、 本課程設(shè)計(jì)的地位和作用 2 二、課程設(shè)計(jì)的目的 2 三、課程設(shè)計(jì)的要求 2 四、課程設(shè)計(jì)的具體步驟 3 五、課程設(shè)計(jì)報(bào)告要求 4 六、課程設(shè)計(jì)課題 6 設(shè)計(jì)實(shí)例一：單片機(jī)恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 設(shè)計(jì)實(shí)例二：小型SBR廢水處理PLC電氣控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 17 本課程設(shè)計(jì)的地位和作用 綜合課程設(shè)計(jì)是電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、自動(dòng)檢測技術(shù)、 自動(dòng)控制原理、電力電子技術(shù)、單片機(jī)、PLC等課程之后的一門綜合性的設(shè)計(jì)課 程，目的在于加深學(xué)生對自動(dòng)控制系統(tǒng)的組

2、成、 工作原理等基本理論和基本知識 的理解，讓學(xué)生初步掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的基本方法和仿真調(diào)試步驟， 強(qiáng)化學(xué)生所學(xué)專業(yè)知識的實(shí)用性、 應(yīng)用性和系統(tǒng)性， 使學(xué)生樹立系統(tǒng)和全面的觀 點(diǎn)，從整體上把握自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、構(gòu)成、實(shí)現(xiàn)等各個(gè)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的創(chuàng) 新意識和實(shí)踐能力。 二、 課程設(shè)計(jì)的目的 1．加深對所學(xué)理論知識的理解，并能將其熟練應(yīng)用，做到理論知識與實(shí)際 應(yīng)用相結(jié)合； 2．學(xué)會(huì)簡單的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟，通過查尋資料、方案比較，以及設(shè) 計(jì)計(jì)算及調(diào)試等環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提高多門學(xué)科知識的綜合應(yīng)用能力； 3．培養(yǎng)學(xué)生具有初步的系統(tǒng)分析能力、系統(tǒng)集成能力，能在系統(tǒng)的層面上 看待問題、解決問

3、題。 4．培養(yǎng)獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，包括電路布局、安裝、調(diào)試和排除故障的能力。 5．培養(yǎng)書寫綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力。 對本次課程設(shè)計(jì)， 原則上指導(dǎo)老師只給出大致的設(shè)計(jì)要求， 在設(shè)計(jì)思路上不 框定和約束同學(xué)們的思維， 所以同學(xué)們可以發(fā)揮自己的創(chuàng)造性， 并力求設(shè)計(jì)方案 凝練可行、思路獨(dú)特、效果良好。 三、 課程設(shè)計(jì)的要求 1．在接受設(shè)計(jì)任務(wù)后，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求和應(yīng)完成的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)度計(jì)劃，確 定各階段應(yīng)完成的工作量，妥善安排時(shí)間。 2．在方案確定過程中應(yīng)主動(dòng)提出問題，以取得指導(dǎo)數(shù)師的幫助，同時(shí)要廣 泛討論，依據(jù)充分。在具體設(shè)計(jì)過程中要多思考，尤其是主要參數(shù)，要經(jīng)過計(jì)算 論證。 3．所有電氣圖樣的

4、繪制必須符合國家有關(guān)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，包括線條、圖型符 號、項(xiàng)目代號、回路標(biāo)號、技術(shù)要求、標(biāo)題欄、元器件明細(xì)表以及圖樣的折疊和 裝訂。 4．說明書要求文字通順、簡練，字跡端正、整潔。 5．應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成所有的設(shè)計(jì)任務(wù)。 四、課程設(shè)計(jì)的具體步驟 綜合課程設(shè)計(jì)的一般設(shè)計(jì)方法和步驟是： 分析設(shè)計(jì)任務(wù)和性能指標(biāo)， 選擇總 體方案，設(shè)計(jì)單元電路及接口，選擇器件，計(jì)算參數(shù)，畫總體電路圖。進(jìn)行仿真 試驗(yàn)和性能測試。實(shí)際設(shè)計(jì)過程中往往反復(fù)進(jìn)行以上各步驟， 才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求， 需要靈活掌握。 1. 總體方案選擇 設(shè)計(jì)的第一步就是選擇總體方案，就是根據(jù)提出的設(shè)計(jì)任務(wù)要求及性能指 標(biāo)，在系統(tǒng)的高度上，給出

5、一個(gè)解決方案。首先決定控制方式，采用開環(huán)控制還 是閉環(huán)控制；采用恒值控制、 隨動(dòng)控制還是程序控制。 然后用若干系統(tǒng)單元組成 一個(gè)整體， 來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)提出的各項(xiàng)要求和技術(shù)指標(biāo)。 此階段要明確各單元的 功能及接口要求，并畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 設(shè)計(jì)過程中，往往有多種方案可以選擇，應(yīng)針對任務(wù)要求，查閱資料，權(quán)衡 各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，從中選優(yōu)。 2. 系統(tǒng)單元的設(shè)計(jì) 常見的系統(tǒng)單元有電源單元、信息采集單元、放大單元、控制單元、驅(qū)動(dòng)單 元、執(zhí)行單元、顯示單元、通信單元等。雖然它們的功能不盡相同，但設(shè)計(jì)的方 法和步驟卻相似。 2.1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)單元的一般方法和步驟 A. 根據(jù)系統(tǒng)單元功能要求和接口要求，確定

6、各單元電路的性能指標(biāo)。 B. 擬定出各單元電路的要求后，對它們進(jìn)行設(shè)計(jì)。 C. 單元電路設(shè)計(jì)應(yīng)采用符合的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的原則。 2.2 元器件的選擇 針對系統(tǒng)單元設(shè)計(jì)， 在搭建單元電路時(shí)， 對于特定功能單元選擇主要集成塊 的余地較小。 比如時(shí)鐘電路選 555，轉(zhuǎn)換電路選 0809，譯碼及顯示驅(qū)動(dòng)電路也都 相對固定。但由于電路參數(shù)要求不同，還需要通過選擇參數(shù)來確定集成塊型號。 一個(gè)電路設(shè)計(jì)， 單用一門課程內(nèi)容是不夠的， 往往同時(shí)摻有線性電路元件和集成 塊，因此還需對相應(yīng)內(nèi)容熟悉， 比如運(yùn)算放大器的種類和基本用法， 集成比較器 和集成穩(wěn)壓電路的特性和用法。 總之，構(gòu)建單元電路時(shí)， 選擇器件

7、的電平標(biāo)準(zhǔn)和 電流特性很重要。 普通的門電路、時(shí)序邏輯電路、 組合邏輯電路、 脈沖產(chǎn)生電路、 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、 采樣和存儲(chǔ)電路等， 參數(shù)選擇恰當(dāng)可以發(fā)揮其性能并節(jié)約 設(shè)計(jì)成本。 單元電路設(shè)計(jì)過程中， 阻容元件的選擇也很關(guān)鍵。 它們的種類繁多， 性能各 異。優(yōu)選的電阻和電容輔助于數(shù)字電路的設(shè)計(jì)可以使其功能多樣化、完整化。 3. 電路仿真與調(diào)整 首先進(jìn)行系統(tǒng)單元部分仿真與測試， 發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)調(diào)整。 所有系統(tǒng)單元均經(jīng) 過仿真測試后， 再進(jìn)行系統(tǒng)集成仿真與測試， 此時(shí)主要測試各個(gè)系統(tǒng)單元的接口 是否正常， 各個(gè)單元配合到一起能否正常工作。 仿真測試時(shí)要逐個(gè)將系統(tǒng)單元增 加到系統(tǒng)中， 邊增加系

