测控电路设计与应用十篇

测控电路设计与应用篇1

【关键词】温湿度；监测系统；主控电路；PIC

目前，大部分常用的温湿度监测系统是以晶体管电路或51单片机为核心部件，再配以相应的传感器和A/D转换电路组成的温度和湿度实时监测系统。这样的系统，在实际工作中存在诸如在线调节不方便、数字化和智能化程度较低等缺点。

因此，本文研究了基于PIC16F877A单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统相关技术，对主控电路进行了改进，提出了相应的对策和解决方案。

1 设计思路

通常情况下，温室内的温度和湿度对作物的影响巨大。如若要使得这些植物在非本季节处于较佳的生长状态，就必须严格控制温室内的温湿度。而不同类别的植物，所需温湿度也不尽相同。严格监测和控制温室内温度和湿度环境参数，能够有效保障植物时刻处于较佳的生长状态，有利于提高生产质量和产量。

首先，本文分析了温室温湿度监测系统基本原理和性能要求，针对农业生产所使用的普通MCU与PIC系列PIC16F877A进行性能比较，对优化主控电路做出理论依据，并提出相应的优化方案和整改对策。 然后分析了目前农业生产所使用的模拟量传感器和直插式数字传感器进行性能差异，从非电和电两个方面着手对影响温湿度监测精度及可靠性的原因进行分析，并在优化的主控电路。最后采用了以PIC16F877A对直插数字集成式温湿度传感器DHT11进行循环控制，达到对蔬菜大棚温湿度实时监控的目的1。

2 硬件电路设计

图1 主控电路示意图

本文选用DHT11作为温湿度环境信号监测系统的主要传感器件。DHT11数字温湿度传感器含有已校准数字信号输出，包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连，具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。DHT11传感器的校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，非常适合温室内的温度和湿度环境参数信号监测系统的技术特点2。

本设计利用DHT11直插式数字温湿度传感器对蔬菜大棚温湿度进行实时监测，并把实测温湿度值实时显示在LCD1602上，可以通过键盘设定温湿度极限值，如果实测温湿度超过设定极限值，则进行LED或者蜂鸣器报警操作。

基于PIC16F877A单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统主控电路如图1所示，监测过程大体如下：当产品上电时，PIC16F877A与DHT11传感器通讯，当PIC做好数据接收准备时，DHT11通过单总线将数据发到至PIC，最后再由PIC将处理过的检测数据发送至LCD1062进行显示，从而达到蔬菜大棚温湿度的实时检测。在此基础上，用户可以通过按键输入温湿度极限值，对温湿度报警值进行设定，之后以达到峰值超标自动报警的目的。

3 主函数初始化和外部中断流程图设计

我们对需要的特殊寄存器进行初始化后，使其进入while循环，等待外部中断。

①初始化

初始化函数包括了系统初始化函数sys init（）；，LCD初始化函数lcd_init（）；等。系统初始化函数主要是对外部中断的I/O口，和使能端进行设置3。LCD初始化函数lcd_init（）；主要是多LCD的I/O口进行方向设置，LCD指令输入等操作。如图2所示，对主函数进行初始化设计。

图2 主函数初始化流程图

初始化过程（复位过程）

1.延时15ms

2.写指令38H（不检测忙信号）

3.延时5ms

4.写指令38H（不检测忙信号）

5.延时5ms

6.写指令38H（不检测忙信号）

7.（以后每次写指令、读/写数据操作之前均需检测忙信号）

8.写指令38H：显示模式设置

9.写指令08H：显示关闭

10.写指令01H：显示清屏

11.写指令06H：显示光标移动设置

12.写指令0CH：显示开及光标设置

本设计运用了.h，将LCD1602的初始化程序模块化，这样便于整体程序设计的模块化操作，LCD1602原函数代码如下所示：

void lcd_init（）

{

ADCON1=0x07； // PORTA as Digital

CTRL_DIR=0x00； //设置控制端口为输出

DATA_DIR=0x00； //设置数据端口为输出

lcd_cmd（CLR_DISP）； //清屏

lcd_cmd（DISP_2Line_8Bit）； //8位2行5*7点阵

lcd_cmd（DISP_ON）； //显示开，光标开

lcd_cmd（ENTRY_INC）； //文字不动，光标右移

lcd_cmd（DD_RAM_BASE）； //显示起始地址

}

②外部中断

在本文中外部中断主要有两大部分，第一部分是主要是由键盘来实施操作，其目的是在温湿度检测的同时能够实现温湿度极限值的设定。第二部分是有程序内部的数据判断来实施中断，其主要目的在于所采集到的温湿度当前值是否超过所设定的极限值，如果超过，以此来做出报警动作，反之中断不进行任何操作。

第一部分，即键盘设定极限值的操作中断源代码如下：

if（INTE && INTF） // 是RB0中断，切换报警值选项 {

INTF=0；

__delay_ms（20）； // 按键延时消抖

if（RB0==0）

option*=-1；

}

第二部分，即做出报警操作的中断源代码如下：

if（CCP1IE&&CCP1IF） // RC2（CCP1）中断，增加报警值 {

CCP1IF=0；

if（option==-1） // 增加湿度报警值

{

humid++；

if（humid>90）

humid=90；

}

if（option==1） // 增加温度报警值

{

temp++；

if（temp>50）

temp=50；

}

write_eeprom（）；

}

if（CCP2IE&&CCP2IF） //RC1（CCP2）中断， 减小报警值

{

CCP2IF=0；

if（option==-1） // 减小湿度报警值

{

humid--；

if（humid

humid=20；

}

if（option==1） // 减小温度报警值

{

temp--；

if（temp

temp=5；

}

write_eeprom（）；

}

如图3所示，本文对中断入口和外部信号进行了设置，使得设计的主控电路能够更好的响应其他优先级更高的事件，从而完成了外部中断流程的设计。

图3 外部中断流程图设计

从上述设计的主控电路来看，本文在对传统主控程序进行分析后，才给出基于PIC16F877A的温湿度监测系统主控程序的设计，并设计主要模块的流程图。不难看出，通过PIC单片机设计监测系统的主控电路，能够使得整个监测系统的主要部分实现模块化设计，这将有利于系统将来的升级改造，并降低了整个程序复杂度，使程序设计、调试和维护等操作简单化。从而使得整个监测系统相对与传统的监测系统而言，能够体现出智能化、数字化的特点。

【参考文献】

[1] 孙安青.PIC单片机实用C语言程序设计与典型实例[M].北京.中国电力出版社.2008.21-31.

测控电路设计与应用篇2

【关键词】计算机控制技术；教学内容；教学方法；教学手段

“测控仪器电路”是测控技术与仪器专业本科生的一门专业必修课。该课程是在电子技术与测量、控制之间架起一座桥梁，通过本课程的学习使学生熟悉怎样运用电子技术来解决测量与控制中的任务，让学生学会如何在测量和控制中运用电子技术，如何与光、机、计算机紧密结合实现测控任务。本课程侧重测控电路的外特性，电路的选用及设计，熟悉掌握测控电路的分析与设计方法。课程教学中增加双语教学环节，可以更好地促进专业核心课程建设，使得该课程的教学内容、教学手段更为丰富，从而更有利于调动学生的学习积极性，不断提高教学效果，不断提高学生的外语水平及综合运用知识的能力。

1 课程教学内容

《测控仪器电路》课程是一门专业核心课程，它既有自身的理论体系，又有很强的实践性，在本科教育中起着重要的作用，因此本课程教学内容逐渐由基本理论知识向电路在测试系统中的实际应用转变，以期不断提高学生的实际应用能力；不断更新教学内容，加入外文内容和一些复杂测控电路的知识，让学生掌握和了解测控系统领域发展的前沿信息。

课程理论教学内容主要围绕以下几个方面开展：①测量放大电路；隔离放大电路；增益调整与切换及线性化电路；功率放大电路。②调制解调的功用和类型；调幅式测量电路；调频式测量电路；调相式测量电路；脉冲调制式测量电路。③滤波器的基本知识；RC有源滤波电路；集成有源滤波器；跟踪滤波器；数字滤波器。④加减运算电路；对数、指数及乘除运算电路；微分积分运算电路；常用特征值运算电路；复杂运算电路。⑤采样保持电路；电压比较电路；电压频率转换电路；电压电流转换电路；模拟数字转换电路。⑥信号细分与辩向电路。⑦测控电路中的抗干扰技术。

本课程开发了虚拟实验、FLASH动画演示、计算机仿真软件，可在一台计算机上实现测控电路分析、应用等多种功能，避免重复购置的浪费，节约了大量资金。虚拟仪器实验系统还可利用网络传送数据，老师通过计算机监控实验过程，同时管理几十个甚至上百个学生做实验。

