带材卷绕张力控制系统设计

带材卷绕张力控制系统设计摘要张力控制系统是以卷材为材料的生产机械上最重要的控制系统，不论产品是纸张、塑料薄膜、纺织品、橡胶片或薄钢板卷材，都是在一定的张力控制下被输送到设备，且在一定的张力下被卷取。在以数字PID为核心的张力控制系统中，在矩阵键盘以及液晶显示器的帮助下，输入需要的数据后。张力传感器检测电路得到模拟电压信号，该信号经过放大、滤波、电压跟随后送入10位A/D转换器进行模数转换，得到数字信号，该数字信号送入AVR单片机进行PID等算法运算后，再经过12位D/A转换后得到模拟信号，该信号用于控制电机。同时，还设计了一个以模拟PID为核心的张力控制系统。通过给定张力与反馈张力之差，经过模拟PID调节器后输出给变频器。变频器根据控制精度的要求，工作在闭环速度控制。这种模式采用过程PID,直接进行张力控制，原理简单、调试方便。还用Multisim9仿真了模拟PID。关键词：张力传感器检测，PID，AVR单片机注：本设计题目来源于教师的企业科研项目，项目编号为：AbstractTensioncontrolsystemisthemostimportantcontrolsystem,whichisbasedonmembranematerials.Whethertheproductispaper,plasticfilm,textiles,rubbersheetsorthinsteelsheet,theyallaretransferredtothedevice,andisunderacertaintensiontake-up.WiththehelpofmatrixkeyboardandLCDdisplaywecaninputrequireddata.Sothetensionsensordetectioncircuitcanreceiveananalogvoltagesignal.Thesignalafteramplification,filtering,voltagefollower,whichcomeinto10-bitA/Dconverterforanalog-digitalconversion.Itmaygetdigitalsignal.ThedigitalsignalcomeintoMCU,whichmayoperatebyPIDalgorithmormore.Theresultthroughthe12-bitD/Aconversionturnintoanalogsignal.Theanalogsignalisusedtocontrolthemotor.Atthesametime,IalsodesignedatensionsystematthecoreofthePIDcontrol.Throughsettingtensionandfeedbacktension,whichcomeintoanalog-PIDregulator.Theanalog-PIDregulatoroutputtotheinverter.TheInverterundercontrolaccuracyrequirementsisworkinginclosedloopspeedcontrol.ThismodelusestheprocessPID.Thedirecttensioncontrolissimpleandconvenientdebugging.ItsimulatethetensioncontrolsystemwiththehelpofMultisim9.Keywords:Tensionsensordetection,PIDoperation,AVRMCUTOC\o"1-5"\h\z1绪论1张力控制系统概述11.2张力控制系统的国内外发展现状及应用11.3课题的目的和意义21.4本课题的主要工作32张力控制系统总体方案设计4张力分析42.2张力控制系统原理52.3张力控制系统控制方式选择62.4张力控制系统控制器方案选择62.5张力控制系统需求分析73张力控制系统硬件设计93.1硬件设计需求分析9数字PID为核心的硬件设计11电源电路硬件设计113.2.2张力传感器检测硬件设计123.2.3信号处理硬件电路设计133.2.4A/D转换硬件电路设计153.2.5单片机系统硬件电路设计163.2.6D/A转换电路硬件设计193.2.7键盘输入硬件电路设计213.2.8显示电路硬件设计22模拟PID为核心的硬件设计233.3.1模拟PID调节器硬件设计23模拟PID系统仿真30变频器314张力控制系统软件设计33主程序及初始化子程序334.1.1主程序334.1.2初始化子程序33PID算法程序34采样程序364.4数模输出程序384.5矩阵键盘子程序404.6显示子程序40结论42参考文献43致谢44附录A44附录B461绪论1.1张力控制系统概述张力控制系统往往是张力传感器和张力控制器的一种系统集成，目前主要应用于冶金、造纸、薄膜、染整、织布、塑胶等线材或带材设备上，是一种实现恒张力或者变张力控制的自动控制系统，其作用主要是实现辊间的同步，收卷和放卷的控制［91。这种控制对设备的各运行阶段都必须保持有效，包括设备的启动、制动、加速、减速及稳定运行和扰动阶段。即使在紧急停车情况下，它也有能力保证卷材不产生严重损坏。张力过大会造成加工材料的拉伸变形甚至断裂，对于绝大多数卷绕系统来说，卷绕过程中卷材断裂所造成的损失是巨大的。以卷筒纸为例，为了使印刷过程稳定，必须保持纸带张力恒定不变并且有适当的大小。张力太小会导致皱褶、套印不准等弊病；张力太大会无谓增加机器负荷，并容易使纸带断裂。而张力不稳定会使纸带发生跳动，也会导致套印不准、重影等问题。例如在化纤纺丝工艺上所需求的不同拉伸比，就需要相应的张力来实现。为了使织物的质量稳定，张力在整个过程中应该保持稳定，波动过大就会影响产品的质量。若张力过大，可能造成化纤网格增大或因应力过大而降低使用寿命；若张力过小，可能使织物过松而引起皱褶或者跑偏，大大降低了产品的质量。张力过小会使卷取的材料层与层之间的应力变形，造成收卷不整齐，影响加工质量；张力大小不稳定会使卷材线速度变化及卷材的松紧程度不同，导致成品率低。因此，张力控制是造纸、塑料、纺织工业等卷绕自动化生产线中的关键技术。1.2张力控制系统的国内外发展现状及应用早期的张力控制系统受技术水平和设备的限制，大多数系统采用模拟量控制，其控制方法以电流电势复合张力调节系统和最大力矩张力调节系统为主。近几年来，随着各类卷绕系统控制技术智能化、自动化的迅猛发展，很多企业都将高性能的控制器如MCU（微控制器）、PLC和工业PC等引入张力控制系统中来，出现了大量的数字式控制系统⑻。国外大部分卷绕系统都已实现了微型计算机控制，而在国内某些低成本的卷绕系统中数字化的程度还较低。大多数高精度的张力控制系统都采用张力环和速度环的双闭环控制结构。在控制算法方面也一改以往单一的PID控制局面，改进的PID控制、模糊控制、最优控制、神经网络控制、自适应控制、鲁棒控制等控制思想和控制手段的应用⑹，使得张力控制系统朝着更高的控制精度发展。另外，张力控制系统结合了最新的电力电子技术，检测技术，数字控制技术于一身，向着多功能，一体化，产品系列化的方向发展⑼。相对来说，国外张力控制系统设备不仅对于卷取过程中张力有严格精确的控制，而且对于初始建立张力、抛尾过程张力都有较好的控制，并且有友好的人机界面，完善的功能，如缓冲启动、防松卷功能、手动/自动控制、模式选取、控制参数的保存和调用、自诊断模式、多种通讯接口等，但是价格却相对昂贵［8］。国内的张力控制系统基本停留在手动随机、随时控制的水平上，有部分采用模拟检测、模拟放大控制输出的产品，可控性和人机界面差，控制精度不高，迫切需要更新换代。1.3课题的目的和意义本课题以在带材卷绕过程中实现张力控制为目标，提高带材生产过程中的带材质量，特别对于次品率的控制，确保带材产品的合格与优良性。