基于機器人運動控制系統軟件設計【實用文檔】doc文檔可直接使用可編輯，歡迎下載

基于機器人運動控制系統軟件設計基于機器人運動控制系統軟件設計【實用文檔】doc文檔可直接使用可編輯，歡迎下載摘要:移動機器人的運動控制主要是完成移動機器人的運動平臺,提供一種移動機器人的控制方式。本文通過對移動機器人的研究，實現了基于渡越時間法的超聲波測距模塊設計，為機器人提供簡單方便的障礙物距離檢測。本文主要完成對主控板控制器軟件設計、電機驅動控制器軟件設計和超聲波測距軟件的設計,使開發系統能夠服務于移動機器人研究的通用開發平臺。關鍵詞：機器人；運動控制;軟件設計；超聲波測距中途分類號:TP９文獻標識碼:B0引言隨著計算機、網絡、機械電子、信息、自動化以及人工智能等技術的飛速發展，移動機器人的研究進入了一個嶄新的階段。同時，太空資源、海洋資源的開發與利用為移動機器人的發展提供了廣闊的空間。目前,智能移動機器人，無人自主車等領域的研究進入了應用的階段,隨著研究的深入,對移動機器人的自主導航能力，動態避障策略，避障時間等方面提出了更高的要求。地面智能機器人路徑規劃，是行駛在復雜,動態自然環境中的全自主機器人系統的重要環節，而地面智能機器人全地域全自主技術的研究，是當今國內外學術界面臨的挑戰性問題.智能移動機器人是一類能夠通過傳感器感知環境和自身狀態，實現在有障礙物的環境中面向目標自主運動，從而完成一定功能的機器人系統。移動機器人技術研究綜合了路徑規劃、導航定位、路徑跟蹤與運動控制等技術。涉及到包括距離探測、視頻采集、溫濕度以及聲光等多種外部傳感器，作為移動機器人的輸入信息。移動機器人的運動控制主要是完成移動機器人的運動平臺，提供一種移動機器人的控制方式。性能良好的移動機器人運動控制系統是移動機器人運行的基礎,能夠服務于移動機器人研究的通用開發平臺。移動機器人技術研究綜合了多學科領域的知識，關鍵技術可分為：路徑規劃、導航定位、路徑跟蹤與運動控制技術。路徑規劃又可分為全局和局部路徑規劃.全局路徑規劃是根據移動機器人總體任務進行路徑規劃,將總體路徑任務分解，并建立全局地形數據庫;局部路徑規劃是根據全局規劃分解的子任務,結合移動機器人當前狀態信息,實時規劃可行路徑；導航定位技術確定移動機器人在全局地圖中的位置，并實時得到機器人與路徑跟蹤的相對位置關系，其關鍵技術是多傳感器信息處理與數據融合技術.路徑跟蹤與運動控制技術的任務是控制移動機器人跟蹤局部規劃給出的路徑，結合導航定位系統得到機器人本身狀態信息與道路信息,完成航向和速度控制。移動機器人的路徑規劃、導航控制以及路徑跟蹤與運動控制技術是相互關聯的，任何一個系統的不完善都會導致整體性能的下降。１主控板軟件設計主控板硬件完成模塊管理、設備通訊及機器人定位脈沖檢測等內容。在實際應用中，主控板硬件還負責超聲波測距的軟件管理。主控板硬件中只有主控板控制器需要進行軟件設計。主控板控制器TＭS3２0LF24０7A的主要任務是超聲波測距的軟件設計管理和其他一些基本設置內容,包括電機碼盤的正交編碼脈沖檢測。初始選定TMＳ3２0LＦ2407A作為主控板控制器是考慮到此控制系統可以作為以后機器人應用的平臺,可以在TＭＳ320LF2407A里嵌入實時系統,提升系統性能,方便接口開發。主控板控制器的軟件設計內容包括模塊初始化、串口通訊、正交編碼脈沖檢測和超聲波測距軟件。這里介紹模塊初始化串口通訊和正交編碼脈沖檢測等內容。圖1主控板控制器程序流程圖。圖1主控板控制器程序流程圖復位向量地址為程序入口，然后程序進行初始化。初始化內容包括擴展方式、溢出方式、DARAM、倍頻、JＴＡG等基本配置.另外還有使用的相關I／Ｏ的設置、程序使用相關定時器的設置、程序使用相關中斷的設置和串口通訊的相關設置.這些配置都是控制器使用的基本配置流程。初始化之后會開啟相關的中斷程序，隨后進入超聲波測距程序,并一直循環。中斷服務程序處于就緒狀態,一旦有中斷發生，中斷服務程序立即執行。在ＴMＳ３20LF2４07A的所有程序中,需要對其串口的數據發送和接收程序做說明.異步通信使用三條線（地線、發送線、接收線）連接采用RS232格式的終端。發送各位依次為一個起始位、ｌ~８個數據位、可選的一個奇偶校驗位、１~2個停止位.因此串口通訊能夠傳輸的最大的數據單位為８位，即一個字節。在設計中控制器和各終端會有各種類型的數據交流，如整形數據和浮點數據，因此需要對串口發送和接收的數據進行數據轉換。四個字節的單精度浮點數的數據傳輸，因為串口每次最多只能傳輸一個字節，所以只需要把每個四字節浮點數的存儲數據轉換成字節形式發送即可,設計中采用強制轉換的方式完成。數據接收的時候也可以采取同樣的處理方式,反向轉換即可。另外在數據轉換上也可選擇共用體來實現，共用體的實質和上面講述的類型轉換是一樣的，只是共用體的各個數據類型占用的存儲空間是共同的,對于這個存儲空間，共用體定義的任何結構類型變量都可以調用。上位機里的串口數據處理采用的是這種方法,十分方便.對于正交編碼脈沖的檢測，TMS３2０LF２407A具有獨立的正交編碼脈沖單元,只要對單元寄存器進行簡單設置即可得到機器人驅動輪的運行方向和距離參數。TＭS320LF24０7A將這些數據通過串口發送到上位機,由上位機建模，對數據加以處理后得到機器人的位姿信息.2電機驅動軟件設計電機驅動軟件完成電機的驅動控制和閉環調速.驅動控制使用的是電機驅動主控芯片SＴＣl2Ｃ40５2AＤ的片內ＰWM外設單元，生成的ＰＷM信號經過電機驅動芯片驅動電機,可以通過調節PWＭ占空比來調節加載在電機上24VDC電壓的占空比，從而調節電機轉速.ＰＷＭ占空比由片內8位的ＰWM控制寄存器進行控制,該寄存器取值范圍為0—2５5，分別代表PWM信號占空比從l到0的連續變化。同時STCl2C4０52ＡD接收電機光電碼盤的脈沖信號，利用片內時鐘計算出電機運行速度,通過速度控制算法完成電機的閉環調速。電機驅動及閉環調速軟件算法流程圖如圖2所示。圖2電機驅動控制器程序流程圖如上圖所示，程序開始后進行初始化，初始化包括程序使用相關變量定義、10ms定時器0、定時器l及串口、脈沖計數用外中斷０、看門狗等寄存器的設置和電機狀態參數（剎車、速度)等的初始化。然后進入循環狀態，循環過程中更新看門狗寄存器的相關標志位.速度檢測和閉環調速程序分別在外中斷0和定時器0中完成。中斷服務程序也就包含了外中斷０、定時器0以及串口中斷服務程序.外中斷０是電機光電碼盤的脈沖檢測外設,所有電機光電碼盤的脈沖都會引起外中斷0的中斷。碼盤脈沖測速的原理是計算SＴCｌ２Ｃ４05２ＡD單位定時時間內的脈沖數目,因此外中斷０的中斷服務程序的內容就是對脈沖計數.而上位機設定的目標電機轉速也會被轉換為此單位定時時間內的脈沖數目。可以定義一個全局變量，每次進入外中斷０的中斷將該變量加１即可。另外為防止程序干擾,應該對計數值加以修正，如小于0的時候等于0，大于某一設定值的時候等于某一設定值等.3超聲波測距軟件設計設計中的超聲波測距軟件利用了常用超聲波測距的渡越時間法.渡越時間法的工作原理為發射超聲波的同時開始計時，接收到超聲波后停止計時，記錄超聲波的傳輸時間為t,那么超聲波測距模塊和障礙物的距離為ｓ由下式表示。S＝v＊ｔ/2其中v為超聲波在空氣中的傳播速度。由下式表示。其中,T為空氣的華氏溫度。在常溫下，超聲波的傳輸速度隨溫度變化并不太大,而且超聲波的傳輸時間都為毫秒級，因此影響不是很大。不過也可以為超聲波測距模塊添加一個溫度校正模塊，檢測環境溫度，再在主控板控制器計算超聲波速度時進行修正?，F在市場已有集成溫度檢測器件，也很方便。超聲波測距的主要流程為發射超聲波以后,如果有反射超聲波信號返回，則由外中斷0接收計算距離.