测控系统设计方法.doc

课程设计报告水炉检测控制系统设计课程设计报告 目 录：第一章测试系统设计技术指标41.1系统设计技术指标41.2系统设计要求4第二章检测控制系统方案分析52.1检测控制系统分类52.2检测控制系统设计方法52.21检测控制系统设计分析52.22检测控制系统的设计方法52.23数据采集系统设计与选择82.3数据采集系统方案选择9第三章控制系统设计103.1 继电器分类103.2电磁继电器特点103.3电磁继电器工作原理103.4电磁继电器的作用113.5电磁继电器控制电路设计11第四章检测与控制系统的的设计与调试124.1元器件的选择124.2水炉检测控制电路系统图124.3硬件电路设计与制作124.31.电桥电路的制作124.32.放大电路的制作144.33.AVR电路的设计与制作144.34.继电器控制电路：164.4软件程序设计与编写174.41.程序流程图174.42.主要子函数：184.5电路的制作与调试194.51.元器件的焊接：194.52.硬件的调试19第五章总结20参考文献21附表 程序22第一章 测试系统设计技术指标1.1 测控系统设计技术指标测量参数A. 压力P1：00.8MPa大于0.9MPa报警和控制B. 温度T1：090度大于95度报警和控制C. 水位H：02.0M小于1.2M报警控制1) 检测控制系统系统精度要求小于1.0%2) 测量采用的两种记录方式A. 磁带记录方式B. 计算机记录方式3) 采集通道3路（分别测量3个参数）4) 计算机数据采集程序系统设计语言采用C语言1.2 系统设计要求1) 测试系统设计分析，确定最佳设计方案：选择传感器，放大器，A/D转换器，计算机 2) 计算机数据采集系统设计方案分析3) 信号采集程序设计与分析，可用C语言4) 计算机数据采集系统精度分析计算5) 测试系统要求体积小、稳定性、可靠性好第二章 检测控制系统方案分析检测控制系统在机电一体化系统设计中，常用于报警检测控制、位置检测控制、过程检测控制、实时跟踪检测控制、状态检测控制。由于应用场合不同。控制要求的不同，设计所用的传感器及配套仪表不同，相应的检测方法、设计方案也不同。2.1 检测控制系统分类1. 按照被控对象的分类： 开关量控制； 电机类工作控制2. 按照控制工作方式分类： 直接控制工作方式； 间接控制工作方式； 实时跟踪控制工作方式3. 按照控制参数分类： 单路信号控制； 多参数信号控制； 综合控制方式2.2 检测控制系统设计方法2.21检测控制系统设计分析检测控制系统设计分析是确定检测控制系统总体设计方案的重要部分。根据所要求的检测控制系统的作用、功能、应用要求，进行全面的分析和研究。制定具体的设计方案，应考虑要解决的问题。设计技术指标的确定 检测控制的参数：压力、温度、水位； 检测控制精度参数：小于1.0%； 检测控制类型的确定：电机类工作控制； 检测控制系统应用条件的设计：高温、高湿； 检测控制系统保护方法：电源保护、干扰的抑制保护等； 结构尺寸，安装尺寸的设计。2.22检测控制系统的设计方法1).检测控制传感器的选择完成一个具体的测试任务或控制任务，首相要考虑能用什么原理的传感器，这需要分析许多因素后才能够决定。因为，要检测某种物理量，有多种传感器选择使用。在机电一体化检测控制系统设计中应考虑以下具体问题： 传感器量程的大小 传感器的体积、允许安装的位置 安装方式，接触式还是非接触式 信号的引出方式，有线还是非接触式测量检测常用的传感器有电阻式、电阻应变式、光电式、电感式、压阻式、组合式等。在检测与控制应用中，传感器量程的选择，应根据被检测的信号大小确定。考虑到传感器的线性使用范围，检测信号偶然性。所以，选择传感器量程应留余量。传感器的频率响应特性必须覆盖被测信号的带宽，在检测信号频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定时间的延迟，希望延迟时间越短越好。