测控系统设计方法Word格式文档下载.docx

测控系统设计方法Word格式文档下载.docx

《测控系统设计方法Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《测控系统设计方法Word格式文档下载.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

B.温度T1：

0—90度

大于95度报警和控制

C.水位H：

0—2.0M

小于1.2M报警控制

1）检测控制系统系统精度要求

小于1.0%

2）测量采用的两种记录方式

A.磁带记录方式

B.计算机记录方式

3）采集通道

3路（分别测量3个参数）

4）计算机数据采集程序系统设计语言

采用C语言

1.2系统设计要求

1）测试系统设计分析，确定最佳设计方案：

选择传感器，放大器，A/D转换器，计算机

2）计算机数据采集系统设计方案分析

3）信号采集程序设计与分析，可用C语言

4）计算机数据采集系统精度分析计算

5）测试系统要求体积小、稳定性、可靠性好

第二章检测控制系统方案分析

检测控制系统在机电一体化系统设计中，常用于报警检测控制、位置检测控制、过程检测控制、实时跟踪检测控制、状态检测控制。

由于应用场合不同。

控制要求的不同，设计所用的传感器及配套仪表不同，相应的检测方法、设计方案也不同。

2.1检测控制系统分类

1.按照被控对象的分类：

①开关量控制；

②电机类工作控制

2.按照控制工作方式分类：

①直接控制工作方式；

②间接控制工作方式；

③实时跟踪控制工作方式

3.按照控制参数分类：

①单路信号控制；

②多参数信号控制；

③综合控制方式

2.2检测控制系统设计方法

2.21检测控制系统设计分析

检测控制系统设计分析是确定检测控制系统总体设计方案的重要部分。

根据所要求的检测控制系统的作用、功能、应用要求，进行全面的分析和研究。

制定具体的设计方案，应考虑要解决的问题。

设计技术指标的确定

①检测控制的参数：

压力、温度、水位；

②检测控制精度参数：

小于1.0%；

③检测控制类型的确定：

电机类工作控制；

④检测控制系统应用条件的设计：

高温、高湿；

⑤检测控制系统保护方法：

电源保护、干扰的抑制保护等；

⑥结构尺寸，安装尺寸的设计。

2.22检测控制系统的设计方法

1）.检测控制传感器的选择

完成一个具体的测试任务或控制任务，首相要考虑能用什么原理的传感器，这需要分析许多因素后才能够决定。

因为，要检测某种物理量，有多种传感器选择使用。

在机电一体化检测控制系统设计中应考虑以下具体问题：

①传感器量程的大小

②传感器的体积、允许安装的位置

③安装方式，接触式还是非接触式

④信号的引出方式，有线还是非接触式测量

检测常用的传感器有电阻式、电阻应变式、光电式、电感式、压阻式、组合式等。

在检测与控制应用中，传感器量程的选择，应根据被检测的信号大小确定。

考虑到传感器的线性使用范围，检测信号偶然性。

所以，选择传感器量程应留余量。

传感器的频率响应特性必须覆盖被测信号的带宽，在检测信号频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定时间的延迟，希望延迟时间越短越好。

