终极-果蔬仓储温度控制系统设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 计算机控制技术计算机控制技术 课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 果蔬仓储温度控制系统设计果蔬仓储温度控制系统设计 院 系 院 系 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 签字 起止时间起止时间 2011 12 14 2011 12 232011 12 14 2011 12 23 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电气工程学院 教研室 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程设计 论文 题目 果蔬仓储温度控制系统设计 课程设计 论文 任务 设计任务及要求设计任务及要求 1 确定系统设计方案 包括单片机的选择 输入输出通道 键盘显示电路 2 建立被控对象的数学模型 3 推导 PID 控制算式 设计 PID 算法的程序流程图或程序清单 4 仿真研究 验证设计结果 5 撰写 打印设计说明书一份 设计说明书应在 4000 字以上 技术参数技术参数 温度控制范围 5 5 C 误差小于 5 低于下限或高于上限时报警 进度计划 1 布置任务 查阅资料 确定系统方案 1 天 2 被控对象建模 1 天 3 算法推导 程序设计 3 天 4 仿真研究 2 天 5 撰写 打印设计说明书 2 天 6 答辩 1天 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 摘 要 本设计是以单片机为核心的果蔬仓储温度控制系统设计 使用温度传感器对 储藏室的温度进行实时检测 经过输入通道转换成为单片机能够识别的数字型号 后输入到单片机中 单片机作为控制器 经过 PID 控制算法得出输出量 通过输 出通道控制空调改变室内温度 如果温度超出极限范围进行报警 其中输入通道由温度传感器 AD590 I V 转换电路 模数转换芯片 ADC0804 组成 AD590 检测温度后输出电流信号 经过 I V 转换电路变换成 0 5V 的标准 电压信号 最后由 ADC0804 转换成为 8 位的数字信号传送给单片机 输出通道 主要器件为变频器 本设计包括总体方案设计 硬件电路设计加选型 最后是软件程序设计加实 验室模拟仿真调试等几大部分 关键词 单片机 果蔬仓库温度控制 PID 算法 目 录 第 1 章 绪论 1 第 2 章 课程设计的方案 2 第 3 章 硬件设计 3 3 1 单片机最小系统设计 3 3 2 核心芯片的选择 4 3 3 输入通道设计 5 3 3 1 传感器选择 5 3 3 2 模数转换器设计 5 3 3 3 I V 转换电路的设计 5 3 4 输出通道设计 6 3 5 LCD1602 显示电路 6 3 6 按键输入电路 6 3 7 报警电路 6 第 4 章 软件设计 7 4 1 单片机软件设计 7 4 2 PID 参数的整定 12 4 2 1 被控对象的建立 12 4 2 2 PID 参数的计算 14 第 5 章 课程设计总结 16 参考文献 17 第 1 章 绪论 果蔬生产是我市六大农业特色产业之一 在我市的农业生产中占重要位置 由 于果蔬生产的季节性 地域性和多样性 使水果生产的淡 旺季很明显 果蔬是鲜 活产品 组织柔嫩 含水量高 易腐烂变质 不耐贮运 采后极易失鲜 降低品质 从而使营养价值和商品经济价值降低或失去 为使人们获得果蔬的均衡供应 除了 加强反季种植 周年茬口安排 促进栽培 选择品种 分期收获等栽培技术措施和 采用设施栽培外 还要搞好采后贮藏和运输工作 以调节淡旺季的矛盾 丰富市场 果蔬的种类 对于生产者来说 做好果蔬的贮藏和保鲜是保证果蔬丰产丰收 减少 损失 增加收入的重要手段 也是促进生产发展的有效措施 果蔬采摘后 离开了植株或土壤 失去了水和无机物的供应 