计算机控制课程设计温度控制:

XX大 学 课程设计报告 　　 院（部、中心） 姓 名 学 号 　 专 业 　 班 级 同组人员 课程名称 　 设计题目名称 　 起止时间　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 成 绩 　 指导教师签名 　 XX大学教务处制 目 录 1、课程设计内容任务 2 2、对课设任务的理解和分析 3 3、题目的设计分析与计算 3 4、Matlab对控制系统的仿真 5 4.1 Matlab仿真连接图 5 4.2 仿真调试结果图 5 5、 部分设计电路元件的介绍 6 5.1 热电偶与温度检测原理 6 5.2.1 定时/计数器 9 5.3 光控可控硅 10 5.4 A/D0809转换芯片 13 6、设计电原理图 15 7、 程序与流程图 16 7.2 调试程序 17 7.3程序流程图 19 8、心得体会 20 9、 参考文献 21 1、课程设计内容任务 题目三、设计温度控制系统，其控制系统动态结构图如下：
图中采样周期T=6 (S)；
K=1.16；
TD=680（S）；
=30（S） 输入为单位阶跃信号。

1、 要求设计系统，设，无振铃现象。

2、 计算出D（Z），，并编写汇编语言（或C语言）控制程序。

3、通过MATLAB仿真验证设计结果。

4、设计电原理图（CPU选择8086或MCS-51），A/D转换器可使用图6-30方案；
D/A转换器可选择教材中图6-32所示方案；
功率加热元件为双向可控硅,调功方式。

2、对课设任务的理解和分析 1、该任务是针对一个特定的控制对象进行可靠性和稳定性控制，选取实际生活中常见的 温度为控制对象；

2、该任务只需要一个控制对象，观察仿真图形和性能，选取单回路控制系统模型进行设计；

3、硬件设计过程采取分步设计，由局部到整体，主要有温度检测模块、输入通道部分、输出通道部分、接口扩展部分、晶振和复位电路模块、调压触发电路等；

4、根据其特定性能，本设计采用大林控制算法来实现系统控制，为了使系统无振铃现象，设计出数字控制器D(z)及其差分方程；

5、编写程序流程图，采取正确的思路和方法，包括主程序流程图、A/D0809初始化、8253初始化、大林算法、延时等；

6、仿真分析和验证过程采用MATLAB和SIMULINK实现，主要针对仿真性能调节系统参数，并结合输入信号（单位阶跃信号）进行可靠性、稳定性分析。

3、题目的设计分析与计算 4、Matlab对控制系统的仿真 4.1 Matlab仿真连接图 图4-1 Matlab仿真连接图 4.2 仿真调试结果图 图4-2 仿真调试结果图 5、 部分设计电路元件的介绍 5.1 热电偶与温度检测原理 5.2 8051单片机 8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串口接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，具体介绍如下：
中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

数据存储器(RAM)：8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

程序存储器(ROM)：8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

定时/计数器(ROM)：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。

并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。

全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。

中断系统：8051具备较完善的中断功能， 时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容[2] MCS-51的引脚说明：
8051采用40Pin封装的双列直接DIP结构，下图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。功能如下说明：
Pin20:接地脚 Pin40:正电源脚，正常工作或对片内EPROM烧写程序时，接+5V电源。

Pin19:时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。

Pin18:时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。

输入输出(I/O)引脚：
Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚也可作为低8位地址总线，Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚，Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚也可作为高8位地址总线，Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚还具有第二功能，功能如下图所示。

Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态如下表：
表5-1 8051初始态 Pin30:ALE/PROE当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程其间，PROE将用于输入编程脉冲。

Pin29:当访问外部程序存储器时，此引脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。[4] Pin31:EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。[2]在编程时，EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。

5.2.1 定时/计数器 1）工作方式寄存器TMOD 图1-2 TMOD寄存器 M1、M0选择方式 表1-2 M1、M0 选择工作方式 功能选择位，当为0时，为定时器方式：当为1时为计数器方式。

GATE门控位，当为0时，只要控制位TR0或TR1置1，即可启动响应定时器开始工作；
当为1时，除需要TR0或TR1置1外，还需要或引脚为高电平时，才能启动响应的定时器开始工作。

TMOD不能进行寻址，只能用字节传送指令设置工作方式。

2）定时/计数器控制寄存器TCON TCON的作用是控制定时器的启、停，标志定时器的溢出和中断情况。定时器TCON格式如下：
图1-3 TCON定时器 TCON.7 TF1—定时器1溢出标志。

当定时器1计满溢出时，由硬件TF1置1，并且申请中断。进入中断服务程序后，由硬件自动清0。

TR1定时器1运行控制位。当为1时，启动定时器1工作；
当为0时，关闭定时器1工作。

TF0定时器0溢出标志。TR0定时器0运行控制位。操作同上。IE1外部中断1请求标志。IT1外部中断1触发方式选择位。IE0外部中断0请求标志。IT0外部中断0触发方式选择位。

5.3 光控可控硅：
晶闸管又叫硅可控整流元件，常简称为可控硅。普通晶闸管是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件。目前，晶闸管的派生器件很多，如双向晶闸管、可关断晶闸管、光控晶闸管等，在无线电技术中应用也很广泛。事实上，晶闸管不只是川来进行可控整流．它还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种额率的交流电变成另—种频率的交流电，等等。人们常称它为电力电子器件。

1) 可控硅工作原理 可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成。

当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。

由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。

由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，如下表 表1-3 可控硅导通和关断条件 2) 基本伏安特性 图5-3-1 可控硅基本伏安特性  （1）反向特性 当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图3），J2结正偏，但J1、J2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后，接差J3结也击穿，电流迅速增加，图3的特性开始弯曲，如特性OR段所示，弯曲处的电压URO叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。