基于LabVIEW的测控电路虚拟实验系统和THZK-1型测控技术综合实验平台，构建了演示性、验证性和综合性、设计性和创新性三层次实验体系。验证性和综合性实验加强综合运用所学知识解决实际问题能力的培养，设计性和创新性实验可以很好地培养学生想象、构思、自主实验的能力。开发了基于VB的测控仪器电路实时数据处理系统，学生可充分利用这些软件对实验结果进行验证分析及信号分析。

2 教学方法与教学手段

1）以优质教学资源建设为抓手，通过开发基于LabVIEW的测控电路虚拟实验系统、测控电路网络教学平台、编写适合应用型本科教学需要的辅助教材等，为实现不受时间空间限制的互动教学创造良好的硬件平台，为课程建设和人才培养打下坚实的物质基础。

2）依托优质教学资源，创建“三阶段、三步走、三结合”的理论教学新模式，实施构闭环式、互动式、启发式教学，构造“工程化、多元化”的实践教学体系加强学生实践创新能力的培养。

3）将学生自主性、探究性学习能力具体的分解为敏锐发现问题的能力、有效解决问题的能力、学以致用的能力和举一反三的能力。利用网络平台的典型案例、课后练习、自测试题等资源和虚拟实验室等进行自主学习、自主训练，培养学生敏锐发现问题的能力和有效解决问题的能力；同时通过自主应用培养了学以致用的能力。在此基础上，针对自己的薄弱环节进行强化，实现自主提高，培养了举一反三的能力。“自主学习、自主训练、自主应用、自主提高”四个环节构成自主性、探究性学习的渐进过程，使学生从初步入门达到灵活自主应用的阶段。

4）通过课内实验、课程设计、毕业设计、课外科技活动四个环节的分层次、递进式反复训练培养学生的实践能力和创新能力。分层次：本着“因材施教”、“因人而异”的教学理念，针对基础、能力不同的学生提出不同的要求。比如对实践能力稍弱的学生，在课内实验中只要求完成规定的验证性、综合性实验；在课程设计中，要求完成理论设计、分析计算即可。对有能力的学生要求进行设计性实验，在课程设计或毕业设计中必须做出实物，调试通过。递进式：通过设计性实验、课程设计等的训练，学生能够高质量完成毕业设计。通过组织学生在课余参加教师的科研项目、申报大学生训练项目、参加各类竞赛，达到培养实践能力和创新能力的目的。

5）将教师科研过程中遇到的相关问题加以提炼，建立系统的数学模型，在课堂中组织学生进行讨论，用学过的基本概念和控制方法加以分析与设计，让学生了解所学知识的典型应用领域及最新科技前沿。

3 结论

《测控仪器电路》课程建设项目在教学改革上进行了一些有益的探索和尝试，并且对教学内容的调整、教学手段和方法的改进与完善等方面进行了详细的研究和总结，取得了不错的成果。

【参考文献】

[1]张国雄.测控电路[M].机械工业出版社，2011.

[2]许向荣，于复生，李彦凤.机电专业《测控电路》课程教学改革探析[J].山东建筑大学学报，2015，01：96-101.

测控电路设计与应用篇3

流量检测系统的组成及流量采集原理

流量检测系统的组成

采用Flomec OM004椭圆齿轮流量计作为流量传感器：通过串口输出脉冲信号(频率范畴随测量的流量大小成线性变化)，以便于作为AVR单片机输入信号：7通道共享1个流量计，用7支2位3通电磁阀实现各个通道与流量计间的逐一切换：各个通道均装备滤清器。

该设计的电气控制部分实质上是一套计算机测控系统。需要控制的部分为油路的启停；需要采集的信号为流量脉冲信号。通过RS485标准串口通信，可以很方便地与PC机和其他仪器一起组成用户所需要的自动检测系统。

流量采集原理

椭圆齿轮流量计时最典型的容积式流量计，工作原理为腔内的一对相互齿合的椭圆齿轮作为转子，两个齿轮和腔内分别构成一个固定的体积，称为标准容积。小型椭圆齿轮流量计采用液体流动推动两个非常精密的椭圆转子转动的方式测量流量(图1)。感应探头是检测转动的运动并把它转化为脉冲数字电信号源，它的电磁线电压输出值接近正选曲线，脉冲信号源的频率范畴随测量的流量大小成线性变化。

流量检测系统设计

系统开发设计

流量检测系统采用两级计算机通信系统实现。上位机采用通用计算机，下位机采用AVR单片机控制。上位机和下位机之间以串行数据传输方式进行通信。上位机通过RS-485串口向单片机发指令、单片机接收到指令后对指令进行译码。根据通信协议约定的控制方式，单片机采取一定的算法对7路油路中的电磁阀进行开闭控制，进而使相应的油路中的液体进入流量传感器中。单片机在收到来经过处理的传感器脉冲信号后进行相应的流量基计算，并将信息传给上位计算机。上位计算机在组态王软件的支持下对采集的数据进行处理，并显示在屏幕上。

系统功能简要概括为以下：

(1)系统能够响应上位机通过RS485串口的控制命令：

(2)控制7路油路的三通电磁阀打开和关闭，进行油路的选择；

(3)系统能够测量被选择的l路油路的油量：

(4)通过KS485通信输出油量的流量数值：

柴油机燃油喷射量流量参数要求

强烈的脉动流动：

流量范围宽：最小流量，3.5mL／min：最大流量，600mL／min。

测量精度高：在小流量时，分辨率要小于±0.2mL／min：在大流量时、分辨率要小于±2mL／min。

设备选型

本设计采用Atmel公司的公司高性能低功耗AVR单片机ATMEGAl6做为检测系统的核心。根据确定的流量检测的系统结构，选择Flomec0M 004椭圆齿轮流量计作为智能传感器，它将测到的流量转换为脉冲形式的数字信号输

硬件电路设计

流量检测系统硬件电路框图如图2所

电源电路设计

电源的设计要求越来越严格，已经重电源供电上升到电源管理的高度。电源的设计是一个系统能否良好稳定工作的前提保证，电源的优劣关系到系统工作的好坏。本系统的电源其有+24V、+12V、+SV。其中+24V电源由开关电源输出，用来作为电磁阀及系统其他电源的输入。系统的+12V电源用于击打电磁的供电，它可有DC-DC变换器MC33063将+24V降压得到。控制系统的+5V电源由开关稳压电源器件LM2576对+12V电压进行降压得到，它为单片机及其接口系统提供电源。其中R49和D20放光二极管组成电源工作指示灯：为防止电源正负极反接，损坏系统，接入电源输入保护电路。如图3所示

主机(单片机)控制电路设计

主机(单片机)控制电路设计包括复位电路、晶振电路、JTAG下载接口电路设计、串行通信接口电路设计。电路如图4所示，部分电路采用AVR单片机官方推荐电路。

软件设计

流量检测系统的软件包括单片机程序和上位机运行的组态王应用程序。

单片机软件设计

流量检测系统的单片机控制系统采用模块化程序结构。根据模块化软件设计的要求将整个程序从分为如下模块。

(1)系统初始化模块：设计计数器工作模式、中断方式、I／O口初始化、寄存器初始化。

(2)组态王通讯协议模块：组态王和单片机的协议，处理来自上位机的命令。

(3)监控程序模块：控制电磁阀油路的打开和闭合

(4)命令控制模块：流量的更新和继电器处理

(5)流量信号数据采集与处理模块：采集流量信号并计算处理。

(6)串口通信模块：与上位机的通信中断服务。

系统主程序设计

流量检测系统用来对油路流量进行实时监控。把测量值进行算法计算后串口通信传给上位机，同时上位机对数值进行显示并判断是否关闭阀门：并将命令通过串口回传给单片机驱使相应的阀门做出动作(如图5)。

脉冲信号计算程序

传感器输出一个脉冲为一个单位体积，计算工作主要是计算单位时间内有几个脉冲输出，从而测出流速；系统采用16位定时器产生1000Hz的固定计数时钟，在OCRA计数器的比较中断里面进行数值的增加，在输入捕捉中捕获传感器脉冲。两个脉冲之间会得到以1000Hz为单位的计数个数，从而得到两个脉冲之间的时间(以秒为单位)，每个脉冲的计量值是0.346mL，将其除以脉冲之间的时间(以分钟为单位)，就得到了以mL／min为单位的流量值。

