【系统】单片机温度控制英文文献及翻译

文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑欢下载支.【关键字】系统TemperatureUsingaMicrocontroller:DesignProjectofAbstractThispaperdescribesaninterdisciplinarydesignprojectwhichwasundertheauthorsupervisionbyagroupoffourseniorstudentsinofEngineeringatofwasdevelopatemperaturesystemforair-filledchamber.Thewastoallowentrydesiredtemperatureinexhibitandsteady-stateerroroflessdegreeKelvinintheactualchambertemperaturestepdetailsofthedesigndevelopedbygroupofbasedMotorolafamilymicrocontroller,valueofproblemalsodiscusseddescriptionofkeyinthedesignItisshownthatthesolutionknowledgefromseveralincludingmechanical,andengineering.IntroductionThedesignisthisoriginatedfromareal-worldapplication.AprototypeofaslidedryeraroundOmegaTMtemperaturecontroller,developtemperaturesystemreplacethesystem.motivationwasthatcustomcontrollertargetedforshouldsamecost,asthesystemisunnecessarilyversatileandaTheslideisinelementofthedryeralarge,insulated,air-filledinwhichslides,withsampleencasedparaffin,besetInthattheparaffinmaintainpropertheintheslidemustbemaintainedatadesiredAhousesaresistiveheaterandtheandafanonthedryerairacrosstheheater,jectwasout1996byfourstudentsundertheauthorsupervisionasaSeniorprojecttheDepartmentofScience.purposeofthistodescribeandthestudentssolutioninsomedetail,todiscussofpedagogicalopportunitiesofferedbyaninterdisciplinarydesignprojectoftype.studentsreportwasatConferenceonUndergraduateSectiongivesadetailedstatementofproblem,includingperformancespecifications,Section3describesthestudentsdesign.文档收集于互联网，如有不妥请联系删.

文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑欢下载支.upthebulkofpaper,anddiscussesindetailseveralaspectsofdesignprocesswhichopportunities.Finally,5offerssomeProblemTheideaprojectreplacepartsoffunctionalityofOmegaCN-390controllerusingcustom-designedsystem.applicationthatsettingsusuallyconstantforperiodsoftime,but’snonethelessimportantthatstepchangesbetracked“reasonablemanner.Thustheboildown·allowingchambertoentered,·displayingbothactualand·trackingstepchangesinset-pointtemperaturewithacceptablesteady-stateerror,explicitlyspecificationsitcustomerdigitalandtemperatures,thatset-pointentrydigitalaswellthroughaSystemThefortemperaturedisplaysentryaloneenoughthatamicrocontrollerbaseddesignislikelythemostappropriate.Figure2showsblockdiagramofthestudentsThemicrocontroller,aMotorolaMC68HC705B16forshort),heartofItacceptsinputsfromafour-keykeypadwhichspecificationoftheanditandchamberusingtwo-digitseven-segmentLEDdisplayscontrolledbyadisplaydriver.Allinputsoutputsaccommodatedbyparallelonthe6805.acalibratedthermistorandinputof6805inputs.apulse-width(PWM)outputonthe6805usedtodrivearelaylineheaterFigure3adetailedofandtheirinterfacinga3K041103,fourkeysareinterfacedpinsPA3A,configuredasinputs.Onekeyfunctionsasamodeswitch.Twomodesmodeandrunmode.modetwoofkeysareusedtospecifytemperature:oneitandTheisunusedatpresent.TheLEDbyHarrisICM7212displaydriverinterfacedPortB,outputs.drives,divider,pinAN0analoginputs).Finally,pinoutputs)drivestherelay.onthe6805thecontrolalgorithm,maintainsthedisplays,altersinresponseinputs.itisnotatthiswriting,willnotindetailincontrolalgorithminparticularnotdetermined,butit文档收集于互联网，如有不妥请联系删.