8、統(tǒng)單元邊仿真測試。 集成測試中各系統(tǒng)單元的輸入輸出邏 輯關(guān)系與它們之間的正確傳遞決定了系統(tǒng)集成的成敗。 4. 衡量設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn) 工作穩(wěn)定可靠；能達(dá)到預(yù)定的性能指標(biāo)，并留有適當(dāng)?shù)挠嗔?；電路簡單，?本低，功耗低；器件數(shù)目少，集成體積小，便于生產(chǎn)和維護(hù)。 五、課程設(shè)計(jì)報(bào)告要求 課程設(shè)計(jì)報(bào)告應(yīng)包括以下內(nèi)容： 1．封面 2．摘要 3．目錄 4．設(shè)計(jì)任務(wù)及其具體要求。 5．總體設(shè)計(jì)方案及系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖。 6．系統(tǒng)單元設(shè)計(jì)（含各系統(tǒng)單元功能，輸入、輸出信號，系統(tǒng)單元原理圖 及其原理闡述，所選用的集成電路器件等。有的需要進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。 ）。 7．整機(jī)電路圖（電路圖應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)邏輯符號繪制，電路圖中

9、應(yīng)標(biāo)明接線引出 端名稱、元件編號等） 。 8．器件清單。 9. 仿真調(diào)試結(jié)果及改進(jìn)措施。 10. 總結(jié)與體會(huì)。 11．主要參考文獻(xiàn) 六、課程設(shè)計(jì)課題 1. 單相數(shù)顯電量表：最大電流30A,計(jì)量誤差＜1%有過流保護(hù)和停電數(shù)據(jù)保 存功能。不要求電量卡部分。 2. 交流電流變送器： 檢測范圍 AC 0-50A，輸出DC 0-5V, 4-20mA供電 DC 24V 3. 速度里程表： 能顯示電動(dòng)車當(dāng)前速度和總里程, 可以分段統(tǒng)計(jì)平均、 最大 速度和段里程。 4. 超聲波測距系統(tǒng)：測量距離100mm— 2m，測量精度＜5mm 5. 電動(dòng)車有刷電機(jī)控制器：電機(jī)180Vy 36V,要求有

10、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)功 能。附加定速巡航功能,允許取消。 6. 溫度控制儀：溫度控制范圍100-200 C,溫度傳感器為PT10Q加熱元件 功率1000W要求控制精度土「C。 7. 液位測量儀：能測量液位的深度（高度），量程0-100cm,誤差＜1%要求 適用于不同密度的液體測量。 8. 直流數(shù)控電源：輸出1.5-15V，最大電流1A,步進(jìn)電壓0.1V。有過流和 短路保護(hù)。 9. 數(shù)字電子稱：稱重范圍：0-5Kg，誤差＜1%要求輸入單價(jià)，根據(jù)稱重可以 計(jì)算出總價(jià)，具有總價(jià)累加功能。 10^LED點(diǎn)陣電子屏：設(shè)計(jì)一個(gè)16X 32點(diǎn)陣LED電子顯示屏，內(nèi)容可以滾動(dòng) 顯示。 11. 停車場

11、車位控制： 在出入口處設(shè)置傳感器，檢測車輛的出入情況。實(shí)時(shí) 顯示停車場空余車位數(shù)，空余車位數(shù)為 0，則不允許車輛進(jìn)入。 12. 病床呼叫系統(tǒng)： 每一層樓有一護(hù)士站，每一護(hù)士站均有該層樓病人緊急 呼叫與處理完畢的重置按鈕。共有 1 0個(gè)病房，每間病房 3個(gè)床位。每個(gè)床位均 有緊急呼叫按鈕及重置按鈕。 病人按下緊急呼叫按鈕， 護(hù)士站顯示病房緊急呼叫 并閃爍指示燈。 按下護(hù)士處理按鈕以取消閃爍情況， 再依病房緊急呼叫順序處理 病房緊急事故， 若事故處理妥當(dāng)后， 病房緊急閃爍指示燈和病床上的緊急指示燈 方町被重置。 13. 自助洗車機(jī)控制設(shè)計(jì)： 設(shè)計(jì)投幣 100 元自助洗車機(jī)。有 3 個(gè)投幣孔，分

12、 別為5元、10元及 50元3種，當(dāng)投幣合計(jì) 100元或超過時(shí)，按啟動(dòng)開關(guān)洗車機(jī) 才會(huì)動(dòng)作，啟動(dòng)燈亮起。7段數(shù)碼管會(huì)顯示投幣金額（用 BCD碼），當(dāng)投幣超過 100元時(shí)，可按退幣按鈕， 這時(shí) 7段數(shù)碼管會(huì)退回零， 表示找回余額（退幣選作）。 洗車機(jī)動(dòng)作流程按規(guī)定的流程進(jìn)行。 14. 機(jī)械手臂搬運(yùn)加工流程控制： 工作物由輸送帶 A 送到加工位置，然后由 機(jī)械手臂將加工物送至工作臺(tái) 1 的位置進(jìn)行第一步驟加工。 當(dāng)?shù)谝徊襟E加工完成 后，機(jī)械手臂將工作物夾起再送至工作臺(tái) 2進(jìn)行第二步驟加工； 當(dāng)?shù)诙襟E加工 完成后，機(jī)械手臂將工作物放到輸送帶 B送走，然后由7段數(shù)碼管顯示加工完成 的數(shù)量。 15

13、. 自動(dòng)售貨機(jī)的控制設(shè)計(jì)： 售貨共有 3種飲料供選擇， 分別為汽水（4 元）、 花茶（ 6 元）和咖啡（ 10 元），自動(dòng)售貨機(jī)有 3 個(gè)投幣孔，分別為 1 元、5 元和 10元。投幣總額或當(dāng)前值顯示在 7段數(shù)碼管上。投幣值等于或大于貨物金額時(shí)， 貨物可選。按下對應(yīng)按鈕，則相對應(yīng)的指示燈開始閃爍， 3s 后自動(dòng)停止，表示 飲料已經(jīng)掉出。 如投幣總額超過銷售價(jià)格， 將可由退幣鈕找回余額， 退回金額如 果大于 10 元，則先退 10 元再退 1。 16. 全自動(dòng)洗衣機(jī)：1. 按下啟動(dòng)按扭及水位選擇開關(guān)， 2.注水直到高（中、 低） 水位，關(guān)水，3.2s后開始洗滌，4.洗滌時(shí)，正轉(zhuǎn)30s,停2s,

