基于单片机的多参数控制仪.pdf

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1、第2 7 卷第6 期增刊2 0 0 6 年6 月仪器仪表学报C h i n e s eJ o u r n a lo fS c i e n t i f i cI n s t r u m e n tV 0 1 2 7N o 6J u n 2 0 0 6基于单片机的多参数控制仪张琪刘莉张训文(北京理工大学机电工程学院北京1 0 0 0 8 1)摘要本文论述的是一种基于单片机的多参数控制仪。该控制仪由单片机、控制器和多路并联分时控制电路组成，能够满足工业自动化生产线中分时多任务的控制要求。以该控制仪在动加载试验装置控制系统的应用为例，说明该系统四路并联分时控制电路的控制原理及设计方法，并给出时间控制电

2、路图以及设计的选取。为多参数控制仪的设计和应用提供了参考。关键词单片机控制器多路并联分时控制电路M u l t i p a r a m e t e rc o n t r o li n s t r u m e n tb a s e do ns i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rZ h a n gQ iL i uL iZ h a n gX u n w e n(S c h o o lo fM e c h a t r o n i c sE n g i n e e r i n g，B e i j i n gI n s t i t u t e so fT e

3、 c h n o l o g y，B e i j i n g1 0 0 0 8 1，C h i n a)A b s t r a c tAk i n do fM u l t i p a r a m e t e rc o n t r o li n s t r u m e n tb a s e do nS i n g l eC h i pM i c r o c o m p u t e r，w h i c hc o n t a i n sS i n g l eC h i pM i c r o c o m p u t e r，C o n t r o l l e ra n dm u l t i p l e

4、 x e rp a r a l l e lt i m e-s h a r i n gc o n t r o lc i r c u i t，i si n t r o d u c e d T h ek i n do fc o n t r o li n s t r u m e n tc a ns a t i s f yt h ec o n t r o lc o m m a n do ft i m e s h a r i n gm u h i t a s ki np r o d u c tl i n e o fi n d u s t r i a la u t o m a t i z a t i o n

5、 T h r o u g ha ne x a m p l e，n a m e l y，c o n t r o ls y s t e mo fd y n a m i cl o a d i n ge x p e r i m e n tw h i c ht h ei n s t r u m e n ti sa p p l i e dt o，t h ep r i n c i p l ea n dd e s i g no f f o u r c i r c u i t sp a r a l l e lt i m e-s h a r i n gc o n t r o lc i r c u i ti sd

6、e s c r i b e d，t h ed e t a i ld r a w i n go ft i m e-c o n t r o lc i r c u i ta n ds e l e c t i o no ft i m e-d e l a yr e l a ya r ep r e s e n t e d I tp r o v i d e sr e f e r e n c e sf o rt h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fm u l t i f u n c t i o n a lc o n t r o li n s t r u m e

7、 n t K e yw o r d ss i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rc o n t r o li n s t r u m e n tm u l t i p l e x e rp a r a l l e lt i m e s h a r i n gc o n t r o lc i r c u i t电路设计方法，应用实例。为开发多路分时控制系统1引言提供了参考依据，为机电专业教学综合试验多参数并联输出控制、分时输出控制系统设计提供了方法。在工业控制系统，某些复杂自动化设备上需要进行分时多任务的执行，这就需要进行多参数多路分时控制。随着计算机

8、在测试技术领域中应用的发展以及控制方法的应用，在自动化生产线控制系统设计中，在机电产品设计中，提出并采用了多路信号控制，多路并联分时控制电路，顺序控制电路等电路控制方法。本文根据单片机控制方式具有时间设定操作简单、使用方便等特点，采用具有分时系统思想的单片机控制方式，进行了多参数控制仪设计的研究，开发研制出了基于单片机的多参数控制仪。该控制仪由单片机、控制器和多路并联分时控制电路组成，能够满足工业自动化生产线中分时多任务的控制要求，具有控制时间可调范围宽，精度高，功耗低，双数字显示直观等特点。本文分别给出了该控制仪的组成和工作原理，2 设计分析根据工程控制实际需要，目前所使用的控制方法有：电路

