控制系統設計論文大全11篇

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【關鍵詞】單片機、A/D轉換系統設計系統調試

緒論

單片機利用大規模集成電路技術把中央處理器和數據存儲器（RAM）、程序存儲器（ROM）及其他I/O通信口集成在一塊芯片上，構成一個最小的計算機系統。而現代的單片機則加上了中斷單元、定時單元及A/D轉換等更復雜、更完善的電路，使得單片機的功能越來越強大，應用更廣泛。

第1章單片機空調控制系統

隨著中國人民環境的改善和人民生活質量的提高，公共建筑和住宅的供熱和空調已成為普遍的需求，建筑能耗占全社會總能耗的比例巨大且持續增長。據統計，2001年中國建筑能耗已達到3.76億噸標準煤，占總能耗的27.6%，年增長比例是5%。在發達國家中，供熱和空調的能耗很大，可占到社會總能耗的25%-30%。有資料統計，辦公樓中空調系統耗能量占總能量的25%左右，所以空調控制系統設計始終是建筑環境與設備領域中的重要研究課題之一。

1.1當前國內研究情況

1）在城市現代化建設過程中，用電結構發生變化，其中用在建筑物空調系統的電力負荷比例日益增加。據不完全統計，北京已有250余幢賓館、辦公樓和50余家大商場采用中央空調，其空調用電負荷達40萬kW。相當于華北電網為了調峰，耗資27億元而興建的十三陵抽水蓄能電站的1/2裝機容量。以廣東省為例，現有裝機容量已達30萬kW,并以每年30%的速度遞增，其用電負荷已占總共電量的40%以上。

2）改革開放以來，我國經濟的高速發展和人民物質生活水平的不斷提高，對電力供應不斷提出新的挑戰。盡管我國發電裝機容量已超過2億Kw,年發電量已突破9000億kWh。然而，目前我國電力供應仍很緊張。突出的矛盾是電網峰谷負荷差加大，夜間至清晨谷段負荷率低，而高峰段電力嚴重不足，有的電網峰谷負荷之差達25%-30%，造成白天經常拉閘限電，夜間有電送不出的現象。

3）由于空調用電負荷一般在電力谷段用量甚少，對城市點昂具有很大的“肖鋒填谷“潛力，而在中央空調中，制冷系統的用電量通常占整個空調系統用電量的40%-50%，如以商場為例，每10萬m2空調制冷系統的須用電功率約為7000-9000KW。因此，空調蓄冷系統應運而生，并將日益展示他廣闊的應用前景

1.2空調控制系統的組成以及基本工作原理

空調系統的基本組成形式可分為三大組成部分，分別是：冷熱源設備（主機）、空調末端設備、附件及管道系統。該系統具有制冷、制熱、除濕、自動4種工作模式，包括定時、睡眠、風向、智能化霜、應急運轉、試運轉以及5種可調室內風速等控制功能；在定時開機時，可根據訪間溫度作智能判斷，自動調整定時開機時間，避免開機時太冷或太熱；另外，可對設定溫度和房間溫度兩種溫度的10個溫度值進行同時指示，以及完整的抗干擾和系統保護功能。

1.2.1控制器原理

該系統具有制冷、制熱、除濕、自動4種工作模式，包括定時、睡眠、風向、智能化霜、應急運轉、試運轉以及5種可調室內風速等控制功能；在定時開機時，可根據訪間溫度作智能判斷，自動調整定時開機時間，避免開機時太冷或太熱；另外，可對設定溫度和房間溫度兩種溫度的10個溫度值進行同時指示，以及完整的抗干擾和系統保護功能。

本系統硬件簡單可靠，軟件具有更完善的控制功能和抗干擾能力。系統具有很高的性能價格比

系統CPU根據遙控器或按鍵輸入的命令，對采集到的溫度進行智能判斷，然后作出相應的制冷、制熱或除溫運行。再通過接口電路，驅動壓縮機、換向閥、風向電機和室內風機作相應動作，并對溫度用LED指示。系統的原理框圖如圖1所示。

1.3軟件設計

軟件設計采用模擬化處理，主控程序包括以下幾個部分：程序的初始化、試運轉、數據和信號的采集與處理、溫度LED指示、室內風機的閉環積分控制、室內風向電機的步進控制。功能子程序包括制冷、制熱、除濕、自動四種運行模式。中斷程序包括遙控接收。各種定時的中斷查詢處理、速度檢測等。系統的主控程序流程如圖4所示。

1.4硬件設計

1.4.1單片機的選擇

系統有3路溫度模擬信號輸入，還有1路電壓和1路電流模擬輸入，共5路模擬輸入要求；而模擬信號要轉換成數字信號才能用單片機CPU處理。為提高系統的性能價格比，應采用含有A/D轉換器的單片機。經過各方面的綜合比較，我們選用了美國Microchip公司的PIC16C72單片機作為控制核心。它具有5路模擬量輸入的A/D轉換器，恰好滿足系統的模擬輸入要求。另外，它在1塊芯片上集成了1個8位邏輯運算單元和工作寄存器、2KB程序存儲器、128個數據存儲器、3個端口（A口、B口、C口）共22條I/O線、3個定時器/計數器。另外，只有35條易學易用而高效的RISC（精簡指令集計算機）指令，同時，芯片具看門狗功能，并提供對軟件運行出錯的保護。

1.4.2模擬輸入電路

本系統直接用熱敏電阻進行測溫，再加一級電容濾波。對外交換溫度檢測電路，因其干擾較大，特加上二極管限幅保護。對傳感器的不同電阻值，將其所對應的不同分壓值輸入至PIC單片機的A/D轉換口，在單片機內部轉換成數字信號。該檢測電路結構簡單，性能價格比高。又因采用的單片機為8位，所以溫度轉換精度高，可為0.5℃，完全滿足了空調的信號檢測精度要求。對過流信號的檢測，不用經過比較器，節約了資源；而是采用模擬信號整流分壓后直接輸入，通過單片機自帶的A/D轉換器，每500μs對其進行一次檢測，并進行軟件比較，以確認是否過流。對過零電壓信號的檢測，也是采用模擬信號整流分壓后直接輸入。因兩個半的過零點都要檢測，所以用橋式整流。模擬輸入電路如圖2所示。

1.5單片機控制系統的調試

1.5.1硬件調試

根據設計的原理電路做好實驗樣機，便進入硬件調試階段。調試工作的主要任務是排除樣機故障，其中包括設計錯誤和工藝性故障。

1）脫機檢查

用萬能表或邏輯測試筆逐步按照邏輯圖檢查機中各器件的電源及各引腳的連接是否正確，檢查數據總線、地址總線和控制總線是否有短路等故障。有時為保護芯片，先對各管座的電位（或電源）進行檢查，確定其無誤后再插入芯片檢查。

1.5.2仿真調試

暫時排除目標板的CPU和EPROM，將樣機接上仿真機的40芯仿真插頭進行調試，調試各部分接口電路是否滿足設計要求。這部分工作是一種經驗性很強的工作，一般來說，設計制作的樣機不可能一次性完好，總是需要調試的。通常的方法是，先編調試軟件，逐一檢查調試硬件電路系統設計的準確性。其次是調試MONITOR程序，只有MONITOER程序正常工作才可以進行下面的應用軟件調試。

1.5.3硬件電路調試的一般順序

1）檢查CPU的時鐘電路。通過測試ALE信號，如沒有ALE信號，則判斷是晶體或CPU故障，這稱之為“心臟”檢查。

2）檢查ABUS/DBUS的分時復用功能的地址鎖存是否正常。

3）檢查I/O地址分配器。一般是由部分譯碼或全譯碼電路構成，如是部分譯碼設計，則排除地址重疊故障。

4）對擴展的RAM、ROM進行檢查調試。一般先后寫入55H、AAH，再讀出比較，以此判斷是否正常。因為這樣RAM、ROM的各位均寫入過‘0’、‘1’代碼。

5）用戶級I/O設備調試。如面板、顯示、打印、報警等等。

1.5.4軟件調試

軟件調試根據開發的設備情況可以有以下方法：

1）交叉匯編

用IBMPC/XT機對MCS—51系列單片機程序進行交叉匯編時，可借助IBMPC/XT機的行編輯和屏幕編輯功能，將源程序按規定的格式輸入到PC機，生成MCS—51HEX目標代碼和LIST文件。

2）用匯編語言

現在有些單片STD工業控制機或者開發系統，可直接使用匯編語言，借助CRT進行匯編語言調試。

3）手工匯編

這種方法是最原始，但又是一種最簡捷的調試方法，且不必增加調試設備。這種方法的實質就是對照MCS—51指令編碼表，將源程序指令逐條地譯成機器碼，然后輸入到RAM重新進行調試。在進行手工匯編時，要特別注意轉移指令、調用指令、查表指令。必須準確無誤地計算出操作碼、轉移地址和相對偏移量，以免出錯。

