微机化测控系统第一章

1、第八章第八章 微机化测控系统设计实例微机化测控系统设计实例 内容内容: :设计要求和研制过程、总体设计、设计要求和研制过程、总体设计、硬件设计、软件设计、设计实例硬件设计、软件设计、设计实例重点：设计要求和研制过程、总体设计、重点：设计要求和研制过程、总体设计、硬件设计、软件设计硬件设计、软件设计难点：硬件设计、设计实例难点：硬件设计、设计实例8-1 8-1 设计要求和研制过程设计要求和研制过程 8-1-1 8-1-1 设计的基本要求设计的基本要求一、达到或超过技术指标一、达到或超过技术指标设计任务书：设计任务书应该明确测控系统应该达到的目标，指出设计的定性和定量的技术指标。二、尽可能提高性能

2、价格比二、尽可能提高性能价格比简化设计结构，在满足指标的前提下尽可能追求最小成本。因此，要尽可能选用简单的设计方案和廉价的元器件。 设计要求和研制过程设计要求和研制过程三、适应环境、安全可靠三、适应环境、安全可靠合理选择元件、器件。对设计数据留有一定的余量。也可以采用冗余结构技术。四、便于操作和维护四、便于操作和维护尽量降低操作人员的专业知识要求。操作面板简单，尽可能采用模块化、规范化设计。配有现场诊断程序。设计要求和研制过程设计要求和研制过程8-1-2 设计研制过程三个阶段：确定任务、拟制设计方案；三个阶段：确定任务、拟制设计方案； 硬件、软件研制阶段；硬件、软件研制阶段； 联机总调、性能测

3、定阶段。联机总调、性能测定阶段。一、确定任务、拟制系统方案1、确定设计任务和整机功能根据系统要完成的任务和功能决定提出设计的初步方案，编写设计任务书。2、完成总体设计（可分散至硬软件设计中） 在充分论证总体方案基础上，完成系统总图、软件框图。拟订详细工作计划。设计要求和研制过程设计要求和研制过程二、硬件和软件的研制 硬件和软件开发同时进行，互相配合可充分发挥计算机特长，缩短开发周期。三、联机总调、性能测定 研制样机后进行试验，排除故障原因。正常后进行现场试验。记录测试报告，修改完善。设计要求和研制过程设计要求和研制过程四、设计文件四、设计文件 设计任务书；系统功能描述；设计方案论证；性能测定和

4、现场测试报告；使用者操作说明；以及硬件资料包括：硬件逻辑图、电路原理图、元件布置和接线图、接插件引脚图和印制线路板图； 程序资料包括：软件框图和说明、标号和子程序名称清单、参量定义清单、存储单元和输入输出口地址分配表以及程序清单。总体设计总体设计8-2 总体设计（四部分组成）1 1、总体设计描述、总体设计描述 工作原理、采用的技术路线、控制方式（闭环开环）、关键元器件性能、工艺保证和实施措施。也包括理论计算和模拟实验。2 2、工作总框图的绘制、工作总框图的绘制 根据总体方案，采用自顶向下自顶向下的方法将系统分成若干主要功能部分，并分别绘制相应的硬件和软件工作框图，如下页图所示图8-2-1 一台

5、微机化电压表的工作总框图如图所示，微处理机电压表可划分成输入电路如图所示，微处理机电压表可划分成输入电路( (包括衰减器，前置包括衰减器，前置放大器，量程自动切换和自校准控制等放大器，量程自动切换和自校准控制等) )、模数转换器、面板操作、模数转换器、面板操作( (包括键盘和显示器包括键盘和显示器) )、对外接口电路、专用微型计算机和电源等硬、对外接口电路、专用微型计算机和电源等硬件部分。件部分。图8-2-1 一台微机化电压表的工作总框图如图所示，微机处理机电压表包括仪器监控程序、仪器初始化子程如图所示，微机处理机电压表包括仪器监控程序、仪器初始化子程序、模序、模/ /数转换子程序、自校准子程

6、序、软件扫描显示子程序、对数转换子程序、自校准子程序、软件扫描显示子程序、对外接口工作子程序、仪器自检子程序和仪器功能所要求的数据处理外接口工作子程序、仪器自检子程序和仪器功能所要求的数据处理子程序等主要功能模块。子程序等主要功能模块。总体设计总体设计3 3、结构总体设计（主要从硬件角度）、结构总体设计（主要从硬件角度）大板结构：分成模拟和数字板。分板结构：根据功能分成若干板。积木结构：将不同功能模块分别集成。插件结构：利用总线结构，兼有积木结构和板式结构特点。4 4、设计工作的筹划与准备、设计工作的筹划与准备4 4、设计工作的筹划与准备、设计工作的筹划与准备是总体设计的重要组成部分,包括以下

