带材卷绕张力控制系统设计.doc

带材卷绕张力控制系统设计摘要张力控制系统是以卷材为材料的生产机械上最重要的控制系统，不论产品是纸张、塑料薄膜、纺织品、橡胶片或薄钢板卷材，都是在一定的张力控制下被输送到设备，且在一定的张力下被卷取。在以数字PID为核心的张力控制系统中，在矩阵键盘以及液晶显示器的帮助下，输入需要的数据后。张力传感器检测电路得到模拟电压信号，该信号经过放大、滤波、电压跟随后送入10位A/D转换器进行模数转换，得到数字信号，该数字信号送入AVR单片机进行PID等算法运算后，再经过12位D/A转换后得到模拟信号，该信号用于控制电机。 同时，还设计了一个以模拟PID为核心的张力控制系统。通过给定张力与反馈张力之差，经过模拟PID调节器后输出给变频器。变频器根据控制精度的要求，工作在闭环速度控制。这种模式采用过程PID，直接进行张力控制，原理简单、调试方便。还用Multisim 9仿真了模拟PID。关键词：张力传感器检测，PID，AVR单片机注：本设计题目来源于教师的企业科研项目，项目编号为： Abstract Tension control system is the most important control system, which is based on membrane materials. Whether the product is paper, plastic film, textiles, rubber sheets or thin steel sheet, they all are transferred to the device, and is under a certain tension take-up.With the help of matrix keyboard and LCD display we can input required data. So the tension sensor detection circuit can receive an analog voltage signal. The signal after amplification, filtering, voltage follower, which come into 10-bit A/D converter for analog-digital conversion. It may get digital signal. The digital signal come into MCU, which may operate by PID algorithm or more. The result through the 12-bit D/A conversion turn into analog signal. The analog signal is used to control the motor.At the same time, I also designed a tension system at the core of the PID control. Through setting tension and feedback tension,which come into analog-PID regulator.The analog-PID regulator output to the inverter. The Inverter under control accuracy requirements is working in closed loop speed control. This model uses the process PID. The direct tension control is simple and convenient debugging. It simulate the tension control system with the help of Multisim 9.Key words：Tension sensor detection, PID operation, AVR MCU目 录1 绪论11.1 张力控制系统概述11.2 张力控制系统的国内外发展现状及应用11.3 课题的目的和意义21.4 本课题的主要工作32 