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半导体温控系统实 创新自1101班 孙建建1111190516-12
实验报告
院 系: 控制与计算机工程学院
实验名称: 基于单片机控制的半导体温控实验系统
指导教师: 陆会明
学生姓名:孙建建
学 号: 1111190516
班 级: 创新自1101班
日期:2015年1月19日
一、实验简介
本实验指导书旨在帮助学生
如图1-1所示一个常见的自动控制系统,主要包括了控制器、执行器、被控对象、反馈信号。控制器的实质是根据反馈值与给定值计算得到偏差,按照控制器运算规律进行运算,其运算结果用以输出驱动执行器。
图1-1 自动控制系统
与图1-1 相对应的半导体温度控制系统如图1-2所示。
图1-2 半导体温度控制系统
半导体温度控制系统中:
外围电路:主要包括数码管显示,温度给定值设置,手自动控制方式切换;
控制器 :由单片机设计程序实现;
执行器 :由半导体制冷/热执行器实现;
被控对象:密封箱体;
反馈信号:温度传感器采集信号;
数 码 管:显示反馈温度、设定温度;
温度设置:通过按键设定给定值;
手自动切换:按键实现手动、自动控制模式切换;二、控制系统介绍
下面通过介绍半导体温度控制系统,掌握自动控制系统的控制过程。如图2-1-1所示,半导体温度控制系统结构图。
图2-1-1 半导体温度控制系统结构图
如图2-1-1所示,一个完整的自动控制系统,控制器程序由单片机实现,执行器对应半导体制冷/热,反馈信号对应温度传感器信号,被控对象对应密封箱体。半导体制冷/热执行器内部电流方向变换时,执行器可以实现制热面与制冷面的切换,从而半导体温度控制系统通过半导体的制热与制冷配合,达到控制温度的目的。
半导体温度控制系统开发板电路与外围电路连接示意图,如图2-1-2所示。
图2-1-2 半导体温度控制系统连接图
与图2-1-2所示控制系统相对应的硬件连接实体图,如图2-2所示。
图2-2 半导体温度控制系统硬件连接图
半导体温度控制系统工作过程:温度传感器采集被控对象中的温度参数传入单片机,单片机内部经过运算得到温度传感信号与给定值的偏差,偏差作为控制器的输入,若偏差大于0,控制器运算输出一个合适的制冷控制信号,通过单片机一个引脚输出,经过驱动器的作用,控制半导体制冷;若偏差小于0,控制器运算输出一个合适的制热控制信号,通过单片机另一个引脚输出(此时引脚输出信号时,半导体制冷/热执行器内部电流方向切换),经过驱动器的作用,控制半导体制热。控制过程流程图如图2-3所示。
图 2-3 半导体控制系统控制过程
简单的理解,控制器就是一个自动控制系统的核心,温度反馈信号与给定值信号的偏差是它的输入量,控制器运算输出值是它的控制信号输出量。如图2-4所示。
图2-4 控制器信号流向
常规的PID控制器控制规律传递函数:,其中Kp、Ti、Td分别为增益、积分时间和微分时间。对于不同的被控对象,三个参数的选择大小是不同的。偏差信号就是经过上述控制规律的运算,得到一个合适的控制量,最终输出驱动执行器控制被控对象。
三、数码管基础知识
3.1 数码管
本次开发板使用的8位数码管,属于共阴极数码管,如图3-1所示。
图3-1 共阴极数码管
由图3-1所示,数码管分为8段, a-g控制数码管的组合方式,可以控制显示数字0-9,dp为小数点。如控制数码管b,c点亮时候,数码管显示数字1。
8段数码管a,b,c,d,e,f,dp 分别连接单片机的P0口的8个输出引脚,通过两个锁存器的作用,控制8位数码管的点亮。其中一个锁存器控制数码管的位选,另一个锁存器控制数码管的段选。位选即选择8位数码管的哪一位被点亮,段选即选择被点亮的数码管显示哪个数字。
四、实验任务
1. 实验目的
(1)熟悉并掌握基于半导体的温度控制系统原理及设计方法
(2)掌握单片机实现控制器(PID)程序的设计方法
2. 实验要求
本次实验具体要求如下:
(1)掌握基于半导体的温度控制系统原理及设计实现方案
(2)通过单片机完成控制器程序的设计及实现
(3)通过按键实现控制器给定值的调整
(4)实现数码管显示控制器的给定输入值与输出值
3. 实验器材
本次实验,实验器材包括:51单片机开发板、STC89C52RC单片机、晶振、3V电池、USB转串口数据线、开发板电源线、温度传感器、半导体制冷/热执行器、驱动器。
4. 实验准备
(1)单片机开发板的电源供电,有DC-5V POWER,USB-POWER两种
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