数控车床智能控制系统的研究 摘要:针对目前现有数控车削加工过程中加工、测量、编程相互分离,导致生产效率低,智能化和自动化程度不高以 及对机床操作人员要求较高的现状和不足,对数控车床智能控制系统的研究进行了综述。 关键词:车床数控系统;在线测量; DSP;自动编程 0 引言 从20世纪80年代末以来,国内开始充分利用计 算机的软件资源来提高数控系统的性能。先后借助于 MS-DOS和W indows操作系统平台来开发基于个人计 算机(PC)的新一代数控系统[1]。 一般系统采用当前先进的PC+NC开放式体系结 构,选用高速DSP作为CPU来完成实时性的NC内 核任务,实现电机实时控制以及在线检测,而由PC 机来完成非实时性的任务,诸如编程模块中的图形信 息提取,通过USB串行通信实现上、下位机信息的 交互[2]。 1 数控车床智能控制系统结构 1·1 数控车床智能控制系统总体体系结构 富的资源和强大的运算能力和下位机DSP实时性强 的特点[3],整套系统功能配置合理,性价比高。系统 功能结构如图1所示。 1·2 系统工作流程 详细的系统工作流程如图2所示。 2 测量系统 通过引入测量系统,提高了数控车床的精度、生 产效率和自动化程度,同时基于测量的加工路径规划 功能使得数控车床的加工操作更加简便,使数控车床 具有了智能性。 2·1 测量的实现 测量实现的物理基础:工件为不透明物体,当有 光发射、接收元件组成的测量装置扫过其轮廓时,显 然在工件轮廓外光不被遮挡,接收元件可收到光;在 工件轮廓内光将被挡住,接收元件接收不到光,因 此,工件的轮廓位置可以由光的有无变化,进而由传 感器转化为电压的高低变化,来探测确定。如图3所 示。 2·2 测量方法 测量要完成的任务是要确定工件坐标系的原点位 置以及工件轮廓尺寸信息,并根据尺寸信息分析出刀 具参数信息,实现刀具补偿值的自动修正。 测量步骤如下: (1)数控机床启动后刀架先回机床零点,并通 过换刀命令使测量装置处于工作位置,即测量装置面 向待加工件。 (2)确定工件坐标系原点在机床坐标系中的位 置。 (3)工件尺寸的测定,可以确定任何位置处工 件的轮廓尺寸信息。 (4)测量结束后,刀架返回换刀点,通过换刀 命令使刀架转位,使下一工序使用的刀具处在工作位 置处,然后进行正常切削加工即可。 3 上位机(PC)功能的设计与实现 3·1 国内外研究现状 自动编程系统一般分为对话式数控语言编程系统 和图形交互自动编程系统。国际上流传最广、影响最 深的数控编程语言是APT语言,但随着计算机图形 编程和CAM软件的发展, APT语言已逐渐被淘汰。 随着计算机技术的迅速发展,计算机图形处理能 力有了很大增强,一种新的编程技术——— “图形交 互自动编程”便应运而生。图形交互自动编程系统 以机械计算机辅助设计(CAD)软件为基础,利用 CAD软件的图形编辑功能将零件的几何图形绘制到 计算机上,形成零件的图形文件,然后调用数控编程 模块,采用人机交互的方式在计算机屏幕上指定被加 工的部位,再输入相应的加工参数,计算机便可进行 必要的数学处理并编制数控加工程序,同时在计算机 屏幕上显示刀具的加工轨迹。这种编程方法具有速度 快、精度高、直观性好、使用简便、便于检查等优 点,现已成为目前国内外先进的CAD/CAM (计算机 辅助制造)软件所普遍采用的数控编程方法。 国外的图形自动编程系统起步较早,且发展迅 速,有些产品已经获得了较广泛的应用。如美国 AUTO-CODEMECHANICAL公司的AUTO-CODE图形 自动编程系统,德国OPEN MIND公司的hyperMILL 数控机床(加工中心)图形自动加工系统,英国 Pathtrce公司的EdgeCAM forMDT数控自动编程系统 和美国的MERRYMECHANICAL公司的SPM-81TM钣 金CAD/CAPPICAM系统等。以上系统大都采用美国 Autodesk公司的AutoCAD或MDT (Mechanical Desk- top)作为开发平台和造型工具进行开发。 国内的图形自动编程软件的开发起步较晚,但近 几年发展较快。通用系统有北京华正公司的CAXA制 造工程师系列软件191,北京清华京渝天河公司的 PCAutoCAM系统等;另外大多数为专用数控编程系 统,如北京市机电研究所的VMC-750主轴箱体自动 编程系统,重庆ONLYSOFT的线切割自动编程系统 等。 图形自动编程系统是高效的数控编程手段,是数 控系统向集成化、智能化发展的必要环节,是当今数 控编程技术发展的主要潮流之一,是CAD/CAM研究 的重要领域。国外自动编程软件价格非常昂贵,国内 许多中小企业仍然采用繁琐、复杂、效率低的手工编 程。为此,在PC机上研究并开发数控车床自动编程 系统,能够实现CAD/CAM的集成。使系统具有读取 DXF文件、自动生成NC代码、二维仿真等功 能[4-5]。建立切削参数数据库,使自动编程系统可以 得到合理优化的切削用量,实现了整个系统信息集 成。 3·2 系统的总体框架结构与工艺流程 系统框架结构如图4所示,它主要包括AutoCAD 图形生成、提取图形数据信息、工艺干预、NC代码 生成、动态校验和数控加工程序输出6个功能模块。 机,主轴电机、刀架电机以及机床操作面板和机床 上开关I/O等。此外,还有测量接口电路。考虑到系 统可控制伺服的要求,控制接口要求有D/A输出和 脉冲串输出,同时有接受正交编码器的QEPI接口。 系统通过USB接口与PC机实现通讯,通过PC的丰 富功能实现系统的自动工艺规划、自动编程以及友好 的操作界面[6]。完成系统从CAD图形———工艺规 划———刀轨规划———编程后处理———数控加工的完整 过程。 4·1 硬件结构框图(图5) 4·2 软件实现 如图6所示,系统功能模块分为串行通讯、预处 理、加减速、轨迹插补、伺服输出、刀具补偿等分功 能模块,并通过加工信息缓冲区、轨迹缓冲区、插补 缓冲区交换信息,顺序进行最终驱动电机运行。 5 结束语 通过对数控车床智能控制系统的研究进行综述, 得到以下结论: (1)采用PC+DSP运动控制卡开放式体系结构, 面向用户的上位机(PC)界面友好,功能强大[7]。 用于电机控制的下位机(NC)采用DSP,实时性强。 上下位机采用USB串行通信。系统具有开放性、可 扩展性和模块化的特点。 (2)现有的数控系统和测量系统功能是相互分 离的,而且其仅用于工件定位、尺寸测量等固定 能,没有实现和数控系统的有机结合。本文提出一种 新型基于在线测量的数控系统,可以将测量信息直接 反馈到控制系统,由其实现刀具加工路径的智能规 划,减少机床操作人员对加工过程的干预。 (3)该系统的基于在线测量的车削加工路径智能 规划及自动编程功能,将极大简化数控车床操作,减 轻数控车床操作工人的劳动强度,提高设备生产率。 (4)该控制系统方案既可用于改造传统普通车 床,也可与新一代的经济型数控车床配套使用,符合 我国当前国情,能给制造企业带来可观的经济效益, 具有十分广阔的应用前景和市场价值。 参考文献 【1】毛军红,李黎川,吴序堂·机床数控软件化结构体系 [J]·机械工程学报, 2000, 36 (7): 48-51· 【2】Tao Cheng, Jie Zhang, et al·IntelligentMachine Tools in a Distributed Network Manufacturing Mode Environment [J]·The International JournalofAdvancedManufacturing Technology, 2001, 17: 221-232· 【3】J·Zuo, Y·P·Chen, et al·Building Open CNC Systems with Software IC Chips Based on Software Reuse [ J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2000, 16: 643-648· 【4】Mark·T·Hoske·New CNC Controller is‘Fully Open’ ControlEngineering, 1996, 43 (15): 69-70· 【5】R·E·Chalmer·Open-architecture CNC Continues Advan- cing [J]·Manufacturing Engineering, 2001, 126 (7): 48-52· 【6】王太勇,等·分布式智能协作体系结构构建集成化开 放结构数控系统的研究[J]·机械科学与技术, 2004 (12)· 【7】Y·Altintas·ModularCNC Design for IntelligentMachine Tools [J]·Annals of the CIRP, 1994, 43 (1)·
为了配合自动化学科专业发展战略研究，高等学校自动化专业教学指导分委员会分别对“研究主导型”本科自动化专业、“工程研究应用型”本科自动化专业、“应用技术主导型”本科自动化专业、“技术技能型”专科自动化专业的发展状况以及企事业单位对自动化专业人才培养意见与建议开展了相关的调研工作，撰写了五篇调研报告。本刊将选登有关内容。
1.1 研究主导型自动化专业学科概况
自动化技术的应用范围涉及工业、农业、交通、能源、国防等众多领域，具有广阔的发展前景。目前，全国开办自动化本科专业的高等院校有239所，其中设置有研究生院且有一个及一个以上“控制科学与工程”所属二级学科博士点的高等院校有29所。这29所高校，我们在这里称其为具有研究主导型自动化学科专业的高等院校。此次调研，共收集到其中的17所院校的自动化学科专业的现状材料。这些大学既有教育部直属的重点院校，也有国防科工委下属的重点院校，以及其他部委所属的重点院校。从地域上来看，遍布了我国的各大区域。
17所研究主导型大学中，学校均具有国家重点学科或省部级重点学科，或省部级重点实验室，或国家工程中心，能够从学科建设、博士生—硕士生—本科生一体化培养角度来建设高质量的本科教育。研究主导型大学均以培养具有高素质的人才为己任，以“综合性、研究型、开放式、国际化”为办学模式，以“高素质、厚基础、宽口径、创造性、重应用”的高层次人才为培养目标，以建立高水平的科学技术研究—教学研究基地、建成“国内一流、国际知名” 的研究型大学为奋进目标。
1.2“研究主导型”自动化专业的培养目标与定位
自动化专业是一个通识教育基础上的宽口径专业，自动化专业面对各种人造系统和自然对象，进行信息获取、处理和利用，特别着重于对其行为的干涉和控制，以达到人们期望的目的。适应数字化、综合化和智能化的发展趋势，“研究主导型”自动化学科专业培养自动控制、电气工程、机电一体化、信息技术等领域的专门技术人才，培养具有电工、电子技术、运动控制、过程控制、控制理论、智能控制理论、模式识别与智能机器人、自动检测与仪表、计算机技术与应用、信息工程/网络技术等与自动化相关的领域从事系统分析、设计、仿真、运行、研究、开发、管理决策的高级工程技术人才。利用计算机、网络通信和电气、电子等学科的交叉优势，培养学生能在自动化系统、计算机与网络技术、先进制造技术、系统工程等宽广领域从事设计、研究、开发、运行和管理工作。
“研究主导型”自动化学科专业的毕业生应获得以下几方面的知识和能力：
（1）具有扎实宽厚的自然科学基础，较好的人文社会科学基础。
（2）掌握本专业领域必需的宽广的技术基础理论知识，主要包括电路理论、电子技术、控制理论、信息处理、计算机软硬件基础及应用等。
（3）较好地掌握运动控制、过程控制、自动化仪表、电力电子技术、计算机应用及信息处理、复杂系统的建模与仿真等方面的知识，具有本专业领域1～2个专业方向的专业知识和技能，较深入地了解本学科专业的前沿和发展趋势以及工程应用的总体态势。
（4）获得良好的系统分析、系统设计及系统开发方面的工程实践训练。
（5）在本专业及相近专业领域内具备一定的科学
（6）具有独立获取知识、提出问题、分析问题和解决问题的基本能力以及具有较强的创新意识和精神，具备一定的社会活动能力，具有环境保护和工程经济观点，受到工程设计方法和科学研究方法的初步训练。
（7）掌握一门外国语，能够较熟练地阅读本专业的外文书刊和外语初步交流能力。
1.3“研究主导型”本科自动化专业教育教学现状
在17所研究主导型自动化专业所在学校中，已经有6所高校通过了教育部本科教学优秀评估，故从整体水平上来看，研究主导型自动化专业在师资、教材、实验室、实习基地、教学经费等方面有很好的基础。
1.3.1 理论教学体系教学现状
研究主导型本科自动化专业按照“宽专业、厚基础、重能力、高素质”的基本原则，根据“拓宽基础、淡化专业、强化实践、因材施教、分类培养”的基本要求制 定适合学分制要求的培养计划。把思想政治素质、文化素质、业务素质和身体心理素质的培养结合起来，把传授知识、培养能力、提高素质结合起来，培养基础扎实、知识面宽、具有创新意识和精神的高质量、高素质人才。
课程知识体系可分为自然科学类课程、人文社会科学类课程、学科基础与专业基础类课程、专业选修类课程、科学实践与社会实践和全校公共选修类课程六个模块。自然科学类课程所占比重约为20%，人文社会科学类课程所占比重约为23%，学科基础与专业基础类课程所占比重约为25%，专业选修类课程所占比重约为5%，科学实践与社会实践所占比重约为22%，全校公共选修类课程所占比重约为5%。总学分为200分左右，总学时为2500小时左右。通识教育类课程约占总学时/学分的50%。
