電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計.docx

武漢華夏理工學(xué)院信息工程課程設(shè)計報告書課 程 名 稱計算機控制技術(shù)課程設(shè)計課程設(shè)計總評成績 學(xué)生姓名、學(xué) 號 學(xué) 生 專 業(yè) 班級 自動化1142 指 導(dǎo) 教 師 姓名 李文彥 課程設(shè)計起止日期 2017. 06.12-2016-6.23 課程設(shè)計基本要求課程設(shè)計是工科學(xué)生十分重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過課程設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用先修課程的理論知識和專業(yè)技能，解決工程領(lǐng)域某一方面實際問題的能力。課程設(shè)計報告是科學(xué)論文寫作的基礎(chǔ)，不僅可以培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的邏輯歸納能力、綜合分析能力和文字表達能力，也是規(guī)范課程設(shè)計教學(xué)要求、反映課程設(shè)計教學(xué)水平的重要依據(jù)。為了加強課程設(shè)計教學(xué)管理，提高課程設(shè)計教學(xué)質(zhì)量，特擬定如下基本要求。1. 課程設(shè)計教學(xué)一般可分為設(shè)計項目的選題、項目設(shè)計方案論證、項目設(shè)計結(jié)果分析、答辯等4個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都應(yīng)有一定的考核要求和考核成績。2. 課程設(shè)計項目的選題要符合本課程設(shè)計教學(xué)大綱的要求，該項目應(yīng)能突出學(xué)生實踐能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；該項目有一定的實用性，且學(xué)生通過努力在規(guī)定的時間內(nèi)是可以完成的。課程設(shè)計項目名稱、目的及技術(shù)要求記錄于課程設(shè)計報告書一、二項中，課程設(shè)計項目的選題考核成績占10%左右。3. 項目設(shè)計方案論證主要包括可行性設(shè)計方案論證、從可行性方案中確定最佳方案，實施最佳方案的軟件程序、硬件電路原理圖和PCB圖。項目設(shè)計方案論證內(nèi)容記錄于課程設(shè)計報告書第三項中，項目設(shè)計方案論證主要考核設(shè)計方案的正確性、可行性和創(chuàng)新性，考核成績占30%左右。4. 項目設(shè)計結(jié)果分析主要包括項目設(shè)計與制作結(jié)果的工藝水平，項目測試性能指標(biāo)的正確性和完整性，項目測試中出現(xiàn)故障或錯誤原因的分析和處理方法。項目設(shè)計結(jié)果分析記錄于課程設(shè)計報告書第四項中，考核成績占25%左右。5. 學(xué)生在課程設(shè)計過程中應(yīng)認真閱讀與本課程設(shè)計項目相關(guān)的文獻，培養(yǎng)自己的閱讀興趣和習(xí)慣，借以啟發(fā)自己的思維，提高綜合分和理解能力。文獻閱讀摘要記錄于課程設(shè)計報告書第五項中，考核成績占10%左右。6. 答辯是課程設(shè)計中十分重要的環(huán)節(jié)，由課程設(shè)計指導(dǎo)教師向答辯學(xué)生提出23個問題，通過答辯可進一步了解學(xué)生對課程設(shè)計中理論知識和實際技能掌握的程度，以及對問題的理解、分析和判斷能力。答辯考核成績占25%左右。7.學(xué)生應(yīng)在課程設(shè)計周內(nèi)認真參加項目設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，按時完成課程設(shè)計報告書交給課程設(shè)計指導(dǎo)教師評閱。課程設(shè)計指導(dǎo)教師應(yīng)認真指導(dǎo)學(xué)生課程設(shè)計全過程，認真評閱學(xué)生的每一份課程設(shè)計報告，給出課程設(shè)計綜合評閱意見和每一個環(huán)節(jié)的評分成績（百分制），最后將百分制評分成績轉(zhuǎn)換為五級分制（優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格）總評成績。8. 課程設(shè)計報告書是實踐教學(xué)水平評估的重要資料，應(yīng)按課程、班級集成存檔交實驗室統(tǒng)一管理。課程設(shè)計任務(wù)書（八）學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 自動化1142 指導(dǎo)教師： 李文彥 工作單位： 信息工程系 題 目: 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計（一）初始條件：1、設(shè)計一個單片機電阻爐溫度控制系統(tǒng)，控制對象為電阻加熱爐功率為8KW，220V交流電源供電，利用大功率可控硅控制器控制熱阻絲兩端所加的電壓大小，來改變流經(jīng)熱阻絲的電流，從而改變電爐爐內(nèi)的溫度。