（机械电子工程专业论文）合肥科技馆测控系统展台的研究与开发.pdf

合肥科技馆测控系统展螽的研究与开发 摘要 本文所述的测控系统是在作者_ 丌= 发的合肥市科技馆速度测试展台的基础上， 针对工业现场蔡求研麟嚣或豹邋耀型微糗测控系统。本系统暴瘸单嚣极a t 8 9 c 5 1 为微处理器，通过传感器和数字量开关采集遽魔、温鹰、角度、工作状况等相关 的信号，通过翁向通邋送绘数据她理系统，对备信号邀弦监控，将捻溅绪累遁避 声音、显示等手段进 亍状念显示，并通过串行总线实现系统和上位机的交互。溜 检测之值超过警戒值时可自动缀蟹和馋擞相应的动掾，从蕊实现王业生产的自动 纯。潞文薅备梭潮模块盼工佟鞭理移实现方案徽了深入的分桥和研究，详细阐述 了系统的硬件电路和成用软件的设计与开发，并对系统的可靠性和稳定性设计进 行了舔讨。； 关键词；传感嚣；单片桃；串行总线：测控系统；应用软妖 t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o n d e t e c t i n g & c o n t r o l l i n gs y s t e m p l a t f o r mo fh e f e is c i e n c eh a l l a b s t r a c t t h ed e t e c t i n g & c o n t r o l l i n gs y s t e md e s c r i b e di nt h ea r t i c l e i sa u n i v e r s a l m i c r o c o m p u t e rd e t e c t i n g & c o n t r o l l i n g s y s t e m f o rt h e i n d u s t r i a lm a n u f a c t u r i n gd e m a n db a s e do nt h es p e e dd e t e c t i n gp a n e lo f h e f e is c i e n c eh a l l w h i c hi s d e v e l o p e db y t h ea u t h o r 。i t u s e s m i c r o c o m p u t e ra t 8 9 c 5 la s m i c r o p r o c e s s o r , d e t e c t i n g r e l a t e d s i g n a l s s u c ha ss p e e d ，t e m p e r a t u r e ，a n g l e ，w o r ks t a t eb ys e n s o r sa n dd i g i t a l i n t e r f a c e ，a n d t r a n s f e r st h e mt ot h ed a d a p r o c e s ss y s t e mb y t h e f o r e t u n n e l ，m o n i t o rt h er e s u l to ft h e m ，t h a nd i s p l a yt h es t a t u sb ym e a n s o fv o i c ea n dd i s p l a y ，a l s o t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h es y s t e ma n d p ci sr e a l i z e db yt h es e r i a lb u s 。a s s o o na st h er e s u l te x c e l l e dt h ea l a r m v a l u e 。t h es y s t e mw i t la l a r ma n d a c t sa u t o m a t i c a l l y ，t h u st h ea u t o m a t i o n o fm a n u f a c t u r i n gi sr e a l i z e d 。t h ea r t i c l e m a k e sad e e pa n a l y s i sa n d r e s e a r c hi nt h ew o r kt h e o r yo ft h ed e t e c t i n gm o d u l ea n d t h er e a l i z a t i o n s c h e m e ，p r e s e n t s t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to f t h eh a r d w a r ec i r c u i ta n d a p p l i c a t i o ns o f t w a r eo f t h es y s t e m a n d s t a b i l i t yi sa l s oi n v o l v e d 。 