专业主干学科为控制科学与工程、电气工程、计算机科学与技术。主要专业基础类课程包括：电路原理（电路分析基础）、电子技术基础、微机原理及应用（微机原理与接口技术）、自动控制原理、信号分析与处理、软件工程、计算机网络与通讯等。专业方向与特色类课程主要包括：现代控制理论、机器人控制技术、运动控制、计算机控制技术、电气传动控制基础、流体控制系统、自动控制元件等。
在教材建设方面，研究主导型自动化专业都比较重视教材的建设、强调教材的更新率、强调教材的先进性，提倡双语教学、强调教学与国际接轨。目前，自动化类技术基础课与专业课程中自编教材所占比例平均为32.4%，其余为选用国内外先进教材，其中选用国外先进教材比例平均为8.87%。研究主导型自动化专业在自编教材数量/比例上差别也较大，自编教材数量多的学校，如清华大学，自编教材所占比例为83.3%；自编教材数量少的学校，自编教材所占比例不足10%。
表1 研究主导型自动化专业技术基础和专业教材建设与使用情况
类型
自编教材
选用国内先进教材
选用国外先进教材
比例
32.4%
59.06%
8.54%
1.3.2 实践教学体系教学现状
在实践教学环节方面，研究主导型自动化专业依托学科建设经费充足、科学研究成果众多、教学经费较充足的优势，故实验设备较先进、手段方法多样。
近五年研究主导型自动化专业的大学在自动化专业实践教学上投入相对比较大，根据13所学校提供的数据，实验条件建设经费基本都在200万元以上，平均建设经费为492万，建设经费在500万元以上的学校有7所；实验条件建设经费最高达到1260万元，最低为120万元。
在各学校开设的教学实验中，研究主导型自动化专业注重电子类实验、控制基础实验、专业类实验数的综合性，综合性实验平均可达到50%～70%的水平，确实使学生通过实验提升了动手能力、创新能力和工程能力。课程设计与专业综合实验、生产实习学时充裕，种类多，使学生得到综合培养和锻炼。有些学校尝试了自主式生产实习，充分调动学生的自主性与积极性，使生产实习内容充实、任务饱满，学生不仅可以学以致用，而且培养了学生的综合素质。但近几年自主式生产实习出现了生产实习单位联系难、单位管理不正规、生产实习受考研影响比较大等情况。研究主导型自动化专业实践教学的平均情况见表2。
表2 研究主导型自动化专业实践教学情况
项目
综合性电子类实验(％)
综合性控制基础实验 (%)
综合性专业类实验 (%)
加工工艺实习均周数
课程设计与专业综合实验均周数
生产实习均周数
毕业设计均周数
平均情况
52.39%
69.15%
55.3%
3.6
10.27
3.31
16.24
研究主导型自动化专业毕业设计选材广泛，采取校企挂钩、与学科建设/科研项目结合的方法，提高本科毕业设计的水平与实用性，全方位提高学生的创新能力、动手能力和工程实践能力。
1.3.3 素质、能力教育现状
研究主导型自动化专业以培养自动化学术研究型、技术应用复合型人才为主，并在工程实践中培养学术与应用复合型、高层次人才。研究主导型自动化专业的本科是以通识为主的专业教育。
研究主导型自动化专业普遍重视素质、能力教育，重视创新、创业意识与综合素质培养，尤其是人文素质、工程实践能力的培养。实行“边学习、边研究、边实践”的教育方式，培养学生的实践、研究与认知能力，创新意识和创造能力，提高综合素质。
研究主导型自动化专业通过建立创业教育基地，建立有开放实验室，结合学生的兴趣和专长，指导其设计、制作、调试有实组织学生参与创业实践，着力培养学生的创业素质和创业能力；广泛组织学生结合专业开展小发明、小创造和小制作活动，组织学生参与项目开发、科技成果推广和社会服务，让学生接触新知识、掌握新技术、探索新领域，鼓励学生文明、创造、实践，着力培养学生的创新精神和创新能力。
学生在校期间思维活跃，勤于思考，动手能力强。本专业学生积极参加大学生物理竞赛、数学竞赛，全国大学生电子设计竞赛，省级、全国大学生“挑战杯”课外科技作品竞赛，各类单片机设计应用大奖赛，国内、国际计算机程序大赛。
研究主导型自动化专业注重因材施教，注重培养模式的与时俱进。如南理工开办的电类联合班，从电类专业选拔优秀学生参加，三年可考研，自动化专业每年都有10多名学生进入电类联合班学习。另外，开办3+2(3年主修原专业，2年修读贸易或管理专业，毕业时可获双学位)，本专业每年都有十名左右学生进入修读。西安交通大学目前正在研讨试行的2+3+X的培养模式是更大范围的因材施教模式。
虽然研究主导型自动化专业具有国家投入大、师资力量强等优势，但目前大部分研究主导型自动化专业也还是受到教育资源的限制，还做不到大范围的因材施教，尤其是实践类培养环节，还不能保证所有学生有充裕的时间、充分的设备进行自主、创新性实验或进行科技创新活动。由于大部分研究主导型自动化专业免试推荐研究生比例在10%左右，所以大部分学生还将考研，因此对生产实习、本科毕业设计等教学环节的质量带来较大冲击，同时专业培养方案上也无法彻底实现本—硕、本—博一体化。
1.3.4 师资队伍结构现状
研究主导型自动化专业的师资队伍中，以教授为主导，以副教授为骨干，以讲师为基础；教授负责大部分课程的建设工作，副教授和讲师承担大部分课程的授课工作。目前，研究主导型自动化专业的教师队伍中，教授所占比重为29.76%，副教授所占比重为41.34%，教师中具有博士学位的教师所占比重为40.58%，教师中具有硕士学位的教师所占比重为40.26%。从数据中看出，目前教授数量少于副教授，但由于具有博士学位教师数量大，所以近几年内教授数量还会增多，而且年轻化。研究主导型自动化专业师资队伍的平均情况见表3。
目前，这17所大学自动化专业的平均本科生生师比为13.15：1，还是比较好的。但是考虑到这些大学今后大力发展研究生教育的发展趋势，13.15：1的本科生生师比数据还是不够让人满意的，尚需进一步加大师资力量的建设。目前这些大学的本科生招生规模基本不变、维持现有水平，少数学校到2005年的在校学生人数比现在会略有增加，也有少数学校削减了在校规模数。
表3 研究主导型自动化专业师资队伍情况
项目
教授比例
副教授比例
讲师比例
助教比例
博士学位教师比例
硕士学位教师比例
教学验人员比例
生师比
平均
29.76%
41.34%
24.13%
12.23%
40.58%
40.26%
20.89%
13.15：1
1.3.5 就业情况现状
自动化专业的毕业生能在电子信息、生物工程、通信、计算机、电子商务、电力、交通、金融、机械以及轻纺等广泛领域从事技术和管理工作。毕业生进一步深造，除了攻读本专业硕士研究生以外，还可以攻读其他相关学科，如计算机、电子信息、通信、仪器仪表、管理、生物医学工程等专业的硕士研究生，深受培养单位欢迎。
