课程设计（论文）-高精度波形发生器.doc

本科生课程设计（论文） 摘要本设计是高精度波形发生器，以at89c51单片机作为主控元件，采用单回路控制，运用pid算法，通过外围硬件电路和软件程序从而实现了石油裂解气温度的稳定控制。该温度控制系统由温度信号检测电路、变送单元、单片机控制系统和执行装置等结构组成，通过各种电路和装置完成对温度信号的检测、变送和运算处理功能，并经气动执行装置作用于实际生产，从而使温度控制系统稳定在预定的范围内工作。由于采用单片机控制，该系统具有结构简单，经济实用的特点。关键词：温度控制 单回路控制系统 过程控制 目录摘要i目录ii第1章绪论11.1波形发生器的发展状况11.2设计高精度波形发生器的意义及相关技术指标1第2章 课程设计的方案22.1概述22.3单片机选型22.4显示器件选型32.5 d/a转换器选型32.6总体方案3第3章 硬件电路设计33.1 电源电路设计33.2 复位电路43.3时钟电路43.4 波形变换电路5第4章 软件设计64.1 程序流程图64.2 pid算法子程序7第5章 系统测试仿真与参数整定9第6章 课程设计总结10参考文献1112第1章 绪论1.1波形发生器的发展状况波形发生器亦称函数发生器，作为实验用信号源，是现今各种电子电路实验设计和应用中必不可少的仪器设备之一。70年代以前，简易的波形发生器多由纯硬件电路搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿波，方波，三角波等，采用555震荡电路发生以上波形是一种可行的方案，不需依靠单片机，但是这种纯硬件电路存在波形质量差、控制难、可调范围小、电路复杂和体积较大等难以克服的缺点。在科学研究和生产实践中，如工业过程控制、生物医学、地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源，而由单纯硬件电路构成的波形发生器其性能难以符合要求，而且低频信号源所需的电阻电容很大，大电阻、大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证，体积大、漏电、损耗显著更是其致命缺点。70年代以后，微处理器的出现使得波形发生器发生了日新月异的变化，硬件和软件的结合极大丰富了波形发生器的功能和性能。90年代出现了几种高性能，高精度的波形发生器，如hp公司推出的hp770s的信号模拟装置系统，安捷伦公司推出的33210a函数/任意波形发生器等。目前，波形发生器无论是在功能还是在精度上都发展到了十分成熟的程度。1.2设计高精度波形发生器的意义及相关技术指标在科学实验和生产实践中常常用到波形发生器，为了满足波形信号的要求，本设计为设计一款高精度波形发声器，可以根据用户的需求设置输出波形的类型，可以设置波形的幅值、频率，可以显示当前波形的幅值和频率。设计内容及参数指标如下：1、设置两个输出通道；2、每个通道都可以输出三角波，方波和正弦波；3、输出波形的频率范围：三角波1500hz；方波11000hz；正弦波1200hz；4、设计4个按键，可以设定输出波形的类型、频率和幅值；5、使用字符型液晶显示器，第一行显示第一通道的波形输出类型、频率和幅值，第二行显示第二个通道的波形输出类型、频率和幅值；6、波形输出电压范围：三角波-5v+5v；方波05v；正弦波峰值为5v14v 第2章 课程设计的方案2.1概述本次设计主要是综合智能仪表知识，设计高精度波形发生器，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“智能仪表”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握高精度波形发生器设计的基本方法。应用场合：科学实验和特定的生产实践中对波形的精度要求较高的场合。系统功能介绍：本设计的高精度波形发生器由硬件电路和软件程序共同构成，该波形发生器能够发出三角波、方波和正弦波，且频率范围和精度较高，满足设计的特定要求。2.2方案论证2.2.1方案一采用低温漂、低失真、高线性单片压控函数发生器icl8038，产生频率受控可变的正弦波，可实现数控频率调整。通过d/a和5g353进行输出信号幅度的控制。输出信号的频率、幅度参数由4位键输入，结果输出采用lcd显示，用户设置信息的存储由24c01完成。2.2.2方案二由2m晶振产生的信号，经8253分频后，产生100hz的方波信号。由锁相环cd4046和8253进行n分频，输出信号送入正弦波产生电路和三角波产生电路，其中正弦波采用查表方式产生。计数器的输出作为地址信号，并将存储器2817的波形数据读出，送dac0832进行d/a转换，输出各种电压波形，并经过组合，可以得到各种波形。输出信号的幅度由0852进行调节。系统显示界面采用16字x1行液晶，信号参数由4位键输入，用户设置信息的存储由24c01完成。2.2.3方案三以单片机作为主控原件，通过电源电路，复位电路，波形变换(d/a)电路，键盘显示接口电路和运算处理电路等构成一个波形发生器控制系统，再通过键盘程序，显示程序，波形变换程序等软件程序构成一个波形类型、频率和幅度可调的高精度波形发生器。综合以上三种方案，方案一采用单片压控芯片，易于实现，但成本较高；方案二比较复杂，实际作业起来不易于实现，且不能保证精度；方案三有简单易行，成本较低的特点。本设计选用方案三来实现高精度波形发生器的设计。2.3单片机选型常用单片机型号有atmel的at89cxx系列、at89sxx系列、at89c20系列，avr单片机，pic单片机，飞思卡尔单片机等。本设计控制简单，无需使用看门狗电路，当程序跑飞时复位重新运行即可，故选用与mcs-51系列单片机兼容的at89c51单片机即可满足设计要求，而且又降低了硬件成本。本设计选用at89c51单片机作为主控原件。2.4显示器件选型常用的显示方式有数码管显示和液晶显示两种，其中数码管显示电路连接复杂，且由于需要自发光，其工作时消耗电能较多；而液晶显示是分子偏转引起的暗影效果，显示内容丰富，且具有节能的特点，适用于长期工作的场合。参见智能仪器课本2.5 d/a转换器选型dac0832是8分辨率的d/a转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个da芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。d/a转换器由8位输入锁存器、8位dac寄存器、8位d/a转换电路及转换控制电路构成。