溫度范圍50-350，控制精度為1，通過LED 顯示溫度，其對象溫控數(shù)學(xué)模型為： 其中Td350秒， Kd50，=10秒。要求完成的主要任務(wù): 1、硬件設(shè)計：設(shè)計系統(tǒng)總體電路，設(shè)計輸入通道及輸出通道，分析的工作原理；2、軟件設(shè)計：設(shè)計系統(tǒng)的總體程序程圖，編寫PID算法程序，從鍵盤接受Kp、Ti、Td、T；編寫顯示程序； 3、采用PID算法，通過數(shù)據(jù)分析Kp改變時對系統(tǒng)超調(diào)量的影響；在MATLAB/SIMULINK上對控制算法進行仿真；4、仿真并調(diào)試設(shè)計的部分硬件電路和軟件程序； 5、完成符合要求的課程設(shè)計說明書；6、課程設(shè)計說明書要求：引言、設(shè)計要求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、原理分析、各個模塊的設(shè)計與仿真、軟件設(shè)計、調(diào)試過程、收獲、體會及總結(jié)、參考文獻、電路圖和源程序。說明書使用A4打印紙計算機打印或手寫，用Protel等繪圖軟件繪制電子線路圖紙。時間安排：第12天 下達課程設(shè)計任務(wù)書和日程安排，根據(jù)任務(wù)書查找資料；第3-4天 完成方案論證比較，設(shè)計系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)； 第45天 詳細設(shè)計系統(tǒng)的各部分的硬件電路； 第67天 詳細總體軟件及各部分的程序流程，完成程序的編寫第78天 仿真并調(diào)試設(shè)計的部分硬件電路和軟件程序；第910天 結(jié)果分析整理、撰寫課程設(shè)計報告，驗收和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日一、課程設(shè)計項目名稱電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計（一）二、項目設(shè)計目的及技術(shù)要求1、硬件設(shè)計：用51單片機設(shè)計系統(tǒng)總體電路，設(shè)計輸入通道及輸出通道，分析的工作原理；2、軟件設(shè)計：設(shè)計系統(tǒng)的總體程序程圖，編寫積分分離PID算法程序，從鍵盤接受Kp、Ti、Td、T及的值；編寫顯示程序； 3、采用PID算法，通過數(shù)據(jù)分析Kp改變時對系統(tǒng)超調(diào)量的影響；在MATLAB/SIMULINK上對控制算法進行仿真；4、仿真并調(diào)試設(shè)計的部分硬件電路和軟件程序； 5、完成符合要求的課程設(shè)計說明書；6、課程設(shè)計說明書要求：引言、設(shè)計要求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、原理分析、各個模塊的設(shè)計與仿真、軟件設(shè)計、調(diào)試過程、收獲、體會及總結(jié)、參考文獻、電路圖和源程序。說明書使用A4打印紙計算機打印或手寫，用Protues等繪圖軟件繪制電子線路圖紙。三、項目設(shè)計方案論證3.1方案論證比較3.1.1.硬件選擇微型計算機是指由微處理器加上采用大規(guī)模集成電路制成的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，以及輸入輸出設(shè)備相連接的I/O接口電路，微型計算機簡稱MC。如果將微處理器、存儲器和輸入/輸出接口電路集成在一塊集成電路芯版上，稱為單片微型計算機，簡稱單片機。本次設(shè)計選用的是AT89C51，是MCS-51單片機系列的一種。其結(jié)構(gòu)體系完整、指令系統(tǒng)功能完善、內(nèi)部寄存器規(guī)范、性能優(yōu)越、技術(shù)成熟、具有高可靠性和高性價比。它提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。3.1.2.算法選擇由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值來計算控制量。因此，在計算機控制系統(tǒng)中，必須首先對式（3-1）進行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時積分項和微分項可用求和及增量式表達。對溫度的控制算法，采用技術(shù)成熟的PID算法，對于時間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來說，其近似于連續(xù)變化，因此用數(shù)字PID完全可以得到比較好的控制效果。