基于达林算法的婴儿培养箱温度控制系统设计

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 计算机控制技术计算机控制技术 课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目： 基于达林算法的婴儿培养箱温度控制系统设计基于达林算法的婴儿培养箱温度控制系统设计院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字）起止时间：起止时间： 本科生课程设计（论文）III课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算学 号学生姓名专业班级课程设计题目基于达林算法的婴儿培养箱温度控制系

2、统设计课程设计（论文）任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数实现功能实现功能婴儿培养箱是对新生儿培养、护理及治疗的一种医疗设备，可为早产儿、体重偏低、病危儿等发育不良新生儿创造一个温湿度适宜的环境，本设计采用单片机作为控制器，设计相应的输入输出通道，控制算法采用达林算法，对培养箱的温度加以控制，能达到期望的质量标准，两位 LED 显示温度值。设计任务及要求设计任务及要求1、确定系统设计方案，包括单片机的选择，输入输出通道，键盘显示电路；2、建立被控对象的数学模型；3、设计PID算法的程序流程图，给出程序清单；4、仿真研究，验证设计结果；5、撰写、打

3、印设计说明书一份；设计说明书应在 4000 字以上。技术参数技术参数1、培养箱温度控制范围 3038 极限温度小于 392、空气温度检测温度精度 5%3、婴儿皮肤检测温度精度1%进度计划1、 布置任务，查阅资料，确定系统方案（1 天）2、 系统功能分析（1 天）3、 系统建模（1 天）4、 算法推导，程序设计（2 天）5、 仿真分析与研究（2 天）6、 撰写、打印设计说明书（2 天）7、 答辩（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日本科生课程设计（论文）IV摘 要婴儿培养箱主要应用于早产儿、低体重儿、病危儿或发育不良的新生儿的临床医疗。在儿科的

4、医疗护理中占有重要地位，是医院不可或缺的医疗器械。由于此类婴儿的特殊性，所以婴儿培养箱对控制精度、稳定性能和安全性都有较高要求。传统的 PID 算法是最为广泛的一种基本控制规律，具有稳定性高、鲁棒性好等优点。但其对时变非线性系统来说控制就难以达到很好的效果。本设计采用达林算法对婴儿培养箱的温度加以控制，大林算法是运用于自动控制领域中的一种算法，设计的算法使闭环系统的特性具有时间滞后的一阶惯性环节，且滞后时间与被控对象的滞后时间相同。此算法具有消除余差、对纯滞后有补偿作用等特点。适用于温度，湿度，这种纯滞后的检测量控制。关键词：达林算法；婴儿培养箱；温湿度检测；PID本科生课程设计（论文）V目

5、录第 1 章 绪论 .1第 2 章 课程设计的方案 .22.1 概述 .22.2 系统结构框图 .22.3 单片机选型 .32.4 温湿度传感器选型 .3第 3 章 硬件设计 .43.1 单片机最小系统 .43.2 温度检测电路 .43.3 A/D 转换电路 .53.4 湿度传感器电路 .53.5 显示电路 .63.6 电源电路 .73.7 键盘模块 .7第 4 章 软件设计 .94.1 控制系统软件设计 .94.2 基于达林算法的婴儿培养箱温度控制系统设计 .104.3 控制过程 .12第 5 章 系统测试与分析/实验数据及分析 .13第 6 章 课程设计总结 .14参考文献 .15本科生课

6、程设计（论文）1第 1 章 绪论随着微电子技术和微型计算机的迅猛发展，微机测量和控制技术以其逻辑简单、控制灵活、使用方便及性能价格比高的优点得到了迅猛发展和广泛应用。尤其是许多智能仪表和测控系统中引入电脑控制技术后，使传统仪器、仪表设备发生了根本变化，为工业生产的自动化、智能化奠定了坚实的技术基础。 本课题对婴儿培养箱的控制是要很好的把温度，湿度稳定在某个值或某个区间，并采用达林算法对培养箱温湿度进行控制。通过对婴儿培养箱的温度进行实时精确测量、自动检测和控制，有效的提高了控制系统的实时性和控制精度，大大改善了婴儿培养箱温度控制的自动化程度，具有高的实用价。 为婴儿提供稳定的生存环境是婴儿培养

