课程设计-- 恒温控制系统设计课程设计题目：恒温控制系统设计院（系）：电气与信息工程学院班级：电气08－13班姓名：申伟伟学号： 13 号摘要进入20世纪90年代，嵌入式技术全面展开，其优势及特点得到了越来越多的好评。

飞思卡尔(Freescale)半导体公司S08系列的单片机是受到关注的诸多优异微控制器之一。

S08AW系列是Freescale公司推出的新一代S08系列微控制器中的一款增强型8位微控制器，它不仅集成度高、片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、IIC、A/D、PWM 等，还具有很宽的工作温度范围：-40℃～+125℃。

在本系统的温度控制中，采用的是S08AW60微控制器。

随着单片机的广泛使用，温度的自动控制已经变成了可能。

在本系统中，主要是通过控制电机来达到控制温度的目的，当然在一些高级或者要求更高的场合还可以通过控制空调来实现调温。

要控温就要先进行测温，再转换成单片机能读懂的数字信号，进行处理后得出控制电机的控制值，也就是PWM控制中说的占空比，通过改变占空比就可以达到调速的目的。

关键词：自动控制系统、S08AW60微控制器、温度、传感器目录1 引言 (4)2 总体方案设计 (8)2.1 硬件方案论证 (8)2.1.1 微控制器的选择 (8)2.1.2 温度传感器的选择 (9)2.1.3 显示器的选择 (10)2.1.4 键盘的选择 (10)2.2 系统设计方案的方框图 (11)2.3 系统控制算法的设计 (12)3 系统单元电路的设计 (12)3.1 检测电路设计 (13)3.2 微控制器的工作电路设计 (14)3.3 显示电路设计 (14)3.4 电机的驱动电路 (16)3.5 键盘电路设计 (16)4 系统的软件设计 (17)4.1 键盘子程序 (17)4.2显示子程序 (15)4.3 温度值判断子程序 (16)4.4调速子程序 (20)总结 (21)参考文献 (23)附录： (24)1 引言自动控制系统可以从不同的角度来进行分类，按其结构及控制方式可将其分为三种：开环控制系统、闭环控制系统和混合控制系统。

1．开环控制系统若系统的输出量不被引回来（反馈）对系统的控制部分产生影响，这样的系统称为开环控制系统，如图1-3所示。

例如，数控机床。

它由预先设定的指令程序产生相应的控制脉冲，经脉冲放大器放大后驱动步进电机，通过精密传动机构再带动工作台对工件进行加工就是一个开环控制系统。

家用电器中的洗衣机也是开环控制系统。

开环控制系统的优点是结构简单，系统稳定性好，成本低。

缺点则为：受扰动因素的影响大，从而影响输出量的稳定。

若扰动因素已知，并能直接或间接地检测出，那么也可以利用扰动信号来产生一种补偿，以抵消扰动的影响。

这种控制方式称为扰动控制。

扰动控制原理如图1-4所示。

图1-4 扰动控制系统框图在这种系统中，输出量对系统的控制作用无影响，影响控制的是扰动量，因此仍属于开环控制系统。

2．闭环控制系统若系统的输出量通过反馈环节作用于控制部分，形成闭合环路，这样的控制系统称为闭环控制系统，又称反馈控制系统。

如图1-5所示的由晶闸管可控整流装置供电的直流电动机调速稳速系统，控制对象是电机M、被控量是转速n，Ug是给定量。

测速电机TG将输出量n转换成电压Ufn反馈到输入端去，形成一个闭环。

系统的调速稳速原理可用下列顺序表示：n↓→Ufn↓→△u=Ug- Ufn↑→α↓→Ud↑→n↑(补偿了n↓)这种系统的输出量参与控制，直接影响系统的控制过程，所以是闭环控制系统。

由于输出信号要返回输入端参与控制，所以信号传递有两个通道：主通道将控制信号送至被控对象；反馈通道将输出信号反馈到输入端。

闭环控制系统一般采用差值控制。

差值所产生的控制作用是使系统向减少或消除偏差的方向变化，所以有利于克服惯性和干扰而维持给定的控制，因此也称这种控制为偏差控制。

反馈控制系统无论采取哪种量反馈，包围在反馈环内的各种干扰量所引起的输出量变化都能被减小或消除，使系统具有良好的动态和静态控制精度，所以获得了广泛应用。

3．复合控制系统将闭环控制系统和开环控制系统结合在一起，构成开环-闭环相结合的控制系统称为复合控制系统，也称为混合控制系统。

例如，可以将扰动控制(开环)和偏差控制(闭环控制)相结合而形成复合控制系统。

复合控制系统兼有闭环和开环的优点，控制精度高，控制反应快，但结构复杂。

微型计算机控制系统与其所控制的生产对象密切相关，控制对象不同，控制系统也不同。

根据应用特点、控制方案、控制目标和系统构成，微型计算机控制系统大体上可分为以下几种类型：操作指导控制系统、直接数字控制系统（DDC）、计算机监督控制系统（SCC）、分布式控制系统（DCS）、计算机集成制造系统（CIMS）和现场总线控制系统（FCS）。

下面分别进行介绍。

1．操作指导控制系统操作指导控制系统如图1-6所示。

所谓操作指导是指计算机只对系统过程参数进行收集、加工处理，然后输出数据，但输出的数据不直接用来控制生产对象，操作人员根据这些数据进行必要的操作。

在这种系统中，计算机每隔一定的时间进行一次采样，经A/D转换后送入计算机进行加工处理。

然后再进行显示、打印或报警。

操作人员据此改变设定值或进行必要的操作。

这种系统突出的特点是简单、安全可靠，对于控制规律不太确定的系统更为适用。

它的缺点是仍要人工进行操作，所以响应速度不可能太快。

它相当于模拟仪表控制系统的手动与半自动工作方式。

主要用于计算机控制的初级阶段，或用于试验新的数学模型和调试新的控制程序等。

2 总体方案设计2.1 硬件方案论证该系统的硬件方案的设计包括微控制器的选择、温度传感器的选择、显示器的选择和键盘的选择，至于电机是要控制的对象，24V直流电源作为功率电源进行加温所以在该微型计算机系统中我们只对上述的几个硬件部分进行选择。

