基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計資料

基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計資料,基于,單片機(jī),水溫,控制系統(tǒng),設(shè)計,資料 基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計 目 錄 摘 要…………………………………………………………………………………4 第1節(jié) 課題任務(wù)要求 ……………………………………………………………..5 第2節(jié) 總體方案設(shè)計 ………………………………………….………………....5 2.1 總體方案確定……………………………………………….…………………..6 2.1.1 控制方法選擇………………………………...…………………………….6 2.1.2 系統(tǒng)組成……………………………………………………………………7 2.1.3 單片機(jī)系統(tǒng)選擇……………………………………………………………7 2.1.4 溫度控制……………………………..…………………………………….7 2.1.5 方案選擇…………………………..………………………………………7 第3節(jié) 系統(tǒng)硬件設(shè)計……………………….……………………………………..8 3.1 系統(tǒng)框圖……………………………………………………………………..8 3.2 程序流程圖…………………………………..……………….……………..12 第4節(jié) 參數(shù)計算……………………………..………………….………………...16 4.1 系統(tǒng)模塊設(shè)計…………………………………………….……………………16 4.1.1 溫度采集及轉(zhuǎn)換………………….……………………..………………….16 4.1.2 傳感器輸出信號放大…………………..……………………………………17 4.1.3模數(shù)轉(zhuǎn)換………………………………..…………………………………….18 4.1.4 外圍電路設(shè)計……………………………….……………………………….19 4.1.5 數(shù)值處理及顯示部分………………………………………………………..19 4.1.6 PID算法介紹………………………………………………...………………19 4.1.7 A/D轉(zhuǎn)換模塊………………………………………………..………………20 4.1.8 控制模塊……………………………………………………..………………21 4.2 系統(tǒng)硬件調(diào)試………………………………………………………………….21 第5節(jié) CPU軟件抗干擾 ………………………………………….……………..24 5.1 看門狗設(shè)計………………………………………………………….…………24 第6節(jié) 測試方法和測試結(jié)果……………………………………………27 6.1 系統(tǒng)測試儀器及設(shè)備…………………………………………....……………27 6.2 測試方法…………………………………………………………..…………27 6.3 測試結(jié)果………………………………………………………………………27 結(jié)束語 ………………………………….………………....……..29 參考文獻(xiàn).…………………………………….……….…………………..…30 基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計 摘要： 本系統(tǒng)以AT89C51，AT89C2051單片機(jī)為核心，主要包括傳感器溫度采集，A/D模/數(shù)轉(zhuǎn)換，按扭操作，單片機(jī)控制，數(shù)碼管數(shù)字顯示等部分。本系統(tǒng)采用PID算法實(shí)現(xiàn)溫度控制功能，通過串行通信完成兩片單片機(jī)信息的交互而實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)定、控制和顯示。本設(shè)計還可以通過串口與上位機(jī)（電腦）連接，實(shí)現(xiàn)電腦控制。系統(tǒng)設(shè)計有體積小、交互性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)高精度的水溫控制，本單片機(jī)系統(tǒng)采用PID算法控制和PWM脈寬調(diào)制相結(jié)合的技術(shù)，通過控制雙向可控硅改變電爐和電源的接通、斷開，從而改變水溫加熱時間的方法來實(shí)現(xiàn)對水溫的控制。