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是600V，最大重复浪涌电流为1A是600V，最大重复浪涌电流为1A，最大电压上升率dv/dt后级电路的导通与截止比来改变占.-考试资料--空比。图上所示8253来进行定时1秒，8253工作于方式0（记数结束中断方CS2OUT0IQ2PCOEOC完成连线后编制数据采集与显示--温度控制系统一、实验目的1．掌握微机应用系统的硬件结构、组成、配置与综合调试技能。2．掌握温度测量、数字PID控制及功率放大的基本原理和实现方法。3．了解和熟悉完整的数据采集与控制系统的设计方法。二、实验容与要求1．基本要求用一电炉加热器皿中的水，目标温度在一定围由人工设定，并能在环境温度变化时实现自动调整使水温保持在设定值，温度误差要求≤1℃。采集到的温度值以十进制数数码实时显示，2．提高要求（1）在CRT上实时绘出温度变化曲线。（2）软件实现调功控制功能模块。三、实验报告要求（1）实验目的和容（2）总体设计（3）硬件设计：原理图（接线图）及简要说明（4）程序框图和清单（5）实验结果和体会附：功放板和电炉接线原理图去控制产生具有一定占空比的脉冲，并送往驱动电路进行脉冲放大。因此利用低温漂的集成化的精密电源MC1403来产生稳定的参考料去控制产生具有一定占空比的脉冲，并送往驱动电路进行脉冲放大。因此利用低温漂的集成化的精密电源MC1403来产生稳定的参考料--图1系统原理框图下面将具体介绍这几个模块。1．信号转换度值经处理后送往LED数码管上显示，并在屏幕上打印出控制曲线水--温度控制系统一、总体设计(1)前向通道：采用AD590作温度传感器，双积分式A/D芯片MC14433提高抗干扰性。(2)后向通道：直接数字控制的周波数调功方式实现有特色的功率放大单元。(3)8253实现定时数据采集和控制量输出。软件实现分段PI控制算法，以获得较好的温度控制性能。二、硬件设计本控制系统原理框图如图1所示，它由以下几个模块构成：信号转换及调理电路、数据采集模块、数据显示模块、脉宽调制控制及驱动电路和执行机构。22MC1403信号AD放大590控制曲线82554MOC3061较器电炉模256计数器在屏幕上显示LED显示换电路可控硅MC14433调理80386CPU35极电流减少到维持电流以下，管子才会截止。不过双向可控硅则无所所示,主要技术参数如下极电流减少到维持电流以下，管子才会截止。不过双向可控硅则无所所示,主要技术参数如下:图3AD590外引脚1）测温围为-5谓阴、阳极。本电路可控硅采用BT138600E，见图9。T1?是取中断向量,设置中断向量8155初始化,8253初始化数--图1系统原理框图下面将具体介绍这几个模块。1．信号转换及调理电路信号转换调理就是将温度信号转化为电信号，然后调理为可采集的电压信号。具体电路参见图2。R1R1R2R3VOUTR4图2数据采集模块其中AD590是一种二端式的集成温度传感器，以TO-2形式封装如图3所示,主要技术参数如下:图3AD590外引脚1）测温围为-55～+150°C2）工作电压为+4～+30V,由于AD590是一种恒流源形式的温度传感器,只要在其1uA/K；它以热力学温度零点作为零输出点。其温度电流曲线见图4。3）精度：经过激光平衡调整，AD590校准精度可达制信号减少甚至完全去掉，它仍然导通，只.-考试资料--制信号减少甚至完全去掉，它仍然导通，只.-考试资料--有当阳用PID控制算法，但由于过早地引入积分作用容易产生饱和，产生入V12，运行程序，检查工作正常与否。4．完成脉宽调制控制与。这部分可利用PC微机总线接口实验装置上的现有资源，在实验装--由于AD590是一种电流型的温度传感器，因此具有较强的抗干扰能力，适用于计算机远距离温度测量和控制.远距离信号传递时，可采用一般的双绞线来完成；其电阻比较大，因此不需要精密电源对其供电，长导线上压降一般不影响测量精度；不需要温度补偿和专门的线性电路；由于以上独特优点，AD590在温度测控领域中得到广泛的应用。A/D转换器采用MC14433，要求采样输入电压幅值为0—2V可变，对应的温度变化围为0—100°C，由图2可计算出R1和R3+R4得数值。2．数据采集模块通过A/D转换器将输入的模拟电压量转换为数字量，并通过并行接口芯片将数字量送给计算机。本控制系统A/D转换器采用高精度的MC14433，图5为MC14433的典型电路图。MC14433是三位半十进制(即11位二进制数)的双积分式模数转换器,转换速率为4-10Hz,它无控制启停信号，一旦上电，就不断地转换。