传感器在使用一段时间后，其性能不发生变化的性质称为稳定性。传感器在不同的环境和使用条件下其性能不发生变化的特性称为可靠性。也就是说传感器必须满足一定的使用要求，才能正常工作。传感器的精度是保证整个系统测量精度的第一个重要环节，它处于测量系统的输入端，对整个系统的精度有直接的影响。传感器的精度越高，价格越昂贵。应在满足同一测量目的的许多传感器中选择比较便宜和简单的。如果测试是作为定性分析用，属于相对比较的类型，选用重复精度高的类型即可，不宜选用精度高的。如果为了定量分析，必须获得准确的测量值，就需选用精度极高的传感器。总之，根据具体使用条件，测量精度要求，选择响应精度的传感器。综上，传感器的选择原则是： 检测传感器量程； 检测传感器精度应小于总体设计要求的1/3； 动态响应频率； 传感器长期稳定性，可靠性好； 传感器结构尺寸符合总体设计要求； 传感器应适合控制应用工作环境条件2). 应用放大电路设计与选择根据传感器的类型来选择放大器的类型电阻型传感器应选用动态电阻应变仪，主要有BZ2202系列（手动、自动：1路、2路）、YE38（KD600）系列、YB系列，一般放大倍数有01000，频率为10K150KHz，精度为0.1%0.2%。 压电式传感器应选用电荷放大器，主要有YEB5850,5007,9013，这些都是超低频的（0100K） 电感、电容式传感器 应选用对应转用的放大器 热电偶 应选用直流电压放大器光电式传感器 应选用相应的光电转换放大器，根据具体的检测与控制精度要求，选择响应的配套光电放大器，也可以用三极管（9013等）组成开关电路。设计与选择原则： 选择配套的放大器，各项性能指标满足设计要求； 设计应用电路，选择高精度、高稳定性元器件进行最佳设计； 设计应用电路，必须进行性能测试，可靠性、稳定性测试，按照有关规定进行全面测试合格后在应用到产品中。3).控制器设计与选择 开关件继电器的选择：工作电压、控制电压、控制电流、控制时间、结构尺寸满足设计要求； 控制电路设计与被控对象匹配； 电机与驱动器、负载匹配选择，满足系统设计要求。4) 记录仪选择方案 磁带记录方式由于磁带具有容量大，存储时间长的特点，因此选用磁带机作为一种记录仪器。磁带上记录的是模拟电压量。 计算机记录方式计算机记录数字量的实验数据，便于数据处理分析和长久保存本课题设计选用： 磁带记录方式选用TEAK DX2000型磁带记录仪，精度：0.2% 计算机记录方式采用程序存盘记录方式记录数据2.23数据采集系统设计与选择数据采集系统的设计方案主要有以下3种：A. 单片机数据采集系统单片机系统A/D转换器放大器传感器图2.1 单片机数据采集系统框图 优点：结构简单，价格低廉，使用灵活 缺点：扩展性差，存储、显示、数据处理功能差 应用场合：该系统应用于航空、航天、兵器、机电产品中，例如电冰箱、洗衣机等B. “计算机+A/D转换器”型数据采集系统计算机A/D转换器放大器传感器 图2.2 “计算机+A/D转换器”型数据采集系统框图优点：扩展性好，价格适中，测试通道多缺点：采集程序需自行开发应用场合：常用试验中C. 整机型数据采集系统放大器动态测试分析仪传感器图2.3 整机型数据采集系统框图其中动态测试分析仪是A/D（或A/D D/A）采集卡，计算机和软件的集合体优点：操作方便缺点：价格高，扩展性好应用场合：兵器行业，爆炸测试中，火箭弹试验中2.3 数据采集系统方案选择分析系统设计技术指标可知，水炉检测控制系统较简单，测试通道较少（3路），故采用方案1或者方案2能达到较高的效费比。采用单片机数据采集系统能够达到设计要求，实现测试系统对数据的实时显示，数据实时处理分析，数据存储等方面的要求。故本课程设计采用A/D转换器放大器传感器计算机 图2.4. 数据采集系统框A/D转换器采用AVR8自带的A/D模块，采用磁带记录和计算机记录两种记录方式。第三章 控制系统设计 在机电一体化系统设计中，控制系统设计常用的有电路控制方法、计算机控制方法。