微型计算机温度控制系统设计
1总体方案设计
温度控制是工业生产中经常碰到的过程控制问题之一。对温度准确的测量和
有效的控制是一些设备优质高产、低耗和安全生产的重要指标。当今计算机控制
技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用
电子线路进行PID 调节的效果要好得多，可控性方面也有了很大提高[1]。
1.1设计要求
该系统为基于数字PID 的电加热炉温度控制系统。电加热炉用于合金钢产
品热力特性实验，迪娜加热炉用电炉丝提供功率，使其在在预定时间内江路内温
度稳定到给定的温度值。在本控制对象加热炉功率为8KW ，有220V 交流电源
供电，采用双向可控硅进行控制。本设计针对一个温区进行温度控制，要求控制
温度范围50-350℃，保温阶段温度控制精度为±1℃。选择合适的传感器，计算机
输出信号经转换后通过双向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压。其对象温控
数学模型为
1)(+=-s K s G T e d s d τ （1.1）
其中：时间常数T d =350s 秒
放大系数K d =50
滞后时间τ=10秒 控制算法选用改进的PID 控制。
1.2方案设计
要想达到设计要求的内容,少不了以下几种器件：单片机、温度传感器、LCD
显示屏、直流电动机等。其中单片机用做主控制器，控制其它器件的工作和处理
数据；温度传感器用来检测环境中的实时温度，并将检测值送到单片机中惊醒数
值比较；LCD 显示屏用来显示温度数字值；直流电动机用来表示电加热炉的工
作情况，转动表示迪娜加热炉通电加热，停止转动表示电加热炉断电停止加热。
整体思路如下：首先我们通过按键设定所需要的温度，然后利用温度传感器
检测电加热炉的实时加热温度，并传送至单片机与设定值进行比较。若检测值小
于设定值，则无任何动作，电加热炉继续导通加热；若检测值大于设定值，则单
片机控制光电耦合器导通，继电器动作，电加热炉断电停止加热。一旦炉温低于
设定值，单片机又控制光电耦合器断开，继电器开关分离，电加热炉开始导通加
热。这个过程中电加热炉所设定的温度值和温度传感器检测到的温度值都要在
LCD 显示屏上显示出来，以便操作人员观察。系统总体框图如图1.1所示。
图1.1系统总体框图
2数字控制器设计
控制系统的性能在很大程度上取决于控制算法。随着计算机控制技术的发
展，相继出现了一些新的控制算法，但PID 算法应用较广泛。
PID 控制(Proportional Integral Derivative)是控制工程中技术成熟、应用
广泛的一种控制策略。经过长期的工程实践，总结形成了一整套PID 控制方
法。由于它已形成了典型结构，且参数整定方便、结构改变灵活，在大多数
工业生产过程控制中效果较为满意，因此长期以来被广泛采用，并且与新的
控制技术相结合，继续发展。
随着微型计算机的广泛应用，很多原来的连续控制系统都可以用计算机
控制系统代替，提高了控制系统的性能。可以说，现代控制系统实质上是计
算机控制系统。在计算机控制系统中也常常将PID 特性数字化，实施数字PID
控制。因此，PID 控制规律是一种极为重要的控制规律。
单片机控制模块 键盘设定模块
温度采集模块 信号放大电路 加热丝
电源模块 LCD 显示模块
控制电路模块 看门狗监控模块
所谓PID 控制规律，就是一种对偏差信号)(t e 进行比例、积分和微分变换
的控制规律。PID 控制规律的数学表达式如下式所示
u T K dt t de dt t e t e t u t
D i p 00])()(1)([)(+++=?τ （2.1） 0u 为控制常量，即偏差为零时的控制变量。
下面把PID 控制分成三个环节来分别说明：
A. 比例调节(P 调节)
u K t e t u p 0)()(+= （2.2）
式中p K 为比例系数，0u 为控制常量，即偏差为零时的控制变量。偏差
)()()(t y t r t e -=。偏差一旦产生，比例调节立即产生控制作用，使被控制的过程
变量y 向使偏差减小的方向变化。比例调节能使偏差减小，但不能减小到零，有
残存的偏差（静差）。加大比例系数p K 可以提高系统的开环增益，减小静差，从
而提高系统的控制精度。但当p K 过大时，会使动态质量变差，导致系统不稳定。
B. 积分调节（I 调节）
在积分调节中，调节器输出信号的变化速度du/dt 与偏差)(t e 成正比，即
)(1t e dt du i τ=或?=T i dt t e t u 0
)(1)(τ （2.3） 其中i τ 为积分常数，i τ越大积分作用越弱。I 调节的特点是无差调节，与P
调节的有差调节形成鲜明对比。上式表明，只有当被调节量偏差为零时，I 调节
器的输出才会保持不变。I 调节的另一个特点是它的稳定作用比P 调节差。采用
I 调节可以提高系统的型别，有利于系统稳态性能的提高，但积分调节使系统增
加了一个位于原点的开环极点，使信号产生90°的相角迟后，对系统的稳定性不
利。
C. 微分调节（D 调节）
在微分调节中，调节器的输出与被调节量或其偏差对于时间的导数成正比，即 dt
t de t u d )()(τ= （2.4） 其中d τ 为积分常数，d τ越大微分作用越强。由于被调节量的变化速度（包
括其大小和方向）可以反映当时或稍前一些时间设定值r 与实际输出值y 之间的
不平衡情况，因此调节器能够根据被调节量的变化速度来确定控制量u ，而不要等到被调节量已出现较大的偏差后才开始动作，这样等于赋予调节器以某种程度的预见性。
然而，单纯按控制微分规律动作的调节器是不能工作的。这是因为实际的调节器都有一定的失灵区，如果偏差很小以致被调节量只以调节器不能察觉的速度缓慢变化时，调节器并不会动作。但是经过相当长的时间以后，被调节量偏差却可以积累到相当大的数字而得不到校正。因此微分调节只能起辅助的调节作用，它可以与其它调节动作结合成PD 和PID 调节，可以使系统增加一个-1/d τ的开环零点，使系统的相角裕度提高，因而有助于系统动态性能的改善。
可见，参数p K 、i τ、d τ的大小对系统的动态特性和稳定特性有很大的影响，比例调节参数p K 加大，提高系统的开环增益，减小系统稳态误差，p K 偏大，振荡次数加多，调节时间变长，当p K 太大时，系统不稳定。积分调节能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度，但积分调节通常使系统稳定性下降，i τ越小积分作用越强，系统将不稳定。i τ越大积分作用越弱，对系统稳定性能的不利影响减小，但消除静差的时间增加。微分调节可以改善系统动态特性，参数d τ偏大、偏小时，超调量都较大，而且调节时间较长。所以只有参数p K 、i τ、d τ合适时，系统才可以得到满意的动态特性和稳定特性。
D. 比例加微分调节(PD 调节)
若调节器的输出u (t )既与偏差信号)
(t e 成正比，又与偏差)(t e 的一次导数成正比，
则称这种调节器为比例加微分调节器，简
称PD 调节器。采用PD 调节器的系统称为比例加微分控制系统。PD 调节的结构图如图 2.1所示。PD 调节的时域方程为
])()([)(dt
t de t e K t u d p τ+= （2.5） 式中p K 表示比例系数，d τ为微分时间常数。p K 和d τ二者都是可调的参数。
)()1()(s E s K s U d p τ+= （2.6）
由此可得作为校正装置的比例加微分调节器的传递函数为
图2.1 比例微分调节 U (s) )1(S K d p τ+ G c (s) B (s) E (s) R (s) － +
)1()()()(s K s E s U s G d p c τ+==
