基于达林算法的婴儿培养箱温度控制系统设计课程设计论文

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 辽 宁 工 业 大 学 计算机控制技术 课程设计（论文） 题目： 基于达林算法的婴儿培养箱温度控制系统设计 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字） 起止时间： 课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号 学生姓名 专业班级 课程设计题目 基于达林算法的婴儿培养箱温度控制系统设计 课程设计（论文）任务 课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数 实现功能 婴儿培养箱是对新生儿培养、护理及治疗的一种医疗设备，可为早产儿、体重偏低、病危儿等发育不良新生儿创造一个温湿度适宜的环境，本设计采用单片机作为控制器，设计相应的输入输出通道，控制算法采用达林算法，对培养箱的温度加以控制，能达到期望的质量，两位LED显示温度值。 设计任务及要求 1、确定系统设计，包括单片机的选择，输入输出通道，键盘显示电路； 2、建立被控对象的数学模型； 3、设计PID算法的程序流程图，给出程序清单； 4、仿真研究，验证设计结果； 5、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。 技术参数 1、培养箱温度控制范围 30℃~38℃ 极限温度小于39℃ 2、空气温度检测温度精度 5% 3、婴儿皮肤检测温度精度1% 进度 1、 布置任务，查阅资料，确定系统方案（1天） 2、 系统功能分析（1天） 3、 系统建模（1天） 4、 算法推导，程序设计（2天） 5、 仿真分析与研究（2天） 6、 撰写、打印设计说明书（2天） 7、 答辩（1天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 摘 要 婴儿培养箱主要应用于早产儿、低体重儿、病危儿或发育不良的新生儿的临床医疗。在儿科的医疗护理中占有重要地位，是医院不可或缺的医疗器械。由于此类婴儿的特殊性，所以婴儿培养箱对控制精度、稳定性能和安全性都有较高要求。传统的PID算法是最为广泛的一种基本控制规律，具有稳定性高、鲁棒性好等优点。但其对时变非线性系统来说控制就难以达到很好的效果。 本设计采用达林算法对婴儿培养箱的温度加以控制，大林算法是运用于自动控制领域中的一种算法，设计的算法使闭环系统的特性具有时间滞后的一阶惯性环节，且滞后时间与被控对象的滞后时间相同。此算法具有消除余差、对纯滞后有补偿作用等特点。适用于温度，湿度，这种纯滞后的检测量控制。 关键词：达林算法；婴儿培养箱；温湿度检测；PID 目 录 1第1章 绪论 2第2章 课程设计的方案 22.1 概述 22.2 系统结构框图 32.3 单片机选型 32.4 温湿度传感器选型 4第3章 硬件设计 43.1 单片机最小系统 43.2 温度检测电路 53.3 A/D转换电路 53.4 湿度传感器电路 63.5 显示电路 73.6 电源电路 73.7 键盘模块 9第4章 软件设计 94.1 控制系统软件设计 104.2 基于达林算法的婴儿培养箱温度控制系统设计 124.3 控制过程 13第5章 系统测试与分析/实验数据及分析 14第6章 课程设计总结 15参考文献 第1章 绪论 随着微电子技术和微型计算机的迅猛发展，微机测量和控制技术以其逻辑简单、控制灵活、使用方便及性能价格比高的优点得到了迅猛发展和广泛应用。尤其是许多智能仪表和测控系统中引入电脑控制技术后，使传统仪器、仪表设备发生了根本变化，为工业生产的自动化、智能化奠定了坚实的技术基础。  本课题对婴儿培养箱的控制是要很好的把温度，湿度稳定在某个值或某个区间，并采用达林算法对培养箱温湿度进行控制。通过对婴儿培养箱的温度进行实时精确测量、自动检测和控制，有效的提高了控制系统的实时性和控制精度，大大改善了婴儿培养箱温度控制的自动化程度，具有高的实用价。  