张力控制精度对带材成品的质量有很大的影响，张力过大会造成带材的拉伸变形；张力过小会使带材材料的层与层之间的应力变形，造成收卷不整齐，或者处理尺寸不准等弊病，影响加工质量；张力大小不稳定会使带材产品跳动，导致带材尺寸不准或带材变形等生产故障。因此，为了保证生产的品质、效率及可靠性，必需要有一套功能完备的张力控制系统来引导产品加工过程。因而，收放卷作业的张力控制，便成为通用的基础技术。张力控制的作用就是在带材生产处于动态处理过程中时，使卷材保持合适的张力，抑制外来干扰引起的张力抖动。当前，我国张力控制系统的档次不断提高，生产对张力控制系统的稳定性提出了更高的要求。此时的张力控制不但用于收卷、放卷，而且也用于生产过程中，目前国内产品还满足不了要求。要求张力小而准确，稳定性要高，对张力控制器提出了更高的要求。这几年，国内对张力控制系统的研究越来越多，并提出了种种问题及其解决方案，市面上也有各种型号的张力控制器，但一般控制精度较低，功能单一，其产品的档次仍然不能与国外的同类产品相媲美［9］。当务之急是要吸收和借鉴日本及欧美国家当今最新型张力控制器的优点和设计方法，结合当前最新的研究成果，设计出在性能和可靠性方面可以与国外同类产品相媲美的张力控制器。1.4本课题的主要工作我的工作主要完成带材卷绕张力控制系统的总体方案设计，软硬件设计等。具体的工作容如下：完成系统的总体方案设计。根据任务要求确定系统的总体框图，以及系统分成几个模块，各个模块的基本要求是什么。方案各个模块的硬件设计。根据各个模块的要求，确定实现功能的方法。并且对各个核心器件进行具体的选型，器件的选择既要能满足系统的要求，还要重点考虑价格以及通用性能等。最后得出整个系统的原理图。对系统模块进行程序设计。对系统进行程序设计，首先对主程序进行设计，然后对各个模块进行设计。核心器件的驱动程序的编写要模块化，标准化。最后再将各个模块的程序进行整合，实现整个程序编写工作。用Multisim9这个模拟仿真软件，仿真了模拟PID，通过仿真更好的完善了设计，并且也验证了设计的正确性。2张力控制系统总体方案设计2.1张力分析张力控制系统实质上是一种输入量按某种可调节的衰减规律而变化的特殊的随动系统⑼。张力的控制可以说是卷绕系统控制的核心，要实现良好的张力控制，建立一个数学模型进行分析是必要条件。通常，我们假定卷材在传动辊上没有滑动摩擦，只有粘滞摩擦，卷材的线速度等于胶辊的线速度。考虑两个连续胶辊，从前一个胶辊的第一接触点到后一个胶辊的第一接触点之间的张力分布，如图2.1所示，该分析对放卷、收卷乃至牵入和牵出过程都是适用的⑻。由胡克定律可知，T=叟J(V-V)dt(2.1)L21式中：T是卷材内的张力，a是卷材的横截面积，£是杨氏弹性模量，L传动点之间的距离，V是卷筒的线速度，V是卷筒2的线速度，t是卷材传送时12间，T=L/V。应当注意的是，弹性模量会随着温度和湿度等环境的影响而改变。1可见，卷材在作为张力调节对象时，是一个积分环节。在启动过程中，我们总是控制v>v,以使卷材内产生一定的张力，当卷材达到我们所要求的合适张21力后，应该及时调节动力机构使凡稳定，这样，卷材就在此张力下稳定运行。实际系统中，卷材上的初始张力是借由轻质浮动辊上相连的弹簧或者低摩擦的气缸产生，如图2.2所示:图2.2张力的产生在系统运转之前通过弹簧或者气缸设定卷材上的初始张力值F,设卷材张力为T,浮动辊重力为G,气缸摩擦力为关系统的力平衡方程如下：F=2T-G-f(2.2)当系统加减速时，需要保持卷筒1和卷筒2的线速度相等，即V=V以保证12卷材不会在过程中由于张力过大而受损。在主电机速度V稳定后，通过控制V的12大小使浮动辊保持在设定的初始张力位置。当由于扰动使得卷材上的张力产生变化时，浮动辊的力平衡被打破，张力增大时浮动辊会向上方运动，张力减小时浮动辊会向下方运动。此时只需要保持V不变，调整V的大小便可以调整卷材上12的张力大小。调整后的张力又反过来影响浮动辊的力平衡，直至浮动辊返回原位,即张力为F时位置，则张力扰动就被消除了。因此张力控制系统实际上也是线速度跟随系统。2・2张力控制系统原理无论多么复杂的系统，其张力控制原理上总是大同小异，因此可以用一个简化的卷绕机构来说明张力控制的原理，如图2.3所示。图2.3典型简单张力控制系统示意图张力控制装置整体可以分为三部分：(1)张力/速度检测装置；(2)控制装置;(3)执行机构及驱动器。张力/速度传感器根据不同的场合和控制要求进行选择。执行机构又分为收卷机构和放卷机构，两者在有的系统中可以互换。控制器是系统的控制核心，它将速度、张力等传感器采集来的信号进行处理，通过与事先给定的控制指标进行对比，按照一定的控制策略进行数据处理,实时调整控制信号,通过放大环节来控制执行机构，最终完成对张力和速度的调整。根据执行机构的不同张力控制方式可以分为电机张力控制系统，电液张力控制系统，磁粉张力控制系统等。在实际生产中，实现卷绕机构的张力控制主要有三种：采用张力传感器直接测量加工物的张力，构成张力闭坏，或者直接检测加工物的线速度，构成线速度闭环。称为直接法；由于引起张力F或者线速度V变化的主要扰动量是卷径D的变化，所以可以米用扰动补偿控制。称为间接法；复合控制，结合以上两种方法。不管采用那种控制方案，都必须设置检测装置，构成控制闭环。这在实际生产中常常带来许多困难，即使采用扰动补偿控制也是如此。2.3张力控制系统控制方式选择按照控制方式可分为开环控制、直接闭环控制和间接闭环控制⑻。开环控制指的是事先按照张力变化规律设定电机的运行参数，不需要张力反馈环节，价格低廉，但是控制精度低，无法抑制干扰；直接闭环控制指在实际生产过程中，将被调量即张力进行反馈，与给定张力相比较，然后利用差值作用在调节器上，对被控对象进行调节，使输出张力满足实际需求；间接闭环控制不用张力传感器，而是通过电机电流和转矩的关系，通过控制电流来控制力矩，进而达到控制张力的目的。由于闭环控制的抗干扰能力强，控制精度高，目前先进的卷绕系统均采用闭环张力控制。因此本系统采用直接闭环控制方式。2.4张力控制系统控制器方案选择由于现代技术的不断发展，出现了适应不同要求的控制器。大体上分为传统控制器(即模拟控制器)、计算机或微机控制、工控机或PLC控制器、嵌入式微处理器控制等，并且各有优缺点。传统控制器(即模拟控制器)控制方便，所用的元件数少，价格便宜。但是灵活性差，很难实现复杂的算法，通用性也差，但是由于其价格便宜优势，应用也比较多；计算机或微机控制器很方便实现复杂的算法，强大的浮点运算能力，通用性也比较强。但是对于工作要求比较严格的时候，它是不能够满足要求的；工控机或PLC控制器是当今应用最广，可靠性最好的控制器。但是有价格高，体积大等缺点［9］；嵌入式微处理器控制器是新兴的应用于工业的控制器，它可以方便实现各种算法，并且运算能力很强大，价格也比较便宜，通用性也很好。最主要的缺点是可靠性比PLC，工控机差。但是可以通过科学的设计来把可靠性差的缺点减到最小。综上所述，本系统采用嵌入式微处理器作为控制器的核心是符合控制要求，同时也适应了时代发展的需要。由于传统控制器，价格便宜，应用也很广泛，因此也设计了一个以模拟PID为核心的控制器。2・5张力控制系统需求分析这个张力控制系统要求设计以数字PID为核心和以模拟PID为核心的系统(1)数字PID为核心张力控制系统通过上述分析，可以确定本系统采用的是直接闭环控制以及控制器核心为嵌入式微处理器，并且微处理器具有强大的运算能力，控制复杂的系统有不可比拟的优势。为了能够控制张力控制系统的运行，必须有键盘输入控制系统的运行。为了方便了解张力控制系统的运行情况，必须有显示器。本设计要求通过矩阵键盘以及显示器的帮助下，输入需要的数据后。张力传感器检测电路得到模拟电压信号，该信号经过放大、滤波、电压跟随后送入A/D转换器进行模数转换，得到数字量信号，该数字量送入嵌入式微处理器进行PID等运算，再经过D/A转换后得到模拟信号，该信号用于控制执行器。因此本系统包括键盘、显示器、张力传感器检测、A/D转换及放大、嵌入式微处理器、D/A转换、执行器。

