北京交通大学-计算机控制课程设计报告

1《计算机控制课程设计》——终期报告姓名：学号：班级：指导教师：周永华时间：2013-7-12目录一、设计题目................................................................3二、系统方案................................................................31、水温自动控制系统设计任务和要求.................................................................................32、水温自动控制系统部分.....................................................................................................33、温度控制系统的算法分析.................................................................................................4三、系统硬件设计........................................................51、总体设计框图及说明.........................................................................................................52、各个子模块设计.................................................................................................................52.1CPU的选择..............................................................................................................52.2测量单元选型............................................................................................................62.3水温控制电路设计....................................................................................................62.4键盘设置电路............................................................................................................72.5LCD显示电路..........................................................................................................82.6报警电路....................................................................................................................8五、软件系统设计........................................................91、程序框架结构.....................................................................................................................92、主程序模块.......................................................................................................................103、按键程序...........................................................................................................................114、LCD显示程序...................................................................................................................125、DS18B20采集温度程序...................................................................................................126、PID计算和继电器控制程序............................................................................................127、附加时间显示程序...........................................................................................................14六、MATLAB/SIMULINK仿真部分..............................141、理论分析...........................................................................................................................142、具体传递函数计算...........................................................................................................153、SIMULINK仿真.................................................................................................................154、MATLAB仿真....................................................................................................................18七、PROTEUS仿真部分..............................................24八、结论及心得体会..................................................251、实验结论...........................................................................................................................252、心得体会...........................................................................................................................26八、参考文献..............................................................263一、设计题目基于单片机的水温自动控制系统二、系统方案1、水温自动控制系统设计任务和要求该系统为一实验系统，系统设计任务如下：设计一个水温自动控制系统，控制对象为一杯子内水的温度。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持特定的温度不变。系统设计具体要求：（1）温度设定范围为30-50摄氏度；（2）环境温度降低是控制水温误差小于1摄氏度；（3）采用适当的方法，使得温度在一定范围内才进行控制，超过某一范围直接加热或者不加热，减小系统的调节时间；（4）采用适当方法减少系统的超调量；（5）用LCD1602显示温度与时间。2、水温自动控制系统部分水温自动控制系统是一个过程控制系统，组成框图如图1所示，由输入、输出、控制器、执行器、被控对象其反馈作用的测量组成。图1计算机控制系统框图输入控制器执行器受控对象输出测量反馈4本系统中CPU选择为单片机，执行器为继电器，控制加热片通断，检测装置为温度传感器采集温度并反馈给单片机。另外还有键盘输入部分、显示部分以及报警部分，总体框图如下（图2）图2温控箱控制系统总体框图3、温度控制系统的算法分析本实验的基本思路是采用位置式PID控制算法，其基本算式为u(k)=𝐾𝑃𝑒(𝑘)+𝐾𝐼∑𝑒(𝑗)+𝐾𝐷[𝑒(𝑘)−𝑒(𝑘−1)]𝑘𝑗=0当然在实际应用中根据具体情况对控制参数做出改进,针对PID控制算法的积分作用，采用积分分离的控制算法。控制系统在开始工作时必然会有较大的误差，而且它在短时间内不会消除，而且经过积分项累积后会使得控制作用u(k)在误差较小时仍然保持较大的值，即进入积分饱和状态，这使得系统需要经过很长的时间才能恢复正常，这就大大影响了控制效果。一种比较好的克服积分饱和的方法是采用积分分离法。积分分离法的基本控制思想是在偏差大于某个规定的门限值时，停止并取消积分作用；而在误差小于此门限值时才计算并引入积分作用，来消除稳定误差。其基本算式为AT89C52控制器报警显示输入测量执行器加热器5u(k)=𝐾𝑃𝑒(𝑘)+𝛼𝐾𝐼∑𝑒(𝑗)+𝐾𝐷[𝑒(𝑘)−𝑒(𝑘−1)]𝑘𝑗=𝑘𝑖当e(k)≤∈值，α=1，当e(k)∈值，α=0三、系统硬件设计1、总体设计框图及说明本系统是一个简单的单回路控制系统。为了实现水温的自动测量和控制，根据系统总体方案，系统由单片机基本系统、前向通道、反馈通道和人机对话通道等4个主要的功能模块组成，总体框图如上面图2所示。单片机系统是整个控制系统的核心，AT89C52可以提供系统控制所需的I/O口、中断、定时及存放中间结果的RAM电路；前向通道是控制执行的通道，主要包括光耦、继电器、加热管；反馈通道由DS18B20构成，采集当前实际的温度。键盘设定：采用4*4矩阵键盘，用于温度设定、设定加热开关以及时间的显示。数据采集：运用DS18B20数字温度传感器采集当前温度并反馈给CPU进行处理，用于控制和显示。数据显示：运用LCD1602字符型液晶显示屏显示设定温度、实际温度以及当前的时间。执行机构：通过三极管控制继电器来完成对加热管的控制，为防止强电弱电相互影响，在单片机与继电器之间加入光电耦合器进行强电弱电的隔离。2、各个子模块设计2.1CPU的选择单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。其使用起来十分简单灵活方便，因此选择单片机作为