課程設(shè)計(jì)-- 恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　題 目： 恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　院 （系）： 電氣與信息工程學(xué)院 </p><p>　　班 級(jí)： 電氣08－13班 </p>&l

2、t;p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　進(jìn)入20世紀(jì)90年代，嵌入式技術(shù)全面展開(kāi)，其優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)得到了越來(lái)越多的好評(píng)。飛思卡爾(Fr

3、eescale)半導(dǎo)體公司S08系列的單片機(jī)是受到關(guān)注的諸多優(yōu)異微控制器之一。S08AW系列是Freescale公司推出的新一代S08系列微控制器中的一款增強(qiáng)型8位微控制器，它不僅集成度高、片內(nèi)資源豐富，接口模塊包括SPI、SCI、IIC、A/D、PWM 等，還具有很寬的工作溫度范圍：-40℃～+125℃。在本系統(tǒng)的溫度控制中，采用的是S08AW60微控制器。隨著單片機(jī)的廣泛使用，溫度的自動(dòng)控制已經(jīng)變成了可能。在本系統(tǒng)中，主要是通過(guò)控制

4、電機(jī)來(lái)達(dá)到控制溫度的目的，當(dāng)然在一些高級(jí)或者要求更高的場(chǎng)合還可以通過(guò)控制空調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)溫。要控溫就要先進(jìn)行測(cè)溫，再轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能讀懂的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行處理后得出控制電機(jī)的控制值，也就是PWM控制中說(shuō)的占空比，通過(guò)改變占空比就可以達(dá)到調(diào)速的目的。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 自動(dòng)控制系統(tǒng)、S08AW60微控制器、溫度、傳感器</p><p><b>　　目 錄</b>&

5、lt;/p><p><b>　　1 引言4</b></p><p>　　2 總體方案設(shè)計(jì)8</p><p>　　2.1 硬件方案論證8</p><p>　　2.1.1 微控制器的選擇8</p><p>　　2.1.2 溫度傳感器的選擇9</p><p>　　2.1.3

6、 顯示器的選擇10</p><p>　　2.1.4 鍵盤(pán)的選擇10</p><p>　　2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的方框圖11</p><p>　　2.3 系統(tǒng)控制算法的設(shè)計(jì)12</p><p>　　3 系統(tǒng)單元電路的設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.1 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)13</p><p>

7、　　3.2 微控制器的工作電路設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.3 顯示電路設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.4 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路16</p><p>　　3.5 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.1 鍵盤(pán)子程序17</p><p>

8、　　4.2顯示子程序18</p><p>　　4.3 溫度值判斷子程序19</p><p>　　4.4調(diào)速子程序20</p><p><b>　　總結(jié)21</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)23</b></p><p><b>　　附錄：24&

9、lt;/b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　自動(dòng)控制系統(tǒng)可以從不同的角度來(lái)進(jìn)行分類(lèi)，按其結(jié)構(gòu)及控制方式可將其分為三種：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和混合控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　1．開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　若系統(tǒng)的輸出量不被引回

10、來(lái)（反饋）對(duì)系統(tǒng)的控制部分產(chǎn)生影響，這樣的系統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1-3所示。</p><p>　　例如，數(shù)控機(jī)床。它由預(yù)先設(shè)定的指令程序產(chǎn)生相應(yīng)的控制脈沖，經(jīng)脈沖放大器放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)再帶動(dòng)工作臺(tái)對(duì)工件進(jìn)行加工就是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。家用電器中的洗衣機(jī)也是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，成本低。缺點(diǎn)則為：受擾動(dòng)因素的影響

11、大，從而影響輸出量的穩(wěn)定。</p><p>　　若擾動(dòng)因素已知，并能直接或間接地檢測(cè)出，那么也可以利用擾動(dòng)信號(hào)來(lái)產(chǎn)生一種補(bǔ)償，以抵消擾動(dòng)的影響。這種控制方式稱(chēng)為擾動(dòng)控制。擾動(dòng)控制原理如圖1-4所示。</p><p>　　圖1-4 擾動(dòng)控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　在這種系統(tǒng)中，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用無(wú)影響，影響控制的是擾動(dòng)量，因此仍屬于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。</p

