课程设计恒温控制系统设计

1、课程设计题 目：恒温控制系统设计院 （系）： 电气与信息工程学院 班 级：电气0813班 姓 名：申伟伟学 号： 13号摘 要进入20世纪90年代，嵌入式技术全面展开，其优势及特点得到了越来越多的好评。飞思卡尔(Freescale)半导体公司S08系列的单片机是受到关注的诸多优异微控制器之一。S08AW系列是Freescale公司推出的新一代S08系列微控制器中的一款增强型8位微控制器，它不仅集成度高、片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、IIC、A/D、PWM 等，还具有很宽的工作温度范围：-40+125。在本系统的温度控制中，采用的是S08AW60微控制器。随着单片机的广泛使用，温度的

2、自动控制已经变成了可能。在本系统中，主要是通过控制电机来达到控制温度的目的，当然在一些高级或者要求更高的场合还可以通过控制空调来实现调温。要控温就要先进行测温，再转换成单片机能读懂的数字信号，进行处理后得出控制电机的控制值，也就是PWM控制中说的占空比，通过改变占空比就可以达到调速的目的。关键词：自动控制系统、S08AW60微控制器、温度、传感器目录1 引言42 总体方案设计82.1 硬件方案论证82.1.1 微控制器的选择82.1.2 温度传感器的选择92.1.3 显示器的选择102.1.4 键盘的选择102.2 系统设计方案的方框图112.3 系统控制算法的设计123 系统单元电路的设计1

3、23.1 检测电路设计133.2 微控制器的工作电路设计143.3 显示电路设计143.4 电机的驱动电路163.5 键盘电路设计164 系统的软件设计174.1 键盘子程序174.2显示子程序184.3 温度值判断子程序194.4调速子程序20总结21参考文献23附录：241 引言自动控制系统可以从不同的角度来进行分类，按其结构及控制方式可将其分为三种：开环控制系统、闭环控制系统和混合控制系统。1开环控制系统若系统的输出量不被引回来（反馈）对系统的控制部分产生影响，这样的系统称为开环控制系统，如图1-3所示。例如，数控机床。它由预先设定的指令程序产生相应的控制脉冲，经脉冲放大器放大后驱动步进

4、电机，通过精密传动机构再带动工作台对工件进行加工就是一个开环控制系统。家用电器中的洗衣机也是开环控制系统。开环控制系统的优点是结构简单，系统稳定性好，成本低。缺点则为：受扰动因素的影响大，从而影响输出量的稳定。若扰动因素已知，并能直接或间接地检测出，那么也可以利用扰动信号来产生一种补偿，以抵消扰动的影响。这种控制方式称为扰动控制。扰动控制原理如图1-4所示。图1-4 扰动控制系统框图在这种系统中，输出量对系统的控制作用无影响，影响控制的是扰动量，因此仍属于开环控制系统。2闭环控制系统若系统的输出量通过反馈环节作用于控制部分，形成闭合环路，这样的控制系统称为闭环控制系统，又称反馈控制系统。如图1

5、-5所示的由晶闸管可控整流装置供电的直流电动机调速稳速系统，控制对象是电机M、被控量是转速n，Ug是给定量。测速电机TG将输出量n转换成电压Ufn反馈到输入端去，形成一个闭环。系统的调速稳速原理可用下列顺序表示：nUfnu=Ug- UfnUdn(补偿了n)这种系统的输出量参与控制，直接影响系统的控制过程，所以是闭环控制系统。由于输出信号要返回输入端参与控制，所以信号传递有两个通道：主通道将控制信号送至被控对象；反馈通道将输出信号反馈到输入端。闭环控制系统一般采用差值控制。差值所产生的控制作用是使系统向减少或消除偏差的方向变化，所以有利于克服惯性和干扰而维持给定的控制，因此也称这种控制为偏差控制

6、。反馈控制系统无论采取哪种量反馈，包围在反馈环内的各种干扰量所引起的输出量变化都能被减小或消除，使系统具有良好的动态和静态控制精度，所以获得了广泛应用。3复合控制系统将闭环控制系统和开环控制系统结合在一起，构成开环-闭环相结合的控制系统称为复合控制系统，也称为混合控制系统。例如，可以将扰动控制(开环)和偏差控制(闭环控制)相结合而形成复合控制系统。复合控制系统兼有闭环和开环的优点，控制精度高，控制反应快，但结构复杂。微型计算机控制系统与其所控制的生产对象密切相关，控制对象不同，控制系统也不同。根据应用特点、控制方案、控制目标和系统构成，微型计算机控制系统大体上可分为以下几种类型：操作指导控制系