在超聲波信號發射的同時打開定時器3，定時時間為最大超聲波測量距離所需的傳輸時間，如果在定時器３中斷的時候還沒有外中斷0中斷事件發生,即沒有反射超聲波信號返回，那么在進入定時器３中斷的時候關閉超聲波返回中斷和超聲波傳輸時間定時器ｌ，進行下一次的超聲波測距循環。程序流程圖如圖3所示。圖3超聲波測距程序流程圖外中斷0接收到超聲波測距信號返回,則進入外中斷0服務程序進行測距程序處理。若沒有超聲波信號返回則將發生定時器3的定時中斷，說明等待超時,設定測距范圍內無障礙物.兩種情況都將引發等待標志位的改變，程序跳出等待狀態，更改工作超聲波測距模塊，進行下一個超聲波模塊的測距處理。外中斷０和定時器0的程序流程圖如圖4所示.圖4外中斷0和定時器3程序流程圖圖中A為外中斷0程序流程圖。進入中斷服務程序表示有超聲波信號返回。程序開始關閉所有系統的可屏蔽中斷和測距使用外設,讀取定時器l計數值，計算障礙物距離。更改程序循環標志,然后中斷服務程序返回。B為定時器3的程序流程圖。進入中斷服務程序表示測距范圍內無障礙物，因此只用關閉系統的可屏蔽中斷和測距使用外設,直接更改程序循環標志，退出中斷服務程序即可。設置定時器1不產生中斷,而設置定時器１為定時最大值也不會發生定時器l中斷。因此不必寫定時器1的中斷服務程序。4結論本主控板控制器協調上位機和各模塊的工作,軟件設計中詳細講述串口傳輸中的數據類型處理問題。利用單片機PWM外設生成脈沖寬度調制信號驅動電機，并通過光電碼盤實現電機的閉環調速。超聲波測距模塊已經有廣泛的應用，超聲波測距模塊軟件程序采用通用的渡越時間法完成距離的測量，并通過模擬開關實現多超聲波測距模塊的分時工作。基于PLＣ的交通燈控制系統組態模型設計與實現摘要：當今社會，紅綠燈安裝在各個道口上,已經成為了疏導交通車輛最為常見和最有效的手段。隨著社會的發展和人們的消費水平不斷的提高,私人車輛不斷的增加。人多、車多道路少的交通狀況已經很明顯了。所以采用有效的方法來控制交通燈是勢在必行的。PLC的智能控制是控制系統的核心，采用PLC把東西方向或是南北方向的車輛按照數量規模進行分檔,相應給定的東西方向或南北方向的綠燈時長也按照一定的規律分檔.這樣就可以實現了按車流量規模給定綠燈時長,達到最大限度的有車放行，減少十字路口的車輛滯流，緩解交通擁擠、實現最優控制,從而提高交通控制系統的效率.ＰLC具有結構簡單、編程方便、可靠性高等優點，已廣泛用于工業過程的自動控制中。由于PLC具有著對使用環境適應性強的特性，同時其內部的定時器資源十分豐富,可對目前較為普遍使用的“漸進式”信號燈進行精確控制，特別對多岔路口的控制也可方便地實現。因此現在越來越多地把PLC應用于交通燈系統中。PLC還具有通訊聯網功能,可將同一條道路上的信號燈連成一局域網進行統一調度管理，可縮短車輛通行等候時間，實現科學化管理。在實時檢測和自動控制PLC應用系統中，PＬC大都是作為一個核心部件來設計使用的。關鍵字：PLＣ、交通燈、控制系統、組態設計目錄TＯC\o＂1－3"＼ｈ\z\uHYＰERLINＫ\l"＿Toc28599928１"第一章緒論21。1PLC及組態王介紹２HYPERLINK\l＂_Toc28599９28３”１.１。1PLＣ簡單概述３１。2十字路口交通燈控制任務41．3研究目的和意義５１。4方案比較5HYPEＲＬIＮK\l”_Toｃ28５99９288"1．4.１采用數字邏輯電路設計6１。4。2ＰＬＣ設計６HＹＰERLINK\l＂_Tｏc285999290"第二章交通信號控制系統實況7HYPERLINK\l”_Toc285９992９１"2.1十字路口交通燈控制實際情況描述７HYPERＬIＮK\l"＿Toc２8５99929３”2．1.1控制任務要求7HＹＰEＲLＩNＫ\l＂_Tｏc２8５9992９４＂2.2結合十字路口交通燈的路況畫出模擬圖82.３交通燈控制流程圖8HYPＥRLINK\l”_Ｔoc28５9992９7"第三章可編程控制器程序設計9HＹPERLINＫ\l”_Toｃ２85999２9８”3。1可編程控制器I／O端口分配９PLC的外部接線圖9HYPＥRLINK\l"_Ｔｏc2８5９９9３00＂3．２．1輸入/輸出接線列表9HＹＰERLINK\l＂＿Ｔｏc28５99９301"3．2。2PＬＣ外部接線原理圖9HYPERLINK\l＂＿Ｔoc２859９9３02”3。3程序梯形圖及指令語句表1１ＨYPERLINK\l”_Ｔｏｃ28５99930３"3。3。１梯形圖程序１1HYPERLINＫ\l”_Ｔoc２859９93０4”３。3.２梯形圖所對應的語句表1３第四章十字路口交通燈的組態控制過程１54．1工程的建立和變量定義15HYPＥRＬＩＮK\l＂_Toｃ2８５99９3０7"4。１。1工程的建立4。１。2變量的定義１64.1．3設備與變量連接１7HYＰＥＲLINK\l”＿Toc2859９9310"4.2畫面建立1８HＹPERＬINＫ\l”＿Toc28599９311”4．2.1工程畫面建立１8４。２。２調試系統組態制作ＰAGERＥＦ_Ｔoc285999313\h18HＹPＥRＬIＮＫ\l＂_Ｔoc2859993１4"4.3動畫連接ＰAGEREＦ_Tｏc2８５999314\h１9HYPEＲＬIＮK\l"_Toc28５999315"4.3.１交通燈的動畫連接19４.３。2調試系統的動畫連接19HＹＰＥＲLINK\l”＿Toc2８59９9318＂４.5組態運行2０4.5.1進入運行界面20HYPERLＩＮＫ\l”＿Toc28599９31８"4．5.2啟動運行2０第五章總結20HYＰEＲLＩＮＫ\l”_Toｃ２859９932２＂參考文獻２1第一章緒論１.1PLC及組態王介紹1.1。1PLＣ簡單概述（一）什么是PLC可編程序控制器,英文稱PrｏgrammablｅCoｎtrollｅr，簡稱ＰC。但由于PC容易與個人計算機(PersｏｎａｌCｏｍｐuｔeｒ)混淆,故人們習慣地用PLＣ來作為可編程序控制器的縮寫。它是一個以微處理器作為核心的數字運算操作電子系統裝置,專為在工業現場應用而設計,它采用可編程序的存儲器,用以在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時／計數以及算術運算等操作指令,并通過數字式以及模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械生產過程?？删幊踢壿嬁刂破魍度脒\行后，其工作過程可分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出三個階段。ＰLＣ是微機技術與傳統繼電接觸控制技術互相結合的產物，它克服了繼電接觸控制系統之中的機械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點,充分利用了微處理器的優點，又照顧到現場電氣操作和維修人員的技能與習慣，特別是PＬC的程序編制,不涉及專門的計算機編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖作為基礎的簡單指令形式,使用戶程序編制形象、直觀、方便易學;調試與查錯也都很方便。用戶在購到所需的PＬＣ后,只需按說明書的提示,做少量的接線和簡易的程序的編制工作，就可方便地將PＬC應用于生產實踐。輸出刷新階段：當所有指令執行完畢,輸出狀態寄存器通斷狀態在輸出刷新階段傳送至輸出鎖存器中，并通過相應的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅動相應輸出設備工作。1．2十字路口交通燈控制任務1。3研究目的和意義在十字路口設置交通燈用來對交通進行有效的疏通，并為交通參與者的人身安全提供了強有力的保障.但是隨著社會、經濟的快速發展,原先的交通燈控制系統已經不能再適應現在日益繁忙的交通狀況。如何改善交通燈控制系統,使其適應現在的交通狀況，成為研究的課題。