智能水温控制系统设计(以labview为核心).doc
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1、 15河西学院本科生毕业论文(设计)诚信声明I目录II河西学院本科生毕业论文(设计)任务书IV河西学院本科毕业论文(设计)开题报告VI水箱恒温控制系统设计与制作1摘要1关键词10引言21系统方案31.1 水温控制系统设计任务和要求31.2水温控制系统关键部分确定31.2.1温度采集部分31.2.2控制主体部分41.2.3加热控制部分41.2.4温度控制算法部分41.3 总体设计框图72单元硬件电路设计72.1测温部分电路72.2控制电路82.3串行通信电路93系统软件设计103.1下位机(AT89S52)程序103.1.1下位机(AT89S52)主程序103.1.2系统初始化103.1.3温度
2、采集103.1.4串行通信123.1.5 继电器控制123.2上位机(LabVIEW)程序设计133.2.1 LabVIEW简介133.2.2 VISA 概述133.2.3前面板设计143.2.4主程序设计144系统调试164.1 继电器测试164.2分段线性参数的整定164.3系统测试164.3.1测试环境164.3.2测试方法164.3.3测试数据174.3.4系统误差分析175结论17设计心得18参考文献18致谢18附录1 单片机源程序19附录2 LabVIEW程序框图25附录3单片机系统电路27附录4设计实物图28文献综述29河西学院本科生毕业论文(设计)题目审批表- 1 -河西学院
3、物电 系指导教师指导毕业论文情况登记表- 2 -河西学院毕业论文(设计)指导教师评审表- 3 -任务书一. 论文(设计)的主要内容本文介绍了以LabVIEW为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。AT89S52单片机作为温度的采集与继电器的控制器件。温度信号DS18B20采集,并以数字信号的方式传送给单片机,单片机通过串口将数字信号送到计算机,利用计算机强大的运算与处理能力,将温度显示,并控制继电器工作。本文中介绍了该控制系统的硬件部分和软件部分,经测试系统的控制精度高,运行稳定。此系统适合于工业控制。二. 论文(设计)的基本要求该系统为一实验系统,系统设计任务:设计一个水温自动控制系统,控
4、制对象为容积1L的电热杯,功率400W。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调整,以保持设定的温度基本不变。系统设计具体要求: 温度设定范围为3099。 环境温度降低时温度控制的静态误差1。采用适当的控制方法,当设定温度突变时,减小系统的调节时间和超调量。显示水的实际温度。 实时打印出水温曲线。(6)加热状态显示和定时加热。三. 论文(设计)进度安排阶段论文(设计)各阶段名称起止日期1论文题目的确定08.11.20-08.11.222系统硬件方案的确定08.11.23-08.11.263硬件资料的搜集08.11.27-08.12.34系统硬件电路的焊接08.12.4-0
5、8.12.65系统软件电路的设计08.12.7-08.12.156系统的检测与调试08.12.16-08.12.177论文的撰写08.12.18-08.12.22四.需收集和阅读的资料及参考文献(指导教师指定)1 LabVIEW中文资料;2 单片机串口通信资料;3 DS18B20资料以及其温度的读写规则4 常用的控制算法资料5 全国大学生电子设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编. 北京:北京理工大学出版社,20046 何立民.单片机中级教程 北京:北京航空航天大学出版社,20037 潘新民.王燕芳 微型计算机控制技术. 北京:电子工业出版社,2008开题报告选题的根据:为了达到
6、恒温的目的,采用产生PWM波调节功率,进而调节水温,采用串行总线实现计算机与单片机之间的通信,温度采集采用集成数字温度传感器。温度是一个普通的过程变量,此设计非常适合于以计算机为控制主体的工业控制。常用的控制算法有: 经典的比例积分微分控制算法。 根据动态系统的优化理论得到的自适应控制和最优控制方法。 根据模糊集合理论得到模糊控制算法。自适应控制、最优控制方法以及模糊控制算法是建立在精确的数学模型基础上的,在实时过程控制中,由于控制对象的精确数学模型难于建立,系统参数经常发生变化,运用控制理论进行综合分析要花很大代价,主要是时间。同时由于所得到的数学模型过于复杂难于实现。在实时控制系统中要求信
7、号的控制信号的给出要及时,所以在目前的过程控制系统中较少采用自适应控制、最优控制方法和模糊控制算法。 本题目可采用分段线性的方法,实现简单,而且控制效果优良主要内容及其主要的研究方法:设计一水箱恒温控制系统,达到温度可设置,加热状态可显示,显示温度曲线,小的超调与短的调节时间,为使达到最优的控制,采用计算机与单片机共同的控制方法,上位机采用LabVIEW,下位机为单片机,控制灵活而方便,控制算法采用分段线性的方法。完成期限和采取的主要措施:在2009年5月30号之前完成设计的制作和论文的撰写,为使设计速度加快,主要措施是:首先了解设计的主要原理,找到相应的资料,多问老师和同学;其次使用EDA设
