/角度/速度等參數監控系統

分析與設計LOGOContents經驗總結4.設計報告寫作方法3.控制類作品系統設計2.傳感器分析1.傳感器分析

原則競賽中使用的傳感器一般都是通用、廉價的普通傳感器，通過它們把自然界中的一些模擬量反映到電路中加以控制和展示。熱電偶熱電偶的測溫原理基于熱電效應：將兩種不同的導體A和B連成閉合回路，當兩個接點處的溫度不同時，回路中將產生熱電勢EAB(T，T0),熱電勢和被測溫度之間為非線性對應關系，并受參考點溫度影響。熱電偶測溫的特點是測溫范圍寬，測量精度高，性能穩定，結構簡單，且動態響應較好；輸出直接為電信號，可以遠傳，便于集中檢測和自動控制。ATBT0EAB(T，T0)T>T0A>B熱電偶薄膜熱電偶由兩種金屬薄膜連接而成的一種特殊結構的熱電偶

優點：熱容量小，動態響應快，可用于微小面積上溫度測量，或快速變化的物體表面溫度測量

測溫范圍：－200～300℃熱電阻金屬熱電阻(熱電阻)&半導體熱電阻(熱敏電阻）

熱電阻電阻的熱效應:利用金屬電阻隨溫度變化的規律進行測量測溫范圍：-200～850℃材料要求：電阻溫度系數要大：電阻率盡可能大，熱容量要小測量范圍內，應具有穩定的物理和化學性能；電阻與溫度的關系最好接近于線性；應有良好的可加工性，且價格便宜。骨架材料的體膨脹系數要小，機械強度和絕緣性能良好，耐高溫腐蝕（云母、石英、陶瓷、玻璃和塑料等）

T

R熱電阻熱電阻熱敏電阻用金屬氧化物或半導體材料作為電阻體的測溫敏感元件有正溫度系數、負溫度系數、臨界溫度系數三種優點：α值一般為金屬熱電阻的十幾倍，靈敏度高；阻值高，引線電阻可忽略；結構簡單，響應快；價格便宜。缺點：互換性差，穩定性不好。

在精度要求不高或作為溫度開關元件時推薦使用熱電阻溫度計熱敏電阻結構形式IS是溫度的緩變函數，選擇合適的參雜濃度，就可認為在一定的溫度范圍內，IS近似常數，因此,正向壓降U與溫度T的線性關系以上分析的是PN結溫度傳感器的基本原理。半導體溫度檢測技術1.集成溫度傳感器的構成原理集成溫度傳感器的信號輸出方式1）電壓輸出型集成溫度傳感器AD590線性電流輸出：正比于熱力學溫度。寬溫度范圍：-55～+150℃。精度高：激光校準精度到±0.5℃（AD590M）。線性好：滿量程范圍±0.3℃（AD590M）。電源范圍寬：+4～+30V，器件反接也不會被損壞。AD590可串聯工作也可并聯工作，如圖所示。將幾個AD590單元串聯使用時，顯示的是幾個被測溫度中的最低溫度；而將其并聯可獲得被測溫度的平均值。集成溫度傳感器AD590(a)串聯(b)并聯AD590串并聯使用集成溫度傳感器LM35LM35是電壓輸出型集成溫度傳感器，該傳感器有TO—46和TO—92兩種封裝。等效電路及封裝形式數字溫度傳感器DS18B20在傳統的模擬信號遠距離溫度測量系統中，需要很好的解決引線誤差補償問題、多點測量切換誤差問題和放大電路零點漂移誤差問題等技術問題，才能夠達到較高的測量精度。另外一般監控現場的電磁環境都非常惡劣，各種干擾信號較強，模擬溫度信號容易受到干擾而產生測量誤差，影響測量精度。因此，在溫度測量系統中，采用抗干擾能力強的新型數字溫度傳感器是解決這些問題的最有效方案。新型數字溫度傳感器DS18B20在其內部使用了在板專利技術，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內，具有體積小、精度更高、適用電壓更寬、采用一線總線、可輕松地組建傳感器網絡等優點，為測量系統的構建引入全新概念，在實際應用中取得了良好的測溫效果。數字溫度傳感器DS18B20DS18B20的封裝DS18B20的封裝采用TO-92和8-PinSOIC封裝，外形及管腳排列如圖DS18B20引腳定義：GND為電源地。DQ為數字信號輸入/輸出端。VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。NC空引腳。DS18B20內部結構圖如圖所示。主要包括： 寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM、存放中間數據的高速暫存器RAM、非易失性溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器、8位CRC生成器（完成通信時的校驗）等部分數字溫度傳感器DS18B20數字溫度傳感器DS18B203）溫度傳感器