傳統的十字路口交通控制燈,通常的做法是：事先經過車輛流量的調查，運用統計的方法將紅綠燈的延時預先設置好。然而，實際上車輛流量的變化是不確定的，有的路口在不同的時段甚至可能會產生很大的差異。即使是經過長期運行、較適用的方案,仍然會發生這樣的現象：綠燈方向幾乎沒有什么車輛，而紅燈方向卻排著長隊等候通過。這種流量變化的偶然性是根本無法建立準確模型的，統計的方法已無法適應迅猛發展的交通現狀，更為現實的需要是能一種能夠根據流量變化而自適應控制的交通燈。目前，大部分城市中十字路口中交通燈控制都是采用固定轉換時間間隔控制方法。由于十字路口不同時間段的車輛的流量是復雜的、隨機的和不確定的,采用固定時間的控制方法，經常造成道路的有效利用時間的浪費,出現空等現象，影響了道路的暢通。為此,采用不依賴數學模型模糊控制法設計交通燈控制器,能較好地解決這個問題。可編程控制器交通燈的控制系統集成了自動控制技術、計量技術、新傳感器技術、計算機管理技術等于一體的機電一體化產品；充分利用計算機技術對過程進行集中監視、控制管理和分散控制;充分利用了分散式控制系統及集中控制系統的優點，采用標準化、模塊化、系統化設計，配置靈活、組態方便。另外隨著高科技技術在日常生活中的普遍應用,城市空中各種電磁干擾的日益嚴重，為保證交通控制的可靠、穩定，選擇能夠在惡劣的電磁干擾的環境下正常工作的PLC也是必要的.1.4方案比較１。4．1采用數字邏輯電路設計工作原理:選用十六進制計數器７4161和３－8線譯碼器７4LS138。經過譯碼后,輸出十字路口南北、東西二個方向的控制信號.其中黃燈信號必須滿足間歇閃耀；在夜間時黃燈一直閃耀，而綠、紅燈滅?；窘M成：由控制器部分和數字顯示部分、秒脈沖發生器等組成.顯示控制部分是一個定時控制電路。當綠燈亮時，使減法計數器開始工作（對方的紅燈信號控制）,每來一個秒脈沖,使計數器減1,直到計數器為“0”停止.譯碼顯示可用7４LS47驅動BCD碼七段譯碼器，計數器采用可預制加、減計數器，如７4LS16８、74LS19０、７4LS193等數字電路的特點:數字電路的信號是種不連續變化的數字信號，所以在數字電路中運作的器件多數工作在開關狀態，即工作在飽和區和截止區,而放大區只是過渡狀態.數字電路主要的研究對象是電路的輸入和輸出間的邏輯關系，因此在數字電路中不能采用模擬電路分析方法,例如，微變等效電路法等就不再適用了。這里主要的分析工具是邏輯代數，表達電路的功能主要以真值表，邏輯表達式及波形圖等。其在任何時刻的輸出，取決于電路此刻的輸入狀態,而與電路中過去的狀態無關,它們不具有記憶功能。１。4．2PLC設計采用計算機和FＸ2N系列PLC，在計算機上編譯調試交通燈控制程序，啟動PＬC寫入程序，經過運行后，輸出十字路口南北、東西二個方向的控制信號。其中黃燈信號必須滿足間歇閃耀；在夜間時黃燈一直閃耀,而綠、紅燈滅?？删幊炭刂破鹘煌艨刂频奶攸c:編程簡單,維修方便;聯機自動就地工作；上機控制的單周期運行方式;由上位機通過串口向下位機傳送設定配方參數來實現自動控制；自動啟動、自動停機控制方式。采用PLＣ基于以下四個原因:①PLC具有很高的可靠性，通常的平均無故障使用時間在30萬小時以上;②編程能力強，可以將模糊化、模糊決策和解模糊都可以方便地用軟件來實現;③抗干擾能力強,目前各種電磁干擾狀況日益嚴重，為了保證交通控制的可靠穩定，我們選擇了在惡劣的電磁干擾環境下依然能夠正常工作的ＰLＣ;④安裝簡單維修方便,PLＣ不需要專門的機房，能夠在各種工業環境下直接運行。使用時只需將現場的各種設備與ＰLC中相應的Ｉ/Ｏ端連接，系統便可投入運行.第二章交通信號控制系統實況２.１十字路口交通燈控制實際情況描述2。1．1控制任務要求東西紅燈亮維持30秒.南北綠燈亮維持20秒,然后閃亮3秒后熄滅。同時南北黃燈亮，維持2秒后熄滅，這時南北紅燈亮,東西綠燈亮，周而復始.2。２結合十字路口交通燈的路況畫出模擬圖十字路口交通燈路況模擬圖２．3交通燈控制流程圖根據交通燈的實際控制情況，可得出其流程圖如下：交通燈控制流程圖第三章可編程控制器程序設計３．1可編程控制器I／O端口分配根據對交通指揮信號燈系統控制要求分析，系統采用自動控制方式,輸入有系統開啟與停止按鈕信號；輸出有東西方向、南北方向各兩組指示信號。由此可知，該系統所需的輸入點數為1，輸出點數為8，全部是開關量,則可將I//Ｏ分配用下表表示。ＰＬC的外部接線圖3.２。1輸入/輸出接線列表3．2。2PＬC外部接線原理圖根據上述Ｉ/O表可知,I/O所需點數只有９點，故選用FX2N-48MＲ微型ＰLＣ即可。則PLＣ外部輸入輸出的信號接線如圖所示。3.2.1輸入/輸出接線列表3。2.2PＬC外部接線原理圖Y2南北GCOM0X0乙燈甲燈東西R東西Y東西G南北RY7Y6Y5Y4Y3Y1Y0COM2@COM1南北YSBY2南北GCOM0X0乙燈甲燈東西R東西Y東西G南北RY7Y6Y5Y4Y3Y1Y0COM2@COM1南北YSB3.2。2PLC外部接線原理圖3.3程序梯形圖及指令語句表3．3．1梯形圖程序根據對交通信號燈的控制要求以及ＰLC控制系統的I/O分配的定義，可對PLC進行控制程序的設計，其梯形圖如圖所示。下面對所設計的梯形圖作幾點說明：３．３.2梯形圖所對應的語句表步序指令器件號說明步序指令器件號說明0LDX00０啟動２２ＬDT11ANIT423ＯUTT11南北向車27秒2OUTT0南北紅燈２5秒24K2703K２502５OUTT２南北綠燈閃爍4LDT02６K305OUＴT4東西紅燈３０秒27LＤT2６K３0028OＵTT3南北黃燈2秒7ＬＤＸ００029K208ＡNIT0３0LDIT09ＯＵTＴ6東西綠燈2０秒31ANＤX000１0K20０3２ＯUTY002南北紅燈工作１１LDT6３3LＤT０12ＯＵTT１０東西向車２2秒34OUTY00５東西紅燈工作1３K2203５LDY０021４OUTT７東西綠燈閃爍36ANIT6１5K30３7ＬＤＴ61６LDＴ7３8ANIT7１７OUTＴ5東西黃燈２秒39ANＤT221８K20４0ＯＲB19LDT０41OUＴＹ００3東西綠燈工作２０ＯＵＴT1南北綠燈2５秒42LDY002２1Ｋ2５０43AＮＩT6步序指令器件號說明步序指令器件號說明44LDT66４ＬＤT145ＡNＩT76５ANIT24６ＯRB６6ORB４7ＯUTT１2延時1秒67ＯＵＴT13延時１秒４8Ｋ10６8Ｋ10４9LDT1269LDＴ135０ANIT1070ANIＴ11５１OUＴＹ007東西向車行駛71OUＴY006南北向車行駛52LＤT7７２LDT253ANIＴ５７3ANIT354OUTＹ004東西黃燈工作７４OUTＹ001南北黃燈工作５5LＤＹ00575ＬＤX00０56ANIＴ１７6ＡNＩT２３５7ＬDT177OUTT２2產生1秒脈沖58AＮIT278K５5９ＡNDT227９LDT2260OＲB80OＵTT2361ＯＵTY000南北綠燈工作８1Ｋ562LDY005８２END程序結束6３AＮIT1第四章十字路口交通燈的組態控制過程4.1工程的建立和變量定義4.1。1工程的建立單擊文件菜單中“新建工程"選項,自動生成新建工程,將默認的工程名改為:“組態王交通燈交通燈".點擊”保存"按鈕,將文件保存，工程創建完成。4。1。２變量的定義首先對系統中的各個變量進行定義。各變量定義如下:變量名變量類型初始值注釋Y0開關量0解放南北路綠燈信號Y1開關量0解放南北路黃燈信號Y2開關量0解放南北路紅燈信號Y3開關量0團結東西路綠燈信號Ｙ4開關量０團結東西路黃燈信號Y5開關量0團結東西路紅燈信號Y6開關量0外部輸入南北通車信號Y7開關量0外部輸入東西通車信號ＭOVEX１數值型0東西向1號車位置信號ＭＯVEX２數值型０東西向2號車位置信號ＭOVEX3數值型0東西向3號車位置信號MOVＥＸ4數值型0東西向4號車位置信號ＭOVEY１數值型０南北向1號車位置信號MOVEY2數值型0南北向2號車位置信號MＯVEＹ3數值型0南北向3號車位置信號MＯVEY４數值型０南北向4號車位置信號4.1。