基于组合式过程控制系统的现场控制器的设计

摘要

针对实验室原FESTO组合式过程控制系统存在的问题，如控制过程不直观，控制参数与实际物理量无明显对应关系，按照提供的控制参数无法得到较好的控制性能指标等，论文对系统进行了硬件改造和软件设计。 硬件改造工作包括：设计了一款价格适中，具有数据采集、控制、串口通信、网络通讯等功能及各种常用接口的控制器。该控制器以MSP430F1611单片机为核心，具有自主处理数据的能力。该控制器作为现场控制单元实现过程对象的数据采集和控制，并可以通过RS232串口接收上位机发送的控制参数，同时可以将现场数据实时传送给上位机，以便对控制过程进行实时监控和数据处理。现场控制器的硬件设计包括键盘、液晶显示、复位电路、RS232、JTAG、CAN等功能模块的设计。 另外，由于MSP430F1611单片机要求的输入、输出电压为3.3V，而FESTO系统的传感器、比例阀、加热器的信号与此不匹配，所以论文还设计了相应的信号调理电路。 软件设计部分：编写了现场控制器各功能模块如键盘、液晶显示、串口等的驱动程序。 最后，为了验证现场控制器和接口电路的设计性能，论文以FESTO组合式过程控制系统为平台，构建了液位单回路控制系统，实现了液位定值控制。最终实验结果表明设计方案正确，性能良好。

目录

文摘

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声明

1绪论

1.1过程控制的发展历史

1.2课题的研究背景

1.2.2系统存在的问题

1.2.3课题研究的思路

1.3论文内容安排

2系统的总体设计方案

2.1系统总体设计方案

2.2系统硬件设计原则

2.2.1单片机型号选择原则

2.2.2单片机应用系统的硬件电路设计原则

2.2.3 PCB设计原则和注意事项

2.3系统软件设计原则

2.4本章小结

3现场控制器的硬件设计

3.1现场控制器的功能框图

3.2主控制器的选择与介绍

3.2.1主控制器的选择原因

3.2.2 MSP430F1611单片机的介绍

3.3 MSP430F1611的资源分配

3.4现场控制器各模块的硬件设计

3.4.1电源设计

3.4.2复位电路

3.4.3报警电路和指示灯

3.4.4键盘

3.4.5液晶显示

3.4.6 RS232通信串口

3.4.7 JTAG口

3.4.8 A／D和D／A接口

3.4.9 CAN接口

3.5硬件调试

3.6本章小节

4系统的接口电路设计

4.1 FESTO系统接口电路设计总体方案

4.2液位传感器调理电路

4.3压力传感器调理电路

4.4流量传感器调理电路

4.5超声波传感器调理电路

4.6温度传感器调理电路

4.7比例阀驱动电路

4.8加热器驱动电路

4.9本章小结

5现场控制器的软件设计及调试

5.1软件设计环境简介

5.2键盘程序设计

5.3 RS232串口程序设计

5.4 A／D、D／A转换模块软件设计

5.5字符液晶程序设计

5.6 CAN口程序设计

5.7本章小节

6基于FESTO系统的的应用

6.1方案

6.2控制算法的实现

6.2.1 PID控制介绍

6.2.2增量式PID算法的实现

6.3液位单回路运行结果

6.4.本章小结

7结论和展望

7.1结论

7.2展望

致谢

参考文献

附录