李躍忠，　吳華玲，　胡開明

(東華理工大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 撫州 344000)

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智能調(diào)節(jié)儀自主實驗平臺研制與應(yīng)用研究

李躍忠，吳華玲，胡開明

(東華理工大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 撫州 344000)

摘要：為提高電子信息類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)實踐與設(shè)計能力，結(jié)合模擬與數(shù)字電路設(shè)計技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和智能儀器技術(shù)，研制了一套智能調(diào)節(jié)儀自主實驗平臺。該實驗平臺選用C8051F系列單片機(jī)與數(shù)碼管或LCD(二選一)、4*4鍵盤接口構(gòu)成微處理器系統(tǒng)，可接0～5V、4～20mA兩種輸入信號的信號調(diào)理電路和信號輸出控制電路作為外圍設(shè)計，采用單片機(jī)內(nèi)部A/D和D/A模塊完成了外接溫度、壓力、液位、濕度等工藝參數(shù)的采集、顯示與調(diào)節(jié)輸出，同時設(shè)計了RS-485和RS-232通信接口來完成實驗平臺與計算機(jī)的通信接口設(shè)計。通過構(gòu)建模擬大棚溫濕度測控系統(tǒng)來驗證該實驗平臺提供學(xué)生自主實驗的可行性。結(jié)果表明：該平臺不僅可以作為電子信息工程、自動化、測控技術(shù)與儀器等專業(yè)的自主開放性綜合實驗平臺，而且可以作為智能儀器設(shè)計與開發(fā)的一個實驗平臺。

關(guān)鍵詞：智能調(diào)節(jié)儀；微處理器C8051F005；自主實驗

李躍忠，吳華玲，胡開明.智能調(diào)節(jié)儀自主實驗平臺研制與應(yīng)用研究[J].東華理工大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2016，35(2)：172-176.

Li Yue-zhong, Wu Hua-ling, Hu Kai-ming.Development and application of intelligent regulator experimental platforms [J].Journal of East China University of Technology(Social Science)，2016，35(2)：172-176.

智能調(diào)節(jié)儀是工業(yè)現(xiàn)場中廣泛應(yīng)用的一個電子智能化儀表[1-4]，學(xué)生通過認(rèn)識和了解智能調(diào)節(jié)儀的應(yīng)用，可以選擇性地完成溫度、壓力、液位、濕度等物理量的測量、顯示、報警控制、記錄數(shù)據(jù)通信等功能設(shè)計。

在電子信息類專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)中，為了培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)、創(chuàng)新能力，樹立終身學(xué)習(xí)觀，在電工電子實驗和實踐教學(xué)內(nèi)容上由淺入深，從基礎(chǔ)驗證到設(shè)計、綜合設(shè)計性實驗發(fā)展[5-11]。在實驗和實踐模式上提倡開放實驗環(huán)境，提供自主實驗項目[12-16]。對于電子信息工程、自動化、測控技術(shù)與儀器等電子信息類專業(yè)學(xué)生來講，經(jīng)過模擬與數(shù)字電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、智能儀器技術(shù)等實驗課程及其相關(guān)的課程設(shè)計后，面臨著就業(yè)前的綜合實踐與畢業(yè)實習(xí)環(huán)節(jié)。自主開放的實驗?zāi)Ｊ接绕溥m用于高年級大學(xué)生，從第六學(xué)期暑假開始的專業(yè)實踐學(xué)習(xí)與鍛煉。電子信息類學(xué)生選擇一個綜合設(shè)計項目，能夠更有助于提高工程應(yīng)用、開發(fā)、設(shè)計與創(chuàng)新能力。

結(jié)合東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院電子信息類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)綜合設(shè)計、畢業(yè)實習(xí)實踐環(huán)節(jié)與自主創(chuàng)新活動，開發(fā)了一套智能調(diào)節(jié)儀自主實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用C8051F005微處理器與數(shù)碼管或LCD(二選一)、4*4鍵盤構(gòu)成實驗平臺的微處理器系統(tǒng)，外圍擴(kuò)展可接0～5V、4～20mA兩種輸入信號的信號調(diào)理電路和信號控制電路，采用微處理器片內(nèi)A/D和D/A模塊完成外接溫度、壓力、液位、濕度等工藝參數(shù)的測量、顯示、調(diào)節(jié)輸出，同時設(shè)計了RS-485和RS-232通信接口以方便學(xué)生完成實驗平臺與計算機(jī)的通信功能，以實現(xiàn)計算機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計功能。