7、统、直接数字控制系统（DDC）、计算机监督控制系统（SCC）、分布式控制系统（DCS）、计算机集成制造系统（CIMS）和现场总线控制系统（FCS）。下面分别进行介绍。1操作指导控制系统操作指导控制系统如图1-6所示。所谓操作指导是指计算机只对系统过程参数进行收集、加工处理，然后输出数据，但输出的数据不直接用来控制生产对象，操作人员根据这些数据进行必要的操作。在这种系统中，计算机每隔一定的时间进行一次采样，经A/D转换后送入计算机进行加工处理。然后再进行显示、打印或报警。操作人员据此改变设定值或进行必要的操作。这种系统突出的特点是简单、安全可靠，对于控制规律不太确定的系统更为适用。它的缺点是仍要

8、人工进行操作，所以响应速度不可能太快。它相当于模拟仪表控制系统的手动与半自动工作方式。主要用于计算机控制的初级阶段，或用于试验新的数学模型和调试新的控制程序等。2 总体方案设计2.1 硬件方案论证该系统的硬件方案的设计包括微控制器的选择、温度传感器的选择、显示器的选择和键盘的选择，至于电机是要控制的对象，24V直流电源作为功率电源进行加温所以在该微型计算机系统中我们只对上述的几个硬件部分进行选择。2.1.1 微控制器的选择方案一：8031芯片内部无ROM，需要外扩程序存储器,由此造成电路焊接的困难，况且使用8031还需要另外购买其他的芯片，如A/D转换及定时/计数器（PWM）等芯片，从而造成成

9、本较高，性价比低。方案二：89C51芯片内部有ROM，且片内ROM全部采用Flash ROM，它能于3V的超低压工作，与MCS-51系列单片机完全兼容，但是其不具备ISP在线编程技术， 需把程序编写好以后再放到编程器中烧写，才可以进行硬件电路的调试，倘若程序编写出现问题，调试电路就比较麻烦，而且其芯片内存也只有4KB。方案三：基于前两种方案的比较,我们考虑到S08AW60，该芯片拥有62KB片上在线可编程FLASH存储器和2KB片上RAM，具有模块保护与安全选项功能。该芯片还可以通过BDM进行在线编程及调试，无需频繁的插拔单片机，可避免损坏芯片。且其内部资源丰富，本身就含有A/D转换模块和定时

10、/计数器（PWM）模块，使用方便简单。综观上述三种方案的论证与比较,我们采用S08AW60作为主控模块芯片。2.1.2 温度传感器的选择方案一：热电偶主要是利用两种不同金属的热电效应，测温范围在-2001800，产生接触电势随温度变化而变化，从而达到测温的目的。测量准确，价格适中温，线性度较好。但其输出电压受冷端温度影响，需要进行冷端温度补偿，使电路变得复杂，且测量范围过大，在本题中并非最佳方案。方案二：热敏电阻由金属氧化物或半导体材料制成，测温范围在-50300，灵敏度高、热惰性小、寿命长、价格便宜。但其测量的稳定性和复现性差，而且线性度差，需要进行查表线性拟合，大大浪费控制器的资源，因此不

11、能选用。方案三：热电阻是利用金属的电阻率随温度变化而变化的特性，将温度量转化成电阻量。其优点是准确度高，稳定性高，性能可靠，热惯性小、复现性好，价格适中。如铜热电阻，其测温范围在-50150，铜容易提纯，价格比铂便宜很多，且电阻温度关系是线形的。根据要求，并进行比较，最终选用热电阻Gu100温度传感器。2.1.3 显示器的选择方案一:LCD数码管液晶显示,由单片机驱动.它主要用来显示大量数据、文字、图形，能够显示的位数多，显示得清晰多样、美观，但同时液晶显示器的编写程序复杂，价格昂贵，从而降低了整个系统的性价比，故不采用此种方案。方案二：点阵显示，是由八行八列的发光二极管集成在一块电路上组成，

12、主要用来显示汉字，同时也能显示数字和少量图象，但它的焊接较麻烦，价格高，鉴于所设计的题目要求它不切实际。所以排除此方案。方案三：LED数码管静态显示，电路容易理解且驱动的程序简单，多片七段译码器驱动显示，这不仅增加了成本，还需要占用单片机多个I/O口，也给电路的焊接带来一定的困难，因此不选用这种方案作为显示模块。方案四：采用LED数码管动态扫描显示，价格低廉，不仅减少了对I/O口的浪费，而且能够同时驱动多个数码管。其驱动程序容易编写和理解。经过四种方案的比较，排除了前三种方案之后，最后选择方案四：LED数码管动态扫描显示。2.1.4 键盘的选择方案一：选取阵列式按键，减少了I/O口的使用,且扫