（2.7） PD 调节中的微分调节部分对于)(t e 的变化非常敏感。偏差)(t e 一有变动，u (t )值随之变化，)(t e 变化愈剧烈，则u (t )变化愈大。若)(t e 正向变动(不断增大)，则u (t )值增大；若)(t e 负向变动(不断减小)，则u (t )值减小。
E. 比例加积分调节(PI 调节)
若调节器的输出既与偏差信号成正比，又与偏差信号对时间的积分成正比，则称这种调节器为比例加积分调节器，简称PI 调节器。采用PI 调节规律的系统称为比例加积分控制系统。
PI 调节的结构如图2.2所示。PI 调节器的输出为
?+=t
i p dt t e t e t u K 0])(1)([)(τ （2.8） 式中：p K 表示比例系数，i τ为积分时间常数。p
K 和i τ二者都是可调的参数。不过，通过积分时间常
数i τ只能调节积分控制规律；而改变比例系数p K ，
则同时对比例控制规律及积分控制规律都有影响。
PI 调节器的传递函数为 )11()()()(s
K s E s U s G i p c τ+== （2.9） PI 控制不仅给系统引进了一个纯积分环节，并且还引进了一个开环零点。纯积分环节提高了系统的无差度阶数(即系统的类型)，改善了系统的稳态性能。但其缺点是使系统的稳定性下降，不过，由于附加的零点又能改善系统的稳定性能，所以)(s G c 的零点正好弥补了积分环节的缺点。综上所述，PI 控制不仅改善了系统的稳态性能(即稳态误差)，而且对系统的稳定性影响不大。
在现代由于计算机进入控制领域，用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计算机控制系统，用软件实现PID 控制算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使PID 控制更加灵活。计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，连续PID 控制算法不能直接使用，需要采用离图2.2比例积分调节 U (s) G c (s) E (s) R (s) － + )11(s K i p τ+
散化方法。在计算机PID 控制中，使用的是数字PID 控制器。目前有位置式PID 控制算法以及增量式PID 控制算法[12]。
本系统采用了增量数字化PID 算法。增量式控制器是指控制器每次输出的只是控制量的增量，当执行机构，例如步进电机，需要的是增量而不是位置量的绝对数值时，就可以使用增量式PID 控制器进行控制[13]。
增量)(k u ?，当执行机构需要的是控制量的增量时，应采用增量式PID 控制。根据递推原理可得
T
k e k e k T j e k k e k k u d
k j i p )2()1()()1()1(10---++-=-∑-= (2.10) 用式(4.3)减式(4.4)，可得增量式PID 控制算法
T
k e k e k e k T k e k k e k e k k u d i p )2()1(2)()())1()(()(-+--++--=? (2.11) 式(2.11)称为增量式PID 控制算法，将其进一步可改写为
)2()1()()(210-+--=?k e a k e a k e a k u (2.12)
式中，)1(0T T T T k a d i p ++=，)21(1i d p T T k a +=，i
d p T T k a =2 增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少的优点[2]：
(1) 由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。
(2) 手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故仍能保持原值。
(3) 算式中不需要累加。控制增量u (k )的确定，仅与最近k 次的采样值有关， 所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。
但是增量式控制也有其不足之处[3]：积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。因此，在选择时不可一概而论，一般认为在以晶闸管作为执行器或在控
制精度要求高的系统中，可采用位置式控制算法，而在以步进电动机或电动阀门作为执行器的系统中，则可采用增量式控制算法。
3硬件设计与实现
3.1微型计算机选择
本设计要求采用51内核的单片机。89C51是一种带4K字节Flash可编程可擦除的高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器。综合考虑，本设计选择AT89C51单片机为核心控制器。
AT89C51单片机的引脚图如图3.1所示。
图3.1 AT89C51引脚图
AT89C51各引脚功能[4]如下：
VCC：供电电压。
GND：接地。
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收
输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL 门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表3.1所示：
表3.1 P3口引脚与第二功能
端口引脚第二功能
P3.0 RXD(串行输入口)
P3.1 TXD(串行输出口)
P3.2 INTO(外中断0)
P3.3 INT1(外中断1)
P3.4 TO(定时/计数器0)
P3.5 T1(定时/计数器1)
P3.6 WR(外部数据存储器写选通)
P3.7 RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址
的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。
EA/VPP：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：来自反向振荡器的输出。
单片机系统的扩展是以基本最小系统为基础的，单片机最小系统包括晶体振荡电路、复位电路、上拉电阻等，其电路图如图3.2所示。
图3.2 单片机最小系统
单片机的抗干扰性设计。单片机干扰最常见的现象就是程序出现不可逆状态，设计系统时一般要添加一个看门狗监控模块，在系统出现不可逆状态的干扰
时，监控模块将重启系统[5]。MAX1232微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功能，当电源过电压、欠电压时，MAX1232将提供至少250ms宽度的复位脉冲，其中的容许极限能用数字式的方法来选择5%或10%的容限。
MAX1232 是MAXIM公司生产的微处理器监视器,不光提供了看门的功能，而且同时还能检测供电电源的变化，并提供了高电平、低电平上电复位方式，用户能够设置它的超时时间、设定电源电压被动允许范围。用MAX1232芯片作为单片机系统以及其他电子设备的看门狗电路，不需要其他的电子元器件配合，可以直接和微控制器相连，使用简单方便，性能可靠，被大量应用在一些单片机系统上。
MAX1232在以下情况下发送复位信号：
电源电压下降到设置的复位电压处，即检测到了下降值超过所设置的5%或10%的允许波动电压（4.62v或4.37v）；PB/RST引脚电压被拉低；ST引脚没在设定的超时时间内收到喂狗信号；电源上电。
图3.3 MAX1232引脚图
MAX1232引脚定义[6]：
VCC：+5V电源输入
GND：接地
PB/RST：按键复位输入
TOL：电源电压波动允许设置（接地为5%，接VCC为10%）
