光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控裝置設(shè)計【獨家畢業(yè)課程設(shè)計帶任務(wù)書+開題報告+外文翻譯】,發(fā)電,系統(tǒng),監(jiān)控,裝置,設(shè)計,獨家,畢業(yè),課程設(shè)計,任務(wù)書,開題,報告,講演,呈文,外文,翻譯 單片機溫度控制： 一個跨學(xué)科的本科生工程設(shè)計項目 要： 本文的主要內(nèi)容是作者和四個大學(xué)高年級學(xué)生組成的團隊進行的一個跨學(xué)科工程項目的設(shè)計。該項目的目標是設(shè)計一個氣室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的要求是：當實際氣室的溫度階躍響應(yīng)時，規(guī)定范圍內(nèi)的溫度進入氣室后，穩(wěn)定時的溫度誤差和超調(diào)量必須少于一個絕對溫度。本組學(xué)生開發(fā)設(shè)計是基于列單片機。該問題的教學(xué)價值也通過某些步驟的關(guān)鍵描述在本文說明。本章顯示，解決該方案需要具有廣泛的工程學(xué)科知識，包括相關(guān)電子、機械和控制系統(tǒng)的相關(guān)知識。 1 引言 該設(shè)計項目來自一個實際應(yīng)用問題，一個關(guān)于顯微鏡載玻片干燥劑溫控器 —— 歐米哥 度控制器，而這個設(shè)計的目標是研發(fā)一個自定義的通用溫度控制系統(tǒng)取代歐米哥系統(tǒng)、一個以更低的成本實現(xiàn)相同功能的自定義控制器，就像歐米哥系統(tǒng)一樣，并不需要能夠全方位的處理各種問題。 該載玻片干燥機的機械布局如圖 1 所示。干燥機的主體是一個足夠大的 絕緣充氣室，里面依次存放著薄紙包著的石蠟。為了使石蠟保持適當穩(wěn)定性，載玻片氣室的溫度必須維持穩(wěn)定。第二個氣筒（電子圍繞元件）設(shè)有一個電阻加熱器、一個溫度控制器以及一個安裝在干燥機上的風(fēng)扇，是為了把風(fēng)吹過加熱器，把熱量帶到載玻片氣室。 圖 1玻片干燥機的機械布局 自 1996年來，本文作者帶領(lǐng)四位三一大學(xué)工程科學(xué)系的高年級學(xué)生開展此項目的研究。本文的目的說明了提出一些問題并詳細闡述學(xué)生的一些解決方案，而且討論了這種類型的跨學(xué)科設(shè)計項目在教學(xué)方面應(yīng)用的問題。這份學(xué)生報告曾經(jīng)在 1997 年全國本科畢業(yè)生研討會上提出過并討論過。第 2 節(jié)給出該設(shè)計的更多詳細情況，包括性能規(guī)格。第 3 節(jié)具體 學(xué)生的設(shè)計。第 4 節(jié)是論文的主體，討論該設(shè)計在教學(xué)應(yīng)用方面的實施問題。最后，第 5 節(jié)全文總結(jié)。 2 問題闡述 該項目基本的思想是設(shè)計一個自定義溫度控制系統(tǒng)來取代相關(guān)的歐米茄度控制器。溫度時通常保持在一個穩(wěn)定的常數(shù)，但重要的是階躍變化可以被“合理”的跟蹤。因此主要要求如下： 2可以對空氣室的溫度進行設(shè)定， 2同時顯示設(shè)定值和實際溫度， 2以及在設(shè)定溫度值情況下，可接受范圍內(nèi)的跟蹤階躍變化，穩(wěn)態(tài)誤差，超調(diào) 量。 