张力控制系统总体方案设计42.1 张力分析42.2 张力控制系统原理52.3 张力控制系统控制方式选择62.4 张力控制系统控制器方案选择62.5 张力控制系统需求分析73 张力控制系统硬件设计93.1 硬件设计需求分析93.2 数字PID为核心的硬件设计113.2.1电源电路硬件设计113.2.2张力传感器检测硬件设计123.2.3信号处理硬件电路设计133.2.4A/D转换硬件电路设计153.2.5单片机系统硬件电路设计163.2.6D/A转换电路硬件设计193.2.7键盘输入硬件电路设计213.2.8显示电路硬件设计223.3 模拟PID为核心的硬件设计233.3.1模拟PID调节器硬件设计233.3.2模拟PID系统仿真303.3.3变频器314张力控制系统软件设计334.1 主程序及初始化子程序334.1.1主程序334.1.2 初始化子程序334.2 PID算法程序344.3 采样程序364.4 数模输出程序384.5 矩阵键盘子程序404.6 显示子程序40结论42参考文献43致谢44附录A45附录B471 绪论1.1 张力控制系统概述张力控制系统往往是张力传感器和张力控制器的一种系统集成，目前主要应用于冶金、造纸、薄膜、染整、织布、塑胶等线材或带材设备上，是一种实现恒张力或者变张力控制的自动控制系统，其作用主要是实现辊间的同步，收卷和放卷的控制9。这种控制对设备的各运行阶段都必须保持有效，包括设备的启动、制动、加速、减速及稳定运行和扰动阶段。即使在紧急停车情况下，它也有能力保证卷材不产生严重损坏。张力过大会造成加工材料的拉伸变形甚至断裂，对于绝大多数卷绕系统来说，卷绕过程中卷材断裂所造成的损失是巨大的。以卷筒纸为例，为了使印刷过程稳定，必须保持纸带张力恒定不变并且有适当的大小。张力太小会导致皱褶、套印不准等弊病；张力太大会无谓增加机器负荷，并容易使纸带断裂。而张力不稳定会使纸带发生跳动，也会导致套印不准、重影等问题。例如在化纤纺丝工艺上所需求的不同拉伸比，就需要相应的张力来实现。为了使织物的质量稳定，张力在整个过程中应该保持稳定，波动过大就会影响产品的质量。若张力过大，可能造成化纤网格增大或因应力过大而降低使用寿命；若张力过小，可能使织物过松而引起皱褶或者跑偏，大大降低了产品的质量。张力过小会使卷取的材料层与层之间的应力变形，造成收卷不整齐，影响加工质量；张力大小不稳定会使卷材线速度变化及卷材的松紧程度不同，导致成品率低。因此，张力控制是造纸、塑料、纺织工业等卷绕自动化生产线中的关键技术。1.2 张力控制系统的国内外发展现状及应用早期的张力控制系统受技术水平和设备的限制，大多数系统采用模拟量控制，其控制方法以电流电势复合张力调节系统和最大力矩张力调节系统为主。近几年来，随着各类卷绕系统控制技术智能化、自动化的迅猛发展，很多企业都将高性能的控制器如MCU(微控制器)、PLC和工业PC等引入张力控制系统中来，出现了大量的数字式控制系统8。国外大部分卷绕系统都已实现了微型计算机控制，而在国内某些低成本的卷绕系统中数字化的程度还较低。大多数高精度的张力控制系统都采用张力环和速度环的双闭环控制结构。在控制算法方面也一改以往单一的PID控制局面，改进的PID控制、模糊控制、最优控制、神经网络控制、自适应控制、鲁棒控制等控制思想和控制手段的应用6，使得张力控制系统朝着更高的控制精度发展。另外，张力控制系统结合了最新的电力电子技术，检测技术，数字控制技术于一身，向着多功能，一体化，产品系列化的方向发展9。相对来说，国外张力控制系统设备不仅对于卷取过程中张力有严格精确的控制，而且对于初始建立张力、抛尾过程张力都有较好的控制，并且有友好的人机界面，完善的功能，如缓冲启动、防松卷功能、手动/自动控制、模式选取、控制参数的保存和调用、自诊断模式、多种通讯接口等，但是价格却相对昂贵8。国内的张力控制系统基本停留在手动随机、随时控制的水平上，有部分采用模拟检测、模拟放大控制输出的产品，可控性和人机界面差，控制精度不高，迫切需要更新换代。1.3 课题的目的和意义本课题以在带材卷绕过程中实现张力控制为目标，提高带材生产过程中的带材质量，特别对于次品率的控制，确保带材产品的合格与优良性。张力控制精度对带材成品的质量有很大的影响，张力过大会造成带材的拉伸变形；张力过小会使带材材料的层与层之间的应力变形，造成收卷不整齐，或者处理尺寸不准等弊病，影响加工质量；张力大小不稳定会使带材产品跳动，导致带材尺寸不准或带材变形等生产故障。