ST：喂狗信号
RST：低电平复位信号
RST：高电平复位信号
3.2温度采集模块
在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案，新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。综合考虑，本设计采用新型数字温度传感器DS18B20。
DS18B20 数字温度传感器，该产品采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域[7]。
DS18B20的主要特性：
（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；
（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；
（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；
（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；
（5）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；
（6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；
（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；
（8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线串行”传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；
（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
DS18B20数字温度传感器经过LM358经信号放大输送至单片机P1.7口，电
路如图3.3所示。
图3.3 温度传感器连接电路
3.3 LCD显示模块
本设计采用LCD1602作为输出器件，其特点[8]如下：
(1)显示质量高：由于LCD每一个点在收到信息后就一直保持那中色彩和亮度，恒定发光，不需要不断的刷新亮点，因此画质高且不会闪烁。
(2)数字式接口，与单片机系统的接口简单，操作更方便。
(3)体积小，质量轻。
(4)功耗低，耗电量比其他显示器件小得多。
电路原理图如图3.4所示。
图3.4 LCD1602显示电路
3.4键盘设定模块
键盘电路如图3.5所示。
图3.5 键盘设定电路
这里减排设计的比较简单，“MS”键是切换调整对象的，调整对象包括时、分、温度设定值三项，“+”键是向上加调整对象的值，“-”键是向下减调整对象的值，“ON/OFF”键是打开和关闭系统自动调节功能的开关键。
3.5控制电路模块
3.5.1电器开关
由于单片机与电动机之间需要用开关器件连接，并且前者用弱电控制，后者由强电控制，这就尤其需要注意安全问题。综合考虑，本设计选用高性能安全开关器件光电耦合器。光电耦合器是由一个发光转换器件组成，这里选用光电耦合器OPTOCOUPLER-NPN是由一个发光二极管和一个光敏晶体管组成。当发光二极管发光，就会使得光敏晶体管导通，继电器通电工作，将开关吸合，电动机回路断开。电器开关及工作电路如图3.6所示。
图3.6 电器开关及工作电路
如图3.6所示，光电耦合器1脚接电源，2脚接单片机P3.7脚。工作过程用以下三个阶段来描述：
（1）单片机将温度传感器送入的值与设定值进行比较，若送入的值小于设定值，则P3.7脚保持高电平，这样发光二极管不发光，光敏晶体管保持高阻态，继电器不会工作，电动机和灯泡维持导通，相当于电路继续加热，指示灯亮；
（2）一旦送入值比设定值大，单片机将会控制P3.7脚变为低电平，发光二极管导通发光，光敏晶体管受光影响导通，继而继电器工作，电磁铁将单刀双掷开关吸向下端，使电动机和灯泡同时停止工作，这就相当于电炉断电，停止加热；
（3）电炉短路一段时间后，必然导致炉温降低，而温度传感器DS18B20在不间断地检测炉温，当检测值低于设定后，单片机又控制P3.7脚恢复高电平，光电耦合器恢复高阻态，继电器断电，单刀双掷开关又被弹回上端，电动机和灯泡又开始工作，这相当于电炉重新开始加热。
3.5.2双向可控硅电路
双向可控硅具有双向导通功能，在交流电的正负半周都可以导通。其英文名TRIAC即三级交流开关的意思，并把它的两极称为MT1和MT2。双向可控硅的通断情况由控制极栅极（G）决定，当栅极无信号时MT1和MT2成高阻态，管截止；而当MT1与MT2之间加一个阈值电压（一般大于1.5V）的电压时，就可以利用控制极栅极电压来使可控硅导通[9]。但需要注意的是，当双向可控硅接感性负载时，电流和电压之间有一定的相位差。在电流为零时，反向电压可能不为零，且超过转换电压，使管子反向导通，故要管子能承受这种反向电压，并在回路中加入RC网络加以吸收。
控制双向可控硅从高阻态（阻断区）转换到低阻态（导通区）可以用不同的方式实现。相应的分为四种触发方式：
（1）MT1相对于MT2为正，控制脉冲电压Ug相对于MT1为正
（2）MT1相对于MT2为负，控制脉冲电压Ug相对于MT1为负
（3）MT1相对于MT2为正，控制脉冲电压Ug相对于MT1为负
（4）MT1相对于MT2为负，控制脉冲电压Ug相对于MT1为正
双向可控硅通常工作在控制方式（1）和控制方式（2）。在这两种控制方式下，控制灵敏度特别高。另外两种控制方式下，要求高一倍的触发电流。在本
设计中，选择了控制方式（1）和（2）。
如同晶闸管的控制极那样，双向可控硅的控制极在触发后便失去了作用。双向可控硅长期维持低阻态，直到低于维持电流I H，然后在转换到高阻态。在控制交流电压时，每次电源电压过零双向可控硅都会自动截止，所以双向可控硅每半个周期都需要重新触发。
在本设计中，利用单片机控制双向可控硅的导通角。在不同时刻利用单片机给双向可控硅的控制端发出触发信号，使其导通或关断，实现负载电压有效值的不同，以达到调压控制的目的。其控制电路如图3.7所示。
图3.7 双向可控硅控制电路
3.6电源模块
本系统所需电源有220V交流市电、直流5V、12V电压和低压交流电，故需要变压器、整流装置和稳压芯片等组成电源电路。电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有±10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后,还需要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。整流装置采用二极管桥式整流，稳压芯片采用78L05、78L12、79L05，配合电容将电压稳定在5V、12V和-5V，供控制电路、测量电路和电器开关电路中弱电部分使用。除此之外，220V交流市电还是加热电阻两端的电压，通过控制双向可控硅的导通与截止来控制加热电阻的功率。低压交流电即变压器二次侧的电压，通过过零检测电路检测交流电的过零点，送入单片机后，由控制程序决定双向可控硅的导通角，以达到控制加热电阻功率的目的。电源电路如图3.8所
示。
图3.8 电源电路图
4 软件设计
4.1主程序流程图
主程序流程图如图4.1所示。
4.2 LCD1602初始化流程图
LCD1602初始化流程图如图4.2所示。
4.3 DS18B20初始化流程图
DS18B20初始化流程图如图4.3所示。
4.4 PID 控制算法流程图
增量型PID 控制算法的表达式为
T k e k e
k e k T k e k k e k e k k u d i p )
2()1(2)()())1()(()(-+--++--=?
