計算機控制課程設(shè)計溫度控制

1、<p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p>　　院（部、中心） </p><p>　　姓 名 學 號 　 </p><p>　　專 業(yè) 　 班 級

2、 </p><p>　　同組人員 </p><p>　　課程名稱 　 </p><p>　　設(shè)計題目名稱 　 </p><p>　　

3、起止時間　　　　　　　　　　　　　　　　　　　</p><p>　　成 績 　 </p><p>　　指導(dǎo)教師簽名 　 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1

4、、課程設(shè)計內(nèi)容任務(wù)2</p><p>　　2、對課設(shè)任務(wù)的理解和分析3</p><p>　　3、題目的設(shè)計分析與計算3</p><p>　　4、Matlab對控制系統(tǒng)的仿真5</p><p>　　4.1 Matlab仿真連接圖5</p><p>　　4.2 仿真調(diào)試結(jié)果圖5</p><p

5、>　　5、 部分設(shè)計電路元件的介紹6</p><p>　　5.1 熱電偶與溫度檢測原理6</p><p>　　5.2.1 定時/計數(shù)器9</p><p>　　5.3 光控可控硅10</p><p>　　5.4 A/D0809轉(zhuǎn)換芯片13</p><p>　　6、設(shè)計電原理圖15</p>

6、<p>　　7、 程序與流程圖16</p><p>　　7.2 調(diào)試程序17</p><p>　　7.3程序流程圖19</p><p><b>　　8、心得體會20</b></p><p>　　9、 參考文獻21</p><p>　　1、課程設(shè)計內(nèi)容任務(wù)</p>

7、<p>　　題目三、設(shè)計溫度控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下：</p><p>　　圖中采樣周期T=6 (S)；K=1.16；TD=680（S）；=30（S） 輸入為單位階躍信號。</p><p>　　要求設(shè)計系統(tǒng)，設(shè)，無振鈴現(xiàn)象。</p><p>　　計算出D（Z），，并編寫匯編語言（或C語言）控制程序。</p><p>　

8、　3、通過MATLAB仿真驗證設(shè)計結(jié)果。</p><p>　　4、設(shè)計電原理圖（CPU選擇8086或MCS-51），A/D轉(zhuǎn)換器可使用圖6-30方案；D/A轉(zhuǎn)換器可選擇教材中圖6-32所示方案；功率加熱元件為雙向可控硅,調(diào)功方式。</p><p>　　2、對課設(shè)任務(wù)的理解和分析</p><p>　　1、該任務(wù)是針對一個特定的控制對象進行可靠性和穩(wěn)定性控制，選取實際生

9、活中常見的</p><p><b>　　溫度為控制對象；</b></p><p>　　2、該任務(wù)只需要一個控制對象，觀察仿真圖形和性能，選取單回路控制系統(tǒng)模型進行設(shè)計；</p><p>　　3、硬件設(shè)計過程采取分步設(shè)計，由局部到整體，主要有溫度檢測模塊、輸入通道部分、輸出通道部分、接口擴展部分、晶振和復(fù)位電路模塊、調(diào)壓觸發(fā)電路等；</p&

10、gt;<p>　　4、根據(jù)其特定性能，本設(shè)計采用大林控制算法來實現(xiàn)系統(tǒng)控制，為了使系統(tǒng)無振鈴現(xiàn)象，設(shè)計出數(shù)字控制器D(z)及其差分方程；</p><p>　　5、編寫程序流程圖，采取正確的思路和方法，包括主程序流程圖、A/D0809初始化、8253初始化、大林算法、延時等；</p><p>　　6、仿真分析和驗證過程采用MATLAB和SIMULINK實現(xiàn)，主要針對仿真性能調(diào)節(jié)

11、系統(tǒng)參數(shù)，并結(jié)合輸入信號（單位階躍信號）進行可靠性、穩(wěn)定性分析。</p><p>　　3、題目的設(shè)計分析與計算</p><p>　　4、Matlab對控制系統(tǒng)的仿真</p><p>　　4.1 Matlab仿真連接圖</p><p>　　圖4-1 Matlab仿真連接圖</p><p>　　4.2 仿真調(diào)試結(jié)果圖<

