1、自动化专业测制系统综合设计课程任务书盐城工学院电气学院2013 年 12 月 20 日控制系统综合设计实施方案一、目的与任务本课程设计是自动化专业教学中的一项重要专业实践环节，为了使学生对在以后的就业中可能接触到的生产现场、生产过程和测控系统的设计有较为深刻的认识，本次课程设计重点是要求学生能够设计完成一个实际的应用系统。通过设计应用系统，使学生对所学的传感器、控制系统、微机原理、计算机网络、组态软件等方面的知识有更进一步的深刻的认识和掌握，培养学生综合应用所学专业知识和技能分析解决实际问题的能力，熟悉技术设计工作的一般程序和方法。它对帮助学生全面深入地掌握测控类课程教学内容、培养学生的实践和
2、实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。该课程以现场总线技术为主线，综合运用所学的工业数据通讯与控制网络、现代测控技术、计算机网络、计算机语言等方面的知识，通过课程设计，学生能掌握现场总线分布式控制系统的技术、体系结构、总线节点开发和设计方法。目的是经课堂教学与实验，综合运用现场总线技术知识进行工业分布控制系统的构建及应用。二、课程设计要求通过设计，要求学生在指导老师的指导下，独立完成所分担的课题设计内容。包括：正确选择方案。正确进行器件的选择，软硬件设计及调试；根据课题设计要求进行必要的实验、调试；绘制相应的原理图；编制软件程序，实现相应的功能；编写设计说明书；参加答辩。设计要求包括
3、：（1）初步掌握测控系统的分析、设计的基本方法。完成测控系统结构原理图的绘制，完成一份课程设计说明书。（2）掌握工业以太网和现场总线分布控制系统的基本概念、特性、体系结构、互连协议、工业现场实现等理论；（3）掌握工业控制总线、现场节点设备软、硬件平台，即 CAN 控制局域网总线、以太网总线等各种总线的总线标准，完成基于不同总线的现场节点结构和系统设计；要求能初步应用各类编程软件开发工具进行总线和节点的开发。三、课程设计题目（一）基于单片机的步进电机控制系统设计步进电动机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲，步进电机就转一个角度，因此非常适合单片机控制。在非超载的情况
4、下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，电机则转过一个步距角，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。传统的步进电机控制方法是由触发器产生控制脉冲来进行控制的，但此种控制方法工作方式单一且难于实现人机交互，当步进电机的参数发生变化时，需要重新进行控制器的设计。而由传统的触发器构成的控制系统具有控制电路复杂、控制精度低、生产成本高等缺点。为了克服传统控制器的缺点，满足工业生产新的控制要求，在此设计一种以单片机为核心的新型控制器。设计任务：(1)为用户使用方便，需要实现人机交互，有正转、反转控制功能。(2)实现步进电机的转速显示。(3)要求有足够的
5、控制精度。（二）煤矿瓦斯检测报警系统设计1系统模型综合运用气体传感器、单片机及其他外围设备设计一个针对瓦斯气体的检测与报警系统，当煤矿中瓦斯气体的浓度达到一定值时发出报警信息。以工业以太网教学实验开发平台为基础，利用组态软件编制一上位机软件，模拟实现以现场总线为基础的煤矿瓦斯检测报警系统设计。其中瓦斯检测采用气体传感器实现，采用以太网模块对气体传感器信号进行检测，实时显示、报警。2综合设计实现的基本功能检测瓦斯浓度，通过组态界面显示，当达到一定浓度时实时报警，切断开关。3综合设计的具体要求（1）构建控制报警系统硬件框架，给出硬件系统的电路原理图 。（2）根据系统设计要求实现的功能利用组态软件进
6、行系统性能设计。（三）炼钢炉温度控制系统的设计设计任务：1、利用 51 系列单片机实现对温度的控制，以实现对炼钢炉温度的控制。控制温度默认的设定温度为上限设定温度。低于或等于下限温度时加热，高于或等于上限温度时保温，设定时上限比下限大 50；2、输入通道部分由高温测量仪及其与单片机的接口部分组成，完成对温度信号的采集和转换工作；3、输出通道采用单片集成可控硅驱动元件作为对输出的驱动和控制；4、显示电路采用 LED 数码管，通过显示温度对炼钢炉温度进行实时监控；5、设计电路实现控制炼钢炉温度范围，当参数检测值超过所要求温度范围时，进行报警，从输出口各引脚输出报警信号，点亮发光二极管，实现报警。（