表 1 精確的規(guī)格說明 設(shè)定溫度接口 范圍 準確度 60氏度 1 攝氏度 設(shè)定溫度顯示 范圍 準確度 誤差 60氏度 1 攝氏度 ± 1° C 室內(nèi)溫度顯示 范圍 精度 準確度 60° C ± 1° C 室內(nèi)溫度階梯響應(yīng) 范圍（穩(wěn)定狀態(tài)） 精度（穩(wěn)定狀態(tài)） 最大超調(diào) 設(shè)定時間（到± 1°） 60 1° C 1° C 120s 盡管表 1 的一部分說明并不明確，但是它清楚的反映了人們對數(shù)字顯示器在設(shè)定值和實際溫度的要求和溫度應(yīng)該通過數(shù)值輸入來設(shè)定（而不 是，通過電位器設(shè)置）。 根據(jù)微控設(shè)計，數(shù)字溫度顯示和單點輸入的要求可能是最合適的。圖 2 為學(xué)生的設(shè)計框圖。 圖 2度控制器硬件結(jié)構(gòu)圖 稱 6805），是系統(tǒng)的核心。它通過一個簡單的 4鍵小鍵盤對溫度進行設(shè)定，同時使用兩個顯示驅(qū)動控制 7 段 碼管來顯示定值和氣室溫度的測量值。所有這些，輸入和輸出信號與 6805 的并行口相連。氣室的溫度值使用預(yù)校準熱敏電阻測量，并通過 6805 的數(shù)模轉(zhuǎn)換輸入。最后，6085 的脈沖寬度調(diào)制（ 出用來驅(qū)動一個 繼電器，以控制線性電阻加熱器的閉合和斷開。 圖 3 更詳細的顯示了 6805 的接口和電子器件。使用暴風(fēng) 3號四鍵鍵盤，通過 口進行數(shù)據(jù)輸入。其中一個重要的功能是進行模式切換。兩種模式：固定模式和運行模式。在固定模式下，其他兩個鍵用于設(shè)定溫度，一個增加，一個減少，第四個按鍵暫無作用。 示屏由哈里斯半導(dǎo)體 過 口與芯片相連，作為輸出。熱敏電阻由電壓分頻器驅(qū)動，通過 腳（八個模擬輸入端口中的一個）相連。最后， 腳（兩個 出端口中 的一個）驅(qū)動加熱繼電器。 圖 2 單片機原理圖 圖 3 單片機原理圖是關(guān)于用軟件實現(xiàn)溫度控制算法、保持溫度顯示以及改變鍵盤輸入響應(yīng)，這將不會在本文詳細討論，因為這并不是本文的重點，也沒有編譯完成。軟件部分還沒有確定控制算法，但很可能是一個簡單的比例控制，比 法簡單。一些控制設(shè)計的問題將在第四節(jié)討論。 4 設(shè)計過程 雖然該項目的本質(zhì)是建立一個恒溫器，但它有許多很好的契機可以供教學(xué)借鑒。高級工程本科教育的知識只是能夠讓學(xué)生們具有解決問題的能力。然而，很多情況下，實際情況卻和理論有些不同。不過 ，這些不是問題，參與這個項目的設(shè)計，將獲得很多設(shè)計方面的寶貴經(jīng)驗。本節(jié)的其余部分著眼于其他的幾個方面： 討論系統(tǒng)的一些特征，簡化系統(tǒng)熱性能的數(shù)學(xué)模型，以及一些簡單理論的證明。 介紹確定實際控制算法。 指出控制設(shè)計程序的一些不足，并通過模擬環(huán)境，指出怎樣克服問題。 給出單片機的一些設(shè)計相關(guān)概述，以及出現(xiàn)問題和值得借鑒之處。 學(xué)模型 集總元件熱系統(tǒng)符合線性控制，適用于載玻片干燥機的問題。圖 4 顯示了二階集總元件熱量模型的載玻片干燥機。狀態(tài)變量是溫度， 箱內(nèi)空氣的溫度，箱子 本身的溫度。該系統(tǒng)輸入功率等于 q(t)的熱量和環(huán)境溫度 T 的和。 ma，別對應(yīng)空氣和箱子的質(zhì)量。 分別是其對應(yīng)熱量。 別是空氣與箱子間以及箱子與外界間的傳熱系數(shù)。 圖 4總元件熱模型 由圖 4 可以推出（線性）狀態(tài)方程 拉普拉斯變換 (1)和 (2)等式，并整理 Ta(s)。有趣的是，可以推出一個開環(huán)的熱系統(tǒng)方程。 其中 K 是一個常數(shù)， D(s)是一個二階的多項式。 K,及系數(shù) D(s)和在 (1)和 (2)等式中出現(xiàn)的系數(shù)功能相近。當然，在 (1)和 (2)等式中各種參數(shù)在未知的情況下，不難證明 D(s)與其他參數(shù)的值無關(guān)，具有兩個零點。