14、然后反轉(zhuǎn)30s，停 2s， 5. 如此循環(huán) 5 次，總共 320s 后開始排水，排空后脫水 30s， 6. 開始清洗， 重復(fù) 2--5 ，清洗兩遍， 7. 清洗完成，報(bào)警 3 秒并自動(dòng)停機(jī)。 8. 若按下停車按扭， 可手動(dòng)排水（不脫水）和手動(dòng)脫水（不計(jì)數(shù)） 。 17. 電子計(jì)算器設(shè)計(jì)： 由按鍵輸入的數(shù)值顯示在 7段數(shù)碼管上，但只限 4位 數(shù)。按加、減、乘、除鍵時(shí)， 第一次輸入的值被存放在緩沖區(qū)中， 當(dāng)做被加、 減、 乘、除數(shù)，且加、減、乘、除相對的運(yùn)算指示燈會(huì)亮。接著輸入一個(gè)數(shù)，之后若 是按下“ =”鍵，則此加、減、乘、除數(shù)被存放于另一個(gè)緩沖區(qū)中，與剛才輸入 的數(shù)做運(yùn)算，且相對應(yīng)的運(yùn)算指示燈

15、熄滅。將運(yùn)算結(jié)果顯示在 7 段數(shù)碼管上。 18. 自動(dòng)噴泉的PLC控制：有16個(gè)彩燈代表16個(gè)噴頭，有4個(gè)選擇按鈕， 采用S7-200PLC進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)四種以上的自動(dòng)噴泉花樣。 19. 交通信號燈控制系統(tǒng) : 在南北向與東西向交錯(cuò)的路口上，各設(shè)置紅、黃、 綠三種信號燈，以控制車輛和行人的通行。1.南北方向通車時(shí)綠燈亮25s，然后 黃燈亮警告5s后紅燈亮30s，如此循環(huán)；2.東西向則是先紅燈30s,然后綠燈亮 25s后黃燈亮5s，如此循環(huán)；3.用數(shù)碼進(jìn)行30s的時(shí)間遞減顯示。 20. 裝瓶流水線的PLC控制：有A1?A10選瓶、裝瓶、蓋蓋、貼簽、傳送、 成品入庫生產(chǎn)線操作工序，用 10盞

16、燈來模擬；并有啟動(dòng) / 停止、移位、復(fù)位按鈕 進(jìn)行操作。采用S7-200PLC進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)，自動(dòng)等四種以上的裝瓶流水線 工序控制。 21. 數(shù)字頻率計(jì)： 設(shè)計(jì)一個(gè)以單片機(jī)為核心的頻率測量裝置。使用單片機(jī)的 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的定時(shí)和計(jì)數(shù)功能，外部擴(kuò)展 6位LED數(shù)碼管，要求累計(jì)每秒進(jìn) 入單片機(jī)的外部脈沖個(gè)數(shù)，用 LED數(shù)碼管顯示出來。被測頻率fx<1000Hz,采用 測周法；fx>=1000Hz，采用測頻法。 22. 基于單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集 : 設(shè)計(jì)八路模擬信號自動(dòng)采集與數(shù)據(jù)處理系 統(tǒng)；以單片機(jī)作為下位機(jī)，能夠完成模擬電壓信號采集和 A/D轉(zhuǎn)換，用三位數(shù)碼 管進(jìn)行顯示，要求對通道號和測

17、量值進(jìn)行顯示。 23. 小型機(jī)器人關(guān)節(jié)角控制 : 研究關(guān)節(jié)控制原理；設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)控制方案；完成 硬件電路并搜集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 24. 智能定時(shí)搶答器設(shè)計(jì)： 幾個(gè)選手，誰先按下自己手中的按鈕， LED 顯示 器SM就會(huì)顯示相對應(yīng)的選手號碼。開始按鈕開啟之后，才可以搶答。 25. 燃?xì)鉄崴骱銣乜刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)： 在了解燃?xì)鉄崴鹘Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，完成 燃?xì)鉄崴魉疁厍度胧秸{(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。水溫調(diào)節(jié)范圍 20-60 C。 26. 火災(zāi)報(bào)警及滅火控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)： 1、設(shè)計(jì)一個(gè)由單片機(jī)控制的室內(nèi)火災(zāi)自 動(dòng)報(bào)警控制器； 2、采用感煙傳感器和感溫傳感器，能對室內(nèi)的煙霧及溫度的突 變進(jìn)行報(bào)警；3、有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，

18、產(chǎn)生聲、光報(bào)警信號；4、如火災(zāi)報(bào)警10s后不 解除，則控制啟動(dòng)滅火裝置。 27. 自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)： 1、有人來時(shí)（進(jìn)門或出門）開門。當(dāng)人走到離門 不遠(yuǎn)的時(shí)候時(shí)，安裝在門 上側(cè)的熱釋紅外線傳感器信號檢測裝置檢測到有人時(shí)， 將啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)鏈 開門。 2、無人時(shí)關(guān)門延遲，當(dāng)熱釋收發(fā)裝置沒有檢 測到有人在離門1m的范圍內(nèi)，將延遲1秒啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)鏈關(guān)門。3、關(guān) 門中途來人，立即開門。當(dāng)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)鏈關(guān)門時(shí)，感應(yīng)探頭 突然檢測 到在離門1m的范圍內(nèi)有人，則立即停止電動(dòng)機(jī)關(guān)門，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng) 傳動(dòng)鏈開 門。 28. 電阻測量儀：可以測試1Q?1MQ的電阻，測量誤差小于1% LCD

19、屏顯示。 29. 可預(yù)約電飯鍋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)： 可預(yù)約工作時(shí)間，可選擇蒸熟飯后是保溫 還是斷電。具有過壓檢測保護(hù)功能。 30. 光伏發(fā)電光照自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)： 設(shè)計(jì)一個(gè)能夠檢測并指示點(diǎn)光源位置 的模擬光伏發(fā)電太陽光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。 31. 基于單片機(jī)的多功能智能小車設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)一個(gè)用單片機(jī)控制的智能小車， 具有循跡和避障功能。 單片機(jī)脈搏測量儀：利用光電傳感器作為變換原件，把采集到的用于檢 測脈搏跳動(dòng)的紅外光轉(zhuǎn)換成電信號，放大后用單片機(jī)進(jìn)行顯示。 設(shè)計(jì)實(shí)例一：單片機(jī)恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求： 本溫度控制系統(tǒng)為以單片機(jī)為核心， 實(shí)現(xiàn)了對溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制， 實(shí)現(xiàn)了 控制的智能

20、化。設(shè)計(jì)恒溫箱溫度控制系統(tǒng)，配有溫度傳感器，采用DS18B2C數(shù)字 溫度傳感器，無需數(shù)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，可直接與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字傳輸，采用了 PID 控制技術(shù)，可以使溫度保持在要求的一個(gè)恒定范圍內(nèi)，配有鍵盤，用于輸入 設(shè)定溫度；配有數(shù)碼管LED用來顯示溫度。 技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)任務(wù) ： 1、 利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對溫度的控制，實(shí)現(xiàn)保持恒溫箱在最高溫度為 110C。 2、 可預(yù)置恒溫箱溫度，烘干過程恒溫控制，溫度控制誤差小于土 2C。 3、 預(yù)置時(shí)顯示設(shè)定溫度，恒溫時(shí)顯示實(shí)時(shí)溫度，采用 PID 算法顯示精確到 0.1 °C。 4、 溫度超出預(yù)置溫度土 5C時(shí)發(fā)出聲音報(bào)警。 5、 對升、降溫過程沒