据人事部最近发布的网上求职信息表明：与计算机总体需求量位列第一相对应，计算机求职人数高居榜首，而自动化及其相关专业总体需求量平均列前10位之内，但求职人数平均排名在第10位之后。这说明自动化及其相关专业目前暂时处在供略微小于需求的良性状态。仅就业率而言，以2000年为例，据《中国青年报》报道，2000年全国自动化专业仅初次就业率就高达92%以上。最新信息表明：自动化专业就业率仍在保持相当良好的上升态势。
17所研究主导型自动化专业的院校中，有15所提供了自动化专业本科生近三年一次就业率的情况。其中，本科生一次就业率在96%～100%之间的学校有10所，占15所学校中的66.67%；一次就业率在90%～95%之间的学校有3所，占15所学校中的20%；一次就业率在85%～89%之间的学校有2所，占15所学校中的13.33%。这些学校的自动化专业中，认为本专业与本校其他专业相比，本科生一次就业率情况好的学校数为10所，占学校总数的66.67%；认为本专业与本校其他专业相比，本科生一次就业率情况为中上水平的学校数为5所，占学校总数的33.33%。此次调查数据与上述人事部评述相符合。
表4 研究主导型自动化专业本科毕业生一次就业率情况
就业率
96%～100%
90%～95%
85%～89%
84%以下
学校数量
10
3
2
0
学校百分比
66.67%
20%
13.33%
0
注：“中南大学”、“西安交通大学”两所学校未列入统计（表格中无数据）。
表5 研究主导型自动化专业本科毕业生就业情况与本校其他专业的比较
就业率级别
好
中上
中下
差
学校数量
10
5
0
0
学校百分比
66.67%
33.33%
0
0
注：缺“中南大学”、“西安交通大学”、“大连理工大学”的数据。
研究主导型自动化专业本科毕业生的去向情况大体分布在读研究生、国有大中企业、政府、军队机关、科研院（所）、民营企业、个体户、出国学习等方面。但各个学校各类毕业生占总毕业生的比例情况却差别较大，从中也能体现出研究主导型自动化专业的高校之间也有较大差距。以应届本科生读研究生的比率为例，最高的为清华大学， 读研率为74.5%；读研率在40%～50%之间的学校有3所；读研率在30%～40%之间的学校有0所；读研率在20%～30%之间的学校有6所；读研率在10%～20%之间的学校有4所。
研究主导型自动化专业本科毕业生的去向情况见表6。从表中数据可以看出，研究主导型大学自动化专业本科毕业生大部分流向研究生深造、国有大中企业与科研院所，所占比重在2/3以上。研究生的平均比例30%以上，也体现出这类大学的特点。
通过上述数据，可得到结论：自动化专业是一门横跨众多应用学科的、偏基础性的工科专业，在广大的工业领域有需求。同时由于研究主导型自动化专业有很好的社会声誉，所以本专业的学生就业较理想。
表6 研究主导型自动化学科专业2001-2003年毕业生就业去向
就业种类
研究生
国有大中企业
政府、军队机关
科研院（所）
民营
企业
个体户
出国
学习
待 业
平均比例
30.38%
20.99%
4.71%
17.21%
17%
0.28%
4.77%
4.66%
1.4 专业特色现状
自动化学科的历史沿革中一直具有很强的实际背景，航天、航空、交通、电力、生产制造等行业的需求是自动化学科的诞生和发展的主要动力。因此，本学科的发展必须坚持需求牵引。目前， 以“信息化带动工业化”、以“信息化改造传统产业”已经成为我国的基本国策，自动化技术是信息技术在传统产业应用的重要接口和切入点，自动化学科应该也能够为实现国家战略目标和国民经济的跨越式发展发挥重要作用。
与国内同类学科相比，研究主导型自动化学科专业具有显著的研究特色与较高的理论和实验技术水平，在智能控制理论及应用技术、模式识别与智能信息融合处理、智能仪器与多传感器信息处理等研究方向上形成了鲜明的特色和优势，研究成果突出。各学校专业拥有实力雄厚的科研队伍和优秀的学术带头人，学术思想活跃，学术素质优秀 ，在国内享有很高的学术地位，有许多人担任国际国内重要学术期刊的顾问、编委。在人才培养方面，形成了博士、硕士、学士系列化的学位和非学位教育体系，培养了大批优秀的自动化专业工程技术人才，毕业生素质高，受到了用人单位的一致好评，多年来学生一次就业率一直居于相关专业前列。
研究主导型自动化学科专业在本科生培养中，始终坚持“厚基础、宽口径、重能力、高素质”的原则，专业办学上强调宽口径，有较强的基础理论教学，注重实施素质教育、加强实践环节、突出创新能力和计算机系统的开发与应用能力的培养；注重发挥学科优势，教学、科研和学科建设互相渗透，注重科研成果转化为教学实验装置，本科教育与研究生培养互相衔接。
研究主导型自动化学科专业设有工业（企业）自动化、楼宇自动化、电机与电器、电力系统及其自动化、飞行控制等专业方向。学生受到在电工电子、信息控制、计算机技术应用等方面的基本工程训练。以电为主，集机、电、液、控制和计算机为一体，突出分析计算、强弱电并举、系统与元件相结合、软硬件相结合的特色，使学生在本专业领域内具有解决专业工程技术问题的能力。
研究主导型院校的自动化学科专业，具有一定的行业特色，如武器、冶金、航天、航空、交通、能源与电力、制造等，因此各院校的专业培养方案与课程设置上也体现出了各自的培养特色。各院校的自然科学基础、人文社会科学基础、专业基础课程、实践环节方面基本一致，在专业方向类课程设置方面，则体现出各校的特色，特色课程包括：工业自动化网络技术、电气照明、数控机床、计算机仿真、CIMS系统导论、流体传动及控制、飞行控制、导航系统、热力设备、流体力学、泵与风机、热工理论基础等。
1.5 调查结论
通过对17所研究主导型大学的自动化专业的培养目标、专业定位、理论教学体系、实践教学体系、素质能力教育、师资队伍结构、学生就业情况以及专业特色等现状进行调查分析，基本可得出以下结论：
（1）培养目标明确，定位起点高，以培养具有厚基础、宽口径、高素质、创造型的高层次自动化专业人才为己任。
（2）以“综合性、研究型、重应用、开放式、国际化”的办学模式组织教学；以建成“国内一流、国际知名的研究主导型自动化专业”为奋进目标。
（3）理论教学、实践教学、素质能力教育相统一，各类课程与知识结构比重设置合理，知识体系与课程体系体现出自动化专业的明显特点与特有的办学模式。理论教学充分体现出厚基础、宽口径；实践教学具有明显的重应用、创造性训练特点；素质能力教育贯穿于自动化专业培养教学的各个阶段于环节之中。
（4）研究主导型自动化专业名师大家云集，师资队伍雄厚，最近几年表现出博士学位教师比重逐年上升，教师队伍年龄逐年下降，基本呈现出向高学历、年轻化的方向发展。
（5）多年来，研究主导型自动化专业本科生就业相对其他专业，在各学校均处于中上水平，并保持良好的上升态势。其中有1/3以上读研继续深造。就业去向依次为攻读研究生、国有大中型企业、政府部门、军队机关、科研院所、民营企业、个体户和出国学习，其中攻读研究生和进入国有大中型企业与科研院所的从业比例2/3强，充分体现出研究主导型自动化专业的优势和特点。