因此，为了保证生产的品质、效率及可靠性，必需要有一套功能完备的张力控制系统来引导产品加工过程。因而，收放卷作业的张力控制，便成为通用的基础技术。张力控制的作用就是在带材生产处于动态处理过程中时，使卷材保持合适的张力，抑制外来干扰引起的张力抖动。当前，我国张力控制系统的档次不断提高，生产对张力控制系统的稳定性提出了更高的要求。此时的张力控制不但用于收卷、放卷，而且也用于生产过程中，目前国内产品还满足不了要求。要求张力小而准确，稳定性要高，对张力控制器提出了更高的要求。这几年，国内对张力控制系统的研究越来越多，并提出了种种问题及其解决方案，市面上也有各种型号的张力控制器，但一般控制精度较低，功能单一，其产品的档次仍然不能与国外的同类产品相媲美9。当务之急是要吸收和借鉴日本及欧美国家当今最新型张力控制器的优点和设计方法，结合当前最新的研究成果，设计出在性能和可靠性方面可以与国外同类产品相媲美的张力控制器。1.4 本课题的主要工作 我的工作主要完成带材卷绕张力控制系统的总体方案设计，软硬件设计等。具体的工作容如下： (1)完成系统的总体方案设计。根据任务要求确定系统的总体框图，以及系统分成几个模块，各个模块的基本要求是什么。(2)方案各个模块的硬件设计。根据各个模块的要求，确定实现功能的方法。并且对各个核心器件进行具体的选型，器件的选择既要能满足系统的要求，还要重点考虑价格以及通用性能等。最后得出整个系统的原理图。(3)对系统模块进行程序设计。对系统进行程序设计，首先对主程序进行设计，然后对各个模块进行设计。核心器件的驱动程序的编写要模块化，标准化。最后再将各个模块的程序进行整合，实现整个程序编写工作。(4)用Multisim 9这个模拟仿真软件，仿真了模拟PID，通过仿真更好的完善了设计，并且也验证了设计的正确性。 2 张力控制系统总体方案设计2.1 张力分析 张力控制系统实质上是一种输入量按某种可调节的衰减规律而变化的特殊的随动系统9。张力的控制可以说是卷绕系统控制的核心，要实现良好的张力控制，建立一个数学模型进行分析是必要条件。通常，我们假定卷材在传动辊上没有滑动摩擦，只有粘滞摩擦，卷材的线速度等于胶辊的线速度。考虑两个连续胶辊，从前一个胶辊的第一接触点到后一个胶辊的第一接触点之间的张力分布，如图2.1所示，该分析对放卷、收卷乃至牵入和牵出过程都是适用的8。 图2.1张力模型 由胡克定律可知， (2.1)式中：T是卷材内的张力，是卷材的横截面积，是杨氏弹性模量，L传动点之间的距离，是卷筒的线速度，是卷筒2的线速度，t是卷材传送时间，。应当注意的是，弹性模量会随着温度和湿度等环境的影响而改变。可见，卷材在作为张力调节对象时，是一个积分环节。在启动过程中，我们总是控制，以使卷材内产生一定的张力，当卷材达到我们所要求的合适张力后，应该及时调节动力机构使凡稳定，这样，卷材就在此张力下稳定运行。实际系统中，卷材上的初始张力是借由轻质浮动辊上相连的弹簧或者低摩擦的气缸产生，如图2.2所示：图2.2张力的产生在系统运转之前通过弹簧或者气缸设定卷材上的初始张力值F，设卷材张力为T，浮动辊重力为G，气缸摩擦力为关系统的力平衡方程如下： (2.2)当系统加减速时，需要保持卷筒1和卷筒2的线速度相等，即以保证卷材不会在过程中由于张力过大而受损。在主电机速度稳定后，通过控制的大小使浮动辊保持在设定的初始张力位置。当由于扰动使得卷材上的张力产生变化时，浮动辊的力平衡被打破，张力增大时浮动辊会向上方运动，张力减小时浮动辊会向下方运动。此时只需要保持不变，调整的大小便可以调整卷材上的张力大小。调整后的张力又反过来影响浮动辊的力平衡，直至浮动辊返回原位，即张力为F时位置，则张力扰动就被消除了。因此张力控制系统实际上也是线速度跟随系统。2.2 张力控制系统原理 无论多么复杂的系统，其张力控制原理上总是大同小异，因此可以用一个简化的卷绕机构来说明张力控制的原理，如图2.3所示。图2.3 典型简单张力控制系统示意图张力控制装置整体可以分为三部分：(1)张力/速度检测装置；(2)控制装置；(3)执行机构及驱动器。张力/速度传感器根据不同的场合和控制要求进行选择。执行机构又分为收卷机构和放卷机构，两者在有的系统中可以互换。