计算机控制课程设计温度控制.doc

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1、北 方 民 族 大 学课程设计报告院（部、中心） 姓 名 学 号 专 业 班 级 同组人员 课程名称 设计题目名称 起止时间成 绩 指导教师签名 北方民族大学教务处制目 录1、课程设计内容任务22、对课设任务的理解和分析33、题目的设计分析与计算34、Matlab对控制系统的仿真54.1 Matlab仿真连接图54.2 仿真调试结果图55、 部分设计电路元件的介绍65.1 热电偶与温度检测原理65.2.1 定时/计数器95.3 光控可控硅105.4 A/D0809转换芯片136、设计电原理图157、 程序与流程图167.2 调试程序177.3程序流程图198、心得体会209、 参考文献211、

2、课程设计内容任务题目三、设计温度控制系统，其控制系统动态结构图如下：图中采样周期T=6 (S)；K=1.16；TD=680（S）；=30（S） 输入为单位阶跃信号。1、 要求设计系统，设，无振铃现象。2、 计算出D（Z），并编写汇编语言（或C语言）控制程序。3、通过MATLAB仿真验证设计结果。4、设计电原理图（CPU选择8086或MCS-51），A/D转换器可使用图6-30方案；D/A转换器可选择教材中图6-32所示方案；功率加热元件为双向可控硅,调功方式。2、对课设任务的理解和分析1、该任务是针对一个特定的控制对象进行可靠性和稳定性控制，选取实际生活中常见的温度为控制对象；2、该任务只需要

3、一个控制对象，观察仿真图形和性能，选取单回路控制系统模型进行设计；3、硬件设计过程采取分步设计，由局部到整体，主要有温度检测模块、输入通道部分、输出通道部分、接口扩展部分、晶振和复位电路模块、调压触发电路等；4、根据其特定性能，本设计采用大林控制算法来实现系统控制，为了使系统无振铃现象，设计出数字控制器D(z)及其差分方程；5、编写程序流程图，采取正确的思路和方法，包括主程序流程图、A/D0809初始化、8253初始化、大林算法、延时等；6、仿真分析和验证过程采用MATLAB和SIMULINK实现，主要针对仿真性能调节系统参数，并结合输入信号（单位阶跃信号）进行可靠性、稳定性分析。3、题目的设

4、计分析与计算4、Matlab对控制系统的仿真4.1 Matlab仿真连接图图4-1 Matlab仿真连接图4.2 仿真调试结果图图4-2 仿真调试结果图5、 部分设计电路元件的介绍5.1 热电偶与温度检测原理5.2 8051单片机 8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串口接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，具体介绍如下：中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等

5、操作。 数据存储器(RAM)：8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。程序存储器(ROM)：8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。定时/计数器(ROM)：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。全双工串行

6、口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。中断系统：8051具备较完善的中断功能， 时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容2MCS-51的引脚说明：8051采用40Pin封装的双列直接DIP结构，下图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。功能如下说明：Pin20:接地脚Pin40:正电源脚，正常工作或对片内EPROM烧写程序时，接+5V电源。

7、Pin19:时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。Pin18:时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。输入输出(I/O)引脚：Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚也可作为低8位地址总线，Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚，Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚也可作为高8位地址总线，Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚还具有第二功能，功能如下图所示。Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P

8、0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态如下表：表5-1 8051初始态Pin30:ALE/PROE当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程其间，PROE将用于输入编程脉

9、冲。Pin29:当访问外部程序存储器时，此引脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。4Pin31:EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。2在编程时，EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。5.2.1 定时/计数器1）工作方式寄存器TMOD图1-2

10、 TMOD寄存器M1、M0选择方式表1-2 M1、M0 选择工作方式功能选择位，当为0时，为定时器方式：当为1时为计数器方式。GATE门控位，当为0时，只要控制位TR0或TR1置1，即可启动响应定时器开始工作；当为1时，除需要TR0或TR1置1外，还需要或引脚为高电平时，才能启动响应的定时器开始工作。TMOD不能进行寻址，只能用字节传送指令设置工作方式。2）定时/计数器控制寄存器TCONTCON的作用是控制定时器的启、停，标志定时器的溢出和中断情况。定时器TCON格式如下：图1-3 TCON定时器TCON.7 TF1定时器1溢出标志。当定时器1计满溢出时，由硬件TF1置1，并且申请中断。进入中

11、断服务程序后，由硬件自动清0。TR1定时器1运行控制位。当为1时，启动定时器1工作；当为0时，关闭定时器1工作。TF0定时器0溢出标志。TR0定时器0运行控制位。操作同上。IE1外部中断1请求标志。IT1外部中断1触发方式选择位。IE0外部中断0请求标志。IT0外部中断0触发方式选择位。5.3 光控可控硅：晶闸管又叫硅可控整流元件，常简称为可控硅。普通晶闸管是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件。目前，晶闸管的派生器件很多，如双向晶闸管、可关断晶闸管、光控晶闸管等，在无线电技术中应用也很广泛。事实上，晶闸管不只是川来进行可控整流它还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电

12、变成交流电的逆变，将一种额率的交流电变成另种频率的交流电，等等。人们常称它为电力电子器件。1) 可控硅工作原理可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成。当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大

13、，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，如下表表1-3 可控硅导通和关断条件2) 基本伏安特性图5-3-1 可控硅基本伏安特性（1）反向特性当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图3），J2结正偏，但J1、J2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后，接差J3结也击穿