综合以上分析，可以设计出以嵌入式微处理器为核心的系统的方框图如图2.4所示。张力传感器检测图2.4张力传感器检测图2.4数字PID为核心张力控制系统框图(2)模拟PID为核心的张力控制系统由于以模拟PID为核心的张力控制系统，控制方便，并且价格便宜，控制灵活，易于实现模块快控制。模拟PID为核心的控制器要求包括模拟PID调节器，变频器，电机，张力传感器组成。本设计要求通过给定张力与反馈张力，经过模拟PID调节器后输出给变频器。变频器根据控制精度的要求，工作在闭环速度控制。这种模式采用过程PID，直接进行张力控制，原理简单、调试方便。综合以上分析，可以设计出以模拟PID为核心的系统的方框图如图2.5所示。图2.5模拟图2.5模拟PID为核心张力控制系统3张力控制系统硬件设计3・1硬件设计需求分析1、嵌入式微处理器为核心的张力控制系统由于张力控制系统包括键盘、显示、张力检测、嵌入式微处理器、A/D及D/A转换等各个模块。键盘由于本系统需要输入的数据为0~9,并且还要留有六个功能键，因此用16个键盘。方案1：采用独立的16个键盘，但是由于CPU的I/O线比较少，因此采用这个方法不可行；方案2：采用矩阵键盘可以减少对I/O口线，只需要用8个I/O口，CPUI/O口线可以提供8个；因此，在这个系统中键盘采用44矩阵键盘。显示方式选择本系统要求显示器的体积小，重量轻，耗电小，低电压，可以显示中英文，显示行数不小于3行，并且需要显示张力变化曲线。方案1：采用LED显示，不能显示中英文，因此不符合要求；方案2：采用CRT显示器显示，重量过重，并且耗电量大，体积大，因此不符合要求；方案3：采用LCD显示器显示，LCD显示可分为字段式，点阵字符式，点阵图形式，由于要求显示中英文，所以可采用点阵图形式，并且要求显示行数不少于3行。因此，符合设计要求。所以本系统设计采用的是RT12864M汉字点阵图形。张力传感器检测由于本系统得到的信号要送入A/D转换器，因此采用的是模拟量输出方式。张力伺服控制系统中所用的张力检测单元一般为力传感器式和气压浮辊式两种。方案1：力传感器式张力检测单元是通过检测轮将卷料张力以微变形的方式反映到压力传感器上，然后通过应变检出装置检出张力，再将信号经放大后送张力控制运算单元处理。由于传感器自重及检测轮及卷料的重量的存在，即使张力为零，力传感器的输出也不为零，而是随传感器安装角度、检测辊的重量及卷料的重量变化，因此必须调节传感器的零位。基于此单元是以微变形检测张力，因此当处于平衡态的系统受到较强扰动时，系统一般瞬间来不及发生反应，卷料上张力的变化幅值较大，对张力控制系统尽快重新进入平衡不利。方案2：气压浮辊式张力检测单元可以克服较强扰动时，系统来不及反应的弱点。很显然，方案2更加符合系统设计需求，由于采样更加准确，并且模拟量输出信号。因此，选择气压浮辊式张力检测方式。嵌入式微处理器由于本系统要求可靠性高，并且要求内部有ROM(约为15KB)，RAM(约1KB),以及EEPROM(约500B),支持SPI通信，工作时钟要达到12MHz，因此本系统采用的是ATmega16微处理器⑺。⑸A/D转换本系统要求分辨率要达到5mV,因此A/D转换芯片的位数是10位，并且要求转换芯片是串口通信的。因此可以选用美国德州仪器公司生产的TLC1549系列，它具有串行控制、连续逐次逼近型的模数转换器，它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口，其中三态输出分别为片选(CS低电平有效)，输入/输出时钟(I/OCLOCK)，数据输出(DATAOUT)。(6)D/A转换本系统要求输出电压分辨率要达到2.5mV，并且要求D/A芯片的基准电压为-10〜+10V，本系统采用的是12位的D/A转换芯片才符合要求。并且要求可靠性高，货源充足，通用性强。因此，选择TLV5616，它是TI公司生产的12位电压输出型数模转换器(DAC)，具有灵活的四线串行接口，转换时间为3〜9us，最大功耗2.1mW，可编程建立时间短，2倍增益rail-to-rail输出。具有两种封装形式：SOIC和TSSOP。由于TLV5616采用2倍增益rail-to-rail输出方式，当用户需要输出0〜5V的模拟量时，基准电源为2.5V，用户需要输出0〜10V的模拟量时，基准电源为5V。

