【正文】 ... 6 總體設(shè)計(jì)方案 ............................................. 6 硬件電路設(shè) 計(jì)方案 ......................................... 9 控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)過(guò)程 ........................................ 13 3 平臺(tái)硬件功能模塊設(shè)計(jì) .......................... 15 模擬量輸入模塊 .......................................... 15 模擬量輸出模塊 .......................................... 18 開關(guān)量輸入模塊 .......................................... 21 開關(guān)量輸出模塊 .......................................... 24 人機(jī)接口模塊 ............................................ 26 RS485 通信模塊 .......................................... 30 供電電源模塊 ............................................ 31 4 控制對(duì)象仿真之電子鐘 .......................... 35 虛擬電子鐘系統(tǒng)概述 ...................................... 35 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 目錄 電子鐘被控對(duì)象設(shè)計(jì) ...................................... 36 電子鐘控制器設(shè)計(jì) ........................................ 42 電子鐘仿真結(jié)果 .......................................... 51 5 控制對(duì)象仿真之儲(chǔ)液罐監(jiān)控系統(tǒng) ................... 55 儲(chǔ)液罐監(jiān)控系 統(tǒng)概述 ...................................... 55 儲(chǔ)液罐監(jiān)控系統(tǒng)被控對(duì)象設(shè)計(jì) .............................. 56 儲(chǔ)液罐監(jiān)控系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì) ................................ 60 儲(chǔ)液罐監(jiān)控系統(tǒng)仿真結(jié)果 .................................. 65 6 系統(tǒng)性能的改善與提高 .......................... 69 7 總結(jié) ........................................ 70 參考文獻(xiàn) ....................................... 71 致謝 ........................................... 73 附錄 ........................................... 74 附錄 1 外文文獻(xiàn) ............................................. 74 附 錄 2 文獻(xiàn)翻譯 ............................................. 80 附錄 3 畢業(yè)設(shè)計(jì)總原理圖 ..................................... 86 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位 論文 緒論 1 1 緒論 課題研究的背景及意義 研究背景 虛擬控制技術(shù)是設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的一種高新技術(shù)。 研究意義 （ 1） 實(shí)驗(yàn)教學(xué)意義 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，有利于加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的充實(shí)與完善，加強(qiáng)和改進(jìn)實(shí)山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位 論文 緒論 2 驗(yàn)教學(xué)，促進(jìn) 貫徹 理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)并重的教學(xué)理念。國(guó)家自然科學(xué)基金也有專門的研究課題。 以美國(guó)為首的西方國(guó)家，將虛擬控制技術(shù)應(yīng)用在 飛機(jī)、汽車等領(lǐng)域 并獲得 了 成功 ，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益 。硬件部分，能夠用作通用控制器或虛擬控制對(duì)象，具有采集常見電量信號(hào)（模擬量、開關(guān)量、頻率量），并能夠輸出電壓或電流型控制量。 本課題設(shè)計(jì) 的 優(yōu)勢(shì) 之處在于： （ 1）控制對(duì)象參數(shù)易于改變。如進(jìn)行含有溫度控制的實(shí)驗(yàn)，往往需經(jīng)歷數(shù)十分鐘以上的時(shí)間，溫度控制才能達(dá)到給定值。