21、有線性要求。 6溫度檢測部分采用DS18B2C數(shù)字溫度傳感器，無需數(shù)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換， 可直接與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字傳輸 7、人機(jī)對話部分由鍵盤、顯示和報(bào)警三部分組成，實(shí)現(xiàn)對溫度的顯示、報(bào) 警。 一、總體設(shè)計(jì)方案 1、 系統(tǒng)原理 選用AT89C2051單片機(jī)為中央處理器，通過溫度傳感器DS18B20寸恒溫箱進(jìn) 行溫度采集，將采集到的信號傳送給單片機(jī)，在由單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理控制顯 示器，并比較采集溫度與設(shè)定溫度是否一致，然后驅(qū)動(dòng)恒溫箱的加熱或制冷。 2、 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖 總體設(shè)計(jì)應(yīng)該是全面考慮系統(tǒng)的總體目標(biāo)， 進(jìn)行硬件初步選型，然后確定一 個(gè)系統(tǒng)的草案，同時(shí)考慮軟硬件實(shí)現(xiàn)的可行性?？傮w

22、方案經(jīng)過反復(fù)推敲，確定了 以美國Atmel公司推出的51系列單片機(jī)為溫度智能控制系統(tǒng)的核心，并選擇低 功耗和低成本的存儲(chǔ)器、數(shù)碼顯示器等元件，總體方案如下圖： 圖1系統(tǒng)總體框圖 二、硬件各單元設(shè)計(jì) 1、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 單片機(jī)選用Atmel公司的單片機(jī)芯片AT89C2051,完全可以滿足本系統(tǒng)中要 求的采集、控制和數(shù)據(jù)處理的需要。單片機(jī)的選擇在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要， 該單片機(jī)與MCS-51系列單片機(jī)高度兼容、低功耗、可以在接近零頻率下工作等 諸多優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于各類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、工業(yè)控制、消費(fèi)類產(chǎn)品中。 AT89C2051是 AT89系列單片機(jī)中的一種精簡產(chǎn)品。它是將AT

23、89C51的 P0 口、 P2 口、EA/Vpp ALE/PROG PSENH線省去后，形成的一種僅 20引腳的單片機(jī)， 相當(dāng)于早期Intel8031的最小應(yīng)用系統(tǒng)。這對于一些不太復(fù)雜的控制場合，僅有 一片AT89C2051就足夠了，是真正意義上的“單片機(jī)” 。AT89C2051為很多規(guī)模 不太大的嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種極佳的選擇方案，使傳統(tǒng)的 51系列單片機(jī) 的體積、功耗大、可選模式少等諸多弱點(diǎn)不復(fù)存在。該型號單片機(jī)包括 （1） 一個(gè)8位的微處理器（CPU）。 （2） 片內(nèi)有2K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器（ROM和128/256字節(jié)RAM （3） 15條可編程雙向I/O 口線。 （4） 兩個(gè)

24、16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式，用以對外部事件進(jìn)行計(jì) 數(shù)，也可設(shè)置成定時(shí)方式，并可以根據(jù)計(jì)數(shù)或定時(shí)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。 （5） 五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)。 （6） —個(gè)全雙工UATR通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O 口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之 間或單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信。 （7） 片內(nèi)含模擬比較器。 （8） 低功耗的閑置和掉電模式。 +5V 圖2最小系統(tǒng)電路 AT89C205是一個(gè)20腳的雙列直插封裝（DIP）芯片。最小系統(tǒng)電路包括晶體振 蕩電路和手動(dòng)復(fù)位電路，如圖2。 本設(shè)計(jì)使用一片AT89C205就代替了原來的8031、EPROM2732地址鎖存器 74L

25、S373,因?yàn)锳T89C205內(nèi)部的2KBEPRO和 128B的RAM對智能化溫度傳感器測 試系統(tǒng)已能滿足設(shè)計(jì)要求，而且降低了成本，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也較精巧 2、溫度傳感器 采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比,他能夠直接讀出被 測溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn) 9?12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。可 以分別在93.75ms和750m內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B2讀出的信 息或?qū)懭隓S18B2的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫,溫度變換功率來源 于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B2供電，而無需額外電源。因而 使用DS18B2可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單,可

26、靠性更高，成本更低。測量溫度范圍為? 55C?+125C。C,在一 10C?+85C。C范圍內(nèi)，精度為土 0.5 C。DS1822勺精度 較差為土 2C。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng) 的抗干擾性。其引腳分布如圖3所示 DSIKB2H 圖3 DS18B2C引腳圖 （1）引腳功能如下： NC（1、2、6、7、8腳）：空引腳，懸空不使用。 VDD（3腳）:可選電源腳，電源電壓范圍3?5.5V。 DQ（4腳）：數(shù)據(jù)輸入/輸出腳,漏極開路,常態(tài)下高電平。 ⑵DS18B20測溫原理 DS18B2的測溫原理如圖4所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響 很小，

27、用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計(jì)數(shù)器 1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化 其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存 器被預(yù)置在-55 C所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信 號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1,計(jì)數(shù)器1 的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行 計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度 寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線 性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。DS18B2在正常使用時(shí)的測溫分辨率為 0.5 C

28、,如果要更高的精度，則在對DS18B2測溫原理進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上， 采 取直接讀取DS18B2內(nèi)部暫存寄存器的方法，將 DS18B2的測溫分辨率提高到 0.1 ?0.01C。 圖4測溫原理圖 ⑶DS18B20與單片機(jī)接口電路 P1.3 口和DSI8B20的引腳DQS接，作為單一數(shù)據(jù)線。U2即為溫度傳感芯片 DS18B20,本設(shè)計(jì)雖然只使用了一片DSI8B20，但由于不存在遠(yuǎn)程溫度測量的考慮 所以為了簡單起見，采用外部供電的方式，如圖2.6所示。測溫電纜采用屏蔽4芯雙 絞線,其中一對線接地線與信號線,另一對接VC（和地線,屏蔽層在電源源端單點(diǎn) 接地。 1 RST (RXD

29、)P3 0 VCC P1 7 2 3 — (TXD)P3.1 P1.6 4 XTAL2 P1 5 5 XTAL1 P1.4 (INT0)P3.2 P1.3 (INT1)P3.3 P1.2 8 仃 0)P3.4 P1.1(AIN1) 9 仃 1)P3.5 P1.0(AIN0) 10 GND P3.7 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 AT89C2051 R15 4.7K U2 -NC NC .NC NC -VDD NC -DQ GN