为婴儿提供稳定的生存环境是婴儿培养箱的主要作用，其中温度是极为重要的参数之一。为了保证婴儿的正常生理活动需要，提高婴儿存活率，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对温度进行测、显示、控制，使之达到工艺标准，以单片机为核心设计的箱温控制系统，可以同时采集多个数据，并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制。那么无论是哪种控制，我们都希望温度控制系统能够有很高的精确度，帮助我们实现我们想要的控制，解决身边的问题。  在计算机没有发明之前，这些控制都是我们难以想象的。而当今，随着电 子行业的迅猛发展，计算机技术和传感器技术的不断改进，而且计算机和传感器的价格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技术来实现温度控制并提高控制的精确度不仅是可以达到的而且是容易实现的。 利用计算机控制技术来实现婴儿培养箱的温度和湿度精确控制，可以大大提高婴儿成活率，提高婴儿培养箱的使用价值。 第2章 课程设计的方案 2.1 概述 本课程设计设计的婴儿培养箱应当具有检测温度，检测湿度，控制箱内温湿度，实时显示，修改的功能。针对以上要求，进行如下方案的选择。 2.2 系统结构框图 婴儿培养箱温度控制实现过程是:首先温度传感器将加热炉的温度传回单片机，然后89C51芯片将给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过最小无纹波算法运算处理后，传给温度控制系统，判断加热器材输出端导通与否从而使加热炉开始加热或停止加热。既加热炉温度控制得到实现。其中单片机的89C51系统为婴儿培养箱温度控制系统的核心部分起重要作用。如图2.1系统结构框图 图2.1系统结构框图 2.3 单片机选型 本设计采集模拟的温度信号，键盘输入，显示输出，根据输入输出数量以及控制要求，在硬件部分选择了单片机的AT89C51芯片为核心控制部分，其硬件功能可以满足本课程设计对系统的要求。 2.4 温湿度传感器选型 方案一：选用DHT11作为温湿度检测模块。DHT11是一款数字输出的复合传感器，包含一个电阻式感湿元件和NTC式温度检测元件，可测20~90%RH湿度，误差5%RH，0~50摄氏度，误差2摄氏度。 方案二：选用LM35温度传感器和HS1101湿度传感器。LM35输出电压与摄氏温标呈线性关系，不需要额外的校准处理即可达到 ±1/4℃的准确率，输出可为电压或者电流信号。测量范围在0℃ 到 100℃。 HS1101是电容式湿度传感器，可测相对湿度范围在0%~100%RH，误差为-\+2%RH，可以与555定时器构振荡电路输出与湿度对应的脉冲信号。 由上述数据可知，方案一的集成温湿度传感器输出数字信号，且传感器的误差较大，而方案二的分立温度传感器输出模拟信号，适宜温室内的远距离传输，精度较高，并且湿度传感器的输出脉冲信号抗干扰能力强。 第3章 硬件设计 3.1 单片机最小系统 本系统设计的单片机采用89C1系列芯片，采用24MHZ或更高频率晶振，以获得较高的刷新频率，时期显示更稳定。在芯片中，P1口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5～P1.7口则用来发送控制信号。P0口和P2口空着，在有必要的时候可以扩展系统的ROM和RAM。如图3.1单片机最小系统电路 图3.1单片机最小系统电路 3.2 温度检测电路 本设计选用LM35为温度传感器，LM35温度传感器输出电压与摄氏温标的线性度好，而且输出模拟量信号适合远距离传输，LM35输出与温度值对应的电压信号经放大10倍后变为标准信号送往A/D转换电路，温度检测电路如图3.2温度检测电路所示。 图3.2 温度检测电路 3.3 A/D转换电路 LM35输出的电压信号要转换为对应的数字信号才可被单片机接收，本设计选取ADC0809作为A/D转换器即可满足要求，由于ADC0809的时钟信号为500KHZ，故将单片机的ALE端接四分频器后给转换器作为时钟。