計算機控制技術及系統(tǒng)綜合設計論文

1、-PAGE . z. -. -可修編- .綜 合 設 計(論文)院 系：專業(yè)班級：學生*：學 號：指導教師：二一六年五月課 程 : 計算機控制技術與系統(tǒng)摘要本門課程的第1、2章為緒論和過程通道的容，講述了計算機控制系統(tǒng)的根本概念、組成、類型以及模擬量輸入/輸出通道、開關量輸入/輸出通道。為培養(yǎng)鍛煉我們結合工程問題獨立分析思考和解決問題的能力，教師給出三道綜合設計的題目。首先，設計了微機控制系統(tǒng)具體硬件電路及軟件控制邏輯流程框圖，實現(xiàn)了儲液罐液位超限時報警并切斷工質(zhì)輸入/輸出通道的功能。然后，給出了熱電偶測量信號的冷端溫度補償方式，并畫出現(xiàn)場可實現(xiàn)的冷端溫度補償方案的設計簡圖。最后，分析了的現(xiàn)場

2、64點模擬量信號輸入采樣電路的問題，并作出了改良設計。關鍵詞：儲液罐液位；微機控制；熱電偶；冷端溫度補償；模擬量信號；采樣電路。-. z.目 錄1綜合設計題1儲液罐液位微機控制系統(tǒng)11.1 題目要求11.2 總體方案11.3硬件電路的設計11.3.1 微處理器的最小配置模式11.3.2 A/D轉換電路31.3.3 報警和電磁閥驅動電路31.4 軟件控制邏輯流程框圖42綜合設計題2熱電偶測量信號的冷端溫度補償62.1題目要求62.2 熱電偶測溫需進展冷端溫度補償?shù)脑?2.3 熱電偶測量信號的冷端溫度補償方式62.3.1 計算法62.3.2 冰點槽法62.3.3 補償導線法72.3.4 冷端溫度

3、補償器72.3.5 儀表機械零點調(diào)整法72.4 現(xiàn)場可實現(xiàn)的冷端溫度補償應用方案72.4.1 補償電橋法72.4.2 晶體管PN結補償法82.4.3 集成電路補償法83綜合設計題3模擬量信號輸入采樣電路設計93.1題目要求93.2 采樣電路對應的模入信號地址圍93.3 采樣譯碼電路103.3.1 存在的問題103.3.2 解決問題的方法及理由103.4 改良設計10總結11參考文獻12致13-. z.1綜合設計題1儲液罐液位微機控制系統(tǒng)1.1題目要求*現(xiàn)場儲液罐工藝流程如以下圖所示，其中儲液罐液位采用微機自動控制，H0為基準液位，Hma*、Hmin分別為儲液罐液位的最大值和最小值。正常運行狀態(tài)

4、下液位H處于基準液位H0附近，當儲液罐液位超出Hma*或低于Hmin時系統(tǒng)自動報警，并顯示液位高或低報警，同時微機發(fā)出控制指令，停頓儲液罐工質(zhì)的輸入和輸出。設計該儲液罐液位微機控制系統(tǒng)具體硬件電路包括AI、DO通道及軟件控制邏輯流程框圖。1.2總體方案本儲液罐液位微機控制系統(tǒng)采用以微處理器為核心，配以外圍設備1以實現(xiàn)監(jiān)控水位并在緊急情況下報警和采取措施的功能。原理如圖1-0所示。圖1-0 微機控制系統(tǒng)的原理圖1.3硬件電路的設計微處理器的最小模式配置因上學期學習了微機原理及應用的課程，對8086微處理器的使用較為熟悉，故用之作為本控制系統(tǒng)的核心。8086最小模式下的引腳功能2：AD15AD0(

