1、v第一節第一節 自動檢測系統及設計原則自動檢測系統及設計原則v第二節第二節 自動檢測系統的設計步驟自動檢測系統的設計步驟v第三節第三節 加熱爐溫度測控系統設計加熱爐溫度測控系統設計v自動檢測系統的首要環節就是獲取原始被測量的傳感器或有關的敏感元件，實現一次變換。考慮到它們的敏感、變換原理或特性的限制以及外界影響，一次變換后的信號通常滿足不了測量與控制的要求。因此總要經過一些中間環節進行處理，實現信號放大、阻抗匹配、干擾抑制、濾波等功能。這樣可以按照一定的規律或方式構成開環或閉環檢測系統。一、開環檢測系統一、開環檢測系統開環檢測系統又稱直接變換型檢測系統，其特點是信號的流動只沿著從輸入到輸出的一

2、個方向(正向)進行，如圖71所示。開環檢測系統是由一系列環節串聯而成的。v圖中，Gl、G2 、G3、Gn分別為各環節的傳送函數,則該系統的傳遞函數為： GGlG2G3Gnv若各環節的靜態靈敏度分別為K1、K2、Kn，則該系統的靜態靈敏度K為各個環節的靈敏度的乘積，即v KKlK2K3Knv 如果各個環節本身的相對誤差為1、2、3、n，則該系統輸出端的相對誤差為各個環節的相對誤差之和，即v 1+2+3+n=v因此，為了減小開環測量系統的誤差，必須減小各個環節的誤差。可見，開環檢測系統結構簡單。易于實現,但開環檢測系統各環節的誤差以及由它們引入的干擾都將直接影響檢測結果，因此對每一個環節的準確度和

3、抗干擾能力都要求較高。為此，發展了閉環檢測系統。nii1圖圖7-2 閉環檢測系統示意圖閉環檢測系統示意圖如圖7-2所示，正向通路各組成環節的傳遞函數為Kl、K2 Kn，反饋回路各組成環節的傳遞函數為1、2、m若分別考慮正向通路的傳遞函數K和反饋回路的傳遞函數，則可分別寫作K=K1K2Kn=niiK1mii112m閉環系統的傳遞函數Kf為：)()(1)()()()(00ssKsKsXsYsKf閉環檢測系統又稱平衡變換型測量系閉環檢測系統又稱平衡變換型測量系統，其結構特點是除了一個正向變換統，其結構特點是除了一個正向變換通路之外還有一個反饋回路。通路之外還有一個反饋回路。v當K1時，由上式可得：)

4、()()(0ssXsYi由此可知，正向通道各環節的誤差對測量系統的輸出基本沒有什么影響，系統輸出端的誤差主要由反饋回路的誤差所決定。因此，只要反饋回路具有較高的精度，即可保證整個系統具有較高的精度。 結論： 對于閉環式檢測系統，由于反饋回路內的各環節特性不全或很少造成測量誤差，因此采用大回路閉環，使更多的電路置于閉環中會更有利。對于開環檢測系統，容易造成誤差的部分應考慮采用閉環方法。因此，對檢測精度要求較高的檢測系統，應將開環系統與閉環系統巧妙地組合在一起加以應用，才能提高自動檢測系統的精度。閉環檢測系統是按偏差進行控制的，其特點是不論什么原因，使輸出量偏離期望值而出現偏差時，必定會產生一個響

5、應的控制作用去減小或消除這個偏差，使被測量與真值趨于一致，具有抑制任何內、外擾動對輸出量產生影響的能力，有較高的檢測精度。但這種系統使用的元件多、線路復雜，特別是系統性能分析的設計較復雜。盡管如此，它仍是一種重要的并被廣泛應用的檢測方式。v1、設計要求：（1）性能穩定：即系統的各個環節具有時間穩定性。（2）精度符合要求：精度主要取決于傳感器、信號調節采集器等模擬變換部件。（3）有足夠的動態響應：現代檢測中，高頻信號成分迅速增加，要求系統必須具有足夠的動態響應能力。（4）具有實時和事后數據處理能力：能在實驗過程中處理數據，便于現場實時觀察分析，及時判斷實驗對象的狀態和性能。實時數據處理的目的是確

6、保實驗安全、加速實驗進程和縮短實驗周期。系統還必須有事后處理能力，待試驗結束后能對全部數據做完整、詳盡的分析。（5）具有開放性和兼容性：主要表現為檢測設備的標準化。計算機和操作系統具有良好的開放性和兼容性。可以根據需要擴展系統硬件和軟件，便于使用和維護。自動檢測系統主要用于對生產設備和工藝過程進行自動監視和自動保護，并且無論是傳統的檢測系統，還是自動檢測系統，均包含一定的硬件系統和軟件系統，但是根據檢測任務不同，對檢測系統的要求也不一樣，但在設計、綜合和配置檢測系統時，應考慮以下要求：v（1）環節最少原則：組成自動檢測系統的各個元件或單元通常稱為環節。 v（2）精度匹配原則：在對檢測系統進行精