组态王通信协议处理程序

通信协议处理程序包括3部分：对组态王的查询命令做应答处理；组态王从单片机读取数据处理：组态王向单片机写数据处理。上位机组态王监控软件设计

本次设计中使用的是北京亚控公司开发的组态软件“组态王”，版本为“组态王6.53”作为流量测试上位机的检测软件。

组态王的通讯配置

上位机通信采用COMI，在组态王的工程浏览器中点击设备＼COMl，在右面窗口中双击新建，出现设备配置向导，设置智能模块＼单片机＼通用单片机HEX＼串口，点击下一步，逻辑设备命名为流量检测，选择COMl口：接着配置COMl口通讯参数，参数为1位起始位，8位数据位，1位结束位，0位奇偶校验位，波特率为9600bps。

测控电路设计与应用篇4

关键词:变电站；电气自动化；系统设计

0引 言

变电站自动化系统在我国的应用已经取得了非常显著的效果，对提高电网的安全经济运行水平起到了重要作用。目前随着新技术的不断发展，数字化变电站正在兴起。在变电站自动化系统的具体实施过程中，目前有不同的方法：一种主张站内监控以远动（RTU）为数据采集和控制的基础，相应的设备以电网调度自动化为基础，保护相对独立；另一种则主张站内监控以保护（微机保护）为数据采集和控制的基础，将保护与控制、测量结合在一起。从我国目前的电力系统运行体制、人员配备、专业分工来看，前者占有较大优势。因为无论从规划设计、科研制造、安装调试、运行维护等各方面，控制与保护都是相互独立的两个不同专业，因此前者更符合我国国情，而后者因难以提供较清楚的事故分析和处理的界面而一时还不易被运行部门接受。但从发展趋势、技术合理性及减少设备重复配置、简化维护工作量等方面考虑，后者又有其优越性。此实施方法正在成为一种发展趋势和共识。

1 方案设计思想

从信息流的角度看，保护（包括故障录波等） 和控制、测量的信息源都是来自现场TA、TV 二次侧输出，只是要求不同而已。保护主要采集一次设备的故障异常状态信息，要求TA、TV 测量范围较宽，通常按10 倍额定值考虑，但测量精度要求较低，误差在3% 以上。而控制和测量主要采集运行状态信息，要求TA、TV测量范围较窄，通常在测量额定值附近波动，对测量精度有一定的要求，测量误差要求在1% 以内。总控单元直接接收来自上位机或远方的控制输出命令，经必要的校核后可直接动作至保护操作回路，省去了遥控输出、遥控执行等环节，简化了设备，提高了可靠性。

从无人值守角度看，不仅要求简化一次主接线和主设备，同时也要求简化二次回路和设备，因此保护和控制、测量的一体化有利于简化设备和减少日常维护工作量，对110kV 及以下，尤其是10kV 配电站，除了电量计费、功率总加等有测量精度要求而需接量测TA、TV 外，其他量测仅作监视运行工况之用，可以与保护用TA、TV 合用。此外，在局域网上各种信息也可以共享，控制、测量等均不必配置各自的数据采集硬件，常规的控制屏、信息屏、模拟屏等亦可取消。

对于10kV 配电站，由于接线简单，对保护相对要求较低，为简化设备节省投资，建议由RTU 来完成线路保护及双母线切换等保护功能。因此需在RTU 软件中增加保护运行判断功能，如备用电源自投功能，可通过对相应母线端失压和相关开关状态信号的逻辑判断来实现。

随着计算机和网络通信技术的发展，站内RTU/LTU 或保护监控单元将直接上网，通过网络与上位机及工作站通信。取消传统的前置处理机环节，从而彻底消除通信“瓶颈”现象。变电站自动化系统和无人值班运行模式的实施，在很大程度上取决于设备的可靠性。这里指的设备不仅是自动化设备，更重要的是电气主设备。

2 设计说明

变配电站自动化包括继电保护、变配电站集中监控以及远方调度管理3 部分。继电保护有常规电磁型继电器保护、晶体管继电保护与微机保护3 种形式。常规继电器保护仍在继续使用，晶体管保护是一种过渡型产品，现在已被先进的微机保护所替代。智能化开关与智能化开关柜，以及变配电站综合自动化系统集继

电保护、数据监测及远方调度于一体，在变配电自动化设计中应根据工程实际情况选用上述产品。

2.1 系统选型

主要从继电保护及站内集中监测与远方调度几方面考虑。对于继电保护而言，35kV 及以上的变配电站一般都有变压器保护，应优先考虑选用微机保护或变配电站综合自动化系统。10kV 变配电所一般均为电力系统开闭所及用户变配电站，一次接线比较简单，应以常规继电保护为主。选用价格低、性能可靠的智能化开关，智能化开关柜或综合自动化系统之后，可以取消常规继电保护。

对于站内集中监测与远方调度来讲，有集中式与分散于开关柜内的集散系统两种形式，变配电站综合自动化系统是一种最先进的分散安装于开关柜内的变配电站站内集中监测与远方调度系统。集中式变配电站计算机监测与远方调度系统需要安装各种电量变送器。测量、信号与控制电缆要由开关柜内引出，外部电缆数量多，设计与施工工作量大，一般不宜再推广使用。变配电站综合自动化系统的末端数据采集与控制单元直接安装于开关柜内，大都采用交流采样从电流或电压互感器直接进行测量，省掉了电量变送器，有些还可以省掉开关柜上的指示仪表。外部电缆只有一根通信电缆与供电电源电缆，设计与施工简单，所以应积极推广选用。智能化开关与智能化开关柜本身已经具备集中监测与远方调度功能。只要设计一根通信电缆引到调度值班室中央控制站计算机就可以实现集中监测与远方调度。但由于各厂家的通信协议不统一，不同厂家的产品实现联网比较困难，所以近期还难以推广应用。

2.2 电气设计原则

从一次系统与二次系统两方面考虑。对于一次系统设计而言，变配电站采用计算机监测与控制后对一次系统接线没有影响，一次系统接线方式及供电方案仍按有关要求与规定进行设计。变配电站采用计算机监测与控制后，应发挥计算机的图形显示功能，模拟盘可以简化或取消。变配电站采用计算机监测与控制后，可以实现无人或少人值班，值班室面积可以减小，分散值班可以集中于一处值班。

对于二次系统，其设计方案应该注意以下几点：开关柜内的继电保护，计量，信号与控制回路设计不变，值班室的继电保护屏与中央信号系统（信号屏、计量屏与控制屏）保持原设计不变，再设计一套重复的计量、信号与控制回路进入计算机监测与控制系统。开关柜内的继电保护，计量，信号与控制回路设计不变，值班室的中央信号系统（信号屏、计量屏与控制量）取消，集中保护的继电保护屏应保留，再将计量，信号与控制回路进入计算机监测与控制系统。开关柜内的继电保护、计量、信号与控制回路设计不变，值班室的中央信号系统（信号屏、计量屏与控制屏）只包括电源进线与母线联络开关柜，所有出线开关柜均不进入中央信号系统。电源进线，母线联络开关柜及所有出线开关柜的中央信号系统（信号、计量与控制）全部进入计算机监测与控制系统。

二次系统设计原则是：变配电站采用计算机监测与控制后值班室原有的中央信号系统（信号屏，计量屏与控制）应取消，采用集中保护的继电保护屏应保留，应优先选用第二方案。对于有特殊要求的单位或地区，可以选用第三方案，第一方案一般不宜设计选用。

2.3 电气设计

一次系统的电气主接线方式按原设计不变，在单线系统图的设备型号说明中应注明采用计算机监测与控制系统后所增加的设备数量与型号，如电量变送器，电力监控器等。对于需要通过计算机监测与控制系统进行远方遥控操作的开关，一定要选用能进行远方分、合闸功能的自动开关。开关运行状态要进入计算机监测与控制系统的开关，一般要有一对独立的常开接点引入计算机监测与控制系统。低压自动开关的型号设计时一定要注意满足这一要求，多选一对常开辅助接点。

对二次系统继电保护设计来讲，35kV 及以上供电系统可以考虑选用微机保护，而且应优先考虑采用变配电站综合自动化单元。10kV 供配电系统仍应以常规继电器型继电保护为主，可以再设计只有监控功能的变配电站综合自动化单元。220/380V 低压配电系统，仍应以自动开关与熔断器作为保护，再设计只有监控功能的变配电综合自动化单元。