9、实现多参数控制，单片机多参数控制，P L C 可编程多参数控制等。其中，电路实现多参数控制方法调试使用不方便，实现控制麻烦；P L C 可编程多参数控制方法多用于工业自动化大型系统，参数多，实现复杂；单片机对于一般小型系统的控制，尤其是顺序并联电路控制，更为简单方便，应用广泛。因此，本文所设计的基于单片机的多参数控制仪基于单片机M c 孓5 1，实现多路分时控制，需要多路控制器，采用多路并联分时控制电路。该控制仪应具有以下特点和功能：万方数据第6 期增刊基于单片机的多参数控制仪1 9 1 7(1)多路性。多个任务通过各自的终端，可以同时使用一个系统。(2)及时性。各个任务提出的各种要求，能在允

10、许的时间内得到及时响应和处理。(3)独立性。在分时系统中，虽然允许多个任务同时使用一个C P U，但任务之间操作独立，互不干涉。(4)应用的广泛性。可用于汽车、电器等工业制造业，以及电力系统、水处理、温度控制等多种行业。其中主要设计指标为：控制信号：电压信号、方波信号控制时间：0 0 1 s l O O m i n控制对象：多路并联式或串联式开关量：四路输出式或多路并联输出式定时器：高精度数字式控制器(按照本文设计方法实现)3 数字式时间控制器结构组成基于单片机的多参数控制仪由单片机控制器和多路并联分时控制电路组成。控制部分中，单片机定时器如图1 所示。中断-一-一-一-一-一-，J图1 单片

11、机定时器、计数器结构框图4 控制系统设计及应用4 1多路信号控制系统多路信号控制系统组成：多路控制器，电源，单片机定时器。如图2(a)所示。4 2 控制原理以动加载试验装置控制系统为例，如图2 所示，说明控制原理及设计方法。该控制系统工作原理是：输入控制信号可采用两种，其中一种可利用计算机程序自动控制输出信号，另一种可利用电压信号输入控制方法；根据控制工作方a)并联输出控制电路方框图；(b)控制系统工作时序图图2 多路并联控制系统图式要求，控制时间可任意设定(0 0 1 S l O O m i n)；控制对象可以是单路式、双路式或者多路并联式等。在设定控制工作时间后，自动关闭各路工作状态；在外

12、输入控制信号或计算机输入控制信号的作用下4 路同步控制分别工作。第1 路充气系统开始工作，在设定工作时间t。，t。结束后，充气系统自动关闭；第2 路稳压控制系统开始工作，在设定工作时间t。，t。结束后，稳压系统自动关闭，停止工作；第3 路减压系统开始工作，在设定工作时间t。，t。结束后，减压系统自动停止工作；第4 路稳压系统在某一压强下开始工作，在设定工作时间t，t。结束后，稳压系统自动关闭，停止工作。根据控制任务要求，可增加或减少多路并联控制电路的回路数目；各路参数控制时间可根据控制要求任意设定，可调整单片机定时器来实现；各路控制输出信号通道数可任意设定，各路控制工作完成后自动关机。多路并联

13、控制电路设计采用如图2(a)所示电路，采用单片机控制方式，时间设定简单，定时器输出由继电器控制输出。时间继电器工作方式如图2(b)所示控制系统时序图，其中t，、t 2、t a、t、t 5、(下转第1 9 3 0 页)万方数据1 9 3 0仪器仪表学报第2 7 卷(上接第1 9 1 7 页)t。、t，、t。控制时间可任意设定。定时器的构成使用如图3 所示；也可以选择S T 4 8 S，Z N 4 8 S 系列的高精度时间继电器。本例被控对象是高压电磁阀，选择Y J 系列，控制电压1 8 V 2 A。当被控对象为需要高压大电流的器件时，应选择相应电压电流的时间继电器。5结论图3 定时器的方框图基于

