時間：2022-06-12 02:55:42
引言：易發表網憑借豐富的文秘實踐，為您精心挑選了九篇控制系統設計論文范例。如需獲取更多原創內容，可隨時聯系我們的客服老師。
關鍵詞：火災自動報警消防聯動控制系統電氣設計
現代化的建筑規模大、標準高、人員密集、設備眾多，對防火要求極為嚴格。為此，除對建筑物平面布置、建筑和裝修材料的選用、機電設備的選型與配置有許多限制條件外，還需要設置現代化的消防設施。隨著我國經濟建設的發展，各種高層建筑、大中型商業建筑、廠房不斷涌現，對自動消防報警系統提出了更高更嚴的要求。為了早期發現和通報火災，防止和減少火災危害，保護人身和財產安全，保衛社會主義現代化建設，在現代化的工業民用建筑、賓館、圖書館、科研和商業部門，火災自動報警系統已成為必不可少的設施。電氣工程設計、安裝和使用是否正確不僅直接影響到建筑的消防安全而且也直接關系到各種消防設施能否真正發揮作用。因此，自動報警及消防聯動的設計及設備選型顯得尤為重要。
一、系統的組成
火災自動報警與消防聯動控制系統是建筑物防火綜合監控系統，由火災報警系統和消防聯動控制系統組成。在實際工程應用中，系統的組成是多種多樣的，設備量的多少、設備種類都會有很大的不同。但是，決定系統特征的是火災自動報警和消防聯動控制這兩個系統的實現方式。
（一）火災自動報警系統的組成
火災自動報警系統一般由探測器、信號線路和自動報警裝置三部分組成。
1、火災探測器和手動報警按鈕
火災探測器是整個報警系統的檢測元件。它的工作穩定性、可靠性和靈敏度等技術指標直接影響著整個消防系統的運行。
1）探測器的種類
火災探測器的種類很多，大致有如下幾種：
（1）離子感煙探測器。
（2）光電感煙探測器。
（3）感溫探測器（包括定溫式和差溫式）。
（4）氣體式探測器。
（5）紅外線式探測器。
（6）紫外線式探測器。
2）常用的火災探測器基本原理
（1）感煙火災探測器
火災發展過程大致可以分為初期階段、發展階段和衰減熄滅階段。感煙火災探測器的功能在于：在初燃生煙階段，能自動發出火災報警信號，以期將火撲滅在未成災害之前。根據結構不同，感煙探測器可分為離子感煙探測器和光電感煙探測器。
①離子感煙探測器
離子式感煙探測器是由兩個內含Am241放射源的串聯室、場效應管及開關電路組成的。內電離室即補償室，是密封的，煙不易進入；外電離室即檢測室，是開孔的，煙能夠順利進入。在串聯兩個電離室的兩端直接接入24V直流電源。當火災發生時，煙霧進入檢測電離室，Am241產生的α射線被阻擋，使其電離能力降低，因而電離電流減少，檢測電離室空氣的等效阻抗增加，而補償電離室因無煙進入，電離室的阻抗保持不變，因此，引起施加在兩個電離室兩端分壓比的變化，在檢測電離室兩端的電壓增加量達到一定值時，開關電路動作、發出報警信號。
②光電感煙探測器
光電式感煙探測器由光源、光電元件和電子開關組成。利用光散射原理對火災初期產生的煙霧進行探測，并及時發出報警信號。按照光源不同，可分為一般光電式、激光光電式、紫外光光電式和紅外光光電式等4種。
a、一般光電式感煙探測器根據其結構特點可分為遮光型和散射型兩種。
遮光型光電感煙探測器由一個光源（燈泡或發光二極管）和一個光電元件對應裝在小暗室內構成。在無煙情況下，光源發出的光通過透鏡聚成光束，照射到光電元件上，并將其轉換成電信號，使整個電路維持在正常狀態，不發出報警。當火災發生有煙霧進入探測器，使光的傳播特性改變，光強明顯減弱，電路正常狀態被破壞，則發出報警信號。
散射光電式感煙探測器的發光二極管和光電元件設置的位置不是對應的。光電元件設置在多孔的小暗室里。無煙霧時，光不能射到光電元件上，電路維持正常狀態。而發生火災時，有煙霧進入探測器，光通過煙霧粒子的反射或散射到達光電元件上，則光信號轉換成電信號，經放大電路放大后，驅動自動報警裝置發出報警信號。
b、激光式感煙探測器。由激光發射機（包括脈沖電源和激光發生器）和激光接收器（包括光電接收器、脈沖放大及報警）組成。它利用激光方向性強、亮度高及單色性和相干性好的特點。在無煙情況下，脈沖激光束射到光電接收器上，轉換成電信號，報警器不發出報警。一旦激光束在發射過程中有煙霧遮擋而減弱到一定程度，使光電接收器信號顯著減弱，探測器發出報警信號。在種類繁多的激光光源中，半導體激光器由于具有所需激發電壓低、效率高、脈沖功率大、器件體積小、耐震、壽命長和價格低廉等優點而受到重視。
c、紫外光和紅外光感煙探測器。它們具有靈敏度高、性能穩定、可靠、探測方位準確等優點，因而得到普遍重視，并成為目前火災探測器的重要設備和發展方向。
光電式感煙探測器發展很快，種類不斷增多，就其功能而言，它能實現早期火災報警，除應用于大型建筑物內部外，還特別適用于電氣火災危險性較大的場所，如計算機房、儀器儀表室和電纜溝、隧道等處。
（2）感溫火災探測器
感溫探測器按結構原理不同有雙金屬片型、膜盒型、熱敏電子元件型等三種。
①雙金屬片型是應用兩種不同膨脹系數的金屬片作為敏感元件的，一般制成差溫和定溫兩種形式，定溫式是當環境溫度上升達到設定溫度時，定溫部件立即動作，發出報警信號；差溫式是當環境溫度急劇上升，其溫升速率（℃/min）達到或超過探測器規定的動作溫升速率時，差溫部件立即動作，發出報警信號。
②膜盒型探測器由波紋板組成一個氣室，室內空氣只能通過氣塞螺釘的小孔與大氣相通。一般情況下（指環境溫升速率不大于1℃/min），氣室受熱，室內膨脹的氣體可以通過氣塞螺釘小孔泄漏到大氣中去。當發生火災時，溫升速率急劇增加，氣室內的氣壓增大，波紋板向上鼓起，推動彈性接觸片，接通電接點，發出報警信號。
③電子感溫探測器由兩個阻值和溫度特性相同的熱敏電阻和電子開關線路組成，兩個熱敏電阻中一個可直接感受環境溫度的變化，而另一個則封閉在一定熱容量的小球內。當外界溫度變化緩慢時，兩個熱敏電阻的阻值隨溫度變化基本相接近，開關電路不動作。火災發生時，環境溫度劇烈上升，兩個熱敏電阻阻值變化不一樣，原來的穩定狀態破壞，開關電路打開，發出報警信號。
3）火災探測器的選擇
（1）根據火災的特點選擇探測器
①火災初期有陰燃階段，產生大量的煙和少量熱，很小或沒有火焰輻射，應選用感煙探測器。
②火災發展迅速，產生大量的熱、煙和火焰輻射，可選用感煙探測器、感溫探測器、火焰探測器或其組合。
③火災發展迅速、有強烈的火焰輻射和少量煙和熱、應選用火焰探測器。
④火災形成特點不可預料，可進行模擬試驗，根據試驗結果選擇探測器。
（2）根據安裝場所環境特征選擇探測器
①相對濕度長期大于95%，氣流速度大于5m/s，有大量粉塵、水霧滯留，可能產生腐蝕性氣體，在正常情況下有煙滯留，產生醇類、醚類、酮類等有機物質的場所，不宜選用離子感煙探測器。
②可能產生陰燃或者發生火災不及早報警將造成重大損失的場所，不宜選用感溫探測器；溫度在0℃以下的場所，不宜選用定溫探測器；正常情況下溫度變化大的場所，不宜選用差溫探測器。
③有下列情形的場所，不宜選用火焰探測器：
a、可能發生無焰火災；
b、在火焰出現前有濃煙擴散；
c、探測器的鏡頭易被污染；
d、探測器的‘視線’易被遮擋；
