控制科學(xué)與工程綜合技術(shù)實驗-光源照度控制系統(tǒng)設(shè)計說明書

...wd......wd......wd...控制科學(xué)與工程綜合技術(shù)實驗工程設(shè)計說明書目錄1概述22總體設(shè)計22.1系統(tǒng)功能22.2系統(tǒng)構(gòu)成22.3元器件選型及分析32.3.1STC12C5A16S2單片機(jī)簡介32.3.2照度檢測〔3DU5C〕32.3.3可控光源32.3.4人機(jī)界面〔VC++6.0〕42.4系統(tǒng)核心處理策略42.4.1光照強(qiáng)度的測量與控制42.4.2可控光源42.4.3控制算法43、詳細(xì)設(shè)計43.1硬件設(shè)計43.1.1功能劃分53.1.2照度檢測模塊53.1.3可控光源模塊63.2軟件設(shè)計73.2.1主程序流程73.2.2PID控制算法83.2.3上位機(jī)通訊94、測試與調(diào)試104.1測試104.2調(diào)試115、結(jié)論與展望131概述本實驗是光源照度控制系統(tǒng)，是利用照度傳感器檢測環(huán)境亮度的變化，采用相應(yīng)的控制算法，來調(diào)節(jié)可控光源的亮度，以確?？刂茖ο笸獗碚斩群愣ā?總體設(shè)計2.1系統(tǒng)功能利用光敏三極管檢測光源照度的強(qiáng)弱，傳感器將檢測數(shù)據(jù)傳送給控制核心——單片機(jī)，根據(jù)處理結(jié)果去控制光源的亮度，使光源照度保持到設(shè)定的范圍，確保外表照度恒定。如以下列圖所示，為光源照度控制系統(tǒng)原理框圖：單片機(jī)單片機(jī)照度檢測模塊驅(qū)動上位機(jī)通訊LED光源圖1光源照度控制系統(tǒng)原理框圖2.2系統(tǒng)構(gòu)成該系統(tǒng)主要由四局部組成：傳感器檢測局部、控制局部、LED光源局部及上位機(jī)通訊局部。2.3元器件選型及分析●單片機(jī)(STC12C5A16S2)●照度檢測(光敏三極管3DU5C)●可控光源(普通白光LED3.5V/1W)2.3.1STC12C5A16S2單片機(jī)簡介本設(shè)計采用STC12C5A16S2型號單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051型單片機(jī)，內(nèi)部集成專用的復(fù)位電路和看門狗電路，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。相對高速的數(shù)據(jù)處理能力完全可以勝任對輸入信號的處理，并執(zhí)行相應(yīng)的程序，通用的36/40個I/O端口，連接電源、電機(jī)、光敏三極管等外圍設(shè)備。2個16位定時器/計數(shù)器，與傳統(tǒng)的8051單片機(jī)一樣，另外2路PCA模塊可再實現(xiàn)2個定時器/計數(shù)器，可完成對外部信號的計數(shù)和定時功能。8路10位精度的ADC，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)25萬次/s。2路PWM用來調(diào)制不同的脈沖。7路外部中斷I/O口。2.3.2照度檢測〔3DU5C〕光照強(qiáng)度(照度)是物體被照明的程度，也即物體外表所得到的光通量與被照面積之比，單位是Ix(l勒克斯是l流明的光通量均勻照射在l平方米面積上所產(chǎn)生的照度),夏季在陽光直接照射下，光照強(qiáng)度可達(dá)6萬～10萬lx，沒有太陽的室外0.1萬～1萬lx，夏天明朗的室內(nèi)100～5501x，夜間滿月下為0.21x。本實驗的可控照度范圍為0~1萬lx。用光敏三極管作照度檢測：光敏三極管和普通三極管相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路和電流控制，同時也受光輻射的控制。因此，也可實現(xiàn)光強(qiáng)度的轉(zhuǎn)化。2.3.3可控光源本實驗要實現(xiàn)多個LED組光源的亮度控制，才能較明顯地觀察到可控光源的效果。采用三極管控制〔9013〕作為LED的驅(qū)動，本錢低，控制方便。2.3.4人機(jī)界面〔VC++6.0基于VC6.0的人機(jī)交互界面，通過串口通訊，可以照度值的設(shè)定和實時照度值的顯示。2.4系統(tǒng)核心處理策略2.4.1光照強(qiáng)度的測量與控制通過照度傳感器對外表照度進(jìn)展檢測，采用單片機(jī)內(nèi)部AD口進(jìn)展采樣。當(dāng)外表照度小于照度設(shè)定值時，控制光源亮度增大；當(dāng)外表照度大于照度設(shè)定值時，控制光源亮度減小。