本系統(tǒng)由鍵盤顯示和溫度控制兩個模塊組成，通過模塊間的通信完成溫度設(shè)定、實(shí)溫顯示、水溫升降等功能。具有電路結(jié)構(gòu)簡單、程序簡短、系統(tǒng)可靠性高、操作簡便等特點(diǎn)。 第1節(jié) 課題任務(wù)與要求： 1.基本要求 一升水由1kw的電爐加熱，要求水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度基本不變。 2.主要性能指標(biāo) a. 溫度設(shè)定范圍：30-90℃，最小區(qū)分度為1℃。 b. 控制精度：溫度控制的靜態(tài)誤差≤1℃。 c. 用十進(jìn)制數(shù)碼顯示實(shí)際水溫。 d. 能打印實(shí)測水溫值。 3.擴(kuò)展功能 a. 具有通信能力，可接受其他數(shù)據(jù)設(shè)備發(fā)來的命令，或?qū)⒔Y(jié)果傳送到其他數(shù)據(jù)設(shè)備。 b. 采用適當(dāng)?shù)目刂品椒▽?shí)現(xiàn)當(dāng)設(shè)定溫度與環(huán)境溫度突變時，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。 c. 溫度控制的靜態(tài)誤差≤1℃。 d. 能自動顯示水溫隨時間變化的曲線。 第2節(jié) 總體方案設(shè)計 2.1總體方案的確定 2.1.1、控制方法選擇 由于水溫控制系統(tǒng)的控制對象具有熱存儲能力大，慣性也較大的特點(diǎn)。水在容器內(nèi)的流動或熱量傳遞都存在一定的阻力，因而可以歸于具有純滯后的一階大慣性環(huán)節(jié)。一般來說，熱過程大多具有較大的滯后，它對任何信號的響應(yīng)都會推遲一段時間，使輸出與輸入之間產(chǎn)生相移。對于這樣一些存在大的滯后特性的過渡過程控制，一般來說可以采用以下幾種控制方案： （1）輸出開關(guān)量控制： 對于慣性較大的過程可以簡單地采用輸出開關(guān)量控制的方法。這種方法通過比較給定值與被控參數(shù)的偏差來控制輸出的狀態(tài)：開關(guān)或者通斷，因此控制過程十分簡單，也容易實(shí)現(xiàn)。但由于輸出控制量只有兩種狀態(tài)，使被控參數(shù)在兩個方向上變化的速率均為最大，因此容易硬氣反饋回路產(chǎn)生振蕩，對自動控制系統(tǒng)會產(chǎn)生十分不利的影響，甚至?xí)驗(yàn)檩敵鲩_關(guān)的頻繁動作而不能滿足系統(tǒng)對控制精度的要求。因此，這種控制方案一般在大慣性系統(tǒng)對控制精度和動態(tài)特性要求不高的情況下采用。 （2）比例控制（P控制） 比例控制的特點(diǎn)是控制器的輸出與偏差成比例，輸出量的大小與偏差之間有對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)負(fù)荷變化時，抗干擾能力強(qiáng)，過渡時間短，但過程終了存在余差。因此它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、允許被控量在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)。使用時還應(yīng)注意經(jīng)過一段時間后需將累積誤差消除。 a. 比例積分控制（PI控制） 由于比例積分控制的特點(diǎn)是控制器的輸出與偏差的積分成比例，積分的作用使得過渡過程結(jié)束時無余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。雖然加大比例度可以使穩(wěn)定性提高，但又使過渡時間加長。因此，PI控制適用于滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控量不允許有余差的控制系統(tǒng)，它是工程上使用最多、應(yīng)用最廣的一種控制方法。 b. 比例積分加微分控制（PID控制） 比例積分加微分控制的特點(diǎn)是微分的作用使控制器的輸出與偏差變化的速度成正比例,它對克服對象的容量滯后有顯著的效果。在比例基礎(chǔ)上加上微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消除余差。因此，PID控制適用于負(fù)荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求又很高的控制系統(tǒng)。 結(jié)合本例題設(shè)計任務(wù)與要求，由于水溫系統(tǒng)的傳遞函數(shù)事先難以精確獲得，因而很難判斷哪一種控制方法能夠滿足系統(tǒng)對控制品質(zhì)的要求。但從以上對控制方法的分析來看，PID控制方法最適合本例采用。