第五章 智能电子系统设计示例 5.1 概述 所谓智能型电子系统，是指具有一定智能行为的系统。具体地说，若对于一个问题的激励输入，系统能够产生适合求解问题的响应，这样的系统称为智能系统； 以上虽然给出了智能系统的定义，但没有提出一个明确的界限，规定什么样的系统才算是智能系统。事实上，即使是智能系统，其智能程度也有高低； 一般认为，一个智能型电子系统应具备数据采集、处理、判断、分析和控制输出的能力，在智能化程度较高的电子系统中，还应该具备预测、自诊断、自适应、自组织和自学习控制功能； 以微处理器为核心的电子系统，可以很容易地将计算技术与实用技术结合在一起，组成新一代的“智能型电子系统”。

5.2 智能电子系统设计方法与过程 设计过程 智能电子系统的设计过程应包括总体论证、系统设计、软、硬件开发、联机调试和产品定型等几个步骤。

设计方法 总体论证 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。 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： 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。

系统功能划分 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。

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。

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； 直接利用已成熟原理或软件来替代硬件不受此限。

根据可靠性要求 根据研制周期要求 硬件线路越复杂，系统可靠性就越差； 采用软件替代硬件功能，是提高可靠性的一个好办法； 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。

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。

5.3 智能电子系统设计示例 设计任务与要求 设计任务 基本要求 设计一个水温控制系统。 5.3 智能电子系统设计示例 设计任务与要求 设计任务 设计一个水温控制系统。 基本要求 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。

主要性能指标 扩展功能 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。 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。

总体论证 控制方法选择 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：

开关量控制 比例控制(P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。 t y 比例控制(P控制) t y 比例控制的输出与偏差成比例关系； 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。

比例积分控制(PI控制) 比例积分加微分控制(PID控制) t y 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。 比例积分加微分控制(PID控制) 微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果； 在比例基础上加入微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差； PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。 t y

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； 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。

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。

系统设计 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 ∴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。

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； 人机通道功能由系统软、硬件配合完成，以降低软件设计的复杂性及缩短系统的研制周期。

总体框图 根据系统总体方案，系统由单片机基本系统、前向通道、后向通道和人机对话通道等4个主要的功能模块组成，总体框图如图所示。

单片机基本系统 前向通道 单片机系统是整个控制系统的核心； 由于系统对控制速度、精度及功能要求都无特别之处，因此可以选用目前广泛使用的MCS－51系列单片机8031； 8031可以提供系统控制所需的I/O口、中断、定时及存放中间结果的RAM电路； 由于8031片内没有程序存储器，因此单片机基本系统中除了应包括复位电路和晶振电路以外，还应扩充程序存储器。 前向通道 前向通道是信息采集的通道，主要包括传感器、信号放大、A/D转换等电路； 由于水温变化是一个相对缓慢的过程，因此前向通道中没有使用采样保持电路； 信号的滤波可由软件实现，以简化硬件、降低硬件成本。

后向通道 人机对话通道 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。

单元电路设计 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。

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：

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； 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。

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： R1+VR1=10V/308.2μA=32.4kΩ，取R1=30kΩ，VR1=5kΩ； R2+VR2=5V/(368.2－308.2)μA=83.3kΩ，取R2=81kΩ，VR2=5kΩ。

A/D转换器 按精度要求，则系统的控制总误差应不大于1/(95-35)×100%=1.67%，分配到前向通道的信号采集总误差应为0.83%，可以采用8位A/D转换器实现； 由于水温变化相对缓慢，因此前向通道中没有使用采样保持电路，A/D转换器可以采用价格低廉的8位逐次逼近型A/D转换器ADC0804，该转换器转换速度为100μs，转换精度为0.39%，对应误差为0.234℃； ADC0804的信号连接如图所示。其中，CLK-R和CLK-IN两端外接一对电阻、电容，即可产生A/D转换所需要的时钟信号。