被控制对象分为两大类：各类型的电机控制。各类类型的开关量控制。开关量控制可实现各种电源的接通或者断开，实现报警控制、状态控制等。开关量控制器件常用的有各种开关元件，如各种继电器，各种检测控制传感器开关等。3.1 继电器分类1).按照控制输出通道分类：单路式、双路式、四路式、多路组合式输出2).按照电磁继电器工作电压分类：3V，6V，9V，12V，18V，24V3).按照电磁继电器触点控制电压和电流分类;2A/125V、5A/125V、10A/380V等4).按照工作供电方式分类：直流电压供电式、交流电压供电式5).按照工作原理固态式、电磁式等3.2电磁继电器特点1).体积小、价格低、外形美观、多重安装形式2).切换电流大、工作电压大、切换功率达到2200V/A以上3).工作稳定性、可靠性好4).切换控制响应时间短515ms5).切换控制触点通道多，14路，可扩展多路3.3电磁继电器工作原理电磁继电器由线圈，磁铁，触点组，壳体组成。工作原理：当给继电器线圈输入直流电压大于额定工作电压的80%时，磁铁吸合，触点从开状态转换为闭合状态，原触点从闭合转换为开状态。当输入电压小于继电器额定工作电压的50%时，继电器停止工作。吸合转换时间取决于工作电压，工作电压大，响应时间短。当增加1V电压时，吸合时间减小23ms.3.4电磁继电器的作用1).多路信号同步控制，分别工作2).电子设备保护控制3).小信号控制高电压信号输出4).多参数多路分时控制3.5电磁继电器控制电路设计可分为手动控制电路设计和小信号控制电路设计。本课题采用小信号控制电路。在计算机输出信号控制系统设计中，在同步信号分别输出控制系统设计中，为了实现小信号控制电路达到控制大电压信号，分别同时输出双电压信号的要求。常采用电路控制继电器工作来完成。控制信号可以是计算机控制板中的D/A输出的小信号，也可以是8255输出的I/O小电压信号，采用光信号或其他检测信号均可实现控制作用，如下图 ：图3.1 小信号控制电路图第四章 检测与控制系统的的设计与调试4.1 元器件的选择1.压力传感器选择型号PT123（UYY1、ZQY），精度0.1%，量程1.5MPa2.温度传感器选择铂电阻传感器，量程0150度，传感器电阻3.放大器选择Op07，精度0.1%，供电电压4.数字电压表选择DT405B，41/2数字压力表，精度小于0.1%5.报警器选择KZY1型6.液体电流阀选择YK2K2型7.单片机选择自带A/D的AVR8单片机4.2 水炉检测控制电路系统图4 1/2 数字表报警器OP07放大电路PT123铂电阻传感器电磁阀AVR8+继电器 图4.1检测控制系统4.3 硬件电路设计与制作4.31.电桥电路的制作在检测系统设计中，当选择应变式传感器时，若配备相应的动态电阻应变仪，该仪器输入设计为电桥电路式，可利用电桥电路调零，解决应变式传感器在生产制作中存在的零点输出电压。当配备一般的电压放大器时，该仪器无调零功能，若传感器零点输出电压较大时，直接影响到检测精度。故必须设计电桥调零电路，解决传感器电桥电阻不相同的问题。如下图4.2： 图4.2电桥电路 先确定电桥的输出电压 计算电桥电阻R值和其他参数如下式： ，电桥调零电位器电阻。式中传感器最大电阻变化量 检测输出电压 U 电桥工作电压 传感器电阻串联配桥电阻 选择配桥电阻，精度小于0.1%由铂电阻传感器参数可知，传感器电阻为100，传感器最大电阻变化量为38.4，检测输出电压为0.1V，可得R=1152 =1052R5=2304 =104.32.放大电路的制作Op07芯片是一种低噪声，非斩波零稳的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为26uV）,所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特定使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。