DS18B20中的溫度傳感器可以完成對溫度的測量。DS18B20的溫度測量范圍是-55℃～+125℃,分辨率的默認值是12位。DS18B20溫度采集轉化后得到16位數據，存儲在DS18B20的兩個8位RAM中，高字節的高5位S代表符號位，如果溫度值大于或等于零，符號位為0；溫度值小于零，符號位為1。低字節的第四位是小數部分，中間7位是整數部分。4)內部存儲器

DS18B20溫度傳感器的內部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EEPROM，EEPROM用于存放高溫度和低溫度觸發器TH、TL和配置寄存器的內容。高速暫存存儲器由9個字節組成。5)配置寄存器

暫存器的第五字節是配置寄存器，可以通過相應的寫命令進行配置其內容如下表： 低五位一直都是“1”，TM是測試模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時該位被設置為0，用戶不要去改動。R1和R0用來設置DS18B20的分辨率。數字溫度傳感器DS18B20機械量及其檢測技術機械量的測量范圍包括：尺寸、位移、角度、速度、加速度等，機械量的測量廣泛采用非電量的電測法，如電阻、電容、電感、磁電、壓電、壓磁、光電、霍爾等，此外還有超聲波、CCD、MEMS等。光電碼盤用光電方法把被測角位移轉換成以數字代碼形式表示的電信號的轉換部件。1－光源2－柱面鏡3－碼盤4－狹縫5－元件光電碼盤碼盤和碼制6位二進制碼盤根據碼盤的起始和終止位置就可確定轉角，與轉動的中間過程無關。光電碼盤單盤與多盤編碼器:單盤編碼器:

全部碼道在一個圓盤上，結構簡單，使用方便。但當位數要求增多的情況下，若要求具有很高的分辨力，則制造困難，圓盤直徑也要大。多盤編碼器采用幾個碼盤通過機械傳動裝置連成一起的碼盤組，則可大大提高分辨率，而且可以用來測定轉速。超聲波超聲波脈沖法測距原理：

聲波在其傳播介質中被定義為縱波。當聲波受到尺寸大于其波長的目標物體阻擋時就會發生反射；反射波稱為回聲。假如聲波在介質中傳播的速度是已知的，而且聲波從聲源到達目標往返的時間也是可測的，那么就可以計算出從聲波到目標的距離。這就是本系統的測量原理。這里聲波傳播的介質為空氣，采用不可見的超聲波。假設室溫下聲波在空氣中的傳播速度是335.5m/s，測量得到的聲波從聲源到達目標然后返回聲源的時間是t秒，距離d可以由下列公式計算：d=33550(cm/s)×t(s)因為聲波經過的距離是聲源與目標之間距離的兩倍，聲源與目標之間的距離應該是d/2。

超聲波一般需要對聲速v進行溫度補償聲波在介質中傳播會衰減：氣體最大，液體次之，固體最小。傳播距離。聲波傳播的方向性：頻率越高方向性越好，超聲波可近似認為是直線傳播。聲波從一種介質到另一種介質傳播時的反射：聲阻抗相差越大，反射的越多。垂直入射時：從液體、固體氣體99%的反射系數，聲波幾乎全部被反射。聲速：常溫下，空氣中，334m/s；水中，1440m/s；鋼鐵，5000m/s。聲速不僅與介質有關而且與溫度有關。超聲波VCC(DC5V)