３設備與變量連接(１)在工作臺“設備窗口”中，雙擊“設備窗口”圖標進入.（2）點擊工具條中的“工具箱"圖示，打開“設備工具箱"。(3）單擊“設備工具箱”中“設備管理"按鈕,彈出設備管理窗口。（4)在可選設備列表中,雙擊“串口通訊父設備"。(５）雙擊“串口通訊父設備",在下方出現串口的通訊父設備圖標.(6）雙擊串口通訊父設備圖標，將“串口通訊父設備”添加到右側的選定設備列表中.（7)單擊確認并保存。（８）在工作臺“設備窗口"雙擊“設備窗口”圖標進入。設備被添加到設備組態窗口中。(９）再用同樣的方法將設備列表中的“ＰLC設備"下的“三菱Fx—２32”加入到“設備０-[串口通訊父設備］”目錄下.（１0）雙擊“設備０-［串口通訊父設備]"，進入串口通訊父設備屬性設置窗口。設置內部的屬性完成后單擊確認，完成內部屬性設置。(1１）雙擊“設備１[三菱Ｆx-232］",進入三菱Ｆx—23２設備屬性設置窗口。設置內部屬性完成之后單擊確認，完成內部屬性設置。4．２畫面建立４．2。１工程畫面建立(1)在“用戶窗口”中單擊“新建窗口”按鈕,建立“窗口0”、“窗口１”。（２）選中“窗口0",單擊“窗口屬性”,進入“用戶窗口屬性設置”。（3）將窗口名稱改為:交通燈01；窗口標題改為：控制窗口;窗口位置選中“最大化顯示”、“固定邊”,窗口背景色選為淺藍色,其他不變，單擊“確定".（4)選中“窗口1”，單擊“窗口屬性”,進入“用戶窗口屬性設置"。（５）將窗口名稱改為:調試系統；窗口標題改為:調試系統。窗口位置選中“頂部工具條",窗口邊界選擇“固定邊”,單擊“確認”。（6)在“用戶窗口”中，選中“窗口屬性”,點擊右鍵，選擇下拉菜單中的“設置為啟動窗口”選項，將該窗口設置為運行時自動加載窗口。4。2.２調試系統組態制作（1)在“工具箱”中點擊“標簽”，將“標簽”調整好大小，設置“標簽”屬性,在屬性中點擊“填充顏色”，選擇“填充效果”在“顏色"中選擇“雙色”，顏色選擇“白色"，顏色2選擇“橙色"，“底紋效果”選擇“橫向”。在標簽中輸入“團結東西黃燈”。用同樣的方法將“解放南北黃燈”,“解放北紅燈”，“團結東西綠燈”,“團結東西紅燈”，“解放南北綠燈”“南北行車”,“東西行車”輸入標簽中,并調整屬性.（２）選擇“工具箱”,點擊“插入元件”，在“對象元件庫"中選擇“指示燈２”，共插入8個指示燈。（3)選擇“工具箱"內的“矩形"按鈕，鼠標的光標呈“十字”形,在窗口中拖拽鼠標,拉出一個矩形,點擊矩形的“屬性”，選擇“填充顏色"，選擇“填充效果”在“顏色"中選擇“雙色”，顏色選擇“白色”，顏色2選擇“藍色”，“底紋效果”選擇“橫向”。點擊“編輯條"，選擇“置于最后"。（４)點擊“工具箱”,選擇“標簽”，調整好合適的位置在標簽欄中輸入“調試系統”,將“字體”選為黑體，“字號”選為“小四”，顏色選“紅色"。4.3動畫連接4。3。1交通燈的動畫連接（1）交通指示燈的動畫連接（1）雙擊啟動指示燈，彈出“單元屬性設置"窗口。（２）單擊“動畫連接"選項卡，進入該頁.(3）單擊“組合圖符”，出現“？”、“〉”按鈕。(4）單擊“>”按鈕,彈出“動畫組態屬性設置"窗口。單擊“屬性設置”選項卡，進入該頁，選中“填充顏色”選項卡.在“填充顏色”表達式中輸入“y0”,在“填充顏色連接”項中點擊“分段點”將值改為0．５，在“對應顏色”中選擇灰色,再點擊“增加”,將“分段點”將值改為１。5，在“對應顏色"中選擇綠色。單擊“確定”按鈕.依次對其他的指示燈進行同樣設置。（2)小車的動畫連接（1）雙擊啟動指示燈,彈出“單元屬性設置”窗口。（2)單擊“動畫連接"選項卡，進入該頁。(3）單擊“屬性設置”選項卡，進入該頁，選中“垂直移動”欄，進入“垂直移動”欄,在表達式中輸入“MOＶEX１",在“最大移動偏移量”欄中輸入“15０0"，在“表達式的值”中輸入“1500”。點擊“確定”，一保存屬性.(４）用同樣的步驟對“MOVXE２"～“MOVEY4”進行設定。4.3。2調試系統的動畫連接（1）雙擊啟動指示燈，彈出“單元屬性設置”窗口。（２)單擊“動畫連接”選項卡，進入該頁。(３）單擊“組合圖符”,出現“？”、“>”按鈕。(4)單擊“>"按鈕，彈出“動畫組態屬性設置”窗口。再單擊“屬性設置”選項卡，進入該頁，選中“填充顏色"選項卡。在“填充顏色"表達式中輸入“ｙ０”，在“填充顏色連接"項中點擊“分段點”將值改為0.5,在“對應顏色”中選擇灰色，再點擊“增加”,將“分段點”將值改為１。5，在“對應顏色”中選擇綠色。在“表達式"欄中輸入“Y0”(6）單擊“按鈕動作"選項卡進入該頁進入按鈕動作頁，將按鈕對應功能設為:數據對象值操作；取反；Y01。（7）單擊“確認”按鈕,退出“單元屬性設置”窗口，結束啟動指示燈的動畫的連接。(8)按照以上步驟依次再對其他的指示燈進行設置。4。5組態運行4.5.１進入運行界面進入運行界面，所有燈及系統處于待運行狀態。4。５.２啟動運行：點擊文件，切換到ｖiew，打開畫面，選定“組態交通燈”，等待工程運行,開始運行后，顯示南北紅燈亮，東西路車輛通行,如下圖截圖所示:東西綠燈亮維持2５s,南北紅燈亮的同時東西綠燈也亮,并維持20秒。此時南北汽車停止，東西車輛通行,到20秒時，東西綠燈閃亮，閃亮3秒后熄滅.南北紅燈亮，南北方向車輛禁止通行，在東西綠燈熄滅時,東西黃燈亮，并維持2秒,到2秒時，東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時，南北紅燈熄滅，綠燈亮，東西方向車輛禁止通行,南北車輛放行：東西紅燈亮維持30秒。南北綠燈亮維持20秒，然后南北黃燈亮，閃亮3秒后熄滅：此時南北黃燈亮，維持3秒后熄滅，這時南北紅燈亮,東西綠燈亮,周而復始。第五章總結在這次的畢業設計中，我了解了組態軟件的制作和調試工作.在組態軟件的制作中較好的掌握了組態軟件的應用。在組態軟件中最重要的是建立好實時數據庫,數據庫是實現各種變量的采集、表達、控制的關鍵元件，數據庫控制著整個系統的輸入、輸出和運行。它實現了對現場設備運行信號的采集，運行控制和運行監視。在組態文件的制作過程中，除了系統提供一些元件和背景，還可以自己制作自己需要的元件。在調試系統的制作中,我需要的元件在元件庫里沒有,通過工具箱，畫出自己所需元件的形狀，然后自己設定顏色,再通過屬性設置元件的動作值,填充顏色和動作表達式.通過運行初步達到了預計的要求。通過這次組態軟件與ＰLC的畢業設計,我掌握了通過PＬＣ實現現場信息采集、控制.掌握了系統設計、梯形圖設計、組態設計和現場調試一整套PＬC設計過程.本次的畢業設計，讓我很好的鍛煉了理論聯系實際,與具體項目、課題相結合開發、設計產品的能力。既讓我懂得了怎樣把理論相聯系于實際，又讓我懂得了在實踐中遇到了問題怎樣用理論去解決。在本次的設計中，由于本人知識的局限性，設計選擇了一些相對膚淺的設計理論,設計略顯不足.在此感謝指導教師張老師在畢業設計期間提供傳授的組態軟件的知識，使我能夠順利完成畢業設計。最后，感謝所有關心我、幫助過我的老師、同學和朋友！