7、度分析的基礎上根據各環節對系統精度影響程度的不同和實際可能，分別對各環節提出不同的精度要求和恰當的精度分配，做到恰到好處，這就是精度匹配原則。v(3)阻抗匹配原則：，測量信息的傳輸是靠能量流進行的。因此，設計檢測系統時的一條重要原則是要保證信息能流最有效的傳遞。這個原則是由四端網絡理論導出的，亦即檢測系統中兩個環節之間的輸入阻抗與輸出阻抗相匹配的原則。v (4)經濟原則：在設計過程中，要處理好所要求的精度與儀表制造成本之間的矛盾。要盡量采用合理的結構型式與合理的工藝要求，恰當地進行各環節的靈敏度分配和誤差分配，盡量以最少的環節、最低的成本建立起高精度的檢測系統。 v(5)標準化與通用性原則：為

8、縮短研制周期便于大批量生產和使用過程中的維修，在設計中應盡量采用已有的標準零部件，對新設計的零部件也要考慮到今后在其他方面可能使用的通用性問題。開環檢測系統的相對誤差為各個環節的相對誤差之和，故環節愈多，誤差放大。因此在設計檢測系統時，在滿足檢測要求的前提下，應盡量選用較少的環節。對丁閉環測量系統，由于檢測系統的誤差主要取決了反饋回路，所以在設計此類檢測系統時，應盡量減少反饋環節的數量。如果把信息傳輸通道中的前一個環節視為信號源，下一個環節視為負載，則可以用負載的輸入阻抗ZL對信號源的輸出阻抗ZO之比|ZL|/|ZO|來說明這兩個環節之間的匹配程度。當1或|ZL|ZO|時，檢測系統可以獲得傳送

9、信息的最大傳輸效率。應當指出，在實際設計時為了照顧測量裝置的其他性能，匹配程度常常不得不偏離最佳值l，一般允許在35范圍內。v自動檢測系統的分析自動檢測系統的分析v自動檢測系統總體方案的設計自動檢測系統總體方案的設計v自動檢測系統硬件的設計自動檢測系統硬件的設計v自動檢測系統軟件的設計自動檢測系統軟件的設計v系統集成系統集成v檢測系統的分析是確定系統的功能、技術指標及設計任務，是設計檢檢測系統的分析是確定系統的功能、技術指標及設計任務，是設計檢測系統總方向的重要階段，主要是對要設計的系統運用系統論的觀點測系統總方向的重要階段，主要是對要設計的系統運用系統論的觀點和方法進行全面的分析和研究，以便

10、明確對本設計課題提出了哪些要和方法進行全面的分析和研究，以便明確對本設計課題提出了哪些要求和限制，了解被測對象的特點、所要求的技術指標和使用條件等等求和限制，了解被測對象的特點、所要求的技術指標和使用條件等等 。v(1)首先明確檢測系統必須實現的功能和需要完成的測量任務。包括被首先明確檢測系統必須實現的功能和需要完成的測量任務。包括被測參數的定義和性質、被測量的數量、輸入信號的通道數、測量結果測參數的定義和性質、被測量的數量、輸入信號的通道數、測量結果的輸出形式等。的輸出形式等。 v(2)了解設計任務所規定的性能指標。為了明確設計目標，應當了解對了解設計任務所規定的性能指標。為了明確設計目標，

11、應當了解對于被測參數的測量精度、測量速度、極限變化范圍和常用測量范圍、于被測參數的測量精度、測量速度、極限變化范圍和常用測量范圍、分辨率、動態特性、誤差等方面的要求，以及對于儀器儀表的檢測效分辨率、動態特性、誤差等方面的要求，以及對于儀器儀表的檢測效率、通用程度和可靠性等要求。率、通用程度和可靠性等要求。v(3)了解測量系統的使用條件和應用環境。首先應當了解在規定的使用了解測量系統的使用條件和應用環境。首先應當了解在規定的使用條件下，存在哪些影響被測參數的其他因素，以便在設計時設法消除條件下，存在哪些影響被測參數的其他因素，以便在設計時設法消除其影響。其影響。 從能量的觀點考慮，被測參數的性質

12、可以分為兩種，一種是壓從能量的觀點考慮，被測參數的性質可以分為兩種，一種是壓力、流量、液位、溫度、電流之類建接與能源相關的力、流量、液位、溫度、電流之類建接與能源相關的有源參數有源參數；另一種是長度、濃度、電阻等與能源沒有直接關系的另一種是長度、濃度、電阻等與能源沒有直接關系的無源參數無源參數。在檢測有源參數時，一般可直接利用被測對象本身的能源，但在檢測有源參數時，一般可直接利用被測對象本身的能源，但當被測對象本身不具有足夠大的能量時，容易產生測量誤差，當被測對象本身不具有足夠大的能量時，容易產生測量誤差，這時必須注意選擇適當的檢測方法。在檢測無源參數時，需要這時必須注意選擇適當的檢測方法。在

13、檢測無源參數時，需要從外部供給必要的能源，而且通常采用從外部供給必要的能源，而且通常采用零位法或比較法零位法或比較法等檢測等檢測方法。方法。v1 1、確定系統的控制方式、確定系統的控制方式v 自動檢測系統的控制方式根據被測對象測試要求確定，其控制自動檢測系統的控制方式根據被測對象測試要求確定，其控制方式如果按照信號傳輸方式可分為開環系統還是閉環系統，或是數方式如果按照信號傳輸方式可分為開環系統還是閉環系統，或是數據處理系統。按實現方式可以分為：手動控制、自動控制和半自動據處理系統。按實現方式可以分為：手動控制、自動控制和半自動控制。控制。v2 2、輸入、輸出通道及外圍設備的選擇、輸入、輸出通道

