控制系统设计论文汇总十篇

时间:2023-03-23 15:03:17

控制系统设计论文

控制系统设计论文篇(1)

【关键词】单片机、A/D转换系统设计系统调试

绪论

单片机利用大规模集成电路技术把中央处理器和数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)及其他I/O通信口集成在一块芯片上,构成一个最小的计算机系统。而现代的单片机则加上了中断单元、定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路,使得单片机的功能越来越强大,应用更广泛。

第1章单片机空调控制系统

随着中国人民环境的改善和人民生活质量的提高,公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求,建筑能耗占全社会总能耗的比例巨大且持续增长。据统计,2001年中国建筑能耗已达到3.76亿吨标准煤,占总能耗的27.6%,年增长比例是5%。在发达国家中,供热和空调的能耗很大,可占到社会总能耗的25%-30%。有资料统计,办公楼中空调系统耗能量占总能量的25%左右,所以空调控制系统设计始终是建筑环境与设备领域中的重要研究课题之一。

1.1当前国内研究情况

1)在城市现代化建设过程中,用电结构发生变化,其中用在建筑物空调系统的电力负荷比例日益增加。据不完全统计,北京已有250余幢宾馆、办公楼和50余家大商场采用中央空调,其空调用电负荷达40万kW。相当于华北电网为了调峰,耗资27亿元而兴建的十三陵抽水蓄能电站的1/2装机容量。以广东省为例,现有装机容量已达30万kW,并以每年30%的速度递增,其用电负荷已占总共电量的40%以上。

2)改革开放以来,我国经济的高速发展和人民物质生活水平的不断提高,对电力供应不断提出新的挑战。尽管我国发电装机容量已超过2亿Kw,年发电量已突破9000亿kWh。然而,目前我国电力供应仍很紧张。突出的矛盾是电网峰谷负荷差加大,夜间至清晨谷段负荷率低,而高峰段电力严重不足,有的电网峰谷负荷之差达25%-30%,造成白天经常拉闸限电,夜间有电送不出的现象。

3)由于空调用电负荷一般在电力谷段用量甚少,对城市点昂具有很大的“肖锋填谷“潜力,而在中央空调中,制冷系统的用电量通常占整个空调系统用电量的40%-50%,如以商场为例,每10万m2空调制冷系统的须用电功率约为7000-9000KW。因此,空调蓄冷系统应运而生,并将日益展示他广阔的应用前景

1.2空调控制系统的组成以及基本工作原理

空调系统的基本组成形式可分为三大组成部分,分别是:冷热源设备(主机)、空调末端设备、附件及管道系统。该系统具有制冷、制热、除湿、自动4种工作模式,包括定时、睡眠、风向、智能化霜、应急运转、试运转以及5种可调室内风速等控制功能;在定时开机时,可根据访间温度作智能判断,自动调整定时开机时间,避免开机时太冷或太热;另外,可对设定温度和房间温度两种温度的10个温度值进行同时指示,以及完整的抗干扰和系统保护功能。

1.2.1控制器原理

该系统具有制冷、制热、除湿、自动4种工作模式,包括定时、睡眠、风向、智能化霜、应急运转、试运转以及5种可调室内风速等控制功能;在定时开机时,可根据访间温度作智能判断,自动调整定时开机时间,避免开机时太冷或太热;另外,可对设定温度和房间温度两种温度的10个温度值进行同时指示,以及完整的抗干扰和系统保护功能。

本系统硬件简单可靠,软件具有更完善的控制功能和抗干扰能力。系统具有很高的性能价格比

系统CPU根据遥控器或按键输入的命令,对采集到的温度进行智能判断,然后作出相应的制冷、制热或除温运行。再通过接口电路,驱动压缩机、换向阀、风向电机和室内风机作相应动作,并对温度用LED指示。系统的原理框图如图1所示。

1.3软件设计

软件设计采用模拟化处理,主控程序包括以下几个部分:程序的初始化、试运转、数据和信号的采集与处理、温度LED指示、室内风机的闭环积分控制、室内风向电机的步进控制。功能子程序包括制冷、制热、除湿、自动四种运行模式。中断程序包括遥控接收。各种定时的中断查询处理、速度检测等。系统的主控程序流程如图4所示。

1.4硬件设计

1.4.1单片机的选择

系统有3路温度模拟信号输入,还有1路电压和1路电流模拟输入,共5路模拟输入要求;而模拟信号要转换成数字信号才能用单片机CPU处理。为提高系统的性能价格比,应采用含有A/D转换器的单片机。经过各方面的综合比较,我们选用了美国Microchip公司的PIC16C72单片机作为控制核心。它具有5路模拟量输入的A/D转换器,恰好满足系统的模拟输入要求。另外,它在1块芯片上集成了1个8位逻辑运算单元和工作寄存器、2KB程序存储器、128个数据存储器、3个端口(A口、B口、C口)共22条I/O线、3个定时器/计数器。另外,只有35条易学易用而高效的RISC(精简指令集计算机)指令,同时,芯片具看门狗功能,并提供对软件运行出错的保护。

1.4.2模拟输入电路

本系统直接用热敏电阻进行测温,再加一级电容滤波。对外交换温度检测电路,因其干扰较大,特加上二极管限幅保护。对传感器的不同电阻值,将其所对应的不同分压值输入至PIC单片机的A/D转换口,在单片机内部转换成数字信号。该检测电路结构简单,性能价格比高。又因采用的单片机为8位,所以温度转换精度高,可为0.5℃,完全满足了空调的信号检测精度要求。对过流信号的检测,不用经过比较器,节约了资源;而是采用模拟信号整流分压后直接输入,通过单片机自带的A/D转换器,每500μs对其进行一次检测,并进行软件比较,以确认是否过流。对过零电压信号的检测,也是采用模拟信号整流分压后直接输入。因两个半的过零点都要检测,所以用桥式整流。模拟输入电路如图2所示。

1.5单片机控制系统的调试

1.5.1硬件调试

根据设计的原理电路做好实验样机,便进入硬件调试阶段。调试工作的主要任务是排除样机故障,其中包括设计错误和工艺性故障。

1)脱机检查

用万能表或逻辑测试笔逐步按照逻辑图检查机中各器件的电源及各引脚的连接是否正确,检查数据总线、地址总线和控制总线是否有短路等故障。有时为保护芯片,先对各管座的电位(或电源)进行检查,确定其无误后再插入芯片检查。

1.5.2仿真调试

暂时排除目标板的CPU和EPROM,将样机接上仿真机的40芯仿真插头进行调试,调试各部分接口电路是否满足设计要求。这部分工作是一种经验性很强的工作,一般来说,设计制作的样机不可能一次性完好,总是需要调试的。通常的方法是,先编调试软件,逐一检查调试硬件电路系统设计的准确性。其次是调试MONITOR程序,只有MONITOER程序正常工作才可以进行下面的应用软件调试。

1.5.3硬件电路调试的一般顺序

1)检查CPU的时钟电路。通过测试ALE信号,如没有ALE信号,则判断是晶体或CPU故障,这称之为“心脏”检查。

2)检查ABUS/DBUS的分时复用功能的地址锁存是否正常。

3)检查I/O地址分配器。一般是由部分译码或全译码电路构成,如是部分译码设计,则排除地址重叠故障。

4)对扩展的RAM、ROM进行检查调试。一般先后写入55H、AAH,再读出比较,以此判断是否正常。因为这样RAM、ROM的各位均写入过‘0’、‘1’代码。

5)用户级I/O设备调试。如面板、显示、打印、报警等等。

1.5.4软件调试

软件调试根据开发的设备情况可以有以下方法:

1)交叉汇编

用IBMPC/XT机对MCS—51系列单片机程序进行交叉汇编时,可借助IBMPC/XT机的行编辑和屏幕编辑功能,将源程序按规定的格式输入到PC机,生成MCS—51HEX目标代码和LIST文件。

2)用汇编语言

现在有些单片STD工业控制机或者开发系统,可直接使用汇编语言,借助CRT进行汇编语言调试。

3)手工汇编

这种方法是最原始,但又是一种最简捷的调试方法,且不必增加调试设备。这种方法的实质就是对照MCS—51指令编码表,将源程序指令逐条地译成机器码,然后输入到RAM重新进行调试。在进行手工汇编时,要特别注意转移指令、调用指令、查表指令。必须准确无误地计算出操作码、转移地址和相对偏移量,以免出错。

