基于大林算法的溫度控制系統設計

1、計算機控制技術課程設計2015/2016學年第二學期設計課題：基于大林算法的電路溫度控制系統的設計專 業(yè)：_ _班 級： _ _學 號：_ _姓 名：_ _ _2016年5月目 錄第一章 課題簡介11.1課題的目的11.1.1 本機實現的功能11.1.2 擴展功能：11.2課題的任務及要求1第二章 系統方案設計22.1 水溫控制系統的總體介紹22.2 系統框圖22.3 閉環(huán)系統的工作原理2第三章 系統硬件設計33.1 系統原理圖33.2 單片機最小系統設計3第四章 大林控制算法設計54.1 大林控制算法原理：54.2 控制器的設計及公式推導過程64.3 采樣周期的選擇：7第五章 水溫控制系統的

2、仿真75.1振鈴現象75.2 Matlab仿真95.2 大林算法控制系統編程設計：105.3各模塊子程序設計115.3.1主程序設計115.3.2讀出溫度子程序125.5.3數碼管顯示模塊135.5.4溫度處理程序14第六章 小結與體會15第七章 參考文獻16第八章 附錄17第一章 課題簡介1.1課題的目的1.1.1 本機實現的功能（1）利用溫度傳感器采集到當前的溫度，通過AT89S52單片機進行控制，最后通過LED數碼管以串行口傳送數據實現溫度顯示。（2）可以通過按鍵任意設定一個恒定的溫度。（3）將水環(huán)境數據與所設置的數據進行比較，當水溫低于設定值時，開啟加熱設備，進行加熱；當水溫高于設定溫

3、度時，停止加熱，從而實現對水溫的自動控制。（4）當系統出現故障，超出控制溫度范圍時，自動蜂鳴報警。1.1.2 擴展功能：（1）具有通信能力，可接收其他數據設備發(fā)來的命令，或將結果傳送到其他數據設備。（2）采用適當的控制方法實現當設定溫度或環(huán)境溫度突變時，減小系統的調節(jié)時間和超調量。（3） 溫度控制的靜態(tài)誤差。1.2課題的任務及要求一升水由800W的電熱設備加熱，要求水溫可以在一定范圍內由人工設定，并能在環(huán)境溫度降低時實現自動調整，以保持設定的溫度基本不變。（1）溫度測量范圍：10100，最小區(qū)分度不大于1。（2）控制精度在0.2以內，溫度控制的靜態(tài)誤差小于1。（3）用十進制數碼管顯示實際水溫。

4、 第二章 系統方案設計2.1 水溫控制系統的總體介紹本次設計采用采樣值和鍵盤設定值進行比較運算的方法來簡單精確地控制溫度。先通過鍵盤輸入設定溫度，保存在AT89S52單片機的指定單元中，再利用溫度傳感器DS18B20進行信號的采集，送入單片機中，保存在采樣值單元。然后把采樣值與設定值進行比較運算，得出控制量，從而調節(jié)繼電器觸發(fā)端的通斷，來實現將水溫控制在一定的范圍內。當水溫超出單片機預存溫度時，蜂鳴器進行報警。單片機控制系統是一個完整的智能化的集數據采集、顯示、處理、控制于一體的系統。由傳感器、LED顯示單片機及執(zhí)行機構控制部分等組成。2.2 系統框圖DS18B20溫度傳感器LED顯示指示燈蜂

5、鳴器AT89S52單片機加熱繼電器按鍵2.3 閉環(huán)系統的工作原理本設計以AT89S52單片機系統進行溫度采集與控制。溫度信號由模擬溫度傳感器DS18B20采集輸入AT89S52，利用溫度傳感器采集到當前的溫度，通過AT89S52單片機進行控制，最后通過LED數碼管以串行口傳送數據實現溫度顯示。可以通過按鍵任意設定一個恒定的溫度。將水環(huán)境數據與所設置的數據進行比較，當水溫低于設定值時，開啟加熱設備，進行加熱；當水溫高于設定溫度時，停止加熱，從而實現對水溫的自動控制。當系統出現故障，超出控制溫度范圍時，自動蜂鳴報警。用單片機控制水溫可以在一定范圍內設定，并能在環(huán)境溫度變化時保持溫度不變。第三章 系