30、D 1 2 3 4 DS18B20 8 7 6 5 圖5 DS18B2C與單片機(jī)接口電路 3、鍵盤顯示電路 LED^控制器的連接有并行和串行方式。由于串行方式占用較少接口，因此 得到廣泛應(yīng)用。顯示電路中選用MAX721作為LEE3區(qū)動(dòng)芯片。MAX721是一個(gè)高集 成化的串行輸入/輸出的共陰極LE耶動(dòng)顯示器。每片可驅(qū)動(dòng)8位7段加小數(shù)點(diǎn)的共 陰極數(shù)碼管。片內(nèi)包括BCD?碼器、多路掃描控制器、字和位驅(qū)動(dòng)器和 8X 8靜態(tài) RAM外部只需要一個(gè)電阻設(shè)置所有LEE顯示器字段電流。MAX721和控制器只需 要三根導(dǎo)線連接，每位顯示數(shù)字有一個(gè)地址由控制器寫入。 允許使用者選擇

31、每位 是BC譯碼或不譯碼。使用者還可以選擇停機(jī)模式、數(shù)字亮度控制、從 1?8位選 擇掃描位數(shù)和對所有LED顯示器的測試模式。 （1）引腳功能 MAX7219是24引腳芯片，它的引腳排列如圖2.7所示。各引腳功能如下： 1） DIN（1腳）:串行數(shù)據(jù)輸入端，當(dāng)CLI為上升沿時(shí)數(shù)據(jù)被載入16位內(nèi)部移位寄存 器。 2） CLK （13腳）:串行時(shí)鐘脈沖輸入端，最大工作頻率可達(dá) 10MHz 3） LOAD （12腳）：片選端，當(dāng)LOA為低電平時(shí)，芯片接收來自DIN的數(shù)據(jù)，接收 完畢，LOA回到高電平，接收的數(shù)據(jù)將被鎖定。 4） DIGO?DIG7（2、3、5、6、7、8、10、11腳

32、）：吸收顯示器共陰極電流的位驅(qū) 動(dòng)線，最大值可達(dá)500mA 巨巨巨r(nóng)zlzrvEELI叵疋叵 1 C DIG* E I DIM niG 4 ￡.M. EUG厶 DIG 3 CIG.: 叫刃zlnl可回in□訶IniarJ 圖6 MAX721引腳圖 5） SEGA?SEGG SEGDR14、15、16、17、20、21、22、23腳）：驅(qū)動(dòng)顯示器 7 段及小數(shù)點(diǎn)的輸出電流，一般為40mA可編程調(diào)整。 6） ISET （18腳）：硬件亮度調(diào)節(jié)端。 7） DOUT （24腳）:串行數(shù)據(jù)輸出端；V+,正電源。 8） GND （9腳）:接地。 ⑵MAX7219與單

33、片機(jī)和LED及鍵盤的接口電路 1） MAX72191 勺3個(gè)輸入端DIN、CLK和LOAD!單片機(jī)的三個(gè)I/O 口連接，DIG0?DIG7 分別與八個(gè)共陰極LED勺公共端連接，SEG?SEGG SEGD分別與每個(gè)LEDt段 動(dòng)和小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)端相連。電路圖如圖7所示。 2） 鍵盤功能介紹 采用獨(dú)立式按鍵設(shè)計(jì)，如圖上圖所示。 由于只有四個(gè)按鍵，因此按鍵接口 電路的設(shè)計(jì)比較簡單，單片機(jī)P1.4?P1.7端口設(shè)定為輸入狀態(tài)，平時(shí)通過電阻上 拉到Vcc，按鍵按下時(shí)，對應(yīng)的端口的電平被拉到低電平。這樣就可以通過查詢 P1的高4位來判斷有門有按鍵按下按鍵各接一根輸入線，一根輸入線的按鍵工作 狀態(tài)不會(huì)

34、影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。通過讀I/O 口，判斷各I/O 口的電平狀態(tài)， 即可識別出按下的按鍵。4個(gè)按鍵定如下： A、 P14S1功能鍵，按此鍵則開始鍵盤控制。 B、 P1.5:S2加，按此鍵則溫度設(shè)定加1度。 C、P1.6:S3減，按此鍵則溫度設(shè)定減1度。 D P1.7:S4發(fā)送，按此鍵將傳感器的溫度傳送到上位機(jī) 5 \"e^4 7 3 7 DS0 DPY A a A a b c d e f g dp Dp y Amber-CA .RST VCC (RXD)P3.0 P1.7 (TXD)P3.1 P1.6 XTAL2 P1.5 XTAL1

35、P1.4 (INT0)P3.2 P1.3 (INT1 )P3.3 P1.2 (T0)P3.4 P1.1(AIN1 ) (T1)P3.5 P1.0(AIN0) GND P3.7 U1 13 12 11 AT89 C2 051 站5 \a10 DS7 DPY a a A g ' +5V 1r5 5.1 K a b c f d ee g dp R5 5.1 K R5 5.1 K R5 5.1 K Dpy Amber-CA 20 S4 19 ? 18 S3 17 ■ S2 16. S1

36、 15 U2 14 +5V )IGO D G1 1 DIG2 DIG3 DIG4 DIG5 DIG6 DIG7 1 12 13 2 r 6 7 3 0 5 8 2 4 .1 DIN V+ LOAD CLK ISET DIG0 SEG A DIG1 SEG B DIGI DIG2 SEG B SEG C DIG3 SEG D DIG4 SEG E DIG5 SEG F DIG6 SEG G DIG7 DOUT SEG DP GND GND MAX7 219 CNG 1 8

37、14 a 16 b 20 c 23 d 21 e 15 f 17 g 22 DP 圖7 MAX7219與單片機(jī)和LED及鍵盤的接口電路 R1 * ] 9.5 K 4、驅(qū)動(dòng)控制電路 (1)熱電制冷介紹 熱電制冷原理：半導(dǎo)體熱電偶由N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體組成。當(dāng)電流的極性如圖8 所示時(shí)，電子從電源負(fù)極出發(fā)，經(jīng)連接片、 P型半導(dǎo)體、連接片、N型半導(dǎo)體，最 后回到電源正極。N型

38、材料有多余的電子，有負(fù)溫差電勢。 P型材料電子不足，有 溫差電勢；當(dāng)電子從P型穿過結(jié)點(diǎn)至N型時(shí)，其能量必然增加，而且增加的能量相當(dāng) 于結(jié)點(diǎn)所消耗的能量。這一點(diǎn)可用溫差降低來證明。相反，當(dāng)電子從 N型流至P型 材料時(shí)，結(jié)點(diǎn)的溫度就會(huì)升高。直接接觸的熱電偶電路在實(shí)際的引用中不可用， 所以用圖8的連接方式來代替，實(shí)驗(yàn)證明，在溫差電路中引入銅連接片和導(dǎo)線，不 會(huì)改變電路的特性。簡單地說當(dāng)一塊 N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成 電偶對時(shí)，在這個(gè)電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由 N型元件 流向P型元件的接頭吸收能量，成為冷端；由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量， 成為熱端。

