計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)論文

1、-PAGE . z. -. -可修編- .綜 合 設(shè) 計(jì)(論文)院 系：專業(yè)班級(jí)：學(xué)生*：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：二一六年五月課 程 : 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)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(jì)算機(jī)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(guān)量輸入/輸出通道。為培養(yǎng)鍛煉我們結(jié)合工程問題獨(dú)立分析思考和解決問題的能力，教師給出三道綜合設(shè)計(jì)的題目。首先，設(shè)計(jì)了微機(jī)控制系統(tǒng)具體硬件電路及軟件控制邏輯流程框圖，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)液罐液位超限時(shí)報(bào)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(cè)量信號(hào)的冷端溫度補(bǔ)償方式，并畫出現(xiàn)場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)的冷端溫度補(bǔ)償方案的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。最后，分析了的現(xiàn)場(chǎng)

2、64點(diǎn)模擬量信號(hào)輸入采樣電路的問題，并作出了改良設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：儲(chǔ)液罐液位；微機(jī)控制；熱電偶；冷端溫度補(bǔ)償；模擬量信號(hào)；采樣電路。-. z.目 錄1綜合設(shè)計(jì)題1儲(chǔ)液罐液位微機(jī)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(shè)計(jì)11.3.1 微處理器的最小配置模式11.3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路31.3.3 報(bào)警和電磁閥驅(qū)動(dòng)電路31.4 軟件控制邏輯流程框圖42綜合設(shè)計(jì)題2熱電偶測(cè)量信號(hào)的冷端溫度補(bǔ)償62.1題目要求62.2 熱電偶測(cè)溫需進(jìn)展冷端溫度補(bǔ)償?shù)脑?2.3 熱電偶測(cè)量信號(hào)的冷端溫度補(bǔ)償方式62.3.1 計(jì)算法62.3.2 冰點(diǎn)槽法62.3.3 補(bǔ)償導(dǎo)線法72.3.4 冷端溫度

3、補(bǔ)償器72.3.5 儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法72.4 現(xiàn)場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)的冷端溫度補(bǔ)償應(yīng)用方案72.4.1 補(bǔ)償電橋法72.4.2 晶體管PN結(jié)補(bǔ)償法82.4.3 集成電路補(bǔ)償法83綜合設(shè)計(jì)題3模擬量信號(hào)輸入采樣電路設(shè)計(jì)93.1題目要求93.2 采樣電路對(duì)應(yīng)的模入信號(hào)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(shè)計(jì)10總結(jié)11參考文獻(xiàn)12致13-. z.1綜合設(shè)計(jì)題1儲(chǔ)液罐液位微機(jī)控制系統(tǒng)1.1題目要求*現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)液罐工藝流程如以下圖所示，其中儲(chǔ)液罐液位采用微機(jī)自動(dòng)控制，H0為基準(zhǔn)液位，Hma*、Hmin分別為儲(chǔ)液罐液位的最大值和最小值。正常運(yùn)行狀態(tài)

4、下液位H處于基準(zhǔn)液位H0附近，當(dāng)儲(chǔ)液罐液位超出Hma*或低于Hmin時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，并顯示液位高或低報(bào)警，同時(shí)微機(jī)發(fā)出控制指令，停頓儲(chǔ)液罐工質(zhì)的輸入和輸出。設(shè)計(jì)該儲(chǔ)液罐液位微機(jī)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(chǔ)液罐液位微機(jī)控制系統(tǒng)采用以微處理器為核心，配以外圍設(shè)備1以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控水位并在緊急情況下報(bào)警和采取措施的功能。原理如圖1-0所示。圖1-0 微機(jī)控制系統(tǒng)的原理圖1.3硬件電路的設(shè)計(jì)微處理器的最小模式配置因上學(xué)期學(xué)習(xí)了微機(jī)原理及應(yīng)用的課程，對(duì)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(fù)用線，雙向工作。A19A16/ S6S3：地址/狀態(tài)復(fù)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(hào)，輸出引腳。 DT/R：數(shù)據(jù)發(fā)送/接收控制信號(hào)，輸出引腳。=1發(fā)送=0接收M/IO：存儲(chǔ)器/IO設(shè)備控制信號(hào)，輸出引腳。=1訪問存儲(chǔ)器=0訪問I/O設(shè)備RD：讀信號(hào)，輸出引腳。低電平有效，表示將執(zhí)行讀操作。WR：寫信號(hào)，輸出引腳。低電平有效，表示將執(zhí)行寫操作。READY：存儲(chǔ)器或I/O端口準(zhǔn)備就緒信號(hào)，輸入引腳。=1，準(zhǔn)備就緒RESET：復(fù)位信號(hào)，輸入引腳。至少要維持4個(gè)T的高電平才有效。MN/M*：工作模