6、統硬件設計3.1 系統原理圖在溫度測量控制系統中，實際溫度值由PT100恒流工作調理電路進行測量。為了克服PT100線性度不好的缺點，在信號調理電路中加入負反饋非線性校正網絡；調理電路的輸出電壓經ADC0808轉換后送入單片機AT89S51；對采樣數據進行濾波及標定處理后，由3位7段數碼管顯示。輸入的設定值由4位獨立按鍵電路進行設定，可分別對設定值的十位和個位進行加1、減1操作。設定值送入單片機后，由另外一組3位7段數碼管顯示。數碼管的段碼由74HC05驅動，位碼由三極管2N2222A驅動。系統采用PID閉環(huán)控制方案。將預置初值與溫度傳感器反饋信號比較得到偏差(e)進行PID運算處理得到控制量

7、(u)，通過此量來控制加熱器的加熱時間，從而控制加熱功率。由于水本身具有很大的熱慣性，所以必須對水溫的變化趨勢作出預測，并且根據需要及時反方向抑制，以防止出現較大的超調量的波動。在PID控制中，積分環(huán)節(jié)（I）具有很強的滯后效應，而微分環(huán)節(jié)（D）具有預見性，所以該方案最終采用PD算法，能夠很好的控制超調，并且穩(wěn)態(tài)誤差也很小。圖3-1 系統原理圖3.2 單片機最小系統設計基本的AVR硬件線路，包括以下幾部分：(1)復位線路的設計AT89S52已經內置了上電復位設計。并且在熔絲位里，可以控制復位時的額外時間，故AVR外部的復位線路在上電時，可以設計得很簡單：直接拉一只10K的電阻到VCC即可(R6)

8、。為了可靠，再加上一只0.1uF的電容(C0)以消除干擾、雜波。D3(1N4148)的作用有兩個：作用一是將復位輸入的最高電壓鉗在Vcc+0.5V 左右，另一作用是系統斷電時，將R1(10K)電阻短路，讓C0快速放電，讓下一次來電時，能產生有效的復位。當AVR在工作時，按下S0開關時，復位腳變成低電平，觸發(fā)AVR芯片復位。重要說明：實際應用時，如果你不需要復位按鈕，復位腳可以不接任何的零件，AVR芯片也能穩(wěn)定工作。即這部分不需要任何的外圍零件。圖3-2 復位電路設計（2）晶振電路的設計Mega16已經內置RC振蕩線路，可以產生1M、2M、4M、8M的振蕩頻率。不過，內置的畢竟是RC振蕩，在一些

9、要求較高的場合，比如要與RS232通信需要比較精確的波特率時，建議使用外部的晶振線路。早期的90S系列，晶振兩端均需要接22pF左右的電容。Mega系列實際使用時，這兩只小電容不接也能正常工作。不過為了線路的規(guī)范化，我們仍建議接上。重要說明：實際應用時，如果你不需要太高精度的頻率，可以使用內部RC振蕩。即這部分不需要任何的外圍零件。圖3-3 晶振電路設計(3)電源設計AVR單片機最常用的是5V與3.3V兩種電壓。本線路以轉換成5V直流電壓，電路需要變壓器把220交流電壓轉換成28V交流電，再通過整流器，把交流電轉化成直流電，通過7809和7805三端正電源穩(wěn)壓電路轉化成直流5V。電源如圖3-4

10、。圖3-4 電源電路設計圖第四章 大林控制算法設計4.1 大林控制算法原理：在許多工業(yè)過程中，被控對象一般都有純滯后特性，而且經常遇到純滯后較大的對象。美國IBM公司的大林，在1968年提出了一種針對工業(yè)生產過程中，含有純滯后對象的控制算法，具有較好的效果。假設帶有純滯后的一階、二階慣性環(huán)節(jié)的對象為： 式中，為純滯后時間，、為時間常數，K為放大系數。為簡單起見，設=NT，N為正整數。大林算法的設計目標是設計合適的數字控制器，使整個閉環(huán)系統的傳遞函數為具有時間純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，而且要求閉環(huán)系統的純滯后時間等于對象的純滯后時間。4.2 控制器的設計及公式推導過程-電爐溫度傳感器D/AA/D被控

11、對象的傳遞函數： 采樣周期T=1s,期望閉環(huán)傳遞函數的慣性時間常數： 設期望閉環(huán)傳遞函數為： 系統的廣義對象傳遞函數： 系統廣義對象的脈沖傳遞函數為： 系統的閉環(huán)脈沖傳遞函數為：數字控制器的脈沖傳遞函數為：當輸入為單位階躍時，輸出為：控制量的輸出為：4.3 采樣周期的選擇：在本實驗中，定時中斷間隔選取100ms，采樣周期T要求既是采樣中斷間隔的整數倍，又要滿足，而由被控對象的表達式可知，所以取N=1，=T，=1s，取T=1s。因為，因為采樣周期T=1s，定時中斷為1s，就是說1個定時中斷后進行采樣。第五章 水溫控制系統的仿真5.1振鈴現象直接用上述控制算法構成閉環(huán)控制系統時，人們發(fā)現數字控制器