综上所述，硬件组成如表3.1所示。表3・1数字PID为核心系统硬件组成名称选择型号或方式键盘44键盘曰TO显示器RT12864M(LCD点阵型液晶)张力传感器检测方式气压浮辊式微处理器ATmega16单片机A/D转换TLC1549(10位，串行通信)D/A转换TLV5616(12位，串行通信)执行器电机2、模拟PID调节器为核心的张力控制系统由于整个系统包括张力检测、模拟PID、变频器、三相交流电机组成。张力检测方式有力传感器检测方式和气压浮辊式两种，由于气压浮辊式检测方便，易于获得模拟电压信号，应用也广泛。因此，本系统张力检测采用气压浮辊式。模拟PID调节器采用的是集成运放，以及电阻，电容等常用模拟器件搭建。变频器型号非常之多，本系统采用的是三菱公司生产的产品，因为三菱公司生产的产品可靠性非常之高，并且也符合系统的要求。采用的型号是FR—A540—1.5K变频器。该产品功率可达1.5kW,米用先进磁通矢量控制方式，实现自动调整功能，可拆除接线端子，维护方便；内含柔性PWM,实现更低噪音运行；内置RS485通信口等多种先进功冃匕。电机采用的疋三相父流异步电机。综上所述，硬件组成如下表3.2所示。表3.2模拟PID为核心系统硬件组成名称选择型号或方式张力传感器检测方式气压浮辊式模拟PID集成运放，电阻，电容等模拟器件变频器三菱公司的FR-A540-1.5K执行器三相异步电机3.2数字PID为核心的硬件设计3.2.1电源电路硬件设计1、设计依据由于本系统采用的是外部输入电压+24V，但是系统需要的电压等级为5V,+12V,-12V，以及A/D和D/A电压基准5V,并且整个电路的最大驱动电流不会超过1A,因此24V转为12V可以采用比较通用的电压转换芯片7812C。5V系统所需要的最大电流不会超过500mA，因此12V转为5V电压转换芯片7805。-12V系统所需要的最大电流不会超过100mA,12V转为-12V，所以在这个系统中采用的电压转换芯片为MIC4680B。MIC4680B不仅输入电压范围宽，转换的效率也是达到95%，价格也比较便宜，货源也很充足，工作稳定性也很高。A/D和D/A电压基准5V选用MAX6143AASA50，该电压芯片输出电压范围为4.9970〜5.0030V，这个电压非常之精确，温度变化对该芯片的工作影响很小。2、设计电路图根据以上设计依据，以及各个芯片的电气特性，设计出如图3.1的电路图：图3.1电源硬件电路图3.2.2张力传感器检测硬件设计气压浮辊式张力检测单元通过对连接在检测辊浮动摆臂上的弹簧及阻尼机构的调节来检测卷料的张力，当弹簧及阻尼机构设定后，摆臂上的弹簧及阻尼机构推力F1即为定值，如浮动辊上的卷料拉力2F（F为卷料张力）加摆辊重力的水平分量不能与F1平衡，则摆臂即偏离原来的位置，而使连接于摆臂端的电位器发生偏转，忽略摆辊重力的影响，此偏转即为实际张力与设定值的偏差。通过张力伺服系统控制纠偏后，浮动辊应停流在图示的平衡位置，此时，摆辊重力的影响亦自然消除，实际卷料张力与期望值相等。处于平衡态的该类系统，当发生较强扰动时，如系统瞬间来不及发生反应，则卷料上的张力波动可暂时因浮动辊的偏摆而得到有效缓解。浮辊式电路图如图3.2所示。只要在连杆的活动端接有电位器，将浮动辊的位置变化转换为电阻值的变化。这种方式检测精度取决于模数转换器以及信号处理电路的精度。3.2.3信号处理硬件电路设计1、设计依据由于张力传感器送来的信号非常微弱，通常只有几个毫伏，所以在将张力传感器传送来的张力信号送入采集模块A/D之前，必须要经过信号放大环节。这部分的运算放大器我们采用了OP-O7。0P-07是一种低失调低漂移运放，其输入失调电压和失调电流也比较小，所以其运放精度也相当高，很适用于微弱信号精密放大。而且这种运放货源十分充足、价格便宜。通过OP-07放大的信号含有很多高频分量，还必须经过滤波，加大负载能力才能接入A/D转换器，所以设计了型低通滤波器以及电压跟随器。2、设计电路图设计电路图如下图3.3所示。

TESTIN・6TESTOUTTESTER-3U5AU6TLC1549OP07MD输入0.0211F:-.CC-iF0.01nF。］R6+1%TESTIN・6TESTOUTTESTER-3U5AU6TLC1549OP07MD输入0.0211F:-.CC-iF0.01nF。］R6+1%亠d10K1MS+5VDDOP07+12VD.OlnFS+5WD7ADCLK6ADDAT5ADCSREF4VCCINCLKREF-DATGNDCS图3.3信号处理硬件电路原理图电路分析如下:0P-07组成的放大电路设张力传感器传送的张力信号为u.;，则经过放大后输出信号为:i(3.1)二(1+2^1°)X1000XU二492U(3.1)5.110ii当张力信号在0〜10mV范围内波动时，经过放大后的张力信号在0〜5V之间,所以信号经过放大、滤波、加大输出信号电流驱动能力后可以直接对其进行采样。沢型低通滤波器及电压跟随器12低通滤波器的截止频率f=丄(-^)1/3Hz，电压跟随器加大了采样信号的02“RLC2电流驱动能力，因为得到的模拟信号电流驱动能力可能不足。Multisim9仿真利用Multisim9仿真软件仿真验证如下图3.4所示:

卫V4—12V~~-~W\-210kQOP07AH:：10kQL_V3：--12V土「1Lr3R210kD>5.1kQ4卫V215卞VGVR7-WV1MQFZlV8C3—12V*Q.Q1iiFTlO卫V4—12V~~-~W\-210kQOP07AH:：10kQL_V3：--12V土「1Lr3R210kD>5.1kQ4卫V215卞VGVR7-WV1MQFZlV8C3—12V*Q.Q1iiFTlOOP07AHL11622mH7R8---WV10kD4-12OP07AH—12V4-12V112R5AAA■-10kD13图3.4忡18_LV5—12VTOC1

^0.02uF

0C2^0.02uF0OP07AHJlv?二」2VTODC10MQ信号处理电路Multisim9仿真输入为5mV，输出应为U计是符合要求的。3.2.4A/D转换硬件电路设计1、设计依据由于TLC1549采用CMOS工艺。内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且开关电容设计使在满刻度时总误差最大仅为±1LSB(4.8mV)。TLC1549在工作温度范围内的极限参数：电源电压范围：-0.5V〜6.5V；输入电压范围：-0.3V〜VCC+0.3V；输出电压范围：-0.3〜VCC+0.3V；正基准电压：VCC+0.1V；负基准电压：-0.1V；峰值输入电流：+20mA；峰值总输入电流：±30mA；TLC1549工作原理：TLC1549具有6种串行接口时序模式，这些模式是由I/OCLOCK周期和CS

定义。根据TLC1549的功能结构和工作时序，其工作过程可分为3个阶段：模拟量采样、模拟量转换和数字量传输。其读取时序图如下图3.5所示：(seeNoteA)I/OCLOCKFinFIFIFIFirnFlFIMX////////^FlDATAOUTKE)SampleCycleBfA9A3PreviousConversionDataHi-ZStateIMSBInitializeI/OCLOCKFinFIFIFIFirnFlFIMX////////^FlDATAOUTKE)SampleCycleBfA9A3PreviousConversionDataHi-ZStateIMSBInitializeA2A1AO图3.5TLC1549时序图1A/DConversion—►L即日IInterval丨(<21gs)Initialize2、设计电路图根据以上分析可以设计出如下电路图如图3.6所示。.03ANALOGIN=^C8103+5VAA］「1.03ANALOGIN=^C8103+5VAA］「1U6TLC15498REFWCC：INC：LKREF-D.\TGNDCS+5VDDADC：LKADDATADCS图3.6A/D转换硬件电路图中的AD_CLK,AD_DAT,AD_CS都接去单片机的I/O口，电容是用来滤波的。3.2.5单片机系统硬件电路设计1、设计依据ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。一条指令的执行只需一个时钟周期，与传统的单片机相比较，速度要快很多倍。ATmega16有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力即RWW）,512字节EEPROM,1K字节SRAM,32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。(1)复位电路及看门狗电路硬件设计近年来，微处理器在工业控制领域和智能化产品中得到了广泛的应用。在系统和产品的开发设计过程中。为了提高其抗干扰能力。监控芯片是首选技术措施之一。监控芯片可为系统提供上电，掉电复位功能。也可提供其它功能。如后备电池管理，存储器保护，低电压告警或看门狗等。美国IMP公司生产的系统IMP监控芯片具有功能多，功耗低的特点。而且工作温度范围宽，使用简单价格低廉等优点。IMP706能在上电，掉电期间或手动情况下产生复位信号。它内含一个1.6s的看门狗定时器和4.4V的电源电压监视器。另外。还有一个1.25V门限的电源故障报警电路。可用于检测电池电压和非5V的电源。IMP706引脚图3.7所示可如【可如【7]PTO图3.7IMP706引脚图MR(1):手动复位输入；VCC(2):电源输入；GND(3):所有信号的基准地；PFI(4)：电源故障电压监控输入，当PFI小于1.25V时，PFO变为低电平；PFO(5)：电源故障输出；WDI(6)：看门狗输入。当WDI保持高电平或低电平达1.6s时可使内部定时器完成计数，并置WDO为低；RESET(7):低电平有效的复位输出；WDO(8):看门狗输出。如果连接到MR将会触发复位信号；根据以上综述，可以设计出如下电路图如图3.8所示。-WDD-WDDD4R14D4R1410K1N4148104SW-PB^=创OS172■134U7砸WDOVCCRSTGNDWDI104SW-PB^=创OS172■134U7砸WDOVCCRSTGNDWDIPHPFDIMP706762WDTU8AMD-5VDDUl?AND32iMSKI图3.8复位及看门狗电路当电源电压过低，或者手动复位，或者看门狗溢出时，输出低电平使单片机复位，加强了系统的可靠性。(2)时钟电路及ISP下载硬件设计ATmegal6已经内置了RC振荡线路，可以产生IM、2M、4M、8M的振荡频率。不过，内置的毕竟是RC振荡，在一些要求较高的场合，要使用外部时钟。本系统由于要求比较高，因此选择外部时钟。一般的下载编程必须将芯片从PCB板取下，放到专用的编程设备上才能将系统的执行代码下载到芯片中，然后再将芯片放回到PCB上，这对于系统调试和生产都非常之不方便。为了解决上述缺点，增加一个ISP下载接口。ISP下载接口，不需要任何的外围零件。使用双排25插座。由于没有外围零件，故MOSI、MISO、SCK、复位脚仍可以正常使用，不受ISP的干扰。设计电路图如下图3.9所示。