4）以上3種方法調試完成以后，即可通過EPROM寫入器，將目標代碼寫入EPROM中，并將其插至機器的相應插座上，系統便可投入運行。

硬件、軟件仿真調試經過硬件、軟件單獨調試后，即可進入硬件、軟件聯合仿真調試階段，找出硬件、軟件之間不相匹配的地方，反復修改和調試。實驗室調試工作完成以后，即可組裝成機器，移至現場進行運行和進一步調試，并根據運行及調試中的問題反復進行修改。

1.5.5調試

單片機控制技術應用越來越廣泛，其核心技術是單片機控制系統的設計。對工程技術人員來說，抓住系統的原理構成、軟件設計、硬件設計以及系統調試方法的要點是十分必要的。根據工作經驗，前面敘述的系統調試方法將會有助于從事這方面工作的技術人員及本專業的學習者。

第2章單片機的空調控制系統技術和量化要求

2.1空調控制系統的數字化控制

（以Infineon的8位單片機C504/C508）為例

2.1.1模糊智能控制

與普通空調的運行方式不同，變頻空調的壓縮機需要連續運行。其速度調節變得更加重要，要確保室內溫度波動限制在較小范圍內。事實上永磁直流無刷電機是一個多變量，非線性，強耦合的對象，需要智能控制才能取得比較滿意的效果。考慮到8位單片機的資源有限，本系統采用模糊控制來實現電機轉速的控制。因為C504/C508的CCU單元的通道0在塊交換模式下降了參與電機換相外，還可用來完成捕獲動作，故這個通道可以同時用于電機速度檢測。系統所用的模糊控制規則如下式：U=αE+（1-α）E式中，E為位速度誤差，Ec為速度誤差變化率，α為加權系數，在0和1之間取值，U為控制器輸出。通過調整加權系數，本系統可以對控制規則進行在線修正。

2.1.2功率變換電路

功率變換電路及其驅動和保護是直流無刷電機調速系統的最核心的部分。功率變換電路主要是整流橋和逆變橋。目前在國內變頻空調產品中這部分電路的角色主要是由智能功率模塊（IPM）來充當。所謂IPM，就是將功率變換電路，驅動，保護，檢測，輔助電源都集成在一個模塊內。

2.1.3單片機控制系統中控制算法

(1)直接數字控制

當被控對象的數學模型能夠確定時，可采用直接數字控制。所謂數學模型就是系統動態特性的數學表達式，它表示系統輸入輸出及其內部狀態之間的關系。一般多用實驗的方法測出系統的特性曲線，然后再由此曲線確定出其數學模型。現在經常采用的方法是計算機仿真及計算機輔助設計，由計算機確定出系統的數學模型，因而加快了系統模型的建立。當系統模型建立后，即可選定上述某一種算法，設計數字控制器，并求出差分方程。計算機的主要任務就是按此差分方程計算并輸出控制量，進而實現控制。

(2)數字化PID控制

由于被控對象是復雜的，因此并非所有的系統均可求出數學模型，有些即使可以求出來，但由于被控對象環境的影響，許多參數經常變化，因此很難進行直接數字控制。此時最好選用數字化PID（比例積分微分）控制。在PID控制算法中，以位置型和增量型2種PID為基礎，根據系統的要求，可對PID控制進行必要的改進。通過各種組合，可以得到更圓滿的控制系統，以滿足各種不同控制系統的要求。

2.2單片機控制系統的數字化

2.21采用數字化負荷隨動控制理論

運用現代化計算機技術、數字化自動控制技術，對中央空調設備運行進行綜合、優化；針對中央空調主機和輔機系統運行的工況和末端負荷的變化，采集其瞬間多種變化參數，對負荷進行隨動跟蹤；自動、準確、及時地對冷凍（溫）水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機設備的運行參數進行采集，對系統各設備自動進行實時優化控制，使中央空調主機運行環境得以優化，使得主機工質和輔機系統各種流量跟隨末端負荷的變化而同步變化，確保中央空調系統在滿足舒適性的前提下，大幅度降低系統的能源消耗。即把負荷運行所不需要的，而系統運行又將會產生的這部分多余的冷量節省下來。

2.22中央空調數字化負荷隨動節能控制系統

控制精度高，同頻精度和穩定性好，可使中央空調系統節能達到20%以上。該技術、產品在國內、國外處于領先水平，具有高效節能、安全、舒適和方便管理的顯著效果。

第3章結論

單片機控制技術應用越來越廣泛，其核心技術是單片機控制系統的設計。對工程技術人員來說，抓住系統的原理構成、軟件設計、硬件設計以及系統調試方法的要點是十分必要的。隨著我國經濟實力的增長，開發新產品的思路上過去那種過多注重價格因素而使新產品開發上不了檔次的弱點有所改善，開始注意使用當前最先進的單片機開發高檔次的產品。由于單片機的開發手段目前仍以仿真器為主，公司能否提供廉價的仿真器，提供方便的技術服務與培訓，較之能否提供高性能、低價位的單片機有著同等的重要性。各單片機廠商在開發工具以及技術服務方面也進行著激烈的競爭。這種競爭與推出新型的單片機以顯示高技術方面的優勢是相輔相成的。競爭的結果是為單片機應用工程師提供更廣闊的選擇空間，而最終受益的是單片機產品的消費者，由于單片機對各行各業都有用，這種電子技術的進步導致各行各業的進步，也帶動了人類文明的進步。

【參考文獻】

[1]夏路易,石宗義《電路原理圖與電路板設計教程Protel99SE》北京希望電子出版社2002

[2]張義和《ProtelPCB99電路板設計教程》青島出版社2000

[3]陳杰,黃鴻《傳感器與檢測技術》高等教育出版社2002

[4]吳金戍,沈慶陽,郭庭吉《8051單片機實踐與應用》清華大學出版社2001

[5]張迎新、杜小平、樊桂花、雷道振《單片機初級教程》北京航空航天大學出版社2002

[6]吳金戌、沈慶陽、郭庭吉《8051單片機實踐與應用》清華大學出版社2002.

[7]數字電子技術

[8]模擬電子技術

[9]單片機原理機接口技術

[10]赫建國，鄭燕，薛延俠.單片機在電子電路設計中的應用.清華大學出版社2006-5

[11]南建輝等.MCS51單片機原理及其應用實例.清華大學出版社2004

[12]李玉峰，倪虹霞.MCS-51系列單片機原理與接口技術.人民郵電出版社2004-5

第5章致謝

本論文設計在（）老師的悉心指導和嚴格要求下業已完成，從課題選擇到具體的寫作過程，無不凝聚著（）老師的心血和汗水，在我的畢業論文寫作期間，（）老師為我提供了種種專業知識上的指導和一些富于創造性的建議，沒有這樣的幫助和關懷，我不會這么順利的完成畢業論文。在此向（）老師表示深深的感謝和崇高的敬意。

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隨著電子技術和微型計算機的迅速發展，促進了微型計算機控制技術的迅速發展和廣泛應用。中小規模的單片機控制系統在工業生產及日常生活中的智能機電一體化產品得到了廣泛的應用。在單片機控制系統的設計開發過程中，我們不單要突出設備的自動化程度及智能性，另一方面也要重視控制系統的工作穩定性，否則就無法體現控制系統的優越性。

1.系統受到干擾的主要原因和現象

由于單片機控制系統應用系統的工作環境往往是比較惡劣和復雜的，其應用的可靠性、安全性就成為一個非常突出的問題。單片機控制系統應用必須長期穩定、可靠地運行，否則將導致控制誤差加大，嚴重時會使系統失靈，甚至造成巨大的損失。

影響單片機控制系統應用的可靠、安全運行的主要因素是來自系統內部和外部的各種電氣干擾，以及系統結果設計、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環境條件等。這些因素對控制系統造成的干擾后果主要表現在下述幾個方面。

（1）數據采集誤差加大。干擾侵入單片機控制系統測量單元模擬信號的輸入通道，疊加在有用信號之上，會使數據采集誤差加大，特別是當傳感器輸出弱信號時干擾更加嚴重。

（2）控制狀態失靈。微機輸出的控制信號常依賴某些條件的狀態輸入信號和這些信號的邏輯處理結果。若這些輸入的狀態信號受到干擾，引入虛假狀態信號，將導致輸出控制誤差加大，甚至控制失常。

（3）數據受干擾發生變化。單片機控制系統中，由于RAM存儲器是可以讀/寫的，故在干擾的侵害下，RAM中的數據有可能被竄改。在單片微機系統中，程序及表格、常數存于程序存儲器中，避免了這些數據受到干擾破壞，但對于內RAM、外擴RAM中的數據都有可能受到外界干擾而變化。根據干擾竄入的途徑、受干擾數據的性質不同，系統受損壞的情況也不同．有的造成數據誤差．有的使控制失靈，有的改變程序狀態，有的改變某些部件（如定時器/計數器，串行口等）的工作狀態等。