也无法通过正常 的光合作用合成有机物质 但仍然是有生命的活体 其最重要的特征是仍在进行着 旺盛的呼吸代谢 以维持其生命活动所需的能量和各种代谢需要的物质 果蔬的呼 吸作用涉及多种酶反应 在生理温度范围内 这些反应的速率随温度的升高按指数 规律增大 果蔬的呼吸作用中会有一部分能量以热的形式散发出来 这种释放的热 叫做呼吸热 不同种类的果蔬 在不同温度时的呼吸所产生的热量是不一样的 果 蔬温度越高 呼吸强度越高 其呼吸产生的热量就越高 反之 果蔬温度越低 呼 吸强度越低 其呼吸产生的热量就越低 温度对果蔬采后的影响主要表现在对呼吸 作用的影响 果蔬品温在 32 40 高温时 呼吸作用 蒸腾作用 乙烯产生 后 熟老化都会加快进行 大分子物质水解 水分 养分损耗加速 这些数量上的变化 将随着时间的推延引起深刻的质变 即引起代谢失调 导致生理障碍 这将大大降 低果蔬的耐贮抗病性能 继而引起外部侵染 随着温度的升高 微生物的活动也加 剧 因此存储果蔬时对温度的控制就显得尤为重要 本设计将实现利用单片机设计建立一个果蔬仓储温度控制系统模型 通过温度 传感器检测和给单片机输入信号 通过键盘电路可对本系统进行键入设定等控制操 作 通过显示电路显示当前温度值 送入单片机的信号经过 PID 运算后 输出信号 通过执行器对果蔬仓的温度进行调整 最终实现对温度的控制范围在 5 5 C 之 间 误差小于 5 低于下限或高于上限时有报警功能 第 2 章 课程设计的方案 本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性 温度传感器可以产生模拟 信号 和 A D 模拟数字转换芯片的性能 此设计以 AT89S52 基本系统为核心的一 套检测系统 其中包括 A D 转换 I V 转换 单片机 复位电路 时钟电路 温度 检测 键盘及显示 报警电路 系统软件等部分的设计 系统总体方框图如图 2 1 单片机 模拟量传感器 A D 转换器 键盘按钮 变频器 空调机 显示电路 I V 转换电路 报警电路 图 2 1 系统总体框图 本设计由信号采集 信号分析和信号处理三个部分组成的 1 信号采集 由 AD590 及按键组成 2 信号分析 由 A D 转换器 ADC0804 芯片 I V 转换电路 单片机 AT89S52 基本系统组成 3 信号处理 由变频器控制空调 LCD1602 液晶显示器和报警电路组成 信号采集中 AD590 进行的是温度的采集 按键电路负责温度设定值的输入 应设定在 0 左右 信号分析中 I V 转换电路负责将检测的电流信号转换成为电压 信号 ADC0804 负责将电压信号转换成数字信号 单片机 AT89S52 负责分析输入 信号 给出控制信号 信号处理中 LCD1602 负责显示当前温度值 变频器接收单 片机输出的控制信号 控制空调升降温 第 3 章 硬件设计 3 1 单片机最小系统设计 本设计的单片机最小系统由时钟电路与复位电路加单片机组成 其中复位电路 有手动复位 上电复位和上电加手动复位等多种设计方案 为系统工作的可靠性与 出现问题的修复性考虑 使用上电加手动复位的方式 时钟电路则分为外部时钟和 内部时钟两种 为提高效率与稳定性 使用外部时钟电路 选用 12MHz 的晶振 为系统提供工作频率 时钟周期约为 1uS x1 x2 单片机 RST 时钟电路 复位电路 图3 1 单片机最小系统图 图3 2温度控制系统的结构框图 系统主要由单片机 检测系统及变换电路 键盘 显示器 变频器 执行机构组成 采用了模块化的设计方案 组建方式灵活 具有良好的扩展性 输入 PID 增 量算法 变频器空调控制对象 输出 温度检测及变换电路 图 3 2 温度控制系统结构框图 该系统的性能特点 1 可靠性高 在系统设计中对系统可靠性作了充分的论证 同时采取了 相应的解决措整个系统的可靠性高 使运行安全 可靠 2 控制精度高 由于对仓储温度分布进行了分析 找出最佳测量点 在设 计方案上采用了开关量控制和模拟量控制以提高精确度 在硬件上采用了高精度的 传感器和性能良好的集成芯片 