12、><p><b>　　2．閉環(huán)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　若系統(tǒng)的輸出量通過(guò)反饋環(huán)節(jié)作用于控制部分，形成閉合環(huán)路，這樣的控制系統(tǒng)稱(chēng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，又稱(chēng)反饋控制系統(tǒng)。</p><p>　　如圖1-5所示的由晶閘管可控整流裝置供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速穩(wěn)速系統(tǒng)，控制對(duì)象是電機(jī)M、被控量是轉(zhuǎn)速n，Ug是給定量。測(cè)速電機(jī)TG將輸出量n轉(zhuǎn)換成電壓Ufn反

13、饋到輸入端去，形成一個(gè)閉環(huán)。系統(tǒng)的調(diào)速穩(wěn)速原理可用下列順序表示：</p><p>　　n↓→Ufn↓→△u=Ug- Ufn↑→ α↓→Ud↑→n↑(補(bǔ)償了n↓)</p><p>　　這種系統(tǒng)的輸出量參與控制，直接影響系統(tǒng)的控制過(guò)程，所以是閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　由于輸出信號(hào)要返回輸入端參與控制，所以信號(hào)傳遞有兩個(gè)通道：主通道將控制信號(hào)送至被控對(duì)象；反饋通

14、道將輸出信號(hào)反饋到輸入端。</p><p>　　閉環(huán)控制系統(tǒng)一般采用差值控制。差值所產(chǎn)生的控制作用是使系統(tǒng)向減少或消除偏差的方向變化，所以有利于克服慣性和干擾而維持給定的控制，因此也稱(chēng)這種控制為偏差控制。</p><p>　　反饋控制系統(tǒng)無(wú)論采取哪種量反饋，包圍在反饋環(huán)內(nèi)的各種干擾量所引起的輸出量變化都能被減小或消除，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)控制精度，所以獲得了廣泛應(yīng)用。</p&g

15、t;<p><b>　　3．復(fù)合控制系統(tǒng)</b></p><p>　　將閉環(huán)控制系統(tǒng)和開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)合在一起，構(gòu)成開(kāi)環(huán)-閉環(huán)相結(jié)合的控制系統(tǒng)稱(chēng)為復(fù)合控制系統(tǒng)，也稱(chēng)為混合控制系統(tǒng)。例如，可以將擾動(dòng)控制(開(kāi)環(huán))和偏差控制(閉環(huán)控制)相結(jié)合而形成復(fù)合控制系統(tǒng)。</p><p>　　復(fù)合控制系統(tǒng)兼有閉環(huán)和開(kāi)環(huán)的優(yōu)點(diǎn)，控制精度高，控制反應(yīng)快，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。</

16、p><p>　　微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與其所控制的生產(chǎn)對(duì)象密切相關(guān)，控制對(duì)象不同，控制系統(tǒng)也不同。根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)、控制方案、控制目標(biāo)和系統(tǒng)構(gòu)成，微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大體上可分為以下幾種類(lèi)型：操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）、計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）。下面分別進(jìn)行介紹。</p><p>　　1．操作指導(dǎo)

17、控制系統(tǒng)</p><p>　　操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)如圖1-6所示。所謂操作指導(dǎo)是指計(jì)算機(jī)只對(duì)系統(tǒng)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行收集、加工處理，然后輸出數(shù)據(jù)，但輸出的數(shù)據(jù)不直接用來(lái)控制生產(chǎn)對(duì)象，操作人員根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的操作。</p><p>　　在這種系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)每隔一定的時(shí)間進(jìn)行一次采樣，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行加工處理。然后再進(jìn)行顯示、打印或報(bào)警。操作人員據(jù)此改變?cè)O(shè)定值或進(jìn)行必要的操作。這種系統(tǒng)突

18、出的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、安全可靠，對(duì)于控制規(guī)律不太確定的系統(tǒng)更為適用。它的缺點(diǎn)是仍要人工進(jìn)行操作，所以響應(yīng)速度不可能太快。它相當(dāng)于模擬儀表控制系統(tǒng)的手動(dòng)與半自動(dòng)工作方式。主要用于計(jì)算機(jī)控制的初級(jí)階段，或用于試驗(yàn)新的數(shù)學(xué)模型和調(diào)試新的控制程序等。</p><p><b>　　2 總體方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1 硬件方案論證</p><p&g