特点：超低偏移：150uV 最大低输入偏置电流：1.8nA低失调电压漂移：0.5uV/度超稳定，时间：2uV/month 最大高电源电压范围：3V至22V 4.3管脚图其中：D1、D2为电源误接保护 C1、C2为滤除高低频干扰引脚2,3为电桥电路输出电压接入端6脚为信号输出端Rw为调零电阻，取值20Rf为100R为1 4.4放大器电路 4.33.AVR电路的设计与制作1).AVR单片机的特点AVR单片机吸取了PIC及8051单片机的优点，具有如下优点：高性能，采用精简指令集CPU（RISC），32个通用寄存器，克服了8051等CISC结构存在的指令系统不等长，指令数多，CPU利用率低，执行速度慢等缺点，指令的执行速度最开可以达到20MHz。包含丰富的外设，如定时器、A/D转换器、PWM和片内振荡器等。工作电压范围宽，工作电压在1.86V之间，电源抗干扰能力强。低功耗，具有六种休眠模式，能够从低功耗模式迅速唤醒。端口具有较强的负载能力，灌电流可达1020mA或40mA（单一输出），可以直接驱动LED、SSR或继电器。有丰富的中断向量，有34个中断源，不同的中断向量的入口地址不一样，可以快速响应。USART不占用定时器，采用独特的波特率发生器。有SPI传输功能。晶振可以工作在一般标准整数频率，而波特率可达576kb/s. 45引脚图本课题直接利用AVR单片机的A/D，同时利用USART，通过RS232接口与上位机进行数据交换，实现系统的调试与检测。AVR电路图如下： 4.6 AVR8最小系统电路其中P1为下载线端口R1，S1，C6构成复位电路C11，C12，XTAl构成晶振时钟电路C7，C9，C8，C10构成电源滤波电路本课题A/D参考电压采用内部电源，故AREF通过滤波电容接地利用单片机自身的USART，可通过RS232接口与上位机通信，具体电路见下图4.7： 图4.7串口通信电路其中，max232为电平转换芯片由于整个测控系统的供电加压为12V，而单片机电路的供电电压为5V，为简化系统，可采用电平转换芯片，具体电路见下图4.8： 图4.8 电平转换电路4.34.继电器控制电路：采用小信号控制大电压电路，具体见下图4.9： 图4.9 控制电路4.4 软件程序设计与编写4.41.程序流程图4.10开始A/D初始化USART初始化开始一次采样记录、显示大于预定值？NOYes报警、驱动继电器 图4.10程序流程图4.42.主要子函数： 1).A/D 采样子函数 /*ADC采样初始化，分辨率256*/void ADC_init(void) ADMUX=0x60 ; /参考电压采用AVCC，左对齐，通道0 ADCSRA=0x8D ; /使能，未开时转换，开中断，32分频/*ADC采样函数，选择通道*/unsigned char ADC_red(unsigned char ch) unsigned char adval ; ADMUX=0x60|ch ; /参考电压采用AVCC，左对齐，通道0,选择通道ch ADCSRA=0xCD ; /使能，开始转换，开中断，32分频 while(!(ADCSRA&(1ADIF) ; /等待转换完成 adval=ADCH; ADCSRA&=(1ADIF); /清转换完成标志 ADCSRA&=(1ADEN); /关闭转换 return adval;2)USART子函数/*USART初始化*/void USART_init(void) UCSRB=0x18; /接受发送使能，8位字长 UCSRC=0x86; /异步，无校验，1位停止位，8位字长? UBRRH=0x00; UBRRL=baud; /8M晶振，波特率=38.4K /*USART传送数据*/ void USART_put_char(char c) while( !