14、单片机的多参数控制仪，电路设计新颖，结构独特，功能齐全；时间设定操作简单，控制时间可调范围宽，精度高，功耗低，双数字显示直观；设计技术指标、控制精度、稳定性、可靠性可满足不同的使用要求。该控制仪可以根据工程需要进行二次开发，增加控制通道数，扩展其使用功能。该控制仪能够在提高自动化设备工作效率、降低控制系统成本等方面发挥巨大作用。参考文献 1 张训文机电一体化系统设计与应用 M 北京北京理工大学出版社，2 0 0 6 2 黄仁欣，马彪单片机原理与应用技术 M 北京清华大学出版社，2 0 0 5 3 李中伟，韩明武，李爱英，佟为明一种新型智能时间继电器的研究 J 低压电器，2 0 0 4，9 万方

15、数据基于单片机的多参数控制仪基于单片机的多参数控制仪作者：张琪，刘莉，张训文，Zhang Qi，Liu Li，Zhang Xunwen作者单位：北京理工大学机电工程学院,北京,100081刊名：仪器仪表学报英文刊名：CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT年，卷(期)：2006，27(z3)被引用次数：0次 参考文献(3条)参考文献(3条)1.张训文 机电一体化系统设计与应用 20062.黄仁欣.马彪 单片机原理与应用技术 20053.李中伟.韩明武.李爱英.佟为明 一种新型智能时间继电器的研究期刊论文-低压电器 2004(09)相似文献(10条)相似文

16、献(10条)1.会议论文 袁晓光 用于彩显系统匹配台的单片机智能控制器 1998 介绍了一种采用单片机和构成对彩显系统匹配台实现智能控制的方案。其目的是试图尽可能多地利用单片机的资源来实现一个性价比优良的方案，在保证系统功能和可靠性的前提下，大幅度降低设备的造价，从而为彩显系统匹配生产线设备的智能提供一种新的实用技术途径。2.学位论文 苑海涛 变频调速液压电梯单片机控制器的研究 2006 作为液压电梯的一个重要发展方向，变频调速液压电梯具有节能以及调速性能优越等优点。本课题组一直致力于液压电梯技术领域的研究，并取得了丰硕的研究成果，本课题就是在分析、掌握前人研究成果的基础上，为推进单片机控制器

17、早日实现产品化而展开的进一步研究。论文从单片机控制器的总体结构入手，分析了各功能模块的实现方法，并通过实验重点验证了其中的PWM方式实现高精度模拟控制电压输出方法的可用性。为了提高控制器的控制性能，提出了基于分段线性插值的方式实现负载压力补偿和温度补偿的方法，相比其他一些智能控制算法，该方法简单易用，更适合于单片机控制系统中使用。在单片机控制器开发成功以后，对其进行了实验验证工作，初步证实了整体设计方案的可行性。论文的整体结构如下：第一章，简要叙述了液压电梯的发展历史，介绍变频调速液压电梯技术及产品，最后阐述了本课题的主要研究内容及意义。第二章，介绍了变频调速液压电梯控制系统的整体结构及原理，

18、并在此基础上指出了单片机控制器所需完成的功能。第三章，详细阐述了单片机控制器各功能模块的实现方案，提出了在软件上实现压力补偿和温度补偿功能的方法，最后对如何提高单片机控制器的抗干扰能力进行了论述。第四章，首先介绍了对单片机控制器进行实验测试所采用的测试平台，然后介绍了实验过程中出现的几个问题。文中先介绍了问题的现象，然后分析了问题产生的原因，并提出了问题的解决方法。第五章，对本论文所做的研究工作进行了总结，并对未来的研究工作进行了展望。3.期刊论文 谭延良.郭怡倩 提高单片机控制器可靠性的设计方法-电子工艺技术2001,22(5)可靠性是单片机控制器能否成功应用的最关键问题.从多项应用工程中归