对于测量回路设计而言，需要进入计算机监测与控制系统的测量参数由设计者根据有关规定与用户实际需要来确定。需要进入计算机监测与控制系统的各种测量参数，首先经过电流互感器与电压互感器变为统一的交流。采用变配电站综合自动化系统之后，其监控单元均为交流采样，直接从电流或电压互感器取0A~5A 或0V~100V 测量信号，低压直接取220V 或380V 信号。不再需要各种电量变送器，开关柜上各种测量仪表可以取消。电度计量应选用带脉冲输出的电度表。其型号及一次接线与原电度表相同，只在备注中说明带脉冲输出，并注明与计算机监测与控制系统相匹配的直流电源电压，设计时应优先选用自带供电电源的有源型，输出为隔离型的脉冲电度表。计量柜电度表一般不进入计算机监测与控制系统，所以应在进线开关柜内增加有功与无功脉冲电度表各一块，作为内部统计用电量使用。对于信号回路设计，所有需要计算机监测与控制系统进行监视的开关状态，均应有一对常开接点引到计算机监测与控制系统。所有常开接点可以共用一个信号地线，但不能与交流系统地线相连接。所有信号继电器均应有一对单独的常开接点引到计算机监测与控制系统。有中央信号系统时，信号继电器应再有一对常开接点引到中央信号系统，以下两种常开接点应分开，由于电压等级不同，不能共用地线。

控制回路设计中应该注意以下问题：计算机监测与控制系统都有合闸与分闸继电器输出接点，将其并连接到开关柜的合分闸开关或按钮上就可以进行远方合分闸操作。计算机监测与控制系统的合分闸继电器接点与开关柜上合分闸开关或按钮之间应设计手动与远方自动转换开关。10kV 及以上的供配电系统需要计算机监测与控制系统进行远方合分闸操作时，其控制开关应取消不对应接线，可以选用自复位式转换开关，也可选用控制按钮。所有进入计算机监测与控制系统的远方操作开关的手动分闸操作开关或按钮应有一对独立的常开接点引到计算机监测与控制系统，以便在人工手动分闸时给计算机监测与控制系统一个开关量输入信号，以防止人工就地手动分闸时出现误报信号。

3 变配电站综合自动化系统

变配电站综合自动化系统是以一个配电间隔为单元，由一台电力监控器完成信号测量、继电保护与控制。测量为交流采样，直接从电流互感器或电压互感器取交流。--SA 电流信号或交流。0V~100V 电压信号，380/220V 低压系统直接取交流0V~220V 或0V~380V 电压信号。所有电力监控器通过通信电缆引到计算机系统。

3.1 变配电站综合自动化系统外部电缆设计

变配电站综合自动化系统的外电缆设计非常简单，只有一根通信电缆与一根交流220V 电源线。通信电缆一般选用计算用屏蔽电缆，线芯为两对两芯0.5m 铜芯线，使用一对，备用一对。也可以选用双芯屏蔽双绞线。大型变配电站也可以考虑使用光缆。电力监控器应由专用电源集中供电，以保证供电可靠性，增加抗干扰能力。有些电力监控器可以用220V 直流电源供电，此时可以由直流屏集中供电。变配电站数量少时，可以不设现场控制站，电力监控器的通信电缆可以直接引到中央控制站。供电电源可由变配电站内单独提供，距离中央控制站近时，也可以由中央控制站供电。通信距离可达3km。变配电站内开关柜数量少时，可以几个变配电站合用一个现场控制站，每个现场控制站可带犯个电力监控器。电力监控器到现场控制站及现场控制站之间的最远距离均为5km。

3.2 变配电站综合自动化系统的二次接线图设计

变配电站综合自动化系统的二次接线图设计按所选用的电力监控器种类分为只有监控功能与带保护功能两种。10kV 及以下电压等级的供电系统一般应选用只有监控功能的电力监控器，其二次接线图见有关产品设计项或手册。

3.3 变配电站综合自动化系统的选用

变配电站综合自动化系统的成套设备生产厂商有很多，例如国内的鲁能、南瑞、南自、许继、思达、四通，国外的SIMENS、ABB 等公司。应该根据实际设计要求与系统的功能，综合考虑选用，一般的变配电站综合自动化系统应该具有以下功能：SCADA功能、数据库系统、高级专家功能、运行管理功能、网络互联功能。选用的基本原则是: 在满足要求的情况下，系统运行的可靠性好、性能价格比高。

测控电路设计与应用篇5

关键词：CAN总线；参数测试；LabWindows/CVI

中图分类号:V351.36 文献标识码：A

1 概述

当前随着中国经济的长足发展，各行各业的设备的自动化也对其运行参数的监测提出了紧迫的要求。而很多情况下测试采用手持式设备现场对其进行监测，对电压、电流测量时，是通过简单的电压表、电流表去测量；对负载力的测量通过手动加砝码的方法测量；位移的测量是通过固定的钢板尺去测量；用秒表去测量时间；在整个的检测过程中都是人手工的记录数据。此种测试方式效率低下，且误差大。这就对能够适应各种模拟量、数字量输入的测试系统的设计提出了要求。基于此，本文极少一套基于CAN总线的多参数自动测试系统的设计思路。

该检测系统可进行多参数测量的一套检测系统，可以对设备的各项性能参数进行测量和报表的输出，并对测量的数据进行分析和处理。具体设计中屏蔽、隔离等抗干扰技术和软件滤波的方法的运用确保了系统的稳定性和可靠性。

2 系统框架设计

本系统采用了模块化设计思想，主要包括模拟量采集模块、数字量模块、通信接口模块和显示模块。硬件部分以单片机C8051F040为测量控制核心，该芯片功能强大，集成了CAN控制器和大量的模拟、数字功能模块，简化了电路设计；各模块采用相同微处理器提高了系统的一致性、简化了系统设计[2]；软件部分采用了可靠的通信机制，解决了系统对控制功能的高可靠性要求；编写了模拟量采集程序、数字量采集程序、通信程序等；使用MCGS组态软件对整个系统进行组态；鉴于监控系统中的干扰因素较多，在硬件和软件方面采取了多项抗干扰措施。

3 系统硬件设计

3.1 模拟量采集电路设计

对模拟量信号的采集主要包含应力、位移、温度、湿度等方面的测量，对应的均有相应的信号处理链路。限于篇幅，本文介绍应力测量的模块。应力测量采用电阻应变式测力传感器。在构造应力装置的挤压使应变式传感器产生弹性变形,其上电阻应变片也随之产生变形,输出变化微弱的电压信号。在共桥电压为12V和满量程内，传感器输出0～16mv微小电压，经硬件放大电路前置放大后，得到0～2.45V范围内的电压信号，送单片机进行A/D转化。电路如图2所示。

应力的测量采用了OP07的差动放大电路，如图2所示：其中R32/R24=R34/R25，为了避免温度度对应力信号测量的影响，前级电路中对应力信号放大10倍后送入单片机A/D转换管脚AI5，在单片机内部用可编程增益放大器PGA进行二级放大，放大倍数范围为1～128，可以根据需要选择。另外，为了测量两个方向的作用力，将基准电压抬高了0.05V，同时利用调零电路，可以非常简便的调节力传感器的零点。根据差动放大电路的工作原理得待测电压 与传感器输入电压的关系为：

其中

可见B为常数，所以待测电压与输入电压之差成线性比例关系。

3.2 CAN总线通信电路设计

CAN总线通信电路设计充分考虑了通信实时性和安全性的因素，CAN总线收发器和控制器间采用了10M高速光耦来进行隔离。另外，此板卡主控MCU自身配合CAN总线控制器芯片82C250的设计，使系统底层通信可靠[3]。CAN总线通信电路如图3所示。

4 系统软件设计

上位机监控端以当前流行的虚拟仪器Lab Windows/CVI虚拟仪器为开发平台，利用其图形化的软面板、丰富的数字信号处理库和高级函数分析库资源，借助计算机的强大功能，实现与板卡之间的控制信息和采集信息之间的数据交换。该系统具有报表、曲线、图形等屏幕显示、模拟盘显示、打印和绘图、数据存储调用、控制等多种功能，图4为此多参数测试系统的历史数据查询分析界面。

结束语

本测试系统可以实现对数字量及模拟量的同时采集，通过不同的模块设计，使其本身配合相应的传感器可以应用在绝大多数环境中，且模拟量采集采用24位ADC采集器配合精密前置调理电路设计，可以达到千分位的精度。下位机通过CAN总线与计算机通信，不受板卡间的互相干扰；具有很高的性价比及推广价值。

参考文献

[1]郁有文等，传感器原理及工程应用[M].西安电子科技大学出版社．

测控电路设计与应用篇6

关键词：LED路灯 传感器 自动控制

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）05-0170-02

近年来，随着世界自然资源的紧缺，社会上大力提倡节能环保的创新型研究及应用。为了适应社会的发展及需要，LED（Light emitting diode）灯的出现成了整个亮化产业的新方向。LED与传统光源相比，具有效率高、能耗低、寿命长、不易破损、开关速度高、可靠性好等优点。

传统的路灯控制系统只有温度检测及光检测模块，忽略了环境湿度对LED光源的影响。若湿度过大，会引起电路短路，从而造成火灾。所以把湿度检测模块加入LED路灯自动控制系统很有必要。

