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第一章计算机测控系统概述计算机测控系统是一种用计算机和相关设备进行控制和测量的系统。
它通常包括硬件设备、软件工具和算法，用于收集、分析和处理测量数据，并根据需要控制被测对象。
计算机测控系统被广泛应用于各个领域，如工业自动化、环境监测、科学研究等。
计算机测控系统的基本构成主要包括传感器、数据采集卡和数据处理器。
传感器用于将被测量转换为电信号，传感器的种类多种多样，根据不同的测量对象和需求选择合适的传感器进行测量。
数据采集卡是连接传感器和计算机的接口，它负责将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，然后传输给计算机进行处理。
数据处理器是计算机或嵌入式设备，它负责接收和处理采集到的数据，并根据需要进行控制操作。
计算机测控系统的核心技术包括数据采集和处理、数据传输和通信、控制和决策算法等。
数据采集和处理是系统的基础部分，它涉及到模拟信号转换为数字信号的过程，以及对采集到的数据进行滤波、去噪、校准等处理。
数据传输和通信是系统与外部设备或网络之间进行信息交换的方式，通常使用串口、以太网等接口进行数据传输。
控制和决策算法是系统的核心部分，它根据测量数据进行分析和判断，并根据需要进行自动或手动控制操作。
计算机测控系统的优势在于其高效、准确和灵活的特点。
通过计算机的处理能力和算法优势，可以对大量的测量数据进行实时分析和决策，提高系统的控制精度和效率。
同时，系统的硬件设备可以根据需要进行扩展和更新，以适应不同的测量对象和环境要求。
此外，计算机测控系统还可以实现远程监控和操作，便于用户对系统进行远程控制和数据访问。
然而，计算机测控系统也存在一些挑战和问题。
首先，系统的稳定性和可靠性是一个关键问题，由于测控系统常常运行在复杂的工业环境中，例如高温、强电磁干扰等，因此对系统的硬件设备和软件工具进行可靠性设计是至关重要的。
其次，系统的数据安全和保密性也是需要考虑的问题，特别是在一些敏感领域和国家级重点工程中，对系统的数据进行保护和防护是必不可少的。
1、异步串行通信接口通常指以下三类：RS-232(A、B、C)，20mA电流环和RS-422/RS485。
2、RS-232C：电气特性—采用负逻辑：-3v ~ -15v表示逻辑“1”，+3v ~ +15v表示逻辑“0”。
特征：由于RS-232C比较高电平输出，且正负输出，所以其驱动器需提供+10V以上的对称电源。
3、将TTL/CMOS信号直接连接：1米以内，最长不超过5米。
4、Page3（异步串行通信的直接连接、多机直接连接）。
5、MC1489是相应的4路RS-232C信号接收器，仅需5V供电。
6、MAX232A功能框图（P4图1.7）。
其功能是：将TTL的异步通信逻辑转换为RS-232C 逻辑电平。
（为什么要有转换部件?）7、上位机与多个串口设备通信时，每个串口必须使用1个独立的RS232C串口，可使用多串口卡，或多路串口接口芯片。
8、使用多串口卡连接多个串口设备的系统。
（P5图1.9）9、MAX488/490与RS422连线图（P6图1-10）。
为防止高频信号在连线中的反射影响通信质量，在接受端加接负载电阻式必要的。
10、总线方式的RS－422组网。
（P8图1-14）11、USB总线特点，以及其级联扩展。
（P17）12、长距离通信解决的问题以及解决方法（P18）。
13、长距离通信分为哪三种方法，各自的距离是多少？-用电流环实现隔离的长线通信，其距离见P18。
-使用RS-422/485的长线通信，通信距离可达1200米，更长的距离可通过中继器实现。
-使用光纤传输RS-422/485信号，通信距离可达20千米。
14、LED显示驱动方式，各自优缺点？1）静态显示：同时点亮，硬件较多，软件设计简单。
2）动态显示：轮流点亮，节省硬件，软件相对复杂，数码管较多，或为点阵显示屏时，常采用矩阵扫描方式。
15、LED为何要限流？由于LED的电流特性为近似的恒压器件，导通电流I在其导通阈值附近快速增大，所以必须加限流电阻控制电流值。
第二章计算机测控系统组成及类型2.1 计算机测控系统的组成及特点计算机测控系统是应用计算机来实现生产过程的测试、控制的系统。
其组成框图如图2-1所示。
操作人员微机测控系统图2-1 计算机测控系统的组成主机是计算机的测控系统的中心。
主机由的系统板上装有微处理器、内存贮器和一些支持元件组成。
外部设备是计算机专用的输入输出设备。
主要有：键盘、打印机、视频显示器、外存贮器（软盘、硬盘、磁带、可读写光盘等）。
外部设备起人机联系的作用，通过它人工才能了解和干预生产过程。
计算机是由主机和外部设备组成。
