基于通用控制平台的虚拟控制对象设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于通用控制平台的虚拟控制对象设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

主要特点是资源丰富、性能好、高速处理、价格低、适合工业环境应用、混合信号处理。 根据设计的要求以及单片机自身特点，山东科技大学学士学位论文 通用控制平台设计方案 10 从 C8051F 家族中选择 C8051F020[8]、 C8051F350[9]、 C8051F340[10]这三个型号的单片机作为硬件平台的核心。 C8051F020 单片机主要资源为：模拟外设部分，有 8 路 12 位逐次比较型 ADC（转换速率可调，最大可达 100ksps，放大器增益可调，最大倍数为 16 倍）， 2 路 12 位 DAC 输出， 2 个模拟比较器；数字外设部分，有 64个 I/O 端口， 5 个通用定时器，硬件 SMBus(I2CTM 兼容 )、 SPI 及 2 个 UART串口 ，还提供看门狗定时器和复位引脚；存储器部分，含有 4352 字节内部数据 RAM（ 4K+256） ， 64K 字节在系统编程 FLASH 存储器 和 外部 64K 字节数据存储器接口 ；时钟源部分，具有内部 216MHz 可编程振荡器和外部振荡器（ 晶体、 RC、 C、或外部时钟 ）。 C8051F350 单片机主要资源为：模拟外设部分， 8 路 24 位 ADC 输入（转换速率可调，最高可达 1 ksps， 每一路均含有可编程增益放大器，最大放大倍数为 128 倍，可以内部偏移量或增益校准）， 2 路 8 位电流输出型 DAC（输出电流可调，最大输出为 2mA），一个可编程电压比较器；数字外设部分，提供 UART、 SMBus 和增强型 SPI 串口 ， 4 个通用 16 位计数器 /定时器 ， 3个捕捉 /比较模块 ；存储器部分， 内部 RAM 768 字节（ 256+512） ， 8KB 在系统编程 的 ； 时钟源部分， 内部振荡器 频率为 、 精度177。 2%，外部振荡器 为 晶体、 RC、 C、或外部时钟 ， 时钟乘法器可产生 50MHz 内部时钟。 C8051F340 单片机 主要资源为：模拟外设部分， 21 路 10 位 ADC， 2个比较器；数字外设部分， 25 个 I/O 端口 ， 硬件增强型 SPI、 SMBus 和 2个增强型 UART 串口 ， 4 个通用 16 位计数器 /定时器 ， 16 位可编程计数器 /定时器阵列（ PCA），有 5 个捕捉 /比较模块 ； 控制器，可工作于 全速 (12Mbps)或低速 ()方式；存储器部分， 4352 字节 数据 RAM， 64K字节 FLASH；时钟源部分， %的精度 的 内部振荡器 ， 外部振荡器 （ 晶体、 RC、 C、或外部时钟 ）。 山东科技大学学士学位论文 通用控制平台设计方案 11 硬件电路设计要求 根据选型的三款单片 机不同特点，将每个单片机进行外部功能扩展，从而组成三个不同的单片机系统。 硬件平台中他们的分工为： 020 单片机用作主控制器，平台的主要信号处理（模拟量信号采集与输出、数字量信号采集与输出、脉冲量信号采集等）、数据处理、数据显示、数据存储和数据通信等由它完成； 350 分担一部分信号采集与处理，主要是实现信号的高精度采集； 340 用作通信中心，通过串行口扩展，可以方便地与其他设备进行通信兼容扩展，通过 USB 实现与计算的高速通信； 340 获取 0 350 处理完成的数据，通过不同的通信方式将数据传送给计算机或者其他终端设 备。 单片机之间的工作关系框图 所示。 C 8 0 5 1 F 0 2 0 单 片 机 系 统C 8 0 5 1 F 3 4 0 单 片 机 系 统 C 8 0 5 1 F 3 5 0 单 片 机 系 统 图 硬件平台单片机系统工作关系 为使所设计平台完成控制 对象 仿真 的任务 ，需要硬件上具备以下设计要求： 1． 设计 48 路的开关量输入通道。 