控制系统设计论文大全11篇

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【关键词】单片机、A/D转换系统设计系统调试

绪论

单片机利用大规模集成电路技术把中央处理器和数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统。而现代的单片机则加上了中断单元、定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。

第1章单片机空调控制系统

随着中国人民环境的改善和人民生活质量的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求，建筑能耗占全社会总能耗的比例巨大且持续增长。据统计，2001年中国建筑能耗已达到3.76亿吨标准煤，占总能耗的27.6%，年增长比例是5%。在发达国家中，供热和空调的能耗很大，可占到社会总能耗的25%-30%。有资料统计，办公楼中空调系统耗能量占总能量的25%左右，所以空调控制系统设计始终是建筑环境与设备领域中的重要研究课题之一。

1.1当前国内研究情况

1）在城市现代化建设过程中，用电结构发生变化，其中用在建筑物空调系统的电力负荷比例日益增加。据不完全统计，北京已有250余幢宾馆、办公楼和50余家大商场采用中央空调，其空调用电负荷达40万kW。相当于华北电网为了调峰，耗资27亿元而兴建的十三陵抽水蓄能电站的1/2装机容量。以广东省为例，现有装机容量已达30万kW,并以每年30%的速度递增，其用电负荷已占总共电量的40%以上。

2）改革开放以来，我国经济的高速发展和人民物质生活水平的不断提高，对电力供应不断提出新的挑战。尽管我国发电装机容量已超过2亿Kw,年发电量已突破9000亿kWh。然而，目前我国电力供应仍很紧张。突出的矛盾是电网峰谷负荷差加大，夜间至清晨谷段负荷率低，而高峰段电力严重不足，有的电网峰谷负荷之差达25%-30%，造成白天经常拉闸限电，夜间有电送不出的现象。

3）由于空调用电负荷一般在电力谷段用量甚少，对城市点昂具有很大的“肖锋填谷“潜力，而在中央空调中，制冷系统的用电量通常占整个空调系统用电量的40%-50%，如以商场为例，每10万m2空调制冷系统的须用电功率约为7000-9000KW。因此，空调蓄冷系统应运而生，并将日益展示他广阔的应用前景

1.2空调控制系统的组成以及基本工作原理

空调系统的基本组成形式可分为三大组成部分，分别是：冷热源设备（主机）、空调末端设备、附件及管道系统。该系统具有制冷、制热、除湿、自动4种工作模式，包括定时、睡眠、风向、智能化霜、应急运转、试运转以及5种可调室内风速等控制功能；在定时开机时，可根据访间温度作智能判断，自动调整定时开机时间，避免开机时太冷或太热；另外，可对设定温度和房间温度两种温度的10个温度值进行同时指示，以及完整的抗干扰和系统保护功能。

1.2.1控制器原理

该系统具有制冷、制热、除湿、自动4种工作模式，包括定时、睡眠、风向、智能化霜、应急运转、试运转以及5种可调室内风速等控制功能；在定时开机时，可根据访间温度作智能判断，自动调整定时开机时间，避免开机时太冷或太热；另外，可对设定温度和房间温度两种温度的10个温度值进行同时指示，以及完整的抗干扰和系统保护功能。

本系统硬件简单可靠，软件具有更完善的控制功能和抗干扰能力。系统具有很高的性能价格比

系统CPU根据遥控器或按键输入的命令，对采集到的温度进行智能判断，然后作出相应的制冷、制热或除温运行。再通过接口电路，驱动压缩机、换向阀、风向电机和室内风机作相应动作，并对温度用LED指示。系统的原理框图如图1所示。

1.3软件设计

软件设计采用模拟化处理，主控程序包括以下几个部分：程序的初始化、试运转、数据和信号的采集与处理、温度LED指示、室内风机的闭环积分控制、室内风向电机的步进控制。功能子程序包括制冷、制热、除湿、自动四种运行模式。中断程序包括遥控接收。各种定时的中断查询处理、速度检测等。系统的主控程序流程如图4所示。

1.4硬件设计

1.4.1单片机的选择

系统有3路温度模拟信号输入，还有1路电压和1路电流模拟输入，共5路模拟输入要求；而模拟信号要转换成数字信号才能用单片机CPU处理。为提高系统的性能价格比，应采用含有A/D转换器的单片机。经过各方面的综合比较，我们选用了美国Microchip公司的PIC16C72单片机作为控制核心。它具有5路模拟量输入的A/D转换器，恰好满足系统的模拟输入要求。另外，它在1块芯片上集成了1个8位逻辑运算单元和工作寄存器、2KB程序存储器、128个数据存储器、3个端口（A口、B口、C口）共22条I/O线、3个定时器/计数器。另外，只有35条易学易用而高效的RISC（精简指令集计算机）指令，同时，芯片具看门狗功能，并提供对软件运行出错的保护。

1.4.2模拟输入电路

本系统直接用热敏电阻进行测温，再加一级电容滤波。对外交换温度检测电路，因其干扰较大，特加上二极管限幅保护。对传感器的不同电阻值，将其所对应的不同分压值输入至PIC单片机的A/D转换口，在单片机内部转换成数字信号。该检测电路结构简单，性能价格比高。又因采用的单片机为8位，所以温度转换精度高，可为0.5℃，完全满足了空调的信号检测精度要求。对过流信号的检测，不用经过比较器，节约了资源；而是采用模拟信号整流分压后直接输入，通过单片机自带的A/D转换器，每500μs对其进行一次检测，并进行软件比较，以确认是否过流。对过零电压信号的检测，也是采用模拟信号整流分压后直接输入。因两个半的过零点都要检测，所以用桥式整流。模拟输入电路如图2所示。

1.5单片机控制系统的调试

1.5.1硬件调试

根据设计的原理电路做好实验样机，便进入硬件调试阶段。调试工作的主要任务是排除样机故障，其中包括设计错误和工艺性故障。

1）脱机检查

用万能表或逻辑测试笔逐步按照逻辑图检查机中各器件的电源及各引脚的连接是否正确，检查数据总线、地址总线和控制总线是否有短路等故障。有时为保护芯片，先对各管座的电位（或电源）进行检查，确定其无误后再插入芯片检查。

1.5.2仿真调试

暂时排除目标板的CPU和EPROM，将样机接上仿真机的40芯仿真插头进行调试，调试各部分接口电路是否满足设计要求。这部分工作是一种经验性很强的工作，一般来说，设计制作的样机不可能一次性完好，总是需要调试的。通常的方法是，先编调试软件，逐一检查调试硬件电路系统设计的准确性。其次是调试MONITOR程序，只有MONITOER程序正常工作才可以进行下面的应用软件调试。

1.5.3硬件电路调试的一般顺序

1）检查CPU的时钟电路。通过测试ALE信号，如没有ALE信号，则判断是晶体或CPU故障，这称之为“心脏”检查。

2）检查ABUS/DBUS的分时复用功能的地址锁存是否正常。

3）检查I/O地址分配器。一般是由部分译码或全译码电路构成，如是部分译码设计，则排除地址重叠故障。

4）对扩展的RAM、ROM进行检查调试。一般先后写入55H、AAH，再读出比较，以此判断是否正常。因为这样RAM、ROM的各位均写入过‘0’、‘1’代码。

5）用户级I/O设备调试。如面板、显示、打印、报警等等。

1.5.4软件调试

软件调试根据开发的设备情况可以有以下方法：

1）交叉汇编

用IBMPC/XT机对MCS—51系列单片机程序进行交叉汇编时，可借助IBMPC/XT机的行编辑和屏幕编辑功能，将源程序按规定的格式输入到PC机，生成MCS—51HEX目标代码和LIST文件。

2）用汇编语言

现在有些单片STD工业控制机或者开发系统，可直接使用汇编语言，借助CRT进行汇编语言调试。

3）手工汇编

这种方法是最原始，但又是一种最简捷的调试方法，且不必增加调试设备。这种方法的实质就是对照MCS—51指令编码表，将源程序指令逐条地译成机器码，然后输入到RAM重新进行调试。在进行手工汇编时，要特别注意转移指令、调用指令、查表指令。必须准确无误地计算出操作码、转移地址和相对偏移量，以免出错。

4）以上3种方法调试完成以后，即可通过EPROM写入器，将目标代码写入EPROM中，并将其插至机器的相应插座上，系统便可投入运行。

硬件、软件仿真调试经过硬件、软件单独调试后，即可进入硬件、软件联合仿真调试阶段，找出硬件、软件之间不相匹配的地方，反复修改和调试。实验室调试工作完成以后，即可组装成机器，移至现场进行运行和进一步调试，并根据运行及调试中的问题反复进行修改。

1.5.5调试

单片机控制技术应用越来越广泛，其核心技术是单片机控制系统的设计。对工程技术人员来说，抓住系统的原理构成、软件设计、硬件设计以及系统调试方法的要点是十分必要的。根据工作经验，前面叙述的系统调试方法将会有助于从事这方面工作的技术人员及本专业的学习者。

