基于单片机的无线多点工控闭环系统设计

何志明++胡惟文

摘要：本文融合无线通信技术、单片机技术和计算机技术，设计了一套从硬件电路到软件一体化的完整的工业闭环控制系统。该系统主要由上位机、主设备和从设备三大部分组成。通过计算机端上位机可以随时监测和控制3公里以内工厂里各个生产车间里的多个大型机器的运作。本系统可应用于棉纺织厂、电子加工厂和智能楼宇等场合。

关键词：单片机 无线多点 高精度A/D和D/A 工业闭环控制

中图分类号：TN99 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0009-02

为了适应现代化的发展，工业企业内部的生产工作也在不断进行技术上的创新。电气自动化技术在工厂的生产工作中非常重要，属于工厂进行生产工作的重要方式[1]。从目前来看，如果想要电气自动化技术发展的更长远，就要同电气自动化控制技术在工厂的生产工作中的实际应用现状相结合，并根据实际应用中存在的问题，设定解决方案，最后解决问题[2-4]，这样会在最大限度上促进电气自动化控制技术的可持续发展。根据某企业实际需求，本文设计了一个无线多点工控闭环系统。

1 系统方案

本文设计的无线多点工控闭环系统主要由上位机、主设备和从设备三大部分组成，其整体方案如图1所示。主设备和上位机之间通信遵循RS232协议标准，主设备和多个从设备在433MHz频段自组网，进行双向RF无线收发通信，通过计算机端上位机可以随时监测和控制3公里以内工厂里各个生产车间里的多个大型机器的运作。

从设备功能框图如图2所示，采用美国德州仪器（TI）公司原装高速高精度片上集成A/D、D/A转换器，LCD液晶显示，433M无线串口，LED及蜂鸣器。结合线性电气比例阀，具有调控灵敏度高，和响应速度快的特点。

2 系统硬件电路设计

硬件设计包括以下几个模块：5V/12V双路电源电路，单片机最小系统电路，D/A、A/D工作电路，四路运放电路，串口通讯电路，Nokia5110液晶显示电路，LED及蜂鸣器电路。其中单片机最小系统主控采用增强型51单片机STC90C516RD+，引脚完全兼容40脚的STC89C52、AT89S52等。D/A采用TI公司生产的四路串行输入12位电压输出数模转换器DAC7614。A/D采用TI公司的12位串行模数转换器TLC2543，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机的I/O资源。四路运算放大器采用LM386 是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路，它的内建增益为20，通过pin1和pin8脚位间电容的搭配，增益最高可达200。无线串口模块采用E15-USB-T2。该硬件设计具有体积小，备ESD保护，支持多种系统和多种波特率。

3 系统软件设计

整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本确定，主要包括以下几部分。

3.1 主程序方案

程序设计的过程中，保持良好的模块化编程风格，本着资源利用率最高的原则，充分利用单片机的中断资源[4-5]。在系统初始化（液晶、A/D、D/A、定时器、串口等）完毕之后，所有的事务都在中断里进行处理，极大地提高了CPU的利用率和程序运作的稳定性。系统的主程序流程图如图3所示。

3.2 各模块子程序设计

串口部分的程序主要是对既定的字符串协议进行解码，并把需要的有效数据提取出来，然后传递给特定的变量，并调用功能处理函数进行宏观调控。

定时器启动后，执行周期性巡回中断事件，主要有三个任务：一个是ADC采样，其次是刷新LCD显示采样结果，还有一个就是进行四通道的电压自动闭环调控，并稳定输出所需电压值。

4 上位机设计

采用VB环境下PC机与单片机之间实现串行通讯的软硬件方案。MSComm控件串口具有完善的串口数据的发送和接收功能[6]，通过此控件，PC机可以利用串行口与其它设备实现轻松连接，简单高效地实现设备之间的通讯。

经过VB程序设计，对素材的收集整理、对各个对象的布局、对各个事件的响应以及各个模块的各种容错处理机制的建立，并添加了一些人性化的时间控件，最终完成了整个上位机的开发。主控器实物图如图4所示，上位机界面如图5所示。

5 结语

本文给出了一种基于433M无线、高速A/D及D/A和电气比例阀在气动工业自动化系统中的全套解决方案。给出了系统的硬件电路设计方案和硬件电路图，对系统的软件部分给出了主从模块程序流程图，最后给出了上位机开发过程。本系统仍有部分待优化完善的部分，如硬件方面可考虑添加摄像头功能，添加OTA程序升级功能；软件方面可以考虑上位机用Qt或VS 2010软件开发，UI界面做的更完善、规范，加入服务器联网功能，企业可通过网页端直接监控工厂实况，真正地实现无人值守。

参考文献

[1]严伟，王淑超，侯炜，石铁洪，沈全荣.基于数字化技术的发电厂电气二次一体化方案[J].电力系统自动化，2012，16：93-97+131.

[2]班偉，陶国良，路波，孟德远，袁月峰.新型气动比例压力阀的建模研究与特性分析[J].浙江大学学报（工学版），2012，11：1953-1959.

[3]谢自美.电子线路设计·实验·测试[M].武汉：华中科技大学出版社，2000.

[4]曹丙霞，赵艳华. Protel99SE原理图与PCB设计[M].北京：电子工业出版社，2007.

[5]Meehan Joanne，Muir Lindsey. SCM in Merseyside SMEs： Benefits and barriers[J].TQM Journal，2008.

[6]刘炳文.Visual Basic程序设计教程（第四版）.北京：清华大学出版社，2009.

收稿日期：2016-09-01

作者简介：何志明（1993—），男，湖南永州人，本科在读；胡惟文（1967—），男，汉族，湖南常德人，湖南文理学院物理与电子学院，硕士，副教授，主

要从事电子技术应用方面研究。