e、探測器易被陽光或其他光源直接或間接照射；
f、在正常情況下，有明火作業以及X射線、弧光等影響。
高層民用建筑及探測器的靈敏度選擇，應據探測器的性能及使用場所，正常情況下（無火警時）系統沒有誤報警為準進行選擇。目前，國內高層建筑中，大部分使用光電感煙測器，只有在個別場所、廚房、發電機房、車庫及有氣體滅火裝置的場所才用感溫探測器。只用一種探測器，在聯動的系統里易產生誤動作，這將造成不必要的損失，無聯動的系統里易誤報。故應選用兩種或兩種以上種類探測器。他們是“與”的邏輯關系，當兩種或兩種以上探測器同時報警，聯動裝置才動作，這樣才能確保不必要的損失
總之，探測器選擇應根據實際環境情況選擇合適的探測器，以達到及時、準確報警的目的。
4）手動報警按鈕
報警區域內每個防火分區應至少設置一個手動火災報警按鈕，且從一個防火分區里的任何位置至最近一個手動火災報警按鈕的距離不應大于30m，并應設置在明顯和便于操作的位置。手動報警按鈕距地面1.5m。
2、自動報警裝置
我國火災自動報警裝置的研究、生產和應用雖然起步較晚，但發展非常快，特別是最近幾年，隨著我國四化建設的迅速發展和消防工作的不斷加強，火災自動報警裝置的生產和應用都有了較大的發展，生產廠家、產品種類和產量及應用單位都不斷地增加。我國目前生產的火災自動報警裝置是包括報警顯示、故障顯示和發出控制指令的自動化成套裝置。當接收到火災探測器、手動報警按鈕或其他觸發器件發送來的火災信號時，能發出聲光報警信號，記錄時間、自動打印火災發生的時間、地點、并輸出控制其他消防設備的指令信號，組成自動滅火系統。目前，生產、使用的自動報警裝置，多采用多線制，分為區域報警控制器、集中報警控制器和智能型火災報警控制器。
（1）區域報警控制器
區域報警器是一種由電子電路組成的自動報警和監視裝置。它聯結一個區域內的所有火災探測器，準確、及時的進行火災自動報警。因此，每臺區域報警器和所管轄區域內的火災探測器經正確連接后，就能構成完整、獨立的自動火災報警裝置。
區域報警器的基本原理如下：
①接收探測器或手動報警按鈕發出的火災信號，以聲光的形式進行報警；
②電子鐘可以記憶首次發生火災的時間；
③可以帶動若干對繼電器觸點給出適當外接功能；可
④以配置備用直流電源，當市電斷電時，直流備用電便自動投入；
⑤具有自檢功能，當區域報警器與探測器之間有接觸不良或斷線時，報警器發出開路或短路的故障聲、光報警信號并自動顯示故障部位；
⑥具有“火警優先”功能，各類報警信號至區域報警器，經信號選擇電路處理后，進行火災、短路、開路判斷，報警器首先發出火災報警信號，指示具體著火部位，發出火警音響，記憶火警信號、開路、短路故障信號；
⑦通過通訊接口電路將三類信號送至集中報警控制器。區域報警控制器將接收到的探測器火警信號進行“與”“或”邏輯組合，控制繼電器動用聯動外部設備，如排煙閥、送風閥、防火門等。
目前國內各廠家生產的區域報警器的容量即監控部位多少不同。不同型號的區域報警器需與不同型號的探測器相連接。以西安262廠生產的JB-QB-2700/088A系列區域報警器為例，它有壁掛式、柜式兩種，最大容量為256路，一路是一個部位號，一個探測器占一個部位號。
在工程設計中，選擇區域報警控制器的容量應大于該區域的探測器數。如一建筑物以一層為一個區，共24個房間，每個房間一個探測器，共24個，則應選擇30路區域報警控制器。若48個房間，則應選擇50回路區域報警控制器。
（2）集中報警控制器
集中報警控制器的基本原理如下：
①把若干個區域報警器連接起來，組成一個系統，集中管理；
②可以巡回檢測相連接的各區域報警器有無火災信號或故障信號，并能及時指示火災區部位和故障區域，同時發出聲、光報警信號；
③其他功能、原理同區域報警控制器。
在系統中如只有探測器和集中報警器是不能工作的。因為集中報警器的巡檢功能、火災報警功能、自檢功能等都是與區域報警器構成系統后才具備的。所以，只有區域報警器與集中報警器配合使用，才能構成自動火災報警系統。
集中報警系統適用于大型、復雜工程。集中報警器最大容量可接40臺區域報警器。
（3）智能型火災報警控制器
智能型火災報警控制器的基本原理如下：
①采用模擬量探測器，能對外界非火災因素，諸如溫度、濕度和灰塵等影響實施自動補償，從而在各種不同使用條件下為解決無災誤報和準確報警奠定了技術基礎；
②報警控制器采用全總線計算機通信技術，實現總線報警和總線聯動控制，減少了控制輸出與執行機構之間的長距離管線；
③采用大容量的控制矩陣和交叉查尋程序軟件包，以軟件編程代替硬件組合，提高了消防聯動的靈活性和可修改性。
262廠生產的NA1000系列火災報警控制器就屬此類形式。
（4）自動報警裝置的選擇
火災自動報警系統中，所選用的火災報警裝置應具有以下基本功能：
①能為火災探測器供電；
②能接收來自火災探測器或手動報警按鈕的報警信號；
③能檢測并發出系統本身的故障信號；
④能檢查火災報警器的報警功能；
⑤具有電源轉換功能。
火災報警控制器的選擇，一般考慮下列因素：
①火災探測器、火災報警器宜選用同一廠家的配套產品；
②報警系統所需回路數量；
③是否需要自動消防聯動控制功能；
④安裝位置和安裝方式等。
（二）消防聯動控制系統的組成
消防聯動控制范圍很廣，據實際工程的大小、等級高低的不同各異。聯動控制設備有消火栓、水滅火、氣體滅火、防火門、防火卷簾、排風機、空調設施、防火閥、排煙閥、電梯、誘導燈、事故燈、警鈴、切斷工作電源等。
二、系統選擇
火災自動報警系統的保護對象是建筑物或建筑物的一部分。不同的建筑物，其使用性質、重要程度、火災危險性、建筑結構形式、耐火等級、分布狀況、環境條件以及管理形式等各不相同。在設計中應仔細研究這些情況，根據不同的情況選擇不同的火災自動報警系統。
（一）系統確定
火災自動報警系統是觸發器件、火災報警裝置、火災警報裝置以及具有其他輔助功能的裝置組成的火災報警系統，是人們為了早期發現通報火災、并及時采取有效措施，控制和撲滅火災而設置在建筑中或其他場所的一種自動消防設施，是人們同火災作斗爭的有力工具。
報警系統的確定一般是整個系統中報警部位總點數，包括探測器數量、手動報警按鈕數量及消火栓、自動門、自動閥、行程開關等總數量來確定。也就是說與建筑物大小、等級、使用功能有關。火災自動報警系統的組成形式多種多樣，特別是近年來，科研、設計單位與制造廠家聯合開發了一些新型的火災自動報警系統，如智能型、全總線型等，但在工程應用中，采用最廣泛的是如下三種基本形式：區域報警系統、集中報警系統、控制中心報警系統。
1、區域報警系統
該系統一個報警區域宜設置一臺區域報警控制器，系統中區域報警控制器不應超過3臺，區域報警控制器宜設于有人值班的房間、場所。
系統的組成見下圖。
2、集中報警系統
報警區域較多、區域報警控制器超過3臺時，采用集中報警系統。集中報警系統至少有一臺集中報警控制器和兩臺以上區域報警控制器集中報警控制器應設置有人值班的專用房間或消防班室內。
系統的組成見下圖。
3、控制中心報警系統
工程建筑規模大、保護對象重要、設有消防控制設備和專用消防控制室時，采用控制中心報警系統。
