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计算机控制系统实验装置的设计毕业论文.pdf
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计算机控制系统实验装置的设计
【
才商要
】
本文介绍了一套基于
ADUC824
单片机的计算机控制系统的开发
,
详细介绍了该
系统的具体设计方案
,
包括
:
下位机硬件设计
,
下位机软件设计和上位机软件设计
。
下位机硬件的核心是
ADUC824
单片机和
RS-232
通讯接口
。
硬件的设计主要分成四个
模块
:
信号采集模块
,
参考电压源模块
,
通讯模块和输出控制模块
。
下位机软件设计的相应程序
,
包含了温度的采集
,
AD
转换和校准
,
温度值的上传
,
以
及接受上位机控制命令等程序
。
本部分分两大模块
:
主程序模块和串口中断模块
。
上位机软件采用
DELPHI
编程
,
具有友好和实用的人机界面
。
用户可以通过上位程序
观察通讯情况
,
设定控制参数
、
控制周期
、
采样周期和设定水箱达到稳定时的温度值
,
观
察温度曲线以及输出反馈下位机的采样温度而得出的控制量
。
上位机软件通过不断从下位
机反馈过来的水箱的温度信号而产生的控制量通过
RS-232
传输到
ADUC824
单片机
,
再经
ADUC824
单片机输出控制固态继电器动作
,
这样不断循环使水箱处于恒温状态
。
本文还讲述了印制电路的设计过程以及在设计过程中需要注意的问题
;
介绍了系统的
调试过程和调试结果
;
还对该设计进行了综合评价
,
肯定了系统设计的意义与成就并提出
了设计的不足之处和改进的方法
。
【
关键词
】
计算机控制
ADuC824
单片机
DELPHI
固态继电器
RS-232
通讯接口
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目录
弓
I
言
...........................................................................
1
第一章下位机硬件设计
.............................................................
2
1.1
硬件选型
....................................................................
3
1.2
硬件电路设计
................................................................
4
1.3
外围硬件简介
................................................................
5
第二章下位机软件设计
.............................................................
6
2.1
主程序的设计
................................................................
7
2.2
中断子程序的设计
............................................................
8
第三章上位机软件设计
.............................................................
9
3.
1
M
easurement
S
tudio
的使用
.....................................................
10
3.2
数据库的使用
..............................................................
11
3.
3
软件具体功能
...............................................................
12
3.4
PID
控制算法的实现
..........................................................
13
第四章
电路板制作
..............................................................
14
4.
1
印刷电路板制作过程介绍
....................................................
15
4.
2
印刷电路板设计时一些应注意的问题
........................................
16
4.
2.1
电源
、
地线的处理
........................................................
17
4.
2.2
数字电路与模拟电路的共地处理
............................................
18
4.
2.3
信号线布在电(地)层上
..................................................
19
4.
2.4
大面积导体中连接腿的处理
...............................................
20
4.
2.5
布线中网络系统的作用
....................................................
21
4.
2.6
设计规则检查
(DRC)
................................................
282
第五章调试
......................................................................
23
5.
1
调试内容
...................................................................
24
5.
2
模块调试
..................................................................
25
5.
3
调试结果
..................................................................
26
结论
............................................................................
27
参考文献
..........................................................................
28
附录
............................................................................
