计算机控制系统课程设计.docx

大连轻工业学院课程设计（论文）任务书专 业自动化班 级自动化061题 目水泥包装机计算机控制系统设计子 题采用查询读A/D、继电器输出、LED数码管静态显示指导教师王裕如答疑教师王裕如设计时间2009年 11 月 30 日 至 2009年 12 月 4 日 共 1 周设计要求设计（论文）的任务和基本要求，包括设计任务、查阅文献、方案设计、说明书（计算、图纸、撰写内容及规范等）、工作量等内容。现有1台双嘴水泥包装机，形成2条袋装生产线。见水泥袋装生产线流程图，主要设备有检测袋装水泥重量的力传感器、称重的电磁阀与气缸、推包的电磁阀与气缸、操作按钮等。要考虑的现场信号有传感器模拟量2路输入、启动按纽开关量2路输入以及驱动电磁阀开关量4路输出。系统要求：当按下启动按钮时，称重电磁阀得电，气缸打开放料闸板，成品仓中的水泥灌装到包装袋中，使得称重杠杆发生逆时针偏转，当力传感器检测到重量信号等于称重设定值时，控制系统先使放料闸板关断，延时后使推包电磁阀与气缸执行推包动作，完成一次袋装称重计量过程。然后，周而复始。根据本课程的知识点，设计内容是对某个工业生产过程实现计算机监控系统。设计任务书要求设计一个以8088CPU或PC总线为核心，以A/D和DO通道为主要接口，外配LED显示、键盘操作以及包括传感变送器及执行器的小型计算机控制系统；完成系统电气原理图的绘制，主要程序框图的绘制，完成一份2030页的设计说明书。其中，硬件设计包括传感变送器、I/V变换、ADC0809A/D通道（采用查询法读A/D转换数）、8088CPU（或PC总线）、DO通道（继电器输出）、4位LED静态显示器、2个独立式按键等接口电路原理接线图。软件设计包括主程序框图；主要接口程序A/D、DO；LED、KEY的程序框图。写作规范除了要有摘要，目录外，在正文中包括系统概述，系统构成，硬件设计，软件设计，心得体会（即结果结论），参考文献等。指导教师签字： 系（教研室）主任签字：2009年 月 日目 录一、课程设计的目的及意义-3二、设计要求-4三、设计任务-5四、总体设计-61、控制系统的设计原则2、工艺流程3、控制系统的组成4、具体的系统硬件典型组成五、硬件设计-91、硬件连接概要图2、压力检测与变送3、V/I变换4、ADC0809A/D通道（采用查询法读A/D转换数）5、DO通道（固态继电器输出）6、LED静态显示器六、软件设计-181、主程序框图2、主要接口程序A/D3、LED显示程序七、心得体会-21八、参考文献-21一、课程设计的目的及意义计算机控制技术及工程应用是吧计算机技术与自动化控制系统融为一体的一门综合性学问，是以计算机为核心部件的过程控制系统和运动控制系统。本课程设计是本门课程课堂教学的延伸和发展，是理论知识与工程实践之间的衔接。通过本课程设计，使自己进一步学习与理解计算机控制系统的构成原理、接口电路与应用程序，进一步巩固与综合专业基础知识和相关专业课程知识，提高自己运用理论知识解决实际问题的实践技能；培养独立自主、综合分析的思维与创新能力，最终使自己初步具有设计小型计算机控制系统的硬件及软件的能力。同时，通过资料搜集、方案分析、系统设计与报告撰写的一系列过程，得到一次科学研究工作的初步训练。从而，在专业知识与研究方法方面为日后的毕业设计乃至毕业后的工作奠定良好的基础。二、设计要求（1）初步掌握计算机控制系统的分析和设计的基本方法。完成系统电气原理图的绘制，主要程序框图的绘制，完成一份2030页的设计说明书。（2）培养一定的自学能力和独立分析问题、解决问题的能力。包括学会自己分析解决问题的方法，对设计中遇到的问题，除咨询老师外，应通过独立思考、查阅文献和互相讨论的方式解决。（3）通过严格的科学训练和工程设计实践，逐步树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学作风，并培养学生在实际工作中应具有的生产观点，经济观点和全局观点。三、设计任务在水泥生产过程中，水泥成品的袋装称重是一个十分重要的环节，其中的关键问题在于计量与控制系统的精确性与可靠性。十几年来，人们研制了许多专用的称重显示控制器，如70年代的模拟仪表、80年代的Z80微机系统到90年代的单片微机系统。随着计算机技术的日益发展，人们对称重显示控制器提出了更高的要求，即不仅要以文字、对话形式提供称重计量信息，而且能提供其它管理信息。现有的单板或单片机系统一般不具备这种功能，尚需与上位机进行数字通信，借助于PC机的CRT屏幕显示方可；或者采用另一种模式总线式工业控制计算机。但这几种配置都大大增加了系统成本。现有1台双嘴水泥包装机，形成2条袋装生产线。见水泥袋装生产线流程图，主要设备有检测袋装水泥重量的力传感器、称重的电磁阀与气缸、推包的电磁阀与气缸、操作按钮等。