參考文獻基于組態王和PLC交通燈仿真控制系統》20１0年06期北京理工大學珠海學院曹金福、譚勝富《電氣控制與PLC》2010年0２月化學工業出版社《》２0１0年03月［4]薛士龍《電氣控制與可編程控制器》２０11年3月電子工業出版社［5］王文義《可編程原理與應用》2０1０年01月科學出版社[6］袁任光《可編程控制器選用手冊》20０3年10月１日機械工業出版社［7］盧巧《PＬC編程指令與梯形圖快速入門》201０年11月電子工業出版社豈興明《PＬC與變頻器快速入門與實踐》20１１年１月１日人民郵電出版社姚福來《變頻器、PLC及組態軟件實用技術速成教程》20１0年６月機械工業出版社李紅萍《工控組態技術及應用——組態王》２0１１年8月西安電子科技大學出版社龔仲華韓曉新《從基礎到實踐--PLC與組態王》201１年8月機械工業出版社龔仲華《三菱FX系列ＰLC應用技術》２010年１０月1日人民郵電出版社張凱《》200５年2月北京亞控科技發展有限公司２０05年1月版本號：V１。5引言隨著微電子技術、計算機技術、軟件技術、網絡技術和現代測量技術的迅速發展，一種新型的先進儀器—-虛擬儀器成為當前系統研究的熱點。虛擬儀器的出現開辟了儀器技術的新紀元，它是多門技術與計算機技術結合的產物，其基本思想逐步代替儀器完成某些功能，如數據的采集、分析、顯示和存儲等,最終達到取代傳統電子儀器的目的。虛擬儀器通過軟件開發平臺將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融為一體,把計算機強大的數據處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，通過軟件實現對數據的顯示、存儲及分析處理，并通過交互式圖形界面實現系統控制和顯示測量數據，并使用框圖模塊指定各種功能。采用集成電路溫度傳感器和虛擬儀器方便地構建一個測溫系統，且外圍電路簡單，易于實現，便于系統硬件維護、功能擴展和軟件升級。

本設計利用LａbＶIEW作為語言開發平臺，設計了一個溫度控制系統，并利用計算機串口與下位機串行通訊,能實現溫度的實時測量與控制.1緒論現代計算機技術和信息技術的迅猛發展，沖擊著國民經濟的各個領域,也引起了測量儀器和測試技術的巨大變革。人們曾為測量儀器從模擬化、數字化到智能化的進步而欣喜，也為自動測試技術的日新月異的發展所鼓舞,當今虛擬儀器技術的出現又使得測量儀器進步入了高科技的殿堂。與傳統的儀器不同，虛擬儀器(ｖirｔuaｌｉnstrument）是基于計算機和標準總線技術的模塊化系統，通常它是由控制模塊、儀器模塊和軟件組成，在虛擬儀器中軟件是至關重要的,儀器的功能都要通過它來實現,因此軟件是虛擬儀器的核心，“軟件就是儀器",從本質上反映了虛擬儀器的特征。從構成方式上講，虛擬儀器可分為四大類：GＰIB體系結構、PC－ＤAQ體系結構、ＶＸI體系結構和PXＩ體系結構。GPIB體系結構是通過ＧPIＢ總線將具有ＧPIB接口的計算機和儀器集成的測試系統。其優點是用戶可以充分利用自己的計算機和儀器資源,且組建方便靈活、操作簡單,曾是國際流行的自動測試系統。當今，在VXI為主的體系結構中，有時也采用GPIB作為輔助,這樣可以充分利用本單位儀器資源,或稱補ＶXI儀器模塊的不足。

VXI體系結構綜合了.pib和vem總線的優點，它集成的系統硬件集成度高、數據傳輸率快、便攜性好，是當今倍受業界關注的體系結構.PＸI體系結構是以PＣＩ總線為基礎的體系結構,由于其總線吞吐率高、硬件的價格較低被業內人士認為是符合國情的一種體系結構。虛擬儀器應用程序的開發環境主要有兩種＝一種是基于傳統的文本語言的軟件開發環境，常用的有labｗindｏws／cvｉ、.visuａlｂasｉdc＝vc++等：一種是基于圖形化語言的軟件開發環境，常用的有LaｂVIEW和ｈpvee。其中圖形化軟件開發系統是用工程人員所熟悉的術語和圖形化符號代替常規的文本語言編程，界面友好，操作簡便,可大大縮短系統開發周期，深受專業人員的青睞。1．1課題背景隨著世界經濟的發展，工業的迅速擴張,政府和企業家們花在設備上的投入越來越多，這筆巨大的開銷，極大地限制了企業的資金，從而制約著企業的發展。而虛擬儀器技術憑借著其開發容易、開發成本低、開發周期短等明顯的優點，漸漸地在工業測控領域嶄露頭角。它的出現使企業家們看到了降低成本的希望。本設計將就虛擬儀器怎樣用在工業測控中進行一番簡單的探討。１．2虛擬儀器簡介隨著微電子技術、計算機技術、軟件技術、網絡技術和現代測量技術的迅速發展，一種新型的先進儀器-—虛擬儀器成為當前系統研究的熱點.虛擬儀器通過軟件開發平臺將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融為一體，把計算機強大的數據處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，通過軟件實現對數據的顯示、存儲及分析處理。在對大規模、集成化、智能化及數字電子儀器需求愈加迫切的形勢下，計算機技術、儀器技術和通信技術相結合，產生了具有里程碑意義的新一代儀器-—虛擬儀器。虛擬儀器的出現開辟了儀器技術的新紀元,它是多門技術與計算機技術結合的產物，其基本思想逐步代替儀器完成某些功能，如數據的采集、分析、顯示和存儲等,最終達到取代傳統電子儀器的目的。虛擬儀器是計算機硬件資源、儀器硬件、數據分析處理、軟件、通信軟件極圖形用戶界面的又效結合，具有傳統儀器所具備的信號采集、信號處理分析、信號輸出等功能。其基本構成包括計算機、虛擬儀器軟件、硬件接口和測試儀器等。虛擬儀器有以下優點：（１)利用了計算機豐富的軟件資源。實現了部分儀器硬件的軟件化,節省了物質資源，增加了系統的靈活性。通過軟件技術和相應數值算法,實時直接地對測試數據進行各種分析與處理.圖形用戶界面(GUI）技術的應用,真正的做到界面友好、人機交互。(２）基于計算機網絡技術和接口技術.虛擬儀器具有方便、靈活的互聯能力（Ｃoｎnectivity)，廣泛支持諸如ＣAN、FieldBus、PRＯFIBＵS等各種工業總線標準。因此，利用虛擬儀器技術可方便地構建自動測試系統，實現測量、控制過程的網絡化。（3)基于計算機的開放式標準體系結構。虛擬儀器的硬、軟件具有開放性、模塊化、可重復使用及互換性等特點,用戶可根據自己上的需要，選用不同廠家的標準接口產品，使儀器的開發更為高效，縮短儀器組建、開發時間。(４）具有很強的靈活性.虛擬儀器的功能由用戶自己定義,這意味著可自由的組合計算機平臺、硬件、軟件以及各種實現應用系統所需要的附件。這種靈活性在由供應商定義、功能固定、獨立的傳統儀器是達不到的。從傳統儀器的轉變，為用戶帶來了更多的實際利益。上述虛擬儀器的特點不僅推進了儀器為基礎的界面系統改造,同時也影響了以虛擬儀器為主的圖形構造方法的進化.過去獨立分散、互不相干的許多領域,虛擬儀器通過軟件開發平臺將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融為一體,把計算機強大的數據處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，通過軟件實現對數據的顯示、存儲及分析處理。虛擬儀器的出現是儀器發展史上的一場革命，代表著儀器發展的最新方向和潮流,是信息技術的一個重要領域,必將對科學技術的發展和工業生產產生不可估量的影響。１。2．1虛擬儀器的概念、發展傳統儀器一般是一臺獨立的裝置，從外觀上看，它是一般由操作面板、信號輸入端口、檢測結果輸出這幾個部分組成.操作面板上一般有一些開關、按鈕、旋鈕等。檢測結果的輸出方式有數字顯示、指針式表頭顯示、圖形顯示及打印輸出等。從功能方面分析，傳統儀器可分為信號的采集與控制、信號的分析與處理、結果的表達與輸出這幾個部分.傳統儀器的功能都是通過硬件電路或固化軟件實現的，而且由儀器生產廠家給定，其功能和規模一般都是固定的,用戶無法隨意改變其結構和功能。傳統儀器大都是一個封閉的系統，與其它設備的連接受到限制。另外，傳統儀器價格昂貴,技術更新慢,開發費用高.隨著計算機技術、微電子技術和大規模集成電路技術的發展，出現了數字化儀器和智能儀器。