第2章单片机的空调控制系统技术和量化要求

2.1空调控制系统的数字化控制

（以Infineon的8位单片机C504/C508）为例

2.1.1模糊智能控制

与普通空调的运行方式不同，变频空调的压缩机需要连续运行。其速度调节变得更加重要，要确保室内温度波动限制在较小范围内。事实上永磁直流无刷电机是一个多变量，非线性，强耦合的对象，需要智能控制才能取得比较满意的效果。考虑到8位单片机的资源有限，本系统采用模糊控制来实现电机转速的控制。因为C504/C508的CCU单元的通道0在块交换模式下降了参与电机换相外，还可用来完成捕获动作，故这个通道可以同时用于电机速度检测。系统所用的模糊控制规则如下式：U=αE+（1-α）E式中，E为位速度误差，Ec为速度误差变化率，α为加权系数，在0和1之间取值，U为控制器输出。通过调整加权系数，本系统可以对控制规则进行在线修正。

2.1.2功率变换电路

功率变换电路及其驱动和保护是直流无刷电机调速系统的最核心的部分。功率变换电路主要是整流桥和逆变桥。目前在国内变频空调产品中这部分电路的角色主要是由智能功率模块（IPM）来充当。所谓IPM，就是将功率变换电路，驱动，保护，检测，辅助电源都集成在一个模块内。

2.1.3单片机控制系统中控制算法

(1)直接数字控制

当被控对象的数学模型能够确定时，可采用直接数字控制。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式，它表示系统输入输出及其内部状态之间的关系。一般多用实验的方法测出系统的特性曲线，然后再由此曲线确定出其数学模型。现在经常采用的方法是计算机仿真及计算机辅助设计，由计算机确定出系统的数学模型，因而加快了系统模型的建立。当系统模型建立后，即可选定上述某一种算法，设计数字控制器，并求出差分方程。计算机的主要任务就是按此差分方程计算并输出控制量，进而实现控制。

(2)数字化PID控制

由于被控对象是复杂的，因此并非所有的系统均可求出数学模型，有些即使可以求出来，但由于被控对象环境的影响，许多参数经常变化，因此很难进行直接数字控制。此时最好选用数字化PID（比例积分微分）控制。在PID控制算法中，以位置型和增量型2种PID为基础，根据系统的要求，可对PID控制进行必要的改进。通过各种组合，可以得到更圆满的控制系统，以满足各种不同控制系统的要求。

2.2单片机控制系统的数字化

2.21采用数字化负荷随动控制理论

运用现代化计算机技术、数字化自动控制技术，对中央空调设备运行进行综合、优化；针对中央空调主机和辅机系统运行的工况和末端负荷的变化，采集其瞬间多种变化参数，对负荷进行随动跟踪；自动、准确、及时地对冷冻（温）水泵、冷却水泵、冷却塔风机设备的运行参数进行采集，对系统各设备自动进行实时优化控制，使中央空调主机运行环境得以优化，使得主机工质和辅机系统各种流量跟随末端负荷的变化而同步变化，确保中央空调系统在满足舒适性的前提下，大幅度降低系统的能源消耗。即把负荷运行所不需要的，而系统运行又将会产生的这部分多余的冷量节省下来。

2.22中央空调数字化负荷随动节能控制系统

控制精度高，同频精度和稳定性好，可使中央空调系统节能达到20%以上。该技术、产品在国内、国外处于领先水平，具有高效节能、安全、舒适和方便管理的显著效果。

第3章结论

单片机控制技术应用越来越广泛，其核心技术是单片机控制系统的设计。对工程技术人员来说，抓住系统的原理构成、软件设计、硬件设计以及系统调试方法的要点是十分必要的。随着我国经济实力的增长，开发新产品的思路上过去那种过多注重价格因素而使新产品开发上不了档次的弱点有所改善，开始注意使用当前最先进的单片机开发高档次的产品。由于单片机的开发手段目前仍以仿真器为主，公司能否提供廉价的仿真器，提供方便的技术服务与培训，较之能否提供高性能、低价位的单片机有着同等的重要性。各单片机厂商在开发工具以及技术服务方面也进行着激烈的竞争。这种竞争与推出新型的单片机以显示高技术方面的优势是相辅相成的。竞争的结果是为单片机应用工程师提供更广阔的选择空间，而最终受益的是单片机产品的消费者，由于单片机对各行各业都有用，这种电子技术的进步导致各行各业的进步，也带动了人类文明的进步。

【参考文献】

[1]夏路易,石宗义《电路原理图与电路板设计教程Protel99SE》北京希望电子出版社2002

[2]张义和《ProtelPCB99电路板设计教程》青岛出版社2000

[3]陈杰,黄鸿《传感器与检测技术》高等教育出版社2002

[4]吴金戍,沈庆阳,郭庭吉《8051单片机实践与应用》清华大学出版社2001

[5]张迎新、杜小平、樊桂花、雷道振《单片机初级教程》北京航空航天大学出版社2002

[6]吴金戌、沈庆阳、郭庭吉《8051单片机实践与应用》清华大学出版社2002.

[7]数字电子技术

[8]模拟电子技术

[9]单片机原理机接口技术

[10]赫建国，郑燕，薛延侠.单片机在电子电路设计中的应用.清华大学出版社2006-5

[11]南建辉等.MCS51单片机原理及其应用实例.清华大学出版社2004

[12]李玉峰，倪虹霞.MCS-51系列单片机原理与接口技术.人民邮电出版社2004-5

第5章致谢

本论文设计在（）老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择到具体的写作过程，无不凝聚着（）老师的心血和汗水，在我的毕业论文写作期间，（）老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，没有这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业论文。在此向（）老师表示深深的感谢和崇高的敬意。

篇（2）

随着电子技术和微型计算机的迅速发展，促进了微型计算机控制技术的迅速发展和广泛应用。中小规模的单片机控制系统在工业生产及日常生活中的智能机电一体化产品得到了广泛的应用。在单片机控制系统的设计开发过程中，我们不单要突出设备的自动化程度及智能性，另一方面也要重视控制系统的工作稳定性，否则就无法体现控制系统的优越性。

1.系统受到干扰的主要原因和现象

由于单片机控制系统应用系统的工作环境往往是比较恶劣和复杂的，其应用的可靠性、安全性就成为一个非常突出的问题。单片机控制系统应用必须长期稳定、可靠地运行，否则将导致控制误差加大，严重时会使系统失灵，甚至造成巨大的损失。

影响单片机控制系统应用的可靠、安全运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种电气干扰，以及系统结果设计、元器件选择、安装、制造工艺和外部环境条件等。这些因素对控制系统造成的干扰后果主要表现在下述几个方面。

（1）数据采集误差加大。干扰侵入单片机控制系统测量单元模拟信号的输入通道，叠加在有用信号之上，会使数据采集误差加大，特别是当传感器输出弱信号时干扰更加严重。

（2）控制状态失灵。微机输出的控制信号常依赖某些条件的状态输入信号和这些信号的逻辑处理结果。若这些输入的状态信号受到干扰，引入虚假状态信号，将导致输出控制误差加大，甚至控制失常。

（3）数据受干扰发生变化。单片机控制系统中，由于RAM存储器是可以读/写的，故在干扰的侵害下，RAM中的数据有可能被窜改。在单片微机系统中，程序及表格、常数存于程序存储器中，避免了这些数据受到干扰破坏，但对于内RAM、外扩RAM中的数据都有可能受到外界干扰而变化。根据干扰窜入的途径、受干扰数据的性质不同，系统受损坏的情况也不同．有的造成数据误差．有的使控制失灵，有的改变程序状态，有的改变某些部件（如定时器/计数器，串行口等）的工作状态等。

（4）程序运行失常。单片机控制系统中程序计数器的正常工作，是系统维持程序正常运行的关键所在。如果外界干扰导致计数器的值改变，破坏了程序的正常运行。由于受到干扰后计数器的值是随机的，因而导致程序混乱。通常的情况是程序将执行一系列毫无意义的指令，最后进入"死循环"，这将使输出严重混乱或系统失灵。

2.系统可靠性设计的分析和方法

单片机控制系统应用的可靠性技术涉及到生产过程的方方面面，不仅与设计、制造、检验、安装、维护有关，还与生产管理、质量监控体系、使用人员的专业水平与素质有关。这里主要是从技术角度分析提高系统可靠性的最常用方法。

导致系统运行不稳定的内部因素主要有以下三点：

（1）元器件本身的性能与可靠性。元器件是组成系统的基本单元，其特性好坏与稳定性直接影响整系统性能与可靠性。因此，在可靠性设计当中，首要的工作是精选元器件，使其在长期稳定性、精度等级方面满足要求。随着微电子技术的发展，电子元器件的可靠性不断提高，现在小功率晶体管及中小规模IC芯片的实际故障大约为10×10-9/h。这为提高系统性能与可靠性提供了很好的基础。