6、式選擇信號(hào)，輸入引腳。=1最小模式=0最大模式8086微處理器需要運(yùn)用分時(shí)復(fù)用技術(shù)，故需要增加地址鎖存器，I/O設(shè)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(zhuǎn)換電路本門課程具體學(xué)習(xí)了ADC0809芯片的功能及接線并用之做過A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，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(hào)，輸入，高電平有效。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)

7、正脈沖至少100ns寬使其啟動(dòng)脈沖上升沿使0808復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。 EOC：A/D轉(zhuǎn)換完畢信號(hào)，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完畢時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平轉(zhuǎn)換期間一直為低電平。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)AD轉(zhuǎn)換完畢時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能翻開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)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(gè)250的電阻將之轉(zhuǎn)化為1-5V的電壓，并輸入INT0端口，此

8、模擬信號(hào)由ADC0808轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并送入8086做相關(guān)處理。連線如圖1-2所示。輸出端OUT8為最低位，與8086連接時(shí)需注意。圖1-2ADC0808的引腳接線電路1.3.3報(bào)警和電磁閥驅(qū)動(dòng)電路本門課程具體學(xué)習(xí)了74LS374構(gòu)成的開關(guān)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(shí)鐘輸入端，其接收到脈沖上升沿時(shí)，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(shí)候，兩個(gè)繼電器的常開觸點(diǎn)閉合即線圈通電使電磁閥關(guān)閉，到達(dá)切斷閥門的目的。水位超下限，點(diǎn)亮黃燈報(bào)警；水位超上限，則點(diǎn)亮紅燈報(bào)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(shè)以儲(chǔ)液罐的底部為基準(zhǔn)，則底部和頂部的高度對(duì)應(yīng)著差壓變送器輸出的4-20mA電流信號(hào)，即1-5V電壓信號(hào)。根據(jù)液位高度與輸出電流成線性關(guān)系，可求出Hma*、Hmin對(duì)應(yīng)的Uma*、Umin。又根據(jù)公式N=256*U/UrefUref=+5V，U=模擬量，N=十進(jìn)制數(shù)字量，可求出Uma*、Umin對(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)題2熱電偶測(cè)量信號(hào)的冷端溫度補(bǔ)償2.1題目要求生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有一溫度信號(hào)T，采用熱電偶測(cè)量，并將該測(cè)量信號(hào)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(cè)量信號(hào)的冷端溫度補(bǔ)償方式可采用哪幾種方法？原理是什么？2設(shè)計(jì)該熱電偶測(cè)量信號(hào)對(duì)應(yīng)的幾種現(xiàn)場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)的冷端溫度補(bǔ)償應(yīng)用方案，并畫出設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。2.2熱電偶測(cè)溫需進(jìn)展冷端溫度補(bǔ)償?shù)脑蛴蔁犭娕嫉臏y(cè)溫原理可知，產(chǎn)生的熱電勢(shì)Et，t0不僅隨熱端t變化，同時(shí)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(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)展補(bǔ)償，以減小冷端溫度變化所引起的信號(hào)測(cè)量誤差3。2.3熱電偶測(cè)量信號(hào)的冷端溫度補(bǔ)償方式計(jì)算法根據(jù)中間溫度定律，有：Et，0= Et，t0+ Et0，0?？捎檬覝赜?jì)測(cè)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(shì)Et，t0的值，得到Et，0的值，反查分度表即可得到準(zhǔn)確的被測(cè)溫度t的值。此方法人工進(jìn)展冷端補(bǔ)償，在測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)使用很不方便，因此只適用于實(shí)驗(yàn)室?？衫脽犭娕夹盘?hào)采集卡，并依靠軟件編程實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)冷端的自動(dòng)補(bǔ)償。把熱電勢(shì)信號(hào)通過補(bǔ)償導(dǎo)線與采集卡的輸入端子連接，端子附近安裝有熱敏電阻，計(jì)算機(jī)采集各路熱電勢(shì)信號(hào)Et，t0和熱敏電阻信號(hào)，根據(jù)熱敏電阻信號(hào)可得到Et0，0，則能夠求出Et，0的值。2.3.2冰點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)候熱電勢(shì)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(shí)驗(yàn)室中的準(zhǔn)確測(cè)量和檢定熱電偶時(shí)使用。2.3.3補(bǔ)償導(dǎo)線法為了使冷端溫度保持恒定，可將熱電極做的很長(zhǎng)，使冷端連同測(cè)量?jī)x表一起放置到恒溫或溫度波動(dòng)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(bǔ)償導(dǎo)線的連接線將冷端延伸出來，這種導(dǎo)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(shè)是用廉價(jià)金屬制成的熱電偶，則可用其本身的材料作為補(bǔ)償導(dǎo)線。2.3.4冷端溫度補(bǔ)償器不平衡電橋即冷端溫度補(bǔ)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(bǔ)償電阻。此橋串聯(lián)在熱電偶測(cè)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(dāng)冷端溫度變化時(shí)，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(shì)相疊加，一起送入測(cè)量?jī)x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(bǔ)償冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值。2.3.5儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法預(yù)先測(cè)量出冷端溫度，可直接將儀表機(jī)械零點(diǎn)從0處調(diào)到t0處，這相當(dāng)于預(yù)先給儀表輸入電勢(shì)Et0，0，使得接入熱電偶后，儀表的輸入電勢(shì)為Et，0= Et，t0+ Et0，0，此時(shí)儀表指示值即為熱端溫度t。這種方法一般用于對(duì)準(zhǔn)確度要求不高的場(chǎng)合，并且適用條件為冷端溫度比擬恒定