另一方面，由于可以采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制過程，無論采用上述哪一種控制方法都不會增加系統(tǒng)硬件成本，而只需對軟件作相應(yīng)改變即可實(shí)現(xiàn)不同的控制方案。因此本系統(tǒng)可以采用PID的控制方式，以最大限度地滿足系統(tǒng)對諸如控制精度、調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。 2.1.2、.系統(tǒng)組成 就控制器本身而言，控制電路可以采用急經(jīng)典控制理論和常規(guī)模擬控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水溫的自動團(tuán)結(jié)。但隨著計算機(jī)與超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，以現(xiàn)代控制理論和計算機(jī)為基礎(chǔ)，采用數(shù)字控制、顯示、A/D與D/A轉(zhuǎn)換，配額后執(zhí)行器與控制閥構(gòu)成的計算機(jī)控制系統(tǒng)，在過程控制過程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 由于本例是一個典型的檢測、控制型應(yīng)用系統(tǒng)，它要求系統(tǒng)完成從水溫檢測、信號處理、輸入、運(yùn)算到輸出控制電爐加熱功率以實(shí)現(xiàn)水溫控制的全過程。因此，應(yīng)以單片微型計算機(jī)為核心組成一個專用計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，以滿足檢測、控制應(yīng)用類型的功能要求。另外，單片機(jī)的使用也為實(shí)現(xiàn)水溫的智能化控制以及提供完善的人機(jī)交互界面及多機(jī)通訊接口提供了可能，而這些功能在常規(guī)數(shù)字邏輯道路中往往是難以實(shí)現(xiàn)或無法實(shí)現(xiàn)的。所以，本例采用以單片機(jī)為核心的直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）。 2.1.3、.單片機(jī)系統(tǒng)選擇 AT89C2051、AT89C51單片機(jī)是最常用的單片機(jī)，是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器。AT89C2051與MCS-51系列的單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒有的功能，功能強(qiáng)、靈活性高而且價格低廉。AT89S51可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長度小于4K，四個I/O口全部提供給擁護(hù)。系統(tǒng)運(yùn)行中需要存放的中間變量較少，可不必再擴(kuò)充外部RAM。 1.1.4、溫度控制 鍵盤輸入一個需要控制的溫度，通過單片機(jī)2051的串口把數(shù)據(jù)傳送到AT89C51，AT89C51通過數(shù)據(jù)比較，PID分析，T0，T1產(chǎn)生PWM波來控制電爐是否繼續(xù)加熱還是停止加熱。 1.1.5、方案選擇 方案一：用熱敏電阻：通過電阻的變化來獲得電壓的變化，起價格雖然便宜但是精度不是很高。對于一個精度要求高的系統(tǒng)不宜采用 方案二：用A/D590：通過AD590溫度傳感器采集溫度，由于AD590是電流傳感器，經(jīng)過電阻轉(zhuǎn)換為電壓。雖然價格較高但是精度高。 經(jīng)比較，我們選擇方案二 第3節(jié) 系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1系統(tǒng)框圖 傳 感 器 電 爐 單 片 機(jī) 基 本 系 統(tǒng) 信號 放大 A/D 功 率 放 大 鍵 盤 顯 示 圖3-1 單片機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖 3.1.2鍵盤顯示電路 本模塊以AT89C2051單片機(jī)為核心，利用138譯碼器對顯示器動態(tài)掃描及作為鍵盤的掃描線，采用此方法大大簡化了硬件，充分的利用了單片機(jī)的資源，這也是本設(shè)計的巧妙所在?？赏^鍵盤來設(shè)置溫度，并顯示在數(shù)碼管上，并通過串口發(fā)送出去，另外檢測到溫度通過串口接收進(jìn)來，并顯示在相應(yīng)的數(shù)碼管上鍵盤的掃描輸入與顯示器的掃描輸出由單片機(jī)控制，但考慮到鍵盤與接口需要較多的I/O口線，如果直接由單片機(jī)控制，一方面必須擴(kuò)充系統(tǒng)I/O口，另一方面，鍵盤與LED顯示的掃描處理占用大量機(jī)時，增加軟件編程負(fù)擔(dān)。