簡單的比例調(diào)節(jié)器能夠反應(yīng)很快，但不能完全消除靜差，控制不精確，為了消除比例調(diào)節(jié)器中殘存的靜差，在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)器，積分器的輸出值大小取決于對誤差的累積結(jié)果，在誤差不變的情況下，積分器還在輸出直到誤差為零，因此加入積分調(diào)節(jié)器相當(dāng)于能自動調(diào)節(jié)控制常量，消除靜差，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。積分器雖然能消除靜差，但使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢。進一步改進調(diào)節(jié)器的方法是通過檢測信號的變化率來預(yù)報誤差，并對誤差的變化作出響應(yīng)，于是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再加上微分調(diào)節(jié)器，組成比例、積分、微分(PID)調(diào)節(jié)器，微分調(diào)節(jié)器的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，同時加快了系統(tǒng)的穩(wěn)定速度，縮短調(diào)整時間，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能，其控制規(guī)律為：(3-2)單片機是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的誤差值計算控制變量，不能直接計算公式中的積分項和微分項，采用數(shù)值計算法逼近后，PID的調(diào)節(jié)規(guī)律可以通過數(shù)值公式(3-3)計算，如果采樣取得足夠小，這種逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)過程十分接近。我們變換上式(3-3)得：(3-4)把ei = ei - ei-1,2 ei=ei -ei-1帶人上式（3-4）得：(3-5)式中ei=WYi，W為設(shè)定值，Yi為第i次實際輸出值，Kp為比例系數(shù)，積分系數(shù)I=T/Ti，微分系數(shù)D=Td/T，T為采樣周期，以(3-5)式來編程比較方便。用PID控制算法實現(xiàn)溫度控制是這樣一個反饋過程：比較實際溫度和設(shè)定爐溫得到偏差，通過對偏差的處理獲得控制信號，再去調(diào)節(jié)電加熱爐的加熱功率，從而實現(xiàn)對爐溫的控制，由于電阻爐一般都是下一階段對象和帶純滯后的一階對象，所以式中Kp、Kd和Ki的選擇取決于電阻爐的響應(yīng)特性和實際經(jīng)驗。本程序先將用戶設(shè)定溫度和鍋爐實際溫度T比較，計算出偏差ei，然后分兩種情況進行計算控制變量：1ei大于等于設(shè)定的偏差e時，由于積分控制器使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，不采用積分控制器調(diào)節(jié)，直接使用PD調(diào)節(jié)，獲得比較快的動態(tài)響應(yīng)，計算Pd和Pp，最終得到控制量獲得比較快的動態(tài)響應(yīng)。2ei小于設(shè)定的設(shè)定的偏差e時，正常的分別計算Pi、Pd和Pp，然后根據(jù)算法公式計算出控制變量。3.2總體方案設(shè)計與原理分析由于溫度控制系統(tǒng)的控制對象具有慣性大，連續(xù)性的特點。因而可以歸于具有純滯后的一階大慣性環(huán)節(jié)。一般來說，熱過程大多具有較大的滯后，它對任何信號的響應(yīng)都會推遲一段時間，使輸出與輸入之間產(chǎn)生相移。對于這樣一些存在大的滯后特性的過渡過程控制，一般來說可以采用以下幾種控制方案：3.2.1輸出開關(guān)量控制對于慣性較大的過程可以簡單地采用輸出開關(guān)量控制的方法。這種方法通過比較給定值與被控參數(shù)的偏差來控制輸出的狀態(tài)：開關(guān)或者通斷，因此控制過程十分簡單，也容易實現(xiàn)。但由于輸出控制量只有兩種狀態(tài)，使被控參數(shù)在兩個方向上變化的速率均為最大，因此容易引起反饋回路產(chǎn)生振蕩，對自動控制系統(tǒng)會產(chǎn)生十分不利的影響，甚至?xí)驗檩敵鲩_關(guān)的頻繁動作而不能滿足系統(tǒng)對控制精度的要求。因此，這種控制方案一般在大慣性系統(tǒng)對控制精度和動態(tài)特性要求不高的情況下采用。3.2.2比例控制（P控制）比例控制的特點是控制器的輸出與偏差成比例，輸出量的大小與偏差之間有對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)負荷變化時，抗干擾能力強，過渡時間短，但過程始終存在余差。因此它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、允許被控量在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)。使用時還應(yīng)注意經(jīng)過一段時間后需將累積誤差消除。