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 通用控制平臺(tái)設(shè)計(jì)方案 7 根據(jù)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算功能、圖形顯示功能、多任務(wù)軟件運(yùn)行功能以及數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)通信功能，選擇計(jì)算機(jī)作為硬件下位機(jī)數(shù)據(jù)的處理中心，一些運(yùn)算的中間結(jié)果和數(shù)據(jù)能夠在計(jì)算機(jī)軟件上顯示出來(lái)，這些數(shù)據(jù)能夠保存到數(shù)據(jù)庫(kù)；控制對(duì)象的工作或 運(yùn)行狀況，能夠以動(dòng)畫、曲線等形式顯示出來(lái)，從而生動(dòng)的觀察到控制效果；計(jì)算機(jī)具有具有通用串行總線（ USB）、串行口、網(wǎng)絡(luò) 等通信方式 ，因此硬件下位機(jī)的數(shù)據(jù)可以方便傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)和一定總線 連接形式，組成 網(wǎng)絡(luò) ，方便集中管理 。 由于硬件所具有的網(wǎng)絡(luò)工作能力，一臺(tái)或數(shù)臺(tái)設(shè)備可以聯(lián)合工作，需要通過(guò)一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行管理，主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、處理及顯示。基于片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)在 的單片機(jī)普遍具有模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)的混合信號(hào)處理功能，在這樣的情況下，保證做到模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的各自性能指標(biāo)，既讓兩者相互獨(dú)立、又能很好的統(tǒng)一到一塊芯片上。 C8051F350 單片機(jī)主要資源為：模擬外設(shè)部分， 8 路 24 位 ADC 輸入（轉(zhuǎn)換速率可調(diào)，最高可達(dá) 1 ksps， 每一路均含有可編程增益放大器，最大放大倍數(shù)為 128 倍，可以內(nèi)部偏移量或增益校準(zhǔn)）， 2 路 8 位電流輸出型 DAC（輸出電流可調(diào)，最大輸出為 2mA），一個(gè)可編程電壓比較器；數(shù)字外設(shè)部分，提供 UART、 SMBus 和增強(qiáng)型 SPI 串口 ， 4 個(gè)通用 16 位計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器 ， 3個(gè)捕捉 /比較模塊 ；存儲(chǔ)器部分， 內(nèi)部 RAM 768 字節(jié)（ 256+512） ， 8KB 在系統(tǒng)編程 的 ； 時(shí)鐘源部分， 內(nèi)部振蕩器 頻率為 、 精度177。該通道對(duì)輸入 0~1V 幅值范圍的信號(hào)理解為低電平， 以上的信號(hào)電平應(yīng)被理解為高電平。 4． 設(shè)計(jì) 20 路的模擬量輸出通道。 10． 易于與同類硬件平臺(tái)組網(wǎng) 。根據(jù)控制對(duì)象運(yùn)行規(guī)律及實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，按照機(jī)理法來(lái)建立傳遞函數(shù)模型，然后 盡量采用簡(jiǎn)約化處理 逐步逼近真實(shí)模型。 6． 組態(tài)界面設(shè)計(jì) 。 （ 2）可采集標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出的 0mA~10mA 或 4mA~20mA 電流信號(hào)，以及 0V~10V電壓信號(hào)； （ 3）所設(shè)計(jì)模擬量采集模塊既允許單端信號(hào)輸入，也可以對(duì)差分信號(hào)采集； 模擬量輸入模塊結(jié)構(gòu) 模擬量輸入模塊的結(jié)構(gòu)如圖 所示?？紤]到單片機(jī) AD最大輸入電壓為 ，因此選用的電阻值為 ???? 1 2 020 421 M A XA D M A X 電壓變換電路采用滑動(dòng)電阻器 2R ，利用其分壓特性達(dá)到將輸入電壓衰減到合適的值 已輸入到運(yùn)放 。 IN60 采用鍺二極管，保證 V0 端的負(fù)電壓不低于 ； 穩(wěn)壓管保證 V0 端的正電壓不超過(guò)，滿足所選 C8051 單片機(jī)端口引腳極限參數(shù)要求 。 模擬量輸出模塊 模擬量輸出模塊是平臺(tái)實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)輸出的關(guān)鍵，其任務(wù)是把控制器輸出的控制量轉(zhuǎn)換成模擬量的電壓或電流信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)執(zhí)行 機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù) [11]。 圖 模擬量輸出模塊電路組成結(jié)構(gòu) 多路 DA 轉(zhuǎn)換器選用德州儀器公司的 Tlv5630，電壓放大器選用 OP07。為了仿真諸如雙螺桿擠出機(jī)、電梯等的控制 對(duì)象 ，由于 020 單片機(jī)開關(guān)量資源的限制，需要外部擴(kuò)展 開關(guān)量的接口數(shù)。