14、及外圍設備的選擇v 自動檢測系統中與計算機相連的輸入輸出通道，通常根據被測自動檢測系統中與計算機相連的輸入輸出通道，通常根據被測對象參數的多少來確定，并根據系統的規模及要求，配以適當的外對象參數的多少來確定，并根據系統的規模及要求，配以適當的外圍設備，如打印機、圍設備，如打印機、CRTCRT、磁盤驅動器、繪圖儀等。選擇時應考慮以、磁盤驅動器、繪圖儀等。選擇時應考慮以下一些問題。下一些問題。 （1 1）被測對象參數的數量；）被測對象參數的數量； （2 2）各輸入、輸出通道是串行操作還是并行操作；）各輸入、輸出通道是串行操作還是并行操作； （3 3）各通道數據的傳輸速率；）各通道數據的傳輸速率；

15、（4 4）各通道數據的字長及選擇位數；）各通道數據的字長及選擇位數； （5 5）對顯示、打印有何要求）對顯示、打印有何要求 在檢測系統分析的基礎上，明確設計目標之后，即可在檢測系統分析的基礎上，明確設計目標之后，即可進行總體方案的構思與設計。進行總體方案的構思與設計。所謂總體設計，所謂總體設計，是從總體角度出發對自動檢測系統是從總體角度出發對自動檢測系統的帶有全局性的重要問題進行全面考慮、分析和的帶有全局性的重要問題進行全面考慮、分析和設計計算。總體設計包括系統的設計計算。總體設計包括系統的控制方式選擇控制方式選擇、輸入輸出通道輸入輸出通道及及外圍設備的選擇外圍設備的選擇、系統結構系統結構等幾

16、個方面。等幾個方面。3、系統結構選擇、系統結構選擇 自動檢測系統結構設計需要綜合考慮散熱、電磁兼容性、自動檢測系統結構設計需要綜合考慮散熱、電磁兼容性、防沖振、維護性等。創造使設備正常、可靠地工作的良好環境。防沖振、維護性等。創造使設備正常、可靠地工作的良好環境。具體要求如下。具體要求如下。 （1）充分貫徹標準化、通用化、系列化、模塊化要求；）充分貫徹標準化、通用化、系列化、模塊化要求； （2）人機關系諧調，符合有關人機關系標準，使操作者操作方）人機關系諧調，符合有關人機關系標準，使操作者操作方便、舒適、準確；便、舒適、準確； （3）設備具有良好的維護性，需經常維修的單元必須具有良好）設備具有

17、良好的維護性，需經常維修的單元必須具有良好的可拆性；的可拆性； （4）結構設計必須滿足設備對強度要求，盡量減少重量，縮小）結構設計必須滿足設備對強度要求，盡量減少重量，縮小體積；體積； （5）盡量采用成熟技術，采用成熟、可靠的結構形式和零、部）盡量采用成熟技術，采用成熟、可靠的結構形式和零、部件；件； （6）造型協調、美觀、大方、色彩宜人。）造型協調、美觀、大方、色彩宜人。 根據使用場地和用途的不同需求，可采用固定機柜式、移動根據使用場地和用途的不同需求，可采用固定機柜式、移動方艙式和便攜機箱式等多種結構形式。方艙式和便攜機箱式等多種結構形式。v4、畫出系統原理圖、畫出系統原理圖v基于以上方案

18、選擇之后，要畫出一個完整的自動檢測系基于以上方案選擇之后，要畫出一個完整的自動檢測系統原理框圖；其中包括各種傳感器、變送器、外圍設備、統原理框圖；其中包括各種傳感器、變送器、外圍設備、輸入輸出通道及微型計算機。它是整個系統的總圖，要輸入輸出通道及微型計算機。它是整個系統的總圖，要求簡單，清晰，明了。求簡單，清晰，明了。v1、微型計算機的選擇、微型計算機的選擇 微型計算機是自動檢測系統的核心，對系統的功能、性微型計算機是自動檢測系統的核心，對系統的功能、性能價格以及研發周期等起著至關重要的作用。一般根據系統能價格以及研發周期等起著至關重要的作用。一般根據系統要求的要求的硬件和軟件硬件和軟件功能選

19、擇計算機類型。為了加快設計速度，功能選擇計算機類型。為了加快設計速度，縮短研制周期，應盡可能縮短研制周期，應盡可能采用熟悉的機型或利用現有系統進采用熟悉的機型或利用現有系統進行改進行改進。 目前自動化領域應用較廣的計算機產品種類很多，常用目前自動化領域應用較廣的計算機產品種類很多，常用的有的有PC機和單片機兩種。在選擇時，首先應根據系統具體要機和單片機兩種。在選擇時，首先應根據系統具體要求，確定是采用現成的微機系統或者是采用某種微處理器芯求，確定是采用現成的微機系統或者是采用某種微處理器芯片研制專用系統。片研制專用系統。 自動檢測系統的許多功能與主機的字長、尋址范圍、指自動檢測系統的許多功能與