1實驗系統(tǒng)組成與原理

采用新華龍單片機(jī)C8051F005作為系統(tǒng)的微處理器，應(yīng)用其主要功能如內(nèi)部12位A/D模塊實現(xiàn)8個外部輸入、兩個12位D/A，UART口等實現(xiàn)各類傳感器信號采集輸入、顯示、變送輸出調(diào)節(jié)和通訊等功能。系統(tǒng)硬件組成主要包括微處理器系統(tǒng)、0～5V/4～20mA信號輸入調(diào)理電路、0～5V/4～20mA信號輸出電路、光電隔離接口、RS-232/RS-485通信接口、系統(tǒng)供電電源等電路。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。

圖1　智能調(diào)節(jié)儀實驗系統(tǒng)框圖

圖2 　a.0～5V電壓輸入信號調(diào)理電路；b.4～20mA電流輸入信號調(diào)理電路

智能調(diào)節(jié)儀實驗系統(tǒng)通過0～5V/4～20mA信號輸入調(diào)理電路轉(zhuǎn)換外置的溫度、壓力、濕度等傳感器信號，通過C8051F005單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器采集相應(yīng)傳感器的信號，并通過顯示器顯示采集信息。通過C8051F005單片機(jī)內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器輸出給0～5V/4～20mA信號輸出電路，得到智能調(diào)節(jié)儀輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(0～5V/4～20mA信號)。光電隔離輸入接口電路完成開關(guān)量輸入信號的采集，光電隔離輸出接口電路完成開關(guān)量輸出，可以驅(qū)動繼電器輸出，接加熱負(fù)載或電機(jī)負(fù)載。實驗系統(tǒng)可通過RS-232/RS-485通信接口完成實驗系統(tǒng)與計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，可以通過編寫軟件完成計算機(jī)測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計。整個實驗系統(tǒng)通過220V交流電壓輸入，通過變壓器轉(zhuǎn)換，整流濾波輸出±12V、+5V直流電源，并通過DC-DC由+5V 轉(zhuǎn)換成+3.3V。信號調(diào)理輸入、輸出電路由±12V供電，光電隔離接口、RS-232/RS-485通信接口電路由+5V供電，C8051F005微處理器系統(tǒng)、鍵盤與顯示電路由+3.3V供電。

2硬件電路設(shè)計

2.10～5V/4～20mA信號輸入調(diào)理電路設(shè)計

工業(yè)自動化領(lǐng)域需要測量的過程參數(shù)主要有溫度、壓力、液位、流量等，所使用的傳感器或變送器輸出信號一般為0～5V電壓輸出信號和4～20mA電流輸出信號。作為智能調(diào)節(jié)儀的信號輸入調(diào)理電路，設(shè)計了既可以接收0～5V電壓輸入信號的電壓跟隨器電路，又設(shè)計了可以接收的4～20mA電流輸入信號的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路。如圖2所示。

圖2(a)0～5V電壓輸入信號調(diào)理電路采用同相放大器輸入，跟隨器接法是為了擴(kuò)流。圖2(b)4～20mA電流輸入信號調(diào)理電路是指同相放大器的輸入端接一個電流采樣電路，通過R30使得4～20mA電流輸入信號轉(zhuǎn)換成適合后續(xù)A/D采集的輸入電壓0～3.3V。取R30為160Ω時，4～20mA電流輸入信號對應(yīng)的輸出電壓為0.64～3.2V。

2.20～5V/4～20mA信號輸出調(diào)理電路設(shè)計

為了適應(yīng)自動化系統(tǒng)的通用連接，智能調(diào)節(jié)儀設(shè)計了0～5V或4～20mA信號輸出接口。輸出調(diào)理電路如圖3所示。輸出電壓信號來源于C8051F005內(nèi)部的12位D/A，由于內(nèi)部D/A的參考電源為2.5V，且為電壓輸出型D/A，因此圖3中AD-IN0為0～2.5V，同相放大器的放大倍數(shù)為(1+ R34/R32)=2，得到0～5V電壓輸出信號。

圖3　0～5V電壓輸出信號調(diào)理電路

采用4～20mA電流信號輸出，不容易受干擾。并且電流源內(nèi)阻無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響信號輸出精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。