7、箱的主要作用，其中温度是极为重要的参数之一。为了保证婴儿的正常生理活动需要，提高婴儿存活率，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对温度进行测、显示、控制，使之达到工艺标准，以单片机为核心设计的箱温控制系统，可以同时采集多个数据，并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制。那么无论是哪种控制，我们都希望温度控制系统能够有很高的精确度，帮助我们实现我们想要的控制，解决身边的问题。 在计算机没有发明之前，这些控制都是我们难以想象的。而当今，随着电 子行业的迅猛发展，计算机技术和传感器技术的不断改进，而且计算机和传感器的价格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技术来实现温度控制并提高控制的精确度不仅是

8、可以达到的而且是容易实现的。利用计算机控制技术来实现婴儿培养箱的温度和湿度精确控制，可以大大提高婴儿成活率，提高婴儿培养箱的使用价值。本科生课程设计（论文）2第 2 章 课程设计的方案2.1 概述本课程设计设计的婴儿培养箱应当具有检测温度，检测湿度，控制箱内温湿度，实时显示，修改的功能。针对以上要求，进行如下方案的选择。2.2 系统结构框图婴儿培养箱温度控制实现过程是:首先温度传感器将加热炉的温度传回单片机，然后 89C51 芯片将给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过最小无纹波算法运算处理后，传给温度控制系统，判断加热器材输出端导通与否从而使加热炉开始加热或停止加热。既加热炉温度控制得

9、到实现。其中单片机的 89C51 系统为婴儿培养箱温度控制系统的核心部分起重要作用。如图 2.1 系统结构框图图 2.1 系统结构框图AT89C51LED显示键盘加热装置温度控制器温度传感器本科生课程设计（论文）32.3 单片机选型本设计采集模拟的温度信号，键盘输入，显示输出，根据输入输出数量以及控制要求，在硬件部分选择了单片机的 AT89C51 芯片为核心控制部分，其硬件功能可以满足本课程设计对系统的要求。2.4 温湿度传感器选型方案一：选用 DHT11 作为温湿度检测模块。DHT11 是一款数字输出的复合传感器，包含一个电阻式感湿元件和 NTC 式温度检测元件，可测 2090%RH 湿度，

10、误差 5%RH，050 摄氏度，误差 2 摄氏度。方案二：选用 LM35 温度传感器和 HS1101 湿度传感器。LM35 输出电压与摄氏温标呈线性关系，不需要额外的校准处理即可达到 1/4的准确率，输出可为电压或者电流信号。测量范围在 0 到 100。HS1101 是电容式湿度传感器，可测相对湿度范围在 0%100%RH，误差为-+2%RH，可以与 555 定时器构振荡电路输出与湿度对应的脉冲信号。由上述数据可知，方案一的集成温湿度传感器输出数字信号，且传感器的误差较大，而方案二的分立温度传感器输出模拟信号，适宜温室内的远距离传输，精度较高，并且湿度传感器的输出脉冲信号抗干扰能力强。 本科生

11、课程设计（论文）4第 3 章 硬件设计3.1 单片机最小系统本系统设计的单片机采用89C1系列芯片，采用24MHZ或更高频率晶振，以获得较高的刷新频率，时期显示更稳定。在芯片中，P1口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5P1.7口则用来发送控制信号。P0口和P2口空着，在有必要的时候可以扩展系统的ROM和RAM。如图3.1单片机最小系统电路 图3.1单片机最小系统电路3.2 温度检测电路本设计选用 LM35 为温度传感器，LM35 温度传感器输出电压与摄氏温标的线性度好，而且输出模拟量信号适合远距离传输，LM35 输出与温度值对应的电压信号经放大 10 倍后变为标准信号送往 A/D 转

12、换电路，温度检测电路如图 3.2温度检测电路所示。本科生课程设计（论文）5图 3.2 温度检测电路3.3 A/D 转换电路LM35 输出的电压信号要转换为对应的数字信号才可被单片机接收，本设计选取 ADC0809 作为 A/D 转换器即可满足要求，由于 ADC0809 的时钟信号为500KHZ，故将单片机的 ALE 端接四分频器后给转换器作为时钟。A/D 转换电路如图 3.3 A/D 转换电路 所示。图 3.3 A/D 转换电路3.4 湿度传感器电路本设计的湿度检测电路由 555 多谐振荡器来实现，HS1101 作为电容变量接在 555 芯片的 2、5 脚之间，引脚 7 用作电阻 R2 的短路