控制器是系统的控制核心，它将速度、张力等传感器采集来的信号进行处理，通过与事先给定的控制指标进行对比，按照一定的控制策略进行数据处理，实时调整控制信号，通过放大环节来控制执行机构，最终完成对张力和速度的调整。根据执行机构的不同张力控制方式可以分为电机张力控制系统，电液张力控制系统，磁粉张力控制系统等。在实际生产中，实现卷绕机构的张力控制主要有三种： (1)采用张力传感器直接测量加工物的张力，构成张力闭坏，或者直接检测加工物的线速度，构成线速度闭环。称为直接法； (2)由于引起张力F或者线速度V变化的主要扰动量是卷径D的变化，所以可以采用扰动补偿控制。称为间接法； (3)复合控制，结合以上两种方法。不管采用那种控制方案，都必须设置检测装置，构成控制闭环。这在实际生产中常常带来许多困难，即使采用扰动补偿控制也是如此。2.3 张力控制系统控制方式选择按照控制方式可分为开环控制、直接闭环控制和间接闭环控制8。(1)开环控制指的是事先按照张力变化规律设定电机的运行参数，不需要张力反馈环节，价格低廉，但是控制精度低，无法抑制干扰；(2)直接闭环控制指在实际生产过程中，将被调量即张力进行反馈，与给定张力相比较，然后利用差值作用在调节器上，对被控对象进行调节，使输出张力满足实际需求；(3)间接闭环控制不用张力传感器，而是通过电机电流和转矩的关系，通过控制电流来控制力矩，进而达到控制张力的目的。由于闭环控制的抗干扰能力强，控制精度高，目前先进的卷绕系统均采用闭环张力控制。因此本系统采用直接闭环控制方式。2.4 张力控制系统控制器方案选择由于现代技术的不断发展，出现了适应不同要求的控制器。大体上分为传统控制器(即模拟控制器)、计算机或微机控制、工控机或PLC控制器、嵌入式微处理器控制等，并且各有优缺点。(1)传统控制器(即模拟控制器)控制方便，所用的元件数少，价格便宜。但是灵活性差，很难实现复杂的算法，通用性也差，但是由于其价格便宜优势，应用也比较多； (2)计算机或微机控制器很方便实现复杂的算法，强大的浮点运算能力，通用性也比较强。但是对于工作要求比较严格的时候，它是不能够满足要求的； (3)工控机或PLC控制器是当今应用最广，可靠性最好的控制器。但是有价格高，体积大等缺点9； (4)嵌入式微处理器控制器是新兴的应用于工业的控制器，它可以方便实现各种算法，并且运算能力很强大，价格也比较便宜，通用性也很好。最主要的缺点是可靠性比PLC，工控机差。但是可以通过科学的设计来把可靠性差的缺点减到最小。综上所述，本系统采用嵌入式微处理器作为控制器的核心是符合控制要求，同时也适应了时代发展的需要。由于传统控制器，价格便宜，应用也很广泛，因此也设计了一个以模拟PID为核心的控制器。2.5 张力控制系统需求分析这个张力控制系统要求设计以数字PID为核心和以模拟PID为核心的系统(1)数字PID为核心张力控制系统通过上述分析，可以确定本系统采用的是直接闭环控制以及控制器核心为嵌入式微处理器，并且微处理器具有强大的运算能力，控制复杂的系统有不可比拟的优势。为了能够控制张力控制系统的运行，必须有键盘输入控制系统的运行。为了方便了解张力控制系统的运行情况，必须有显示器。本设计要求通过矩阵键盘以及显示器的帮助下，输入需要的数据后。张力传感器检测电路得到模拟电压信号，该信号经过放大、滤波、电压跟随后送入A/D转换器进行模数转换，得到数字量信号，该数字量送入嵌入式微处理器进行PID等运算，再经过D/A转换后得到模拟信号，该信号用于控制执行器。因此本系统包括键盘、显示器、张力传感器检测、A/D转换及放大、嵌入式微处理器、D/A转换、执行器。综合以上分析，可以设计出以嵌入式微处理器为核心的系统的方框图如图2.4所示。图2.4数字PID为核心张力控制系统框图(2) 模拟PID为核心的张力控制系统 由于以模拟PID为核心的张力控制系统，控制方便，并且价格便宜，控制灵活，易于实现模块快控制。模拟PID为核心的控制器要求包括模拟PID调节器，变频器，电机，张力传感器组成。本设计要求通过给定张力与反馈张力，经过模拟PID调节器后输出给变频器。变频器根据控制精度的要求，工作在闭环速度控制。这种模式采用过程PID，直接进行张力控制，原理简单、调试方便。 综合以上分析，可以设计出以模拟PID为核心的系统的方框图如图2.5所示。