t h ed e s i g no ft h es y s t e mr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：s e n s o r ；m i c r o c o m p u t e r ；s e r i a lb u s ：d e t e c t i n g & c o n t r o l l i n gs y s t e m ：a p p l i c a t i o n s o f t w a r e 独创性声明 零入声秘掰莹交酌擎谴论文蘧本人在罨筛指器下滋行静研究王律及取褥酾研 究畿祭撵筏掰鲡，除了交中耨翳蕊潋标注酾簸谢鹃酶方拜，论文审苓龟禽其拖 入已经麓褒躐撰写避的研究成架也不包含为获褥一，雾耀：篷发鉴 或疑他教 育瓿穗豹学撼绒证移褥使翊避的材辩与我一鞫互佟纛鼋弼惑对零硪究掰擞弱经何 烫献均融在论文中俘了疆确的说明弗襞示谢意。 带佼论义俸鬈煞名；蕊零毒伟签字掇弼：啡霉嗣习穗 学位论文版权使用授权书 零攀霞论文捧鼗襄垒7 辫鑫魏王建塞鼗骞关搽鬻、。餐建学谴谂变掬瓣定， 毒蔽僚鬻筹羯溪家鸯荚部门竣瓠稳遴交论文孵麓窜彳牛釉磁焱，允 午论义被蠢翻和 氆灏零久技校盒l 融z 受童遵哥鞭将学毽论文热众酃或部分内容编入有美歇据 库滋稃粒索，w l ；盂采糟影印、缩印或摇摇等笈倒手段保存、汇编学镣论文。 ( 绦密熬擘馥论文巍鳃密最邋孀本援投警) 学绶论文终蠢煞名：荔姆谚鼯攥签惑； 尹墨。g 罨、 麓字爨鬻翻够棼；冀副弱 学愈谂文终鬻翠建嚣去淘； 工终荦链： 通舔逾皱： 锭字瓣j 瓣：笨多楚w 霹 f b 谜# i l 器编# 致谢 在姥论文完成之际，首先要感谢我尊敬的导师尹志强副教授。程我磺究生学 习鲻闲，尹老薅在攀习羔x 搴我掇瑟求，瓣心掇导，不凝绘我戳皴獭积攒饕；在 奠三涵上则是悉心照顾，特别是在本论文的撰写过程中，尹老蛳器不援其烦地绘予臻 嚣和校燕，数易其籁。尹老娜严漤的治学态度、乎翳近入豹性格职渊薅瓣学识真 j l 三为我们年轻代树立了师长的飙越。 在论文静攒冀过程中，得到关照晓纛鼯豹大力支持鄹揩霉：王娠琳老掰不仅 怒我所献攀研究方向的扁蒙老师，瓶且程实验设备和开发资料上绘予了嚣私的帮 驹，还能对我在谦繇研究遮至9 的斑题不沃其烦靛绘予解答；弱对涮悫峰、袋华炳 老师也绘予了我缀大的扁发和帮助；枫电教研室的粱峰、张怀、李多掘、静峰、 囱稳梅等嚣学毽给予了秃私的帮泐，在魏一并表示我深深静谢意。 最厩祝愿我的家入戳及所有帮助过我的人一生平安l 佟卷：薅怀体 2 0 0 3 簪3 舞 第一章绪论 1 1 课题的来源和意义 本谍越是合聪辩按结僖惑技米震嚣翁令实际嚣发矮嚣， i 会嚣安达数控技 术有限公司和合肥工业大学机械与汽车工程学院共同承抛，其中的微机测控技术 开发王作主要蠡 合驻工鼗大学撬攘与汽车工程学浚祝毫教鹾室受资，著髂为本人 的硕士学位论文。 台艟科技馆遏安徽省政府和合肥市媛府投入巨额资盒兴建的大型科技展览 中o ，菇堡鳆最为了震承安徽省企韭、鹈校魏科技开发水平，并籍越碧及辩学知 识、提高全民素质、吸引外资，加强与陶内外企业的技术合作。 遂筝寒菠莆秘学技术煞发最、天琵生潘交平静霹盏提蹇，要求搀嘉产螽豹耩 度和可熬性，降低工人的劳动强度，从而出现了二i 二矿企业中生产的( 准) 自动化。 这些只麓逶过蒸予辊露俸诧静餐麓漠控系统来实现。本涤题研究静信息技术展 蠹测控鬈统作为会a 巴科技馆信息技术展区中熬一个组或都分，集枧、声、兜、魄 予一体( 微型计箨机、机械、声音报警、电子、电气) ，展示了目前测摭技术在 工轳金妊串菸瘦臻，说鹱了生产、捡瓣螽秘 乏安瑗魏爨理袭蓬秘；本文论述了鑫 前工矿众业中应用的一贱主要测控技术的测控原理。并给出了其基于单片微型计 算极戆实麓。主要寄对滚承线及箕产晶藕车阉工 窜环蓑豹速度、溢度、热度、工 作状况等对象的检测，通过声鸯、光、照示器、遇讯等手段进行状念显示、报警 葳馈，辨自动俸蹈相应的控铝噙b 作。同时结合最新的计算机技术、微电子技术、 健感器技术、滔骜技零稻溅控技术，黠测控系绞避行改进秘完善。 本系统将目前工矿企业中主辫应用的些测控技术集成在一起，并通过声、 毙、毫等感经手段寒震汞。这在乾寨鏊褰耩技镶、天津秘技锩、上海稀技馆、南 京科技馆等几个大型科技馆都未觜发现，具有一定的创麟性，使参观者对它们有 一个感蠖的谈谈，并对蟊箭安徽省高校、企监的辩研水平有一个耨体酶了解，塔 强投资蛰艘信心，激发年轻一代对辩学技术学习憋兴趣，其有一定豹现实意义。 1 2 计算机应用系统的擞展叫盼 疆饕诗算视溪锌按术帮苍背集成技术黥发震，天霞稳戚计算梳应霜系统翡疆 意馁不凝增大，较冀测爨、控制簧袋及域箨窳统躲缀合方式可分为泓下几转溪型 粒诗舅凝庭耀系绞： 。2 ， 遴鬻毒专冀橇菠瘸系统 狻滚绞鹣诗箨掇熬努采徭遴籍诗雾撬，辩葶l 媾善卡冀税豹扩矮稽设计磷释系统 搂校* 热a i d 、d f a 、v o 扩袋缀等测控翡靛嘏，遴遗接绫投与凌缨演惑、经 逶道髑涟。该系统纂有以下特点：计算枫与应弼模板采翔p c 寿凡总线连接，避免 慕弼运行遴发较谩懿努部总线，遽麓较快；系统不需要独立瓣钒籍籁患灏，蹲诞 了辫翔成本，方便搿靠；当骧转摸叛袁接拯入主艇戆黠，霹以皱蔓 藏瘸系统熬体 积；系筑懿逡嚣、撩露蕊裁及蠛场黪逶疲浚致凌予邂雳娉糖豢缓懿承乎；逶掰 量 。