（2）系统结构设计。包括硬件电路结构和运行软件设计。电路设计中要求元器件或线路布局合理以消除元器件之间的电磁耦合相互干扰，优化的电路设计也可以消除或削弱外部干扰对整个系统的影响，如去耦电路、平衡电路等。同时也可以采用冗余结构，也称容错技术或故障掩盖技术，它是通过增加完成同一功能的并联或备用单元〔包括硬件单元或软件单元〕数目来提高系统可靠性的一种设计方法。当某些元器件发生故障时也不影响整个系统的运行。对于消减外部电磁干扰，可采用电磁兼容设计，目的是提高单片机系统在电磁环境中的适应性，即能保持完成规定功能的能力。常用的抗电磁干扰的硬件措施有滤波技术、去耦电路、屏蔽技术、接地技术等。

软件是微机系统区别于其它通用电子设备的独到之处，通过合理编制软件可以进一步提高系统运行的可靠性。常用的软件措施主要有：一是信息冗余技术，对单片机控制系统应用而言，保持信号信息和重要数据是提高可靠性的主要方面。为防止系统故障等原因而丢失信息，常将重要数据或文件多重化，复制一份或多份"拷贝"，并存于不同空间，一旦某一区间或某一备份被破坏，则自动从其它部分重新复制，使信息得以恢复。二是时间冗余技术，为提高单片机控制系统应用的可靠性，可采用重复执行某一操作或某一程序，并将执行结果与前一次结果进行比较对照来确认系统工作是否正常。只有当两次结果相同时，才被认可，并进行下一步操作。

若两次结果不相同，可再次重复执行一次，当第三次结果与前两次之中的一次相同时，则认为另一结果是偶然故障引起的，应剔除。若三次结果均不相同，则初步判定为硬件永久性故障，需进一步检查。这种办法是用时间为代价来换取可靠性，称为时间冗余技术，也称为重复检测技术。三是故障自动检测与诊断技术，对于复杂系统，为了保证能及时检测出有故障装置或单元模块，以便及时把有用单元替换上去，就需要对系统进行在线测试与诊断。这样做的目的有两个：一是为了判定动作或功能的正常性；二是为了及时指出故障部位，缩短维修时间。四是软件可靠性技术：单片机控制系统运行软件是系统要实行的各项功能的具体反映。软件的可靠性主要标志是软件是否真实而准确地描述了要实现的各种功能。因此对生产工艺过程的了解程度直接关系到软件的编写质量。提高软件可靠性的前提条件是设计人员对生产工艺过程的深入了解，并且使软件易读、易测和易修改。五是失效保险技术：有些重要系统，一但发生故障时希望整个系统应处于安全或保险状态。此外，还有常见的数字滤波、程序运行监视及故障自动恢复技术等。

（3）安装与调试。元器件与整个系统的安装与调试，是保证系统运行与可靠性的重要措施。尽管元器件选择严格，系统整体设计合理，但安装工艺粗糙，调试不严格，仍然达不到预期的效果。

导致系统运行不稳定的外因是指单片机控制系统所处工作环境中的外部设备或空间条件导致系统运行的不可靠因素，主要包括以下几点：一是外部电气条件，如电源电压的稳定性、强电场与磁场等的影响；二是外部空间条件，如温度、湿度，空气清洁度等；三是外部机械条件，如振动、冲击等。

为保证系统可靠工作，必须创造一个良好的外部环境。例如：采取屏蔽措施、远离产生强电场干扰的设备；加强通风以降低环境温度；安装紧固以防振动等。

元器件的选择是根本，合理安装调试是基础，系统设计是手段，外部环境是保证，这是可靠性设计遵循的基本准则，并贯穿于系统设计、安装、调试、运行的全过程。为实现这些准则，必须采取相应的硬件或软件方面的措施，这是可靠性设计的根本任务。

中小规模的单片机控制系统在开发过程中，结合实际应用中的工作环境，采用以上的系统抗干扰优化设计的措施与方法，基本能有效地提高单片机系统的工作稳定性，充分地体现单片机控制系统在不增加控制成本的情况提高机电设备的自动化性能与智能性的优越所在。

参考文献

[1]胡连柱,姜宝山.简析单片机软硬件的抗干扰设计技术,安徽电子信息职业技术学院学报,2005，01.

篇（3）

步进电机驱动电路(见图3)主要由细分电路、驱动控制芯片和光耦隔离电路组成。步进电机转动的角位移和输入的脉冲数目要求严格成正比。如果按照整步的工作方式，会受到步进电机振动大、噪声大等影响;运用细分，不仅可使振动和噪声减小，且可以减小步进电机误动作产生的平台倾斜度偏移，从而减小激光定位的误差;并且，细分数取得越高，在远端产生的偏移量越小。为了使步进电机工作的误差尽可能的小，本设计中驱动电路采用高细分步进电机驱动芯片THB6128。图3中，M1、M2、M3端为细分的设定端，根据这3端所提供的高低电平的不同，有1、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64、1/128多种细分可选，当三端全为高电平时，细分为128。CW/CCW端为电机正反转控制端，CW/CCW为低电平时，电机正转;反之，电机反转。ST/VCC端为低电平时，THB6128进入待机，功耗极低。另外，为了防止对电源或对地短路，该芯片内置温度保护及过流电路。驱动芯片与单片机相连的端口均采用光耦隔离，U8、U10、U11为光耦隔离，防止电机驱动电路与单片机控制电路产生干扰;LED可以直观显示隔离控制的通断。

1.2激光旋转控制电路设计

激光发射电路主要由步进电机驱动电路、激光发射控制电路、光耦隔离电路及细分电路构成，如图4所示。激光发射器控制电路主要完成控制激光发射器发射和转动，保证其发射的激光能实时完成激光接收靶跟踪，使农田平地机被实时控制。由单片机输出的激光发射器发射信号通过光耦隔离电路后输入激光发射器控制电路。其中，JG为单片机P46端口的控制输出端，U17为电路的光耦隔离器。激光发射器的旋转由步进电机驱动电路控制，由单片机输出信号控制THB6128的使能、脉冲及方向端从而控制激光发射器的旋转。

1.3电源电路设计

电路选择采用简单高效电源芯片LM2576，该稳压器是单片集成电路，能实现热关断和电流限制保护，能驱动3A负载。控制核心的电源设计如图5所示。在直流电源输入端加入TVS瞬变电压抑制二极管PK6E22A，该二极管能在收到反向瞬态高能量冲击时，迅速将两极间的高阻抗变为低阻抗，同时吸收高达数千瓦的浪涌功率，有效地保护电子电路中的电子元器件免受浪涌脉冲的破坏［4］。为了防止功率地跟信号地之间的互相干扰，在电源电路设计中，功率地和信号地之间加入了电感L2进行隔离。

2系统软件设计

由于农田平地机激光发射平台调平控制系统的工作环境的恶劣性，易对数据的采集造成干扰，再加上倾角传感器自身存在的温度漂移等，会加大倾角数据采集的误差。因此，对倾角传感器采集的数据时，先采用基于限幅滤波法和递推算术平均值滤波算法相结合的复合滤波法算法对数据进行预处理［5］，接着采用角度偏移与温度变化的三次曲线对倾角传感器温度漂移进行补偿，提高数据采集的准确性［6］。另外，由于步进电机的非线性特征，对其非线性参数进行整定较困难，而常规的PID算法由于参数整定过程繁琐，实施起来较复杂，并且在越接近预设的目标值时，越容易产生超调而抖动，影响其控制效果的进一步提高。因此，采用基于RBF神经网络的PID算法控制器对步进电机进行控制，能保证步进电机控制系统的响应性能提升，响应时间缩短，动态性能、自适应性和鲁棒性更佳。系统总体流程图，如图6所示。系统初始化后，首先进行倾角数据采集，系统采集当前的平台的倾角数据后，经过滤波和补偿处理，直接交给单片机进行判断:如果到达调平的预设值，则结束。没到达预设值的话，如果是大于预设值，则电机正转，控制平台支腿进行相应的伸缩调整平台的倾斜度，再重新进行数据采集;如果小于预设值，则电机反转，控制平台支腿进行相应的伸缩调整平台的倾斜度，再重新进行数据采集。如此反复进行平台调整，直至达到预定的平台倾斜度为止。

