1 引言
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201611/323657.htm自動控制原理是國內高校自動化專業最重要的一門專業課，這門專業課的理論性非常強，光靠課堂教學達不到理想的教學效果，因此各個高校都開設自動控制原理實驗，通過實驗教學環節加深學生對理論知識的理解，將課堂教學知識轉化為實際應用知識，同時培養學生對自動控制原理這門課程的興趣。然而國內教學儀器企業銷售的自動控制原理實驗平臺不但操作複雜，而且價格昂貴，從而導致高校實驗教學開放程度不高，降低了實驗教學效果，繼而影響到自動控制原理的學習。針對此種現象，設計了一種簡易自動制原理實驗平臺，該系統主要包括電源、基於單片機AT89S52的信號發生器模塊、基本實驗環節模塊、控制系統環節模塊、數據採集模塊等模塊。其中，數據採集模塊通過ATmega16單片機將採集到的實驗數據，送到PC機上的LabVIEW 虛擬軟體平臺進行顯示或者儲存。經過實驗證明系統相對於傳統高校自動控制原理實驗平臺具有操作方便和價格低等優點，適合在高校實驗室推廣的價值。
2 簡易自動控制原理實驗系統介紹
簡易自動控制原理實驗系統結構圖如圖1 所示。其中電源輸入為市電220V ~ 50Hz 交流電輸入，通過電源模塊後可為整個系統提供各種所需電壓，電壓規格包括± 12V,+ 5V 等。信號發生器提供實驗環節所需要的輸入信號，其中包括階躍信號和頻率範圍為0 -100KHz正弦波、方波、三腳波的信號源。模擬環節包括基本實驗環節模塊和控制系統模塊。數據採集模塊的功能是將實驗環節模塊輸出的模擬量數位化並通過RS232串行通信將其送入PC 機進行處理，其中還包括電平轉換模塊，其作用是將輸入信號轉換為0 - 5V範圍內，從而能夠採集數據。PC 機安裝上位機軟體，用於接收下位機傳送的數據並進行處理和顯示，同時上位機將指令傳給下位機，用於調節下位機數據採集的速率和通道。
實驗平臺總體思想採用分模塊設計方法，首先將各分模塊分別設計和調試，再將其各模塊之間進行集成設計和聯立調試。採用該設計方法能使設計過程簡單並且能提高設計效率。
圖1 系統原理框圖
2. 1 信號發生器電路設計
信號發生器電路如圖2 所示，其中主控晶片AT89S52通過鍵盤和液晶電路接收來自用戶對所需信號的頻率及幅度。當用戶設置主控晶片後，引腳控制DDS 晶片AD9833就會產生相應的信號，其信號由LM741電路放大後經U7 輸出埠輸出。
圖2 信號發生器電路原理圖
2. 2 數據採集電路和多通道採集電路設計ATmega16 單片機是美國Atmel 公司生產的基於增強的AVR RISC 結構的低功耗8 位CMOS微控制器。ATmega16 單片機資源非常豐富、性價比高而且在工業生產中應用非常廣泛。ATmega16 單片機除了具有其他同類型單片機共有的特性外，還獨具有8 路10 位具有可選差分輸入級可編程增益的ADC 及可編程異步串行接口的內部資源。系統正是利用ATmega16 的8 路10 位可編程增益的逐次比較型ADC 及可編程異步串行接口的內部資源，從而簡化了電路設計的難度及編程難度。數據採集電路如圖2 所示，ATmega16隻需結合簡單的電平轉換、晶振電路和復位電路就可以達到系統的設計需求。圖3 電路中模擬信號通過八路模擬輸入的任意埠輸入即可，通過單片機內部程序控制，將輸入模擬量轉化為數字量。單片機再通過串行接口傳輸給PC 機，系統的通信是通過串行發送引腳TXD 和串行接收引腳RXD 連接串行通信接口電路實現數據的串行傳送與接收。