智能调节仪自主实验平台研制与应用研究

李跃忠，　吴华玲，　胡开明

(东华理工大学 机械与电子工程学院，江西 抚州 344000)



智能调节仪自主实验平台研制与应用研究

李跃忠，吴华玲，胡开明

(东华理工大学 机械与电子工程学院，江西 抚州 344000)

摘要：为提高电子信息类专业学生的专业实践与设计能力，结合模拟与数字电路设计技术、传感器技术、单片机技术和智能仪器技术，研制了一套智能调节仪自主实验平台。该实验平台选用C8051F系列单片机与数码管或LCD(二选一)、4*4键盘接口构成微处理器系统，可接0～5V、4～20mA两种输入信号的信号调理电路和信号输出控制电路作为外围设计，采用单片机内部A/D和D/A模块完成了外接温度、压力、液位、湿度等工艺参数的采集、显示与调节输出，同时设计了RS-485和RS-232通信接口来完成实验平台与计算机的通信接口设计。通过构建模拟大棚温湿度测控系统来验证该实验平台提供学生自主实验的可行性。结果表明：该平台不仅可以作为电子信息工程、自动化、测控技术与仪器等专业的自主开放性综合实验平台，而且可以作为智能仪器设计与开发的一个实验平台。

关键词：智能调节仪；微处理器C8051F005；自主实验

李跃忠，吴华玲，胡开明.智能调节仪自主实验平台研制与应用研究[J].东华理工大学学报：社会科学版，2016，35(2)：172-176.

Li Yue-zhong, Wu Hua-ling, Hu Kai-ming.Development and application of intelligent regulator experimental platforms [J].Journal of East China University of Technology(Social Science)，2016，35(2)：172-176.

智能调节仪是工业现场中广泛应用的一个电子智能化仪表[1-4]，学生通过认识和了解智能调节仪的应用，可以选择性地完成温度、压力、液位、湿度等物理量的测量、显示、报警控制、记录数据通信等功能设计。

在电子信息类专业学生的培养中，为了培养学生的工程素养、创新能力，树立终身学习观，在电工电子实验和实践教学内容上由浅入深，从基础验证到设计、综合设计性实验发展[5-11]。在实验和实践模式上提倡开放实验环境，提供自主实验项目[12-16]。对于电子信息工程、自动化、测控技术与仪器等电子信息类专业学生来讲，经过模拟与数字电子技术、传感器技术、单片机技术、智能仪器技术等实验课程及其相关的课程设计后，面临着就业前的综合实践与毕业实习环节。自主开放的实验模式尤其适用于高年级大学生，从第六学期暑假开始的专业实践学习与锻炼。电子信息类学生选择一个综合设计项目，能够更有助于提高工程应用、开发、设计与创新能力。

结合东华理工大学机械与电子工程学院电子信息类专业学生的专业综合设计、毕业实习实践环节与自主创新活动，开发了一套智能调节仪自主实验系统。该系统选用C8051F005微处理器与数码管或LCD(二选一)、4*4键盘构成实验平台的微处理器系统，外围扩展可接0～5V、4～20mA两种输入信号的信号调理电路和信号控制电路，采用微处理器片内A/D和D/A模块完成外接温度、压力、液位、湿度等工艺参数的测量、显示、调节输出，同时设计了RS-485和RS-232通信接口以方便学生完成实验平台与计算机的通信功能，以实现计算机测控系统的设计功能。

1实验系统组成与原理

采用新华龙单片机C8051F005作为系统的微处理器，应用其主要功能如内部12位A/D模块实现8个外部输入、两个12位D/A，UART口等实现各类传感器信号采集输入、显示、变送输出调节和通讯等功能。系统硬件组成主要包括微处理器系统、0～5V/4～20mA信号输入调理电路、0～5V/4～20mA信号输出电路、光电隔离接口、RS-232/RS-485通信接口、系统供电电源等电路。

系统结构组成框图如图1所示。

图1　智能调节仪实验系统框图

图2 　a.0～5V电压输入信号调理电路；b.4～20mA电流输入信号调理电路

智能调节仪实验系统通过0～5V/4～20mA信号输入调理电路转换外置的温度、压力、湿度等传感器信号，通过C8051F005单片机内部的A/D转换器采集相应传感器的信号，并通过显示器显示采集信息。通过C8051F005单片机内部的D/A转换器输出给0～5V/4～20mA信号输出电路，得到智能调节仪输出的标准信号(0～5V/4～20mA信号)。光电隔离输入接口电路完成开关量输入信号的采集，光电隔离输出接口电路完成开关量输出，可以驱动继电器输出，接加热负载或电机负载。实验系统可通过RS-232/RS-485通信接口完成实验系统与计算机之间的数据通信，可以通过编写软件完成计算机测控应用系统设计。整个实验系统通过220V交流电压输入，通过变压器转换，整流滤波输出±12V、+5V直流电源，并通过DC-DC由+5V 转换成+3.3V。信号调理输入、输出电路由±12V供电，光电隔离接口、RS-232/RS-485通信接口电路由+5V供电，C8051F005微处理器系统、键盘与显示电路由+3.3V供电。

