基于AT89S52與ATmega16單片機(jī)的簡易自動控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)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(qiáng)，光靠課堂教學(xué)達(dá)不到理想的教學(xué)效果，因此各個高校都開設(shè)自動控制原理實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)加深學(xué)生對理論知識的理解，將課堂教學(xué)知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用知識，同時培養(yǎng)學(xué)生對自動控制原理這門課程的興趣。然而國內(nèi)教學(xué)儀器企業(yè)銷售的自動控制原理實(shí)驗(yàn)平臺不但操作復(fù)雜，而且價格昂貴，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，繼而影響到自動控制原理的學(xué)習(xí)。針對此種現(xiàn)象，設(shè)計了一種簡易自動制原理實(shí)驗(yàn)平臺，該系統(tǒng)主要包括電源、基于單片機(jī)AT89S52的信號發(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 虛擬軟件平臺進(jìn)行顯示或者儲存。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)高校自動控制原理實(shí)驗(yàn)平臺具有操作方便和價格低等優(yōu)點(diǎn)，適合在高校實(shí)驗(yàn)室推廣的價值。

2 簡易自動控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

簡易自動控制原理實(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(shí)驗(yàn)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(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)平臺總體思想采用分模塊設(shè)計方法，首先將各分模塊分別設(shè)計和調(diào)試，再將其各模塊之間進(jìn)行集成設(shè)計和聯(lián)立調(diào)試。采用該設(shè)計方法能使設(shè)計過程簡單并且能提高設(shè)計效率。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2. 1 信號發(fā)生器電路設(shè)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(dāng)用戶設(shè)置主控芯片后，引腳控制DDS 芯片AD9833 就會產(chǎn)生相應(yīng)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

2. 2 數(shù)據(jù)采集電路和多通道采集電路設(shè)計

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(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。

圖3 采樣電路原理圖

由于ATmega16 內(nèi)部ADC 為八選一數(shù)據(jù)通道，在具體實(shí)現(xiàn)某路數(shù)據(jù)采集時就必須更改多工選擇寄存器ADMUX 的數(shù)值。為能隨時更改通道，本設(shè)計采用主從方式，通過上位機(jī)發(fā)送給ATmega16 的數(shù)值來改變通道。同時，在串行接口接收中斷后，通過接收的數(shù)值的編碼也可用來改變ADC 相鄰兩次轉(zhuǎn)換之間的延時值，從而達(dá)到改變轉(zhuǎn)換速率的效果。本系統(tǒng)采用0 - 7 為通道選項，當(dāng)數(shù)據(jù)大于7 時為更改采樣速率值。當(dāng)數(shù)據(jù)更改操作完成后程序立即返回主程序，此時ADC 轉(zhuǎn)換由新的參數(shù)運(yùn)行。

2. 3 下位機(jī)軟件設(shè)計

下位機(jī)軟件包括信號發(fā)生器軟件和數(shù)據(jù)采集軟件兩部分。信號發(fā)生器采用AT89S52 型單片機(jī)加AD9833 型的DDS 芯片構(gòu)成，軟件編程使用環(huán)境為Keil uVision 4.數(shù)據(jù)采集模塊采用ATmega16 型單片機(jī)構(gòu)成，軟件編程使用環(huán)境為AVR GCC 和AVR studio 4.下位機(jī)軟件設(shè)計的關(guān)鍵是能使程序能即時完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，同時保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，為此，系統(tǒng)采用中斷響應(yīng)的方式完成串行數(shù)據(jù)接收，同時完成ADC 轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的發(fā)送。下位機(jī)程序分為主程序、串行接收中斷和ADC 轉(zhuǎn)換完成中斷三部分，其流程圖如圖4 所示。在主程序中主要完成串口和ADC 寄存器的初始化，初始化完成后啟動片內(nèi)ADC 的第一次轉(zhuǎn)換，隨即系統(tǒng)進(jìn)入等待中斷狀態(tài)，若接收到停止信號，系統(tǒng)馬上停止。當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)到串行接收數(shù)據(jù)中斷，通過接收的數(shù)值對ADC 轉(zhuǎn)換的通道和采集速度進(jìn)行相應(yīng)的修改，當(dāng)修改完成后立即返回主程序。當(dāng)ADC 每次轉(zhuǎn)換完成相應(yīng)標(biāo)志位置位，程序跳轉(zhuǎn)到ADC 轉(zhuǎn)換并完成中斷運(yùn)行。此時系統(tǒng)讀取轉(zhuǎn)換的數(shù)值并處理，隨即通過串口將該數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。當(dāng)串口數(shù)據(jù)發(fā)送完成后起動延時； 另外當(dāng)延時完成后，系統(tǒng)將ADC 轉(zhuǎn)換起動標(biāo)志位置位，然后進(jìn)行下一次轉(zhuǎn)換。下位機(jī)程序運(yùn)行的整個過程中，系統(tǒng)通過中斷方式完成，具有響應(yīng)及時、提高單片機(jī)處理內(nèi)部和外部事件能力的優(yōu)點(diǎn)。