文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑欢下载支.simpleproportionalnotcomplexthanPID.SomedesignwillinSectionDesigntheprojecttobuildathermostat,itpresentsmanypedagogicalknowledgebaseofseniorundergraduatebringhimorhertothebrinkofsolutiontovariousincase,realworldconsiderationscomplicatethesituationcomplicationsarenotandresultverydesignremainderthislooksfewofproblemwhichthetypelearningSection4.1discussesofofasimplifiedmathematicalmodelofthermalpropertiesofthesystemandhowitbevalidatedexperimentally.Section4.2canatusingintroductoryinSectionoutdeficienciesofsuchadesignandhowthroughsimulation.Section4.4overviewofthedesignissueswhichandlearning4.1Lumped-elementthermalareinalmostanyintroductorycontroltext,andsortofapplicableslidedryerproblem.second-orderofslidedryer.statevariablestemperaturesairintheboxTbofboxTheinputstothearepoweroutputq(t)heaterambient.maandmbarethemassesoftheairthebox,respectively,Caandtheirspecificheats.μ1andμ2heatfromairboxandfromboxworld,’srdtothatthe(linearized)4areTakingtransformsof(1)andsolvingforwhichtheoutputgivesthefollowingmodelthermalKconstantatz,andtheofD(s)arein(1)(2).Ofinandarecompletelyunknown,butit’shardtoshowthat,regardlessofalues,haszeros.Thereforethemainfunctioninterest(whichtheoneQ(s),sinceweconstantambientcanwrittenMoreover,’snottoohardtoshowthat1=tp1<1=tp2,i.e.,thatthezerobetweentheBothofexcellentexercisesforstudent,andresultofFigureObtainingcompletemodel,then,isconstantKthreein(3).unknownquitebut1=tp1_so_0aresystemis文档收集于互联网，如有不妥请联系删.

文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑欢下载支.first-orderthereforebep1hasbeenSimplestepthat,forwiderangeofandheatK_0:14_=Wt2954.2Designtheof(4)fortheopen-looptransferassumingforthecontrolofheaterblockofFigurerepresentstheclosed-loopsystem.Td(s)isdesired,oristhetransferfunction,Q(s)heateroutputinthissimpleintroductorylinearsuchrootlocusarrivewhichmeetsstepresponserequirementssteady-stateerror,overshootinTableofcourse,proportionalcontrollerwithsufficientgainallOvershootimpossible,increasingsteady-stateandtime.sufficientspecificationsmaylargerheatoutputsheateriscapableofproducing.wasindeedcaseforresultspecificationbeItistothehowusefulsuchanarrivedat,beindetermining4.3SimulationModelGrosslimitationsdeterminedmodelthereareaofotheraspectsoftheclosed-loopsystemeffectsnotChiefinconversionofthetemperatureandofPWMcontrolheater.Bothofandtime-varyingandonlywaytostudythroughsimulation(orexperiment,ofFigure7awhichincorporatestheseeffects.A/Dconverterandsaturationmodeledstandardblocks.morerequirescustomS-functiontoit.Thisineffectsofbasicandhenceappropriately.theperiod,theerrorPWMintroduces.theperiodisdesirabletoavoidexcessiverelay“chatter,PWMisforandmodelallowsexplorationofitsoperationandwhichis4.4MicrocontrollerSimpleclosed-loopanddisplayoftheapplicationsof文档收集于互联网，如有不妥请联系删.