图2.5模拟PID为核心张力控制系统3 张力控制系统硬件设计3.1 硬件设计需求分析1、嵌入式微处理器为核心的张力控制系统由于张力控制系统包括键盘、显示、张力检测、嵌入式微处理器、A/D及D/A转换等各个模块。(1)键盘由于本系统需要输入的数据为09，并且还要留有六个功能键，因此用16个键盘。 方案1：采用独立的16个键盘，但是由于CPU的I/O线比较少，因此采用这个方法不可行；方案2：采用矩阵键盘可以减少对I/0口线，只需要用8个I/O口，CPU I/O口线可以提供8个；因此，在这个系统中键盘采用44矩阵键盘。 (2)显示方式选择本系统要求显示器的体积小，重量轻，耗电小，低电压，可以显示中英文，显示行数不小于3行，并且需要显示张力变化曲线。方案1：采用LED显示，不能显示中英文，因此不符合要求；方案2：采用CRT显示器显示，重量过重，并且耗电量大，体积大，因此不符合要求；方案3：采用LCD显示器显示，LCD显示可分为字段式，点阵字符式，点阵图形式，由于要求显示中英文，所以可采用点阵图形式，并且要求显示行数不少于3行。因此，符合设计要求。所以本系统设计采用的是RT12864M汉字点阵图形。 (3)张力传感器检测由于本系统得到的信号要送入A/D转换器，因此采用的是模拟量输出方式。张力伺服控制系统中所用的张力检测单元一般为力传感器式和气压浮辊式两种。方案1：力传感器式张力检测单元是通过检测轮将卷料张力以微变形的方式反映到压力传感器上，然后通过应变检出装置检出张力，再将信号经放大后送张力控制运算单元处理。由于传感器自重及检测轮及卷料的重量的存在，即使张力为零，力传感器的输出也不为零，而是随传感器安装角度、检测辊的重量及卷料的重量变化，因此必须调节传感器的零位。基于此单元是以微变形检测张力，因此当处于平衡态的系统受到较强扰动时，系统一般瞬间来不及发生反应，卷料上张力的变化幅值较大，对张力控制系统尽快重新进入平衡不利。方案2：气压浮辊式张力检测单元可以克服较强扰动时，系统来不及反应的弱点。很显然，方案2更加符合系统设计需求，由于采样更加准确，并且模拟量输出信号。因此，选择气压浮辊式张力检测方式。(4)嵌入式微处理器由于本系统要求可靠性高，并且要求内部有ROM（约为15KB），RAM（约1KB），以及EEPROM（约500B），支持SPI通信，工作时钟要达到12MHz，因此本系统采用的是ATmega 16微处理器7。(5)A/D 转换本系统要求分辨率要达到5mV，因此A/D转换芯片的位数是10位，并且要求转换芯片是串口通信的。因此可以选用美国德州仪器公司生产的TLC1549系列，它具有串行控制、连续逐次逼近型的模数转换器，它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口，其中三态输出分别为片选(CS低电平有效)，输入/输出时钟(I/O CLOCK)，数据输出(DATAOUT)。(6)D/A 转换本系统要求输出电压分辨率要达到2.5mV，并且要求D/A芯片的基准电压为-10+10V，本系统采用的是12位的D/A转换芯片才符合要求。并且要求可靠性高，货源充足，通用性强。因此，选择TLV5616，它是TI公司生产的12位电压输出型数模转换器(DAC)，具有灵活的四线串行接口，转换时间为39us，最大功耗2.1mW，可编程建立时间短，2倍增益rail-to-rail输出。具有两种封装形式：SOIC和TSSOP。由于TLV5616采用2倍增益rail-to-rail输出方式，当用户需要输出05V的模拟量时，基准电源为2.5V，用户需要输出010V的模拟量时，基准电源为5V。综上所述，硬件组成如表3.1所示。表3.1 数字PID为核心系统硬件组成名称选择型号或方式键盘44键盘显示器RT12864M（LCD点阵型液晶）张力传感器检测方式气压浮辊式微处理器ATmega 16单片机A/D转换TLC1549（10位，串行通信）D/A转换TLV5616（12位，串行通信）执行器电机 2、模拟PID调节器为核心的张力控制系统由于整个系统包括张力检测、模拟PID、变频器、三相交流电机组成。 (1)张力检测方式有力传感器检测方式和气压浮辊式两种，由于气压浮辊式检测方便，易于获得模拟电压信号，应用也广泛。因此，本系统张力检测采用气压浮辊式。 (2)模拟PID调节器采用的是集成运放，以及电阻，电容等常用模拟器件搭建。 (3)变频器型号非常之多，本系统采用的是三菱公司生产的产品，因为三菱公司生产的产品可靠性非常之高，并且也符合系统的要求。采用的型号是FRA5401.5K变频器。该产品功率可达1.5 kW，采用先进磁通矢量控制方式，实现自动调整功能，可拆除接线端子，维护方便；内含柔性PWM，实现更低噪音运行；内置RS485通信口等多种先进功能。(4)电机采用的是三相交流异步电机。综上所述，硬件组成如下表3.2所示。表3.2 模拟PID为核心系统硬件组成名称选择型号或方式张力传感器检测方式气压浮辊式模拟PID集成运放，电阻，电容等模拟器件变频器三菱公司的FR-A540-1.5K执行器三相异步电机3.2 数字PID为核心的硬件设计3.2.1电源电路硬件设计1、设计依据由于本系统采用的是外部输入电压+24V，但是系统需要的电压等级为5V，+12V，-12V，以及A/D和D/A电压基准5V，并且整个电路的最大驱动电流不会超过1A，因此24V转为12V可以采用比较通用的电压转换芯片7812C。5V系统所需要的最大电流不会超过500mA，因此12V转为5V电压转换芯片7805。-12V系统所需要的最大电流不会超过100mA，12V转为-12V，所以在这个系统中采用的电压转换芯片为MIC4680B。MIC4680B不仅输入电压范围宽，转换的效率也是达到95%，价格也比较便宜，货源也很充足，工作稳定性也很高。A/D和D/A电压基准5V选用MAX6143AASA50，该电压芯片输出电压范围为4.99705.0030V，这个电压非常之精确，温度变化对该芯片的工作影响很小。2、设计电路图根据以上设计依据，以及各个芯片的电气特性，设计出如图3.1的电路图：图3.1 电源硬件电路图3.2.2张力传感器检测硬件设计 气压浮辊式张力检测单元通过对连接在检测辊浮动摆臂上的弹簧及阻尼机构的调节来检测卷料的张力，当弹簧及阻尼机构设定后，摆臂上的弹簧及阻尼机构推力F1即为定值，如浮动辊上的卷料拉力2F（F为卷料张力）加摆辊重力的水平分量不能与F1平衡，则摆臂即偏离原来的位置，而使连接于摆臂端的电位器发生偏转，忽略摆辊重力的影响，此偏转即为实际张力与设定值的偏差。通过张力伺服系统控制纠偏后，浮动辊应停流在图示的平衡位置，此时，摆辊重力的影响亦自然消除，实际卷料张力与期望值相等。处于平衡态的该类系统，当发生较强扰动时，如系统瞬间来不及发生反应，则卷料上的张力波动可暂时因浮动辊的偏摆而得到有效缓解。浮辊式电路图如图3.2所示。图3.2 浮辊式为张力检测单元原理图只要在连杆的活动端接有电位器，将浮动辊的位置变化转换为电阻值的变化。这种方式检测精度取决于模数转换器以及信号处理电路的精度。3.2.3信号处理硬件电路设计1、设计依据由于张力传感器送来的信号非常微弱，通常只有几个毫伏，所以在将张力传感器传送来的张力信号送入采集模块A/D之前，必须要经过信号放大环节。这部分的运算放大器我们采用了OP-07。OP-07是一种低失调低漂移运放，其输入失调电压和失调电流也比较小，所以其运放精度也相当高，很适用于微弱信号精密放大。而且这种运放货源十分充足、价格便宜。通过OP-07放大的信号含有很多高频分量，还必须经过滤波，加大负载能力才能接入A/D转换器，所以设计了型低通滤波器以及电压跟随器。2、设计电路图设计电路图如下图3.3所示。图3.3 信号处理硬件电路原理图电路分析如下：(1)OP-07组成的放大电路 设张力传感器传送的张力信号为;，则经过放大后输出信号为：(3.1)当张力信号在010mV范围内波动时，经过放大后的张力信号在05V之间，所以信号经过放大、滤波、加大输出信号电流驱动能力后可以直接对其进行采样。(2)型低通滤波器及电压跟随器低通滤波器的截止频率，电压跟随器加大了采样信号的电流驱动能力，因为得到的模拟信号电流驱动能力可能不足。 (3)Multisim 9仿真 利用Multisim 9仿真软件仿真验证如下图3.4所示：图3.4 信号处理电路Multisim 9仿真输入为5mV，输出应为=5492=2.46mV，根据上图分析可知。很显然设计是符合要求的。3.2.4A/D转换硬件电路设计1、设计依据由于TLC1549采用CMOS工艺。内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且开关电容设计使在满刻度时总误差最大仅为1LSB(4.8mV)。