4)以上3种方法调试完成以后,即可通过EPROM写入器,将目标代码写入EPROM中,并将其插至机器的相应插座上,系统便可投入运行。

硬件、软件仿真调试经过硬件、软件单独调试后,即可进入硬件、软件联合仿真调试阶段,找出硬件、软件之间不相匹配的地方,反复修改和调试。实验室调试工作完成以后,即可组装成机器,移至现场进行运行和进一步调试,并根据运行及调试中的问题反复进行修改。

1.5.5调试

单片机控制技术应用越来越广泛,其核心技术是单片机控制系统的设计。对工程技术人员来说,抓住系统的原理构成、软件设计、硬件设计以及系统调试方法的要点是十分必要的。根据工作经验,前面叙述的系统调试方法将会有助于从事这方面工作的技术人员及本专业的学习者。

第2章单片机的空调控制系统技术和量化要求

2.1空调控制系统的数字化控制

(以Infineon的8位单片机C504/C508)为例

2.1.1模糊智能控制

与普通空调的运行方式不同,变频空调的压缩机需要连续运行。其速度调节变得更加重要,要确保室内温度波动限制在较小范围内。事实上永磁直流无刷电机是一个多变量,非线性,强耦合的对象,需要智能控制才能取得比较满意的效果。考虑到8位单片机的资源有限,本系统采用模糊控制来实现电机转速的控制。因为C504/C508的CCU单元的通道0在块交换模式下降了参与电机换相外,还可用来完成捕获动作,故这个通道可以同时用于电机速度检测。系统所用的模糊控制规则如下式:U=αE+(1-α)E式中,E为位速度误差,Ec为速度误差变化率,α为加权系数,在0和1之间取值,U为控制器输出。通过调整加权系数,本系统可以对控制规则进行在线修正。

2.1.2功率变换电路

功率变换电路及其驱动和保护是直流无刷电机调速系统的最核心的部分。功率变换电路主要是整流桥和逆变桥。目前在国内变频空调产品中这部分电路的角色主要是由智能功率模块(IPM)来充当。所谓IPM,就是将功率变换电路,驱动,保护,检测,辅助电源都集成在一个模块内。

2.1.3单片机控制系统中控制算法

(1)直接数字控制

当被控对象的数学模型能够确定时,可采用直接数字控制。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式,它表示系统输入输出及其内部状态之间的关系。一般多用实验的方法测出系统的特性曲线,然后再由此曲线确定出其数学模型。现在经常采用的方法是计算机仿真及计算机辅助设计,由计算机确定出系统的数学模型,因而加快了系统模型的建立。当系统模型建立后,即可选定上述某一种算法,设计数字控制器,并求出差分方程。计算机的主要任务就是按此差分方程计算并输出控制量,进而实现控制。

(2)数字化PID控制

由于被控对象是复杂的,因此并非所有的系统均可求出数学模型,有些即使可以求出来,但由于被控对象环境的影响,许多参数经常变化,因此很难进行直接数字控制。此时最好选用数字化PID(比例积分微分)控制。在PID控制算法中,以位置型和增量型2种PID为基础,根据系统的要求,可对PID控制进行必要的改进。通过各种组合,可以得到更圆满的控制系统,以满足各种不同控制系统的要求。

2.2单片机控制系统的数字化

2.21采用数字化负荷随动控制理论

运用现代化计算机技术、数字化自动控制技术,对中央空调设备运行进行综合、优化;针对中央空调主机和辅机系统运行的工况和末端负荷的变化,采集其瞬间多种变化参数,对负荷进行随动跟踪;自动、准确、及时地对冷冻(温)水泵、冷却水泵、冷却塔风机设备的运行参数进行采集,对系统各设备自动进行实时优化控制,使中央空调主机运行环境得以优化,使得主机工质和辅机系统各种流量跟随末端负荷的变化而同步变化,确保中央空调系统在满足舒适性的前提下,大幅度降低系统的能源消耗。即把负荷运行所不需要的,而系统运行又将会产生的这部分多余的冷量节省下来。

2.22中央空调数字化负荷随动节能控制系统

控制精度高,同频精度和稳定性好,可使中央空调系统节能达到20%以上。该技术、产品在国内、国外处于领先水平,具有高效节能、安全、舒适和方便管理的显著效果。

第3章结论

单片机控制技术应用越来越广泛,其核心技术是单片机控制系统的设计。对工程技术人员来说,抓住系统的原理构成、软件设计、硬件设计以及系统调试方法的要点是十分必要的。随着我国经济实力的增长,开发新产品的思路上过去那种过多注重价格因素而使新产品开发上不了档次的弱点有所改善,开始注意使用当前最先进的单片机开发高档次的产品。由于单片机的开发手段目前仍以仿真器为主,公司能否提供廉价的仿真器,提供方便的技术服务与培训,较之能否提供高性能、低价位的单片机有着同等的重要性。各单片机厂商在开发工具以及技术服务方面也进行着激烈的竞争。这种竞争与推出新型的单片机以显示高技术方面的优势是相辅相成的。竞争的结果是为单片机应用工程师提供更广阔的选择空间,而最终受益的是单片机产品的消费者,由于单片机对各行各业都有用,这种电子技术的进步导致各行各业的进步,也带动了人类文明的进步。

【参考文献】

[1]夏路易,石宗义《电路原理图与电路板设计教程Protel99SE》北京希望电子出版社2002

[2]张义和《ProtelPCB99电路板设计教程》青岛出版社2000

[3]陈杰,黄鸿《传感器与检测技术》高等教育出版社2002

[4]吴金戍,沈庆阳,郭庭吉《8051单片机实践与应用》清华大学出版社2001

[5]张迎新、杜小平、樊桂花、雷道振《单片机初级教程》北京航空航天大学出版社2002

[6]吴金戌、沈庆阳、郭庭吉《8051单片机实践与应用》清华大学出版社2002.

[7]数字电子技术

[8]模拟电子技术

[9]单片机原理机接口技术

[10]赫建国,郑燕,薛延侠.单片机在电子电路设计中的应用.清华大学出版社2006-5

[11]南建辉等.MCS51单片机原理及其应用实例.清华大学出版社2004

[12]李玉峰,倪虹霞.MCS-51系列单片机原理与接口技术.人民邮电出版社2004-5

第5章致谢

本论文设计在()老师的悉心指导和严格要求下业已完成,从课题选择到具体的写作过程,无不凝聚着()老师的心血和汗水,在我的毕业论文写作期间,()老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议,没有这样的帮助和关怀,我不会这么顺利的完成毕业论文。在此向()老师表示深深的感谢和崇高的敬意。

控制系统设计论文篇(2)

1.1传感器系统过程数据的采集

通过氧传感器、转速传感器、进气压力传感器等传感器实现。氧传感器是系统中重要的传感器之一。在空燃比控制系统中,最常见的反馈参数是排气中氧的含量,它直接反映出燃气燃烧之后留下了多少氧气。因为燃烧室内大部分的氧气,或者说所有的氧气均来自于空气,所以排气氧含量是空燃比的直接反映。发动机转速的稳定性对发电机组输出交流电的频率稳定性影响较大,而频率的稳定性又是衡量发电机组输出电能质量的主要指标之一。转速传感器多为磁电式传感器,安装在凸轮轴上,由转速传感器内的永磁体、线圈和发动机飞轮齿轮共同作用产生一个交流电压信号,该信号经采样电阻和放大器处理后,输入到控制器CPU内。

