電子信息工程本科畢業(yè)設(shè)計論文

1、電子信息工程本科畢業(yè)設(shè)計論文 2007 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計資料基于單片機的釀酒槽的溫度檢測與控制學(xué) 院系 機電工程系 專 業(yè) 電子信息工程 學(xué) 生 姓 名 班 級電信0701指導(dǎo)教師姓名 周君芝 最終評定成績 湖北國土資源職業(yè)學(xué)院教務(wù)處二一年六月制 基于單片機的釀酒槽的溫度檢測與控制 摘要 課題針對溫度控制的特點及實現(xiàn)準(zhǔn)確溫度控制的意義設(shè)計了一種基于單片機的控制系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容包括硬件和軟件兩個局部硬件電路以AT89S52單片機為微處理器詳細(xì)設(shè)計了溫度信號采樣電路鍵盤及顯示電路溫度控制電路報警電路時鐘信號電路軟件局部主要對PID算法進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和編程PID參數(shù)整定采用的是歸一參數(shù)整定法本設(shè)計由鍵盤

2、電路輸入設(shè)定溫度信號給單片機溫度信號采集電路采集現(xiàn)場溫度信號給單片機單片機根據(jù)輸入與反應(yīng)信號的偏差進(jìn)行PID計算輸出控制信號給溫度控制電路實現(xiàn)降溫顯示電路實現(xiàn)現(xiàn)場溫度的實時監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)中溫度控制具有單向性時滯性大慣性和時變性的特征要實現(xiàn)溫度控制的快速性和準(zhǔn)確性對于提高產(chǎn)品質(zhì)量具有很重要的現(xiàn)實意義本課題針對溫度控制的特點及實現(xiàn)準(zhǔn)確溫度控制的意義設(shè)計了一種基于單片機的控制系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容包括硬件和軟件兩個局部硬件電路以AT89S52單片機為微處理器詳細(xì)設(shè)計了溫度信號采樣電路鍵盤及顯示電路溫度控制電路報警電路時鐘信號電路軟件局部主要對PID算法進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和編程PID參數(shù)整定采用的是歸一參數(shù)整定法本設(shè)

3、計由鍵盤電路輸入設(shè)定溫度信號給單片機溫度信號采集電路采集現(xiàn)場溫度信號給單片機單片機根據(jù)輸入與反應(yīng)信號的偏差進(jìn)行PID計算輸出控制信號給溫度控制電路實現(xiàn)降溫顯示電路實現(xiàn)現(xiàn)場溫度的實時監(jiān)控本系統(tǒng)PID參數(shù)整定在MATLAB軟件下SIMULINK環(huán)境中進(jìn)行了仿真通過穩(wěn)定邊界法整定得到參數(shù)最終系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差調(diào)節(jié)時間為30s無超調(diào)量各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求本系統(tǒng)實現(xiàn)簡單硬件要求不高且能對溫度進(jìn)行時實顯示具有控制過程的特殊性本設(shè)計提出了一種基于PID算法來實現(xiàn)恒溫控制的溫度控制系統(tǒng)主要是為了到達(dá)生產(chǎn)過程中對溫度控制速度快準(zhǔn)確性高等特點關(guān)鍵詞PID算法 溫度控制目錄ABSTRACT3第1章 緒論412 方案的

4、論證6com 方案一利用單片機實現(xiàn)釀酒槽的溫度控制系統(tǒng)613 設(shè)計方案8第2章 釀酒槽溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計1021 AT89S52單片機簡介1022 溫度傳感器1223 鍵盤和顯示電路13231 行列式鍵盤的接口13232行列式鍵盤的工作原理14233液晶顯示的接口14234液晶顯示的工作原理1424溫度控制電路1625語言報警電路17251 ISD2560工作模式17251 ISD2560的連接圖17第3章 釀酒槽溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計1831 PID調(diào)節(jié)器控制原理1832 位置式PID算法1933 數(shù)字PID參數(shù)的整定2034 PID計算程序2235系統(tǒng)相關(guān)軟件設(shè)計28com它部件的軟件設(shè)計

5、方案28com件設(shè)計框圖28com的設(shè)計29com 主程序的起始地址及初始化29com lcd1602的顯示控制29com DS18B20和lcd1602的子程序設(shè)計30com理子程序流程圖35com理子程序設(shè)計36第4章 釀酒槽溫度控制的系統(tǒng)調(diào)試384 系統(tǒng)調(diào)試3842系統(tǒng)的軟件調(diào)試3843系統(tǒng)的軟件與硬件調(diào)試的特點38第5章 釀酒槽溫度控制的設(shè)計總結(jié)405設(shè)計總結(jié)4051 工作總結(jié)4052 工作展望40致謝41參考文獻(xiàn)42ABSTRACTIndustrial production is a one-way temperature control delay the inertia and

6、time-varying characteristics To achieve the rapid temperature control and accuracy improving the quality of products is a very important practical significance The temperature control issues against the characteristics and achieve precise control of temperature Based on the design of a PID temperatu