19、纳出一些提高可靠性的方法,讨论了自动复位、模拟信号变换、开关信号变换硬件电路的设计,具体给出了实际应用中的数据.4.期刊论文 林晓燕.刘云翔 8098单片机在炉温控制器中的应用-东北师大学报(自然科学版)2001,33(2)在冶金、石油、化工和科研试验等部门经常需要对炉温进行测量和控制.本文介绍一种我们设计的智能型炉温控制器,它可以根据实际情况设置的炉温上限和下限值进行控制,使炉温自动地稳定在所设定的上限和下限值之间.本系统采用了INTEL公司16位单片机8098芯片,它具有16位单片机的性能,8位单片机的价格,具有高速输入口HSI和高速输出口HSO,片内带有4路10位A/D转换器,最高时钟1

20、2MHz,与低速的外围芯片连接提供等待功能,A/D转换时间为22 s.另外,8098单片机不存在累加器结构的瓶颈”效应问题,它内部具有232个通用寄存器,均可作为累加器使用.它的指令系统也非常灵活,很多指令既可以用双操作数,又可以用三操作数,因此,将8098单片机用于炉温控制具有程序简单和反应速度快等特点.1 系统的硬件设计该控制器以MCS8098单片机为核心,程序存贮器为8KB的EPROM2764,晶振为12MHz.另外,还有键盘显示电路,输出驱动电路等.具体的硬件结构框图如图1所示.温度传感采用AD590温度-电流传感器,AD590是美国Analog Devices公司生产的二端式集成温度

21、-电流传感器,具有体积小,重量轻,线性度好,性能稳定等一系列优点,适合于远距离测量和传输.HSO.0和HSO.1分别控制加热器和鼓风机,图1中所采用的光电耦合器起到耦合脉冲信号和隔离8098单片机系统与功率驱动电路的作用,使两部分的电流互相独立,减少系统所受的干扰,提高系统的可靠性.2 系统软件的设计8098单片机内部带有回路10位A/D转换器和HSO功能部件,这在硬件设计和软件编程上都带来了很大方便.利用A/D转换器和HSO部件需要用到8098芯片内部的几个特殊功能寄存器.图1 炉温控制器硬件结构框图5.学位论文 严惠 基于ARM7与51单片机的电梯控制器通信及人机界面的研究与开发 2007

22、 电梯通信作为电梯运行的主脉络，负责传递电梯的各个通讯指令以及各种控制信息，因此，提高电梯的性能在很大的程度上取决于电梯信息量的传输品质。同时，为保证电梯运行的可靠性以及提高电梯的使用寿命，必须对电梯进行合理的维护。而电梯的远程监控技术是一种合理有效的维护手段，通过它可以对电梯实行有效的未知维护。本文从上述两个点出发，结合电梯控制器设计的实际项目，重点研究了电梯控制系统中的通讯和电梯控制器远程监控上位机界面的设计。整个系统的通讯布局以CAN总线为主干网，485总线为主体板和扩展板之间的通讯桥梁。电梯控制系统分为楼层控制器、轿厢控制器、轿顶控制器、主板控制器以及相应的扩展板。本文主要从以下几个方

23、面进行研究。1.楼层控制器的设计。采用51单片机为楼层微控制器，MedWin为软件开发平台，实现楼层控制器的硬件和软件设计；将CAN总线运用于楼层控制器通讯中，结合MODBIJS协议以及CAN信息帧结构自定义通讯协议，实现了独立CAN控制器下的CAN通讯；通过功能调试验证了方案可行性。2.轿顶控制器的设计。采用ARM单片机为轿顶主控制器，ADS1.2为软件开发平台，进行轿顶控制器硬件和软件设计；将CAN总线应用于轿顶控制器通讯，实现了非独立CAN控制器的CAN总线通讯功能；并对轿顶功能进行调试验证。3.轿厢扩展板的设计。进行轿厢扩展板的软硬件设计；采用MODBUS通讯协议，将485总线应用于轿