每个输入通道具备完善的保护措施，在发生错误接线时（接入过大正电压或负电压）不至于损坏单片机或其他部分。 该通道对输入 0~1V 幅值范围的信号理解为低电平， 以上的信号电平应被理解为高电平。 输入的高低电平可硬件通过发光二极管指示。 2． 设计 48 路的开关量输出通道。 开关量 输出通道应具有一定的电压驱动能力或电流输出能力。 当有开关量输出高低电平时，可通过硬件方式山东科技大学学士学位论文 通用控制平台设计方案 12 发光二极管进行状态指示。 3． 设计 16 路模拟量输入通道。 每个输入通道能实现对模拟量输入信号的限幅、滤波调理，能对模拟输入信号进行一定的放大与衰减，并且能够实现电压信号或电流信号的输入并转化为单片机 AD 可以采集的电平范围。 输入通道放大倍数可调，输入的模拟信号可以是单端方式或差分方式，能够对微弱信号进行放大及采集。 4． 设计 20 路的模拟量输出通道。 输出通道应能输出 10V~10V范围的的模拟电压， 20mA~20mA 范围的模 拟电流，输出信号幅值可根据写入的控制字的不同方便地调节，通过短路套连接可方便选择电压型或电流型模拟量信号输出。 输出电压信号时，应为低阻输出状态，输出电流信号时应为高阻输出状态。 5． 通信方式可选，可以提供符合 RS485 通信规范的接口。 6． 具有对单片机有限的串口资源进行扩展，具有至少 6 路串行接口。 7． 具有键盘、显示接口， 可显示汉字、引文字符，有图片显示功能，。 8． 扩展外部 非易失性 数据存储器，至少 64KB 以上外扩空间。 9． 上述资源应由一个单片机统一管理，以减少上位机的负担。 10． 易于与同类硬件平台组网。 11． 稳压电源。 硬件平台 系统组成模块 框图如图 所示。 山东科技大学学士学位论文 通用控制平台设计方案 13 4 8 路 开 关 量 输 入 4 8 路 开 关 量 输 出1 6 路 模 拟 量 输 入 2 0 路 模 拟 量 输 出4 * 4 矩 阵 键 盘2 路 R S 4 8 5 接 口复 位 电 路外 存 储 器 扩 展电 源 电 路液 晶 显 示单 片 机C 8 0 5 1 F 0 2 0C 8 0 5 2 F 3 4 0C 8 0 5 1 F 3 5 0 图 硬件平台组成模块框图 控制对象实现过程 1． 硬件平台的设计。 根据 选择 C8051F 单片机， 分析其接口特性，采用模拟电子技术和数字电子技术以及单片机接口技术，进行单片机外围电路的设计。 利用电路仿真软件 Multisim 对设计的硬件 电路 进行仿真，通过仿真或计算确定电路参数。 利用 Protel 99 SE 软件进行制作 PCB 板 ， 然后在 PCB 上 焊接 元器件并进行电路功能测试 ， 从而 完 成整个硬件平台的 研制。 2． 对象的数学模型的建立。 根据控制对象运行规律及实际调试经验，按照机理法来建立传递函数模型，然后 尽量采用简约化处理 逐步逼近真实模型。 对于无法运用机理法来建模的，可以采用系统辨识的方法 ( 一般采用最小二乘法 )来建立相应的模型。 山东科技大学学士学位论文 通用控制平台设计方案 14 3．控制器控制算法。 对于 控制 算法方面， 根据控制对象的特点以及要完成的控制任务，选用不同的控制算法。 4．控制器与控制对象下位机程序开发。 由于 Keil 具有 库函数丰富和开发调试 方便的特点， C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性 、 可移植性 等方面 有明显的优势 ，因此通过 在 Keil 软件开发平台上对 C8051F 单片机 进行 C 语言编程。 5．参数设定与显示界面设计。 选用计算机面向对象编程语言 Visual Basic，计算机与下位机通过 RS232 或 RS485 进行通信获取数据，对数据进行解析并在对象框中显示，一方面用于观察下位机运行效果，另一方面用于提供给组态被控对象数据。 6． 组态界面设计。 利 用组态王提供的图库以及开发菜单，可以对具体的控制对象进行虚拟设计。 