14、，电流迅速增加，图3的特性开始弯曲，如特性OR段所示，弯曲处的电压URO叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。图1-6 阳极加反向电压（2）正向特性当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图1-6），J1、J3结正偏，但J2结反偏，这与普通PN结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图3的特性发生了弯曲，如特性OA段所示，弯曲处的是UBO叫：正向转折电压图5-3-2 阳极加正向电压由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后，J2结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子时入N1区，空穴时入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴

15、复合，同样，进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在N1区就有电子积累，在P2区就有空穴积累，结果使P2区的电位升高，N1区的电位下降，J2结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图3的虚线AB段。这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态-通态，此时，它的特性与普通的PN结正向特性相似，见图2中的BC段（3) 触发导通在控制极G上加入正向电压时（见图5）因J3正偏，P2区的空穴时入N2区，N2区的电子进入P2区，形成触发电流IGT。在可控硅的内部正反馈作用（见

16、图2）的基础上，加上IGT的作用，使可控硅提前导通，导致图3的伏安特性OA段左移，IGT越大，特性左移越快。图5-3-3 阳极和控制极均加正向电压（4) 普通晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数有：(1)额定通态平均电流It在规定的使用条件下阳极阴极间可以连续通过50H正弦半波电流的平均值。(2)正向阻断峰值电压Vdrm。在门极开路，不加触发信号，允许重复加在晶闸管阳极和阴极之间的正向峰值电压(手册规定重复率为50次s，持续时间不大于10MS)，称为正向阻断峰值电压Vdrm。(3)反向阻断峰值电压Vdrm。当晶闸管加反向电压，处于反向阻断状态时可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压(手册规定重复率为

17、50次s，重复时间不大于10MS)。 (4)门极触发电流Igt在室温下，阳极与阴极间加有6v正电压时、使元件完全开通所必须的最小门极直流电流。(5)维持电流Ih。在室温和门极断路时，保持元件处于通态所必需的最小通态电流。5.4 A/D0809转换芯片一般常见的有四种A/D转换电路，其用途与性能见下表：表1-4 常见4种A/D转换电路用途与性能A/D转换电路性能 用途计数器式最简单，价格低，转换速度很慢用得少双积分式精度高，能消除干扰，转换速度也慢用得多，多见于数字式仪表逐次逼近式转换速度快用得最多并行式转换速度最快，但硬件多，成本高只用于要求转换速度很快的的场合这里选用的是ADC0809转换芯

18、片。ADC0809转换芯片是8位、逐次比较式A/D转换芯片，具有地址锁存控制的8路模拟开关。应用单一+5V电源，其模拟量输入电路的范围为05V，对应的数值量输出为00HFFH，转换时间为100us,无须调零或调整满量程。 图1-10 ADC0809芯片引脚图ADC0809有28个引脚，在精度要求不太高的情况下，供电电源就用做基准电源。该芯片中的START是芯片中的起动引脚。其上脉冲的下降沿起动一次新的A/D转换；EOC是转换结束信号，可用于向单片机申请中断或供单片机查询；OE是输出允许端；CLK是时钟端，因芯片的时钟频率最高只可工作于640kHZ，故通常由单片机的ALE引脚经分频后接向该引脚；

19、6、设计电原理图7、 程序与流程图7.2 调试程序/调入89C51单片机函数库头文件#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int/ADC0809引脚定义sbit OE=P30;sbit EO=P31;sbit ST=P32;sbit CLK=P33;sbit ADDA=P34;sbit ADDB=P35;sbit ADDC=P36;uint OutputValue;uint Error2,Error1;/ 主程序void main() AD0809_Init（）；/AD0809 的初始化 while(1) ST=0

20、;ST=1;ST=0; /启动A/D转换 while(EOC=0); /等待转换结果 OE=1; /允许输出Error1=P2*1.0/255; /获得当前反馈值Calc_Result(); /进行计算输出值U（k） OE=0;/关闭输出 /关闭AD0809使能 P1=OutputValue; /8253调功输出AD0809_Init（）/*AD0809的初始化*/ EA=1; TMOD=0x01; TH0=(65536-150)/256; TL0=(65536-150)%256; ET0=1; TR0=1; ADDA=0; ADDB=0; ADDC=0;/选择ADC0809通道1(INT0)

21、/*/void Calc_Result()/*/依据U（k）传递函数进行计算当前输出值OutputValue=0.983*OutputOld1+0.017*OutputOld2+1.628*Error1-1.613*Error2;/记录以前的输出值与以前的偏差量OutputOld1=OutputValue;OutputOld2=OutputOld1;Error2=Error1；/*/T0定时器中断给ADC0809提供CLK时钟信号 void Timer0_INT() interrupt 1 TH0=(65536-150)/256; TL0=(65536-150)%256; CLK=CLK;/ADC0809时钟信号 7.3程序流程图8、心得体会9、 参考文献微型计算机控制技术 赖寿宏 主编 机械工业出版社计算机控制技术 温钢云 黄道平 编著 华南理工大学出版社自动检测技术与装置 张宏建 蒙建波 主编 化学工业出版社MATLAB/Simulink与控制系统仿真 王正林 王胜开 编著 电子工业出版社单片机原理及其接口技术 胡汉才 编著 清华大学出版社参考流程图（不是最终流程图，仅作参考，图中有多处需要修正）