7、五个部分： 根据微机化测控系统的硬件电路、软件设计和结构设计等三大方面的任务及其完成的先后次序，作出进度计划和人力安排。 安排设计场地和设计所需的仪器、设备和工具，包括计划使用微机开发系统的时间。 拟订主要元器件的采购和外加工计划。 作出经费概算。 组织有关专家(包括上级主管技术部门)对设计方案和计划进行审定，并根据专家意见进行适当修改。硬件设计硬件设计8-3 硬件设计（元器件选择，电路设计）8-3-1 8-3-1 元件、器件的选择元件、器件的选择一、微处理器选择一、微处理器选择选择微处理器时考虑以下因素：1、用途 2、字长 3、寻址范围和方式 4、指令的功能5、执行速度 6、功耗 7、中断能

8、力和DMA能力8、硬软件支持 9、成本硬件设计硬件设计二、外围元、器件选择二、外围元、器件选择1、根据电路总体对元、器件技术要求选择2、尽量选用集成电路、避免选用特殊供电的组件、注意温度环境要求、元器件之间性能匹配三、执行机构：三、执行机构：电动执行机构，阀，步进电机，液压伺服。硬件设计硬件设计-电路设计电路设计的原则、硬件设计要结合软件方案一起考虑、尽量选用典型电路和集成电路、微机的扩展和外围配置要考虑可扩展、电路和器件之间的耦合方式和匹配考虑、信号远距离传送时考虑传送方式（）、可靠性和抗干扰性硬件设计硬件设计8-3-3 硬件电路硬件电路的研制过程、自顶向下设计、技术评审、设计准备工作：计划

9、、进度、购买 和经费预算、电路设计和制作、试验板制作硬件设计硬件设计、试验板调试、组装连线电路板、编写调试程序、利用开发系统来调试电路板、制作印刷电路板、调试印刷电路板图8-3-1 硬件电路研制过程软件设计软件设计软件设计（设计过程软件设计（设计过程 设计依据设计依据 设计方法设计方法 测测试和运行）试和运行）微机化测控系统，软件的设计工作量往往大于硬件。软件研制过程软件研制过程、进行系统定义、进行系统定义所谓系统定义，就是清楚地列出微机化测控系统各个部件与软件设计的有关特点，并进行定义和说明，以作为软件设计的根据。、绘制流程图、绘制流程图把测控系统整个软件分解为若干部分，这些软件部分各自代表

10、了不同的分立操作，把这些不同的分立操作用方框表示，并按一定顺序用连线连起来，表示它们的操作顺序。这种互相联系的表示图，称为功能流程图。功能流程图中的模块，只表示所要完成的功能或操作，并不表示具体的程序。在实际工作中，设计者总是先画出一张非常简单的流程图，然后随着对系统各细节认识的加深，逐步对流程图进行补充和修改，使其逐渐趋于完善。程序流程图是功能流程图的扩充和具体化。例如，功能流程图中所列的“初始化”模块，如果写成程序流程图，就应写明清除哪些累加器、寄存器和内存单元等。程序流程图所列举的说明，都针对着微机化测控系统的机器结构，很接近机器指令的语句格式。有了程序流程图，就可方便地写出程序。 、编

11、写程序、编写程序、查错和调试、查错和调试、文件编写、文件编写（一般应用软件应涉及下列内容： 总流程图； 程序的功能说明； 所有参量的定义清单； 存储器的分配图； 完整的程序清单和注释； 测试计划和测试结果说明。）、维护和再设计、维护和再设计应考虑维护和再设计的方便，使它具有足够的灵活性、可扩充性和可移植性。 软件设计图8-4-1 软件研制过程软件设计软件设计软件设计的依据依据系统定义一、输入输出说明、输入的信息特性（字、位）、输入信息方式（中断、查询）、输入是否有自己时钟、输入是否有锁存、输入信号变化频率、输入信号是否需要校验、输入与输出是否有关联软件设计软件设计二、系统存储器说明存储器是存放

12、系统程序和数据的器件，软件设计应考虑下列问题： 、是否需要掉电保护、如何管理存储器资源、工作区划分、堆栈、标志位分配、图表、子程序位置软件设计软件设计三、处理阶段的说明这个阶段主要涉及到算术逻辑运算和监控程序。包括、操作装置的管理，主要指外部设备的操作管理 、系统管理，指对系统资源，包括存储器、微处理器、总线和I/O设备的控制调度。 、程序和作业控制，指CPU管理程序作业流程和实现程序监督与控制的能力。、数据管理，指数据结构和文件格式的形成和组织。 软件设计软件设计四、出错处理和操作因素的说明、预计可能发生什么类型错误、用最低时间限度和数据损失排除错误、哪种错误引起相同的不正常现象。、根据错误