19、t;　　該系統(tǒng)的硬件方案的設(shè)計(jì)包括微控制器的選擇、溫度傳感器的選擇、顯示器的選擇和鍵盤(pán)的選擇，至于電機(jī)是要控制的對(duì)象，24V直流電源作為功率電源進(jìn)行加溫所以在該微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中我們只對(duì)上述的幾個(gè)硬件部分進(jìn)行選擇。</p><p>　　2.1.1 微控制器的選擇</p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　8031芯片內(nèi)部無(wú)

20、ROM，需要外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器,由此造成電路焊接的困難，況且使用8031還需要另外購(gòu)買(mǎi)其他的芯片，如A/D轉(zhuǎn)換及定時(shí)/計(jì)數(shù)器（PWM）等芯片，從而造成成本較高，性價(jià)比低。</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　89C51芯片內(nèi)部有ROM，且片內(nèi)ROM全部采用Flash ROM，它能于3V的超低壓工作，與MCS-51系列單片機(jī)完全兼容，但是其不具

21、備ISP在線編程技術(shù)， 需把程序編寫(xiě)好以后再放到編程器中燒寫(xiě)，才可以進(jìn)行硬件電路的調(diào)試，倘若程序編寫(xiě)出現(xiàn)問(wèn)題，調(diào)試電路就比較麻煩，而且其芯片內(nèi)存也只有4KB。</p><p><b>　　方案三：</b></p><p>　　基于前兩種方案的比較,我們考慮到S08AW60，該芯片擁有62KB片上在線可編程FLASH存儲(chǔ)器和2KB片上RAM，具有模塊保護(hù)與安全選項(xiàng)功能。

22、該芯片還可以通過(guò)BDM進(jìn)行在線編程及調(diào)試，無(wú)需頻繁的插拔單片機(jī)，可避免損壞芯片。且其內(nèi)部資源豐富，本身就含有A/D轉(zhuǎn)換模塊和定時(shí)/計(jì)數(shù)器（PWM）模塊，使用方便簡(jiǎn)單。</p><p>　　綜觀上述三種方案的論證與比較,我們采用S08AW60作為主控模塊芯片。</p><p>　　2.1.2 溫度傳感器的選擇</p><p><b>　　方案一：</b

23、></p><p>　　熱電偶主要是利用兩種不同金屬的熱電效應(yīng)，測(cè)溫范圍在-200℃～1800℃，產(chǎn)生接觸電勢(shì)隨溫度變化而變化，從而達(dá)到測(cè)溫的目的。測(cè)量準(zhǔn)確，價(jià)格適中溫，線性度較好。但其輸出電壓受冷端溫度影響，需要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，使電路變得復(fù)雜，且測(cè)量范圍過(guò)大，在本題中并非最佳方案。</p><p><b>　　方案二：</b></p><

24、p>　　熱敏電阻由金屬氧化物或半導(dǎo)體材料制成，測(cè)溫范圍在-50℃～300℃，靈敏度高、熱惰性小、壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜。但其測(cè)量的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性差，而且線性度差，需要進(jìn)行查表線性擬合，大大浪費(fèi)控制器的資源，因此不能選用。</p><p><b>　　方案三：</b></p><p>　　熱電阻是利用金屬的電阻率隨溫度變化而變化的特性，將溫度量轉(zhuǎn)化成電阻量。其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確

25、度高，穩(wěn)定性高，性能可靠，熱慣性小、復(fù)現(xiàn)性好，價(jià)格適中。如銅熱電阻，其測(cè)溫范圍在-50℃～150℃，銅容易提純，價(jià)格比鉑便宜很多，且電阻溫度關(guān)系是線形的。</p><p>　　根據(jù)要求，并進(jìn)行比較，最終選用熱電阻Gu100溫度傳感器。</p><p>　　2.1.3 顯示器的選擇</p><p><b>　　方案一:</b></p>

26、<p>　　LCD數(shù)碼管液晶顯示,由單片機(jī)驅(qū)動(dòng).它主要用來(lái)顯示大量數(shù)據(jù)、文字、圖形，能夠顯示的位數(shù)多，顯示得清晰多樣、美觀，但同時(shí)液晶顯示器的編寫(xiě)程序復(fù)雜，價(jià)格昂貴，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比，故不采用此種方案。</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　點(diǎn)陣顯示，是由八行八列的發(fā)光二極管集成在一塊電路上組成，主要用來(lái)顯示漢字，同

