1、中北大学课程设计任务书2012/2013学年第 一 学期学 院：信息与通信工程学院专 业：自动化学生姓名：学号： 09050542课程设计题目：温度程序控制系统设计起迄日期：2013年1月7日2013年1月18日课程设计地点：中北大学指导教师：张艳兵 张秀艳系主任：王忠庆下达任务书日期：2013年1月7日课程设计任务书1 .设计目的：设计一个计算机温度程序控制系统，可以对电阻炉的温度进行实时检测和控制。通 过设计，掌握数据采集系统、实时控制系统的设计原理、设计步骤，进一步提高综合运 用知识的能力。2 .设计内容和要求(包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等)：(1)设计数据采集电路，对电阻炉
2、的温度进行实时数据采集，要求温度的测量范围 是：0200C,精度为土 1C。(2)设计控制和驱动电路，实现炉温的自动控制，使其最终稳定在150C。(3)选择控制算法，编写控制程序。(4)写出设计说明书。3 .设计工作任务及工作量的要求(包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等)：(1)查阅资料，确定设计方案(2)选择器件，设计硬件电路，并画出原理图和 PCBS(3)画出流程图，编写控制程序(4)撰写课程设计说明书课程设计任务书4 .主要参考文献:1、李朝青.单片机原理及接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，20052、张艳兵、赵建华、鲜浩.计算机控制技术.北京：国防工业出版社，20083、袁
3、保生.Protel99SE电路设计实验指导.太原：中北大学，20104、胡锦、蔡谷明、梁先宇.单片机技术使用教程.北京：高等教育出版社，2003.5、李勋.单片机实用教程.北京：北京航空航天大学出版社，2000.6、李晓莹.传感器与测试技术.北京：高等教育出版社，2004.5 .设计成果形式及要求:课程设计说明书1份原理图和PCB图各1份程序清单1份6.工作计划及进度：起迄日期2013年1月7日 1月8日1 月9日 1月11日1 月12日1月14日1月15日 1月16日1月17日 1月18日工作内容查阅资料，确定设计方案设计硬件电路画出流程图，编写控制程序撰写课程设计说明书课程设计答辩系主任审
4、查意见:签字：年 月日基于单片机的电炉温度检测、控制系统摘要：本文主要解决对电炉的温度进行实时检测和控制的问题。 采集电炉的温度, 并控制在一定的温度。一.原理电炉温度控制系统是闭合的反馈系统。温控系统主要由温度传感器、温度调 节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统组成框图如图1所示。被控制对象是大容量、大惯性的电炉温度对象，是典型的滞后环节，在这里近似为包含 有纯滞后的一阶滞后；由于被控对象电容量大，通常采用可控硅作调节器的执行 器，被控参数执行装置一被控对象温度传感器温度控制系统结构图如下:电炉温度单片机光耦PWMD/A二.硬件电路设计1 .传感器的选择(1)铝金电阻Pt100具有高
5、精度、高稳定、宽泛的工作温度范围。测温范 围为-200850 c 0 Pt100只需经适当的数据处理就可传输、 显示并记录温度输出。 常温下，Pt100的热敏电阻阻值与温度成正比，设计时只需将已知电流通过热敏 电阻就可得到与温度成正比的输出电压，再根据电阻 -温度关系，计算出被测温 度值。(2)查询资料，XTR101是一款集成的电压/电流转换器，接收各类传感器 传输的小信号，并转换成标准的4mA20mA二线制电流输出。XTR101是以电流 形式传输信号的，因此不受远距离传输线阻抗压降的影响，并对其他设备的噪声具有高抗干扰性。它将热电偶信号(温度信号)变为 420mA电流输出，再由高 精密电流/
6、电压变换器RCV420将420mA电流信号变为05V标准电压信号， 以供A/D转换用。XTR101转换温度信号的典型电路如下：-UXTR101herriccc启Temoerature T,L2.5KA2TemDeratureT； = t3图3(3) RCV420是一种精密电流/电压变换器，它能将420mA的环路电流变 为05V的电压输出，并且具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密运放和电 阻网络外，还集成有10V基准电源。对环路电流由很好的变换能力。RCV420工作电路如下:工 lr.5 R：叫Q5 5T 7FtCVJJG-*J4 Rlv Out li.RxOutB M Trtm7 R*?0(
7、5? eiusthn图42 .A/D转换电路1) ADC0809芯片：ADC080思带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻 辑的CMOSS件。它是逐次逼近式 A/D转换器，可以和单片机直接接口。(1) ADC0809勺内部逻辑结构由下图可知，ADC0809s 一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通 8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换 完的数字量，当0印为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。廊m2IN3IN6QT7ABALE地址 锁存 与译 玛
8、器图5(2) ADC080鸟I脚结构 ADC0809&脚功能如下： D7-D0: 8位数字量输出弓I脚。 IN0-IN7 : 8位模拟量输入引脚。 VCC +5V工作电压。GND 地。REF(+):参考电压正端。REF(-):参考电压负端。START A/D转换启动信号输入端。ALE地址锁存允许信号输入端。(以上两种信号用于启动A/D转换)二EOC转换结束信号输出弓I脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK时钟信号输入端(一般为500KHZ。A、B、C:地址输入线。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当 ALE线为高电平时，地址锁