13、描M×N个按键只需占用M+N个I/O口即可实现，但给编程带来了一定的困难，虽然节省了很多的口线，降低了成本，但在此设计中所用的按键要尽量少，因此排除此方案。方案二：独立式按键，每个按键实现一个功能，易于控制且编写程序简单，容易理解，虽然会占用一定的单片机I/O口资源，但是题目中要求使用的按键要尽量少。通过以上两种方案比较，决定采用方案二。2.2 系统设计方案的方框图根据系统的控制要求，再结合已经确定下来的各硬件方案，可以得出系统具体工作的整体方框图，如图1所示。图1 系统方框图信号检测电路对电梯间的温度进行实时的获取，并将获得的温度信号转换成电压信号；S08AW60内部有A/D转换模

14、块，把获取的电压转换成数字信号，并根据便写好的控制程序进行判断，再利用片内的定时/计数（TPM）模块对电机进行PWM调速；键盘主要是设定要保持的温度值；显示器对当前温度值或设定值进行显示。2.3 系统控制算法的设计本系统主要是对测量到的温度与设定值进行比较，然后获得偏差值，是对温度的反馈偏差控制。就必然用到经典控制理论中的PID（Proportional Integral and Derivative比例积分微分）控制，采样PID控制的基本公式如公式1 ， （1）其中Kp为比例系数，Ti为积分时间，Td为微分时间，T为采样时间。因计算中需要累加求和，不便于单片机的计算，因此算其增量式 。由增量

15、式PID算法获得的控制值，再通过PWM的调速方法来调整风扇的转速，达到控温的目的。3 系统硬件电路的设计系统需要各单元电路的正常工作才能实现对电梯间温度进行实时控制的目的，各单元电路包括检测电路、微控制器的工作电路、显示电路和键盘电路。3.1 检测电路设计图2 温度检测电路热电阻所测得的是电阻量，需要转化为电压量才能被控制器采集。最基本的电阻-电压转换电路是将其与另一固定电阻串联，但这种方法，当温度为量程下限时输出不为零，这样不利于小信号的放大和提高A/D转换的精度。因此，本系统采用桥路测量，电路如图2所示。在温度信号的检测电路中，一端接12V的恒压源，另一端接地，R11、R12和R13的阻值

16、都为100，铜热电阻传感器在0时的电阻为100，铜热电阻在035时的电阻值随着温度的升高呈线性增加的趋势，其中Gu100的分度如表1所示。表1 Gu100分度表温度（）电阻Rt（）温度（）阻值Rt（）0100.0020108.565102.1425110.7010104.2830112.8415106.4235114.98在放大电路上，使用的是差分放大电路，由于温度为35时传感器的阻值为114.98，可求出桥两端的电压差值为0.42V，则放大系数为10。3.2 微控制器的工作电路设计图3 AW60工作电路图VDD和VSS是S08MCU主要的电源引脚，工作电压范围是2.7V5.5V。在电源引脚上

17、加两个独立的电容器，其中一个为大容量的10F钽电容器，为系统提供大容量的电荷存储，同时在离MCU电源管脚尽可能近的地方安装一个0.1F的陶瓷旁路电容器来抑制高频噪音。RESET（复位）引脚是一个专用引脚，带有内置的上拉器件。它具有输入电压迟滞和10mA电流输出驱动器，但没有输出斜率（压摆率）控制。由于存在内部加电复位电路和低电压复位电路，因此在一般情况下不必使用外部复位电路。如果需要，可以增加一个到地电位的简单开关（拉低复位管脚以强制进行复位）来实现手动外部复位，如图3所示。3.3 显示电路设计如图4所示，S08AW60的A端口与74CHT244的八个输入端相连，74CHT244的相对应的八个

18、输出端与数码管的八个输入端一一相连，74CHT244具有数据缓存和驱动的功能，当八个信号全部到齐之后再全部输出，以足够的电流驱动数码管的段码显示相应的数字。在数码管与74CHT244之间还要并联上470欧姆的电阻，防止有过大的电流流过烧坏数码管。S08AW60的C端口的低3位分别接3个PNP型的9012三极管的基极，三极管的集电极分别与数码管的两COM端相连，发射极接+5V电压，具有选通数码管的作用。数码管选择的是共阳极的，所以单片机的C口PTC0PTC2中任何一个端口输出低电平时，则与之相连的数码管被选通。为了过大电流烧坏芯片，在S08AW60的输出与三极管基极之间接上3个10K的电阻，在此

19、的电阻也起到限流的作用。显示模块用的是3个共阳极的数码管，一块74CHT244和3个9012三极管。图4 显示电路图3.4 电机的驱动电路PTE2图5 风扇电机驱动电路当PTE2输出为低电平时，固态继电器发光二极管发光，使光敏三极管导通，从而使达林顿管的基极获得高电位，进而驱动电机工作；反之，PTE2输出为高电平时，固态继电器的输出级为截止状态，达林顿管不能提供驱动电流，因而电动机不工作。由于电动机电枢电流突变时产生的瞬间反向电压会对电动机造成损害，二极管D1的作用是形成回路保护电动机。3.5 键盘电路设计根据前面键盘方案的确定，是使用独立式按键，在该系统中共用到了6个按键，功能分别是：确定键