3试验分析

本文设计的农田平地机激光发射平台调平控制系统主要是为提高农田平地机的双激光源定位系统的精度做准备，在双激光源定位系统中发挥重要的作用。而整个调平过程中，由于倾角传感器和调平电机的特性，此控制系统主要受温度影响。所以，本试验在激光发射器校准完成后，设计了在加入基于RBF神经网络的PID控制方法对电机控制，并在不同温度环境下的试验。将调整平台置于不同的温度环境中，同时让激光器支座处于允许的任意倾斜角度状态，分别测试支座在大倾角(20°～30°)和小倾角(10°左右)状态下系统调整的可靠性。

1)13℃时，大角度调平试验数据如图7所示。

2)13℃时，小角度调平试验数据如图8所示。由图7、图8可知，采用基于RBF神经网络的PID控制调平时，在农平地过程中调平过程的前期，调平速度快，当角度越接近目标角度时，速度明显减慢;若达到调平要求的预设精度值0．03°时，调平停止;而且在调平过程中很少出现超调和振荡，当倾斜角度较小时，调平完成的时间相对较短。

3)25℃，大角度调平试验数据如图9所示。

4)25℃，小角度调平试验数据如图10所示。由图9和10可知，当温度变化时，平台大倾斜角度和小倾斜角度的调平规律与图7和8相似。这说明经过加入基于RBF神经网络的PID控制方法后此系统受温度影响不大。

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引言

随着计算机视觉技术以及图像处理技术的不断发展，计算机视觉和视频检测技术已经广泛应用于工业控制、智能交通、设备制造等很多领域。传统的视频检测往往采用工控机作为其视频处理器来实现其功能。这种方法往往由于工控机处理速度的问题，无法实现对各个不同方向同时进行视频检测，而且由于视频检测处理过程需要占用大量的处理时间，因而无法实现实时的远程控制功能。

目前在远程控制和通信方面，基于DOS和Windows操作系统的通信平台得到普遍的引用，但是DOS操作系统作为单任务操作系统，无法实现多任务功能和实时处理的要求；而Windows操作系统作为视窗操作系统，其系统的稳定性和实时性也无法与实时多任务嵌入式操作相比拟。

本文提出一种以DSP作为视频检测处理芯片，以Linux为操作系统的嵌入式系统设计方法。

1系统结构

本系统的开发主要包括视频检测卡和x86通信平台的设计2个部分。视频检测卡主要包括模拟图像采集、转换、DSP视频检测3个部分，每块交换参数检测卡扩充PCI总线接口，插在通信开发平台的PCI总线插口上，通过PCI总线同通信平台交换数据。通信平台处理多块交通参数检测卡的通信问题，将视频检测卡通过PCI总线传送过来的视频检测数据实时通过网络传送给控制中心。系统的功能方框图如图1所示。

根据系统设计要求，视频检测卡功能主要分为：模拟图像采集、模拟图像A/D转换、数据缓存以及DSP视频检测5个部分。视频检测卡流程如图2所示。

本系统采用Philips公司的SAA7111A来实现模拟图像A/D转换。该芯片可实现多路选通、锁相与时序、时钟产生与测试、ADC、亮色分离等功能。其输出可以具有如下格式：YUV4：1：1（12bit）、YUV4：2：2（16bit）、YUV4：2：2(CCIR-656)（8bit）等。由于DSP处理芯片和SA7111A的时序不同，可以通过CPLD进行逻辑控制FIFO来完成数据缓存的功能。

DSP是实时信号处理的核心。本系统采用TI公司DSP芯片——TMS320C6211。该芯片属C6000的定点系列，C6211在这个系列中是性价比最高的一种。C6211处理器由3个主要部分组成：CPU内核、存储器和外设。集成外设包括EDMA控制器、外存储器接口（EMIF）、主机口（HPI）、多通道缓冲接口（McBSP）、定时器、中断选择子、JTAG接口、PowerDown逻辑以及PLL时钟发生器。通过EMIF接口扩充SDRAM，而PCI总线控制芯片的扩展通过HPI接口。

PCI总线的接口芯片PCI9050，主要包括PCI总线信号接口和本地总线（LOCALBUS）信号。在硬件设计时，只需将本地总线信号的接口通过电平转换连接到DSP的HPI接口，同时扩展PCI接口就可以完成其硬件电路设计。

2通信开发平台的嵌入式系统设计

通信开发平台以x86为核心器件，扩充PCI总线，通过Modem拨号，实现x86与Internet的连接。

2.1PCI总线设备驱动

PCI设备有3种物理空间：配置空间、存储器空间和I/O空间。配置空间是长度为256字节的一段连接空间，空间的定义如图3所示。在配置空间中只读空间有设备标识、供应商代码、修改版本、分类代码以及头标类型。其中供应商代码用来标识设备供应商的代码；设备标识用来标识某一特殊的设备；修改版本标识设备的版本号；分类代码用来标识设备的种类；头标类型用来标识头类型以及是否为多功能设备。除供应商代码之外，其它字段的值由供应商分配。

命令字段寄存器用来提供设备响应的控制命令字；状态字段用来记录PCI总线相关事件（详细的命令控制和状态读取方法见参考文献4）。

基地址寄存器最重要的功能是分配PCI设备的系统地址空间。在基地址寄存器中，bit0用来标识是存储器空间还是I/O地址空间。基地址寄存器映射到存储器空间时bit0为“0”，映射到I/O地址空间时bit0为“1”。基地址空间中其它一些内容用来表示PCI设备地址空间映射到系统空间的起始物理地址。地址空间大小通过向基地址寄存器写全“1”，然后读取其基地址的值来得到。

PCI设备的驱动过程主要包括下面几个步骤。

首先，PCI设备的查找。在嵌入式操作系统中一般提供相应的API函数，在Linux操作系统中通过函数pcibios_find_device(PCI_VENDOR_ID,PCI_DEVICE,index,&bus,&devfn)可以找到供应商代码为PCI-ID，设备标识为PCI-DEVICE的第n(index+1)个设备，并且返回总线号和功能号，分别保存于bus和devfn中。

第2步，PCI设备的配置。通过操作系统提供的API函数访问PCI设备的配置空间，配置PCI设备基址寄存器的配置、中断配置、ROM基地址寄存器的配置等，这样可以得到PCI的存储器空间和I/O地址空闲映射，设备的中断号等。在Linux操作系统中，访问PCI设备配置空间的API函数有pcibios_write_config_byte、pcibios_read_config_byte等，它们分别完成对PCI设备配置空间的读写操作。

第3步，根据PCI设备的配置参数，对不同的设备编写初始化程序、中断服务程序以及对PCI设备存储空间的访问程序。

2.2远程控制与通信链路的建立

与Internet连接的数据链路方式主要有Ethernet方式和串行通信方式。Ethernet连接方式是一种局域网的连接方式，广泛应用于本地计算机的连接。通过Modem进行拨号连接的串行通信方式，可以实现远距离的数据通信，下面详细介绍串行通信接口协议方式。

串行通信协议有SLIP、CSLIP以及PPP通信协议。SLIP和CSLIP提供一种简单的通过串行通信实现IP数据报封装方式，通过RS232串行接口和调试解调器接入Internet。但是这种简单的连接方式有很多缺陷，如每一端无法知道对方IP地址；数据帧中没有类型字段，也就是1条串行线路用于SLIP就不能同时使用其它协议；SLIP没有在数据帧中加上检验和，当SLIP传输的报文被线路噪声影响发生错误时，无法在数据链路层检测出来，只能通过上层协议发现。

PPP（PointtoPointProtocal，点对点协议）修改了SLIP协议中的缺陷。PPP中包含3个部分：在串行链路上封装IP数据报的方法；建立、配置及测试数据链路的链路控制协议（LCP）；不同网络层协议的网络控制协议（NCP）。PPP相对于SLIP来说具有很多优势；支持循环冗余检测、支持通信双方进行IP地址动态协商、对TCP和IP报文进行压缩、认证协议支持（CHAP和PAP）等。图4为PPP数据帧的格式。

PPP的实现可以通过2个后台任务来完成。协议控制任务和写任务。协议控制任务控制各种PPP的控制协议，包括LCP、NCP、CHAP和PAP。它用来处理连接的建立、连接方式的协商、连接用户的认证以及连接中止。写任务用来控制PPP设备的数据发送。数据报的发送过程，就是通过写任务往串行接口设备写数据的过程，当有数据报准备就绪，PPP驱动通过信号灯激活写任务，使之完成对串行接口设备的数据发送过程。PPP接收端程序通过在串行通信设备驱动中加入“hook”程序来实现。在串行通信设备接收到1个数据之后，中行设备的中断服务程序（ISR）调用PPP的ISR。当1个正确的PPP数据帧接收之后，PPP的ISR通过调度程序调用PPP输入程序，然后PPP输入程序从串行设备的数据缓存中将整个PPP数据帧读出，根据PPP的数据帧规则进行处理，也就是分别放入IP输入队列或者协议控制任务的输入队列。