系統的組成見下圖。
以上各系統布線方式與探測器、報警器種類有關。采用二線制（即區域報警器到每一個探頭為二線）。區域報警器單獨使用為N+1式，到集中報警器為N+N/8+1+3+1式，設計、施工比較方便，而且降低造價。
除以上系統外，國內各廠家又相繼推出總線制報警器。不同廠家總線制系統各異，但共同點都是總線制、地址編碼形式。
（1）二總線制集中報警系統。區域報警器到探測器的線路傳輸只需二條總線，每一部位的控制器都有自己的編號，即一個部位一個編址單元。如JB-QB-50-2700/076型為例，它采用了先進的單片機技術，CPU主機將不斷地向各編址單元發碼。當編址單元接收到主機發來的信號后，加以判斷：如果編址單元的碼與主機的發碼相同，該編址單元響應。主機接收到編址單元返回的地址及狀態、信號，進行判斷處理：如果編址單元正常，主機將繼續向下巡檢；經判斷如果是故障信號，將發出故障區域聲、光報警信號。發生火災時，經主機確認后，火警信號被記憶，同時發出火災區域聲、光報警信號。
在實際工程應用中，如果用一臺區域報警器控制一層樓，在二總線上可接50個編址單元；控制二層，每層二總線上可接35個編址單元；控制三層，每層二總線上可接25個編址單元。076型區域報警器的擴展型最多可設置200個編址單元。
（2）三總線制集中報警系統。該報警器是由單片機8031為中央控制單元，計算機管理的三線制報警器。三總線制系統通過三總線與被控的各區域報警器相聯。三總線制在工程應用中有兩種形式：樓層復示器——集中報警器系統、區域報警器——集中報警器系統。
①樓層復示器——集中報警器系統
樓層復示器可以對編址探測器發碼、收碼，顯示本層的報警部位，具有斷線故障自動報警功能。該系統適用于每層不超過32個報警部位，樓層無值班點，首層設有消防總值班室的建筑。
②區域報警器——集中報警器系統
由區域報警器和標準集中報警器組成的兩級管理總線制火災報警系統，適用于每層報警部位多少不一，并設有樓層服務臺的中型賓館等建筑物。
采用總線制報警系統布線簡單，設計、施工方便，與其他報警系統相比多一些接口元件。
（二）消防聯動控制系統
消防聯動控制系統有無聯動、現場聯動、集中聯動等幾種形式。
在實際工程中，報警系統與消防聯動系統的配合有以下幾種形式：
1、區域——集中報警、橫向聯動控制系統。
此系統每層有一個復合區域報警控制器，他具有火災自動報警功能，能接收一些設備的報警信號，如手動報警按鈕、水流指示器、防火閥等，聯動控制一些消防設備，如防火門、卷簾門、排煙閥等，并向集中報警器發送報警信號及聯動設備動作的回授信號。此系統主要適用于高級賓館建筑，每層或每區有服務人員值班，全樓有一個消防控制中心，有專門消防人員值班。
2、區域——集中報警、縱向聯動控制系統。
此系統主要適用于高層“火柴盒”式賓館建筑。這類建筑物標準層多，報警區域劃分比較規則，每層有服務人員值班，整個建筑物設置一個消防控制中心。
3、大區域報警、縱向聯動控制系統。
此系統主要適用于沒有標準層的辦公大樓，如情報中心、圖書館、檔案館等。這類建筑物的每層沒有服務人員值班，不宜設區域報警器，而在消防中心設置大區域報警器，有專門消防人員值班。
4、區域——集中報警、分散控制系統。
此系統在聯動設備的現場安裝有“控制盒”，以實現設備的就地控制，而設備動作的回授信號送到消防中心。消防中心的值班人員也可以手動操作聯動設備。此系統主要適用于中、小型高層建筑及房間面積大的場所。
此外，還有自動報警和消防控制于一體的滅火裝置系統，如FJ-2714自動滅火裝置。此系統主要適用于計算機房、發電機房、貴重物品倉庫、檔案庫、書庫等場所的火災自動報警及自動滅火。氣體滅火、藥劑滅火具有能力強、效率高、對金屬腐蝕性小、不導電、長期存儲不變質、不污損滅火對象等優點，但造價高。
1．1控制系統總體結構
為了滿足廢墟災難環境中的控制需求，設計了蛇形機器人控制系統。控制系統上層是監控系統，通過ZigBee無線模塊給主控系統發送控制蛇步態的指令，如蜿蜒、蠕動、翻滾、分體等。主控系統的音視頻信息和慣導、溫度、濕度、壓力、有害氣體等傳感器信息分別通過1．2G無線收發模塊和ZigBee模塊傳輸給監控系統顯示。主控模塊通過ZigBee無線模塊與從控系統進行通信，以控制其實現相關的步態。
1．1．1主控系統
主控系統主要由ARM核微處理器STM32、無線通信模塊以及傳感器組成。主控系統通過無線模塊接收監控系統的控制指令，并根據指令決定搜救機器人的運動步態、運動方向以及到達目標的位置;傳感器收集災難環境中音視頻、溫度、濕度、有毒氣體以及紅外測距信息，微處理器根據測距信息選擇合適的運動步態，并將控制指令通過無線模塊發送給從控系統去執行。
1．1．2從控系統
從控系統使用了和主控制器一樣的高速ARM處理器，可同時控制18路PWM舵機。從控系統通過ZigBee無線模塊從主控制系統獲得控制指令，通過PWM信號控制關節機構運動。
1．2步態控制
Serpenoid曲線用來規劃蛇形機器人的運動軌跡，并確定搜救機器人的驅動函數。
2實驗平臺
2．1蛇形機器人簡介
該機器人具有如下幾個特點:1)采用3D打印而成，既縮短了加工周期又節約了成本;2)通過ADAMS軟件仿真，進行了機械結構設計，直線長度為2m，具有6個正交關節和1個分體機構，腿部具有變形機構，可以進行站立、臥倒、蜿蜒、蠕動、分體、翻滾等步態;3)機器人采用6V，4500mAh的電池供電，確保機器人能夠連續運動0．5h以上。
2．2平臺搭建
按照前文所述，搭建了柔性變形蛇形機器人控制系統的整套硬件電路。
3實驗結果
3．1通信實驗
蛇形機器人上位機監控界面，上位機通過遠程監控搜救機器人自主移動、翻越障礙物、爬坡等實驗，通過無線模塊實時傳輸機器人所處環境的各種傳感器信息，并能綜合各種環境信息通過無線模塊控制機器人運動。實驗驗證了蛇形機器人控制系統可實現多信息的實時準確無線通信，能夠滿足復雜搜救環境的通信需求。
3．2移動性能實驗
經過多次實驗，不斷地調試分別實現了自主柔性變形蛇形機器人蜿蜒、蠕動、分體、翻滾等平面和立體運動步態，運動平穩，曲線平滑，蜿蜒運動速度可達0．5m/s。通過穿越狹小空間、翻越障礙物、爬坡等試驗，驗證了蛇形機器人在不同的環境中，具有良好的多步態運動穩定性和自主移動性能。蛇形機器人在模擬災難場景中的各種運動步態。
4結束語
1.1步進電機驅動電路設計
步進電機驅動電路(見圖3)主要由細分電路、驅動控制芯片和光耦隔離電路組成。步進電機轉動的角位移和輸入的脈沖數目要求嚴格成正比。如果按照整步的工作方式，會受到步進電機振動大、噪聲大等影響;運用細分，不僅可使振動和噪聲減小，且可以減小步進電機誤動作產生的平臺傾斜度偏移，從而減小激光定位的誤差;并且，細分數取得越高，在遠端產生的偏移量越小。為了使步進電機工作的誤差盡可能的小，本設計中驅動電路采用高細分步進電機驅動芯片THB6128。圖3中，M1、M2、M3端為細分的設定端，根據這3端所提供的高低電平的不同，有1、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64、1/128多種細分可選，當三端全為高電平時，細分為128。CW/CCW端為電機正反轉控制端，CW/CCW為低電平時，電機正轉;反之，電機反轉。ST/VCC端為低電平時，THB6128進入待機，功耗極低。另外，為了防止對電源或對地短路，該芯片內置溫度保護及過流電路。驅動芯片與單片機相連的端口均采用光耦隔離，U8、U10、U11為光耦隔離，防止電機驅動電路與單片機控制電路產生干擾;LED可以直觀顯示隔離控制的通斷。
