光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)【獨(dú)家畢業(yè)課程設(shè)計(jì)帶任務(wù)書+開(kāi)題報(bào)告+外文翻譯】

光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)【獨(dú)家畢業(yè)課程設(shè)計(jì)帶任務(wù)書+開(kāi)題報(bào)告+外文翻譯】,發(fā)電,系統(tǒng),監(jiān)控,裝置,設(shè)計(jì),獨(dú)家,畢業(yè),課程設(shè)計(jì),任務(wù)書,開(kāi)題,報(bào)告,講演,呈文,外文,翻譯 單片機(jī)溫度控制： 一個(gè)跨學(xué)科的本科生工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目 要： 本文的主要內(nèi)容是作者和四個(gè)大學(xué)高年級(jí)學(xué)生組成的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的一個(gè)跨學(xué)科工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)氣室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的要求是：當(dāng)實(shí)際氣室的溫度階躍響應(yīng)時(shí)，規(guī)定范圍內(nèi)的溫度進(jìn)入氣室后，穩(wěn)定時(shí)的溫度誤差和超調(diào)量必須少于一個(gè)絕對(duì)溫度。本組學(xué)生開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)是基于列單片機(jī)。該問(wèn)題的教學(xué)價(jià)值也通過(guò)某些步驟的關(guān)鍵描述在本文說(shuō)明。本章顯示，解決該方案需要具有廣泛的工程學(xué)科知識(shí)，包括相關(guān)電子、機(jī)械和控制系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)。 1 引言 該設(shè)計(jì)項(xiàng)目來(lái)自一個(gè)實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，一個(gè)關(guān)于顯微鏡載玻片干燥劑溫控器 —— 歐米哥 度控制器，而這個(gè)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是研發(fā)一個(gè)自定義的通用溫度控制系統(tǒng)取代歐米哥系統(tǒng)、一個(gè)以更低的成本實(shí)現(xiàn)相同功能的自定義控制器，就像歐米哥系統(tǒng)一樣，并不需要能夠全方位的處理各種問(wèn)題。 該載玻片干燥機(jī)的機(jī)械布局如圖 1 所示。干燥機(jī)的主體是一個(gè)足夠大的 絕緣充氣室，里面依次存放著薄紙包著的石蠟。為了使石蠟保持適當(dāng)穩(wěn)定性，載玻片氣室的溫度必須維持穩(wěn)定。第二個(gè)氣筒（電子圍繞元件）設(shè)有一個(gè)電阻加熱器、一個(gè)溫度控制器以及一個(gè)安裝在干燥機(jī)上的風(fēng)扇，是為了把風(fēng)吹過(guò)加熱器，把熱量帶到載玻片氣室。 圖 1玻片干燥機(jī)的機(jī)械布局 自 1996年來(lái)，本文作者帶領(lǐng)四位三一大學(xué)工程科學(xué)系的高年級(jí)學(xué)生開(kāi)展此項(xiàng)目的研究。本文的目的說(shuō)明了提出一些問(wèn)題并詳細(xì)闡述學(xué)生的一些解決方案，而且討論了這種類型的跨學(xué)科設(shè)計(jì)項(xiàng)目在教學(xué)方面應(yīng)用的問(wèn)題。這份學(xué)生報(bào)告曾經(jīng)在 1997 年全國(guó)本科畢業(yè)生研討會(huì)上提出過(guò)并討論過(guò)。第 2 節(jié)給出該設(shè)計(jì)的更多詳細(xì)情況，包括性能規(guī)格。第 3 節(jié)具體 學(xué)生的設(shè)計(jì)。第 4 節(jié)是論文的主體，討論該設(shè)計(jì)在教學(xué)應(yīng)用方面的實(shí)施問(wèn)題。