12、輸出U（z)會以1/2采樣頻率大幅度上下擺動。這種現象稱為振鈴現象。振鈴現象與被控對象的特性、閉環(huán)時間常數、采樣周期、純滯后時間的大小等都有關系。振鈴現象中的振蕩是衰減的，并且于由被控對象中慣性環(huán)節(jié)的低通特性，使得這種振蕩對系統的輸出幾乎無任何影響，但是振鈴現象卻會增加執(zhí)行機構的磨損。在交互作用的多參數控制系統中，振鈴現象還有可能影響到系統的穩(wěn)定性，所以，在系統設計中，應設法消除振鈴現象?？梢胝疋彿萊A來衡量振蕩的強烈程度。振鈴幅度RA的定義為：在單位階躍信號的作用下，數字控制器D（z）的第0次輸出與第1次輸出之差值。設數字控制器D(z)可以表示為： （5-1）其中 （5-2）那么，數字控

13、制器D（z)輸出幅度的變化完全取決于Q（z)，則在單位階躍信號的作用下的輸出為： （5-3）根據振鈴的定義，可得： （5-4）上述表明，產生振鈴現象的原因是數字控制器D（z）在z平面上位于z=-1附近有極點。當z=-1時，振鈴現象最嚴重。在單位圓內離z=-1越遠，振鈴現象越弱。在單位圓內右半平面的極點會減弱振鈴現象，而在單位圓內右半平面的零點會加劇振鈴現象。由于振鈴現象容易損壞系統的執(zhí)行機構，因此，應設法消除振鈴現象。大林提出了一個消除振鈴的簡單可行的方法，就是先找造成振鈴現象的因子，然后令該因子中的z=1.這樣就相當于取消了該因子產生振鈴的可能性。根據終值定理，這樣處理后，不會影響輸出的穩(wěn)態(tài)

14、值。本設計的被控對象是含有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，大林算法求得的數字控制器為式： （5-5）有可表示為式3-14所示： （5-6）可能引起振鈴現象的因子是式3-15所示： （5-7）其振鈴的幅度為： （5-8）根據r值的不同，有一下幾種情況：（1）當r=0時，不存在振鈴極點因子，此時不產生振鈴現象（2）當r=1時，存在一個極點z=-()； 當<= 時，z-1，存在嚴重的振鈴。當r=2時，存在極點Z= 當<<T時，z，Z1時，存在振鈴現象。對于r=2時的振鈴極點，令Z=1代入式中可得：= 此時就求得的消除振鈴的數字控制器D（z)表達式為 5.2 Matlab仿真Matlab仿真圖

15、（無振鈴現象）5.2 大林算法控制系統編程設計：根據系統的總體功能和鍵盤設置選擇一種最合適的監(jiān)控程序結構，然后根據實時性的要求，合理地安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊之間地調度關系。本部分詳細介紹了基于AT89S52單片機的多路溫度采集控制系統的軟件設計。根據系統功能，可以將系統設計分為若干個子程序進行設計，如溫度采集子程序，數據處理子程序、顯示子程序、執(zhí)行子程序。采用Keil uVision3集成編譯環(huán)境和C語言來進行系統軟件的設計。本章從設計思路、軟件系統框圖出發(fā)，先介紹整體的思路后，再逐一分析各模塊程序算法的實現，最終編寫出滿足任務需求的程序。采集到當前的溫度，通過LED數碼管實現溫度顯示。通過

16、按鍵任意設定一個恒定的溫度將水環(huán)境數據與所設置的數據進行比較。當水溫低于設定值時，開啟加熱設備，進行加熱；當水溫高于設定溫度時，停止加熱。當系統出現故障，超出控制溫度范圍時，自動蜂鳴報警并對溫度進行實時顯示。采用C語言編寫代碼，鑒于篇幅限制及DS18B20的應用已經規(guī)范和成熟，本文僅就主程序流程圖和顯示子程序流程圖及其代碼進行說明。通過定時器T0 P3.4口的定時來實現，在此不再贅述。有關DS18B20的讀寫程序，編程時序分析等請見附錄三。功能主程序流程圖主程序通過調用溫度采集子程序完成溫度數據采集，然后調用溫度轉換子程序轉換讀取溫度數據，調用顯示子程序進行溫度顯示和判斷溫度數據。主程序（見附