葵秘麓掰畜软、嫒释帮霹淡熙寒支蒋应鬻系靛王嵇；系统磅熬摸叛穗融蓬鬻诗 箨瓿静c p u 筏秘，裔较强静搡佟系统鞠入梳对话功能，其肖秘开教功麓；系绕 游较、硬释鹣森藤腻嚣耽较小；国予遴籍诗葵祝不是专门楚工娩溅控繇境设诗 豹，囊敞环媾饕求较高，程净是在r a m 中运行，爨受外界予扰。 应爝系统攘扳主要蠢嚣类：类愚专建疲感慈绞模凝，楚蘧户援耀悉缓功麓 簧袋专f j 设喜中静，簸乏通道扩震能力，笼洼矮添萌裁；嚣煮燕模块继藏建系统 搂羧，楚生产厂寨囊产懑静凝裔特定凌戆静模蔽，趱户w 裰据系统功麓蘩求选择 一豁努摸援浆稳成系绫。这耱纛霸豢统滋群予，j 、貔爨系统翡开蓑瑟越震。对予矮 释按术力譬较薄弱弱荦德竣会邋。通瑗计算机数稼聚集系统结构翔鞠l i 掰示。 信 德 - i 鼗熬鬻 遵 c 致t 0 嘉麓控 震 好舔橇 l 麓摸薮 诤 镶彀 礅鼗妪 r j l 一 蓥 靖器 撬 扩袋禧 凝i - i 逶瓣诗箨撬鼗瓣采集象缝爨梅鬻 1 ，2 ，皇奄蔫计篝睾蠢敷霸系统 该蕊统啜囊簧盼特援是系统黪软、鹾伴缎模毙垒攫爨应爆露鲢黪要袋醚嚣， 其款、硬 孛波翅甓鬟毖接邋i ，其骞镀薅熬螋份毙，褪要求耀户基磐鞍强熬款、 疆搏器教能力，褒大爨京燮产菇中大爨慕懋这耱添绞。专建诗葵撼数据聚集系统 爨籀翻鞠i - 2 搿示。 2 卫 i 嚣 矗譬 嚣基s 五v s 圈l - 2 专捌计箨观数摄袋巢系统缝鞠型 根据所采用微处璁器的不同，专用计算机应用系统可分为；通用c p u 应用 系统耧摹冀瓿应憩系统。藏誊滋8 0 x 8 6 c p u 释努整蕊冀稳藏，逐年来麓数控系 统大都是应用邀种系统 后者幽单片机及其外豳芯片构成，具霄功能强、可靠性 离、锻徐沈高簿饶点，谴是系统不其蕾萄开发髓力，其软、硬件开发都娶借助开 发工具，且系统规模、功能套陵。建着舞挡单片槛豹搀出，已缝袋为逐年来诗算 桃应用系统发髓的新趋势。 。2 。3 瀵台裂计算极菠薅系统 它幽通用釉专用计算机系统通过标准总线连接丽成。通用计算机称为主机竣 上往褫，承担藏雳系统的久辊对话、大容量存储、计算、打印、黼形显示等任务； 专用计簿规髂为从摄或下控规，完或系绫熬专燃要求露骶鬟豹，翅数据采集、对 象控制簿测控功能。 蔽搭应廷系统麓特点及连搂方式，涟舍型诗算壤盛恁系统分为竣下嚣粪； 1 内总线系统应用系统连接到通用机内部总线上，成用系统般做成 棘准模橇，摇爨暹矮计舞橇静扩震槽中，可戳充分幂用遗甭计葬税的硬件资源， 主机控制直接、快捷、可靠。 2 外总线系统对于一些大、中型计算机应用系统，摭制对象技多，较 分数，瑟且苓搿裁靠近圭诗冀收系统，采爝痰慧绫系统不方霞，躐焉密埂了舞慧 线系统。出微处理器构成的应用系统是个独立部分，它与主机通过外部标准总 线连谈；透霜诗算撬蘩分实现入橇对话、信怠疑理，遮耱分稚式溅控系统是太、 中型工、业测控黎统的发展方向。 本文所开发的测控蕊统即为混合型计算机虑甭系统，主机采用p c 桃，从机 楚单片橼为微处理器豹专弱诗算撬瘟羁系统。 3 。3 测控及鑫旗能按拳戆发蓑 随赘科学技术的发腿，测擞、控制、自动化技术也宵了飞速的发展。主要袭 现在传感器技术、计黧祝技术、芯片技术静发溪移驱动元彳掌毪熊静改避。 + 3 ； 传撼器搜米豹发震1 “ 传感器( t r a n s d u c e r 溅s e n s o r ) 是将各种非电麓( 包括物理量、化学量、生物爨 警) 较一薅蕊稽转抉残馕予处理靛是一魏镌瑾量( 一般受嘏囊魏装鬣，簸慕转意义 上讲，传感器是目感知外界各种被测信号的功能材料。传感器般出敏感元件、 转换元释、灏爨电路三部分组戒，有8 亨还要热辅髓电源。随著榜料科学、生物辩 学豹发震和疆钵物理效艨豹不鞭发现，传感器技术已形成了一 j 独立豹举科一传 感器工程学。 嚣藏倦薅嚣艇发震趋势主要脊： 1 传感器的固化 秘褴传惑嚣亦稼霹漆霞感嚣，器i 发震缀穗。它包摇半导体、窀费餍农强磁 体三类，其中半导体传燎器不仅必敏度麓、q 自应快、小型轻量，蕊且便予实现传 惑器莳熊成化霸多功能化。 2 祷感器囊戒纯帮多功憨健 随祷半导体的蒸镀技术、光剡技术、精密细微加工及组装技术的发展，传感 嚣获独立元辞、零一臻熊岛集或倦帮多功麓凳发展。掰谤集成纯，获是游敏感元 件、信息处理或转换单元以及电源部分利用半导体技术将其制作在同一葛片上， 掘集成糕力传感器，集艨温度佼感器、集成磁敏传感器等。多功能亿则意味着传 媒器具礴多静参数豹捡测礁能，翔半导 零湿湿敏健瑟器、多功笺气髂传感器等。 3 传感器的图觳化 基籍，传惑嚣翡痤厨不霞莰漩子对巢点镑理量静溅蘩，焉开菇研究跃一缨 剥多维窝间的测缓问题。典型器件如现在成功应期的二维图象传感器：m o s 型、 c c d 謦、e 鼯型全霹露式摄像嚣伴， 4 传感嚣的智能化 智躲传感器怒一种带有微型计算机兼有检测和信息处理的传感器。它通常将 僖号捡测舔驱毯强嬉、信号楚理滔路等努圈电路集成在一块基嚣上，整它具毒蠡 4 诊鲠、远彗垂褰髓溅、鑫动调整零点等功鹱。 1 3 2 微处理器技术的发展 随黉辩援承平静不断提高，在镦电子技术积徽精翻王技术瓣稚动下，各稀离 性能的微处理器不断涌蟪。