7、re control system Design elements include hardware and software in two parts Hardware circuit to AT89S52 MCU for microprocessors for the detailed design of the microcontroller to provide electricity supply circuit Temperature signal sampling circuit keyboard and display circuits such as heating cont

8、rol circuit four circuit module Software major part of the PID algorithm is a mathematical modeling and programming PID tuning parameters are used to a fixed parameter The circuit design of the keyboard input from the set temperature signal to the microcontroller Temperature Signal Acquisition Circu

9、it collect temperature signal to the microcontroller According to SCM input and feedback signal the error for PID the output control signals to the heating control circuit Heating and achieve stop Show circuit scene of the real-time monitoring of temperature The system PID tuning parameters in MATLA

10、B software under SIMULINK environment for the conduct of the simulation By stabilizing the border will be the entire law and parameters the end system without steady-state error and adjust to the 30s no overshoot all targets were met design requirements The system is simple and hardware but also the

11、 real-time temperature with the particularity of the control process The design of a PID algorithm based on the temperature control to achieve the temperature control system the main aim is to achieve the production process for the temperature control speed high accuracy 第1章 緒論11 引言電加熱溫度控制具有升溫單向性大慣性

12、大滯后性和時變性的特點例如其升溫單向性是由于電加熱的升溫保溫主要是通過電阻加熱降溫那么通常是依靠自然冷卻當(dāng)溫度一旦超調(diào)就無法用控制手段使其降溫因而很難用數(shù)字方法建立精確的模型并確定參數(shù)應(yīng)用傳統(tǒng)的模擬電路控制方法由于電路復(fù)雜器件太多往往很難到達(dá)理想的控制效果由于無法用精確的數(shù)學(xué)方法來建立模型并確定參數(shù)本設(shè)計采用PID控制目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)準(zhǔn)同時控制理論的開展也經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等而自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)一個控制系統(tǒng)包括控制器傳感器變送器執(zhí)行機構(gòu)輸入輸出接口控制器的輸出

13、經(jīng)過輸出接口執(zhí)行機構(gòu)加在被控系統(tǒng)上控制系統(tǒng)的被控量經(jīng)過傳感器變送器通過輸入接口送到控制器不同的控制系統(tǒng)其傳感器變送器和執(zhí)行機構(gòu)都不一樣比方壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器而溫度控制系統(tǒng)要采用溫度傳感器目前PID控制及其控制器或智能PID控制器已經(jīng)很多產(chǎn)品已在工程實際中得到廣泛的應(yīng)用各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器其中PID調(diào)節(jié)器參數(shù)是自動調(diào)節(jié)是通過智能化調(diào)整或自校正自適應(yīng)算法來實現(xiàn)有利用PID調(diào)節(jié)控制實現(xiàn)壓力溫度流量液位的控制能實現(xiàn)PID控制功能的有PLC和一些PC機傳統(tǒng)的PID控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜需配合相應(yīng)的可控硅控制電路來完成功率的調(diào)控針對它具有器件多生產(chǎn)本錢高電路調(diào)試復(fù)雜的缺

14、點本恒溫自動控制系統(tǒng)的設(shè)計中應(yīng)用AT89S52的單片機進(jìn)行數(shù)字PID運算能充分發(fā)揮軟件系統(tǒng)的靈活性在必要時針對PID算法進(jìn)行修正使其更加完善固態(tài)繼電器的功率調(diào)節(jié)電路極大地簡化了執(zhí)行電路與單片機的接口也變得十分的方便同時只需要更換不同輸出功率的固態(tài)繼電器就可滿足不同功率加熱系統(tǒng)的需要由于設(shè)計的系統(tǒng)對溫度動靜態(tài)指標(biāo)要求要求不高允許有一定的溫度偏差和允許調(diào)節(jié)的時間較長時最流行控制方法還是繼電接觸器控制系統(tǒng)假設(shè)繼電接觸器控制系統(tǒng)PID控制器問世至今已有近70年歷史它以其簡單穩(wěn)定性好工作可靠調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一當(dāng)被控對象的和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時控制理論的其它技術(shù)難以采

15、用時系統(tǒng)控制器的和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定應(yīng)用PID控制技術(shù)最為和系統(tǒng)核心圖11 方案一的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖溫度采集電路以形式將現(xiàn)場溫度傳至單片機單片機結(jié)合現(xiàn)場溫度與用戶設(shè)定的目標(biāo)溫度按照已經(jīng)編程固化的控制算法計算出實時控制量以此控制量系統(tǒng)運行過程中的各種狀態(tài)參量均由圖13 方案三的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖13 設(shè)計方案 控制模塊的選擇數(shù)字比擬器與模擬控制器相比擬數(shù)字比擬器具有以下幾個優(yōu)點 1模擬調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)能力有限當(dāng)控制規(guī)律較為復(fù)雜時就難以甚至無法實現(xiàn)而數(shù)字控制器能實現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律的控制 2計算機具有分時控制能力可實現(xiàn)多回路控制 3數(shù)字控制器具有靈活性起控制規(guī)律可靈活多樣可用一臺計算機對不同的回路實