24、厢扩展板中，实现了轿厢扩展板与主体板通讯；通过调试验证了方案的可行性。4.远程监控上位机设计。以Delphi为开发平台，RS485为通讯总线，实现电梯参数的获取与显示的软件功能；在以太网环境中，采用Visual Stdio6.0为开发平台，结合MODBUS-TCP通讯协议实现客户端、服务器的软件设计；并在模拟环境中验证了上位机功能。通过研究表明，CAN总线可以用于电梯控制系统的通讯中，而且性能可靠，实时性好，能充分满足电梯控制器对通讯性能的要求；RS485总线能充分实现电梯主体板和扩展板之间的通讯目的，能准确有效的实现上位机对电梯参数的获取；采用融合客户端/服务器模式的对等网络技术设计电梯远程

25、监控上位机软件，在模拟环境中实现了位于不同环境的客户端电梯与维护方之间的连接，确保了维护方对电梯的远程监控。6.期刊论文 管功湖.GUAN Gong-hu I/O口模拟串行通信在双单片机电阻焊控制器中的应用-台州学院学报2006,28(3)在双单片机控制的电阻焊控制器中,由于主控单片机的串口被用来和PC机进行通信.介绍一种利用单片机I/O口模拟串行通信的方法,并将其成功地应用在双单片机电阻焊控制器中.详细地阐述了在此控制器中利用单片机I/O口实现串行通信的硬件设置及软件设计.7.学位论文 孙雷 一种基于单片机的新型电子提花机控制器 2007 电子提花机揉合了现代电子技术，配合凸轮式的提针结构实

26、现了高速无纹版提花，由于其结构简单、速度高、质量好，在国内外已得到广泛应用。当前，以英国Bonas、法国Staubli、德国Gross公司所研制的电子提花机最具代表性，但其昂贵的价格让国内多数企业望而生畏。国产提花机一般多使用单片机进行控制，也有采用嵌入式方案或直接PC机现场控制方案，但是它们在功能和稳定性上无法与国外同类产品相比，同时，磁盘形式的花样输入时间过长，以及电子盘由于反复的拷贝删除操作产生的碎片和垃圾文件都让用户难以接受。为解决当前国产提花机存在的上述问题，本文提出了一种新型基于MCS-51单片机的电子提花机控制器，包括硬件电路和单片机软件。该新型控制器可以用U盘代替软盘方便快捷地

27、输入花样数据，同时解决了花样纬数受限制的问题。此外，控制器实现了意外停机保护的功能，文件管理系统经过反复拷贝删除也不会产生碎片或垃圾文件。运行结果证明了本控制器的有效性。该控制器以W78E516B单片机为核心，外围扩展部分包括控制的信号(数据、时钟、锁存、使能)和接收同步信号等。人机接口部分包括液晶显示、键盘、USB输入接口等。控制器使用串口与PC机通讯，并可根据需要，实现提花机联网控制。花样存储采用Flash电子盘，数据不易丢失且容易扩展，并通过编写新的文件管理系统使得电子盘不会产生碎片和垃圾文件。通过软件技术实现了从花样信息的提取、存储、传输、校验、输出等一系列功能，而且提花方式可以任意组

28、合，可与672针、1344针、2688针的各种型号有梭、无梭织机相配套，从而降低了生产成本，提高了工作效率，大大提高了纺织提花控制系统的数字化水平。本文第一章主要概述了提花机技术的概况；开发方案的选择及模块组成在第二章做了介绍；第三到五章为本文的重点，分别介绍了本控制器的硬件设计、软件设计和抗干扰设计；最后两章分别是运行结果与分析、总结与展望。8.期刊论文 龙瑜.LONG Yu 压铸机主从单片机控制器的设计-新技术新工艺2007,(4)以单片机为核心的控制系统广泛应用于各领域.本文介绍了采用单片机80CI96KC为主体的、对压铸生产实行全程控制的主从控制器的设计.根据压铸机对控制器的要求,控制