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 平臺(tái)硬件功能模塊設(shè)計(jì) 23 對(duì)于設(shè)計(jì)的電路，當(dāng)外部開關(guān)量輸入信號(hào)大于 ，單片機(jī)將其理解為高電平；超過(guò) 5V，則通過(guò)二穩(wěn)壓二極管作用，將信號(hào)電平穩(wěn)定在 ，統(tǒng)統(tǒng)理解為高電平；低于 1V 時(shí)，單片機(jī)將其理解為低電平。當(dāng) LE 為低電平時(shí)， Q 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。 74HC373 的數(shù)據(jù) 8 個(gè)輸出端共用一個(gè)字節(jié)寬的 IO 口，單片機(jī)可以編程為只對(duì)某一位開關(guān)量的讀入，也可以面向字節(jié)的讀入數(shù)據(jù)。 輸出信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì) 所設(shè)計(jì)的開關(guān)量輸出信號(hào)調(diào)理電路如圖所示 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16ABCD16151413121110987654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS iz eED a t e : 13 J u n 20 1 2 S h e e t of F il e : C : \ D oc u m e nt s a nd S e tt i ng s \ A dm i ni s t r a t or \桌面 \畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行中 \復(fù)件 數(shù)字 77 .D D BD r a w n B y:D O U T190 123. 3 V6. 8 K90 12G N D15 VecbT0 T1 圖 開關(guān)量輸出信號(hào)調(diào)理電路 由上圖可知， b 點(diǎn)與 c 點(diǎn)連接在一起，因此 Ueb =Uec ，從而使 T0 工山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 平臺(tái)硬件功能模塊設(shè)計(jì) 26 作在放大狀態(tài)。 矩陣鍵盤 +液晶顯示器電路設(shè)計(jì) 矩陣鍵盤按鍵識(shí)別有兩種方法，行掃描法和線反轉(zhuǎn)法，相應(yīng)的硬件電路的設(shè)計(jì)稍有不同 [18]。利用上述功能 ， OCM4X8C 可實(shí)現(xiàn)漢字、ASCII 碼、點(diǎn)陣圖形、自造字體的同屏顯示。該產(chǎn)品內(nèi)部具有集成的標(biāo)準(zhǔn)字庫(kù)，主要為 ASCII、 (1212， 1616)點(diǎn)陣 GBK、 (2424，3232)點(diǎn)陣 GB2312；可以根據(jù)需要安裝其他的字庫(kù)，比如 GBK(簡(jiǎn)體 )、BIG5(繁體 )、 SJIS(日文 )、 UNICODE 文本編碼標(biāo)準(zhǔn)，支持用戶自行設(shè)計(jì)字庫(kù)。 它 的最大通信距離可達(dá) 1200 米， 數(shù)據(jù)傳輸速率 最大可到 10Mbps，還具有很強(qiáng)的 噪聲抑制能力及可靠性。設(shè)計(jì)的 觸摸屏模塊 與 RS232 接口電路圖如圖 所示。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16ABCD16151413121110987654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS iz eED a t e : 13 J u n 20 1 2 S h e e t of F il e : C : \ D oc u m e nt s a nd S e tt i ng s \ A dm i ni s t r a t or \ 桌面 \畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行中 \復(fù)件 數(shù)字 77 .D D BD r a w n B y:241911520G N D0. 1 U5V5V 20 K * 35617S I OS C L KR S TL E D KV S SL E D ARSV D DPSBO C M 4* 8C02 0 P 2. 502 0 P 2. 402 0 P 2. 3 圖 單片機(jī)與顯示模塊 OCM4X8C的接口電路 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 平臺(tái)硬件功能模塊設(shè)計(jì) 29 觸摸屏接口電路設(shè)計(jì) 觸摸屏具有堅(jiān)固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、 便 于 人 機(jī)交流 等許多優(yōu)點(diǎn) ，在工業(yè)控制、家電、醫(yī)療儀器、個(gè)人智能終端等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。該顯示模塊的主要特點(diǎn)為：顯示屏為 128*64點(diǎn)陣 ， 可顯示 4 行數(shù)據(jù) ， 每行 8 個(gè)漢字或 16 個(gè)字符。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16ABCD16151413121110987654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS iz eED a t e : 13 J u n 20 1 2 S h e e t of F il e : C : \ D oc u m e nt s a nd S e tt i ng s \ A dm i ni s t r a t or \ 桌面 \畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行中 \