對4～20mA電流信號輸出電路的要求：(1) 輸出電流與輸入電壓成正比；(2) 輸出電流為恒流源。即當(dāng)負(fù)載電阻在規(guī)定范圍內(nèi)變化時，輸出電流保持不變；(3) 輸出電流對電源變化、環(huán)境溫度等的變化不敏感。(4)一般地，還要附加一個要求，即輸入電壓與輸出電流共地。圖4為一種典型的將0～2.5V輸入電壓線性地轉(zhuǎn)換為0～20mA電流源輸出的V/I變換器，基本精度在0.2%以內(nèi)。當(dāng)負(fù)載在0～300Ω變化時，輸出電流變化應(yīng)在規(guī)定精度之內(nèi)。圖3(b)中 R6為外接負(fù)載，在滿足R2/R1=R3/(R4+W1)以及R6遠(yuǎn)小于R3的情況下，流過R6的輸出電流為Vin*R2/(R1*R5)，與R6的變化無關(guān)。

圖4　4～20mA電流輸入信號調(diào)理電路

2.3微處理器系統(tǒng)及其人機(jī)接口電路設(shè)計

微處理器系統(tǒng)主要是構(gòu)成C8051F005的外圍電路，包括晶振、復(fù)位電路、JTAG程序下載接口。微處理器內(nèi)部擁有12位A/D，利用它完成外置溫度、壓力、濕度等傳感器信號經(jīng)調(diào)理放大后的信號采集，也包括對實驗板上LM35溫度傳感器信號的采集。微處理器內(nèi)部擁有12位D/A，利用它完成0～5V/4～20mA模擬量輸出，也用于PID調(diào)節(jié)量的輸出。人機(jī)接口電路主要以Cp52數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制電路完成四個數(shù)碼管與四個按鍵的接口電路。電路如圖5所示。系統(tǒng)也擴(kuò)展了液晶顯示接口，可連接1602LCD或128*64LCD。為了解決遠(yuǎn)程測控問題，系統(tǒng)設(shè)計了RS-485通訊電路。

2.4其它電路設(shè)計

系統(tǒng)利用TLP521光電隔離器設(shè)計了四路數(shù)字量輸出接口電路，同時利用9014三極管與繼電器設(shè)計了兩路功率驅(qū)動電路。

系統(tǒng)板外接+12V電源，通過LM7805轉(zhuǎn)換得到+5V直流電源， 由LM2937將 +5V轉(zhuǎn)換成MCU所需的+3.3V直流電源，由LM385將+3.3V轉(zhuǎn)換成MCU片內(nèi)A/D和D/A所需的+2.5V直流電源?？紤]篇幅太大本文不給出具體電路。

3實驗系統(tǒng)軟件及其主要例程設(shè)計

3.1主程序設(shè)計

軟件設(shè)計采用模糊控制理論和傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的方式調(diào)節(jié)控制輸出信號，使控制過程具有響應(yīng)快、超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)精度高的優(yōu)點(diǎn)，對常規(guī)PID難以控制的大純滯后對象有明顯的控制效果。根據(jù)不同的場合可以人工選擇工作方式，利用按鍵選擇輸入通道和輸出調(diào)節(jié)設(shè)置等，實現(xiàn)其智能化。

按模塊可以分為：(1)傳感器信號采集與顯示；(2)信號輸出調(diào)節(jié)控制；(3)按鍵與顯示。

主程序流程如圖6所示。

3.2系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)計

系統(tǒng)監(jiān)控程序是控制單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定操作方式運(yùn)轉(zhuǎn)的程序。它完成人機(jī)對話和遠(yuǎn)程控制等功能，使系統(tǒng)按操作者的意圖或遙控命令來完成指定的作業(yè)。它是單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架。

當(dāng)用戶操作鍵盤時，監(jiān)控程序必須對鍵盤操作進(jìn)行解釋，然后調(diào)用相應(yīng)的功能模塊，完成預(yù)定的任務(wù)，并通過顯示等方式給出執(zhí)行的結(jié)果。因此，監(jiān)控程序必須完成解釋鍵盤、調(diào)度執(zhí)行模塊的任務(wù)。監(jiān)控程序的任務(wù)有：完成系統(tǒng)自檢、初始化、處理鍵盤命令、處理接口命令、處理條件觸發(fā)、及時啟動輸出和顯示功能。

圖5　顯示、鍵盤、通訊模塊

圖6　主程序流程圖

3.3A/D、D/A程序設(shè)計

系統(tǒng)采用的是C8051F005單片機(jī)內(nèi)部的ADC和DAC，當(dāng)ADC控制寄存器中的ADCEN位被置‘1’時ADC子系統(tǒng)(ADC、跟蹤保持器和PGA)才被使能。當(dāng)ADCEN位為‘0’時，ADC子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式。如果要給ADC提供偏置，必須將REF0CN寄存器中的偏置使能位(BIASE)置‘1’。