文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑欢下载支.microcontrollers,andprojectincorporatesallthree.Itisexcellentall-aroundexerciseinInprojectactualprototype,itwon’tdousesimpleevaluationtheI/Opinsjumperedthesystem.Instead,it’scompleteembeddedapplication.theofappropriatepartfromtherangeofferedintypicalmicrocontrollerfamilylearningtouseFinally,customprinted-circuitboardthemicrocontrollerperipheralsmustbefabricated.MicrocontrollerSelection.InexistingtheMotorolaofmicrocontrollerswasforproject.Still,doesmuch.Astudyofsystemistospecifymicrocontroller,outofscoresofvariants,isforjob.Thisisdifficultforlacktheandneededwellastheperseverancetowadethroughmanufacturers’bleminchoosingmethodsforinterfacingperipherals(e.g.,kindofdisplayshouldAstudyMotorolaapplicationnotes[2,veryhelpfulinunderstandingwhatbasicavailable,andwhatmicrocontroller/peripheralcombinationsshouldbeThefinallychosenonbasisavailableA/Dinputsandwellas24digitalI/Olines.Inoverkill,onlyonechannel,onePWMI/Oactuallyrequired(seeFigureThedecisiontoacompletechosenpartwasnecessary,projectdidnotasuchsystembepurchasedthefirstMicrocontrollerApplicationofhardware,offinaltestingcustomprinted-circuitformicrocontrollerallrequireenvironmentThechoiceofenvironment,likethatofmicrocontrollercanbewilderingandsomefacultyexpertise.threeofdevelopmentenvironmentfromaround$100)toemulators(atmorelike$7500).optionchosenthisproject:MMEVS,whichconsistsaplatform(whichall6805-family_anemulatortoparts),andacableheadadapter(package-specific).Overall,thesystemabout$900provides,withsomeItalsocomeswithsimplesufficientsoftwareenvironmentRAPIDfindtothisofsystembuttheexperiencetheygaininreal-worldmicrocontrollergreatlyexceedstypical文档收集于互联网，如有不妥请联系删.

文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑欢下载支.experienceusingsimplePrinted-Circuitlayoutofasimpledefinitelynotprinted-circuitboardispracticallearningpresentedbyfinalboardwithpackageoutlines,is(at50%inFigure8.relativesimplicityofthecircuitplacement—initgivesresultsautomaticinanliketheisexposedtofundamentalissuesoflayoutbasicrules.Thelayoutsoftwareusedwasnicepackagethewasfabricatedwithofourstafftechnician.5Theaimofthishastoaninterdisciplinary,undergraduateengineeringmicrocontroller-temperaturecontrolwithdigitalset-point/actualtemperaturedisplay.Adesignofasystemhasdescribed,ofdesignwhicharisefromvarietyof—beenoftheseissuesgenerallyacquiredinintroductorybutrealisticallyaccessibletoadvancestudents,especiallywiththeoffaculty.Desirablefeaturesofproblem,fromaviewpoint,theuseofmicrocontrollerwiththeopportunitytousefullyintroductorylevelmodelingofsystemsandofcontrols,andneedforrelativelysimple(formodelsimulationprediction).areoftechnologyrelatedaspectsofproblemincludingpracticalofresistiveheaterstemperaturesensors(requiringofPWMrespectively),useofdevelopmentsystems,printedcircuitAcknowledgementsTheauthorwouldlikework,dedication,shownbytheinvolvedthisproject:Langsdorf,Rall,PamRinehart,andIttheirproject,andcreditforitsbelongsReferences[1]M.Rall,D.andP.“Temperaturecontrolofamicroscopeslidedryer,in1997NationalonUndergraduate(Austin,TX),April1997.presentation.[2]Inc.,Phoenix,AZ,TemperatureDisplaytheandtheMC14489,文档收集于互联网，如有不妥请联系删.

文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑欢下载支.MotorolaAN431.[3]Inc.,Phoenix,AZ,HC05MCULEDDriveUsingMC68HC705J1A,MotorolaNoteAN1238.[4]Inc.,Phoenix,AZ,HC05MCUKeypadUsingMC68HC705J1A,MotorolaNoteAN1239.[5]Inc.,Phoenix,AZ,RAPIDIntegratedEnvironmentUser’s(RAPIDdevelopedbyP&Systems,单片机温度控制：一个跨学科的本科生工程设计项目JamesS.McDonald工程科学系三一大学德克萨斯州圣安东尼奥市78212摘要本文所描述的是作者领导由四个三一大学高年级学生组成的团队进行的一个跨学科工程项目的设计。该项目的目标是设计一个气室内温度控制系统。该系统的要求是：当实际气室的温度阶跃响应时，规定范围内的温度进入气室后，稳定时的温度误差和超调量必须少于一个绝对温度。本组学生开发设计是基于摩托罗拉MC68HC05系列单片机。该问题的教学价值也通过某些步骤的关键描述在本文说明。研究结果表明，解决该方案需要具有广泛的工程学科知识，包括相关电子、机械和控制系统工程的知识。1