16、現(xiàn)不同的控制方式并且修改控制參數(shù)或控制方式一般只可改變控制程序即可使用起來簡單方便可改善調(diào)節(jié)品質(zhì)提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量 4采用計算機除實現(xiàn)PID數(shù)字控制外還能實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)采集數(shù)字顯示等其他功能綜合考慮本設(shè)計控制模塊采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)器對于方案一采用單片機實現(xiàn)恒溫控制雖然該方案本錢低可靠性高抗干擾性強但對于系統(tǒng)的動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能要求較高的場合是不適宜的而對于方案二采用PLC實現(xiàn)恒溫控制由于PLC本錢高且PLC是外圍系統(tǒng)配置復(fù)雜不利于我們的設(shè)計由于數(shù)字PID調(diào)節(jié)運算量大只要選擇適宜的參數(shù)對于溫度的控制精度往往能到達(dá)較好的效果為了使設(shè)計的本錢低抗干擾強系統(tǒng)動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能好的前提下設(shè)計方案的總體結(jié)

17、構(gòu)框圖如圖13所示通過單片機對偏差進(jìn)行PID運算輸出控制DA轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成08V電壓信號來控制可控硅觸發(fā)電路從而控制可控硅通斷率通過調(diào)節(jié)加熱功率即可到達(dá)控制溫度恒定的目的圖13 設(shè)計總體結(jié)構(gòu)框圖第2章 釀酒槽溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計考慮到盡量降低本錢和防止與復(fù)雜的電路此系統(tǒng)所用到的元器件均為常用的電子器件而主控器采用低功耗高性能片內(nèi)含8k byte可反復(fù)檫寫的Flash 只讀程序器CMOS8位單片機AT89S52溫度傳感器采用DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20采用控制端TTL電平即可實現(xiàn)對繼電器的開關(guān)使用時完全可以用 NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅(qū)動單片機所需要的5V工

18、作電源是通過220V交流電壓通過變壓整流穩(wěn)壓濾波得到實時控制的顯示器鍵盤通過單片機來完成鍵盤掃描與輸出動態(tài)顯示采用具有微功耗外圍接口簡單精度高工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點的ds12887實時時鐘芯片考慮到系統(tǒng)對傳輸速度的要求不高在PCA機上設(shè)定和實時顯示溫度系統(tǒng)配有RS232串行通訊端口下面對硬件電路作具體的設(shè)計21 AT89S52單片機簡介com AT89S52單片機資源簡介有1個專用的鍵盤顯示接口有1個全雙工異步串行通信接口有2個16位定時計數(shù)器這樣1個89S52承當(dāng)了3個專用接口芯片的工作不僅使本錢大大下降而且優(yōu)化了硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計給用戶帶來許多方便89S52有40個引腳有32個輸入端口IO有2

19、個讀寫口線可以反復(fù)插除所以可以降低本錢主要功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)32個雙向IO口3個16位可編程定時計數(shù)器中斷2個串行中斷2個外部中斷源2個讀寫中斷口線低功耗空閑和掉電模式8k可反復(fù)擦寫 1000次Flash ROM9256x8 bit內(nèi)部RAM時鐘頻率0-24MHz可編程UART串行通道共6個中斷源3級加密位軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能口8位雙向口線 口8位雙向口線口8位雙向口線 口8位雙向口線ALE 地址鎖存控制信號在系統(tǒng)擴展時ALE用于控制把口輸出的低8位地址送入鎖存器鎖存起來以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的分時傳送此外由于ALE是以六分之一晶振頻率的固定頻率輸出正脈沖因此可作為外部定時脈沖使用

20、 外部程序存儲器讀選通信號在讀外部ROM時 有效 低電平 以實現(xiàn)外部ROM單元的讀操作 訪問程序存儲趨控制信號但信號為低電平時對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器而當(dāng)信號為高電平時那么對ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始并可延續(xù)至外部程序存儲器RST 復(fù)位信號當(dāng)輸入的復(fù)位信號延續(xù)2個機器周期以上高電平時即為有效用以完成單片機的復(fù)位操作和 外接晶體引線端當(dāng)使用芯片內(nèi)部時鐘時此二引線端用語外接石英晶體和微調(diào)電容當(dāng)使用外部時鐘時用于接外部時鐘脈沖信號 地線 5V電源com AT89S52單片機時鐘和復(fù)位電路時鐘電路單片機內(nèi)部有一個高增益反向放大器輸入端為芯片引腳輸出端為引腳而在芯片外部和 之間跨接