TLC1549在工作温度范围内的极限参数：电源电压范围：-0.5 V6.5 V；输入电压范围：-0.3 VVCC+0.3 V；输出电压范围：-0.3VCC+0.3 V；正基准电压：VCC+0.1 V；负基准电压：-0.1 V；峰值输入电流：+20mA；峰值总输入电流：30mA；TLC1549工作原理：TLC1549具有6种串行接口时序模式，这些模式是由I/O CLOCK周期和CS定义。根据TLC1549的功能结构和工作时序，其工作过程可分为3个阶段：模拟量采样、模拟量转换和数字量传输。其读取时序图如下图3.5所示：图3.5 TLC1549时序图2、设计电路图根据以上分析可以设计出如下电路图如图3.6所示。图3.6 A/D转换硬件电路图中的AD_CLK，AD_DAT，AD_CS都接去单片机的I/O口，电容是用来滤波的。3.2.5单片机系统硬件电路设计1、设计依据ATmega 16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。一条指令的执行只需一个时钟周期，与传统的单片机相比较，速度要快很多倍。ATmega 16有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力即RWW)，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C)，片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。(1)复位电路及看门狗电路硬件设计 近年来，微处理器在工业控制领域和智能化产品中得到了广泛的应用。在系统和产品的开发设计过程中。为了提高其抗干扰能力。监控芯片是首选技术措施之一。监控芯片可为系统提供上电，掉电复位功能。也可提供其它功能。如后备电池管理，存储器保护，低电压告警或看门狗等。美国IMP公司生产的系统IMP监控芯片具有功能多，功耗低的特点。而且工作温度范围宽，使用简单价格低廉等优点。IMP706能在上电，掉电期间或手动情况下产生复位信号。它内含一个1.6s的看门狗定时器和4.4V的电源电压监视器。另外。还有一个1.25V门限的电源故障报警电路。可用于检测电池电压和非5V的电源。IMP706引脚图3.7所示图3.7 IMP706引脚图MR(1)：手动复位输入；VCC(2)：电源输入；GND(3)：所有信号的基准地；PFI(4)：电源故障电压监控输入,当PFI小于1.25V时，PFO变为低电平；PFO(5)：电源故障输出；WDI(6)：看门狗输入。当WDI保持高电平或低电平达1.6s时可使内部定时器完成计数, 并置WDO为低；RESET(7)：低电平有效的复位输出；WDO(8)：看门狗输出。如果连接到MR将会触发复位信号； 根据以上综述，可以设计出如下电路图如图3.8所示。图3.8复位及看门狗电路当电源电压过低，或者手动复位，或者看门狗溢出时，输出低电平使单片机复位，加强了系统的可靠性。 (2)时钟电路及ISP下载硬件设计ATmega16已经内置了RC振荡线路，可以产生1M、2M、4M、8M的振荡频率。不过，内置的毕竟是RC振荡，在一些要求较高的场合，要使用外部时钟。本系统由于要求比较高，因此选择外部时钟。一般的下载编程必须将芯片从PCB板取下，放到专用的编程设备上才能将系统的执行代码下载到芯片中，然后再将芯片放回到PCB上，这对于系统调试和生产都非常之不方便。为了解决上述缺点，增加一个ISP下载接口。ISP下载接口，不需要任何的外围零件。使用双排25插座。由于没有外围零件，故MOSI、MISO、SCK、复位脚仍可以正常使用，不受ISP的干扰。设计电路图如下图3.9所示。图3.9 单片机最小系统电路图中MOSI，MISO，SCK既作为ISP下载之用，也可以用于普通的I/O口。为了保证这三个端口能作为普通I/O之用，需要串之3个隔离电阻，阻值在2K左右。3.2.6D/A转换电路硬件设计 1、设计依据TLV5616是一种基于电阻串结构的12位DAC，器件由串行接口、速度和掉电控制逻辑、基准输入缓冲器、电阻串以及满幅度输出缓冲器组成。其输出电压由下式给出： (3.2)满度值取决于外部基准。其中是基准电压，code是在04095范围内的输人数据。上电复位时，最初把内部锁存器复位到预定状态(所有位均为0)。TLV5616管脚图如下图3.10