20、主機的字長、尋址范圍、指令功能、處理速度、中斷能力以及功耗都有著密切關系，因令功能、處理速度、中斷能力以及功耗都有著密切關系，因此，在選擇時應根據系統功能要求選擇最適合的微型計算機此，在選擇時應根據系統功能要求選擇最適合的微型計算機作為主機，提高整個系統的性能價格比。作為主機，提高整個系統的性能價格比。 在確定方案的同時，必須選擇好被測參數的測量元件。如何根據具體在確定方案的同時，必須選擇好被測參數的測量元件。如何根據具體的檢測目的、檢測對象以及檢測環境合理地選用傳感器，是在進行某個的檢測目的、檢測對象以及檢測環境合理地選用傳感器，是在進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之

21、相配套的測量量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。傳感器必須根據一下原則進行選擇。方法和測量設備也就可以確定了。傳感器必須根據一下原則進行選擇。 （1 1）靈敏度）靈敏度 傳感器的靈敏度越高，可以感知的變化量越小，即被測量稍有微小變傳感器的靈敏度越高，可以感知的變化量越小，即被測量稍有微小變化，傳感器即有較大的輸出。但靈敏度越高，與測量信號無關的外界噪化，傳感器即有較大的輸出。但靈敏度越高，與測量信號無關的外界噪聲也容易混入，并且噪聲也會被放大。因此，對傳感器往往要求有較大聲也容易混入，并且噪聲也會被放大。因此，對傳感器往往要求有較大的信噪

22、比。的信噪比。 （2 2）線性范圍）線性范圍 任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內輸出與輸入成比例關任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內輸出與輸入成比例關系。線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。系。線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。 （3 3）響應特性）響應特性 傳感器的響應特性必須在所測頻率范圍內盡量保持不失真。實際傳感傳感器的響應特性必須在所測頻率范圍內盡量保持不失真。實際傳感器的響應總有一定延遲，但延遲時間越短越好。器的響應總有一定延遲，但延遲時間越短越好。v（4 4）穩定性）穩定性 傳感器的穩定性是指經過長期使用以后，其輸出特性不發傳感器的穩定性是指經過長期使

23、用以后，其輸出特性不發生變化的性能。影響傳感器穩定性的因素是時間與環境。為了生變化的性能。影響傳感器穩定性的因素是時間與環境。為了保證穩定性，在選用傳感器之前應對使用環境進行調查，以選保證穩定性，在選用傳感器之前應對使用環境進行調查，以選擇合適的傳感器類型。擇合適的傳感器類型。 （5 5）精確度）精確度 傳感器的精確度表示傳感器的輸出與被測量真值的對應傳感器的精確度表示傳感器的輸出與被測量真值的對應程度。因為傳感器處于檢測系統的輸入端，因此，傳感器能否程度。因為傳感器處于檢測系統的輸入端，因此，傳感器能否真實地反映被測量，對整個檢測系統具有直接影響。然而，傳真實地反映被測量，對整個檢測系統具有

24、直接影響。然而，傳感器的精確度也并非越高越好，因為還要考慮到經濟性。傳感感器的精確度也并非越高越好，因為還要考慮到經濟性。傳感器精確度愈高，價格越昂貴，因此應從實際出發來選擇傳感器。器精確度愈高，價格越昂貴，因此應從實際出發來選擇傳感器。v 總之，除了以上選用原則以外，還應盡可能兼顧結構簡總之，除了以上選用原則以外，還應盡可能兼顧結構簡單、體積小、重量輕、價格便宜、易于維修和便于更換等條件。單、體積小、重量輕、價格便宜、易于維修和便于更換等條件。v（1）數據采集通道的結構形式v 在自動檢測系統中，選擇何種結構形式采集數據，是進行模擬量輸入通道設計中首先要考慮的問題。圖7-3所示給出兩種結構形式

25、。圖7-3 兩種模擬量輸入通道v（a）圖由于各參數是串行輸入的，所以轉換時間比較長。但它的最大優點是節省硬件開銷。v（b）圖中，每個模擬量輸入通道都增加了一個S/H。其目的是可以采用同一時刻的各個參數，以便進行比較。（2）A/D轉換器的選擇 一般根據被測對象的實際要求選擇A/D轉換器。A/D轉換器的位數不僅決定采集電路所能轉換的模擬電壓動態范圍，也很大程度影響采集電路的轉換精度。因此，應根據對采集電路轉換范圍與轉換精度兩方面要求選擇A/D轉換器的位數。 v（3）采樣/保持器的選擇v 為了保證A/D轉換器的穩定輸出，要求在A/D轉換期間其被轉換模擬信號保持不變，因此，在A/D轉換器前必須加設采樣

26、/保持器。由于采樣/保持器在保持階段一直保持著采樣階段結束時刻的輸入模擬信號的瞬時值，因此，A/D轉換器只要在采樣/保持器的保持階段內進行和完成A/D轉換，就能得到準確穩定的數字輸出。 自動檢測系統硬件電路可以先采用某種信號作為激勵，然自動檢測系統硬件電路可以先采用某種信號作為激勵，然后通過檢查電路能否得到預期的響應來驗證電路是否正常。但后通過檢查電路能否得到預期的響應來驗證電路是否正常。但是檢測系統的硬件電路功能的調試沒有相應的驅動程序很難實是檢測系統的硬件電路功能的調試沒有相應的驅動程序很難實現。通常采用的方法是編制一些小的調試程序，分別對相應的現。通常采用的方法是編制一些小的調試程序，分