21、晶體振蕩器和微調(diào)電容從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器晶體震蕩頻率高那么系統(tǒng)的時鐘頻率也高單片機運行速度也就快但反過來運行速度快對存儲器的速度要求就高對印制電路板的工藝要求也高所以這里使用震蕩頻率為6MHz的石英晶體震蕩電路產(chǎn)生的震蕩脈沖并不直接是使用而是經(jīng)分頻后再為系統(tǒng)所用震蕩脈沖經(jīng)過二分頻后才作為系統(tǒng)的時鐘信號在設(shè)計電路板時振蕩器和電容應(yīng)盡量靠近單片機以防止干擾需要注意的是電路板時振蕩器和電容應(yīng)盡量安裝得與單片機靠近以減小寄生電容的存在更好的保障振蕩器穩(wěn)定可靠的工作電路圖如圖22所示復(fù)位電路單片機的復(fù)位電路分上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式a上電復(fù)位 在加電之后通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的當(dāng)?shù)纳?/p>

22、升時間不超過1ms就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位即接通電源就完成了系統(tǒng)的初始化電路原理圖RST上的電壓必須保證在斯密特觸發(fā)器的閥值電壓以上足夠長時間滿足復(fù)位操作的要求 b 按鍵復(fù)位程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時為了擺脫困境也需按復(fù)位鍵以重新啟動RST引腳是復(fù)位信號的輸入端復(fù)位信號是高電平有效按鍵復(fù)位又分按鍵脈沖復(fù)位圖23和按鍵電平復(fù)位電平復(fù)位將復(fù)位端通過電阻與相連按鍵脈沖復(fù)位是利用RC分電路產(chǎn)生正脈沖來到達(dá)復(fù)位的 c 注意因為按鍵脈沖復(fù)位是利用RC微分電路產(chǎn)生正脈沖來到達(dá)復(fù)位的所以電平復(fù)位要將復(fù)位端通過電阻與相連如復(fù)位電路中RC的值選擇不當(dāng)使復(fù)位時間過長單片機將處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)故本設(shè)計采用

23、按鍵復(fù)位22 溫度傳感器溫度測量轉(zhuǎn)換局部是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源直接影響系統(tǒng)的可靠性傳統(tǒng)的溫度測量方法是溫度傳感器例如AD590將測量的溫度轉(zhuǎn)換成模擬電信號再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號單片機再對采集的數(shù)字信號進(jìn)行處理3這種模擬數(shù)字混合電路實現(xiàn)起來比擬復(fù)雜濾波消噪難度大系統(tǒng)穩(wěn)定性不高鑒于這些考慮本設(shè)計采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20DS18B20支持一線總線接口測量溫度的范圍為-55°C125°C現(xiàn)場溫度直接以一線總線的數(shù)字式傳輸大大的提高了系統(tǒng)的抗干擾性DS18B20為3引腳 DQ為數(shù)字信號輸入輸出端GND為電源地VDD為外接供電電源輸入端溫度采集電路模塊如圖24

24、所示DSB8B20的3腳接系統(tǒng)中單片機的P14口線用于將采集到的溫度送入單片機中處理2腳和3腳之間接一個47K上拉電阻即可完成溫度采集局部硬件電路DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四局部組成64位光刻ROM溫度傳感器非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL配置存放器S18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量以12位轉(zhuǎn)化為例用16位符號擴展的二進(jìn)制補碼讀數(shù)形式提供以00625LSB形式表達(dá)其中S為符號位Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0232221202-12-22-32-4MS ByteBit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSS26

25、2524這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)存儲在18B20的兩個8比特的RAM中二進(jìn)制中的前面5位是符號位如果測得的溫度大于0這5位為0只要將測到的數(shù)值乘于00625即可得到實際溫度如果溫度小于0這5位為1測到的數(shù)值需要取反加1再乘于00625即可得到實際溫度23 鍵盤和顯示電路鍵盤采用4×4的行列式鍵盤又叫矩陣式鍵盤用IO口線組成行列結(jié)構(gòu)按鍵設(shè)置在行列的交點上4×4的行列結(jié)構(gòu)可組成16個鍵的鍵盤因此在按鍵數(shù)量較多時可以節(jié)省IO口線231 行列式鍵盤的接口 行列式鍵盤的接口方法直接接口于單片機的IO口上如圖25所示圖25 行列式鍵盤與單片機連接 232行列式鍵盤的工作原理 鍵

26、盤設(shè)置在行列線的交點上行列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端行線通過上拉電阻接5V被拉在高電平狀態(tài) 對鍵盤的工作過程可分兩步第一步時CPU首先檢查鍵盤上是否歐鍵按下第二步是再識別是哪一個鍵按下 檢測鍵盤上有無鍵按下可采用查詢工作方式定時掃描工作方式和中斷三種工作方式 233液晶顯示的接口 液晶顯示的接口方法直接接口于單片機的IO口上如圖26所示圖25液晶顯示與單片機連接234液晶顯示的工作原理 顯示采用DMC1602A LCM采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳接口其中第1腳VSS為地電源第2教VDD接5V正電源第3腳V0為液晶顯示器比照度調(diào)整端接正電源時比照度最弱接地電源時比照度最高比照度過高時會產(chǎn)生鬼影使用時可以通過

