1、 电子与信息工程学院 综合实验设计报告 课题名称 基于 DSP 的水温控制系统设计 专 业 电子信息工程 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 2011 年 6 月 20 日 目 录 第 1 节 引 言 3 1.1 水温控制系统概述 3 1.2 设计目的 3 1.3 设计任务与要求 3 1.4 系统组成 3 1.5 整体设计思路 4 第 2 节 系统硬件设计 4 2.1 方案设计 4 2.2 元器件选择 5 2.3 单元电路设计 6 2.3.1 温度采集电路 6 2.3.2 温度控制电路 8 2.3.3 LCD 液晶显示模块 9 2.4 主机控制部分 9 2.5 微机控制及图形显示部分 9 第
2、3 节 系统软件设计 10 3.1 系统软件分析 10 3.1.1 系统设计原理 10 3.1.2 软 件系统流程图 10 3.2 软件模块设计 11 第 4 节 运行描述 20 第 5 节 系统调试 20 第 6 节 课程设计总结 20 参考文献 21 第一节 引 言 1.1 水温控制系统概述 本文介绍的是一个以 EL-DSP-EXPII 型教学实验系统为控制核心的水温控制系统，此系统通过人机交互设定控制温度，采用增量型 PID 算法，通过脉宽调制控制电炉加热，最终实现水温的恒定。该系统具有温度超调量小、调节时间短、静态误差小、测量精确、恒定温度与设定温度偏差小等优点，且控制方便、显示直观、
3、性能稳定、可靠性高。 1.2 设计目的 （ 1） 熟悉并掌握硬件设计方面的温度采集技术 （ 2） 熟悉并掌握软件设计方面的 A/D 转换技术 （ 3） 熟悉并掌握软件设计方面的 DSP 液晶显示功能 （ 4） 掌握数字 PID 控制程序 的设计方法 （ 5）掌握监控程序的设计方法 1.3 设计任务与要求 系统的基本任务与要求： （ 1）系统的基本要求： 一定量水由电炉加热 ,要求水温可以在一定范围内由人工预先设定 ,并能在环境 温度降低至低于设定值时自动实现调整 ,以保持设定的温度基本不变。 （ 2）主要性能指标： a.温度设定范围：温度设定为 0 80 ,误差小于 1； b.控制水容器中电加
4、热器件，使水温在 5 分钟内从室温升到 45，并在随后的 5 分 钟内将水温稳定在 45，误差在 2内。 c.用十进制数码显示实际水温； 1.4 系统 组成 本系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。因此，以 DSP 为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。另外， DSP 的使用为实现水温的智能化控制以及提供完善的人机界面及多机通讯接口提供了可能，而这些功能在常规数字逻辑电路中往往是难以实现或无法实现的。根据设计任务的基本要求，本系统应具有以下基本功能： （ 1）可以进行温度
5、设定，并自动调节 水温至给定的温度值。 （ 2）可以调整 PID 控制参数，满足不同控制对象与控制品质要求。 （ 3）可以实时显示给定温度与水温实测值。 1.5 整体设计思路 首先设计由 AD590 和 ADC0804 组成的温度采集电路，利用热敏电阻输出电压值与温度间的函数关系，检测温度的变化；然后将采集到的温度送入 TMS320C5402 中的 A/D 转换模块，将电压转换为数字信号；最后通过编写 LCD 显示函数来控制相应的温度及文字的变化。系统的整体框图如图 1.5.1 所示： 图 1.5.1 系统整体框图 第 2 节 系统硬件设计 2. 1 方案设计 最小系统设计： TMS320C5
6、402 芯片包含 33 个电源引脚，时钟模块，分别有电源复位，复位引脚 /RS，软件复位，非法地址，看门狗定时器溢出，欠电压复位这 6 种信号使 DSP 控制器复位。在设计中采用了由 PCRESET 引脚 PCRESET 电源复位的方式。为了可靠复位，高电平的有效时间至少保持 6 个时钟周期。 DSP 最小系统指的是由 C5402 芯片组成的电源模块，复位电路和晶振电 路组成的无外围设备的系统。最小系统如图 2.1.1： C5402 传感器 数据采集 待测水槽 控制电路 LCD 显示 键盘输入 图 2.1.1 2. 2 元器件选择 （ 1） AD590 芯片（图 2.2.1） 图 2.2.1
7、(2)ADC0804 芯片（图 2.2.2） 图 2.2.2 2. 3 单元电路设计 2.3.1 温度采集电路 系统的温度采集电路主要由温度传感器（ AD590）、基准电压（ 7812）及 A/D转换电路（ ADC0804）三部分组成。电路图如图 2.3.1 所示 图 2.3.1 温度采集电路原理图 （ 1） AD590 性能描述 测量范围在 -50 -+150，满刻度范围误差为0.3，当电源电压在 5 10V 之间，稳定度为 1时，误差只有 0.01 。 AD590为电流型传感器温度每变化 1其电流变化 1uA，在 0和 80时输出电流分别为 273.2uA 和 353.2uA。 （ 2）