（4.1） 令))1()(()(--=k e k e k k P p P
（4.2） T k e k k P i I )()(=
（4.3） T k e k e k e k k P d D )
2()1(2)()(-+--=
（
4.4） PID 控制算法流程图如图4.4所示。
图4.1 主程序流程图 开始
设定值>=采集值？ 将P3.7口置0
将P3.7口置1
设定值<采集值？ 读出24C02保存的数据赋予K
LCD 初始化
延时500ms 启动
DS18B20初始化
按键扫描、温度采集
初始化P1口，初始化24C02
Y
N
Y
N
图4.3 DS18B20初始化流程图 图4.2 LCD1602初始化流程图
功能设置命令 调用写入指令到LCD 子程序 开始 子程序返回
调用写入指令到LCD 子程 调用写入指令到LCD 子程 设置显示状态 清屏 设定工方式 调用写入指令到LCD 子程 设置输入方式
温度比较 超出范围？ 温度显示 温度数据处理 读取温度 开始 温度转换命令 C51寄存器初始化 18B20存在？ N N Y
Y
图4.4 增量型PID 控制算法流程图 5 结论
此次课程设计的课题是《基于数字PID 的电加热炉温度控制系统设计》。整个系统分为六个部分：微型计算机模块，温度采集模块，LCD 显示模块，键盘设定模块，控制电路模块和电源模块。选用单片机AT89C51做主控制器，控制其它器件的工作和处理数据；温度传感器用来检测环境中的实时温度，并将检测值送到单片机中惊醒数值比较；LCD 显示屏用来显示温度数字值；直流电动机用来表示电加热炉的工作情况，转动表示迪娜加热炉通电加热，停止转动表示电加热炉断电停止加热。结果表明，该控制系统具有良好的扩展性和实用性，对于实现电加热炉的智能化测控管理，提高生产系统安全性，创造生产的最佳效益将产生积极作用。
参考文献
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计算)()()(k y k r k e -= 计算)(k P I 计算)(k P D 计算)(k P P
计算)(k u ? 结束
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计算机控制技术课程设计 评语： 考勤（10）守纪（10）过程（30）设计报告（30）答辩（20）总成绩（100） 专业：自动化 班级：动201302 姓名：完新龙 学号：201309314 指导教师：侯涛 兰州交通大学自动化与电气工程学院 2016年07月15日
基于温度传感器的水温控制系统 1.设计要求 1升水加热，要求水温可以在20~100摄氏度范围内进行人工控制，并能在环境温度变化时实现自动调整，以保证在设计的温度。要求最小分辨率率为1摄氏度，温度控制的稳态误差小于0.2摄氏度，能够显示当前的温度。 2.设计方案 设计采用220V交流供电的150W加热器，利用DS18B20进行周期性检测，并将数据传递给单片机。上位机通过单片机传递的实时温度与给定温度进行比较得到误差，通过PID算法得到控制量，送给单片机通过单片机I/O口输出高电平占空比进行控制，实现对加热器控制。 2.1设计原理图 设计原理图如图1所示。 图1 设计原理图 2.2硬件选型 (1)控制器分为上位机和下位机。上位机为控制计算机，通过检测的温度与设定的温度进行比较，由设定的算法计算出控制量u；下位机为AT89C51即单片机，接收由上位机所给出的控制量，对执行机构进行控制。AT89C51具有如下特点：4kB Flash片内内存储器，128 byte RAM，32个外部双向输入输出口，5个中断优先级，2个16位可编程计数器，2个全双工串行通信口。 (2)D/A转换器采用DAC0832，8位D/A转换器，与微处理器完全兼容。DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。主要参数：分辨率为0.0039；电流稳定时间1微秒；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；可单一电源供电（5V-15V）；低功耗，20mW。 (3)执行机构采用交流加热器。根据相关资料对于加热一杯水，加热器可以迅速反应，提高动态响应速度。 (4)传感器采用DS18B20数字温度传感器。DS18B20具有体积小，硬件开销低，
《微型计算机控制技术》学科复习总结★第一部分选择题 ?使用说明：本部分对应考试题型的选择题部分，注意看选项答案，莫只记选项！ ★★1. RS-232-C串行总线电气特性规定逻辑“1”的电平是（C）（1分） A. 0.3V以下 B. 0.7V以上 C. -3V以下 D. +3V以上2．下面关于微型计算机控制技术的叙述，正确的是( D )。 A．微型计算机控制技术只能用于单片机系统 B．任何控制系统都可以运用微型计算机控制技术 C．微型计算机控制技术不能用于自动化仪表 D．微型计算机控制技术可用于计算机控制系统及自动化仪表3. 计算机监督系统(SCC)中，SCC计算机的作用是( B )。 A．接收测量值和管理命令并提供给DDC计算机 B．按照一定的数学模型计算给定值并提供给DDC计算机 C．当DDC计算机出现故障时，SCC计算机也无法工作 D．SCC计算机与控制无关 4．关于现场总线控制系统，下面的说法中，不正确的是( C )。 A．省去了DCS中的控制站和现场仪表环节 B．采用纯数字化信息传输 C．只有同一家的FCS产品才能组成系统 D．FCS强调“互联”和“互操作性” 5. 闭环控制系统是指（B） A.系统中各生产环节首尾相连形成一个环 B.输出量经反馈环节回到输入端，对控制产生影响 C.系统的输出量供显示和打印 D.控制量只与控制算法和给定值相关 6. 多路开关的作用是（A） A.完成模拟量的切换 B. 完成数字量的切换 C.完成模拟量与数字量的切换 D. 完成模拟量或数字量的切换 7. 采样-保持电路的逻辑端接+5V，输入端从2.3V变至2.6V，输出端为（A）
微机课程设计报告
目录 一、需求分析 1、系统设计的意义 (3) 2、设计内容 (3) 3、设计目的 (3) 4、设计要求 (3) 5、系统功能 (4) 二、总体设计 1、交通灯工作过程 (4) 三、设计仿真图、设计流程图 1、系统仿真图 (5) 2、流程图 (6) 3、8253、8255A结构及功能 (8) 四、系统程序分析 (10) 五、总结与体会 (13) 六、参考文献 (13)
一、需求分析 1系统设计的意义： 随着社会经济的发展，城市问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据检测、交通信号灯控制与交通疏通的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。 随着城市机动车量的不断增加，组多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速通道，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速通道，缓解主干道与匝道、城市同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。 十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。交通灯的控制方式很多，本系统采用可编程并行I/O接口芯片8255A为中心器件来设计交通灯控制器，实现本系统的各种功能。同时，本系统实用性强，操作简单。 2、设计内容 采用8255A设计交通灯控制的接口方案，根据设计的方案搭建电路，画出程序流程图，并编写程序进行调试 3、设计目的 综合运用《微机原理与应用》课程知识，利用集成电路设计实现一些中小规模电子电路或者完成一定功能的程序，以复习巩固课堂所学的理论知识，提高程序设计能力及实现系统、绘制系统电路图的能力，为实际应用奠定一定的基础。针对此次课程设计主要是运用本课程的理论知识进行交通灯控制分析及设计，掌握8255A方式0的使用与编程方法，通从而复习巩固了课堂所学的理论知识，提高了对所学知识的综合应用能力。 4、设计要求： （1）、分别用C语言和汇编语言编程完成硬件接口功能设计； （2）、硬件电路基于80x86微机接口；