传感器在使用一段时间后，其性能不发生变化的性质称为稳定性。

传感器在不同的环境和使用条件下其性能不发生变化的特性称为可靠性。

也就是说传感器必须满足一定的使用要求，才能正常工作。

传感器的精度是保证整个系统测量精度的第一个重要环节，它处于测量系统的输入端，对整个系统的精度有直接的影响。

传感器的精度越高，价格越昂贵。

应在满足同一测量目的的许多传感器中选择比较便宜和简单的。

如果测试是作为定性分析用，属于相对比较的类型，选用重复精度高的类型即可，不宜选用精度高的。

如果为了定量分析，必须获得准确的测量值，就需选用精度极高的传感器。

总之，根据具体使用条件，测量精度要求，选择响应精度的传感器。

综上，传感器的选择原则是：

①检测传感器量程

；

②检测传感器精度应小于总体设计要求的1/3；

③动态响应频率

④传感器长期稳定性，可靠性好；

⑤传感器结构尺寸符合总体设计要求；

⑥传感器应适合控制应用工作环境条件

2）.应用放大电路设计与选择

根据传感器的类型来选择放大器的类型

①电阻型传感器

应选用动态电阻应变仪，主要有BZ2202系列（手动、自动：

1路、2路）、YE38（KD600）系列、YB系列，一般放大倍数有0—1000，频率为10K—150KHz，精度为0.1%—0.2%。

②压电式传感器

应选用电荷放大器，主要有YEB5850,5007,9013，这些都是超低频的（0—100K）

③电感、电容式传感器

应选用对应转用的放大器

④热电偶

应选用直流电压放大器

⑤光电式传感器

应选用相应的光电转换放大器，根据具体的检测与控制精度要求，选择响应的配套光电放大器，也可以用三极管（9013等）组成开关电路。

设计与选择原则：

①选择配套的放大器，各项性能指标满足设计要求；

②设计应用电路，选择高精度、高稳定性元器件进行最佳设计；

③设计应用电路，必须进行性能测试，可靠性、稳定性测试，按照有关规定进行全面测试合格后在应用到产品中。

3）.控制器设计与选择

①开关件继电器的选择：

工作电压、控制电压、控制电流、控制时间、结构尺寸满足设计要求；

②控制电路设计与被控对象匹配；

③电机与驱动器、负载匹配选择，满足系统设计要求。

4）记录仪选择方案

①磁带记录方式

由于磁带具有容量大，存储时间长的特点，因此选用磁带机作为一种记录仪器。

磁带上记录的是模拟电压量。

②计算机记录方式

计算机记录数字量的实验数据，便于数据处理分析和长久保存

本课题设计选用：

选用TEAKDX2000型磁带记录仪，精度：

0.2%

采用程序存盘记录方式记录数据

2.23数据采集系统设计与选择

数据采集系统的设计方案主要有以下3种：

A.单片机数据采集系统

单片机系统

A/D转换器

放大器

传感器

图2.1单片机数据采集系统框图

优点：

结构简单，价格低廉，使用灵活

缺点：

扩展性差，存储、显示、数据处理功能差

应用场合：

该系统应用于航空、航天、兵器、机电产品中，例如电冰箱、洗衣机等

B.“计算机+A/D转换器”型数据采集系统

计算机

图2.2“计算机+A/D转换器”型数据采集系统框图

优点：

扩展性好，价格适中，测试通道多

缺点：

采集程序需自行开发

应用场合：

常用试验中

C.整机型数据采集系统

动态测试分析仪

图2.3整机型数据采集系统框图

其中动态测试分析仪是A/D（或A/DD/A）采集卡，计算机和软件的集合体

操作方便

价格高，扩展性好

兵器行业，爆炸测试中，火箭弹试验中

2.3数据采集系统方案选择

分析系统设计技术指标可知，水炉检测控制系统较简单，测试通道较少（3路），故采用方案1或者方案2能达到较高的效费比。

采用单片机数据采集系统能够达到设计要求，实现测试系统对数据的实时显示，数据实时处理分析，数据存储等方面的要求。

故本课程设计采用

图2.4.数据采集系统框

A/D转换器采用AVR8自带的A/D模块，采用磁带记录和计算机记录两种记录方式。

第三章控制系统设计

在机电一体化系统设计中，控制系统设计常用的有电路控制方法、计算机控制方法。

被控制对象分为两大类：

各类型的电机控制。

各类类型的开关量控制。

开关量控制可实现各种电源的接通或者断开，实现报警控制、状态控制等。

开关量控制器件常用的有各种开关元件，如各种继电器，各种检测控制传感器开关等。

3.1继电器分类

1）.按照控制输出通道分类：

单路式、双路式、四路式、多路组合式输出

2）.按照电磁继电器工作电压分类：

3V，6V，9V，12V，18V，24V

3）.按照电磁继电器触点控制电压和电流分类;

2A/125V、5A/125V、10A/380V等

4）.按照工作供电方式分类：

直流电压供电式、交流电压供电式

5）.按照工作原理

固态式、电磁式等

3.2电磁继电器特点

1）.体积小、价格低、外形美观、多重安装形式

2）.切换电流大、工作电压大、切换功率达到2200V/A以上

3）.工作稳定性、可靠性好

4）.切换控制响应时间短5~15ms

5）.切换控制触点通道多，1~4路，可扩展多路

3.3电磁继电器工作原理

电磁继电器由线圈，磁铁，触点组，壳体组成。

工作原理：

当给继电器线圈输入直流电压大于额定工作电压的80%时，磁铁吸合，触点从开状态转换为闭合状态，原触点从闭合转换为开状态。

当输入电压小于继电器额定工作电压的50%时，继电器停止工作。

吸合转换时间取决于工作电压，工作电压大，响应时间短。

当增加1V电压时，吸合时间减小2~3ms.