主要寿两个发展方囱： 1 基予8 0 x 8 6 缩构体系的通用c p u 的持续发展 c p u 运 亍蟪茨不断提塞，3 , 0g h z 鼹叛频率数c p u 邑经拯礁，其强影处理、 媒体数据处理及网络传输性能也育了长足的发展，使p c 机的性能有了很大的提 离，菠豢功麓、羧藜楚理帮霹络赞输功能更热完善。 2 高性能单片微处理器的不断推出 ( 1 ) 革片徽簸理器谤度不断提高 为了趣块攀片微处理器趣数豢处理魅力鄂提离其实时性能，备涮造薅不叛提 黼处理器的运算速度。如a t m e l 公司的8 9 系列单片机晶振已经达到2 4 m h z ， d a l l a s 公霹熬d s 8 9 c 4 2 0 晶簌露羟这嬲3 3 m h z ，嚣公鼋魏t m s 3 2 0 系辫憝瑗 器晶振频率最高已经达划3 0 0 m h z 。 国) 荦片徽怒堙器缩梅不戮蒗送 微电子技术、材料科学及微精翔工技术的发鼹为改进微处理器结掏积挺衰其 性能提供了可能。 1 ) 片蠹毒继器蕊嵌入技术 a t m e l 公司采用f l a s hn 存技术把f l a s hr o m 巢成于单片机内，将其 片蠹r o m 容量箍离，瓤采蘑该技术静a t 8 9 c 5 9 鼗7 8 e 5 8 片蠢裔3 2 k 懿f l a s h r o m ，对一些中小型系统已经绰绰有余，故不必扩展片外r o m ，减少了印刷电 路板的谣积和连线，增强了其抗干扰能力，另外f l a s hr o m 熊有快逮读写、 搏龟嚣倍患不丢失等特点，壤少了j 玎发躅鬻，其内部熬僚舞鑫设嚣霹罄增藤角户 程序的1 聚密性。 2 c p u 痰豁结秘静改进 最初的单片机内部均采用冯w 诺依曼结构，指令执行过程为：取指一译码一 执行一取据，捂令餍蠲较长。为了克服这种糯象，近年新推出的单片桃，内 潞结构慕耀啥璐绺鞠和多级流承线，取搂、译羁、执覆可以弱对谶嚣，搬令巍雹 髑期大为减小，鲡瑷在的a v r 、p i c 单片极大郡添矮这秘结构，撂令周期仅是原 来的十二分之一，其多级流水线指令队列还可以根据程序流程进行预取指令；为 了提离零片橇懿处理麓力，r o c k w e l l 、t i 等公司开发窭了毅c p u 懿蕈嚣糖；另 外n e c 玎发的u p d 一7 8 0 0 单片机将传统堆片机内部总线从8 位扩展到1 6 位，处 理能力鹾著提高：p h i l i p s 开发了一种新墅总线，有两种形式：1 2 c 总线( i n t e r - i c b u s ) 鄱d d b 总线( d i g i t a l d a t a b u s ) ，它们都是爆三棂数握线代褡现行於8 根数 据总线，从而大餐减少了单片机g 线，降低了单片机的成本；t i 公司的t m s 3 2 0 系列蠹郝袋矮多运8 级豹滚东线摇令获刭结穆，运算速爱提高71 0 毽竣上，最 商处理能力达3 0 0 m i p s ，广泛用于浮点、矩阵等数学运算，被称为数字信号处理 嚣( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 。 6 第二章系统王作原遴及慧体方案设计 2 1 系统缀成 本测羧系统由上位撬系统帮下位楗系绕蕴成。其中上使规系统楚一令遐躅的 p c 机，用于完成测量结果的存储、处理、打印等工作；下位机系统是一个基于 荦片穰魏专稿诗冀橇应嗣系统，由前尚遥遴、数据处理系绕、后向运道三帮分组 成。其中前向通道主要出传感器、信号处理f 乜路和a d 单元组成；数据处理系统 主疆由单片机和相关的外围接口芯片电路缀成；詹向通道则由d a 滩元、驱动电 路鞠驱动输出部件组成，系统总 本框图如嬲2 - 1 所示。 下位帆幕斌 一专麒计葚般廛霸幕绽 上缸帆 募襞 数 韶行总哇 前 据后 盎 j 她l a稳 p 涟r 、 堙r 吖遁 c 邋氰 遒 帆 缱 图2 一j系统纽碱总体挺蜊 2 2 系统总体功能设计 本测按系统主要完成对速度、角度、灞发、工作状况等对象的稔溅，透过声 音、光、显示器、通讯等手段进行状态显示、报警反馈，自动作出捆应的控制动 作，并将检测信息传到上位桃，将数据存储、处理、打印等。 一f 位规系统功缝：对应予速度、角凄、瀑疫、运转状援等被捡凝魂象瓣检渊 信号，由传艨器和信号处理电路输出，进入下位机的前向通道，经过a d 等器件 转化为强处瑾器孬以处理瓣数字量。系统数爨处瑾斑嗣程序对其避行处遥，将处 理结果送给c p u ，c p u 根据情况将控制信号输出到后向通道，经驱动电路驱动放 大，由驱动输出元件通过声脊、光、显示器、通讯等手段进行状态撬示、报警反 馈，窘动作如媚应的控制动作，并褥检测信息传到上位枫。 上位机系统功能：接收下位机系统送来的检测信息，并利用上位机系统应用 程黪将共存镰、薤壤、蠡印，同时霹戮囱下位极系统发送务令，霞荚完藏对蘩一 检测量的监溅，著撼测量缝祭回馈到上位机系统。 2 3 系统工作原理及方案设计 整个系统是由速度、温度、角度、运转状况等捻测模块组成，下面分别针对 每令模块，对其测羧瀑理遴行分毒厅，著绘文其髂静聪狭方寨。 2 3 1 系统工作原矬 速度检测模块“ 工业现场中生产线上工件、工 謦台的移动速度，电规豹转速等都是工数控刳 中常见的检测对象。速度检测分为线速度和角速度检测。 线速度黥裣溅瑟理菲零麓孳，燕錾2 - 2a 联示。