电子系统设计实例

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2.
前向通道
前向通道组成如图所示，水温经温度传感器和信号放大电路产生 0～5V的模拟电压信号送入A/D转换器的输入端，A/D转换器将模拟 量转换为数字量通过系统总线送入单片机进行运算处理； 前向通道设计包含以下几方面内容：
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传感器选择
温度传感器的种类较多。热电偶的灵敏度较低；热敏电阻 由于非线性而影响其精度；铂电阻温度传感器由于成本高， 在一般小系统中很少使用； AD590是美国Analog Devices公司生产的二端式集成温 度—电流传感器，具有体积小、重量轻、线性度好、性能 稳定等一系列优点； 它的测温范围为－50～＋150℃，满刻度范围误差为 ±0.3℃，当电源电压在5～10V之间，稳定度为1%时， 误差只有±0.01℃，完全适用于本例对水温测量的要求；
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5.3
智能电子系统设计示例
一．设计任务与要求
1.
设计任务
基本要求
设计一个水温控制系统。
2.
一升水由1kW的电炉加热，要求水温可以在一定范围内 由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以 保持设定的温度基本不变。
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3.
主要性能指标
温度设定范围：40～90℃，最小区分度为1℃； 控制精度：温度控制的静态误差≤1℃； 用十进制数码显示实际水温； 能打印实测水温值。
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3.
指标分配与框图构成
针对总体方案所提出的任务、要求和条件，就可以用具有一 定功能的若干单元方框图构成一个总方框图，并将系统的性 能指标分配到各单元方框中去； 对于较粗的方框还可以作进一步分解，直到每一个子方框至 少可用一个能满足其功能的方案去实现为止； 将每个方案的可行性和优缺点逐一进行分析，再加以比较、 优化筛选，就可得到较理想的系统方案。
一个智能电子系统的设计，既有硬件设计任务，也有软件设 计任务。系统功能的划分既包括应用系统的软、硬件划分， 也包括软、硬件系统内各模块之间的功能划分； 智能型电子系统的硬件与软件之间有密切的相互制约的联系， 硬件和软件具有一定的互换性； 由硬件来完成一些功能可以提高工作速度，减少软件工作量； 由软件来完成某些功能，可降低硬件成本、简化电路，提高 系统可靠性； 可根据系统的运行速度、成本、可靠性和研制周期等要求来 确定软、硬件功能的划分。
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三．系统设计
1.
软、硬件功能划分
在绝大多数单片机系统中，系统功能的软、硬件划分往往是 由系统对控制速度的要求决定的，在没有速度限制的情况下可 以考虑以软件换取硬件电路的简化，以求降低硬件成本。
速度估算
∵ΔQ=mCΔT=1000g×1kcal/g•K×1K=1000kcal 又∵ΔW=P×Δt=4.186×ΔQ
y
t
比例控制(P控制)
比例控制的输出与偏差成比例关系；
y
当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡过程时 间短，但过程终了存在余差；
适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、 允许被控量在一定范围内变化的系统。
t
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比例积分控制(PI控制)
控制器的输出与偏差的积分成比例，积分 的作用使过渡过程结束时无余差，但降低了 系统的稳定性； PI控制适用于滞后较小，负荷变化不大， 被控量不允许有余差的控制系统。
AD590是温度—电流传感器，对于提高系统抗干扰能力也 有很大帮助，因此本例选用AD590作为温度传感器。
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Rf
Ii A Vo
Vo＝ -Rf Ii
信号转换与放大电路
AD581提供10V标准电压，它与运算放大器OP－07和电阻R1、 VR1，R2、VR2组成信号转换与放大电路，将35～95℃温度转换 为0～5V的电压信号； 查手册可知AD590在35℃和95℃时输出电流分别为308.2μA和 368.2μA，因此R1、VR1，R2、VR2阻值可按下式计算：
另一方面，采用PID的控制方式可以最大限度地满足系统对诸如控制精度、 调节时间和超调量等控制品质的要求。
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2.