12、;/p><p>　　圖4-2 仿真調(diào)試結(jié)果圖</p><p>　　部分設(shè)計電路元件的介紹</p><p>　　5.1 熱電偶與溫度檢測原理</p><p>　　5.2 8051單片機 </p><p>　　8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串口接口和中斷系

13、統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，具體介紹如下：</p><p>　　中央處理器：中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。 數(shù)據(jù)存儲器(RAM)：8051內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存

14、放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。</p><p>　　程序存儲器(ROM)：8051共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。</p><p>　　定時/計數(shù)器(ROM)：8051有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。

15、</p><p>　　并行輸入輸出(I/O)口：8051共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。全雙工串行口：8051內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。</p><p>　　中斷系統(tǒng)：8051具備較完善的中斷功能， </p><p>　　時鐘電路：80

16、51內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容[2]</p><p>　　MCS-51的引腳說明：</p><p>　　8051采用40Pin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，下圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用。功能如下說明：</p>

17、<p><b>　　Pin20:接地腳</b></p><p>　　Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi)EPROM燒寫程序時，接+5V電源。Pin19:時鐘XTAL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。</p><p>　　Pin18:時鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。輸入輸出(I/O)引腳：</p><p>　　Pin39-P

18、in32為P0.0-P0.7輸入輸出腳也可作為低8位地址總線，Pin1-Pin1為P1.0-P1.7輸入輸出腳，Pin21-Pin28為P2.0-P2.7輸入輸出腳也可作為高8位地址總線，Pin10-Pin17為P3.0-P3.7輸入輸出腳還具有第二功能，功能如下圖所示。</p><p>　　Pin9:RESET/Vpd復(fù)位信號復(fù)用腳，當8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高

19、電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)如下表：</p><p>　　表5-1 8051初始態(tài)</p><p>　　Pin30:ALE/PROE當

20、訪問外部程序器時，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲器時，ALE端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當作一個時鐘向外輸出。更有一個特點，當訪問外部程序存儲器，ALE會跳過一個脈沖。如果單片機是EPROM，在編程其間，PROE將用于輸入編程脈沖。</p><p>　　Pin29:當訪問外部程序存儲器時，此引腳輸出負脈沖選通信號，PC的16位

21、地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。[4]</p><p>　　Pin31:EA/Vpp程序存儲器的內(nèi)外部選通線，8051和8751單片機，內(nèi)置有4kB的程序存儲器，當EA為高電平并且程序地址小于4kB時，讀取內(nèi)部程序存儲器指令數(shù)據(jù)，而超過4kB地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲器指令。顯然，對內(nèi)部無程序存儲器的80

22、31,EA端必須接地。[2]在編程時，EA/Vpp腳還需加上21V的編程電壓。</p><p>　　5.2.1 定時/計數(shù)器</p><p>　　1）工作方式寄存器TMOD</p><p>　　圖1-2 TMOD寄存器</p><p><b>　　M1、M0選擇方式</b></p><p>　　表

23、1-2 M1、M0 選擇工作方式</p><p>　　功能選擇位，當為0時，為定時器方式：當為1時為計數(shù)器方式。</p><p>　　GATE門控位，當為0時，只要控制位TR0或TR1置1，即可啟動響應(yīng)定時器開始工作；當為1時，除需要TR0或TR1置1外，還需要或引腳為高電平時，才能啟動響應(yīng)的定時器開始工作。</p><p>　　TMOD不能進行尋址，只能用字節(jié)傳送

24、指令設(shè)置工作方式。</p><p>　　2）定時/計數(shù)器控制寄存器TCON</p><p>　　TCON的作用是控制定時器的啟、停，標志定時器的溢出和中斷情況。定時器TCON格式如下：</p><p>　　圖1-3 TCON定時器</p><p>　　TCON.7 TF1—定時器1溢出標志。</p><p>　　當定時