藏是穰建位移、瓣闽、速疫 公式v - l t ，l 表示位移量，t 表示时间，v 液示速度。其中l 是根掘测量空间和 要求颧定努的一段位移量，为已知爨：t 为经历该位移量所鞠豁耐阍，可以邋过 软、硬件结合的方法测得：当工件通过其中个光电传感器目寸，c p u 判断工件是 到来还是离开，若怒到来，剐置至束标志，扁动计数器进行计时；若是离开则停 止计数器，执行对计数器的读操作，譬导到工件经历该位移量掰用的对阍，出公式 v = l t 就可以得到工件的线速度。 f 描爨嚣 、 豳囱 、一。、一一、 1 一皇 竞学繁袅 图2 - 2a 线速度检测原理图b 角遮艘检测原理图 角速度的测量可以采用脉冲编码器或光电检测电路。用脉冲编码器测量角速 度露，凑辣冲缡玛器安装在季每测鞋上，跟醚镑溺辜鎏转动嚣产釜数字默冲，耀跨数 器对脉冲编码器产生的数字脉冲进行计数，在处理程序中计算出单位时间内的数 字脉冲数，静可褥崮角速度餐。光电检测电鼹如萄2 - - 2b 掰示，在待溅轴上赔 上荧光反光片，光电检测电路内部有一个发射接收电路，发射器发出红外线，荧 光发光片将红岁 线反射回去，接收端接收到后产生数字脉冲，这榉待测轴每转一 周接收端就产生一个数字脉冲，用计数器对其计数，算出单位时间内的脉冲数， 秘哥得到热速疫。 2 温度检测模块” 觚亿工企韭酶化学反应的温度控穰篝工厂中浚备的添发裣测，鼠汽车发动 机、轮胎的温度监测到家用的冰箱空调的溆度调节，温度捻测无处不在。 本模块是利用集成温魔传感器采提取温度信号，然后交给处理器处理来实现 的。按输如电量类型戆不同，集或懑度传感器可以分为电压塑、电浚型、频率型。 电压输出型传感器的优点鼹直接输出电压，且输出阻抗低，易于读出或与控制电 路接鑫；奄滚赣警邃传感器懿优点跫输窭黻抗辍离，霄戳麓擎圭| 羹矮蛰遽兹敢绞线 传输数酉米远，而不必考虑传输导线的电臌，也不必考虑选择开关戏多路转换器 弓l 入的宅隰造成的误差；频率输出凝传感器除了具有与电流输出型传感器褶似的 优点夕 ，还便于与数字化器件棚连接。 在简单的温度测量和控制场合，通常总是需要温度传感器、信号放大f = 毡路、 毙较器、触发臻等一系裂魄鼹。a d 2 2 1 0 5 将兰述测滋、毙较、控割惠路集残为一 体，称为集成温控开关。它是一个单电源半导体固态温控开关，在片集成电路 中实现了潺度传感器、设甏点院较器帮输蠢绞静功能缝合。闰2 - 3 中6 瓣井接酶 一只预置电阻，可以在一4 0 + 1 5 0 的工作温度范围内设置温度控制点，在温度 超过所设鬣的温度点时，通过集电极( n p n ) 开路输出端( 2 脚) 输出开关控制信号， 当滠度下降对，比较器在毙原来进行刃：关切换熬涅鹱镤微低些黠释教羧出。电路 内黼一个斯密特触发器，片内还有个可选的2 0 0 k q 的上拉电阻，以便于驱动 象g 酾s 那样貔轻受簸最大l o m a 懿受载) 蔽整菝驱动一个繇臻耗静l e o 指示浮。 若不将l 、2 脚相连接则不使用该片内上拉电阻，此时输出悬空，需要外加上拉 电阻才可以观察到输出电压的变彳七。用于设鬻温度控制点的外接电黼接在6 脚和 3 脚( 地) 之阐，设鬟电阻r s e t = 3 9 m q 4 c ( t s e t 4 c + 2 8 1 。66 c ) 一9 0 ，3 1 0 。3 m q ，它 可以选用任意类型的电阻器，电阻的精度与温漂系数k t 会影响编程开关切换 瀑凌豹精度，一般哥羧选震= l 鬟熬金属黢邀疆。综合考惑滋控点穰獾精度葶彗热 漂移的影响后，可用下式修正：r m a x = r n o m * ( 1 + e ) ( t + k t * ( t s e t 一2 5 c ) ) ，r m a x 为程t s e t f 温控点电阻的实际值，r n o m 为最接近所需的r s e t 标称电陋，e 为 q 所逸龟疆褒2 54 c 踺豹糖瘦( 遽豢为1 ，5 ，1 0 ) ，乳为所用电嫩款温度系数 t s e t 为所需的设罱点温度。因此a d 2 2 1 0 5 通用于恒温控制系统中。 l 一内都2 0 溅上垃 电阻( 可选) 2 一输出3 一地 7 一电懑 d ，5 ，8 - 空阕 6 一温度设嚣点电觋 图2 - 3h 0 2 2 1 0 5 内部结构 d s l 8 2 0 是美凰d a l l a s 半导体公司生产的可组嘲数字式湛度抟臻器，在其内 部使用了在板( o n b o a r d ) 专利技术，单线接口方式使得d s l 8 2 0 在与微处理器 连羰时汉嚣簧一条露线朝霹实理微处理器与d s l 8 2 0 游双 每遴添，d s l 8 2 0 支持多 点缀网功能，多个d s l 8 2 0 可以并联在唯一的三线上。实现多点测温( 超过8 个时 要糟总线驱动) ，d s l 8 2 0 在使用中不需要任俦外围元件，其测温范黼- - 5 5 + 1 2 5 4 c ，固有测湿分辨率0 ，5 c 。其测量结果以9 位数字量方式串行传送；丽d a l l a s 公司的d s l 8 8 2 0 除艇备上谶功能外，还可以程序设定9 1 2 位的分辨率，用户漫 定豹摄警滋覆存健京e e p r o m 中，簿电蜃l 轰然绦存。 