引言该设计项目来自一个实际应用问题，一个关于显微镜载玻片干燥剂温控器——欧米茄CN-390温度控制器而这个设的目标是研发一个自定义的通用温度控制系统取代欧米茄系统、一个以更低的成本实现相同功能的自定义控制器，就像欧米茄系统一样，并不需要能够全方位的处理各种问题。该载玻片干燥机的机械布局如图1示。干燥机的主体是一个足够大的绝缘充气室，里面依次存放着薄纸包着的石蜡。为了使石蜡保持适当稳定性，载玻片气室的温度必须维持稳定。第二个气筒（电子围绕元件）设有一个电阻加热器、一个温度控制器以及一个安装在干燥机上的风扇，是为了把风吹过加热器，把热量带到载玻片气室。图1-1

载玻片干燥机的机械布局自1996-97学年来，本文作者带领四位三一大学工程科学系的高年级学生开展此项目的研究。本文的目的说明了提出一些问题并详细阐述学生的一些解决方案，而且讨论了这种类型的跨学科设计项目在教学方面应用的问题。这份学生报告曾经在1997年全国科毕业生研讨会上提出过并讨论过。第2节给出该设计的更多详细情况，包括性能规格。第文档收集于互联网，如有不妥请联系删.

文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑欢下载支.3节具体学生的设计。4节是论文的主体，讨论该设计在教学应用方面的实施问题。最后，第5节全文总结。2

问题阐述该项目基本的思想是设计一个自定义温度控制系统来取代相关的欧米茄CN-390温度控制器温度时通常保持在一个稳定的常数但重要的是阶跃变化可以“合理的跟踪。因此主要要求如下：·可以对空气室的温度进行设定，·同时显示设定值和实际温度，·以及在设定温度值情况下，可接受范围内的跟踪阶跃变化，稳态误差，超调量。设定温度接口设定温度显示室内温度显示范围精度准确度室内温度阶梯响应范围（稳定状态）精度（稳定状态）最大超调设定时间（到±1°）

60-991°C±1°C60-99±1°C1°C120s表1

精确的规格说明尽管表1部分说明并不明确，但是它清楚的反映了人们对数字显示器在设定值和实际温度的要求和温度应该通过数值输入来设定（而不是，通过电位器设置3.系统设计根据微控设计，数字温度显示和单点输入的要求可能是最合适的。图2为学生的设计框图。图2-2

温度控制器硬件结构图摩托罗拉（简称系统的核心。它通过一个简单的4键小键盘对温度进行设定，同时使用两个显示驱动控制7LED数码管来显示定值和气室温度的测量值。所有这些，输入和输出信号与6805的并行口相连。气室的温度值使用预校准热敏电阻测量，并通过数模转换输入。最后6085的脉冲宽度调制（PWM）输出用驱动一个继电器，以控制线性电阻加热器的闭合和断开。图3更详细的显示了6805的接口和电子器件。使用暴风型号四键键盘，通过PA0-PA3端口进行数据输入。其中一个重要的功能是进行模式切换。两种模式：固定模文档收集于互联网，如有不妥请联系删.

文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑欢下载支.式和运行模式。在固定模式下，其他两个键用于设定温度，一个增加，一个减少，第四个按键暂无作用。LED显示屏由哈里斯半导体ICM7212行驱动，通过端口与芯片相连，作为输出。热敏电阻由电压分频器驱动，通过针脚（八个模拟输入端口中的一个）相连。最后，PLMA针脚（两个PWM输出端口中的一个）驱动加热继电器。图2-3

单片机原理图图3单片机原理图是关于用软件实现温度控制算法、保持温度显示以及改变键盘输入响应，这将不会在本文详细讨论，因为这并不是本文的重点，也没有编译完成。软件部分还没有确定控制算法，但很可能是一个简单的比例控制，比算法简单。一些控制设计的问题将在第四节讨论。4