1 系统总体方案设计

系统的总体设计原理框图如图1所示。该系统由控制器、多路传感器、电源驱动器和LED光源等4大模块组成。控制器是整个系统的核心，其输入信号是前端传感器传来的电信号，其输出信号控制后级的电源驱动器，实现对LED光源的开、关及强度控制。

2 系统硬件设计

2.1 传感器模块

2.1.1 温度传感器

LED的使用寿命受周围温度的影响，当其周围温度高于安全温度点时，其工作电流变大，使LED使用寿命变短，甚至会直接损坏器件。如果采用传统散热方法，在LED上装载散热片，但其散热性会随着长时间的灰尘积累及其它因素而下降，并且加装散热片，不但使用成本提高，还会占用较大的空间，不利于安装。故本设计采用数字温度传感器DS1820，它支持“一线总线”接口，具有功耗低、性能高、较强的抗干扰能力等优点，适合于本设计所需要的多点温度控制。它主要包括以下7个部分：寄生电源、温度传感器、ROM单线接口、高速暂存器（即RAM）、TH触发器、TL触发器、循环冗余校验码发生器。

DS1820与中央控制器协作，利用温度补偿原理，使LED工作在安全区边际，这样可以实现在安全温度点内和安全温度点外两种情况下都能正常工作。即当温度小于安全温度点时，输出电流、输出功率工作在额定状态，并且保持不变；当温度大于安全温度点时，输出电流按比例下降从而实现负补偿，保证LED的使用寿命。

DS1820检测远端的LED温度，还检测芯片自身温度，即间接检测PCB温度，将检测到的两种温度的模拟信号转换成数字信号，从而通过数据线及时钟线与控制器通信。

DS1820检测远端的LED温度并与控制器协作的过程：控制器将接收到的温度信号与预先设定的安全温度点阈值进行比较，温度过高时启动温度补偿程序，从而降低LED电源驱动器的输出电流。

DS1820检测PCB温度并与控制器协作的过程：控制器将接收到的温度信号与预先设定的安全温度点阈值进行比较，温度过高时通过信号线启动风扇，对PCB板进行散热，以保证PCB板上的元器件温度不会过高。

整个系统必须按照协议对DS1820进行各种操作，即：对DS1820进行初始化设置（发复位脉冲）——发送ROM功能命令——发送RAM存储操作命令——处理数据。DS1820是数字形式输出，所以可直接与控制器连接，中间不需要加A/D转换器。

2.1.2 湿度传感器

为避免路灯系统因湿度过高而导致短路，本设计中采用湿度传感器来检测系统的环境湿度。

湿度传感器有以下三种：线性电压输出式、线性频率输出式和频率/温度输出式。根据现实状况，因路灯控制系统传输线路一般都大于200m，故本设计采用线性频率输出式湿度传感器。所用型号为HF3223，它具有线性度好、抗干扰能力强、便于和控制器配合工作等优点。

HF3223检测电路系统的湿度，输出频率信号，即模拟信号，再经过A/D转换器转换为数字信号，与控制器内预先设定的安全湿度点阈值进行比较，如果湿度大于安全湿度点，则启动电路保护程序，防止短路。

由于HF3223传感器是线性输出，所以在与控制器协作过程中，不需要进行非线性补偿，简化了整个系统的控制。

2.1.3 光传感器

本设计采用的是环境光传感器，它能感知周围光线的强度，具有灵敏度高，较小的暗电流，低照度就可以响应，电流随光照度增强呈线性变化等特点。

环境光传感器通过检测到外界的光强度，产生对应的电流，通过A/D转换，数字信号送入控制器中，从而控制电源驱动电路输出电流的大小，最后控制LED光源的亮度及开、关状态。

2.2 控制器

本设计采用STC单片机来实现控制的功能。所选型号为STC12C5A6OS2AD，它是传统8051单片机的更新，具有高速、低功耗和很强的抗干扰能力。此型号单片机芯片的封装形式为表贴型，降低了PCB板的制作成本。此单片机内部含有A/D转换模块，降低了电路的复杂性。

单片机通过端口连接及录入程序，实现以下功能：

（1）接收温度传感器、湿度传感器和光传感器传来的电信号，将需要进行A/D转换的信号接到单片机的A/D端口，单片机内部实现A/D转换。

（2）所传输的三路信号分别与通过程序设定的阈值进行比较，通过比较结果来调用对应的程序，输出相应的信号。

（3）所输出的信号控制后级的电源驱动器，从而控制电源驱动器的输出电流，最终达到控制LED的目的。

2.3 电源驱动器

LED的实用电源是直流电，所以在市电与LED之间需要加一个电源转换器，把交流电转换为直流电。在本设计中，利用电源驱动器实现此功能。考虑系统的灵活性及易维护性，本设计采用一个恒压源后级加载多个恒流源，每个恒流源单独给每路LED提供恒定的电流。

此电源驱动器中，包含以下保护电路：

（1）浪涌保护电路：对于LED路灯系统，电网负载的启用和雷电的感应会引起各种浪涌，由于LED的抗浪涌能力比较差，有些浪涌会导致LED损坏。因此，LED驱动电源需要有避免或衰减浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。

（2）过流保护电路：当异常情况使电流过大时，该电路保护LED不被击穿而损坏。

（3）输入过压保护电路：从恒定电压源输出的电压不能大于后级电流源的额定工作电压，加载输入过压保护电路，确保电流源及LED的正常工作。

3 结语

本文采用传感器技术、计算机技术和自动控制技术相结合，检测LED路灯系统的温度、湿度及周围环境光强度，通过单片机控制，实现对LED路灯的开、关及其光度的自动调节。在整个设计中，采用易于编程、易维护的STC单片机作为中央控制器，其输入端口接收三路传感器检测的信号，通过输出端口控制LED的电源驱动器，实现对LED的恒流输入。本设计维护简单，易于实现，在当今节能环保的时代具有现实意义。

参考文献

[1]冯勇，杨旭.白光LED可控恒流源驱动系统设计[J].电器开关，2008（4）：29—31.

[2]贺一鸣，王崇贵，刘进宇.智能路灯控制系统设计与应用研究[J].现代电子技术，2010（1）：207—210.

测控电路设计与应用篇7

关键字：消防自动报警系统；安装；调试

中图分类号：TU998.1 文献标识码：A 文章编号：

随着社会经济的迅猛发展，各类高层建筑、地下建筑、大型商场、综合大楼不断涌现，建筑自动消防设施也日渐增多、日趋完善，智能化和稳定性都得到不断的提高，充分体现出自动消防报警系统的重要性，因此在安装和调试的过程中必须严格安装，以实现系统的智能化控制。

一、消防自动报警系统的布线与敷设

在进行自动报警系统线路的敷设过程中，应该按照现行的《电气装置工程施工及验收规范》的规定进行施工。通常情况下，如果高层建筑发生火灾，容易造成消防控制和半径线路的中断，这样给灭火工作带来极大的困难，使灭火工作无法进行，还会造成严重的经济损失。消防自动报警系统必须抑制变压器、电动机等电磁设备的干扰。因此，消防自动报警系统的传输线路、消防控制和警报线路应该选用阻燃型的电缆设备。消防火灾自动报警系统用的电缆竖井要与电力和照明用低压配电线路电缆井分别敷设，如受条件限制一定要合用，两种电缆应分别布置在竖井两侧敷设。从接线盒、线槽等处引到探测器底座盒、控制设备盒、扬声器箱的线路均应使用金属管(即TC薄钢管)保护。消防探测器的传输线路要选择不同颜色的绝缘导线或电缆，“十”线应为红色。“一”线应为蓝色，同一工程中相同用途导线的颜色应一致，接线端子应有标号。接线端子箱内的端子宜选择压接或带锡焊点的端子板，其接线端子上应有相应的标号。火灾自动报警系统的传输网络不应与其它系统的传输网络合用。

二、消防自动报警系统设计

（一）控制系统的设计方案

在进行消防自动报警控制系统的设计中，首先要明确高层建筑的功能，了解该建筑在防火的设计中是否存在其他的专业防火设施，在进行控制系统设计的过程中，要严格按照有关的规定进行设计。该系统的主要功能是对探测回路进行巡查，当建筑物中某一区域着火，探测器采集到现场的信号以后，迅速把新号反馈到控制中心，然后进行判断。若是着火，控制器立马向火灾现场发生警报信号和火灾应急广播，消灭初期的火灾。

（二）控制中心的组成

控制中心一般设在地面的首层。根据相关的要求控制中心一般采取双电源供电，用以确保供电的安全可靠。一般来说，控制中心的主要设备有：火灾报警控制器、多线消防联动控制器、总线消防联动控制器、消防电话总机、火灾广播设备、消防联动电源等。