系统组成
就控制器本身而言，控制电路可以采用经典控制理论和常规 模拟控制系统实现，也可以采用以单片机为核心的智能电子系 统实现水温的自动控制； 单片机的使用也为实现水温的智能化控制以及提供完善的人 机界面及多机通讯接口提供了可能，而这些功能在常规数字逻 辑电路中往往是难以实现或无法实现的； 所以本例将采用以单片机为核心的直接数字控制系统。
直接利用已成熟原理或软件来替代硬件不受此限。
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根据可靠性要求
硬件线路越复杂靠性的一个好办法；
在一些特殊场合，如军用及各种恶劣环境中，往往采用硬件 冗余线路来提高系统可靠性。
根据研制周期要求
为了加快智能型电子系统的研制速度，应尽量考虑采用各种 标准软硬件或利用已有成熟的软硬件来完成系统的功能，而 不必拘泥于前面所述细节。
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根据成本要求
智能电子系统研制费用包括硬件和软件费用，软件的费用不 仅是设计师所花费的脑力劳动，还有各种调试工具、消耗品 的费用；
软件费用的特点是研制费用昂贵，复制费用低廉；
在批量生产的产品研制中，应尽可能利用软件代替硬件，降 低成本；
小批量或单件产品不宜采用软件代替硬件办法，这会增加软 件研制费用；
∴Δt=4.186×ΔQ/P＝4.186J/kcal×1000kcal/1000W=4.186s
由此可见，对于指令执行时间一般为几个微秒的单片机系统 来说，控制速度几乎没有任何限制。
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软、硬件功能划分
为了简化系统硬件、降低硬件成本、提高系统灵活性和可 靠性，系统的软、硬件功能可作如下划分： PID运算、输入信号滤波及大部分控制过程都可由软件来完 成； 硬件的主要功能是温度信号的传感、放大、A/D转换及输出 信号的功率放大；
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后向通道
后向通道是实现控制信号输出的通道； 单片机系统产生的控制信号经功率放大电路放大控制电炉的 输入功率，以实现控制水温的目的。
人机对话通道
人机对话通道主要由键盘、LED显示和打印机组成； 为了满足功能要求，键盘可由10个数字键及6个功能键组成 (确认、取消、设定温度、修改PID参数、运行、打印)； LED显示由双3位数码管组成，分别显示给定温度和实测温度， 显示范围为0.0～99.9℃； 打印功能由微型打印机完成。
方案选择
结合本例题设计任务与要求，由于水温系统的传递函数事 先难以精确获得，因而很难判断哪一种控制方法能够满足 系统对控制品质的要求；
但从以上对控制方法的分析来看，PID控制方法最适合本例 采用：
一方面，由于可以采用单片机实现控制过程，无论哪一种控制方法都不会 增加系统硬件成本，而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案；
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四．单元电路设计
1.
单片机基本系统
如图所示单片机基本系统是一个8031最小系统；
为满足控制程序及浮点数运算程序库的存放要求，并适当留有余 地以便进一步扩展功能，因此选用了容量较大的存储芯片27256； 由于8031内部已集成了I/O口、中断、定时器和RAM，且可以满 足应用需要，因此可不必再扩充相关芯片。
了解国内外相似产品的开发水平、器材设备技术水平和供应状态。对所接受委托 项目，还应充分了解对方技术要求、环境状况、技术水平，明确设计内容； 了解可移植的软、硬件技术。能移植的尽量移植，以防大量的低水平重复劳动； 摸清软、硬件技术难度，明确技术主攻方向。
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2.
系统功能划分
水温控制系统的控制对象具有热储存能力大，惯性也较大的特点， 水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具 有纯滞后的一阶大惯性环节； 对于大惯性系统的过渡过程控制，一般可采用以下几种控制方案：
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开关量控制
这种方法通过比较给定值与被控参数的偏 差来控制输出的状态：开通或关断，因此控 制过程十分简单，也容易实现； 但由于输出控制量只有两种状态，使被控 参数在两个方向上变化的速率均为最大，因 此容易引起反馈回路振荡，控制精度不高； 这种控制方案一般在大惯性系统对控制精 度和动态特性要求不高的情况下采用。
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根据运行速度要求
在绝大多数智能电子系统中，划分软、硬件功能往往是由系 统的运行速度决定；
例如，单片机的时钟频率一般在6～12MHz左右，执行一条指 令至少需要1μs，而完成任何一项工作需要若干条指令，因 此比数字逻辑电路(无论是组合电路还是时序电路)都慢得多；
如果某一任务的执行时间要求少于10μs，就必须采用硬件电 路实现。否则，如采用确能完成此项任务的高速微处理器系 统，则会造成浪费。
4.
扩展功能
具有通信能力，可接收其他数据设备发来的命令，或将 结果传送到其他数据设备； 采用适当的控制方法，当设定温度或环境温度突变时， 减小系统的调节时间和超调量； 温度控制的静态误差≤0.2℃； 能自动显示水温随时间变化的曲线。
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二．总体论证
1.
控制方法选择
二．设计方法
智能电子系统的设计包含对系统硬件和软件的综合设计；
一个科学的设计方法，一般都具有以下的内容和步骤：总体论 证、系统功能划分、指标分配与框图构成。
1.
总体论证
总体论证包括系统性能指标的论证和系统组成的论证两个方面；
总体论证的方法是通过大量的调查研究，对系统具有的功能、性 能指标以及可能的组成方案进行综合考虑； 经过总体论证之后得到的系统总体方案应能解决以下问题：