3.2.3比例積分控制（PI控制）由于比例積分控制的特點是控制器的輸出與偏差的積分成比例，積分的作用使得過渡過程結(jié)束時無余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。雖然加大比例度可以使穩(wěn)定性提高，但又使過渡時間加長。因此，PI控制適用于滯后較小、負荷變化不大、被控量不允許有余差的控制系統(tǒng)，它是工程上使用最多、應(yīng)用最廣的一種控制方法。3.2.4比例積分加微分控制（PID控制）比例積分加微分控制的特點是微分的作用使控制器的輸出與偏差變化的速度成正比例,它對克服對象的容量滯后有顯著的效果。在比例基礎(chǔ)上加上微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消除余差。因此，PID控制適用于負荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求又很高的控制系統(tǒng)。結(jié)合本例題設(shè)計任務(wù)與要求，由于溫度系統(tǒng)的傳遞函數(shù)事先難以精確獲得，因而很難判斷哪一種控制方法能夠滿足系統(tǒng)對控制品質(zhì)的要求。但從以上對控制方法的分析來看，PID控制方法最適合本例采用。另一方面，由于可以采用單片機實現(xiàn)控制過程，無論采用上述哪一種控制方法都不會增加系統(tǒng)硬件成本，而只需對軟件作相應(yīng)改變即可實現(xiàn)不同的控制方案。因此本系統(tǒng)可以采用PID的控制方式，以最大限度地滿足系統(tǒng)對諸如控制精度、調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。3.3 硬件電路設(shè)計與分析3.3.1.系統(tǒng)概況本系統(tǒng)是采用以AT89C51單片機為核心的溫度控制系統(tǒng)，通過溫度傳感器采樣實時溫度，并通過變送器將溫度最終轉(zhuǎn)換為電壓信號通過A/D轉(zhuǎn)換器0808將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入單片機與給定值進行比較，通過運用PID算法得出控制結(jié)果，送顯示并進行控制?？傮w設(shè)計方案見如圖4-1所示。測量變送看門狗圖3-1 系統(tǒng)設(shè)計方案圖3.3.2.功能模塊1、單片機控制模塊A/T89C51是整個系統(tǒng)的控制核心，將采集來的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進行比較，利用PID算法得出結(jié)果并送輸出。整個控制系統(tǒng)的程序就下載到單片機中去。A/T89C51仿真圖如圖3-2所示。圖3-2 單片機仿真2、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與采集模塊A/D0808AD0808是CMOS的8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用逐次逼近原理進行A/D轉(zhuǎn)換，芯片內(nèi)有模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換兩大部分，可對8路05V的輸入模擬電壓信號分時進行轉(zhuǎn)換。模擬多路開關(guān)由8路模擬開關(guān)和3位地址鎖存譯碼器組成，可選通8路模擬輸入中的任何一路，地址鎖存信號ALE將3位地址信號ADDA、ADDB、ADDC進行鎖存，然后由譯碼電路選通其中的一路，被選中的通道進行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換部分包括比較器、逐次逼近寄存器（SAR）、256R電阻網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、控制與時序電路等。另外ADC0809輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到CPU數(shù)據(jù)總線上。實時溫度經(jīng)過傳感器的檢測并通過變送器將其轉(zhuǎn)換成模擬的電壓信號，而A/D0808則用來采集電壓信號并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲在單片機中，以便后續(xù)對數(shù)據(jù)的處理。其硬件仿真圖如圖3-3所示。圖3-3 A/D0808仿真圖3、按鍵選擇模塊系統(tǒng)采用了兩個按鍵用來進行溫度的設(shè)定，一個進行溫度加，一個進行溫度減。每按下一次，溫度就相應(yīng)的加一或減一。按照設(shè)計要求，溫度的設(shè)定范圍為50-150度，其仿真如圖3-4所示。圖3-4 按鍵示意圖4、顯示模塊顯示模塊采用兩個7段共陰極數(shù)碼管，一個用來顯示實時溫度，一個用來顯示設(shè)定溫度。并用74LS04來驅(qū)動數(shù)碼管。其仿真圖如圖3-5所示。圖3-5 顯示示意圖5、報警模塊當(dāng)實時溫度高于或低于設(shè)定溫度5度以上時，系統(tǒng)就會報警，報警指示燈紅燈亮。