14、和儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整方便。2.4現(xiàn)場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)的冷端溫度補(bǔ)償應(yīng)用方案2.4.1補(bǔ)償電橋法連接如圖2-1所示。圖2-1補(bǔ)償電橋電路圖原理： 2.2.4中有詳細(xì)說明，在此不再贅述。 2.4.2晶體管PN結(jié)補(bǔ)償法連接如圖2-2所示。圖2-2晶體管PN結(jié)電路圖原理：當(dāng)恒定電流正向流過PN結(jié)時(shí)，其管壓降與溫度成線性關(guān)系，正向電壓隨溫度上升而下降，此管壓降可在一定圍補(bǔ)償熱點(diǎn)勢(shì)的變化值4。2.4.3集成電路補(bǔ)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(duì)熱電偶的串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能獨(dú)立完成信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化、A/D轉(zhuǎn)換及SPI串口數(shù)字化輸出功能，如MA*6675等。

15、3綜合設(shè)計(jì)題3模擬量信號(hào)輸入采樣電路設(shè)計(jì)3.1題目要求現(xiàn)場(chǎng)64點(diǎn)模擬量信號(hào)輸入采樣電路如以下圖所示，整個(gè)電路由四個(gè)AD7506 A、B、C、D芯片構(gòu)成，每個(gè)AD7506芯片可接入16點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)模擬量信號(hào)。解答以下問題：1根據(jù)圖中譯碼電路，給出A、B、C、D四個(gè)AD7506采樣電路對(duì)應(yīng)的模入信號(hào)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(yīng)當(dāng)補(bǔ)充哪些信號(hào)，為什么？3該采樣電路假設(shè)要實(shí)現(xiàn)對(duì)每路模入信號(hào)采樣地址唯一、不出現(xiàn)與其他I/O接口或存儲(chǔ)器地址重疊問題，應(yīng)如何改良設(shè)計(jì)？請(qǐng)?jiān)趫D中補(bǔ)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(duì)應(yīng)的模入信號(hào)地址圍由圖可知

16、，通過地址信號(hào)A5-A0的譯碼選通實(shí)現(xiàn)對(duì)四片AD7506芯片的開關(guān)控制，其中地址信號(hào)A4、A5用來實(shí)現(xiàn)片選控制，假設(shè)A7、A6均為0，則得到以下結(jié)果：A : 00000000B-00001111B ( A5、A4均為0時(shí)，芯片A被選通。)B : 00010000B-00011111B ( A5為0而A4為1時(shí)，芯片B被選通。)C : 00100000B-00101111B ( A5為1而A4為0時(shí)，芯片C被選通。)D : 00110000B-00111111B ( A5、A4均為1時(shí)，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(duì)地址信號(hào)的譯碼選通，沒有考慮CPU的其余控制信號(hào)，

17、例如R/W、I/O等信號(hào)，實(shí)際譯碼電路設(shè)計(jì)中CPU的這些控制信號(hào)也應(yīng)涵蓋到。還有，此電路僅僅考慮按照所給I/O地址進(jìn)展的譯碼電路設(shè)計(jì)，其中電路在譯碼選通過程中是否會(huì)與系統(tǒng)中其他I/O地址或存儲(chǔ)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(huì)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(hào)，參加和M/。要解決地址重疊問題，應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充A7和A6信號(hào)，因?yàn)橛萌g碼法做片外譯碼可防止地址重疊5。3.4改良設(shè)計(jì)總結(jié)通過本次完成綜合設(shè)計(jì)的作業(yè)，我對(duì)所學(xué)課程容的理解和掌握有所加深，尤其是對(duì)于過程通道的使用和設(shè)計(jì)。由于題目需要結(jié)合實(shí)

18、際的工程情況，而現(xiàn)有階段我還沒有條件獲得現(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)、相關(guān)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(dāng)下較為實(shí)用新興的技術(shù)，不再只局限于課本上的有限知識(shí)?？偠灾?，從一開場(chǎng)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(yùn)用所學(xué)課程的根本理論和設(shè)計(jì)方法，根據(jù)工程問題和實(shí)際應(yīng)用任務(wù)的要求，進(jìn)展方案的根底設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單評(píng)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(yīng)的規(guī)，成功地完成了本篇論文。參考文獻(xiàn)1 令朝霞計(jì)算機(jī)液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011,04:140-1412 馬平，萬業(yè)，王炳謙編著微機(jī)原理及應(yīng)用M：中國(guó)電力，20023 常太華，杰編著過程