《计算机控制技术与系统》综合设计论文

综 合 设 计(论文)院 系：专业班级：学生姓名：学 号：指导教师：二一六年五月课 程 : 计算机控制技术与系统摘要本门课程的第1、2章为绪论和过程通道的内容，讲述了计算机控制系统的基本概念、组成、类型以及模拟量输入/输出通道、开关量输入/输出通道。为培养锻炼我们结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力，老师给出三道综合设计的题目。首先，设计了微机控制系统具体硬件电路及软件控制逻辑流程框图，实现了储液罐液位超限时报警并切断工质输入/输出通道的功能。然后，给出了热电偶测量信号的冷端温度补偿方式，并画出现场可实现的冷端温度补偿方案的设计简图。最后，分析了已知的现场64点模拟量信号输入采样电路的问题，并作出了改进设计。关键词：储液罐液位；微机控制；热电偶；冷端温度补偿；模拟量信号；采样电路。目 录1 综合设计题1储液罐液位微机控制系统11.1 题目要求11.2 总体方案11.3 硬件电路的设计11.3.1 微处理器的最小配置模式11.3.2 A/D转换电路31.3.3 报警和电磁阀驱动电路31.4 软件控制逻辑流程框图42综合设计题2热电偶测量信号的冷端温度补偿62.1题目要求62.2 热电偶测温需进行冷端温度补偿的原因62.3 热电偶测量信号的冷端温度补偿方式62.3.1 计算法62.3.2 冰点槽法62.3.3 补偿导线法72.3.4 冷端温度补偿器72.3.5 仪表机械零点调整法72.4 现场可实现的冷端温度补偿应用方案72.4.1 补偿电桥法72.4.2 晶体管PN结补偿法82.4.3 集成电路补偿法83综合设计题3模拟量信号输入采样电路设计93.1题目要求93.2 采样电路对应的模入信号地址范围93.3 采样译码电路103.3.1 存在的问题103.3.2 解决问题的方法及理由103.4 改进设计10总结11参考文献12致谢131综合设计题1储液罐液位微机控制系统1.1题目要求某现场储液罐工艺流程如下图所示，其中储液罐液位采用微机自动控制，H0为基准液位，Hmax、Hmin分别为储液罐液位的最大值和最小值。正常运行状态下液位H处于基准液位H0附近，当储液罐液位超出Hmax或低于Hmin时系统自动报警，并显示液位高或低报警，同时微机发出控制指令，停止储液罐工质的输入和输出。设计该储液罐液位微机控制系统具体硬件电路（包括AI、DO通道）及软件控制逻辑流程框图。1.2总体方案本储液罐液位微机控制系统采用以微处理器为核心，配以外围设备1以实现监控水位并在紧急情况下报警和采取措施的功能。原理如图1-0所示。图1-0 微机控制系统的原理图1.3硬件电路的设计1.3.1微处理器的最小模式配置因上学期学习了微机原理及应用的课程，对8086微处理器的使用较为熟悉，故用之作为本控制系统的核心。8086最小模式下的引脚功能2：l AD15AD0(16条)：地址/数据复用线，双向工作。l A19A16/ S6S3：地址/状态复用线，输出引脚。l BHE/S7：数据高8位允许/状态，输出引脚。l ALE：地址锁存允许，输出引脚。l DEN：数据允许信号，输出引脚。 l DT/R：数据发送/接收控制信号，输出引脚。=1发送（=0接收）l M/IO：存储器/IO设备控制信号，输出引脚。=1访问存储器（=0访问I/O设备）l RD：读信号，输出引脚。低电平有效，表示将执行读操作。l WR：写信号，输出引脚。低电平有效，表示将执行写操作。l READY：存储器或I/O端口准备就绪信号，输入引脚。=1，准备就绪l RESET：复位信号，输入引脚。至少要维持4个T的高电平才有效。l MN/MX：工作模式选择信号，输入引脚。=1最小模式（=0最大模式）8086微处理器需要运用分时复用技术，故需要增加地址锁存器，I/O设备的选择需要译码电路（使用3-8译码器）。连线如图1-1所示。图1-1 CPU8086的地址锁存、译码电路1.3.2 A/D转换电路本门课程具体学习了ADC0809芯片的功能及接线并用之做过A/D转换技术的实验，但是基于Proteus软件元件库中不具有其的仿真模式，故使用与其相差无几的ADC0808仿真。ADC0808的引脚功能：l IN0IN7：8路模拟量输入端。 l OUT1OUT8：8位数字量输出端。l AL：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。l START：A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0808复位，下降沿启动A/D转换）。 