如圖3-6所示。圖3-6 報警示意圖6 、輸出模塊經(jīng)過數(shù)據(jù)的運算，單片機通過P3.4口的高低電平來控制加熱系統(tǒng)的通斷，通過導(dǎo)通時間的長短來控制加熱的強度，以達到精確控制的效果。當(dāng)溫度在設(shè)定溫度的正負5度之內(nèi)時，系統(tǒng)進行PID運算控制；當(dāng)高于設(shè)定溫度5度時，停止加熱；當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定溫度5度時，全功率加熱。由于仿真軟件自身條件的原因，使用綠色的LED燈代替，當(dāng)綠燈亮?xí)r，表示正在加熱，不亮?xí)r，停止加熱。仿真圖如3-7所示。圖3-7 加熱示意圖3.3.3.系統(tǒng)的整體設(shè)計系統(tǒng)的整體設(shè)計圖如圖3-8所示。圖3-8 系統(tǒng)設(shè)計方案圖其中：1單片機采用的是MCS-51系列的89C51，其集成了中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、程序存儲器ROM或EPROM、定時器/計數(shù)器、中斷控制器及串型和并行I/O接口等部件。單片機主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，用來實現(xiàn)對信號的檢測、數(shù)據(jù)的采集以及對應(yīng)用對象的控制。它具有體積小、重量輕、價格低、可靠性高、耗電少和靈活機動等許多優(yōu)點。單片機是微型計算機的一個重要分支，特別適合用于智能控制系統(tǒng)。2實時的溫度測量由于條件的限制直接用模擬電壓來代替?zhèn)鞲衅骷白兯推?，?808來采樣和轉(zhuǎn)換溫度。3.3.4.元器件清單系統(tǒng)所需的元器件清單如表4-1所示。表3-1系統(tǒng)配置清單表序號部件名稱所屬類數(shù)量1AT89C51Microprocessor ICs12A/D0808Data Converters137SEG-MPX4-CCOptoelectronics24BUTTONSwitches&Relays35LED-GREENOptoelectronics16LED-REDOptoelectronics1774LS373TTL 74LS series18RESPACK-8Resistors1974LS04TTL 74LS series810NOTSimulator Primitives111NORSimulator Primitives212POT-HGResistors113電容Capacitors214CLOCKSimulator Primitives215CRYSTALMiscellaneous116電阻Resistors117INPUT終端418GROUND終端719VSOURCESimulator Primitives13.3.5.小結(jié)系統(tǒng)硬件是設(shè)計的基礎(chǔ)，在設(shè)計軟件程序之前，要對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有個深入的了解，本章詳細介紹了整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和各模塊的選型，介紹了系統(tǒng)的概況，使讀者對總體的設(shè)計有個大致了解。3.4 軟件設(shè)計3.4.1.Protues7軟件概況PROTUES是一種基于標(biāo)準(zhǔn)仿真殷勤SOICE3F5的混合電路仿真工具，既可以仿真模擬電路，又可以仿真數(shù)字電路以及數(shù)字、模擬混合電路，其最大特色在于能夠仿真基于控制器的系統(tǒng)。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學(xué)的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯。其程序界面如圖3-9所示。圖3-9 Protues7工作界面PROTUES軟件的功能特點介紹如下：1原理布圖 2PCB自動或人工布線 3SPICE電路仿真 革命性的特點： 1互動的電路仿真。用戶甚至可以實時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 2仿真處理器及其外圍電路?？梢苑抡?1系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Protues建立了完備的電子設(shè)計開發(fā)環(huán)境。同時它還具有4大功能模塊：智能原理圖設(shè)計（ISIS），完善的電路仿真功能（Prospice），獨特的單片機協(xié)同仿真功能（VSM），實用的PCB設(shè)計平臺。Protues提供了豐富的資源：1Protues可提供的仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件，有30多個元件庫。 