27、別對相應的各硬件單元電路的功能進行檢查，而整各系統的硬件功能必須各硬件單元電路的功能進行檢查，而整各系統的硬件功能必須在硬件和軟件設計完成之后才能進行。在硬件和軟件設計完成之后才能進行。4、硬件調試、硬件調試 軟件設計的質量直接關系到系統的正確使用和效率。軟件軟件設計的質量直接關系到系統的正確使用和效率。軟件的設計、開發、調試及維護常要花費巨大的精力和時間。一個的設計、開發、調試及維護常要花費巨大的精力和時間。一個好的軟件應具有正確性、可靠性、可測試性、易使用性及易維好的軟件應具有正確性、可靠性、可測試性、易使用性及易維護性等多方面的性能。護性等多方面的性能。1、軟件的總體結構、軟件的總體結構

28、 當明確軟件設計的總任務之后，即可進入軟件總體結當明確軟件設計的總任務之后，即可進入軟件總體結構設計。一般采用模塊化結構自頂向下把任務從上到下逐構設計。一般采用模塊化結構自頂向下把任務從上到下逐步細分，一直分到可以具體處理的基本單元為止，如圖步細分，一直分到可以具體處理的基本單元為止，如圖7-4所示所示 。圖7-4 模塊化結構（1）每個模塊應具有獨立的功能，能產生明確的結果；）每個模塊應具有獨立的功能，能產生明確的結果；（2）模塊之間應盡量相互獨立，以限制模塊之間的信息交）模塊之間應盡量相互獨立，以限制模塊之間的信息交換，以便利于模塊的調試；換，以便利于模塊的調試；（3）模塊長度適中。若模塊太

29、長，分析和調試比較困難；）模塊長度適中。若模塊太長，分析和調試比較困難；若過短則模塊的連接太復雜，信息交換太頻繁，附加開若過短則模塊的連接太復雜，信息交換太頻繁，附加開銷太大。銷太大。2、軟件開發平臺 開發環境的任務是提供用戶編寫程序代碼，編譯和連接程序開發環境的任務是提供用戶編寫程序代碼，編譯和連接程序并生成可執行程序的環境。根據自動檢測系統硬件組成形式不同，并生成可執行程序的環境。根據自動檢測系統硬件組成形式不同，其軟件開發環境也不盡相同。對于標準總線檢測系統，只需選擇其軟件開發環境也不盡相同。對于標準總線檢測系統，只需選擇一種高級語言進行編程，所以可以直接采用現有的商品程序開發一種高級語

30、言進行編程，所以可以直接采用現有的商品程序開發環境，如環境，如LabVIEW、VC+、VB等，對于單片機檢測系統，需等，對于單片機檢測系統，需要選擇匯編語言或要選擇匯編語言或C語言進行開發。語言進行開發。 軟件程序設計是按照軟件程序設計是按照“自頂向下自頂向下”的方法，不管檢測儀器或的方法，不管檢測儀器或系統的功能怎樣復雜，分析設計工作都能有計劃有步驟地進行。系統的功能怎樣復雜，分析設計工作都能有計劃有步驟地進行。并且為了使程序便于編寫、調試和排除錯誤，也為了便于檢驗和并且為了使程序便于編寫、調試和排除錯誤，也為了便于檢驗和維護，總是維護，總是設法把程序編寫成一個個結構完整、相對獨立的程序設法

31、把程序編寫成一個個結構完整、相對獨立的程序段，段，這就是所謂的一個程序模塊。這就是所謂的一個程序模塊。“自頂向下自頂向下”的軟件設計方法的軟件設計方法編寫程序模塊應遵守下列原則。編寫程序模塊應遵守下列原則。v（1）適當劃分模塊。對于每一個程序模塊，應明確規定其輸人、）適當劃分模塊。對于每一個程序模塊，應明確規定其輸人、輸出和模塊的功能；輸出和模塊的功能；v（2）模塊功能獨立。一旦認定一部分問題能夠歸入一個模塊之）模塊功能獨立。一旦認定一部分問題能夠歸入一個模塊之內，就不要再進一步設想如何來實現它，即不要糾纏細枝末節；內，就不要再進一步設想如何來實現它，即不要糾纏細枝末節；v（3）對每一個模塊作

32、出具體定義，包括解決某問題的算法、允）對每一個模塊作出具體定義，包括解決某問題的算法、允許的輸入輸出值范圍；許的輸入輸出值范圍；v（4）在模塊中只有循環、順序、分支三種基本程序結構；）在模塊中只有循環、順序、分支三種基本程序結構；v（5）可利用已有的成熟的程序模塊。如加、減、乘、除、開方、）可利用已有的成熟的程序模塊。如加、減、乘、除、開方、延時程序、顯示程序等。延時程序、顯示程序等。 為了驗證編制出來的軟件無錯，需要花費大量的時為了驗證編制出來的軟件無錯，需要花費大量的時間調試，有時調試工作量比編制軟件本身所花費的時間間調試，有時調試工作量比編制軟件本身所花費的時間還長。軟件調試也是先按模塊

