簡易自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　自動(dòng)控制原理是國內(nèi)高校自動(dòng)化專業(yè)最重要的一門專業(yè)課，這門專業(yè)課的理論性非常強(qiáng)，光靠課堂教學(xué)達(dá)不到理想的教學(xué)效果，因此各個(gè)高校都開設(shè)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，將課堂教學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制原理這門課程的興趣。然而國內(nèi)教學(xué)儀器企業(yè)銷售的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不但操作復(fù)雜，而且價(jià)格昂貴，從而導(dǎo)致高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)開放程度不高，降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，繼而影響到自動(dòng)控制原理的學(xué)習(xí)。針對(duì)此種現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種簡易自動(dòng)制原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該系統(tǒng)主要包括電源、基于單片機(jī)AT89S52的信號(hào)發(fā)生器模塊、基本實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)模塊、控制系統(tǒng)環(huán)節(jié)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等模塊。其中，數(shù)據(jù)采集模塊通過ATmega16單片機(jī)將采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，送到PC機(jī)上的LabVIEW 虛擬軟件平臺(tái)進(jìn)行顯示或者儲(chǔ)存。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)高校自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有操作方便和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，適合在高校實(shí)驗(yàn)室推廣的價(jià)值。

　　2 簡易自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

　　簡易自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。其中電源輸入為市電220V ~ 50Hz 交流電輸入，通過電源模塊后可為整個(gè)系統(tǒng)提供各種所需電壓，電壓規(guī)格包括± 12V,+ 5V 等。信號(hào)發(fā)生器提供實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)所需要的輸入信號(hào)，其中包括階躍信號(hào)和頻率范圍為0 -100KHz正弦波、方波、三腳波的信號(hào)源。模擬環(huán)節(jié)包括基本實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)模塊和控制系統(tǒng)模塊。數(shù)據(jù)采集模塊的功能是將實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)模塊輸出的模擬量數(shù)字化并通過RS232串行通信將其送入PC 機(jī)進(jìn)行處理，其中還包括電平轉(zhuǎn)換模塊，其作用是將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為0 - 5V范圍內(nèi)，從而能夠采集數(shù)據(jù)。PC 機(jī)安裝上位機(jī)軟件，用于接收下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理和顯示，同時(shí)上位機(jī)將指令傳給下位機(jī)，用于調(diào)節(jié)下位機(jī)數(shù)據(jù)采集的速率和通道。

　　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體思想采用分模塊設(shè)計(jì)方法，首先將各分模塊分別設(shè)計(jì)和調(diào)試，再將其各模塊之間進(jìn)行集成設(shè)計(jì)和聯(lián)立調(diào)試。采用該設(shè)計(jì)方法能使設(shè)計(jì)過程簡單并且能提高設(shè)計(jì)效率。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

　　2. 1 信號(hào)發(fā)生器電路設(shè)計(jì)

　　信號(hào)發(fā)生器電路如圖2 所示，其中主控芯片AT89S52通過鍵盤和液晶電路接收來自用戶對(duì)所需信號(hào)的頻率及幅度。當(dāng)用戶設(shè)置主控芯片后，引腳控制DDS 芯片AD9833就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，其信號(hào)由LM741電路放大后經(jīng)U7 輸出端口輸出。

圖2 信號(hào)發(fā)生器電路原理圖

　　ATmega16 單片機(jī)是美國Atmel 公司生產(chǎn)的基于增強(qiáng)的AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。ATmega16 單片機(jī)資源非常豐富、性價(jià)比高而且在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛。ATmega16 單片機(jī)除了具有其他同類型單片機(jī)共有的特性外，還獨(dú)具有8 路10 位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的ADC 及可編程異步串行接口的內(nèi)部資源。系統(tǒng)正是利用ATmega16 的8 路10 位可編程增益的逐次比較型ADC 及可編程異步串行接口的內(nèi)部資源，從而簡化了電路設(shè)計(jì)的難度及編程難度。數(shù)據(jù)采集電路如圖2 所示，ATmega16只需結(jié)合簡單的電平轉(zhuǎn)換、晶振電路和復(fù)位電路就可以達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。圖3 電路中模擬信號(hào)通過八路模擬輸入的任意端口輸入即可，通過單片機(jī)內(nèi)部程序控制，將輸入模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。單片機(jī)再通過串行接口傳輸給PC 機(jī)，系統(tǒng)的通信是通過串行發(fā)送引腳TXD 和串行接收引腳RXD 連接串行通信接口電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行傳送與接收。