最后，第 5 節(jié)全文總結(jié)。 2 問(wèn)題闡述 該項(xiàng)目基本的思想是設(shè)計(jì)一個(gè)自定義溫度控制系統(tǒng)來(lái)取代相關(guān)的歐米茄度控制器。溫度時(shí)通常保持在一個(gè)穩(wěn)定的常數(shù)，但重要的是階躍變化可以被“合理”的跟蹤。因此主要要求如下： 2可以對(duì)空氣室的溫度進(jìn)行設(shè)定， 2同時(shí)顯示設(shè)定值和實(shí)際溫度， 2以及在設(shè)定溫度值情況下，可接受范圍內(nèi)的跟蹤階躍變化，穩(wěn)態(tài)誤差，超調(diào) 量。 表 1 精確的規(guī)格說(shuō)明 設(shè)定溫度接口 范圍 準(zhǔn)確度 60氏度 1 攝氏度 設(shè)定溫度顯示 范圍 準(zhǔn)確度 誤差 60氏度 1 攝氏度 ± 1° C 室內(nèi)溫度顯示 范圍 精度 準(zhǔn)確度 60° C ± 1° C 室內(nèi)溫度階梯響應(yīng) 范圍（穩(wěn)定狀態(tài)） 精度（穩(wěn)定狀態(tài)） 最大超調(diào) 設(shè)定時(shí)間（到± 1°） 60 1° C 1° C 120s 盡管表 1 的一部分說(shuō)明并不明確，但是它清楚的反映了人們對(duì)數(shù)字顯示器在設(shè)定值和實(shí)際溫度的要求和溫度應(yīng)該通過(guò)數(shù)值輸入來(lái)設(shè)定（而不 是，通過(guò)電位器設(shè)置）。 根據(jù)微控設(shè)計(jì)，數(shù)字溫度顯示和單點(diǎn)輸入的要求可能是最合適的。圖 2 為學(xué)生的設(shè)計(jì)框圖。 圖 2度控制器硬件結(jié)構(gòu)圖 稱 6805），是系統(tǒng)的核心。它通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的 4鍵小鍵盤對(duì)溫度進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)使用兩個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)控制 7 段 碼管來(lái)顯示定值和氣室溫度的測(cè)量值。所有這些，輸入和輸出信號(hào)與 6805 的并行口相連。氣室的溫度值使用預(yù)校準(zhǔn)熱敏電阻測(cè)量，并通過(guò) 6805 的數(shù)模轉(zhuǎn)換輸入。最后，6085 的脈沖寬度調(diào)制（ 出用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè) 繼電器，以控制線性電阻加熱器的閉合和斷開(kāi)。 圖 3 更詳細(xì)的顯示了 6805 的接口和電子器件。使用暴風(fēng) 3號(hào)四鍵鍵盤，通過(guò) 口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。其中一個(gè)重要的功能是進(jìn)行模式切換。兩種模式：固定模式和運(yùn)行模式。在固定模式下，其他兩個(gè)鍵用于設(shè)定溫度，一個(gè)增加，一個(gè)減少，第四個(gè)按鍵暫無(wú)作用。 示屏由哈里斯半導(dǎo)體 過(guò) 口與芯片相連，作為輸出。熱敏電阻由電壓分頻器驅(qū)動(dòng)，通過(guò) 腳（八個(gè)模擬輸入端口中的一個(gè)）相連。最后， 腳（兩個(gè) 出端口中 的一個(gè)）驅(qū)動(dòng)加熱繼電器。 圖 2 單片機(jī)原理圖 圖 3 單片機(jī)原理圖是關(guān)于用軟件實(shí)現(xiàn)溫度控制算法、保持溫度顯示以及改變鍵盤輸入響應(yīng)，這將不會(huì)在本文詳細(xì)討論，因?yàn)檫@并不是本文的重點(diǎn)，也沒(méi)有編譯完成。軟件部分還沒(méi)有確定控制算法，但很可能是一個(gè)簡(jiǎn)單的比例控制，比 法簡(jiǎn)單。一些控制設(shè)計(jì)的問(wèn)題將在第四節(jié)討論。 4 設(shè)計(jì)過(guò)程 雖然該項(xiàng)目的本質(zhì)是建立一個(gè)恒溫器，但它有許多很好的契機(jī)可以供教學(xué)借鑒。