27、一個10K的電位器調(diào)整比照度第4腳RS為存放器選擇高電平時選擇數(shù)據(jù)存放器低電平時選擇指令存放器第5腳RW為讀寫信號線高電平時進(jìn)行讀操作低電平時進(jìn)行寫操作當(dāng)RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址當(dāng)RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號當(dāng)RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)第6腳E端為始能端當(dāng)E端由高電平變成低電平時液晶模塊執(zhí)行命令第714腳D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線第516腳空腳1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令如表2所示表21 指令表指 令RSRWD7D6D5D4D3D2D1D0清顯示0000000001光標(biāo)返回000000001置輸入模式000000011DS顯示開關(guān)控

28、制0000001DCB光標(biāo)和字符移位000001SCRL置功能00000DLNF置字符發(fā)生存儲器地址00001字符發(fā)生存儲器地址AGG置數(shù)據(jù)存儲器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址ADD讀忙標(biāo)志或地址01BF計數(shù)器地址 AC 寫數(shù)到CGRAM或DDRAM10要寫的數(shù)從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)它的讀寫操作屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的指令1清顯示指令碼01H光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置指令2光標(biāo)復(fù)位光標(biāo)返回到地址00H指令3光標(biāo)和現(xiàn)實模式設(shè)置ID光標(biāo)移動方向高電平右移低電平左移 S屏幕上所有文字是否左移或右移高電平有效低電平那么無效指令4顯示開關(guān)控制D控制整體顯示的開與關(guān)高電平表

29、示開顯示低電平表示關(guān)顯示C控制光標(biāo)的開與關(guān)高電平表示有光標(biāo)低電平表示無光標(biāo) B控制光標(biāo)是否閃爍高電平閃爍低電平不閃爍指令5光標(biāo)或顯示以為SC高電平時移動顯示的文字低電平時移動光標(biāo)指令6功能設(shè)置命令 DL高電平時為4位總線低電平時為8位總線 N低電平時為單行顯示高電平雙行顯示 指令7字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置指令8DDRAM地址設(shè)置指令9讀忙信號和光標(biāo)地址 BF為忙標(biāo)志高電平表示忙此時模塊不能接受命令或者數(shù)據(jù)如果為低電平表示不忙指令10寫數(shù)據(jù)指令11讀數(shù)據(jù)24溫度控制電路在控制系統(tǒng)中通過測定溫度控制電磁閥進(jìn)行灑水降溫直動式電磁閥 原理通電時電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起閥門翻開斷電時電磁力

30、消失彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上閥門關(guān)閉特點在真空負(fù)壓零壓時能正常工作但通徑一般不超過25mm分布直動式電磁閥 原理 它是一種直動和先導(dǎo)式相結(jié)合的原理當(dāng)入口與出口沒有壓差時通電后電磁力直接把先導(dǎo)小閥和主閥關(guān)閉件依次向上提起閥門翻開當(dāng)入口與出口到達(dá)啟動壓差時通電后電磁力先導(dǎo)小閥主閥下腔壓力上升上腔壓力下降從而利用壓差把主閥向上推開斷電時先導(dǎo)閥利用彈簧力或介質(zhì)壓力推動關(guān)閉件向下移動使閥門關(guān)閉特點 在零壓差或真空高壓時亦能可靠動作但功率較大要求必須水平安裝先導(dǎo)式電磁閥 原理通電時電磁力把先導(dǎo)孔翻開上腔室壓力迅速下降在關(guān)閉件周圍形成上低下高的壓差流體壓力推動關(guān)閉件向上移動閥門翻開斷電時彈簧力把先導(dǎo)孔關(guān)閉入口

31、壓力通過旁通孔迅速腔室在關(guān)閥件周圍形成下低上高的壓差流體壓力推動關(guān)閉件向下移動關(guān)閉閥門特點 流體壓力范圍上限較高可任意安裝 需定制 但必須滿足流體壓差條件語音芯片在語音錄放系統(tǒng)中的實際應(yīng)用效果非常好而且編程也比擬簡單與其它一些數(shù)字語音芯片相比的突出特點是放音效果極佳能夠非常真實自然地再現(xiàn)語音音樂音調(diào)和效果聲另外使用該芯片也可自己設(shè)計電路實現(xiàn)錄音操作使用十分方便 由于內(nèi)置了假設(shè)干種操作模式因而可用最少的外圍器件實現(xiàn)最多的功能操作模式也由地址端控制當(dāng)最高兩位都為時其它地址端置高可選擇某個或某幾個特定模式因此操作模式和直接尋址相互排斥具體操作模式見表所列操作模式可由微控制器也可由硬件實現(xiàn)使用操作模式