（6）自动化专业学科已形成了完整的理论体系和有着宽广的实际应用背景，在面对自然对象和各种人造系统进行信息获取、信息处理和信息利用时，有丰富的理论支撑和广泛的应用领域，特别在以“信息化带动工业化”、“信息化改造传统产业”进程中，自动化将起到不可替代的桥梁纽带作用。在人才培养方面，形成了学士、硕士、博士系列化的学位教育体系。在本科教育阶段，为进一步发挥学生的潜能，因材施教，在实行教改班的基础上，部分院校分别实行了三年可考研的电类联合班，三年主修自动化专业、两年复修贸易或管理专业的双学位模式。目前，正在研讨试行2+3+X的本—硕—博贯通的培养模式，将在更大范围发挥学生潜能和研究主导型大学的资源优势。开展校际、省级和全国“电子设计竞赛”、“挑战杯竞赛”、“课外科技作品竞赛”等活动，激发学生的学习兴趣爱好和培养他们的科学创造力。
研究主导型自动化专业优势明显，特点突出，但也存在某些不足和值得改进提高的方面。
（1）学生受考研、就业与评价标准等因素影响，实践环节、毕业设计大打折扣，实践能力，特别是动手能力训练受到削弱。
（2）由于受经费、教学条件和考核标准等因素影响，有重视软件、轻视硬件训练的倾向，造成学生硬件实际动手能力下降。
（3）引用国外先进教材比例偏低，国内具有高水平和突出特色的教材偏少，办学模式单一，缺乏各自的特点和多样化风格。
（4）由于选修课程开出率低，课程选择灵活性差，学生接受反映新技术、新方法、新理论的课程内容机会偏少。
基于 AT89C52 的多周期同步测频技术的实现黄晓峰 上海工程技术大学高职学院,上海 200437 摘 要：论述了传统的频率测量方法的原理及误差。提出了基于 AT89C52 实现多周期同步测频的新方法。 构造了与待测信号同步的多周期闸门时间，实现了时基信号与待测信号的准同步计数，系统只用一个定时/ 计数器 T2 实现了多周期同步测频。该频率测试仪结构简单，成本较低，能够在高低频段范围内实现频率参 数的等精度测量，具有较高的测量精度和较短的系统反应时间。 关键词：频率测量；多周期同步；闸门时间；AT89C52；捕捉方式； 关键词：频率测量；多周期同步；闸门时间；AT89C52；捕捉方式；等精度测量 中图分类号： 中图分类号： 文献标识码： 文献标识码：B 文章编号： 文章编号： Realization of multi-cycle synchronization based on AT89C52 HUANG Xiao-Feng Vocational Technical College, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai, 200437 Abstract：The traditional frequency measuring principles and the errors are introduced. The new way of ： multi-cycle synchronization based on 89C52 is presented. By structuring multi-cycle gate time synchronistically with the frequency signal, the system use only T2 to acquire under synchronous time base with the frequency signal, and realize the new method of multi-cycle synchronization frequency measuring .With the characteristics of a simple structure ,low cost, high accuracy and short measuring time, this frequency meter can realize equal precision measurement from high frequency to low frequency . Keyword：frequency measurement; multi-cycle synchronization; gate time;AT89C52; capture function；equal ： precision measurement 0 引言 频率作为一种最基本的物理量，是电子测量技术中最重要的被测量之一。本文详细论 述了传统频率测量方法及原理， 并对各种方法的测量误差进行了分析。 为保证频率测量精度 和兼顾测量反应时间， 采用多周期同步测频技术， 设计了以 AT89C52 单片机为核心的频率参 数测试仪， 由于充分利用 AT89C52 片内定时器/计数器 T2 所特有的捕捉功能， 使得该频率参 数测试仪的软硬件结构简单， 实现了对高低频段频率参数的等精度测量， 具有较高的测量精 度和较短的系统反应时间。 1 传统测频方法及其误差分析 频率测量的方法主要有 M 法、T 法以及 M/T 法 [1] 。M 法的基本测频原理是在选定的 闸门时间 T 内对被测脉冲信号进行计数，根据计数值 N x 和闸门时间 T 求得所测脉冲信号的 频率。在 M 法中，由于闸门时间 T 由标准频率源决定，而单片机的标准频率源是由晶振频 率分频后获得， 因而保证了闸门时间 T 的精确性。 但由于闸门的启闭与待测计数脉冲不同步， 闸 门开 通时间 通常 不是待 测信 号周期 的整数 倍， 存在 待测脉 冲信号 的计 数量 化误差 ?N x = ±1 。由 M 法的测频原理可知，待测信号频率 1 fx = Nx N ? f0 = x N0 T （1） 设待测脉冲频率的准确值为 f xd ， 由于单片机测频系统中的标准频率源通常是由晶振产 生的频率信号分频后得到的， 而晶振的稳定性很高， 只要按测量精度要求选择合适的晶振后， 由标准频率源的不稳定性所造成的测频误差就可以被忽略掉 （文中的误差分析均是在忽略标 准频率源的不稳定性下做出的） 。设 δ Mx 为测量的相对误差 δM x = f xd = 得 δ Mx = f xd ? f x f xd （2） N x + ?N x T = ?N x N x + ?N x ≤ (3) f xd ? f x f xd 1 Nx (4) 由式(4)知， 当待测脉冲信号频率较高时， 在闸门时间 T 内被测信号脉冲的计数值 N x 较 大， δ Mx 很小，M 法能够达到较高的测量精度；而当待测脉冲信号频率较低时，在闸门时间 T 内 N x 较小， δ Mx 很大，测频精度降低。例如，被测信号的频率为 100HZ，则在 1S 内的相对误差 δ M x =1％。 