25、器1計滿溢出時，由硬件TF1置1，并且申請中斷。進入中斷服務(wù)程序后，由硬件自動清0。</p><p>　　TR1定時器1運行控制位。當為1時，啟動定時器1工作；當為0時，關(guān)閉定時器1工作。</p><p>　　TF0定時器0溢出標志。TR0定時器0運行控制位。操作同上。IE1外部中斷1請求標志。IT1外部中斷1觸發(fā)方式選擇位。IE0外部中斷0請求標志。IT0外部中斷0觸發(fā)方式選擇位。<

26、;/p><p>　　5.3 光控可控硅：</p><p>　　晶閘管又叫硅可控整流元件，常簡稱為可控硅。普通晶閘管是一種具有三個PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件。目前，晶閘管的派生器件很多，如雙向晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、光控晶閘管等，在無線電技術(shù)中應(yīng)用也很廣泛。事實上，晶閘管不只是川來進行可控整流．它還可以用作無觸點開關(guān)以快速接通或切斷電路，實現(xiàn)將直流電變成交流電的逆變，將一種額率的交流電變

27、成另—種頻率的交流電，等等。人們常稱它為電力電子器件。</p><p>　　1) 可控硅工作原理</p><p>　　可控硅是P1N1P2N2四層三端結(jié)構(gòu)元件，共有三個PN結(jié)，分析原理時，可以把它看作由一個PNP管和一個NPN管所組成。</p><p>　　當陽極A加上正向電壓時，BG1和BG2管均處于放大狀態(tài)。此時，如果從控制極G輸入一個正向觸發(fā)信號，BG2便有基

28、流ib2流過，經(jīng)BG2放大，其集電極電流ic2=β2ib2。因為BG2的集電極直接與BG1的基極相連，所以ib1=ic2。此時，電流ic2再經(jīng)BG1放大，于是BG1的集電極電流ic1=β1ib1=β1β2ib2。這個電流又流回到BG2的基極，表成正反饋，使ib2不斷增大，如此正向饋循環(huán)的結(jié)果，兩個管子的電流劇增，可控硅使飽和導(dǎo)通。</p><p>　　由于BG1和BG2所構(gòu)成的正反饋作用，所以一旦可控硅導(dǎo)通后，即

29、使控制極G的電流消失了，可控硅仍然能夠維持導(dǎo)通狀態(tài)，由于觸發(fā)信號只起觸發(fā)作用，沒有關(guān)斷功能，所以這種可控硅是不可關(guān)斷的。</p><p>　　由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化，如下表</p><p>　　表1-3 可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷條件</p><p><b>　　2) 基本伏安特性</b>

30、</p><p>　　圖5-3-1 可控硅基本伏安特性 </p><p><b>　?。?）反向特性</b></p><p>　　當控制極開路，陽極加上反向電壓時（見圖3），J2結(jié)正偏，但J1、J2結(jié)反偏。此時只能流過很小的反向飽和電流，當電壓進一步提高到J1結(jié)的雪崩擊穿電壓后，接差J3結(jié)也擊穿，電流迅速增加，圖3的特性開始彎曲，如特

31、性O(shè)R段所示，彎曲處的電壓URO叫“反向轉(zhuǎn)折電壓”。此時，可控硅會發(fā)生永久性反向擊穿。</p><p>　　圖1-6 陽極加反向電壓</p><p><b>　?。?）正向特性</b></p><p>　　當控制極開路，陽極上加上正向電壓時（見圖1-6），J1、J3結(jié)正偏，但J2結(jié)反偏，這與普通PN結(jié)的反向特性相似，也只能流過很小電流，這叫正向