+5\DDRST-二SCK计MISO黑SHST1234567S910JP1ESPMOSIi-nso34J6_7SPIMOSIR2012KPBO(TO)乂PBi(ri)>PB2(AINO)PB3(ARJ1)PB4(SS)+5\DDRST-二SCK计MISO黑SHST1234567S910JP1ESPMOSIi-nso34J6_7SPIMOSIR2012KPBO(TO)乂PBi(ri)>PB2(AINO)PB3(ARJ1)PB4(SS)PB5(MOSI)PB6(NDSO)PB7(SCK)(ADCQ)PAO(ADC：1)PA1(ADC2JPA2(ADCS)PAS(ADC4)FA4(ADC5)PA5(ADC-6)PA6(ADC7)PA7SPINflSOR2032KSPISCKR2002KKEY114T?KEY3KEY417^：1921~KEY2SW4RSTC12XTAL11322pF12XTAL2C1522pFPDOfRXD)PDl(TXD)PD2(INTO)PD3(INT1)PD4(OC-1B)PD5(O<-1A)PD6(ICT}'PD7C^OSC2)rcoPCIPC2PCSPC4PC：5(TOSCl)PC^(TOSC2)K-7U440WDT39ADDAT38ADCS37ADCLK36DAFS35DACS34DACLK33DADAT222324YDAT25YCLK26DA+1027DA-1012829RESETXIAREFAGNDAVCCATMEGA16DIP403231-30~『VDD+5XDD单片机系统TDD'ITroa—1——Cl08103图3.9单片机最小系统电路图中MOSI,MISO,SCK既作为ISP下载之用，也可以用于普通的I/O口。为了保证这三个端口能作为普通I/O之用，需要串之3个隔离电阻，阻值在2K左右。326D/A转换电路硬件设计1、设计依据TLV5616是一种基于电阻串结构的12位DAC，器件由串行接口、速度和掉电控制逻辑、基准输入缓冲器、电阻串以及满幅度输出缓冲器组成。其输出电压由下式给出：(3.2)V=2』deout409予(3.2)满度值取决于外部基准。其中V是基准电压，code是在0〜4095范围内的ref输人数据。上电复位时，最初把内部锁存器复位到预定状态（所有位均为0）。TLV5616管脚图如下图3.10所示。DIN[1U8]VDDSCLK[27]OUTCS[36]REFINFS[45]AGND图3.10TLV5616管脚图CS:片选，低电平激活；FS：帧同步输入，帧同步脉冲的下降沿表示串行数据帧的开始；SCLK:串行时钟输入；DIN：串行数据输入；2、设计电路图根据以上设计分析以及读芯片资料，设计电路图如下图3.11所示。图3.11D/A输出电路电路图分析：该电路图D/A输出电压V=2V^Ode，图中的两个4066是outref4095模拟开关，分别控制输出电压是-10〜0V,还是0〜10V。其中的电压跟随器是提高输出电压的负载能力，另外一个是反相电路是用来将电压反相，实现-10〜0V之间的电压输出。

327键盘输入硬件电路设计1、设计依据在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口就可以构成4x4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而行线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。2、设计电路图电路硬件设计如下图3.12所示。KEY4RIO4K7KEY3KEY2R124K7KEY1S1S9S13■0SW1S10S14311S13S12S16S3Rll4K7KEY3KEY2R124K7KEY1S1S9S13■0SW1S10S14311S13S12S16S3图3.124x4键盘输入电路在电路中，1/0口线的电流驱动大约1mA，就符合要求，因此接4K7上拉电阻，起限流作用。(3.3)(3.3)(3.3)(3.3)电路图设计如下图电路图设计如下图3.13所示。328显示电路硬件设计1、设计依据(1)RT12864M技术参数说明表3.3RT12864M技术参数显示容量128x64点尺寸0.44x0.60(WXH)mm工作电压4.8〜5.2V模块最佳工作电压5.0V工作电流4.0mA(5.0V)背光源绿色黄绿(5.0V)背光源工作电流〈150mA(2)RT12864M引脚说明表3.4RT12864M的引脚说明引脚号引脚名称方向功能说明1VSS—模块的电源地2VDD—模块的电源正端3V0—LCD驱动电压输入端4RS(CS)H/L并行的指令/数据选择信号;串行的片选信号5R/W(SID)H/L并行的读写选择信号;串行的数据口6E(CLK)H/L并行的使能信号;串行的同步时钟7DB0H/L数据08DB1H/L数据19DB2H/L数据210DB3H/L数据311DB4H/L数据412DB5H/L数据513DB6H/L数据614DB7H/L数据715PSBH/L并/串行接口选择;H-并行;L-串行16NC空脚17/RETH/L复位低电平有效18NC空脚19LEDA—背光源正极(LED+5V)20LEDK—背光源负极(LED-0V)逻辑工作电压(VDD)：4.5〜5.5V；电源地(GND)：0V；工作温度(Ta):0〜60(常温)/-20〜75(宽温)；2、设计电路图

+5+5VDD123+5VDDYY一+5VDDYY一567891011121314151617181920IC0N20图3.13液晶显示电路其中，本次LCD是采用串行通信的，因此只需要两条数据线与MCU连接。引脚3的电路是用来调节背光的。引脚15直接接地选择串行通信。3.3模拟PID为核心的硬件设计3.3.1模拟PID调节器硬件设计1、PID概述比例、积分、微分控制，简称PID控制，PID控制的框图如下图3.14所示。图3.14PID控制比例(P)控制：u(t)=Kxe(t)TOC\o"1-5"\h\z比例+积分(PI)控制器：u(t)二K[e(t)+丄Je(p)dT](3.4)ptI0比例+积分+微分(PID)控制器：u(t)二K[e(t)+丄Je(P)dP+T◎](3.5)PTDdtI0式中，K为比例放大系数；T为积分时问；T为微分时间。PID比例(P)控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-stateerror)。积分(I)控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(SystemwithSteady-stateError)。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分(D)控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性⑵。2、PID调节器设计及仿真根据以上概述，可以设计出PID调节器框图如下图3.15所示。根据PID框图，可以设计出如下PID调节器电路图如下图3.16所示。R210KO_Lltl15%Key=A—-15VR12A-'Vv10k0R1610k0XSC110k0R14AAV-110k0R13V-A-VoUR210KO_Lltl15%Key=A—-15VR12A-'Vv10k0R1610k0XSC110k0R14AAV-110k0R13V-A-VoU图3.16PID调节器电路运用Multisim9软件仿真如下图3.17所示。Oscilloscope-ZSCl改变K,T,T任一参数，仿真如下图3.18所示。PIDT1出』T2*|刁Timemsms2.0D0msChannel_A2.449V13.566V11.117VChannel_BChannel_CChannel_D12*ReverseSaveChannelATriggerGNDScale|2D0us/DivScale|1D诃匸加Xposition)DYposrtion11.2TlrTiebaseY,A/BI.A+BACAPID仿真电路ageK正」LevelVSing.|Nor..•^opkiTieI3、模拟PID系统仿真一个PID控制系统包括输入，PID运算、对象、反馈环节四个部分组成。其控制框图一般如下图3.19控制框图一般如下图3.19所示。输入图3.19PID控制系统输入给定值同反馈回来的值做差后得到差值e(t),e(t)经过PID运算后作用于被控对象，被控对象再反馈输入。从而实现控制系统的稳定工作。理想PID控制系统的阶跃输入曲线如下图3.20所示。PID控制系统阶跃响应输出曲线如下图3.21所示。图3.21PID图3.21PID控制系统输出根据以上PID控制系统设计基本知识，设计一个模拟PID系统电路如下图3.22所示。R27[10kQPkey=Space31R2410kQ^0R23r-2—-W-v丄10kQo8kR21O—w£1k1OkQR13R27[10kQPkey=Space31R2410kQ^0R23r-2—-W-v丄10kQo8kR21O—w£1k1OkQR1325lok16C3jROnF——1OkQR141OkQR佃-VvV10kQ—-15V"TOil3500kQ图3.22PID系统电路图电路图分析:输入电路功能：输入设定值V与反馈值V相减得到差值e(t)，ife(t)=-(V—V)。电路图如下图3.23所示。if图3.23阶跃输入电路rrsPID调节电路功能：将差值e(t)进行PID运算，此时输出V二Kxe(t)+Kfe(t)dt+Kde(t)，电路图如下图3.24所示。0PIDt0*U1BM324DKey=A100kQ10kQR16