外围设备计算机测控系统中生产过程信号输入输出通道。
输入通道包括模拟量输入、开关量输入和脉冲量输入通道。
输出通道包括模拟量输出、数字量输出、脉冲量输出、报警通道和时钟通道。
由计算机和外围设备组成了工业控制机。
生产过程的各种参数，如温度、压力、流量、位移、成分等，通过传感器的测量输给外围设备的输入通道。
控制部件则通过接收外围设备的输出通道的信号来控制生产过程。
用工业控制机对生产过程进行测控就组成了计算机测控系统。
主机、外部、外围和测控仪器仪表，是计算机测控系统的硬件部分。
除硬件部分之外，还必须配备相应的软件。
计算机测控系统的软件可分系统软件和应用软件。
系统软件是计算机本身的操作系统和监控程序，它有一定的通用性，由计算机生产厂家提供。
应用软件是实现生产过程测控的应用程序，也称用户程序，它具有专用性，由用户根据具体需要编制。
由常规测控仪器仪表构成的模拟测控系统，虽具有可靠性高、成本低、易于维护操作的优点，但是它难以实现多变量测控、复杂控制规律的控制，如最优控制，自适应控制，时变控制；模拟控制屏越来越长，难以实现集中控制；各分子系统之间不便于进行通讯联系，难以实现多级控制；控制方案的修改比较麻烦。
计算机测控系统则能很好地解决上述问题。
计算机测控系统不仅能完成模拟测控系统的所有功能，而且还具有如下优点：（1）测控的速度和精度高；（2）由于计算机具有分时操作功能，所以一台计算机可以代替多台常规测控装置；（3）由于计算机具有记忆和逻辑判断功能，所以能够综合生产过程各方面的情况，在工艺参数变化时能及时地作出判断，选择最优控制。
计算机测控系统的设计与实现(总10页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--计算机测控系统的设计与实现1 计算机测控系统的发展历程及其定义在现代工业控制领域，计算机以其无以伦比的运算能力，数据处理分析能力，在测控系统中起到了很大了作用，测控系统的发展经历了五个阶段：测控系统的发展在20世纪50年代，测控系统处于自动测量、人工控制阶段，整个系统结构简单，操作灵活，但由人工操作，速度受到了限制，不能同时控制多个对象。
在20世纪60年代，采用电动单元组合式仪表测控系统，测控系统处于模拟式控制阶段，系统的控制精度和速度都有了提高，但抗干扰的能力比较差，且对操作人员的经验要求比较高。
直到20世纪70年代到20世纪80年代，出现的计算机集中测控系统以及分布式测控系统，才使得人类在控制领域实现了一次巨大的飞跃。
计算机测控系统的发展首先，在60年代末期，出现了用一台计算机代替多个调节控制回路的测控系统，就是直接数字测控系统，它的特点是控制集中，便于运算的集中处理，然而这种系统的危险性过于集中，可靠性不强。
随着70年代，电子技术的飞速发展，由美国Honeywell公司推出了以微处理器为基础的总体分散型测控系统，它的含义是集中管理，分散控制，所以又称为集散测控系统。
分布式测控系统是在集散测控系统的基础上，随着生产发展的需要而产生的新一代测控系统，分布式测控系统更强调各子系统之间的协作，有明确的分解策略和算法。
因此，计算机测控系统就是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象联系，以达到一定控制目的所构成的系统2 计算机测控系统的组成测量设备计算机主控器执行机构人机界面通讯模块图1 测控系统的组成计算机测控系统的组成如图1所示，包括计算机主控器、测量设备、执行机构、人机界面或通讯模块所组成。
测量设备测量设备的主要作用就是向计算机主控器输入数据。
一般来说，是利用传感装置将被控对象中的物理参数，如：温度、压力、液位、速度。
目录1 概述 (1)1.1 APD简介 (1)1.2 主要内容 (1)2 APD偏压温度补偿系统总体方案 (2)2.1 系统的整体结构 (2)3 系统硬件设计 (3)3.1 硬件设计方案 (3)3.2 元件选型 (3)4 系统软件设计 (4)4.1 软件概述 (4)4.2 系统软件整体结构 (4)4.3 主程序模块 (5)4.4 AD转换模块 (7)4.4.1 AD0832工作原理 (7)4.4.2 转换流程 (8)4.5 DA转换模块 (8)4.5.1 DA转换—PCF8591 (8)4.5.2 I2C总线工作原理 (9)4.6 按键改变设定电压模块 (9)5 结论 (11)5.1总结 (11)5.2感悟 (11)附录 (12)1 概述本次设计系统为APD偏压温度补偿系统，主要包括以下两个大的模块：硬件模块和软件模块。
软件设计主要有：用AD对温度和电压进行转换、DA对电压进行转换、数码管显示、按键改变设定电压等。
1.1 APD简介APD就是雪崩二极管。
APD工作时需要施加一个反向结压，这个反向偏置电压会引发雪崩效应，雪崩效应可通过改变偏压进行调节。