2硬件电路设计

2.10～5V/4～20mA信号输入调理电路设计

工业自动化领域需要测量的过程参数主要有温度、压力、液位、流量等，所使用的传感器或变送器输出信号一般为0～5V电压输出信号和4～20mA电流输出信号。作为智能调节仪的信号输入调理电路，设计了既可以接收0～5V电压输入信号的电压跟随器电路，又设计了可以接收的4～20mA电流输入信号的电流/电压转换电路。如图2所示。

图2(a)0～5V电压输入信号调理电路采用同相放大器输入，跟随器接法是为了扩流。图2(b)4～20mA电流输入信号调理电路是指同相放大器的输入端接一个电流采样电路，通过R30使得4～20mA电流输入信号转换成适合后续A/D采集的输入电压0～3.3V。取R30为160Ω时，4～20mA电流输入信号对应的输出电压为0.64～3.2V。

2.20～5V/4～20mA信号输出调理电路设计

为了适应自动化系统的通用连接，智能调节仪设计了0～5V或4～20mA信号输出接口。输出调理电路如图3所示。输出电压信号来源于C8051F005内部的12位D/A，由于内部D/A的参考电源为2.5V，且为电压输出型D/A，因此图3中AD-IN0为0～2.5V，同相放大器的放大倍数为(1+ R34/R32)=2，得到0～5V电压输出信号。

图3　0～5V电压输出信号调理电路

采用4～20mA电流信号输出，不容易受干扰。并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响信号输出精度，在普通双绞线上可以传输数百米。

对4～20mA电流信号输出电路的要求：(1) 输出电流与输入电压成正比；(2) 输出电流为恒流源。即当负载电阻在规定范围内变化时，输出电流保持不变；(3) 输出电流对电源变化、环境温度等的变化不敏感。(4)一般地，还要附加一个要求，即输入电压与输出电流共地。图4为一种典型的将0～2.5V输入电压线性地转换为0～20mA电流源输出的V/I变换器，基本精度在0.2%以内。当负载在0～300Ω变化时，输出电流变化应在规定精度之内。图3(b)中 R6为外接负载，在满足R2/R1=R3/(R4+W1)以及R6远小于R3的情况下，流过R6的输出电流为Vin*R2/(R1*R5)，与R6的变化无关。

图4　4～20mA电流输入信号调理电路

2.3微处理器系统及其人机接口电路设计

微处理器系统主要是构成C8051F005的外围电路，包括晶振、复位电路、JTAG程序下载接口。微处理器内部拥有12位A/D，利用它完成外置温度、压力、湿度等传感器信号经调理放大后的信号采集，也包括对实验板上LM35温度传感器信号的采集。微处理器内部拥有12位D/A，利用它完成0～5V/4～20mA模拟量输出，也用于PID调节量的输出。人机接口电路主要以Cp52数码管显示驱动和键盘扫描控制电路完成四个数码管与四个按键的接口电路。电路如图5所示。系统也扩展了液晶显示接口，可连接1602LCD或128*64LCD。为了解决远程测控问题，系统设计了RS-485通讯电路。

2.4其它电路设计

系统利用TLP521光电隔离器设计了四路数字量输出接口电路，同时利用9014三极管与继电器设计了两路功率驱动电路。

系统板外接+12V电源，通过LM7805转换得到+5V直流电源， 由LM2937将 +5V转换成MCU所需的+3.3V直流电源，由LM385将+3.3V转换成MCU片内A/D和D/A所需的+2.5V直流电源。考虑篇幅太大本文不给出具体电路。

3实验系统软件及其主要例程设计

3.1主程序设计

软件设计采用模糊控制理论和传统PID控制相结合的方式调节控制输出信号，使控制过程具有响应快、超调小、稳态精度高的优点，对常规PID难以控制的大纯滞后对象有明显的控制效果。根据不同的场合可以人工选择工作方式，利用按键选择输入通道和输出调节设置等，实现其智能化。