20、、设置键、左移、右移、上加和下减。如图6所示，由于AW60芯片端口内部有上拉电阻，当上拉使能时，在没有键按下时读入的是高电平，有键按下时读入的是低电平。按键S1S6分别与单片机的PTB0PTB5相连。图6 键盘电路4 系统的软件设计在该系统的软件设计上，针对要完成的功能及对各部分硬件的使用，主要有四个部分的子程序要设计：键盘子程序、显示子程序、温度值判断子程序、电动机的PWM调速子程序。由于该系统的主控芯片是freecale公司生产的8位S08系列的AW60，故在软件开发设计时用的是freescale公司提供的CodeWarrior IDE编程环境，使用C语言进行编程。4.1键盘子程序键盘的作

21、用主要是用来设定要保持的温度值，总共有六个按键：确定、设置、上加、下减、左移和右移。由于选择的是独立式按键，所以在编程上会比较简单。首先是判断是否有键按下，再进行延时防抖动后，针对按下的不同的键值系统进行相应的反应。在使用“上下左右”四个键之前，必须是先按下了“设置”键，否则无效；只有在按下“确定”键之后，才开始实时的温度显示与控制，如图8所示。图8 键盘程序流程图4.2显示子程序由于在数码管的显示上，本系统选择的是动态显示，因此在不同位数码管的显示之间需要延时，因考虑人眼的视觉暂留的影响，数码管每5个采样周期，即0.5秒刷新一次。三个数码管的高两位为显示温度的整数值，剩下一个显示温度的小数值

22、。在温度的给定值与实际值的显示上，要使用两套不同变量，还需要七段数码管显示数字的代码，如：char dispvalue_Array=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90;为显示09的数组。为了把整数值与小数值区分开，中间的数码管显示时要把小数点点亮。这时给中间的数码管的显示编写了另一个代码数组如：char dispvalue_Array1=0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10;4.3温度值判断子程序在温度检测电路上，首先把检测的温度转换成阻值，再把阻值转化为单片机可以处理

23、的电压值，然后单片机对获得的电压值进行A/D转换成数字信号。在温度值的判断程序里，要把得到的电压数字信号进行对比、运算获得对应的温度值，其中需要对A/D模块进行设置，确定采样周期和转换精度等。在程序的编写中采用最简单的查表法从电压值中查出相应的温度值。事先将一系列温度与电压值对应值存贮到AW60微控制器程序存储器中的一个表内，那么给定任意一个电压值即可通过查表得出所对应的温度值，如表2。当表中没有对应的电压值时，可找出电压值在表中的区域，然后在区间的相邻两点经线性插值得出对应温度值。使用公式2的插值算法： （2）T为当前温度；AD_Value为当前温度的A/D转换值；y2、y1分别为相邻点的温

24、度值；x2、x1分别为相邻点的A/D转换值。表2 A/D转换结果与温度值A/D转换结果A/D电压（V）温度（）000320.635641.2610961.88151282.51201603.14251923.77302244.39352555.004.4调速子程序在获得了温度当前值后，使其与给定值进行相减求得偏差值，在前面的算法设计中已经确定了运用PID的增量式算法控制电动机，在增量型控制算法中，只需要知道当前值及两个历史输入值就可以求出当前的控制增量，增量式的算法如公式3： （3）式中，,，。程序流程图如图9所示：图9 增量式PID控制算法流程图软件进行PID运算后判断如果u>0,则输

25、出脉冲的占空比增加1%，反之减小1%。 5总结这次课程设计从确定题目到现在的总结，感觉最难的是在硬件电路的设计上，需要用到以前所学过模电数电的知识，当正真需要时才知道它们的重要。在完成硬件设计后，就是软件的设计了，虽然平时有些积累，但对PID控制的算法的理解还仅仅停留在课本上，根本不知道如何应用，特别是参数的整定。经过努力最后还是完成了任务，设计中肯定还有很多不足和问题，这些都是我下一步要改进的。题目确定下来后，我开始严格按照进度的要求去进一步的了解题目所要达到的功能，再针对任务要求查阅相关的技术资料。首先就是硬件方案的确定，根据题目所要达到的功能要求，针对不同的硬件我列出了多个供选择的方案，最后从各方面的综合考虑之后确定了各硬件：S08AW60微控制器、Gu100温度传感器、LED数码管显示器和独立式键盘。接下来就是对系统整体电路中各子模块电路的设计，包括检测电路、微控制器的工作电路、显示电路和键盘电路。其中最