1、1 毕业设计开题报告 电气工程及其自动化 新型卫生间暖通主控电路板的设计 一、选题的背景、意义 随着时代的发展和生活水平的提高人们对生活的质量要求也越来越高。新型卫生间暖通设备的应用正是基于此而应运而生的。 温度是一个非常重要的物理量，它与人们的生活密切相关 。 随着科学技术的发展和现代工业技术的需要，几乎在所有的生产过程中都离不开温度的测量和控制。在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，否则就可能影响生产安全、产品质量、产品产量等一系列因素。因此对温度进行检测和控制就变得越来越重要。温度控制电路广泛 应用于社会生活的各个领域如家电、汽车、材料、电力电子等。而单片机具有灵活、控制
2、功能强大、抗干扰能力强等优点，使得它在得到了广泛的应用，而测温仪器中显得尤为重要。单片机在温度控制中的应用使得人们对温度的掌控越来越容易，越来越精确。 新型卫生间暖通设备可以提高人们的生活质量，满足人们对于高质量生活环境的需求，在人们生活中的应用也将越来越广。 二、相关研究的最新成果及动态 控制理论的发展状况 自动控制理论产生于 18世纪中叶英国第一次技术革命， 19世纪科学界和工程界陆续发表了用控制理论来讨论系统稳定性的文章， 19世纪末控制理论中的经典时域分析法得到了总结和发展。随着科学技术的发展，控制理论也不断地发展，控制理论的发展过程大致可以分为三个阶段： 第一阶段为 20世纪 40一
3、 60年代为“经典控制理论”阶段，经典控制理论是比较成熟的控制理论，主要采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频率分析方法解决单2 输入单输出问题。经典控制技术能够很好地解决生产过程中的单输入单输出问题，主要用于线性定常系统，是目前工业过程控制领域中占统治地位的一种控制理论。 第二阶段为 20世纪 60一 70年代为“现代控制理论”时期。在这个时期，计算机和空间技 术迅速发展推动了控制理论的发展。现代控制理论以线性代数和微分方程为主要的数学工具，用状态空间法描述系统的动态过程，可以解决多输入多输出问题。但现代控制理论方法也存着不能解决系统模型的不确定问题的缺点。 第三阶段为 20世纪 70年代
4、末至今为“智能控制理论阶段”， 70年代末，控制理论向着“大系统理论 “和“智能控制 “方向发展， 70年代末，控制理论向着“大系统理论”和“智能控制”的方向发展。“大系统理论 “是用控制和信息的观点来研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。而“智能控制”则 是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有仿人智能的工程控制与信息处理系统。 温度控制技术的发展现状 最近几年 PID 温控 ,模糊控制 ,以及神经网络 ,遗传算法得到了快速的发展，在温度控制中的应用非常广泛。 PID控制 PID 控制即比例、积分、微分控制。自 19世纪 40年代以来
5、 , PID控制广泛应用于工业生产中 ,由于其结构简单、实用、价格低 ,在广泛的过程领域内可以实现满意的控制。温控系统将热电偶实时采集的温度值与设定值比较 ,差值作为 PID 功能块的输入。 PID 算法根据比例、积分、微分系数计 算出合适的输出控制参数 ,利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制 ,使控制过程连续。其缺点是现场 PID 参数整定麻烦 ,被控对象模型参数难以确定 ,外界干扰会使控制漂离最佳状。 神经网络控制 人工神经网络技术是当前主要、也是非常重要的一种人工智能技术 ,是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。它用大量简单的处理单元广泛
6、连接形成各种复杂网络 ,拓扑结构算法各异 ,其中误差反3 向传播算法 (即 BP 算法 ) 应用最为广泛。温度控制系统的负载经常改变及外界干扰因素非常复杂 ,而 PID 控制只 能对电参数的影响做精确的计算 ,对于外界环境的变化只能做估算 ,影响了控制精度。而人工神经网络以其高度的非线映射 ,自组织 ,自学习和联想记忆等功能 ,能够对复杂的非线性系统建模。该方法响应速度快 ,抗干扰能力强 ,算法简单 ,且易于用硬件和软件实现。 模糊控制 所谓模糊控制就是基于模糊逻辑的描述一个过程的一种控制算法 ,主要嵌入操作人员的经验和直觉，它适用于不易取得精确数学模型和数学模型不确定或者经常变化的对象。电力
7、系统的模型通常是不完善的 ,即使模型已知 ,参数也经常变化。 PID控制难以解决非线性和参数的变化 ,模糊控制不需要 装置的精确模型 ,依赖于操作人员的经验和直观判断 ,非常容易应用。模糊温度控制的实现步骤 : (1)将被控对象的偏差和偏差变化率以及输出量划分为不同的模糊值 ,建立模糊规则，将这些模糊规则写成模糊条件语句 ,形成模糊模型。 (2) 根据控制查询表 ,形成模糊算法。 (3) 将温度误差采样的精确量进行模糊化 ,再经过数学处理输入计算机 ,计算机根据模糊规则做出模糊决策 ,求出相应的控制量 ,变成精确量去驱动执行机构 ,调整输入 ,从而对温度的控制。同传统的 PID 控制比较 ,模