為此在組成系統(tǒng)人機(jī)對話通道時采用了可編程的鍵盤。顯示接口芯片8051，由8051負(fù)責(zé)鍵盤掃描、消抖處理和顯示輸出工作。根據(jù)認(rèn)為的要求，8051鍵盤被設(shè)計為2*8行，掃描線有SL0~SL8經(jīng)譯碼輸出，接入鍵盤列線，查詢RL0~RL1提供，采用鍵盤掃描法對16個按鍵進(jìn)行讀取狀態(tài)。使用行列式，把這16個按鍵分為82，采用74LS138對8行鍵盤輪流掃描，再通過P3.2和P3.7這2列讀進(jìn)來，從而判斷按鍵是否按下。電路如圖3所示。 鍵盤的系統(tǒng)框圖如下： 鍵盤顯示圖一 鍵盤顯示圖二 2系統(tǒng)溫度控制 前向通道: 以AT89C51單片機(jī)為控制核心，采集到溫度，經(jīng)放大，AD轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)處理，再通過串行口發(fā)送到顯示模塊因?yàn)榭紤]到PID運(yùn)算時需要調(diào)用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算程序庫,程序需要占用很大的存儲空間,8051內(nèi)部的能滿足此要求,所以不需要擴(kuò)展外部ROM,系統(tǒng)中運(yùn)行中需要存放的中間變量只有給定溫度和實(shí)測,PID運(yùn)算中間結(jié)果及輸出結(jié)果等十幾個變量.因而8051片內(nèi)的RAM能夠滿足要求,可不必再擴(kuò)展。 后向通道: 后向通道是實(shí)現(xiàn)控制型號輸出的通道,單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的控制信號經(jīng)過功率放大器的放大控制電爐的輸入功率,以實(shí)現(xiàn)水溫的控制的目的.根據(jù)系統(tǒng)的總誤差要求,后向通道的控制精度也要應(yīng)控制在0.83%之內(nèi). 以上就是整個電路的框圖, 將前述各單元電路連接起來，就可構(gòu)成完整的系統(tǒng)硬件電路圖。系統(tǒng)硬件電路中除了包含前、后向通道的輸入、輸出插座外，還應(yīng)考慮增加苦干個插座，以方便主控板與各部件的連接。硬件電路制作包括印刷線路板制作、焊接和系統(tǒng)連接等幾個方面。印刷線路板的設(shè)汁一般都是在計算機(jī)上利用Protel 99 SE軟件進(jìn)行輔助設(shè)計。 3.2 程序流程圖 系統(tǒng)軟件由主程序、鍵盤掃描、LED顯示、串行口中斷組成。由于本模塊就進(jìn)行鍵盤與顯示任務(wù)，且鍵盤掃描與LED掃描是用同個74LS138來完成，可以將程序精簡，即把鍵盤和顯示的程序合在一起放在主程序里。 （1）初始化。設(shè)定可編程芯片的工作方式，對內(nèi)存中的工作參數(shù)區(qū)進(jìn)行初始化，顯示系統(tǒng)初始狀態(tài)。 （2）讀溫度程序. 通過DS18B20的側(cè)溫. （3）調(diào)用PID算法子程序通過鍵盤模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù),即給定值,和測量值進(jìn)行計算,輸出PWM波.對電爐的水溫度進(jìn)行控制. （4）返回 (2)定時中斷服務(wù)程序: 采樣定時由定時器o的定時操作完成，定時器o的定時初值時間由PID的運(yùn)算結(jié)果控制。程序流程如圖所示: (3)脈寬調(diào)制輸出子程序: N Y Y N Y N N Y 開始 初始化 P3.3、P3.4、P3.5=000 消抖 31H? ‘0’ ’ P1?30H 延時 Flaga=1 等待按鍵放開 P3.2=0？ P3.7=0？ 消抖 等待按鍵放開 Flaga=1？ P3.3、P3.4、P3.5=001 P1?31H 延時 Flagb=1？ Flagb? 1 ’ 32H? ‘0’ ’ Flagb?0 ’ ………… …………. …………. …………. …………. …………. P3.3、P3.4、P3.5=010 P3.3、P3.4、P3.5=011 …………. P3.3、P3.4、P3.5=101 P3.3、P3.4、P3.5=100 P3.3、P3.4、P3.5=110 P3.3、P3.4、P3.5=111 入口 P0.0輸出高電平 脈寬標(biāo)志位清0 返回 脈寬標(biāo)志位是高電平? P0.0輸出低電平 把脈寬標(biāo)志位置1 Y N 初始化 調(diào)用水溫檢測子程序 調(diào)用PID算法子程序 開起定時器 定時時間到? 