继而通过改变雪崩增益得到最优化的光纤接收器灵敏度。
要得到满意的雪崩增益，APD需要一个比较高的反向偏压。
但APD的雪崩增益会随着温度的变化而改变。
因此在一个系统中，如果要求APD 工作于恒定的增益，偏压必须能够改变，以补偿温度和制造工艺造成的雪崩增益的变化。
1.2 主要内容本文的主要内容包括以下几个方面：(1)用温度传感器AD590采集温度；(2)用AD0832进行温度和电压的转换，用PCF8591(DA)进行电压转换；(3)设计并制作APD偏压温度补偿系统的硬件电路；(4)设计APD偏压温度补偿系统的软件程序如AD和DA转换程序、显示程序、按键改变设定电压程序等。
2 APD偏压温度补偿系统总体方案STC90C51单片机本身就是一个完整的微型计算机，具有组成微型计算机的各部分部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等，只要外接温度采集电路、升压电路、AD和DA转换电路、显示电路、按键电路就可以实现本次设计的需求。
2.1 系统的整体结构通过对APD进行一定了解，本次设计的系统的整体框图如下图2-1所示。
图2-1 系统框图整体的系统框架搭建好后，就可以进行硬件电路的搭建，软件的相应编程来实现最终的功能。
3 系统硬件设计3.1 硬件设计方案根据APD 的特点，设计了APD 最佳偏压温度控制系统的硬件搭建。
主要包括温度的检测、A/D 和D/A 转换、升压电路、显示和报警等。
以STC90C51单片机为核心进行相应控制，使电压随温度的变化而变化，且当电压超过设定值时蜂鸣器会报警。
系统的硬件设计方案如下图4-1所示：STC90C51AD0832转换电路升压电路数码管显示电路按键电路蜂鸣器报警电路AD590温度检测电路DA(PCF8591)电压转换电路图4-1 硬件设计框图3.2 元件选型(1)升压芯片选型在此设计中选用的升压芯片是MAX5026。
MAX5026是固定频率、脉冲宽度可调的升压 DC -DC 变换器，其工作电压最低为 3V ,转换频率为 500 K HZ 。
具有低噪音、输出电压高等特点。
所以选择MAX5026。
(2)温度传感器的选择此系统选择的温度传感器为AD590，它的测温范围为-50o C~+150 o C ，满刻度范围误差为±0.3 o C ，工作电压范围4~30V ，电流温度灵敏度为1μA/K ，线性度良好，性能稳定，抗干扰能力强。
所以选择AD590。
4 系统软件设计硬件电路确定之后，系统所有的智能功能要由软件来完成。
软件是整个控制系统设计的核心，它具有充分的灵活性，可以根据系统的要求而变化，对于同样的硬件系统，配以不同的软件系统，所实现的功能也就不一样，而且有些硬件电路的功能都可以用软件来实现。
所以对于一个系统设计来说，软件系统常常比硬件系统需要更多的工作量。
4.1 软件概述软件设计的方法有结构化设计、由项向下设计、模块化设计和层次化设计等。
本系统软件设计采用面向对象的模块化程序设计方法。
所谓“模块”，实质上就是具有一定功能、相对独立的程序段。
其基本思路是将整个控制系统的功能分解为几个相对独立的标准模块，使其中的每一个程序模块完成某一特定的控制功能，并且分别只有一个入口和出口，这样就可以对每一个程序分别定义无歧义性的输入变量和输出变量，使它们的运行相对地不受其它程序的影响，从而增强了系统的可靠性。
模块设计的主要特点是：(1)单模块比一个完整的程序容易编写、查错和测试；(2)有利于整体工序设计任务的划分。
可以将程序分成不同的功能模块进行编写；(3)模快可以实现共享，一个模块可被多个任务在不同的条件下调用；(4)可以建立一个模块来把用户接口要素独立起来。
这样不会影响程序其它部分，就可以进行改进；(5)把输入/输出封装起来，可以使程序其余部分免受经常变动；(6)输入/输出放入模块使得程序很容易适应输入/输出设备的变动。
这样的设计有利于程序代码的优化，而且便于设计、调试和维护。
软件结构采用模块化设计方法，将控制器所要完成的功能分别编写和调试，所有模块调试成功以后，将各个模块连接构成单片机软件系统。
目前存在有4种编程语言支持单片机，即汇编语言、PL/M语言、C语言和BASIC语言。
其中汇编语言和C语言应用的较多，C语言既具有高级语言的优点，又具有低级语言的许多特点。
因此，结合本系统，本文选用功能强、效率高的C51语言。
4.2 系统软件整体结构根据APD偏压温度补偿系统工作流程可以得到系统的温度采集转换程序、数码管显示程序、输出电压转换机控制电压转换程序以及按键改变设定电压程序等。
研究的核心是温度、电压的转换及用简单算法控制偏压。
