毕业设计论文-基于PID控制的智能风扇的设计Word文件下载.doc
- 文档编号:470140
- 上传时间:2023-04-29
- 格式:DOC
- 页数:42
- 大小:1.51MB
毕业设计论文-基于PID控制的智能风扇的设计Word文件下载.doc
《毕业设计论文-基于PID控制的智能风扇的设计Word文件下载.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业设计论文-基于PID控制的智能风扇的设计Word文件下载.doc(42页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
根据测到的温度与系统温的比较实现风扇电机的自动启动和停止,采用PID算法来控制风扇的转速,能根据温度的变化自动改变风扇的转速,同时用lcd1602显示检测到的温度与设定温度。
关键词:
80C4片机;
PID参数;
达林顿反向驱动器uln2003a
PIDcontrolofthesmartfandesignisbasedon
LiuJunxiu
(GansuTianshuiNormalUniversityInstituteoftelecommunicationsLiuJunxiu741,000)
Abstract:
Modernindustrialproduction,alongwiththegrowingscaleofproduction,qualityofpeople'
sincreasingdemandfortheproduct,aswellasthecomplexityofthemodernenvironment,industrialprocesscontrolsystemshavebecomeanessentialproductionequipment.PIDcontrolisthemostpracticalwayofcontrol,referringtoapopularlinearcontrolstrategy,whichisacontrollawaftertheerrorsignale(t)proportional,integral,differentialoperationtransformationform,thebasicideais"
usedeviation,toeliminatebias."
PIDcontrolhasbeenproventobeaverygoodcontrolmode.Itsproductshavebeenwidelyusedinengineeringpractice,manylargecompanieshavedevelopedanintelligentcontrollerwithPIDparametersself-tuningfeature.Thisarticleisdesignedbasedontemperature-controlledfansystemwithPIDcontrol,usingSCMasthecontroller,usethefanmotortemperaturesensorDS19B20astemperaturegatheringelement,andaccordingtotemperaturecollectedbyaDarlingtonreversedriveULN2003Adrive.Accordingtothecomparisonofthemeasuredtemperatureandthesystemtemperaturetoachievethefanmotorautomaticallystartsandstops,usePIDalgorithmtocontrolfanspeed,canautomaticallychangethefanspeedbasedontemperaturechanges,whileLCD1602displaywiththedetectedtemperatureandthesettemperature.
Keywords:
80C4machine;
PIDparameters;
DarlingtonreversedriveULN2003A
目录
1绪论........................................................
1.1概述....................................................
1.2论文研究的内容和结构安排.................................
2PID控制.......................................................
2.1PID控制的特点......................................
2.2PID的优缺点...............................................
3系统的整体设计方案............................................
3.1系统整体方案.............................................
3.2主控模块.................................................
3.2.1单片机的定义.......................................
3.2.289C51单片机内部结构................................
3.2.3单片机的引脚介绍...................................
3.2.489C51单片机的工作原理..............................
4电路设计....................................................
4.1电源电路设计..........................................
4.2按键电路设计............................................
4.3显示电路设计............................................
4.4定时电路设计............................................
4.5温度显示电路............................................
4.6电机驱动电路............................................