（4）程序運行失常。單片機控制系統中程序計數器的正常工作，是系統維持程序正常運行的關鍵所在。如果外界干擾導致計數器的值改變，破壞了程序的正常運行。由于受到干擾后計數器的值是隨機的，因而導致程序混亂。通常的情況是程序將執行一系列毫無意義的指令，最后進入"死循環"，這將使輸出嚴重混亂或系統失靈。

2.系統可靠性設計的分析和方法

單片機控制系統應用的可靠性技術涉及到生產過程的方方面面，不僅與設計、制造、檢驗、安裝、維護有關，還與生產管理、質量監控體系、使用人員的專業水平與素質有關。這里主要是從技術角度分析提高系統可靠性的最常用方法。

導致系統運行不穩定的內部因素主要有以下三點：

（1）元器件本身的性能與可靠性。元器件是組成系統的基本單元，其特性好壞與穩定性直接影響整系統性能與可靠性。因此，在可靠性設計當中，首要的工作是精選元器件，使其在長期穩定性、精度等級方面滿足要求。隨著微電子技術的發展，電子元器件的可靠性不斷提高，現在小功率晶體管及中小規模IC芯片的實際故障大約為10×10-9/h。這為提高系統性能與可靠性提供了很好的基礎。

（2）系統結構設計。包括硬件電路結構和運行軟件設計。電路設計中要求元器件或線路布局合理以消除元器件之間的電磁耦合相互干擾，優化的電路設計也可以消除或削弱外部干擾對整個系統的影響，如去耦電路、平衡電路等。同時也可以采用冗余結構，也稱容錯技術或故障掩蓋技術，它是通過增加完成同一功能的并聯或備用單元〔包括硬件單元或軟件單元〕數目來提高系統可靠性的一種設計方法。當某些元器件發生故障時也不影響整個系統的運行。對于消減外部電磁干擾，可采用電磁兼容設計，目的是提高單片機系統在電磁環境中的適應性，即能保持完成規定功能的能力。常用的抗電磁干擾的硬件措施有濾波技術、去耦電路、屏蔽技術、接地技術等。

軟件是微機系統區別于其它通用電子設備的獨到之處，通過合理編制軟件可以進一步提高系統運行的可靠性。常用的軟件措施主要有：一是信息冗余技術，對單片機控制系統應用而言，保持信號信息和重要數據是提高可靠性的主要方面。為防止系統故障等原因而丟失信息，常將重要數據或文件多重化，復制一份或多份"拷貝"，并存于不同空間，一旦某一區間或某一備份被破壞，則自動從其它部分重新復制，使信息得以恢復。二是時間冗余技術，為提高單片機控制系統應用的可靠性，可采用重復執行某一操作或某一程序，并將執行結果與前一次結果進行比較對照來確認系統工作是否正常。只有當兩次結果相同時，才被認可，并進行下一步操作。

若兩次結果不相同，可再次重復執行一次，當第三次結果與前兩次之中的一次相同時，則認為另一結果是偶然故障引起的，應剔除。若三次結果均不相同，則初步判定為硬件永久性故障，需進一步檢查。這種辦法是用時間為代價來換取可靠性，稱為時間冗余技術，也稱為重復檢測技術。三是故障自動檢測與診斷技術，對于復雜系統，為了保證能及時檢測出有故障裝置或單元模塊，以便及時把有用單元替換上去，就需要對系統進行在線測試與診斷。這樣做的目的有兩個：一是為了判定動作或功能的正常性；二是為了及時指出故障部位，縮短維修時間。四是軟件可靠性技術：單片機控制系統運行軟件是系統要實行的各項功能的具體反映。軟件的可靠性主要標志是軟件是否真實而準確地描述了要實現的各種功能。因此對生產工藝過程的了解程度直接關系到軟件的編寫質量。提高軟件可靠性的前提條件是設計人員對生產工藝過程的深入了解，并且使軟件易讀、易測和易修改。五是失效保險技術：有些重要系統，一但發生故障時希望整個系統應處于安全或保險狀態。此外，還有常見的數字濾波、程序運行監視及故障自動恢復技術等。

（3）安裝與調試。元器件與整個系統的安裝與調試，是保證系統運行與可靠性的重要措施。盡管元器件選擇嚴格，系統整體設計合理，但安裝工藝粗糙，調試不嚴格，仍然達不到預期的效果。

導致系統運行不穩定的外因是指單片機控制系統所處工作環境中的外部設備或空間條件導致系統運行的不可靠因素，主要包括以下幾點：一是外部電氣條件，如電源電壓的穩定性、強電場與磁場等的影響；二是外部空間條件，如溫度、濕度，空氣清潔度等；三是外部機械條件，如振動、沖擊等。

為保證系統可靠工作，必須創造一個良好的外部環境。例如：采取屏蔽措施、遠離產生強電場干擾的設備；加強通風以降低環境溫度；安裝緊固以防振動等。

元器件的選擇是根本，合理安裝調試是基礎，系統設計是手段，外部環境是保證，這是可靠性設計遵循的基本準則，并貫穿于系統設計、安裝、調試、運行的全過程。為實現這些準則，必須采取相應的硬件或軟件方面的措施，這是可靠性設計的根本任務。

中小規模的單片機控制系統在開發過程中，結合實際應用中的工作環境，采用以上的系統抗干擾優化設計的措施與方法，基本能有效地提高單片機系統的工作穩定性，充分地體現單片機控制系統在不增加控制成本的情況提高機電設備的自動化性能與智能性的優越所在。

參考文獻

[1]胡連柱,姜寶山.簡析單片機軟硬件的抗干擾設計技術,安徽電子信息職業技術學院學報,2005，01.

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步進電機驅動電路(見圖3)主要由細分電路、驅動控制芯片和光耦隔離電路組成。步進電機轉動的角位移和輸入的脈沖數目要求嚴格成正比。如果按照整步的工作方式，會受到步進電機振動大、噪聲大等影響;運用細分，不僅可使振動和噪聲減小，且可以減小步進電機誤動作產生的平臺傾斜度偏移，從而減小激光定位的誤差;并且，細分數取得越高，在遠端產生的偏移量越小。為了使步進電機工作的誤差盡可能的小，本設計中驅動電路采用高細分步進電機驅動芯片THB6128。圖3中，M1、M2、M3端為細分的設定端，根據這3端所提供的高低電平的不同，有1、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64、1/128多種細分可選，當三端全為高電平時，細分為128。CW/CCW端為電機正反轉控制端，CW/CCW為低電平時，電機正轉;反之，電機反轉。ST/VCC端為低電平時，THB6128進入待機，功耗極低。另外，為了防止對電源或對地短路，該芯片內置溫度保護及過流電路。驅動芯片與單片機相連的端口均采用光耦隔離，U8、U10、U11為光耦隔離，防止電機驅動電路與單片機控制電路產生干擾;LED可以直觀顯示隔離控制的通斷。

1.2激光旋轉控制電路設計

激光發射電路主要由步進電機驅動電路、激光發射控制電路、光耦隔離電路及細分電路構成，如圖4所示。激光發射器控制電路主要完成控制激光發射器發射和轉動，保證其發射的激光能實時完成激光接收靶跟蹤，使農田平地機被實時控制。由單片機輸出的激光發射器發射信號通過光耦隔離電路后輸入激光發射器控制電路。其中，JG為單片機P46端口的控制輸出端，U17為電路的光耦隔離器。激光發射器的旋轉由步進電機驅動電路控制，由單片機輸出信號控制THB6128的使能、脈沖及方向端從而控制激光發射器的旋轉。

1.3電源電路設計

電路選擇采用簡單高效電源芯片LM2576，該穩壓器是單片集成電路，能實現熱關斷和電流限制保護，能驅動3A負載。控制核心的電源設計如圖5所示。在直流電源輸入端加入TVS瞬變電壓抑制二極管PK6E22A，該二極管能在收到反向瞬態高能量沖擊時，迅速將兩極間的高阻抗變為低阻抗，同時吸收高達數千瓦的浪涌功率，有效地保護電子電路中的電子元器件免受浪涌脈沖的破壞［4］。為了防止功率地跟信號地之間的互相干擾，在電源電路設計中，功率地和信號地之間加入了電感L2進行隔離。