而当待测脉冲信号的频率为 10HZ， f x 在 T =1S 内的相对误差 δ M x =10％。 则 虽然可以通过增大闸门时间 T 来提高测量精度，但闸门时间 T 过长将使系统的测量时间过 长，无法满足实时性的要求。 T 法的基本原理是在待测脉冲的一个周期内对标准频率信号进行计数，根据计数值 N 0 和标准信号的频率 f 0 求得待测脉冲信号的频率。在 T 法中，由于闸门时间 T 由待测脉冲信 号决定，不存在待测脉冲信号计数的量化误差 ?N x 。但由于闸门的启闭与标准频率源不同 步，故存在对标准频率源信号的计数量化误差 ?N 0 = ±1 。由 T 法的测频原理可知，待测信 号频率 f x = 1 N 0T0 = f 0 N 0 其中 T0 为标准频率源信号的周期。同理，可得 (5) δ Tx = f xd ? f x f0 f = ? 0 N 0 + ?N 0 N 0 f xd f0 N 0 + ?N 0 (6) 2 = ?N 0 N 0 ≤ 1 N 0 由于闸门时间 T 是待测脉冲信号周期的整数倍， 当待测脉冲频率较低时， 闸门时间 T 较 长，对标准频率源的计数值 N 0 较大，测量精度高；而当待测脉冲频率较高时，闸门时间 T 过短，甚至与标准频率源信号周期相近，故高频测量时 T 法存在严重的测量误差。 理论分析表明， 无论采取何种补偿措施， 都无法同时消除对待测脉冲和标准信号的计数 量化误差。将 M 法和 T 法结合起来就是 M/T 法，M/T 法结合了 M 法和 T 法各自的优点，在被 测信号频率较高时采用 M 法，频率较低时采用 T 法，这样在高、低频信号测量中都能获得较 高的精度。但由于在 M 法中， ?N x 随着被测信号频率的降低而增大，在 T 法中 ?N 0 随着被 测信号频率的增大而增大， 因此必存在 M 法和 T 法的分界点， 在该点高低频测量的相对误差 相等且达到最大，即 δ max = δ M x = δ T x 。我们将该点的频率称为中界频率 f C ，由式(1)知 N x = f x ? T ，由式(5)得 N 0 = f 0 f x ，则中界频率 f C = f 0 T 。虽然 M/T 法能够在两端获 得高精度，但在中界频率处的误差却总是最大的。本系统采用多周期同步测频原理，利用 AT89C52 片内定时器/计数器 T2 所特有的捕捉方式，实现对信号频率、周期、脉宽以及占空 比的测量。 2 多周期同步测频原理及其误差分析 多周期同步测频技术的基本原理是在待测脉冲的 m 个周期内同时对对待测脉冲和标准 信号计数， 根据待测脉冲的计数值 N x 和标准信号的计数值 N 0 求得被测信号的频率 [2,3] 。 由 于闸门时间 T 为待测脉冲的 m 个周期即闸门时间与待测脉冲同步，从而消除了待测脉冲的 计数量化误差 ?N x 。但由于闸门的启闭与标准信号不同步，故仍存在对标准信号的计数量 化误差 ?N 0 = ±1 。设两个计数器在闸门时间 T 内同时对待测脉冲和标准信号的计数值分别 为 N x 和 N 0 ，则待测信号频率 fx = Nx T f0 = N0 T 消去闸门时间 T ，得 f x = N x ? f 0 N 0 (7) (8) (9) 同理，相对误差 δ = f xd ? f x f xd f0 f ?N ? Nx ? 0 x N + ?N 0 N0 = 0 f0 ? Nx N 0 + ?N 0 (10) = ?N 0 N 0 ≤ 1 N 0 = 1 f 0T 3 由式(10)知， δ 只与标准频率源的频率 f 0 和闸门时间 T 有关，与待测脉冲的频率 f x 无 关，实现了整个测量频段内的等精度测量，使测量精度大大提高。对于标准信号的计数量化 误差 ?N 0 ，虽然可以通过提高标准频率源的频率 f 0 和加大闸门宽度 T 来减小，但需要考虑 标准频率源工作频率的限制，以及加大闸门宽度 T 所带来的系统测量时间的增加。 3 基于 AT89C52 的多周期同步测频技术的实现 AT89C52 片内有 1 个 16 位的定时/计数器 T2，T2 除具备和定时/计数器 T0、T1 相同的 功能外，还具有捕捉方式、16 位自动重装等功能 [4,5] 。所谓捕捉功能就是当 T2 的外部输入 端 T2EX(P1.1)的输入电平发生负跳变时,就会把 TH2 和 TL2 的内容同时记录到特殊功能寄存 器 RCAP2H 和 RCAP2L 中，并将外部中断标志 EXF2 置位，向 CPU 发出中断申请信号。T2 的 捕捉功能避免了 CPU 在读计数值的高字节时， 低字节还在变化所引起的读数误差， 更重要的 是，T2EX(P1.1)上输入电平连续两次负跳变的计数差值,就是外部输入脉冲的周期。 依据多周期同步测频技术的原理，将 AT89C52 的定时/计数器 T2 设置为定时器捕捉工 作方式，闸门时间 T 为 m 个待测脉冲周期，被测信号经放大、整形、分频后送入 T2 的外部 输入端 T2EX(P1.1)，在待测信号产生第一次负跳变时，TH2 和 TL2 中的内容（即时基脉冲计 数值）被同时捕捉至特殊功能寄存器 RCAP2H 和 RCAP2L，并在 T2 外部中断服务程序中记录 待测信号下降沿的数目， 以此实现闸门开启及待测脉冲及和时基脉冲的同时计数， 闸门时间 到时（即 T2 的外部输入端 T2EX 检测到第 m + 1 个待测脉冲下降沿） ，一次测量过程结束。 在此过程中， 当外部待测脉冲的下降沿到来或定时器 T2 产生对时基脉冲的计数溢出时， T2 外部中断标志 EXF2 或 T2 溢出标志 TF2 置位，并向 CPU 发出中断申请信号。CPU 相应中 断后，在 T2 中断服务程序中通过软件判断是 EXF2 还是 TF2 产生的中断，并进行相应的处 理，是 EXF2 产生的中断就记录下待测脉冲下降沿的数目，若是 TF2 就记录下 T2 对时基脉 冲的溢出次数。待测频率具体的计算如下： 设闸门时间 T 内共产生了 m + 1 次 T2 外部中断（ m 个待测脉冲）及 N 次 T2 溢出中断， 且设第一个待测脉冲的下降沿到来时 T2 对时基的计数值为 l1 ， m + 1 个待测脉冲的下降沿 第 到来时 T2 对时基的计数值为 l2 ，则 T2 对时基的计数过程如下（包括 N 次 T2 溢出中断） 。 l1 L65535 → 0L65535 → 0L65535 → 0LLL0L65535 → 0Ll2 则闸门时间 T = ( l2 ? l1 + 65536 × N ) × T0 = mTx 其中 T0 为单片机时基信号周期， Tx 为待测脉冲信号周期，故被测信号频率为 fx = k ( l2 ? l1 + 65536 × N ) × mT0 （11） 其中 k 为可编程分频器相应的分频数 4 4 系统的软硬件设计 本系统采用多周期同 步 测 频 原 理 [3] ， 以 盘 AT89C52 单片机为核心， 显 利用其片内定时器/计数 示 器 T2 所特有的捕捉功能， 器 XTAL2 利用定时器 T2 的捕捉功 复位电路 RESET VSS 能及外部中断，软硬件结 GND 合完成待测信号与闸门信 图1 系统硬件组成框图 号的同步，以及待测信号 与时基信号的同时刻计数，使用一个定时器/计数器 T2 实现多周期同步测频技术，使得频率 测试仪的软硬件结构简单易于实现。