(UCSRA & (1UDRE);UDR=c;4.5电路的制作与调试按照设计好的硬件电路，在PCb板上进行制作与调试。4.51.元器件的焊接： 焊接原则：由低到高，化零为整 安排好布局后，将散热片与三端稳压片用螺钉连接，先焊接最矮的电阻，电容，脚座，二极管，然后焊接电位器、三端稳压片，LED灯，电解电容等。注意区分LED灯、电解电容、二极管的正负极。注意脚座的方向。4.52.硬件的调试1) 不带电检测按照电路图检查是否有焊接错误，如果没有焊接错误，再检查是否有虚焊、连焊现象，并及时纠正；可用万用表蜂鸣器档检测是否有短路现象存在，若蜂鸣器响，则应检查短路发生原因。2) 带电不带芯片检测在不带电检测正常的前提下，接通电源，用万用表的电压档测量供电电压是否正常，检测芯片脚座电压是否正常。如果出现不正常现象，应及时断电，分析故障发生原因并及时改正。3)带电带芯片检测。在带电不带芯片检测正常的前提下，安装上芯片，接通电源，用手感觉是否有严重发热的芯片，若有，马上断开电源，检查错误原因。4)电路的调试在以上各步检测均正常后，接通电源，先进行调零。首先是电桥调零，然后是放大器电路调零。完成后，用示波器或万用表检测输出电压与理论计算值比较，在误差允许范围内，将信号送入单片机进行处理，调试软件程序。第五章 总结课程设计是大学本科学生学完基础课和专业基础课后进行的一次实践，旨在开拓我们的视野，增强专业意识，巩固和理解专业课程，它是不同于理论学习，课程设计是更注重实际应用，与生产生活更加接近。本次课程设计是以测试系统的设计为主线。作为毕业实习的一个很好补充，课程设计是将以往学过知识的一次综合运用，是将测试技术、机械技术、传感器技术、电子技术、控制技术、信息与计算机技术相结合，设计出各种各样的机电一体化系统及设备，是对学生综合运用能力的一次很好锻炼。作为一名探测制导与控制技术也就是测控技术专业的学生，这次课程设计很好的锻炼了自己运用交叉学科知识的能力，也为以后参加工作奠定了一定基础。 这次课程设计最大的感受是理论与实际应用的差别。在理论学习时，我们所接触的数据、参数、指标都是理想化的，所得的结果全是严格的理论值，对于电路大部分是采用等效。而且在学习时，大部分都是在讲理论，很少讲到如何在实际中应用，例如学习微机原理时只是学习了小信号的控制，而在实际产品中都是用大电压进行驱动，这就造成了理论与实际应用的脱节；又如模拟电子技术中的电路都是等效的，很少讲到如何根据需要设计电路，更不会讲到各种各样的电路保护、防干扰措施。通过这次课程设计，我系统的学习了测控系统的设计方法及电路保护、防干扰措施，结合学习过的测试技术一书，对如何通过小信号控制大电压，放大电路的设计、声波电路的设计、测控电路的设计、信号源的设计、电压/频率转换电路设计、多路信号控制电路设计有了更深刻的认识，学会了检测系统的设计方法、测试系统的设计方法、电机控制系统的设计方法、单片机测控系统的设计方法、采集程序的设计方法。学到了更多书本上见不到，但实际应用中经常需要的知识。特别是实际动手操作制作了电桥电路、放大器电路、温度检测电路，对于焊接，调试有了更深刻的认识。拿电桥电路来说，看似简单，但是数据计算、调零、电压正负极都是需要考虑的东西，这些在看书时很可能是一掠而过，只有在实际动手时菜能感觉到很多细节的重要性。 对于这次课程设计我感到很满意，自己真正学到了一些东西，这两周是有收获的，也非常感谢学院以及张老师的辛勤工作。结合自己的经历，我认为课程设计还可以从一下方面进行改进：1.增加焊接培训环节 在实际制作中，很多同学都是第一次运用烙铁，也不知道什么算是焊接的好，怎样避免虚焊、如何脱焊等，希望学院及老师可以在课程设计中加入焊接培训环节；2.增加实际动手机会 课程设计对于大部分同学来说都是第一次进入实验室完成一项设计，面对这个任务有点不知所措，建议学院及老师将课程设计分解，让大家先做其中的一小单元，如放大器模块，逐步完善自己的课程设计，这样可能会花费更多的时间，但是大家也会收获更多。再次感谢张