7、四） 基于以太网总线的自动门控制系统设计1系统模型通过对系统要求和功能进行分析 ,提出了系统整体设计方案。步进电机转速信号的采集均由单片机系统自行完成,然后通过现场总线将转速信号实时地传送给 PC 机进行处理。以工业以太网教学实验开发平台为基础，模拟实现自动门控系统的设计。利用功能模块检测光电开关的信号及步进电机的起、停和方向控制，通过实验平台上的步进电机模拟电动门，光电开关信号来模拟实现人的进出。利用组态软件编写一上位机软件，实现对光电开关的检测及电机的控制。2综合设计实现的基本功能有人来到门前，门打开；人离开时，门自动关上；记录人数（最好是进出人数） 。3综合设计的具体要求 （1）给出硬件
8、系统的电路原理图 （2）对整个系统进行构建，根据系统设计要求实现的功能利用组态软件进行系统性能设计。（五）交流双速电梯单片机控制系统设计设计任务：1、以交流接触器控制的电机主拖动系统；2、外呼内选系统，外部呼叫系统和指示以及轿厢内选层和指示系统；3、平层换速系统，电梯快车到达指示楼层之前，切换为慢速并到达平层位置停车；4、轿厢状态指示系统，随时显示轿厢所在位置；5、开关门控制系统，实现平层开门、关门行车等；6、安全保护系统，含有上下限位、消防、满载、门电锁等功能；7、操作控制系统，含有消防、检修、上下慢车、司机或自动行驶、上下方向控制、直驶操作等。（六）基于 CAN 总线的直流(DC)电机调速
9、系统设计1系统模型典型的 DC 电机通过改变输入电压来改变电机在负载条件下的转动角速度。以 iCAN 教学实验开发平台为基础，利用组态软件编写一上位机软件，实现以 CAN 总线为基础的直流(DC)电机调速系统设计。利用 iCAN 模块输出电压变化，改变电机转速；电机的起、停控制由 iCAN 功能模块完成。2综合设计实现的基本功能控制直流电机的启停、改变输入电压来改变电机转速，测量直流电机的转速，对直流电机脉冲数进行计数。3综合设计的具体要求（1）构建直流(DC)电机调速系统硬件框架，给出硬件系统的电路原理图与 PCB 图。（2）根据系统设计要求实现的功能利用组态软件进行系统性能设计。(七) 压
10、电位移工作台单片机控制系统设计设计任务：1、利用单片机实现对场效应管的导通和截止的控制，以实现压电位移的开关功能；2、实现单片机和压电应变片的连接控制，设计外围电路和应变片高压电路之间的接口；3、实现数据信号的采集，设计 A/D 芯片与单片机的连接；4、实现单片机控制的开关功能，设计单片机控制应变片的程序；5、实现数据采集，设计 A/D 转换器处理程序模块。(八) 基于组态的锅炉液位监控系统设计1系统模型以 iCAN 教学实验开发平台为基础，模拟实现锅炉液位监控系统的设计。利用组态软件编写一上位机软件，实现对光电开关的检测及电机的控制。2实现的基本功能（1）锅炉液位界面设计，若是动态画面要求能
11、看出液位的波动；（2）当前液位实时显示；（3）液位上下波动范围最大为 50100m；（4）液位低于 55m 或高于 95m 时报警鸣叫。3综合设计的具体要求（1）给出硬件系统的电路原理图 （2）对整个系统进行构建，根据系统设计要求实现的功能利用组态软件进行系统功能设计。（九）单片机恒温箱温度控制系统的设计技术指标与设计任务：1、利用 51 系列单片机实现对温度的控制，实现保持恒温箱在最高温度为 200；2、可预置恒温箱温度，烘干过程恒温控制，温度控制误差小于2；3、预置时显示设定温度，恒温时显示实时温度，显示精确到 0.1；4、温度超出预置温度5时发出声音报警；5、对升、降温过程没有线性要求；
12、6、温度检测部分选用合适的温度传感器和 ADC 转换器实现对温度的测量；7、输出控制部分由电炉采用晶闸管来实现，通过如 DAC0832 转换成模拟量，从而控制电阻丝的通电加热功率；8、人机对话部分由键盘、显示和报警三部分组成，实现对温度的显示、报警。（十）基于组态的全自动洗衣机系统设计1系统模型自选控制器，构建全自动洗衣机系统。利用组态软件编写一上位机软件，实现对全自动洗衣机的控制和故障报警。2控制要求 按下启动按扭及水位选择开关，开始进水直到高（中、 低）水 位，关水 2 秒后开始洗涤 洗涤时，正转 30 秒，停 2 秒，然后反转 30 秒，停 2 秒 如此循环 5 次，总共 320 秒后开