1.2燃气阀及空气阀

燃气阀及空气阀是带步进电机的电动调节阀,也是系统的执行器。控制器利用PWM驱动步进电机,进而调节阀门开度。

1.3空燃比控制器空燃比控制器是空燃比控制的“大脑”。在本系统设计中,空燃比控制器基于DSP处理器设计,由检测电路、空燃比控制电路和通讯接口电路等部分构成。

2空燃比控制策略

在空燃比控制系统中,系统的控制目标是要使稳态下空燃比的平均值在理想值附近,而且在突加突卸负载造成空燃比偏离理想值时,系统能迅速响应,将空燃比控制在理想值附近。

2.1RBF神经网络

整定PID控制策略在工业控制中,PID控制器应用广泛。由于发动机的空燃比受进入气缸的空气量转速、负荷、温度、气体燃料喷射器的响应速度和喷度等多种因素的影响,所以采用PID控制,根据反馈实时调整进气量,使之达到精确控制。人工神经网络是一种在生物神经网络的启示下建立的数据处理模型。其中径向基函数(RBF)模拟了人脑中局部调整相互覆盖接受域的神经网络结构,能以任意精度逼近任意非连续函数,是一种局部逼近网络,收敛速度快。本设计采用并行控制策略来实现发动机空燃比的控制,前馈控制采用RBF神经网络控制器,反馈控制则采用PID控制器。前馈控制及时快速响应,实现发动机的逆动态模型;反馈控制则保证系统的稳定性,抑制干扰信号对系统的扰动。

2.2仿真实验

本文采用MATLAB软件Simulink工具箱进行燃气发电机组空燃比控制系统仿真。燃气发电机组空燃比控制系统采用常规PID控制的仿真,通过对比可以发现:在稳态时,与常规PID相比,并行控制的稳态误差小,空燃比基本能稳定在理论空燃比附近;在动态时,与常规PID相比,并行控制的超调量小,即使在加入干扰的情况下,超调量δp也可控制在20%以内。

控制系统设计论文篇(3)

2温湿度模糊控制器设计

2.1输入与输出变量的模糊化

根据温室大棚的实际状况,以温湿度偏差及其偏差变化率为输入变量,各输入变量的模糊化信息如表1所示。结合研究对象实际情况,既考虑控制规则的灵活性又兼顾简单易行。表1中,4个输入变量模糊集均取为A,A为{NB,NS,ZE,PS,PB};模糊论域均取为B,B为{-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}。模糊控制器的输出控制变量为前窗、天窗、后窗、遮阳帘、通风机、加湿器和加热器。这7个变量均为开关量,只有开和关(0/1)两种状态,分别用符号u1、u2、u3、u4、u5、u6、u7表示这7个变量。

2.2隶属函数的确定

由于三角形隶属度函数在输入值变化时比正态分布或高斯型具有更高的灵活性[6],因此本研究中温湿度偏差与偏差变化率均选取三角形隶属度函数。图4为各输入变量的隶属度函数,选择的模糊集宽度为4。因为宽度过小会造成部分区间空缺,可能找不到相应的控制规则,收敛性不好;宽度过大会造成控制规则的重叠部分过多,相互间影响加大并且响应速度也变慢[7]。根据隶属度函数对输入变量量化为9个等级,其相应的隶属度赋值如表2所示。

2.3模糊控制规则的制定

模糊控制规则的形成实质上是把操作者的经验或专家的知识和经验进行凝练得到的若干条模糊控制规则[8]。经对实际温室控制系统的研究,发现温湿度间存在一定的耦合性,即当通过某一执行机构改变温度(湿度)时湿度(温度)也会发生变化,因此在制定模糊控制规则时就要渗透解耦的思想。基于此,对7种执行机构的开关状态做如下考虑:u1、u2和u3每打开一个设备降温和降湿效果增强一点,但速度较慢;u5开通后其降温和降湿速度明显比u1、u2、u3快;u4降温作用明显,对湿度基本无影响;u6主要起加湿作用,降温为次要作用;u7主要为增温作用,降湿为次要作用。研究中制定了温度与湿度之间、温度变化率与湿度变化率之间的两个模糊控制规则表,在此仅列出温度与湿度之间的模糊控制规则,如表3所示。表3中,U为u1到u7这7个变量的开关状态,开用“1”表示,关用“0”表示。

2.4反模糊化

模糊控制器输出的是模糊语言不同取值的一种组合,由于被控对象只接受一个精确的控制量,因此需要从组合中判决出一个精确的控制量,这也就是反模糊化的过程[9]。常用的判决方法有重心法、最大隶属度法和中位数法等,本研究采用重心法计算模糊控制输出的精确控制量。其具体表达式为u'=∑nj=1ωjμ(ωj)/∑nj=1μ(ωj)(1)其中,n为模糊变量个数,ωj为模糊变量,μ(ωj)是对应模糊变量的隶属度。本系统反模糊化的具体过程:首先温湿度误差或其误差变化率经量化后得到相应的量化等级,根据量化等级查询各个执行机构在控制规则表中对应的控制规则并使其激活。然后,由式(1)计算各个执行机构的输出值,计算结果等于0.5时,执行机构保持原来状态;计算结果大于0.5时,执行机构开;计算结果小于0.5时,执行机构关。基于这种思想,可建立各执行机构的模糊控制查询表,放在内存中,编写相应的PLC程序即可实现模糊控制器对执行机构的实时控制。

3温湿度模糊控制PLC程序设计

温湿度模糊控制PLC程序包括输入量的采样与模糊化程序、量化等级程序、模糊控制查询程序、执行机构控制程序和预警程序等[10],在此仅介绍有关输入采样、误差的计算和模糊控制查询的部分程序。本研究是在STEP7编程环境下完成的模糊控制程序。

3.1输入量采样和ET/EH计算程序

研究中应用的温湿度传感器的变送单元分别取0~50℃、0~100%RH,线性对应电流均为4~20mA,因此在编写PLC程序前需把温湿度的值与PLC中的数字量关系建立起来。具体过程如下:以温度为例,用I表示电流值,T表示温度值,X表示实时温度转换为PLC中的数字量值。由于0~50℃与4~20mA对应,4~20mA又与PLC中的数字量为6400~32000对应,因此可得曲线方程如式(2)与式(3)所示。根据式(4)即可计算0~50℃对应PLC内部的数字量值。如22℃对应数字量值为17664。同理,可求得湿度值与PLC中数字量的对应关系如式(5)所示。其中,H表示湿度。下面以温度为22℃和湿度为70%RH的情况编写相应的PLC程序,70%RH对应的数字量为24320。

3.2模糊控制查询程序

由反模糊化得到的模糊控制查询表实质上是一个9×9的二维数组,存在以VW200开始的81个字单元中。在此把数组的首地址指针设定为VD48,根据(VW20×9+WV18)×2即可计算偏移值,在查询表中定位并把相应值赋予WV28。

4系统实际运行测试

控制系统投入运行后,任选某一天对控制效果进行实际测试。测试时的起始温度和湿度分别为32℃和52%RH,控制设定值分别为22℃和70%RH。对温湿度采样时间间隔均为5min,根据采集数据绘制的曲线如图5所示。由图5可知30min左右时温湿度值均达到设定值,再经10min左右温湿值即达到预设的稳定状态值,达到了较满意的控制效果。控制系统达到稳态的时间可通过增减有关设备进行调节。

控制系统设计论文篇(4)

2系统设计

2.1网关控制芯片的设计

STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8~12倍;内部集成了MAX810专用复位电路、2路PWM、8路高速10位A/D转换(250K/s),针对电机控制,适用于强干扰场合。

2.2节点驱动电路的设计

采用驱动继电器控制电磁阀的方式。为了提高系统的可靠性,采用5V继电器。继电器使用ULN2803驱动,ULN2803使用5V供电,STV12C5A60S2的输出信号经74HC14传输到ULN2803。

2.3传感器的选择

传感器测量部分包括土壤水分、池块温度和池块水位。各部分的选型如下:1)测量池块温度。选用DSl8B20温度传感器,与传统的热敏电阻不同,其可直接将被测温度转换为串行数字信号,供单片机处理。测量温度范围为-55~+125°C,在-10~+85°C范围内精度为±0.5°C,适合于恶劣环境的现场温度测量。2)测量池块水位。选用GB2100A液位传感器,供电范围5~12V,具有信号隔离放大、截频干扰设计及抗干扰能力强等特点。根据寒地水稻控制灌溉技术规范,水稻生育转换期要提前晒田,并在生育期转换问题上提出“时到不等苗苗到不等时”的调控方法。“时到不等苗”,即不管水稻处于哪个生育期(分蘖末期除外),土壤水分到了土壤控制下限则灌水至上限,土壤水分未达到控制下限,不需要灌水;“苗到不等时”即水稻生长发育到分蘖末期,不管土壤水分是否控制到下限,都要及时排水晒田。过了分蘖末期,到了拔节孕穗期,(需水敏感期)则必须灌水至土壤水分上限。因此,采用HS-102STR土壤水分传感器,它是一款基于频域反射原理,利用高频电子技术制造的高精度、高灵敏度的测量土壤水分的传感器,通过测量土壤的介电常数,能直接稳定地反映各种土壤的真实水分含量。

