談單片機的過程控制綜合實驗設(shè)計

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摘要:以STCl2C5A60S2單片機為核心，設(shè)計開發(fā)了基于單片機的低成本過程控制綜合實驗，闡述了過程控制綜合實驗整體設(shè)計，及單片機控制板各個功能的硬件設(shè)計與軟件開發(fā)，對實驗平臺的特點進(jìn)行了描述。實踐表明，通過綜合實驗訓(xùn)練，讓學(xué)生從底層設(shè)計并實踐反饋控制系統(tǒng)，強化和提高了學(xué)生的動手能力與綜合實踐能力。

關(guān)鍵詞:實驗系統(tǒng);單片機;過程控制;系統(tǒng)設(shè)計

“過程控制”“計算機控制”“微機原理”和“檢測技術(shù)”是我院自動化專業(yè)的必修課程，是理論性、設(shè)計性、實踐性很強的專業(yè)方向課，與實際控制工程聯(lián)系緊密。學(xué)生在這些課程的學(xué)習(xí)過程中，實驗都是針對本門課程的內(nèi)容進(jìn)行，還有很多是演示實驗和仿真實驗。在實際工作中，控制系統(tǒng)一般都是這幾方面內(nèi)容的綜合應(yīng)用，而學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中缺乏對整個系統(tǒng)的設(shè)計訓(xùn)練，因此在教學(xué)過程中應(yīng)將控制器系統(tǒng)設(shè)計方法和實際計算機控制系統(tǒng)相結(jié)合，通過理論知識與實踐活動的有機結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生解決實際工業(yè)應(yīng)用中控制問題的能力。為了達(dá)到這一教學(xué)目標(biāo)，自動化實驗室開設(shè)了自動化綜合實驗課程設(shè)計，從控制器設(shè)計開始，每一步都由學(xué)生獨立完成，實現(xiàn)水箱液位控制。學(xué)生要完成設(shè)計單片機控制器電路，繪制原理圖與印制板圖，編寫調(diào)試控制程序，設(shè)計上位機監(jiān)控畫面等內(nèi)容。從學(xué)生實驗效果看，學(xué)生完成整個實驗后，提高了學(xué)習(xí)興趣與實踐技能，對控制系統(tǒng)有了更清楚的了解。

1系統(tǒng)功能及組成

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)為單回路控制系統(tǒng)，水箱內(nèi)水位為被控對象，水泵抽水到水箱，水箱底部放水，當(dāng)抽水與放水達(dá)到平衡，水箱水位保持平衡。投入式水位傳感器測量水箱水位值，將當(dāng)前水位反饋到單片機控制器，在控制器內(nèi)與設(shè)定值比較，控制器根據(jù)二者的差值，采用某種控制算法，輸出控制量改變變頻器輸出頻率，即改變水泵的抽水量，最終讓水箱水位保持在設(shè)定值。上位機運行組態(tài)軟件，與單片機控制器通信，可以動態(tài)顯示畫面與控制曲線，還可以修改水位設(shè)定值與控制參數(shù)?？刂破飨到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，以單片機為核心，外接數(shù)碼顯示電路、按鍵電路、通信電路及輸入輸出電路等。單片機采用宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機STCl2C5A60S2/AD，該單片機優(yōu)點是指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，并內(nèi)置10位A/D轉(zhuǎn)換電路［1］，可直接在用戶系統(tǒng)上用ISP在線下載方式，將用戶程序下載進(jìn)STC單片機運行，這樣可省去編程器和仿真器、降低實驗成本.2.2水位信號輸入電路與控制信號輸出電路水位測量采用的是二線制投入式液位變送器，輸出4～20mA電流信號，工作電壓為24V。采用5V轉(zhuǎn)24V的1W電源模塊為變送器提供24V.