2系統軟件設計

由于農田平地機激光發射平臺調平控制系統的工作環境的惡劣性，易對數據的采集造成干擾，再加上傾角傳感器自身存在的溫度漂移等，會加大傾角數據采集的誤差。因此，對傾角傳感器采集的數據時，先采用基于限幅濾波法和遞推算術平均值濾波算法相結合的復合濾波法算法對數據進行預處理［5］，接著采用角度偏移與溫度變化的三次曲線對傾角傳感器溫度漂移進行補償，提高數據采集的準確性［6］。另外，由于步進電機的非線性特征，對其非線性參數進行整定較困難，而常規的PID算法由于參數整定過程繁瑣，實施起來較復雜，并且在越接近預設的目標值時，越容易產生超調而抖動，影響其控制效果的進一步提高。因此，采用基于RBF神經網絡的PID算法控制器對步進電機進行控制，能保證步進電機控制系統的響應性能提升，響應時間縮短，動態性能、自適應性和魯棒性更佳。系統總體流程圖，如圖6所示。系統初始化后，首先進行傾角數據采集，系統采集當前的平臺的傾角數據后，經過濾波和補償處理，直接交給單片機進行判斷:如果到達調平的預設值，則結束。沒到達預設值的話，如果是大于預設值，則電機正轉，控制平臺支腿進行相應的伸縮調整平臺的傾斜度，再重新進行數據采集;如果小于預設值，則電機反轉，控制平臺支腿進行相應的伸縮調整平臺的傾斜度，再重新進行數據采集。如此反復進行平臺調整，直至達到預定的平臺傾斜度為止。

3試驗分析

本文設計的農田平地機激光發射平臺調平控制系統主要是為提高農田平地機的雙激光源定位系統的精度做準備，在雙激光源定位系統中發揮重要的作用。而整個調平過程中，由于傾角傳感器和調平電機的特性，此控制系統主要受溫度影響。所以，本試驗在激光發射器校準完成后，設計了在加入基于RBF神經網絡的PID控制方法對電機控制，并在不同溫度環境下的試驗。將調整平臺置于不同的溫度環境中，同時讓激光器支座處于允許的任意傾斜角度狀態，分別測試支座在大傾角(20°～30°)和小傾角(10°左右)狀態下系統調整的可靠性。

1)13℃時，大角度調平試驗數據如圖7所示。

2)13℃時，小角度調平試驗數據如圖8所示。由圖7、圖8可知，采用基于RBF神經網絡的PID控制調平時，在農平地過程中調平過程的前期，調平速度快，當角度越接近目標角度時，速度明顯減慢;若達到調平要求的預設精度值0．03°時，調平停止;而且在調平過程中很少出現超調和振蕩，當傾斜角度較小時，調平完成的時間相對較短。

3)25℃，大角度調平試驗數據如圖9所示。

4)25℃，小角度調平試驗數據如圖10所示。由圖9和10可知，當溫度變化時，平臺大傾斜角度和小傾斜角度的調平規律與圖7和8相似。這說明經過加入基于RBF神經網絡的PID控制方法后此系統受溫度影響不大。

篇（4）

引言

隨著計算機視覺技術以及圖像處理技術的不斷發展，計算機視覺和視頻檢測技術已經廣泛應用于工業控制、智能交通、設備制造等很多領域。傳統的視頻檢測往往采用工控機作為其視頻處理器來實現其功能。這種方法往往由于工控機處理速度的問題，無法實現對各個不同方向同時進行視頻檢測，而且由于視頻檢測處理過程需要占用大量的處理時間，因而無法實現實時的遠程控制功能。

目前在遠程控制和通信方面，基于DOS和Windows操作系統的通信平臺得到普遍的引用，但是DOS操作系統作為單任務操作系統，無法實現多任務功能和實時處理的要求；而Windows操作系統作為視窗操作系統，其系統的穩定性和實時性也無法與實時多任務嵌入式操作相比擬。

本文提出一種以DSP作為視頻檢測處理芯片，以Linux為操作系統的嵌入式系統設計方法。

1系統結構

本系統的開發主要包括視頻檢測卡和x86通信平臺的設計2個部分。視頻檢測卡主要包括模擬圖像采集、轉換、DSP視頻檢測3個部分，每塊交換參數檢測卡擴充PCI總線接口，插在通信開發平臺的PCI總線插口上，通過PCI總線同通信平臺交換數據。通信平臺處理多塊交通參數檢測卡的通信問題，將視頻檢測卡通過PCI總線傳送過來的視頻檢測數據實時通過網絡傳送給控制中心。系統的功能方框圖如圖1所示。

根據系統設計要求，視頻檢測卡功能主要分為：模擬圖像采集、模擬圖像A/D轉換、數據緩存以及DSP視頻檢測5個部分。視頻檢測卡流程如圖2所示。

本系統采用Philips公司的SAA7111A來實現模擬圖像A/D轉換。該芯片可實現多路選通、鎖相與時序、時鐘產生與測試、ADC、亮色分離等功能。其輸出可以具有如下格式：YUV4：1：1（12bit）、YUV4：2：2（16bit）、YUV4：2：2(CCIR-656)（8bit）等。由于DSP處理芯片和SA7111A的時序不同，可以通過CPLD進行邏輯控制FIFO來完成數據緩存的功能。

DSP是實時信號處理的核心。本系統采用TI公司DSP芯片——TMS320C6211。該芯片屬C6000的定點系列，C6211在這個系列中是性價比最高的一種。C6211處理器由3個主要部分組成：CPU內核、存儲器和外設。集成外設包括EDMA控制器、外存儲器接口（EMIF）、主機口（HPI）、多通道緩沖接口（McBSP）、定時器、中斷選擇子、JTAG接口、PowerDown邏輯以及PLL時鐘發生器。通過EMIF接口擴充SDRAM，而PCI總線控制芯片的擴展通過HPI接口。

PCI總線的接口芯片PCI9050，主要包括PCI總線信號接口和本地總線（LOCALBUS）信號。在硬件設計時，只需將本地總線信號的接口通過電平轉換連接到DSP的HPI接口，同時擴展PCI接口就可以完成其硬件電路設計。

2通信開發平臺的嵌入式系統設計

通信開發平臺以x86為核心器件，擴充PCI總線，通過Modem撥號，實現x86與Internet的連接。

2.1PCI總線設備驅動

PCI設備有3種物理空間：配置空間、存儲器空間和I/O空間。配置空間是長度為256字節的一段連接空間，空間的定義如圖3所示。在配置空間中只讀空間有設備標識、供應商代碼、修改版本、分類代碼以及頭標類型。其中供應商代碼用來標識設備供應商的代碼；設備標識用來標識某一特殊的設備；修改版本標識設備的版本號；分類代碼用來標識設備的種類；頭標類型用來標識頭類型以及是否為多功能設備。除供應商代碼之外，其它字段的值由供應商分配。

命令字段寄存器用來提供設備響應的控制命令字；狀態字段用來記錄PCI總線相關事件（詳細的命令控制和狀態讀取方法見參考文獻4）。

基地址寄存器最重要的功能是分配PCI設備的系統地址空間。在基地址寄存器中，bit0用來標識是存儲器空間還是I/O地址空間。基地址寄存器映射到存儲器空間時bit0為“0”，映射到I/O地址空間時bit0為“1”。基地址空間中其它一些內容用來表示PCI設備地址空間映射到系統空間的起始物理地址。地址空間大小通過向基地址寄存器寫全“1”，然后讀取其基地址的值來得到。

PCI設備的驅動過程主要包括下面幾個步驟。

首先，PCI設備的查找。在嵌入式操作系統中一般提供相應的API函數，在Linux操作系統中通過函數pcibios_find_device(PCI_VENDOR_ID,PCI_DEVICE,index,&bus,&devfn)可以找到供應商代碼為PCI-ID，設備標識為PCI-DEVICE的第n(index+1)個設備，并且返回總線號和功能號，分別保存于bus和devfn中。

第2步，PCI設備的配置。通過操作系統提供的API函數訪問PCI設備的配置空間，配置PCI設備基址寄存器的配置、中斷配置、ROM基地址寄存器的配置等，這樣可以得到PCI的存儲器空間和I/O地址空閑映射，設備的中斷號等。在Linux操作系統中，訪問PCI設備配置空間的API函數有pcibios_write_config_byte、pcibios_read_config_byte等，它們分別完成對PCI設備配置空間的讀寫操作。

第3步，根據PCI設備的配置參數，對不同的設備編寫初始化程序、中斷服務程序以及對PCI設備存儲空間的訪問程序。

2.2遠程控制與通信鏈路的建立

與Internet連接的數據鏈路方式主要有Ethernet方式和串行通信方式。Ethernet連接方式是一種局域網的連接方式，廣泛應用于本地計算機的連接。通過Modem進行撥號連接的串行通信方式，可以實現遠距離的數據通信，下面詳細介紹串行通信接口協議方式。

串行通信協議有SLIP、CSLIP以及PPP通信協議。SLIP和CSLIP提供一種簡單的通過串行通信實現IP數據報封裝方式，通過RS232串行接口和調試解調器接入Internet。但是這種簡單的連接方式有很多缺陷，如每一端無法知道對方IP地址；數據幀中沒有類型字段，也就是1條串行線路用于SLIP就不能同時使用其它協議；SLIP沒有在數據幀中加上檢驗和，當SLIP傳輸的報文被線路噪聲影響發生錯誤時，無法在數據鏈路層檢測出來，只能通過上層協議發現。