2.4ZigBee网络的设计

ZigBee网络采用TI公司最新一代ZigBeeSOC芯片,芯片供电电压为3.3V,内部已集成了一个8051微处理器与高性能的RF收发器。该芯片在无外加功放情况下通信距离可以达到1600m。采用TI公司的ZigBee2007/PRO协议栈作为开发背景,在IAREmbeddedWorkbench环境下开发。启动网关后允许采集节点与其连接,接收节点的数据信息;然后,数据通过ZigBee传送至网关,网关将其打包成规定的数据帧格式,经由GPRS传送至上位机。

2.5通讯协议

在网关与上位机之间通过GPRS通讯,设计的数据格式参考了常见的Modbus-RTU协议的格式,由设备地址、功能码、数据、结束符组成。采用求和校验方式,即将功能码和数据位的5个字节数据(BIT2-BIT6)相加求和,取低16位写入校验位。设备地址为设定的网关地址,在本设计中定义为4A01,功能码用于区分实现不同的功能,包括继电器控制、读取采集节点数值、读取电池电量等。其中,功能码4B1x用于实现继电器控制,数据位000000表示继电器闭合,FFFFFF表示继电器断开;读取电池电量检测功能码531x,即数据位000000表示电量低,FFFFFF表示电量高;采集传感器数据功能码73xx,即功能码7311代表1号节点的1号温度传感器。例如,上位机发送:4A014B110000005C0D0A,即表示发送继电器1闭合命令。

2.6节点供电电路的设计

对于分散在池块的采集节点,由于距离控制室较远,因此供电采用太阳能电池板与铅蓄电池相结合的方式。在阳光良好、太阳能电池板输出充足的时候,采用太阳能电池板供电,同时对铅蓄电池进行浮充;当太阳能电池板输出不足或者出现故障时,切换到铅蓄电池端,利用电池进行供电。在系统的设计上,采用一只1N5819二极管作为太阳能电池板与铅蓄电池的切换开关:当太阳能电池板输出充足时,则太阳能电池板具有优先权;当太阳能电池板输出不足不能为系统正常供电时,则二极管导通,采用铅蓄电池供电,以保证系统能够连续工作。

2.7系统软件设计

系统软件主要是靠对单片机编程实现。其中,对上位机无线通信时,响应帧在上位机链接单元中自动生成,在单片机中无需用户再编写通信程序。因此,单片机编程主要解决的是现场电磁阀的开启和关闭控制、模拟量的数据的采集和处理,同时也可接收上位机发送的控制指令完成相应的控制操作。系统软件的实现可以让操作员位于监控中心的计算机终端,进行远程手动、半自动和全自动控制,各项操作无需人进行,节省了人力资源,操作的准确性、连贯性比以往得到显著提高,从而大幅度提高了生产效率。

2.8上位机组态程序设计

MCGS是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的、用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标,可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台,使企业能够及时有效地获取信息,及时地做出反应,以获得最优化的结果。MCGS软件具有网络监控、数据采集和处理、趋势曲线、报表输出、动画显示等功能,同时支持多种GPRS模块,能够在灌溉远程控制中发挥其优越性。

3安装调试

本研究选用方正研究院的试验地块,地势较平坦,选取8个下位机基站对水稻内环境进行监测,检验系统的各项性能指标。节点无线通讯模块的天线高度为1.5m,与上位机间距分别为45~55m,每个工作节点下设1个温度传感器、1个液位传感器和1个土壤水分传感器,分别监测池块的温度、水位和土壤水分。

4结果与分析

对系统进行连续7天试验,运行状况良好,当时为水稻分蘖前期。

控制系统设计论文篇(5)

21世纪是信息化的世纪,各种电信和互联网新技术推动了人类文明的巨大进步。数字化家居控制系统的出现使得人们可以通过手机或者互联网在任何时候、任意地点对家中的任意电器(空调、热水器、电饭煲、灯光、音响、DVD录像机)进行远程控制;也可以在下班途中,预先将家中的空调打开、让热水器提前烧好热水、电饭煲煮好香喷喷的米饭……;而这一切的实现都仅仅是轻轻的点几下鼠标,或者打一个简单的电话。此外,该系统还可使家庭具有多途径报警、远程监听、数字留言等多种功能,如果不幸出现某种险情,您和110可以在第一时间获得通知以便进一步采取行动。舒适、时尚的家居生活是社会进步的标志,智能家居系统能够在不改变家中任何家电的情况下,对家里的电器、灯光、电源、家庭环境进行方便地控制,使人们尽享高科技带来的简便而时尚的现代生活。

1系统的总体结构及工作过程

智能家居系统由系统主机、系统分机、Internet服务器和网络接口等部分组成。其中系统主机通过服务器(个人计算机)连入Internet,并通过自己的PSTN公用电话交换网接口电路连入PSTN。其结构图如图1所示。主机与分机通过无线传输组成星形拓扑结构。系统主机通过本地无线传输网络同系统分机进行通讯、传输控制命令和反馈信息。

该系统正常工作时,用户可以通过Internet和PSTN两种网络进行访问,当通过Internet访问时,本系统可提供一个界面友好的终端软件,用户只需登陆到运行在家中的服务器即可对家中的设备进行远程控制;当通过PSTN访问时,本系统将为用户提供语音操作界面。其工作流程如图2所示。

2系统的硬件构成

本系统的硬件主要有系统主机与系统分机两大部分。系统主机由单片机AT89C52和各种接口电路组成,如图3所示。系统分机由单片机AT89C52和各种接口电路、传感器单元电路、固态继电器控制电路组成,并由固态继电器控制具体设备,具体硬件组成框图如图4所示。

通过系统主机的各种接口电路可将主机CPU从繁忙的计算中解脱出来,以便把主要精力运用在控制和信息传递上。系统主机主要依照各个功能电路的输出结果进行逻辑判断和控制命令的输出。系统分机的各种接口电路和主机相似,只是根据设备的不同(传感器单元)有着细节上的变化。下面主要介绍系统主机的各种接口电路。

2.1nRF401无线数据传输电路

无线数据传输电路由Nordic公司的单片UHF无线数据收发芯片nRF401及其电路构成。nRF401采用FSK调制解调技术,其工作效率可达20kbit/s,且有两个频率通道供选择,并且支持低功耗和待机模式。它不用对数据进行曼彻斯特编码,其天线接口设计为差分天线,因而很容易用PCB来实现。

2.2看门狗电路

看门狗电路由MAX813L及其元件组成。通常,在单片机的工作现场,可能有各种干扰源。这些干扰源可能导致程序跑飞、造成死机或者程序不能正常运行。如果不及时恢复或使系统复位,就容易造成损失。看门狗电路的作用就是在程序跑飞或者死机时,能有效地使系统复位以使系统恢复正常运转。因此,在程序中定期给P1.5送入看门狗信号,就可以保证在程序运行异常时,由MAX813L使单片机复位。

2.3DS1307时钟接口电路

DS1307时钟芯片是美国DALLAS公司生产的I2C总线接口实时时钟芯片。DS1307可以独立于CPU工作,它不受晶振和电容等的影响,并且计时准确,月积累误差一般小于10秒。此芯片还具有掉电时钟保护功能,可自动切换到后备电源供电。同时还具有闰年自动调整功能,可以产生秒、分、时、日、月、年等数据,并将其保存在具有掉电保护功能的时间寄存器内,以便CPU根据需要对其进行读出或写入。由于单片机AT89C52没有I2C总线接口,因此,要驱动DS1307,就必须采用单主机方式下的I2C总线虚拟技术。在此方式下,以单片机为主节点(主器件),主器件永远占有总线而不出现总线竞争,且可以用两根I/O口线来虚拟I2C总线接口。I2C总线上的主器件(单片机)可在时钟线(SDL)上产生时钟脉冲,在数据线(SDA)上产生寻址信号、开始条件、停止条件以及建立数据传输的器件。任何被选中的器件都将被主器件看成是从器件。在这里,DS1307作为I2C总线的从器件。I2C总线为同步串行数据传输总线,其内部为双向传输电路,端口输出为开漏结构,因此,需加上拉电阻。