1.2激光旋轉控制電路設計
激光發射電路主要由步進電機驅動電路、激光發射控制電路、光耦隔離電路及細分電路構成，如圖4所示。激光發射器控制電路主要完成控制激光發射器發射和轉動，保證其發射的激光能實時完成激光接收靶跟蹤，使農田平地機被實時控制。由單片機輸出的激光發射器發射信號通過光耦隔離電路后輸入激光發射器控制電路。其中，JG為單片機P46端口的控制輸出端，U17為電路的光耦隔離器。激光發射器的旋轉由步進電機驅動電路控制，由單片機輸出信號控制THB6128的使能、脈沖及方向端從而控制激光發射器的旋轉。
1.3電源電路設計
電路選擇采用簡單高效電源芯片LM2576，該穩壓器是單片集成電路，能實現熱關斷和電流限制保護，能驅動3A負載。控制核心的電源設計如圖5所示。在直流電源輸入端加入TVS瞬變電壓抑制二極管PK6E22A，該二極管能在收到反向瞬態高能量沖擊時，迅速將兩極間的高阻抗變為低阻抗，同時吸收高達數千瓦的浪涌功率，有效地保護電子電路中的電子元器件免受浪涌脈沖的破壞［4］。為了防止功率地跟信號地之間的互相干擾，在電源電路設計中，功率地和信號地之間加入了電感L2進行隔離。
2系統軟件設計
由于農田平地機激光發射平臺調平控制系統的工作環境的惡劣性，易對數據的采集造成干擾，再加上傾角傳感器自身存在的溫度漂移等，會加大傾角數據采集的誤差。因此，對傾角傳感器采集的數據時，先采用基于限幅濾波法和遞推算術平均值濾波算法相結合的復合濾波法算法對數據進行預處理［5］，接著采用角度偏移與溫度變化的三次曲線對傾角傳感器溫度漂移進行補償，提高數據采集的準確性［6］。另外，由于步進電機的非線性特征，對其非線性參數進行整定較困難，而常規的PID算法由于參數整定過程繁瑣，實施起來較復雜，并且在越接近預設的目標值時，越容易產生超調而抖動，影響其控制效果的進一步提高。因此，采用基于RBF神經網絡的PID算法控制器對步進電機進行控制，能保證步進電機控制系統的響應性能提升，響應時間縮短，動態性能、自適應性和魯棒性更佳。系統總體流程圖，如圖6所示。系統初始化后，首先進行傾角數據采集，系統采集當前的平臺的傾角數據后，經過濾波和補償處理，直接交給單片機進行判斷:如果到達調平的預設值，則結束。沒到達預設值的話，如果是大于預設值，則電機正轉，控制平臺支腿進行相應的伸縮調整平臺的傾斜度，再重新進行數據采集;如果小于預設值，則電機反轉，控制平臺支腿進行相應的伸縮調整平臺的傾斜度，再重新進行數據采集。如此反復進行平臺調整，直至達到預定的平臺傾斜度為止。
3試驗分析
本文設計的農田平地機激光發射平臺調平控制系統主要是為提高農田平地機的雙激光源定位系統的精度做準備，在雙激光源定位系統中發揮重要的作用。而整個調平過程中，由于傾角傳感器和調平電機的特性，此控制系統主要受溫度影響。所以，本試驗在激光發射器校準完成后，設計了在加入基于RBF神經網絡的PID控制方法對電機控制，并在不同溫度環境下的試驗。將調整平臺置于不同的溫度環境中，同時讓激光器支座處于允許的任意傾斜角度狀態，分別測試支座在大傾角(20°～30°)和小傾角(10°左右)狀態下系統調整的可靠性。
1)13℃時，大角度調平試驗數據如圖7所示。
2)13℃時，小角度調平試驗數據如圖8所示。由圖7、圖8可知，采用基于RBF神經網絡的PID控制調平時，在農平地過程中調平過程的前期，調平速度快，當角度越接近目標角度時，速度明顯減慢;若達到調平要求的預設精度值0．03°時，調平停止;而且在調平過程中很少出現超調和振蕩，當傾斜角度較小時，調平完成的時間相對較短。
3)25℃，大角度調平試驗數據如圖9所示。
4)25℃，小角度調平試驗數據如圖10所示。由圖9和10可知，當溫度變化時，平臺大傾斜角度和小傾斜角度的調平規律與圖7和8相似。這說明經過加入基于RBF神經網絡的PID控制方法后此系統受溫度影響不大。
4結論
在溫度控制過程中，單一的定值開關控制方式會產生較大的溫度遲滯現象，對于加熱箱等干燥設備的干燥效果差、干燥品質低;但是在普通的干燥設備中，單純采用PID控制方式會使控制系統變得復雜，對于硬件的要求程度高，在持續高溫環境下精度也隨之降低，故障率高。為了解決這一問題，本文設計一種單片機溫度控制系統，該系統使用兩種功率大小不同的加熱方式。加熱元件使用紅外加熱管，功率大的加熱管起主要的加熱作用，正常工作時處于啟動狀態。功率較小的加熱管起輔助加熱作用，在測量溫度高于目標溫度時立即停止加熱，當溫度低于目標溫度時開啟加熱;但當溫度高于目標溫度上限一定值時，主加熱管也停止工作，同時引風機開啟，輔助降溫。對于一般的電加熱干燥設備而言，此方案能夠滿足實際生產的需要，并且溫度延遲效果低，節能效果顯著。
2系統硬件電路設計
2．1系統主結構設計
該溫度控制系統由主控制系統、溫度采集模塊、溫度顯示模塊、溫度動態控制系統、報警模塊和按鍵控制系統組成。
2．2單片機主控系統
作為溫度控制系統的核心部分，單片機承載著對溫度信息的處理、按鍵的掃描識別、溫度動態控制系統的協調、輸出顯示溫度和報警的任務。本文采用的AT89C52單片機是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS8位單片機。其內部有8k字節可重擦寫Flash閃存，成本低廉，兼容MCS－51系列的所有指令，程序語言豐富;與AT89C51相比，存儲空間更大，中斷源更多，方便后期其他模塊的添加;技術成熟，因此在自動控制等領域被廣泛采用。AT89C52單片機主控制系統與其他模塊連接原理圖如圖2所示。P1．0～P1．4口為鍵盤輸入端口，通過對應按鍵對目標溫度的上下限進行設定。數字溫度傳感器總線與單片機的P1．7口相接，經過單片機處理之后，測得的溫度輸出至P0口，通過LCD1602顯示出來。溫度動態控制信號通過單片機P2．4～P2．6口傳輸。加熱管和散熱風扇采用的是220V的交流電，溫度控制口接相應控制電路的繼電器，通過繼電器控制加熱、散熱部分的工作。
2．3溫度采集模塊
DS18B20是由美國DALLAS公司生產的數字溫度傳感器，它通過單總線協議依靠一個單線端口進行通訊。其僅占用一個單片機的I/O口，無需其他任何外部件，把環境溫度直接轉化成數字信號，以數字碼方式串行輸出，從而簡化了傳感器和微處理器之間的接口。該傳感器可以單個于單片機連接實現溫度采集功能，在需要采集多點溫度數據時，只需將多片DS18B20同時掛在一條總線上，由軟件對每個溫度傳感器的ROM編碼進行識別即可，具有成本低、結構簡單、供電方式多樣、方便擴展和可靠性高等優點。
2．4溫度動態控制系統
