谈单片机的过程控制综合实验设计
摘要:以STCl2C5A60S2单片机为核心，设计开发了基于单片机的低成本过程控制综合实验，阐述了过程控制综合实验整体设计，及单片机控制板各个功能的硬件设计与软件开发，对实验平台的特点进行了描述。实践表明，通过综合实验训练，让学生从底层设计并实践反馈控制系统，强化和提高了学生的动手能力与综合实践能力。
关键词:实验系统;单片机;过程控制;系统设计
“过程控制”“计算机控制”“微机原理”和“检测技术”是我院自动化专业的必修课程，是理论性、设计性、实践性很强的专业方向课，与实际控制工程联系紧密。学生在这些课程的学习过程中，实验都是针对本门课程的内容进行，还有很多是演示实验和仿真实验。在实际工作中，控制系统一般都是这几方面内容的综合应用，而学生在学习的过程中缺乏对整个系统的设计训练，因此在教学过程中应将控制器系统设计方法和实际计算机控制系统相结合，通过理论知识与实践活动的有机结合，培养学生解决实际工业应用中控制问题的能力。为了达到这一教学目标，自动化实验室开设了自动化综合实验课程设计，从控制器设计开始，每一步都由学生独立完成，实现水箱液位控制。学生要完成设计单片机控制器电路，绘制原理图与印制板图，编写调试控制程序，设计上位机监控画面等内容。从学生实验效果看，学生完成整个实验后，提高了学习兴趣与实践技能，对控制系统有了更清楚的了解。
1系统功能及组成
系统总体结构，系统为单回路控制系统，水箱内水位为被控对象，水泵抽水到水箱，水箱底部放水，当抽水与放水达到平衡，水箱水位保持平衡。投入式水位传感器测量水箱水位值，将当前水位反馈到单片机控制器，在控制器内与设定值比较，控制器根据二者的差值，采用某种控制算法，输出控制量改变变频器输出频率，即改变水泵的抽水量，最终让水箱水位保持在设定值。上位机运行组态软件，与单片机控制器通信，可以动态显示画面与控制曲线，还可以修改水位设定值与控制参数。控制器系统结构，以单片机为核心，外接数码显示电路、按键电路、通信电路及输入输出电路等。单片机采用宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机STCl2C5A60S2/AD，该单片机优点是指令代码完全兼容传统8051，并内置10位A/D转换电路［1］，可直接在用户系统上用ISP在线下载方式，将用户程序下载进STC单片机运行，这样可省去编程器和仿真器、降低实验成本.2.2水位信号输入电路与控制信号输出电路水位测量采用的是二线制投入式液位变送器，输出4～20mA电流信号，工作电压为24V。采用5V转24V的1W电源模块为变送器提供24V.
2控制器硬件电路设计
对于硬件部分，要求学生会用电路图设计软件AltiumDesigner绘制电路原理图和印制板图［2］，因为时间限制，学生只要基本会使用软件即可，最终电路板使用的是统一的电路版。因为实验要求单片机控制器由学生动手焊接调试，每届学生使用的都是自己焊接调试的电路板，因此单片机控制器硬件设计以简单、低成本为目标。2.1程序下载与通信电路因为现在PC机主板一般没有集成串口，因此采用了串口－USB接口转换器PL2303。PL2303芯片可提供一个全双工异步串行通信装置与USB功能接口便利连接的解决方案［3］。这样设计使控制器与上位机之间只需要一条USB线就可以完成单片机程序下载与通信的功能，还能利用USB口的5V电源为控制板提供电源而不再需要外部提供电源，变送器输出的电流信号流过一个200Ω的电阻变换为电压信号接到单片机的A/D转换引脚。水泵抽水量由变频器输出频率控制，变频器输出频率可以由控制板输出电压信号进行调节。为了精简电路，没有采用片外D/A转换器，而是用单片机输出脉冲宽度调制(PWM)信号［4］，片外采用跟随器将PWM信号变为直流信号。控制器根据控制算法计算的输出量改变PWM波的占空比，跟随器输出值随占空比的变化而改变。跟随器采用单5V电源，输出给变频器电压信号可在0～3.5V变化，虽然没有达到5V，但变频器输出频率改变范围已满足实验需要，2.3LED显示电路控制板用4位LED数码管，显示当前水位值、设定水位值和控制参数等。为了节省I/O口，LED显示采用8位串入并出移位寄存器74LS164，4片级联，只需2位I/O口，按时序要求输出4位显示码，就可实现4位8段LED显示的静态显示［5］2.4按键及指示灯控制板还设计有6位按键与4位LED指示灯，用以完成设定值修改、参数设置、显示切换和状态指示等功能。
3系统软件设计
3.1单片机控制器程序
单片机控制板软件使用C语言编程［6］，采用模块化设计，包括通信模块、A/D测量模块、PWM输出模块、显示模块、按键处理模块和控制算法模块等。主程序流程图如图5所示。实验并不要求学生编写完整的程序，但控制算法和水位采样值的标度变换程序要求学生完成，控制算法基本要求是采用PID算法［7］。程序的模板和其他各部分模块程序提供给学生，由学生最终完成整个程序的整合与调试，有能力的同学还可以编写其他控制算法的程序和增加手自动切换等功能。
3.2上位机组态
为了清楚显示控制过程以了解控制效果，要求学生在上位PC机上用组态软件“组态王”实现系统的监控画面［8－9］。画面要求较为简单:1)能用动画及数字实时显示水位值;2)能显示水位的给定值及数字显示控制器的P、I、D参数值，这些参数均能在操作界面中进行修改;3)给定值和测量值的实时记录曲线，用来记录和显示控制过程中被控变量的水位设定值和实时水位值的变化过程。上位机与单片机控制板采用Modbus通信协议进行通信［10－11］，在控制板通信程序中实现了Mod-bus通信协议中读多寄存器(功能码3)和写多寄存器(功能码16)的功能。在组态王软件中，定义设备时选择［PLC］－［莫迪康］－［ModbusRTU］－［COM］即可实现上位机与控制板的通信。
4结束语
该实验让学生从底层起设计反馈控制系统，从电路设计，电路板焊接，单片机程序编程调试到上位机组态软件的使用，让学生对反馈控制系统有较全面清楚的了解。实践表明，该综合实验对加强实践教学环节，增强学生的动手能力、知识和技术的应用能力、尽快适应现场能力大有帮助。
参考文献
［1］陈桂友.增强型8051单片机实用开发技术［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2010.
［2］袁鹏平，何志刚，罗开玉.快速精通AltiumDesigner6电路图和PCB设计［M］.北京:化学工业出版社，2009.
［3］文治洪，胡文东，李晓京.基于PL2303的USB接口设计［J］.电子设计工程，2010，18(1):32－34.
［4］庹朝永.基于单片机的直流电机PWM调速系统设计与开发［J］.煤炭技术，2011，30(6):62－63.
［5］单蓉，李涛.基于AT89S51芯片的电子广告牌电路设计［J］.现代电子技术，2009，32(20):196－197．
作者:杨帆 单位:武汉电力职业技术学院