27、時(shí)也能顯示數(shù)字和少量圖象，但它的焊接較麻煩，價(jià)格高，鑒于所設(shè)計(jì)的題目要求它不切實(shí)際。所以排除此方案。</p><p><b>　　方案三：</b></p><p>　　LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示，電路容易理解且驅(qū)動(dòng)的程序簡(jiǎn)單，多片七段譯碼器驅(qū)動(dòng)顯示，這不僅增加了成本，還需要占用單片機(jī)多個(gè)I/O口，也給電路的焊接帶來(lái)一定的困難，因此不選用這種方案作為顯示模塊。</p&g

28、t;<p><b>　　方案四：</b></p><p>　　采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示，價(jià)格低廉，不僅減少了對(duì)I/O口的浪費(fèi)，而且能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)數(shù)碼管。其驅(qū)動(dòng)程序容易編寫(xiě)和理解。</p><p>　　經(jīng)過(guò)四種方案的比較，排除了前三種方案之后，最后選擇方案四：LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示。</p><p>　　2.1.4 鍵盤(pán)的選

29、擇</p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　選取陣列式按鍵，減少了I/O口的使用,且掃描M×N個(gè)按鍵只需占用M+N個(gè)I/O口即可實(shí)現(xiàn)，但給編程帶來(lái)了一定的困難，雖然節(jié)省了很多的口線，降低了成本，但在此設(shè)計(jì)中所用的按鍵要盡量少，因此排除此方案。</p><p><b>　　方案二：</b>

30、</p><p>　　獨(dú)立式按鍵，每個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能，易于控制且編寫(xiě)程序簡(jiǎn)單，容易理解，雖然會(huì)占用一定的單片機(jī)I/O口資源，但是題目中要求使用的按鍵要盡量少。</p><p>　　通過(guò)以上兩種方案比較，決定采用方案二。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的方框圖</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，再結(jié)合已經(jīng)確定下來(lái)的各硬件方案，

31、可以得出系統(tǒng)具體工作的整體方框圖，如圖1所示。</p><p><b>　　圖1 系統(tǒng)方框圖</b></p><p>　　信號(hào)檢測(cè)電路對(duì)電梯間的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的獲取，并將獲得的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；S08AW60內(nèi)部有A/D轉(zhuǎn)換模塊，把獲取的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并根據(jù)便寫(xiě)好的控制程序進(jìn)行判斷，再利用片內(nèi)的定時(shí)/計(jì)數(shù)（TPM）模塊對(duì)電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速；鍵盤(pán)主要是設(shè)定要保

32、持的溫度值；顯示器對(duì)當(dāng)前溫度值或設(shè)定值進(jìn)行顯示。</p><p>　　2.3 系統(tǒng)控制算法的設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)主要是對(duì)測(cè)量到的溫度與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后獲得偏差值，是對(duì)溫度的反饋偏差控制。就必然用到經(jīng)典控制理論中的PID（Proportional Integral and Derivative比例積分微分）控制，采樣PID控制的基本公式如公式1 ，</p>&l

33、t;p><b>　　（1）</b></p><p>　　其中Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間，Td為微分時(shí)間，T為采樣時(shí)間。因計(jì)算中需要累加求和，不便于單片機(jī)的計(jì)算，因此算其增量式 。</p><p>　　由增量式PID算法獲得的控制值，再通過(guò)PWM的調(diào)速方法來(lái)調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控溫的目的。</p><p>　　3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)&l

34、t;/p><p>　　系統(tǒng)需要各單元電路的正常工作才能實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯間溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的目的，各單元電路包括檢測(cè)電路、微控制器的工作電路、顯示電路和鍵盤(pán)電路。</p><p>　　3.1 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　圖2 溫度檢測(cè)電路</b></p><p>　　熱電阻所測(cè)得的是電阻量，需要轉(zhuǎn)化為電壓量才能被控制器

35、采集。最基本的電阻-電壓轉(zhuǎn)換電路是將其與另一固定電阻串聯(lián)，但這種方法，當(dāng)溫度為量程下限時(shí)輸出不為零，這樣不利于小信號(hào)的放大和提高A/D轉(zhuǎn)換的精度。因此，本系統(tǒng)采用橋路測(cè)量，電路如圖2所示。</p><p>　　在溫度信號(hào)的檢測(cè)電路中，一端接12V的恒壓源，另一端接地，R11、R12和R13的阻值都為100Ω，銅熱電阻傳感器在0℃時(shí)的電阻為100Ω，銅熱電阻在0℃～35℃時(shí)的電阻值隨著溫度的升高呈線性增加的趨勢(shì)，其