盡管如此，傳統儀器還是沒有擺脫獨立使用和受同操作的模式,在較為復雜的應用場合或測試參加較多的情況下，使用起來就不太方便.這三方面的原因，使傳統儀器很難事業信息時代對儀器的需求。那么如何解決這個問題呢?可以設想，在必要的數據采集硬件和通用計算機支持下，通過軟件來實現儀器的部分或全部功能，這就是設計虛擬儀器的核心思想。所謂虛擬儀器，就是在通用的計算機平臺上定義和設計儀器的功能，用戶操作計算機的同時就是在使用一臺專門的電子儀器。虛擬儀器以計算機為核心,充分利用計算機強大的圖形界面和數據處理能力,提供對測量數據的分析和顯示功能.虛擬儀器技術給用戶一個充分發揮自己的才能、想象力的空間。用戶可以隨心所欲地根據自己的需求，設計自己的儀器系統,滿足多種多樣的用戶需求.表2。1為傳統儀器與虛擬儀器的比較一覽表.虛擬儀器作為一種新型的儀器種類,具有以下特點：（1)強調“軟件即儀器”的概念,軟件充當了儀器中相當重要的且以往由硬件充當的角色。（2）打破了傳統儀器小而全的現狀，可以將信號的分析、顯示、存儲、打印和其它管理利用計算機來完成.（3）便于工作和管理,虛擬儀器技術是儀器的設計和管理統一到虛擬儀器的標準，使得儀器管理規范,使用簡便，維護費用低。(4）儀器自定義,科研和工程人員自己設計自己的儀器。由于虛擬儀器的開放性，用戶可以方便地修改測試方案，構成各種專用儀器。儀器的開發周期短，升級容易,節省了硬件開發和生產的費用.（5）便于組成自動測試系統。虛擬儀器充分利用計算機技術，可以對測試方案進行編程；而且數據的遠程傳輸、數據在軟件之間的交換等，都使系統組建變得靈活；計算機的存儲、打印和網絡化等功能也進一步增進了虛擬儀器的功能。電子儀器發展至今，大體可分為四代:模擬儀器、數字儀器、智能儀器和虛擬儀器。第一代模擬儀器第一代模擬儀器如指針式萬用表、晶體管電壓表等，它們的基本結構是電磁機械式的，借助指針來顯示最終結果.第二代數字化儀器數字化儀器目前相當普及，如數字電壓表等。這類儀器將模擬信號的測量轉化為數字信號的測量，并以數字方式輸出最終結果,實用于快速響應和較高準確度的測量。第三代智能要求智能儀器內置微處理器，既能進行自動測試,又具有一定的數據處理，可取代部分腦力勞動，習慣上稱為智能儀器。它的功能塊全部都是以硬件的形式存在，無論是開發還是應用，都缺乏靈活性。第四代虛擬儀器虛擬儀器是現代計算機教技術和測量技術相結合的產物,是傳統儀器觀念的一次巨大變革，是將來虛擬產業發展的一個重要方向。從1988年開始，陸續有虛擬儀器產品面市。此后，虛擬儀器產品的陸續飛速增加。1。2。2虛擬儀器的工作原理虛擬儀器以透明的方式把計算與傳統儀器一樣。虛擬儀器同樣劃分為數據采集與控制、數據分析與處理、結果表達三大功機資源和儀器硬件的測試能力結合起來,實現了儀器功能的運作。虛擬儀器的功能模塊如圖所示.虛擬儀器用各種圖標或控件來虛擬傳統儀器面板上的各種器件.由各種開關圖標實現儀器電源的通斷；由各種按鈕圖標來設置被測信號的“放大倍數”、“通道”等參數；由各種顯示控件以數值或波形的方式顯示測量或分析結果；由計算機的鼠標和鍵盤操作來模擬傳統儀器面板上的實際操作;以對圖形化軟件流程圖的編程來實現各種信號測量和數據分析功能。PC—DAQ采集器PC—DAQ采集器網絡傳輸信號處理串口儀器磁盤復制數字濾波串口儀器磁盤復制數字濾波GPIB儀器GPIB儀器文件I/O統計文件I/O統計VXI儀器VXI儀器圖形用戶接口分析圖形用戶接口分析PXI儀器PXI儀器圖1.１虛擬儀器的功能模塊1.2。3虛擬儀器與傳統儀器的比較傳統儀器和虛擬儀器的比較傳統儀器虛擬儀器儀器廠商定義用戶自己定義硬件是關鍵軟件是關鍵儀器的功能、規模均已固定系統功能和規模可通過軟件修改和增減封閉的系統，與其它設備連接受限制基于計算機的開放系統,可方便地同外設、網絡及其它相應設備連接價格昂貴價格低，可重復利用技術更新慢技術更新快開發和維護費用高軟件結構可大大節省開發和維護費用多為實驗室擁有個人可擁有一個實驗室1．3圖形化編程語言ＬａbVIＥＷ的簡介LaｂVIＥW(laboraｔoryviｒtualｉnｓtrumｅntenｇineeｒingworkｂencｈ)是一種圖形化的編程語言和開發環境,它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接收，被公認為是標準的數據采集和儀器控制軟件。ＬａｂVＩＥW不僅提供了與遵從GPＩB，ＶＸI,RS－2３2和RS-485協議的硬件及數據采集卡通信的全部功能，還布置了支持TCP/IP，ActｉｖeＸ等軟件標準的庫函數,而且圖形化的編程界面使編程過程變得生動有趣。ＬabVIＥW是一個功能強大且靈活的軟件，利用他可以方便的建立自己的虛擬儀器.以LaｂVＩEW為代表的圖形化編程語言,又稱為“G"語言。使用這種語編程時，基本上不需要編寫程序代碼,而是“繪制”程序流程圖。LabVＩＥW盡可能利用工程技術人員所熟悉的術語、圖標和概念,因而它是一種面向最終用戶的開發工具,可以增強工程人員構建自己的科學和工程系統的能力，提供了實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑.使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統時,可以大大提高工作效率。利用ＬaｂＶＩＥW，可產生獨立運行的可執行文件。LａbＶＩＥＷ是真正的32位編譯器。像其他軟件一樣,ＬａbＶIEＷ提供了Winｄows，UNIＸ，Lｉｎｕx和Ｍａcintosh等多種版本.1。4論文各章節的安排在本論文中，作者將先在第二章中介紹一下本設計中所使用的一些基本原理和器件的一些知識,然后提出自己的軟硬件設計方案的思路。然后在第三章介紹LaｂVＩEW的一些編程的基本知識。在第四章中,將討論LabVＩEW的儀器控制和驅動。在第五章和第六章中,將分別就自己的硬軟件設計方案提出論述。最后將談一下自己的系統制作和調試過程中的一些問題和解決方法。1.５本論文任務（1)設計一個由微控制器控制的溫度采集裝置，使其能夠準確地采集環境溫度。（2）通過某種通信協議，將采集到的溫度送往上位機進行顯示和處理。(3）用LabVIEW編寫上位機的程序，使其能夠接受下位機發送來的溫度信息數據，并作出處理想，同時顯示在PC屏幕上。（４)使用LabVIEＷ編寫PID控制程序，能實現對溫度的比較準確的控制。（5)使用LａbVIEW編寫模糊控制程序，能實現對溫度的控制.圖1．2上位機界面圖１．２硬件實物圖2溫度控制設計方案本設計采用ＬabVIEW和ＡVＲ單片機組成系統的主要模塊.由下位機把單線式溫度傳感器DS18B20測量到的溫度,通過串口發送到的由LaｂVIEＷ構建的上位機去.然后在上位機中進行處理和顯示，通過ＰＩD或者模糊算法，計算出要輸出的控制量，再由串口將數據發送到下位機,交由下位機處理。下位機根據一定的關系，輸出一定的信號來控制固態繼電器的通斷.固態繼電器的交流端就會因為通斷而控制水泥電阻工作與否，以此達到控制溫度的目的。2.１硬件及軟件的選擇2.1。１硬件的選擇系統的硬件設計主要分為四個部分:主控部分、DＳ18B２０測溫部分、通信部分、程序下載部分。在下位機控制器上,由于需要采用PＷM技術對加熱裝置進行控制,而傳統的５1系列單片由于其內部并不具有專門的PWM模塊，當從上位機發送控制數據時，就必須采取中斷才能執行這個過程。由于AVR系列單片機內部均有現成的PWM模塊，可以在進行采集溫度的同時,進行PＷM控制。所以，本設計選擇Atmｅl公司生產的ＡＴMega16八位高性能微處理器。AVR單片機是1９9７年由ＡTMＥL公司研發出的增強型內置Fｌaｓh的RISC（RedｕceｄＩnstructionSeｔCPU)精簡指令集高速8位單片機。