2Protues可提供的仿真儀表資源 ：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器、信號發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意的調(diào)用。3除了現(xiàn)實存在的儀器外，Protues還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波器相似，但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo)，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了儀器對測量結(jié)果的影響。4Protues可提供的調(diào)試手段 Protues提供了比較豐富的測試信用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。3.4.2.軟件流程圖溫度控制系統(tǒng)的軟件流程圖，系統(tǒng)開始工作時會檢測爐溫，一般情況下此時爐溫比給定值低，于是電爐開始全速加熱。于此同時，系統(tǒng)會按照預(yù)定的采樣周期進行采樣，當(dāng)檢測爐溫在上限溫度和下限溫度之間，那么開始進行PID控制，并繼續(xù)按照預(yù)定的采樣周期進行采樣，直至溫度穩(wěn)定為給定值。4、 項目設(shè)計結(jié)果分析5、 4.1調(diào)試記錄及結(jié)果分析4.1.1. 仿真程序及圖形在打開Matlab中的Simulink之后，開始繪制系統(tǒng)仿真圖形，如圖4.1所示，該圖中對積分和微分先進行處理，使得的到當(dāng)為等幅震蕩時的kc值，然后通過Z-N法則的第二法，加入為微分和積分之后，采用PID控制。改變Kp的值，既可以的得到不同的結(jié)果，從而可以分析出Kp的改變對系統(tǒng)超調(diào)量造成的影響。圖4.1系統(tǒng)仿真圖4.1.2仿真結(jié)果及分析由圖可以得到Kc=1.13，Tc=40，TI=0，TD=0，時出現(xiàn)的等幅震蕩曲線圖Kp=0.678 Ki=0.05 Kd=5當(dāng)Kp=0.7時，曲線圖如下所示：當(dāng)Kp=0.8時曲線如上圖所示當(dāng)Kp=1時，曲線如上圖所示當(dāng)Kp=1.1時如上圖所示從上述結(jié)果圖中可以看出，但當(dāng)Kp增大到一定程度時，將會導(dǎo)致系統(tǒng)的超調(diào)量增加，穩(wěn)定性變差，并且使得系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩。從上面曲線圖中可以明顯看出當(dāng)Kp為1時，系統(tǒng)開始出現(xiàn)震蕩，在Kp大于1時，出現(xiàn)劇烈震蕩，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。4.2.結(jié)論本實驗通過PID算法調(diào)節(jié)，設(shè)計并比較實際溫度與設(shè)定溫度，最終達到實際溫度與設(shè)定溫度的誤差穩(wěn)定在一定范圍。在這次課設(shè)的實驗過程中我遇到了諸多問題，算的上是困難重重，也讓我在實驗過程中了解了自己的不足之處，讓我了解了自己對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。通過這次實驗，我不僅鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。這次課程設(shè)計使我了解了微型計算機控制技術(shù)課程設(shè)計的真正用意是培養(yǎng)我們的自學(xué)能力，養(yǎng)成編寫程序的好習(xí)慣，懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為實際所用，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。五、參考文摘1于海生微型計算機控制技術(shù)M.清華大學(xué)出版社，2007計算機控制系統(tǒng)概述、線性離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述和分析方法、計算機控制系統(tǒng)的多種控制算法、過程輸入輸出通道、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、控制軟件設(shè)計、控制系統(tǒng)的計算機仿真以及計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與工程實現(xiàn)等內(nèi)容。本書注重了先進性、系統(tǒng)性和實用性。增加了內(nèi)?？刂?、模型預(yù)測控制等先進控制內(nèi)容；加強了網(wǎng)絡(luò)控制的內(nèi)容；每章附有大量的實例，并增加大量MATLAB仿真等實踐內(nèi)容，以利于學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和鍛煉。2于海生單片微機原理與接口技術(shù).冶金工業(yè)出版社，2003主要內(nèi)容包括嵌入式開發(fā)技術(shù)。