-Wv10kGR2Key=B1KQ50%R22-AAA200QC1Tl''O.OOSuFU1CLM324DR13AW10kGU2AZlV5—-15V*U1BM324DKey=A100kQ10kQR16

-Wv10kGR2Key=B1KQ50%R22-AAA200QC1Tl''O.OOSuFU1CLM324DR13AW10kGU2AZlV5—-15VLFV1324DV415V

TR10_Wv50E12C2似QTl0.005UFLM324DR14■VA_10kQ^jdOiiF21ID2-%V50%R3Key=C1kQ图3.24PID调节器电路反馈电路功能：将输出信号反馈于输入，实现闭环控制，电路图如下图3.25所示。

—15V图3.25反馈电路3.3.2模拟PID系统仿真(1)当放大系数Kp=5时，输出波形如下图3.26所示。图3.26电路仿真结果由图可以知道超调量a=(1.274-1)/1100%=27.4%，峰值时间t=17.548us,p上升时间t=13.702us，建立稳定时间t=28.141us。

同理改变不同的K,T,T可以得到不同的结果如下图3.27所示。PID图3.27电路仿真结果3.3.3变频器1、设计依据变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。三菱公司的FR—A540—1.5K变频器来驱动三相交流电机。该产品功率可达1.5kw，采用先进磁通矢量控制方式，实现自动调整功能，可拆御接线端子，维护方便；内含柔性PWM,实现更低噪音运行；内置RS485通信口等多种先进功能。2、设计电路图根据以上设计依据可以得到变频器电路图如下图3.28所示。变频器图3.28变频器电路2和5是速度给定，可由模拟PID模块给定，AM和5号端口可以得到电机的速度信号，通过改变变频器的频率改变交流电机的转速。同时还有报警输出，一旦出现故障，立即发出信号。4张力控制系统软件设计4.1主程序及初始化子程序4.1.1主程序控制系统以硬件资源作为物理基础，其功能的实现最终是靠程序来保证［9］。控制软件是微机控制系统重要的组成部分，它通过软件程序来协调各硬件的工作以完成控制系统的功能。系统程序的设计，采用模块化的设计思想，将整个程序分成若干个子模块，这样编写的程序清晰，调试和维护方便。卷绕张力控制系统的程序设计包括主程序及初始化子程序，A/D及D/A程序模块，液晶程序模块，键盘输入程序模块。本张力控制系统主要能实现张力检测，得到模拟信号后经A/D转换送入嵌入式微处理器处理后，经D/A输出模拟-10〜10V电压，并且还要实现键盘输入，显示功能。因此，主程序流程图如下图4.1所示。图4.1主程序流程图4.1.2初始化子程序由于要使各个器件能够正常工作，还必须要对这些重要器件初始化。初始化的包括I/O,液晶12864，内部定时器等。初始化子程序流程图如下图4.2所示。

图4.2初始化子程序流程图4.2PID算法程序数字PID算法有位置型PID控制算法及增量型PID控制算法。由于位置型算法与各次采样值有关，需要知道所有的历史值，占用较多的存储空间。而增量型PID算法仅与最近几次采样值有关，累加误差小，这个在嵌入式微处理系统是非常之有用的。因此本系统采用的是增量型PID控制算法⑶。增量型PID控制算法数学推导如下：TOC\o"1-5"\h\z求出每步的控制量△u(k)二u(k)-u(k-l)(4.1)又因为u(k-1)=K{e(k-1)+—fe(f)+-D[e(k-1)-e(k-2)]}(4.2)pTTIj=0结合4.1，4.2各式可得增量式PID控制算法表达式如下：Au(k)=K{[e(k)-e(k-1)]+—e(k)+-D[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}(4.3)P——I或Au(k)=K{[e(k)-e(k-1)]+Ke(k)+K[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}(4.4)PID为了编程方便，可将式4.3，4.4整理成如下形式：(4.5)(4.6)(4.7)(4.8)Au(k)=qe(k)+qe(k-1)+qe(k(4.5)(4.6)(4.7)(4.8)其中q0其中q0=K(1+—+—D)P——qq=-K(1+2q2=—增量型PID控制算法流程图如下图4.3所示。计算参数q0,ql,q2取设定值ur,计算参数q0,ql,q2取设定值ur,*取A/D转换经

过处理数据——ui(k)—.*

计算偏差值e(n)=ur-ui(k)计算控制量Au=q0*e(n)+q1*e(n

-1)+q2*e(n-2)为下一时刻做准备e(n)->e(n-1),e(n-1)->e(n-2)输出Au结束图4.3增量型PID控制算法增量型PID控制算法子程序如下所示。#definePID_Kp7#definePID_Ti8#definePID_Td5#definePID_T10structPID_STATE{floatset_value;floatPID_inc_uk;floatPID_q0;floatPID_q1;floatPID_q2;floaterror;//e(k)floatpre_error;//e(k-1)floatlast_error;//e(k-2)}PID_para;voidseek_PID_q0(void){floattemp;temp=(1+(PID_T/PID_Ti)+(PID_Td/PID_T))*PID_Kp;PID_para->PID_q0=temp;voidseek_PID_ql(void){floattemp;temp=-(PID_Kp*(1+2*PID_Td/PID_T));PID_para->PID_q1i=temp;}voidseek_PID_q2(void){floattemp;temp=PID_Kp*PID_Td/PID_T));PID_para->PID_q2=temp;}voidPID_init_q(void){seek_PID_qO();seek_PID_q1();seek_PID_q2();}floatPID_arithmetic(floatPID_cur_value){floatPID_inc_uk;PID_para->error=PID_para->set_value-PID_cur_value;//e(k)=uk-u(k-1)PID_inc_uk=PID_para->error*PID_para->PID_qO;〃比例环节kp*e(k)PID_inc_uk=PID_inc_uk+PID_para->PID_q1*PID_para->pre_error;〃积分ki*e(k-1)PID_inc_uk=PID_inc_uk+PID_para->PID_q2*PID_para->last_error;〃微分kd*e(k-2)PID_para->pre_error=PID_para->error;//e(k-1)=e(k)PID_para->last_error=PID_para->pre_error;//e(k-2)=e(k-1)returnPID_inc_uk;}4.3采样程序本张力系统是以A/D转换芯片TLC1549为核心的，因此，采样工作的核心是TLC1549。