17、錄二）調用四個子程序，分別是溫度采集程序、數碼管顯示程序、溫度處理程序和數據存儲程序。溫度采集程序：對溫度芯片送過來的數據進行處理，進行判斷和顯示。數碼管顯示程序：向數碼的顯示送數，控制系統的顯示部分。溫度處理程序：對采集到的溫度和設置的上、下限進行比較，做出判斷，向繼電器輸出關斷或閉合指令。數據存儲程序：對鍵盤的設置的數據進行存儲。設定溫度值顯示當前溫度判斷當前溫度值超過設定1低于設定1報警報警是否否是圖1 系統總流程圖5.3各模塊子程序設計主程序設計主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當前溫度值，溫度測量每1s進行一次。這樣可以在一秒之內測量一次被測溫度，

18、其程序流程見圖2所示。通過調用讀溫度子程序把存入內存儲中的整數部分與小數部分分開存放在不同的兩個單元中，然后通過調用顯示子程序顯示出來。開始調用讀溫度子程序數字變換程序顯示子程序圖2 主程序流程圖讀出溫度子程序讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時需進行CRC校驗，校驗有錯時不進行溫度數據的改寫。DS18B20的各個命令對時序的要求特別嚴格，所以必須按照所要求的時序才能達到預期的目的，同時，要注意讀進來的是高位在后低位在前，共有12位數，小數4位，整數7位，還有一位符號位。DS18B20的數據讀寫是通過時序處理位來確認信息交換的。當總線控制器發(fā)起讀時序時，DS18B20僅被用

19、來傳輸數據給控制器。因此，總線控制器在發(fā)出讀暫存器指令BEh或讀電源模式指令B4H后必須立刻開始讀時序，DS18B20可以提供請求信息。所有讀時序必須最少60us,包括兩個讀周期間至少1us的恢復時間。當總線控制器把數據線從高電平拉到低電平時，讀時序開始，數據線必須至少保持1us,然后總線被釋放在總線控制器發(fā)出讀時序后，DS18B20通過拉高或拉低總線上來傳輸1或0。當傳輸邏輯0結束后，總線將被釋放，通過上拉電阻回到上升沿狀態(tài)。從DS18B20輸出的數據在讀時序的下降沿出現后15us內有效。因此，總線控制器在讀時序開始后必須停止把I/O腳驅動為低電平15us,以讀取I/O腳狀態(tài)。DS18B20

20、復位、應答子程序跳過ROM匹配命令寫入子程序溫度轉移命令寫入子程序延時顯示子程序DS18B20復位、應答子程序跳過ROM匹配命令寫入子程序讀溫度命令子程序終止圖3 讀出溫度子程序數碼管顯示模塊本系統采用八位共陽極數碼管，用模擬串口的動態(tài)顯示數據。其流程圖如圖4所示：子程序入口初始化查表取段碼位碼送譯碼器選通低位數碼管數字是否顯示亮關顯示返回段碼送驅動顯示顯示緩沖區(qū)左移YN圖4 數碼管顯示流程圖溫度處理程序基于單片機水溫控制系統通過DS18B20溫度傳感器采集到的溫度和設置的溫度上、下限進行比較得出結果。如果低于下限溫度或是高于上限溫度，則報警器進行進行報警。第六章 小結與體會這次的課程設計分配

21、到兩個人一組完成，雖然只有短短的兩周時間，但是通過這些天的學習使我收獲巨大，讓我更加深刻的復習了課本知識，使得自己在專業(yè)技能和動手能力方面有了很大的提高，為以后自己進入社會打下了一個良好的基礎。在這次的課程設計過程中，我與周航一組，我很感謝老師對我的指導及同學的幫助，我主要負責軟件的仿真，周航負責硬件系統的設計。在大林控制算法的設計中，遇到了許多的難題，對于原理概念十分模糊，一些公式也忘了如何去使用，拿出了以前的課本對遺忘的知識進行了回顧，在同學的幫助下，與周航的討論中一步一步的完成了控制器的設計和大林算法公式的推導。使得我能夠順利的完成此次的課程設計，通過完成這次的課程設計，使我深刻的體會到