溫度動態控制系統主要由加熱管、引風機、繼電器等構成。單片機的P2．4口接主加熱管的控制繼電器，通過輸出高低電平來實現主加熱管的啟動和停止;單片機的P2．5口與控制調溫加熱管的繼電器相連;降溫風機控制繼電器控制端和高溫報警電路，與單片機的P2．6口相連。
3系統軟件設計
3．1主程序流程圖
系統開機啟動后，通過溫度控制按鍵設定干燥溫度范圍;由傳感器DS18B20采集實時溫度，通過控制系統的對比給出控制信號，同時定時對按鍵進行掃描，以隨時調整目標溫度范圍。
3．2溫度數據讀寫子程序設計
由于DS18B20單總線通訊方式的特殊性，傳感器讀寫溫度數據具有嚴格的時序要求。工作時序包括初始化、讀時序和寫時序。單片機的命令和溫度數據的傳輸都從執行單片機寫時序的指令時開始，對于單片機需要DS18B20送回數據，要在寫時序命令執行之后再啟動寫時序指令才能完成對數據的接收。總線通訊方式使得硬件電路的連接變得簡單，但也使得程序部分變得復雜。本文采用的是一個傳感器，因此在串口通訊時不需要識別傳感器的序列號，程序中寫入跳過讀ROM序列號步驟。
3．3按鍵掃描子程序
由于不同的加熱干燥對象對溫度的要求不同，加熱的溫度控制部分要能夠方便、快捷地設置溫度上、下限。在干燥物的不同階段，干燥的溫度有所不同，在干燥過程中溫度的范圍需要做出調整。這就要求溫度的上、下限設置在干燥的過程中也能夠執行。因此，單片機在執行溫度采集、顯示和控制的同時，也要時刻監視按鍵是否被按下，對溫度設定進行調整。針對這一問題，在程序中加入一個按鍵掃描子程序，定期執行按鍵的掃描功能，同時也要有中斷子程序保持設定完溫度之后單片機可以繼續剛才未完成的工作。因此，按鍵掃描程序設計的思路是:在開機啟動階段，通過按鍵對控制溫度范圍進行初設定;在工作過程中，單片機定期對按鍵進行掃描，判斷是否有按鍵被按下，如果有按鍵被按下，則加入一個外部中斷，單片機轉而執行干燥溫度范圍調整指令;待任務完成之后，繼續返回執行溫度控制命令。
4proteus仿真結果
溫度控制系統硬件電路設計部分在proteus軟件上完成，當C語言程序在keil軟件上編譯調試成功之后，導入單片機進行系統總調試。溫度采集模塊:DS18B20的溫度實時數據能夠有效地顯示出來;鍵盤控制模塊，相應按鍵按下之后，程序立即響應指定的動作指令;溫度控制模塊:采集的溫度低于設定低溫下限時加熱管工作，高于溫度上限時停止加熱并且風扇開啟降溫;報警模塊同樣工作正常。調試后的溫度顯示結果如圖4所示。LT、HT分別表示設定的溫度下限與上限，1602的第2行顯示實時溫度。
5結論
1)功率不同的加熱管承擔不同的功能，大功率紅外加熱管起主要加熱功能，小功率加熱管控溫，使得溫度滯后幅度變小，減少能源浪費，節電效果顯著。
BY－150型種子包衣機是一種智能化的種子精細加工包衣處理設備，主要由種子定量供給組件、定量加液組件、定量加粉組件及電氣控制系統等部分組成。精確控制供種量、進液量和進粉量三者的比例是包衣流程的關鍵。設備開啟時對種子進行質量設定，然后打開進料門，將種子加入稱重桶內;在稱重操作完成后，打開下料門，種子進入混合桶中;加液管依次打開液閥、氣閥，將藥液定量注入到混合桶內，同時包衣藥粉在推進螺桿機構的控制下進行定量加粉;經過一定時間的攪拌混合后，打開出料門，將處理后的種子送出，完成整個包衣流程。在整個包衣流程中，通過稱重桶內的高精度稱重傳感器對供種量進行檢測;通過加液管內的液位傳感器對進液量進行檢測。各傳感器在測點處輸出的信號量可作為包衣流程中各動作開啟和完成的標志，保證包衣流程的有序進行。通過定時器控制勻速旋轉的加粉電機，即可實現藥粉投放的定量控制。
2檢測控制系統硬件設計
2．1系統總體結構
綜合包衣機的工作流程，整個檢測控制系統主要由包衣機控制主板、多傳感器信號檢測板、執行器控制板和液晶觸摸屏構成
。多傳感器信號檢測板實現對稱重傳感器和液位傳感器信號的采集;執行器控制板可實現對電機設備啟停的開關量控制;用戶通過液晶觸摸屏進行包衣參數設置、包衣過程啟停、包衣狀態顯示等操作。包衣機控制主板采用RS－485方式與多傳感器信號檢測板和執行器控制板進行通訊，采用RS－232方式與液晶觸摸屏進行通訊。
2．2包衣機控制主板
包衣機控制主板選用RealARM6410開發板。該開發板以ARM11內核的S3C6410芯片作為控制核心，包含電源模塊、晶振模塊、復位電路、485通信模塊和232通信模塊等外部設備，可以裝載和運行LINUX操作系統，具有處理運算能力強、耗電低、擴展性強等特點。將RealARM6410開發板作為包衣機的控制主板，可以很好地保證系統在包衣過程中的可靠性和穩定性。
2．3多傳感器信號檢測板
多傳感器信號檢測板選用意法半導體公司出產的32位高性能STM32F103C6T6作為微控制器。該微控制器的核心是ARMCortex－M3處理器，最高CPU時鐘為72MHz，具有良好的精密性、可靠性和運算速度。本設計中針對供種量和進液量兩種參數信息，分為兩個檢測模塊進行硬件開發。
2．3．1供種量檢測模塊
供種量檢測模塊包含2路稱重傳感器信號放大電路用以檢測稱重桶中種子的質量，原理如圖3所示。本設計中采用上海大和衡器有限公司出產的UH－53型稱重傳感器，該傳感器具有準確度高、抗偏載能力強和長期穩定性好等優點。為了增加檢測模塊的抗干擾性，保證種子質量的檢測精度，采用AnalogDe-vices公司具有低噪聲、低失調電壓和高共模抑制比特點的AD8608型CMOS精密運算放大器構成兩級差分放大電路。放大電路第一級由兩個同相輸入運算放大器電路并聯，第二級串聯一個差分輸入的運算放大器。這樣的連接方式可以很好地抑制輸入電壓中的共模成分。參照稱重傳感器的額定輸出，可以取放大倍數為500倍。為了減少第二級運放共模誤差造成的影響，第一級運放的增益要盡可能高。因此，將第一級放大倍數設定為500。經過取值和計算。放大電路的輸出端經過一個分壓電路后，接入STM32芯片上帶有A/D轉換通道的I/O接口。
2．3．2進液量檢測模塊
進液量檢測模塊包含上液位和下液位傳感器檢測電路。Uup為上液位傳感器信號，Udown為下液位傳感器信號。Control1為控制主板發送的補液信號，Control2為控制主板發送的加液信號。動作執行之前Control1、Control2都為低電平，以加液動作為例，當液面高于上液位傳感器時，Uup、Udown都為低電平。Uup通過光耦開關電路，在PA3處輸出高電平到STM32芯片的I/O接口上;Udown通過光耦開關電路，在PA4處輸出低電平到到STM32芯片的I/O接口上。此時Control2發送一個高電平信號，使RS鎖存器2輸出高電平，經過繼電器驅動電路后使加液電機運轉;然后使Control2變回低電平，在液面介于上下液位傳感器之間時，Uup為高電平、Udown為低電平，PA4處仍為低電平，使RS鎖存器2的輸出保持之前的高電平狀，加液電機保持運轉。當液面低于下液位傳感器時，Uup、Udown都為高電平，PA4變為高電平，使RS鎖存器2輸出低電平，加液電機停止;在此過程中補液電機一直保持停止狀態，直到單片機通過Control1發送補液信號時再進入補液動作。通過采用主板信號控制動作啟動、傳感器檢測電路直接控制動作結束的方式，可以有效避免藥液的過量添加，保證了進液控制的穩定性。