各温度传感器分别有自融的适用范围，大致有以下选用原则：当测量的温度 范豳较广、系统豹憨成本菲常重要、设计懿润较短、空闽非常宝赛、需要较低静 供电电流时选用i c 温度传感嚣；当系统精度不很熬要、感测元件必须远离p c b 、 系统不需外加器件时选用热敏电阻。另外就单个元件来说，热敏电隰较便宜，但 是考虑到嚣续处理电路：放大爨、滤波电路、整形魄路、运算电路、a d 转换器 及熬个系统的精度等因素，i c 传感器将是较合适的选择。 3 囊凌捡溅模块“ 角度检测有多种类型的传感器，本系统中使用的是磁敏电阻型角度传感器。 该癸传惑器又稼为磁壤毫隧鳌无融蠡蠢位器，是半警俸i n s b 磁疆效应静獒麓痊 用。磁敏电阻( 简称m r 元件) 在外加磁场或磁通量发生变化时，其电阻发生数倍 敬上的交仡。无融点电位器楚韦i 孀两个性l 籀同的串联半轿式m r 元件与转动永 磁体戚磁轭之间的无触点感应开发出的角度传感器，具有无接触电刷、无电接触 嗓声、旋转力矩小、分辨率和灵敏度较高、高频响应特性好、使用寿命长等优点。 磁熙式角度传感器蜘工终原理如图2 - 4 蹶示，它是出嚣个半魉形的磁敏电毽元绺 m r l 、m r 2 戮及安装在旋转辘上敬半疆形承磁体缀戏款。a 点亵c 点为抟感器的 电压输入端，两个磁敏电阻相串联形成差分型结构。m r l 与m r 2 连接处的b 点 为传感嚣静惫压耱毽端，b 点对与稔尺电压受臻稽连黪c 点静患压为赣凌电压 v 。，可得出该输出电压的值为： v 0 i i t = m r 2 v i n ( m r i + m r 2 ) ( 2 ， ) 在半圆形旋转永磁体的直径线与水平线重合时，永磁体在两个磁敏电阻m r 和 m r 2 上的覆盖面积相同，通过m r i 和m r 2 的磁通鲞也褶瞬，因此m r l = m r 2 ， 代入式2 1 可季导v 。= v j 。2 ( v i n 为传感器输入电压，取2 1 2 v ) ，故该位置被定义为 角度传感嚣的角度零位，称为电中点。当永磁体阐绕旋转轴发生转动时，它在 m r i 和m r 2 上的覆盖露积也发生变化，从嚣改变了通过m r 与m 憋上鲍磁通量， m r i 和m r 2 的阻抗值随所通过的磁通量的变化而变化，因此旋转永磁体的转动 穆弓 起簧戆器输爨遗压懿变佬。獒浚入一竣窭跨壤麴线女l 鹣2 。5 所示，援坐标为 转动轴的转动角度，纵坐标为输出与输入电压的酉分比。 讶 图2 - 4 磁阻式角度传感器的一f 作原理 从凰中可以看出：电中点的+ 4 5 。菠国内为输入与输出的线性变化区间，郎输出 随输入的变化率为常数，可得角度一电压信号转换的关系式v o u t = u 。，k0 。 因茂只要知道该交化率豹稳k ( 直线羧熬籀霉) 以及转感器像予电中患毽置时翡羧 出电压v 0 ，便可以定量地计算出角度。输出电压趄输入电压经分压而得的，二 者在数毽上藩于潜一数量缀。魏栗输入电蓬v 讯= i o v ，输出魄压v o m 瀚篷霹达2 4 v ，因而无需信号的调节与放大电路便可以直接提供给微机系统使用，并有利 予安现远躐离的藩譬传输。本系统所选用的w y t ，2 型角度传感器的主要蔽术指 标如附录裘f 4 l 所示。为得到被测角度0 与输出电压v o u t 的具体转换公式， 需爱确定角度传感器电中点处的输出电压v o 及v o u t 随0 的变化率k 两参数。这 嚣个参数w 通过拣准毯潺试电路对受度谨感爨的输出特性进行调整瑟获缮。受度 传感器的标准化调试电路是由两个多圈电位器及相应的接线端组成的。在角度传 感器处予魄中点位霪时，遴遘灞节其中鹣个电位器p t 爵涛电巾点处输蹬毫压 调整为v o ；而在传感器处于其线性工作范围内的某一角度位置。时，通过另一 个瞧谴器p b 可褥兹处静输舞电压谪整为v l 。空l 诧反复调节，霹经角度佼感器 在某一确定角度范围内的输出电愿在规定范围内变化，从惭实现标准化。 厂 、 。0 _ o4 _ 59 01 3 5l # u e t ”j 圈2 - 5 角度传感器输入输出特性曲线 4 。运转挟猿裣溺模块 该模块主要怒制用磁敏传感器对电机是否在逡转进行检测。磁敏传感器是 蓦予磁电转换原联的传感器，是稍角霍尔效应进行工作的：当奄流流过导体时 会产生与魄流威比例的磁场，磁场聚集予磁芯，幽予洛伦兹力的l 乍用，电子将 向- n 偏移并使该侧形成电子的积累，另- n 形成：i f 电荷的积累，于是元件的 横囊形成了电场，阻盘意予匏继续淘铡嚣移动，潦电予受到静电场力彝泼伦兹 力相等的时候，电子的积累达到了动态平衡，这时在两端横面之间建立的电场 稼为霍尔电场，褥应的电动势称为霍尔宅劝势。随着集成技术的发展，现在出 现了集成磁敏传感器，分为开关型和线性两种。线性磁敏传感器的输出电压随 外加磁感_ 陂强度变化呈线性变化，它内部集成了霍尔元件、差分放大器和射极 强髓器，鸯疑还有稳匿部分，翔国产戆线魏磁敏捷感器c s 8 3 5 ；开关型磁敏传感 器把霍尔元件、羞分放大器、整形电路、输出电路、电源电路集成在一起，如 鹫产豹开荧墅磁敏传蓉器c s 8 3 7 、c s 8 3 9 、c s 6 8 3 7 、c s 6 8 3 9 。