39、吸收和放熱的大小是通過電流的大小以及半導(dǎo)體材料 N、P的元件對數(shù) 來決定 P ▼ 圖8半導(dǎo)體制冷原理圖 ⑵驅(qū)動(dòng)控制電路 光耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器是一種單片機(jī)輸出與雙向可控硅之間較理想的接口 器件，它由入和輸出兩部分組成，輸入部分為砷化傢發(fā)光二極管，該二極管在5m/V 15mA正向電流作用下發(fā)出足夠強(qiáng)度的紅外光，觸發(fā)輸出部分。連接電路如圖 9所 示。輸出部分為硅光敏雙向可控硅，在紅外線作用下可雙向?qū)ā? 光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種“電 -光-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)光源的引腳為輸入部

40、分，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源 為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等。 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)生了光電流，由受光 器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了“電-光-電”轉(zhuǎn)換。在光電耦合器的內(nèi)部，由于發(fā) 光管和受光器之間的耦合電容很小，使用共模輸入電壓通過極間耦合電容對輸出 電流的影響很小，因而共模抑制比很高。 在發(fā)光二極管上提供一個(gè)偏置電流，再把信號電壓通過電阻耦合到發(fā)光二極 管上，這樣光電晶體管接收到的是在偏置電流上增、減變化的光信號，其輸出電 流將隨輸入的信號電壓作線性變化。光電耦合器

41、也可工作在開關(guān)狀態(tài)，傳輸脈沖 信號。在傳輸脈沖信號是，輸入信號和輸出信號之間存在一定的延時(shí)，不同結(jié)構(gòu) 的光電耦合器輸入、輸出延時(shí)時(shí)間相差很大 +5V R10 R9 10k U9 Opto TRIAC 360 R11 330 制冷系統(tǒng) R12 3.9k V1 220V Q1 —J-C11 0.11uF V1 220V 圖9加熱降溫驅(qū)動(dòng)控制電路 5、看門狗和上位機(jī)通信電路 (1)串口通信功能實(shí)現(xiàn) 在實(shí)際的工作中，計(jì)算機(jī)的 CPU與外部設(shè)備之間常常要進(jìn)行信息交換，一臺(tái) 計(jì)算機(jī)與其他計(jì)算機(jī)之間也往往要交換信息，所有這些信息交換均可稱為通信。 串行通信是指

42、：數(shù)據(jù)是一位一位按順序傳送的通信方式。它的突出優(yōu)點(diǎn)是只需一對 傳輸線 （利用電話線就可以作為傳輸線 ） ，這樣就大大降低了成本，特別適用與遠(yuǎn) 距離通信 ; 其缺點(diǎn)是傳送速度低。 ⑵MAX232與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì) 圖10為MAX23與單片機(jī)接口電路；通過它可以把單片機(jī)和計(jì)算機(jī)連接起來， 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊功能。 （3） 看門狗與電源監(jiān)控芯片介紹 由于工業(yè)現(xiàn)場對控制系統(tǒng)可能造成很強(qiáng)的干擾，為保證控制器在任何干擾條件下 都能正常工作，就必須對單片機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，避免死機(jī)、程序跑飛或進(jìn)入死 循環(huán)。采用看門狗電路則可以大大提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力態(tài)。 本系統(tǒng)選用MAX813L該芯片能夠監(jiān)控電源電

43、壓、電池故障和微控制器的工作狀態(tài)。 MAX813引腳功能如下： 1） MR（1腳）:手動(dòng)復(fù)位輸入，低電平有效。 2） PRI（4腳）、PFO（5卻）:分別為電源故障輸入和電源故障輸出。 3） WDI（6腳）、WDO（腳）：分別為看門狗輸入和看門狗輸出。 4） RESET（7腳）:復(fù)位輸出。 MAX813I芯片主要特點(diǎn)： 1） 復(fù)位輸出：系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓降低時(shí)，第 7 腳產(chǎn)生復(fù)位脈沖，復(fù)位 脈沖寬度的典型值為200ms高電平有效，復(fù)位門限值為 4.65V。 2） 看門狗電路輸出：如果在1.6s內(nèi)沒有觸發(fā)該電路，則第8腳輸出一個(gè)低電平信號。 3） 手動(dòng)復(fù)位輸入：低電平有

44、效，即第 1腳輸入一個(gè)低電平，則地 7腳產(chǎn)生復(fù)位輸出。 4） 第4腳輸入電壓為1.25V時(shí)，第5腳輸出一個(gè)低電平信號。 ⑸MAX813L與單片機(jī)的連接 MAX813的典型應(yīng)用電路如圖10所示，在軟件設(shè)計(jì)中，P3.7不斷的輸出脈沖信 號。如果因某種原因進(jìn)入死循環(huán)，則P3.7無脈沖輸出，于是1.6s后在MAX813的第 8腳輸出低電平。該低電平加到1腳，使MAX813產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)有效復(fù)位， 擺脫死循環(huán)。另外，當(dāng)電源電壓低于限制值 4.65V時(shí)，MAX813也會(huì)產(chǎn)生復(fù)位輸出， 使單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，知道電壓電壓恢復(fù)正常，以有效防止 因電源電壓較低使單片機(jī)產(chǎn)生錯(cuò)誤的動(dòng)作

45、。 U4 VCC 5「 9 o 4 8 3RXD 0 2TXD 6 0 1 +5V J1 0 O PC DB9 C4 0.01 6 15 TXD14 RXD13 V+ V- GND T1OUT T2OUT R1IN R2IN MAX232 C1 + C1- C2+ C2- T1IN T2IN R1OUT R20UT 6、電源電路 J2 12V 1 C5+ 10uF 5 + C6 10uF VCC PF1 Mr WDI WDo PF0 GND

46、RESET U6 2 4 1 6 8 5 RESET 3 MAX813L 圖10 MAX23與單片機(jī)接口電路 5 RST VCC (RXD)P3.0 P1.7 (TXD)P3.1 P1.6 XTAL2 P1.5 XTAL1 P1.4 (iNT0)P3.2 P1.3 (INT1)P3.3 P1.2 仃0)P3.4 P1.1(AIN1) 仃 1)P3.5 P1.0(AIN0) GND P3.7 U1 1 2 19 18 4 17 16 15 14 8 13 9 12 10 11 AT89

47、C2051 11 TXD TXD 10 12 RXD RXD 3 +5V 20 1 2 圖11電源電路 電源電路雖然簡單，但需要功能可靠，要有 CBEfe容和高品質(zhì)的ELN/電容做退 藕，，設(shè)計(jì)所用的電源都是直流電源 +5V,所用采用三端集成穩(wěn)壓器7805,可以方 便的實(shí)現(xiàn)此功能，電路如圖11所示 7、PID控制算法 (1)

48、 PID的數(shù)學(xué)模型 PID控制是一種比較成熟的控制理論，它通過比例、積分、微分三部分的合理 組合可以用比較簡單的方法獲得令人滿意的控制效果。 PID的數(shù)學(xué)模型如圖12表 示： 圖12 PID數(shù)學(xué)模型 給定值R(t)與實(shí)際值丫(t)構(gòu)成控制誤差： E( t)=R (t)-Y( t) 式2-1 PID控制器根據(jù)E(t)將誤差的比例(P)、積分(I)、和微分(D)通過線性組合構(gòu) 成控制量，對受控對象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律如式 2所示： U(t)=K P[e(t)+ - t E(t)dt Td^] 式 2-2 T「0 dt U(t)――控制器輸出函數(shù);E(t)――控制器誤差函數(shù)