AVR的單片機可以廣泛應用于計算機外部設備、工業實時控制、儀器儀表、通訊設備、家用電器等各個領域，它與51單片機、PIC單片機相比具有一系列的優點：（1)在相同的系統時鐘下AＶＲ運行速度最快；（2）芯片內部的Ｆlsah、EEＰROM、ＳＲAＭ容量較大;（3）所有型號的Fｌaｓh、ＥEＰROM都可以反復燒寫、全部支持在線編程燒寫(IＳP);（４)多種頻率的內部ＲC振蕩器、上電自動復位、看門狗、啟動延時等功能，零外圍電路也可以工作；(5)每個IO口都可以以推換驅動的方式輸出高、低電平，驅動能力強；（6）內部資源豐富，一般都集成AＤ、DA模數器、ＰWＭ、ＳPI、USＡRT、ＴWI、I2C通信口、豐富的中斷源等。目前支持AVR單片機編譯器的語言主要有匯編語言、C語言、BASIC語言等.其中C編譯器主要有CoｄeVisionAVＲ、AＶRGCC、IＡR、IＣＣAVR等，C語言編譯器由于它具有功能強大、運用靈活、代碼小、運行速度快等先天性的優點,使得它在專業程序設計上具有不可代替的地位.測溫部分，本設計采用美國DALLAS公司生產的一線式溫度傳感器ＤS１8B20。數字式溫度傳感器DＳ18Ｂ20是美國DＡLＬAS公司推出的一種可組網數字式溫度傳感器,采用1—wiｒe總線接口，測溫范圍為－５５℃—+１2５℃,精度可達0．０67５℃，最大轉換時間為20０ms。ＤS18B20能夠直接讀取被測物體的溫度值，體積小，電壓適用范圍寬(3V～5V)，用戶還可以通過編程實現9－-１２位的溫度讀數，即具有可調的溫度分辨率。DＳ１8B20與單片機的接口簡單，只需將信號線與單片機的一位雙向端口相連即可。系統中ＤS１8B20采用外接電源方式，VＤD端用３V～5。５V電源供電。由于其測溫分辨率較高（１2位)，因此對時序及電特性參數要求較高,必須嚴格按照時序要求操作.其數據的讀寫是由主機讀寫特定時間片來完成的，包括初始化、讀時間片和寫時間片。ＤS18B2０的主要特征：全數字溫度轉換及輸出。先進的單總線數據通信.最高1２位分辨率，精度可達土0.５攝氏度.12位分辨率時的最大工作周期為750毫秒。可選擇寄生工作方式。檢測溫度范圍為–55°C～+125°Ｃ(–６7°Ｆ~+257°F）內置EＥPＲOＭ,限溫報警功能。ＤS１8B20引腳功能：·GNＤ電壓地·DＱ單數據總線·VDD電源電壓圖２。１DS18Ｂ20功率控制部分，本設計采用無錫天豪公司生產的ＧTＪ２4－2A固態繼電器.ＧTJ２4—2A系列產品用于可編程序控制，各種自動化控制裝置及計算機輸出控制接口等;用于各種需雙路控制的場合.其電氣參數為：輸入控制電壓３-14VＤＣ（自動限流），關斷電壓１．２VＤC,開啟電流５mA,控制電流＜2５mＡ，工作電壓2４—２40ＶＡＣ。該固態繼電器為過零型繼電器,在電流過零時導通,過零時關斷。相對于隨機型的固態繼電器，使用過零型的固態繼電器可以使本設計比較方便地控制固態繼電器中雙向晶閘管的導通周期數,從而控制加熱元件的工作時間。通信部分,由于溫度變化并不是一個很快的過程,所以并不需要很高的數據采集和發送速度.而且,計算機的各種通信方式中,尤以串口通信方式最為簡單，因此本設計采用傳統的RＳ-2３２串口通信。由于單片機的工作電平ＴTL電平，它要與計算機上的串口進行通信，就必須轉換成相應的計算機串口電平,也就是ＲS—2３2電平。在本設計中采用美國MAXIM公司生產的MAX2３2進行電平轉換。２．1.2軟件的選擇軟件選擇包括下位機程序的編譯軟件和上位機的編程軟件。下位機的編譯軟件，通常有ＩCＣAVR、WｉnＡVR（也就是通常所說的GCC）、IAＲAVR、ＣoｄｅＶisiｏnＡＶR、ＡTmanAVR,在這里使用ICCＡVR和ＡＶRStudio的組合。這是因為市面上(大陸）的教科書使用ICCAＶR作為例程的較多，集成代碼生成向導,雖然它的各方面性能均不是特別突出，但使用較為方便；而ＡVRStｕdio集軟硬件仿真、調試、下載編程于一體，有效彌補了ＩＣCAＶR仿真能力的不足，同時還可以有效地對程序進行調試。上位機方面，本設計采用目前NI最新的LabＶIＥW8。6進行編程。結合上NI為工業控制而開發的ＰＩD和模糊邏輯控制包,可以輕松地實現PＩD或模糊控制。2．2硬件及軟件設計方案2.2。1硬件設計方案下圖給出系統硬件組成框圖，由計算機、單片機、測溫電路及溫度控制電路組成.該系統集計算機、強大的圖形化編程軟件和模塊化硬件于一體，建立靈活且以計算機為基礎的測量及控制方案，構建出滿足需要的系統。利用傳感器獲取溫度信號，再由單片機組成的小系統對溫度信號進行采集、處理和轉換，然后通過ＲS－23２串口將數據送給計算機.并通過計算機運行的ＬabVIEＷ程序來分析處理輸入數據．最終由計算機顯示結果。同時,通過計算機串口采樣輸入信號,利用ＬａｂVＩEW中的ＰＩD控制算法，求出系統輸出信號的大小,再由串口將輸出信號傳輸至外部溫度控制電路,以實現溫度控制。溫度測控對象溫度測控對象溫度控制電路溫度測量電路單片機計算機圖２．2系統組成框圖2。２。2軟件設計方案(１）ＰIＤ控制在自動控制中，一個系統的運行要求能夠滿足給定的性能指標,具有抗干擾能力和穩定性。對于被控制的對象，其本身的物理結構和工作過程是一定的，在給定信號作用時,對象的輸出并不一定能滿足系統的性能要求，所以需要加入一個控制器。控制器與被控對象以閉環的形式構成系統,以幫助整個系統的輸出滿足給定的性能指標,而控制器運用的控制規律多種多樣.?PID（ＰrｏporｔｉonalInｔegraｌDeｒivative比例微分積分)控制是控制工程中技術成熟,應用廣泛的一種控制策略，它經過長期工程實踐,已形成了一套完整的控制方法和典型的結構.

PID控制器結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便。當被控對象的結構和參數不能完全被掌握,或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PIＤ控制技術最為方便。因此當不能完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，就是PＩＤ的用武之地.PID控制器PID控制器執行機構被控對象測量裝置期望值輸出反饋圖2．３PID控制系統ＰＩＤ顧名思義，就是根據系統誤差利用比例,微分,積分計算出控制量進行控制。比例，積分,微分這三個環節又相互獨立,有各自不同的作用,在現場也可以根據實際情況來選擇使用。

P控制（比例控制）?如果控制器的輸出僅僅與誤差成正比關系，即ｕ（ｔ）=Kpε（t），便構成了一個比例控制器,可見比例控制器實際上是一個增益可調的放大器。比例控制器通過改變比例放大系數Kp調節輸出，對誤差的反應很快,但是其輸出與期望值之間總是存在一個穩態誤差,必須使用手動復位來消除，在實際運用中很不方便。提高Ｋp值可以增加系統的開環增益,使穩態誤差減小，還能夠增加系統的快速性;但容易使系統的穩定程度變差,振蕩變多。而當Ｋｐ值小時，又會使系統動作變得緩慢,所以校正系統很少單獨使用P控制.KpKp誤差圖２。4比例控制I控制（積分控制）由于Ｐ控制存在穩態誤差需要手動復位,人們發現可以通過引入一個積分項來消除穩態誤差。積分控制器的輸出與誤差信號的積分成正比，即,所以PＩ控制器的輸出有:積分項對誤差進行積分,隨著時間的增加積分項增大,只要誤差還存在,就會不斷輸出。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小,直到等于零，以達到消除穩態誤差的目的.因此，ＰI控制器,可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。但是對時間的積分必將影響系統的快速動態性能，對于一些系統會出現超調過大的現象，嚴重的甚至引起系統崩潰.