3.4电磁继电器的作用

1）.多路信号同步控制，分别工作

2）.电子设备保护控制

3）.小信号控制高电压信号输出

4）.多参数多路分时控制

3.5电磁继电器控制电路设计

可分为手动控制电路设计和小信号控制电路设计。

本课题采用小信号控制电路。

在计算机输出信号控制系统设计中，在同步信号分别输出控制系统设计中，为了实现小信号控制电路达到控制大电压信号，分别同时输出双电压信号的要求。

常采用电路控制继电器工作来完成。

控制信号可以是计算机控制板中的D/A输出的小信号，也可以是8255输出的I/O小电压信号，采用光信号或其他检测信号均可实现控制作用，如下图：

图3.1小信号控制电路图

第四章检测与控制系统的的设计与调试

4.1元器件的选择

1.压力传感器选择

型号PT123（UYY—1、ZQ—Y），精度0.1%，量程1.5MPa

2.温度传感器选择

铂电阻传感器，量程0—150度，传感器电阻

3.放大器选择

Op07，精度0.1%，供电电压

4.数字电压表选择

DT405B，41/2数字压力表，精度小于0.1%

5.报警器选择

KZY—1型

6.液体电流阀选择

YK2K—2型

7.单片机选择

自带A/D的AVR8单片机

4.2水炉检测控制电路系统图

41/2数字表

报警器

OP07放大

电路

PT123

铂电阻传感器

电磁阀

AVR8+继电器

图4.1检测控制系统

4.3硬件电路设计与制作

4.31.电桥电路的制作

在检测系统设计中，当选择应变式传感器时，若配备相应的动态电阻应变仪，该仪器输入设计为电桥电路式，可利用电桥电路调零，解决应变式传感器在生产制作中存在的零点输出电压。

当配备一般的电压放大器时，该仪器无调零功能，若传感器零点输出电压较大时，直接影响到检测精度。

故必须设计电桥调零电路，解决传感器电桥电阻不相同的问题。

如下图4.2：

图4.2电桥电路

①先确定电桥的输出电压

②计算电桥电阻R值和其他参数如下式：

③

，电桥调零电位器电阻。

式中

——传感器最大电阻变化量

——检测输出电压

U——电桥工作电压

——传感器电阻

——串联配桥电阻

选择配桥电阻，精度小于0.1%

由铂电阻传感器参数可知，传感器电阻为100

，传感器最大电阻变化量为38.4

，检测输出电压为0.1V，可得

R=1152

=1052

R5=2304

=10

4.3．2.放大电路的制作

Op07芯片是一种低噪声，非斩波零稳的双极性运算放大器集成电路。

由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为26uV）,所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为

2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特定使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

特点：

超低偏移：

150uV最大

低输入偏置电流：

1.8nA

低失调电压漂移：

0.5uV/度

超稳定，时间：

2uV/month最大

高电源电压范围：

3V至

22V

4.3管脚图

其中：

D1、D2为电源误接保护

C1、C2为滤除高低频干扰

引脚2,3为电桥电路输出电压接入端

6脚为信号输出端

Rw为调零电阻，取值20

Rf为100

R为1

4.4放大器电路

4.33.AVR电路的设计与制作

1）.AVR单片机的特点

AVR单片机吸取了PIC及8051单片机的优点，具有如下优点：

高性能，采用精简指令集CPU（RISC），32个通用寄存器，克服了8051等CISC结构存在的指令系统不等长，指令数多，CPU利用率低，执行速度慢等缺点，指令的执行速度最开可以达到20MHz。

包含丰富的外设，如

定时器、A/D转换器、PWM和片内振荡器等。

工作电压范围宽，工作电压在1.8~6V之间，电源抗干扰能力强。

低功耗，具有六种休眠模式，能够从低功耗模式迅速唤醒。

端口具有较强的负载能力，灌电流可达10~20mA或40mA（单一输出），可以直接驱动LED、SSR或继电器。

有丰富的中断向量，有34个中断源，不同的中断向量的入口地址不一样，可以快速响应。

USART不占用定时器，采用独特的波特率发生器。

有SPI传输功能。

晶振可以工作在一般标准整数频率，而波特率可达576kb/s.