本次设计的APD 偏压温度补偿系统软件整体框图如图4-1所示：CPU 控制STC90C51AD0832转换程序升压电路数码管显示程序按键改变设定电压程序报警程序AD590温度采集DA(PCF8591)电压转换程序图4-1 系统程序框图4.3 主程序模块图4-2主程序流程图对应于系统程序框图可以得到系统主程序的流程。
系统工作的流程为：系统上电后温度传感器AD590采集温度通过相应电路处理后经AD0832进行转换，然后通过数码管进行显示；同时升压电路的输出电压也通过AD0832进行转换，并有数码管显示；CPU 由输出电压计算出控制电压，经DA转换后显示；如果输出电压大于设定值，蜂鸣器会报警。
此外，可通过按键改变设定的初始电压。
其主程序流程图如图4-2所示。
主要程序代码如下：main(){unsigned char temp1,temp2; //ADC转换值unsigned int b,c,d,m,n;outside_init( );Init_Timer0();DelayMs(20);while (1) //主循环{if(ReadADFlag){ReadADFlag=0;temp1 = ADC0832_Read(0); //转换通道0b=temp1*500/256 ; //测得的温度值放大十倍显示TempData[0]=dofly_DuanMa[b/100];TempData[1]=dofly_DuanMa[(b%100)/10]|0x80;TempData[2]=dofly_DuanMa[(b%100)%10];temp2 = ADC0832_Read(1); //转换通道1c=temp2*250/256*5; //输出电压值TempData[6]=dofly_DuanMa[c/100];TempData[7]=dofly_DuanMa[(c%100)/10];DelayMs(50);if(b>20) //d为根据温度计算出的输出电压值d= (11*b+40000)/100 ;elsed=(14*b+39000)/100 ;m=(710-d)*100/186 ; //m根据输出电压计算控制电压n=m*256/500;WriteDAC(n);TempData[3]=dofly_DuanMa[m/100]|0x80;TempData[4]=dofly_DuanMa[(m%100)/10];TempData[5]=dofly_DuanMa[(m%100)%10];DelayMs(50);if(c/10>Num){Beep_ON( );}}}}4.4 AD转换模块本次设计所用的AD为AD0832，它为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256 级，可以适应一般的模拟量转换要求。
主要对温度和电压进行转换。
4.4.1 AD0832工作原理此系统中，CH0用于温度转换，CH1用于电压转换。
其相应电路如图4-3所示。
当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。
当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。
此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。
在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。
在第2、3个脉冲下沉之前DI 端应输入2位数据用于选择通道功能。
图4-3 温度采集及转换电路4.4.2 转换流程根据以上介绍的AD0832，设计温度和电压的转换。
其转换的流程图如图4-4所示。
图4-4 AD转换流程图4.5 DA转换模块此系统的DA转换主要用PCF8591来实现，而PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。
设计中要将控制电压转换成模拟量再送入升压电路的输入端，从而实现对输出电压的控制。
4.5.1 DA转换—PCF8591PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。
PCF8591的3个地址引脚A0, A1和A2可用于硬件地址编程。
此系统中用其来实现电压的DA转换，所用电路图如图4-5所示。
图4-5 DA转换电路4.5.2 I2C总线工作原理I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。
各种被控制电路均并联在这条总线上，每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器）这取决于它所要完成的功能。
CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别及需要调整的量。
