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摘要:以STCl2C5A60S2單片機為核心，設計開發了基于單片機的低成本過程控制綜合實驗，闡述了過程控制綜合實驗整體設計，及單片機控制板各個功能的硬件設計與軟件開發，對實驗平臺的特點進行了描述。實踐表明，通過綜合實驗訓練，讓學生從底層設計并實踐反饋控制系統，強化和提高了學生的動手能力與綜合實踐能力。

關鍵詞:實驗系統;單片機;過程控制;系統設計

“過程控制”“計算機控制”“微機原理”和“檢測技術”是我院自動化專業的必修課程，是理論性、設計性、實踐性很強的專業方向課，與實際控制工程聯系緊密。學生在這些課程的學習過程中，實驗都是針對本門課程的內容進行，還有很多是演示實驗和仿真實驗。在實際工作中，控制系統一般都是這幾方面內容的綜合應用，而學生在學習的過程中缺乏對整個系統的設計訓練，因此在教學過程中應將控制器系統設計方法和實際計算機控制系統相結合，通過理論知識與實踐活動的有機結合，培養學生解決實際工業應用中控制問題的能力。為了達到這一教學目標，自動化實驗室開設了自動化綜合實驗課程設計，從控制器設計開始，每一步都由學生獨立完成，實現水箱液位控制。學生要完成設計單片機控制器電路，繪制原理圖與印制板圖，編寫調試控制程序，設計上位機監控畫面等內容。從學生實驗效果看，學生完成整個實驗后，提高了學習興趣與實踐技能，對控制系統有了更清楚的了解。

1系統功能及組成

系統總體結構，系統為單回路控制系統，水箱內水位為被控對象，水泵抽水到水箱，水箱底部放水，當抽水與放水達到平衡，水箱水位保持平衡。投入式水位傳感器測量水箱水位值，將當前水位反饋到單片機控制器，在控制器內與設定值比較，控制器根據二者的差值，采用某種控制算法，輸出控制量改變變頻器輸出頻率，即改變水泵的抽水量，最終讓水箱水位保持在設定值。上位機運行組態軟件，與單片機控制器通信，可以動態顯示畫面與控制曲線，還可以修改水位設定值與控制參數?？刂破飨到y結構，以單片機為核心，外接數碼顯示電路、按鍵電路、通信電路及輸入輸出電路等。單片機采用宏晶科技生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機STCl2C5A60S2/AD，該單片機優點是指令代碼完全兼容傳統8051，并內置10位A/D轉換電路［1］，可直接在用戶系統上用ISP在線下載方式，將用戶程序下載進STC單片機運行，這樣可省去編程器和仿真器、降低實驗成本.2.2水位信號輸入電路與控制信號輸出電路水位測量采用的是二線制投入式液位變送器，輸出4～20mA電流信號，工作電壓為24V。采用5V轉24V的1W電源模塊為變送器提供24V.

2控制器硬件電路設計

對于硬件部分，要求學生會用電路圖設計軟件AltiumDesigner繪制電路原理圖和印制板圖［2］，因為時間限制，學生只要基本會使用軟件即可，最終電路板使用的是統一的電路版。因為實驗要求單片機控制器由學生動手焊接調試，每屆學生使用的都是自己焊接調試的電路板，因此單片機控制器硬件設計以簡單、低成本為目標。2.1程序下載與通信電路因為現在PC機主板一般沒有集成串口，因此采用了串口－USB接口轉換器PL2303。PL2303芯片可提供一個全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利連接的解決方案［3］。這樣設計使控制器與上位機之間只需要一條USB線就可以完成單片機程序下載與通信的功能，還能利用USB口的5V電源為控制板提供電源而不再需要外部提供電源，變送器輸出的電流信號流過一個200Ω的電阻變換為電壓信號接到單片機的A/D轉換引腳。水泵抽水量由變頻器輸出頻率控制，變頻器輸出頻率可以由控制板輸出電壓信號進行調節。為了精簡電路，沒有采用片外D/A轉換器，而是用單片機輸出脈沖寬度調制(PWM)信號［4］，片外采用跟隨器將PWM信號變為直流信號?？刂破鞲鶕刂扑惴ㄓ嬎愕妮敵隽扛淖働WM波的占空比，跟隨器輸出值隨占空比的變化而改變。跟隨器采用單5V電源，輸出給變頻器電壓信號可在0～3.5V變化，雖然沒有達到5V，但變頻器輸出頻率改變范圍已滿足實驗需要，2.3LED顯示電路控制板用4位LED數碼管，顯示當前水位值、設定水位值和控制參數等。為了節省I/O口，LED顯示采用8位串入并出移位寄存器74LS164，4片級聯，只需2位I/O口，按時序要求輸出4位顯示碼，就可實現4位8段LED顯示的靜態顯示［5］2.4按鍵及指示燈控制板還設計有6位按鍵與4位LED指示燈，用以完成設定值修改、參數設置、顯示切換和狀態指示等功能。

3系統軟件設計

3.1單片機控制器程序

單片機控制板軟件使用C語言編程［6］，采用模塊化設計，包括通信模塊、A/D測量模塊、PWM輸出模塊、顯示模塊、按鍵處理模塊和控制算法模塊等。主程序流程圖如圖5所示。實驗并不要求學生編寫完整的程序，但控制算法和水位采樣值的標度變換程序要求學生完成，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塊程序提供給學生，由學生最終完成整個程序的整合與調試，有能力的同學還可以編寫其他控制算法的程序和增加手自動切換等功能。

3.2上位機組態

為了清楚顯示控制過程以了解控制效果，要求學生在上位PC機上用組態軟件“組態王”實現系統的監控畫面［8－9］。畫面要求較為簡單:1)能用動畫及數字實時顯示水位值;2)能顯示水位的給定值及數字顯示控制器的P、I、D參數值，這些參數均能在操作界面中進行修改;3)給定值和測量值的實時記錄曲線，用來記錄和顯示控制過程中被控變量的水位設定值和實時水位值的變化過程。上位機與單片機控制板采用Modbus通信協議進行通信［10－11］，在控制板通信程序中實現了Mod-bus通信協議中讀多寄存器(功能碼3)和寫多寄存器(功能碼16)的功能。在組態王軟件中，定義設備時選擇［PLC］－［莫迪康］－［ModbusRTU］－［COM］即可實現上位機與控制板的通信。

4結束語

該實驗讓學生從底層起設計反饋控制系統，從電路設計，電路板焊接，單片機程序編程調試到上位機組態軟件的使用，讓學生對反饋控制系統有較全面清楚的了解。實踐表明，該綜合實驗對加強實踐教學環節，增強學生的動手能力、知識和技術的應用能力、盡快適應現場能力大有幫助。

參考文獻

［1］陳桂友.增強型8051單片機實用開發技術［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2010.

［2］袁鵬平，何志剛，羅開玉.快速精通AltiumDesigner6電路圖和PCB設計［M］.北京:化學工業出版社，2009.

［3］文治洪，胡文東，李曉京.基于PL2303的USB接口設計［J］.電子設計工程，2010，18(1):32－34.

［4］庹朝永.基于單片機的直流電機PWM調速系統設計與開發［J］.煤炭技術，2011，30(6):62－63.

［5］單蓉，李濤.基于AT89S51芯片的電子廣告牌電路設計［J］.現代電子技術，2009，32(20):196－197．

作者:楊帆 單位:武漢電力職業技術學院