实验一 温度测控系统软件设计实验

实验一实验一 温度测控系统软件设计实验温度测控系统软件设计实验 一 实验目的一 实验目的 1 了解并熟练使用 KEIL 51 ADS1 2 以及 CCStudio v3 3 三种编程软件 2 了解过采样的基本原理 编写相应的过采样程序实现对温度数据的过采样 3 了解 PID 控制算法的基本原理 编写不同的 PID 算法观察实验结果 4 掌握数字滤波算法的运用 二 实验设备二 实验设备 武汉理工大学自动化综合实验平台 WJ 403 一套 PC 机一台 三 实验内容三 实验内容 1 实验平台系统方框图 自动化综合实验平台 WJ 403 是一套基于多处理器和多实验对象的实验装置 实验装 置的测量部分可以分为温度 压力以及转速三部分 处理器有单片机 STC89C52 ARM S3C44B0 以及 DSP 三种 综合实验平台分为处理器开发板和数据采集控制板以及上位机显 示三部分 数据采集控制板上留有专门的实验对象接口 方便实验对象的拆分 同时数据 采集控制板通过跳线即可实现多处理器间的切换 最后可以在上位机显示部分观察不同处 理器的实验效果 具体系统方框图如图 1 所示 图 1 实验平台系统方框图 2 温度测控系统程序方框图 温度测控系统传感器有 PT100 AD590 以及热电偶 虽然各自的采集方法不同 但整 个系统别的部分设计是相同的 其程序方框图如图 2 所示 图 2 温度测控系统程序方框图 3 过采样技术 过采样是使用远大于奈奎斯特采样频率的频率对输入信号进行采样 设数字音频系 统原来的采样频率为 fs 通常 44 1kHz 或 48kHz 若将采样频率提高到 R fs R 称为过采 样比率 并且 R 1 在这种采样的数字信号中 由于量化比特数没有改变 故总的量化噪 声功率也不变 但这时量化噪声的频谱分布发生了变化 即将原来均匀分布在 0 fs 2 频带 内的量化噪声分散到了 0 Rfs 2 的频带上 若 R 1 则 Rfs 2 就远大于音频信号的最 高频率 fm 这使得量化噪声大部分分布在音频频带之外的高频区域 而分布在音频频带之 内的量化噪声就会相应的减少 于是 通过低通滤波器滤掉 fm 以上的噪声分量 就可以 提高系统的信噪比 4 数字滤波技术 数字滤波是由数字乘法器 加法器和延时单元组成的一种计算方法 其功能是对输入 离散信号的数字代码进行运算处理 以达到改变信号频谱的目的 由于电子计算机技术和 大规模集成电路的发展 数字滤波已可用计算机软件实现 也可用大规模集成数字硬件实 时实现 数字滤波是一个离散时间系统 按预定的算法 将输入离散时间信号转换为所要 求的输出离散时间信号的特定功能装置 本实验平台程序设计中主要采用的数字滤方法有算术平均滤波 限幅滤波以及中间值 平均滤波 5 PID 算法 在过程控制中 按偏差的比例 P 积分 I 和微分 D 进行控制的 PID 控制器是 应用最为广泛的一种自动控制器 它具有原理简单 易于实现 适用面广 控制参数相互 独立 参数的选定比较简单等优点 而且在理论上可以证明 对于过程控制的典型对象 一阶滞后 纯滞后 与 二阶滞后 纯滞后 的控制对象 PID 控制器是一种最优控 制 PID 调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法 它的参数整定方式简便 结 构改变灵活 PI PD 控制点目前包含三种比较简单的 控制算法 分别是 增量式算法 位置式算法 微分先行 本实验平台中采用的是增量式 PID 控制算法 所谓增量式 PID 算法就是通过计算相邻 两次控制量运算之差 得到的差值就是增量 如果为正则表示要在上一次控制量的基础上 增加控制量 反之则在上一次控制量的基础上减少控制量 对于温度控制来说就是增加或 者减少加热比例 四 实验步骤四 实验步骤 根据实验原理图连接好各传感器 通过跳线将检测板与控制器板 一次只能接 一个开发板 相应接口连接 A 主控制器使用单片机主控制器使用单片机 1 打开 KEL51 编程软件 点击主菜单上的 Project 选项 再点击下拉菜单里的 Open Project 选项 找到温度的实验程序打开 如下图所示 图 3 用 KEIL51 选择打开工程文件 图 4 选择打开 PT100 uv2 2 在 KEIL51 编程软件的左侧是工作区 在工作区里可以看到程序所使用的所有文件 包括 启动代码 C 程序以及 H 头文件 双击相应的文件即可打开查看 图 5 KEIL51 工作区 3 分别打开 Interrupt c 和 PID c 文件 查看程序中是如何实现过采样和 PID 算法的 4 理解程序方框图 根据工程文件中的每个文件了解整个程序的运行过程 5 下载程序运行 观察并记录实验现象 B 主控制器使用主控制器使用 ARM 1 打开 CodeWarrior for ARM Developer Suite 编程软件 点击主菜单上的 FILE 再点击下 拉菜单中的 Open 打开温度实验程序 图 6 用 CodeWarrior for ARM Developer Suite 打开工程文件 图 7 打开 PT100 mcp 2 打开 mcp 后即可看到实验程序所包含的所有文件 BOOT 程序 C 程序以及 H 头文件 双 击相应的文件即可查看 图 8 CodeWarrior for ARM Developer Suite 工作区 3 分别打开 ADC c 和 PID c 文件以及 Main c 文件 查看程序中是如何实现过采样和 PID 算 法以及数字滤波算法的 4 理解程序方框图 根据工程文件中的每个文件了解整个程序的运行过程 5 下载程序运行 观察并记录实验现象 C 主控制器使用主控制器使用 DSP 1 连接好 DSP ICETEK5100 仿真器 先打开 Setup CCStudio v3 3 进行仿真器的设置 然后打开 CCStudio v3 3 由于默认状态下仿真器处理非连接状态 所以必须连接 点击主 菜单下的 Debug 选项 然后点击下拉菜单的 Connect 把仿真器连接好 选择主菜单下 Project 点击下拉菜单的 Open 选项 打开温度实验的工程文件 图 9 Setup CCStudio v3 3 设置界面 图 10 仿真器连接 图 11 打开 Project 图 12 选择打开 PT100 工程文件 2 在左侧区域可以看到工作区 里面有相应的源代码 双击即可打开查看 图 13 PT100 工程文件工作区 3 分别打开 Interrupt c 和 PID c 文件 查看程序中是如何实现过采样和 PID 算法的 4 理解程序方框图 根据工程文件中的每个文件了解整个程