（三）报警回路的设计

报警回路主要包括探测器、手动报警按钮、消火栓按钮、水流指示器、压力开关等等。根据探测器的不同功能和使用的场所，不用的场所已经选用不同的探测器。在一般情况下，在高层建筑中还要装备手动报警按钮。主要是为了自动报警系统失灵时，采用人工手动的方式来报警。

三、消防报警系统安装及调试

（一）探测器的安装施工

在宽度小于3m的内走道顶棚上设置探测器时应居中安 装，距离不应超过 15m，探测器至端墙的距离不应大于探测器安装间距的 1/2。探测器至墙壁、梁边的水平距离不应小于 0.5m。探测器周围 0.5m 内不应有遮挡物。探测器至空调送风口边缘的水平距离不应小于 1.5m。房间被书架设备或隔断分隔，其顶部至顶棚或梁底的距离小于房间净高的 5%时，则每个被隔开的部分应至少安装一只探测器。探测器应水平安装，如果必须倾斜安装时，倾斜角度不应大于 45 度。在电梯井、升降机井设置探测器时，应将探测器安装在井道上方的机房顶棚上。

在安装探测器的过程中存在有一些问题：目前，许多火灾自动报警系统存在着严重的误报现象，同时火灾自动报警系统还存在着许多的故障，很多联动装置不能发挥其本身的效力。探测器安装不牢固，存在不按照设计图纸随意安装的现象，探测器的底座和导线在施工中也没有按照要求进行安装，致使探测器不报警，失去了传感火灾信息、监护对象安全的作用。

（二）消防控制设备安装

如果采用槽钢作基础时，应先将槽钢调直除锈，并刷防锈漆，根据设计要求安装在基础地面上。安装时用水平尺、小线找好平直度后再用螺栓固定牢固，并将地线焊好。固定在混凝土基础台上时，应配合土建在打地面抹灰时，将地脚螺栓按实际柜孔间距尺寸，找准位置预埋好。区域或集中报警盘（柜）总控柜在安装前应先检查盘（柜）型号是否按设计图要求排列。根据柜内的国家大事孔距，在基础槽钢上钻孔，安装时从一端开始、逐台就位，用螺丝固定，用拉线找平直后再将各个螺栓定牢固。从一端开始、逐台就位，用螺丝固定，用拉线找平直后再将各个螺栓定牢固。 消防控制盘（柜）分为壁挂式、自立式、台式等几种，壁挂式盘（柜）安装高度应根据设计要求确定。台式可以浮置于地面上。小型区域报警器设置在普通写字台上。联接柜盘（柜）内的控制线：各回路的干线均应对号入 座。同时接入明显标志及绝缘保护的 220 伏电源线并将各盘（柜）内的蓄电池装好。有的产品要求探测器控制器每根导线的回路电阻不大于 50Ω， 所以联线的长度取决于线路，线径较大，距离可较远。

（三）单体调试

对于开关量探测器可利用专用的火灾探测器检查装置检测。若无这类检查设备，可利用报警控制器代替，让报警控制器接出一个回路开通，接上探测器底座，然后利用报警控制器的自检、报警等功能，对探测器进行单体试验。报警控制器单机开通前，首先不接报警点，使机器空载运行，确定控制器是否在运输和安装过程中损坏。开机后将所带上探测器进行编码，并在平面图上作详细记录。对于与控制器未能建立正常通信状态的探测点要逐个检查，如果是管线问题，则在排除线路故障后再开机测试；如果是探测器问题则更换探测器。对报警控制器要作如下功能检查：火灾报警自检功能，消音、复位功能，故障报警功能，火灾优先功能，报警记忆功能，电源自动转换及备用电源的自动充电功能，备用电源的欠压、过压报警功能等。

（四）联动调试

开通前，首先对线路作仔细检查，查看导线上的标注是否与施工图上的标注吻合，检查接线端子的压线是否与接线端子表的规定一致，排除线路故障。对所需联动设备要在现场模拟试验均无问题后，再从消防控制中心对各设备进行手动或自动操作系统联调。

结束语：

消防自动报警系统在建筑消防设施中的核心作用是及早发现火灾、并及时启动相关的警报、防火防烟、灭火等设备,对发现和控制建筑物的初起火灾,具有十分重要的作用,是建筑物采用技术防火的重要手段。所以我们在系统安装和调试中，必须严格控制工程质量，保证在紧急情况下，消防自动报警系统的正常保用。

参考文献：

测控电路设计与应用篇8

【关键词】ARM Cortex微控制器 传感器 智能会车控制

高新技术发展迅速的当下，人们的生活和生产方式都随之发生变化，汽车拥有量也增多，会车时由于各种原因导致交通事故呈上升趋势。而电子技术及相关技术的发展使汽车产品的概念发生了很大变化，也是电子信息产业界应用于汽车电子领域的重要原因之一。各种电子元器件、传感器、微处理器等技术的成熟为本设计方案的设计奠定了良好的基础。

本设计中要求两辆汽车可以按照指定的路线行驶到对方车辆的发车点，行驶过程中，车辆必须可以自动会车、自动后退并躲避对方车辆，具体行车路线如图1所示。该设计经调试可靠性较高，对生产和商业具有一定的参考价值。

1 系统总体方案设计

本系统由以ARM Cortex微控制器为控制核心的主控制电路模块、红外及光电检测模块、电机驱动模块、电源模块等构成。其中，采用码盘测量电机步长并用电机驱动模块驱动直流电机。两车辆之间采用无线通信，靠红外对管传感器和漫反射红外传感器分别检测车道信息及其间距。整个系统其系统结构图如图2所示。

2 硬件系统的设计

2.1 主要硬件设备的选择

控制芯片选择：该系统中车辆必须实现自动会车、自动后退及躲避车辆的功能，鉴于ARM Cortex微控制器与传统51单片机相比，运算能力及中断响应能力都较强，处理速度较快，性价比高，且配有多路PWM波等外设辅助模块，所以本设计中选择ARM Cortex微控制器1138作为控制核心。

电机的选择：根据系统设计的要求可知，无需高精度对车辆进行测控，并且设计小车体积较小，而直流电机体积小，重量轻，易于控制。但步进电机虽然控制精度高，但不易控制，体积又大，不易用于本设计中，故在此选择直流电机。

传感器的选择：本设计中车辆需要采集复杂环境中的信号实现设计要求。而红外光电对管传感器与传统的光敏传感器比较，其结构由红外发射器和红外接收器组成，其灵敏度较高，体积小，工作性能稳定。关于测量车距的传感器，设计要求其工作可靠，受外界干扰小，综合考量选择红外测距来改进传统的超声波测距。故本设计中选择红外传感器作为车道信息和车距信息的采集探测器。

2.2 基本原理分析

电机转动控制：电机转动控制由光电码盘完成，在结构上，光电码盘与电动机同轴。当电动机转动时，码盘与轮胎以相同的角速度旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测并将轴上的机械位移转换为脉冲。通过对脉冲信号的采集实现对电机的控制。

车距检测原理：车距检测选择红外传感器采集信号。在结构上，由发射管和接收管构成。由发射管发出的红外光束遇到障碍物反射到接收管上，构成等腰三角形。该等腰三角形的底角是由发射管确定的，而其底长是由位置敏感装置接收管测得的。根据三角形的相关理论则可推算出该三角形的高即设计中所需距离，测量原理如图3所示。

路径测量原理：路径测量的原理是根据车辆偏离跑到的距离控制电机转速的大小及车轮偏转方向而进行控制的。当车辆行驶方向向右偏离，则控制电机控制左侧车轮左转弯；反之，则控制电机驱动右侧车轮右转弯；当车辆与车道无偏离时，车辆按一定的速度继续前进。

2.3 硬件电路的设计

电机驱动电路的设计：电机驱动电路采用启动性能好，转矩大可调速，且可实现PWM波平滑调速的驱动电路，由4通道逻辑驱动电路和双桥式驱动器组成。如图4所示。

红外传感器检测电路的设计：红外传感器检测电路如图5所示。信号源于红外发射管而终于接收管。如果红外传感器发射的红外光束照射到黑色跑道时，接收到0电平信号，否则，接收到1电平信号。

语音模块电路原理图的设计：该模块采用WT588 D-U语音芯片为控制核心。其接口简单，抗干扰性能较好，操作简单。并在硬件上内置数模转换器、PWM音频处理器等，其电路原理图如图6所示。

3 软件系统的设计

本设计中软件部分采用嵌入式系统开发工具IAR Embedded Workench，根据设计要求编写相应的程序模块，程序流程图如图7所示。

4 系统调试与结果分析

系统调试环节根据设计要求制作车道，在常温室内进行调试。控制车辆按照设计要求按照规定的线路行驶并记录时间。调试方法包括：

分别发车测试：单独指定某车辆从发车点到对方停车区的测试。

同时发车测试：两车辆同时发车，正常行驶到对方车辆发车点为止。行车途中，检测两车是否有碰撞或剐蹭等违规现象。

甲车（乙车）避让测试：两车同时发车，甲车先进入会车区避让，乙车经过后再继续前进。

任一车辆先行测试：随意指定某车先行，另外一辆车后行。当两车相遇时，距离会车区域较近的车辆倒车入会车区避让，当方车辆驶离后，继续前行。

以上调试方法的计时范围都是从车辆出发起，到车辆正常行驶至对方车辆出发点停止。

其测试结果如表1所示，其中车辆行驶耗时为多次测量后的平均值。

根据以上调试结果分析，本设计中所采用的各类传感器可准确及时采集相应的信息并经控制芯片处理控制电机工作，保证系统正常可靠运行，实现设计要求，基本可以无违规完成设计任务。但由于调试环境及车辆之间的差异性导致测量结果仍存在误差，在以后的研究中，需要再消除干扰方面做相应的努力。

参考文献

[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]朱正涌.半导体集成电路[M].北京：清华大学出版社，2001.