TLC1549分快速方式和慢速方式，这个主要取决于I/OCLOCK周期的大小,一般大于280KHz为快速方式，小于280KHz为慢速方式。TLC1549时序图如下图4.4所示。VOCLOCK(seeNoteA)TrLFLFLFLFLFLFLFLJ7UT4SampleCycleBDATAOUTfA9A8A7A4A3A2A1VOCLOCK(seeNoteA)TrLFLFLFLFLFLFLFLJ7UT4SampleCycleBDATAOUTfA9A8A7A4A3A2A1AOHi-ZStateIMSBPreviousConversionDataLSBIrniitiialinraA/DConversion—►Interval丨(<21jis)Initialize图4.4TLC1549时序图在芯片选择(CS)无效情况下，I/OCLOCK最初被禁止且DATAOUT处于高阻状态。当串行接口把CS拉至有效时，转换时序开始允许I/OCLOCK工作并使DATAOUT脱离高阻状态。串行接口然后把I/OCLOCK序列提供给I/OCLOCK并从DATAOUT接收前次转换结果。I/OCLOCK从主机串行接口接收长度在10和16个时钟之间的输人序列。开始10个I/O时钟提供采样模拟输入的控制时序。采样流程图如下图4.5所示。读取A/D数据,并转换为十进读取A/D数据,并转换为十进制数-Y吒•是否采集了4次图4.5A/D米样流程图A/D子程序如下。voidtest(){datauchari;cs_ad=1;〃禁止i/oclock

cs_ad=O;〃开启控制电路，使能dataout和i/oclockresult=0;//清转换变量for(i=0;ivl0;i++)〃采集10次，即lObit{clk=0;result*=2;if(dout)result++;clk=1;}delay(590);cs_ad=1;//dataout返回到高阻状态而终止序列}voiddelay(uintz)〃延时函数{uintx,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=110;y>0;y--);}4.4数模输出程序本系统要求输出电压为-10〜+10V。采用的是TLV5616芯片。TLV5616时序图如下图4.6所示。SCLKDIN本系统要求输出电压为-10〜+10V。采用的是TLV5616芯片。TLV5616时序图如下图4.6所示。SCLKDINCSFSX图4.6TLV5616时序图(su(FSjCK)tsu(CS-FS)十twH(FS}16X：tsu(C16-CS)在数据传送时，首先片选端输出低电平，从FS下降沿开始，SCLK的下降沿使DIN的数据从高位到低位依次进入DAC的移位寄存器，FS变成高电平后，移位寄存器的值送入DAC锁存器，进行D/A转换并输出。数模输出流程图如下图4.7所示。图4.7D/A输出流程图D/A子程序如下。voidtlv5616_da(unsignedintda){uchari;davv=4;tlv5616_cs=0;tlv5616_clk=1;tlv5616_fs=0;for(i=0;iv16;i++){_nop();_nop();tlv5616_data=(bit)(da&0x8000);tlv5616_clk=0;nop();_nop();da<<=1;tlv5616_clk=1;nop();_nop();}tlv5616_cs=1;tlv5616_fs=1;tlv5616_clk=0;for(i=0;ivl6;i++);}4.5矩阵键盘子程序矩阵式键盘的按键识别方法行扫描法：行扫描法又称为逐行(或列)扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法。1、判断键盘中有无键按下，将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。2、判断闭合键所在的位置，在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。矩阵式键盘流程图如下图4.8所示。图4.8矩阵式键盘流程图4.6显示子程序显示子程序主要完成系统当前张力值以及单片机自检、复位信息和一些通信故障的显示。本系统中RT12864M芯片中子程序的书写，主要是根据datasheet的时序图以及该液晶控制方式说明来编写的。RT12864的时序图如下图4.9所示。

J123SIDr~\r~\r\r[:l叫呵0J123SIDr~\r~\r\r[:l叫呵0(D7jD6jD5jD4]0I…M心：：-」PBitstring写控制字写入数据

位置写控制字写入数据

位置写入数据显示子程序流程图如下图4.10所示。t显示*返回图4.10显示程序流程图本文设计了两个张力控制器，一个是以嵌入式微处理器为核心的张力控制系统，另一个是以模拟PID为核心的张力控制系统。嵌入式微处理器为核心的张力控制系统包括了张力检测，信号处理，A/D转换，PID等算法的处理，D/A输出等几个模块。对各个模块都详细的给出了设计硬件原理图，并在附录中给出了原理图。并且对各个模块都编写了子程序，给出了整个程序的主框图。本文设计的以模拟PID为核心的张力控制系统就其功能来说还是初步的、基本的。这只不过是PID控制中最基本的一个框架。它说明了一个PID控制系统包括输入、PID运算、执行器、反馈用的变送器。一个PID控制系统一般是闭环的,只有反馈环节才能够实现差值控制。并用Multisim9仿真了模拟PID，并得到了料想的结果。做任何一个课题都是会遇到很多困难的。这次在做这个课题过程中，由于以前学的PID方面的知识不是很好，所以遇到了很多困难。例如：仅仅设计一个模拟PID电路就认为做出了一个PID控制系统，并没有想到还要执行器和反馈环节,才能成为一个PID控制系统。由于这次设计是用软件进行仿真的。软件仿真与现实差别有一些不同，并没有意识到软件仿真与现实不同这一方面，因此也遇到非常多问题，并且这些问题是不容易被发现的。通过艰苦的努力最后还是得到了一个比较满意的结果，这令我非常之高兴。通过这次毕业设计，我充分认识到做技术不能光有理论还要通过不断去实践，自己的技术水平才能有实质性的提高。否则都是纸上谈