調(diào)用脈寬子程序 返回 Y N N 初始化 調(diào)讀溫度子程序 調(diào)PWM子程序 調(diào)PID子程序 調(diào)發(fā)送子程序 定時時間到 Y PID子程序 T1=T1+K(Ek-E(K-1)) 設(shè)置溫度大于實(shí)測溫度 設(shè)置溫度減實(shí)際溫度 實(shí)際溫度減設(shè)置溫度 置標(biāo)志位 清標(biāo)志位 差值放30H Y N 子程序返回 占空比加上差值 標(biāo)志位為1 PWM占空比到上限 PWM占空低到下限 占空比減去差值 開始 復(fù)位DS18B20 發(fā)讀存儲器命令 返回 發(fā)跳過ROM命令 發(fā)溫度轉(zhuǎn)換命令 延時 復(fù)位DS18B20 將溫度轉(zhuǎn)換成BCD碼 發(fā)送溫度值,顯示溫度 水溫檢測子程序 第4節(jié) 參數(shù)計算 系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。按+鍵設(shè)定溫度值加一；按-鍵設(shè)定溫度值減一；按設(shè)溫鍵，可任意設(shè)置溫度，輸入相應(yīng)的數(shù)值，按確定鍵即可，按取消鍵則返回前一次設(shè)置的值；按初始鍵則返回剛一開機(jī)的狀態(tài)。軟件的調(diào)試府在仿真器提供的單步、斷點(diǎn)、跟蹤等功能的支持下對各子程序分別進(jìn)行調(diào)試．將調(diào)試完的工程序連接起來再調(diào)試．逐步擴(kuò)大調(diào)試范圍。 4.1 系統(tǒng)各模塊設(shè)計及參數(shù)計算 4.1.1、溫度采集部分及轉(zhuǎn)換部分 我們使用AD590來采集外界的溫度。AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。 它的主要特性如下： 1、流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)，即：mA/K式中： —流過器件（AD590）的電流，單位為mA； T—熱力學(xué)溫度，單位為K。 2、AD590的測溫范圍為-55℃～+150℃。 3、AD590的電源電壓范圍為4V～30V。電源電壓可在4V~6V范圍變化，電流 變化1mA，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。 4、輸出電阻為710MW。 5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55℃～+150℃范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3℃。 由于AD590采集的輸出數(shù)據(jù)是模擬量—電流，而且很小，不易測量，所以我們要將電流量轉(zhuǎn)換成電壓量，這樣有利于后面的放大及D/A轉(zhuǎn)換。我們改用一個固定電阻（9.1k或10k）和一個電位器(1K)串接的方法，這樣可以通過調(diào)節(jié)電位器使得每路輸出電壓基本一致。如以0℃為參考值則應(yīng)使其電壓輸出為2.73V；如以25℃為參考值，則應(yīng)使其電壓輸出為2.98V. 4.1.2、傳感器輸出信號放大電路部分: 由于取得的電壓量很小，我們選用LM324做為運(yùn)放，以為其內(nèi)部帶有四個運(yùn)放，可以使得運(yùn)放部分在電路版上不占用太大的體積。我們用了其內(nèi)部的三個運(yùn)放。第一級運(yùn)放我們做成射級跟隨器的形式，起到阻抗匹配的作用。第二級運(yùn)放設(shè)計為反相比例求和電路，根據(jù)反相比例求和電路公式，我們設(shè)計了如下圖的電路，U=-(（10/10）*U1+10/（20+R）),其中U為第二級輸出電壓，R為50k的電位器?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)電位器使得輸出電壓達(dá)到要求。設(shè)0℃時，第二級的輸出為2.73-2.73=0V，而25℃時，第二級的輸出為2.73-2.98= -0.25V（反相）（零位調(diào)整）。第三級運(yùn)放設(shè)計為反相比例放大電路，我們設(shè)計為將第二級的輸出電壓放大5倍。所以我們選用了10k和50k的電阻來實(shí)現(xiàn)。 4.1.3、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分: 這部分最初想用ADC0809的，但為了配合使用CD4051，我們最終選擇了ADC0804。