[3]邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社，2014.

[4]张强.车辆会车自动控制系统的设计[J].设计与分析，2012.

[5]周忠.数字电子技术基础[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[6]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2004.

作者简介

成慧翔（1985-），女，山西省太原市人。现为山西农业大学信息学院教师。研究方向为电气工程及其自动化。

测控电路设计与应用篇9

关键词： 幅频特性； 仪器集成； LabVIEW； 数字示波器

中图分类号： TN919?34； TM935； TP216 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）16?0107?03

频率特性是电路网络的重要特性。过去常采用人工测量的方法，通过输出不同频点的正弦信号去激励电路网络，然后测量电路网络的响应，一个测试往往需花费较长的时间才能完成。采用专用的扫频仪、网络分析仪等实现电路网络的频率特性测量虽只需几分钟，但由于设备价格昂贵，普通教学实验室较少配备。采用微处理器控制直接数字合成（DDS）扫频源的方法可较好地实现频率特性的测试[1?4]，但扫频信号源、幅度与相位检测电路的设计与制作难度较大，实现的装置往往存在简陋、性能不稳定等缺点。

带数字接口的直接数字合成（DDS）函数发生器和数字示波器在实验室中得到了广泛的应用。前者能实现高精度的幅度和频率切换，后者则集数据采集、软件编程等功能，能给用户提供多种分析功能，甚至能实现对波形的保存和处理。特别是大多数数字示波器提供了内置波形幅度测量和波形延时测量。这些仪器与虚拟仪器设计平台结合起来可低成本且方便地构建自动测试系统[5?6]。本文以LabVIEW8.6为设计平台，利用实验室的计算机、带数字控制接口的盛普F40型数字合成函数信号源和泰克TDS1012C数字存储示波器，实现电路网络的频率特性测试。系统的实现结合了点频法和扫频法的优点，利用计算机通过RS 232串口控制函数信号源产生幅度恒定且频率随时间连续变化的信号作为被测网络的扫频信号作用于待测网络，数字示波器对被测网络的输出信号和输入信号进行采样与处理，计算机通过USB接口获取数字示波器测得的信号幅值，并通过LabVIEW8.6软件的友好用户界面，把电路网络的幅频特性分析并展现出来。

1 系统构成

用扫频信号对被测电路网络进行动态测量，能得到被测电路网络的频率响应特性。被测网络输入端和输出端信号幅值的比值为电路的增益。系统的总体框图如图1所示。计算机通过串口控制盛普F40型数字合成信号源产生扫频信号作用到待测电路，计算机通过USB接口读取数字示波器采集的RMS值，利用LabVIEW8.6软件进行数据处理并显示幅频特性曲线。

TDS1000C?SC系列数字存储示波器标配USB连接、16种自动测量、极限测试、数据记录和上下文相关帮助，拥有高达100 MHz的带宽和1 GS/s的最大采样率，完全符合本文的设计要求。使用数字示波器时，为了避免混迭，扫速档最好置于扫速较快的位置，本文采用自动设置（AUTO SET）方式适时调节数字示波器的采样速率，使之能配合当前函数发生器的输出频率，完成精确采样。

2 软件设计

本文采用VISA接口方式实现LabVIEW与数字数字示波器的通信[7?9]。其目的是控制DDS信号源产生给定范围的扫频信号，借助数字示波器进行有效值测量与计算，获取计算结果后作出频率特性曲线。主函数流程如图2所示。

程序运行后，首先初始化用户界面，让用户选择与仪器连接的通信接口。接着输入所需要的扫频控制量，如开始频率（最小为20 Hz）、结束频率（不超过40 MHz）和扫频幅度，并选择连续或对数扫频方式。根据用户输入的开始和结束频率自动计算出响应频率间隔，并将计算出的频率点保存在频率数组中，获取频率数组数据如图3所示。

当计算出各个频率点后，先根据用户选择的串行端口向函数信号源当计算出各个频率点后，先根据用户选择的串口向函数信号源发送幅度控制字和频率控制字以产生不同频率的扫频信号，发送幅度和频率控制字的程序见图4所示。

为了保证读取的数值准确，系统选择了几个频率点进行波形校正操作，方法是通过USB接口控制数字示波器进行一次“AUTO SET”操作，当发送频率在10 Hz～1 kHz，1～100 kHz或者100 kHz～10 MHz时分别对数字示波器进行一次波形校正操作，校正程序如图5所示。

接着通过USB接口读取数字示波器通道1和通道2测量所得的有效值（RMS）[10]，计算增益并填充至增益数组，单位为dB，见图6。最后使用express面板上的图形显示控件“expressXY图”函数来实现X?Y图显示（见图7）。

3 系统测试

连接计算机、盛普F40型DDS信号源和TDS1000C?SC系列数字存储示波器，将函数信号源输出端连接待测电路输入端，数字示波器通道Ⅰ连接待测电路的输入端，通道Ⅱ连接待测电路的输出端。在用户界面中选择DDS信号源对应的串口（如COM1）和数字存储示波器对应的USB接口，输入所需的开始频率、结束频率和幅度，并选择扫频方式。设置完成后点击开始按钮即可开始测量。图8为一个中心频率约为16 kHz的带通滤波器的实测幅频特性结果。

被测带通滤波器的中心频率约为16 kHz。实测中扫频范围从1～60 kHz，扫描60个频点大约需时2分30秒。若需要提高幅频特性曲线的测量精度，可以增加扫频点。

4 结 语

本文以LabVIEW8.6为设计平台，利用实验室的计算机、带数字控制接口的盛普F40型数字合成函数信号源和泰克TDS1012C数字存储示波器，实现电路网络的幅频特性测试。使用这种方法，测试了巴特沃斯低通滤波器、带通滤波器和调谐放大器等电路的幅频特性，实验结果证明了这种方法的有效性和实用性。在此基础上还可进一步获得相频特性。与商用设备相比，本系统虽然响应时间较慢，用户界面仍有待改进，但其编程与控制简单，只需利用实验室的已有设备，是提高高校教学实验室设备资源利用率的一种可行方案。

参考文献

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测控电路设计与应用篇10

关键词：AT89C51单片机；模糊控制；漏电保护；传感器

中图分类号：TP274 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1603904

Control System Design of Electric Water Heaters Based on Single Chip

Microcomputer with Fuzzy Control

ZHANG Min

(Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang,414000,China)

Abstract：According to the electric boiler development tendency in the last few years,the function comparison perfect control system of electric water heaters is designed with fuzzy control and taking the AT89C51 SCM(single chip microcomputer) as the core.This control system in addition to the usual control heating and protection,but also has strong intelligence,including according to userset temperature to control heating pipe work,produces constant temperature water and provide leakage protection and so on.The control system is very practical.

