第8章计算机控制系统设计实例 - 沈阳建筑大学教务在线..pptx

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沈阳建筑大学信息与控制工程学院马斌、郭彤颖,计算机控制技术,第8章计算机控制系统设计实例,计算机控制系统设计概述微型机在煤气表机心负压试漏中的应用微型机在阀门定位器中的应用IC卡智能煤气表的设计微型机实现电加热锅炉系统的自动控制单片机与微机RS-485通信微机控制的公共汽车自动报站系统温度控制系统的设计,8.1计算机控制系统的设计概述,系统设计的步骤,计算机控制系统的设计分为开发设计和应用设计。

开发设计开发设计的任务是生产出满足用户所需的硬件和软件。

首先要进行充分地市场调查，了解用户的需求；然后进行系统设计，落实具体的技术指标；最后进行制造调试，检验合格，市场销售。

开发设计应遵循标准化、模板化、模块化和系列化的原则。

应用设计应用设计的任务是选择和开发满足控制对象所需的硬件和软件，设计控制方案，并根据系统性能指标要求设计系统硬件和软件，以实现系统功能。

应用设计或工程设计按顺序可分为5个阶段。

可行性研究系统总体方案设计硬件和软件的细化设计系统调试现场安装、投运,图81控制系统设计示意图,8.1.1计算机控制系统的设计原则,满足工艺要求可靠性要高操作性能要好实时性要强通用性要好经济效益要高开发周期要短,8.1.2计算机控制系统的设计与实施步骤,可行性研究阶段初步设计阶段详细设计阶段系统实施阶段系统的调试（测试）阶段系统运行阶段,8.1.3计算机控制系统的设计方法,1规范化设计首先，规范化设计要实现设计文件的规范化。

其次，规范化设计要体现标准化。

规范化、标准化的设计开发过程是保证产品质量、提高产品开发效率的重要手段。

2结构化设计,1）硬件结构化设计硬件结构化是电气部件和集成电路规范化、标准化的结果。

它是开放式系统设计的产物。

工业化协作生产的发展加速了硬件结构化的形成，各种功能卡或模块的面市，为使用者提供了丰富的可选资源。

因此，硬件结构化模式已被普遍采用。

2）软件的结构化设计,为了保证软件开发的质量，应该采取工程化设计方法。

它借鉴于硬件结构化设计的思想，将软件设计改为分阶段的工程化设计，并将软件体系同时划分为一个个独立的功能模块。

每个模块间相互独立而又互有联系。

所谓模块独立化是指每个功能模块具有相应独立的功能，若干个功能模块组合成功能更全的模块。

各模块间通过一定的接口参数的传递实现互连，组合成一个应用系统。

8.1.4计算机控制系统的总体方案设计,确定计算机控制系统总体方案是进行系统设计的关键而重要的一步。

总体方案的好坏，直接影响到整个控制系统的成本、性能、实施细则和开发周期等。

总体方案的设计主要是根据被控对象的工艺要求确定。

为了设计出一个切实可行的总体方案与实施方案，设计者必须深入了解生产过程，分析工艺流程及工作环境，熟悉工艺要求，确定系统的控制目标与任务。

尽管被控对象多种多样，工艺要求各不相同，在总体方案设计中还是有一定共性。

1工艺调研调研的任务形成调研报告和初步方案形成总体设计技术报告,2硬件总体方案设计,确定系统的结构和类型确定系统的构成方式现场设备选择其他方面的考虑,3软件总体方案设计,软件总体方案设计的内容主要是确定软件平台、软件结构，任务分解，建立系统的数学模型、控制策略和控制算法等。

在软件设计也应采用结构化、模块化、通用化的设计方法，自上而下或自下而上地画出软件结构方框图，逐级细化，直到能清楚地表达出控制系统所要解决的问题为止。

在确定系统总体方案时，对系统的软件、硬件功能的划分要做统一的综合考虑，因为一些控制功能既能由硬件实现，也可用软件实现，如计数、逻辑控制等。

采用何种方式比较合适，应根据实时性要求及整个系统的性能价格比综合比较后确定。

4系统总体方案,系统总体方案是硬件总体方案和软件总体方案的组合体。

系统的总体方案反映了整个系统的综合情况，要从正确性、可行性、先进性、可用性和经济性等角度来评价系统的总体方案。

作为总体方案的一部分，设计者还应提供对各子系统功能检测的一些测试依据或标准。

对于较大的系统，还要编制专门的测试规范。

8.2.1煤气表机心负压试漏原理,首先，把煤气表出气口密封住，然后打开控制负压的电磁阀，这时高速流动的压缩空气，经负压阀产生负压，把表内的气体往外抽，表内形成负压，同时斜管压力计液面往上升，当抽到设定值时（煤气表工艺要求斜管压力计显示270Pa），即光电管所在的位置时，关闭电磁阀，这时斜管压力计的液面要继续往上升，停在一个确定的位置。