33、分別調試，直到每個模塊還長。軟件調試也是先按模塊分別調試，直到每個模塊的預定功能完全實現，然后再鏈接起來進行總調。自動的預定功能完全實現，然后再鏈接起來進行總調。自動檢測系統的軟件不同于一般的計算和管理軟件，需要和檢測系統的軟件不同于一般的計算和管理軟件，需要和硬件密切相關，因此只有在相應的硬件系統中進行調試硬件密切相關，因此只有在相應的硬件系統中進行調試才能最后證明其正確性。才能最后證明其正確性。 經過測試的軟件仍然可能隱含著錯誤。同時用戶的要經過測試的軟件仍然可能隱含著錯誤。同時用戶的要求也經常會發生變化。實際上，用戶在儀表或整個系統求也經常會發生變化。實際上，用戶在儀表或整個系統未正式運

34、行之前，往往并沒有把所有的要求都提完全。未正式運行之前，往往并沒有把所有的要求都提完全。當投運后，用戶常常會改變原來的要求或提出新的要求。當投運后，用戶常常會改變原來的要求或提出新的要求。此外儀表或系統運行的環境也會發生變化，所以在運此外儀表或系統運行的環境也會發生變化，所以在運行階段需要對軟件進行維護，即繼續排錯、修改和擴充。行階段需要對軟件進行維護，即繼續排錯、修改和擴充。另外，軟件在運行中，設計者常常會發現某些程序模塊另外，軟件在運行中，設計者常常會發現某些程序模塊雖然能實現預期功能，但在算法上不是最優的或在運行雖然能實現預期功能，但在算法上不是最優的或在運行時間占用內存等方面還有改進的

35、必要，也需要修改程序，時間占用內存等方面還有改進的必要，也需要修改程序，使其更完善。使其更完善。 經過硬件、軟件單獨調試后，即可進入硬件、軟件系經過硬件、軟件單獨調試后，即可進入硬件、軟件系統集成，即將硬件系統和軟件系統集成在一起進行聯調，統集成，即將硬件系統和軟件系統集成在一起進行聯調，找出硬件系統和軟件系統之間不相匹配的地方，反復修找出硬件系統和軟件系統之間不相匹配的地方，反復修改和調試，直至排除所有錯誤并達到設計要求。實驗室改和調試，直至排除所有錯誤并達到設計要求。實驗室調試工作完成以后，即可組裝成機，移至現場進行運行調試工作完成以后，即可組裝成機，移至現場進行運行和進一步調試，并根據運

36、行及調試中的問題反復進行修和進一步調試，并根據運行及調試中的問題反復進行修改。改。v溫度測控系統的設計要求與組成溫度測控系統的設計要求與組成v溫度測控系統的硬件電路溫度測控系統的硬件電路v溫度測控系統的軟件設計溫度測控系統的軟件設計v1、溫度測控系統的設計要求如下：、溫度測控系統的設計要求如下：v（1）該系統被控對象為用燃燒天然氣加熱的）該系統被控對象為用燃燒天然氣加熱的8座退火爐。座退火爐。則具有則具有8爐模擬量輸入通道和爐模擬量輸入通道和8路模擬量輸出通道。路模擬量輸出通道。v（2）能夠進行恒溫控制，也能按照一定的升溫曲線控制，）能夠進行恒溫控制，也能按照一定的升溫曲線控制，溫度測量范圍為

37、溫度測量范圍為010000C。v（3）采用大林算法，可以實現滯后一階系統沒有超調量）采用大林算法，可以實現滯后一階系統沒有超調量或有很少超調量。或有很少超調量。v（4）采用）采用4位位LED數碼管顯示，一位顯示通道數，三位數碼管顯示，一位顯示通道數，三位顯示溫度。顯示溫度。v（5）具有超限報警功能。超限時，將發出聲光報警信號。）具有超限報警功能。超限時，將發出聲光報警信號。v（6）有掉電保護功能，以防止在突發調電事故時，能及）有掉電保護功能，以防止在突發調電事故時，能及時地保護重要的系統參數不丟失。時地保護重要的系統參數不丟失。v（7）具有）具有16個鍵碼，個鍵碼，10個數字鍵，個數字鍵，6個

38、功能鍵。個功能鍵。圖7-5 退火爐溫控系統原理圖v系統由主機、輸入通道、輸出通道、鍵盤、顯示器及報系統由主機、輸入通道、輸出通道、鍵盤、顯示器及報警裝置組成。警裝置組成。 被測參數溫度值由熱電偶測量后得到被測參數溫度值由熱電偶測量后得到mV信號，經變送器轉信號，經變送器轉換成換成05V電壓信號；由多路開關把電壓信號；由多路開關把8座退火爐的溫度測量信號座退火爐的溫度測量信號分時地送到采樣分時地送到采樣/保持器和保持器和A/D轉換器，進行模擬轉換器，進行模擬/數字轉換；轉數字轉換；轉換后的數字量通過換后的數字量通過I/O接口傳入到處理器。在接口傳入到處理器。在CPU中進行數據中進行數據處理（數字

39、濾波，標度變換和數字控制計算）后，一方面送去處理（數字濾波，標度變換和數字控制計算）后，一方面送去顯示，并判斷是否需要報警；另一方面與給定值進行比較，然顯示，并判斷是否需要報警；另一方面與給定值進行比較，然后根據偏差值進行控制計算。控制器輸出經后根據偏差值進行控制計算。控制器輸出經D/A轉換器轉換成轉換器轉換成420mA電流信號，以帶動電動執行機構動作。當采樣值大于電流信號，以帶動電動執行機構動作。當采樣值大于給定值時，把天然氣閥門關小，反之將開大閥門。這樣，通過給定值時，把天然氣閥門關小，反之將開大閥門。這樣，通過控制退火爐的天然氣的流量，達到控制溫度的目的。控制退火爐的天然氣的流量，達到控

