基于單片機的無線多點工控閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計

何志明++胡惟文

摘要：本文融合無線通信技術(shù)、單片機技術(shù)和計算機技術(shù)，設(shè)計了一套從硬件電路到軟件一體化的完整的工業(yè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由上位機、主設(shè)備和從設(shè)備三大部分組成。通過計算機端上位機可以隨時監(jiān)測和控制3公里以內(nèi)工廠里各個生產(chǎn)車間里的多個大型機器的運作。本系統(tǒng)可應(yīng)用于棉紡織廠、電子加工廠和智能樓宇等場合。

關(guān)鍵詞：單片機 無線多點 高精度A/D和D/A 工業(yè)閉環(huán)控制

中圖分類號：TN99 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0009-02

為了適應(yīng)現(xiàn)代化的發(fā)展，工業(yè)企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)工作也在不斷進行技術(shù)上的創(chuàng)新。電氣自動化技術(shù)在工廠的生產(chǎn)工作中非常重要，屬于工廠進行生產(chǎn)工作的重要方式[1]。從目前來看，如果想要電氣自動化技術(shù)發(fā)展的更長遠，就要同電氣自動化控制技術(shù)在工廠的生產(chǎn)工作中的實際應(yīng)用現(xiàn)狀相結(jié)合，并根據(jù)實際應(yīng)用中存在的問題，設(shè)定解決方案，最后解決問題[2-4]，這樣會在最大限度上促進電氣自動化控制技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)某企業(yè)實際需求，本文設(shè)計了一個無線多點工控閉環(huán)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案

本文設(shè)計的無線多點工控閉環(huán)系統(tǒng)主要由上位機、主設(shè)備和從設(shè)備三大部分組成，其整體方案如圖1所示。主設(shè)備和上位機之間通信遵循RS232協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，主設(shè)備和多個從設(shè)備在433MHz頻段自組網(wǎng)，進行雙向RF無線收發(fā)通信，通過計算機端上位機可以隨時監(jiān)測和控制3公里以內(nèi)工廠里各個生產(chǎn)車間里的多個大型機器的運作。

從設(shè)備功能框圖如圖2所示，采用美國德州儀器（TI）公司原裝高速高精度片上集成A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，LCD液晶顯示，433M無線串口，LED及蜂鳴器。結(jié)合線性電氣比例閥，具有調(diào)控靈敏度高，和響應(yīng)速度快的特點。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

硬件設(shè)計包括以下幾個模塊：5V/12V雙路電源電路，單片機最小系統(tǒng)電路，D/A、A/D工作電路，四路運放電路，串口通訊電路，Nokia5110液晶顯示電路，LED及蜂鳴器電路。其中單片機最小系統(tǒng)主控采用增強型51單片機STC90C516RD+，引腳完全兼容40腳的STC89C52、AT89S52等。D/A采用TI公司生產(chǎn)的四路串行輸入12位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7614。A/D采用TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51系列單片機的I/O資源。四路運算放大器采用LM386 是專為低損耗電源所設(shè)計的功率放大器集成電路，它的內(nèi)建增益為20，通過pin1和pin8腳位間電容的搭配，增益最高可達200。無線串口模塊采用E15-USB-T2。該硬件設(shè)計具有體積小，備ESD保護，支持多種系統(tǒng)和多種波特率。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實現(xiàn)的，當(dāng)硬件基本定型后，軟件的功能也就基本確定，主要包括以下幾部分。

3.1 主程序方案

程序設(shè)計的過程中，保持良好的模塊化編程風(fēng)格，本著資源利用率最高的原則，充分利用單片機的中斷資源[4-5]。在系統(tǒng)初始化（液晶、A/D、D/A、定時器、串口等）完畢之后，所有的事務(wù)都在中斷里進行處理，極大地提高了CPU的利用率和程序運作的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3所示。

3.2 各模塊子程序設(shè)計

串口部分的程序主要是對既定的字符串協(xié)議進行解碼，并把需要的有效數(shù)據(jù)提取出來，然后傳遞給特定的變量，并調(diào)用功能處理函數(shù)進行宏觀調(diào)控。

定時器啟動后，執(zhí)行周期性巡回中斷事件，主要有三個任務(wù)：一個是ADC采樣，其次是刷新LCD顯示采樣結(jié)果，還有一個就是進行四通道的電壓自動閉環(huán)調(diào)控，并穩(wěn)定輸出所需電壓值。

4 上位機設(shè)計

采用VB環(huán)境下PC機與單片機之間實現(xiàn)串行通訊的軟硬件方案。MSComm控件串口具有完善的串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能[6]，通過此控件，PC機可以利用串行口與其它設(shè)備實現(xiàn)輕松連接，簡單高效地實現(xiàn)設(shè)備之間的通訊。

經(jīng)過VB程序設(shè)計，對素材的收集整理、對各個對象的布局、對各個事件的響應(yīng)以及各個模塊的各種容錯處理機制的建立，并添加了一些人性化的時間控件，最終完成了整個上位機的開發(fā)。主控器實物圖如圖4所示，上位機界面如圖5所示。

5 結(jié)語

本文給出了一種基于433M無線、高速A/D及D/A和電氣比例閥在氣動工業(yè)自動化系統(tǒng)中的全套解決方案。給出了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計方案和硬件電路圖，對系統(tǒng)的軟件部分給出了主從模塊程序流程圖，最后給出了上位機開發(fā)過程。本系統(tǒng)仍有部分待優(yōu)化完善的部分，如硬件方面可考慮添加攝像頭功能，添加OTA程序升級功能；軟件方面可以考慮上位機用Qt或VS 2010軟件開發(fā)，UI界面做的更完善、規(guī)范，加入服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)功能，企業(yè)可通過網(wǎng)頁端直接監(jiān)控工廠實況，真正地實現(xiàn)無人值守。

參考文獻

[1]嚴(yán)偉，王淑超，侯煒，石鐵洪，沈全榮.基于數(shù)字化技術(shù)的發(fā)電廠電氣二次一體化方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，16：93-97+131.

[2]班偉，陶國良，路波，孟德遠，袁月峰.新型氣動比例壓力閥的建模研究與特性分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2012，11：1953-1959.

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[4]曹丙霞，趙艷華. Protel99SE原理圖與PCB設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[5]Meehan Joanne，Muir Lindsey. SCM in Merseyside SMEs： Benefits and barriers[J].TQM Journal，2008.

[6]劉炳文.Visual Basic程序設(shè)計教程（第四版）.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

收稿日期：2016-09-01

作者簡介：何志明（1993—），男，湖南永州人，本科在讀；胡惟文（1967—），男，漢族，湖南常德人，湖南文理學(xué)院物理與電子學(xué)院，碩士，副教授，主

要從事電子技術(shù)應(yīng)用方面研究。