系统硬件组成框图如图 1 所示，主要由放大限幅电路、 波形转换与整形电路、可编程分频器电路、单片机最小应用系统及键盘显示器电路组成。输 入的正弦波、 三角波等各种形式的小信号电压经放大限幅后， 通过波形转换电路转换为方波 信号，再利用 7414 整形为 TTL 电平信号，利用可编程分频器来扩展频率测量范围的上限， 这样将经过了放大、整形、分频后的待测脉冲送入单片机最小应用系统的 P1.1（T2 的外部 输入端 T2EX） ，通过键盘显示器电路来实现被测频率参数（频率、周期、脉宽和占空比） 的选择与动态显示。 放 大 被测信号 与 限 幅 波 形 变 换 整 形 可 编 程 待测脉冲 分 频 器 +5V VCC P1.1 XTAL1 键 软件采用自顶向下的模块化设计方法 [6] ，将 T2中断服务程序流程图 N 各个功能分成独立的模块，由系统的监控程序统 一管理执行。整个系统由初始化模块、键输入模 块(用于测量参数的选择)、信号频率测量模块、 数据处理模块、数据显示模块等组成。上电后， 首先进入系统初始化模块，在初始化子程序中完 成对定时/计数器 T2 的定时器及捕捉方式的设置， 并启动 T2。 频率测量模块由 T2 中断服务程序完成， 当外 部待测脉冲的下降沿到来或定时器 T2 产生对时基 脉冲的计数溢出时，T2 向 CPU 发出中断申请。 CPU 响应中断后， 通过软件判断是 EXF2 还使 TF2 产生的中断，并进行相应处理。T2 中断服务程序 流程图如图 2 所示。 5 结束语 本文讨论了传统频率测量方法的原理及误 差。在此基础上，对多周期同步测频技术的原理 及其误差进行了详细分析。由于多周期同步测频 技术的测量精度与被测信号的频率无关，实现了 整个测量频段内的等精度测量，消除了 M 法中对 T2外部中断？ Y T2外中断次数加1 T2溢出中断 次数加1 Y 第1个外部 脉冲下降沿？ N 第m+1个外部 脉冲下降沿？ 捕捉寄存器 内容送时基 计数单元1 Y 捕捉寄存器内容 送时基计数单元2 存外中断次数 外中断次数清零 存T2溢出次数 溢出次数清零 清TF2中断 标志 清EXF2中断标志 中断返回 图2 T2中断服务程序流程图 5 被测脉冲信号的计数量化误差 ?N x = ±1 ， 克服了 M/T 法中高低频两端精度高而中界频率附 近测量误差最大的缺陷。 本文提出了基于 AT89C52 实现多周期同步测频方法， 利用 T2 的捕 捉功能和外部中断产生与待测信号同步的闸门时间，通过 T2 的定时功能实现了时基信号与 待测信号的同步计数，使得系统只用一个定时器/计数器 T2 就实现了多周期同步测频技术， 该系统软硬件结构简单，具有较高的测量精度和较短的系统反应时间。 参考文献： 参考文献： [1] 尹克荣.智能仪表中的频率测量方法[J].长沙电力学院学报,2002, 17(1):74-76 [2] 章军,张平,于刚.多周期同步测频测量精度的提高[J].电测与仪表,2003,40(6):16-18 [3] 王连符.测频系统测量误差分析及其应用[J].中国科技信息,2005,(18A):94-94 [4] 李全利.单片机原理及应用技术[M].北京：高等教育出版社，2001 [5] 李群芳 黄建.单片微型计算机与接口技术[M].北京：电子工业出版社,2002 [6] 孙传友,孙晓斌,汉泽西等，测控系统原理与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002 作者简介: 作者简介: 黄晓峰(1969-),男,甘肃省甘谷县人,副教授,硕士,研究方向为检测技术及智能仪器仪表、计算机控制。 E-mail: 电话： 6
基于 MCS_51单片机的直流电机转速测控系统设计摘要： 给出了一种基于89C51单片机以及 PWM 控制思想的高精度、高稳定、多任务直流电机转速测控系 统的硬件组成及关键单元设计方法。实验结果表明该系统能实时、有效地对直流电机转速进行监测与控制， 而且输出转速精度高、稳定性好。 0 引言 目前使用的电机模拟控制电路都比较复杂，测量范围与精度不能兼顾， 且采样时间较长， 难以测得 瞬时转速。本文介绍的电机控制系统利用 PWM 控制原理， 同时结合霍尔传感器来采集电机转速， 并经 单片机检测后在显示器上显示出转速值， 而单片机则根据传感器输出的脉冲信号来分析转速的过程量， 并 超限自动报警。本系统同时设置有按键操作仪表， 可用于调节电机的转速。 1 系统方案的制定 直流电机控制系统主要是以 C8051单片机为核心组成的控制系统， 本系统中的电机转速与电机两端的 电压成比例， 而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比， 因此， 由 MCU 内部的可编程计数器阵列 输出 PWM 波， 以调整电机两端电压与控制波形的占空比， 从而实现调速。本系统通过霍尔传感器来实 现对直流电机转速的实时监测。系统的设计任务包括硬件和软件两大部分，其中硬件设计包括方案选定、 电路原理图设计、PCB 绘制、线路调试； 软件设计包括内存空间的分配， 直流电机控制应用程序模块的 设计， 程序调试、软件仿真等。 2 硬件设计 C8051是完全集成的混合信号系统级 MCU 芯片， 具有64个数字 I/O 引脚， 片内含有 VDD 监视器、 看门狗定时器和时钟振荡器， 是真正能独立工作的片上系统， 并能快捷准确地完成信号采集和调节。同 时也方便软件编程、干扰防制、以及前向通道的结构优化。 本单片机控制系统与外部连接可实时接收到外部信号， 以进行对外部设备的控制， 这种闭环系统可 以较准确的实现设计要求， 从而制定出一个合理的方案， 图1所示是电机测控系统框图。 图1 电机测控系统框图。 本系统先由单片机发出控制信号给驱动电机， 同时通过传感器检测电机的转速信号并传送给单片机， 单片机再通过软件将测速信号与给定转速进行比较， 从而决定电机转速， 同时将当前电机转速值送 LED 显示。此外， 也可以通过设置键盘来设定电机转速。系统中的转速检测装置由霍尔传感器组成， 并通过 A/D 转换将转速转换为电压信号， 再以脉冲形式传给单片机。这种设计方法具有频率响应高(响应频率达 20 kHz 以上)、输出幅值不变、抗电磁干扰能力强等特点。其中霍尔传感器输入为脉冲信号， 十分容易与 微处理器相连接， 也便于实现信号的分析处理。