36、中Gu100的分度如表1所示。</p><p>　　表1 Gu100分度表</p><p>　　在放大電路上，使用的是差分放大電路，由于溫度為35℃時(shí)傳感器的阻值為114.98Ω，可求出橋兩端的電壓差值為0.42V，則放大系數(shù)為10。</p><p>　　3.2 微控制器的工作電路設(shè)計(jì)</p><p>　　圖3 AW60工作電路圖</p

37、><p>　　VDD和VSS是S08MCU主要的電源引腳，工作電壓范圍是2.7V~5.5V。在電源引腳上加兩個(gè)獨(dú)立的電容器，其中一個(gè)為大容量的10μF鉭電容器，為系統(tǒng)提供大容量的電荷存儲(chǔ)，同時(shí)在離MCU電源管腳盡可能近的地方安裝一個(gè)0.1μF的陶瓷旁路電容器來(lái)抑制高頻噪音。RESET（復(fù)位）引腳是一個(gè)專(zhuān)用引腳，帶有內(nèi)置的上拉器件。它具有輸入電壓遲滯和10mA電流輸出驅(qū)動(dòng)器，但沒(méi)有輸出斜率（壓擺率）控制。由于存在內(nèi)部加

38、電復(fù)位電路和低電壓復(fù)位電路，因此在一般情況下不必使用外部復(fù)位電路。如果需要，可以增加一個(gè)到地電位的簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)（拉低復(fù)位管腳以強(qiáng)制進(jìn)行復(fù)位）來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)外部復(fù)位，如圖3所示。</p><p>　　3.3 顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　如圖4所示，S08AW60的A端口與74CHT244的八個(gè)輸入端相連，74CHT244的相對(duì)應(yīng)的八個(gè)輸出端與數(shù)碼管的八個(gè)輸入端一一相連，74CHT244具有數(shù)據(jù)

39、緩存和驅(qū)動(dòng)的功能，當(dāng)八個(gè)信號(hào)全部到齊之后再全部輸出，以足夠的電流驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的段碼顯示相應(yīng)的數(shù)字。在數(shù)碼管與74CHT244之間還要并聯(lián)上470歐姆的電阻，防止有過(guò)大的電流流過(guò)燒壞數(shù)碼管。</p><p>　　S08AW60的C端口的低3位分別接3個(gè)PNP型的9012三極管的基極，三極管的集電極分別與數(shù)碼管的兩COM端相連，發(fā)射極接+5V電壓，具有選通數(shù)碼管的作用。數(shù)碼管選擇的是共陽(yáng)極的，所以單片機(jī)的C口PTC0～

40、PTC2中任何一個(gè)端口輸出低電平時(shí)，則與之相連的數(shù)碼管被選通。為了過(guò)大電流燒壞芯片，在S08AW60的輸出與三極管基極之間接上3個(gè)10K的電阻，在此的電阻也起到限流的作用。</p><p>　　顯示模塊用的是3個(gè)共陽(yáng)極的數(shù)碼管，一塊74CHT244和3個(gè)9012三極管。</p><p><b>　　圖4 顯示電路圖</b></p><p>　　

41、3.4 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路</p><p><b>　　PTE2</b></p><p>　　圖5 風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　當(dāng)PTE2輸出為低電平時(shí)，固態(tài)繼電器發(fā)光二極管發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，從而使達(dá)林頓管的基極獲得高電位，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作；反之，PTE2輸出為高電平時(shí)，固態(tài)繼電器的輸出級(jí)為截止?fàn)顟B(tài)，達(dá)林頓管不能提供驅(qū)動(dòng)電流，因而電

42、動(dòng)機(jī)不工作。由于電動(dòng)機(jī)電樞電流突變時(shí)產(chǎn)生的瞬間反向電壓會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)造成損害，二極管D1的作用是形成回路保護(hù)電動(dòng)機(jī)。</p><p>　　3.5 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)前面鍵盤(pán)方案的確定，是使用獨(dú)立式按鍵，在該系統(tǒng)中共用到了6個(gè)按鍵，功能分別是：確定鍵、設(shè)置鍵、左移、右移、上加和下減。如圖6所示，由于AW60芯片端口內(nèi)部有上拉電阻，當(dāng)上拉使能時(shí)，在沒(méi)有鍵按下時(shí)讀入的是高電平，有