2．4液晶觸摸屏
液晶觸摸屏采用廣州微嵌計算機科技有限公司的WQT系列產品，它由400MHz的ARM9高速CPU、數字LED背光顯示和高精度電阻式觸摸屏等部分構成，有良好的兼容性和友好的人機操作界面。該液晶屏具備數據顯示、數據監控和觸摸控制等基本功能，并且采用雙口獨立通訊，可通過自定義的通訊協議實現與主板之間的信息傳輸。
2．5執行器控制板
執行器控制板采用與傳感器信號采集板相同的STM32F103C6T6微控制器，通過設計繼電器驅動電路，實現對加粉、門控等電機啟停的開關量控制。開關量控制信號經由一階RC低通濾波器和線性光電耦合器組成的電路后，可有效地濾除信號中的干擾成分。控制信號通過三極管進行放大，可驅動繼電器的開合。
3檢測控制系統軟件設計
包衣機在開啟電源并初始化完成后，通過液晶觸摸屏設置包衣流程的總批次、種子質量以及種藥混合時間等包衣參數。在包衣機控制主板系統平臺上進行軟件開發，每隔一定時間在485總線上采用輪詢的方式與多傳感器信號檢測板和執行器控制板進行通信;系統參照用戶設定的各項參數以及稱重和液位傳感器實際檢測到的參數信息，發送電機控制命令，進行各批次的種子包衣處理動作;每個動作之間通過適當的延時銜接，可實現包衣機各工作部件的有機組合和包衣流程的有序進行。
4結論
OPC作為微軟公司的對象鏈接和嵌入技術應用于過程控制領域，為工業自動化軟件面向對象的開發提供一項統一的標準，解決了應用軟件與各種設備驅動程序之間的通信問題。它把硬件廠商和應用軟件開發商分離開來，為基于Windows的應用程序和現場過程控制應用建立了橋梁，大大提高了雙方的工作效率。應用程序與OPC服務器之間必須有OPC接口，OPC規范提供了兩套標準接口:Custom標準接口和OLE自動化標準接口，通常在系統設計中采用OLE自動化標準接口。OLE自動化標準接口定義了以下3層接口，依次呈包含關系。OPCServer(服務器):OPC啟動服務器，獲得其他對象和服務的起始類，并用于返回OPCGroup類對象。OPCGroup(組):存儲由若干OPCItem組成的Group信息，并返回OPCItem類對象。OPCItem(數據項):存儲具體Item的定義、數據值、狀態值等信息。3層接口的層次關系如圖2所示。
2菇棚溫度控制系統的設計
2．1菇棚的溫度控制原理
寧夏南部山區杏鮑菇生產基地采用大棚式培養方式，作為對杏鮑菇生長起最重要影響的因素，溫度顯得尤為重要［8］。菇棚溫度采用自動記錄儀對溫度進行檢測，利用空調對菇棚溫度進行調節。由于溫度控制系統具有大時變、非線性、滯后性等特點，采用模糊控制非常合適［9－10］。本文對菇棚的溫度進行了控制設計，最終采用模糊PID控制方案，達到對溫度的實時控制，從而將出菇階段的溫度控制在14～17℃的范圍之內。菇棚溫度控制系統的原理如圖3所示。圖3中，虛線框內的部分在工業控制環境中大多由PLC等控制設備完成，而這些設備很難實現模糊PID的控制功能。因此，將虛線框部分在Simulink中實現，把在Simulink中創建的模糊PID控制器直接應用到現場設備中。菇棚實時溫度控制系統原理圖如圖4所示。圖4中，該系統以PCACCESS軟件作為OPC服務器，用MATLAB/OPC工具箱中的OPCWrite模塊和OPCRead模塊與Simulink進行數據交換。傳感變送裝置檢測溫度后將電信號傳送給S7－200PLC的模擬量輸入模塊EM231，經過A/D轉換后得出溫度值;PCACCESS軟件從PLC中讀取溫度值，通過OPCRead模塊傳送給Simulink;在Simulink中與設定的溫度值進行比較后，進行模糊PID計算，將結果通過OPCWrite模塊傳送給PCACCESS軟件，經PCACCESS軟件寫入到PLC中，計算分析得出數字量，輸出到模擬量輸出模塊EM232，經D/A轉換為電信號送給溫控裝置(空調)，實現對菇棚溫度的模糊PID控制。
2．2模糊PID控制系統
2．2．1模糊PID控制器的設計菇棚的溫度控制系統是一個復雜的非線性系統，很難建立精確的數學模型，而常規的PID控制則需建立被控對象的精確數學模型，對被控過程的適應性差，算法得不到滿意的控制效果。單純使用模糊控制時，控制精度不高、自適應能力有限，可能存在穩態誤差，引起振蕩［11－12］。因此，本文針對PID控制和模糊控制的各自特點，將兩者結合起來，設計了模糊PID控制器，可以利用模糊控制規則對PID參數進行在線修改，從而實現對菇棚溫度的實時控制，將出菇階段的溫度控制在14～17℃的范圍之內。基于上述分析，將菇棚溫度作為研究對象，E、EC作為模糊控制器的輸入，其中E為設定溫度值與實際溫度值的差值。PID控制器的3個參數KP、KI、KD作為輸出。設輸入變量E、EC和輸出變量的KP、KI、KD語言值的模糊子集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}={負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，誤差E和誤差變化率EC的論域為{－30，－20，－10，0，10，20，30}，KP的論域為{－0．3，－0．2，－0．1，0，0．1，0．2，0．3}，KI的論域為{－0．06，－0．04，－0．02，0，0．02，0．04，0．06}，KD的論域為{－3，－2，－1，0，1，2，3}。為了論域的覆蓋率和調整方便，均采用三角形隸屬函數。根據對系統運行的分析和工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，得出KP、KI、KD的模糊控制規則表，如表1所示。利用Simulink工具箱，建立系統的模糊PID控制器的模型，如圖5所示。2．2．2系統的仿真菇棚溫度的傳遞函數采用G(s)=e－τsαs+k。其中，α為慣性環節時間常數，α=10．3s/℃;k=0．023;τ=10s，為純滯后時間。設定菇棚溫度值為15℃，常規PID控制器的仿真結果如圖6所示，模糊PID控制器的仿真結果如圖7所示。結果表明，菇棚溫度控制系統采用模糊PID控制器具有超調小、抗干擾能力強等特點，能較好地滿足系統的要求。
3Simulink與S7－200PLC數據交換的實現