Keywords：AT89C51 single chip microcomputer;fuzzy control;leakage protection;sensor

1 引 言

热水器是一种可供浴室，洗手间及厨房使用的家用电器。就中国的具体情况而言，电热水器因其具有无污染、安全、保温时间长、使用方便等优点，越来越受到消费者的青睐。单片机是家用电器常用的控制器件，模糊控制方法，在强时变、大时滞、非线性系统中的控制效果有着明显的优势，把二者结合起来，可使控制器的性能指标达到最优的目的。基于模糊控制技术的单片机控制的电热水器，是对传统的电热水器开关控制的改造，具有达到设定温度的时间短、稳态温度波动小、反应灵敏、抗干扰能力强、节省电能等优点。

2 系统设计

电热水器由微控制器对水温进行智能控制，并且实现温度数字化显示。测温范围在0~100 ℃，温度设定范围在10~85 ℃，能根据要求任意调节使用。进入水温控制，系统自动设定45 ℃，如果需要另外设定温度，仅由增加、减少2个按键进入或者完成设定状态，数字为闪烁状态，每设定一个温度值，都有声音提示。当实际温度达到设定温度时，受控电路由通态（即加热态）转换至断态（停止加热），同时发光二极管由显示红色转为显示绿色，处于保温状态，但不断开电源，以防用户继续加热，并且通过单片机进行蜂鸣报警5 s。温度下降2~5 ℃时，受控电路由断态又转为通态，加热同时，发光二极管由绿色转化为红色。系统对温度的调节和控制都伴有声光提示。

本控制系统的设计以AT89C51单片机为核心的控制单元，热电阻温度传感器Cu100为传感器，用2根PTC系列的MZ41型陶瓷波纹式电热丝为加热器,以模糊控制作为水温控制原理,本控制电路另具有漏电保护功能，当有漏电时，强制断电，提高使用安全性。

3 系统组成

3.1 温度测量电路

本系统设计中选用具有负温度系数的热敏电阻Cu100型的铜电阻（当0～100 ℃时，阻值在3～1 kΩ之间变化）作为温度测量传感器，用环氧树胶涂于其外表后置于热水中，将温度变化量转化成电阻变化量输出。该热敏电阻具有良好的稳定性，测温范围：-50～150 ℃；温度系数α为4.265×10.－3/℃；零度电阻为100 Ω。热敏电阻的阻值计算方法如下：R

由G

温度传感器及有关电路将温度转化为电脉冲的脉宽,单片机将测得的脉冲宽度的值转化为与之对应的温度值，与设定的温度相比较后，以温度偏差及其变化量为输入，加热量为输出，通过模糊控制算法，就可达到水温自动调节的目的。对任意温度对应的脉宽值还可进行自动测量，并加以显示。

多谐振荡电路的输出脉宽信号接入单片机，利用公式(2)将振荡频率f转化为温度形式并且制表存入单片机中。

f=1/T=1/2.2R

3.2 控制信号隔离输出电路

本系统中的光电隔离电路如图2所示，通过光耦将加热强电电路与单片机控制电路隔离，防止其干扰单片机的工作。单片机的输出控制信号控制两电热丝的断通，从而调节水温。

3.3 加热器的选择

加热器使用苏州新业电子有限公司生产的MZFR系列波纹式PTC加热器。将其与ICNE555时基电路相连，用温度控制器的输出量U来控制双向可控硅的导通角，控制加热器的通断和加热时间来实现温度的调节。

3.4 显示器及键盘设计

由于单片机AT89C51的I/O口资源有限，不能满足系统对I/O口的要求，必须用芯片8155A扩展AT89C51的I/O口。单片机P2.0作为8155A I/O口或存储器RAM的选择信号，P2.7作为8155的片选信号；AT89C51通过P0向8155写入命令和数据；或从8155读出数据(主要是按键键位信号)；数据的写入和读出由时钟信号控制。

LED显示器采用3位共阴极显示器的动态显示，8155A的B口的低3位PB5～PB7作为扫描口，经反相驱动器75452接口显示器公共阴极；A口作为段数据，经同相驱动器7407接显示器的各个阴极，对于3位显示器在AT89C51RAM存储器中设置3个显示缓冲器单元38H～40H，分别存放3位显示器的显示数据。

键盘由3个功能按键组成，与8155A的C口采用相互独立的接口方法，采用软件查询方法实现其键盘接口。按键S1～S3各自具有一种功能分别为“+”键、“-”键、开机电源键，当他们全部打开时均为高电平，经3输入与非门及反相器后仍为高电平，因而不会产生中断。当其中某一按键被按下时，INTO端变为低电平，向CPU申请中断。CPU响应中断后，通过软件查询方法查找功能键的入口地址，转相应功能键服务程序。

3.5 系统漏电保护电路

电热水器工作在潮湿的场合，为了确保人身安全，控制系统应具备漏电检测和保护功能。漏电检测线圈的输出经过比较器后送给单片机中断口，一旦漏电超过规定的阀值，单片机立即响应中断，切断整个系统的电源。电热水器漏电检测电路由电感L

在热水器安全状态下，热水器中的加热元件加热器，不管是处于正常通电工作或非工作状态，通过电感L

电热水器漏电控制电路由光耦4N32、电阻、晶体三极管Q

3.6 报警电路

采用模拟声音集成芯片KD9561报警。它有多种不同的声音（机枪、警笛、救护车、消防车声），用户可以自主选择自己喜爱的声音。

声光报警电路（如图4示）与AT89C51的P1.5口相连接，当温度没达到设定的温度时，P1.5为高电平，通过74LS04转换为低电平，声光报警电路不工作，发光二极管光显为绿色，当温度达到设定温度时，则为低电平，通过74LS04转换为高电平，声光报警电路中的发光二极管发光为红色、鸣叫，发出声光报警信号。同时控制切换自动切换加热器的工作状态，使之为保温状态。

3.7 基于模糊控制原理的温度控制电路

为了提高温度控制的精度，设计双输入单输出模糊控制器，将温度检测部分得到温度偏差E（实际温度0与给定温度1的偏差）和偏差变化率ΔE作为模糊控制器的输入信号，输出量μ用来控制双向可控硅的导通角，控制加热器的加热时间来实现温度的调节。

模糊控制器的输入为测得温度与设定温度的偏差E（E=t0-t;t0为设定的水温；t为测得的水温。）以及偏差的变化量ΔE（ΔE=t本-t前，其中t前为前次测得的温度，t本为本次测得的温度），输出为电热丝加热量U。将E分为4个模糊子集B（大）、M（中）、S（小）、N（负），对应温度的偏差为：t0-t>TM1℃，TM2 ℃< t0-t

由单片机对温度进行测量，将本次测得的温度与设定的温度值相减得到温度的偏差E，并存储到存储单元TMS；将本次测得的温度减前次测量的温度，得到温度的偏差变化量ΔE并存入存储单元TMCB；根据温度的偏差及偏差的变化量由模糊控制表决定电热丝的断闭。如果将E的4个模糊子集N，S，M，B分别用数字-1，1，3，6表示，ΔE的3个模糊子集N，Z，P分别用数字-1，0，1表示，则根据模糊控制规则表1，可得到如表2所示的E+ΔE。将表2与表1对照可以看出：当E+ΔE≤0时，加热量为Z；当1≤E+ΔE

4 软件设计

系统软件设计的关键是继电器的开断（加热及停止加热），为了降低功耗，继电器的开断是由P1.7唤醒的。条件是在温度设定后自动打开，当温度到达设定温度时，判断P1.7是否控制继电器的断开。然后判断温度是否下降2~5 ℃，又进行打开或者不打开。

需要说明的是，保护电路的程序问题仅作为参考，现今电热水器的有效期为5年，随着电热丝的老化及内胆的固化，导致加热失调的情况不考虑在内。模糊控制部分，只判断温度偏差，以控制电热水器的加热速度。

INT1先用于各温度值对应的脉宽计数器值的测量显示。中断1的中断服务程序先固化自动测量、显示的中断服务程序如图5所示。

从INT1输入的设定温度用的脉冲将引起中断，中断服务程序可对与一定水温对应的电脉冲宽度的计数值（TL0）进行测量并显示，记下其数值后便可制定“温度表”（与一定温度对应的TL0值并存放于程序存储器中的表），将“温度表”固化于程序存储器中。然后，INT1再用于温度的设定，将中断1的服务程序换为预置温度的程序，如图5所示。让定时器T1定时中断，配合软件计数器，每隔5 s测量1次温度的当前值。将温度的测量值及前次测得的值分别存于一个存储单元，通过模糊控制程序以决定两电热丝的通断情况。将测得的脉宽转化为温度值是这样实现的：先让脉冲从INT0进入单片机，T0在INT0为高电平时开始定时，变为低电平时停止，于是在TL0中得到脉宽对应的定时计数值，查找与“温度表”中与计数值一一对应关系的温度。

5 结 语

本文设计的电热水器控制系统由单片机AT89C51、温度传感器、多谐振荡电路、输出信号隔离及加热元件控制电路、键盘及显示电路、漏电保护电路、声光报警电路等部分构成。系统软件的设计采用模块化结构，采用定时中断的结构，主要由主系统程序、LED显示子程序、键盘中断服务子程序、中值滤波子程序等程序组成。该控制系统具有较强的智能，可根据用户设定的温度自动控制加热管的工作，给出恒定温度的出水以及漏电保护等功能。且具有不需预热、无需等待、节能省电、安全环保、体积小巧、节约空间和水温恒定等突出优点。

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