49、； 匕一一比例系數(shù);Ti――積分時(shí)間常數(shù);Td――微分時(shí)間常數(shù)。 一個(gè)最簡單的控制器可以只有比例部分，它能夠產(chǎn)生與輸入信號成比例的輸 出信號，所以誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝著減小誤 差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù) 心 比例控制的缺點(diǎn)是不能在設(shè)置 點(diǎn)和反饋點(diǎn)之間產(chǎn)生零誤差(靜差)，為了產(chǎn)生有限的輸出信號，必須保持這種靜 差。加大K可以減小靜差，但是K過大會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能變壞，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不 穩(wěn)定。 為了消除這種靜差，可以引入積分控制環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)能對誤差進(jìn)行記憶并 積分，即使只存在很小的偏差，也可以將其積分后作用于操作部分，有利于消除 靜差。但是積分作

50、用具有滯后特性，它總是滯后于偏差的存在，這樣會(huì)使系統(tǒng)易 于振蕩，結(jié)果往往超調(diào)，使被控變量波動(dòng)很大。積分控制常用于補(bǔ)償高精度的控 制系統(tǒng)。 微分控制能對誤差進(jìn)行微分，敏感出誤差的變化趨勢，將預(yù)期的動(dòng)作作用于 操作部分，增大微分控制作用可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，使超調(diào)量減小，增加系統(tǒng)的 穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是微分控制對干擾同樣敏感，使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。微分控 制可用于補(bǔ)償快速變化的控制系統(tǒng)。 (2) PID控制規(guī)律的離散化 為了用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制，必須將式表示PID控制規(guī)律的連續(xù)形式變成離散 形式，才能通過編程實(shí)現(xiàn)。若設(shè)溫度采樣周期為T,第n次采樣得到的輸入偏差為en, 輸出為U。 微分用差分

51、代替 de①=9電1 式2-3 dt T t n 積分用求和代替 .°e(t)dtejT 式2-4 k=0 這樣PID控制器控制算法的離散形式改寫為 Un 二 Kp[q Tde^enJ] 式 2-5 Ti k=o T 這種算法的缺點(diǎn)是，由于是全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)， 計(jì)算時(shí)要對E(n)進(jìn)行累加，所以計(jì)算機(jī)工作量大。而且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的 U(n) 對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障， u(n)的大幅度變化會(huì)引起 執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場合， 可能造成重大的生產(chǎn)事故，因此產(chǎn)生了增量式 PID控制的控制

52、算法。 所謂增量式PID控制算法是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量 U(n)。當(dāng)執(zhí) 行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時(shí)，可由式導(dǎo)出提供增量的 PID控制算法。根據(jù)遞推 規(guī)律得： n 4 U(n- 1) = KPe(n-1) e(j) Kd[e(n - 1)-e(n-2)] 式2-6 j=0 用式2-5減去式2-6可得: 式2-7 T 人 Un -Un」二 Kp[e(n) -e(n -1) -en -2en」en』 Ti T 改寫成： Un =UnJ Kp{E( n) -E(n -1) KE( n) K°[E( n) -2E( n -1) E(n -2)]} =U( n—1)

53、 PP P FD 式 2-8 事實(shí)證明，對于PID這樣簡單的控制器，能夠適用于廣泛的工業(yè)和民用對象， 并以其很高的性價(jià)比在市場中占主導(dǎo)地分反映了 PID控制，但在工業(yè)控制過程中經(jīng) 常會(huì)碰到大滯位，充后、時(shí)變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，其中有的是非線性系統(tǒng) ；有 的帶有延時(shí)和隨機(jī)干擾；有的無法獲得較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型或者模型非常粗燥。對于 以上這些系統(tǒng)，如果采用常規(guī)的 PID控制器，貝U難以整定PID參數(shù)，因此比較難以 達(dá)到預(yù)期的控制效果。同時(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場，由于受到參數(shù)整定方法繁雜的困 擾，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對運(yùn)行工礦的適用性很差。 三、軟件設(shè)計(jì) 1、溫度傳感器DS1

54、8B20莫塊軟件設(shè)計(jì) DS18B20上電后處于空閑狀態(tài)，需要控制器發(fā)能完成溫度轉(zhuǎn)換。DS18B2的單線 通訊功能是分時(shí)完成的，具有嚴(yán)格的時(shí)序要求，而 AT89C205單片機(jī)并不支持單線 傳輸，必須采用軟件的方法來模擬單線的協(xié)議時(shí)序。 DS18B2的操作必須嚴(yán)格按照 協(xié)議進(jìn)行。工作協(xié)議流程為：主機(jī)發(fā)復(fù)位脈沖初始化 DS18B20^ DS18B2發(fā)響應(yīng)脈 沖f主機(jī)發(fā)R0操作指令f主機(jī)發(fā)存儲(chǔ)器操作指令f數(shù)據(jù)傳輸。 對DS18B2操作時(shí)，首先要將它復(fù)位。復(fù)位時(shí)，D戯被拉為低電平，時(shí)間為480? 960us;接著將數(shù)據(jù)線拉為高電平，時(shí)間為 15?60us;最后DS18B2發(fā)出60?240us

55、的低電平作為應(yīng)答信號，這時(shí)主機(jī)才能進(jìn)行讀寫操作。 進(jìn)行寫操作時(shí)，將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平，產(chǎn)生寫起始信號。從 DQ線的 下降沿起計(jì)時(shí)，在15us到60us這段時(shí)間內(nèi)對數(shù)據(jù)線進(jìn)行檢測，如數(shù)據(jù)線為高電平 則寫1;若為低電平，則寫0,完成了一個(gè)寫周期。在開始另一個(gè)寫周期前，必須 有1us以上的高電平恢復(fù)期。每個(gè)寫周期必須要進(jìn)行寫操作時(shí)，將數(shù)據(jù)線從高電平 拉至低電平，產(chǎn)生寫起始信號。從 D戯的下降沿起計(jì)時(shí)，在15us到60us這段時(shí)間 內(nèi)對數(shù)據(jù)線進(jìn)行檢測，如數(shù)據(jù)線為高電平則寫 1;若為低電平，則寫0,完成了一 個(gè)寫周期。在開始另一個(gè)寫周期前，必須有1us以上的高電平恢復(fù)期。每個(gè)寫周期 必須要