32、要注意兩點所有操作最初都是從地址即存儲空間的起始端開始后續(xù)的操作根據(jù)選用的模式可從其它地址開始但是電路由錄轉(zhuǎn)放或由放轉(zhuǎn)錄模式除外或都執(zhí)行了掉電周期后地址計數(shù)器將復(fù)位為當(dāng)變低且最高兩地址位同為高時執(zhí)行操作模式這種操作模式將一直有效直到再次由高變低芯片重新鎖存當(dāng)前的地址模式端電平并執(zhí)行相應(yīng)的操作為止模 式功 能典 型 應(yīng) 用可組合使用的模式M0信息檢索快進(jìn)入信息M4M5M6M1刪除WOM在最后一條信息結(jié)束處放EOMM3M4M5M6M2未用保存NAM3循環(huán)從0地址連續(xù)放音M1M5M6M4連續(xù)尋址錄放連續(xù)的多段信息M0M1M5M5CE電平有效允許暫停M0M1M3M4M6按鍵模式簡化外圍電路M0M1M3

33、圖31 PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器一種它根據(jù)給定值rin t 與實際輸出值yout t 構(gòu)成控制偏差Error t rin t -yout t PID控制就是對偏差信號進(jìn)行比例積分微分運算后形成一種控制規(guī)律即控制器的輸出為 31或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式 32左中 kp比例系數(shù)Ti積分時間常數(shù)T d微分時間常數(shù)簡單說來PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下5比例環(huán)節(jié)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號error t 偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差比例控制 Gc s Kp 積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差提高系統(tǒng)的無差度積分作用的強盡弱取決于積分時間常數(shù)TiTi越大積分作用越弱反之那

34、么越強積分控制 Gc s KpT is微分環(huán)節(jié)反偏差信號的變化趨勢變化速率并能在偏差信號變得太大之前在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號從而加快系統(tǒng)的動作速度減少調(diào)節(jié)時間微分控制 Gc s KpT ds32 位置式PID算法 根本PID控制器的理想算式為 33 式中u t 控制器 也稱調(diào)節(jié)器 的輸出e t 控制器的輸入常常是設(shè)定值與被控量之差即e t r t -c t Kp控制器的比例放大系數(shù)Ti 控制器的積分時間Td控制器的微分時間設(shè)u k 為第k次采樣時刻控制器的輸出值可得離散的PID算式 34 式中 由于計算機的輸出u k 直接控制執(zhí)行機構(gòu)如閥門u k 的值與執(zhí)行機構(gòu)的位置如閥門開度一一對

35、應(yīng)所以通常稱式 2 為位置式PID控制算法位置式PID控制算法的缺點當(dāng)前采樣時刻的輸出與過去的各個狀態(tài)有關(guān)計算時要對e k 進(jìn)行累加運算量大而且控制器的輸出u k 對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置如果計算機出現(xiàn)故障u k 的大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化33 數(shù)字PID參數(shù)的整定 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)積分時間和微分時間的大小PID控制器參數(shù)整定的方法很多概括起來有兩大類一是理論計算整定法它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用還必須通過工程實際進(jìn)行調(diào)整和修改二是工程整

36、定方法它主要依賴工程經(jīng)驗直接在控制系統(tǒng)的試驗中進(jìn)行且方法簡單易于掌握在工程實際中被廣泛采用本設(shè)計采用PID歸一整定法把對控制臺三個參數(shù)KcTiTd轉(zhuǎn)換為一個參數(shù) 從而使問題明顯簡化以到達(dá)控制器的特性與被控過程的特性相匹配滿足某種反映控制系統(tǒng)質(zhì)量的性能指標(biāo)com 采樣周期選擇的原那么1根據(jù)香農(nóng)采樣定理系統(tǒng)采樣頻率的下限為fs 2f此時系統(tǒng)可真實地恢復(fù)到原來的連續(xù)信號 2從執(zhí)行機構(gòu)的特性要求來看有時需要輸出信號保持一定的寬度采樣周期必須大于這一時間3從控制系統(tǒng)的隨動和抗干擾的性能來看要求采樣周期短些 4從微機的工作量和每個調(diào)節(jié)回路的計算來看一般要求采樣周期大些 5從計算機的精度看過短的采樣周期是不

37、適宜的 6當(dāng)系統(tǒng)滯后占主導(dǎo)地位時應(yīng)使滯后時間為采樣周期的整數(shù)倍下表31列出了幾種常見的被測參數(shù)的采樣周期T的經(jīng)驗選擇數(shù)據(jù)可供設(shè)計時參考實際上生產(chǎn)過程千差萬別經(jīng)驗數(shù)據(jù)不一定就適宜可用試探法逐步調(diào)試確定表31 采樣周期的經(jīng)驗數(shù)據(jù)表10被測參數(shù)采用周期Ts備注流量1KpTiTd對系統(tǒng)的性能影響如表33所示表33 KpTi和Td對系統(tǒng)的影響影響KpTiTd穩(wěn)態(tài)性能可以減少靜差但不能消除消除靜差但不能太大配合比例控制可以減少靜差動態(tài)性能加快系統(tǒng)速度但會引起震蕩太小會不穩(wěn)定太大會影響性能太大和太小都會引起超調(diào)量大過渡時間長34 PID計算程序 PID調(diào)節(jié)規(guī)律的根本輸入輸出關(guān)系可用微分方程表示為 35式中為

