生物培养液微机温度控制系统课程设计任务书可编辑.docx

1、生物培养液微机温度控制系统课程设计任务书可编辑生物培养液微机温度控制系统_课程设计任务书 课程设计任务书题 目 生物培养液微机温度控制系统的设计初始条件设计一个生物培养液微型计算机温度控制系统系统为一阶惯性纯滞后特性温度在15 25范围内连续可控温度控制精度为 05通过LED 显示温度要求完成的主要任务 输入通道及输出通道设计温度传感器AD转换PWM输出控制和温度调节驱动电路键盘 温度设置 与LED温度显示接口设计采用改进PID控制算法系统软件流程及各程序模块设计完成符合要求的设计说明书2011年6月20日2011年6月30日指导教师签名 年 月 日系主任或责任教师签名 年 月 日1 设计要求

2、42 总体设计方案及框图42 1 系统设计方案论证42 2 系统结构框图43 硬件设计531单片机选择532温度传感模块833 AD转换模块1034键盘 温度设置 模块1235 LED显示模块1336加热控制电路设计1537降温控制电路设计16 38 报警电路174 软件设计18 41 采用改进PID控制算法18 42系统软件流程205 总结体会216 参考文献227 附件23 71 系统原理图2372程序24摘要随着社会的发展温度的测量及控制变得越来越重要温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一温度监控系统本文详细地讲述了基于单片机AT89

3、C51和温度传感器LM35的温度控制系统的设计方案与软硬件实现方案系统采用数字温度传感器LM35采集温度电压信号经ADC0809AD转换成单片机可识别的数字电压信号数码管显示温度测量值当温度低于设定值时单片机控制继电器启动加热器加热当温度高于设定值时单片机控制继电器启动半导体制冷器制冷从而实现了控制温度的目的关键字单片机温度控制传感器数码管生物培养液微机温度控制系统设计1设计要求 设计一个生物培养液微型计算机温度控制系统系统为一阶惯性纯滞后特性温度在15 25范围内连续可控温度控制精度为 05通过LED 显示温度2总体设计方案及框图 21系统设计方案论证实现温度控制的方法主要有以下几种方案一采

4、用纯硬件的闭环控制系统该系统的优点在于速度较快但可靠性比较差控制精度比较低灵活性小线路复杂调试安装都不方便且要实现题目所有的要求难度较大方案二FPGACPLD或采用带有IP内核的FPGACPLD方式即用FPGACPLD完成采集存储显示及AD等功能由IP核实现人机交互及信号测量分析等功能这种方案的优点在于系统结构紧凑可以实现复杂的测量与与控制操作方便缺点是调试过程复杂成本较高方案三单片机与高精度温度传感器结合的方式即用单片机完成人机界面系统控制信号分析处理由前端温度传感器完成信号的采集与转换这种方案克服了方案一二的缺点所以本课题任务是基于单片机和温度传感器实现对温度的控制 22 系统结构框图系统

5、主要包括温度采集部分温度放大转换部分温度驱动调节部分实时温度显示部分和报警部分以及温度设定的键盘输入部分单片机判断输入温度信号与设定的温度的差距再通过改进的PID算法给以调节系统框图如图1所示图1 生物培养液微型计算机温度控制系统图2 单片机引脚图32温度传感模块 LM35是由National Semiconductor所生产的温度感测器其输出电压与摄氏温标呈线性关系转换公式如式 1 0C时输出为0V每升高 1C输出电压增加10mV 即 LM35 有多种不同封装型式外观如图 所示在常温下LM35 不需要额外的校准处理即可达到 14C的准确率其电源供应模式有单电源与正负双电源两种其引脚如图 所示

6、正负双电源的供电模式可提供负温度的量测两种接法的静默电流-温度关系如图 所示单电源模式在25C下静默电流约50A非常省电图2LM35封装及引脚排列图3单电源模式图4双电源模式由课程任务书可知温度在15 25范围内连续可控因此只需要单电源模式即可满足要求又由于 LM35输出的电压太小因此将输出用非反相放大器放大十倍其电路图如下图5所示33 AD转换模块由于LM35温度传感器输出的是模拟量的温度电压值单片机无法直接识别因此需要对采集到的电压信号进行AD转换将其转化为单片机能识别的数字量本设计采用ADC0809AD转换器下面介绍ADC0809的特性 1主要特性18路8位AD转换器即分辨率8位 2具有