PPP（PointtoPointProtocal，點對點協議）修改了SLIP協議中的缺陷。PPP中包含3個部分：在串行鏈路上封裝IP數據報的方法；建立、配置及測試數據鏈路的鏈路控制協議（LCP）；不同網絡層協議的網絡控制協議（NCP）。PPP相對于SLIP來說具有很多優勢；支持循環冗余檢測、支持通信雙方進行IP地址動態協商、對TCP和IP報文進行壓縮、認證協議支持（CHAP和PAP）等。圖4為PPP數據幀的格式。

PPP的實現可以通過2個后臺任務來完成。協議控制任務和寫任務。協議控制任務控制各種PPP的控制協議，包括LCP、NCP、CHAP和PAP。它用來處理連接的建立、連接方式的協商、連接用戶的認證以及連接中止。寫任務用來控制PPP設備的數據發送。數據報的發送過程，就是通過寫任務往串行接口設備寫數據的過程，當有數據報準備就緒，PPP驅動通過信號燈激活寫任務，使之完成對串行接口設備的數據發送過程。PPP接收端程序通過在串行通信設備驅動中加入“hook”程序來實現。在串行通信設備接收到1個數據之后，中行設備的中斷服務程序（ISR）調用PPP的ISR。當1個正確的PPP數據幀接收之后，PPP的ISR通過調度程序調用PPP輸入程序，然后PPP輸入程序從串行設備的數據緩存中將整個PPP數據幀讀出，根據PPP的數據幀規則進行處理，也就是分別放入IP輸入隊列或者協議控制任務的輸入隊列。

PPP現在已經廣泛為各種ISP（InternetSeverProvider）接受，而Linux操作系統下完全支持PPP協議。在Linux下網絡配置過程中，通過1個Modem建立與ISP的物理上的連接，然后在控制面板（ControlPanel）里面選擇NetowrksConfiguration。在接口（Interface）里面加入PPP設備，填入ISP電話號碼、用戶以及密碼，同時將本地IP和遠端IP設置為0.0.0.0，修改/ETC/PPP/OPTION，加上DEFAULTROUE，由ISP提供缺省路由，這樣就完成了設備的PPP數據鏈路設置過程，可以通過Internet實現遠程控制。

結束語

篇（5）

2合理設計軟件

因為要進行遠程監控和無人值守，所以要自動對風機進行控制，其中，控制的主要對象有：對運行狀態進行監測，在運行風機的時候，反饋信號、機組狀態參數、風力參數、監測電力參數等，從而確保機組能夠穩定的運行；在風機自動運行的時候，要根據運行的相關步驟采取風機全自動開車，進而能夠確保開車能夠穩定進行；對槳距進行控制，從而確保機組能夠穩定、安全運行；對偏航進行控制，從而確保風機正對著風向而得到最多的風能。當出現風速要比啟動風速要低、并網故障、剎車故障等情況的時候，要立刻對風機進行停機操作。

2.1控制的相關策略

當啟動風機的時候，風輪的槳葉是不動的，其槳距的角度應為90°，因為在這個過程中氣流不會對槳葉產生轉矩，所以槳葉實質上就是阻尼板。當風速與啟動風速一致的時候，槳葉會向0°轉動，從而通過氣流對槳葉所產生的功角，促使風輪的轉動。當發電機并入到電網之前，發電機轉速信號將會控制槳距系統中的槳距角的給定值。同時，轉速控制器會根據發電機轉速的快慢，合理的對槳距角設定值進行改變，而變槳距系統則會按照給出的槳距角的參考值，有效的對速度進行控制并對槳距角進行調整。當風速大于等于額定風速的時候，風電機組將會處于額定功率狀態。同時，轉速控制也會變成功率控制，而且變槳距系統將會控制發電機的功率所發出的信號。額定功率即是控制信號給定值恒定。給定值與功率反饋信號進行對比時，如果功率超過額定功率，槳葉槳距就會轉向迎風面積正在變少的方向；如果功率沒有超過額定功率，槳葉槳距就會轉向迎風面積正在增加的方向。

2.2合理控制風機啟動

當風機啟動的時候，要采用風速儀對風速進行測量，并對風速的大小進行判斷，當風速大于啟動風速的時候，要啟動風機；當風速小于啟動風速的時候，要繼續對風速進行測量。在啟動風機的時候，要有效的控制偏航，從而能夠有效的將槳距角調到零度以及確保風機能夠正面迎風。在對風機的轉速進行監測的時候，當風機的轉速到達切入轉速的時候，就能夠實行并網發電。

2.3合理控制偏航

合理控制偏航的目的在于確保風機能夠在迎面對著風向的時候，能夠得到最大化的風能，在實際應用當中，如果偏航角和風向角的差額不超過15°的時候，就可以認定風機是迎面對著風向的。對控制算法進行設計的時候，要遵循快捷進行控制的原則進行設計，從而能夠更好的避免在執行時所出現的繁瑣動作。如果電纜纏繞了多達兩圈，要立刻采取解纜控制，從而確保風電機組能夠安全的運行。同時，在進行解纜的時候風電機組要采用正常停機的方式，并要采用自動偏航后才能合理的進行解纜。

2.4合理控制風機停機

如果風機發生故障，比如，當傳動系統冷卻水的溫度比較高、風機的溫度比較高、槳距系統的液壓油位比較低等的時候，要及時發出停機警告，從而促使風機停機。如果發現風速超出相關限度的時候，由于風機的各個環節會受到一定的限制，所以一定要脫網停機。在停機的時候，要及時把槳距角調整到90°,確保停機時的安全性。

2.5合理控制槳距

在風機并網滯后，要憑借對槳距角的調節去調節發電機輸出的功率，如果額定功率小于實際功率的時候，PLC的模擬輸出單元CJ1W-DA021輸出和功率之間的差距成為比例的信號，如果功率偏差低于0的時候，要憑借進槳來促使功率的增加，同時，如果功率的偏差在-5且+5的時候，不能夠實行變槳，從而能夠避免過度頻繁的進行變槳。

篇（6）

2菇棚溫度控制系統的設計

2．1菇棚的溫度控制原理

寧夏南部山區杏鮑菇生產基地采用大棚式培養方式，作為對杏鮑菇生長起最重要影響的因素，溫度顯得尤為重要［8］。菇棚溫度采用自動記錄儀對溫度進行檢測，利用空調對菇棚溫度進行調節。由于溫度控制系統具有大時變、非線性、滯后性等特點，采用模糊控制非常合適［9－10］。本文對菇棚的溫度進行了控制設計，最終采用模糊PID控制方案，達到對溫度的實時控制，從而將出菇階段的溫度控制在14～17℃的范圍之內。菇棚溫度控制系統的原理如圖3所示。圖3中，虛線框內的部分在工業控制環境中大多由PLC等控制設備完成，而這些設備很難實現模糊PID的控制功能。因此，將虛線框部分在Simulink中實現，把在Simulink中創建的模糊PID控制器直接應用到現場設備中。菇棚實時溫度控制系統原理圖如圖4所示。圖4中，該系統以PCACCESS軟件作為OPC服務器，用MATLAB/OPC工具箱中的OPCWrite模塊和OPCRead模塊與Simulink進行數據交換。傳感變送裝置檢測溫度后將電信號傳送給S7－200PLC的模擬量輸入模塊EM231，經過A/D轉換后得出溫度值;PCACCESS軟件從PLC中讀取溫度值，通過OPCRead模塊傳送給Simulink;在Simulink中與設定的溫度值進行比較后，進行模糊PID計算，將結果通過OPCWrite模塊傳送給PCACCESS軟件，經PCACCESS軟件寫入到PLC中，計算分析得出數字量，輸出到模擬量輸出模塊EM232，經D/A轉換為電信號送給溫控裝置(空調)，實現對菇棚溫度的模糊PID控制。

2．2模糊PID控制系統

2．2．1模糊PID控制器的設計菇棚的溫度控制系統是一個復雜的非線性系統，很難建立精確的數學模型，而常規的PID控制則需建立被控對象的精確數學模型，對被控過程的適應性差，算法得不到滿意的控制效果。單純使用模糊控制時，控制精度不高、自適應能力有限，可能存在穩態誤差，引起振蕩［11－12］。因此，本文針對PID控制和模糊控制的各自特點，將兩者結合起來，設計了模糊PID控制器，可以利用模糊控制規則對PID參數進行在線修改，從而實現對菇棚溫度的實時控制，將出菇階段的溫度控制在14～17℃的范圍之內。基于上述分析，將菇棚溫度作為研究對象，E、EC作為模糊控制器的輸入，其中E為設定溫度值與實際溫度值的差值。PID控制器的3個參數KP、KI、KD作為輸出。設輸入變量E、EC和輸出變量的KP、KI、KD語言值的模糊子集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}={負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，誤差E和誤差變化率EC的論域為{－30，－20，－10，0，10，20，30}，KP的論域為{－0．3，－0．2，－0．1，0，0．1，0．2，0．3}，KI的論域為{－0．06，－0．04，－0．02，0，0．02，0．04，0．06}，KD的論域為{－3，－2，－1，0，1，2，3}。為了論域的覆蓋率和調整方便，均采用三角形隸屬函數。根據對系統運行的分析和工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，得出KP、KI、KD的模糊控制規則表，如表1所示。利用Simulink工具箱，建立系統的模糊PID控制器的模型，如圖5所示。2．2．2系統的仿真菇棚溫度的傳遞函數采用G(s)=e－τsαs+k。其中，α為慣性環節時間常數，α=10．3s/℃;k=0．023;τ=10s，為純滯后時間。設定菇棚溫度值為15℃，常規PID控制器的仿真結果如圖6所示，模糊PID控制器的仿真結果如圖7所示。結果表明，菇棚溫度控制系統采用模糊PID控制器具有超調小、抗干擾能力強等特點，能較好地滿足系統的要求。