38、調(diào)節(jié)器的輸入誤差信號且 36其中為給定值為被控變量 為調(diào)節(jié)器的輸出控制信號 為比例系數(shù)為積分時間常數(shù)微分時間常數(shù)計算機只能處理數(shù)字信號假設(shè)采樣周期為T第n次采樣的輸入誤差為且輸出為PID算法用的微分由差分代替積分由代替于是得到 37寫成遞推形式為 38其中 39 310 311 顯然PID計算只需要保存現(xiàn)時刻以及以前的兩個偏差量和初始化程序初值通過采樣并根據(jù)參數(shù)以及和計算 根據(jù)輸出控制增量可求出本次控制輸出為 312由于電阻爐一般是屬于一階對象和滯后的一階對象所以式中的選擇取決于電阻爐的階躍響應(yīng)曲線和實際經(jīng)驗工程上已經(jīng)積累了不少行之的參數(shù)整定方法本設(shè)計采用Ziegler-Nichols提出的

39、PID歸一調(diào)整法調(diào)整參數(shù)主要是為了減少在線整定參數(shù)的數(shù)目常常人為假定約束條件以減少獨立變量的個數(shù)令 313 314 315式中稱為臨界周期在單純比例作用下比例增益由小到大是系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩的比例增益這時的工作周期為臨界周期那么可以得到 316式中 02 1258 317從而可以調(diào)節(jié)的參數(shù)只有一個可設(shè)計一個調(diào)整子程序通過鍵盤輸入改變值改變運行參數(shù)使系統(tǒng)滿足要求下面對PID運算加以說明所有的數(shù)都變成定點純小數(shù)進(jìn)行處理算式中的各項有正有負(fù)以最高位作為符號位最高位為0表示為正數(shù)為1表示負(fù)數(shù)正負(fù)數(shù)都是補碼表示最后的計算以原碼輸出雙精度運算為了保證運算精度把單字節(jié)8位輸入采樣值和給定值都變成雙字節(jié)16位進(jìn)

40、行計算最后將運算結(jié)果取成高8位有效值輸出輸出控制量的限幅處理為了便于實現(xiàn)對晶閘管的通斷處理PID的輸出現(xiàn)在在0都是沒有意義的因在算法上對進(jìn)行限幅即 318PID的計算公式采用位置式算法計算公式為 319PID計算的程序流程圖圖32所指示而參數(shù)內(nèi)存分配表如表34所列表34 參數(shù)內(nèi)存分配表存儲單元符號說明存儲單元符號說明3FH高8位38H低8位30H低8位39H高8位31H給定值高8位3AH低8位32H給定值低8位3BH高8位33H高8位3CH低8位34H低8位3DH高8位35H高8位32EH低8位36H低8位3FH高8位37H高8位40H低8位圖32 PID計算程序的流程圖參照流程圖32編寫程序

41、程序如下 名稱 float PIDprocess1 功能 PID adjust 說明 調(diào)用 輸入 float xdata Yn float xdata Rn 返回值 deltaPn float PIDprocess1 int data E_0 float data deltaPndeltaPideltaPpdeltaPdPsumCopy E_0 SetTemperature1-CurrentTemperature1 if abs E_0 E deltaPp float Kp E_0-E_11 deltaPd float Kd E_0-2E_11E_21 if deltaPd dPd delta

42、Pd 0 deltaPn deltaPpdeltaPd else if abs E_0 E0 deltaPi float KiE_0 E-abs E_0 E-E0 else 小誤差時的處理 deltaPi float KiE_0 if fabs deltaPi dPimin deltaPi 0 deltaPp float Kp E_0-E_11 deltaPd float Kd E_0-2E_11E_21 if deltaPd dPd deltaPd 0 deltaPn deltaPpdeltaPideltaPd if fabs deltaPn dP if deltaPn 0 deltaPn

43、dP else deltaPn -dP Psum1 deltaPn PsumCopy Psum1 if PsumCopy P PsumCopy P if PsumCopy Pmin PsumCopy Pmin E_21 E_11 E_11 E_0 return PsumCopy 名稱 float PIDprocess2 功能 PID adjust 說明 調(diào)用 輸入 float xdata Yn float xdata Rn 返回值 Psum2 float PIDprocess2 int data E_0 float data deltaPndeltaPiPsumCopy E_0 SetTemp