單片機的內(nèi)部指令、指令系統(tǒng)、內(nèi)部功能部件的工作原理、應(yīng)用編程及外部擴展技術(shù)。介紹mcs-51系列及增強型單片機的硬件編程結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計、中斷系統(tǒng)、存儲器配置，以及mcs-96系列單片機硬件、軟件、pts、epa和人-機聯(lián)系設(shè)備，新產(chǎn)品80c196kc的應(yīng)用結(jié)構(gòu)。3鄭榮煥Proteus電子電路設(shè)計及仿真.電子工業(yè)出版社，2014Protues VSM組合了混合模式SPICE電路仿真、處理器模型、動態(tài)元器件庫、虛擬儀器、處理器軟仿真器、第三方編譯器和調(diào)試器等組件，第一次使得在物理原型構(gòu)建出來之前，在計算器上完成從原理圖設(shè)計、電子測試仿真、處理器代碼調(diào)試聯(lián)系電路實時仿真設(shè)計、功能驗證、出版成品成為可能。使用Pouteus能夠幫助電子電路開發(fā)人員涉及更多知識，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。4鄒伯敏自動控制理論.機械工業(yè)出版社，2007超前、滯后、和滯后-超前3種對系統(tǒng)的校正方法，這些方法是基于校正裝置的輸出與其輸入信號間相位的超前、滯后來區(qū)分的，并利用這些特性對不同的系統(tǒng)進行動態(tài)校正。這些校正裝置所起的作用等價于時域中的比例-微分（PD）、比例-積分（PI）或它們的組合（PID）。PID控制器有著使用靈活，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，性能穩(wěn)定等優(yōu)點，且已有定型的工業(yè)產(chǎn)品溫室，因此它在控制工程中被廣泛應(yīng)用。5吳勤勤控制儀表及裝置.化學(xué)工業(yè)出版社，2012本書以電子技術(shù)、微機原理、控制工程和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)的闡述儀表與裝置的結(jié)構(gòu)、特點、功能和應(yīng)用。本書全分為兩篇：第一篇為模擬式控制儀表及裝置，主要介紹模擬式控制器、變送器和轉(zhuǎn)換器、運算器和執(zhí)行器；第二篇為數(shù)字式控制儀器及裝置，主要介紹可編程調(diào)節(jié)器、可編程控制器、智能變送器和閥門定位器、集散控制器系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。六 附錄6.1軟件程序ORG 0000HAJMP MAINORG 001BHAJMP CT1ORG 0200HA1 EQU 50HMAIN: CLR A MOV 2AH,A MOV 2CH,AMOV 2DH,A MOV 2EH,A MOV A1,#50LOOP: ACALL SAMP ACALL FILTER ACALL TRASTACALL TESTKEY ACALL DISPLAY MOV A,50HADD A,#5MOV 52H,A SUBB A,#10 MOV 53H,A MOV A,51H CJNE A,52H,TPL CLR P3.4 CLR P3.2 AJMP LOOPTPL: JNC TPL1 CJNE A,53H,MTPL SETB P3.4 CLR P3.2 AJMP LOOPMTPL: JNC HAT SETB P3.2 SETB P3.4 AJMP LOOPTPL1: SETB P3.2 CLR P3.4 AJMP LOOPHAT: CLR P3.2ACALL PID MOV A,2FH CPL A INC A SETB F0 MOV TMOD,#50H SETB P3.4 MOV TL1,A MOV TH1,#0FFH CLR PT1 SETB EA SETB TR1 SETB ET1LOOP1: ACALL TESTKEYACALL DISPLAY JB F0,LOOP1 AJMP LOOPCT1: CLR TR1CLR F0 CLR P3.4 RETI;采樣子程序;SAMP: MOV R1,#02CH MOV R0,#03MOV DPTR,#0FEFFHREAD: MOVX DPTR,AHERE: JB P3.3,HERE MOVX A,DPTRRLC A MOV 20H.0,CRLC AMOV 20H.1,CRLC A MOV 20H.2,C RLC A MOV 20H.3,CRLC A MOV 20H.4,CRLC A MOV 20H.5,CRLC AMOV 20H.6,CRLC AMOV 20H.7,CMOV A,20H MOV R1,A MOV P0,A INC R1DJNZ R0,READ RET;濾波子程序;FILTER: MOV A,2CH CJNE A,2DH,CMP1 AJMP CMP2CMP1: JNC CMP2XCH A,2DHXCH A,2CHCMP2: MOV A,2DHCJNE A,2EH,CMP3MOV 2AH,A RETCMP3: JC CMP4 