北京交通大学-计算机控制课程设计报告全文.docx

《计算机控制课程设计》——终期报告姓名： 学号： 班级： 指导教师： 时间： 2013-7-1目录一、设计题目3二、系统方案31、水温自动控制系统设计任务和要求32、水温自动控制系统部分33、温度控制系统的算法分析3三、系统硬件设计31、总体设计框图及说明32、各个子模块设计32.1 CPU的选择32.2 测量单元选型32.3 水温控制电路设计32.4 键盘设置电路32.5 LCD显示电路32.6 报警电路3五、软件系统设计31、程序框架结构32、主程序模块33、按键程序34、LCD显示程序35、DS18B20采集温度程序36、PID计算和继电器控制程序37、附加时间显示程序3六、MATLAB/SIMULINK仿真部分31、理论分析32、具体传递函数计算33、SIMULINK仿真34、MATLAB仿真3七、PROTEUS仿真部分3八、结论及心得体会31、实验结论32、心得体会3八、参考文献3一、设计题目基于单片机的水温自动控制系统二、系统方案1、水温自动控制系统设计任务和要求该系统为一实验系统，系统设计任务如下：设计一个水温自动控制系统，控制对象为一杯子内水的温度。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持特定的温度不变。 系统设计具体要求： （1）温度设定范围为30-50摄氏度； （2）环境温度降低是控制水温误差小于1摄氏度； （3）采用适当的方法，使得温度在一定范围内才进行控制，超过某一范围直接加热或者不加热，减小系统的调节时间； （4）采用适当方法减少系统的超调量； （5）用LCD1602显示温度与时间。2、水温自动控制系统部分水温自动控制系统是一个过程控制系统，组成框图如图1所示，由输入、输出、控制器、执行器、被控对象其反馈作用的测量组成。输入控制器执行器受控对象输出测量反馈 图1 计算机控制系统框图本系统中CPU选择为单片机，执行器为继电器，控制加热片通断，检测装置为温度传感器采集温度并反馈给单片机。另外还有键盘输入部分、显示部分以及报警部分，总体框图如下（图2）AT89C52控制器报警显示输入测量执行器加热器 图2 温控箱控制系统总体框图3、温度控制系统的算法分析本实验的基本思路是采用位置式PID控制算法，其基本算式为当然在实际应用中根据具体情况对控制参数做出改进,针对PID控制算法的积分作用，采用积分分离的控制算法。控制系统在开始工作时必然会有较大的误差，而且它在短时间内不会消除，而且经过积分项累积后会使得控制作用在误差较小时仍然保持较大的值，即进入积分饱和状态，这使得系统需要经过很长的时间才能恢复正常，这就大大影响了控制效果。一种比较好的克服积分饱和的方法是采用积分分离法。积分分离法的基本控制思想是在偏差大于某个规定的门限值时，停止并取消积分作用；而在误差小于此门限值时才计算并引入积分作用，来消除稳定误差。其基本算式为当三、系统硬件设计1、总体设计框图及说明本系统是一个简单的单回路控制系统。为了实现水温的自动测量和控制，根据系统总体方案，系统由单片机基本系统、前向通道、反馈通道和人机对话通道等4个主要的功能模块组成，总体框图如上面图2所示。单片机系统是整个控制系统的核心，AT89C52可以提供系统控制所需的I/O口、中断、定时及存放中间结果的RAM电路；前向通道是控制执行的通道，主要包括光耦、继电器、加热管；反馈通道由DS18B20构成，采集当前实际的温度。键盘设定：采用4*4矩阵键盘，用于温度设定、设定加热开关以及时间的显示。数据采集：运用DS18B20数字温度传感器采集当前温度并反馈给CPU进行处理，用于控制和显示。数据显示：运用LCD1602字符型液晶显示屏显示设定温度、实际温度以及当前的时间。执行机构：通过三极管控制继电器来完成对加热管的控制，为防止强电弱电相互影响，在单片机与继电器之间加入光电耦合器进行强电弱电的隔离。2、各个子模块设计2.1 CPU的选择单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。其使用起来十分简单灵活方便，因此选择单片机作为CPU。本系统选择本人较为熟悉的AT89C52单片机作为CPU。如图3所示。图3 AT89C52封装图 2.2 测量单元选型方案1：采用热敏电阻，可满足35℃--95℃的测量范围，但热敏电阻精度、重复性和可靠性都比较差，对于检测精度小于1℃的温度信号是不适用的。方案2：采用温度传感器DS18B20。在本课题中我用的温度传感器是DALLAS公司生产的DS18B20它的体积非常小，硬