13、始排水，排空后脱水 30 秒 开始清洗，重复（1）（4） ，清洗两遍 清洗完成，报警 3 秒并自动停机 若按下停车按扭，可手动排水（不脱水）和手动脱水（不计数）3综合设计的具体要求（1）给出硬件系统的电路原理图 （2）对整个系统进行构建，根据系统设计要求实现的功能利用组态软件进行系统功能设计。（十一）阀门定位器控制系统设计 设计任务：1、能够接受来自调节器的电流信号并能将它转换成为电压信号，能够采集阀位反馈回来的模拟信号；2、能对以上采集到的信号进行运算、整理，最后根据偏差的大小输出连续信号或一定宽度的脉冲来控制压电阀；3、利用数码管能现场显示输入的参数以及阀门开度；4、利用按键能在现场对阀门
14、的工作流量特性的参数以及阀心的最大、最小行程等参数进行设定；5、调节阀在自动运行过程中，当阀心开度大于 90%或小于 10%时，以及阀心被卡住时，控制系统能进行报警；6、具有断电保存功能、看门狗功能、电源电压监测功能；7、能够和上位机实现通信，使上位机能够对阀门定位器实现数据的设定、管理，并且可以显示、打印；8、阀门定位器的控制系统采用的是以 51 系列为核心的单片机控制系统。注：学生人数较多，有些题目可以作些调整作为设计题目。学生也可自己选择自己感兴趣的课题，但必须经过指导老师同意。（十二）基于组态的皮带运输机传输系统设计1系统模型自选控制器，构建皮带运输机传输系统。利用组态软件编写一上位机
15、软件，实现对皮带运输机传输系统的控制和故障报警。2控制要求皮带运输机的传输系统由四台电动机 M1，M2，M3，M4 带动，控制要求如下： 起动时先起动最末一条皮带机 M4，经过 5 秒延时，再起动 M3，经过 5 秒延时，再起动 M2，经过 5 秒延时，再起动 M1。即 M4 M3 M2 M1 （分别间隔 5 秒） 。 停止时先停止最前一条皮带机，待料运完后再依次停止其它皮带机。即 M1 M2 M3 M4 （分别间隔 5 秒） 。 当某条皮带机发生故障时，该皮带机及其前面的皮带机立即停止，而其后的皮带机则待料运完后才停止。例如 M2 故障，M2、M1 立即停止，经 5 秒延时后，M3 停止，再
16、经过 5 秒，M4 停止。 当某条皮带机上有重物时，该皮带机前面的皮带机停止，该皮带机运行 5 秒后停止，而该皮带机以后的皮带机则待料运完后才停止。例如，M3 上有重物，M1、M2 立即停止，过 5 秒后，M3 停止，再过 5 秒，M4 停止。 3综合设计的具体要求（1）给出硬件系统的电路原理图 （2）对整个系统进行构建，根据系统设计要求实现的功能利用组态软件进行系统功能设计。四、推荐参考文献1 于洋.测控系统网络化技术及应用 ，机械工业出版社2 李正军.计算机测控系统设计与应用 ，机械工业出版社3李江全.计算机测控系统设计与编程实现 ，电子工业出版社4周立功主编.工业以太网系统教程 5 周立
17、功主编.iCAN 教学实验开发平台实验指导五、设计分组六、时间安排：第 18-19 周序号 时间(天) 内容安排1 0.5 布置课程设计任务2 1 系统总体方案设计3 0.5 硬件系统搭建4 3 程序设计4 2 调试5 2 书写设计报告6 1 答辩七、课程设计报告写作要求 1、封面2、内容提要 3、目录 4、正文（1）概述：本题目的意义、本人所做的工作及系统的主要功能；（2）系统工作原理，设计流程及描述，设计步骤； （3）程序代码、实验仿真结果。5、课程设计体会6、参考文献 八、考核办法及成绩1考核办法：由平时检查、提问抽查、课程设计完成情况与课程设计报告质量及面试等几方面结合起来考虑。学习与
18、设计态度的认真性，课堂知识理解掌握的深入程度，软件应用的熟练程度，设计方案的正确性或合理性，图文的质量效果，是否独立完成，是否具有独立分析解决问题的能力和创新精神等。2、考核成绩：成绩按优、良、中、及格、不及格五级分制评定。优：学习与设计态度很认真，设计方案正确或合理，图文质量好，独立完成。良：学习与设计态度认真，设计方案基本正确或合理，图文质量较好，独立完成。中：学习与设计态度较认真，设计方案基本正确或合理，图文质量一般，独立完成。及格：学习与设计态度一般，设计方案有几处错误， 图文质量一般，存在小错误。不及格：学习与设计态度很不认真，设计方案有原则错误，图文质量差，或抄袭行为严重。本课程设计环节考核按教学大纲要求具体实施，要求每一个学生独立提交一份自己设计的控制系统设计报告。测控系统综合设计专业 学生姓名 班级 学号 完成日期 盐城工学院电气学院