43、鍵按下時(shí)讀入的是低電平。按鍵S1～S6分別與單片機(jī)的PTB0～PTB5相連。</p><p><b>　　圖6 鍵盤(pán)電路</b></p><p><b>　　4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　在該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)上，針對(duì)要完成的功能及對(duì)各部分硬件的使用，主要有四個(gè)部分的子程序要設(shè)計(jì)：鍵盤(pán)子程序、顯示子程序、溫度

44、值判斷子程序、電動(dòng)機(jī)的PWM調(diào)速子程序。由于該系統(tǒng)的主控芯片是freecale公司生產(chǎn)的8位S08系列的AW60，故在軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)用的是freescale公司提供的CodeWarrior IDE編程環(huán)境，使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。</p><p><b>　　4.1鍵盤(pán)子程序</b></p><p>　　鍵盤(pán)的作用主要是用來(lái)設(shè)定要保持的溫度值，總共有六個(gè)按鍵：確定、設(shè)置、

45、上加、下減、左移和右移。由于選擇的是獨(dú)立式按鍵，所以在編程上會(huì)比較簡(jiǎn)單。首先是判斷是否有鍵按下，再進(jìn)行延時(shí)防抖動(dòng)后，針對(duì)按下的不同的鍵值系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的反應(yīng)。在使用“上下左右”四個(gè)鍵之前，必須是先按下了“設(shè)置”鍵，否則無(wú)效；只有在按下“確定”鍵之后，才開(kāi)始實(shí)時(shí)的溫度顯示與控制，如圖8所示。</p><p>　　圖8 鍵盤(pán)程序流程圖</p><p><b>　　4.2顯示子程序<

46、;/b></p><p>　　由于在數(shù)碼管的顯示上，本系統(tǒng)選擇的是動(dòng)態(tài)顯示，因此在不同位數(shù)碼管的顯示之間需要延時(shí)，因考慮人眼的視覺(jué)暫留的影響，數(shù)碼管每5個(gè)采樣周期，即0.5秒刷新一次。三個(gè)數(shù)碼管的高兩位為顯示溫度的整數(shù)值，剩下一個(gè)顯示溫度的小數(shù)值。在溫度的給定值與實(shí)際值的顯示上，要使用兩套不同變量，還需要七段數(shù)碼管顯示數(shù)字的代碼，如：</p><p>　　char dispvalue

47、_Array[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};為顯示0～9的數(shù)組。為了把整數(shù)值與小數(shù)值區(qū)分開(kāi)，中間的數(shù)碼管顯示時(shí)要把小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)亮。這時(shí)給中間的數(shù)碼管的顯示編寫(xiě)了另一個(gè)代碼數(shù)組如：</p><p>　　char dispvalue_Array1[]={0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0

48、x10};</p><p>　　4.3溫度值判斷子程序</p><p>　　在溫度檢測(cè)電路上，首先把檢測(cè)的溫度轉(zhuǎn)換成阻值，再把阻值轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以處理的電壓值，然后單片機(jī)對(duì)獲得的電壓值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。在溫度值的判斷程序里，要把得到的電壓數(shù)字信號(hào)進(jìn)行對(duì)比、運(yùn)算獲得對(duì)應(yīng)的溫度值，其中需要對(duì)A/D模塊進(jìn)行設(shè)置，確定采樣周期和轉(zhuǎn)換精度等。</p><p>　　在程

49、序的編寫(xiě)中采用最簡(jiǎn)單的查表法從電壓值中查出相應(yīng)的溫度值。事先將一系列溫度與電壓值對(duì)應(yīng)值存貯到AW60微控制器程序存儲(chǔ)器中的一個(gè)表內(nèi)，那么給定任意一個(gè)電壓值即可通過(guò)查表得出所對(duì)應(yīng)的溫度值，如表2。當(dāng)表中沒(méi)有對(duì)應(yīng)的電壓值時(shí)，可找出電壓值在表中的區(qū)域，然后在區(qū)間的相鄰兩點(diǎn)經(jīng)線性插值得出對(duì)應(yīng)溫度值。</p><p>　　使用公式2的插值算法：</p><p><b>　?。?）</