因此傳遞函數(shù)可以寫成（我們假設(shè)環(huán)境溫度為常數(shù)） 此外 ,可以推出 1/<1/，零點在兩極之間。開環(huán)零極點如圖 5所示。 圖 4aq(s)的零極點 為了獲取完整的熱模型，從 (3)式中除去常數(shù) K 和 3 個未知的時間常數(shù)。四個未知參數(shù)并不少，但由簡單的實驗表明， 1/1/1/基本上是一階函數(shù)，且 tz,似為 0。因此，開環(huán)系可以寫成： (下標 經(jīng)被去掉了 ) 過初始溫度和熱量值大范圍內(nèi)的設(shè)置， 簡單的開環(huán)階躍響應(yīng)實驗結(jié)果表明，K≈ ，τ≈ 295S。 制系統(tǒng)設(shè)計 使用 (4)式的一階開環(huán)傳遞函數(shù) s)，并且假定加熱器的輸出函數(shù) q(t)為線性，圖 6 是系統(tǒng)框圖代表閉環(huán)系統(tǒng)。 Td(s)是設(shè)定溫度的函數(shù)， C(s)是傳遞函數(shù)， Q(s)是熱量輸出，單位是瓦特。 圖 6 簡化的閉環(huán)系統(tǒng)框圖鑒于這種簡單情況，前面所指的線性控制設(shè)置，例如，根軌跡法設(shè)計法可以使 C(s)中符合要求的階躍響應(yīng)對應(yīng)的上升時間、穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量符合表格 1 所示。當然，一個有足夠增益的比例控制器就可以滿足各種要求。超調(diào)量改變 是不可能既增加增益又減少穩(wěn)態(tài)誤差和上升時間的。不幸的是，如果要獲得足夠增益，需要生產(chǎn)超過實際生產(chǎn)能力的大容量加熱器。這是本系統(tǒng)的實際問題，將會致使上升時間不符合要求。這要求學(xué)生們?nèi)绾卫眠@個經(jīng)過仔細計算的簡化模型，在整體性能上達到最佳控制。 型仿真 該設(shè)計的大部分性能和限制功能，應(yīng)該可以使用圖 6 簡化模型來完成。但有一個數(shù)據(jù)對閉環(huán)系統(tǒng)其他方面的影響并非能夠如此簡單的仿真。其中最主要的是： 2量化誤差的模擬和數(shù)模轉(zhuǎn)換， 2測量溫度和使用 制加熱器。 這兩種都是非線性的、時變的。所以唯一切實可行 的方法就是通過仿真（或?qū)嶒灒┘右匝芯俊? 圖 7真閉環(huán)系統(tǒng)框圖顯示了 況下的閉環(huán)系統(tǒng)框圖，其中包括 A/D 轉(zhuǎn)換和使用標準 化飽和塊建立的飽和量化模型。建立制模型比較復(fù)雜，需要一個自定義的 S 函數(shù)來表示。 這種仿真模型已經(jīng)被證明在衡量不同的 本參數(shù)對設(shè)計的影響以及適當參數(shù)的選擇中特別有用。（即時間越長， 制會產(chǎn)生更多溫度誤差。另一方面，時間越長，繼電器抖動機率越小。） 制方法往往很難讓學(xué)生掌握，并且仿真模型允許研究測試運行和明顯的影響。 片機 簡單的閉環(huán)控制、鍵盤輸入和顯示控制是經(jīng)典單片機應(yīng)用技術(shù)，這個設(shè)計項目包含上述三個方面。因此這是一個優(yōu)秀的全面的單片機應(yīng)用練習(xí)。 此外，由于該項目是來源于現(xiàn)實，它不會是一個簡單的輸入輸出設(shè)計就能完成的。相反，這個項目需要制定一個完整的嵌入式應(yīng)用。這需要從大量的單片機型號中選取適當?shù)男酒W(xué)著使用一個相當復(fù)雜的開發(fā)環(huán)境。最后，必須設(shè)計和選取印刷電路板和單片機，以及外接元件。 單片機選擇： 從現(xiàn)有的實際經(jīng)驗來看，經(jīng)常選用 司的單片機。不過，芯片的選擇不應(yīng)該局限于此。