5程序设计.....................................................
5.1protues简介............................................5.2用KeiluVision4编写程序...................................
5.3用Protues进行仿真......................................
6结束语.......................................................
参考文献....................................................
致谢........................................................
1绪论
1.1概述
目前,空调的应用已经越来越普遍,并有代替电风扇的趋势。
但是,由于空调具有的一些问题,电风扇仍然占有很大的市场份额。
智能风扇是目前发展兴盛的一门新兴技术,它的设计为人们的生活带来了诸多方便,在提高人们生活质量、生产效率的同时还能节省风扇运转所需的能量。
但是人们对家居的性能以及安全性的要求也越来越高,随着各行各业的不断发展自动控制化已经越来越重要了。
目前,PID控制器以及用它所生产的产品已经很多,而且都在实际生活中得到了广泛的应用,在这些产品当中,很多都有用到了PID来控制。
目前化工生产中应用最多的还是PID控制,主要原因有以下两方面:
一是各种非常高级的控制在应用上还不够完善,二是大多数化工场合使用PID控制才可以满足他们的需要,三是有些企业上的技术人员对高级控制难以掌握。
PID控制技术早在30年代末期就已经出现在人们的生活当中,到至今已有近70年的发展,因为它具有很多优点,例如调整很方便、稳定相比较好,结构简单所以很多工业控制都采用它作为主要技术。
PID控制,其实她有PI和PD两个部分,它根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算来进行控制的。
它简化了建模手续、算法很简单、明显提高了系统的控制品质,引发了国内外的广泛关注和大量支持,已成为当前控制研究领域的一大亮点。
而且在长期的已有过程中,控制工程师们已经积累了大量的PID控制参数,为以后PID的发展做出了巨大的贡献。
随着单片机在各个领域的应用,许多用单片机做控制的一些温控系统也越来越多,并且单片机因为具有其价格低、功耗小等特点,而得到了各行各业的亲睐。
单片机存在于人们生活的各个环节中。
在日常的生活中,我们虽然已经有了各种各样的智能家居,但是却忽略了家用电风扇的更高的性能,在炎热的夏天,电风扇仍然是家家户户必不可少的,在本次设计中,主要是通过控制算法的方法来控制风扇的转动,来实现自动升温和降温,它有着十分重要的应用价值和研究
意义。
模拟PID控制系统的原理结构图如下:
1.2论文研究的结构安排
通过对PID控制的不断变化状况及其特点和单片机的一些结构有了一定的了解之后,设计了一个基于单片机控制的设计。
在这篇论文当中,第一章是绪论,它介绍了本设计研究目的意义和价值,并且介绍了PID的发展现状。
第二章简介绍了PID控制的特点和它的的原理。
从第三章开始就介绍了基于设计各个模块硬件的选型,第四章主要是对单片机性能的描述以及电路的设计,其中包括电源电路、按键电路、显示电路、定时电路和单片机的复位和晶振电路。
第五章主要是软件设计,有对本次设计用到的两个软件Protues和Keil的介绍,还有仿真图,以及对仿真图各个不同阶段的工作现象。
第六章是对本次设计的中用到的PID算法的程序数据分析。
最后主要是对这次设计的收获和对一些在设计过程当中给予我帮助和知道的老师和同学的感谢。
2.PID控制
2.1PID控制的特点
在工程应用中,应用最为广泛的控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称之为PID调节。
比例控制(P)
比例控制就是说它的输入与输出误差信号构成了比例关系,比例控制其实是一种最为简单的控制方式,并且只有存在比例控制时系统的输出才存在稳定误差。
积分控制(I)
积分控制就是说控制器的输入与输出误差的积分构成了正比关系。
在一个自动控制系统当中,如果在进入了稳态之后还是有误差的存在,就说嘛这个控制系统有稳态误差。
对于这个稳态误差,是要将其消除的,在此就要引入积分项,积分项对误差由时间的积分来确定,随着时间的不断增大,积分项也会跟着增大。
即使存在的误差很小,积分项也还是会随着时间的增大而不断增大的。
所以,比例控制加上积分控制,可以使系统在稳态后不存在误差。
微分控制(D)
控制器的输入与输出信号的微分成正比关系。
在客服误差时,它的调节过程会出现振荡甚至失去稳定,是因为较大惯性造成的,所以说在控制器中仅仅引入“比例”是远远不够的。
这样,比例加上微分的控制,可以使抑制误差等于零,比例加上微分控制能够改善系统过程的动态性。
2.2PID控制器
PID的优点就是它的控制理论是独立的,它只用控制目标与被控制的对象来现出误差。
PID的缺点是信号处理简单、不能全面的发挥其优点。
容易引起超调,微分信号的产生只能是近似的。
在误差积分反馈的引入中,闭环会变得很迟钝。
3.各个模块的硬件选择
3.1系统整体方案
单片机
电源电路
按键电路
温度传感器
液晶显示
发光二极管
电机
复位、晶振
这次论文主要是在单片机的基础上设计的PID控制器,外围电路包括电源电路、按键电路、晶振复位电路、定时电路、温度传感电路、液晶显示电路、电机驱动电路和串口电路。
设计三个按键。
第一个按键实现温度的加值功能,第二个实现温度的减值功能,第三个实现开启定时的功能,也就是D1灯亮时,开启定时,否则定时关。
在液晶显示电路中,上面一行显示当前的时间,下面一行前半部PT显示温度传感器的温度值,后半部分TD显示设定的温度值。
3.2方案论证
3.2.1温度传感器的选择
在本设计中,采用了数字式的集成温度传感器DS18B20作为温度检测的核心元件,由其检测并直接输出数字温度信号给单片机进行处理。
由于数字式集成温度传感器DS18B20的高度集中化,大大降低了误差因数,
使误差变得很小,并且可以直接测出被测量的温度,而且由于其检测温度的原理与热敏电阻检测的原理有着本质的不同,使其温度的分辨率极高,而且它采用3线制与单片机相连,减少了外部硬件电路,并且它体积小、硬件开销低、精度高、抗干扰能力强,具有成本低和易使用的特点。
3.2.2控制核心的选择
在本设计中采用AT89C54单片机作为控制核心,通过软件编程的方法进行温度检测和判断,并在其I/O口输出信号。
AT89C54单片机工作电压低,性能高,片内含有8k字节的只读程序存储器ROM和256字节的随机存储器RAM,它兼容标准的MCS-51指令系统,单片机价格也不贵