32、阻斷狀態(tài)，當電壓增加，圖3的特性發(fā)生了彎曲，如特性O(shè)A段所示，彎曲處的是UBO叫：正向轉(zhuǎn)折電壓 </p><p>　　圖5-3-2 陽極加正向電壓</p><p>　　由于電壓升高到J2結(jié)的雪崩擊穿電壓后，J2結(jié)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生大量的電子和空穴，電子時入N1區(qū)，空穴時入P2區(qū)。進入N1區(qū)的電子與由P1區(qū)通過J1結(jié)注入N1區(qū)的空穴復(fù)合，同樣，進入P2區(qū)的空穴與由N2區(qū)通

33、過J3結(jié)注入P2區(qū)的電子復(fù)合，雪崩擊穿，進入N1區(qū)的電子與進入P2區(qū)的空穴各自不能全部復(fù)合掉，這樣，在N1區(qū)就有電子積累，在P2區(qū)就有空穴積累，結(jié)果使P2區(qū)的電位升高，N1區(qū)的電位下降，J2結(jié)變成正偏，只要電流稍增加，電壓便迅速下降，出現(xiàn)所謂負阻特性，見圖3的虛線AB段。</p><p>　　這時J1、J2、J3三個結(jié)均處于正偏，可控硅便進入正向?qū)щ姞顟B(tài)---通態(tài)，此時，它的特性與普通的PN結(jié)正向特性相似，見圖2

34、中的BC段</p><p>　?。?) 觸發(fā)導(dǎo)通在控制極G上加入正向電壓時（見圖5）因J3正偏，P2區(qū)的空穴時入N2區(qū)，N2區(qū)的電子進入P2區(qū)，形成觸發(fā)電流IGT。在可控硅的內(nèi)部正反饋作用（見圖2）的基礎(chǔ)上，加上IGT的作用，使可控硅提前導(dǎo)通，導(dǎo)致圖3的伏安特性O(shè)A段左移，IGT越大，特性左移越快。</p><p>　　圖5-3-3 陽極和控制極均加正向電壓</p><

35、p>　?。?) 普通晶閘管的主要參數(shù)</p><p>　　晶閘管的主要參數(shù)有：(1)額定通態(tài)平均電流It在規(guī)定的使用條件下．陽極—陰極間可以連續(xù)通過50H正弦半波電流的平均值。</p><p>　　(2)正向阻斷峰值電壓Vdrm。在門極開路，不加觸發(fā)信號，允許重復(fù)加在晶閘管陽極和陰極之間的正向峰值電壓(手冊規(guī)定重復(fù)率為50次／s，持續(xù)時間不大于10MS)，稱為正向阻斷峰值電壓Vdr

36、m。</p><p>　　(3)反向阻斷峰值電壓Vdrm。當晶閘管加反向電壓，處于反向阻斷狀態(tài)時．可以重復(fù)加在晶閘管兩端的反向峰值電壓(手冊規(guī)定重復(fù)率為50次／s，重復(fù)時間不大于10MS)。 (4)門極觸發(fā)電流Igt在室溫下，陽極與陰極間加有6v正電壓時、使元件完全開通所必須的最小門極直流電流。</p><p>　　(5)維持電流Ih。在室溫和門極斷路時，保持元件處于通態(tài)所必需的最小通

37、態(tài)電流。</p><p>　　5.4 A/D0809轉(zhuǎn)換芯片</p><p>　　一般常見的有四種A/D轉(zhuǎn)換電路，其用途與性能見下表：</p><p>　　表1-4 常見4種A/D轉(zhuǎn)換電路用途與性能</p><p>　　這里選用的是ADC0809轉(zhuǎn)換芯片。ADC0809轉(zhuǎn)換芯片是8位、逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換芯片，具有地址鎖存控制的8路模擬開關(guān)

38、。應(yīng)用單一+5V電源，其模擬量輸入電路的范圍為0~5V，對應(yīng)的數(shù)值量輸出為00H~FFH，轉(zhuǎn)換時間為100us,無須調(diào)零或調(diào)整滿量程。</p><p>　　圖1-10 ADC0809芯片引腳圖</p><p>　　ADC0809有28個引腳，在精度要求不太高的情況下，供電電源就用做基準電源。該芯片中的START是芯片中的起動引腳。其上脈沖的下降沿起動一次新的A/D轉(zhuǎn)換；EOC是轉(zhuǎn)換結(jié)束信