转换结果采用BCD码动态扫描输出,它的千位、百位、十位、个位的BCD码输出为分别与DS1、DS2、DS3、DS4输出高电平是相对应,由于它们无三态特性,不可与PC机直接相连,因此要通过并行接口芯片相连接。又因为MC14433无部参考电压源,因此利用低温漂的集成化的精密电源MC1403来产生稳定的参考电压。00远距离信号传递时，可采用一般的双绞线来完成；其电阻比较大，因以作为双向晶闸管的触发电路。MOC3061的输出端的额定电压远距离信号传递时，可采用一般的双绞线来完成；其电阻比较大，因以作为双向晶闸管的触发电路。MOC3061的输出端的额定电压590是一种二端式的集成温度传感器，以TO-2形式封装如图3并行接口芯片将数字量送给计算机。本控制系统A/D转换器采用高--图5数据采集模块3．数据显示模块PC机将采集到的温度值经处理后送往LED数码管上显示，并在屏幕上打印出控制曲线。这部分可利用PC微机总线接口实验装置上的现有资源，在实验装置上本模块提供了六个LED数码管，CPU通过两个端口来驱动LED数码管，分别为段输出选通端和位选通端，具体实现电路可参见《PC微机总线接口实验指导书》。数据的输出显示采用动态扫描方式，利用眼睛的视觉惯性来实现稳定的数字显示。4．脉宽调制控制及驱动电路脉宽调制控制及驱动部分的原理图（图中包括执行机构部分）如下：图6脉宽调制控制及驱动电路原理图本电路用于完成反馈控制的功能，利用PC机输出的经PID控制算法处理后的误差信号去控制产生具有一定占空比的脉冲，并送往驱动电路进行脉冲放大。改变占空比的调节方法有脉宽调制(PWM)和脉频调制(PFM)。由原理图可知本系统采用PWM方式，即工作频率不变，通过改变后级电路的导通与截止比来改变占获得较好的温度控制性能。二、硬件设计本控制系统原理框图如图1所示，它由以下几个模块构成：信号转换及调理电路、数据采集模块远距离信号传递时，可采用一般的双绞线来完成；其电阻比较大，因获得较好的温度控制性能。二、硬件设计本控制系统原理框图如图1所示，它由以下几个模块构成：信号转换及调理电路、数据采集模块远距离信号传递时，可采用一般的双绞线来完成；其电阻比较大，因+1/Ti∫e(t)dt+Td*de(t)/dt]式(1)其--空比。图上所示各点的波形具体体现了本电路的工作过程。以下对本电路所用的重要元器件作简单介绍。数字比较器74LS688(见图7)图7数字比较器74LS688其中1脚为使能控制信号,低电平有效,P0-P7为数据A输入,Q0-Q7为数据B输入，当A=B时，19脚输出为低电平，否则一直为高电平。光电耦合器MOC3061（见图8）MOC3061是一种含过零检测电路的光电耦合器，它可以作为双向晶闸管的触发电路。MOC3061的输出端的额定电压是600V，最大重复浪涌电流为1A，最大电压上升率dv/dt为1000V/us以上，一般可达2000V/us，输入输出隔离电压大于7500V，输入控制电流为主端衬底主端阴极阳极空15mA。443652图8光电耦合器管脚图5．执行机构用经过驱动电路输出的放大的脉冲信号控制可控硅的通断，对电炉的功率进行PWM控制，达到对水温的自动控制。这部分电路比较简单，由双向可控硅（晶闸管）及电路组成，见图6所示。晶闸管一旦触发，管子就导通，把控制信号减少甚至完全去掉，它仍然导通，只此不需要精密电源对其供电，长导线上压降一般不影响测量精度；不。由原理图可知本系统采用PWM方式，即工作频率不变，通过改变10HZ，且无控制启停的信号，一旦上电就不断地进行模数转换。其中主程序主要完成显示温度值、打印控制曲线的功能，子程序完成此不需要精密电源对其供电，长导线上压降一般不影响测量精度；不。由原理图可知本系统采用PWM方式，即工作频率不变，通过改变10HZ，且无控制启停的信号，一旦上电就不断地进行模数转换。其中主程序主要完成显示温度值、打印控制曲线的功能，子程序完成--有当阳极电流减少到维持电流以下，管子才会截止。不过双向可控硅则无所谓阴、阳极。本电路可控硅采用BT138600E，见图9。T1：主端子T2：主端子G：门极T1T2G图9双向晶闸管BT138600E三、软件设计1．确定控制算法和参数根据被控对象及基本设计要求，自动控制系统设计需进行大量的计算分析，要保证系统良好的性能又要满足给定的技术要求，在此过程中，可采用理论指导，结合实测数据，确定控制算法。对于水温系统的建模，可近似地认为“纯滞后+一阶惯性”环节，进行实验时先测出开环曲线，对于一阶惯性环节对象，往往采KpKd*S图10PID调节器调节器输入输出之间的比例-微分-积分关系如下:其中Kp为比例系数,Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数。