《第六章系统设计01》

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1、第6章系统设计第6章系统设计电子设计与制作的对象范围广泛，从控制工程到测量技术，到电力电子，以及计算机等方面的内容都包括在其中。为了便于说明和讲解系统设计过程，将系统设计所包含的课题内容分为几类进行介绍。 6.1控制类系统设计以控制思想为基础，控制算法为核心，控制工程为内容的这类系统归为控制类系统，控制类系统设计的核心是控制算法，将受控制的对象抽象出可以控制的模型才是科学的控制，而不能盲目的使用“模糊”控制。6.1.1水温控制系统1.系统设计指标设计制作一个水温自动控制系统，控制对象为1L的净水，要求温度设定范围40～90℃，

2、最小区分度为1℃，温度控制的静态误差小于等于0.2℃。采用适当的控制方法，当设定温度突变(由40℃提高到60℃)时，减小系统的调节时间和超调量，并且系统实时显示实际温度，附加显示或者打印温度变化曲线。2.系统设计及方案确定根据系统设计要求，被控对象为1L的净水，信号采集则要用到温度传感器，需要将温度信号转换为电信号然后进行采集。系统结构为如图6-1所示的框图：图6-1水温控制系统框图常用的温度传感器有Pt100、LM35等，这两种传感器用法相似，先将温度量转换为电信号，然后利用A/D转换芯片将电信号转换为数字量。单线数字温度传

3、感器DS18B20是DALLAS公司生产的单线式(1-wire)数第257页第6章系统设计字温度传感器，具有3引脚小体积封装形式，温度测量范围为－55℃～＋125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，相当于普通温度传感器与A/D的集成，单片机只需一根端口线就能与DS18B20通信，可节省大量的引线、电路和资源。水温控制算法在“算法简介”章节中有详细的介绍，在此不再赘述。用户可以根据控制要求和算法性能来选择合适的算法进行控制。功率控制部分通过数字电路控

4、制电炉丝等交流功率器件来实现对水温的调节，也即需要实现数字电路控制交流模拟信号，低压信号控制高压信号。控制方式通常有两种：调功法和调相法。(这两种控制方法在“典型应用技术”章节中的交流功率控制也已介绍过。)3.系统实现(1).温度采集部分LM35的应用电路图如图6-2所示，直接从温度传感器LM35出来的信号比较微弱，需要接一级放大，将信号调节到适合A/D转换器测量的范围。图6-2LM35应用电路DS18B20应用电路的外围电路比较简单，数据端口直接与单片机连接，使用单线通讯方式，但注意数据端口需要上拉电阻。电路如图6-3所示。

5、图6-3DS18B20应用电路(2).功率控制部分使用电热杯加热水温，控制水温就需要控制电热杯的功率。继电器可以实现低电压控制高电压，但是由于继电器的机械特性，反应速度比较慢，使用寿命也相当有限，在多次通断后容易产生控图6-4第257页第6章系统设计制失灵现象。光耦可控硅不仅可以实现弱电对强电的控制，还能将弱电与强电隔离，去除级间窜扰。因此采用光耦可控硅实现功率控制。光耦合双向可控硅内部为一硅光敏双向可控硅，还带有过零触发检测器，以保证电压接近零时触发可控硅。结构图如图6-4所示。典型光耦合双向可控硅为MOC3041/3042

6、/3043。具体实现电路如图6-5所示。图6-5光耦合双向可控硅功率控制电路由于电热杯是感性元件，故在电路中接入一个0.01uF的电容来校正零相位。(3).串行通信要能显示和打印水温变换的实时曲线，单片机应与PC机进行串口通信。单片机与PC机的串口通信的电平转换由MAX232实现，电路如图6-6所示。图6-6串口通信电路其中C1~C4可用1uF的电解电容代替，且在硬件连接时尽量靠近MAX232，C5为0.1uF去耦电容，同时要保证单片机和MAX232共地。(4).控制实现用调功法控制水温的实质是控制能量守恒，根据上升到某一特定

7、温度和下降到某一特定温度的时间比来决定稳定在该温度所需的电热杯通断时间。单片机在接收按键中断后判断输入数据，采用分段PID算法控制温度调节和稳定。第257页第6章系统设计分段PID控制将40℃～100℃均匀分成5℃的温度段，不同温度段的加热惯性不同，测试每段的加热时间和自然降温时间，然后算出维持的温度的比例关系，定出维持每段的维持温度控制量。段内根据温差进行细调，以及温度差的差进行趋势的预测与调节。采用调功法控制强电，将每个正弦波分为两份，每个半波为一个功率因子。由于市电为50Hz，当控制周期为960ms时，每个控制周期包含9

8、6个半波。FPGA输出控制周期序列，通过序列的高低电平控制这96个半波的通断，这样就实现了在一个控制周期中控制通过的正弦波的半波个数，从而调节输出的功率。单片机的软件流程图如图6-7所示。6-7(a)单片机控制路程图6-7(b)按键中断流程图图6-7水温控制软件流程图第257