9、存与译 码器将A, B, C三条地址线的地址信号进行锁存， 经译码后被选中的通道的模拟 量进入转换器进行转换。A, B和C为地址输入线，用于选通IN0 IN7上的一路 模拟量输入。ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳 沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC转换结束信号。 当EOE高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。巳1,输出转换得到的数据；。巳0,输出数据线呈高阻状态。D7 D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入彳S号线。因ADC0809勺内部没有时钟电路，所
10、需时钟信号必须由 外界提供，通常使用频率为500KHz VREF( + ), VREF(-)为参考电压输入。 3.D/A转换电路1) DAC0832K片：DAC0832t采样频率为八位的D/A转换芯片，集成电路内有两 级输入寄存器，使DAC08325片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便 适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。所以这个芯片的HQ3*大二蒯器LE=I* A - i-r 用偌U 1.，应用很广泛,关于DAC083独用的一些重要资料见下图:辞人人；ft-AbNl)川_ Iri,10一【NN精A小他泗上一OnQU勤工8，喇清#a6*HiEE-(rM，aI象(
11、人收加被他将图6D/A转换结果采用电流形式输出。若需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。运放的反馈电阻可通过 RFB端引用片内固有电 阻，也可外接。DAC083型辑输入满足TTL电平，可直接与TTL电路或微机电路 连接。2) DAC083川脚功能说明：DI0DI7:数据输入线，TLL电平。ILE:数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。CS:片选信号输入线，低电平有效。WR1为输入寄存器的写选通信号。XFER数据传送控制信号输入线，低电平有效。WR2为DAC寄存器写选通输入线。loutl：电流输出线。当输入全为1时loutl最大。Iout2:电流输出线。其值与lou
12、tl之和为一常数。Rfb:反馈信号输入线，芯片内部有反馈电阻.Vcc:电源输入线(+5v+15v)Vref:基准电压输入线(-10v+10v)agnDK拟地，摸拟信号和基准电源的参考地.DGN啖字地,两种地线在基准电源处共地比较好采用ADC0809K现A/D转换。DAC083左采用CMOS艺制成的单片直流输出型 8位数/模转换器。如图4-82 所示，它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压 VREFB大 部分组成。运算放大器输出的模拟量 V0为：图7T + D,T 2一: 十八 + A -2s)D , -2 +A + ft - 2由上式可见，输出的模拟量 与输入的数字量（ T
13、/）成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换。一个8位D/A转换器有8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数的一位）， 有一个模拟输出端。输入可有 28=256个不同的二进制组态，输出为256个电压 之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256个可能值。图4-83是DAC0832勺逻辑框图和引脚排列。图8物人寄存器D D数樵W存寄 D DDAC0832俞出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。实验线路如图 4-84所示。口7 口6口. 必 na5So图94.TL494 芯片TL494根据输入的电压大小，通过调节占空比，输出不同的PW快形TL49
14、4是一种固定频率脉宽调制电路，它主要为开关电源电路而设计。其主要电路图如下:图10TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的电阻RT和电容Ct来进行调节，其振荡频率为：输出脉冲的宽度是通过电容 Ct上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号 进行比较来实现。功率输出管 Q1和Q2受或非门控制，仅当双稳触发器的时钟 信号为低电平时才工作，亦即锯齿波电压大于控制信号期间工作。因此，当控制信号增大时，输出的脉冲宽度将减小。控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区电压比较器，一路送往误差放 大器输入端。死区电压比较器具有 120mv的输入补偿电压，它限制了最小输