要考虑的现场信号有传感器模拟量2路输入、启动按纽开关量2路输入以及驱动电磁阀开关量4路输出。系统要求：当按下启动按钮时，称重电磁阀得电，气缸打开放料闸板，成品仓中的水泥灌装到包装袋中，使得称重杠杆发生逆时针偏转，当力传感器检测到重量信号等于称重设定值时，控制系统先使放料闸板关断，延时后使推包电磁阀与气缸执行推包动作，完成一次袋装称重计量过程。然后，周而复始。根据本课程的知识点，设计内容是对某个工业生产过程实现计算机监控系统。四、总体设计一、控制系统的设计原则对于不同的控制对象，系统的设计方案和具体的技术指标是不同的，但是，控制系统的设计原则是相同的。有以下几点：1、 满足工艺要求这是设计的首要条件，要求设计者与工艺人员密切配合才能完成。片面最求高性能而忽视成本和实现上的可能性是不可取的。2、 可靠性高对工业控制计算机系统的最基本要求是可靠性高。在工业生产过程中，特别是一些连续生产过程的设备，是绝对不允许有故障的出现的。可靠性指标一般用系统的平均无故障时间MTBF和平均维修时间MTTR来表示。3、 操作性能好操作性好包括两个含义，即使用方便和维护容易。4、 实时性要强计算机控制系统的实时性表现在对内部和外部的事件能及时地响应。5、 通用性要好一般来说，不可能为一台装置或一个生产过程研制一台专用计算机，常常是选择通用性好的计算机控制装置灵活地构成系统。6、 经济效益要高应该从提高产品的质量和产量、降低能耗、消除污染、改善劳动条件等方面进行综合评估。二、工艺流程图1为水泥袋装流程图。当按下启动按钮时，称重电磁阀得电，气缸打开放料闸板，成品仓中的水泥灌装到包装袋中，使得称重杠杆发生逆时针偏转，当力传感器检测到的电压信号等于称重设定值时，控制装置先使闸板关断，延时后使推包电磁阀与气缸执行推包动作，然后复位，完成一次袋装称重计量过程。图1 水泥袋装流程图其优点是：简化机械结构设计, 省去了庞大的机械杠杆秤。自动化程度高, 除插水泥袋外, 其余过程均由计算机控制完成, 且实时显示装包重量及累计袋数。计量精度高, 采用高精度拉力传感器直接测量秤架上的正在包装的水泥重量, 进行转换后, 配合软件, 达到很高的控制精度。三、控制系统的组成本设计中：控制器：8088CPU执行机构：电磁阀被控变量：水泥重量测量及变送元件：由压力传感器组成的检测变送系统四、具体的系统硬件典型组成五、硬件设计一、硬件连接概要图控制部分采用8088CPU力传感器：型号为HXB-1，规格为50KG，输出量程为010mv，需外界提供12VDC电源。8088CPU接线图主机为CPU8088Intel 8088 是一个 Intel 以 8086 为基础的 微处理器，拥有 16 位元 暂存器 和 8 位元外部 资料总线。这是原本 IBM PC 上所使用的处理器。8088 使用 8 位元的设计，所针对的是较为经济之系统。在它推出时候，大的资料总线宽度电路板还是相当地昂贵。8088 的预取(prefetch) 贮列(queue) 是 4 字节，相对于 8086 的是 6 字节。8088 的后代包括到现在还在使用的intel_80188、80288(不再制造或使用)、和 80388 微控制器(microcontroller)。扩展1个模拟量模块EM2312路模拟量输入，MA+、MA- 、接收1# 2# 力传感器经放大后的电压信号，该模块的模数转换时间250S，分辨率为12位，转换精度为0.025%。LED数码显示 自制1块信号放大板，把力传感器检测到的重量mv信号放大到模拟量扩展模块的输入量程范围（如2.5V/5V/10V等），并向传感器提供12VDC电源。 二、压力检测与变送1、概述 压力是工业生产中的重要参数之一，为了保证生产政党运行，必须对压力进行监测和控制，但需说明的是，这里所说的压力，实际上是物理概念中的压强，即垂直作用在单位面积上的力。在压力测量中，常用绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。所谓绝对压力是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力。2、原理：传感器接受力信号，变成电压信号，经电阻，转为电流信号，送后级电路处理。3、力传感器技术参数 电源电压：1530VDC 输出信号：420mA 连接：二线制 线性和迟滞：0.5%FS（25） 稳定性：0.5%FSO/年 工作温度范围：-4085 温度影响：0.015%FS/ 电气线路保护：极性保护和过电流保护该传感器的输出统一采用了420mA二线制的工业标准，其外壳采用耐腐蚀不锈钢接头。防护等级可达IP65。4、后接信号处理放大电路电桥放大电路，该电路采用有源电流反馈作为电桥信号放大器，利用Rp2调节V，用Rg调节A。