圖4 下位機(jī)程序流程圖

2. 4 上位機(jī)前面板設(shè)計

系統(tǒng)采用LabVIEW 開發(fā)平臺制作上位機(jī)軟件，即在PC 機(jī)上設(shè)計出虛擬示波器。系統(tǒng)虛擬示波器上位機(jī)軟件界面如圖5 所示。從圖5 可知，上位機(jī)具有串口參數(shù)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)波形顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)回放、以及采樣通道及速率選擇等功能。虛擬示波器在波形顯示過程中，用戶可根據(jù)個人喜好對曲線顏色、數(shù)據(jù)采集速率和通道等參數(shù)的進(jìn)行設(shè)置。同時在實(shí)驗(yàn)過程中，可以點(diǎn)擊波形存儲按鈕對接收到的數(shù)據(jù)以TXT 或其他格式的文件存儲在PC 機(jī)硬盤或其他外部磁盤中。用戶可根據(jù)需要隨時通過數(shù)據(jù)回放按鈕選擇文件查看數(shù)據(jù)波形或者將數(shù)據(jù)文件提供給Matlab 和Exel 等數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行分析處理，使用非常靈活方便。

圖5 上位機(jī)前面板界面圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

系統(tǒng)設(shè)計完成后，對典型二階震蕩環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬電路連接如圖6 所示。

圖6 二階振蕩環(huán)節(jié)模擬電路圖

圖6 所示模擬電路的拉氏運(yùn)算電路如圖7 所示。

圖7 二階振蕩環(huán)節(jié)拉氏運(yùn)算電路

將圖7 所示電路進(jìn)行頻域分析有：

式1 中參數(shù)為R1 = R2 = R3 = R7 = R8 = 200K,R4 = 10K,R5 = R6 = 100K,C1 = 1uF,C2 = 10uF; 對上式進(jìn)行拉氏變換可得出系統(tǒng)輸出響應(yīng)函數(shù)為：

在MATLAB 中進(jìn)行仿真，可以得到其階躍響應(yīng)曲線，如如圖8 所示：

圖8 二階振蕩環(huán)節(jié)階躍作用下輸出仿真波形

圖9 為簡易自動控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)二階振蕩環(huán)節(jié)在單位階躍作用下的輸出波形，通過對比可知實(shí)驗(yàn)波形與圖8 所示的仿真波形基本一致，說明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能很好的實(shí)現(xiàn)自動控制原理實(shí)驗(yàn)功能，達(dá)到設(shè)計目的。

圖9 二階振蕩環(huán)節(jié)在階躍信號作用輸出波形圖

4 結(jié)束語

一種簡易的自動控制原理實(shí)驗(yàn)平臺由雙單片機(jī)AT89S52、ATmega16、LM741 等硬件電路和下位機(jī)系統(tǒng)及由LabVIEW 開發(fā)的上位機(jī)軟件構(gòu)成。系統(tǒng)充分利用AT89S52 和ATmega16 單片機(jī)軟硬件資源，方便快捷地實(shí)現(xiàn)信號產(chǎn)生和數(shù)據(jù)采集，PC 機(jī)通過LabVIEW 開發(fā)平臺方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、分析、處理、存儲和打印輸出。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有電路簡單、使用靈活方便和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以廣泛地應(yīng)用于高校自動控制原理實(shí)驗(yàn)室，方便學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)，從而有效地降低實(shí)驗(yàn)成本和節(jié)約實(shí)驗(yàn)室資源。