13、，等量电容 HS1101 通过R3、R4 充电到门限电压（约 0.67V） ，通过 R5 放电到触发电平，然后 R4 通过 7短路到地，传感器由不同的电阻 R3、R4 充放电，进行工作循环,形成方波。其周EA/V P31X 119X 218RESET9RD17WR16IN T012IN T113T 014T 115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30T X D11RX D10U1AT

14、 89C52V CCY112MC130pFC230pFC310uFS0SW-PBR110k+512345678910111213141516J2LCD1602GNDVDDVLRSRWEND0D1D2D3D4D5D6D7BL+BL-R22kRSRWENAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7V CCT RIG2Q3R4CV olt5T HR6DIS7VCC8GND1555HS1101AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7R3576K+5R449.9KR51KR6909KT 0RDWRT X D1RX D4V REF5V CC3CANH7CANL6RS8GND2R882C50IN

15、3V DD2V CC8EN7OUT6GND56N137AD61AD72ALE3CS4RD5WR6CLOCKOU T7X T AL19X T AL210RST17IN T16V SS18V SS221V SS315AD023AD124AD225AD326AD427AD528T X 013T X 114V DD122V DD218RX 019M OD E11V DD312RX 120SJA1000IN -026m sb2-1212-220IN -1272-3192-418IN -2282-582-615IN -312-714lsb2-817IN -42EOC7IN -53ADD-A25IN -64

16、ADD-B24ADD-C23IN -75ALE22ref(-)16ENABLE9ST ART6ref(+)12CLOCK10ADC0809AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7P27AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7P26RDWRIN T0ALEIN3V DD2V CC8EN7OUT6GND56N137R7390R8390R96.2KR104.7KV CCC4100pFR11 390V CC1R12390R135R145C5100nFC6100nFC730pFC830pFR1547kD1D2CANBUSP27P21P22P20P23P23ALEP20P21P22P23P

17、26P27T 0IN T0RSRWENS1SW-PBS2SW-PBS3SW-PBS4SW-PBS5SW-PBS6SW-PBGND3VCC1V out2LM 35321411U1ALM 324R18500KR171KR1610K+12VV CCIND5Q1CLK3Q2R4S6U3AD5Q1CLK3Q2R4S6U2ACLKALEP13P14P15P16P17T 1T RANS11234D3BRID GE1C92200uFC122200uFC142200uFV in1GND2V out3L7812V in1GND2V out3L7805C100.1uFC110.1uFC130.1uF+12VV CC

18、220V 12V INR1910KR2010KR2110K+5VP17P16P13P14P15V CCGND1V in2OV3+V4B0505SR22240C1535uFV CC1本科生课程设计（论文）6期计算如公式 3-1，3-2：T充电=C*（R3+R4）*ln2 （3-1）T放电=C*R4*In2；（3-2）由此可知输出方波频率如公式 3-3f =1/（T充电+ T放电）=1/C*（R3+2R4）*ln2 （3-3）HS1101 传感器的电容值与温室湿度成线性关系，可见空气湿度通过 555 测量振荡电路后，就转变为与之呈反比例的频率信号，后将频率信号送单片机的计数器即可计算出湿度值。湿度

19、检测电路如图 3.4 湿度显示电路 所示。图 3.4 湿度检测电路3.5 显示电路由于智能节点的需要实时显示室内的温湿度值和报警信息，数据较为复杂，故选择 LCD1602 液晶显示器，可以显示 162 个字符，具有显示质量高、数字式接口 、体积小、重量轻 、功耗低等优点，可以满足设计的要求。显示电路如下图 3.5 现实电路所示。EA/V P31X 119X 218RESET9RD17WR16IN T012IN T113T 014T 115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2

20、122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30T X D11RX D10U1AT 89C52V CCY112MC130pFC230pFC310uFS0SW-PBR110k+512345678910111213141516J2LCD1602GNDVDDVLRSRWEND0D1D2D3D4D5D6D7BL+BL-R22kRSRWENAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7V CCT RIG2Q3R4CV olt5T HR6DIS7VCC8GND1555HS1101AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7R3576K+5R449.9KR5