使温度精度进一步提高满足用户对温度要求 3 可控点多 扩展性能良好 采用平均值算法客服了以往温控制能单点测 量某一区的温度值 3 2 核心芯片的选择 目前 市场上以 MCS 51 系列单片机应用最广 配合其生产的芯片业最多 而 且 51 系列以能完成本系统所需要求 价格较低 所以本系统选用 51 系列单片机 AT89S52 作为核心芯片 AT89S52 是一种低功耗 高性能 CMOS 八位微控制器 具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器 使用 ATMEL 公司高密度非易失性存储器技 术制造 与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容 片上 Flash 允许 ROM 在系统可 编程 亦适于常规编程器 在单芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使其为众多嵌入式控制应用系统提供灵活的解决方案其主要功能特性如下 1 与 MCS 51 单片机产品兼容 2 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器 3 1000 次擦写周期 4 全静态操作 0Hz 33Hz 5 三级加密程序存储器 6 32 个可编程 I O 口线 7 三个 16 位定时器 计数器 8 八个中断源 9 全双工 UART 串行通道 10 低功耗空闲和掉电模式 11 掉电后中断可唤醒 12 看门狗定时器 13 双数据指针 14 掉电标识符 3 3 输入通道设计 3 3 1 传感器选择 集成温度传感器 AD590 是美国模拟器件公司生产的集成两端感温电流源 AD590 是电流型温度传感器 通过对电流的测量可得到所需要的温度值 温度传感器主要特性 流过器件的电流 A 等于器件所处环境的热力学温度 开尔文 度数即 Ir T 1 式中 Ir 流过器件 AD590 的电流 单位为 A T 热 力学温度 单位为 K AD590 的测温范围为 55 150 AD590 的电源电压范围 为 4 30V 可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电压 因而器件即使反接也不会被 损坏 输出电阻为 710m 精度高 AD590 在 55 150 范围内 非线性误差仅 为 0 3 AD590 的工作原理 AD590 温度感测器是一种已经 IC 化的温度感测器 它会 将温度转换为电流 其规格如下 温度每增加 1 它会增加 1 A 输出电流 可 量测范围 55 至 150 供应电压范围 4V 至 30V 3 3 2 模数转换器设计 本设计中温度传感器选用的是 AD590 为模拟量传感器 输出信号为模拟信 号 所以需要进行 A D 转换 因为只有一路信号为节约成本选用一路 A D 转换器 ADC0804 ADC0804 为 8 位 COMS 依次逼近型的 A D 转换器 三态锁定输出 转换时间 100US 总误差正负 1LSB 方便的 CMOS 标准接口 可以满足差分电压 输入 具有参考电压输入端 内涵时钟发生器 单电源工作输入信号电压范围 0V 5V 不需要调零 3 3 3 I V 转换电路的设计 由于 AD590 输出的模拟信号为电流信号不能够被 ADC0804 接收 所以需要设 计 I V 转换电路进行电流到电压的变换 将传感器输出的电流信号转换成 0V 5V 的标准电压信号 然后再传送给 ADC0804 I V 转换电路分为有源与无源两种 无源 I V 转换电路主要是利用无源器件电 阻来实现 并加滤波和输出限幅等保护措施 有源 I V 转换电路主要是由有源器件 运算放大器 电阻等组成 将无源 I V 转换电路和有源 I V 转换电路进行比较 有源 I V 转换在实际中应 用更加广泛 而且可调性强 便于电路的调试 所以本次设计中采用有源 I V 转换 电路完成电流电压转换 3 4 输出通道设计 本系统的输出通道采用的是交流变频器 