8、计方法,利用Proteus仿真单片机,Multisim仿真模拟与数字电路,这样会使前期设计时间大大缩短;其次,本设计要制作出实物,就要焊接和调试,所以就要加强动手能力的培养。主要参考资料:1 全国大学生电子设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编. 北京:北京理工大学出版社,20042 何立民.单片机中级教程 北京:北京航空航天大学出版社,20033 潘新民.王燕芳.微型计算机控制技术. 北京:电子工业出版社,20084.岂兴明,周建兴,矫津毅LabVIEW 8.2中文版入门与典型实例人民邮电出版社2008水箱恒温控制系统设计与制作摘要:本文介绍了以LabVIEW为核心的温度控制系
9、统的工作原理和设计方法。AT89S52单片机作为温度的采集与继电器的控制器件。温度信号由DS18B20采集,并以数字信号的方式传送给单片机,单片机通过串口将数字信号送到PC,利用PC强大的运算与处理能力,将温度显示,并控制继电器工作。本文中介绍了该控制系统的硬件部分和软件部分,经测试系统的控制精度高,运行稳定。此系统适合于工业控制。 关键词: LabVIEW;AT89S52;DS18B20;温度控制;VISATank temperature control system design and productionAbstract: This paper introduces the LabVI
10、EW at the core of the temperature control system theory and design methods. AT89S52 Single-chip as a temperature acquisition and relay control device. DS18B20 temperature signal acquisition and digital signal transmitted to the single-chip, single-chip digital signal through the serial port to the P
11、C, the use of PC computing power and processing capacity, the temperature display and control the work of the relay. This paper described the control system hardware and software of the control system have been tested and high precision, stable operation. This system is suitable for industrial contr
12、ol.Keywords: LabVIEW;AT89S52; DS18B20; temperature control;VISA0引言由于工业过程控制的需要,特别是在电子技术的迅猛发展,以及自动控制理论和设计方法发展的推动下,国外温度控制系统发展迅速,并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。 目前,国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛,但从国内生产的温度控制器来讲,总体发展水平仍然不高,同国外的日本、美国、德国等先进国家相比,仍然有着较大的差距。目前,我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。成熟产品主
13、要以“点位”控制及常规的PID控制器为主,它只能适应一般温度系统控制,难于控制滞后复杂时变温度系统控制,而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟,形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。现在,我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。温度、压力,流量和液位是四种最常见的过程变量,其中温度是一个非常重要的过程变量,因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形,结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制在工业领域应用非常广泛,由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。温度控制不好就可能引起生产安全,产品质量和
14、产量等一系列问题。尽管温度控制很重要,但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。随着虚拟仪器的发展,用计算机控制外部器件变得更加的简单,虚拟仪器界的权威的LabVIEW,用虚拟仪器来控制已经运用到实际生产中。1系统方案 1.1 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:设计一个水温自动控制系统,控制对象为容积1L的电热杯,功率400W。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调整,以保持设定的温度基本不变。系统设计具体要求: 温度设定范围为3099。 环境温度降低时温度控制的静态误差1。采用适当的控制方法,当设定温度突变时,减小系统的调节时间和超调量。显示