A/D转换电路如图3.3 A/D转换电路 所示。 图3.3 A/D转换电路 3.4 湿度传感器电路 本设计的湿度检测电路由555多谐振荡器来实现，HS1101作为电容变量接在555芯片的2、5脚之间，引脚7用作电阻R2的短路，等量电容HS1101通过R3、R4充电到门限电压（约0.67V），通过R5放电到触发电平，然后R4通过7短路到地，传感器由不同的电阻R3、R4充放电，进行工作循环,形成方波。其周期计算如3-1，3-2： T充电=C*（R3+R4）*ln2 （3-1） T放电=C*R4*In2；（3-2） 由此可知输出方波频率如公式3-3 f =1/（T充电+ T放电）=1/[C*（R3+2R4）*ln2] （3-3） HS1101传感器的电容值与温室湿度成线性关系，可见空气湿度通过555测量振荡电路后，就转变为与之呈反比例的频率信号，后将频率信号送单片机的计数器即可计算出湿度值。湿度检测电路如图3.4湿度显示电路 所示。 图3.4 湿度检测电路 3.5 显示电路 由于智能节点的需要实时显示室内的温湿度值和报警信息，数据较为复杂，故选择LCD1602液晶显示器，可以显示16×2 个字符，具有显示质量高、数字式接口 、体积小、重量轻 、功耗低等优点，可以满足设计的要求。显示电路如下图3.5现实电路所示。 图3.5 显示电路 3.6 电源电路 由于单片机最小系统、温湿度传感器、A/D转换器和CAN驱动发送模块都需要供电，而且电压不同，故将220V电经变压、滤波后，经稳压器LM7812输出12V电压给放大器供电，后经LM7805输出VCC电压给单片机、温湿度传感器和总线控制器供电，而光电耦合电路要实现与CAN总线电气隔离，故将LM7805后接B0505S-1W进行电源隔离VCC1给耦合器和收发器供电。电源电路如图3.7电源电路图 所示。 图3.7 电源电路 3.7 键盘模块 单片机组成的小系统中，有的需要人机交互功能，按键是最常见的输入方式。最常见的按键电路大致有两种：一对一的直接连接和动态扫描的矩阵式连接。 一对一的直接连接就是一个按键直接对应一个CPU的输入口，这样的电路简单直接，一个按键独占一个端口，在按键数量较少端口数量富裕时可以直接使用。 但很多场合需要的按键数比较多，必须使用矩阵式的按键连接。矩阵 HYPERLINK "http://baike.baidu.com/view/7402.htm"键盘是单片机外部设备中所使用的排布类似于矩阵的键盘组，在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。使用矩阵式的按键连接可以大大的节约I/O 接口的占用，如图3.8按键电路图 图3.8按键电路图 第4章 软件设计 4.1 控制系统软件设计 控制系统的软件主要包括：温度的采样和处理、控制计算、控制输出、中断、显示、调节参数修改、温度设定及修改。其中控制算法采用最小拍无纹波控制算法，以达到更好的控制效果。 考虑到电加热炉是一个非线性、时变和分布参数系统，所以本文采用一种新型的智能控制算法。它充分吸取数学和自动控制理论成果，与定性知识相结合，做到取长补短，在实时控制中取得较好的成果。其中，系统的软件流程图如图4.1系统流程图 图4.1系统流程图 4.2 基于达林算法的婴儿培养箱温度控制系统设计 达林算法中D(z)的基本形式 设被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节或二阶惯性环节，其传递函数分别为： （4-1） （4-2） 其中为被控对象的时间常数，为被控对象的纯延迟时间，为了简化，设其为采样周期的整数倍，即N为正整数。 由于大林算法的设计目标是使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，即 ，其中 由于一般控制对象均与一个零阶保持器相串联，所以相应的整个闭环系统的脉冲传递函数是 （4-3） 于是数字控制器的脉冲传递函数为 （4-4） D(z)可由计算机程序实现。