7、转换起停控制端 3转换时间为100s4单个5V电源供电 5模拟输入电压范围05V不需零点和满刻度校准 6工作温度范围为-4085摄氏度 7低功耗约15mW 2内部结构 ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器内部结构如图1322所示它由8路模拟开关地址锁存与译码器比较器8位开关树型DA转换器逐次逼近 3外部特性引脚功能 ADC0809芯片有28条引脚采用双列直插式封装如图1323所示下面说明各引脚功能 IN0IN78路模拟量输入端2-12-88位数字量输出端ADDAADDBADDC3位地址输入线用于选通8路模拟输入中的一路ALE地址锁存允许信号输入高电平有效 START AD转换启动

8、信号输入高电平有效 EOC AD转换结束信号输出当AD转换结束时此端输出一个高电平转换期间一直为低电平 OE数据输出允许信号输入高电平有效当AD转换结束时此端输入一个高电平才能打开输出三态门输出数字量CLK时钟脉冲输入端要求时钟频率不高于640KHZ REFREF-基准电压 Vcc电源单一5V GND地 ADC0809的工作过程是首先输入3位地址并使ALE 1将地址存入地址锁存器中此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器START上升沿将逐次逼近寄存器复位下降沿启动 AD转换之后EOC输出信号变低指示转换正在进行直到AD转换完成EOC变为高电平指示AD转换结束结果数据已存入锁存器这个信号可用作

9、中断申请当OE输入高电平 时输出三态门打开转换结果的数字量输出到数据总线上 图6 ADC0809AD转换芯片引脚本系统中ADC0809的转化电路如下图7所示图7 ADC0809转换电路接线图34 键盘 温度设置 模块 键盘模块是本控制系统的人机交流模块部分主要为用户提供进行温度的设置功能该设置功能模块中包括了0到9的数字按键启动设置按键即设置按钮输入错误时的删除按键及删除键 由于按键较多为了节省IO口的资源本系统采用3X4矩阵式键盘方案由于变成扫描定式扫描的键盘工作方式过多的占用CPU时间本系统为了不过的占用CPU时间采用中断扫描方式其中断方式接法如图8所示其键盘接线连接图如下图9所示 图8

10、中断方式接法图 图9 键盘模块接线图35 LED显示模块由于任务书要求使用LED显示温度而且温度在15 25范围内连续可控温度控制精度为 05因此本系统采用了四位共阳极的七段数码管如图10所示为4位7段数码管的原理图由于所有的段选线并联到同一个 IO由这个 IO 口来控制因此若是所 有的 4 位 8 段 LED 都选通的话4 位 8 段 LED 将会显示相同的字符要使各个位 的 8 段 LED 显示不同的字符就必须采用动态扫描方法来轮流点亮每一位 8 段 LED即在每一瞬间只选通一位 8 段 LED 进行显示单独的字符在此段点亮时间内段选控制 IO 口输出要显示的相应字符的段选码而位选控制 I

11、O 口则输出位选信号向要显示的位送出选通电平共阴极则送出低电平共阳极则送出高电平使得该位显示相应字符这样将四位 8 段 LED 轮流去点亮使得每位分时显示该位应显示的字符由于人眼的视觉暂留时间为 01 秒当每位显示的间隔未超过 33ms 时并在显示时保持直到下一位显示则由于人眼的视觉暂留效果眼睛看上去就像是 4 位 8 段 LED 都在点亮设计时要注意每位显示的间隔时间由于一位 8 段 LED 的熄灭时间不能超过 100ms也就是说点亮其它位所用的时间不能超过 100ms这样当有 N 位的 8 段 LED 用来显示时每一位间隔的时间 t 就必须符合下面的式子 t100ms N-1 图10 LE

12、D的动态显示原理图本系统中N4则由式子可以算出 t33ms就是每一位的间隔时间不能超过 33ms当然时间可以也设得短一些比如 5ms或1ms 也可以如下图11所示为该四位 8 段L数码管显示模块的管脚连接图从左到右-G依次接 P00-P06 DP 接 P07管脚1-4为数码管位选的输入依次接 P20-P23 管脚 图11 显示模块的管脚连接图 在进行显示编程时首先选定需要显示的位数然后向段选位送数据即可显示由于单片机可以直接驱动LED显示管因此不需外加驱动电路了36 加热控制电路设计在读取到从温度传感模块采集到的温度数值后与事先设定好的温度值进行比较若当前检测得的温度比设定的温度低则需要对培养

13、液进行加热处理本系统利用高阻抗的电阻丝来对培养液加热如下图12所示在检测到温度比设定的温度低时P25管脚输出高电平从而NPN管道通驱动继电器启动从而为高阻抗加热电阻丝通电加热生物培养液利用改进的PID算法来计算PWM脉宽得出控制输出从而达到根据检测到的温度而自动调节 图12 培养液电阻丝加热模块37 降温控制电路设计 半导体制冷片也叫热电制冷片它的优点是没有滑动部件应用在一些空间受到限制可靠性要求高无制冷剂污染的场合利用半导体材料的Peltier效应当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量可以实现制冷的目的它是一种产生负热阻的制冷技术其特点是无运动部件