l EOC：A/D转换结束信号，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 l OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 l CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 l VREF（+）和VREF（-）：参考电压输入端。l Vcc：主电源输入端5V。l GND：接地。l ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。液位传感器输出4-20mA的电流，通过一个250的电阻将之转化为1-5V的电压，并输入INT0端口，此模拟信号由ADC0808转换为数字信号并送入8086做相关处理。连线如图1-2所示。（输出端OUT8为最低位，与8086连接时需注意。）图1-2 ADC0808的引脚接线电路1.3.3报警和电磁阀驱动电路本门课程具体学习了74LS374构成的开关量输出通道，故使用其仿真。74LS374的引脚功能：l D0D7：数据输入端。l OE：三态允许控制端（低电平有效）。l CP：时钟输入端，其接收到脉冲上升沿时，Q随D而变。l Q0Q7：输出端。采用常开式电磁阀控制工质入和工质出，水位超限的时候，两个继电器的常开触点闭合即线圈通电使电磁阀关闭，达到切断阀门的目的。水位超下限，点亮黄灯报警；水位超上限，则点亮红灯报警。连线如图1-3所示。图1-3 ADC0808的引脚接线电路1.4软件控制逻辑流程框图设以储液罐的底部为基准，则底部和顶部的高度对应着差压变送器输出的4-20mA电流信号，即1-5V电压信号。根据液位高度与输出电流成线性关系，可求出Hmax、Hmin对应的Umax、Umin。又根据公式N=256*U/Uref（Uref=+5V，U=模拟量，N=十进制数字量），可求出Umax、Umin对应的Dmax、Dmin。具体的流程图如图1-4所示。图1-4 软件流程图2综合设计题2热电偶测量信号的冷端温度补偿2.1题目要求生产现场有一温度信号T，采用热电偶测量，并将该测量信号由电缆送至模拟量输入通道（AI），如下图所示。解答以下问题：1）该热电偶测量信号的冷端温度补偿方式可采用哪几种方法？原理是什么？2）设计该热电偶测量信号对应的几种现场可实现的冷端温度补偿应用方案，并画出设计简图。2.2热电偶测温需进行冷端温度补偿的原因由热电偶的测温原理可知，产生的热电势E（t，t0）不仅随热端t变化，同时也要受到t0的影响。一般情况下，热电偶的冷端温度并不固定，而是随室温变化，这样就使E也随室温变化。因此，要求对热电偶的冷端温度进行补偿，以减小冷端温度变化所引起的信号测量误差3。2.3热电偶测量信号的冷端温度补偿方式2.3.1计算法根据中间温度定律，有：E（t，0）= E（t，t0）+ E（t0，0）。可用室温计测出环境温度t0，从分度表中查取E（t0，0）的值，然后加上热电势E（t，t0）的值，得到E（t，0）的值，反查分度表即可得到准确的被测温度t的值。此方法人工进行冷端补偿，在测温现场使用很不方便，因此只适用于实验室。可利用热电偶信号采集卡，并依靠软件编程实现计算机对冷端的自动补偿。把热电势信号通过补偿导线与采集卡的输入端子连接，端子附近安装有热敏电阻，计算机采集各路热电势信号E（t，t0）和热敏电阻信号，根据热敏电阻信号可得到E（t0，0），则能够求出E（t，0）的值。2.3.2冰点槽法将热电偶的冷端置于冰水混合物中，使其温度保持为恒定的0（在实验室条件下，通常把冷端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物的保温容器中）。这时候热电势为E（t，0），可直接从分度表中查取温度t值。这是精度很高的参比端温度处理方法，仅限于在实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。2.3.3补偿导线法为了使冷端温度保持恒定，可将热电极做的很长，使冷端连同测量仪表一起放置到恒温或温度波动比较小的地方。但这种方法使安装使用不方便，而且可能耗费许多贵重的金属材料。因此，一般使用被称为补偿导线的连接线将冷端延伸出来，这种导线在一定温度范围内（0150）具有和所连接的热电偶相同的热电性能。若是用廉价金属制成的热电偶，则可用其本身的材料作为补偿导线。