談單片機(jī)的過程控制綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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摘要:以STCl2C5A60S2單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于單片機(jī)的低成本過程控制綜合實(shí)驗(yàn)，闡述了過程控制綜合實(shí)驗(yàn)整體設(shè)計(jì)，及單片機(jī)控制板各個(gè)功能的硬件設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn)進(jìn)行了描述。實(shí)踐表明，通過綜合實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，讓學(xué)生從底層設(shè)計(jì)并實(shí)踐反饋控制系統(tǒng)，強(qiáng)化和提高了學(xué)生的動(dòng)手能力與綜合實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);單片機(jī);過程控制;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“過程控制”“計(jì)算機(jī)控制”“微機(jī)原理”和“檢測(cè)技術(shù)”是我院自動(dòng)化專業(yè)的必修課程，是理論性、設(shè)計(jì)性、實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)方向課，與實(shí)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(shí)驗(yàn)都是針對(duì)本門課程的內(nèi)容進(jìn)行，還有很多是演示實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)。在實(shí)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，因此在教學(xué)過程中應(yīng)將控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和實(shí)際計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合，通過理論知識(shí)與實(shí)踐活動(dòng)的有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)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(dòng)化實(shí)驗(yàn)室開設(shè)了自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)，從控制器設(shè)計(jì)開始，每一步都由學(xué)生獨(dú)立完成，實(shí)現(xiàn)水箱液位控制。學(xué)生要完成設(shè)計(jì)單片機(jī)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(jì)上位機(jī)監(jiān)控畫面等內(nèi)容。從學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果看，學(xué)生完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)后，提高了學(xué)習(xí)興趣與實(shí)踐技能，對(duì)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(duì)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(cè)量水箱水位值，將當(dāng)前水位反饋到單片機(jī)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(jī)運(yùn)行組態(tài)軟件，與單片機(jī)控制器通信，可以動(dòng)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(jī)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(jī)采用宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)STCl2C5A60S2/AD，該單片機(jī)優(yōu)點(diǎn)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(jī)運(yùn)行，這樣可省去編程器和仿真器、降低實(shí)驗(yàn)成本.2.2水位信號(hào)輸入電路與控制信號(hào)輸出電路水位測(cè)量采用的是二線制投入式液位變送器，輸出4～20mA電流信號(hào)，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(jì)

對(duì)于硬件部分，要求學(xué)生會(huì)用電路圖設(shè)計(jì)軟件AltiumDesigner繪制電路原理圖和印制板圖［2］，因?yàn)闀r(shí)間限制，學(xué)生只要基本會(huì)使用軟件即可，最終電路板使用的是統(tǒng)一的電路版。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)要求單片機(jī)控制器由學(xué)生動(dòng)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(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)單、低成本為目標(biāo)。2.1程序下載與通信電路因?yàn)楝F(xiàn)在PC機(jī)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(gè)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(jì)使控制器與上位機(jī)之間只需要一條USB線就可以完成單片機(jī)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(hào)流過一個(gè)200Ω的電阻變換為電壓信號(hào)接到單片機(jī)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(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了精簡(jiǎn)電路，沒有采用片外D/A轉(zhuǎn)換器，而是用單片機(jī)輸出脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)［4］，片外采用跟隨器將PWM信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)?？刂破鞲鶕?jù)控制算法計(jì)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(hào)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(shí)驗(yàn)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(jí)聯(lián)，只需2位I/O口，按時(shí)序要求輸出4位顯示碼，就可實(shí)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(jì)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(jì)

3.1單片機(jī)控制器程序

單片機(jī)控制板軟件使用C語言編程［6］，采用模塊化設(shè)計(jì)，包括通信模塊、A/D測(cè)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(dòng)切換等功能。

3.2上位機(jī)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(jī)上用組態(tài)軟件“組態(tài)王”實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控畫面［8－9］。畫面要求較為簡(jiǎn)單:1)能用動(dòng)畫及數(shù)字實(shí)時(shí)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(cè)量值的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)水位值的變化過程。上位機(jī)與單片機(jī)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(shí)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(shí)選擇［PLC］－［莫迪康］－［ModbusRTU］－［COM］即可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制板的通信。

4結(jié)束語

該實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生從底層起設(shè)計(jì)反饋控制系統(tǒng)，從電路設(shè)計(jì)，電路板焊接，單片機(jī)程序編程調(diào)試到上位機(jī)組態(tài)軟件的使用，讓學(xué)生對(duì)反饋控制系統(tǒng)有較全面清楚的了解。實(shí)踐表明，該綜合實(shí)驗(yàn)對(duì)加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力、知識(shí)和技術(shù)的應(yīng)用能力、盡快適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)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