4．5引脚图

本课题直接利用AVR单片机的A/D，同时利用USART，通过RS232接口与上位机进行数据交换，实现系统的调试与检测。

AVR电路图如下：

4.6AVR8最小系统电路

其中P1为下载线端口

R1，S1，C6构成复位电路

C11，C12，XTAl构成晶振时钟电路

C7，C9，C8，C10构成电源滤波电路

本课题A/D参考电压采用内部电源，故AREF通过滤波电容接地

利用单片机自身的USART，可通过RS232接口与上位机通信，具体电路见下图4.7：

图4.7串口通信电路

其中，max232为电平转换芯片

由于整个测控系统的供电加压为12V，而单片机电路的供电电压为5V，为简化系统，可采用电平转换芯片，具体电路见下图4.8：

图4.8电平转换电路

采用小信号控制大电压电路，具体见下图4.9：

图4.9控制电路

4.4软件程序设计与编写

4.41.程序流程图4.10

Yes

报警、驱动继电器

图4.10程序流程图

1）.A/D采样子函数

/*ADC采样初始化，分辨率256*/

voidADC_init（void）

{

ADMUX=0x60;

//参考电压采用AVCC，左对齐，通道0

ADCSRA=0x8D;

//使能，未开时转换，开中断，32分频

}

/*ADC采样函数，选择通道*/

unsignedcharADC_red（unsignedcharch）

{

unsignedcharadval;

ADMUX=0x60|ch;

//参考电压采用AVCC，左对齐，通道0,选择通道ch

ADCSRA=0xCD;

//使能，开始转换，开中断，32分频

while（!

（ADCSRA&

（1<

<

ADIF）））;

//等待转换完成

adval=ADCH;

ADCSRA&

=~（1<

ADIF）;

//清转换完成标志

ADEN）;

//关闭转换

returnadval;

2）USART子函数

/*USART初始化*/

voidUSART_init（void）

UCSRB=0x18;

//接受发送使能，8位字长

UCSRC=0x86;

//异步，无校验，1位停止位，8位字长?

?

UBRRH=0x00;

UBRRL=baud;

//8M晶振，波特率=38.4K

}

/*USART传送数据*/

voidUSART_put_char（charc）

while（!

（UCSRA&

（1<

UDRE）））;

UDR=c;

4.5电路的制作与调试

按照设计好的硬件电路，在PCb板上进行制作与调试。

焊接原则：

由低到高，化零为整

安排好布局后，将散热片与三端稳压片用螺钉连接，先焊接最矮的电阻，电容，脚座，二极管，然后焊接电位器、三端稳压片，LED灯，电解电容等。

注意区分LED灯、电解电容、二极管的正负极。

注意脚座的方向。

4.52.硬件的调试

1）不带电检测

按照电路图检查是否有焊接错误，如果没有焊接错误，再检查是否有虚焊、连焊现象，并及时纠正；

可用万用表蜂鸣器档检测是否有短路现象存在，若蜂鸣器响，则应检查短路发生原因。

2）带电不带芯片检测

在不带电检测正常的前提下，接通电源，用万用表的电压档测量供电电压是否正常，检测芯片脚座电压是否正常。

如果出现不正常现象，应及时断电，分析故障发生原因并及时改正。

3）带电带芯片检测。

在带电不带芯片检测正常的前提下，安装上芯片，接通电源，用手感觉是否有严重发热的芯片，若有，马上断开电源，检查错误原因。

4）电路的调试

在以上各步检测均正常后，接通电源，先进行调零。

首先是电桥调零，然后是放大器电路调零。

完成后，用示波器或万用表检测输出电压与理论计算值比较，在误差允许范围内，将信号送入单片机进行处理，调试软件程序。

第五章总结

课程设计是大学本科学生学完基础课和专业基础课后进行的一次实践，旨在开拓我们的视野，增强专业意识，巩固和理解专业课程，它是不同于理论学习，课程设计是更注重实际应用，与生产生活更加接近。