Trig（發射端）Echo（接收端）GND（地）超聲波

測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S))/2單軸傾角傳感器SCA60Cα=arcsin[（Vout-offset）/Sensitivity]

當供電電壓為5V時，α=arcsin（0.5Vout-1.25）控制類作品系統設計一、明確電子系統的設計任務要求二、方案選擇（幾個方案比較，確定最佳方案）三、單元電路的設計、參數計算和器件選擇

1.單元電路設計2.參數計算

3.器件選擇四、計算機輔助設計

1.原理電路圖的繪制2.電子電路的仿真

3.印刷電路板的設計五、電子電路的組裝和調試2010年黑龍江省賽C題1.1題目要求設計并制作一個水溫自動控制系統，控制對象為1L凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在一定范圍內由人工設定，并能在環境溫度降低時實現自動控制，以保持設定的溫度基本不變。1.1.1基本要求（1）溫度設定范圍為40～90℃，最小區分度為1℃，標定溫度≤1℃。（2）環境溫度降低時（例如用電風扇降溫）溫度控制的靜態誤差≤1℃。（3）用十進制數碼管顯示水的實際溫度。1.1.2發揮部分（1）采用適當的控制方法，當設定溫度突變（由40℃提高到60℃）時，減小系統的調節時間和超調量。（2）溫度控制的靜態誤差≤0.2℃。（3）在設定溫度發生突變（由40℃提高到60℃）時，自動打印水溫隨時間變化的曲線。1.1.3說明（1）加熱器用一千瓦電爐。（2）如果采用單片機控制，允許使用已有的單片機最小系統板。（3）數碼顯示部分可以使用數碼顯示模塊。（4）測量水溫時只要求在容器內任意設置一個測量點。（5）在設計報告附一篇400字以內的報告摘要。水溫控制系統關鍵部分確定水溫控制系統是一個過程控制系統，在設計的過程中，必須明確它的組成部分。過程控制系統的組成部分有：控制器、執行器、被控對象和測量變送單元，其框圖如圖所示。由圖可知，在這個系統的設計中，主要設計如圖幾個部分。除此之外，根據題目要求，還要選取合適的控制算法來達到系統參數的要求。對于執行器件、測量變送元件將在部分電路設計中有說明。控制器的確定和控制算法的選擇兩部分是實現本系統控制目的的關鍵。它們選取的好壞將直接影響著整個系統實現效果的優劣，所以這是一項不容怱視的工作。CPU中央處理器方案一：

此方案采用SPCE061A單片機實現。SPCE061A單片機除具有體積小，集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結構簡單、中斷處理能力強等特點外，內置8路ADC，2路DAC。在實現控制系統中，采用SPCE061A為前端采集單元，具有較好的同步性和實時性。且內嵌32K字閃存FLASH，處理速度高，集成開發環境中，配有很多語音播報函數，實現語音播報極為方便。另外，比較方便的是該芯片內置在線仿真、編程接口，可以方便實現在線調試，這大大加快了系統的開發與調試。CPU中央處理器方案二：此方案采用89C51單片機實現，此單片機軟件編程自由度大，可用編程實現各種控制算法和邏輯控制。但在數據采集時必須使用A/D（數/模轉換），且在選擇A/D時需考慮3個方面的內容：一是如何針對系統的需求，選擇合適的A/D器件；二是如何根據所選的A/D器件設計外圍電路與單片機的接口電路；三是編寫控制A/D器件進行數據采集的單片機程序，這些大大加大了工作量。若要增加語音播報功能，還需要外接語音芯片及接口，加繁了外圍電路設備，大大增加了軟件實現難度。此外51單片機內部無在線仿真、編程接口，就需要用仿真器來實現軟硬件調試，較為繁瑣。