2.1.1 微控制器的选择方案一：8031芯片内部无ROM，需要外扩程序存储器,由此造成电路焊接的困难，况且使用8031还需要另外购买其他的芯片，如A/D转换及定时/计数器（PWM）等芯片，从而造成成本较高，性价比低。

方案二：89C51芯片内部有ROM，且片内ROM全部采用Flash ROM，它能于3V 的超低压工作，与MCS-51系列单片机完全兼容，但是其不具备ISP在线编程技术，需把程序编写好以后再放到编程器中烧写，才可以进行硬件电路的调试，倘若程序编写出现问题，调试电路就比较麻烦，而且其芯片内存也只有4KB。

方案三：基于前两种方案的比较,我们考虑到S08AW60，该芯片拥有62KB片上在线可编程FLASH存储器和2KB片上RAM，具有模块保护与安全选项功能。

该芯片还可以通过BDM进行在线编程及调试，无需频繁的插拔单片机，可避免损坏芯片。

且其内部资源丰富，本身就含有A/D转换模块和定时/计数器（PWM）模块，使用方便简单。

综观上述三种方案的论证与比较,我们采用S08AW60作为主控模块芯片。

2.1.2 温度传感器的选择方案一：热电偶主要是利用两种不同金属的热电效应，测温范围在-200℃～1800℃，产生接触电势随温度变化而变化，从而达到测温的目的。

测量准确，价格适中温，线性度较好。

但其输出电压受冷端温度影响，需要进行冷端温度补偿，使电路变得复杂，且测量范围过大，在本题中并非最佳方案。

方案二：热敏电阻由金属氧化物或半导体材料制成，测温范围在-50℃～300℃，灵敏度高、热惰性小、寿命长、价格便宜。

但其测量的稳定性和复现性差，而且线性度差，需要进行查表线性拟合，大大浪费控制器的资源，因此不能选用。

方案三：热电阻是利用金属的电阻率随温度变化而变化的特性，将温度量转化成电阻量。

其优点是准确度高，稳定性高，性能可靠，热惯性小、复现性好，价格适中。

如铜热电阻，其测温范围在-50℃～150℃，铜容易提纯，价格比铂便宜很多，且电阻温度关系是线形的。

根据要求，并进行比较，最终选用热电阻Gu100温度传感器。

2.1.3 显示器的选择方案一:LCD数码管液晶显示,由单片机驱动.它主要用来显示大量数据、文字、图形，能够显示的位数多，显示得清晰多样、美观，但同时液晶显示器的编写程序复杂，价格昂贵，从而降低了整个系统的性价比，故不采用此种方案。

方案二：点阵显示，是由八行八列的发光二极管集成在一块电路上组成，主要用来显示汉字，同时也能显示数字和少量图象，但它的焊接较麻烦，价格高，鉴于所设计的题目要求它不切实际。

所以排除此方案。

方案三：LED数码管静态显示，电路容易理解且驱动的程序简单，多片七段译码器驱动显示，这不仅增加了成本，还需要占用单片机多个I/O口，也给电路的焊接带来一定的困难，因此不选用这种方案作为显示模块。

方案四：采用LED数码管动态扫描显示，价格低廉，不仅减少了对I/O口的浪费，而且能够同时驱动多个数码管。

其驱动程序容易编写和理解。

经过四种方案的比较，排除了前三种方案之后，最后选择方案四：LED数码管动态扫描显示。

2.1.4 键盘的选择方案一：选取阵列式按键，减少了I/O口的使用,且扫描M×N个按键只需占用M+N 个I/O口即可实现，但给编程带来了一定的困难，虽然节省了很多的口线，降低了成本，但在此设计中所用的按键要尽量少，因此排除此方案。

方案二：独立式按键，每个按键实现一个功能，易于控制且编写程序简单，容易理解，虽然会占用一定的单片机I/O口资源，但是题目中要求使用的按键要尽量少。

通过以上两种方案比较，决定采用方案二。

2.2 系统设计方案的方框图根据系统的控制要求，再结合已经确定下来的各硬件方案，可以得出系统具体工作的整体方框图，如图1所示。

图1 系统方框图信号检测电路对电梯间的温度进行实时的获取，并将获得的温度信号转换成电压信号；S08AW60内部有A/D 转换模块，把获取的电压转换成数字信号，并根据便写好的控制程序进行判断，再利用片内的定时/计数（TPM ）模块对电机进行PWM 调速；键盘主要是设定要保持的温度值；显示器对当前温度值或设定值进行显示。

2.3 系统控制算法的设计本系统主要是对测量到的温度与设定值进行比较，然后获得偏差值，是对温度的反馈偏差控制。

就必然用到经典控制理论中的PID （Proportional Integral and Derivative 比例积分微分）控制，采样PID 控制的基本公式如公式1 ，ki DIp Tk e k e T i e T Tk e K t u 0)1()()()()( （1） 其中Kp 为比例系数，Ti 为积分时间，Td 为微分时间，T 为采样时间。

因计算中需要累加求和，不便于单片机的计算，因此算其增量式 。

由增量式PID 算法获得的控制值，再通过PWM 的调速方法来调整风扇的转速，达到控温的目的。