40、制溫度的目的。（2）測控系統工作原理）測控系統工作原理1、主機電路圖7-6 主電路線圖圖 主機電路由主機電路由8031、存儲器和、存儲器和I/O接口電路組成，擴展的程接口電路組成，擴展的程序存儲器和數據存儲器容量的大小與系統的數據處理與控制序存儲器和數據存儲器容量的大小與系統的數據處理與控制功能有關，設計還要留有一定的裕量。因此，選用了功能有關，設計還要留有一定的裕量。因此，選用了2764作作為程序存儲器，容量為為程序存儲器，容量為8K，6264作為數據存儲器，容量為作為數據存儲器，容量為8K。系統還必須配備鍵盤、顯示以及報警裝置，因此擴展了系統還必須配備鍵盤、顯示以及報警裝置，因此擴展了I/

41、O接接口電路口電路8255，增加了系統的，增加了系統的I/O口功能。口功能。 為了使各個接口能為了使各個接口能正常工作，系統采用正常工作，系統采用了譯碼電路對所有端了譯碼電路對所有端口進行地址分配。根口進行地址分配。根據系統中接口的數量，據系統中接口的數量，采用采用74LS154（4-16譯碼器）作為本系統譯碼器）作為本系統的譯碼電路。其接口的譯碼電路。其接口電路如圖電路如圖7-7所示。所示。圖7-7 譯碼接口電路v2、檢測元件及溫度變送器、檢測元件及溫度變送器 根據退火爐的溫度測量范圍為根據退火爐的溫度測量范圍為010000C，檢測元件，檢測元件選用鎳鉻鎳鋁熱電偶（分度號為選用鎳鉻鎳鋁熱電偶

42、（分度號為K），其對應輸出信號），其對應輸出信號為為041.2643mV。溫度變送器選用集成一體化變送器，。溫度變送器選用集成一體化變送器，在在010100C時對應輸出為時對應輸出為05V。根據要求本系統使用。根據要求本系統使用12為為A/D轉換器，因此，采樣分辨度為轉換器，因此，采樣分辨度為1010/40960.250C/LSB。其溫度數字量對照如表。其溫度數字量對照如表7-1所示。所示。溫 度0C01002003004005006007008009001010熱電偶輸出（mV）04.108.1412.2116.4020.6524.9029.1333.2937.3341.66變送器輸出（V）

43、00.490.981.471.972.482.993.504.004.485.00A/D輸出（H）0001913224B364E7F0991B33CCDE56FFF表7-1 溫度數字量對照表圖圖7-8 數據采集系統原理圖數據采集系統原理圖系統采用系統采用12位位A./D轉換器轉換器AD574與與8031的接口電路，如圖的接口電路，如圖7-8所示。所示。v 由由80318031數據總線經數據總線經74LS17574LS175控制多路開關的選擇控制多路開關的選擇控制端控制端C,B,AC,B,A以及禁止鎖存端以及禁止鎖存端INHINH，選擇一路被測參數，選擇一路被測參數通過通過CD4051CD405

44、1，送到采樣，送到采樣/ /保持器的輸入端。采樣保持器的輸入端。采樣/ /保持保持器的工作狀態由器的工作狀態由A/DA/D轉換器的轉換結束標志轉換器的轉換結束標志STSSTS的狀態的狀態控制。當控制。當A/DA/D轉換正在進行時，轉換正在進行時，STSSTS輸出高電平，經反輸出高電平，經反相后，變為低電平，送到相后，變為低電平，送到S/HS/H的邏輯控制端，使的邏輯控制端，使S/HS/H處處于保持狀態，此時于保持狀態，此時A/DA/D轉換器開始轉換。轉換后的數轉換器開始轉換。轉換后的數字量由字量由80318031的數據總線分兩次讀到的數據總線分兩次讀到CPUCPU寄存器。寄存器。v 轉換結束后

45、，轉換結束后，STSSTS由高電平變為低電平，反相后程由高電平變為低電平，反相后程高電平，因而使高電平，因而使S/HS/H進入采樣狀態。進入采樣狀態。 圖圖7-9 掉電檢測電路掉電檢測電路如圖如圖7-97-9所示，掉電保護功能的實現有兩種方案：所示，掉電保護功能的實現有兩種方案：選用選用E E2 2ROMROM，將重要數據置于其中；將重要數據置于其中；加接備用電池。穩壓電源和備用電池加接備用電池。穩壓電源和備用電池分別通過二極管接于存儲器的分別通過二極管接于存儲器的UccUcc端，當穩壓電源電壓大于備用端，當穩壓電源電壓大于備用電池電壓時，電池不供電；當穩壓電源掉電時，備用電池工作。電池電壓時