微型计算机控制技术学习心得 转眼间，一个学期又过去了。微机原理与控制技术课程已经结束了。通过从大三下学期的微机原理与接口技术到这学期的微机原理与控制技术的学习，回想起来受益匪浅，主要是加深了对计算机的一些硬件情况和运行原理的理解和汇编语言的编写，期间也听老师讲过，微机原理这门课程是比较偏硬件一点的。正是因为这一点我还是对它比较喜欢的，因为它和我的专业方向“机电工程”有很大的联系，在机电工程领域很多场合要应用到微机，而且是微机原理是考研复试面试时必考问的专业课，因为我要考研，本着一定要考上的心态，因此对该课程的学习还是有浓厚的兴趣和动力的。下面谈谈这期学习该课程的心得与体会：总体介绍下这门课程的轮廓吧（也就是教学大纲）： 一、课程性质与设置目的 （一）课程性质 微型计算机控制技术是高等院校计算机应用专业本科教学中的一门选修专业课，是从微型计算机原理到微型计算机控制，从理论到实际的必经桥梁，是着重解决和处理工程实际问题的一门课程。在该课程的教学过程中，将课堂教学与实验教学有机结合，注意培养同学分析问题、解决问题的方法和能力。 该课程主要介绍微型计算机应用在工业控制中的各种技术，重点讲述微型机用于实时控制中的软件、硬件设计方法，以及它们之间的结合问题。课程注重理论联系实际，从工程实际出发，在设计方法，即实验技术、操作运行、系统调试等方面对学生进行训练，为学生的毕业设计及将来的实际工作奠定基础。（二）教学目的 通过本课程的学习，可使我们对微型机在工业过程控制和智能化仪器方面的应用有个比较全面的了解，为以后的工作和毕业设计打下基础。 二、下面我对该门课程的教学内容做了一个详细的总结 1.第1章微型计算机控制系统概述 2.教学要点 1.微型计算机控制系统的组成 2.微型计算机控制系统的分类 3.微型计算机控制系统的发展 3.教学内容 通过对本章的学习，应当对微型计算机控制系统有一个完整的概念，具体掌握以下几方面的内容。 4. 1.了解微型计算机控制系统的组成。 2.学习并掌握微型计算机控制系统的分类 及各系统之间的区别。
《计算机控制技术》课程设计单闭环直流电机调速系统
1 设计目的 计算机控制技术课程是集微机原理、计算机技术、控制理论、电子电路、自动控制系统、工业控制过程等课程基础知识一体的应用性课程，具有很强的实践性，通过这次课程设计进一步加深对计算机控制技术课程的理解，掌握计算机控制系统硬件和软件的设计思路，以及对相关课程理论知识的理解和融会贯通，提高运用已有的专业理论知识分析实际应用问题的能力和解决实际问题的技能，培养独立自主、综合分析与创新性应用的能力。 2 设计任务 2.1 设计题目 单闭环直流电机调速系统 实现一个单闭环直流电机调压调速控制，用键盘实现对直流电机的起/停、正/反转控制，速度调节要求既可用键盘数字量设定也可用电位器连续调节，需要有速度显示电路。扩展要求能够利用串口通信方式在PC上设置和显示速度曲线并且进行数据保存和查看。 2.2 设计要求 2.2.1 基本设计要求 （1）根据系统控制要求设计控制整体方案；包括微处理芯片选用，系统构成框图，确定参数测围等； （2）选用参数检测元件及变送器；系统硬件电路设计，包括输入接口电路、逻辑电路、操作键盘、输出电路、显示电路； （3）建立数学模型，确定控制算法； （4）设计功率驱动电路； （5）制作电路板，搭建系统，调试。 2.2.2 扩展设计要求 （1）在已能正常运行的微计算机控制系统的基础上，通过串口与PC连接； （2）编写人机界面控制和显示程序；编写微机通信程序；实现人机实时交互。
3方案比较 方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。 方案二：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。 方案三：采用由电力电子器件组成的H 型PWM 电路。用单片机控制电力电子器件使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在电力电子器件的饱和截止模式下，效率非常高；H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM 调速技术。 兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调整围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。 4单闭环直流电机调速系统设计 4.1单闭环调速原理 4.1.1 闭环系统框图 4.1.2 调速原理 直流电机转速有： 常数Ke Ka 不变，Ra 比较小。 所以调节Ua 就能调节n 。 n n I K R K U K R I U n d d a e e d ?-=Φ -Φ=-=0φa a a U I U ≈-
１、什么就是计算机控制系统？它由哪几部分组成？ 计算机控制系统就就是利用计算机来实现生产过程自动控制得系统。它就是工业控制机构生产过程得大部分组成，工业控制机就是指生产过程控制得特点与要求而设计得计算机,它包括硬件与软件部分,生产过程包括被控对象,测量变送，执行机构,电气开关等。 2、计算机控制系统得典型形式有哪些？各有什么优缺点？ 计算机控制系统得典型形式：(1)操作指导控制系统。优点:结构简单，控制灵活与安全,缺点就是由人工操作,速度受到限制，不能控制多个对象.(2)直接数字控制系统(ＤＤC),实时性好,可靠性高与适应性强.（３）监督控制系统（SSC），就是生产过程始终处于最优工况。 (4)分型控制系统（DCS)，分散控制，集中操作，分级管理.（５)现场总线控制系统（FＣＳ)，降低成本,提高可靠性，可实现真正得开放式互连系统结构 3、实时，在线方式与离线方式得含义就是什么？ 实时就是指信号得输入,计算与输出都要在一定得时间范围内完成,即计算机对输入信息以足够快得速度进行控制，超出这个时间就失去控制时机，控制也就失去意义.在线方式：在计算机控制系统中，生产过程与计算机直接连接,并受计算机控制得方式。离线方式:生产过程不与计算机相连且不受计算机控制，而就是靠人进行联系并作相应操作得方式. ４、工业控制机有哪几部分组成？ 工业控制机包括硬件与软件两部分。硬件包括：主机(CPU、RＡM、ROＭ）板,人-—机接口，外部总线与内部总线，系统支持板，磁盘系统通信接口，输入、输出通道.软件包括系统软件、支持软件与应用软件。 5、什么就是总线，内部总线与外部总线？ 总线就是一组信号线得集合，它定义了各引线得信号、电机、机械特性,使计算机内部各组成部分之间以及不同得计算机之间建立信号联系,进行信息传送与通信。内部总线：就就是计算机内部功能模板之间进行通信得总线,它就是构成完整得计算机系统得内部信息枢纽，但按功能仍要分为数据总线DＢ，地址总线ＡB,控制总线ＣB，电源总线ＰB。外部总线就是计算机与计算机之间或计算机与其她智能设备之间进行通信得连接。 6、什么就是接口,接口技术与过程通道？ 接口就是计算机与外部设备交换信息得桥梁，它包括输入接口与输出接口,接口技术就是研究计算机与外部设备之间如何交换信息得技术,过程通道就是在计算机与生产过程之间设置得信息传送与转换得连接通道，它包括ＡI、AＯ、ＤＩ、DO。 7、采用７4LS244与74LＳ２73与PＣ总线工业控制机接口，设计8路数字量（开关量)输入接口与8路数字量(开关量）输出接口,请画出接口电路原理图,并分别编写数字量输入与数字量输出程序。 8、用8位A/D转换器ＡDＣ080９通过８255A与PC总线工业控制机接口,实现８路模拟量采集。请画出接口原理图，并设计出8路模拟量得数据采集程序 9、有源I／V变换:设输入为4~2０mA得电流，对应输出为1~5Ｖ，输入电阻Ｒi=２50Ω，试确定I/V变换电路及电路参数，画出电路原理图. 10、什么就是采样过程、量化、孔径时间？ 采样时指按一定得时间间隔T，把时间上连续与幅值上也连续得模拟信号转变成在时间刻０、Ｔ、2T···ＫＴ得一连串脉冲输出信号得过程，所谓量化就就是采用一组数码(二进制码)来逼近离散模拟信号得幅值，将其转换为数字信号,将采样信号转换为数字信号得过程称为量化过程,孔径时间，在模拟量输入通道中，Ａ／D转换器将模拟信号转换为数字量总需要一定得时间，完成一次A/D转换所需得时间. 11、采样保持器得作用就是什么？就是否所有得模拟量输入通道中都需要采样保持器？为什么？
微型计算机技术课程设计 指导教师： 班级： 姓名： 学号： 班内序号： 课设日期： _________________________
目录 一、课程设计题目................. 错误！未定义书签。 二、设计目的..................... 错误！未定义书签。 三、设计内容..................... 错误！未定义书签。 四、设计所需器材与工具 (3) 五、设计思路..................... 错误！未定义书签。 六、设计步骤(含流程图和代码) ..... 错误！未定义书签。 七、课程设计小结 (36)
一、课程设计题目：点阵显示系统电路及程序设计 利用《汇编语言与微型计算机技术》课程中所学的可编程接口芯片8253、8255A、8259设计一个基于微机控制的点阵显示系统。 二、设计目的 1．通过本设计，使学生综合运用《汇编语言与微型计算机技术》、《数字电子技术》等课程的内容，为今后从事计算机检测与控制工作奠定一定的基础。 2．掌握接口芯片8253、8255A、8259等可编程器件、译码器74LS138、8路同相三态双向总线收发器74LS245、点阵显示器件的使用。 3．学会用汇编语言编写一个较完整的实用程序。 4．掌握微型计算机技术应用开发的全过程，包括需求分析、原理图设计、元器件选用、布线、编程、调试、撰写报告等步骤。 三、设计内容 1．点阵显示系统启动后的初始状态 在计算机显示器上出现菜单： dot matrix display system 1.←left shift display 2.↑up shift display 3.s stop 4.Esc Exit 2．点阵显示系统运行状态 按计算机光标←键，点阵逐列向左移动并显示：“微型计算机技术课程设计，点阵显示系统，计科11302班，陈嘉敏，彭晓”。 按计算机光标↑键，点阵逐行向上移动并显示：“微型计算机技术课程设计，点阵显示系统，计科11302班，陈嘉敏，彭晓”。 按计算机光标s键，点阵停止移动并显示当前字符。 3．结束程序运行状态 按计算机Esc键，结束点阵显示系统运行状态并显示“停”。 四．设计所需器材与工具 1．一块实验面包板(内含时钟信号1MHz或2MHz)。 2．可编程芯片8253、8255、74LS245、74LS138各一片，16×16点阵显示器件一片。