本次课程设计是以测试系统的设计为主线。

作为毕业实习的一个很好补充，课程设计是将以往学过知识的一次综合运用，是将测试技术、机械技术、传感器技术、电子技术、控制技术、信息与计算机技术相结合，设计出各种各样的机电一体化系统及设备，是对学生综合运用能力的一次很好锻炼。

作为一名探测制导与控制技术也就是测控技术专业的学生，这次课程设计很好的锻炼了自己运用交叉学科知识的能力，也为以后参加工作奠定了一定基础。

这次课程设计最大的感受是理论与实际应用的差别。

在理论学习时，我们所接触的数据、参数、指标都是理想化的，所得的结果全是严格的理论值，对于电路大部分是采用等效。

而且在学习时，大部分都是在讲理论，很少讲到如何在实际中应用，例如学习微机原理时只是学习了小信号的控制，而在实际产品中都是用大电压进行驱动，这就造成了理论与实际应用的脱节；

又如模拟电子技术中的电路都是等效的，很少讲到如何根据需要设计电路，更不会讲到各种各样的电路保护、防干扰措施。

通过这次课程设计，我系统的学习了测控系统的设计方法及电路保护、防干扰措施，结合学习过的《测试技术》一书，对如何通过小信号控制大电压，放大电路的设计、声波电路的设计、测控电路的设计、信号源的设计、电压/频率转换电路设计、多路信号控制电路设计有了更深刻的认识，学会了检测系统的设计方法、测试系统的设计方法、电机控制系统的设计方法、单片机测控系统的设计方法、采集程序的设计方法。

学到了更多书本上见不到，但实际应用中经常需要的知识。

特别是实际动手操作制作了电桥电路、放大器电路、温度检测电路，对于焊接，调试有了更深刻的认识。

拿电桥电路来说，看似简单，但是数据计算、调零、电压正负极都是需要考虑的东西，这些在看书时很可能是一掠而过，只有在实际动手时菜能感觉到很多细节的重要性。

对于这次课程设计我感到很满意，自己真正学到了一些东西，这两周是有收获的，也非常感谢学院以及张老师的辛勤工作。

结合自己的经历，我认为课程设计还可以从一下方面进行改进：

1.增加焊接培训环节

在实际制作中，很多同学都是第一次运用烙铁，也不知道什么算是焊接的好，怎样避免虚焊、如何脱焊等，希望学院及老师可以在课程设计中加入焊接培训环节；

2.增加实际动手机会

课程设计对于大部分同学来说都是第一次进入实验室完成一项设计，面对这个任务有点不知所措，建议学院及老师将课程设计分解，让大家先做其中的一小单元，如放大器模块，逐步完善自己的课程设计，这样可能会花费更多的时间，但是大家也会收获更多。

再次感谢张老师的辛勤工作以及学院为我们提供良好的实验室环境。

参考文献

【1】张训文，机电一体化系统设计与应用，北京：

北京理工大学出版社

【2】张训文，测试技术讲义

【3】张训文，单片机讲义

【4】张建民，机电一体化设计，北京：

【5】李泓，AVR单片机入门与实践，北京：

北京航空航天大学出版社

【6】op07数据手册

【7】ATMEGA8数据手册

附表程序

/****************************************

水炉检测控制系统（温度的控制）

平台：

atmega8

时间：

2011-9-7

时钟：

8M内部RC

------------------------------------

5v单片机的AD参考电压;

AVCC通过LC网络与数字电源VCC相连

默认量程：

精度：

8位

分频系数：

32，采样时钟256KHz

************************************/

#include<

avr/io.h>

util/delay.h>

#definebaud12

/*ADC采样初始化，分辨率256*/

//参考电压采用AVCC，左对齐，通道0

//使能，未开时转换，开中断，32分频

//参考电压采用AVCC，左对齐，通道0,选择通