文档介绍：智能仪器期末作业:水温控制系统
一、设计任务:
设计一个水温控制系统
一升水由1kW的电炉加热,要求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,以保持设定的温度基本不变。
主要性能指标:
温度设定范围:40~90℃,最小区分度为1℃;
控制精度:温度控制的静态误差≤1℃;
用十进制数码显示实际水温;
二、总体论证
1、控制方法选择
采用比例积分加微分控制(PID控制):
微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成比例,它对克服对象的容量滞后有显著的效果;
在比例基础上加入微分作用,使稳定性提高,再加上积分作用,可以消除余差;
t
y
PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。
一方面,由于可以采用单片机实现控制过程,无论哪一
种控制方法都不会增加系统硬件成本,而只需对
软件作相应改变即可实现不同的控制方案;
另一方面,采用PID的控制方式可以最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。
速度估算:
∵ΔQ=mCΔT=1000g×1kcal/g•K×1K=1000kcal
又∵ΔW=P×Δt=×ΔQ
∴Δt=×ΔQ/P=×1000kcal/1000W=
由此可见,对于指令执行时间一般为几个微秒的单片机系统来说,控制速度几乎没有任何限制
三、系统设计
采用以单片机为核心的直接数字控制系统。
软、硬件功能划分
为了简化系统硬件、降低硬件成本、提高系统灵活性和可靠性,系统的软、硬件功能可作如下划分:
PID运算、输入信号滤波及大部分控制过程都可由软件来完成;
硬件的主要功能是温度信号的传感、放大、A/D转换及输出信号的功率放大;
人机通道功能由系统软、硬件配合完成,以降低软件设计的复杂性及缩短系统的研制周期。
总体框图
系统由前向通道模块(即温度采样模块)、后向控制模块、系统主模块及键盘显示摸块等四大模块组成
四、单片机基本系统
单片机系统是整个控制系统的核心;
由于系统对控制速度、精度及功能要求都无特别之处,因此可以选用目前广泛使用的MCS-52系列单片机8052;
8052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
前向通道是信息采集的通道,主要包括传感器、信号放大、A/D转换等电路;
由于水温变化是一个相对缓慢的过程,因此前向通道中没有使用采样保持电路;
信号的滤波可由软件实现,以简化硬件、降低硬件成本。
后向通道
后向通道是实现控制信号输出的通道;
单片机系统产生的控制信号经功率放大电路放大控制电炉的输入功率,以实现控制水温的目的。
人机对话通道
人机对话通道主要由键盘、LED显示组成;
为了满足功能要求,键盘可由10个数字键及6个功能键组成(确认、取消、设定温度、修改PID参数、运行、打印);
LED显示由双3位数码管组成,分别显示给定温度和实测温度,~℃;
单元电路设计
单片机最小系统
如图,单片机最小系统有复位电路和振荡器电路。值得注意的一点是单片机的31脚必须接高电平,否则系统将不能运行。因为该脚不接时为低电平,单片机将直接读取外部程序存储器,而系统没有外部程序存储器,。在按键两端并联一个电解电容,滤除交流干扰,增加系统抗干扰能力。
前向通道
一阶惯性滤波即RC低通滤波
主要用于过滤掉变化的随机干扰信号
算法公式为Y(n)=aX(n)+(1-a)Y(n-1)
A是滤波系数,本次采样值,上次滤波输出值,本次滤波输出值因此,一阶低通滤波算法采用本次采样值与上次滤波输出值进行加权处理,得到有效滤波值,是输出对输入有反馈作用
优点:对周期性干扰有良好的抑制作用,适用于波动频率较高的场合
缺点:相位滞后,灵敏度低,其中滞后程度取决于A的大小
流程图:
PID控制电路:
A
Uc
图中三端稳压7812作为基准电压,由运放虚短虚断可知运放的反向输入端Ui的电压为零伏。当输出电压为零伏时(即Uo=0v) 列出A点的结点方程如下:
……………..…………………………. …(1)
由于系统控制的水温范围为35℃--95℃,,, 三端稳压7812的输出电压为12v所以由方程(1)得
……………………………(2)
由方程(2)的取电阻R2=30k , R1=10k的电位器。又由于ADC0804的输入电压范围为0—5v ,为了