微型计算机控制技术课 后答案第二版潘新民 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】
第一章1.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成各部分作用 (1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。 (2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。 (3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能. (4)检测与执行机构:a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量.b. 执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。 4、操作指导、DDC和SCC系统工作原理如何它们之间有何区别和联系 (1)操作指导控制系统：在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理，计算出各控制量应有的较合适或最优的数值，供操作员参考，这时计算机就起到操作指导的作用 (2)直接数字控制系统(DDC系统)：DDC(Direct Digital Control)系统就是通过检测元件对一个或多个被控参数进行巡回检测，经输入通道送给微机，微机将检测结果与设定值进行比较，再进行控制运算，然后通过输出通道控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。DDC系统是闭环系统，是微机在工业生产过程中最普遍的一种应用形式。 (3)计算机监督控制系统(SCC系统)：SCC(Supervisory Computer Control)系统比DDC系统更接近生产变化的实际情况，因为在DDC系统中计算机只是代替模拟调节器进行控制，系统不能运行在最佳状态，而SCC系统不仅可以进行给定值控制，并且还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等。 SCC是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。 第二章 2 采样周期越小越好吗为什么 答：不是。若采样间隔太小（采样频率太高），则对定长的时间记录来说其数字系列就很长，计算工作量迅速增大，可能产生较大的误差。
《计算机控制》课程设计报告 题目: 超前滞后矫正控制器设计 姓名: 学号: 10级自动化 2013年12月2日
《计算机控制》课程设计任务书 指导教师签字：系（教研室）主任签字： 2013年11 月25 日
1.控制系统分析和设计 1.1实验要求 设单位反馈系统的开环传递函数为) 101.0)(11.0(100 )(++= s s s s G ，采用模拟设 计法设计数字控制器，使校正后的系统满足：速度误差系数不小于100，相角裕度不小于40度，截止角频率不小于20。 1.2系统分析 （1）使系统满足速度误差系数的要求: ()() s 0 s 0100 lim ()lim 100 0.1s 10.011V K s G s s →→=?==++ (2)用MATLAB 画出100 ()(0.11)(0.011) G s s s s = ++的Bode 图为： -150-100-50050 100M a g n i t u d e (d B )10 -1 10 10 1 10 2 10 3 10 4 P h a s e (d e g ) Bode Diagram Gm = 0.828 dB (at 31.6 rad/s) , P m = 1.58 deg (at 30.1 rad/s) Frequency (rad/s) 由图可以得到未校正系统的性能参数为： 相角裕度0 1.58γ=?， 幅值裕度00.828g K dB dB =, 剪切频率为：030.1/c rad s ω=， 截止频率为031.6/g rad s ω=
（3）未校正系统的阶跃响应曲线 024******** 0.20.40.60.811.2 1.41.61.8 2Step Response Time (seconds) A m p l i t u d e 可以看出系统产生衰减震荡。 （4）性能分析及方法选择 系统的幅值裕度和相角裕度都很小，很容易不稳定。在剪切频率处对数幅值特性以-40dB/dec 穿过0dB 线。如果只加入一个超前校正网络来校正其相角，超前量不足以满足相位裕度的要求，可以先缴入滞后，使中频段衰减，再用超前校正发挥作用，则有可能满足要求。故使用超前滞后校正。 1.3模拟控制器设计 （1）确定剪切频率c ω c ω过大会增加超前校正的负担，过小会使带宽过窄，影响响应的快速性。 首先求出幅值裕度为零时对应的频率，约为30/g ra d s ω=，令 30/c g rad s ωω==。 （2）确定滞后校正的参数 2211 3/10 c ra d s T ωω= ==, 20.33T s =,并且取得10β=
计算机科学与技术04级 微机原理课程设计 一、课程设计的目的 课程设计是实验的提高和综合。通常，学习知识是由浅入深、由此及彼，一点点的学习和积累的，而应用知识则是综合运用所积累的知识来分析和解决实际问题、从知识的系统性来检验对各层次知识的掌握程度。 ?课程设计的目的是让学生把理论学习和实验教学阶段所掌握的知识通过一个设计实例，经历一次理论和实践结合、软件和硬件结合的综合训练，也是一次工程实践能力的检验。这次课程设计大家应当把它作为毕业设计的预演。 ?锻炼通过各种媒体和途径主动获取知识的能力。 二、课程设计的要求 ?课程设计要求独立完成、严禁抄袭； ?较大的题目可以多人合作完成，但每个人都应有自己所承担的任务，并在自己的报告中客观如实地反映； ?课程设计既是综合能力的锻炼，也是协作精神和科学诚信品质的锻炼。如果做相同的题目，要保证各自的独立性，实现方法的多样性。 ?微机原理是一门硬件技术为主、软硬件结合的课程，因此要求，所有的选题都要描述清楚硬件设计的原理和软件设计的逻辑思路。设计尽量在实验箱上完成。 ?在功能设计上尽量完善、贴近实用、有人机交互（人机交互可实用实验箱上的键盘重新定义） ?登录本系的网页，查阅毕业设计的相关文件和设计规范，学习设计报告撰写的各个环节，并在课程设计中认真实践。 ?要珍惜这次课程设计，这是一次总结复习、知识拓展、能力锻炼的大好机会。 ?课题完成后要有一分规范的设计报告。 三、课程设计的时间安排 课程设计的时间为2个完整的教学周。每天的上午一班，下午二班实验室开放，为大家提供调试、辅导的时间。 四、课程设计报告要求 ?为锻炼学生的论文写作能力，为今后的毕业设计（毕业论文）做准备，对设计报告的完成尝试做较高的要求。
1.计算机控制系统：就是利用计算机(通常称为工业控制计算机，简称工业控制机)来实现生产过程自动控制的系统。 2.计算机控制系统的工作原理： ①实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。 ②实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。 ③实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行发出控制信号，完成控制任务。 3.计算机控制系统由计算机(工业控制机)和生产过程两大部分组成。 4.在线方式和离线方式 在线方式(on-line): 生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式。 离线方式(off-line): 生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。 5.实时的含义 实时(real-time)：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间围完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。而且这个时间围的大小跟被控对象联系非常的紧密！不同的被控对象，对时间围的要求不同。 6.逐点比较法插补: 每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这点在给定轨迹的上方或下方，或是给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向。比较一次，决定下一步走向，以便逼近给定轨迹，即形成逐点比较插补。 7.直线插补计算过程：①偏差判别②坐标进给③偏差计算④终点判断