2.4MT8880C双音频编解码电路

由于单片机是通过MT8880C芯片得到PSTN网络的双音频信号解码输出,也就是说,单片机可以识别来自PSTN网络的控制信号,用户可以根据系统的语音提示进行按键选择以实现用户身份的识别与远程控制。因此,利用MT8880C的双音频编码功能,系统可以在紧急时刻将用户预置的紧急电话打到PSTN网络,从而把损失减少到最低。

2.5ISD4004语音录放电路

ISD4004是美国ISD公司生产的一种语音录放芯片。它可录制8~16分钟的语音信号。该芯片可提供SPI标准接口和单片机进行接口,其语音的录放控制均通过单片机来实现。该芯片的一个最大特点是可以按地址编程录放,因而可由ISD4004和单片机编程控制来构成本系统与PSTN网络用户的语音平台。由于ISD4004的INT和RAC脚输出为开漏结构,因此需要加上拉电阻。

2.6MAX202串行通讯电路

通讯电路可由串行通讯专用芯片MAX202组成,通过此电路可以方便地与PC机进行串行通讯。

2.7铃流检测与摘挂机控制电路

当系统被呼叫时,电话交换机发出铃流信号。振铃为25±3V的正弦波,失真小于10%,电压有效值为90±15V。振铃信号以5秒为周期,即1秒送,4秒断。由于振铃信号电压比较高,所以先要通过高压稳压二极管进行降压,然后输入至光耦。再经光耦隔离转换后,从光耦输出时通时断的正弦波,最后经RC回路进行滤波以输出标准的方波。该方波信号可以直接输出至单片机的定时器1进行计数,以实现对铃流的检测。

由于程控电话交换机在电话摘机时电话线回路电流会突然变大(约30mA),因此,交换机检测到回路电流变大就认为电话机已经摘机。自动摘挂机电路可以通过单片机的P1.7来控制一个固态继电器,固态继电器的控制端应连接一个大约300Ω的电阻后再接入电话线两端,从而完成模拟摘挂机。

3系统软件编制

本系统软件主要由系统主机和系统分机的C51程序和系统与Internet网络通讯程序组成。

3.1系统主机程序的编制

系统主机程序主要用于实现系统的总体功能。包括无线数据传输程序、看门狗程序、时间戳程序、双音频编解码程序、语音录放程序、串行通讯程序、铃流检测与摘挂机控制程序、系统初始化程序、意外事件处理程序等。程序编制以消息驱动为主导思想。消息由计数器中断1、外部中断0和串行中断产生,在中断服务程序中,应将相应的状态位置位,而在消息循环中则应按相应的状态位调用功能函数,然后由功能函数将相应的状态位清0并完成所需功能,并最后返回到消息循环中。其程序流程如图5所示。该系统的分机程序和主机类似,故此不再详述。

3.2系统与Internet网络通讯程序的编制

这部分通讯程序分为服务器和客户端两个程序,主要通过Internet网络完成用户的控制功能。

服务器程序主要完成客户端与系统主机通讯的中转,即将客户端发来的控制或者查询命令翻译成系统主机能识别的格式,或者将系统主机收到的报警等信息上传到客户端。服务器程序使用Socket与客户端进行Internet通讯。

控制系统设计论文篇(6)

长期以来,粉体的计量装置及控制系统在化工"制药"食品行业!以及军事工业等领域都有着广泛的应用,由于实际情况的不同!对计量及加料装置的精密程度的要求也不相同,例如在制药业中!出于对病人生命安全的考虑!对药量的控制非常严格!这就要求有一套非常精密而且可靠的系统!来完成药粉的添加和计量,在军事工业。

并能在输送过程中起到掺和拌匀物料的作用!因此应用在本系统中是非常适合的,在本设计中传统的螺杆经过改造!镂空了原有的螺杆!只留下类似弹簧状的螺棱!这样做的好处是避免了由于加料的不均!在狭窄的螺槽中可能带来的粉末被挤压成块状!导致粉末输送的不均匀性,其基本组成,电控部分采用为核心。驱动步进电机转动,利用带输出接口的电子天平测量粉体质量!并实时反馈给以调节步进电机的转速!当粉体的质量达到要求时!步进电机暂停,完成粉体质量的输送,各部分装置如下采用型为主机,其特点是外形小巧,功能强大可根据本系统的要求添加,通信板与电子天平进行通信电子天平采用上海精天电子仪器有限公司型精密电子天平主要参数如下,称量范围精度输出接口电源,称盘尺寸步进电机采用型两相混合式步进电机,其驱动电压为,既可以与专门的驱动器配合使用。

计量加料装置也可以作为弹药装填控制系统的一部分!精密控制火药的用量$本设计正是考虑到了精密计量这一关键问题!采用先进的,控制手段!配合精密的螺旋输送设备,力求达到最小的误差!最佳的效果,系统组成及工作原理本系统的基本组成如图,所示,下面从机械和电控两方面进行阐述,机械部分以螺旋输送器为主体!螺旋输送是固体物料输送的一种重要方式!它主要依靠螺杆自身的旋转将物料输送出去!由于螺旋是连续的!故可实现输送的连续性,螺旋输送器可以输送粮食饲料铁粉等颗粒或粉状物料!推荐阅读:计算机应用型教育教学方法研究毕业论文

步进电机的输出为两相四线,我们采用半步工作方式所以绕组的通电顺序为正转反转,对于驱动步进电机所需的时钟脉冲"可以采用定时器产生并控制脉冲的频率,也可以利用内部的特殊辅助继电器产生时钟脉冲比如的时钟脉冲。

也可以直接接在,的输出端,利用软件编程分配脉冲的方法来直接驱动步进电机,电控部分接线图及部分程序利用软件编程分配脉冲的方法来直接驱动步进电机的接线。

用于的通信板=可连接到系列可编程控制器的主单元,并可在设备之间进行数据传输,本系统就是通过在电子天平与之间进行数据通信的关于控制系统的流程图和部分程序图。

控制系统设计论文篇(7)

发泡机是利用塑料颗粒作为发泡包装的原料,可以对精密仪器、电子类产品、工艺品、插花等多类怕震、怕压的产品进行现场的发泡包装。发泡机作为一种机电一体化产品,在现代工业生产的自动化控制中占有重要的地位。高压发泡机广泛用在各种行业,可用于汽车装饰、保温墙喷涂、保温管道制造、自行车和摩托车车座海绵的加工等等。

控制系统设计论文篇(8)

PMM8713是专用的步进电机的步进脉冲产生芯片,它适用于三相和四相步进电机。如图1所示PMM8713的引脚,Cu为加脉冲输入端,它使步进电机正转,Cp为减脉冲输入端,它使步进电机反转,Ck

为脉冲输入端,当脉冲加入此引脚时,Cu和Cp应接地,正反转由U/D的电平控制,EA和EB用来选择励磁方式的,可以选择的方式有一相励磁、二相励磁和一二相励磁,ΦC用来选择三、四相步进电机,Vss为芯片工作地,R为芯片复位端,Φ4~Φ1为四相步进

脉冲输出端,Φ3~Φ1为三相步进脉冲输出端,Em为励磁监视端,Co为输入脉冲监视端,VDD为芯片的工作电源(+4~+18V).其具体的原理框图如4-3-4所示:

4.4显示电路与键盘的选择

显示电路的用8279芯片来驱动,8279芯片分别接两排显示器,每排为4位显示,分别用来显示步进电机的实际转速与给定转速。

8279与CPU的连接框图如4-11所示:

8279芯片的具体介绍如下;

1)DB0~DB7:双向数据总线。在CPU于827数据与命令的传送。

2)CLK:8279的系统时钟,100KHZ为最佳选择。

3)RESET:复位输入线,高电平有效。当RESET输入端出现高电平时,8279被初始复位。

4)/CS:片选信号。低电平使能,使能时可将命令写入8279或读取8279的数据。

5)A0:用于区分信息的特性。当A0=1时,CPU向8279写入命令或读取8279的状态;当A0为0时,读写一数据。

6)/RD:读取控制线。/RD=0,8279会送数据至外部总线。

7)/WR:写入控制线。/WR=0,8279会从外部总线捕捉数据。

8)IRQ:中断请求输出线,高电平有效。当FIFORAM缓冲器中存有键盘上闭合键的键码时,IRQ线升高,向CPU请求中断,当CPU将缓冲器中的输入键数的数据全部读取时,中断请求线下降为低电平。