39、號，可用于向單片機申請中斷或供單片機查詢；OE是輸出允許端；CLK是時鐘端，因芯片的時鐘頻率最高只可工作于640kHZ，故通常由單片機的ALE引腳經(jīng)分頻后接向該引腳；</p><p><b>　　6、設(shè)計電原理圖</b></p><p><b>　　程序與流程圖</b></p><p><b>　　7.2 調(diào)試程

40、序</b></p><p>　　//調(diào)入89C51單片機函數(shù)庫頭文件</p><p>　　#include <reg51.h></p><p>　　#define uchar unsigned char </p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　

41、　//ADC0809引腳定義</p><p>　　sbit OE=P3^0;</p><p>　　sbit EO=P3^1;</p><p>　　sbit ST=P3^2;</p><p>　　sbit CLK=P3^3;</p><p>　　sbit ADDA=P3^4;</p><p>　　

42、sbit ADDB=P3^5;</p><p>　　sbit ADDC=P3^6;</p><p>　　uint OutputValue;</p><p>　　uint Error2,Error1;</p><p><b>　　// 主程序</b></p><p>　　void main()<

43、;/p><p><b>　　{</b></p><p>　　AD0809_Init（）；//AD0809 的初始化</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　ST=0;ST=1;ST=0

44、; //啟動A/D轉(zhuǎn)換</p><p>　　while(EOC==0); //等待轉(zhuǎn)換結(jié)果</p><p>　　OE=1; //允許輸出</p><p>　　Error1=P2*1.0/255; //獲得當前反饋值</p><p>　　Calc_Result(); //進行計算輸出值U（k）<

45、/p><p>　　OE=0;//關(guān)閉輸出 //關(guān)閉AD0809使能</p><p>　　P1=OutputValue; //8253調(diào)功輸出</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　AD0809_Init（）&l

46、t;/p><p>　　{//*******************AD0809的初始化******************************************//</p><p><b>　　EA=1;</b></p><p>　　TMOD=0x01;</p><p>　　TH0=(65536-150)/256

47、;</p><p>　　TL0=(65536-150)%256;</p><p><b>　　ET0=1;</b></p><p><b>　　TR0=1;</b></p><p><b>　　ADDA=0;</b></p><p><b>　

48、　ADDB=0;</b></p><p>　　ADDC=0;//選擇ADC0809通道1(INT0)</p><p>　　//***************************************************************************//</p><p><b>　　}</b></p&

49、gt;<p>　　void Calc_Result()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　//**************************************************************************//</p><p>　　//依據(jù)U（k）傳遞函數(shù)進行計算當前輸

50、出值</p><p>　　OutputValue=0.983*OutputOld1+0.017*OutputOld2+1.628*Error1-1.613*Error2;</p><p>　　//記錄以前的輸出值與以前的偏差量</p><p>　　OutputOld1=OutputValue;</p><p>　　OutputOld2=Out

51、putOld1;</p><p>　　Error2=Error1；</p><p>　　//**************************************************************************//</p><p><b>　　}</b></p><p>　　//T0定時器中

52、斷給ADC0809提供CLK時鐘信號</p><p>　　void Timer0_INT() interrupt 1</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TH0=(65536-150)/256;</p><p>　　TL0=(65536-150)%256;</p><p>

53、　　CLK=~CLK;//ADC0809時鐘信號 </p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　7.3程序流程圖</b></p><p><b>　　8、心得體會</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p&g

54、t;<p>　　《微型計算機控制技術(shù)》 賴壽宏 主編 機械工業(yè)出版社</p><p>　　《計算機控制技術(shù)》 溫鋼云 黃道平 編著 華南理工大學出版社</p><p>　　《自動檢測技術(shù)與裝置》 張宏建 蒙建波 主編 化學工業(yè)出版社</