通过变频器的调速功能来改变执行机 构的制冷机或空调机 从而来改变仓储内部的温度 该系统所选用的交流变频器的 普通型变频器 其主要特点是变速快 结构简单易于维护 操作简单 可靠性高 交流变频器在该系统中主要作用是来改变执行机构对温度调节的速度快慢 本系统 对调节时间要求并不高 所以选用交流变频器能够达到所期望的目的 市场上普通 型交流变频器的价格并不高 对本系统的成本并没有影响 所以该变频器是满足本 系统的最佳变频器 3 5 LCD1602 显示电路 LCD1602 分为带背光和不带背光两种 基控制器大部分为 HD44780 由于本 设计为家用加湿器 夜间仍需工作并加以显示 故选用带背光 LCD1602 出于节 能考虑 白天及夜间无人观看时避免浪费电能 所以在背光处加一个开关 不用背 光时可以关闭 3 6 按键输入电路 该温度控制系统 可自行设置湿度值的大小 故需要按键输入 典型的按键输 入电路有矩阵式和独立式 矩阵式占用 I O 口数少按键数量多 所有数值皆可以设 置为一个按键使用方便 适用于需要多个按键的场合 独立式按键 每个按键都需 要占用一个 I O 口 但是电路简单 适用于按键个数较少的场合 本设计中本着节约资源的原则 使用仅三个按键来实现湿度值的设定 即一个 确定按键 一个移位按键 一个数值加一按键 所以选择独立式按键 3 7 报警电路 温度低于或高于极限值会影响果蔬的保存质量 所以设计一个蜂鸣器报警电路 当温度超过极限值时进行报警 报警电路很简单 使用单片机的一个 I O 口通过一 个三极管驱动蜂鸣器发声报警 第 4 章 软件设计 4 1 单片机软件设计 本系统完成的功能有按键输入具体设定温度值并加以显示 5 5 C 之间 实时监测储藏室温度值并送出显示 单片机通过 PID 算法得出相应的控制量 控制 变频器输出调节温度 当越过极限值进行报警 根据控制系统的实时测量 实时决 策 实时控制来完成 将程序分解成模块来处理 软件程序主要分成以下几个部分 主程序 主程序的主要作用是进行程序初始化 其中包括 AT89S52 自身的初 始化 LCD1602 液晶显示器的初始化 ADC0804 模数转换器的初始化 按键电路 的初始化 T0 中断初始化 然后执行一个死循环 while 1 调用循环子程序 循环子程序 进行温度的设定与设定温度值显示 先判断是否按下设定键 若 按下则进行设定 否则不进行重新设定 保持原值 上电复位后默认为 0 然后 输出显示设定值 初始化 开中断 循环子程序 开始 图 4 1 主程序流程图 K3K2 K1 起始 是否按下设 定键 K3 读取键值 读取键值 向左移一位 该位数值加一 延时一段时间 返回 显示设定值 图 4 2 循环子程序 T0 中断服务程序 T0 中断程序是温度控制系统的主体程序 用于启动转换 读入采样数据 数字虑波 越限温度报警和越限处理 计算等 从 T0 中断程序中 还需要用到一系列的子程序 如温度采用值的子程序 数字滤波子程序 越限处理 子程序 计算子程序 标度转换程序和温度显示程序 否 是 否 否 是否超过 下限 是否超过 上限 保护现场 采样温度 数字滤波 PID 算出温度 循环 是 是 温度控制 是否在等 于设定值 返回 图 4 3 T0 中断服务程序 常规 PID 控制是一种线性控制 如图 4 4 所示 图中比例 积分 微分的控制 规律如下 比例控制 P 能够迅速反应误差 从而减小误差 增加 Kp 可以使系统响 应后在有静差的情况下可以减小静差 但是 Kp过大会使系统不稳定 积分控制 I 只要系统存在误差 积分控制作用就不断累加输出控制量以 消除误差 增大 Ti 有利于减小超调 稳定性加强 但是系统静差消除减慢 微分控制 D 可以减小超调量 克服振荡 使系统的稳定性提高同时加快 系统的动态响应速度 减小调整时间 从而改善系统的动态性能 c t e t r t 被控对象积分 比例 微分 图 4 4 PID 控制原理图 在控制系统中 根据给定温度值与实际输出温度值构成控制偏差 tr tc te 然后将偏差按比例 积分 微分 通过线性组合构成控制量 控制 tr tc 