MOV 2AH,ARETCMP4: MOV A,2EH CJNE A,2CH,CMP5 MOV 2AH,A RETCMP5: JC CMP6 XCH A,2CHCMP6: MOV 2AH,A RETTRAST: MOV A,2AH MOV B,#02H DIV AB ADD A,#25MOV 51H,A RETTRAST1: SUBB A,#25 MOV B,#02H MUL AB RET;按鍵選擇子程序;TESTKEY: JBP3.0,MAIN2_2ACALLDELAY10JBP3.0,MAIN2_2JNBP3.0,$ MOVA,#1 ADDA,A1 CLRC CJNEA,#150,MAIN2_1_1 MOVA,#150 AJMPMAIN2_1_3MAIN2_1_1:JCMAIN2_1_3MAIN2_1_2:CLRCMOVA,#150MAIN2_1_3:MOVA1,A; ;上面這一段是+1度按鍵,按下+1度;MAIN2_2:JBP3.1,MAIN2_3ACALLDELAY10JBP3.1,MAIN2_3JNBP3.1,$MOVA,A1CJNEA,#50,MAIN2_2_1AJMP MAIN2_2_3MAIN2_2_1:JCMAIN2_2_2CLR CMOVB,#1SUBB A,BAJMP MAIN2_2_3MAIN2_2_2:MOVA,#50MAIN2_2_3:MOV A1,A;MAIN2_3: ACALL TRAST1MOV 32H,AMOV 31H,B RET;顯示子程序;DISPLAY: MOV A,A1;將待顯示的數(shù)存在70H到75H中 MOVB,#100 DIV AB ;顯示子程序 MOV 73H,A ;百位在A MOVA,B;MOV B,#10 DIV AB MOV 72H,A ;十位在B MOV 71H,B ;個位在C MOV A,51H ;將的十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制 MOVB,#100 DIV AB ;顯示子程序 MOV 76H,A ;百位在A MOVA,B MOV B,#10 DIV AB MOV 75H,A ;十位在B MOV 74H,B ;個位在CDISP1: MOV R1,#70H ;指向顯示數(shù)據(jù)首址 MOV R5,#0FEH ;掃描控制字初值PLAY: MOV P1,#0FFH MOV A,R5 ;掃描字放入A MOV P2,A ;從P2口輸出 MOV A,R1 ;取顯示數(shù)據(jù)到A MOV DPTR,#TAB ;取段碼表地址 MOVC A,A+DPTR ;查顯示數(shù)據(jù)對應(yīng)段碼 MOV P1,A ;段碼放入P1口 MOV A,R5 LCALL D1MS ;顯示1MS INC R1 ;指向下一地址 MOV A,R5 ;掃描控制字放入A JNB ACC.6,ENDOUT ;ACC.5=0時一次顯示結(jié)束 RL A ;A中數(shù)據(jù)循環(huán)左移 MOV R5,A ;放回R5內(nèi) AJMP PLAY ;跳回PLAY循環(huán)ENDOUT: MOV P1,#0FFH ;一次顯示結(jié)束，P2口復(fù)位 MOV P2,#0FFH ;P3口復(fù)位 RET ;子程序返回TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH;共陽段碼表 0 1 234 56 789不亮“-”;延時子程序;D1MS: MOV R6,#14H ;1MS延時程序，LED顯示程序用DL1: MOV R7,#19HDL2: DJNZ R7,DL2DJNZ R6,DL1RETDELAY10: MOV R6,#20;10MS延時D3: MOVR5,#255DJNZR5,$DJNZR6,D3RETDELAY125: MOV R6,#255;125MS延時D1:MOVR5,#255DJNZR5,$DJNZR6,D1RETDELAY1S: MOV R7,#8 ;1S延時D2:LCALLDELAY125DJNZR7,D2RET;PID算法子程序;PID: MOV R5,31H MOV R4,32H MOV R3,2AH MOV R2,#00H ACALL CPL1ACALL DSUM MOV 39H,R7MOV 3AH,R6 MOV R5,35HMOV R4,36HMOV R0,#4AH ACALL MULT1 MOV R5,39HMOV R4,3AH MOV R3,3BH MOV R2,3CH ACALL CPL1ACALL DSUM MOV R5,33H MOV R4,34HMOV R0,#46H ACALL MULT1 MOV R5,49HMOV R4,48HMOV R3,4DHMOV R2,4CH ACALL DSUM MOV 4AH,R7 MOV 4BH,R6MOV R3,4AHMOV R2,4BH MOV R5,2FH MOV R4,30H ACALL DSUM MOV 2FH,R7MOV 30H,R6 MOV 3DH,3BH MOV 3EH,3CH MOV 3BH,39H MOV 3CH,3AH RET;雙字節(jié)加法程序; R5R4+R3R2=R7R6 ;DSUM: MOV A,R4ADD A,R2MOV