2控制器硬件電路設(shè)計

對于硬件部分，要求學(xué)生會用電路圖設(shè)計軟件AltiumDesigner繪制電路原理圖和印制板圖［2］，因為時間限制，學(xué)生只要基本會使用軟件即可，最終電路板使用的是統(tǒng)一的電路版。因為實驗要求單片機控制器由學(xué)生動手焊接調(diào)試，每屆學(xué)生使用的都是自己焊接調(diào)試的電路板，因此單片機控制器硬件設(shè)計以簡單、低成本為目標(biāo)。2.1程序下載與通信電路因為現(xiàn)在PC機主板一般沒有集成串口，因此采用了串口－USB接口轉(zhuǎn)換器PL2303。PL2303芯片可提供一個全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利連接的解決方案［3］。這樣設(shè)計使控制器與上位機之間只需要一條USB線就可以完成單片機程序下載與通信的功能，還能利用USB口的5V電源為控制板提供電源而不再需要外部提供電源，變送器輸出的電流信號流過一個200Ω的電阻變換為電壓信號接到單片機的A/D轉(zhuǎn)換引腳。水泵抽水量由變頻器輸出頻率控制，變頻器輸出頻率可以由控制板輸出電壓信號進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了精簡電路，沒有采用片外D/A轉(zhuǎn)換器，而是用單片機輸出脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號［4］，片外采用跟隨器將PWM信號變?yōu)橹绷餍盘?。控制器根?jù)控制算法計算的輸出量改變PWM波的占空比，跟隨器輸出值隨占空比的變化而改變。跟隨器采用單5V電源，輸出給變頻器電壓信號可在0～3.5V變化，雖然沒有達(dá)到5V，但變頻器輸出頻率改變范圍已滿足實驗需要，2.3LED顯示電路控制板用4位LED數(shù)碼管，顯示當(dāng)前水位值、設(shè)定水位值和控制參數(shù)等。為了節(jié)省I/O口，LED顯示采用8位串入并出移位寄存器74LS164，4片級聯(lián)，只需2位I/O口，按時序要求輸出4位顯示碼，就可實現(xiàn)4位8段LED顯示的靜態(tài)顯示［5］2.4按鍵及指示燈控制板還設(shè)計有6位按鍵與4位LED指示燈，用以完成設(shè)定值修改、參數(shù)設(shè)置、顯示切換和狀態(tài)指示等功能。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1單片機控制器程序

單片機控制板軟件使用C語言編程［6］，采用模塊化設(shè)計，包括通信模塊、A/D測量模塊、PWM輸出模塊、顯示模塊、按鍵處理模塊和控制算法模塊等。主程序流程圖如圖5所示。實驗并不要求學(xué)生編寫完整的程序，但控制算法和水位采樣值的標(biāo)度變換程序要求學(xué)生完成，控制算法基本要求是采用PID算法［7］。程序的模板和其他各部分模塊程序提供給學(xué)生，由學(xué)生最終完成整個程序的整合與調(diào)試，有能力的同學(xué)還可以編寫其他控制算法的程序和增加手自動切換等功能。

3.2上位機組態(tài)

為了清楚顯示控制過程以了解控制效果，要求學(xué)生在上位PC機上用組態(tài)軟件“組態(tài)王”實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控畫面［8－9］。畫面要求較為簡單:1)能用動畫及數(shù)字實時顯示水位值;2)能顯示水位的給定值及數(shù)字顯示控制器的P、I、D參數(shù)值，這些參數(shù)均能在操作界面中進(jìn)行修改;3)給定值和測量值的實時記錄曲線，用來記錄和顯示控制過程中被控變量的水位設(shè)定值和實時水位值的變化過程。上位機與單片機控制板采用Modbus通信協(xié)議進(jìn)行通信［10－11］，在控制板通信程序中實現(xiàn)了Mod-bus通信協(xié)議中讀多寄存器(功能碼3)和寫多寄存器(功能碼16)的功能。在組態(tài)王軟件中，定義設(shè)備時選擇［PLC］－［莫迪康］－［ModbusRTU］－［COM］即可實現(xiàn)上位機與控制板的通信。

4結(jié)束語

該實驗讓學(xué)生從底層起設(shè)計反饋控制系統(tǒng)，從電路設(shè)計，電路板焊接，單片機程序編程調(diào)試到上位機組態(tài)軟件的使用，讓學(xué)生對反饋控制系統(tǒng)有較全面清楚的了解。實踐表明，該綜合實驗對加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，增強學(xué)生的動手能力、知識和技術(shù)的應(yīng)用能力、盡快適應(yīng)現(xiàn)場能力大有幫助。

參考文獻(xiàn)

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作者:楊帆 單位:武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院