5、16條)：地址/數(shù)據(jù)復用線，雙向工作。A19A16/ S6S3：地址/狀態(tài)復用線，輸出引腳。BHE/S7：數(shù)據(jù)高8位允許/狀態(tài)，輸出引腳。ALE：地址鎖存允許，輸出引腳。DEN：數(shù)據(jù)允許信號，輸出引腳。 DT/R：數(shù)據(jù)發(fā)送/接收控制信號，輸出引腳。=1發(fā)送=0接收M/IO：存儲器/IO設備控制信號，輸出引腳。=1訪問存儲器=0訪問I/O設備RD：讀信號，輸出引腳。低電平有效，表示將執(zhí)行讀操作。WR：寫信號，輸出引腳。低電平有效，表示將執(zhí)行寫操作。READY：存儲器或I/O端口準備就緒信號，輸入引腳。=1，準備就緒RESET：復位信號，輸入引腳。至少要維持4個T的高電平才有效。MN/M*：工作模

6、式選擇信號，輸入引腳。=1最小模式=0最大模式8086微處理器需要運用分時復用技術，故需要增加地址鎖存器，I/O設備的選擇需要譯碼電路使用3-8譯碼器。連線如圖1-1所示。圖1-1 CPU8086的地址鎖存、譯碼電路1.3.2 A/D轉換電路本門課程具體學習了ADC0809芯片的功能及接線并用之做過A/D轉換技術的實驗，但是基于Proteus軟件元件庫中不具有其的仿真模式，故使用與其相差無幾的ADC0808仿真。ADC0808的引腳功能：IN0IN7：8路模擬量輸入端。 OUT1OUT8：8位數(shù)字量輸出端。AL：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。START：A/D轉換啟動脈沖輸入端，輸入一個

7、正脈沖至少100ns寬使其啟動脈沖上升沿使0808復位，下降沿啟動A/D轉換。 EOC：A/D轉換完畢信號，當A/D轉換完畢時，此端輸出一個高電平轉換期間一直為低電平。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當AD轉換完畢時，此端輸入一個高電平，才能翻開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。 VREF+和VREF-：參考電壓輸入端。Vcc：主電源輸入端5V。GND：接地。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。液位傳感器輸出4-20mA的電流，通過一個250的電阻將之轉化為1-5V的電壓，并輸入INT0端口，此

8、模擬信號由ADC0808轉換為數(shù)字信號并送入8086做相關處理。連線如圖1-2所示。輸出端OUT8為最低位，與8086連接時需注意。圖1-2ADC0808的引腳接線電路1.3.3報警和電磁閥驅動電路本門課程具體學習了74LS374構成的開關量輸出通道，故使用其仿真。74LS374的引腳功能：D0D7：數(shù)據(jù)輸入端。OE：三態(tài)允許控制端低電平有效。CP：時鐘輸入端，其接收到脈沖上升沿時，Q隨D而變。Q0Q7：輸出端。采用常開式電磁閥控制工質(zhì)入和工質(zhì)出，水位超限的時候，兩個繼電器的常開觸點閉合即線圈通電使電磁閥關閉，到達切斷閥門的目的。水位超下限，點亮黃燈報警；水位超上限，則點亮紅燈報警。連線如圖1

9、-3所示。圖1-3ADC0808的引腳接線電路1.4軟件控制邏輯流程框圖設以儲液罐的底部為基準，則底部和頂部的高度對應著差壓變送器輸出的4-20mA電流信號，即1-5V電壓信號。根據(jù)液位高度與輸出電流成線性關系，可求出Hma*、Hmin對應的Uma*、Umin。又根據(jù)公式N=256*U/UrefUref=+5V，U=模擬量，N=十進制數(shù)字量，可求出Uma*、Umin對應的Dma*、Dmin。具體的流程圖如圖1-4所示。圖1-4軟件流程圖2綜合設計題2熱電偶測量信號的冷端溫度補償2.1題目要求生產(chǎn)現(xiàn)場有一溫度信號T，采用熱電偶測量，并將該測量信號由電纜送至模擬量輸入通道AI，如以下圖所示。解答以