3.2.3温度显示器的选择
方案一:
采用LCD1602液晶显示屏显示温度。
方案二:
采用led共阴数码管显示温度
对于方案一,液晶显示具有显示字符优美,其不仅能显示数字还能显示字符甚至是图形,这是led数码管无法比拟的。
而且它低压,微功耗、极低的工作电压。
方案二:
用数码管显示成本很低,显示温度很清晰明确,既是在很黑的地方也可以看得到,而且软件相应的编程也简单一点。
本设计中用1602,如果用数码管的话要用4个单个数码管,而不要用4位1组的数码管,因为4位1组数码管的显示需要动态扫描太浪费CPU的资源,因为CPU主要精力在于用定时中断处理PWM,如果在加上动态扫描LED管就会出现不连续的现象甚至LED管根本就不显示内容。
用1602可以节省一些CPU资源。
3.2.4电机控制的选择
在本设计当中,要想让单片机控制直流风扇就需要加驱动电路,原因是可以为直流电机提供足够大的驱动电流。
在本次的设计当中,用到了达林顿反向驱动器ULN2003A来驱动直流风扇电机。
ULN2003A在使用时接口简单,操作方便,可为电机提供较大的驱动电流,它实际上是一个集成芯片,每块芯片可同时驱动8个电机,每个电机由单片机的一个I/O口控制,单片机I/O口输出为5V的电压。
4电路设计
4.1单片机的介绍
4.1.1单片机的定义
SCM(微控制器)是一个集成电路芯片,是采用超大规模继承电路技术对CPU具有数据处理能力,随机存取存储器RAM,只读存储器,多种I/O口和中断系统,定时器/计数器等功能(其也可以包括一个显示驱动电路中,脉冲宽度调制电路,模拟复用器,A/D转换电路)成小但完美片硅微计算机系统构成,在广泛应用于工业控制。
从80年代的4,8位微控制器,到现在的高速单片机300M。
4.1.289C51单片机内部结构
单片机是在一块鬼片上集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、并行I/O接口、串行接口等基本功能部件的大规模集成电路,又称为MCU.89C51单片机主要具有下列部件:
A、MCS-51内核的8位微处理器(CPU)一个;
B、片内振荡器及时钟电路一个,它最高的允许振荡频率为24MHz;
C、4KB程序存储器ROM用于存放程序代码、数据或表格的;
D、用于存放随即数据,变量、中间结果的128字节数据存储器RAM;
E、4个8位并行I/O接口P0-P3,它的每个口都可以作为输入或输出;
F、定时方式或者计数器方式用2个16位定时器/计数器,每个定时器/计数器都可以设置;
F、单片机之间或单片机与PC机之间的串行通讯用1个全双工串口;
G、中断控制系统具有5个中断源、2个中断优先级。
4.1.3单片机引脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口是一个8位的漏级开路的双向I/O端口,它的每个脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次被写入1时,就被定义为高阻输入。
P0用于外部程序数据存储器,它被定义为数据/地址的低八位。
P1口:
P1口是一个为内部提供上拉电阻的8位双向I/O端口,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,由于内部上拉的缘故,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,。
P2口:
P2口管脚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。
内部上拉的缘故它作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于。
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。
由于上拉的缘故,作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下所示:
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
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)。
RST:
复位输入。
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。
4.2各部分电路设计
4.2.1电源电路设计
本次设计的电源电路用的是7805稳压电源。
7805是我们在平时的实验及设计中最常用到的稳压芯片,它如果要输入一个直流稳压电源只需要一个很简单的电路就可以了,它的输出电压正好是+5v,就符合乐51单片机运行所需的电压值。
它有三个引脚:
其中1接整流器输出的正电压,2为公共地也就是负极,3是+5v电压。
4.2.2按键电路设计
在单片机的应用中,按键它主要有两种方式:
1、直接按键;
2、矩阵编码键盘。
在直接按键中,它的每个按键都单独接到了单片机的相应的一个I/O口上,而直接按键则是通过判断按键端口的电位即可识别按键操作;
而矩阵键盘则是通过行列交叉按键编码来进行识别的。
在本设计中则采用直接按键,是用三个按键控制的,第一个对控制温度的值进行加操作,第二个对控制温度的值进行减操作,第三个用来开启定时功能。
进行一次完整的击键过程,主要包含以下5个阶段:
1.等待阶段:
此时如果按键还没有被按下,则处于空闲阶段,也就是等待阶段。
2.前沿(闭合)抖动阶段:
此时如果按键刚刚被按下,但按键信号还有抖动存在,这个存在抖动的时间一般为5~20ms。
为了确保按键操作不会出现错误,此时必须有个前沿消抖动延时。
3.键稳定阶段:
此时抖动已经结束乐,已经产生了一个有效的按键动作。
系统应该在此刻就开始执行按键功能;
或将按键所对应的键值记下来,待按键释放。
4.后沿(释放)抖动阶段:
一般来说,程序应该在这里再做一次的消抖延时,。
5.按键释放阶段:
此时后沿抖动操作已经结束,按键已经完全处于释放状态,如果按键在释放后再执行功能的,则就可以在这个阶段进行一些按键操作的相关。
4.2.3显示电路设计
在本次设计中采用了LCD1602液晶显示来显示当前所设定的时间值,环境温度值,与控制温度值。
字符型LCD1602的每一个字符都有它固定的代码,代码对应的字符的点阵图形数据由字符发生器产生,通过驱动电路后在LCD上显示出字符,它是用5x7的点阵图形来显示个各种字符的一种液晶显示器。
。
通常为了简化开发,可以购买LCD及其驱动电路的显示器,称为
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业设计 论文 基于 PID 控制 智能 风扇 设计