最小拍温湿度控制系统.docx

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最小拍温湿度控制系统

辽宁工业大学

微型计算机控制技术课程设计（论文）

题目：

基于最少拍的烤烟房温湿度控制系统设计

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

自动化083

学号：

080302078

学生姓名：

翟金星

指导教师：

赵丽丽

起止时间：

2011-12-16至2011-12-23

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电气工程学院教研室：

自动化

学号

080302078

学生姓名

翟金星

专业班级

自动化083

课程设计（论文）题目

基于最少拍的烤烟房温湿度控制系统设计

课程设计（论文）任务

课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数

实现功能

烤烟炉的温度影响烤烟的质量，本设计采用单片机作为控制器，设计相应的输入输出通道，采用最小拍数字控制器，对烤烟炉的温湿度加以控制，能达到期望的质量标准。

设计任务及要求

1、确定系统设计方案，包括单片机的选择，输入输出通道，键盘显示电路；

2、建立被控对象的数学模型；

3、设计最小拍无纹波控制器，编写程序清单；

4、仿真研究，验证设计结果；

5、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。

技术参数

温度0℃～70℃；

湿度小于2%RH

两位LED显示温湿度

进度计划

1、布置任务，查阅资料，确定系统方案（1天）

2、系统功能分析（1天）

3、系统建模（1天）

4、算法推导，程序设计（2天）

5、仿真分析与研究（2天）

6、撰写、打印设计说明书（2天）

7、答辩（1天）

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

本文的工作主要分为硬件系统的设计和软件系统的设计。

以硬件设计为主，分别介绍了温湿度测量传感器、A/D转换、显示模块、单片机系统、按键模块；模-数转换模块，实现对采集到的数据进行模拟量到数字量的转换；软件部分主要介绍设计思想及主程序流程图。

本系统是一个的智能控制系统，采用了较新的集成电路，是专门为烤烟房温湿度控制行设计的。

系统具有以下优点：

性能好、操作方便。

其测量为0-70℃；实现了对温湿度的显示或温湿度调节；用户还可以通过系统面板上的按键来设定各种参数。

关键词：

单片机；A/D转换；传感器；LED

第1章绪论

设计背景

近年来，温湿度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金﹑机械﹑食品﹑化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉﹑热处理炉﹑反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。

因此，在工业生产和家居生活过程中常需对温湿度进行检测和监控。

由于许多实践现场对温度的影响是多方面的，使得温湿度的控制比较复杂，传统的控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产。

随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的计算机控制技术所取代。

算法介绍

最少拍设计，使指系统在典型输入信号（如阶跃信号、速度信号、加速度信号）作用下，经过最少拍（有限拍）使系统输出的系统稳态误差为零。

因此最少拍控制系统也称最少拍无差系统或最少拍随动系统，它实质上是时间最优控制系统，系统的性能指标就是系统调节时间最短或尽可能短，即对闭环Z传递函数要求快速性和准确性。

第2章系统方案确定

概述

在温湿度控制技术领域中,普遍采用PID控制算法,但是,在一些离散性大,时滞特性强的系统中,PID控制规律不一定能获得理想的效果。

对于那些控制对象的模型为已知时,若采用直接数字化的设计方法,则更适合时滞特性强,采样周期大的控温系统中。

同时可避免PID控制器所必需而又麻烦的参数整定。

所以本设计采用直接数字化法——最少拍控制原理。

控制器的选择

本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温湿度传感器可以产生模拟信号，和A/D模拟数字转换芯片的性能，我设计了以89C51基本系统为核心的一套检测系统，其中包括A/D转换、单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、键盘及显示、系统软件等部分的设计。

图2.1系统结构框图

第3章硬件设计

单片机AT89C51

单片机采用了AT89C51，AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内4KBFlashROM程序存储器；可寻址64KB的片外程序存储器呵片外数据存储器控制电路；2个16位定/计数器；一个全双工的异步串行口。

AT89C51的引脚图如图3.1所示。

外形及引脚排列为如图3.4所示：

图3.1AT89C51硬件连接图

一．电源引脚

（1）Vcc（40脚）：

+5V电源。

（2）Vss（20脚）：

接地。

二．时钟引脚

（1）XTAL1（19脚）：

接外部晶体，如果采用外接振荡器时，振荡器的输出应接到此引脚上。

（2）XTAL2（18脚）：

接外部晶体的另一端或采用外接振荡器时悬空。

三．控制引脚

提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。

（1）RST/VPD（9脚）：

复位与备用电源。

（2）EA/VPP（EnableAddress/VoltagePulseofProgRam-ing，31脚）

EA：

为内外程序存储器选择控制端。

EA=1，访问片内程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对于8051、8751）时，即超出片内程序存储器的4K字节地址范围时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。

EA=0，单片机则只访问外部程序存储器。

VPP：

本引脚的第二功能。

用于施加编程电压（例如+21V或+12V）。

对AT89C51，加在VPP脚的编程电压为+12V或+5V。

（3）ALE/PROG（30脚）：

第一功能:

ALE为地址锁存允许，可驱动8个LS型TTL负载。

第二功能:

PROG为编程脉冲输入端。

此外，单片机在运行时，ALE端一直有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率fosc的1/6。

该正脉冲信号可以作时钟源或定时信号使用。

注意:

每当AT89C51单片机访问外部RAM时（即执行MOVX类指令时），要丢失1个ALE脉冲。

因此，严格来说，ALE还不宜作为精确的时钟源或定时信号。

（4）PSEN（29脚）：

外部程序存储器的读选通信号。

在单片机读外部程序存储器时，此引脚输出脉冲的负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。

四．并行I/O口引脚。

1）P0口：

当89C51扩展外部存储器及I/O接口芯片时，P0口作为地址总（低8位）及数据总线的分时复用端口，为双向I/O口。

也可作为通用的I/O口使用，但需加上拉电阻，这时为准双向口。

当作为普通的I/O输入时，应先向端口的输出锁存器写入1。

2）P1口：

8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。

3）P2口：

8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。

4）P3口：

8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。

信号采集

温度传感器

美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持"一线总线"接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。

全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。

温度采集电路模块如图2.4所示。

DSB8B20的3脚接系统中单片机的P1.4口线，用于将采集到的温度送入单片机中处理，2脚和3脚之间接一个4.7K上拉电阻，即可完成温度采集部分硬件电路。

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

图3.2DS18B20

湿度传感器

HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。

涉及如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号时，常用两种方法:

一是将HS1101置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号;另一种是将HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。

NE555的输出端跟ADC0809的IN0通道相接，则ADC0809芯片的地址选通为ADDR0,ADDR1,ADDR2都接地。

ADC0809的转换时钟由单片机的ALE提供。

ADC0809的典型转换频率为640kHz，ALE信号频率与晶振频率有关，如果晶振频率取12MHz，则ALE的频率为2MHz，所以ADC0809的时钟端CLK与单片机的ALE端相接时，要考虑分频。

8051通过地址线P2.0和读写控制线

、

来控制模拟输入通常地址锁存、启动和输出允许。

测湿电路与单片机的连接图如图所示。

图3.3湿度采集电路

键盘电路的设计

在本次设计当中，输入设备采用4*4矩阵键盘。

当“设定”键按下时触发键盘中断服务程序，由程序程控扫描法确定那个键按下并执行相应的动作。

程控扫描的任务是：

（1）首先判断是否有键按下。

方法：

使所有的行输出均为低电平，然后从端口A读入列值。

如果没有键按下，则读人值为FFH．如果有链按下．则不为FFH。

（2）去除键抖动。

方法：

延时10—20ms，再一次判断有无键按下，如果此时仍有键按下，则认为键盘上确实有键处于稳定闭合期。

（3）若有键闭合，则求出闭合键的键值。

方法：

对键盘逐行扫描。

程序中需等闭合键释放后才对其进行处理。

其键盘电路图如下。

图3.4键盘电路

显示电路设计

显示采用2位共阳LED动态显示方式,显示内容有温度值的十位、个位，按键并接在8155PC口中，PC为读入口。

显示电路实行LED显示，A口字段口，B口为在位选口，LED用动态显示，这里采用八段共阳LED。

模块电路如下图

图3.5显示电路图

D/A转换电路的设计

单片机控制信号经过D/A转换器将输出信号送入执行器中。

D/A转换电路如下图所示

图3.6D/A转换电路

第4章软件算法

4.1最小拍系统

在采样控制系统中，通常把一个采样周期称作一拍。

在典型输入信号作用下，经过最少拍，使输出量采样时刻的数值能完全跟踪参考输入量的数值，跟踪误差为零的系统称为最少拍系统。

计算机控制系统的方框图为：

图4-1最少拍计算机控制原理方框图

根据上述方框图可知，有限拍系统的闭环脉冲传递函数为：

（4-1）

（4-2）

由（4-1）、（4-2）解得：

（4-3）

首先要使系统的过渡过程在有限拍内结束，显然，这样对系统的闭环脉冲传递函数

提出了较为苛刻的要求，即其极点应位于z平面的坐标原点处。

亦即希望系统的脉冲传递函数为

（4-4）

式中：

F（z）为H（z）的分子多项式，k为某一整数。

式（4-4）表明H（z）的极点都在z平面的原点，系统的脉冲响应在经过了有限数k拍以后就变为零，过渡过程结束。

式（4-4）表明了离散系统中，为了使过渡过程较快地结束应符合的条件。

K是个有限值，它至少应该是什么数值呢？

可以分析一下闭环传递函数H（z）。

将式（4-4）代入D（z）表示式，得

（4-5）

如果m和n分别为对象和保持器的组合脉冲传递函数G（z）的分子和分母的阶次，

为式（4-5）中F（z）的阶次，要使D（z）能实现，就应使分母的阶次大于分子的阶次

（4-6）

由式（4-6）可见，当

时，H（z）的分子

常数，暂态响应的持续节拍数最少。

式中n和m是由对象、保持器决定的，是不可变部分。

这时应有

（4-7）

这是过渡过程所能达到的最低极限节拍数，它规定了“最少拍”的极限数。