智能仪器作业水温控制系统

1、智能仪器期末作业：水温控制系统12043123沈助龙一、设计任务： 设计一个水温控制系统 一升水由1kW的电炉加热，要求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，以保持设定的温度基本不变。 主要性能指标: 温度设定范围：4090，最小区分度为1； 控制精度：温度控制的静态误差1；用十进制数码显示实际水温；二、总体论证 1、控制方法选择 采用比例积分加微分控制(PID控制)： 微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果； 在比例基础上加入微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差；ty PID控制适用于负荷变化大、容量滞

2、后较大、控制品质要求又很高的控制系统。一方面，由于可以采用单片机实现控制过程，无论哪一 种控制方法都不会增加系统硬件成本，而只需对 软件作相应改变即可实现不同的控制方案；另一方面，采用PID的控制方式可以最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。 速度估算： Q=mCT=1000g×1kcal/gK×1K=1000kcal 又W=P×t=4.186×Q t=4.186×Q/P4.186J/kcal×1000kcal/1000W=4.186s 由此可见，对于指令执行时间一般为几个微秒的单片机系统来说，控制速度几

3、乎没有任何限制三、系统设计 采用以单片机为核心的直接数字控制系统。 软、硬件功能划分 为了简化系统硬件、降低硬件成本、提高系统灵活性和可靠性，系统的软、硬件功能可作如下划分： PID运算、输入信号滤波及大部分控制过程都可由软件来完成； 硬件的主要功能是温度信号的传感、放大、A/D转换及输出信号的功率放大； 人机通道功能由系统软、硬件配合完成，以降低软件设计的复杂性及缩短系统的研制周期。 总体框图 系统由前向通道模块（即温度采样模块）、后向控制模块、系统主模块及键盘显示摸块等四大模块组成四、单片机基本系统单片机系统是整个控制系统的核心；由于系统对控制速度、精度及功能要求都无特别之处，因此可以选用

4、目前广泛使用的MCS52系列单片机8052；8052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； 前向通道前向通道是信息采集的通道，主要包括传感器、信号放大、A/D转换等电路；由于水温变化是一个相对缓慢的过程，因此前向通道中没有使用采样保持电路；信号的滤波可由软件实现，以简化硬件、降低硬件成本。 后向通道后向通道是实现控制信号输出的通道；单片机系统产生的控制信号经功率放大电路放大控制电炉的输入功率，以实现控制水温的目的。 人机对话通道人机对话通道主要由键盘、LED显示组成；为了满足功能要求，键盘可由10个数字键及6个功能键组成(确认、取消、设定温度、修改PID参数、运

5、行、打印)；LED显示由双3位数码管组成，分别显示给定温度和实测温度，显示范围为0.099.9；5、 单元电路设计 单片机最小系统 如图，单片机最小系统有复位电路和振荡器电路。值得注意的一点是单片机的31脚必须接高电平，否则系统将不能运行。因为该脚不接时为低电平，单片机将直接读取外部程序存储器，而系统没有外部程序存储器，所以必须接VCC。在按键两端并联一个电解电容，滤除交流干扰，增加系统抗干扰能力。前向通道 一阶惯性滤波即RC低通滤波主要用于过滤掉变化的随机干扰信号算法公式为Y(n)=aX(n)+(1-a)Y(n-1)A是滤波系数，本次采样值，上次滤波输出值，本次滤波输出值因此，一阶低通滤波算

6、法采用本次采样值与上次滤波输出值进行加权处理，得到有效滤波值，是输出对输入有反馈作用优点：对周期性干扰有良好的抑制作用，适用于波动频率较高的场合缺点：相位滞后，灵敏度低，其中滞后程度取决于A的大小流程图：PID控制电路：AUc图2.5图中三端稳压7812作为基准电压,由运放虚短虚断可知运放的反向输入端Ui的电压为零伏。当输出电压为零伏时(即Uo=0v) 列出A点的结点方程如下:. (1) 由于系统控制的水温范围为35-95,所以当输出电压为零伏时AD590的输出电流为308.2uA,因此为了使Ui的电位为零就必须使电流等于电流等于308.2uA, 三端稳压7812的输出电压为12v所以由方程(

7、1)得 (2)由方程(2)的取电阻R2=30k , R1=10k的电位器。又由于ADC0804的输入电压范围为05v ，为了提高精度所以令水温为95时ADC0804的输入电压为5v（即Uo=5v）。此时列出A点的结点方程如下: (3)当水温为95时AD590的输出电流为368.2uA。由方程式（3）得R4+R5=83.33k因此取R5=81k , R5=5k的电位器。信号转换与放大电路 AD581提供10V标准电压，它与运算放大器OP07和电阻R1、VR1，R2、VR2组成信号转换与放大电路，将3595温度转换为05V的电压信号；查手册可知AD590在35和95时输出电流分别为308.2A和3

8、68.2A，因此R1、VR1，R2、VR2阻值可按下式计算：R1+VR1=10V/308.2A=32.4k，取R1=30k，VR1=5k；R2+VR2=5V/(368.2308.2)A=83.3k，取R2=81k，VR2=5k。 Vo -Rf Ii A/D转换器 按精度要求，则系统的控制总误差应不大于1/(95-35)×100%=1.67%，分配到前向通道的信号采集总误差应为0.83%，可以采用8位A/D转换器实现；由于水温变化相对缓慢，因此前向通道中没有使用采样保持电路，A/D转换器可以采用价格低廉的8位逐次逼近型A/D转换器ADC0804，该转换器转换速度为100s，转换精度为0