D控制（微分控制）

積分控制的動態性能不好，而微分項恰好可以彌補這點。微分控制器的輸出和誤差信號的微分成正比，即,所以PＤ控制器的輸出有:微分作用反映的是誤差信號的變化率，所以對系統控制具有預見性,能預見誤差的變化趨勢，因此能產生超前的控制作用。甚至在誤差形成之前，可能已被微分調節作用消除.所以如果微分時間選擇合適，可以減少超調和系統調節時間,使系統的動態性能大大提高。微分控制在實際運用中經常用來抵消積分控制產生的不穩定趨勢,但因其反應的是誤差的變化率,所以僅對動態過程作用，通常不單獨使用。而且微分控制對噪聲干擾有放大作用,過強地調節微分項對系統抗干擾能力不利。PID控制?PID控制即比例控制、積分控制、微分控制的組合,綜合了3種控制器的優點。實際運用中，有時也不需要用到全部的三個部分，只有比例控制單元是必不可少的。對于PＩＤ控制器,輸出為：PIＤ控制實際就是根據經驗，對Kｐ，Tｉ,Td這3個參數進行整定，以得到合適的輸出值對系統進行控制。具體如何整定，根據不同的現場有所不同。目前ＰＩD不僅應用廣泛，發展也很快，已研究出很多對這3個參數進行自整定的智能控制器。在和計算機這樣的數字控制器結合后,還出現了數字ＰID的設計方法，不過具體原理還是遵循于傳統。(２)模糊控制模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制。通常是一類缺乏精確數學模型的被控過程，采用模糊集合的理論，總結人們對系統的操作和控制經驗.用模糊條件語句寫出控制規律,再用算法語言來編寫程序，按此程序對生產過程進行自動控制。模糊控制同常規的控制方案相比，主要特點有：=1\＊ＧB3①模糊控制只要求掌握現場操作人員或有關專家的經驗、知識或操作數據,不需要建立過程的數學模型，所以適用于不易獲得精確數學模型的被控過程,或其結構參數不很清楚等場合。＝2\＊GB３②模糊控制是一種語言變量控制器，其控制規律只用語言變量的形式定性地表達，不用傳遞函數與狀態方程,只要對人們的控制經驗加以總結，進而從中提煉出規則，直接給出語言變量,再應用推理方程進行觀察與控制。=3\＊ＧB3③系統的魯棒性強，尤其適用于時變、非線性、時延系統的控制.＝4\*GB3④從不同的觀點出發，可以設計不同的目標函數,其語言控制規則分別是獨立的,但是整個系統的設計可得到總體的協調控制。模糊控制的理論基礎是模糊集合理論,模糊集合是一種介于嚴格變量與定性間的數學表達形式，例如變量的數值分為正大（PL）、正中（PM)、正?。≒S）、零（O）、負小(ＮS）、負中（NM）、負大(ＮB)等。其中P＝Posive，B＝Bｉg，M=Meｄium,S=Sｍall,O=Zero，Ｎ=Ｎeｇatiｖe。模糊集合理論的核心是對復雜的系統或過程建立一種語言分析的數學模式，提供一個嚴格的數學框架，使日常生活中的自然語言能直接轉化為計算機所能接受的算法語言。模糊集合理論的一個基本概念是函數或稱隸屬度。它表示某一個元素與模糊子集的關系(即隸屬度），并用或表示。所有隸屬度均滿足下列要求,即，表示隸屬于；，則表示不屬于。模糊子集可表示成其中的U為論域（指被考慮過程的所有元素的全體).式中的“+”號表示列舉,并不是加號;作用每項中的分式也不表示相除,分母表示元素名稱，分子表示該元素的隸屬度。模糊子集不僅可用隸屬度來描述，也可用模糊向量(即隸屬度向量)來表示,即下圖為模糊控制系統原理框圖。模糊控制器模糊控制器執行機構被控對象測量裝置期望值輸出——圖2.5模糊控制系統3LaｂVIＥW集成開發環境使用LaｂVIEW開發平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱為ＶI.設計程序主要是在以下兩個窗口中進行的：前面板設計窗口(FroｎtPanel):它是與用戶直接接觸的圖形用戶界面，即ＶI的虛擬儀器面板。后面板編輯窗口（ＢloｃkDｉagram):它是用戶為完成特定功能而編寫的程序，即VI的圖形化源代碼。3.1ＬabVIEW前臺顯示面板程序前面板是圖形用戶界面，這一界面上有用戶輸入控制和輸出顯示兩類對象，用于模擬真實儀表的前面板?？刂坪惋@示是用各種各樣的圖標形式出現在前面板,具體表現為旋鈕、開關、圖形、圖標以及其他的控制（Cｏntrol）和顯示(Ｉndiｃator）對象等,這使得用戶界面更加直觀易懂。3．2LabVIEW后臺控制面板后面板即是程序編輯窗口。流程圖提供VI的圖形化源程序，可以理解為傳統程序的源代碼。在流程圖中隊ＶＩ進行編程,以實現程序的輸入和輸出功能流程圖由端口、節點、圖框和連線構成。ＬabVIＥW有三類端口:前面板對象端口、全局變量與局部變量端口和常量端口.對象端口被用來與程序前面板上的控制件或顯示件傳遞數據；常量端口只能在程序中作為數據流起點;全局變量和局部變量端口是ＬaｂVIＥW用力啊傳遞數據的工具.節點類似于文本語言的函數或子程序，ＬａｂVＩEW有兩種節點類型：功能函數節點或子VI節點，二者的區別在于功能函數節點是LabVＩＥW本身提供給用戶使用的,不可以對它進行修改;子VI則是用戶可以進入并根據實際需要對其加以修改。圖框被用來實現結構化控制命令,例如循環控制、順序控制以及條件分支等；此外還有MATLAB腳本、HiQ腳本以及調用C語言編程的CIＮ節點等。連線用于代表程序執行過程中的數據流，它類似于文本程序的變量,數據是單向流動的。這些都是編程必須有的東西。3。3LａｂVＩEW程序執行流程宏觀上講，LabVIEW的運行機制已經不是傳統上的馮·諾依曼式計算機體系結構的執行方式了.傳統計算機語言（如C語言）中的順序執行結構在LabＶIＥW中被并行機制所代替。而且，對于那些數學和邏輯運算過程較復雜的程序，用花可以選擇使用VC或者Maｔlａb等開發工具將數學分析和處理過程編寫為專用的動態鏈接庫，LａbVIEW提供了專門的接口函數可以調用之。這樣,可以結合圖形語言和文本語言各自優點，更為靈活、高效、易用。３．4LａbVIEＷ中的儀器控制和驅動虛擬儀器是儀器的未來,但在工作臺上還有很多非虛擬儀器,毫無疑問需要用ＬaｂVIEW控制他們。對儀器的驅動是虛擬儀器實現對真實物理信號采集的基礎，當儀器驅動后,才能由軟件進行數據的分析處理進而實現某種測溫功能，并求取測量結果.并且，有時使用外部儀器也是可以的.3.4。1儀器驅動也稱為儀器驅動器模式完成對某一特定儀器控制與通信的軟件程序集,也可以認為是儀器的軟件描述,它是應用程序實現儀器控制的橋梁。每個儀器模塊都有自己的儀器驅動器，廠商將儀器驅動以源代碼提供給用戶。由于虛擬儀器需要提供模擬實際儀器操作面板的虛擬面板,因此虛擬儀器驅動器不僅是實施儀器控制的程控代碼,還是儀器程控代碼、高級軟件編程與先進人機交互三者相結合的產物,是一個包含實際儀器使用和操作信息的軟件模塊。上層是一系列按工程分組的主/副軟面板，軟面板又由一些按鍵、旋鈕、表頭等控件組合而成,每個控件對應不同的功能,及其程控代碼相異。底層部分則基于一組Ｉ／O函數和測試接口,實時模式下，測試人員對軟面板上控件的操作將直接反映到真實儀器上。和用戶直接打交道的部分是操作接口，及虛擬軟面板和面板上的控件。應用軟件建立在儀器驅動程序之上，直接面對操作用戶，通過提供友好直觀的測控操作界面、豐富的數據分析和處理功能,來完成自動測試任務。儀器驅動程序模塊負責處理與某一專門設備通信和控制的具體過程，通過封裝復雜的儀器編程細節，為用戶使用儀器提供簡單的函數接口,用戶不必對各種儀器硬件有專門的了解，就可以通過儀器驅動程序來使用這些儀器硬件。一般由儀器廠商以動態鏈接庫的形式提供給用戶.當需要更換新的儀器硬件時，只需要更新相應的驅動程序,并保證它對上層的接口保持不變，新的硬件就能在原系統中正常運行。３．4。GPIB：通用接口總線(GeｎeralPuｒposｅInterfａceBus）。有時候成為HP-IB(Heｗｌｅｔt—PaｃkardInｔerfacｅＢus）和IEEE488.２總線(InstituteofElectronｉｃEｎgｉneerｓtaｎdarｄ４8８.2）,它幾乎是任何儀器與計算機通信的世界標準.IVI:可交換虛擬儀器(ＩnｔｅrｃhangeableＶｉrｔualInsｔrument）.可以與許多不同的儀器協調工作的儀器驅動程序（用來控制外部儀器的軟件）標準.LXI：ＬAN在儀器領域的擴展(LANｅXtensioｎfｏrInstrｕmｅｎtation）。ＬXI協會給予工業標準以太網技術，為小型和中型系統提供模塊化、靈活性和性能的儀器平臺建議標準。RS—232：232號推薦標準（ReｃomｍendedStandａrｄ＃２32)。美國儀器協會為串行通信提出的建議標準?？梢耘c術語“串行通信”互換使用，盡管串行通信一般指的是一次傳輸一位。也許還會看到其他一些標準如RS—４85、RＳ-4２2和RＳ－４32。ＳCPＩ：可編程儀器標準命令（ＳtaｎｄaｒｄCｏmmaｎdsfoｒProgrammａbleInsｔrumenｔatioｎ）。SCＰI協會的一個建議標準,該標準使用簡單、直觀的ASCII命令為儀器通信制定了結構和語法.USB：通用串行總線（UniversａｌSeriａlBｕs）,大多數ＰC與外部設備互聯的標準總線。VＩSＡ:虛擬儀器標準體系結構（VｉrtuａlInｓｔrumｅｎtStandardArｃｈiｔecturｅ)，NＩ公司研發的一種驅動軟件體系結構。其目的是盡量統一一起軟件標準,不論儀器使用GPＩB、PXI、VXＩ,還是串行接口（RS-２３2/42２/485).３。4.３LaｂVIEＷ支持的GPIB、通常LａbVIEW有兩張安裝光盤，其中一張就是設備驅動盤,它包含了一個儀器驅動庫，該庫為ＮI生產的各種程控儀器（GPIＢ儀器、VXI儀器和串行儀器等)提供儀器驅動程序,例如HP3４40１A數字萬用表的儀器驅動程序。儀器驅動程序在功能模塊～InsｔrｕmenｔＩ／O-InstｒｕmｅｎtDriｖｅrｓ子模板中。對于非ＮI公司生產的上述I/O接口儀器設備，可用IｎstrumentI／O子模板上提供的ＶIＳA圖標來進行驅動。利用這些儀器驅動器，用戶可以很容易地控制各種儀器,并將主要精力放在儀器功能的實現上，而不必關心具體的編程細節，這一點是ＬａｂVIEＷ強大功能的體現。3．４.4VＩSＡVISA是ＮI公司發布的為統一軟件標準的驅動軟件體系結構。它是與驅動軟件通信的LabVIEW儀器驅動ＶI中的底層函數.VISA本身不提供儀