高級(jí)工程本科教育的知識(shí)只是能夠讓學(xué)生們具有解決問(wèn)題的能力。然而，很多情況下，實(shí)際情況卻和理論有些不同。不過(guò) ，這些不是問(wèn)題，參與這個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，將獲得很多設(shè)計(jì)方面的寶貴經(jīng)驗(yàn)。本節(jié)的其余部分著眼于其他的幾個(gè)方面： 討論系統(tǒng)的一些特征，簡(jiǎn)化系統(tǒng)熱性能的數(shù)學(xué)模型，以及一些簡(jiǎn)單理論的證明。 介紹確定實(shí)際控制算法。 指出控制設(shè)計(jì)程序的一些不足，并通過(guò)模擬環(huán)境，指出怎樣克服問(wèn)題。 給出單片機(jī)的一些設(shè)計(jì)相關(guān)概述，以及出現(xiàn)問(wèn)題和值得借鑒之處。 學(xué)模型 集總元件熱系統(tǒng)符合線性控制，適用于載玻片干燥機(jī)的問(wèn)題。圖 4 顯示了二階集總元件熱量模型的載玻片干燥機(jī)。狀態(tài)變量是溫度， 箱內(nèi)空氣的溫度，箱子 本身的溫度。該系統(tǒng)輸入功率等于 q(t)的熱量和環(huán)境溫度 T 的和。 ma，別對(duì)應(yīng)空氣和箱子的質(zhì)量。 分別是其對(duì)應(yīng)熱量。 別是空氣與箱子間以及箱子與外界間的傳熱系數(shù)。 圖 4總元件熱模型 由圖 4 可以推出（線性）狀態(tài)方程 拉普拉斯變換 (1)和 (2)等式，并整理 Ta(s)。有趣的是，可以推出一個(gè)開(kāi)環(huán)的熱系統(tǒng)方程。 其中 K 是一個(gè)常數(shù)， D(s)是一個(gè)二階的多項(xiàng)式。 K,及系數(shù) D(s)和在 (1)和 (2)等式中出現(xiàn)的系數(shù)功能相近。當(dāng)然，在 (1)和 (2)等式中各種參數(shù)在未知的情況下，不難證明 D(s)與其他參數(shù)的值無(wú)關(guān)，具有兩個(gè)零點(diǎn)。因此傳遞函數(shù)可以寫成（我們假設(shè)環(huán)境溫度為常數(shù)） 此外 ,可以推出 1/<1/，零點(diǎn)在兩極之間。開(kāi)環(huán)零極點(diǎn)如圖 5所示。 圖 4aq(s)的零極點(diǎn) 為了獲取完整的熱模型，從 (3)式中除去常數(shù) K 和 3 個(gè)未知的時(shí)間常數(shù)。四個(gè)未知參數(shù)并不少，但由簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)表明， 1/1/1/基本上是一階函數(shù)，且 tz,似為 0。因此，開(kāi)環(huán)系可以寫成： (下標(biāo) 經(jīng)被去掉了 ) 過(guò)初始溫度和熱量值大范圍內(nèi)的設(shè)置， 簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，K≈ ，τ≈ 295S。 制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 使用 (4)式的一階開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù) s)，并且假定加熱器的輸出函數(shù) q(t)為線性，圖 6 是系統(tǒng)框圖代表閉環(huán)系統(tǒng)。 Td(s)是設(shè)定溫度的函數(shù)， C(s)是傳遞函數(shù)， Q(s)是熱量輸出，單位是瓦特。 圖 6 簡(jiǎn)化的閉環(huán)系統(tǒng)框圖鑒于這種簡(jiǎn)單情況，前面所指的線性控制設(shè)置，例如，根軌跡法設(shè)計(jì)法可以使 C(s)中符合要求的階躍響應(yīng)對(duì)應(yīng)的上升時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量符合表格 1 所示。當(dāng)然，一個(gè)有足夠增益的比例控制器就可以滿足各種要求。超調(diào)量改變 是不可能既增加增益又減少穩(wěn)態(tài)誤差和上升時(shí)間的。不幸的是，如果要獲得足夠增益，需要生產(chǎn)超過(guò)實(shí)際生產(chǎn)能力的大容量加熱器。