由上式可知，它与被控对象有关。下面分别对一阶或二阶纯滞后环节进行讨论。 一阶惯性环节的大林算法的D(z)基本形式 当被控对象是带有纯滞后的一阶惯性环节时，由式（4-1）的传递函数可知，其脉冲传递函数为 ： 将此式代入（2-4），可得 （4-5） 式中：T——采样周期： ———被控对象的时间常数； ———闭环系统的时间常数。 二阶惯性环节达林算法的D(z)基本形式 当被控对象为带有纯滞后的二阶惯性环节时，由式（4-1）的传递函数可知，其脉冲传递函数为 其中， 将式G(z)代入式（2-3）即可求出数字控制器的模型： （4-6） 由此，我们可以设计出控制器的传递函数，利用MATLAB工具在SIMULINK里画出整个控制系统，给定一个阶跃信号就可得到整个控制系统的响应曲线。 4.3 控制过程 控制过程：手动输入一个温度设定值，需要调用键盘扫描子程序，再由传感器检测现场的温度值，调用A/D转换子程序，将模拟信号转换为数字信号送单片机处理，调用温度控制子程序来实现温度控制，调用显示子程序将处理后的结果送LCD显示。在使用键盘时，要考虑键盘的去抖问题，消抖处理有硬件和软件两种方法：硬件消抖是利用加抖动电路滤避免产生抖动信号；软件消抖是利用数字滤波技术来消除抖动。我们采用软件的方法，利用主程序循环扫描，主程序每循环一次扫描到的键值相同时，则说明是某键按下。如图4.2系统控制过程图 图4.2系统控制过程图 第5章 系统测试与分析/实验数据及分析 对设定传递函数进行基于达林算法系统仿真。如图5.1系统仿真图 图5.1系统仿真图 该系统数学模型的参数用单位阶跃响应曲线法求取，为了方便运算取整可得，设给定的温度为100摄氏度，采用达林控制算法其simulink仿真图如5-1所示。选用PI控制器对该系统进行控制，并整定其参数，得到仿真图形如5-2所示。从图形中可以看出对于大滞后系统采用达林算法能使系统稳态无静差，超调为零，调解时间也很小，控制效果很好。而采用普通PID控制虽然超调量仅为10%，但调解时间很长，不利于控制。 第6章 课程设计总结 婴儿培养箱是对新生儿培养、护理及治疗的一种医疗设备，可为早产儿、体重偏低、病危儿等发育不良新生儿创造一个温湿度适宜的环境，本设计采用单片机作为控制器，设计相应的输入输出通道，控制算法采用达林算法，对培养箱的温度加以控制，能达到期望的质量标准，两位LED显示温度值。 本课程设计通过单片机，利用温度湿度传感器采集的数据信息，经过单片机的大林算法运算，控制输出，从而达到了基本恒定的温度控制输出需求，满足了婴儿的正常生理需要。并且符合课程设计的要求。 参考文献 [1] 梅丽凤.单片机原理及接口技术，北京：清华大学出版社，2004：19-48，81-93 [2] 周继明.江世明. 传感技术与应用[M]，长沙：中南大学出版社，2005：45-56 [3] 张毅刚.单片机原理及应用，北京：高等教育出版社，2003：126-135 [4] 顾兴源.计算机控制系统，北京：冶金工业出版社, 1981：25-40 [5] 张连华.单片机应用系统设计方法，北京： 科学之友, 2010, 07 ：27-28 [6] 楼然苗.51 系列单片机设计实例，北京：北京航空航天出版社， 2003.3-35 [7] 李生明.单片机LED显示接口技术，长江职工大学学报，2003，(4)：18-24 [8] 袁强.基于单片机89C51和89C2051点阵LED图文显示，工程地质计算机应用 2006，(4)：5-55 [9] 刘昆山.如何快速入门单片机，电子制作, 2010, (01)：64-66 [10] 刘昆山.用单片机控制一个LED，电子制作, 2010, (02) ：58-61 [11] 俞荣.赵子真.单片机自动控制应用系统的设计探讨,机械管理开发, 2010, (01): 201-204 [12] 何立民.我国单片机技术的应用与发展， 电子报, 2001,(09):01-07 [13] 袁龙..MCS-51系列单片机指令快速记忆法， 电子报, 2005,（011）:5-15 � EMBED Visio.Drawing.15 ���