9、.39%，对应误差为0.234；ADC0804的信号连接如图所示。其中，CLK-R和CLK-IN两端外接一对电阻、电容，即可产生A/D转换所需要的时钟信号。后向通道： 为了实现水温的PID控制，功率放大电路的输出不能是一个简单的开关量，输入电炉的加热功率必须连续可调；改变输入电炉的电压平均值就可改变电炉的输入功率，而较简单的调压方法有相位控制调压和通断控制调压法；采用通断控制调压法不仅使输出通道省去了D/A转换器和可控硅移相触发电路，大大简化了系统硬件，而且可控硅工作在过零触发状态，提高了设备的功率因数，也减轻了对电网的干扰。 控制精度： 由于通断控制调压法使加在负载上的电压为几个连续的半周，

10、因而必须考虑最小输入功率对控制误差的影响：t=4.186sT=10ms/4.186s×10.00239可见，用通断控制调压法控制电炉的输入功率可以满足系统对后向通道控制精度的要求。人机对话通道： 控制面板 键盘的扫描输入和显示器的扫描输出采用了可编程键盘、显示接口芯片8279，由8279负责键盘的扫描、消抖处理和显示输出工作，大大减轻了CPU在扫描键盘或刷新显示时的负担，也简化了应用软件的编写； 8279键盘被设计为2×8行列，扫描线由SL0SL2经译码输出，接入键盘列线；查询线由RL0RL1提供，接入键盘行线；显示器配置为2×3位LED显示，位选线由SL0SL2

11、经译码和 7406驱动器获得，段选线由B0B3，A0A3通过9012驱动提供；温度采样电路系统的信号采集电路主要由温度传感器（AD590）、基准电压（7812）及A/D转换电路（ADC0804）三部分组成。电路图如图 图2.4温度采样电路原理图（1）AD590性能描述 测量范围在-50-+150，满刻度范围误差为±0.3，当电源电压在510V之间，稳定度为1时，误差只有±0.01 。AD590为电流型传感器温度每变化1其电流变化1uA在35和95时输出电流分别为308.2uA 和368.2uA 。（2）ADC0804性能描述 ADC0804为8bit的一路A/D转换器，其输

12、入电压范围在05v，转换速度小于100us，转换精度0.39。满足系统的要求。（3）电路原理及参数计算 温度采样电路的基本原理是采用电流型温度传感器AD590将温度的变化量转换成电流量，再将电流量转换成电压量通过A/D转换器ADC0804将其转换成数值量温度控制电路 此部分电路主要由光电耦合器MOC3041和双向可控硅BTA12组成。MOC3041光电耦合器的耐压值为400v，它的输出级由过零触发的双向可控硅构成，它控制着主电路双向可控硅的导通和关闭。100电阻与0.01uF电容组成双向可控硅保护电路。控制部分电路图如图主机控制部分此部分是电路的核心部分，系统的控制采用了单片机89C52。单片

13、机89C52内部有8KB单元的程序存储器及256字节的数据存储器。因此系统不必扩展外部程序存储器和数据存储器这样大大的减少了系统硬件部分。键盘及数字显示部分在设计键盘/显示电路时，我们使用单片机2051做为电路控制的核心，单片机2051具有一个全双工的串行口采用串口，利用此串行口能够方便的实现系统的控制和显示功能。键盘/显示接口电路如图2.7。 图2.7 键盘/显示部分电路图2-5-1中单片机2051的P1口接数码管的8只引脚，这样易于对数码管的译码，使数码管能显示设计者所需的各数值、小数点、符号等等。单片机2051的P3.3、P3.4、P3.5接3-8译码器74L138，译码器的输出端直接接

14、八个数码管的控制端和键盘，键盘扫描和显示器扫描同用端口这样能大大的减少单片机的I/O，减少硬件的花费。键盘的接法的差别直接影响到硬件和软件的设计，考虑到单片机2051的端口资源有限，所以我们在设计中将传统的4*4的键盘接成8*2的形式（如图2.8），键盘的扫描除了和显示共用的8个端外，另外的两个端直接和2051的P3.2和P3.7相连。控制及图形显示部分为了使系统具有更好的人机交换界面，其控制界面如下由于单片机89C52串行口为TTL电平，而PC机为RS232电平，因此系统采用了MAX232电平转换芯片。图2.9由于系统设计了多机通信的功能，即主系统（89C52）和键盘及数字显示部分的通信、主系统（89C52）和PC机 的通信，所以在设计电路时要特别注意多机通信的时序及竞争问题，针对此类问题在设计中我们特地的在两根串行通信线上增加了如图2.9的电路：如图由于主机部分发送两个从机都可以接受，因此主机的发送部分（及主机 TXD）不存在竞争问题。而两个从机可能同时向主机发送各类控制信息，因此会存在竞争问题。其实图2.9为一个与门电路，图中R1为提升电阻，D1、D2为开关二极管，当pc TXD（或2051 TXD）中有一个为低电平时主机RXD为低电平，同时另一个分机无效，当pc TXD（或2051 TXD）中有一个为高电平时主机RXD为高低电平.6、