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嵌入式系统设计性实验报告
作者: 班级: 学号
在工业生产中,电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中,温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中,人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高被控温度的技术指标,从而大大的提高产品的质量和数量。因此,,根据实验任务要求,完成了基于单片机的水温自动控制系统的设计。
关键字: 飞思卡尔单片机水温自动控制 MC9S12DG128
前言:
温度是生活以及生产中最基本的物理量,它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都与温度有着密切的联系。在很多生产过程中,温度的测量和控制都直接关系安全生产、生产效率、生产质量、能源利用等方面的问题。因此,温度的测量和控制在我国的很多经济领域都受到高度重视。
在实际的生产实验环境下,由于系统内部和外界的热量交换是很难控制的,而且其他干扰因素也是无法去精确计算的,因此温度量的变化往往受到不可精确预计的外界环境扰动的影响。但是正常工业生产过程中,对生产中的温度要求又是相对精确和苛刻的,工业生产中经常要保持反应炉中保持一定的温度,来促进反应的持续快速进行,同时,以前的温度控制大多是人工通过仪表的显示来调节温度的模式,然而人工控制温度的精确度不高,而且反应不灵敏,存在较大误差,因此需要更好的测温控温方法。
随着电子技术和计算机的迅速发展,计算机测量控制技术拥有操作简单、控制灵活、使用便捷以及性价比较高的优点从而得到了广泛应用。
单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件,只需要外加电源和晶振就可以实现对数字信息的处理和控制,因此,单片机广泛应用于现代工业控制中。此控制具有重量轻、体积小、价格低、可靠性高、耗电低和操作灵活等优点,因此利用单片机进行温度测量控制会大大提高其可靠性和准确性。单片机对温度的测量控制是基于传感器、A/D转换器以及扩展接口和执行机构来进行的。在闭环过程控制系统中,过程的实时参数由传感器和A/D转换器来进行实时采集,并由单片机自动记录、处理并控制执行机构来进行调节和控制。因此需要对单片机进行扩展和开发,来形成一个完整的单片机温度控制系统。
系统方案
水温控制系统设计任务和要求
该系统为一实验系统,系统设计任务:
设计并制作一个水温自动控制系统,控制对象为1升净水,容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定,并能在环境温度降低时实现自动控制,以保持设定的温度基本不变。同时满足以下要求:
(1)温度设定范围为 40~90℃,最小区分度为1℃,标定温度≤1℃。
(2)环境温度降低时(例如用电风扇降温)温度控制的静态误差≤1℃。
(3)用十进制数码管显示水的实际温度保留一位小数。
(4)采用适当的控制方法(如数字PID),当设定温度突变(由 40℃提高到60℃)时,减小系统的调节时间和超调量。
(5)温度控制的静态误差≤℃。
(6)从串口输出水温随时间变化的数值。
水温控制系统部分
水温控制系统是一个过程控制系统,组成框图如下所示,有控制器、执行器、被控对象及其反馈作用的测量变送组成。
控制系统框图
CPU——中央处理器
采用89S52单片机实现,此单片机软件编程自由度大,可以编程实现各种控制算法和逻辑控制。进行数据转换,控制电路部分采用SSR固态继电器控制电炉丝的通断此方案电路简单可以满足题目中的各项要求的精度。下图为以AT89S52
单片机为检测控制中心的水箱温度自动控制系统,总体框图如下:
控制器设计总体框图
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,该设计结构简单,控制算法新颖,控制精度高,具有较强的通用性。
温度控制系统算法分析
常用的控制算法有以下几种:
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水温控制系统的控制对象具有热储存能力大,惯性也较大的特点,水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力,因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。
对于大惯性系统的过渡过程控制,一般可采用以下几种控制方案:
开关量控制
这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态,开通或关断,因此控制过程十分简单,也容易实现;但由于输出控制量只有两种状态,使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大,因此容易引起反馈回路振