设计过程虽然该项目的本质是建立一个恒温器，但它有许多很好的契机可以供教学借鉴。高级工程本科教育的知识只是能够让学生们具有解决问题的能力。然而，很多情况下，实际情况却和理论有些不同。不过，这些不是问题，参与这个项目的设计，将获得很多设计方面的宝贵经验。本节的其余部分着眼于其他的几个方面：节讨论系统的一些特征，简系统热性能的数学模型，以及一些简单理论的证明。4.2节介绍确定实际控制算法4.3节指出控制设计程序的一些不足，并通过模拟环境，指出怎样克服问题。给出单片机的一些设计相关概述，以及出现问题和值得借鉴之处。4.1数学模型集总元件热系统符合线性控制，适用于载玻片干燥机的问题。图4显示了二阶集总元件热量模型的载玻片干燥机。状态变量是温度，是箱内空气的温度，Tb是箱子本身的温度。该系统输入功率等于q(t)的热量和环境温度T和。ma，mb分别对应空气和箱子的质量。CaCb则分别是其对应热量。分别是空气与箱子间以及箱子与外界间的传系数。图4-1

集总元件热模型由图4可以推出（线性）状态方程拉普拉斯变换(1)(2)等式，并整理Ta(s)有趣的是，可以推出一个开环的热系统方程。其中K是一个常数，D(s)是一个二阶的多项式。以及系数D(s)和在(1)和(2)等式中出现的系数功能相近。当然，在1)和(2)等式中各种参数在未知的情况下，不难证明D(s)与其他参数的值无关，具有两个零点。因此传递函数可以写成（我们假设环境温度为常数）此外,可以推出1/tp1<1/tz<1/tp2,，零点在两极之间。开环零极点如图所示。图4-2的极点为了获取完整的热模型从(3)式中除去常数和3个未知的时间常数四个未知参数并不少，但由简单的实验表明，1/tp1<<1/tz基本上是一阶函数，且文档收集于互联网，如有不妥请联系删.

文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑欢下载支.似为0。因此，开环系可以写成：(下标p1已经被去掉了)过初始温度和热量值大范围内的设置，简单的开环阶跃响应实验结果表明，K0.14o/W，τ≈295S。4.2

控制系统设计使用(4)式的一阶开环传递函数Gaq(s)，并且假定加热器的输出函数为线性，图6是系统框图代表闭环系统Td(s)是设定温度的函数是传递函数Q(s)是热量输出，单位是瓦特。图6简化的闭环系统框图鉴于这种简单情况，前面所指的线性控制设置，例如，根轨迹法设计法可以使C(s)中符合要求的阶跃响应对应的上升时间态误差和超调量符合表格1所示。当然，一个有足够增益的比例控制器就可以满足各种要求。超调量改变是不可能既增加增益又减少稳态误差和上升时间的。不幸的是，如果要获得足够增益，需要生产超过实际生产能力的大容量加热器。这是本系统的实际问题，将会致使上升时间不符合要求。这要求学生们如何利用这个经过仔细计算的简化模型，在整体性能上达到最佳控制。4.3

模型仿真该设计的大部分性能和限制功能，应该可以使用图简化模型来完成。但有一个数据对闭环系统其他方面的影响并非能够如此简单的仿真。其中最主要的是：·量化误差的模拟和数模转换，·测量温度和使用控制加热器。这两种都是非线性的、时变的。所以唯一切实可行的方法就是通过仿真（或实验）加以研究。图真闭环系统框图显示了情况下的闭环系统框图，其中包括A/D转换和使用标准Simulink量化饱和块建立的饱和量化模型立PWM调制模型比复杂，需要一个自定义的S函数来表示。图4-3

仿真闭环系统框图这种仿真模型已经被证明在衡量不同的PWM基本参数对设计的影响以及适当参数的选择中特别有用时间越长，调制会产生更多温度误差。另一方面，时间越长，继电器抖动机率越小调制方法往往很难让学生掌握并且仿真模型允许研究测试运行和明显的影响。4.4单片机简单的闭环控制、键盘输入和显示控制是经典单片机应用技术，这个设计项目包含上述三个方面。因此这是一个优秀的全面的单片机应用练习。此外，由于该项目是来源于现实，它不会是一个简单的输入输出设计就能完成的。相反，这个项目需要制定一个完整的嵌入式应用。这需要从大量的单片机型号中选取适当的芯片并学着使用一个相当复杂的开发环境。最后，必须设计和选取印