研究表明，系統(tǒng)要求符合 工作需求的單片機。這對學(xué)生很困難，因為他們?nèi)狈α己玫慕?jīng)驗與判斷能力，只能通過制造商的產(chǎn)品選擇指南決定單片機的選擇。部分問題是各種外圍設(shè)備（例如，應(yīng)該使用哪種顯示驅(qū)動程序？）連接方法的選擇。 相關(guān)應(yīng)用研究 [2,3,4]中的證明是非常有用的，基本闡述了可實用性的連接方法以及單片機和外圍連接的組合方式。在最終要求的基礎(chǔ)上，選擇 現(xiàn)有 A/D 輸入和 出以及 24個數(shù)字 I/O 線。這樣選擇是有必要的，因為此項目需要一個 A/D 通道、一個 1 個 I/O 引腳（見圖 3）。該 決定為了安全方面，因為選擇一個完整的開發(fā)系統(tǒng)是有必要的，該項目預(yù)算中沒有足夠的資金再次購買元件。 單片機應(yīng)用開發(fā)： 外圍設(shè)備的電路硬件、軟件的開發(fā)、最終調(diào)試、單片機的自定的印刷電路板和外設(shè)都需要某種形式的發(fā)展環(huán)境。 如同單片機本身，一個開發(fā)環(huán)境的選擇是令人困惑并需要一些教師的專業(yè)知識。 級發(fā)展環(huán)境，包括從簡單的評估板（在約 100 美元）到全面的實時在線仿真器（在大約 7500 元）。中間選項被選為本項目的 中包括： 2平臺板（支持所有 6805分）， 2 模擬器模塊（具 體到 B 系列部分）， 2 電纜頭和目標適配器（簡明包裝）。 總體而言，該系統(tǒng)花費為 900 美元，并且在一定局限下，提供了在線仿真能力。它還配備了簡單但足夠的軟件開發(fā)環(huán)境 ]。 學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)使用這類系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。但他們在現(xiàn)實世界的微控制器應(yīng)用獲得的經(jīng)驗大大超過了第一使用典型的簡單評估板的經(jīng)驗。 印刷 一個簡單的（雖然布局絕對不平凡）印刷電路板是這個工程提供的另一個現(xiàn)實學(xué)習(xí)的機會。圖 8 顯示最后的板布局與包輪廓（ 50%實際大?。?。相對簡單的電路使手工安置和路由實踐方面更實際，它有可能提供更好的結(jié)果比 一個這樣的應(yīng)用程的自動性。學(xué)生因此接觸到基本印刷電路布局問題和基本的設(shè)計規(guī)則。本排版軟件使用的是非常漂亮的包裝印刷電路板，板制作是在內(nèi)部電子技術(shù)員的幫助下完成的。 圖 4 單片機印刷版布局 5 結(jié)論 本文的目的是描述一個跨學(xué)科的本科工程設(shè)計項目：一個基于單片機的溫度控制系統(tǒng)，包括設(shè)定點輸入數(shù)字與設(shè)定值 /實際溫度顯示。本文已描述了這樣系統(tǒng)的一個設(shè)計，并且討論了許多來自工程的問題。這些問題的解決通常需要入門課程要求的知識，尤其是在老師的建議和監(jiān)督下，實際上可以促進大學(xué)生發(fā)展。 從教學(xué)方法觀點看， 問題的理想特征包括微控制器和外圍設(shè)備的簡單使用，有效地運用導(dǎo)論水平的物理系統(tǒng)建模和設(shè)計閉環(huán)控制。并需要相對簡單的實驗和模擬（詳細的性能 預(yù)測）。并可取的是一些技術(shù)相關(guān)方面的問題，包括熱敏電阻和溫度傳感器（分別需要知識 脈寬調(diào)制和校準技術(shù)）的實際使用、單片機選擇和開發(fā)系統(tǒng)的使用以及并印制電路設(shè)計。 致 謝 作者想要感謝參與這個項目的學(xué)生， 以及 艱苦工作、奉獻和能力。這個工程的完成歸功于他們。