PPP现在已经广泛为各种ISP（InternetSeverProvider）接受，而Linux操作系统下完全支持PPP协议。在Linux下网络配置过程中，通过1个Modem建立与ISP的物理上的连接，然后在控制面板（ControlPanel）里面选择NetowrksConfiguration。在接口（Interface）里面加入PPP设备，填入ISP电话号码、用户以及密码，同时将本地IP和远端IP设置为0.0.0.0，修改/ETC/PPP/OPTION，加上DEFAULTROUE，由ISP提供缺省路由，这样就完成了设备的PPP数据链路设置过程，可以通过Internet实现远程控制。

结束语

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2菇棚温度控制系统的设计

2．1菇棚的温度控制原理

宁夏南部山区杏鲍菇生产基地采用大棚式培养方式，作为对杏鲍菇生长起最重要影响的因素，温度显得尤为重要［8］。菇棚温度采用自动记录仪对温度进行检测，利用空调对菇棚温度进行调节。由于温度控制系统具有大时变、非线性、滞后性等特点，采用模糊控制非常合适［9－10］。本文对菇棚的温度进行了控制设计，最终采用模糊PID控制方案，达到对温度的实时控制，从而将出菇阶段的温度控制在14～17℃的范围之内。菇棚温度控制系统的原理如图3所示。图3中，虚线框内的部分在工业控制环境中大多由PLC等控制设备完成，而这些设备很难实现模糊PID的控制功能。因此，将虚线框部分在Simulink中实现，把在Simulink中创建的模糊PID控制器直接应用到现场设备中。菇棚实时温度控制系统原理图如图4所示。图4中，该系统以PCACCESS软件作为OPC服务器，用MATLAB/OPC工具箱中的OPCWrite模块和OPCRead模块与Simulink进行数据交换。传感变送装置检测温度后将电信号传送给S7－200PLC的模拟量输入模块EM231，经过A/D转换后得出温度值;PCACCESS软件从PLC中读取温度值，通过OPCRead模块传送给Simulink;在Simulink中与设定的温度值进行比较后，进行模糊PID计算，将结果通过OPCWrite模块传送给PCACCESS软件，经PCACCESS软件写入到PLC中，计算分析得出数字量，输出到模拟量输出模块EM232，经D/A转换为电信号送给温控装置(空调)，实现对菇棚温度的模糊PID控制。

2．2模糊PID控制系统

2．2．1模糊PID控制器的设计菇棚的温度控制系统是一个复杂的非线性系统，很难建立精确的数学模型，而常规的PID控制则需建立被控对象的精确数学模型，对被控过程的适应性差，算法得不到满意的控制效果。单纯使用模糊控制时，控制精度不高、自适应能力有限，可能存在稳态误差，引起振荡［11－12］。因此，本文针对PID控制和模糊控制的各自特点，将两者结合起来，设计了模糊PID控制器，可以利用模糊控制规则对PID参数进行在线修改，从而实现对菇棚温度的实时控制，将出菇阶段的温度控制在14～17℃的范围之内。基于上述分析，将菇棚温度作为研究对象，E、EC作为模糊控制器的输入，其中E为设定温度值与实际温度值的差值。PID控制器的3个参数KP、KI、KD作为输出。设输入变量E、EC和输出变量的KP、KI、KD语言值的模糊子集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}={负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，误差E和误差变化率EC的论域为{－30，－20，－10，0，10，20，30}，KP的论域为{－0．3，－0．2，－0．1，0，0．1，0．2，0．3}，KI的论域为{－0．06，－0．04，－0．02，0，0．02，0．04，0．06}，KD的论域为{－3，－2，－1，0，1，2，3}。为了论域的覆盖率和调整方便，均采用三角形隶属函数。根据对系统运行的分析和工程设计人员的技术知识和实际操作经验，得出KP、KI、KD的模糊控制规则表，如表1所示。利用Simulink工具箱，建立系统的模糊PID控制器的模型，如图5所示。2．2．2系统的仿真菇棚温度的传递函数采用G(s)=e－τsαs+k。其中，α为惯性环节时间常数，α=10．3s/℃;k=0．023;τ=10s，为纯滞后时间。设定菇棚温度值为15℃，常规PID控制器的仿真结果如图6所示，模糊PID控制器的仿真结果如图7所示。结果表明，菇棚温度控制系统采用模糊PID控制器具有超调小、抗干扰能力强等特点，能较好地满足系统的要求。

3Simulink与S7－200PLC数据交换的实现

PCACCESS软件是专用于S7－200PLC的OPC服务器软件，它向作为客户机的MATLAB/OPC客户端提供数据信息。在菇棚温度控制系统中，模糊PID控制器的输出值和反馈值就是Simulink与S7－200PLC进行交换的数据。实现数据交换的具体步骤如下:1)打开软件PCACCESSV1．0SP4，在“MicroWin(USB)”下，单击右键设置“PC/PG”接口，本文选用“PC/PPI(cable)”。然后，右键单击“MicroWin(USB)”进入“新PLC”，添加监控S7－200PLC，本文默认名称为“NewPLC”。右键单击所添加的新PLC的名称，进入“NewItem”添加变量，本文为输出值“wendu1”和反馈值“wendu2”，设置完成，如图8所示。PCACCESS软件自带OPC客户测试端，客户可以将创建的条目拖入测设中心进行测试，观察通信质量，如图9所示。测试后的通信质量为“好”。2)打开MATLAB，在工作空间输入命令“opctool”后，将弹出OPCTool工具箱的窗口，在该窗口的MAT-LABOPCClients对话框下单击右键，进入“AddClient”添加客户端，用户名默认“localhost”，ServerID选择“S7200．OPCServer”;与PCACCESS软件连接成功后，在“S7200．OPCServer”中添加组和项，把在PCACCESS软件中创建的两个变量“wendu1”和“wendu2”添加到项中，操作完成后结果如图10所示。3)新建Simulink文件，导入模糊PID控制器模型，调用OPCWrite模块、OPCRead模块和OPCConfigura-tion模块，设置OPCWrite模块和OPCRead模块的属性，把OPC工作组中的变量“wendu1”添加到OPCWrite模块中，把变量“wendu2”添加到OPCRead模块中，设置完成后两个模块与控制器相连，如图11所示。这样，基于Simulink和S7－200PLC的模糊PID实时温度控制系统的设计就完成了。

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2合理设计软件

因为要进行远程监控和无人值守，所以要自动对风机进行控制，其中，控制的主要对象有：对运行状态进行监测，在运行风机的时候，反馈信号、机组状态参数、风力参数、监测电力参数等，从而确保机组能够稳定的运行；在风机自动运行的时候，要根据运行的相关步骤采取风机全自动开车，进而能够确保开车能够稳定进行；对桨距进行控制，从而确保机组能够稳定、安全运行；对偏航进行控制，从而确保风机正对着风向而得到最多的风能。当出现风速要比启动风速要低、并网故障、刹车故障等情况的时候，要立刻对风机进行停机操作。

2.1控制的相关策略

当启动风机的时候，风轮的桨叶是不动的，其桨距的角度应为90°，因为在这个过程中气流不会对桨叶产生转矩，所以桨叶实质上就是阻尼板。当风速与启动风速一致的时候，桨叶会向0°转动，从而通过气流对桨叶所产生的功角，促使风轮的转动。当发电机并入到电网之前，发电机转速信号将会控制桨距系统中的桨距角的给定值。同时，转速控制器会根据发电机转速的快慢，合理的对桨距角设定值进行改变，而变桨距系统则会按照给出的桨距角的参考值，有效的对速度进行控制并对桨距角进行调整。当风速大于等于额定风速的时候，风电机组将会处于额定功率状态。同时，转速控制也会变成功率控制，而且变桨距系统将会控制发电机的功率所发出的信号。额定功率即是控制信号给定值恒定。给定值与功率反馈信号进行对比时，如果功率超过额定功率，桨叶桨距就会转向迎风面积正在变少的方向；如果功率没有超过额定功率，桨叶桨距就会转向迎风面积正在增加的方向。

2.2合理控制风机启动

当风机启动的时候，要采用风速仪对风速进行测量，并对风速的大小进行判断，当风速大于启动风速的时候，要启动风机；当风速小于启动风速的时候，要继续对风速进行测量。在启动风机的时候，要有效的控制偏航，从而能够有效的将桨距角调到零度以及确保风机能够正面迎风。在对风机的转速进行监测的时候，当风机的转速到达切入转速的时候，就能够实行并网发电。

2.3合理控制偏航

合理控制偏航的目的在于确保风机能够在迎面对着风向的时候，能够得到最大化的风能，在实际应用当中，如果偏航角和风向角的差额不超过15°的时候，就可以认定风机是迎面对着风向的。对控制算法进行设计的时候，要遵循快捷进行控制的原则进行设计，从而能够更好的避免在执行时所出现的繁琐动作。如果电缆缠绕了多达两圈，要立刻采取解缆控制，从而确保风电机组能够安全的运行。同时，在进行解缆的时候风电机组要采用正常停机的方式，并要采用自动偏航后才能合理的进行解缆。