ADC使用VREF來確定它的滿度電壓，因此在進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換之前必須正確設(shè)置這個參考電壓。ADC的最高轉(zhuǎn)換速度為100ksps，轉(zhuǎn)換時鐘來源于系統(tǒng)時鐘。可以通過設(shè)置ADC0CF寄存器的ADCSC位將轉(zhuǎn)換時鐘的速度降為系統(tǒng)時鐘的1/2、1/4、1/8或1/16。這一功能用于根據(jù)不同的系統(tǒng)時鐘速度調(diào)整轉(zhuǎn)換速度。

向ADBUSY寫1方式提供了在需要時用軟件控制ADC啟動轉(zhuǎn)換的能力。ADBUSY位在轉(zhuǎn)換期間被置‘1’，轉(zhuǎn)換結(jié)束后復(fù)‘0’。ADBUSY位的下降沿觸發(fā)一個中斷(當(dāng)被允許時)并置‘1’ 中斷標(biāo)志ADCINT。注意：當(dāng)轉(zhuǎn)換是由軟件(on-demand)啟動時，應(yīng)查詢ADCINT標(biāo)志(而不是ADBUSY)來判斷轉(zhuǎn)換何時結(jié)束。轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在ADC數(shù)據(jù)字的MSB和LSB寄存器：ADC0H和ADC0L。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在寄存器對ADC0H:ADC0L中的存儲方式可以是左對齊或右對齊，由ADC0CN寄存器中ADLJST位的編程狀態(tài)決定。

ADC、DAC的初始化代碼如下：

初始化ADC

void ADC0_Init (void)

{

ADC0CN = 0x00; // 禁用ADC，在主程序需要時打開，ADCEN = 1

//使用連續(xù)跟蹤模式，軟件寫ADBUSY啟動轉(zhuǎn)化

// 數(shù)據(jù)使用右對齊

REF0CN = 0x07; //溫度傳感器工作，使用片上基準(zhǔn)和偏壓

ADC0CF = 0x80; // ADC轉(zhuǎn)換時鐘 = SYSCLK/16

ADC0CF &= 0xF8;// PGA 增益 = 1

}

初始化DAC

void DAC_Init (void)

{

DAC0CN = 0x00; // 禁用DAC，在主程序需要時打開，DAC0EN = 1； 數(shù)據(jù)使用右對齊

DAC1CN = 0x00; // 禁用DAC，在主程序需要時打開，DAC1EN = 1；數(shù)據(jù)使用右對齊

REF0CN = 0x07; //溫度傳感器工作，使用片上基準(zhǔn)和偏壓

}

4結(jié)語

設(shè)計的智能調(diào)節(jié)儀實驗平臺與各類傳感器、變送器配合使用，實現(xiàn)對溫度、壓力、液位、容量、力等物理量的測量顯示、報警控制、數(shù)據(jù)采集、記錄等功能。具有良好的硬件兼容接口空間，也留有二次開發(fā)硬軟件資源。為電子電氣類學(xué)生提供一個靈活的智能儀器自主實驗平臺。

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收稿日期：2015-09-23

作者簡介：李躍忠(1969—)，男，江西于都人，教授，主要從事工業(yè)流量檢測技術(shù)、入式系統(tǒng)與智能儀器研究。

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-3512(2016)02-0172-05

Development and Application of Intelligent Regulator Experimental Platforms

LI Yue-zhong,WU Hua-ling,HU Kai-ming

(SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,EastChinaUniversityofTechnology,Fuzhou344000,China)

Abstract：In order to enhance electric information majors’ professional capabilities, this paper, combined with analog and digital circuit design technique, sensor technique, single-chip microcomputer technique and intelligent instrument technique, develops an intelligent regulator experimental platform. This experimental platform can be connected to various sensors and transmitters to achieve measurement、displaying and adjustment of output of temperature、pressure、liquid level、capacity、strength and other physical parameters. This paper focuses on the experimental platform’s designs of all hardware circuits、system software and the main routines, and the way to verify whether the experimental platform’s designs of hardware and software systems are feasible through constructing measuring and controlling system of simulated shed.The experimental platform could be not only the open comprehensive experimental platform for the technology and equipment of measurement and conformity、automation、electrical information engineering and so on, but also an experimental platform for the design and development of intelligent instruments.

Key Words:intelligent regulator; C8051F005; autonomy experiment