13、决定是否开发专用的测试软件和诊断程序。软件设计软件设计软件设计方法一、模块化编程 p267方法：把整个程序按“自顶向下”的设计原则，从整体到局部到细节层层分解，直至每一个模块都能很容易编码为止，也称为“积木式”编程法。优点：容易编程、排错和测试，有利于程序设计任务的划分，模块可以共享，便于查错和修改。缺点：划分模块只能靠经验。软件设计软件设计二、结构化设计、顺序结构、条件结构设计、循环结构设计结构化设计优点：易于跟踪调试、排查错误，易于装配成模块，易于用程序框图来描述。软件设计软件设计图8-4-2 直线顺序结构流程图图8-4-3 条件结构流程图软件设计软件设计图8-4-4 循环结构流程图软件设

14、计软件设计软件的测试和运行种类：功能测试法；逻辑结构测试法种类：功能测试法；逻辑结构测试法原则：、由编程人员以外的人员检测、预测输出结果、用不合理的输入测试验证输出结果、检查软件是否输出不该输出的结果、保留测试软件，以便连续使用设计实例设计实例设计实例电冰箱温度测控系统设计一、直冷式电冰箱的工作原理及控制要求原理：根据蒸发器的温度控制制冷压缩机的启停。具体要求：见下页设计实例设计实例电冰箱采用单片机控制的主要功能及要求：电冰箱采用单片机控制的主要功能及要求： 设定设定3 3个测温点，测量范围个测温点，测量范围-26-26+26 +26 ，精度，精度0.5 0.5 ； 利用功能键分别控制温度设定

15、、速冻设定、冷藏室及冷冻利用功能键分别控制温度设定、速冻设定、冷藏室及冷冻室温度设定等；室温度设定等；此处应只说要求和功能，即本条应为四种温度此处应只说要求和功能，即本条应为四种温度设定用按键控制设定用按键控制 利用数码管显示冷冻室、冷藏室温度，压缩机启、停和速利用数码管显示冷冻室、冷藏室温度，压缩机启、停和速冻、报警状态；冻、报警状态；此处应只说要求和功能，即本条应为六种情况此处应只说要求和功能，即本条应为六种情况显示显示 制冷压缩机停机后自动延时制冷压缩机停机后自动延时3 min3 min后方能再启动；后方能再启动； 电冰箱具有自动除霜功能，当霜厚达电冰箱具有自动除霜功能，当霜厚达3 mm

16、3 mm时自动除霜；时自动除霜； 开门延时超过开门延时超过2 min2 min发声报警；发声报警； 连续速冻时间设定范围连续速冻时间设定范围1 18 h8 h； 工作电压为工作电压为180180240 V240 V，当欠压或过压时，禁止启动压缩，当欠压或过压时，禁止启动压缩机并用指示灯显示。机并用指示灯显示。 设计实例设计实例二、电冰箱测控系统硬件电路设计、主机电路见下页、转换电路及功能、功能键及显示电路、除霜电路、制冷压缩机和除霜电热丝启动、停止控制电路图8-5-1 冰箱控制原理框图图8-5-2 冰箱单片机控制电路图设计实例设计实例图8-5-3 除霜电路图中图中RtRt为温度传感器，选用为温

17、度传感器，选用MF531MF531型热敏电阻，具有负温度系数，型热敏电阻，具有负温度系数，灵敏度较高。把热敏电阻安装在距蒸发器灵敏度较高。把热敏电阻安装在距蒸发器3 mm3 mm的某个合适的位置上，的某个合适的位置上，当霜厚大于当霜厚大于3 mm3 mm时，热敏电阻接触到霜从而感到较低的温度，其电时，热敏电阻接触到霜从而感到较低的温度，其电阻值阻值RtRt变大，变大，A A点温度降低，运算放大器输出信号有变化，经点温度降低，运算放大器输出信号有变化，经A/DA/D转转换后送入换后送入CPUCPU，经单片机分析、判断后给出除霜命令。，经单片机分析、判断后给出除霜命令。 设计实例设计实例图8-5-4 压缩机和加热丝控制电路图中图中RtRt为温度传感器，选用为温度传感器，选用MF531MF531型热敏电阻，具有负温度系数，型热敏电阻，具有负温度系数，灵敏度较高。把热敏电阻安装在距蒸发器灵敏度较高。把热敏电阻安装在距蒸发器3 mm3 mm的某个合适的位置上，的某个合适的位置上，当霜厚大于当霜厚大于3 mm3 mm，热敏电阻