2.3.4冷端温度补偿器不平衡电桥（即冷端温度补偿器）由电阻R1、R2、R3和RCu组成，其中R1=R2=R3=1，RCu是由温度系数较大的铜线绕制而成的补偿电阻。此桥串联在热电偶测量回路中，冷端与RCu感受相同的温度，在20下RCu=1即电桥平衡。当冷端温度变化时，RCu随之改变，破坏了电桥平衡，产生的不平衡电压U与热电势相叠加，一起送入测量仪表。如限流电阻RS的数值选择合适，可使U在一定温度范围内基本上能补偿冷端温度变化而引起的热电势变化值。2.3.5仪表机械零点调整法预先测量出冷端温度，可直接将仪表机械零点从0处调到t0处，这相当于预先给仪表输入电势E（t0，0），使得接入热电偶后，仪表的输入电势为E（t，0）= E（t，t0）+ E（t0，0），此时仪表指示值即为热端温度t。这种方法一般用于对精确度要求不高的场合，并且适用条件为冷端温度比较恒定和仪表机械零点调整方便。2.4现场可实现的冷端温度补偿应用方案2.4.1补偿电桥法连接如图2-1所示。图2-1 补偿电桥电路图原理： 2.2.4中有详细说明，在此不再赘述。 2.4.2晶体管PN结补偿法连接如图2-2所示。图2-2 晶体管PN结电路图原理：当恒定电流正向流过PN结时，其管压降与温度成线性关系，正向电压随温度上升而下降，此管压降可在一定范围内补偿热点势的变化值4。2.4.3集成电路补偿法连接如图2-3所示。图2-3 集成电路图原理：随着集成IC的飞速发展，出现了专门针对热电偶的串行模数转换器，它能独立完成信号放大、冷端补偿、线性化、A/D转换及SPI串口数字化输出功能，如MAX6675等。3综合设计题3模拟量信号输入采样电路设计3.1题目要求现场64点模拟量信号输入采样电路如下图所示，整个电路由四个AD7506 （A、B、C、D）芯片构成，每个AD7506芯片可接入16点现场模拟量信号。解答下列问题：1）根据图中译码电路，给出A、B、C、D四个AD7506采样电路对应的模入信号地址范围；2）分析该采样译码电路存在哪些问题，要解决这些问题应当补充哪些信号，为什么？3）该采样电路若要实现对每路模入信号采样地址唯一、不出现与其他I/O接口或存储器地址重叠问题，应如何改进设计？请在图中补充画出具体译码电路接线。（I/O接口译码的地址线为8位：A7-A0）。3.2采样电路对应的模入信号地址范围由图可知，通过地址信号A5-A0的译码选通实现对四片AD7506芯片的开关控制，其中地址信号A4、A5用来实现片选控制，假设A7、A6均为0，则得到以下结果：A : 00000000B-00001111B ( A5、A4均为0时，芯片A被选通。)B : 00010000B-00011111B ( A5为0而A4为1时，芯片B被选通。)C : 00100000B-00101111B ( A5为1而A4为0时，芯片C被选通。)D : 00110000B-00111111B ( A5、A4均为1时，芯片D被选通。)3.3采样译码电路3.3.1存在的问题该电路只考虑了对地址信号的译码选通，没有考虑CPU的其余控制信号，例如R/W、I/O等信号，实际译码电路设计中CPU的这些控制信号也应涵盖到。还有，此电路仅仅考虑按照所给I/O地址进行的译码电路设计，其中电路在译码选通过程中是否会与系统中其他I/O地址或存储器地址发生冲突尚未考虑。地址线为8位即A7-A0，但输入采样电路中只使用了6位地址线即A5-A0，则会出现地址重叠的现象。3.3.2解决问题的方法及理由考虑CPU的其余控制信号，加入和M/。要解决地址重叠问题，应当补充A7和A6信号，因为用全译码法做片外译码可避免地址重叠5。3.4改进设计总结通过本次完成综合设计的作业，我对所学课程内容的理解和掌握有所加深，尤其是对于过程通道的使用和设计。由于题目需要结合实际的工程情况，而现有阶段我还没有条件获得现场经验，所以在完成过程中遇到了许多困难。但是通过查阅文献、相关资料以及组织素材，我不仅仅获得了解题的思路，更是了解了当下较为实用新兴的技术，不再只局限于课本上的有限知识。总而言之，从一开始的毫无头绪、步步为难，到圆满结束的欢欣雀跃，我收获良多也感慨良多。我渐渐能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用任务的要求，进行方案的基础设计和简单评估。除此之外，人生第一次正式地撰写论文，有着种种陌生感，中间也碰过不少壁，最终还是找到相应的规范，成功地完成了本篇论文。参考文献1 令朝霞计算机液位控制系统的设计J机械工程与自动化，2011,04:140-1412 马平，姚万业，王炳谦编著微机原理及应用M北京：中国电力出版社，20023 常太华，苏杰编著过程参数检测及