如果在规定的时间内（一般工艺要求s），斜管压力计的液面不回落到光电管所在的位置，则表的密封性好，不漏；相反，表的密封性不好，漏。

8.2.2系统的构成,本系统由密封汽缸、定位汽缸、换向汽缸、负压阀、光电检测装置、斜管压力计，以及由8031为CPU的控制器构成。

煤气表机心由二个囊壳通过二个膜片分成四个行腔。

定位汽缸保证滑阀盖处于第一点测试位置，测其中二个行腔，换向汽缸保证滑阀盖旋转180度处于第二点测试位置，测另外二个行腔。

只有两点测试都合格，表合格，不漏，否则,表不合格，有漏气。

设:

电磁阀控制密封汽缸电磁阀控制定位汽缸电磁阀控制换向汽缸电磁阀控制负压阀系统的初始状态：

所有的电磁阀不得电，红灯、绿灯、都不亮，斜管压力计液面对应标度尺的零点。

当按下启动按钮时，得电，定位汽缸下落，压住偏心齿轮使滑阀盖处于第一点测试位置，接着得电，密封汽缸下降，密封住出气口，然后稍延时（延时长短应保证密封气缸和定位气缸到位）这时得电，负压阀工作，斜管压力计的液面往上升，同时单片机检测光电信号。

8.2.3控制原理,当液面上升到光电管位置，单片机检测到了这个信号时，失电，停止抽负压，同时定时开始，如果在规定的时间内（一般取s），液面不回落到光电管的位置，则第一点测试合格，绿灯亮。

同时失电，密封汽缸抬起，稍微延时后，得电，换向汽缸使滑阀盖旋转180度外于第二点测试位置，换向结束后，得电，密封汽缸压下，压紧后，绿灯灭。

这时得电，又开始抽负压，当液面上升到光电管位置时，失电停止抽负压，同时定时开始，如果在规定的时间内液面不回落到光电管的位置，则第二点测试合格，绿灯亮，这时先失定位汽缸抬起，稍延时后，失电，密封汽缸抬起，换向汽缸回位，同时绿灯灭，自动返回完成一个测试的工作循环。

注：

检测中当在规定时间内，液面回落到光电管位置时，则红灯亮，停止检测，表不合格；或者是：

有少数表由于漏得严重，在抽负压时，很长时间内（一般取15s）液面也上升不到光电管位置，则红灯亮，停止检测，表不合格，上述两种情况，系统都不能自动返回，要手动复位。

1输入回路平时当没按下时，发光管不发光，接收管不导通，经74LS04反相后变成低电平输入到3.4，当按下时，发光管发光，接收管导通,经74LS04反相后变成高电平输入到3.4，当计算机检测到3.41时，就执行相应的动作。

采用光电耦合器4N25是为了抗干扰。

输入电路如图9-2所示。

8.2.硬件电路的设计,图8,输入回路,2拨盘开关电路拨盘开关电路如图8-3所示，当开始抽负压时微控器,89C51由3.7发出读信号，把74LS373锁存的数据经0送到累加器中，再送到寄存器中来控制定时器0定时时间，为增加实时性，采用定时器溢出中断。

收到了很好的效果。

本系统定时器定时0.1s，其初值计算如下：

时器工作在定时方式，所以每一个机器周期，计数器加，由于每一个机器周期包含12振荡周期，所以计数速率是振荡频率的1/12，由于本系统采用MHZ晶振，所以，0工作在方式时机器周期：

则有：

（216X）2us100ms（8-1）得X3CB0H所以TH03CHTL0B0H如要定时s即s3CH0.1s，把拨盘开关设置为3CH即00111100B。

图8-3,拨盘开关电路,3光电检测电路斜管压力计是有机玻璃制成的，中间钻一个斜长圆管，里面装着白油，压力计背面有一个钻着圆孔的铝板标度尺，发光管和接收管通过支架分别安装在压力计的正面和背面，而且保证发光管、接收管、标度尺上的圆孔，三点在一条直线上。