這是本系統(tǒng)的實(shí)際問(wèn)題，將會(huì)致使上升時(shí)間不符合要求。這要求學(xué)生們?nèi)绾卫眠@個(gè)經(jīng)過(guò)仔細(xì)計(jì)算的簡(jiǎn)化模型，在整體性能上達(dá)到最佳控制。 型仿真 該設(shè)計(jì)的大部分性能和限制功能，應(yīng)該可以使用圖 6 簡(jiǎn)化模型來(lái)完成。但有一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)其他方面的影響并非能夠如此簡(jiǎn)單的仿真。其中最主要的是： 2量化誤差的模擬和數(shù)模轉(zhuǎn)換， 2測(cè)量溫度和使用 制加熱器。 這兩種都是非線性的、時(shí)變的。所以唯一切實(shí)可行 的方法就是通過(guò)仿真（或?qū)嶒?yàn)）加以研究。 圖 7真閉環(huán)系統(tǒng)框圖顯示了 況下的閉環(huán)系統(tǒng)框圖，其中包括 A/D 轉(zhuǎn)換和使用標(biāo)準(zhǔn) 化飽和塊建立的飽和量化模型。建立制模型比較復(fù)雜，需要一個(gè)自定義的 S 函數(shù)來(lái)表示。 這種仿真模型已經(jīng)被證明在衡量不同的 本參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的影響以及適當(dāng)參數(shù)的選擇中特別有用。（即時(shí)間越長(zhǎng)， 制會(huì)產(chǎn)生更多溫度誤差。另一方面，時(shí)間越長(zhǎng)，繼電器抖動(dòng)機(jī)率越小。） 制方法往往很難讓學(xué)生掌握，并且仿真模型允許研究測(cè)試運(yùn)行和明顯的影響。 片機(jī) 簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制、鍵盤輸入和顯示控制是經(jīng)典單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)，這個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目包含上述三個(gè)方面。因此這是一個(gè)優(yōu)秀的全面的單片機(jī)應(yīng)用練習(xí)。 此外，由于該項(xiàng)目是來(lái)源于現(xiàn)實(shí)，它不會(huì)是一個(gè)簡(jiǎn)單的輸入輸出設(shè)計(jì)就能完成的。相反，這個(gè)項(xiàng)目需要制定一個(gè)完整的嵌入式應(yīng)用。這需要從大量的單片機(jī)型號(hào)中選取適當(dāng)?shù)男酒W(xué)著使用一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的開(kāi)發(fā)環(huán)境。最后，必須設(shè)計(jì)和選取印刷電路板和單片機(jī)，以及外接元件。 單片機(jī)選擇： 從現(xiàn)有的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，經(jīng)常選用 司的單片機(jī)。不過(guò)，芯片的選擇不應(yīng)該局限于此。研究表明，系統(tǒng)要求符合 工作需求的單片機(jī)。這對(duì)學(xué)生很困難，因?yàn)樗麄內(nèi)狈α己玫慕?jīng)驗(yàn)與判斷能力，只能通過(guò)制造商的產(chǎn)品選擇指南決定單片機(jī)的選擇。部分問(wèn)題是各種外圍設(shè)備（例如，應(yīng)該使用哪種顯示驅(qū)動(dòng)程序？）連接方法的選擇。 相關(guān)應(yīng)用研究 [2,3,4]中的證明是非常有用的，基本闡述了可實(shí)用性的連接方法以及單片機(jī)和外圍連接的組合方式。在最終要求的基礎(chǔ)上，選擇 現(xiàn)有 A/D 輸入和 出以及 24個(gè)數(shù)字 I/O 線。這樣選擇是有必要的，因?yàn)榇隧?xiàng)目需要一個(gè) A/D 通道、一個(gè) 1 個(gè) I/O 引腳（見(jiàn)圖 3）。該 決定為了安全方面，因?yàn)檫x擇一個(gè)完整的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)是有必要的，該項(xiàng)目預(yù)算中沒(méi)有足夠的資金再次購(gòu)買元件。 