选用组态王 与 Visual Basic 数据交换， 将虚拟控制对象的运行规律和控制规律， 以 动画界面和各种曲线 呈现。 山东科技大学学士学位论文 平台硬件功能模块设计 15 3 平台硬件功能模块设计 模拟量输入模块 实际控制系统中，传感器将生产过程的工艺参数转换为直流输出的电压或电流信号，但由于传感器输出的信号一般比较微弱，需要将测量元件的输出信号通过一定的变换，变成行业统一的 0~10mA 或 4~20mA 信号 [11]。 模拟量通 道检测变送器输出的标准模拟信号，将其转变成微控制器能处理的二进制数字信号。 本平台硬件部分所设计的模拟量输入模块，可以将传感器输出的上述标准电流信号进行 电压 转换，也可以将标准 0~10V 电压信号进行 调理，然后送入单片机的 ADC 完成信号采集。 主要技 术指标 根据所选 C8051F020 和 C8051F350 各自特点，所所设计的模拟量输入模块主要技术指标为 ： （ 1）设计 16 个模拟量输入通道。 其中 020 单片机 有 8 个模拟量输入通道， 350 单片机 有 8 个模拟量输入通道。 （ 2）可采集标准传感器输出的 0mA~10mA 或 4mA~20mA 电流信号，以及 0V~10V电压信号； （ 3）所设计模拟量采集模块既允许单端信号输入，也可以对差分信号采集； 模拟量输入模块结构 模拟量输入模块的结构如图 所示。 模拟量输入模块能够对变送器输出的标准电流信号转换为电压，可以 对 输入的电压进行放大或衰减，从而送入到单片机的 AD 进行转化。 为保证电路的可靠性，设计中采取了保护措施，主要是对放大器输入端及输出端的进行了保护，从而不至于信号输入或输出过大，损坏放大器或者单片机 [12]。 山东科技大学学士学位论文 平台硬件功能模块设计 16 图 模拟量输入模块电路组成结构 模拟量输入模块，设计了两种电路。 一种是以 OP07 为放大器构成的单端信号采集电路，电路具有最大增益为 32 倍，主要用于控制 对象 仿真信号的处理；另一种是以 AD620 为放大器构成的差分信号采集电路，具有对输入信号进行放大 256 倍，可对很微弱的信号进行采集。 这两种电路的基本结 构基本与上图类似。 单端模拟量信号采集电路设计 1． 电路原理设计 根据上述 指标及 思路设计的电路原理图为： + I NIN VV+OUTI N P U TS1 S2S3S4120 20KAGND 1K1K4148*2+ 12V 12VO P 07AGND7320K642 12VAGND30P30K91091 1N 60AGND1K+ 12V1K18S5R1R2R3 R4C1 C2R5R6R7R8C3D1D2D3 D4C4C5A D C 0ViV0 图 单端模拟量信号输入电路原理设计 山东科技大学学士学位论文 平台硬件功能模块设计 17 4~20mA 标准电流信号要转换为电压信号，才能够使单片机 AD 能采集与处理。 采用无源器件电阻 1R 来完成电流到电压的转换。 考虑到单片机 AD最大输入电压为 ，因此选用的电阻值为  1 2 020 421 M A XA D M A X 电压变换电路采用滑动电阻器 2R ，利用其分压特性达到将输入电压衰减到合适的值 已输入到运放。 由于平台有多个集成运放共用同一直流电源，通过电源内阻的耦合有时会产生低频震荡。 利用小容量电容对高频信号形成低阻抗通路，在电源端连接小容量的瓷片电容 C C5（ ）起到高频滤波的效果 [13]。 为了滤除 输入信号中混入的 高频干扰，在放大器的输入端用 R CR C2 构成二阶低通滤波器 [12]，图 所示电路的输出电压 0V 即单片机的输入电压 0ADCV 为： iADC VRRV   560 1 （ ） 根据式（ ），配置 R6=31001Ω， R5=1KΩ，可实现对输入信号放大 32倍。 运放工作在闭环状态时，容易因共模电压超出运放承受的极限值而损坏 [12]，二极管 1D 、 2D 构成运放输入端的防止共模电压过大的保护电路，可保证加在输入端的的电压不超过 177。 (12+)V，在 OP07 输入电压 177。 [14]要求之内。 在运放的输出端，限流电阻8R 和稳压。