刘光云嵌入式课程实验报告

1、自动化专业课程设计 -基于M0的水温控制调节器设计专业班级： 自动化112班 指导教师： 梁毓明老师 姓 名： 刘光云 学 号： 26号 时 间： 2013年6月10日-6月30日 摘要进入21世纪后，自动控制正朝着高精度、多功能、标准化、高可靠性及安全性发展。温度控制也正朝着开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。温度已成为工业对象控制中一种重要的参数，在科学研究和生产实践的诸多领域中,温度控制占有着极为重要的地位, 温度控制技术是一种比较重要的工业技术，不仅在化工，航天，航空，医疗等高科技领域，在食品、机械、冶金、化工、建材、石油等工业领域,占据着具

2、有举足轻重的作用。在我们日常的生活中，我们也是经常应用到的。随着工业技术的不断发展，传统的控制方式已经不能满足高精度、高速度的控制要求。如接触器温度控制仪表，其主要缺点是温度波动范围大，由于它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：直接数字控制（DDC），推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy），专家控制(Expert Control)，鲁棒控制（Robust Control），推理控制等，PID控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简

3、便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。随着ARM微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法提供了载体，许多高性能的新型机种应运而生。ARM以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化领域和其他测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。像用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等类似工业用加热炉中都可以广泛应用，随着生产的发展，在工业中，一些设备对温度的控制要求越来越高。在温度控制技术在温度控制当中，PID控制技术应用相对来说比较广泛，PID控制器算法简单，计算量小，恒温效果稳

4、定。本文则是以ARM（Cortex-MO）为核心、PID算法为控制方式、MATLAB仿真、串口通讯而设计的水温控制调节器设计系统。关键字：自动控制，温度控制，ARM，PID算法，MATLAB仿真，串口通讯，水温控制调节器。 目 录摘要第1页第一章 概述第4页 1.1.电阻炉简介第4页 1.1.1.电阻炉的描述第4页 1.1.2.电阻炉的工作原理第4页 1.2.温度控制系统简介第5页 1.2.1.温度控制系统设计的背景、发展历史及意义第5页 1.2.2温度控制系统的目的第6页 1.2.3温度控制系统完成的功能第6页第二章 本水温控制调节器系统简介第7页 2.1.本控制系统的总体描述第7页 2.2

5、.本设计的主要内容第7页 2.2.1.设计课题第7页 2.2.2.设计要求第8页 2.2.3.技术指标第8页第三章 水温控制调节器系统的硬件设计第8页 3.1.电炉主控电路的设计第8页 3.1.1.光耦MOC3063作用介绍第8页 3.1.2.晶闸管BT137作用介绍 第9页 3.1.3.电炉控制电路的设计第10页 3.2.三极管测温电路的设计第10页 3.2.1.三极管测温电路的整体设计第10页 3.2.2.三极管测温原理简介第11页 3.2.3.LM324运放电路第12页 3.3.总体电路的设计组合第13页 3.3.1.总体硬件电路的原理图第13页 3.3.2.PCB转印图第14页 3.4

6、.硬件电路的焊接与调试第14页 3.4.1.转印制版第14页 3.4.2.器件的焊接第15页 3.4.3.调试第15页 3.5.硬件实物图第15页第四章 控制算法的确定与数学模型的建立和求解第17页 4.1.控制算法的确定第17页 4.2.数学模型的建立第17页 4.3.数学模型中参数的求解第18页 4.3.1.模型的分析第18页 4.3.2.求模型K、T、值第19页第5章 PID应用原理和参数选择第19页 5.1.模拟PID调节器第19页 5.2.数字PID控制器第20页 5.3.基于PID算法的程序流程第21页 5.4.由模型在simulink环境下求PID中的参数第23页第6章 总结与感

7、悟第25页致谢！第26页参考文献第27页 第一章 概述1.1.电阻炉简介1.1.1.电阻炉的描述电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化工件和物料的热加工设备。电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等。电阻炉的主要参数由额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸。生产率、空炉损耗功率、空炉升温时间、炉温控制精度及炉温均匀性等1.1.2.电阻炉的工作原理电阻炉是以电流通过导体所产生的焦耳热为热源的电炉。电阻炉以电为热源，通过

8、电热元件将电能转化为热能，在炉内对金属进行加热。电阻炉和火焰比，热效率高，可达5080，热工制度容易控制，劳动条件好，炉体寿命长，适用于要求较严的工件的加热，但耗电费用高。按传热方式，电阻炉分为辐射式电阻炉和对流式电阻炉。辐射式电阻炉以辐射传热为主，对流传热作用较小；对流式电阻炉以对流传热为主，通常称为空气循环电阻炉，靠热空气进行加热，炉温多低于650。按电热产生方式，电阻炉分为直接加热和间接加热两种。在直接加热电阻炉中，电流直接通过物料，因电热功率集中在物料本身，所以物料加热很快，适用于要求快速加热的工艺，例如锻造坯料的加热。这种电阻炉可以把物料加热到很高的温度，例如碳素材料石墨化电炉，能把

9、物料加热到超过2500。直接加热电阻炉可作成真空电阻加热炉或通保护气体电阻加热炉，在粉末冶金中，常用于烧结钨、钽、铌等制品。采用这种炉子加热时应注意：为使物料加热均匀，要求物料各部位的导电截面和电导率一致；由于物料自身电阻相当小，为达到所需的电热功率，工作电流相当大，因此送电电极和物料接触要好，以免起电弧烧损物料，而且送电母线的电阻要小，以减少电路损失；在供交流电时，要合理配置短网，以免感抗过大而使功率因数过低。大部分电阻炉是间接加热电阻炉，其中装有专门用来实现电-热转变的电阻体,称为电热体，由它把热能传给炉中物料。这种电炉炉壳用钢板制成，炉膛砌衬耐火材料，内放物料。最常用的电热体是铁铬铝电热

