1、控制科学与工程综合技术实验项目设计说明书项 目： 光源照度控制系统姓 名： 张伟刚学 号： 0908110678西安理工大学信息与控制工程系2010 年 8 月 18 日1目 录1 概述 .22 总体设计 .22.1 系统功能 .22.2 系统构成 .22.3 元器件选型及分析 .32.3.1 STC12C5A16S2 单片机简介 .32.3.2 照度检测（3DU5C ） .32.3.3 可控光源 .32.3.4 人机界面（VC+6.0） .42.4 系统核心处理策略 .42.4.1 光照强度的测量与控制 .42.4.2 可控光源 .42.4.3 控制算法 .43、详细设计 .43.1 硬件设
2、计 .43.1.1 功能划分 .53.1.2 照度检测模块 .53.1.3 可控光源模块 .63.2 软件设计 .73.2.1 主程序流程 .73.2.2 PID 控制算法 .83.2.3 上位机通讯 .94、测试与调试 .104.1 测试 .104.2 调试 .115、结论与展望 .1321 概述本实验是光源照度控制系统，是利用照度传感器检测环境亮度的变化，采用相应的控制算法，来调节可控光源的亮度，以确保控制对象表面照度恒定。2 总体设计2.1 系统功能利用光敏三极管检测光源照度的强弱，传感器将检测数据传送给控制核心单片机，根据处理结果去控制光源的亮度，使光源照度保持到设定的范围，确保表面照
3、度恒定。如下图所示，为光源照度控制系统原理框图：图 1 光源照度控制系统原理框图2.2 系统构成该系统主要由四部分组成：传感器检测部分、控制部分、LED 光源部分及上位机通讯部分。单片机照度检测模块 驱动上位机通讯 LED 光源32.3 元器件选型及分析单片机(STC12C5A16S2)照度检测(光敏三极管 3DU5C)可控光源(普通白光 LED 3.5V/1W) 2.3.1 STC12C5A16S2 单片机简介本设计采用 STC12C5A16S2 型号单片机，指令代码完全兼容传统的 8051型单片机，内部集成专用的复位电路和看门狗电路，保证系统的正常运行。相对高速的数据处理能力完全可以胜任对
4、输入信号的处理，并执行相应的程序，通用的 36/40 个 I/O 端口，连接电源、电机、光敏三极管等外围设备。 2 个 16位定时器/计数器，与传统的 8051 单片机相同，另外 2 路 PCA 模块可再实现 2个定时器/计数器，可完成对外部信号的计数和定时功能。 8 路 10 位精度的ADC，转换速度可达 25 万次/s。2 路 PWM 用来调制不同的脉冲。7 路外部中断 I/O 口。2.3.2 照度检测（3DU5C ）光 照 强 度 (照 度 ) 是 物 体 被 照 明 的 程 度 ， 也 即 物 体 表 面 所 得 到 的 光 通 量与 被 照 面 积 之 比 ， 单 位 是 Ix(l
5、勒 克 斯 是 l 流 明 的 光 通 量 均 匀 照 射 在 l 平 方 米面 积 上 所 产 生 的 照 度 ), 夏 季 在 阳 光 直 接 照 射 下 ， 光 照 强 度 可 达 6 万 10万 lx， 没 有 太 阳 的 室 外 0.1 万 1 万 lx， 夏 天 明 朗 的 室 内 100 5501x， 夜间 满 月 下 为 0.21x。本 实 验 的 可 控 照 度 范 围 为 01 万 lx。 用光敏三极管作照度检测：光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。因此，也可实现光强度的转化。42.3.3 可控光
6、源本实验要实现多个 LED 组光源的亮度控制，才能较明显地观察到可控光源的效果。采用三极管控制（9013）作为 LED 的驱动，成本低，控制方便。2.3.4 人机界面（VC+6.0）基于 VC6.0 的人机交互界面，通过串口通讯，可以照度值的设定和实时照度值的显示。2.4 系统核心处理策略2.4.1 光照强度的测量与控制通过照度传感器对表面照度进行检测，采用单片机内部 AD 口进行采样。当表面照度小于照度设定值时，控制光源亮度增大；当表面照度大于照度设定值时，控制光源亮度减小。2.4.2 可控光源用 PWM 控制 LED 光源，本实验的实现步骤是先实现单个 LED 的亮度控制，再通过三极管实现
7、多个 LED 的亮度控制，以达到实验要求的照度可调。2.4.3 控制算法本系统采用基本的 PID 算法实现控制。PID 控制算法结构简单，易于理解和掌握，对大多数被控对象有较好的控制效果，需要被控对象精确的数学模型。53、详细设计3.1 硬件设计本设计是基于 STC12C5A16S2 单片机的最小系统板设计的，以下只列出其余的电路设计。3.1.1 功能划分如下图所示为系统硬件框图：图 2 光源照度控制系统硬件框图3.1.2 照度检测模块采用光敏三极管检测光照强度，使用单片机的 P1.0AD 口实现 AD 转换，将模拟量转换为数字量。具体应用电路如下：STC 单片机电源照度检测可控光源串口通信人
8、机界面6图 3 光源照度检测电路图3.1.3 可控光源模块单片机输出两路 PWM，利用三极管（9013）的开关特性，实现 LED 亮度控制。具体应用电路如下：图 4 可控光源电路图73.2 软件设计3.2.1 主程序流程如下图所示，是主程序的软件流程图：图 5 主程序流程图YN初始化串口中断开始初始化 AD初始化 PWM初始化 PIDYN串口发送？ 发送照度值串口接收？ 接收设定值PID 控制获取照度值设置 PWM 输出83.2.2 PID 控制算法PID 控制算法结构简单，易于理解和掌握，对大多数被控对象有较好的控制效果，需要被控对象精确的数学模型。PID 控制算法是最佳的控制调节，它是由
9、P 调节的比例增益和抑制超调量的 D 调节,以及消除稳定偏差的 I 调节来决定的调节。基本的 PID 控制算法有增量式与位置式。本系统采用增量式 PID 控制算法。PID 的微分方程：输入为误差信号 e(t)，输出为控制量 u(t)，如下式所示：00()()()1/()tidetutKetTeu（1）其中：u(t)：控制量e(t)：误差信号K：比例系数：积分时间常数iT：微分时间常数d：控制量的基准（误差 e=0 时的控制量）0u如下是增量式数字 PID（当采样周期足够小时）：100()idiijiTKeeu（2）11 1200()idiijiiiueeuT （3）由式（2）和式（3）得增量式 PID 控制算法，如下：1112()diiiiiiiTuKee为了编程实现增量式 PID 控制算法，将上式转化为：9012iiiiudede（4）其中： 0()diTK12dd2T增量式 PID 算法流程如下：图 6 PID 算法流程图NYYN偏差= 设定照度-实时照度控制增量 012iiiiude为下一时间做准备ei-1=ei， ei-2=ei-1返回控制增量PID 开始255?iu控制量置最大 =255iu0?iu控制量置最小 =0iu