10、下問題：1該熱電偶測量信號的冷端溫度補償方式可采用哪幾種方法？原理是什么？2設計該熱電偶測量信號對應的幾種現(xiàn)場可實現(xiàn)的冷端溫度補償應用方案，并畫出設計簡圖。2.2熱電偶測溫需進展冷端溫度補償?shù)脑蛴蔁犭娕嫉臏y溫原理可知，產(chǎn)生的熱電勢Et，t0不僅隨熱端t變化，同時也要受到t0的影響。一般情況下，熱電偶的冷端溫度并不固定，而是隨室溫變化，這樣就使E也隨室溫變化。因此，要求對熱電偶的冷端溫度進展補償，以減小冷端溫度變化所引起的信號測量誤差3。2.3熱電偶測量信號的冷端溫度補償方式計算法根據(jù)中間溫度定律，有：Et，0= Et，t0+ Et0，0。可用室溫計測出環(huán)境溫度t0，從分度表中查取Et0，0的

11、值，然后加上熱電勢Et，t0的值，得到Et，0的值，反查分度表即可得到準確的被測溫度t的值。此方法人工進展冷端補償，在測溫現(xiàn)場使用很不方便，因此只適用于實驗室?？衫脽犭娕夹盘柌杉?，并依靠軟件編程實現(xiàn)計算機對冷端的自動補償。把熱電勢信號通過補償導線與采集卡的輸入端子連接，端子附近安裝有熱敏電阻，計算機采集各路熱電勢信號Et，t0和熱敏電阻信號，根據(jù)熱敏電阻信號可得到Et0，0，則能夠求出Et，0的值。2.3.2冰點槽法將熱電偶的冷端置于冰水混合物中，使其溫度保持為恒定的0在實驗室條件下，通常把冷端放在盛有絕緣油的試管中，然后再將其放入裝滿冰水混合物的保溫容器中。這時候熱電勢為Et，0，可直接

12、從分度表中查取溫度t值。這是精度很高的參比端溫度處理方法，僅限于在實驗室中的準確測量和檢定熱電偶時使用。2.3.3補償導線法為了使冷端溫度保持恒定，可將熱電極做的很長，使冷端連同測量儀表一起放置到恒溫或溫度波動比擬小的地方。但這種方法使安裝使用不方便，而且可能消耗許多貴重的金屬材料。因此，一般使用被稱為補償導線的連接線將冷端延伸出來，這種導線在一定溫度圍0150具有和所連接的熱電偶一樣的熱電性能。假設是用廉價金屬制成的熱電偶，則可用其本身的材料作為補償導線。2.3.4冷端溫度補償器不平衡電橋即冷端溫度補償器由電阻R1、R2、R3和RCu組成，其中R1=R2=R3=1，RCu是由溫度系數(shù)較大的銅

13、線繞制而成的補償電阻。此橋串聯(lián)在熱電偶測量回路中，冷端與RCu感受一樣的溫度，在20下RCu=1即電橋平衡。當冷端溫度變化時，RCu隨之改變，破壞了電橋平衡，產(chǎn)生的不平衡電壓U與熱電勢相疊加，一起送入測量儀表。如限流電阻RS的數(shù)值選擇適宜，可使U在一定溫度圍根本上能補償冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。2.3.5儀表機械零點調(diào)整法預先測量出冷端溫度，可直接將儀表機械零點從0處調(diào)到t0處，這相當于預先給儀表輸入電勢Et0，0，使得接入熱電偶后，儀表的輸入電勢為Et，0= Et，t0+ Et0，0，此時儀表指示值即為熱端溫度t。這種方法一般用于對準確度要求不高的場合，并且適用條件為冷端溫度比擬恒定

14、和儀表機械零點調(diào)整方便。2.4現(xiàn)場可實現(xiàn)的冷端溫度補償應用方案2.4.1補償電橋法連接如圖2-1所示。圖2-1補償電橋電路圖原理： 2.2.4中有詳細說明，在此不再贅述。 2.4.2晶體管PN結補償法連接如圖2-2所示。圖2-2晶體管PN結電路圖原理：當恒定電流正向流過PN結時，其管壓降與溫度成線性關系，正向電壓隨溫度上升而下降，此管壓降可在一定圍補償熱點勢的變化值4。2.4.3集成電路補償法連接如圖2-3所示。圖2-3集成電路圖原理：隨著集成IC的飛速開展，出現(xiàn)了專門針對熱電偶的串行模數(shù)轉換器，它能獨立完成信號放大、冷端補償、線性化、A/D轉換及SPI串口數(shù)字化輸出功能，如MA*6675等。