8.圆弧插补计算过程：①偏差判别②坐标进给③偏差计算④坐标计算○5终点判断 9.凑试法确定PID参数整定步骤： (1)首先只整定比例部分。比例系数由小变大，观察相应的系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。系统无静差或静差已小到允许围，并且响应效果良好，那么只须用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。 (2)若静差不能满足设计要求，则须加入积分环节。整定时首先置积分时间TI为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略为缩小(如缩小为原值的0．8倍)，然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间，以期得到满意的控制过程与整定参数。 (3)若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。在整定时，可先置微分时间TD为零。在第二步整定的基础上，增大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。 10.扩充临界比例度法确定PID参数整定步骤： ①选择一个足够短的采样周期，具体地说就是选择采样周期为被控对象纯滞后时间的十分之一以下。 ②用选定的采样周期使系统工作。这时，数字控制器去掉积分作用和微分作用，只保留比例作用。然后逐渐减小比例度δ（δ=1/K P )，直到系统发生持续等幅振荡。记下使系统发生振荡的临界比例度 δ k 及系统的临界振荡周期T k 。 ③选择控制度。模拟 控制度 ?? ? ?? ? ?? ? ?? ? = ? ? ∞ ∞ 2 2 ) ( ) ( dt t e dt t e DDC ④根据选定的控制度，求得T、K P 、T I 、T D 的值 11. 扩充响应曲线法确定PID参数整定步骤： ①数字控制器不接入控制系统，让系统处于手动操作状态下，将被调量调节到给定值附近，并使 之稳定下来。然后突然改变给定值，给对象一个阶跃输入信号。 ②用记录仪表记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线，此时近似为一个一阶惯性加纯滞后环节的响应曲线。 ③在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间τ，被控对象时间常数Tτ以及它们的比值Tτ／T，
微机原理与系统设计作为电子信息类本科生教学的主要基础课之一,课程紧密结合电子信息类的专业特点,围绕微型计算机原理和应用主题，以下是整理的微机课程设计心得体会范文。 微机课程设计心得体会范文一 微机原理与系统设计作为电子信息类本科生教学的主要基础课之一,课程紧密结合电子信息类的专业特点,围绕微型计算机原理和应用主题,以CPU为主线,系统介绍微型计算机的基本知识,基本组成,体系结构和工作模式,从而使学生能较清楚地了解微机的结构与工作流程,建立起系统的概念。 这次微机原理课程设计历时两个星期，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。以前在上课的时候，老师经常强调在写一个程序的时候，一定要事先把程序原理方框图化出来，但是我开始总觉得这样做没必要，很浪费时间。但是，这次课程设计完全改变了我以前的那种错误的认识，以前我接触的那些程序都是很短、很基础的，但是在课程设计中碰到的那些需要很多代码才能完成的任务，画程序方框图是很有必要的。因为通过程序方框图，在做设计的过程中，我们每一步要做什么，每一步要完成什么任务都有一个很清楚的思路，而且在程序测试的过程中也有利于查错。 其次，以前对于编程工具的使用还处于一知半解的状态上，但是经过一段上机的实践，对于怎么去排错、查错，怎么去看每一步的运行结果，怎么去了解每个寄存器的内容以确保程序的正确性上都有了很大程度的提高。 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。 这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在赵老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在赵老师的身上我学得到很多实用的知识，在次我表示感谢!同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢! 微机课程设计心得体会范文二 以前从没有学过关于汇编语言的知识，起初学起来感觉很有难度。当知道要做课程设计的时候心里面感觉有些害怕和担心，担心自己不
计算机控制技术课程设 计 Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT
目录 1 引言 (1) 2 课程设计任务和要求 (2) 3 直流伺服电机控制系统概述 (2) 直流伺服系统的构成 (2) 伺服系统的定义 (2) 伺服系统的组成 (2) 伺服系统的控制器的分类 (3) 直流伺服系统的工作过程 (4) 4 直流伺服电机控制系统的设计 (5) 方案设计步骤 (5) 总体方案的设计 (5) 控制系统的建模和数字控制器设计 (7) 数字PID工作原理 (8) 数字PID算法的simulink仿真 (8) 5 硬件的设计和实现 (9) 选择计算机机型（采用51内核的单片机） (9) 80C51电源 (10) 80C51时钟 (10) 80C51 控制线 (10) 80C51 I/O接口 (11) 设计支持计算机工作的外围电路（键盘、显示接口电路等） (11) 数据锁存器 (11) 键盘 (11) 显示器 (12) 数模转换器ADC0808 (12) 其它相关电路的设计或方案 (13) 供电电源设计 (13) 检测电路设计 (13)
功率驱动电路 (14) 仿真原理图 (14) 6软件设计 (14) 程序设计思想 (14) 主程序模块框图 (15) 编写主程序 (15) 7 总结 (16) 附录1 ADC0808程序 (17) 附录2 数字控制算法程序 (18) 参考文献 (19)
1 引言 半个世纪来，直流伺服控制系统己经得到了广泛的应用。随着伺服电动机技术、电力电子技术、计算机控制技术的发展，使得伺服控制系统朝着控制电路数字化和功率器件的模块化的方向发展。 本文介绍直流伺服电机实验台的硬件、软件设计方案。通过传感器对电机位移进行测量，控制器将实际位移量与给定位移量进行比较，控制信号驱动伺服电机控制电源工作，实现伺服电机的位置控制。其电机位置随动系统硬件设计主要包括:总体方案设计、单片机应用系统设计、驱动电路设计和测量电路设计。软件编制采用模块化的设计方式，通过系统的整体设计，完成了系统的基本要求，系统可以稳定的运行。 本次设计说明书主要包括主要包括主程序设计、模数转换器ADC0809程序及数字控制算法程序的设计等内容。 通过本次设计，加深在计算机控制系统课程中所学的知识的理解，提高电气设计与分析的能力，为今后的工作打下基础。
微机课程设计报告 题目简易计算器仿真 学院（部）信息学院 专业通信工程 班级2011240401 学生姓名张静 学号33 12 月14 日至12 月27 日共2 周 指导教师（签字）吴向东宋蓓蓓
单片机十进制加法计算器设计 摘要 本设计是基于51系列的单片机进行的十进制计算器系统设计，可以完成计 算器的键盘输入，进行加、减、乘、除3位无符号数字的简单四则运算，并在LED上相应的显示结果。 软件方面从分析计算器功能、流程图设计，再到程序的编写进行系统设计。编程语言方面从程序总体设计以及高效性和功能性对C语言和汇编语言进行比较分析，针对计算器四则运算算法特别是乘法和除法运算的实现，最终选用全球编译效率最高的KEIL公司的μVision3软件，采用汇编语言进行编程，并用proteus仿真。 引言 十进制加法计算器的原理与设计是单片机课程设计课题中的一个。在完成理论学习和必要的实验后，我们掌握了单片机的基本原理以及编程和各种基本功能的应用，但对单片机的硬件实际应用设计和单片机完整的用户程序设计还不清楚，实际动手能力不够，因此对该课程进行一次课程设计是有必要的。 单片机课程设计既要让学生巩固课本学到的理论，还要让学生学习单片机硬件电路设计和用户程序设计，使所学的知识更深一层的理解，十进制加法计算器原理与硬软件的课程设计主要是通过学生独立设计方案并自己动手用计算机电路设计软件，编写和调试，最后仿真用户程序，来加深对单片机的认识，充分发挥学生的个人创新能力，并提高学生对单片机的兴趣，同时学习查阅资料、参考资料的方法。 关键词：单片机、计算器、AT89C52芯片、汇编语言、数码管、加减乘除
微型计算机控制技术复习习题答案