3Simulink與S7－200PLC數據交換的實現

PCACCESS軟件是專用于S7－200PLC的OPC服務器軟件，它向作為客戶機的MATLAB/OPC客戶端提供數據信息。在菇棚溫度控制系統中，模糊PID控制器的輸出值和反饋值就是Simulink與S7－200PLC進行交換的數據。實現數據交換的具體步驟如下:1)打開軟件PCACCESSV1．0SP4，在“MicroWin(USB)”下，單擊右鍵設置“PC/PG”接口，本文選用“PC/PPI(cable)”。然后，右鍵單擊“MicroWin(USB)”進入“新PLC”，添加監控S7－200PLC，本文默認名稱為“NewPLC”。右鍵單擊所添加的新PLC的名稱，進入“NewItem”添加變量，本文為輸出值“wendu1”和反饋值“wendu2”，設置完成，如圖8所示。PCACCESS軟件自帶OPC客戶測試端，客戶可以將創建的條目拖入測設中心進行測試，觀察通信質量，如圖9所示。測試后的通信質量為“好”。2)打開MATLAB，在工作空間輸入命令“opctool”后，將彈出OPCTool工具箱的窗口，在該窗口的MAT-LABOPCClients對話框下單擊右鍵，進入“AddClient”添加客戶端，用戶名默認“localhost”，ServerID選擇“S7200．OPCServer”;與PCACCESS軟件連接成功后，在“S7200．OPCServer”中添加組和項，把在PCACCESS軟件中創建的兩個變量“wendu1”和“wendu2”添加到項中，操作完成后結果如圖10所示。3)新建Simulink文件，導入模糊PID控制器模型，調用OPCWrite模塊、OPCRead模塊和OPCConfigura-tion模塊，設置OPCWrite模塊和OPCRead模塊的屬性，把OPC工作組中的變量“wendu1”添加到OPCWrite模塊中，把變量“wendu2”添加到OPCRead模塊中，設置完成后兩個模塊與控制器相連，如圖11所示。這樣，基于Simulink和S7－200PLC的模糊PID實時溫度控制系統的設計就完成了。

篇（7）

本文所控制系統設計以HITV代手為控制對象。該手略小于成年人人手，具有5根手指，每根手指2個指節，大拇指還另有一個內旋/外展關節，共有11個活動關節，整個手由6個直流電機驅動，每根手指安裝有力矩傳感器、位置傳感器、指尖六維力傳感器。控制系統采用模塊化設計思想，將整個系統分割成幾個模塊，通過通用接口建立相互連接，使整個控制系統可以放置在仿人假手內部，實現機電一體化。

2基于FPGA的控制系統設計

仿人假手電氣控制系統用于實現假手各手指的驅動控制、多種傳感器信息的采集以及與上位機(PC或PCI控制卡)之間的通信。該控制系統由10個模塊組成，分別為:由FPGA組成的主控芯片模塊、USB接口模塊、拇指控制電路模塊、食指控制電路模塊、中指控制電路模塊、無名指控制電路模塊、小指控制電路模塊、肌電信號采集模塊、電池管理系統模塊、電刺激反饋模塊。模塊化設計方法增加了控制系統的靈活性與獨立性，便于對模塊單獨進行調試與修改。電氣系統總體功能框圖如圖1。

2．1FPGA主控芯片模塊設計

FPGA主控芯片模塊采用Altera公司CycloneⅢ系FP-GA芯片EP3C25F25617作為控制核心，負責肌電信號和多種傳感器信號的處理、與手指電路的通信、USB通信、CAN通信接口等功能。同時，主控芯片模塊還負責大拇指內旋/外展自由度驅動電機的控制。各個功能通過VHDL語言進行編寫，FPGA中嵌入雙NIOS核構成雙核處理器，其中一個NIOS核用于肌電信號處理，另一個NIOS核用于通信;雙核通過2M的EEPROM進行通信。FPGA功能框圖如圖2。RS—485通信通過在NIOS核內自定義元件AutoSCI控制RS—485收發接口芯片MAX3362實現。MAX3362收發芯片可通過3．3V低壓實現高速數據傳送。CAN與LVDS通信采用復用電路設計(圖3)，通過更換接收發送接口芯片完成功能轉換。CAN通信采用TI公司的CAN收發器SN65HVD230QD作為接口芯片。LVDS通信采用TI公司的半雙工LVDS收發接口芯片SN65LVDM176，構成PPSeCo高速串行通信系統與PCI控制卡通信，通信速率可達25Mbps，保證控制信息與傳感器信息傳送的及時性。拇指內旋/外展自由度驅動電機由NIOS核中自定義元件PWM控制。元件功能通過VHDL語言編寫，PWM波周期和占空比均可調。電機驅動芯片采用MPC17531A，其內部集成雙H橋，可直接控制直流有刷電機。

2．2手指運動控制模塊設計

五根手指的運動控制模塊采用相同的設計方案，增強系統的互換性與通用性。該模塊由DSP作為控制核心，直流有刷電機驅動芯片MPC17531A作為電機驅動芯片，負責手指電機的驅動，力矩傳感器、位置傳感器、電機電流傳感器信號的采集與處理，以及與觸覺傳感器系統的通信，最后各項數據通過RS—485通信接口與主控芯片模塊通信。控制模塊如圖4。該模塊采用的DSPTMS320F28027運行速率高，封裝小。內部集成的16通道12位A/D轉換器可實現對力矩、位置、電機電流信號的采樣。串行異步通信接口通過RS—485收發接口芯片實現與主控芯片模塊通信。EPWM模塊可直接控制直流有刷電機驅動芯片MPC17531A。如圖5，關節力矩傳感器信號采集系統包括力矩傳感器、處理放大電路、濾波電路和A/D轉換電路。力矩傳感器基于應變原理，采用儀表放大器INA337組成半橋電路對力矩信號進行放大后通過RC濾波電路進入A/D轉換芯片。如圖6，關節位置傳感器信號采集系統包括位置傳感器、處理放大電路、濾波電路和A/D轉換電路。位置傳感器基于旋轉電位器原理，采用集成運放MAX9618對電位器信號進行放大后通過RC濾波電路進入A/D轉換芯片。

2．3肌電信號采集模塊設計

肌電信號采集模塊用來采集肌電電極的信號以及對信號的濾波和D/A轉換后存儲在CPU中，包括RC電路組成的濾波電路、D/A轉換電路和電壓轉換電路。數字信號通過電壓轉換芯片轉換為3．3V電壓，通過SPI接口輸入到CPU中央處理器。

2．4電池管理系統模塊設計

電池管理模塊包括電池、電流傳感器、蜂鳴器電路、LED顯示電路。電流傳感器實時監測電池輸出電流大小，通過LED顯示電路和蜂鳴器電路顯示充電狀態和電池電量過低報警。

篇（8）

2、Dupline現場總線系統

該工程中用Dupline現場總線系統采集皮帶機保護信號送入選煤廠PLC控制系統，使用Dupline現場總線系統可降低選煤廠建設總投資，據統計，當選煤廠內帶式輸送機累計長度超過270m時，使用Dupline總線系統作為皮帶保護的總投資將小于將保護信號直接送入PLC的總投資。該廠主廠房生產控制系統皮帶機累計長度560m，需用跑偏開關26對、拉繩開關19個、失速開關7個和堵溜槽開關7個。Dupline現場總線系統由四種基本元件組成：網關模塊、輸入模塊、輸出模塊和兩芯電纜。在主廠房控制系統中網關模塊型號為：G38910020，網關模塊負責將Dupline數據轉換成Profibus-DP現場總線協議，反之亦然。網關模塊為PLC和Dupline現場總線網關之間的自動數據傳輸提供了一種標準化方法，每個網關可帶數字量點數為128個，但距離長達幾公里時其所帶數字量點數要適當減少。本廠所用數字量輸入模塊型號為G50101106和G50102206，跑偏開關和失速開關內裝2206數字量輸入模塊，拉繩開關和堵溜槽開關內裝1106數字量輸入模塊，1106模塊和2206模塊的區別在于1106為1通道，2206為2通道，這兩種數字量輸入模塊都可以通過Dupline網絡直接供電，無需再拉電源線。Dupline系統所用總線電纜為：RVVSP2×1.5型屏蔽雙絞線，所有Dupline數字量輸入模塊通過同一條兩芯電纜與Dupline網關模塊相連接，通過編碼工具為每個數字量輸入模塊設置唯一的地址編碼。主廠房生產控制系統中用到G38910020型網關模塊1塊、數字量輸入模塊G50101106型和G50102206型分別為26塊和33塊、測試工具1套、編碼工具1套和配套總線電纜。