2.4合理控制风机停机

如果风机发生故障，比如，当传动系统冷却水的温度比较高、风机的温度比较高、桨距系统的液压油位比较低等的时候，要及时发出停机警告，从而促使风机停机。如果发现风速超出相关限度的时候，由于风机的各个环节会受到一定的限制，所以一定要脱网停机。在停机的时候，要及时把桨距角调整到90°,确保停机时的安全性。

2.5合理控制桨距

在风机并网滞后，要凭借对桨距角的调节去调节发电机输出的功率，如果额定功率小于实际功率的时候，PLC的模拟输出单元CJ1W-DA021输出和功率之间的差距成为比例的信号，如果功率偏差低于0的时候，要凭借进桨来促使功率的增加，同时，如果功率的偏差在-5且+5的时候，不能够实行变桨，从而能够避免过度频繁的进行变桨。

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本文所控制系统设计以HITV代手为控制对象。该手略小于成年人人手，具有5根手指，每根手指2个指节，大拇指还另有一个内旋/外展关节，共有11个活动关节，整个手由6个直流电机驱动，每根手指安装有力矩传感器、位置传感器、指尖六维力传感器。控制系统采用模块化设计思想，将整个系统分割成几个模块，通过通用接口建立相互连接，使整个控制系统可以放置在仿人假手内部，实现机电一体化。

2基于FPGA的控制系统设计

仿人假手电气控制系统用于实现假手各手指的驱动控制、多种传感器信息的采集以及与上位机(PC或PCI控制卡)之间的通信。该控制系统由10个模块组成，分别为:由FPGA组成的主控芯片模块、USB接口模块、拇指控制电路模块、食指控制电路模块、中指控制电路模块、无名指控制电路模块、小指控制电路模块、肌电信号采集模块、电池管理系统模块、电刺激反馈模块。模块化设计方法增加了控制系统的灵活性与独立性，便于对模块单独进行调试与修改。电气系统总体功能框图如图1。

2．1FPGA主控芯片模块设计

FPGA主控芯片模块采用Altera公司CycloneⅢ系FP-GA芯片EP3C25F25617作为控制核心，负责肌电信号和多种传感器信号的处理、与手指电路的通信、USB通信、CAN通信接口等功能。同时，主控芯片模块还负责大拇指内旋/外展自由度驱动电机的控制。各个功能通过VHDL语言进行编写，FPGA中嵌入双NIOS核构成双核处理器，其中一个NIOS核用于肌电信号处理，另一个NIOS核用于通信;双核通过2M的EEPROM进行通信。FPGA功能框图如图2。RS—485通信通过在NIOS核内自定义元件AutoSCI控制RS—485收发接口芯片MAX3362实现。MAX3362收发芯片可通过3．3V低压实现高速数据传送。CAN与LVDS通信采用复用电路设计(图3)，通过更换接收发送接口芯片完成功能转换。CAN通信采用TI公司的CAN收发器SN65HVD230QD作为接口芯片。LVDS通信采用TI公司的半双工LVDS收发接口芯片SN65LVDM176，构成PPSeCo高速串行通信系统与PCI控制卡通信，通信速率可达25Mbps，保证控制信息与传感器信息传送的及时性。拇指内旋/外展自由度驱动电机由NIOS核中自定义元件PWM控制。元件功能通过VHDL语言编写，PWM波周期和占空比均可调。电机驱动芯片采用MPC17531A，其内部集成双H桥，可直接控制直流有刷电机。

2．2手指运动控制模块设计

五根手指的运动控制模块采用相同的设计方案，增强系统的互换性与通用性。该模块由DSP作为控制核心，直流有刷电机驱动芯片MPC17531A作为电机驱动芯片，负责手指电机的驱动，力矩传感器、位置传感器、电机电流传感器信号的采集与处理，以及与触觉传感器系统的通信，最后各项数据通过RS—485通信接口与主控芯片模块通信。控制模块如图4。该模块采用的DSPTMS320F28027运行速率高，封装小。内部集成的16通道12位A/D转换器可实现对力矩、位置、电机电流信号的采样。串行异步通信接口通过RS—485收发接口芯片实现与主控芯片模块通信。EPWM模块可直接控制直流有刷电机驱动芯片MPC17531A。如图5，关节力矩传感器信号采集系统包括力矩传感器、处理放大电路、滤波电路和A/D转换电路。力矩传感器基于应变原理，采用仪表放大器INA337组成半桥电路对力矩信号进行放大后通过RC滤波电路进入A/D转换芯片。如图6，关节位置传感器信号采集系统包括位置传感器、处理放大电路、滤波电路和A/D转换电路。位置传感器基于旋转电位器原理，采用集成运放MAX9618对电位器信号进行放大后通过RC滤波电路进入A/D转换芯片。

2．3肌电信号采集模块设计

肌电信号采集模块用来采集肌电电极的信号以及对信号的滤波和D/A转换后存储在CPU中，包括RC电路组成的滤波电路、D/A转换电路和电压转换电路。数字信号通过电压转换芯片转换为3．3V电压，通过SPI接口输入到CPU中央处理器。

2．4电池管理系统模块设计

电池管理模块包括电池、电流传感器、蜂鸣器电路、LED显示电路。电流传感器实时监测电池输出电流大小，通过LED显示电路和蜂鸣器电路显示充电状态和电池电量过低报警。

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2电话远程控制系统的体系结构

电话远程控制系统接收远端发送来的DTMF信号,并对其进行解码,解码后的信号再由中央处理单元采集处理;为了方便用户使用,系统设计了语音提示界面;电话远程控制系统一般工作在元人值守环境,所以应具有自动离线、上线、复位功能;为了符合智能化要求,系统采用80日作为中央处理器.同时,电话远程控制系统正常工作还需电源供电电路、驱动电路等辅助电路.智能电话远程控制系统的体系结构如图2所示.

可以看出,系统主要由DTMF音频解码电路、语音提示电路、离线/上线/复位电路、中央处理单元、驱动电路、电源电路等组成.

3各部分电路及工作原理

3.1中央控制电路

中央控制电路的主要功能是接收铃流检测电路和DTMF解码电路的中断信号,发送对上线/离线/复位电路和受控设备的控制信号,对语音录放电路进行寻址操作,接收DTMF解码电路的四位二进制数据(见图2).

3.2DTMF音频解码电路

DTMF(DualToneMultiFrequency)双音多频信号解码电路是目前在按键电话(固定电话、移动电话)、程控交换机及无线通信设备中广泛应用的集成电路.它包括DTMF发送器与DTMF接受器,前者主要应用于按键电话作双音频信号发送器,发送一组双音多频信号,从而实现音频拨号.双音多频信号是一组由高频信号与低频信号叠加而成的组合信号,CCITT和我国国家标准都规定了电话键盘按键与双音多频信号的对应关系如表所示.

表电话拨号数字对应的高低频率组合关系

电话远程控制系统采用MITEL公司生产的MT8870DTMF接受器作为DTMF信号的解码核心器件.MT8870主要用于程控交换机、遥控、无线通信及通播系统,实现DTMF信号的分离滤波和译码功能,输出相应16种频率组合的四位并行二进制码.MT8870具有拨号音抑制和模拟信号输入可调功能,所以在设计MT8870DTMF解码电路时,只需外加一些阻容元件即可.DTMF解码电路如图3所示.

远端用户发送的DTMF信号,经搞合电容的隔直流作用后,由MT8870接收并进行译码,输出的四位并行二进制数据直接与8051单片机的P0.0～P0.3连接,MT8870在DTMF信号码变换完成后,由CID端发送中断信号INT1,通知8051数据准备好.

3.3语音提示电路

电话远程控制系统利用语音提示电路实现用户和系统的交流.语音提示电路预先存储若干段系统提示音,8051中央处理单元电路判断用户发送的DTMF信号后,对语音提示电路进行寻址,播放相应的提示音,从而向用户反馈信息提示下一步该如何操作.

本系统选用美国ISD公司的ISD2590单片语音录放集成电路作为语音提示电路的核心部分.ISD2590采用E2PROM存储器,信息可永久保存,零功能存储;它还采用了DA盯直接模拟量存储技术,因而能较好地保留语音信息中的有效成分,提高录放音的清晰度.ISD2590可以存储长达90s的语音,能够实现1～600段语音分段,每段录放音均有一个起始端,该起始端地址选择由A0～A9确定.ISD2590的电路也非常简单,只需少许阻容元件即可,并且它易与单片机接口,实现分段寻址功能.ISD2590的内部功能如图4所示.