14、可靠性也比较高其工作原理如图13图13半导体降温片工作原理图 半导体制冷片由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成而N P之间以一般的导体相连接而成一完整线路通常是铜铝或其他金属导体最后由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来陶瓷片必须绝缘且导热良好通上之后冷端的热量被移到热端导致冷端温度降低热端温度升高图14 培养液半导体制冷片降温模块38 报警电路 如果培养液里的温度过高或者是过低了超出了其允许的某个温度范围则系统会自动报警提醒用户可以让用户采取更为快速和有效地措施来避免或是减少损失报警电路图下图15所示当微机判断当前温度值超出范围时将P26管脚置低电平利用非门来驱动喇叭报警 图15 报警电路图4

15、 软件设计 41 采用改进PID控制算法 采用典型的反馈式温度控制系统组成部分见下图15其中数字控制器的功能由单片机实现 图15 控制系统框图 已知培养皿的传递函数为 设其中1为电阻加热的时间常数为电阻加热的纯滞后时间为采样周期AD转换器可划归为零阶保持器内所以广义对象的传递函数为 4-1 广义对象的Z传递函数为 4-2 所以系统的闭环Z传递函数为 4-3 系统的数字控制器为 4-4 写成差分方程即为 4-5 令 则有 4-6式中 第次采样时的偏差第次采样时的偏差第次采样时的偏差 本生物培养液温控系统采用的数字PID算法由软件实现增量PID控制算法的优点是编程简单数据可以递推使用占用存储空间少

16、运算快但是对于温度这种响应缓慢滞后性大的过程不能用标准的PID算法进行控制当扰动较大或者给定的温度值大幅度变化时由于产生较大的偏差加上温控本身的惯性及滞后在积分作用下系统往往产生较大的超调和长时间的振荡因此为克服这种不良的影响采用积分分离法对增量PID算法进行改进当偏差e k 绝对值较大时暂时取消积分作用当偏差e k 绝对值小于某一设定值M时才将积分作用投入 1 当 e k M时用PlD控制偏差小说明系统温度已经接近设定值此时加入了积分作用可以消除系统静差保证系统的控制精度根据递增原理可得式中e K r K 一y K 为第K时刻所得偏差信号其中r K 是给定值y K 是实际输出值其中kp为比例

17、增益ki为积分系数kd为微分系数则增量式PID控制算法为当 e k M时用PD控制由于偏差大说明系统温度远离设定值应快速降温采用PD控制可以提高系统的动态响应速度避免产生过大的超调减小动态误差 42 系统软件流程 图16单片机系统主控制流程图5 总结体会通过这次课程设计让我受益匪浅在设计期间通过与同学们的交流及查阅资料让我学习到不少的知识不仅学习到各种芯片的功能及使用方法同时还有一些软件特别是proteus让我印象很深的是之前使用protel画原理图一些在库中芯片没有我只能动手去画还不能仿真十分麻烦后来在同学的帮助下使用proteus一切迎刃而解还掌握了proteus的使用技巧及了解到他的强大

18、之处让我兴趣倍增同时还用到了keil仿真软件虽然最后还是程序出错没能仿真成功但也为我在以后使用仿真打好了坚实的基础还有这次设计深化了我对PID控制技术的理解特别是改进算法同时提高了我独立思考问题解决问题的习惯与能力经过这次设计让我深深体会到理论联系实际的重要行平时就要扎扎实实的学号基本功只有学号理论知识在实际使用的时候都会变的更方便带给我收获的同时也让我意思到理论知识及动手操作的不足所以在以后的学习生活中我会更努力的加强理论知识与实践的学习使自己的能力不断增长不断提高自己 6 参考文献1 于海生 计算机控制技术机械工业出版社2007年5月2陈立周 陈宇编著单片机原理术及应用机械工业出版社200

19、713王成等通用微机接口实验系统教师用实验指导书北京清华大学出版社2001144林立 张俊亮编著单片机原理及应用电子工业出版社200975刘红丽 传感与检测技术国防工业大学出版社2007年3月7 附件 71 系统原理图图18 系统原理图72 程序include include sbit ST P20sbit OE P21sbit EOC P22ucharcodedis_717 0x3F0x060x5B0x4F0x660x6D0x7D0x070x7F0x6F0x000x400xED0xF90xE70x390x63 共阳LED段码表 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 不亮 - S E q C