3、現場施工過程中的問題

3.1廠家配套電控箱的安裝問題

電控箱包括閥門控制箱、壓濾機電控柜、電子皮帶秤、除鐵器控制箱等，這些電控箱由電氣施工單位安裝還是配套廠家安裝的問題。在技術協議中，廠家不負責設備安裝，只負責現場安裝技術指導；這部分的安裝費及附加耗材無法在電氣圖紙中體現，導致電氣廠家和電氣施工單位都不愿意做這部分工作。解決方法：在技術協議中要求配套廠家配齊成套設備所需電纜，并負責設備現場安裝與調試，另外，機制專業在畫設備安裝圖時應體現設備配套電控柜。

篇（9）

2控制系統

2.1系統組網

考慮到生產系統的穩定性以及中頻退火干擾等因素，我們選擇了市場上技術比較成熟應用較廣的西門子系統。生產線CPU采用S7-317-2PN，地輥運輸機和各個液壓站采用S7-315-2PN，稀油站采用S7-312C+以太網模塊，這樣所有的設備均能通過以太網連接至中控室交換機，通過中控室工程師站調試設備更改程序，通過操作員站遠程操作設備，查詢各個設備的工作狀態、故障內容等信息。在線測徑儀采用天津兆瑞公司的最新產品，通過以太網通信，能夠實時顯示鋼筋的基圓尺寸、縱肋高度等信息，為在線質量檢測提供了可靠保證，也為在線質量自動調整提供了前提。所有設備通過工業以太網連接至主操作室交換機，實現實時監控與數據交換。

2.2生產線主站與遠程IO組態

生產線CPU采用S7-317-2PN，按照距離遠近將設備分成7個從站，采用ET200S和ET200M的遠程IO，所有站通過工業以太網與主站CPU連接，7個從站分別是上料機站、軋機站、飛剪吐絲輥道站、集卷站、中頻1站、中頻2站和中頻3站。在需要操作和監控的地方設置了觸摸屏，采用西門子的MP277觸摸屏，通過以太網與主站PLC通信。

2.3主站PLC與變頻器DP通信

現場變頻器均采用偉肯NXP系列，通過調取偉肯提供的GSD文件，對各個變頻器組態。根據工藝及機械要求，包括上料機的送料小車、旋轉小車和升降臺共3臺變頻器；軋機部分1臺變頻器；廢鋼剪切裝置1臺變頻器；夾送裝置1臺變頻器；吐絲機1臺變頻器；輸送輥道8臺變頻器；集卷站的升降臺、托盤、小車3臺變頻器。共計18臺變頻器，通過DP總線實時傳遞啟停信號和速度指令。

2.4控制要點

2.4.1生產線自動化控制

生產線的自動化主要體現在全自動上料機、全自動集卷站、全自動地輥運輸線上。全自動上料機從上料到送料再到換料，基本實現一鍵式操作，每次只需在原料接頭后按按鈕確認即可，整機包括二十余個接近開關和五個光電開關，為自動化提供條件。全自動集卷站與全自動地輥運輸線互相配合，實現自動落料，自動剪切，自動換料架，整機也有十余個接近開關和數個光電開關。全自動地輥運輸線由百余節軌道組成，料架在運輸線上自動運行，完成卸料。

2.4.2生產線速度匹配

由于整條生產線從上料到集卷為一整條長絲，因此對生產線的速度匹配提出了較高要求，特別是軋機與夾送電機之間，夾送電機太快容易將鋼筋拉細，太慢又容易堆鋼，在電機的控制模式上選擇了速度控制與轉矩控制相結合的方式，滿足了控制要求。吐絲機的速度決定了產品的圈形大小，而且速度的快慢與圈形的大小并不是線性的關系。最終，通過生產實踐，吐絲機的速度采用自動調整加手動微調的方式進行控制，滿足了產品質量要求。

2.4.3軋機閉環控制與中頻退火

無論是生產線速度匹配還是中頻退火都要求軋機速度穩定，對軋機變頻器采取帶編碼器的閉環矢量控制方式，基本滿足要求。中頻退火作為整條生產線的工藝核心，基本滿足了輸出穩定、響應迅速、高效節能的要求，為生產高性能產品提供了依據。而軋機與中頻的工藝配方也為全線的自動化與高速生產提供了保證。該工藝配方是合力公司幾年來生產實踐的結晶，具有很高的實用性和適應性，能夠保證產品質量。

2.4.4飛剪碎斷

生產線啟動時中頻退火的啟動過程中產生質量不能達標的廢鋼，為滿足生產質量要求，需要將之從成品中去除，于是便有了飛剪碎斷裝置。該裝置是在原來的定尺剪切的基礎上改裝得來，用變頻器替換了伺服控制器，這就對變頻器的啟動加速和制動減速性能提出了很高要求。如果加速時間過長，在切到半圈內不能達到生產線速度，就會產生堆鋼。如果中頻退火達到規定溫度，在停切時不能及時停車，就會造成飛車，影響生產線連續運行。最終采用凸輪控制模式，滿足了生產工藝要求，既不會使變頻器加速報警，又保證了及時制動。

篇（10）

蒸發器的示意所示，其工作流程大致可描述為：待濃縮的稀液從蒸發器上部進入蒸發器E1201，吸收過熱蒸汽提供的熱量，稀液中的水分變成二次蒸汽從蒸發器頂部排出，濃縮液從蒸發器底部排出；濃縮液濃度不能在線測量；稀液流量為F1201，稀液管線上設閥門V1201；濃縮液流量為F1202，濃縮液管線上設閥門V1202；二次蒸汽流量為F1203，二次蒸汽管線上設閥門V1203；從蒸發器中部通入滿足工藝要求的過熱蒸汽，蒸汽流量為F1105，過熱蒸汽管線上設閥門V1105；換熱后的過熱蒸汽變為冷凝水排出。蒸發器為真空操作，蒸發器液位為L1201，溫度為T1201，壓力為P1201。

1．2工藝流程分析蒸發器的工藝流程可以具體描述為：

1）打開稀液流量閥V1201，向蒸發器E1201注入稀液，并使蒸發器液位穩定在80％左右。

2）打開過熱蒸汽流量閥V1105和二次蒸汽流量閥V1203，向蒸發器通入過熱蒸汽，使蒸發器溫度達到108℃，并保持穩定。

3）待濃縮液濃度達到7．5％時，開啟濃縮液流量閥V1202，開始連續出料，使濃縮液流量達到4．63kg／s，并保持流量平穩。

2系統總體方案設計

2．1控制要求與技術指標

（1）控制要求

基礎過程控制（BPCS）的任務是保證蒸發器溫度、濃縮液濃度以及濃縮液流量均符合工藝要求。根據工藝要求可以將BPCS的控制任務分解為：建立蒸發器液位、提升蒸發器溫度、蒸發器提升負荷運行、濃縮液濃度控制、蒸發器溫度控制、蒸發器液位控制、濃縮液流量控制。

（2）系統安全要求

現代過程控制系統包括基本過程控制系統(BPCS)和安全儀表系統（SIS）。蒸發過程可能會出現蒸發器內壓力過大而引起事故，因此SIS系統的設計非常重要。

2．2控制系統總體方案設計

考慮到安全可靠和經濟適用的同時兼顧，本方案選擇了西門子的PLCS7416－2F，與PCS7BOX構成冗余結構，兩個CPU同時具有基礎控制系統（BPCS）和安全控制系統（SIS）的功能，正常運行狀態下PCS7BOX執行BPCS功能，PLCS7416－2F執行SIS功能。BPCS系統和SIS系統共用一個工程師站和一個操作員站，這樣避免了傳統DCS和SIS之間復雜的數據處理，節省了成本與安裝費用，系統中備件品種少，經濟性好，并且可以互為代用，便于維護。BPCS系統與SIS系統之間的通信連接采用光纖實現，使系統的安全可靠性大大提高。此外，PCS7BOX和冗余PLC相互獨立，冗余系統的存在與否不影響控制系統的正常運行。用PROFINET工業以太網擴展此系統，使此系統一方面可與管理系統對接，另一方面具有了良好的可擴展性，能方便地實現監控功能，同時使此系統的維護也變得更加方便。

3控制系統硬件設計與實現

3．1儀表供配電設計

為保證供電的安全和可靠，設計供電系統時，應按照用電儀表的電壓等級和電源類型進行設計。本方案采用二級供電方式，由第一級總供電箱直接向設置在底層的各二級供電箱供電，并在第二級供電系統中同樣設置總供電箱、分供電箱。供電系統可采用多回路供電的配電方式，將各分供電箱分別接到總供電箱上的各組端子上，這樣在靈活分配用電負荷的同時能夠分散端子故障所帶來的影響。