CPU中央處理器將兩個方案一比較便可得出一個結論，采用凌陽單片機來實現本題目，不管是從結構上，還是從工作量上都占有很大的優勢，所以最后決定用SPCE061A作為該控制系統的核心。常用溫度控制系統分析⑴常規PIDPID在溫度控制中已使用數十年，是一種成熟的技術，它具有結構簡單、易于理解和實現，且一些高級控制都是以PID為基礎改進的。在工業過程控制中90%以上的控制系統回路具有PID結構，在目前的溫度控制領域應用十分廣泛，即使在科技發達的日本，PID在其溫度控制應用中仍然占80%的比例。其主要構成如圖。由圖可知PID調節器是一種線性調節器，這種調節器是將設定值w與實際輸出值y進行比較構成偏差并將其比例、積分、微分通過線性組合構成控制量。其動態方程為：其中---為調節器的比例放大系數---為積分時間常數---為微分時間常數PID調節器的離散化表達式為其增量表達形式為其中T為采樣周期。可見溫度PID調節器有三個可設定參數，即比例放大系數、積分時間常數、微分時間常數。比例調節的作用是使調節過程趨于穩定，但會產生穩態誤差;積分作用可消除被調量的穩態誤差，但可能會使系統振蕩甚至使系統不穩定；微分作用能有效的減小動態偏差。在實際使用中,在滿足生產過程需要的前提下,應盡量選擇簡單的調節器,這樣,既節省投資,又便于維護.常規PID控制調節器是一種應用廣泛技術成熟的控制方法，它能滿足一般工業控制的要求，其優點是原理簡單、使用方便、適應性廣。采用PID控制，控制效果的好壞很大程度上取決于PID三個控制參數的確定。對一個控制系統而言，只要參數選擇適當,都能取得較好的控制效果。⑵自動控制方式

為了實現溫度的自動控制，必須要組成一定的系統結構。如圖，該控制系統是把輸出量檢測出來，經過物理量的轉換，再反饋到輸入端去與給定量進行比較（綜合），并利用控制器形成的控制信號通過執行機構SSR對控制對象進行控制，抑制內部或外部擾動對輸出量的影響，減小輸出量的誤差，達到控制目的。在此控制系統中單片機就相當于常規控制系統中的運算器控制器，它對過程變量的實測值和設定位之間的誤差信號進行運算然后給出控制信息。單片機的運算規則稱為控制法則或控制算法。常用的控制算法有以下幾種①經典的比例積分微分控制算法。②根據動態系統的優化理論得到的自適應控制和最優控制方法。③根據模糊集合理論得到模糊控制算法。自適應控制、最優控制方法以及模糊控制算法是建立在精確的數學模型基礎上的，在實時過程控制中，由于控制對象的精確數學模型難于建立，系統參數經常發生變化，運用控制理論進行綜合分析要花很大代價，主要是時間。同時由于所得到的數學模型過于復雜難于實現。在實時控制系統中要求信號的控制信號的給出要及時，所以在目前的過程控制系統中較少采用自適應控制、最優控制方法和模糊控制算法。目前在過程控制中應用較多的還是PI控制算法、PD控制算法和PID控制算法。系統硬件設計總體設計框圖及說明本系統是一個簡單的單回路控制系統。為了實現溫度的自動測量和控制，本系統采用了SPCE061A單片機作為系統的控制中心，由數據采集模塊檢測到的溫度信號傳入單片機，并根據接收到的數據進行處理和控制運算，同時將數據保存，以便與下一次采樣值進行比較，通過軟件對所測電壓進行數字非線性校正，同時由顯示器進行實時顯示。根據系統程序控制，進行PID運算以及輸出控制，最終由CPU控制加熱回路SSR的通斷，達到調功的目的。系統還提供了鍵盤設定模塊及打印機接口，便于用戶與系統之間的對話。系統的硬件結構較簡單，由若干個功能模塊組成。系統硬件設計鍵盤設定：用于溫度設定，共三個按鍵。數據采樣：將由傳感器及相關電路采集到的溫度轉為電壓信號，送入SPCE061A相應接口中，經AD轉換后，換算成溫度值，用于播報和顯示。數據顯示：采用了共陰極數碼管LED5641A進行顯示設置溫度與測量溫度。串行口傳輸：將采樣溫度值，上傳至PC機，以利用PC的圖形處理功能來描繪曲線并打印。繼電器/熱電爐：通過三極管控制繼電器的開關來完成對熱電爐的功率控制。語音播放：語音播放水溫設置溫度，并播報整數溫度變化。軟件編程