PCACCESS軟件是專用于S7－200PLC的OPC服務器軟件，它向作為客戶機的MATLAB/OPC客戶端提供數據信息。在菇棚溫度控制系統中，模糊PID控制器的輸出值和反饋值就是Simulink與S7－200PLC進行交換的數據。實現數據交換的具體步驟如下:1)打開軟件PCACCESSV1．0SP4，在“MicroWin(USB)”下，單擊右鍵設置“PC/PG”接口，本文選用“PC/PPI(cable)”。然后，右鍵單擊“MicroWin(USB)”進入“新PLC”，添加監控S7－200PLC，本文默認名稱為“NewPLC”。右鍵單擊所添加的新PLC的名稱，進入“NewItem”添加變量，本文為輸出值“wendu1”和反饋值“wendu2”，設置完成，如圖8所示。PCACCESS軟件自帶OPC客戶測試端，客戶可以將創建的條目拖入測設中心進行測試，觀察通信質量，如圖9所示。測試后的通信質量為“好”。2)打開MATLAB，在工作空間輸入命令“opctool”后，將彈出OPCTool工具箱的窗口，在該窗口的MAT-LABOPCClients對話框下單擊右鍵，進入“AddClient”添加客戶端，用戶名默認“localhost”，ServerID選擇“S7200．OPCServer”;與PCACCESS軟件連接成功后，在“S7200．OPCServer”中添加組和項，把在PCACCESS軟件中創建的兩個變量“wendu1”和“wendu2”添加到項中，操作完成后結果如圖10所示。3)新建Simulink文件，導入模糊PID控制器模型，調用OPCWrite模塊、OPCRead模塊和OPCConfigura-tion模塊，設置OPCWrite模塊和OPCRead模塊的屬性，把OPC工作組中的變量“wendu1”添加到OPCWrite模塊中，把變量“wendu2”添加到OPCRead模塊中，設置完成后兩個模塊與控制器相連，如圖11所示。這樣，基于Simulink和S7－200PLC的模糊PID實時溫度控制系統的設計就完成了。
4結論
關鍵詞：傳感器；AD轉換；控制器；硬件電路
引言
隨著微電子工業的迅速發展，單片機控制的智能型控制器廣泛應用于電子產品中，為了使學生對單片機控制的智能型控制器有較深的了解。經過綜合分析選擇了由單片機控制的智能型液位控制器作為研究項目，通過訓練充分激發學生分析問題、解決問題和綜合應用所學知識的潛能。另外，液位控制在高層小區水塔水位控制，污水處理設備和有毒，腐蝕性液體液位控制中也被廣泛應用。通過對模型的設計可很好的延伸到具體應用案例中。
一、系統設計方案比較說明
對于液位進行控制的方式有很多，而應用較多的主要有2種，一種是簡單的機械式控制裝置控制，一種是復雜的控制器控制方式。兩種方式的實現如下：
(1)簡單的機械式控制方式。其常用形式有浮標式、電極式等，這種控制形式的優點是結構簡單，成本低廉。存在問題是精度不高，不能進行數值顯示，另外很容易引起誤動作，且只能單獨控制，與計算機進行通信較難實現。
(2)復雜控制器控制方式。這種控制方式是通過安裝在水泵出口管道上的壓力傳感器，把出口壓力變成標準工業電信號的模擬信號，經過前置放大、多路切換、AD變換成數字信號傳送到單片機，經單片機運算和給定參量的比較，進行PID運算，得出調節參量；經由DA變換給調壓變頻調速裝置輸入給定端，控制其輸出電壓變化，來調節電機轉速，以達到控制水箱液位的目的。
針對上述2種控制方式，以及設計需達到的性能要求，這里選擇第二種控制方式，同時考慮到成本需要把PID控制去掉。最終形成的方案是，利用單片機為控制核心，設計一個對供水箱水位進行監控的系統。根據監控對象的特征，要求實時檢測水箱的液位高度，并與開始預設定值做比較，由單片機控制固態繼電器的開斷進行液位的調整，最終達到液位的預設定值。檢測值若高于上限設定值時，要求報警，斷開繼電器，控制水泵停止上水；檢測值若低于下限設定值，要求報警，開啟繼電器，控制水泵開始上水。現場實時顯示測量值，從而實現對水箱液位的監控。
二、工作原理
基于單片機實現的液位控制器是以AT89C51芯片為核心，由鍵盤、數碼顯示、AD轉換、傳感器，電源和控制部分等組成。
工作過程如下：水箱(水塔)液位發生變化時，引起連接在水箱(水塔)底部的軟管管內的空氣氣壓變化，氣壓傳感器在接收到軟管內的空氣氣壓信號后，即把變化量轉化成電壓信號；該信號經過運算放大電路放大后變成幅度為0～5V標準信號，送入AD轉換器，AD轉換器把模擬信號變成數字信號量，由單片機進行實時數據采集，并進行處理，根據設定要求控制輸出，同時數碼管顯示液位高度。通過鍵盤設置液位高、低和限定值以及強制報警值。該系統控制器特點是直觀地顯示水位高度，可任意控制水位高度。
三、硬件設計
液位控制器的硬件主要包括由單片機、傳感器(帶變送器)、鍵盤電路、數碼顯示電路、AD轉換器和輸出控制電路等。
3.1單片機
單片機采用由Atmel公司生產的雙列40腳AT89C51芯片。
3.2傳感器
傳感器使用SY一9411L—D型變送器，它內部含有1個壓力傳感器和相應的放大電路。壓力傳感器是美國SM公司生產的555—2型OEM壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補償及標定(O～70℃)，傳感器經過特殊加工處理，用堅固的耐高溫塑料外殼封裝。在水箱底部安裝1根直徑為5mm的軟管，一端安裝在水箱底部；另一端與傳感器連接。水箱水位高度發生變化時，引起軟管內氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉換成電壓信號，輸送到AD轉換器。
3.3鍵盤電路
P1口作為鍵盤接口，連接一個4×4鍵盤。
3.4液位顯示電路
液位顯示采用數碼管動態顯示，范圍從0～999(單位可自定)，選擇的數碼管是7段共陰極連接，型號是LDSl8820。在這里使用到了74LS373，它是一個8位的D觸發器，在單片機系統中經常使用，可以作地址數據總線擴展的鎖存器，也可以作為普通的LED的驅動器件，由于單獨使用HEF4511B七段譯碼驅動顯示器來完成數碼管的驅動顯示，因此74LS373在這里只用作擴展的緩沖。
3.5AD轉換電路及控制輸出
AD轉換電路在控制器中起主導作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號轉換成單片機能處理的數字量。該控制器采用CMOS工藝制造的逐步逼近式8位AD轉換器芯片ADC0809。在使用時可選擇中斷、查詢和延時等待3種方式編制AD轉換程序。控制輸出主要有上下限狀態顯示、超限報警。另外在設計過程中預留了串行口，供進一步開發使用。
四、軟件設計
4.1鍵盤程序
由于鍵盤采用的是4×4結構，因此可使用的鍵有16個，根據需要分別定義各鍵，0～9號為數字鍵，10～15號分別是確定鍵、修改鍵、移位鍵、加減鍵、取消鍵和復位鍵。
值得注意的是，在用匯編語言編寫控制器程序時，相對會比較麻煩，如果用C語言編寫程序會簡單很多，這里就不再做具體說明。
五、結束語
基于單片機實現液位控制器模型設計的關鍵在于硬件電路的正確構建，只有在電路準確的前提下再進行軟件編程才能取得成功。
參考文獻：
[1]黃智偉.傳感器技術.2002，21（9）：31～33
1．1傳感器信號采集
本系統的傳感器采用電位器(見圖2)，它通過連桿機構和軸承與提升臂相連接，與提升臂旋轉軸線同軸［4］。當耕深改變時，拖拉機的下拉桿隨之上下運動，與下拉桿連接的提升臂也會有一個相應的轉角變化;同時，電位器的轉軸也在連桿機構的作用下隨提升臂同步轉動，根據電位器阻值的變化檢測出提升臂轉動的角度，從而根據對應的幾何關系所建立起的數型間接檢測出此時的耕深［5］;微機接收到反饋信號后，把該信號和預設耕深信號進行分析對比，然后控制步進電機的正反轉，調節耕深。