9)L0~SL3:扫描输出线,用于对键盘显示器扫描。可以是编码模式(16对1)或译码模式(4对1)。

10)~RL7:反馈输入线,由内部拉高电阻拉成高电平,也可由键盘上按键拉成低电平。

11)FT、CNTL/STB:控制键输入线,由内部拉高电阻拉成高电平,也可由外部控制按键拉成低电平。

12)TB0~3、OUTA0~3:显示段数据输出线,可分别作为两个半字节输出,也可作为8位段数据输出口,此时OUTB0为最低位,OUTA3位最高位。

13)消隐输出线,低电平有效。当显示器切换时或使用消隐命令时,将显示消隐。具体芯片理框图如4-4-1所示:

键盘的连接一般有两种方式,一种是独立式键盘;一种是行列式键盘。独立式键盘就是各个键相互独立,每个键盘接一根输入线,通过检测输入线的电平状态来确定那个键按下。这种键盘的输入线较多,结构复杂,一般适用于按键较少操作速度较高的场合。而行列式键盘是由行和列线交义组成,一般用于按键较多的场合。本次设计一共用9个键因此采用行列式键盘。具体的原理图如4-4-2所示:

图4-4-2键盘连接图

显示电路的选择

显示电路选用两排LED显示,每排分别为四位。能满足设计的要求,转速范围为0至1000。LED显示电路有两种接法,一种为共阴极,一种为共阳极。原理图如4-14所示:

4.5反馈电路的选择

应选用光电编码器作为反馈元件,光电编码器与步进电机是同轴的输出经过放大送到计算机。并通过显示器显示出步进电机的实际转速。关于光电编码器的说明如下;

4.5.1光电编码器原理

光电编码器,是一种通过光电转换将位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器,光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴,电动机旋转时,光栅盘与电动机同速旋转,经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号,其原理示意图如图1所示;通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

图4-5-1光电编码器的原理图

根据检测原理,编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式,可分为增量式、绝对式以及混合式三种。

本次设计用绝对式编码器其原理如下:

绝对编码器是直接输出数字量的传感器,它的圆形码盘上沿径向有若干同心磁道,每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成,相邻码道的扇区数目是双倍关系,码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数,在码盘的一侧是光源,另一侧对应每一码道有一光敏元件;当码盘处于不同位置时,各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号,形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器,在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然,码道越多,分辨率就越高,对于一个具有N位二进制分辨率的编码器,其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制(格雷码)方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形,绝对编码器可有若干编码,根据读出码盘上的编码,检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点如下:

1)可以直接读出角度坐标的绝对值;

2)没有累积误差;

3)电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的,也就是说精度取决于位数,目前有10位、14位等多种。

4.6电源电路设计

本次设计用了+5V、+12V电源,采用的是78系列的集成固定三端稳压管。78系列集成稳压器输出稳定,漂移小,精度也比较高。其内部也有完善的保护电路。它有风部过流保护,保证输出电流部会超出最大允许值;它有内部热保护电路,如果输出管的结温达到允许的最大值,它会知道减小输出电流;它内部还有工作区限制电路。使稳压器的工作台不进入不安全区。因此,它的可靠性高。另外,它只有三条引脚,移位输入,移位输出,移位公共端,使用起来很简单。

1.变压

电源变压器将220V的交流电压变为所需的交流电压值。因为在整流、滤波和稳压电路中有一定的压降,所以要使输出电压比所需电压高2V~3V。

2.整流

整流电路将交流电压变为脉冲的直流电压,常用的整流电路有单相半波,全波,桥式和倍压整流电路。这里采用单相桥式不可控整流电路。

3.滤波

滤波电路用于滤去整流输出电压中的波纹,一般由电抗元件组成。如要负载两端并联电容或与负载串联电感L。以及C和L组合而成的各种复式滤波电路。因为电容滤波电路简单,负载直流电压较高,波纹较小,所以我们采用的是电容式滤波。

4.稳压

稳压的作用电当电网电压波动,负载和温度变化时,维持输出直流电压的稳定。本设计采用三端集成稳压器,常用的是7800系列和7900系列。前者是三端固定正输出集成稳压器,后者是三端固定负输出极集成稳压器,整流后的输出波形与纯直流相差甚远,须经滤波才能作直流电源用。最常用的元件是电容。整流输出的电压升高时,输出的电流一面供给负载应用,一面给滤波电容充电。当整流输出电压开始下降时,电容向负载放电以维持输出电压,总的输出电压波形就平滑得多。

下面以电源+12V为例介绍一下电路的工作原理:

图4.6+12电源电路图

220V,50HZ的交流电压变压后,输出+15V左右的交流电压其频率仍为50HZ,交流信号经桥式整流电路进行全波整流,然后,经电解电容滤波。最后,经CW7805(三端固定稳压器)输出的便是一个平稳的+12V的直流电压信号。电容C4和C5的作用是滤高频波和抑制自激振荡。

4.7抗干扰设计

由于系统中不可避免会从外界引入干扰,影响系统的控制精度,使系统的稳定性变差,故采用了硬件和软件抗干扰措施。

1.干扰对微机的作用可分为四部分:

①输入系统:它使模拟信号失真,输入数据信号出错。

②输出系统:使各输出信号混乱,不能反映微机系统的真实输出量。从而导致一系列严重的后果,同时,还把现场的高电压设备与主机隔离,防止出现高频干扰现象。

③微机控制的内核,使三总线上的数据信号混乱,CPU得到错误的数据信息,使运算操作数失真。

④电源系统:我们设计所采用的芯片都由直流稳压电源供电。这些直流稳压电源都是由220伏转化而来,有可能产生波动现象。使电源的压降上升或下降,对主机运行产生干扰。

2.本次设计采用的硬件抗干扰措施有:

①在电路排列方面,模拟电路和数字电路之间集中在一起,器件之间尽量缩短距离减小寄生电容。

②在线路设计中,将所有器件的模拟地线和数字地线都区分开,两者的地线不要混乱,分别与电源地线相连。

③电源系统的干扰大部分是高次谐波,然后接稳压器件,以保持电源稳定。

④采用分散独立功能模块供电,在每块系统功能模块上用集成三端固定稳压器如7805、7812、7815、7915等稳压源,而且也减少了公共阻抗的相互耦合,大大提高了供电的可靠性。

3.程序监视系统中的抗干扰(电源部分)

WATCHDOG本身能独立工作,基本上不依赖于CPU,当电源受干扰而掉电时,WATCHDOG自动产生中断。使CPU备用电源起作用,对CPU正在执行的数据进行保护。

4.8看门狗电路

工业环境中的干扰大多是以窄脉冲的形式出现,而最终造成系统故障的多数现象为“死机”。究其原因是CPU在执行某条指令时受干扰的冲击,使它的操作码或地址码发生改变,致使该条指令出错。这时,CPU执行随机拼写的指令,甚至将操作数作为操作码执行,导致程序“跑飞”或进入“死循环”。为使这种“跑飞”或进入“死循环”的程序自动恢复,重新正常工作,就是看门狗。若程序发生“死机”,则看门狗电路产生复位信号,引导单片机程序重新进入正常运行。

此外,工业现场由于诸多大型用电设备的投入或撤出电网运行,往往造成系统的电源电压不稳定,当电源电压降低或掉电时,会造成重要的数据丢失,系统不能正常运行。若设法在电源电压降至一定的限值之前,单片机快速的保存重要数据,将会最大限度地减少损失。在掉电方式下单片机内所有运行状态均被停止,只有片内RAM和SFR中的数据被保存起来。在单片机系统可借助于一定的外部附加电路监测电源电压,并在电源发生故障时及时通知单片机(本次设计是通过引发INT0中断来实现的)快速保存重要数据,使电源恢复正常,取消掉电方式,通过复位单片机,使系统重新正常。

4.8.1MAX813L功能简介

MAX813L是美国MAXIM公司推出的微处理机系统监控集成芯片,该芯片的价格低,减少了器件个数,所构成的电路性能更可靠,MAX813L提供如下四种功能:

1.上电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出,复位脉冲宽度典型值为200MS。

2.独立的看门狗输出。如果看门狗在1.6S内未被触发,其输出将变为低电平。

3.1.25V门限值检测器,用于电源故障报警、电池低电压检测或+5V以外的电源的监控间[6]。

4.低电平有效的手动复位输入。

4.8.2看门狗电路各引脚功能

1.手动复位输入端(MR):当该端输入低电压保持140ms以上,MAX813L就输出复位信号。输入端的最小输入脉冲宽要求可以有效的消除开关的抖动。

2.工作电源端(VCC):接+5V电源。

3.电源接地端(GND):接0V参考电平。

4.电源故障输入端(PFI):当该端输入电压低于1.25V时,5号引脚输出端的信号有高电平变为低电平。

5.电源故障输出端(PFO):电源正常时,保持高电平,电源电压变低或掉电时,输出由高电平变为低电平。

6.看门狗信号输入端(WDI):程序正常运行时,必须在小于1.6s的时间间隔内向该输入端发送一个脉冲信号,以清除芯片内部的看门狗定时器。若超过1.6s该输入端收不到脉冲信号,则内部定时器溢出,8号引脚由高电平变为低电平。

7.复位信号输出端(RST):上电时,自动产生200ms的复位脉冲:手动复位端输入低电平时,该端也产生复位脉冲。

8.看门狗信号输出端(WDO):正常工作使输出保持高电平,当WDI端在1.6S接收不到信号时,该端输出信号由高电平变为低电平。

如图5-6给出了MAX813L在单片机系统中的应用电路图。此电路可以实现上电,瞬时掉电以及程序运行实现“死机”时的自动复位和随时的手动复位;并且可以实时的监视电源故障,以便及时地保存数据[6]。

本电路巧妙的利用了MAX813L的手动复位输入端。只要程序一旦跑飞引起程序“死机”,WDO端电平由高到低,当/WDO变低超过140ms,将引起MAX813L产生一个200ms的复位脉冲(本次设计中将MAX813L的RET端同时8031、8155的复位端RESET相连,使之同时复位)。同时使看门狗定时器清0和使引脚变成高电平。也可以随时使用手动复位按钮使MAX813L产生复位脉冲,由于为了产生复位脉冲端要求低电平至少保持140ms以上,故可以有效的消除开关抖动。

该电路可以实时的监控电源故障(如掉电、电压降低)。图5-6中R1的一端接未经稳定的直流电源。电源正常时,确保R2上的电压高于1.6V。当电源发生故障,PFI输入端的电平低于1.25V时,电源故障输出端电平由高变低,引起单片机中断,CPU中断相应服务程序,保护数据,断开外部用电电路等。

第5章算法的设计:

算法对于步进电机调速系统设计是一个相当重在的环节,因为只有确定了算法之后才能对步进电机的速度进行准确的控制,并时也能达到精确的调速目的。同时算法也是编写软件的前提与基础。控制算法有多种,常用的两种算法是PID和模糊控制算法。

PID控制与模糊控制是两种常用的控制方法,但它们还存在一些不足,如一般PID控制容易产生超调、模糊控制的稳态精度不高,在这两种控制方法基础上进行改进,可产生多种更好的控制方法。本文采用的复合PID控制算法和带动态补偿的模糊控制算法克服了以上缺陷,取得了较好的实验效果。

5.1PID控制算法

PID调节的实质就是根据输入的偏差值,按比例、积分、微分的函数关系,进行运算,将其运算结果用以输出控制,将基本PID算式离散化可得到位置型PID控制算法,对位置型PID进行变换可得到增量型PID控制算法。对控制精度要求较高的系统一般采用位置型算法,而在以步进电机或多圈电位器做执行器件的系统中,则采用增量型算法。

PID是一种工业控制过程中应用较为广泛的一种控制算法,它具有原理简单,易于实现,稳定性好,适用范围广,控制参数易于整定等优点。PID控制不需了解被控对象的数学模型,只要根据经验调整控制器参数,便可获得满意的结果。其不足之处是对被控参数的变化比较敏感。但是通过软件编程方法实现PID控制,可以灵活地调整参数。,尽管近年来出现了很多先进的控制算法,但PID控制仍然以其独有的特点在工业控制过程中具有相当大的比重,且控制效果相当令人满意。

连续PID控制器也称比例-积分-微分控制器,即过程控制是按误差的比例(P-ProportionAl)、积分(I-IntegrAl)和微分(D-DerivAtive)对系统进行控制,其系统原理框图如图5-1所示:

它的控制规律的数学模型如下:

\*MERGEFORMAT\*MERGEFORMAT(5-1)

或写成传递函数形式:

\*MERGEFORMAT(5-2)

式中,e(t):调节器输入函数,即给定量与输出量的偏u(t):调节器输出函数。

Kp:比例系数;

T:积分时间常数;

T:微分时间常数。

将式(2-1)展开,调节器输出函数可分成比例部分、积分部分和微分部分,它们分别是:

⑴比例部分比例部分的数学表达式是\*MERGEFORMAT,p在比例部分中,Kp是比例系数,Kp越大,可以使系统的过渡过程越快,迅速消除静误差;但Kp过大,易使系统超调,产生振荡,导致不稳定。因此,此比例系数应选择合适,才能达到使系统的过渡过程时间短而稳定的效果。

图为比例调节器

(5-3)

比例调节器

其中:U控制器的输出

\*MERGEFORMAT比例系数

控制系统设计论文篇(9)

2、系统硬件设计

PAS200冗余控制系统中控制器硬件由电源卡件、控制器卡件、通信卡件、底座等4部分组成。其中,控制器卡件架构如图2所示,其采用AMDGeodeLXProcessor高性能、低功耗嵌入式专用处理器,主频500MHz,在板包含DMA控制器、中断控制器、定时器、实时时钟、256MDDR内存。外部接口有2个串口、3个10/100M自适应网口。其设计充分考虑了恶劣环境下的应用,采取了多种措施,确保系统在各种应用环境中均能稳定、可靠、高效的运行。它采用工业级器件,高智能布线系统,运用防静电及抗干扰电路,尽可能的降低了功耗,提高了可靠性及宽温操作能力。

3、控制器冗余

3.1主从冗余分配

PAS200冗余控制系统中的冗余控制器包括一个主控制器和一个从控制器。主从控制器角色的分配按控制器冗余上电启动两种可能出现的情况进行。一种是两个系统同时上电;在上电后,两个系统将通过同步通道发送信息来相互检测。在一个可配置的时间内一个系统检测到另一个系统,另一个系统回复并且在各自的日期和IEC程序的有效性的基础上,两个系统将协商他们的角色(主或从)。协商首先是根据操作站的联机信息进行主从分配,失败之后再根据自定义条件进行分配。如果必要会建立一个从主系统到从系统的IEC程序同步。然后,两个系统将运行此IEC程序。另一种是一个系统正在运行且另一个系统上电,此情况出现在一个系统掉电并重启的时候。当前,一个系统运行在独立模式且另一个系统上电。已经在运行中的系统成为主系统,上电系统将与主系统程序同步并成为从系统。主系统将在两个任务执行间隙短暂停止,与从系统同步数据。然后,两个系统都执行IEC程序同步。

3.2主从冗余实时通道

PAS200冗余控制系统中的两个控制器都基于Linux+RTAI+RTnet软件平台运行实时系统,并且通过一个实时同步通道同步。实时同步通道基于RTnet实时以太网实现。RTnet是一个基于RTAI的实时网络子系统,其利用标准以太网的硬件设备,支持常用的网络接口控制芯片组,实现了时间确定性的UDP/IP、ICMP和ARP协议,为实时系统的开发提供了一个稳定、实时性高的软件开发平台。这样,通过RTAI及其之上的RTnet就构建了一个实时通道在主从进行数据传输。两个完全相同的控制器并行运行,假设一个系统出现故障,那么另一个系统可以接管,接管使得两个系统紧密的同步在一起。另一个通信通道用于同步实时系统间的时钟源,使两个系统上的调度程序可以选择相同的任务来运行。