被控对象 控制规律是 1 dt tde TteTteKtudIp 其中 是比例系数 是积分时间 是微分时间 PKITdT 由于使用的控制器为数字控制器 因此其 PID 控制规律可采用增量式差分方程 2 1 2 1 1 kekekeTTkeTTkekeKkukukudIP 其中 K 为采样序号 是第 K 次时计算机输出值 是第 K 次采用输入 差 ku ke 值 为第 K 1 次采用输出偏差值 1 ke 为了编程方便将上式化简整理为如下形式 4 1 2 e kq1 e kqe k q u k 210 增量算法有以下几个优点 1 不需要做累加 控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关 计算误 差或计算精度问题 对控制量的计算影响较小 而位置算法要用到过去的误差的累 加值 容易产生大的累加误差 2 得出的是控制量的增量 例如阀门控制中 只输出阀门开度的变化部分 误动作影响小 必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出 不会严重影响系统的工 作 而位置算法得输出是控制量的全量输出 误动作影响大 3 采用增量算法 易于实现手动到自动的无冲击切换 数字增量式 PID 控制算法流程图如图 4 5 所示 到 离线计算 q0 q1 q2置 e k 1 e k 2 0 将 A D 结果赋给 y k 求 e k r k y k 按式 4 1 计算控制增量 u k 将 u k 输出给 D A e k 2 e k 1 e k 1 e k 采样时刻 到否 被控对象 A D D A 否 图 4 5 数字 PID 增量型控制算法流程 4 2 PID 参数的整定 PID 参数的整定方法有两种 一是凑试法 其整定的顺序是先比例 再积分 后微分的规律 二是工程法 本设计采用工程法整定 PID 参数 4 2 1 被控对象的建立 控制系统质量的好坏取决于控制器与被控对象之间的特性配合是否恰当 因此 PID 控制器的参数应由被控对象温度来确定 储藏室温度可视为一个惯性环节与一 个纯滞后环节 s 000s eT 1K s G 其中 是温度的时间常数 由于被控对象中有储能环节 对于突变的输入 0T 其输出不能立即复现 因此时间常数 T0反映了一个系统自动平衡的时间长短 为温度的延时 表示输出量复现输入量所需要的延时一段时间 K0为温度的增益 K0反映了对象的自平衡性 s 为拉普拉斯变换算子 由于实验室无法实现纯滞后部分 所以使用两个惯性环节串联起来代替工程实 际模型 故上式变换为 0 1s 2 10 2s 1 1 s G0 在 LabACT 实验箱上用两个运算放大器 加若干个电容电阻搭建被控对象 此 被控对象的建立连线图如 4 7 使用软件中的双迹示波器进行仿真观察 其响应曲 线如图 4 6 由图可知 通常取 从图中可得到 0 16s 3 0 010 YtY1t 通常取 从图中可得到 7 0 0 20 YtYst36 0 2 236 0 8473 0 120 ttT 076 08473 0 3567 0 204 1 21 tt 4 6 被控对象响应曲线 图 4 7 被控对象建立连线图 4 2 2 PID 参数的计算 根据被控对象响应曲线中计算出的 T0和 通过计算求得 PID 调节器控制参 数 DIPTTK 352 0 27 0 35 1 100 TKKP 169 0 0 6 01 5 0 5 2 2 0 TTTTTI 014 0 2 01 37 0 000 TTTTD 根据求得的数据计算偏差值 并控制偏差值5 若偏差值5 采用 PID 参数整定法将偏差值控制在 5 以内 这样才能够保证能够实现所要求的温度范围 内 即将温度控制在 5 5 摄氏度 通过实验测试及 PID 控制算法得出系统传递函数 根据其 PID 参数得到相应 的 PID 曲线图 其图形如下图 4 8 所示 其外部接线图如图 4 9 所示 图 4 8 PID 曲线图 图 4 9 实验箱链路图 第 5 章 课程设计总结 本设计主要研究的是果蔬储藏温度