1．2微機控制
本系統控制模塊采用微芯公司的PIC18F23K20系列單片機作為微機控制單元。該單片機運行速度快、功耗較低，并且其內部集成A/D轉換器模塊、增強型CCP模塊以及單片機通信需要的USART模塊等，從而大大減少了外接的專業電路模塊，簡化了整個控制電路，能夠實時、高效地實現該裝置所需的各種功能的控制［6］。本系統的步進電機驅動芯片是東芝公司生產的TA8435H，其電路簡單、工作可靠。該芯片是單片正選細分二相步進電機驅動專用芯片，具有以下特點:1)工作電壓范圍在10～40V;2)輸出電流平均可達1．5A，峰值可達2．5A;3)運行方式有整步、半步、1/4細分和1/8細分多種選擇;4)采用的是脈寬調試式斬波驅動方式;5)具有正反轉控制功能，帶有復位和時能引腳;6)可選擇使用單時鐘輸入或雙時鐘輸入［7］。微機和步進電機聯合控制的程序流程如圖3所示。系統對PIC18F23K20單片機的各個模塊進行初始化設置，然后通過電位器進行耕深檢測。當提升臂轉動時，電位器轉軸隨著轉動，引起電位器內部阻值變化，進而引起電壓值的變化，通過線路傳給微機處理。微機把反饋信號和預設值進行比較、分析，如果實測值在預設值范圍內，則繼續檢測;如果實測值不在預設值范圍內，且比標準值小，則微機發送控制信號控制步進電機正轉調整實測值大小，直到實測值在預設值范圍內;同理，若實測值比預設值大，則控制步進電機反轉。
1．3執行機構
本系統的執行機構(見圖4)是在原液壓懸掛系統的基礎上經過加裝步進電機實現手動和自動聯合控制。步進電機通過鉸鏈安裝在拖拉機上，可以隨著分配器操縱桿轉動，電機桿上安裝1根絲桿，當微機控制信號控制電機動作時，電機的正反轉可以推動操作手桿移動，實現分配器油液的流量和流向的改變，進而調節農具耕深。聯合控制如圖5所示。當需要手動控制耕深時，斷開步進電機與操縱桿鏈接即可。
2試驗與分析
為了檢測該系統的可靠性和穩定性，在西南大學農機試驗田里進行了田間試驗。試驗工具采用西南大學農機實驗室的福田雷沃M1200－D型拖拉機，配套的農具為西南大學農機實驗室的東方紅1LH－535鏵式犁。根據農藝要求，試驗前預設耕深范圍為0～20cm，安裝好本裝置的拖拉機在實驗田進行直線行駛作業后，通過多點實測耕深，得到試驗數據如表1所示。試驗數據表明，該系統在使用中基本可以反映田間實測耕深，且在預設耕深允許的范圍內。
3結論
該系統每條生產線由立式上料機、高速除磷機、多道被動軋機、主動軋機、輥縫調整、在線質量檢測、中頻退火、廢鋼剪切裝置、夾送裝置、吐絲機、輸送輥道、集卷站組成。三條生產線配合地輥運輸機、上料機液壓站、軋機稀油站、集卷站液壓站、卸卷站液壓站以及打包機組成系統。熱軋光圓盤條通過立式上料機進入高速除磷機去除表面氧化皮，然后進入被動軋機，由主動軋機帶動將鋼筋壓扁，主動軋機將鋼筋軋出花紋，通過輥縫調整調節壓軋量。軋出花紋的鋼筋進中頻退火裝置對鋼筋加熱退火，通過廢鋼剪切裝置將不合格的廢鋼碎斷處理，成品鋼筋經夾送裝置送入吐絲機。吐出的盤圓鋼筋經輸送輥道冷卻后送入集卷站收集，成卷后的鋼筋經地輥運輸機送至打包機打包，最后經卸卷站送出系統運至倉庫。
2控制系統
2.1系統組網
考慮到生產系統的穩定性以及中頻退火干擾等因素，我們選擇了市場上技術比較成熟應用較廣的西門子系統。生產線CPU采用S7-317-2PN，地輥運輸機和各個液壓站采用S7-315-2PN，稀油站采用S7-312C+以太網模塊，這樣所有的設備均能通過以太網連接至中控室交換機，通過中控室工程師站調試設備更改程序，通過操作員站遠程操作設備，查詢各個設備的工作狀態、故障內容等信息。在線測徑儀采用天津兆瑞公司的最新產品，通過以太網通信，能夠實時顯示鋼筋的基圓尺寸、縱肋高度等信息，為在線質量檢測提供了可靠保證，也為在線質量自動調整提供了前提。所有設備通過工業以太網連接至主操作室交換機，實現實時監控與數據交換。
2.2生產線主站與遠程IO組態
生產線CPU采用S7-317-2PN，按照距離遠近將設備分成7個從站，采用ET200S和ET200M的遠程IO，所有站通過工業以太網與主站CPU連接，7個從站分別是上料機站、軋機站、飛剪吐絲輥道站、集卷站、中頻1站、中頻2站和中頻3站。在需要操作和監控的地方設置了觸摸屏，采用西門子的MP277觸摸屏，通過以太網與主站PLC通信。
2.3主站PLC與變頻器DP通信
現場變頻器均采用偉肯NXP系列，通過調取偉肯提供的GSD文件，對各個變頻器組態。根據工藝及機械要求，包括上料機的送料小車、旋轉小車和升降臺共3臺變頻器；軋機部分1臺變頻器；廢鋼剪切裝置1臺變頻器；夾送裝置1臺變頻器；吐絲機1臺變頻器；輸送輥道8臺變頻器；集卷站的升降臺、托盤、小車3臺變頻器。共計18臺變頻器，通過DP總線實時傳遞啟停信號和速度指令。
2.4控制要點
2.4.1生產線自動化控制
生產線的自動化主要體現在全自動上料機、全自動集卷站、全自動地輥運輸線上。全自動上料機從上料到送料再到換料，基本實現一鍵式操作，每次只需在原料接頭后按按鈕確認即可，整機包括二十余個接近開關和五個光電開關，為自動化提供條件。全自動集卷站與全自動地輥運輸線互相配合，實現自動落料，自動剪切，自動換料架，整機也有十余個接近開關和數個光電開關。全自動地輥運輸線由百余節軌道組成，料架在運輸線上自動運行，完成卸料。
2.4.2生產線速度匹配
由于整條生產線從上料到集卷為一整條長絲，因此對生產線的速度匹配提出了較高要求，特別是軋機與夾送電機之間，夾送電機太快容易將鋼筋拉細，太慢又容易堆鋼，在電機的控制模式上選擇了速度控制與轉矩控制相結合的方式，滿足了控制要求。吐絲機的速度決定了產品的圈形大小，而且速度的快慢與圈形的大小并不是線性的關系。最終，通過生產實踐，吐絲機的速度采用自動調整加手動微調的方式進行控制，滿足了產品質量要求。
2.4.3軋機閉環控制與中頻退火
無論是生產線速度匹配還是中頻退火都要求軋機速度穩定，對軋機變頻器采取帶編碼器的閉環矢量控制方式，基本滿足要求。中頻退火作為整條生產線的工藝核心，基本滿足了輸出穩定、響應迅速、高效節能的要求，為生產高性能產品提供了依據。而軋機與中頻的工藝配方也為全線的自動化與高速生產提供了保證。該工藝配方是合力公司幾年來生產實踐的結晶，具有很高的實用性和適應性，能夠保證產品質量。
2.4.4飛剪碎斷
生產線啟動時中頻退火的啟動過程中產生質量不能達標的廢鋼，為滿足生產質量要求，需要將之從成品中去除，于是便有了飛剪碎斷裝置。該裝置是在原來的定尺剪切的基礎上改裝得來，用變頻器替換了伺服控制器，這就對變頻器的啟動加速和制動減速性能提出了很高要求。如果加速時間過長，在切到半圈內不能達到生產線速度，就會產生堆鋼。如果中頻退火達到規定溫度，在停切時不能及時停車，就會造成飛車，影響生產線連續運行。最終采用凸輪控制模式，滿足了生產工藝要求，既不會使變頻器加速報警，又保證了及時制動。
3結語