29、器完成了对压铸机的工艺流程控制、料筒温度控制、人机界面的确定.详细介绍了控制器的硬件、软件设计方案.9.期刊论文 孙荣高.孙德超.SUN Rong-gao.SUN De-chao 基于STC单片机的太阳能光伏控制器设计与实现-测控技术2009,28(11)为了提高太阳能光伏控制器的性价比,设计了运用STC单片机的太阳能光伏控制器.本控制器具有效率高、可靠性高、运行稳定、性价比高、适宜批量生产的特点.控制器实现了基于单片机STC12LE5402AD的工作状态控制和蓄电池能量管理,满足了太阳能光伏控制器在不同工作状态下的稳定运行与准确切换的要求.蓄电池充放电精确控制也在此控制器中得到实现.实验结果

30、表明,应用此控制器的太阳能光伏系统效率高、运行稳定,蓄电池寿命也可延长.10.学位论文 何永泰 基于单片机ATmega128的嵌入式工业控制器设计 2004 随着微电子技术和计算机技术的发展，工业控制机和可编程逻辑控制器(PLC)在设计上正向着嵌入式系统方向发展，程序编程正向着高级语言方向过渡。工业控制器的嵌入式发展已是不可逆转。北京的拓维图控有限公司，经过周密的市场调查，协议设计基于单片机的嵌入式工业控制器。经过大量的资料分析，选用AVR单片机ATmega128作为工业控制器的控制器。ATmega128是AVR单片机中功能最强的，它有128K字节的Flash程序存储器、4K字节的SRAM和4

31、K字节的EEPROM。在端口方面，它有边界扫描JTAG口、I2C串行口、SPI同步串行口和通用异步串行口UART。通过适当的外围接口电路的设计，它能够满足工业控制器的要求。无论硬件还是软件设计，基于单片机ATmega128的嵌入式工业控制器的设计都采用了目前系统设计中最为流行的方式。在硬件设计中，采用微控制器MCU+FPGA(CPLD)的方式。通过利用现场可编程门阵列FPGA设计微控制器的接口电路，使得电路的设计变得简单灵活。系统中使用的EPF10K20是AlterFLEX10K系列FPGA中的一种，采用可重构的CMOSSRAM工艺，它是当今AlteraPLD中应用最好的器件系列，其集成度已达

32、到25万门。在MAX+PLUS开发系统中利用VHDL硬件描述语言，在EPF10K20中设计了16位高速计数器(并可通过软件扩展到32位)和工业控制器的输入输出控制单元。在软件设计中，为系统移植了uC/OS-操作系统，来对系统的软硬件项目进行管理。在操作系统的移植过程中，对四个程序汇编文件(OS_CPU_A.ASM)、处理器相关C文件(OS_CPU.H、OS_CPU_C.C)和配置文件(OS_CFGH)进行了改写，使其能够在AVR单片机ATmega128中运行。在系统的设计中为了扩大其应用的领域，在单片机ATmega128的通用异步串行口UART的基础上专门设计了RS-232和RS-485串行通信板，用来实现工业控制器与上位机和工业控制器之间的通信，达到网络化控制的目的。在系统的设计中，保留了传统的可编程控制器(PLC)的多点输入和多点输出控制的要求。在系统中专门设计了输入输出点处理电路，它可以实现32个输入点信号的输入和实现32个输出点的控制。基于单片机ATmega128的嵌入式工业控制器的设计，适应了工业控制机向嵌入式发展的趋势，具有较高的实用价值。并较大程度地降低了造价和使用成本。本文链接：http:/