《微机原理课程设计实验教程》.doc

第1章 实时控制系统设计 1．1 微机测控系统设计 一、实验目的 1．了解实时控制系统的构成。 2．学会较复杂的实时系统的设计。 二、实验设备 微机一台、实验用的传感器和集成电路以及导线若干。 三．实验内容及步骤 实验要求设计一个微机测控系统，要求如下。 1．测量对象：温度、压力、流量等共4路非电路参量（要求以一定周期巡回检测）。 2．控制对象：温度（要求控制范围为0～200℃，温度控制精度为± 2℃）。 3．对各参数的测量值实时显示。 4．当温度参数超限并失调时，能声音报警。 5．操作员能在运行过程中通过人机对话修改温度设定目标值。 7．测量的各参数中，除温度用作控制外，其余只用作监视系统运行，对测量精度可不予考虑或自定。 鉴于上述给定的设计任务和要求，按以下步骤来进行系统设计。根据任务要求，设计系统功能结构。 根据设计要求，本微机测控系统除对温度要进行闭环控制外，对其余3个参量只作巡回检测，对各个参数要能实时显示和故障报警。因此，系统的功能结构可用图5.1表示。其中微型控制器作为整个系统的控制核心，除了完成对A/D通道、D/A通道和键盘、显示、报警等外部过程与设备的控制任务外，还要完成对采样数据的数字滤波、非线性校正、标度变换和温度控制算法的实现等数据处理任务。 图1.1 微型控制器测控系统的总体功能结构框图 根据系统功能结构，选择主体芯片和相关元器件，设计系统组织结构（即物理结构）。 从功能结构图可知，实现本测控系统的主体功能单元是由模拟多路开关、A/D转换器、D/A转换器等模块组成的。 由于4个参量中，只有温度有测量和控制精度的要求，因此，可以只以它作为选择ADC、DAC的出发点。由温度控制的范围（0～200℃）和精度（20）要求，可确定选取8位分辨率的ADC和DAC。ADC0809芯片不仅内含了8位ADC，而且内含了8选1模拟多路开关（AMUX），是一个很好的8位数据采集系统，所以可选ADC0809作为A/D通道主体芯片；同理，DAC0832不仅内含了8位DAC，而且内含了两级数据缓存器，有利于简化接口设计，故可选DAC0832作为D/A通道主体芯片。为了保证参量检测，特别是温度控制的实时性和巡回采集周期性，最好采用定时中断的方法来启动每个周期的检测，为此可选定时计数器，由它来产生所需频率的时钟，作为ADC0809的时钟输人。至于定时中断的时间间隔，则取决于温度控制的周期。控制周期最短不能少于以下几部分时间之和： （1）对4路参量顺序采集一遍的时间Tc。 （2）对4路参量采集值进行数据处理的时间Tt。 （3）按照控制算法形式控制信号，并输出对执行机构施效的时间Ts。 鉴于温度属大惯性参量，上述几部分时间之和远小于温度对控制的响应时间，因此，没有必要作精确的计算，只需根据经验选择控制周期，本系统取控制周期即定时中断的时间间隔为1~2s。 选定了主体芯片后，便可以选择与这几种主体芯片相关的其他芯片和元器件。例如，选用运算放大器747将D/A转换后的电流信号转换为电压信号；选用固态继电器（内含光耦电路和双向可控硅及触发控制电路等）作为对温度调节机构（加热/降温设备）的驱动电路；选取合适的传感器和变送器将温度、压力、流量等非电量变换为满足A/D转换器输人所需要的电压信号；选取74LS138作为向系统中各I/O接口提供端口地址的地址译码器等等。 其中关于传感器及变送器的选取，要特别说明几点。 （1）为了避免失灵区和非线性对传感精度的影响，在选传感器量程时，对惯量较大的参量，如温度、流量等传感器，应保证正常变化范围在10%～90%中程内；对惯性小的参量，如电流、压力等传感器，其使用下限值仍可按量程的10％考虑，上限量程考虑到冲击宜取正常上限值的l.5倍左右（有时还有附加限值措施）。 （2）传感器的分辨率和精度的取值一般要比系统控制精度高一个数量级，以弥补后级各种系统干扰带来的误差。例如本系统温控要求的控制精度是1％（20/200℃=1％），则温度传感器的分辨率和精度起码要取到0.1％。 （3）各种参数传感器后面的变送器主要是解决传感器输出与A/D转换器输入之间的匹配问题，保证送到A/D转换器输入端的模拟量形式（单/双极性、电压/电流形式）及量程符合A/D转换器模拟接口的规范。综上所述，可以得到本系统的组织机构（物理结构）如图1.2所示。根据系统组织结构，设计I/O接口硬件电路。 图1.2 微机测控系统的组织结构图 实验步骤： 本测控系统主要包括以下几部分I/O接口硬件电路的设计。 ADC0809的接口电路设计 ADC0809与PC系列微机总线的接口方法有多种，可以通过可编程并行接口（如8255）与总线相连，也可以通过常规TTL/MOS芯片组成的接口