15、水的实际温度。 实时打印出水温曲线。(6)加热状态显示和定时加热。 1.2水温控制系统关键部分确定水温控制系统是一个过程控制系统,在设计的过程中,必须明确它的组成部分。过程控制系统的组成部分有:控制器、执行器、被控对象和测量变送单元,其框图如图1所示。图1 过程控制组成框图由图可知,在这个系统的设计中,主要设计如图几个部分。除此之外,根据题目要求,还要选取合适的控制算法来达到系统参数的要求。对于执行器件、测量变送元件将在部分电路设计中有说明。在这个部分我主要是对控制器的确定和控制算法的选择作一个详细的介绍。因为这两部分是实现本系统控制目的的关键。它们选取的好坏将直接影响着整个系统实现效果的优劣
16、,所以这是一项不容怱视的工作。 1.2.1温度采集部分 方案一:采用热敏电阻,半导体温度传感器(如AD590),铂电阻等,但是这些器件都是模拟器件,且输出的都是微弱信号,需要加信号的放大与调理,要变化单片机所能接收的数字量还必须加一级AD转换,得到的数字量经过转换才能得到真实的物理值,这些器件在小范围内是成线性,在更大的范围内是非线性的,所以要测量宽范围的温度必须加温度补偿电路。 方案二:采用数字温度芯片DS18B20,它的电路连接非常简单,只需一个I/O口,且精度非常高,12位的转换精度可达到0.0625摄氏度,不需要AD转换,读出的就是真实的温度值的二进制数。将两个方案一比较便可得出一个结
17、论,采用DS18B20来实现本题目,不管是从电路上结构,温度的准确性上,都比方案一优越,虽然数字器件的转换时间要比模拟器件的长许多,但是测量像温度这种变化比较缓慢的信号,已经绰绰有余了。所以此部分选择方案二。1.2.2控制主体部分 (1)方案一:只采用单片机进行控制,单片机不但要负责温度的采集,转换,显示,还要负责温度的控制,单片机的连接和程序的编写将会很复杂。 (2)方案二:采用单片机加计算机,单片机作为温度的采集,将信号通过串口发到计算机,计算机处理接收到的信号,将温度值、温度曲线、运行状态显示在显示器,其次通过串口发出控制信号,单片机接收到控制信号,控制继电器工作。 通过以上比较,采用方
18、案二,不但线路连接简单,而且显示生动形象,其次在微机上采用高级语言编程,实现起来就更加容易,要显示出温升曲线,采用单片机是不容易实现的。1.2.3加热控制部分本设计采用电磁式继电器的通断来控制电热杯的加热,电路简洁,且能达到系统控制的精度,在输出上接一级光耦,电源线与地线和单片机电源线、地线分接,有效的防止了交流电、继电器开启与闭合期间对数字系统的干扰1.2.4温度控制算法部分温度是一个普通而又重要的物理量,在许多领域里人们需对温度进行测量和控制。长期以来国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究,产生了大批温度控制器,如性能成熟应用广泛的PID调节器、智能控制PID调节器、自适应控制等
19、。在这里对一些控制器的特性做一简要的介绍,以便选择一种适合与本系统的控制算法。 常规PIDPID在温度控制中已使用数十年,是一种成熟的技术,它具有结构简单、易于理解和实现,且一些高级控制都是以PID为基础改进的。在工业过程控制中90%以上的控制系统回路具有PID结构,在目前的温度控制领域应用十分广泛,即使在科技发达的日本,PID在其温度控制应用中仍然占80%的比例。其主要构成如图2所。由图可知PID调节器是一种线性调节器,这种调节器是将设定值w与实际输出值y进行比较构成偏差图2 模拟PID控制并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。其动态方程为: (1)其中-为调节器的比例放大系数-为积
20、分时间常数-为微分时间常数PID调节器的离散化表达式为 (2)其中T为采样周期。可见温度PID调节器有三个可设定参数,即比例放大系数、积分时间常数、微分时间常数。比例调节的作用是使调节过程趋于稳定,但会产生稳态误差;积分作用可消除被调量的稳态误差,但可能会使系统振荡甚至使系统不稳定;微分作用能有效的减小动态偏差。采用PID控制,控制效果的好坏很大程度上取决于PID三个控制参数的确定。对一个控制系统而言, 只要参数选择适当,都能取得较好的控制效果。 自动控制方式为了实现温度的自动控制,必须要组成一定的系统结构。如图3,该控制系统是把输出量检测出来,经过物理量的转换,再反馈到输入端去与给定量进行比
21、较(综合),并利用控制器形成的控制信号通过执行机构继电器对控制对象进行控制,抑制内部或外部扰动对输出量的影响,减小输出量的误差,达到控制目的。在此控制系统中,真正的,它对过程变量的实测值和设定位之间的误差信号进行运算然后给出控制信息。单片机的运算规则称为控制法则或控制算法。图3 自动控制框图常用的控制算法有以下几种: 经典的比例积分微分控制算法。 根据动态系统的优化理论得到的自适应控制和最优控制方法。 根据模糊集合理论得到模糊控制算法。自适应控制、最优控制方法以及模糊控制算法是建立在精确的数学模型基础上的,在实时过程控制中,由于控制对象的精确数学模型难于建立,系统参数经常发生变化,运用控制理论
22、进行综合分析要花很大代价,主要是时间。同时由于所得到的数学模型过于复杂难于实现。在实时控制系统中要求信号的控制信号的给出要及时,所以在目前的过程控制系统中较少采用自适应控制、最优控制方法和模糊控制算法。本文采用分段线性的方法,这种方法简单易行,且系统的动态性能良好,响应速度快,达到了控制要求,不需要控制对象的系统模型,只需测出一些经验点,再拟合曲线,找出系统特性。就可以达到比较好的控制精度。1.3 总体设计框图本系统是一个简单的单回路控制系统。为了实现温度的自动测量和控制,本系统采用了计算机作为系统的控制中心,上位机为虚拟仪器软件LabVIEW,由温度芯片DS18B20将温度的数字量传到单片机
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