简易自动控制原理实验系统设计-设计应用

简易自动控制原理实验系统设计-设计应用1引言

自动掌握原理是国内高校自动化重要的一门课，这门课的理论性特别强，光靠课堂教学达不到抱负的教学效果，因此各个高校都开设自动掌握原理试验，通过试验教学环节加深同学对理论学问的理解，将课堂教学学问转化为实际应用学问，同时培育同学对自动掌握原理这门课程的爱好。然而国内教学仪器企业销售的自动掌握原理试验平台不但操作简单，而且价格昂贵，从而导致高校试验教学开放程度不高，降低了试验教学效果，继而影响到自动掌握原理的学习。针对此种现象，设计了一种简易自动制原理试验平台，该系统主要包括电源、基于单片机AT89S52的信号发生器模块、基本试验环节模块、掌握系统环节模块、数据采集模块等模块。其中，数据采集模块通过ATmega16单片机将采集到的试验数据，送到PC机上的LabVIEW虚拟软件平台进行显示或者储存。经过试验证明系统相对于传统高校自动掌握原理试验平台具有操作便利和价格低等优点，适合在高校试验室推广的价值。

2简易自动掌握原理试验系统介绍

简易自动掌握原理试验系统结构图如图1所示。其中电源输入为市电220V~50Hz沟通电输入，通过电源模块后可为整个系统供应各种所需电压，电压规格包括±12V,+5V等。信号发生器供应试验环节所需要的输入信号，其中包括阶跃信号和频率范围为0-100KHz正弦波、方波、三脚波的信号源。模拟环节包括基本试验环节模块和掌握系统模块。数据采集模块的功能是将试验环节模块输出的模拟量数字化并通过RS232串行通信将其送入PC机进行处理，其中还包括电平转换模块，其作用是将输入信号转换为0-5V范围内，从而能够采集数据。PC机安装上位机软件，用于接收下位机传送的数据并进行处理和显示，同时上位机将指令传给下位机，用于调整下位机数据采集的速率和通道。

试验平台总体思想采纳分模块设计方法，首先将各分模块分别设计和调试，再将其各模块之间进行集成设计和联立调试。采纳该设计方法能使设计过程简洁并且能提高设计效率。

图1系统原理框图

2.1信号发生器电路设计

信号发生器电路如图2所示，其中主控芯片AT89S52通过键盘和液晶电路接收来自用户对所需信号的频率及幅度。当用户设置主控芯片后，引脚掌握DDS芯片AD9833就会产生相应的信号，其信号由LM741电路放大后经U7输出端口输出。

图2信号发生器电路原理图

2.2数据采集电路和多通道采集电路设计

ATmega16单片机是美国Atmel公司生产的基于增加的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微掌握器。ATmega16单片机资源特别丰富、性价比高而且在工业生产中应用特别广泛。ATmega16单片机除了具有其他同类型单片机共有的特性外，还独具有8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC及可编程异步串行接口的内部资源。系统正是利用ATmega16的8路10位可编程增益的逐次比较型ADC及可编程异步串行接口的内部资源，从而简化了电路设计的难度及编程难度。数据采集电路如图2所示，ATmega16只需结合简洁的电平转换、晶振电路和复位电路就可以达到系统的设计需求。图3电路中模拟信号通过八路模拟输入的任意端口输入即可，通过单片机内部程序掌握，将输入模拟量转化为数字量。单片机再通过串行接口传输给PC机，系统的通信是通过串行发送引脚TXD和串行接收引脚RXD连接串行通信接口电路实现数据的串行传送与接收。

图3采样电路原理图

由于ATmega16内部ADC为八选一数据通道，在详细实现某路数据采集时就必需更改多工选择寄存器ADMUX的数值。为能随时更改通道，本设计采纳主从方式，通过上位机发送给ATmega16的数值来转变通道。同时，在串行接口接收中断后，通过接收的数值的编码也可用来转变ADC相邻两次转换之间的延时值，从而达到转变转换速率的效果。本系统采纳0-7为通道选项，当数据大于7时为更改采样速率值。当数据更改操作完成后程序马上返回主程序，此时ADC转换由新的参数运行。

2.3下位机软件设计

下位机软件包括信号发生器软件和数据采集软件两部分。信号发生器采纳AT89S52型单片机加AD9833型的DDS芯片构成，软件编程使用环境为KeiluVision4.数据采集模块采纳ATmega16型单片机构成，软件编程使用环境为AVRGCC和AVRstudio4.下位机软件设计的关键是能使程序能即时完成数据的接收和发送，同时保证数据的精确     ，为此，系统采纳中断响应的方式完成串行数据接收，同时完成ADC转换以及数据的发送。下位机程序分为主程序、串行接收中断和ADC转换完成中断三部分，其流程图如图4所示。在主程序中主要完成串口和ADC寄存器的初始化，初始化完成后启动片内ADC的次转换，随即系统进入等待中断状态，若接收到停止信号，系统立刻停止。当系统响应到串行接收数据中断，通过接收的数值对ADC转换的通道和采集速度进行相应的修改，当修改完成后马上返回主程序。当ADC每次转换完成相应标志位置位，程序跳转到ADC转换并完成中断运行。此时系统读取转换的数值并处理，随即通过串口将该数据发送给上位机。当串口数据发送完成后起动延时；另外当延时完成后，系统将ADC转换起动标志位置位，然后进行下转换。下位机程序运行的整个过程中，系统通过中断方式完成，具有响应准时、提高单片机处理内部和外部大事力量的优点。

图4下位机程序流程图

2.4上位机前面板设计

系统采纳LabVIEW开发平台制作上位机软件，即在PC机上设计出虚拟示波器。系统虚拟示波器上位机软件界面如图5所示。从图5可知，上位机具有串口参数调整、数据波形显示、数据存储、数据回放、以及采样通道及速率选择等功能。虚拟示波器在波形显示过程中，用户可依据个人喜好对曲线颜色、数据采集速率和通道等参数的进行设置。同时在试验过程中，可以点击波形存储按钮对接收到的数据以TXT或其他格式的文件存储在PC机硬盘或其他外部磁盘中。用户可依据需要随时通过数据回放按钮选择文件查看数据波形或者将数据文件供应给Matlab和Exel等数据处理软件进行分析处理，使用特别敏捷便利。

图5上位机前面板界面图

3试验结果及分析

系统设计完成后，对典型二阶震荡环节进行试验，试验系统模拟电路连接如图6所示。

图6二阶振荡环节模拟电路图

图6所示模拟电路的拉氏运算电路如图7所示。

图7二阶振荡环节拉氏运算电路

将图7所示电路进行频域分析有：

式1中参数为R1=R2=R3=R7=R8=200K,R4=10K,R5=R6=100K,C1=1uF,C2=10uF;对上式进行拉氏变换可得出系统输出响应函数为：

在MATLAB中进行仿真，可以得到其阶跃响应曲线，如如图8所示：

图8二阶振荡环节阶跃作用下输出仿真波形

图9为简易自动掌握原理试验系统二阶振荡环节在单位阶跃作用下的输出波形，通过对比可知试验波形与图8所示的仿真波形基本全都，说明试验系统能很好的实现自动掌握原理试验功能，达到设计目的。

图9二阶振荡环节在阶跃信号作用输出波形图

4结束语

一种简易的自动掌握原理试验平台由双单片机AT89S52、ATmega16、LM741等硬件电路和下位机系统及由LabVIEW开发的上位机软件