ADC0804的規(guī)格及引腳圖 ·8位CMOS逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器 ·三態(tài)鎖定輸出 ·存取時間：135μs； ·分辨率：8位； ·轉(zhuǎn)換時間：100μs； ·總誤差：±1LSB； ·工作溫度：ADC0804LCN——0℃～+70℃； ·ADC0804LCD—— -40℃～+85℃； 引腳圖及說明如圖所示： /CS：芯片選擇信號。 /RD：外部讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的控制腳輸出信號。/RD為高時，DB0～DB7處于高阻抗；/RD為低時，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)才會輸出。 /WR：用來啟動轉(zhuǎn)換的控制輸入，相當(dāng)于ADC的轉(zhuǎn)換開始（/CS=0時），當(dāng)/WR由高變?yōu)榈蜁r，轉(zhuǎn)換器被清除；當(dāng)/WR回到高時，轉(zhuǎn)換正式開始。 CLK IN, CLK R：時鐘輸入或接振蕩元件（R,C）,頻率約限制在100kHz～1460kHz,如果使用RC電路則其振蕩頻率為1/（1.1RC）. /INTR：中斷請求信號輸出，低電平動作。 VIN(+)、VIN(－)：差動模擬電壓輸入。輸入單端正電壓時，VIN(－)接地；而差動輸入時，直接加入VIN(+)、VIN(－)。 AGND,DGND：模擬信號及數(shù)字信號的接地。 VREF：輔助參考電壓。 DB0～DB7：8位的數(shù)字輸出。 VCC：電源供應(yīng)以及作為電路的參考電壓。 眾所周知, 精度是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要指標(biāo), 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化誤差是影響系統(tǒng)精度的主要因素,A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多, 其量化誤差越小, 一個M 位的A/D 轉(zhuǎn)換器的量化誤差可表示為: 式中V ref為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考基準(zhǔn)電壓。設(shè)A/D 轉(zhuǎn)換電路的模擬輸入電壓為Vi, 則經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后的相對誤差表示為: (2)上式表明, 當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)選定后, 其相對誤差D與其模擬輸入電壓V i 成反比。因此只有將輸入信號V i 預(yù)放大到接近參考電壓V ref, 才能充分發(fā)揮A/D 轉(zhuǎn)換器位數(shù)的效能, 減小量化誤差, 提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度。此即為引入前置放大器的目的之所在。 逐步逼近式A/D的轉(zhuǎn)換公式： ，、Ux為輸入電壓、N為輸出值 （1-1） （1-2） 當(dāng)選定參考電壓和A/D位數(shù)時，e為常數(shù)，由誤差傳遞公式得： ，Ux是輸入絕對誤差 （1-3） 由式（1-3）知：當(dāng)輸入電壓越大，A/D轉(zhuǎn)換的相對誤差越小，當(dāng)然輸入電壓不能大于A/D最大轉(zhuǎn)換電壓。因此為了減少A/D轉(zhuǎn)換誤差，對輸入信號進(jìn)行放大。 4.1.4、ADC0804芯片外圍電路的設(shè)計： a.19腳的CLKR端接一個10k的電阻和150PF的電容，根據(jù)公式f=1/（1.1RC）,可算得時鐘輸入頻率為0.6兆左右。 b.9腳：選擇470k的電阻、5k的電位器和2.7伏的穩(wěn)壓管來調(diào)節(jié)芯片的相對電壓。本電路中應(yīng)調(diào)節(jié)電位器使得9腳電壓為2?.56伏。 c.1、7、8腳接地 d.6腳接運(yùn)放的輸出端，采集收集到的信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換最后輸出8位2 進(jìn)制數(shù)，這樣就可以送到單片機(jī)里進(jìn)行處理了。 4.1.5、數(shù)值處理部分及顯示部分: 數(shù)值處理部分：我們采用8051芯片，其內(nèi)部自帶程序存儲器。其外接12兆的晶振來給起供應(yīng)震蕩頻率。9腳接一個10μF的電解電容再接地，來實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。/RD和/WR分別與ADC0804的/RD和/WR相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫控制。