15、出 死区时间约等于锯齿波周期的4%。当输出控制端接地，最大输出占空比为96%, 接参考电压时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定电压 （范围在 03.3V之间）时，即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。脉冲宽度比较器为误差放大器调节输出宽度提供了一种手段。当反馈电压从0.5V变化到3.5V时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比下降到00两个误差放大器有相同的电压输入范围，从-0.3到VCC-2,这可被用于检测电源 的输出电压和电流。误差放大器的输出端常处于高电平， 它与脉冲宽度调制器的 反相输入端进行或运算。使用这种结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回当电容Ct放电，一个
16、正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双 稳触发器进行计时，同时停止输出管 Q1和Q2的工作。若输出控制端连接到参 考电压源，那么脉冲交替输至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的频率 的一半。如果工作在单端状态，且最大占空比为50%时，输出驱动信号分别从晶 体管Q1和Q2取得，输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端 工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将 Q1和Q2并联使用，这时， 需要将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器，此状态下，输出频率等于振荡器的频率。TL494内置一个5.0V的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达 10mA的负载电流。在典型的070c
17、温度条件下，该基准电源能提供土 5%的精 确度。5.MOC3041的选择。为了实现水温的PID控制，功率放大电路的输出不能是一个简单的开关量， 输入电炉的加热功率必须连续可调；通过输出不同占空比的方波，控制光耦 MOC304的开关时间，这样就可以控制电炉的加热时间。MOC3041图11三.电路四.程序代码1) A/D转换：MAIN1: MOV R0 #2AHSETB IT1SETB EASETB EX1MOV DPTR,#7FF8HMOVX DPTR,AHERE: SJMP HERE申请中断程序：MOVX A,DPTR;读数MOV R0,ARETI2) PID算法控制程序：2FHUi30H15
18、0 即UR31Hkp32HkI33HkD34He(k)35HKe(k)36He(k-1)37He(k) -e(k -1)38Hkp Ie(k)-e(k-1)39He(k-2)3AHe(k-2)-e(k-1)3BHe(k) -2e(k-1) + e(k-2)3CHkDe(k) -2e(k-1) + e(k-2)3DHu(k)MAIN2 MOV 2FH,2AH; Ui 存入 2FHMOV 30H,#96H;150MOV 31H, KpMOV 32HKIMOV 33H, KDMOV R5,30H; Ur存入 R5MOV R4,2FH; Ui存入 R4ACALL CPL1; 把 R4求补ACALL D
19、SUMMOV 34H,R7; e(k) 存入 34HMOV R5,34HMOV R4,32H;KI 存入 R4MOV R0 , #35HACALL MULT;KI*e(k) 存入 35HMOV R5,34H存入 R4MOV R4,36H;e(k-1)ACALL CPL1ACALL DSUM; e(k)-e(k-1)MOV 37H,R7MOV R5,37H; e(k)-e(k-1) 存入 R5MOV R4,31H;Kp 存入 R4MOV R0 ， #38HACALL MULT;Kpe(k)-e(k-1)MOV R5,39H;e(k-2) 存入 R5MOV R4,36HACALL CPL1ACAL
20、L DSUMMOV 3AH,R7; e(k-2)-e(k-1)MOV R5,37H;e(k)-e(k-1) 存入 R5MOV R4,3AHACALL DSUM; e(k)-2e(k-1)+e(k-2)MOV 3BH,R7MOV R5,3BHMOV R4,33HMOV R0,#3CHACALL MULT;Kde(k)-2e(k-1)+e(k-2)MOV R5,35HMOV R4,38HACALL DSUMMOV R5,R7MOV R4,3CHACALL DSUM; ，u(k)MOV 39H,36H;e(k-1) 变为 e(k-2)MOV 36H,34H;e(k) 变为 e(k-1)MOV A,2
21、FHADD A,3CH;u(k)+，u(k)MOV 2FH,ARET3) D/A 转换程序：MOV DPTR,#8FFFHMOV A,34HMOVX DPTR,ARET五心得体会这一个礼拜的课程设计结束了 , 大学的最后一个课程设计就这样结束了。整体说来还是和以前的课程设计没什么不同。 先构造这个温度控制系统的几个大的模块，比如温度采集、控制算法、执行器等，再寻找相应的器件，最后搭建成一个系统。其中也遇到了很多麻烦，比如用 Protel 画图，很多元件库里没有，自己封装。从理论到实践，整整一个星期的日子里，我还遇到了很多困难，但是同时也学到了好多东西。 它不仅巩固了我以前所学的理论知识， 更让我学到了很多课外的东西，锻炼了自己解决实际问题的能力。六参考文献1、李朝青 . 单片机原理及接口技术. 北京：北京航空航天大学出版社， 20052、张艳兵、赵建华、鲜浩. 计算机控制技术. 北京：国防工业出版社， 20083 、袁保生 .Protel99SE 电路设计实验指导 . 太原：中北大学， 20104 、 胡锦、 蔡谷明、 梁先宇 . 单片机技术使用教程. 北京： 高等教育出版社， 2003.5、李勋. 单片机实用教程. 北京：北京航空航天大学出版社， 2000.6、李晓莹. 传感器与测试技术. 北京：高等教育出版社 ,2004.