3.3主从冗余同步

冗余控制器同步按内容主要划分为任务同步、IEC程序同步、数据同步、时钟同步、RS485通信同步几大部分。其中,任务同步是由主系统的调度程序开始,任务号和全局变量数据发送到从系统;从系统响应一条回复信息;当一个任务完成后,第二个任务同步开始执行。而在RS485通信同步点主系统和从系统都需等待他们的触发信息,此触发信息来自在达到同步点后的主系统。当从系统达到RS485通信同步点后,如果不能收到来自主系统的同步信息,从系统将检测系统状态是否发生变化,如果系统状态未发生变化则报错。当主系统达到RS485通信同步点后,如果不能收到来自从系统的同步信息,主系统记录错误并正常通信。

4、RS485通信冗余

控制器通信扩展卡上有两路RS485通信,系统启动阶段通过诊断获取两路RS485通信状态。如果主控制器上两路RS485均能正常通信。主控制器则选择其中一路RS485作为通信链路,另一路RS485作为诊断链路;从控制器两路RS485都进行监听。如果主控制器上一路RS485能正常通信,另一路RS485不能正常通信。主控制器以能正常通信的那路RS485作为通信链路;从控制器两路RS485都进行监听。如果主控制器上两路RS485均不能正常通信,且从控制器上RS485能正常通信,则主从控制器进行切换。运行阶段,如果主控制器两路RS485通信正常工作,从控制器两路RS485通信就监听。如果主控制器通信链路失败且另一路诊断成功,则切换诊断为通信链路。如果主控制器通信链路失败,另一路诊断失败,且从控制器监听成功,则主从切换。

控制系统设计论文篇(10)

2电话远程控制系统的体系结构

电话远程控制系统接收远端发送来的DTMF信号,并对其进行解码,解码后的信号再由中央处理单元采集处理;为了方便用户使用,系统设计了语音提示界面;电话远程控制系统一般工作在元人值守环境,所以应具有自动离线、上线、复位功能;为了符合智能化要求,系统采用80日作为中央处理器.同时,电话远程控制系统正常工作还需电源供电电路、驱动电路等辅助电路.智能电话远程控制系统的体系结构如图2所示.

可以看出,系统主要由DTMF音频解码电路、语音提示电路、离线/上线/复位电路、中央处理单元、驱动电路、电源电路等组成.

3各部分电路及工作原理

3.1中央控制电路

中央控制电路的主要功能是接收铃流检测电路和DTMF解码电路的中断信号,发送对上线/离线/复位电路和受控设备的控制信号,对语音录放电路进行寻址操作,接收DTMF解码电路的四位二进制数据(见图2).

3.2DTMF音频解码电路

DTMF(DualToneMultiFrequency)双音多频信号解码电路是目前在按键电话(固定电话、移动电话)、程控交换机及无线通信设备中广泛应用的集成电路.它包括DTMF发送器与DTMF接受器,前者主要应用于按键电话作双音频信号发送器,发送一组双音多频信号,从而实现音频拨号.双音多频信号是一组由高频信号与低频信号叠加而成的组合信号,CCITT和我国国家标准都规定了电话键盘按键与双音多频信号的对应关系如表所示.

表电话拨号数字对应的高低频率组合关系

电话远程控制系统采用MITEL公司生产的MT8870DTMF接受器作为DTMF信号的解码核心器件.MT8870主要用于程控交换机、遥控、无线通信及通播系统,实现DTMF信号的分离滤波和译码功能,输出相应16种频率组合的四位并行二进制码.MT8870具有拨号音抑制和模拟信号输入可调功能,所以在设计MT8870DTMF解码电路时,只需外加一些阻容元件即可.DTMF解码电路如图3所示.

远端用户发送的DTMF信号,经搞合电容的隔直流作用后,由MT8870接收并进行译码,输出的四位并行二进制数据直接与8051单片机的P0.0~P0.3连接,MT8870在DTMF信号码变换完成后,由CID端发送中断信号INT1,通知8051数据准备好.

3.3语音提示电路

电话远程控制系统利用语音提示电路实现用户和系统的交流.语音提示电路预先存储若干段系统提示音,8051中央处理单元电路判断用户发送的DTMF信号后,对语音提示电路进行寻址,播放相应的提示音,从而向用户反馈信息提示下一步该如何操作.

本系统选用美国ISD公司的ISD2590单片语音录放集成电路作为语音提示电路的核心部分.ISD2590采用E2PROM存储器,信息可永久保存,零功能存储;它还采用了DA盯直接模拟量存储技术,因而能较好地保留语音信息中的有效成分,提高录放音的清晰度.ISD2590可以存储长达90s的语音,能够实现1~600段语音分段,每段录放音均有一个起始端,该起始端地址选择由A0~A9确定.ISD2590的电路也非常简单,只需少许阻容元件即可,并且它易与单片机接口,实现分段寻址功能.ISD2590的内部功能如图4所示.

系统在接收远端用户发送的DTMF信号以后,根据软件设定,对语音电路进行寻址放音.例如系统收到用户发出的"1234'''',用户密码信号时,若密码正确,则寻址播放语音提示"密码正确",否则,寻址播放语音提示"密码错误".需要提出的是,ISD2590".只有A0~A910根地址线,显然不能对480K模拟存储阵列直接寻址,从图4可以知道,ISD2590的地址线是先经过解码器解码后再对480K模拟存储阵列进行寻址的.

3.4系统上线/离线/复位电路

当DTMF信号解码电路及语音提示电路与用户电话线连通时,我们称系统处于上线(Odine)状态;反之,当DTMF信号解码电路及语音提示电路与用户电话线断开时,我们称系统处于离线(Offline)状态.只有在电话远程控制系统工作时,系统才应处于上线状态.这样做的目的是避免用户呼叫系统时的高压振铃信号(可达120VMS)及线路上其他高压噪声对DTMF信号解码电路及语音提示电路产生危害.上线/离线/复位功能的实现,也是由系统硬件电路和软件共同实现的.

3.4.1系统上线电路

系统上线电路的功能是检测程控交换机发送的振铃铃流信号,然后通过中断方式通知8051单片机,根据软件设定,闭合系统上线/离线/复位开关电路,开启UrMF信号解码电路和语音提示电路与电话用户线的连接.上线电路的主要部分是铃流检测电路.铃流信号是当远端用户呼叫电话远程控制系统时,由程控交换机向电话远程控制系统发送的控制信令.系统采用TCA3385芯片作为铃流检测电路的核心部件.TCA3385是一种性能稳定的振铃信号转换、检测器件,常用于电话机、应答器等仪器仪表.它的PDO端(如图5)是振铃检测输出端,在振铃信号稳定后,此端会变为高电平输出.RDO端可直接与8051单片机相连,作为8051的中断信号INT0.TCA3385的内部功能及外部电路如图5所示.

当电话远程控制系统处于离线状态时,只有铃流检测电路与用户电话线相连,而TCA3385能承受较高电压的冲击,保证了系统的完全稳定性.

3.4.2离线/复位电路

用户对电话远程控制系统操作完成后,发出结束命令,8051单片机断开系统上线/离线/复位开关电路,系统离线.如果用户出现误操作或忘记发送结束命令时,系统根据软件设定,断开系统上线/离线/复位开关电路,使系统离线,并初始化软件设定.

3.5驱动电路

电话远程控制系统对受控设备的控制,要通过8051单片机对继电器的闭合才能实现,因此,在8051单片机与继电器之间必须设置一个继电器驱动电路.本系统采用摩托罗拉公司的MC1413,来关闭与开启继电器开关(图6).

4系统软件

如何利用有限的16种DTMF信号实现多样的系统控制功能,是系统成功与否的关键,借助于软件编程,系统可以对16种DTMF信号的任意组合进行解释,从而大大丰富了系统功能.系统软件的流程结构并不复杂,这里只介绍系统软件主要功能要求:

(1)系统身份认证功能为了保证只有合法用户才能操作系统,电话远程控制系统上线以后,用户必须输入密码,待系统确认后才具有对系统的操作权限.

(2)用户信令解释功能对收到的用户信号,系统按照软件设定加以解释,并决定对语音提示电路寻址,播放相应的系统提示音,实现用户和电话远程控制系统间的交互操作,或者对外部受控设备发出相应的驱动信号.

(3)软件定时功能系统软件设定系统自动复位的软件定时器,定时器的设置值规定了系统一次上线工作的最大时间.若一次工作超时,系统自动离线,进入待机状态.

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