单片机的 T0口可对该脉冲信号进行计数。 设计时， 可通过单片机的 P0.1～P0.5 五个接口来完成键盘的输入， P1.6口可完成鸣叫和报警， P2.0 接电机， P2.1～P2.4接显示器的位选， P0口为显示器段选码， 其硬件连接电路如图2所示。 图2 硬件连接电路图。 本系统的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)原理是： 脉冲宽度调制波由一列占空比不同的矩形脉 冲构成， 其占空比与信号的瞬时采样值成比例。该系统由一个比较器和一个周期为 Ts 的锯齿波发生器组 成。脉冲信号如果大于锯齿波信号， 比较器输出正常数 A， 否则输出0。图3所示为脉冲宽度调制系统的 调制原理和波形图。 图3 脉宽调制过程。 设样本 τk 为均匀脉冲信号， 它的第 k 个矩形脉冲可以表示为： 其中， x {t} 是离散化信号； Ts 是采样周期，τ0是未调制宽度， m 是调制指数。现假设脉冲幅度为 A， 中心在 t=kTs 处， τk 在相邻脉冲间变化缓慢， 那么， 其 Xp (t) 可表示为： 其中， 为电机角速度，结合式(2) 可见， 脉冲宽度信号可由信 号 x (t)加上一个直流成分以及相位调制波构成。当 τ0<<> 因此， 脉冲宽度调制波可以直接通过低通滤波器进行解调。C8051单片机有2个12位的电压方式 DAC， 每个 DAC 的输出摆幅为0 V~VREF， 对应的输入码范围是0x000~0xFFF。通过交叉开关配置可将 CEX0~CEX4 配置到 P2 端口， 这样， 改变 PWM 的占空比就可以调整电机速度。 LED 显示采用动态扫描方式， 并用单片机 I/O 接口扩展输出， 再由三极管驱动各显示器的位选端并 放大电流。独立式按键采用查询方式， 按键输入均采用低有效， 上拉电阻可用于保证在按键断开使其 I/O 口为高电平。单片机的 I/O (P0.1~0.5)引脚所扩展的5个按键分别定义为： 设置、启动、移位、开始、＋1 功能。硬件电路确定以后， 电机转速控制的主要功能将依赖于软件来实现。 3 软件设计 本系统的软件程序的设计可分为5个步骤： 分别是综合分析并确定算法； 设计程序流程图；合理选择和分配内存单元以及工作寄存器； 编写程 序； 上机调试运行程序。 应用软件的设计可采用模块化结构设计， 其优点是每个模块的程序结构相对简单， 且任务明确， 易 于编写、调试和修改； 其次是程序可读性好， 对程序的修改可局部进行， 而其他部分可以保持不变， 这 样便于功能扩充和版本升级； 另外， 对于使用频繁的子程序， 可以建立子程序库， 以便于多个模块调 用； 最后是便于分工合作， 多个程序员可同时进行程序的编写和调试工作， 故可加快软件研制进度。 本程序采用8051单片机的 C 语言编程来实现。 在系统的程序设计中， 可采用模块化编程实现。 整个软件由主程序模块、转速测量模块、时钟模块、数据通信模块、动态显示模块等组成。各模块均 采用结构化程序设计思想设计， 因而具有较强的通用性； 而采用模块化程序结构则可使软件易于调试、 维护和移植。 系统软件可根据硬件电路的功能与 AT89C51各管脚的连接情况对软件进行设计。以便明确各引脚所要 完成的功能， 从而方便进行程序设计和内存地址的分配， 最终完成程序模块化设计。 本系统为直流电机测控系统。根据系统性能要求， 除复位电路外， 还应该设置一些功能键： 包括启动键、设置键、确定键、移位键、加1键等。由于本系统中的单片机还有闲置的 I/O 口线，而系 统要求所设置的按键数量也不多， 因此， 可以采用独立式按键结构。 根据直流电机控制系统的结构， 该电机转速控制系统为一简单的应用系统， 可以采用顺序的设计方 法。这种设计由主程序和若干个中断服务程序构成， 整个电机转速测控系统可分成六大模块， 每个模块 完成一定的功能。图4所示是根据电路图确定的程序设计模块图。 图4 直流电机控制软件设计模块图。 其中主程序模块主要设置主程序的起始地址、中断服务程序的起始地址、有关内存单元及相关部件的 初始化和一些子程序调用等。其主程序流程图如图5所示。 图5 主程序流程图。 对于定时器 T1 (1s) 子程序的设计，其实在单片机中，定时功能既可以由硬件(定时/计数器) 实现，也 可以通过软件定时程序来实现。软件延时程序要占用 CPU 的时间， 因而会降低 CPU 的利用率。而硬件定 时则通过单片机内的定时器来定时， 而且， 定时器启动以后可与 CPU 并行工作， 故不占用 CPU 的时间， 从而可使 CPU 具有较高的工作效率。 本系统采用硬件定时和软件定时并用的方式， 即用 T1溢出中断功能来实现10 ms 定时， 而通过软件 延时程序实现1 ms 定时。其中 T1定时器中断服务程序的功能主要实现转速值的读入、检测与缓存处理。 对于定时器 T1的计数初值计算， 由于本系统采用的是6 MHz 的时钟频率， 所以， 一个机器周期时 间是2 ?s。这样， 根据 T1定时器产生500 ?s 的定时， 便可以计算出计数初值。 本文设计的转速测控系统的工作方式寄存器 TMOD=00010000B， T1定时器以工作方式2来完成定时。 4 程序调试 程序调试可在伟福仿真软件上进行编制， 该软件支持脱机运行， 纯软件环境可模拟单步、跟踪、全 速、 断点； 源文件仿真、 汇编等， 并可支持多文件混合编程。 仿真调试后的目标程序可以固化到 EPROM， 然后用专门的程序烧写器对89C51单片机进行程序烧写。 5 结束语 本设计采用 C51进行编程， 程序占用存储器单元少， 执行速度快， 并能够准确掌握执行时间， 实 现精细控制。同时由于采用89C51为 CPU，并利用噪声抵抗能力较强的 PWM 控制技术、串行口扩展显示 器接口和 I/O 口扩展键盘， 因而可省去片外 RAM， 而且体积小， 功能全， 小巧灵活，操作方便， 又 可安装在工作现场单独工作。因而具有较大的实用价值和良好的应用前景。
1. 确定毕业论文的题目：基于单片机的智能豆浆机设计与实现。
2. 进行相关的文献调研，了解单片机原理和应用、豆浆机的工作原理和用户需求等方面的信息。
3. 确定豆浆机的功能需求和设计方案，包括豆浆机的控制系统、测量传感器、操作界面等。
4. 设计和实现单片机控制系统，包括硬件电路设计和程序编写。完成豆浆机自动化控制、温度测量、水位测量等功能。
5. 调试和测试单片机控制系统，保证其稳定、可靠、灵活。
6. 开发豆浆机的用户界面，包括人机交互界面和操作流程，使操作变得简单、直观。
7. 进行系统整合和测试，检验豆浆机的功能是否符合需求。
8. 撰写毕业论文，内容包括整个项目的设计思路、方案实现、测试结果及优化方案等。
9. 最后，进行毕业答辩和展示，展示设计实现过程和有关成果。