P2.4腳與ADC0804的/INTR相接，可以通過編程來判斷該腳的高低來得知A/D轉(zhuǎn)換是否完成。P1.4～P1.7及P2.7口分別外接一個4.7k的電阻接至三極管的C端，來控制三極管的通斷，來控制5個數(shù)碼管的亮暗。P2.0～P2.2口分別與ADC0804的9、10、11腳來控制選擇的路數(shù)。 顯示部分：用7447芯片與8051的P1.0～P1.3口相連，7447芯片可將8051轉(zhuǎn)換好的8421BCD碼轉(zhuǎn)換成7段碼送到數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管選用共陽的，因此在其Vcc端要外接一個三極管（9013），通過控制三極管給數(shù)碼管供電，來控制數(shù)碼管的通斷。 4.1.6、PID算法的介紹: 在模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達(dá)式: （1）式中： P（t）——調(diào)節(jié)器的輸出信號： e（t）——調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于測量值與給定值之差； KP——調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 　TI——調(diào)節(jié)器的積分時間； TD——調(diào)節(jié)器的微分時間。 4.1.7、A/D轉(zhuǎn)換模塊 由于系統(tǒng)對信號采集的速度要求不高，故可以采用價格低的8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804，該轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度為100us,轉(zhuǎn)換精度為0.39%，對應(yīng)誤差為0.2340°C。故采用AD0804，ADC0804是8位模數(shù)轉(zhuǎn)化電路，它能把模擬電壓值轉(zhuǎn)化為8位二進(jìn)制碼，其轉(zhuǎn)化公式如下：DX=VIN*256/VREF 我們這里設(shè)置VREF 等于5V（因?yàn)檫@里懸空沒接，查資料可知其為5V），則DX 所對應(yīng)的值就是八位二進(jìn)制碼的十進(jìn)制值，具體轉(zhuǎn)化表如下： 溫度值 ADCin（V） DX 十六進(jìn)制編碼 溫度值 ADCin（V） DX 十六進(jìn)制編碼 0°C 0 0 00H 30°C 2.344 8 78H 2°C 0.156 1 07H 35°C 2.734 9 8BH 4°C 0.313 2 0AH 40°C 3.125 A A0H 8°C 0.625 3 20H 45°C 3.516 B B4H 10°C 0.781 4 27H 50°C 3.906 C C7H 15°C 1.172 5 3CH 55°C 4.297 D DCH 20°C 1.560 6 4FH 60°C 4.688 E F0H 25°C 1.953 7 63H 64°C 5.000 F FFH A/D轉(zhuǎn)換器時鐘電路參數(shù)計算 ADC0804片內(nèi)有時鐘電路，其振蕩頻率可按下式計算： fclk≈1/1.1RC 式中R和C分別是CLK_R和CLK_IN兩端外接一對地電阻、電容的阻容值。其典型應(yīng)用參數(shù)為R=10KΩ，C=150PF。此時fclk≈640kHz，A/D轉(zhuǎn)換時間約為103≈μs。A/D轉(zhuǎn)換器的INTR與89C51的P1.0相連，單片機(jī)以查詢方式獲取A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完畢的信息。 4.1.8、控制模塊 由于用單片機(jī)來控制雙向晶閘管，而晶閘管陽極和陰極間所接的是220V的交流電壓，故本電路在中間加了一個光電耦合器件，使低壓區(qū)和高壓區(qū)隔離開。光電耦合器件采用的是MOC3041，其耐壓值為400V，可以滿足本設(shè)計的要求。而光電耦合器件的工作電流較大，因此前面需加放大電路，采用的是小功率硅三極管9012可滿足要求，另外為了保護(hù)光電耦合器件需在高壓側(cè)接一個大功率電阻。雙向晶閘管的選取：由于負(fù)載是1KW的電爐，用于控制負(fù)載輸入功率的雙向晶閘管應(yīng)能滿足負(fù)載對工作電壓、電流的要求。 工作電壓峰值可按下式計算: Vp=220Χ1.414=313（V） 工作電流峰值可按下式計算: Ip=1000/220Χ1.414=6.43（A） 因此，為滿足應(yīng)用要求并適當(dāng)留有余地，雙向晶閘管可選用BAT12-600，該器件可承受的最大反向電壓為600V，最大電流為12A，為了保護(hù)雙向晶閘管還可在其旁邊加一保護(hù)電路（即緩沖電路），因?yàn)殡p向晶閘管在開通和關(guān)斷的瞬間du/dt的變化率較大，開關(guān)損耗很大，因此加上阻容電路，利用儲能元件對能量進(jìn)行緩沖，從而達(dá)到保護(hù)的目的，具體電路如圖2所示。 