系统在接收远端用户发送的DTMF信号以后,根据软件设定,对语音电路进行寻址放音.例如系统收到用户发出的"1234'''',用户密码信号时,若密码正确,则寻址播放语音提示"密码正确",否则,寻址播放语音提示"密码错误".需要提出的是,ISD2590".只有A0～A910根地址线,显然不能对480K模拟存储阵列直接寻址,从图4可以知道,ISD2590的地址线是先经过解码器解码后再对480K模拟存储阵列进行寻址的.

3.4系统上线／离线/复位电路

当DTMF信号解码电路及语音提示电路与用户电话线连通时,我们称系统处于上线(Odine)状态;反之,当DTMF信号解码电路及语音提示电路与用户电话线断开时,我们称系统处于离线(Offline)状态.只有在电话远程控制系统工作时,系统才应处于上线状态.这样做的目的是避免用户呼叫系统时的高压振铃信号(可达120VMS)及线路上其他高压噪声对DTMF信号解码电路及语音提示电路产生危害.上线/离线/复位功能的实现,也是由系统硬件电路和软件共同实现的.

3.4.1系统上线电路

系统上线电路的功能是检测程控交换机发送的振铃铃流信号,然后通过中断方式通知8051单片机,根据软件设定,闭合系统上线/离线/复位开关电路,开启UrMF信号解码电路和语音提示电路与电话用户线的连接.上线电路的主要部分是铃流检测电路.铃流信号是当远端用户呼叫电话远程控制系统时,由程控交换机向电话远程控制系统发送的控制信令.系统采用TCA3385芯片作为铃流检测电路的核心部件.TCA3385是一种性能稳定的振铃信号转换、检测器件,常用于电话机、应答器等仪器仪表.它的PDO端(如图5)是振铃检测输出端,在振铃信号稳定后,此端会变为高电平输出.RDO端可直接与8051单片机相连,作为8051的中断信号INT0.TCA3385的内部功能及外部电路如图5所示.

当电话远程控制系统处于离线状态时,只有铃流检测电路与用户电话线相连,而TCA3385能承受较高电压的冲击,保证了系统的完全稳定性.

3.4.2离线/复位电路

用户对电话远程控制系统操作完成后,发出结束命令,8051单片机断开系统上线/离线/复位开关电路,系统离线.如果用户出现误操作或忘记发送结束命令时,系统根据软件设定,断开系统上线/离线/复位开关电路,使系统离线,并初始化软件设定.

3.5驱动电路

电话远程控制系统对受控设备的控制,要通过8051单片机对继电器的闭合才能实现,因此,在8051单片机与继电器之间必须设置一个继电器驱动电路.本系统采用摩托罗拉公司的MC1413,来关闭与开启继电器开关(图6).

4系统软件

如何利用有限的16种DTMF信号实现多样的系统控制功能,是系统成功与否的关键,借助于软件编程,系统可以对16种DTMF信号的任意组合进行解释,从而大大丰富了系统功能.系统软件的流程结构并不复杂,这里只介绍系统软件主要功能要求:

(1)系统身份认证功能为了保证只有合法用户才能操作系统,电话远程控制系统上线以后,用户必须输入密码,待系统确认后才具有对系统的操作权限.

(2)用户信令解释功能对收到的用户信号,系统按照软件设定加以解释,并决定对语音提示电路寻址,播放相应的系统提示音,实现用户和电话远程控制系统间的交互操作,或者对外部受控设备发出相应的驱动信号.

(3)软件定时功能系统软件设定系统自动复位的软件定时器,定时器的设置值规定了系统一次上线工作的最大时间.若一次工作超时,系统自动离线,进入待机状态.

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2控制系统

2.1系统组网

考虑到生产系统的稳定性以及中频退火干扰等因素，我们选择了市场上技术比较成熟应用较广的西门子系统。生产线CPU采用S7-317-2PN，地辊运输机和各个液压站采用S7-315-2PN，稀油站采用S7-312C+以太网模块，这样所有的设备均能通过以太网连接至中控室交换机，通过中控室工程师站调试设备更改程序，通过操作员站远程操作设备，查询各个设备的工作状态、故障内容等信息。在线测径仪采用天津兆瑞公司的最新产品，通过以太网通信，能够实时显示钢筋的基圆尺寸、纵肋高度等信息，为在线质量检测提供了可靠保证，也为在线质量自动调整提供了前提。所有设备通过工业以太网连接至主操作室交换机，实现实时监控与数据交换。

2.2生产线主站与远程IO组态

生产线CPU采用S7-317-2PN，按照距离远近将设备分成7个从站，采用ET200S和ET200M的远程IO，所有站通过工业以太网与主站CPU连接，7个从站分别是上料机站、轧机站、飞剪吐丝辊道站、集卷站、中频1站、中频2站和中频3站。在需要操作和监控的地方设置了触摸屏，采用西门子的MP277触摸屏，通过以太网与主站PLC通信。

2.3主站PLC与变频器DP通信

现场变频器均采用伟肯NXP系列，通过调取伟肯提供的GSD文件，对各个变频器组态。根据工艺及机械要求，包括上料机的送料小车、旋转小车和升降台共3台变频器；轧机部分1台变频器；废钢剪切装置1台变频器；夹送装置1台变频器；吐丝机1台变频器；输送辊道8台变频器；集卷站的升降台、托盘、小车3台变频器。共计18台变频器，通过DP总线实时传递启停信号和速度指令。

2.4控制要点

2.4.1生产线自动化控制

生产线的自动化主要体现在全自动上料机、全自动集卷站、全自动地辊运输线上。全自动上料机从上料到送料再到换料，基本实现一键式操作，每次只需在原料接头后按按钮确认即可，整机包括二十余个接近开关和五个光电开关，为自动化提供条件。全自动集卷站与全自动地辊运输线互相配合，实现自动落料，自动剪切，自动换料架，整机也有十余个接近开关和数个光电开关。全自动地辊运输线由百余节轨道组成，料架在运输线上自动运行，完成卸料。

2.4.2生产线速度匹配

由于整条生产线从上料到集卷为一整条长丝，因此对生产线的速度匹配提出了较高要求，特别是轧机与夹送电机之间，夹送电机太快容易将钢筋拉细，太慢又容易堆钢，在电机的控制模式上选择了速度控制与转矩控制相结合的方式，满足了控制要求。吐丝机的速度决定了产品的圈形大小，而且速度的快慢与圈形的大小并不是线性的关系。最终，通过生产实践，吐丝机的速度采用自动调整加手动微调的方式进行控制，满足了产品质量要求。

2.4.3轧机闭环控制与中频退火

无论是生产线速度匹配还是中频退火都要求轧机速度稳定，对轧机变频器采取带编码器的闭环矢量控制方式，基本满足要求。中频退火作为整条生产线的工艺核心，基本满足了输出稳定、响应迅速、高效节能的要求，为生产高性能产品提供了依据。而轧机与中频的工艺配方也为全线的自动化与高速生产提供了保证。该工艺配方是合力公司几年来生产实践的结晶，具有很高的实用性和适应性，能够保证产品质量。

2.4.4飞剪碎断

生产线启动时中频退火的启动过程中产生质量不能达标的废钢，为满足生产质量要求，需要将之从成品中去除，于是便有了飞剪碎断装置。该装置是在原来的定尺剪切的基础上改装得来，用变频器替换了伺服控制器，这就对变频器的启动加速和制动减速性能提出了很高要求。如果加速时间过长，在切到半圈内不能达到生产线速度，就会产生堆钢。如果中频退火达到规定温度，在停切时不能及时停车，就会造成飞车，影响生产线连续运行。最终采用凸轮控制模式，满足了生产工艺要求，既不会使变频器加速报警，又保证了及时制动。

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因此，根据实际需求，在客厅配置控制面板1，在原有照明控制开关的基础上进行改造。控制面板主要配置:客厅射灯、灯带、主照明灯开关、餐厅灯带、门厅照明灯开关、主卧照明灯控制按钮、书房照明灯控制按钮、防盗控制开关、闹铃控制开关。上述设计可实现主人在离开客厅时开启主卧或书房的照明灯，关闭客厅照明灯。在书房门旁4配置主卧灯控制按钮、书房灯控制按钮，主人在书房完成工作后，开启主卧照明灯，关闭书房照明灯，进入主卧室。主卧门旁和床头配置照明灯控制按钮5，在卧室内对照明灯进行开、关控制。

在厨房配置燃气泄漏检测开关2，检测到泄漏信号进行报警，报警设计为铃声报警10秒。在次卧配置床头求助按钮3，当家中有卧床老人时，通过按钮进行铃声求助;对于家中有幼儿的，也可改为夜晚被子未盖好的检测信号，如被子偏离位置过大，检测开关则进行铃声求助。