50、b></p><p>　　T為當(dāng)前溫度；AD_Value為當(dāng)前溫度的A/D轉(zhuǎn)換值；y2、y1分別為相鄰點(diǎn)的溫度值；x2、x1分別為相鄰點(diǎn)的A/D轉(zhuǎn)換值。</p><p>　　表2 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果與溫度值</p><p><b>　　4.4調(diào)速子程序</b></p><p>　　在獲得了溫度當(dāng)前值后，使其與給定值進(jìn)行

51、相減求得偏差值，在前面的算法設(shè)計(jì)中已經(jīng)確定了運(yùn)用PID的增量式算法控制電動(dòng)機(jī)，在增量型控制算法中，只需要知道當(dāng)前值及兩個(gè)歷史輸入值就可以求出當(dāng)前的控制增量，增量式的算法如公式3：</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　式中，,,，。</b></p><p>　　程序流程圖如圖9所示：<

52、;/p><p>　　圖9 增量式PID控制算法流程圖</p><p>　　軟件進(jìn)行PID運(yùn)算后判斷如果Δu>0,則輸出脈沖的占空比增加1%，反之減小1%。 </p><p><b>　　5總結(jié)</b></p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)從確定題目到現(xiàn)在的總結(jié)，感覺(jué)最難的是在硬件電路的設(shè)計(jì)上，需要用到以前所學(xué)過(guò)模電數(shù)電的知

53、識(shí)，當(dāng)正真需要時(shí)才知道它們的重要。在完成硬件設(shè)計(jì)后，就是軟件的設(shè)計(jì)了，雖然平時(shí)有些積累，但對(duì)PID控制的算法的理解還僅僅停留在課本上，根本不知道如何應(yīng)用，特別是參數(shù)的整定。經(jīng)過(guò)努力最后還是完成了任務(wù)，設(shè)計(jì)中肯定還有很多不足和問(wèn)題，這些都是我下一步要改進(jìn)的。</p><p>　　題目確定下來(lái)后，我開(kāi)始嚴(yán)格按照進(jìn)度的要求去進(jìn)一步的了解題目所要達(dá)到的功能，再針對(duì)任務(wù)要求查閱相關(guān)的技術(shù)資料。首先就是硬件方案的確定，根據(jù)題

54、目所要達(dá)到的功能要求，針對(duì)不同的硬件我列出了多個(gè)供選擇的方案，最后從各方面的綜合考慮之后確定了各硬件：S08AW60微控制器、Gu100溫度傳感器、LED數(shù)碼管顯示器和獨(dú)立式鍵盤(pán)。接下來(lái)就是對(duì)系統(tǒng)整體電路中各子模塊電路的設(shè)計(jì)，包括檢測(cè)電路、微控制器的工作電路、顯示電路和鍵盤(pán)電路。其中最難的就是檢測(cè)電路了，從信號(hào)的獲取到放大參考了很多相類(lèi)似的電路圖，感覺(jué)還是檢測(cè)技術(shù)和模電沒(méi)有真正的學(xué)懂，導(dǎo)致了在此應(yīng)用知識(shí)上困難。</p>&

55、lt;p>　　在軟件設(shè)計(jì)方面，該系統(tǒng)需要能夠完成A/D的轉(zhuǎn)換、溫度值的確定、數(shù)值的顯示、鍵盤(pán)動(dòng)作的判斷和電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。由于之前在使用S08AW60微控制器上不是太了解，所以A/D轉(zhuǎn)換能夠在微控制器內(nèi)不太容易的完成；溫度值的確定雖然麻煩點(diǎn)，需要對(duì)部分溫度值進(jìn)行列表，剩下的溫度值要經(jīng)過(guò)線性插值法確定，但還是很好的設(shè)計(jì)好了；顯示和鍵值的程序比較簡(jiǎn)單，之前老師講的比較多；電動(dòng)機(jī)的PID增量式算法和PWM控制是這里最難設(shè)計(jì)的，特別是參數(shù)的整

56、定，我查閱了很多資料，雖然最終完成設(shè)計(jì)任務(wù)，但還是覺(jué)得不夠好。</p><p>　　總之，無(wú)論是在硬件還是軟件設(shè)計(jì)上，我都遇到了不少的問(wèn)題，明白了自己的不足，也讓我要學(xué)到了許多，特別是在課堂上學(xué)不到的，更是懂得了如何去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題以及怎樣去解決問(wèn)題。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 朱玉璽，崔如春，鄺小磊.

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