2.4.2可控光源用PWM控制LED光源，本實驗的實現(xiàn)步驟是先實現(xiàn)單個LED的亮度控制，再通過三極管實現(xiàn)多個LED的亮度控制，以到達(dá)實驗要求的照度可調(diào)。2.4.3控制算法本系統(tǒng)采用根本的PID算法實現(xiàn)控制。PID控制算法構(gòu)造簡單，易于理解和掌握，對大多數(shù)被控對象有較好的控制效果，需要被控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。3、詳細(xì)設(shè)計3.1硬件設(shè)計本設(shè)計是基于STC12C5A16S2單片機(jī)的最小系統(tǒng)板設(shè)計的，以下只列出其余的電路設(shè)計。3.1.1功能劃分如以下列圖所示為系統(tǒng)硬件框圖：STCSTC單片機(jī)電源照度檢測可控光源串口通信人機(jī)界面圖2光源照度控制系統(tǒng)硬件框圖3.1.2照度檢測模塊采用光敏三極管檢測光照強(qiáng)度，使用單片機(jī)的P1.0AD口實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。具體應(yīng)用電路如下：圖3光源照度檢測電路圖3.1.3可控光源模塊單片機(jī)輸出兩路PWM，利用三極管〔9013〕的開關(guān)特性，實現(xiàn)LED亮度控制。具體應(yīng)用電路如下：圖4可控光源電路圖3.2軟件設(shè)計3.2.1主程序流程如以下列圖所示，是主程序的軟件流程圖：YYN初始化串口中斷開場初始化AD初始化PWM初始化PIDYN串口發(fā)送發(fā)送照度值串口接收接收設(shè)定值PID控制獲取照度值設(shè)置PWM輸出圖5主程序流程圖3.2.2PID控制算法PID控制算法構(gòu)造簡單，易于理解和掌握，對大多數(shù)被控對象有較好的控制效果，需要被控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。PID控制算法是最正確的控制調(diào)節(jié)，它是由P調(diào)節(jié)的比例增益和抑制超調(diào)量的D調(diào)節(jié),以及消除穩(wěn)定偏差的I調(diào)節(jié)來決定的調(diào)節(jié)。根本的PID控制算法有增量式與位置式。本系統(tǒng)采用增量式PID控制算法。PID的微分方程：輸入為誤差信號e(t)，輸出為控制量u(t)，如下式所示：〔1〕其中：u(t)：控制量e(t)：誤差信號K：比例系數(shù)：積分時間常數(shù)：微分時間常數(shù)：控制量的基準(zhǔn)〔誤差e=0時的控制量〕 如下是增量式數(shù)字PID〔當(dāng)采樣周期足夠小時〕： 〔2〕 〔3〕由式〔2〕和式〔3〕得增量式PID控制算法，如下：為了編程實現(xiàn)增量式PID控制算法，將上式轉(zhuǎn)化為： 〔4〕其中：增量式PID算法流程如下：NNYYN偏差=設(shè)定照度-實時照度控制增量為下一時間做準(zhǔn)備ei-1=ei，ei-2=ei-1返回控制增量PID開場>255?控制量置最大=255<0?控制量置最小=0圖6PID算法流程圖3.2.3基于VC6.0的人機(jī)交互界面，通過串口通訊，可以顯示設(shè)定照度值、實時照度檢測值。人機(jī)交互界面如下：圖7人機(jī)交互界面4、測試與調(diào)試4.1測試問題1：光敏傳感器的檢測電壓值不穩(wěn)定解決方法：將原設(shè)計電路中的0.1uF的濾波電容改為10uF的濾波電容，該問題得到了解決。問題2：一路PWM輸出驅(qū)動三個LED或者更多的LED燈時，由于電路的分流不均勻，導(dǎo)致三個LED燈的亮度不一樣，如圖8所示：圖8一路PWM驅(qū)動三個LED燈解決方法：一路PWM只驅(qū)動兩個LED，使用兩路PWM，則共可驅(qū)動四個LED燈。4.2調(diào)試如下是系統(tǒng)實物圖：圖9系統(tǒng)實物圖程序運(yùn)行后，單片機(jī)每隔200ms將采集到的照度值發(fā)送給上位機(jī)顯示，如以下列圖10所示，通過上位機(jī)對照度值進(jìn)展設(shè)定，能夠到達(dá)即時準(zhǔn)確地控制，如以下列圖11所示。圖10單片機(jī)與上位機(jī)的實時通訊圖11不同設(shè)定照度值下的照度曲線圖5、結(jié)論與展望 本系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)照度值的實時控制，使照度值保持在設(shè)定值的范圍內(nèi)，根本完成了本系統(tǒng)的控制要求。 光源照度控制系統(tǒng)是一個比擬實用的方案，并且具有很強(qiáng)的推廣意義。雖然本系統(tǒng)實現(xiàn)了一些根本要求，但是離實際應(yīng)該還有一定相當(dāng)大的距離。進(jìn)一步的工作有：〔1〕檢測環(huán)節(jié)：空間較大時，用