56、有60us以上的持續(xù)期 讀操作時(shí)，主機(jī)將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平 1us以上，再使數(shù)據(jù)線升為高電 平，從而產(chǎn)生讀起始信號。從主機(jī)將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平起 15us至60us， 主機(jī)讀取數(shù)據(jù)。每個(gè)讀周期最短的持續(xù)期為 60us，周期之間必須有1us以上的高電 平恢復(fù)期。 溫度轉(zhuǎn)換讀取溫度數(shù)值程序流程如圖13所示 圖13溫度轉(zhuǎn)換讀取溫度數(shù)值程序流程 2、顯示程序設(shè)計(jì) MAX721 上電時(shí)，譯碼方式、亮度調(diào)節(jié)、掃描位數(shù)、待機(jī)開關(guān)和顯示檢測 5 個(gè)控制寄存器全部清零。對于 MAX7219串行數(shù)據(jù)以16位數(shù)據(jù)包的形式從DIN腳串 行輸入，在CLK勺每一個(gè)上升沿一位一位的送入芯片

57、內(nèi)部16位移位寄存器，而不管 LOA腳的狀態(tài)如何。LOA腳必須在第16個(gè)上升沿出現(xiàn)的同時(shí)或之后，但在下一個(gè) CLKt升沿之前變?yōu)楦唠娖?，否則移入的數(shù)據(jù)將丟失。 3、鍵盤程序設(shè)計(jì) 在按鍵的軟件設(shè)計(jì)時(shí)考慮了按鍵去抖動(dòng)技術(shù)問題。因?yàn)榘存I的無操作抖動(dòng)很 可能影響單片機(jī)對按鍵的判斷，因此必須考慮去抖動(dòng)問題。鍵盤的程序流程圖如 4、PID控制程序設(shè)計(jì) 由式2-8可以改寫成： P(K)=P(K-1)+Kp[E(K)-E(K-1)]+K i ? E(K)+Kd[E(K)-2E(K-1)+E(K-2)] =P(K-1)+P p+P+PD 式 3-1 根據(jù)式3-1編程，相應(yīng)的程序框圖如圖1

58、5所示: 圖15 PID算法程序流程圖 5、主程序流程圖及程序設(shè)計(jì) (1)系統(tǒng)主程序流程圖如圖16所示。 有了各個(gè)功能塊的軟件實(shí)現(xiàn)方法，軟件的總體設(shè)計(jì)就變得簡單了，軟件設(shè)計(jì) 中一個(gè)重要的思想就是采用模塊化設(shè)計(jì)，把一個(gè)大的任務(wù)分解成若干個(gè)小任務(wù)， 分別編制實(shí)現(xiàn)這些小任務(wù)的子程序，然后將子程序按照總體要求組裝起來，就可 以實(shí)現(xiàn)這個(gè)大任務(wù)了。這種思路對于可重復(fù)使用的子程序顯得尤為優(yōu)越，因?yàn)椴?僅程序結(jié)構(gòu)清晰，而節(jié)約程序存儲(chǔ)空間。 程序開始 初始化數(shù)據(jù) 調(diào)顯示程序 中斷設(shè)置 調(diào)比較程序 初始化 DB18B20 初始化 MAX7219 獲取溫度數(shù)值 Y i r

59、 調(diào)PID算法 ■ Outflag=1 N N Outflag=-1 Y 啟動(dòng)制冷 啟動(dòng)制冷 1 調(diào)PID算法 i是否與設(shè)定值相等 N Y 圖16主程序流程圖 (2)主程序設(shè)計(jì) # nclude “ AT89C051.h #i nclude vintrin s.h> sbit TSOR=P1A7; // 溫度測試端 sbit DIN=P1A2; //MAX7219 串行數(shù)據(jù)輸入 sbit LOAD=P1A1； //MAX7219 裝載數(shù)據(jù)輸入 sbit LCK=P1A0； //MAX7219 時(shí)鐘輸入 sbit SCL=P3A2

60、; //AT24C32 信號線 sbit SDA=P3A3; // AT24C32 數(shù)據(jù)線 sbit OUT0=P3A4; // 控制制冷光耦 sbit OUT1=P3A5; // 控制加熱光耦 sbit weidog=P3A7; // 看門狗 [************************* ******************************' #define uchar unsigned chau; #define uint unsigned uint; uchar temp1,temp2; // 溫度的整數(shù)和小數(shù) void Delay15(); /

61、/ void Delay60(); // void Delay100ms(); // void Write0TS(); // void Write1TS(); // void ReadTS(); // void ResetTS(); // void WriteBTS(); // void ReadBTS(); // 延時(shí) 15us 延時(shí) 60us 延時(shí) 100ms 寫DS18B2數(shù)據(jù)位0 寫DS18B2數(shù)據(jù)位1 讀DS18B2數(shù)據(jù)位 復(fù)位 DS18B20 寫1字節(jié) 讀1字節(jié) uchar setb,sets,setg,setx;// 預(yù)設(shè)定溫度的百、十 、個(gè)位和小數(shù)位

62、 uchar xianb,xians,xiang,xianx;// 顯示溫度的百、 十 、個(gè)位和小數(shù)位 uchar add_1,add_10;// uchar count; //T0 中斷計(jì)數(shù) uchar pid; //PID 數(shù)值 bit outflag;// 升溫降溫標(biāo)志位 bit alert; /************************* 函 數(shù) 聲 明 *********************************/ void Init Interupt (); /************************** 鍵 盤

63、掃 描 *********************************/ uchar key (); /********************* MAX7219 子程序 *********************************/ void send(uchar add, dat) /******************* 溫 度 傳 感 器子程 序  void InitTS(); // 初始化 DS18B20 void GetTempTS(); // 讀取測得的溫度 /************************ 比 較 程

64、序 ********************************/ Void compare(); /************************ 主 程 序 void main() {uchar i,j; uchar aa;// PID 值 sp=0x50; TSOR=1;// 1 —wire 總線釋放 Delay(500);// 延時(shí) 500ms InitInterupt();// 初始化中斷設(shè)置 setb=Ox00; sets=Ox02; setg=Ox03 setx=Ox05;

65、// 預(yù)設(shè)值 23.5 °C count=0; P1=0xff; InitTS();// 初始化 DS18B20 send(Ox0c;Ox01);// send(Ox0b;Ox07);// send(Ox0a;Oxf5);// send(Ox09;Oxff);// while(1) { GetTempTS();// i=temp1; if(i>=0 {xianb=i/100; 設(shè)定停機(jī)方式 掃描7位 亮度等級 譯碼方式 讀取測得的溫度 i<=100) j=i%100; xians=j/10; xiang=j%10 | 0x80; xinx=temp2

66、; send(0x01;xianb);// send(0x02;xians);// send(0x03;xiang);// send(0x04;xianx);// 顯示測得的溫度 send(0x05;setb);// send(0x06;sets);// Send(0x07;setg);// send(0x08;setx);// 顯示預(yù)設(shè)定的溫度 } else alert=1; 警告 void key(); // 調(diào)按鍵掃描 void compare(); // 調(diào)比較程序 if(outflag==1) { pid=_a_func(); // 調(diào)PID算法 for(i=0;i<8,i++)〃 將PID算法值送到輸出口 {j=aa&0x01; 0UT0=j; // 啟動(dòng)壓縮機(jī)工作 aa=aa>>1; i++;} } else if(outflag==-1) { pid=_a_func(); for(i=0;i<8,i++) {j=aa&0x01; 0UT01=j;// 啟動(dòng)電加熱 aa=aa>>1; i++;} els