15、3綜合設計題3模擬量信號輸入采樣電路設計3.1題目要求現(xiàn)場64點模擬量信號輸入采樣電路如以下圖所示，整個電路由四個AD7506 A、B、C、D芯片構成，每個AD7506芯片可接入16點現(xiàn)場模擬量信號。解答以下問題：1根據(jù)圖中譯碼電路，給出A、B、C、D四個AD7506采樣電路對應的模入信號地址圍；2分析該采樣譯碼電路存在哪些問題，要解決這些問題應當補充哪些信號，為什么？3該采樣電路假設要實現(xiàn)對每路模入信號采樣地址唯一、不出現(xiàn)與其他I/O接口或存儲器地址重疊問題，應如何改良設計？請在圖中補充畫出具體譯碼電路接線。I/O接口譯碼的地址線為8位：A7-A0。3.2采樣電路對應的模入信號地址圍由圖可知

16、，通過地址信號A5-A0的譯碼選通實現(xiàn)對四片AD7506芯片的開關控制，其中地址信號A4、A5用來實現(xiàn)片選控制，假設A7、A6均為0，則得到以下結果：A : 00000000B-00001111B ( A5、A4均為0時，芯片A被選通。)B : 00010000B-00011111B ( A5為0而A4為1時，芯片B被選通。)C : 00100000B-00101111B ( A5為1而A4為0時，芯片C被選通。)D : 00110000B-00111111B ( A5、A4均為1時，芯片D被選通。)3.3采樣譯碼電路存在的問題該電路只考慮了對地址信號的譯碼選通，沒有考慮CPU的其余控制信號，

17、例如R/W、I/O等信號，實際譯碼電路設計中CPU的這些控制信號也應涵蓋到。還有，此電路僅僅考慮按照所給I/O地址進展的譯碼電路設計，其中電路在譯碼選通過程中是否會與系統(tǒng)中其他I/O地址或存儲器地址發(fā)生沖突尚未考慮。地址線為8位即A7-A0，但輸入采樣電路中只使用了6位地址線即A5-A0，則會出現(xiàn)地址重疊的現(xiàn)象。3.3.2解決問題的方法及理由考慮CPU的其余控制信號，參加和M/。要解決地址重疊問題，應當補充A7和A6信號，因為用全譯碼法做片外譯碼可防止地址重疊5。3.4改良設計總結通過本次完成綜合設計的作業(yè)，我對所學課程容的理解和掌握有所加深，尤其是對于過程通道的使用和設計。由于題目需要結合實

18、際的工程情況，而現(xiàn)有階段我還沒有條件獲得現(xiàn)場經(jīng)歷，所以在完成過程中遇到了許多困難。但是通過查閱文獻、相關資料以及組織素材，我不僅僅獲得了解題的思路，更是了解了當下較為實用新興的技術，不再只局限于課本上的有限知識?？偠灾瑥囊婚_場的毫無頭緒、步步為難，到圓滿完畢的歡欣雀躍，我收獲良多也感慨良多。我漸漸能夠運用所學課程的根本理論和設計方法，根據(jù)工程問題和實際應用任務的要求，進展方案的根底設計和簡單評估。除此之外，人生第一次正式地撰寫論文，有著種種陌生感，中間也碰過不少壁，最終還是找到相應的規(guī)，成功地完成了本篇論文。參考文獻1 令朝霞計算機液位控制系統(tǒng)的設計J機械工程與自動化，2011,04:140-1412 馬平，萬業(yè)，王炳謙編著微機原理及應用M：中國電力，20023 常太華，杰編著過程