29
1
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引言
20
世纪
40
年代
,
电子数字计算机一出现即引起各方面的重视
。
电子数字计算机所显
示出来的强大的运算能力和丰富的逻辑判断功能
,
使它很快从单纯的高速计算手段的概念
中解放出来
,
成为控制部件进入自动控制系统
。
将数字计算机作为控制系统部件的思想萌
生于
20
世纪
50
年代初
。
最早想在导弹与飞机的控制中应用计算机
。
但是
,
早期的通用计
算机体积大
、
耗能多
、
可靠性低
,
无法用于控制系统
,
因此早期的航空应用中使用了专用
计算机
—
—
数字微分分析器
。
此后
,
计算机控制的主要进展在工业控制方面
。
50
年代初
,
美国首先用计算机来自动完成过程巡检与数据的搜集
。
后来
,
在获得成功的基础上试验用
计算机构成开环和闭环控制系统
。
美国
TWR
航空公司和
TEXACO
公司合作
,
投入三十八年
的工作量
,
在经过了一系列可行性研究后
,
设计出了聚合装置计算机控制系统
,
并于
1959
年
3
月在得克萨斯州的一家炼油厂投入在线运行
。
该控制系统控制
26
个流量
、
72
个温度
、
3
个压力和
3
个成分
。
控制系统的基本功能是从反应器的压力最小出发
,
确定五个反应器
供料的最佳分配
,
并根据催化剂活性测量结果来控制热水流入量以及确定最佳循环
。
此项开创性的工作
,
引起从事计算机制造与自动控制研究者的极大兴趣
,
前者看到了
计算机应用的新的巨大市场
,
后者则发现了提高自动化具有很大潜力的工具
。
他们纷纷投
入了进一步的试验研究
。
现代工业为追求高经济效益
,
需要从上述的分散控制走向新的集中控制
。
因为一些现
代工业具有持续化与大型化的特点
,
如大型钢铁厂
、
炼油厂等
,
工厂企业中的各装置和设
备之间联系密切
。
为了降低能耗提高经济效益
,
仅实现局部范围内孤立控制难以获得显著
效果
。
必须在上述分散型控制的基础上考虑它们之间的通讯扣协调
,
这就产生了计算机分
级分布式控制系统
。
美国
Honeywel
公司于
1975
年研制成第一套集散型控制系统
TDC-2000
并投入使用
。
到
80
年代
,
世界上已推出许多集散系统作为商品投放市场
,
其中有几万套
已投入运行
,
并取得了较明显的经济效益
。
可以说
,
按大系统递阶控制原理设计的多级分
布式计算机控制系统
,
是
80
年代计算机工业过程控制的一个重要发展方向
。
多年来
,
过程控制一直被认为是计算机控制系统主要的
、
传统的应用领域
,
随着微型
机控制技术的发展
,
情况已发生了变化
。
在机电控制方面
,
特别在航天技术
、
军事装备以
及机器人技术中也得到了极其广泛的应用
。
尤其在机器人技术方面
,
计算机控制已成为必
不可少的因素
。
目前
,
由于使用了计算机这个有力工具
,
自动控制技术正向着深度和广度发展
。
在广
度方面
,
向着大系统或系统工程的方向发展
,
从单一过程
、
单一对象的局部控制
,
发展到
对整个工厂
、
整个企业
、
甚至对社会经济
、
国土利用
、
生态平衡等大规模复杂对象进行控
制
。
在深度方面
,
则向着智能化方向发展
。
人们逐步引入了自适应
、
自学习等控制方法
,
并且模拟生物的视觉
、
听觉
、
触觉
,
识别文宁
、
图像
、
语言
、
物体.进一步根据感知的信
息进行推理分析
、
直观判断
、
自行学习与自行解决问题
。
计算机在完成这些工作的过程中
,
2
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被用来收集
、
处理信息
,
并进行分析
、
判断与决策
。
按控制论的观点
,
控制系统是由控制部分和被控对象两部分组成的
,
见图
0T
。
闭环
控制时
,
控制部分将由检测装置
、
控制器和执行装置组成
,
并和被控对象连接构成闭合环
路
。
控制部分通过检测装置获得有关被控对象运动过程的信息
,
经过控制器处理决策
,
由
执行装置输出控制信息去影响被控对象
,
使被控对象的运动过程满足特定的要求
。
图
o-i
控制系统的组成
当闭合环路被断开时
,
由于控制部分与被控对象间信息交换的通道被断开
,
上述的反
馈控制过程就不能自动进行
。
如断开在控制器输出端
,