單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)： 外圍設(shè)備的電路硬件、軟件的開(kāi)發(fā)、最終調(diào)試、單片機(jī)的自定的印刷電路板和外設(shè)都需要某種形式的發(fā)展環(huán)境。 如同單片機(jī)本身，一個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境的選擇是令人困惑并需要一些教師的專業(yè)知識(shí)。 級(jí)發(fā)展環(huán)境，包括從簡(jiǎn)單的評(píng)估板（在約 100 美元）到全面的實(shí)時(shí)在線仿真器（在大約 7500 元）。中間選項(xiàng)被選為本項(xiàng)目的 中包括： 2平臺(tái)板（支持所有 6805分）， 2 模擬器模塊（具 體到 B 系列部分）， 2 電纜頭和目標(biāo)適配器（簡(jiǎn)明包裝）。 總體而言，該系統(tǒng)花費(fèi)為 900 美元，并且在一定局限下，提供了在線仿真能力。它還配備了簡(jiǎn)單但足夠的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境 ]。 學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)使用這類系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。但他們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界的微控制器應(yīng)用獲得的經(jīng)驗(yàn)大大超過(guò)了第一使用典型的簡(jiǎn)單評(píng)估板的經(jīng)驗(yàn)。 印刷 一個(gè)簡(jiǎn)單的（雖然布局絕對(duì)不平凡）印刷電路板是這個(gè)工程提供的另一個(gè)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。圖 8 顯示最后的板布局與包輪廓（ 50%實(shí)際大?。?。相對(duì)簡(jiǎn)單的電路使手工安置和路由實(shí)踐方面更實(shí)際，它有可能提供更好的結(jié)果比 一個(gè)這樣的應(yīng)用程的自動(dòng)性。學(xué)生因此接觸到基本印刷電路布局問(wèn)題和基本的設(shè)計(jì)規(guī)則。本排版軟件使用的是非常漂亮的包裝印刷電路板，板制作是在內(nèi)部電子技術(shù)員的幫助下完成的。 圖 4 單片機(jī)印刷版布局 5 結(jié)論 本文的目的是描述一個(gè)跨學(xué)科的本科工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目：一個(gè)基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，包括設(shè)定點(diǎn)輸入數(shù)字與設(shè)定值 /實(shí)際溫度顯示。本文已描述了這樣系統(tǒng)的一個(gè)設(shè)計(jì)，并且討論了許多來(lái)自工程的問(wèn)題。這些問(wèn)題的解決通常需要入門課程要求的知識(shí)，尤其是在老師的建議和監(jiān)督下，實(shí)際上可以促進(jìn)大學(xué)生發(fā)展。 從教學(xué)方法觀點(diǎn)看， 問(wèn)題的理想特征包括微控制器和外圍設(shè)備的簡(jiǎn)單使用，有效地運(yùn)用導(dǎo)論水平的物理系統(tǒng)建模和設(shè)計(jì)閉環(huán)控制。并需要相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)和模擬（詳細(xì)的性能 預(yù)測(cè)）。并可取的是一些技術(shù)相關(guān)方面的問(wèn)題，包括熱敏電阻和溫度傳感器（分別需要知識(shí) 脈寬調(diào)制和校準(zhǔn)技術(shù)）的實(shí)際使用、單片機(jī)選擇和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的使用以及并印制電路設(shè)計(jì)。 致 謝 作者想要感謝參與這個(gè)項(xiàng)目的學(xué)生， 以及 艱苦工作、奉獻(xiàn)和能力。這個(gè)工程的完成歸功于他們。