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计算机控制设计
水温控制系统的设计
班级:--------
姓名:--------
学号:--------
课程设计题目:水温控制系统的设计
本课程设计要求:设计一个以89C51单片机为检测控制中心的水温自动控制系统。温度控制采用改进的PID数字控制算法,显示采用3位LED静态显示。要求系统的结构简单,控制算法新颖,控制精度高,有较强的通用性。温度可升高也可以降低,能够准确显示当前温度值。
技术参数和设计任务:
1、利用单片机89C51实现对水温的智能控制,以实现40—90℃温度的调节;
2、利用超低温漂移高精度运算放大器0P07将温度一电压信号进行放大,便于A/D进行转换;
3、采用对电炉两端的电压进行通断的方法,以实现对水加热功率进行控制;
4、本温度控制系统是通过控制加热电源的通断来控制温度和改变加热升温速度;5、采用1AD590对温度进行采样,以实现对温度的检测。
6、为了执行对电炉或风扇的控制,功能实现模块由A/D转换子程序、中断处理子程序、键盘处理子程序、显示子程序等部分组成。
一、本课程设计系统概述
1、系统原理
本系统以89C51单片机为控制核心,精密摄氏温度传感器AD590构成前置信号采集电路,过零检测双向可控硅输出光电耦合器MOC3041构成后向控制电路,利用分段PID控制算法,通过调功法对加热系统的水温进行控制,可在40℃到100℃范围内任意设定目标温度,静态误差小于0.2℃。
2、系统结构图
系统结构图如下所示:
图1 系统典型控制框图
3、文字说明控制方案
从性价比来考虑,在这里比较了两种方案.方案一是使用单片机的一个端口(P1口)来实现控制,高电平则实现加热,低电平则停止加热.方案二是使用CPLD来实现,将根据控制方式计算出来的对应的占空比换算成相应的字节,比如占空比
为50%则可以设置然后将该数据送到CPLD中,CPLD实现串并转换就可以输出对应占空比的控制波形了。
方案一比较直观,但是过多地占用了单片机的资源.方案二使用CPLD来控制,实现比较简单,不需要单片机来控制加热,可以解放单片机更多的资源,让其进行更快速的运算。
后级控制模块实际上是用弱电信号来控制强电信号,通常所采用的方案有以下几种:
方案一:控制时间,依据采集的数据对电炉实现定时全通或全断来控制电炉的功率,控制量为加热时间.
方案二:调相法,通过控制可控硅的导通角,来控制导通时加在功率器上的电压幅值,实现对功率器的精确均匀控制.要实现调相控制功率,需对220 V电源进行跟踪记录.采用变压器提取220V的同步电压信号,并用比较器跟踪过零点,输出与220 V电源同步同相同频的脉冲,将半个周期的交流电分为N份,1/N既为调相的步长,又为内部计时器的计数单位.每次在过零点开始计数,计数输出量与输入数字控制量相同时产生触发脉冲使可控硅开始导通.每次改变输入数字控制量的大小就可以改变导通的相角,实现对功率器上所加电压幅值大小的控制.
方案三:利用调功法来调节加热功率,从而实现温度控制.具体实现是通过控制单位时间内加在功率器上的正弦波的波头数也即控制加热回路的“有效过零脉冲”个数来控制可控硅的通断,达到控制率的目的.该方案的优点在于外部电路简单,只需要定时控制220 V交流电的通断即可。1 s内导通的时间越长,即通过的正弦波的个数越接近50,加载的功率也就越大,反之越小。
控制时间的方案实质上具有很大的滞后性,当前的温度变化以及控制策略并不能导致被控对象的状态立即改变,而且全通和全断也会使系统控制过程出现明显的阶梯,并可能由于全速加热造成较大的超调,因此不采用这种控制加热时间的方法.调相法控制精度高,但需要提取220 V交流电的同步信号,增加了系统实现的复杂度.调功法实现简单,精度也足以满足任务要求,故选用此方案。
二、硬件设计
硬件电路主要有两大部分组成:模拟部分和数字部分:从功能模块上来分有:主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行电路以及掉电保护电路。硬件结构框图如图2所示。
图2系统硬件结构框图
1、数据采集电路的设计
数据采集电路主要由AD590,MC1403,0P07,74LS373组成。考虑到温度信号为低电平缓变信号,对A/D转换速度要求不高,为此,选用实效价廉的ADC0809,而且,还可以根据需要扩展测量8路温度信号。为了达到测量高精度的要求,选用温度传感器AD590,AD590具有较高精度和重复性(重复性优于0.1℃,其良好的非线形可以保证优于0.1℃ 的测量精度,利用其重复性较好的特点,通过非线形补偿,可以达到0.1℃测量精度。)超低温漂移高精度运算放大器0P07将温度一电压信号进行放大,便于A/D进行转换,以提高温度采集电路的可靠性。模拟电路硬件部分见图3。
图3 模拟电路硬件部分
2、主机电
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