dac0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。2.6总体方案综上，本设计以at89c51单片机作为主控原件， 第3章 硬件电路设计3.1 电源电路设计由220v交流电供电，经过桥式整流，电容滤波，然后与三端稳压器件lm7805连接使电压稳定在5v给单片机供电，其电路图如图3.1所示；图 3.1电源电路3.2 复位电路单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要rst 引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位。为了保证系统可靠复位，在设计复位电路时，一般使reset 引脚保持10ms 以上的高电平，单片机就能实现复位。复位操作有两种情况，即上电复位和手动(开关)复位。本系统采用手动复位方式，复位电路如图3.2所示。图3.2复位电路3.3时钟电路单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准。at89c51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚xtal1（x1）和xtal2（x2）分别是此放大电器的输入端和输出端。该反向放大器可配置为内部振荡。在其外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，时钟电路如图2.4所示。图3.3时钟电路3.4 波形变换电路d/a转换电路采用dac0832作为转换器，将单片机输出的数字信号转化模拟信号来给执行器作为激励信号，进而控制执行器的开度，达到温度控制的目的。d/a转换电路如图3.6所示：图3.6 d/a转换电路3.5显示接口电路3.6键盘接口电路 第4章 软件设计4.1 程序流程图单片机控制主程序流程图如图4.1所示开始初始化采集温度信号e=0 ？调用pid控制程序ny输出信号结束输出执行器计算偏差e图4.1主程序流程图4.2 pid算法子程序本次设计采用增量式pid控制算法，来实现温度控制。增量式pid控制算法公式如下：uk=uk-uk-1=kpek-ek-1+ttiek+tdek-2ek-1+ek-2t =kp1+tdt+ttiek-kp1+2tdtek-1+kptdtek-2 (4-1)其子程序流程图如图4.2所示：图1.2温度控制算法程序子程序入口计算ek=r-y ek=r-y eeek=r-y计算 kp1+tdt+ttiek计算 kp1+2tdtek-1计算kptdtek-2计算uk子程序返回温度控制算法程序如下：/*pid function the pid (比例、积分、微分) function is used in mainly control applications.pidcalc performs one iteration of the pid algorithm. while the pid function works, main is just a dummy program showing a typical usage. */ typedef struct pid int setpoint; /设定目标 desired value long sumerror; /误差累计 double proportion; /比例常数 proportional const double integral; /积分常数 integral const double derivative; /微分常数 derivative const int lasterror; /error-1 int preverror; /error-2 pid;static pid spid; static pid *sptr = &spid; /*pid程序初始化*/void incpidinit(void) sptr-sumerror = 0; sptr-lasterror = 0; /error-1 sptr-preverror = 0; /error-2 sptr-proportion = 0; /比例常数 proportional const sptr-integral = 0; /积分常数integral const sptr-derivative = 0; /微分常数 derivative const sptr-setpoint = 0; /*增量式pid计算部分 */ int incpidcalc(int nextpoint) register int ierror, iincpid; /当前误差 ierror = sptr-setpoint - nextpoint; /增量计算 iincpid = sptr-proportion * ierror /ek项 - sptr-integral * sptr-lasterror /ek1项 + sptr-derivative * sptr-preverror; /ek2项 /存储误差，用于下次计算 sptr-preverror = sptr-lasterror; sptr-lasterror = ierror; /返回增量值 return(iincpid); 第5章 系统测试仿真与参数整定根据系统原理连接好单回路控制系统的电路，先接通电源，然后打开mcgs组态控制界面，开始对系统进行测试，测试的过程也就是参数整定的过程，在测试过程中不断地调整比例度、积分时间、微分时间等参数，直到得到满意的响应曲线为止。通过不断地测试，最终得到了如图5.1所示的响应曲线，温度逐渐稳定在预定的状态。获得的参数为：比例度p=0.2，积分时间t=30，微分时间t=5。图5.1仿真波形图 第6章 课程设计总结本次石油裂解气温度控制系统的设计以at89c51单片机作为主控元件，采用单回路控制，运用pid算法，通过外围硬件电路和软件程序从而实现了石油裂解气温度的稳定控制。该温度控制系统由温度信号检测电路、变送单元、单片机控制系统和执行装置等结构组成，通过各种电路和装置完成对温度信号的检测、变送和运算处理功能，并经气动执行装置作用于实际生产，从而使温度控制系统稳定在预定的范围内工作。由于采用单片机控制，该系统具有结构简单，经济实用的特点。 参考文献1 siemens公司.深入浅出西门子s7-300 plcm.北京:北京航空航天大学出版社,2004.2 s7-200 cn可编程序控制器手册m西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团，2005.3 王永华现代电气控制及p