图1-6 阳极加反向电压 （2）正向特性 当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图1-6），J1、J3结正偏，但J2结反偏，这与普通PN结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图3的特性发生了弯曲，如特性OA段所示，弯曲处的是UBO叫：正向转折电压  图5-3-2 阳极加正向电压 由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后，J2结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子时入N1区，空穴时入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合，同样，进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在N1区就有电子积累，在P2区就有空穴积累，结果使P2区的电位升高，N1区的电位下降，J2结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图3的虚线AB段。

这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态---通态，此时，它的特性与普通的PN结正向特性相似，见图2中的BC段 （3) 触发导通在控制极G上加入正向电压时（见图5）因J3正偏，P2区的空穴时入N2区，N2区的电子进入P2区，形成触发电流IGT。在可控硅的内部正反馈作用（见图2）的基础上，加上IGT的作用，使可控硅提前导通，导致图3的伏安特性OA段左移，IGT越大，特性左移越快。

图5-3-3 阳极和控制极均加正向电压 （4) 普通晶闸管的主要参数 晶闸管的主要参数有：
(1)额定通态平均电流It在规定的使用条件下．阳极—阴极间可以连续通过50H正弦半波电流的平均值。

(2)正向阻断峰值电压Vdrm。在门极开路，不加触发信号，允许重复加在晶闸管阳极和阴极之间的正向峰值电压(手册规定重复率为50次／s，持续时间不大于10MS)，称为正向阻断峰值电压Vdrm。

(3)反向阻断峰值电压Vdrm。当晶闸管加反向电压，处于反向阻断状态时．可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压(手册规定重复率为50次／s，重复时间不大于10MS)。

(4)门极触发电流Igt在室温下，阳极与阴极间加有6v正电压时、使元件完全开通所必须的最小门极直流电流。

(5)维持电流Ih。在室温和门极断路时，保持元件处于通态所必需的最小通态电流。

5.4 A/D0809转换芯片 一般常见的有四种A/D转换电路，其用途与性能见下表：
表1-4 常见4种A/D转换电路用途与性能 A/D转换电路 性能 　 用途 计数器式 最简单，价格低，转换速度很慢 用得少 双积分式 精度高，能消除干扰，转换速度也慢 用得多，多见于数字式仪表 逐次逼近式 转换速度快 用得最多 并行式 转换速度最快，但硬件多，成本高 只用于要求转换速度很快的的场合 这里选用的是ADC0809转换芯片。ADC0809转换芯片是8位、逐次比较式A/D转换芯片，具有地址锁存控制的8路模拟开关。应用单一+5V电源，其模拟量输入电路的范围为0~5V，对应的数值量输出为00H~FFH，转换时间为100us,无须调零或调整满量程。

图1-10 ADC0809芯片引脚图 ADC0809有28个引脚，在精度要求不太高的情况下，供电电源就用做基准电源。该芯片中的START是芯片中的起动引脚。其上脉冲的下降沿起动一次新的A/D转换；
EOC是转换结束信号，可用于向单片机申请中断或供单片机查询；
OE是输出允许端；
CLK是时钟端，因芯片的时钟频率最高只可工作于640kHZ，故通常由单片机的ALE引脚经分频后接向该引脚；

6、设计电原理图 7、 程序与流程图 7.2 调试程序 //调入89C51单片机函数库头文件 #include <reg51.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int //ADC0809引脚定义 sbit OE=P3^0; sbit EO=P3^1; sbit ST=P3^2; sbit CLK=P3^3; sbit ADDA=P3^4; sbit ADDB=P3^5; sbit ADDC=P3^6; uint OutputValue; uint Error2,Error1; // 主程序 void main() { AD0809_Init（）；
//AD0809 的初始化 while(1) { ST=0;ST=1;ST=0; //启动A/D转换 while(EOC==0); //等待转换结果 OE=1; //允许输出 Error1=P2*1.0/255; //获得当前反馈值 Calc_Result(); //进行计算输出值U（k） OE=0;//关闭输出 //关闭AD0809使能 P1=OutputValue; //8253调功输出 } } AD0809_Init（） { //*******************AD0809的初始化******************************************// EA=1; TMOD=0x01; TH0=(65536-150)/256; TL0=(65536-150)%256; ET0=1; TR0=1; ADDA=0; ADDB=0; ADDC=0;//选择ADC0809通道1(INT0) //***************************************************************************// } void Calc_Result() { //**************************************************************************// //依据U（k）传递函数进行计算当前输出值 OutputValue=0.983*OutputOld1+0.017*OutputOld2+1.628*Error1-1.613*Error2; //记录以前的输出值与以前的偏差量 OutputOld1=OutputValue; OutputOld2=OutputOld1; Error2=Error1；

//**************************************************************************// } //T0定时器中断给ADC0809提供CLK时钟信号 void Timer0_INT() interrupt 1 { TH0=(65536-150)/256; TL0=(65536-150)%256; CLK=~CLK;//ADC0809时钟信号 } 7.3程序流程图 8、心得体会 9、 参考文献 《微型计算机控制技术》 赖寿宏 主编 机械工业出版社 《计算机控制技术》 温钢云 黄道平 编著 华南理工大学出版社 《自动检测技术与装置》 张宏建 蒙建波 主编 化学工业出版社 《MATLAB/Simulink与控制系统仿真》 王正林 王胜开 编著 电子工业出版社 《单片机原理及其接口技术》 胡汉才 编著 清华大学出版社 参考流程图（不是最终流程图，仅作参考，图中有多处需要修正） 北fang民族大学

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