后向通道 为了实现水温的PID控制，功率放大电路的输出不能是一个简单的开关量，输入电炉的加热功率必须连续可调； 改变输入电炉的电压平均值就可改变电炉的输入功率，而较简单的调压方法有相位控制调压和通断控制调压法； 采用通断控制调压法不仅使输出通道省去了D/A转换器和可控硅移相触发电路，大大简化了系统硬件，而且可控硅工作在过零触发状态，提高了设备的功率因数，也减轻了对电网的干扰。

控制精度 由于通断控制调压法使加在负载上的电压为几个连续的半周，因而必须考虑最小输入功率对控制误差的影响： ∵Δt=4.186s ∴ΔT=10ms/4.186s×1℃＝0.00239℃ 可见，用通断控制调压法控制电炉的输入功率可以满足系统对后向通道控制精度的要求。

器件选择 MOC3041是耐压为400V的光电耦合器，它的输出级由过零触发的双向可控硅构成，它控制着主电路双向可控硅的导通与关断； 双向可控硅工作电压峰值VP=220×1.414=311(V)，工作电流峰值IP=1000/220×1.414=6.43(A)，因此，可选用BTA12－600，该器件可承受的最大反向电压为600V，最大工作电流为12A； 100Ω电阻与0.01μF电容组成双向可控硅的保护电路。

人机对话通 控制面板布置 按系统功能要求，可以设想系统控制面板布置如图：

后向通道组成 人机对话通道主要由行列式键盘、LED显示器和GP16微型打印机组成：

键盘的扫描输入和显示器的扫描输出采用了可编程键盘、显示接口芯片8279，由8279负责键盘的扫描、消抖处理和显示输出工作，大大减轻了CPU在扫描键盘或刷新显示时的负担，也简化了应用软件的编写； 8279键盘被设计为2×8行列，扫描线由SL0～SL2经译码输出，接入键盘列线；查询线由RL0～RL1提供，接入键盘行线； 显示器配置为2×3位LED显示，位选线由SL0～SL2经译码和 7406驱动器获得，段选线由B0～B3，A0～A3通过9012驱动提供； GP16微型打印机也通过总线与单片机相连。

系统改进措施与功能扩展 增加通信功能 利用单片机片内串行口外加逻辑电平转换电路组成RS－232C标准接口以实现系统相互通道的扩展； 逻辑电平转换电路采用了一片专用芯片ICL232，外加少量电容即可完成TTL到RS－232或RS－232到TTL的逻辑电平转换。

提高静态控制精度 简化硬件、降低成本 要提高系统的控制精度，关键是提高前向通道的采样精度； 要使温度控制的静态误差≤0.2℃时，则前向通道的采样误差应控制在±0.1℃以内，对于35～95℃的检测范围相应的精度为0.167%； 应采用10位以上的A/D转换器(误差≤0.1%)，如12位逐次逼近型A/D转换器AD574A和3位半(十进制)双积分型A/D转换器MC14433等。 简化硬件、降低成本 如果单片机内部含有A/D部件，且精度、速度均能满足要求，则可省去前向通道中的A/D转换接口电路，进一步简化系统硬件、降低成本、提高系统可靠性； 例如MCS－96系列单片机芯片中就带有一个10位分辨率、转换时间为22μs的A/D转换器，从而大大提高系统的性价格比。

实现自动显示水温曲线的功能 由于受到系统配置与扩展能力的限制，一般单片机系统都难以配置标准的CRT显示器和标准打印机； 为了实现自动显示水温曲线的功能，可以采用全图形点阵式液晶显示器或采用通用微型计算机系统； 通用微型计算机系统硬件上已经配置了人机对话和多机通讯设备，软件上提供了操作系统和设备驱动程序，为应用系统实现人机对话、曲线显示与打印及多机通讯提供了良好条件； 通过计算机系统提供的I/O扩展槽扩展相应的前向通道和后向通道，可以很容易实现本例题各项设计任务和扩展功能要求。