在入户门、阳台、各个窗户上安装检测开关，在主人入睡后启动午夜时段报警，当有人非正常从门、窗进入时启动防盗10秒报警;在主人离家时，合上客厅控制面板上的防盗控制开关，10分钟后启动防盗报警程序，报警设计为铃声报警10秒。

在主人上班或孩子上学期间，合上客厅控制面板上的闹铃控制开关，通过手机与LOGO!通讯软件或LOGO!操作键设定早晨起床时间和午休起床时间，进行5秒钟铃声叫醒服务。

设计部分插座具有现场手动与远程自动通电控制功能，利用手机进行远程控制，比如在厨房设计带旁通开关控制的插座，节假日主人在家，合上开关利用该插座插上电饭煲进行煮饭。在上班时间，断开该开关，利用LOGO!的输出二端点与此控制开关二端点并联，淘好米放入电饭锅后加入适量水，把电饭锅插在该插座上，快下班时，主人可通过手机与LO-GO!通讯，控制LOGO!的输出进而控制此插座通电进行煮饭。

2家用电气控制系统设计

根据产品功能介绍，该款家用多功能安防与电气控制系统需要8路数字量输入和三路数字量输出。系统控制器采用西门子LOGO!230RC控制器，控制器有8个数字量输入4个数字量输出。根据客户定制需求，可选用扩展模块采用一个LOGO!DM8/24R(四个数字量输入端口，四个数字量输出端口)。系统数字量输入资源分配为:I1主卧按钮，客厅、书房、主卧等处四个主卧按钮并联后接入，单次操作为开主卧照明灯，双次操作为关主卧照明灯;I2书房按钮，客厅、书房二个主卧按钮并联后接入，单次操作为开书房照明灯，双次操作为关书房照明灯;I3次卧床头求助按钮或盖被检测拉线开关，有信号时进行3秒求助铃声报警;I4燃气检测开关，有信号时进行10秒铃声报警，通过手机可进行远程监控、信息查询;I5防盗检测，门、窗等处七个检测开关并联后接入，有信号时进行10秒铃声报警，通过手机可远程进行信息监控查询;I6闹铃开关，有信号且达到设定时间则进行5秒叫醒闹铃服务;I7与I8防盗开关，I7有信号则进行时段报警，即主人入睡后当I5防盗检测到信号则进行10秒铃声报警，I8有信号则进行全天候报警，当I5防盗检测到信号则进行10秒铃声报警，报警信息通过手机可远程监控、查询，当I7与I8均有信号时，具有时段报警与全天候报警功能。系统数字量输出资源分配为:Q1主卧照明灯控制，Q2书房照明灯控制，Q3铃声控制，Q4插座控制。

3家用电气控制系统调试

(1)主卧与书房照明灯异地控制，采用单次按钮接通为开启照明灯，双次按钮接通为关闭照明灯。

(2)次卧床头求助按钮3，当家中有卧床老人时，通过按钮进行3秒铃声求助;对于家中有幼儿的，也可改为夜晚被子未盖好的检测信号，如被子偏离位置过大，检测开关则动作，进行3秒铃声求助。

(3)厨房燃气泄漏检测，检测到泄漏信号进行报警，报警设计为铃声报警10秒。采用LOGO!0BA7模块，通过通讯主人可以利用手机远程进行信息查询。

(4)门窗检测开关，在主人入睡后启动午夜时段报警，当有人非正常从门、窗进入时启动防盗10秒报警;在主人离家时，合上客厅控制面板上的防盗控制开关，10分钟后启动防盗报警程序，报警设计为铃声报警10秒。采用LOGO!0BA7模块，通过通讯主人可以利用手机远程进行信息查询。

(5)合上闹铃控制开关，通过手机与LOGO!0BA7模块通讯软件或LOGO!操作键设定早晨起床时间和午休起床时间，进行5秒钟铃声叫醒服务。

(6)厨房安装旁通开关控制插座，旁通开关断开时，插座受LOGO!的输出控制，程序采用利用存储器数据进行比较，当大于某数据时LOGO!产生输出信号接通插座通电，根据实际情况确定通电一段时间后自动修改存储器数据，使插座断电，以防电器通电时间过长产生安全事故。如，电饭锅由于使用年限较长，饭煮好后不能自动断电，长时间通电引起电饭锅导线过热绝缘损坏，很容易造成火灾。主人可通过手机与LOGO!通讯，改写存储器的数据，进而达到控制LOGO!的输出使插座通电。

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2.过程分析

图1是一个十字路口示意图。分别用1、2、3、4表明四个流向的主车道，用a、b、c、p分别表示各主车道的左行车道、直行车道、右行车道以及人行道。用a、b、c、p分别表示左转、直行、右转和人行道的交通信号灯，如图2所示。

交通灯闪亮的过程：

路口1的车直行时的所有指示灯情况为：

3a3b2p绿3c红+4a4b4c3p全红+1c绿1a1b4p红+2c绿2a2b1p红

路口2的车直行时的所有指示灯情况为：

4a4b3p绿4c红+1a1b1c4p全红+2c绿2a2b1p红+3c绿3a3b2p红

故路口3的车直行时的所有指示灯情况为：

1a1b4p绿1c红+2a2b2c1p全红+3c绿3a3b2p红+4c绿4a4b3p红

故路口4的车直行时的所有指示灯情况为：

2a2b1p绿2c红+3c3a3b2p全红+4c绿4a4b3p红+1c绿1a1b4p红

图1：十字路通示意图

图2：十字路口通行顺序示意图

图3：十字路通指示灯示意图

图4：交通灯控制系统硬件框图

3、硬件设计

本系统硬件上采用at89c52单片机和可编程并行接口芯片8155，分别控制图2所示的四个组合。at89c52单片机具有mcs-51内核，片内有8kbflash、256字节ram、6个中断源、1个串行口、最高工作频率可达24mhz，完全可以满足本系统的需要；与其他控制方法相比，所用器件可以说是比较简单经济的。

4、软件流程图

图5：交通灯控制系统流程图

5、交通灯控制系统软件

org0000h

ljmpmain

org0100h

main:

movsp,#60h

;lcalldir;调用日期、时间显示子程序

loop:

movp1,#0ffh

ljmptest

lcallroad1;路口1的车直行时各路口灯亮情况

lcalldly30s;延时30秒

movp1,#0ffh;恢复p1口高电平

lcallreset;恢复8155各口为高电平

lcallyellow1;路口1的车直行--%26gt;路口2的车直行黄灯亮情况

lcalldly5s;延时5秒

lcallreset;恢复8155各口为高电平

movp1,#0ffh;恢复p1口

lcallroad2;路口2的车直行时各路口灯亮情况

lcalldly30s;延时30秒

lcallreset;恢复8155a、b口为高电?

movp1,#0ffh;恢复p1口高电平

lcallyellow2;路口2的车直行--%26gt;路口3的车直行黄灯亮情况

lcalldly5s;延时5秒

lcallreset;恢复8155a、b口为高电?

movp1,#0ffh;恢复p1口高电平

lcallroad3;路口3的车直行时各路口灯亮情况

lcalldly30s;延时30秒

lcallreset;恢复8155a、b口为高电?

movp1,#0ffh;恢复p1口高电平

lcallyellow3;路口3的车直行--%26gt;路口4的车直行黄灯亮情况

lcalldly5s;延时5秒

lcallreset;恢复8155各口为高电平

movp1,#0ffh;恢复p1口高电平

ljmptest

lcallroad4;路口4的车直行时各路口灯亮情况

lcalldly30s;延时30秒

setbp1.5;恢复p1.5高电平

setbp1.4;恢复p1.4高电平

movdptr,#0ffffh;恢复8155各口为高电平

lcallyellow4;路口4的车直行--%26gt;路口1的车直行黄灯亮情况

lcalldly5s;延时5秒

setbp1.6;恢复p1.6高电平

setbp1.3;恢复p1.3高电平

movdptr,#0ffffh;恢复8155各口为高电平

ljmploop

;路口1的车直行时各路口灯亮情况3a3b2p绿3c红+4a4b4c3p全红+1c绿1a1b4p红+2c绿2a2b1p红

road1:

movdptr,#7f00h;置8155命令口地址；无关位为1）

mova,#03h;a口、b口输出，a口、b口为基本输入输出方式

movx@dptr,a;写入工作方式控制字

incdptr;指向a口

mova,#79h;1a1b4p红1c绿2a2b1p红

movx@dptr,a

incdptr;指向b口

mova,#0e6h;3a3b2p绿3c红4a4b3p红

movx@dptr,a

movp1,#0deh;4c红2c绿

ret6、结语

本系统结构简单，操作方便；可现自动控制，具有一定的智能性；对优化城市交通具有一定的意义。

本设计将各任务进行细分包装，使各任务保持相对独立；能有效改善程序结构，便于模块化处理，使程序的可读性、可维护性和可移植性都得到进一步的提高。

6、参考资料