实验一 温度测控系统软件设计实验.doc

实验一 温度测控系统软件设计实验 一、实验目的 1. 了解并熟练使用KEIL 51、ADS1.2以及CCStudio v3.3三种编程软件； 2. 了解过采样的基本原理，编写相应的过采样程序实现对温度数据的过采样； 3. 了解PID控制算法的基本原理，编写不同的PID算法观察实验结果； 4. 掌握数字滤波算法的运用。 二、实验设备 武汉理工大学自动化综合实验平台WJ-403一套 PC机一台 三、实验内容 1.实验平台系统方框图 自动化综合实验平台WJ-403是一套基于多处理器和多实验对象的实验装置，实验装置的测量部分可以分为温度、压力以及转速三部分，处理器有单片机STC89C52、ARM S3C44B0以及DSP三种。综合实验平台分为处理器开发板和数据采集控制板以及上位机显示三部分，数据采集控制板上留有专门的实验对象接口，方便实验对象的拆分，同时数据采集控制板通过跳线即可实现多处理器间的切换，最后可以在上位机显示部分观察不同处理器的实验效果，具体系统方框图如图1所示： 图1 实验平台系统方框图 2.温度测控系统程序方框图 温度测控系统传感器有PT100、AD590以及热电偶，虽然各自的采集方法不同，但整个系统别的部分设计是相同的，其程序方框图如图2所示： 图2 温度测控系统程序方框图 3.过采样技术 过采样是使用远大于奈奎斯特采样频率的频率对输入信号进行采样。 设数字音频系统原来的采样频率为fs，通常44.1kHz或48kHz。若将采样频率提高到R×fs，R称为过采样比率，并且R＞1。在这种采样的数字信号中，由于量化比特数没有改变，故总的量化噪声功率也不变，但这时量化噪声的频谱分布发生了变化，即将原来均匀分布在0 ~ fs/2频带内的量化噪声分散到了0 ~ Rfs/2的频带上。 若R1，则Rfs/2就远大于音频信号的最高频率fm，这使得量化噪声大部分分布在音频频带之外的高频区域，而分布在音频频带之内的量化噪声就会相应的减少，于是，通过低通滤波器滤掉fm以上的噪声分量，就可以提高系统的信噪比。 4.数字滤波技术 数字滤波是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种计算方法。其功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。由于电子计算机技术和大规模集成电路的发展，数字滤波已可用计算机软件实现，也可用大规模集成数字硬件实时实现。数字滤波是一个离散时间系统（按预定的算法，将输入离散时间信号转换为所要求的输出离散时间信号的特定功能装置）。 本实验平台程序设计中主要采用的数字滤方法有算术平均滤波、限幅滤波以及中间值平均滤波。 5.PID算法 在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、…）。 控制点目前包含三种比较简单的ＰＩＤ控制算法，分别是：增量式算法，位置式算法，微分先行 本实验平台中采用的是增量式PID控制算法。所谓增量式PID算法就是通过计算相邻两次控制量运算之差，得到的差值就是增量，如果为正则表示要在上一次控制量的基础上增加控制量，反之则在上一次控制量的基础上减少控制量。对于温度控制来说就是增加或者减少加热比例。 四、实验步骤 根据实验原理图连接好各传感器，通过跳线将检测板与控制器板（一次只能接一个开发板）相应接口连接。 主控制器使用单片机 1.打开KEL51编程软件，点击主菜单上的Project选项，再点击下拉菜单里的Open Project 选项，找到温度的实验程序打开，如下图所示： 图3 用KEIL51选择打开工程文件 图4 选择打开PT100.uv2 2.在KEIL51编程软件的左侧是工作区，在工作区里可以看到程序所使用的所有文件，包括启动代码、C程序以及H头文件，双击相应的文件即可打开查看。 图5 KEIL51工作区 3.分别打开Interrupt.c和PID.c文件，查看程序中是如何实现过采样和PID算法的。 4.理解程序方框图，根据工程文件中的每个文件了解整个程序的运行过程。 5.下载程序运行，观察并记录实验现象。 主控制器使用ARM 1. 打开CodeWarrior for ARM Developer Suite编程软件，点击主菜单上的FILE，再点击下拉菜单中的Open，打开温度实验程序。 图6 用CodeWarrior for ARM Developer Suite打开工程文件 图7 打开PT100.mc