第一章计算机控制系统概述 习题参考答案 1.计算机控制系统的控制过程是怎样的? 计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤： (1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。 (2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。 (3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？ (1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。 (2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。 (3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。 3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 由四部分组成。 图1.1微机控制系统组成框图 (1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最
优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。 (2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。 (3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。 (4)检测与执行机构 a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号(0～5V或4～20mA)后，再送入微机。 b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给执行机构(调节阀)来控制进入加热炉的煤气(或油)量以实现预期的温度值。常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式，也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。 4.微型计算机控制系统软件有什么作用？说出各部分软件的作用。 软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。整个计算机系统的动作，都是在软件的指挥下协调进行的，因此说软件是微机系统的中枢神经。就功能来分，软件可分为系统软件、应用软件及数据库。 (1)系统软件：它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程序。对用户来说，系统软件只是作为开发应用软件的工具，是不需要自己设计的。系统软件包括： a.操作系统：即为管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等；
微机原理步进电机控制课程设计报告 文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-
河北科技大学 课程设计报告学生姓名：学号： 专业班级： 课程名称： 学年学期： 2 0 —2 0 学年第学期 指导教师： 2 0 年月 课程设计成绩评定表
目录 一、设计题目………………………………………………………………. 二、设计目的………………………………………………………………. 三、设计原理及方案………………………………………………………. 四、实现方法………………………………………………………………. 五、实施结果………………………………………………………………. 六、改进意见及建议……………………………………………………….
、 一、设计题目 编程实现步进电机的控制 二、设计目的 1.了解步进电机控制的基本原理 2.掌握控制步进电机转动的编程方法 3.了解8086控制外部设备的常用电路 4.掌握8255的使用方法 三、设计原理及方案 3.1设计原理 步进电机驱动原理是通过对每相线圈中的电流的顺序切换（实验中的步进电机有四相线圈，每次有二相线圈有电流，有电流的相顺序变化），来使电机作步进式旋转。驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。 利用 8255对四相步进电机进行控制。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A…），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB…），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A…）等。 通过编程对8255的输出进行控制，使输出按照相序表给驱动电路供电，则步进电机的输入也和相序表一致，这样步进电机就可以正向转动或反向转动。 3.2硬件连接图 四．实现方法 4.1．步进电机控制程序流图
习题一 1，微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 答：CPU，接口电路及外部设备组成。 CPU，这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。 接口电路，微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。 外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备 2，微型计算机控制系统软件有什么作用？说出各部分软件的作用。 答：软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。整个计算机系统的动作，都是在软件的指挥下协调进行的，因此说软件是微机系统的中枢神经。就功能来分，软件可分为系统软件、应用软件 1)系统软件：它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程序。对用户来说，系统软件只是作为开发应用软件的工具，是不需要自己设计的。 2)应用软件:它是面向用户本身的程序，即指由用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。 3，常用工业控制机有几种？它们各有什么用途？ 4，操作指导、DDC和SCC系统工作原理如何？它们之间有何区别和联系？ 答：(1)操作指导控制系统：在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理，计算出各控制量应有的较合适或最优的数值，供操作员参考，这时计算机就起到了操作指导的作用。 (2)直接数字控制系统(DDC系统)：DDC(Direct Digital Control)系统就是通过检测元件对一个或多个被控参数进行巡回检测，经输入通道送给微机，微机将检测结果与设定值进行比较，再进行控制运算，然后通过输出通道控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。DDC系统是闭环系统，是微机在工业生产过程中最普遍的一种应用形式。 (3)计算机监督控制系统(SCC系统)：SCC(Supervisory Computer Control)系统比DDC系统更接近生产变化的实际情况，因为在DDC系统中计算机只是代替模拟调节器进行控制，系统不能运行在最佳状态，而SCC系统不仅可以进行给定值控制，并且还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等SCC是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。 5，说明嵌入式系统与一般微型计算机扩展系统的区别。 答：嵌入式计算机一般没有标准的硬件配置。嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器结构。软硬件协同设计采用统一的工具描述，可合理划分系统软硬件，分配系统功能，在性能、成本、功耗等方面进行权衡折衷，获取更优化的设计。嵌入式系统多为低功耗系统。简单地说，就是嵌入式系统和微型计算机的扩展标准不大一样。 6，PLC控制系统有什么特点？ 答：（1）可靠性高。由于PLC大都采用单片微型计算机，因而集成度高，再加上相应的保护电路及自诊断功能，因而提高了系统的可靠性。 （2）编程容易。PLC的编程多采用继电器控制梯形图及命令语句，其数量比微型机指令要少得多，除中、高档PLC外，一般的小型PLC只有16条左右。由于梯形图形象而简单，因而编程容易掌握、使用方便，甚至不需要计算机专门知识，就可进行编程。 （3）组合灵活。由于PLC采用积木式结构，用户只需要简单地组合，便可灵活地改变控制系统的功能和规模，因此，可适用于任何控制系统。 （4）输入/输出功能模块齐全。PLC的最大优点之一，是针对不同的现场信号，均有相应的模块可与工业现场的器件直接连接，并通过总线与CPU主板连接。