8、糊控制具有响应快 ,超调量小 ,参数变化不敏感的优点。 遗传算法 遗传算法是将生物进化过程中适者生存规则与群体内部染色体的随机信息交换机制相结合 ,通过正确的编码机制和适应度函数的选择来操作二进制串 1或 0。将繁殖交叉和变异等方法引用到所求解的问题空间上，进行全局的并行的随机的搜索优化 ,向着全局最优的方向收敛。基于遗传算法温度控制系统就是将从温度传感器得到的温度信号放大 ,数字化再送入单片机 ,单片机将其与给定值比较 ,用遗传算法来优化 PID参数 ,然后输出控制量。在硬件上采用单片机控制，具有调试方便温控精度高 ,抗干扰性强等优点。在软件上采用遗传算法对 PID 参数进行优化控制，具 有
9、很高的稳定度 ,温控精度高。 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、难点及预期达到的目标 4 1.研究内容 利用单片机作为系统的主控制器，测量 卫生间 中的温度反馈信号经 A/D 变换后，送入单片机中进行处理，经过一定的算法后，单片机的输出用来控制 暖通设备 ，从而实现对 卫生间 温度的控制。 2.设计思路、方法 本单片机温度控制系统的 目标 是， 系统要求控制卫生间温度在一定的范围内，可通过按键改变卫生间温度设定值，为了适应于日常的使用，本系统采用 220V 交流电压，通过由四个二级管组成的桥堆镇流，再通过一个大电容，滤除 低次谐波，一个小电容滤除高次谐波，最后通过 7805 和
10、 7812 稳压得到所需要使用的 12v 和 5v 的直流稳压电源。 5v 电源主要为单片机和 8 段位数码管还有使用到的芯片供电，而 12v 电源主要是为继电器等电源供电。为了保证电源的正常供应，在电源部分的最后加了一个LED 灯进行显示电源能否正常的供应。其工作原理是这样的：稳度采样电路对卫生间的温度进行定时采样 ,电压信号输入单片机经单片机内部 A/D 转换后得到相应的数字量去控制暖通设备的启动和停止 ,从而实现对温度的控制。选用 MCS-51 单片机实现。 软件电路的设计 软件包括两个 方面 :一是初始化系统 ;二是数据采集并对采集所得的数据进行处理。这两方面的操作分别在主程序和中断处
11、理服务程序中来进行。 本系统采用外部振荡电路产生一定频率的时钟信号 ,以信号发生器输出的方波信号的周期作为系统的采样周期 ,并同时启动 T0 定时中断。中断服务中启动 A/D 转换器(即 ADC0809),读入采样数据 ,进行数字滤波、报警、 PID 计算 (使用浮点运算 ),然后输出控制脉冲。脉冲宽度由 T1 计数器中断控制 (其初始值由 PID 算法模块输出提供 )。在等待 T1 中断时将本次采样的值转换成对应的温度通过 LED 进行静态显示 (调用显示 子程序 )。从 T1 中断返回后再从 T0 中断返回主程序并继续显示本次采样温度 ,等待下次 T0中断。须注意保证在 T0 再次中断之前
12、 T1 中断服务结束。 抗干扰措施 5 (1)用光电耦合器把各种模拟负载与数字信息源隔离开来 ,也就是把模拟地和数字地断开 ,杜绝强电脉冲通过 I/O 口串入单片机。 (2)阻容滤波网络来除去常态高频干扰 ,同时在程序里还加入数字滤波程序。 (3)A/D 数据采集采取 10 次算术平均 ,有效地防止了误读数。 (4)为提高精度还对热电偶进行冷端温度补偿 ,对变送器进行了零点偏移。 (5)程序模块功能划分明确 ,硬件部件相 对独立工作 ,系统工作时各部分之间相互干扰降到最低程度。 3.设计难点 在硬件设计方面，查找硬件具体型号会比较难软件编程也会遇到一些问题。软件由主程序、时钟中断服务程序、数据
13、采样程序 、 数据滤波程序 、 显示子程序等组成 ,程序采用摸块化的结构 ,这样程序结构清楚 ,易编性和易读性好 ,也便于调试和修改。 4.预期达到目标 (1)、 开题报告 、 文献综述 和外文翻译各一份； (2)、 控制系统的原理图； (3)、 主程序流程图； (4)、 各接口电路图 ； (5)、 毕业论文一篇。 四、论文详细工作进度和安排 1.第一学期第 7-17 周，毕 业设计题目的选择和确定以及开始做外文翻译、文献综述、开题报告 。 2.第一学期第 18 周，完成外文翻译和文献综述、开题报告的初稿工作。 3.假期时进一步修改完善文件综述、开题报告，考虑设计方案、论文框架。 4.第二学期
14、第 1-2 周，完成文件综述、开题报告定稿。 5.第二学期第 3-6 周进行毕业设计，在实习中总结经验为毕业设计做准备。 6.第二学期第 7 周开始正式进行毕业设计，先将查找到的文献进行资料分析，提6 出总体设计方案，然后再进行硬件设计和软件设计。 7.第二学期第 7-13 周完成毕业设计的初稿及修改工作。 8.准备 答辩 五、参考文献 1肖洪兵 . 跟我学用单片机 . 北京：北京航空航天大学出版社 ,2002.8 2 何立民 . 单片机高级教程 第 1 版北京：北京航空航天大学出版社， 2001 3 赵晓安 . MCS-51 单片机原理及应用 . 天津：天津大学出版社， 2001.3 4李广
15、第 单片机基础 第 1 版北京：北京航空航天大学出版社， 1999 5徐惠民、安德宁 单片微型计算机原理接口与应用 第 1 版 北京：北京邮电大学出版社， 1996 6何立民从 Cygnal 80C51F 看 8 位单片机发展之路 单片机与嵌入式系统应用， 2002年，第 5 期： P58 7 夏继强 . 单片机实验与实践教程 . 北京：北京航空航天大学出版社 , 2001 8李伙友 .基于 MCS-51 的温度控制器的设计 J.龙岩学院学报， 2006， 24(6):16-18 9 张国清 ,陈淑坤 . 简单实用的温控电器 J . 仪器与未来 ,1992 (1) 22. 10 吴为民 ,王仁
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