其程序結構應包括：主控程序模塊、鍵盤掃描及處理子程序、采樣數據處理子程序、PID算法子程序、語音播報及顯示等子程序幾個部分。結構框圖如圖。主程序鍵值處理A/D轉換數據采樣的中斷程序控制程序中斷程序設計報告寫作方法

設計報告寫作是對學生寫科學論文和科研總結報告的能力訓練。通過寫報告，不僅把設計、組裝、調試的內容全面總結，而且把實踐內容上升到理論高度。設計總結報告的評分標準項目內容滿分評分方案設計與論證（14分）方案比較4正確性6優良性4理論計算（14分）完成程度8正確性6電路圖及設計文件（6分）完整性4規范程度2測試方法與數據（9分）方法正確性4數據完整性4測試儀器（型號）1結果分析（4分）4設計報告的工整性（3分）3總分50設計總結報告的基本要求項目要求注意1題目名稱題目與競賽試題一致不能有學校等標志2目錄章節排列要有縮進3摘要300字中文摘要，關鍵詞，英文摘要1章、2章2.14引言介紹設計任務與要求5方案設計與論證多個方案比較/論證6原理分析與硬件電路圖硬件電路設計，參數計算并確定7軟件設計詳細介紹程序流程圖，實現功能等8系統測試與誤差分析系統性能指標或功能，測試方法等9結論測試結果和數據分析，對作品評價10參考文獻11附件元器件明細表、儀器設備清單、電路圖、程序清單、系統使用說明等引言介紹本設計做什么？What?為什么做？Why?采用什么方法作？Howto?說明意義和主要主要方法和工具，言簡意賅。方案設計與論證總體方案描述。建議用框圖形式，并輔以文字說明。子系統劃分；列出關鍵技術；針對子系統、和關鍵技術論證方案的選擇。論證的對比點：性能（精度、穩定性、抗干擾性）、復雜度、成本。最終選擇的方案，應該是個折衷，要有理由，要能自圓其說。原理分析與硬件電路圖和上一部分選擇的方案要對應；具體分析各個模塊的工作原理；給出原理圖；根據設計指標，計算原理圖中器件參數。軟件設計軟件的功能描述；軟件的模塊劃分；軟件系統流程圖（整個系統）；關鍵模塊的流程圖及說明；（需要重點注意中斷、主程序之間的關系）系統測試與誤差分析測試環境測試儀器測試方法測試數據誤差分析結論功能總結：是否完成了基本功能和發揮功能；還有什么特色。性能總結：結合測試結果，給出最終性能指標。不足總結。摘要300字左右濃縮全文，突出特色。設計了什么，有什么功能，達到了什么指標。有什么特色。簡練、準確。不要把引言和結論的內容直接拷貝。不要介紹常識的內容；一般不要對論文內容作詮釋和評論盡量用第三人稱，不必使用“作者、我們、筆者等字樣作為主語；英文多用被動句。縮略語代號，除了相鄰專業讀者也能清楚理解的以外，在首次出現時必須加以說明。論文寫作工具Office2003文檔Visio2003流程圖Protel99SE原理圖MathType5.2公式經驗總結賽題分析1.即明確所要設計系統的功能、性能、技術指標及要求、注意事項等，推薦盡量把任務書的基本部分和發揮部分一起來考慮。2.

明確所要測量或實現參數的物理意義。3.

明確所實現參數的值或精度范圍的理論計算方法、實際測量的方法（包括測量值的有效數字位數、次數的確定）及測量儀器類型，以便使指標與測量結果進行比較，來表明所完成任務的優劣度。方案論證與比較總的原則:使用實驗室條件允許的、自己熟悉、易于實現、硬件調試少、測試效果好、穩定性高的方法和手段來實現設計。

盡量選取自己曾經使用過的器件，因為有些器件