当矫翔磁感庭强度 增大到导通磁感应强度的时候，电路输出电平出高变低，当逐渐减小到截止磁 感斑强度时电路输出电平出低电平翻转为满电平，因此开关型磁敏传感器在外 静瞄黼 i l 粼 喘 加磁感应强度变化对就会不断输出数字脉冲。 如图2 - - 6 所示，当电机运转的时候，它周围的磁场强度周期性交替变化， 磁被转感撼c s 8 3 7 褥接受爨该交馨变识戆磁感应强凄，产生交蝥燮七豹熬净售 号，经射极跟随器v t l 送往“可再生”单稳态触发器7 4 l s l 2 3 ，脉冲输入它的b 端，使触发器的输出端傈静t d = 0 7 5 r i $ 岛时闻长发的菲稳定状态( 高电平) ，如 果连续触发，触发脉冲的时间间隔小于t d ，输戡端将持续保持高电平状态( 非稳 定状态) 。如果触发端b 的电平保待某一电平不变，则单稳态触发器输出端恢复 稳态羧出，罄低电乎。当电援箨止运转，镶戏磁敏传感嚣c s 8 3 7 熄接收不到交 瞥的磁感成强度变化，接收不到周期性变化的脉冲信号，开关管v t i 断歼，触 发端b 的输入电平保持裔电平，肇稳态触发器因没有谈皴发嚣输积诋毫乎，控 制电平u o u t ：被与门电路切断，u o u t 持续为低电平，从而被微处理器检测到，就 可作出相_ f 澎的报警和反馈动作。 豳2 - 6电桃运转状态检测示意篷 该传感爨除了响应对麟抉、瀑发漂移小，线性发葛，续掏麓单於，还具骞过 电流保护，输入和输出量隔离，直流和交流电的连续测量的特点。成用领域涵盖 交频器，稳压电源，毫浑瓿，u p s 豢统，激光n _ - e 装餐，稳菠控铡装嚣，王鼗j l 机器人，马达过载僳护，地线漏电流检测，车辆检测( 电池电流，交流发电机监 测) 以及能源管理系统，其有巨大的发展潜力和广泛的应膊领域。 2 。3 2 系绕方案设计 1 前向通道设计 藩舞遴遥懿主簧任务怒莱集毽号著对箕遴行懿壤，转羧必逶台徽处理嚣处理 的信号。信号采集主要由传感器来完成，将各种物理量转化为电量；信号处理主 要由信号簸毽电路和a d 转换单元米完成。信号处瑗电路将传感器输出的检测信 号避行放大、滤波、调制，得到稳定且符合a d 转换器量程范围的模拟信号，a d 转换单元遴季亍模数转换鹾得到数字信号，然后输入微处理器即可进行处理。因 此前向通道的设计主要是传感器的选择、信号处璁电路的设计和a d 转换单元的 设计，应_ 嘏豢系统要求选择合适戆转惑器，若需要售号楚毽煲l 设计穗应豹信号处 理电路，然后选择合适的a d 转换器，并设计相应的硬件接口电路和转换软件。 2 数据簸瑾系统设计 数掘处理系统设计主要是列系统采集的数据进行处理：转换、计算、存储、 上传等，主要由软件实现，具体参见软件设计。 3 嚣自遴遭设计 后向通道的主要任务是将系统输出的控制信号转化为执行部件所需的驱动 傣号。镦橇系统输出酶蕊数字萋，嚣重比较徽弱，不麓蠹搂驱魂弧行部镬：，需要 对系统输出的控制信号进行数模转换，缀过放大驱动单元放大后爿能输出给执 行部件。数模转换由d a 转换嚣米完成，然后经放大驱动单元后输入执行部件。 蓐囊通道设计主要是根据系统要求选择摆应糖度的d a c ，并设计提应豹凝动放 大电路。 4 。糖互潺遘设计 相互通道是指单片机成用系统中相互之间或单片机和微型机实现通信、控制 的绩臼电路。本系统采篇阮视为上位丰凡，革片梳为下位枫，相甄之闻需爱进行 通信。相互通道设计主要包括通傣信号电平转换电路、通信通道扩展电路和通信 软件设计。 1 4 第三耄系统硬佟亳路研究与设讨 测控系统的设计包括测鬣原理设计、硬件设订“和软彳牛设计。萁中硬件酾设计 是实现系统功能和服理的基础，与软件密切相关。对硬件系统的设计应综合考虑， 合瑾窥翔系统硬荇与软件的分工与聚合，飘焉实凌系统资潆静傀纯配置。 3 1 测控系统的功能分析 根据测控系统的总体设计方案应用系统主要包括以下几项基本功能： 1 信号采集及转换 在测控系统的前置级，被测量被转化为电压电流信号成数字脉冲并交给数 强懿理革元逡行处理，因就溅控系统中登须装备穗应熬薅号聚集逶邋嬲接蜀以完 成对测量信号的采集和数字化转换，进而将其交给数据处理单元进行数据处理。 2 数据处琏与运算 在完成对被测信号的聚集以最，数据处理单元对所采集灼数据进行处理，然 后根据测控系统的艇体功能要求作相应处瑕：存储、上传、报警等。 3 数据蕊簸与逶弧 测控系统为了实现远躐离监控需建立多点测量的网络化测控，系统应配簧相 应静通诿跤日电路，并采用一定的遴信傍议与上位徭逶行稳输与命令交互。 4 系统输出与人机交互 测控系统数据处理结束后对数掂输出，若超限剐报警并自动控制执行部件， 嗣孵在嚣秘王 乍方式下部可以接受键袁撂令及a 极交互。 3 2 硬件系统组成单元设计 3 2 1 处瓒器嘲嘲 零系统选用a t m e l 公司的的a t 8 9 c x 系列微处理器。该系列微处理器属予8 位c m o s 微处理器，采用高密度、；e 易失存储技术制造，并与应用广泛的m c s 一5 l 单慧襁熬g | 辫霹撂令系统突全蓑容；支持蕊耱较l 孛爵选瓣省魄攘式，工作时镑高 达2 4 m h z ；片内具有4 8 1 6 3 2 k 字节的快闪可编程擦除只读存储器( f p e r o m ) ， 可循环写入擦除1 0 0 0 次，所存储数据的傈存时闻为l o 年：实时控镪与处理豹功 能蜒热完蛰，嚣孵瞧大大锈化了系统豹硬件配置，蛙馀比离，为缀多嵌入式控铡 系统提供了种灵活且价廉的方案。 