46、，電池不供電；當穩壓電源掉電時，備用電池工作。v儀器內還應設置掉電檢測電路，以便一旦檢測到失電，儀器內還應設置掉電檢測電路，以便一旦檢測到失電，將斷點內容保護起來。圖中將斷點內容保護起來。圖中CMOS555接成單穩形式，掉接成單穩形式，掉電時電時3端輸出低電平脈沖，作為中斷請求信號。光電耦合端輸出低電平脈沖，作為中斷請求信號。光電耦合器的作用時防止干擾而產生誤動作。在掉電瞬時，穩壓器的作用時防止干擾而產生誤動作。在掉電瞬時，穩壓電源在大電容支持下，仍維持供電電源在大電容支持下，仍維持供電(約幾十毫秒約幾十毫秒)，這段時，這段時間內，主機執行中斷服務程序，將斷點和重要數據置入間內，主機執行中斷服

47、務程序，將斷點和重要數據置入RAM。圖7-10 鍵盤/顯示接口電路鍵盤與顯示電路可通過可編程接口芯片鍵盤與顯示電路可通過可編程接口芯片8255A與與8031連接，連接，其原理電路圖如圖其原理電路圖如圖7-10所示。所示。74ls48的應用舉例的應用舉例 為了使系統能夠直觀地顯示其溫度變化，系統設置了為了使系統能夠直觀地顯示其溫度變化，系統設置了4位位LED顯示器。設顯示緩沖單元位顯示器。設顯示緩沖單元位28H和和29H；其顯示器第一位顯；其顯示器第一位顯示通道號；第示通道號；第24位顯示溫度，最大為位顯示溫度，最大為9990C。為了便于操作，。為了便于操作，顯示方法設計成兩種方式：第一，自動循

48、環顯示，在這種方式下，顯示方法設計成兩種方式：第一，自動循環顯示，在這種方式下，計算機可自動地把采樣的計算機可自動地把采樣的18退火爐的溫度不間斷地依次進退火爐的溫度不間斷地依次進行顯示；第二，定點顯示，即操作人員可隨時任意查看某一座退行顯示；第二，定點顯示，即操作人員可隨時任意查看某一座退火爐的溫度，且兩種顯示方式可任意切換。由圖火爐的溫度，且兩種顯示方式可任意切換。由圖7-10看出，系統看出，系統采用的是以采用的是以74LS373作為鎖存器的靜態顯示方法。作為鎖存器的靜態顯示方法。74LS48為共為共陰極譯碼陰極譯碼/驅動器，驅動器，LED數碼管采用的是數碼管采用的是CS5137T，825

49、5A作為作為顯示接口。顯示接口。 為了便于完成系統參數設置、顯示方式選擇、自動為了便于完成系統參數設置、顯示方式選擇、自動/ /手動安排，手動安排，以及系統的啟動和停止，系統設置了一個以及系統的啟動和停止，系統設置了一個4 44 4矩陣鍵盤，其中，矩陣鍵盤，其中，0 09 9為數字鍵，為數字鍵，A AF F為功能鍵。由圖為功能鍵。由圖7-107-10可知，鍵盤接口采用可知，鍵盤接口采用8255A8255A的的PA3PA3PA0PA0為行掃描接口，從為行掃描接口，從B B口的口的PB3PB3PB0PB0讀入列值，該系統鍵盤處讀入列值，該系統鍵盤處理為中斷方式。因此，理為中斷方式。因此，8255A

50、8255A的的B B口工作在兩種方式下：在顯示狀態口工作在兩種方式下：在顯示狀態下為輸出方式；在鍵盤中斷服務程序處理過程中為輸入方式。下為輸出方式；在鍵盤中斷服務程序處理過程中為輸入方式。圖圖7-11 報警接口電路報警接口電路本系統選用的是聲光報警電路，采用雙色發光二極管進行安全本系統選用的是聲光報警電路，采用雙色發光二極管進行安全顯示，用顯示，用8255A的的PA7驅動晶體管驅動晶體管8050，控制語音芯片，控制語音芯片9561帶動喇叭發音，實現聲音報警的目的。帶動喇叭發音，實現聲音報警的目的。v雙色發光二極管進行顯示報警時，當雙色發光二極管進行顯示報警時，當LAiLAi為高電平，而為高電平

51、，而LBiLBi為低電平時，發光二極管顯示綠色；反之，當為低電平時，發光二極管顯示綠色；反之，當LAiLAi為為低電平，而低電平，而LBiLBi為高電平時，發光二極管顯示紅色；若兩為高電平時，發光二極管顯示紅色；若兩者均為高電平時，顯示黃色。系統每個發光二極管指示者均為高電平時，顯示黃色。系統每個發光二極管指示一座退火爐，溫度正常時顯示綠色，高于上限值時顯示一座退火爐，溫度正常時顯示綠色，高于上限值時顯示紅色，低于下限值時顯示黃色。顯示顏色的控制分別由紅色，低于下限值時顯示黃色。顯示顏色的控制分別由8255A8255A的的C C口和口和80318031的的P1P1口來實現。口來實現。圖7-12 部分D/A轉換電路該系統還設有該系統還設有8路路D/A轉換電路，分別將處理器輸出給各路轉換電路，分別將處理器輸出給各路的控制量轉換成模擬量，送至對應的執行機構。的控制量轉換成模擬量，送至對應的執行機構。A/D轉換器轉換器選用選用8路、雙緩沖的路、雙緩沖的DAC0832，輸出為，輸出為420mA電流信號。