21、1KR6909KT 0RDWRT X D1RX D4V REF5V CC3CANH7CANL6RS8GND2R882C50IN3V DD2V CC8EN7OUT6GND56N137AD61AD72ALE3CS4RD5WR6CLOCKOU T7X T AL19X T AL210RST17IN T16V SS18V SS221V SS315AD023AD124AD225AD326AD427AD528T X 013T X 114V DD122V DD218RX 019MOD E11V DD312RX 120SJA1000IN -026m sb2-1212-220IN -1272-3192-418IN

22、 -2282-582-615IN -312-714lsb2-817IN -42EOC7IN -53ADD-A25IN -64ADD-B24ADD-C23IN -75ALE22ref(-)16ENABLE9ST ART6ref(+)12CLOCK10ADC0809AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7P27AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7P26RDWRIN T0ALEIN3V DD2V CC8EN7OUT6GND56N137R7390R8390R96.2KR104.7KV CCC4100pFR11390V CC1R12390R135R145C5100nFC6100nFC

23、730pFC830pFR1547kD1D2CANBUSP27P21P22P20P23P23ALEP20P21P22P23P26P27T 0IN T0RSRWENS1SW-PBS2SW-PBS3SW-PBS4SW-PBS5SW-PBS6SW-PBGND3VCC1V out2LM35321411U1ALM324R18500KR171KR1610K+12VV CCIND5Q1CLK3Q2R4S6U3AD5Q1CLK3Q2R4S6U2ACLKALEP13P14P15P16P17T 1T RANS11234D3BRID GE1C92200uFC122200uFC142200uFV in1GND2V ou

24、t3L7812V in1GND2V out3L7805C100.1uFC110.1uFC130.1uF+12VV CC220V 12V INR1910KR2010KR2110K+5VP17P16P13P14P15V CCGND1V in2OV3+V4B0505SR22240C1535uFV CC1本科生课程设计（论文）7图 3.5 显示电路3.6 电源电路由于单片机最小系统、温湿度传感器、A/D 转换器和 CAN 驱动发送模块都需要供电，而且电压不同，故将 220V 交流电经变压、滤波后，经稳压器LM7812 输出 12V 电压给放大器供电，后经 LM7805 输出 VCC 电压给单片机、温湿

25、度传感器和总线控制器供电，而光电耦合电路要实现与 CAN 总线电气隔离，故将 LM7805 后接 B0505S-1W 进行电源隔离 VCC1 给耦合器和收发器供电。电源电路如图 3.7 电源电路图 所示。图 3.7 电源电路3.7 键盘模块单片机组成的小系统中，有的需要人机交互功能，按键是最常见的输入方式。EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425

26、P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U1AT89C52VCCY112MC130pFC230pFC310uFS0SW-PBR110k+512345678910111213141516J2LCD1602GNDVDDVLRSRWEND0D1D2D3D4D5D6D7BL+BL-R22kRSRWENAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VCCTRIG2Q3R4CVolt5THR6DIS7VCC8GND1555HS1101AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7R3576K+5R449.9KR51KR6909KT0RDWRTXD1RXD4VREF5

27、VCC3CANH7CANL6RS8GND2R882C50IN3VDD2VCC8EN7OUT6GND56N137AD61AD72ALE3CS4RD5WR6CLOCKOUT7XTAL19XTAL210RST17INT16VSS18VSS221VSS315AD023AD124AD225AD326AD427AD528TX013TX114VDD122VDD218RX019MODE11VDD312RX120SJA1000IN-026m sb2-1212-220IN-1272-3192-418IN-2282-582-615IN-312-714lsb2-817IN-42EOC7IN-53ADD-A25IN-6

28、4ADD-B24ADD-C23IN-75ALE22ref(-)16ENABLE9START6ref(+)12CLOCK10ADC0809AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7P27AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7P26RDWRINT0ALEIN3VDD2VCC8EN7OUT6GND56N137R7390R8390R96.2KR104.7KVCCC4100pFR11390VCC1R12390R135R145C5100nFC6100nFC730pFC830pFR1547kD1D2CANBUSP27P21P22P20P23P23ALEP20P21P22P23P26P27T0