8、ADC0804 性能描述 ADC0804 为 8bit 的一路 A/D 转换器，其输入电压范围在 0 5v，转换速度小于 100us，转换精度 0.39。满足系统的要求。 （ 3）电路原理及参数计算 温度采集电路的基本原理是采用电流型温度传感器 AD590将温度的变化量转换成电流量，再将电流量转换成电压量通过 A/D转换器 ADC0804将其转换成数值量交由 DSP芯片处理。如图 2.3.2 所示 图 2.3.2 + 157812-1 5电炉AD590o utR 5 8 1 kR 1 3 0 kR 2 5 kR3 30kR 4 3 0 kUoUiO P 0 7图中三端稳压 7812作为基准电压
9、 Ub,由运放虚短虚断可知运放的反向输入端Ui的电压为零伏。当输出电压为零伏时 (即 Uo=0v) 列出 A点的结点方程如下 : ( 1 2 )U b R R Ic . . (1) 由于系统控制的水温范围为 0 -80 ,所以 当输出电压为零伏时 AD590 的输出电流为 308.2uA,因此为了使 Ui 的电位为零就必须使电流 Ib等于电流 Ic 等于 308.2uA, 三端稳压 7812 的输出电压为 12v所以由方程 (1)得 121 2 3 8 . 9 43 0 8 . 2U b vR R kI c u A . . . (2) 由方程 (2)的取电阻 R2=30k , R1=10k 的
10、电位器。 由方程 (2)的取电阻 R2=30k , R1=10k 的电位器。 又由于 ADC0804 的输入电压范围为 0 5v ，为了提高精度 所以令水温为 95时 ADC0804 的输入电压为 5v（即 Uo=5v）。此时列出 A点的结点方程如下 : ( 5 4 ) ( 1 2 )U o R R U b R R Ic (3) 5 ( 5 4 ) 3 0 8 . 2 3 6 8 . 2v R R u A u A 5 4 8 3 .3 3R R k 当水温为 95时 AD590 的输出电流为 368.2uA。由方程式（ 3）得 R4+R5=83.33k 因此取 R5=81k , R5=5k 的
11、电位器。 2.3.2 温度控制电路 此部分电路主要由光电耦合器 MOC3041 和双向可控硅 BTA12 组成。MOC3041 光电耦合器的耐压值为 400v，它的输出级由过零触发的双向可控硅构成，它控制着主电路双向可控硅的导通和关闭。 100电阻与 0.01uF 电容组成双向可控硅保护电路。控制部分电路图如图 2.3.3。 图 2-2-2 Uc 2 2 0 v1000.01uFBTA12M O C 3 0 4 17 4 L S 0 72 5 0 电炉v c ci n 27图 2.3.3 2.3.3 LCD 液晶显示模块 DSP 需要对读写周期较慢的液晶显示模块进行访问，这样就存在 DSP 与
12、慢速设备之间的输入 /输出时序匹配问题。 直接访问方式是将 DSP 的读写信号线与慢速设备口控制板引出的读写 信号线直接相连，时序由 DSP 内部读写逻辑控制。由于慢速外设的读写周期相对 DSP较慢，要使两者的时序匹配，还必须进行一些时序方面的控制处理，一种处理方法是软件编程等待状态发生器，将外部总线周期扩展到数个机器周期。由于受硬件条件的限制，这种扩展通常也是有限的。 另一种处理方法是利用 DSP 的 READY(外部设备准备就绪 )引脚，通过硬件扩展实现外部状态自动等待，从而使 DSP 与慢速设备之间的时序匹配。虽然可以将总线周期扩展到任意个机器周期，但是需要进行硬件扩展，增加了系统设计的
13、复杂度。间接访问是用 DSP 的数字 I/O 间 接控制慢速设备通过软件控制 DSP 的 I/O 口来实现与慢速设备的时序匹配。此种方式无需硬件扩展即可实现与任意时序慢速设备之间的时序匹配。本设计采用间接访问方式来实现 DSP 与 LCD 之间的时序匹配，即在程序中加入大量延时语句。由于 DSP 为 3.3V 设备，而液晶显示模块属于 +5V 设备，所以在连接控制线、数据线时需要加电平隔离和转换设备。 2.4 主机控制部分 此部分是电路的核心部分，系统的控制采用了 EL-DSP-EXPII 型教学实验系统 。EL-DSP-EXPII 教学实验系统 内部有 64KB 单元的程序存储器及 64KB
14、 的数据 存储器。因此系统不必扩展外部程序存储器和数据存储器这样大大的减少了系统硬件部分。 2.5 微机控制及图形显示部分 为了使系统具有更好的人机交换界面，设在系统设计中我们通过 Visual Basic 语言计了微机控制界面。通过系统与微机的通信大大的提高了系统的各方面性能。其控制界面见图2.5.1 图 2.5.1 微机控制界面 如图 2.5.1 的微机控制界面，具有温度控制及显示的功能。图中左半部分为水温的实测温度和给定温度的数值显示及对主系统的控制界面，右半部分为水温的实测温度的逐点采样及图形显示，通过此界面可以 更直观的显示温度的变化，并且通过对图形的保存能方便的打印出水温的变化曲线。 第三节 系统软件设计 3.1 软件系统分析 （ 1）系统设计原理 首先要初始化 A/D 转换模块，然后等待中断，当产生中断后对采集到的模拟信号进行处理，为了确保转换精度应多次取值求平均，将其转换结果放在结果寄存器的高 12 位上，最后将处理后的温度值送到 LCD 上显示。系统设计原理框图如图 3.1.1： 图 3.1.1 系统设计原理框图 （ 2）软件系统流程图 温度采集电路 A/D 转换模块 LCD 显示模块 TMS320C5402