10、体、镍铬电热体、碳化硅棒和二硅化钼棒。根据需要，炉内气氛可以是普通气氛、保护气氛或真空。一般电源电压220伏或380伏，必要时配置可调节电压的中间变压器。小型炉（= 100)PID_Contr_PWM = 100;if (PID_Contr_PWM = 0)PID_Contr_PWM = 0;Third_devt = Second_devt;Second_devt = First_devt;return PID_Contr_PWM;5.4.由模型在simulink环境下求PID中的参数一、搭建simulink原理图 分析电炉的数学模型可知，该模型由一个PID控制器、零节保持器、惯性环节、滞后环

11、节主要构成，原理图如下所示：二、由simulink得出PID参数给定设置为1000，延迟系数设置为10，进行PID仿真可以得出如下波形：此时刻给定的PID参数分别：Kp = 0.1,Ki = 0.0003,Kd = 0此波形可以得出，上升时间在50s左右，有10十秒钟的延时，超调量已经很小，稳态误差也满足要求。 第六章 总结与感悟 通过这次课程设计，对自己以往的学习有了很深的认识。专业课的系统学习刚刚结束，但是由于课程本身较难，在学习过程中没有做到足够的理解学习以及在以后的时间没有做到充分的温习，因此在这次设计作业的解题过程中感遇到了很大的阻力。 首先拿到课题就感到不知所云，犹如丈二和尚摸不着

12、头脑。已经超出我们平时作业的水平，也超出了我们的能力范围，以至好长时间都没有动笔，只是每次拿出来看几眼。慢慢看出了些眉头后，又用过请教同学和老师把部分不懂的细节弄清了。完成这个艰难的第一步后，对整个题目解析宏观的把握，对解题方法也有了大致思路。第二步就是详细分析，作出原理框图，本以为这一步会水到渠成，但进入实际操作，却是遍布荆棘：仅仅一个PCB图，就用了很长时间研究。总算计算完毕，开始编写程序。 通过此次的课程设计，让我认识到一个很严重的问题：我们的学习不扎实。考完之后或是经过一段时间我们就对前面学过的知识没有映像了，这主要是因为没有理解性学习。所以，在以后的学习中，一定要学的扎实，学的牢靠，

13、并且能学以致用，活学活用。同时，作为自动化专业本科生，我们对计算机编程等使用还不够熟练，毕竟，以后的计算，基本有计算机完成，掌握好编程，就如同海上航行把握住了风向，必然一帆风顺。另外，这次课程设计为明年的毕业论文打下了很好的基础 制作电炉的这些天，真的很辛苦，每天在实验室做板，焊接，检验。首先是画原理图，这个很考验模电数电功底，自己根据其功能选择相应的器材，这里得感谢王老师提供的关于可控硅的资料，再自己上网查了一些其他方面的资料，终于，原理图画出来了。其次是画PCB图，这个倒不是很难，由于以前画过，所以也没花较多时间就完成了。然后是焊板，如果在焊接中稍有马虎，那么这块板肯定不能成功，我们还需要

14、很大的耐心先根据原理图对照，如果有错，那么只能遗憾的重做前功尽弃。当然，这还不算难，最难的是电路与原理图一样，只不过在某个地方断线什么的这个最麻烦，因为刚开始我们还不知道哪里断线了。所以我们要先目测，如果断线明显还好，有些时候线条太细，断了也看不出来，那么我们就要拿着万能表一段一段的检查。焊接，我们要事先训练几天，因为在焊接过程中，有些器件不能长时间忍受高温，所以我们的焊接要达到既快又准。当我们把硬件都准备好时，电炉其实才完成了一半，电炉的核心控制程序还得我们自己编，一开始，电炉的程序我们完全靠模仿别人的程序，后来随着自己对其中的道理不断加深，我也能试着写写了。我相信，随着对自动化更加深刻的学

15、习，以后一定能够在此基础上完善它！ 同时我明白了同学之间的合作也是十分重要的，一个人的能力毕竟是有限的，就是你学的再好，也有不知道的东西或者遗忘的东西，所以大家互相帮助，各自发挥自己的所长，这样办事的效率是很高的。这次实验对我来说是成功的，学会了许多课本上所学不到的东西，在课本上我永远也不会知道当自己面临困境的时候该如何去获取资料来解决问题，永远也体会不到自己动手做出一件作品时的激动心情。这次实验使我的专业技能得到很大的提高，首先烙铁已经能够运用了，焊接技术有所提高总的来说动手能力有了很大提高。其次通过这次实验我学会了要如何去做才能将书本和显示连接起来，对所学的知识进行灵活的运用，要想提高就得

16、实践，从这次实践中我学到了很多，也体会到了很多：（1）遇到问题要自己独立解决，如果还是解决不了就应该自己去查资料，问同学。（2）做事不能求快，做事之前要计算好需要哪些东西和一些过程及注意事项。（3）不要随便放弃，失败了，找原因，重来一次。（4）多多与人合作，合作就是效率。 致谢！ 感谢梁毓明老师的辛勤教导与帮助，让我懂得了很多。我明白了同学之间的合作也是十分重要的，一个人的能力毕竟是有限的，就是你学的再好，也有不知道的东西或者遗忘的东西，所以大家互相帮助，各自发挥自己的所长，这样办事的效率是很高的。这次实验对我来说是成功的，学会了许多课本上所学不到的东西，在课本上我永远也不会知道当自己面临困境的时候该如何去获取资料来解决问题，永远也体会不到自己动手做出一件作品时的激动心情。这次实验使我的专业