44、erature2-CurrentTemperature2 if abs E_0 E deltaPn float Kp E_0-E_12 float Kd E_0-2E_12E_22 else if abs E_0 E0 deltaPi float KiE_0 E-abs E_0 E-E0 else 小誤差時的處理 deltaPi float KiE_0 deltaPn float Kp E_0-E_12 deltaPi float Kd E_0-2E_12E_22 if fabs deltaPn dP if deltaPn 0 deltaPn dP else deltaPn -dP Psum2

45、 deltaPn PsumCopy Psum2 if PsumCopy P PsumCopy P if PsumCopy Pmin PsumCopy Pmin E_22 E_12 E_12 E_0 return PsumCopy 35系統(tǒng)相關(guān)軟件設(shè)計com它部件的軟件設(shè)計方案1每個模塊的程序結(jié)構(gòu)簡單任務(wù)明確易于編寫調(diào)試和修改2程序可讀行好對程序的修改可局部進(jìn)行其它局部可以保持不變便于功能擴充3對于使用頻繁的子程序可以建立子程序庫便于多個模塊調(diào)用com件設(shè)計框圖如圖33所示圖32系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖根據(jù)設(shè)計要求首先要確定軟件設(shè)計方案即確定該軟件應(yīng)該完成那些功能其次是規(guī)劃為了完成這些功能需要分成多少個

46、功能模塊以及每一個程序模塊的具體任務(wù)是什嫫一般劃分模塊應(yīng)遵循下述原那么1每個模塊應(yīng)具有獨立的功能能產(chǎn)生一個明確的結(jié)果 2模塊之間的控制參數(shù)應(yīng)盡量簡單數(shù)據(jù)參數(shù)應(yīng)盡量少控制參數(shù)是指模塊進(jìn)入和退出的條件及方式數(shù)據(jù)參數(shù)是指模塊間的信息交換方式交換量的多少及交換的頻繁程度3模塊長度要適中模塊太長時分析和調(diào)試比擬困難失去了模塊化程序結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性模塊太短那么信息交換太頻繁也不適宜com的設(shè)計 主程序的設(shè)計內(nèi)容一般包括主程序的起始地址中斷效勞程序的起始地址有關(guān)存儲單元及相關(guān)部件的初始化和一些子程序調(diào)用等等com 主程序的起始地址及初始化 MCS-51系列單片機復(fù)位后PC 0000H而0003H002BH分別為

47、各中斷源的入口地址所以編程時應(yīng)在0000H處寫一條跳轉(zhuǎn)指令 com lcd1602的顯示控制顯示屏的具體工作原理見流程圖35所示圖33顯示程序設(shè)計框圖com DS18B20和lcd1602的子程序設(shè)計DS18B20和lcd1602一起的c程序設(shè)計如下include define uchar unsigned chardefine uint unsigned intsbit DQ P37ds18b20與單片機連接口sbit RS P30sbit RW P31sbit EN P32unsigned char code str1 "temperature " unsigned c

48、har code str2 " " uchar data disdata5uint tvalue溫度值uchar tflag溫度正負(fù)標(biāo)志lcd1602程序void delay1ms unsigned int ms 延時1毫秒不夠精確的 unsigned int ij for i 0i msi for j 0j 100j void wr_com unsigned char com 寫指令 delay1ms 1 RS 0 RW 0 EN 0 P2 com delay1ms 1 EN 1 delay1ms 1 EN 0 void wr_dat unsigned char dat

49、寫數(shù)據(jù) delay1ms 1 RS 1 RW 0 EN 0 P2 dat delay1ms 1 EN 1 delay1ms 1 EN 0 void lcd_init 初始化設(shè)置 delay1ms 15 wr_com 0x38 delay1ms 5 wr_com 0x08 delay1ms 5 wr_com 0x01 delay1ms 5 wr_com 0x06 delay1ms 5 wr_com 0x0c delay1ms 5 void display unsigned char p 顯示 while p 0 wr_dat p pdelay1ms 1 init_play 初始化顯示 lcd_i

50、nit wr_com 0x80 display str1 wr_com 0xc0 display str2 ds1820程序void delay_18B20 unsigned int i 延時1微秒 while i- void ds1820rst ds1820復(fù)位 unsigned char x 0DQ 1 DQ復(fù)位delay_18B20 4 延時DQ 0 DQ拉低delay_18B20 100 精確延時大于480usDQ 1 拉高delay_18B20 40 uchar ds1820rd 讀數(shù)據(jù) unsigned char i 0unsigned char dat 0for i 8i 0i- DQ 0 給脈沖信號 dat 1 DQ 1 給脈沖信號 if DQ dat 0x80 delay_18B20 10 return dat void ds1820wr uchar wdata 寫數(shù)據(jù) unsigned char i 0 for i 8 i 0 i- DQ 0 DQ wdata0x01 delay_18B20 10 DQ 1 wdata 1 read_temp 讀取溫度值并轉(zhuǎn)換 uchar abds1820rst ds1820wr 0xcc 跳過讀序列號ds1820wr 0x44 啟動溫度轉(zhuǎn)換ds1820rst ds1820wr 0xc