3．2輸入／輸出模塊配置

BPCS和SIS的輸入／輸出模塊配置相類似，以BPCS為例，在分析控制系統的基礎上。確定了BPCS所需配置的I／O點數后，即可進行輸入／輸出模塊的選擇。本方案選擇西門子公司的分布式I／O產品ET200M。

3．3系統控制柜設計

接下來是系統控制柜的設計，包括主控制柜和分控制柜的設計，確定控制柜以及輸入輸出模塊后，繪制系統輸入輸出模塊的接線原理圖。

3．4系統組態

在SIMATICManager中完成系統組態。系統硬件組態如圖3上半部分所示，左邊是BPCS系統的硬件組態，右邊是SIS系統的硬件組態。通信網絡的組態如圖3的下半部分所示，完成BPCS功能和SIS功能的DCS和PLC均掛接在PROFIBUS總線上。PCS7BOX和IM153－2分別是BPCS的CPU和ET200M通信模塊；AS400F和IM153－2FO則是SIS的CPU和ET200M通信模塊。

4控制系統軟件設計與實現

4．1控制程序總體設計

根據程序的功能以及程序執行情況，控制程序可以被劃分為3個部分：

1）啟動組織塊OB100。OB100在PLC啟動時執行一次，通過該組織塊可以實現初始化操作。

2）主程序OB1。OB1由操作系統不斷地循環調用。通過OB1可以進行系統常規處理，轉換系統的運行狀態，比如更新程序中的標志，并進行相應處理。

3）循環中斷OB35。循環中斷組織塊按照設定的時間間隔執行中斷程序。在循環中斷中完成模擬量采集、數字濾波、PID運算，最后是控制量輸出。

4．2控制程序設計與實現

（1）S7CFC編程語言

CFC（ContinuousFunctionChart，連續功能圖）用圖形的方式連接程序庫中的各種功能塊，包括從簡單的邏輯操作到復雜的閉環和開環控制等領域。編程的時候將需要的功能塊復制到圖中并用線連接起來即可。定時中斷程序即采用CFC來編寫。

（2）定時中斷的整體結構

在定時中斷中進行模擬量采集、數字濾波、PID運算以及控制信號輸出，同時實現參數超限時的報警和停車。程序的控制單元主要有：溫度控制、液位控制、濃度控制等。不同被控量所需定時中斷的時間間隔均不相同，定時時間要根據現場調試情況來確定。

4．3推理程序設計與實現

經過分析，可以看出被控對象的特點是多回路、多參數、強耦合。因此控制策略為：將復雜大系統分解成相對獨立的簡單子系統進行處理，控制律力求簡單實用。其中，根據對被控對象的分析，發現濃縮液濃度不可在線測量。為了實現濃度的準確控制，采用了推理控制策略，利用可實時測得的稀液流量、濃縮液流量以及二次蒸汽流量，通過推理運算實現濃度的間接控制。推理控制算法采用SCL（類似于C語言）進行編程，并將其編譯成模塊，供CFC編程調用。BPCS部分主要采用連續功能圖CFC實現。

4．4系統安全SIS設計

作為保證生產安全的重要措施，安全控制系統主要包含安全儀表和信號報警兩部分。大多數工業生產過程要求安全儀表系統和信號報警遵循失效安全原則，使工業設備在發生故障的時候轉入預定義的安全狀態。在本方案中，包括了報警指示、緊急停車聯鎖等安全控制。緊急停車聯鎖在蒸發器裝置的機械設備故障、某些過程參數越限、系統自身故障或稀液進料中斷時，對系統實施緊急停車。緊急停車聯鎖能自動產生一系列預先定義的動作，使工藝裝置和人員處于安全狀態。

4．5系統監控設計

控制系統使用西門子WinCC組態軟件對操作員站進行了組態，實現對蒸發器的實時控制及調整、系統運行監控與管理。WinCC使生產過程的狀態能夠以文字、圖像、曲線和報警等多種形式清晰地表達出來，同時能夠記錄生產過程中發生的事件，供歷史查詢使用，還可以組態可打印的報表。

篇（11）

2.過程分析

圖1是一個十字路口示意圖。分別用1、2、3、4表明四個流向的主車道，用a、b、c、p分別表示各主車道的左行車道、直行車道、右行車道以及人行道。用a、b、c、p分別表示左轉、直行、右轉和人行道的交通信號燈，如圖2所示。

交通燈閃亮的過程：

路口1的車直行時的所有指示燈情況為：

3a3b2p綠3c紅+4a4b4c3p全紅+1c綠1a1b4p紅+2c綠2a2b1p紅

路口2的車直行時的所有指示燈情況為：

4a4b3p綠4c紅+1a1b1c4p全紅+2c綠2a2b1p紅+3c綠3a3b2p紅

故路口3的車直行時的所有指示燈情況為：

1a1b4p綠1c紅+2a2b2c1p全紅+3c綠3a3b2p紅+4c綠4a4b3p紅

故路口4的車直行時的所有指示燈情況為：

2a2b1p綠2c紅+3c3a3b2p全紅+4c綠4a4b3p紅+1c綠1a1b4p紅

圖1：十字路通示意圖

圖2：十字路口通行順序示意圖

圖3：十字路通指示燈示意圖

圖4：交通燈控制系統硬件框圖

3、硬件設計

本系統硬件上采用at89c52單片機和可編程并行接口芯片8155，分別控制圖2所示的四個組合。at89c52單片機具有mcs-51內核，片內有8kbflash、256字節ram、6個中斷源、1個串行口、最高工作頻率可達24mhz，完全可以滿足本系統的需要；與其他控制方法相比，所用器件可以說是比較簡單經濟的。

4、軟件流程圖

圖5：交通燈控制系統流程圖

5、交通燈控制系統軟件

org0000h

ljmpmain

org0100h

main:

movsp,#60h

;lcalldir;調用日期、時間顯示子程序

loop:

movp1,#0ffh

ljmptest

lcallroad1;路口1的車直行時各路口燈亮情況

lcalldly30s;延時30秒

movp1,#0ffh;恢復p1口高電平

lcallreset;恢復8155各口為高電平

lcallyellow1;路口1的車直行--%26gt;路口2的車直行黃燈亮情況

lcalldly5s;延時5秒

lcallreset;恢復8155各口為高電平

movp1,#0ffh;恢復p1口

lcallroad2;路口2的車直行時各路口燈亮情況

lcalldly30s;延時30秒

lcallreset;恢復8155a、b口為高電?

movp1,#0ffh;恢復p1口高電平

lcallyellow2;路口2的車直行--%26gt;路口3的車直行黃燈亮情況

lcalldly5s;延時5秒

lcallreset;恢復8155a、b口為高電?

movp1,#0ffh;恢復p1口高電平

lcallroad3;路口3的車直行時各路口燈亮情況

lcalldly30s;延時30秒

lcallreset;恢復8155a、b口為高電?

movp1,#0ffh;恢復p1口高電平

lcallyellow3;路口3的車直行--%26gt;路口4的車直行黃燈亮情況

lcalldly5s;延時5秒

lcallreset;恢復8155各口為高電平

movp1,#0ffh;恢復p1口高電平

ljmptest

lcallroad4;路口4的車直行時各路口燈亮情況

lcalldly30s;延時30秒

setbp1.5;恢復p1.5高電平

setbp1.4;恢復p1.4高電平

movdptr,#0ffffh;恢復8155各口為高電平

lcallyellow4;路口4的車直行--%26gt;路口1的車直行黃燈亮情況

lcalldly5s;延時5秒

setbp1.6;恢復p1.6高電平

setbp1.3;恢復p1.3高電平

movdptr,#0ffffh;恢復8155各口為高電平

ljmploop

;路口1的車直行時各路口燈亮情況3a3b2p綠3c紅+4a4b4c3p全紅+1c綠1a1b4p紅+2c綠2a2b1p紅

road1:

movdptr,#7f00h;置8155命令口地址；無關位為1）

mova,#03h;a口、b口輸出，a口、b口為基本輸入輸出方式

movx@dptr,a;寫入工作方式控制字

incdptr;指向a口

mova,#79h;1a1b4p紅1c綠2a2b1p紅

movx@dptr,a

incdptr;指向b口

mova,#0e6h;3a3b2p綠3c紅4a4b3p紅

movx@dptr,a

movp1,#0deh;4c紅2c綠

ret6、結語

本系統結構簡單，操作方便；可現自動控制，具有一定的智能性；對優化城市交通具有一定的意義。

本設計將各任務進行細分包裝，使各任務保持相對獨立；能有效改善程序結構，便于模塊化處理，使程序的可讀性、可維護性和可移植性都得到進一步的提高。

6、參考資料