簡易自動控制原理實驗系統(tǒng)設計

　　1 引言

　　自動控制原理是國內(nèi)高校自動化專業(yè)最重要的一門專業(yè)課，這門專業(yè)課的理論性非常強，光靠課堂教學達不到理想的教學效果，因此各個高校都開設自動控制原理實驗，通過實驗教學環(huán)節(jié)加深學生對理論知識的理解，將課堂教學知識轉(zhuǎn)化為實際應用知識，同時培養(yǎng)學生對自動控制原理這門課程的興趣。然而國內(nèi)教學儀器企業(yè)銷售的自動控制原理實驗平臺不但操作復雜，而且價格昂貴，從而導致高校實驗教學開放程度不高，降低了實驗教學效果，繼而影響到自動控制原理的學習。針對此種現(xiàn)象，設計了一種簡易自動制原理實驗平臺，該系統(tǒng)主要包括電源、基于單片機AT89S52的信號發(fā)生器模塊、基本實驗環(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單片機將采集到的實驗數(shù)據(jù)，送到PC機上的LabVIEW 虛擬軟件平臺進行顯示或者儲存。經(jīng)過實驗證明系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)高校自動控制原理實驗平臺具有操作方便和價格低等優(yōu)點，適合在高校實驗室推廣的價值。

　　2 簡易自動控制原理實驗系統(tǒng)介紹

　　簡易自動控制原理實驗系統(tǒng)結(jié)構圖如圖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系統(tǒng)提供各種所需電壓，電壓規(guī)格包括± 12V,+ 5V 等。信號發(fā)生器提供實驗環(huán)節(jié)所需要的輸入信號，其中包括階躍信號和頻率范圍為0 -100KHz正弦波、方波、三腳波的信號源。模擬環(huán)節(jié)包括基本實驗環(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驗環(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 機進行處理，其中還包括電平轉(zhuǎn)換模塊，其作用是將輸入信號轉(zhuǎn)換為0 - 5V范圍內(nèi)，從而能夠采集數(shù)據(jù)。PC 機安裝上位機軟件，用于接收下位機傳送的數(shù)據(jù)并進行處理和顯示，同時上位機將指令傳給下位機，用于調(diào)節(jié)下位機數(shù)據(jù)采集的速率和通道。

　　實驗平臺總體思想采用分模塊設計方法，首先將各分模塊分別設計和調(diào)試，再將其各模塊之間進行集成設計和聯(lián)立調(diào)試。采用該設計方法能使設計過程簡單并且能提高設計效率。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

　　2. 1 信號發(fā)生器電路設計

　　信號發(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所需信號的頻率及幅度。當用戶設置主控芯片后，引腳控制DDS 芯片AD9833就會產(chǎn)生相應的信號，其信號由LM741電路放大后經(jīng)U7 輸出端口輸出。

圖2 信號發(fā)生器電路原理圖

　　ATmega16 單片機是美國Atmel 公司生產(chǎn)的基于增強的AVR RISC 結(jié)構的低功耗8 位CMOS微控制器。ATmega16 單片機資源非常豐富、性價比高而且在工業(yè)生產(chǎn)中應用非常廣泛。ATmega16 單片機除了具有其他同類型單片機共有的特性外，還獨具有8 路10 位具有可選差分輸入級可編程增益的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，從而簡化了電路設計的難度及編程難度。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、晶振電路和復位電路就可以達到系統(tǒng)的設計需求。圖3 電路中模擬信號通過八路模擬輸入的任意端口輸入即可，通過單片機內(nèi)部程序控制，將輸入模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。單片機再通過串行接口傳輸給PC 機，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現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行傳送與接收。