22、了團隊的重要性，這次的課程設計很，但兩人一組的團隊的合作使課程設計簡單了許多，每個人都有明確的分工，這樣，再加上自己的努力終能取得成功。 感謝此次的課程設計讓我收獲良多！第七章 參考文獻1于海生主編，微型計算機控制技術M，北京:清華大學出版社，20092李小堅,趙山林,馮曉軍,龍懷冰.Protel DXP電路設計與制版實用教程(第2版).北京:人民郵電出版社.20093全國大學生電子設計競賽組委會.全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編（第一屆-第五屆）.北京: 北京理工大學出版社.20044張琳娜,劉武發(fā).傳感檢測技術及應用.北京:中國計量出版社.19995沈德金,陳粵初. MCS-51系列單片

23、機接口電路與應用程序實例.北京:北京航空航天大學出版社.19906周立功等.增強型80C51單片機速成與實戰(zhàn).北京:北京航空航天大學出版社.2003.77馬忠梅等.單片機的C語言應用程序設計.北京:北京航空航天大學出版社社.1998.108胡漢才.單片機原理及接口技術.北京:清華大學出版社社.19969李志全等.智能儀表設計原理及應用.北京:國防工業(yè)出版社.1998.610何立民MCS-51系列單片機應用系統設計.北京:北京航空航天大學出版社.1990.1第八章 附錄附錄一：系統程序#include <reg52.h> /52系列頭文件#include <stdio.h>

24、;#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit ds=P34;sbit dula=P26;sbit beep=P14; /定義蜂鳴器sbit led=P11;sbit jdq=P10;uint temp,t,w; /定義整型的溫度數據uchar flag;float f_temp; /定義浮點型的溫度數據uint low; /定義溫度下限值 是溫度乘以10后的結果uint high; /定義溫度的上限值sbit led1=P10; /控制發(fā)光二極管sbit led2=P11; /控制發(fā)光二極管sbit s1=P35;sbit

25、s2=P36;sbit s3=P37;uchar flag1,flag2,flag3,flag4,s1num,qian,bai,shi,ge;uchar code table= 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99, 0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xc6 ;/共陽數碼管段碼表uchar code table1=0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10;/帶小數點的編碼 void delay(uchar z) /延時函數 uchar a,b; for(a=z;a>0;a-) for(b=100;b&

26、gt;0;b-);void init() EA=1; ET1=1; TR1=1; TMOD=0x10; TH1=(65536-4000)/256; TL1=(65536-4000)%256; flag=0; high=100; jdq=1;void didi() beep=0; led=0; delay(500); beep=1; led=1; delay(500);void dsreset(void) /DS18b20復位， 初始化函數 uint i; ds=0; i=103; /延時最短480us while(i>0) i-; ds=1; /等待16-60us，收到低電平一個約60-

27、240us則復位成功 i=4; while(i>0) i-;bit tempreadbit(void) /讀1位數據函數 uint i; bit dat; ds=0;i+; ds=1;i+;i+;/i+起到延時作用 dat=ds; i=8; while(i>0)i-; return(dat);uchar tempread(void)/讀1字節(jié)的數據函數 uint i,j,dat; dat=0; for(i=1;i<=8;i+) j=tempreadbit(); dat=(j<<7)|(dat>>1); /讀出的數據最低位在最前面，這樣剛好一個字節(jié)在da

28、t里 return(dat);void tempwritebyte(uchar dat) /向DS18B20寫一個字節(jié)的數據函數 uint i; uchar j; bit testb; for(j=1;j<=8;j+) testb=dat&0x01; dat=dat>>1; if(testb) /寫1 ds=0;i+;i+;ds=1;i=8;while(i>0)i-; else /寫0 ds=0;i=8;while(i>0) i-;ds=1;i+;i+; void tempchange(void) /DS18B20開始獲取溫度并轉換 dsreset();

29、delay(1); tempwritebyte(0xcc);/寫跳過讀ROM指令 tempwritebyte(0x44); /寫溫度轉換指令uint get_temp()/讀取寄存器中存儲的溫度數據 uchar a,b; dsreset(); delay(1); tempwritebyte(0xcc); /寫跳過讀ROM指令 tempwritebyte(0xbe); /寫溫度轉換指令 a=tempread(); /讀低8位 b=tempread(); /讀高8位 temp=256*b+a; f_temp=temp*0.0625; /溫度在寄存器中為12位，分辨率為0.0625 temp=f_temp*10+0.5; /乘以10表示小數點后面只取一位 return temp; /temp是整型void keyscan() if(s1=0) P2=0xff; delay(5); if(s1=0