29、INT0RSRWENS1SW-PBS2SW-PBS3SW-PBS4SW-PBS5SW-PBS6SW-PBGND3VCC1Vout2LM35321411U1ALM324R18500KR171KR1610K+12VVCCIND5Q1CLK3Q2R4S6U3AD5Q1CLK3Q2R4S6U2ACLKALEP13P14P15P16P17T1TRANS11234D3BRIDGE1C92200uFC122200uFC142200uFVin1GND2Vout3L7812Vin1GND2Vout3L7805C100.1uFC110.1uFC130.1uF+12VVCC220V12VINR1910KR2010K

30、R2110K+5VP17P16P13P14P15VCCGND1Vin2OV3+V4B0505SR22240C1535uFVCC1本科生课程设计（论文）8最常见的按键电路大致有两种：一对一的直接连接和动态扫描的矩阵式连接。一对一的直接连接就是一个按键直接对应一个 CPU 的输入口，这样的电路简单直接，一个按键独占一个端口，在按键数量较少端口数量富裕时可以直接使用。 但很多场合需要的按键数比较多，必须使用矩阵式的按键连接。矩阵键盘是单片机外部设备中所使用的排布类似于矩阵的键盘组，在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。使用矩阵式的按键连接可以大大的节约 I/

31、O 接口的占用，如图 3.8 按键电路图图 3.8 按键电路图本科生课程设计（论文）9第 4 章 软件设计4.1 控制系统软件设计控制系统的软件主要包括：温度的采样和处理、控制计算、控制输出、中断、显示、调节参数修改、温度设定及修改。其中控制算法采用最小拍无纹波控制算法，以达到更好的控制效果。 考虑到电加热炉是一个非线性、时变和分布参数系统，所以本文采用一种新型的智能控制算法。它充分吸取数学和自动控制理论成果，与定性知识相结合，做到取长补短，在实时控制中取得较好的成果。其中，系统的软件流程图如图4.1 系统流程图图 4.1 系统流程图本科生课程设计（论文）104.2 基于达林算法的婴儿培养箱温

32、度控制系统设计达林算法中 D(z)的基本形式 设被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节或二阶惯性环节，其传递函数分别为： （4-1） （4-2） 其中为被控对象的时间常数，为被控对象的纯延迟时间，为了简化，设其为采样周期的整数倍，即 N 为正整数。 由于大林算法的设计目标是使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，即 ，其中 由于一般控制对象均与一个零阶保持器相串联，所以相应的整个闭环系统的脉冲传递函数是 （4-3）于是数字控制器的脉冲传递函数为 （4-4） D(z)可由计算机程序实现。由上式可知，它与被控对象有关。下面分别对一阶或二阶纯滞后环节进行讨论。 一阶惯性环节的大林算法

33、的 D(z)基本形式 当被控对象是带有纯滞后的一阶惯性环节时，由式（4-1）的传递函数可知，其脉冲传递函数为 ：本科生课程设计（论文）11将此式代入（2-4） ，可得 （4-5） 式中：T采样周期： 被控对象的时间常数； 闭环系统的时间常数。 二阶惯性环节达林算法的 D(z)基本形式 当被控对象为带有纯滞后的二阶惯性环节时，由式（4-1）的传递函数可知，其脉冲传递函数为 其中， 将式 G(z)代入式（2-3）即可求出数字控制器的模型： （4-本科生课程设计（论文）126） 由此，我们可以设计出控制器的传递函数，利用 MATLAB 工具在SIMULINK 里画出整个控制系统，给定一个阶跃信号就可得到整个控制系统的响应曲线。4.3 控制过程控制过程：手动输入一个温度设定值，需要调用键盘扫描子程序，再由传感器检测现场的温度值，调用 A/D 转换子程序，将模拟信号转换为数字信号送单片机处理，调用温度控制子程序来实现温度控制，调用显示子程序将处理后的结果送 LCD 显示。在使用键盘时，要考虑键盘的去抖问题，消抖处理有硬件和软件两种方法：硬件消抖是利用加抖动电路滤避免产生抖动信号；软件消抖是利用数字滤波技术来消除抖动。我们采用软件的方法，利用主程序循环扫描，主程序每循环一次扫描到的键值相同时，则说明是某键按下。如图 4.2 系统控制过程图图 4.2 系统控制