按模块可以分为：(1)传感器信号采集与显示；(2)信号输出调节控制；(3)按键与显示。

主程序流程如图6所示。

3.2系统监控程序设计

系统监控程序是控制单片机系统按预定操作方式运转的程序。它完成人机对话和远程控制等功能，使系统按操作者的意图或遥控命令来完成指定的作业。它是单片机系统程序的框架。

当用户操作键盘时，监控程序必须对键盘操作进行解释，然后调用相应的功能模块，完成预定的任务，并通过显示等方式给出执行的结果。因此，监控程序必须完成解释键盘、调度执行模块的任务。监控程序的任务有：完成系统自检、初始化、处理键盘命令、处理接口命令、处理条件触发、及时启动输出和显示功能。

图5　显示、键盘、通讯模块

图6　主程序流程图

3.3A/D、D/A程序设计

系统采用的是C8051F005单片机内部的ADC和DAC，当ADC控制寄存器中的ADCEN位被置‘1’时ADC子系统(ADC、跟踪保持器和PGA)才被使能。当ADCEN位为‘0’时，ADC子系统处于低功耗关断方式。如果要给ADC提供偏置，必须将REF0CN寄存器中的偏置使能位(BIASE)置‘1’。

ADC使用VREF来确定它的满度电压，因此在进行一次转换之前必须正确设置这个参考电压。ADC的最高转换速度为100ksps，转换时钟来源于系统时钟。可以通过设置ADC0CF寄存器的ADCSC位将转换时钟的速度降为系统时钟的1/2、1/4、1/8或1/16。这一功能用于根据不同的系统时钟速度调整转换速度。

向ADBUSY写1方式提供了在需要时用软件控制ADC启动转换的能力。ADBUSY位在转换期间被置‘1’，转换结束后复‘0’。ADBUSY位的下降沿触发一个中断(当被允许时)并置‘1’ 中断标志ADCINT。注意：当转换是由软件(on-demand)启动时，应查询ADCINT标志(而不是ADBUSY)来判断转换何时结束。转换结果保存在ADC数据字的MSB和LSB寄存器：ADC0H和ADC0L。转换数据在寄存器对ADC0H:ADC0L中的存储方式可以是左对齐或右对齐，由ADC0CN寄存器中ADLJST位的编程状态决定。

ADC、DAC的初始化代码如下：

初始化ADC

void ADC0_Init (void)

{

ADC0CN = 0x00; // 禁用ADC，在主程序需要时打开，ADCEN = 1

//使用连续跟踪模式，软件写ADBUSY启动转化

// 数据使用右对齐

REF0CN = 0x07; //温度传感器工作，使用片上基准和偏压

ADC0CF = 0x80; // ADC转换时钟 = SYSCLK/16

ADC0CF &= 0xF8;// PGA 增益 = 1

}

初始化DAC

void DAC_Init (void)

{

DAC0CN = 0x00; // 禁用DAC，在主程序需要时打开，DAC0EN = 1； 数据使用右对齐

DAC1CN = 0x00; // 禁用DAC，在主程序需要时打开，DAC1EN = 1；数据使用右对齐

REF0CN = 0x07; //温度传感器工作，使用片上基准和偏压

}

4结语

设计的智能调节仪实验平台与各类传感器、变送器配合使用，实现对温度、压力、液位、容量、力等物理量的测量显示、报警控制、数据采集、记录等功能。具有良好的硬件兼容接口空间，也留有二次开发硬软件资源。为电子电气类学生提供一个灵活的智能仪器自主实验平台。

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收稿日期：2015-09-23

作者简介：李跃忠(1969—)，男，江西于都人，教授，主要从事工业流量检测技术、入式系统与智能仪器研究。

中图分类号：G642

文献标识码：A

文章编号：1674-3512(2016)02-0172-05

Development and Application of Intelligent Regulator Experimental Platforms

LI Yue-zhong,WU Hua-ling,HU Kai-ming

(SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,EastChinaUniversityofTechnology,Fuzhou344000,China)

Abstract：In order to enhance electric information majors’ professional capabilities, this paper, combined with analog and digital circuit design technique, sensor technique, single-chip microcomputer technique and intelligent instrument technique, develops an intelligent regulator experimental platform. This experimental platform can be connected to various sensors and transmitters to achieve measurement、displaying and adjustment of output of temperature、pressure、liquid level、capacity、strength and other physical parameters. This paper focuses on the experimental platform’s designs of all hardware circuits、system software and the main routines, and the way to verify whether the experimental platform’s designs of hardware and software systems are feasible through constructing measuring and controlling system of simulated shed.The experimental platform could be not only the open comprehensive experimental platform for the technology and equipment of measurement and conformity、automation、electrical information engineering and so on, but also an experimental platform for the design and development of intelligent instruments.

Key Words:intelligent regulator; C8051F005; autonomy experiment