三、V/I变换理论上上步可以解决V/I变换问题，但是可在其后续电路中加可调电阻，实现后接电路电流可调。采用无源I/V变换电路是利用无源器件电阻来实现，加上RC滤波和二极管限幅等保护，如图下所示，其中R2为精密电阻。对于0- 10 mA输入信号，可取R1=100，R2=500，这样当输入电流在0 -10 mA量程变化时，输出的电压就为0 -5 V范围；而对于4 -20 mA输入信号，可取R1=100，R2=250，这样当输入电流为4 -20 mA时，输出的电压为1 - 5 V四、ADC0809A/D通道（采用查询法读A/D转换数）1 基本参数ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。 a、ADC0809的内部逻辑结构 由ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 b、 引脚结构 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示：CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ， VREF（），VREF（）为参考电压输入。C、采用查询法读A/D转换数A/D转换器的接口电路主要是解决主机如何分时采集多路模拟量输入信号的，即主机如何启动A/D转换，如何判断A/D完成一次模数转换，如何读入并存放转换结果的。下图为采用程序查询方式的8路8位A/D转换接口电路，由PC总线、ADC0809以及138译码器、74LS02非与门（即或非门）与74LS126三态缓冲器组成。图中，启动转换的板址PA= 0100 0000，每一路的口址分别为000-111，故8路转换地址为40H-47H。图、查询方式读AD转换五、DO通道（固态继电器输出）数字量输出通道简称 DO 通道，它的任务是把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的数字驱动信号。根据现场负荷的不同，如指示灯、继电器、接触器、电机、阀门等，可以选用不同的功率放大器件构成不同的开关量驱动输出通道。常用的有三极管输出驱动电路、继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。这里使用固态继电器输出。电磁继电器主要由线圈、铁心、衔铁和触点等部件组成，简称为继电器，它分为电压继电器、电流继电器、中间继电器等几种类型。继电器方式的开关量输出是一种最常用的输出方式，通过弱电控制外界交流或直流的高电压、大电流设备。图、继电器输出驱动电路六、LED静态显示器LED（发光二极管Light Emitting Diode的英文缩写）是利用PN结把电能转换成光能的固体发光器件，根据制造材料的不同可以发出红、黄、绿、白等不同色彩的可见光来。LED的伏安特性类似于普通二极管，正向压降约为2伏左右，工作电流一般在10 -20 mA之间较为合适。图、8段LED显示器的结构LED静态显示方式工作原理分析如图，当所有COM端连接在一起并接地时，首先由I/O口（1）送出数字3的段选码4FH即数据01001111到左边第一个LED的段选线上，阳极接受到高电平“1”的发光管g、d、c、b、a段因为有电流流过则被点亮，则结果为左边第一个LED显示3。接着由I/O口（2）送出数字4的段选码66H 即数据01100110到左边第二个LED的段选线上，阳极接受到高电平“1”的共阴极发光管g、f、c、b段则被点亮，则结果为左边第二个LED显示4；同理，由I/O口（3）送出数字5的段选码6DH即01101101到左边第三个LED的段选线上，由I/O口（4）送出数字6的段选码7DH即01111101到左边第四个LED的段选线上，则第三、四个LED分别显示5、6。这里用要求LED用四位。图、LED静态显示方式六、软件设计1、主程序框图开机 系统初始化有键按下吗 No 是启动键吗 Yes No调功能键子程序 打开闸板 Yes TD200信息显示 调数据计算子程序 称重达到设定值吗 No 关断闸板 Yes 延时推包 开始计数 总计数图3 主程序流程框图2、主要接口程序A/D即对应于ADC0809A/D通道的软件驱动MOV BX，BUFF ；置采样数据区首址 MOV CX，08H ；路输入START： OUT PA，AL ；启动A/D转换 REOC： IN AL，PB ；读EOC RCR AL，01 ；判断EOC JNC REOC ；若EOC=0，继续查询 IN AL，PA ；若EOC=1，读A/D转换数 MOV BX，AL ；存A/D转换数 INC BX ；存A/D转换数地址加1 INC PA ；接口地址加1 LOOP START ；循环3、LED显示程序设单片机内 RAM