如图8-4所示。

图8-4,斜管压力计,光电检测电路如图8-5所示，平时发光管始终在发光，通过调节电位器W1使发光管5GLB发出的光最强。

由于系统各表面光洁，光的反射量很少，可忽略不计。

真正起作用的是折射光。

当没有抽负压时，白油在斜长圆管的最底端，圆孔内是空气，发光管发出的垂直入射光，经交界面后改变了方向，光比较分散，透过标尺圆孔的光很少，结果导致接收管不导通，光电检测电路中为高电平，经74LS04反相变成低电平输入到3.5。

相反，当抽负压时，液面上升到光电管位置，圆孔内是白油，但由于白油密度接近于有机玻璃密度，所以发光管发出的垂直入射光，经交界面后，沿直线传播，不改变方向，所以光比较集中，大都透过了标尺上的圆孔，照射在接收管上。

结果导致接收管导通,变为低电平，经74LS04反相变成高电平输入到3.5，当计算机检测到3.5这个信号时,送出输出信号，断负压电磁阀，停止抽负压。

图8-5,光电检测电路,4输出回路输出电路如图8-6所示，由89C51的P1控制，输出的低电平信号经74LS240反相驱动后变成高电平，光电耦合器截止，再经4N25转换成+24V高电平，经1413反相驱动后变成低电平，使继电器导通，常开触点闭合，电磁阀得电，汽缸做相应的运动。

图8-6,输出电路,5软件设计,图8-7,软件流程图,8.3微型机在阀门定位器中的应用,8.3.1系统工作原理阀门定位器的控制系统采用的是89C51为核心的单片机控制系统，它接收来自调节器的设定阀门开度的电流信号（420mA），用这个信号与从调节阀阀杆反馈回来的实际开度信号进行比较，如果微处理器得到一个偏差信号，就利用这个信号去控制压电阀，使一定量的压缩空气经过压电阀进入到调节阀的执行机构的气室，推动阀心花怒放的移动或转动，从而达到阀心花怒放的准确定位。

阀定位器的控制原理图如图8-8所示：

图8-8,阀门定位器的控制原理图,8.3.2系统的控制要求,阀门定位器对单片机控制系统的设计要求有以下几点：

能够接受来自调节器的电流信号并能将它转换成为电压信号，能够采集阀位反馈回来的模拟信号；能对以上采集到的信号进行运算、整理，最后根据偏差的大小输出连续信号或一定宽度的脉冲来控制压电阀；利用数码管能现场显示输入的参数以及阀门开度；利用按键能在现场对阀门的工作流量特性的参数，以及阀心花怒放的最大、最小行程等参数进行设定；调节阀在自动运行过程中，当阀心花怒放开度大于90%或小于10%时，以及阀心花怒放被卡住时，控制系统能进行报警；具有断电保存功能、看门狗功能、电源电压监测功能；能够和上位机实现通信，使上位机能够对阀门定位器实现数据的设定、管理，并且可以显示、打印。

8.3.3系统的硬件设计,系统的基本组成A/D转换电路Intel8279键盘、显示器接口芯片与89C51的连接电路压电阀控制电路电源监测电路及RS-232接口转换电路,图8-9,单片机控制系统电路原理图,1调节阀开度显示的设计因为系统设计中要求0100%的阀门开度，而通过A/D转换后得到的是0255的数，为此我们采用如下公式来把A/D转换的数据换算成阀门的开度。

100%（8-2）其中：

X为电位器动触点输出的转换后的实际值；H为电位器动触点最大行程时输出的转换后的值，其默认值为255；h为电位器动触点最小行程时输出的转换后的值，其默认值为0。

8.3.4软件设计,通过公式（8-2），我们可以为阀门定位器的电位器在现场与阀心花怒放反馈杆的连接带来方便。

因为电位器的最大行程距离与阀心花怒放的最大行程距离是不可能相同的，而我们要通过改变机械结构使阀心花怒放的最大行程与电位器的最大行程完全匹配是相当困难的，所以可以根据实际安装时候阀心花怒放的最大行程的X1来替换默认的h值。

这样就可以在阀心花怒放的最大行程距离小于且接近电位器的最大行程距离的条件下，无论阀心花怒放的最大行程距离是多少，