控制器做出的控制决策
,
不能直接
通过执行装置去控制被控对象
,
而需要通过操作人员的干预才能完成控制
。
如断开在控制
器输入端
,
控制器将不依赖取自检测装置的反馈信息做出决策去指挥执行装置
。
这两种情
况都被称为开环控制
。
无论是开环还是闭环的控制系统
,
如果用数字计算机作控制器时
,
即构成计算机控制系统
。
这样
,
以计算机为控制工具的控制
,
被称为计算机控制
。
显然
,
计算机控制的出现
、
发展
,
必将和计算机技术及控制理论的发展紧密联系在一起
。
回顾历史
,
展望未来
,
不难理解为什么计算机控制技术会成为从事自动控制工作的技
术人员所必须掌握的技术
。
同样可以理解在高校中的自动化专业为什么要开设
《
微型计算
机控制技术
》
这门课程
。
作为自动化专业
《
微型计算机控制技术
》
这门课程是学院规定的必修课
,
但这门课程
是有其自身抽象
,
难懂
,
技术性强等特点
,
初学者了解理论知识以后还是无法理解
,
更加
不可能与实践联系起来
。
即使是有所谓的实验要求
,
也由于没有具体的实验设备而只能用
MATLAB
模拟仿真
,
这样往往理论与实践脱节
,
没有能够达到真真的教学目标
。
在这样的情
况下由于这门课程教学的需要
,
提出这个课题的设计
,
即计算机控制系统实验装置设计
。
课题要求在研制一套基于
ADUC824
单片机的计算机控制系统实验装置
,
该实验装置包
括硬件和软件两部分
。
硬件主要是通过
PT100
实现信号
(
温度值
)
的采集
,
经过带有两个
AD
转换通道的
ADUC824
对温度信号进行采集
,
将转换后的值通过
RS-232
发送到上位机即
这里所讲的软件部分
。
软件部分具有良好的人机界面用户可以对在该界面设定采样周期
,
3
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控制参数
,
控制周期
,
要达到的稳定温度
。
还可以观察到每一次采样进来的温度值
,
与设
定的稳定温度的偏差
,
以及产生的控制量
。
同时通过曲线显示温度
。
上位机可以对该曲线
进行保存
,
删除
,
数据存储到数据库
,
可以任意移动曲线
,
框选放大曲线
,
还可以恢复到
正常模式等
,
几乎完成了所需的功能
。
在上位机软件中加入了
PID
计算机控制算法
,
产生
相应的控制量
,
显示在人机界面上
。
同时把控制量进行处理生成
3
位十六进制数以
ASCII
的形式下发到单片机
ADUC824,
转入
DA
转换通道产生相应的
0
〜
5
伏电压
,
正好作为固态
继电器的输入
,
产生相应的功率
,
控制加热过程从而达到控制水温的目的
。
例如
,
从理论
上来讲如果设定的稳定温度是
50
度
,
则当水箱里的温度到达
50
度时控制量就输出
0,
经
过
DA
转换后得到的电压值是
0
伏
,
那么固态继电器的加热功率就为
0W,
停止了加热
,
但
当加热停止时水箱里的水就会自然冷却
,
温度就会小于
50度
,
这时控制量就不再是
0,
而
是大于
0
的值
,
于是就会依据偏差的大小而产生大小不同控制量
,
经过
DA
转换就会有相
应的电压值产生
,
固态继电器就会有相应大小的功率输出
,
开始对水箱加热
。
具体功能和技术指标
:
1
、
加热器功率
W600W
;
2
、
加热水箱容积
:
约
2
升
;
3
、
测温分辨率
:
高于
O.OVC,
控温精度
0.05C
;
4
、
采用
ADUC824
单片机完成温度采样
、
控制输出
、
与
PC
机数据通讯
。
实验软件应具
有人机界面友好和实用性的特点
,
具体要求如下
:
(
1
)
软件采用
Measurements
Studio-Delphi
编写
;
(
2
)
能将本实验装置的工作过程动态
、
形象地显示在屏幕上
,
并能将实时温度数
据分别以⑶文本
、
表格
、
曲线等方式进行显示
;
(
3
)
所有执行部件的控制均可用鼠标在界面上进行操作
;
(
4
)
控制算法部分的程序应具有开发性
,
允许用户组态或以填表的形式填写控制
参数
;
(
5
)
能方便的对采样周期
、
控制周期和目标温度进行设定
;
(
6
)
能对温度数据以数据库文件格式进行的保存
、
查询和打印
。
4
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