20、 uchar code scan_con4 0x7f0xbf0xdf0xef 列扫描控制字uchar data temp_data2 0x000x00 读出温度暂放int Channel 4unsigned char SavedDat6存放采集的数据结果void InitAdc0809 初始化函数 ChannelSelA 0ChannelSelB 0ChannelSelC 0默认选择第0通道ST 0 OE 0ET0 1EA 1TMOD 0x02TH0 226TL0 226TR0 1 void ReadDat void ST 1 _nop_ _nop_ ST 0启动转换 _nop_ _nop_

21、if EOC 1 OE 1 SavedDatChannel P1 _nop_ _nop_ OE 0 _nop_ _nop_ ST 1 _nop_ _nop_ ST 0 _nop_ _nop_ InitAdc0809 channel ChannelSelswitch ChannelSel case 0 ChannelSelA 0 ChannelSelB 0 ChannelSelC 0break case 1 ChannelSelA 0 ChannelSelB 0 ChannelSelC 1break case 2 ChannelSelA 0 ChannelSelB 1 ChannelSelC 0

22、break case 3 ChannelSelA 1 ChannelSelB 1 ChannelSelC 0break case 4 ChannelSelA 0 ChannelSelB 0 ChannelSelC 1break defaultbreak ReadDat void main Adc0808 Channel P3 SavedDatChannel Void Keyscan void interrupt 1 using 2用中断法扫描键盘 uchar KeyScan 检查按键情况 uchar temp 40 KEY 0xef 扫描第1列键 switch KEY case 0xeetem

23、p 1break case 0xedtemp 4break case 0xebtemp 7break case 0xe7temp 10check break defaultbreak KEY 0xdf 扫描第2列键 switch KEY case 0xdetemp 2break case 0xddtemp 5break case 0xdbtemp 8break case 0xd7temp 0break defaultbreak KEY 0xbf 扫描第3列键 switch KEY case 0xbetemp 3break case 0xbdtemp 6break case 0xbbtemp 9

24、break case 0xb7temp 11break defaultbreak return temp 返回按键键值 显示扫描函数scan 温度显示时4位LED扫描 char k for k 0k 4k 4位LED扫描控制 Disdata dis_7displayk 数据显示 if k 1DINcon 1 DIN 1 小数点显示 discan scan_conk 位选 delay 250 -温度数据处理-work_temp uint tem uchar n 0if tem 6348 温度值正负判断 tem 65536-temn 1 负温度求补码标志位置1 display4 tem0x0f 取

25、小数部分的值 display0 ditabdisplay4 存入小数部分显示值 display4 tem 4 取中间八位即整数部分的值 display3 display4100 取百位数据暂存 display1 display4100 取后两位数据暂存 display2 display110 取十位数据暂存 display1 display110 nowtp display3100display210display1 计算当前温度 send_Da0 nowtp 把当前温度储存到发送缓存区-PID运算函数-void pid static int diff19 000000000000000000

26、0 static int sum_diff 0 diff static uint curr_ 0float p_outi_outd_outtemp_pidfloat pwm_0temp_pid diffcurr_if curr_1 19 curr_ 0else curr_ 1sum_diff- diffcurr_diffcurr_ settp-nowtpsum_diff diffcurr_p_out KPdiffcurr_ 比例项输出i_out KIsum_diff 积分项输出d_out KD diffcurr_-temp_pid 微分项输出pwm_0 KCsettp 维持功率项if i_ou

27、t 100 i_out 100 积分分离if i_out -100 i_out -100PWM p_outi_outd_outpwm_0 总输出量if PWM 0 PWM 0 积分改进PID控制else if PWM 100 PWM 100 输出函数void PWM_OUT float PWM static uchar t 1 t 1-100 周期为4秒uchar limit pid_value输出百分比limit uchar PWMif t limit HEAT 0 加热else HEAT 1 停止加热tif t 100 t 1 本科生课程设计成绩评定表姓 名 张方举 性 别 男 专业班级

28、自动化0804班 课程设计题目生物培养液微机温度控制系统的设计 课程设计答辩或质疑记录 成绩评定依据评 定 项 目评分成绩1考勤态度15分2 查阅资料能力10分3 系统设计包括系统实现原理框图方案的说明 20分 4硬件电路程序编写调试结果20分5设计说明书质量及规范化参考文献充分不少于5篇15分6答辩20分 总分 最终评定成绩以优良中及格不及格评定 指导教师签字 年 月 日武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书1加热控制及高阻抗加热丝加热电路生物培养皿 AT89C51单片机LED显 示制冷控制及半导体制冷片制冷电路报警电路键盘电路温 度 采 集放 大AD 转 换 电 路开始单片机系统初始化温度设置程序有键按下温度采样与AD转换调用温度显示温度超出报警程序Y 设定的温度值设定的温度值NYN保持温指示灯亮高温指示灯亮低温指示灯亮调用数据处理程序控制量的输出