3 。2 2 译褥揆获嘲3 在测羧系统中，存在糟多片集成电路芯片，每片芯片都有自己的地址，当微 处理器对这些芯片操作时，需要通过这些筑丘来逡中这些芯片，将它们连接到系 统总线上，译码电路就是来实现这些功能的。常用的译码电路商7 4 l s l 3 8 、 7 4 l s l 3 9 、7 4 l s l 4 5 、7 4 l s l 5 4 等。其中7 4 l s l 4 5 为4 - 1 0 译码器，而且输出为o c 门，不爱曼羚捷驱貔器，在零系统审数数弱管动态幸蔓接、驱动孛藏怒用筑该芯片， 每次只有一个低电平的y i 有效，i = ( a 凡a i b 。 3 ，2 。3 总线驱动壤块“篱 在应用系统中，系统扩展的所有外围芯片都是通过总线驱动的，外围稿片工 作时有一个输入电流，不工作时也有漏电流存在，因此总线只能驱渤一定数堂的 电路。如m c s 一5 1 攀片援鞠日可以驱动8 个l s t t l 瞧路，磁其他日可以驱动4 个 l s t t l 电路。当系统负载过大时，可能造成驱动能力不够而使系统不能可靠的工 俸。对予本系统，扩展豹蕊片数怒：i 霪了冀骥动能力，教嚣要扩展。 p 2 o 21 p 2 。2 p 23 p 2 4 p 2 。5 2 。8 p 2 7 6 1 ，g 2 y c c 6 i i a 8 b a 1 0 a i i 舂l 芝 1 3 1 4 m 5 i，篓 i 强 ；强 1 9 1 l g c c g 蛐 1 0 d l d 2 丑3 髓 ) 5 d 6 d 7 圈3 - 1a 单向总线驱动器 b 双向总线驱动器 圭氇蛙憨线和擦铡总线为攀定总线驱动，并其套三态输窭，驱动爨骞一个控裁 端g ，以控制驱动嚣丌通或处于高黻状态，通常在单片机系统中没有d m a 功能时， 璃疑、控翎总线可蛊处予开通状态，遮辩控制灞g 接绝即可。常用的革向驱 动器有7 4 l s 2 4 0 ( 豢反向输出) 、7 4 l s 2 4 1 、7 4 l $ 2 4 4 ：数据总线驱动器为双向驱动、 三淼输出，并有控锘4 端控制数据传输方向，数据输出允许控制端有效时，数据总 线输入裹骥状态，输出为嚣通装态。零爱数双淘驱动器为7 4 l s 2 4 5 ，g = 0 时i r 控制驱动器的驱动方向，d h = o 时聪动方向为a b ；d i r = i 时，驱动方向为b a 。 故在单片橇系统中，p o 日的驱动竭欲自驱动器7 4 l s 2 4 5 ，镬廊接戆傈证芯片一 直处予工 鏊羧惫，瑟竣入输出弱方奶控制出单冀娥弱鼢、p s 刚控制通过与 1 控制，当读数据程序存储器时，可保证p o 口的输入驱动，其他小t l b j 保证p o 口 的输出驱动，p 2 翻只耀俸建圭盎簸如目，数箕焉攀囱驱动器7 4 l s 2 4 4 量它懿驱动 门控端6 1 、g 2 接地。接口电路如图3 - 1 所示。 3 2 4 存储器模块钟“3 半导体存储器按其数据存储特性可分为： ( 1 ) 只读存储器r o m ： 搀电矮数提绥l 保存，系统上遗螽c p u 可以从宅读致指令技行。按其绽程方 法，又可分为掩膜r o m ( 在制造过程中编程) 、p r o m ( 一次性可编程存储器) 、 e p r o m ( 紫外线可擦除存诺嚣) 。主簧麓予曩乏登生产熬汤合。 ( 2 ) 可读写存储器r a m 一般用作数据存储器，掉电后数据全部丢失。可分为静态r a m ( g r a m ，常用 静有6 i1 6 、6 2 6 4 、6 2 1 2 8 、6 2 2 5 6 等) 和动冬r 勰( d r a m ) 。d r a m 用予存绪容爨较大 的系统中，该类芯片容量大、功耗低、价格便宜，但由于麒芯片引脚有限，行、 列缝蛙共瘸一圭氇缓g | 辫悉蜷舞嚣了接簇逻辑，宅是纛魄容来存储售惑，瑟电容郡存 在漏电流，需要定期按原来的存储信息不断充电刷新，因此必须有刷新逻辑，而 虽它有致命的缺点极荔受干抗。由于对井乔环境、控制逻辑、f = 蠢源质蕊的要 求较赢，因此在工业测控现场很少用d r a m ，丽用g r a m 。 ( 3 ) 不挥发性读写存储器 襞露渡写又可在搏惫嚣售惠不丢失。p r o m 是邀可擦豫、霹壤毽翡只读枣 ；奏 器，在工业测控现场它主要用来存放允许以较慢速度写入的重要数据，且可以在 线擦写，程调试除袋应嗣较方便，常瑶芯片宥2 8 1 6 2 8 1 6 a 、2 8 1 7 2 8 1 7 a 、2 8 6 4 a 等；n o v r a m 是不撵发随机存储器，相当予带有电池保护电路的g r a m ，可以快速 写入数据，掉电届数据不麓失，比e 2 p r o m 读写速度快，邋台用于存放高遽采集 数撼，由予它可戮在线掺改，在运孳亍期闽被像存数据的可纛性远不如e p r o m ，因 此不宣用米存放长期运行的程序代码。 ( 4 ) 特殊存镶器 有加密型r o m ( k e p r o m ) 加密的关键字有2 “种，固化的程序无法读出和复 制，典型芯片为2 7 9 1 6 1 6 k 8 ；多端口r a