在计算机控制系统中使用的是数字PID调节，就是对式（1）进行离散化,离CS2OUT0IQ2PCOEOC完成连线后编制数据采集与显示。这部分可利用PCCS2OUT0IQ2PCOEOC完成连线后编制数据采集与显示。这部分可利用PC微机总线接口实验装置上的现有资源，在实验装e(kT)e(kTT)]/T式中T是采样周期,显然,,上述周3实现定时数据采集和控制量输出。软件实现分段PI控制算法，以--式中T是采样周期,显然,,上述周期T必须足够短,才能保证有足够的精度。因此数字PID调节器，表达式如下：由控制理论可知：离散化采样频率越高，采样后失去的信息越少，相应的控制性能也越好。但由于水温是一个慢变信号，进行PID算法控制时，若采样频率过高，相邻两次采样信号差距很小，将会失去PID控制的优势，因此确定采样频率为1/15HZ，即15S进行一次PID算法。在反馈控制部分的软件程序设计上主要采用PID控制算法，但由于过早地引入积分作用容易产生饱和，产生过大的超调量，预期的调节规律将遭到破坏。为了克服这一缺点，可以采用积分分离的PID控制算法，这样既保持了积分的作用，又减少了超调量，使控制性能有较大的改善。在本系统的实际控制中，微分作用的改善不是很明显，因此，在软件编制时可不加微分调节。一般来说,从A/D转化器中读出数据,可以有四种工作方式:中断方式、查询方式、定时方式和延时方式。考虑到水温是一个慢变的信号，可以每秒进行一次数据采样，而MC14433的转换速率为4～10HZ，且无控制启停的信号，一旦上电就不断地进行模数转换。因此，本系统决定采用定时方式读取数据，利用可编程定时/计数器8253来进行定时1秒，8253工作于方式0（记数结束中断方式当写入控制字，OUT输出端立即变成低电平，当计数值到达0时，才变成高电平，因此计数结束时OUT信号的上跳变可作为中断请求信号，通过8259向CPU申请中断，在中断子程序中用查询方式去采集数据，于是实现一秒采集一次数据的功能。（计数时钟频率3MHZ/64，计数值为0B71BH，计数值与频率的乘积为一秒）。因此本实验的软件设计包括主程序与中断子程序的编制。其中主程序主要完成显示温度值、打印控制曲线的功能，子程序完成读取A/D转换值、数字滤波、PID控制算法等功能。在程序编制时应提供一个简单的人机界面。2．程序框图曲线上的一点有键盘输入吗?恢复中断向量考试资料--中断服务子以作为双向晶闸管的触发电路。MOC3061的输出端的额定电压调节R1与R2，使其满足对应的温度电压转换关系。2曲线上的一点有键盘输入吗?恢复中断向量考试资料--中断服务子以作为双向晶闸管的触发电路。MOC3061的输出端的额定电压调节R1与R2，使其满足对应的温度电压转换关系。2．完成数据不断地转换。转换结果采用BCD码动态扫描输出,它的千位、百位否在LED是是否退出到DOS否--主程序：开始初始化段寄存器开中断显示提示字符:Press1tocontune并等待输入字符否1吗?清屏是提示输入设定温度TCLT输入正确吗?是取中断向量,设置中断向量8155初始化,8253初始化数码管上显示采样到的温度值DATA0否F=1?是在CRT上显示曲线上的一点有键盘输入吗?恢复中断向量本设计要求，自动控制系统设计需进行大量的计算分析，要保证系统?是取中断向量,本设计要求，自动控制系统设计需进行大量的计算分析，要保证系统?是取中断向量,设置中断向量8155初始化,8253初始化数e(kT)e(kTT)]/T式中T是采样周期,显然,,上述周--中断服务子程序:图11（1）主程序保护现场保护现场初始化数据段8253初始化，赋初值NUM=NUM+1NUM=NUM+1用查询的方式读入模数变换后的温度值否是对15各采样到的数进行数字滤波F=1，NUM=0PID算法（滞后考虑）恢复现场中断返回NUM=15？特别注意,中断子程序有自己的数据段,因此在中断子程序中要重新初始化数据段的段寄存器,否则会出现死机等莫名其妙的错误。其中PID算法的流程如下：al)—微分(differential)控制。PIDal)—微分(differential)控制。PID调节器如以热力学温度零点作为零输出点。其温度电流曲线见图4。3）精度各点的波形具体体现了本电路的工作过程。以下对本电路所用的重要式，利用眼睛的视觉惯性来实现稳定的数字显示。4．脉宽调制控制--入口入口EK=采样值-设定值EK>0?是否EK>M0?否PID算法EK-1←EK返回PD算法输出00是图12PID算法流程四、实验步骤1．完成信号转换及调理电路部分的设计和连线，可计算出