由于本電路采用PID控制，程序較長，約為2.8K左右，因此選用比較熟悉AT89C51單片機(jī)，其容量為4K，可以滿足設(shè)計的要求。 復(fù)位電路的參數(shù)選擇：本設(shè)計晶振用的是12M，則機(jī)器周期為1us，要使單片機(jī)復(fù)位需持續(xù)2個機(jī)器周期的高電平?？砂聪率接嬎悖? RC≧2us 為了使單片機(jī)能夠可靠地上電自動復(fù)位，選取R=8.2KΩ，C=10uF。 4.2 系統(tǒng)硬件調(diào)試 溫系統(tǒng)經(jīng)溫度傳感器和信號放大器產(chǎn)生0~5V的模擬電壓信號送入A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量通過系統(tǒng)總線送入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。 硬件電路的調(diào)試應(yīng)依次對單片機(jī)基本系統(tǒng)、前向通道和后向通道分別進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試時可利用仿真器對各接口地址進(jìn)行讀寫操作，靜態(tài)地測試電路各部分的連接是否正確；對于動態(tài)過程(如中斷響應(yīng)、脈寬調(diào)制輸出等)可以編寫簡短的調(diào)試程序配合硬件電路的調(diào)試。 4.2.1、單片機(jī)基本系統(tǒng)調(diào)試 (a)晶振電路 將仿真器晶扳開關(guān)打到外部，如果仿真器出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象,說明用戶系統(tǒng)晶振電路有問題，此時應(yīng)用示波器觀察單片機(jī)時鐘信號，或輸入端是否振蕩信或檢查品振電路各器件參數(shù)。 (b)復(fù)位電路 按下復(fù)位按鈕應(yīng)使系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài)，否則用用表檢查復(fù)位電路各點(diǎn)信號和器件參數(shù)。 (2)LED顯示電路 本電路采用8個共陰的數(shù)碼管動態(tài)顯示，前4個為設(shè)定溫度，后4個為實(shí)測溫度。動態(tài)掃描時采用74LS138對這8個數(shù)碼管輪流掃描，進(jìn)行位控，而P1口是進(jìn)行段控信號的控制，為了增加數(shù)碼管的亮度，共陰端有三極管來驅(qū)動它的電流。電路如圖6所示。 (3)鍵盤接口電路 本電路采用鍵盤掃描法對16個按鍵進(jìn)行讀取狀態(tài)。使用行列式，把這16個按鍵分為82，采用74LS138對8行鍵盤輪流掃描，再通過P3.2和P3.7這2列讀進(jìn)來，從而判斷按鍵是否按下 (4)前向通道調(diào)試比較簡單 (5)后向通道調(diào)試 (a)靜態(tài)調(diào)試 用仿真器在p0．0上輸出高電平，雙向可控硅導(dǎo)通．電爐開始加熱；在P0．0上輸出低電平．雙向可控硅截止，電爐停止加熱。如果輸出不正常，應(yīng)按信號輸出順序分別撿查P0．0、光電耦合器輸入端、光電耦合器輸出端及雙向可控硅兩端的電壓情況。 (b)動態(tài)調(diào)試 編寫簡短調(diào)試程序，在P0．0上周期性地輸出一定占空比的脈寬調(diào)制波形，用示被器觀察電爐兩端電壓輸入波形和通斷比例。改變輸出波形占空比，電爐兩端電壓輸入的通斷比也應(yīng)有相應(yīng)改變。 (6) 傳感器電路部分 溫度傳感器種類較多。熱電偶由于熱電勢較小，因而靈敏度較低；熱敏電阻由于非線性而影響精度；鉑電阻溫度傳感器由于成本高，在一般小系統(tǒng)中很少使用。AD590是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的二端式集成溫度傳感器，具有體積小、重量輕、線性度好、性能穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn)。它的測溫范圍為-50~+155°C，滿刻度誤差為0.3°C，當(dāng)電源電壓在5~10V之間，穩(wěn)定度為1%，誤差只有0.01°C，完全適用于本設(shè)計對水溫測量的要求。另外AD590是溫度——電流傳感器，對于提高系統(tǒng)抗干擾能力也有很大幫助，因此本設(shè)計選用AD590作為溫度傳感器。其輸出電流I與溫度的關(guān)系可用下式表示： 或 式中：I—輸出電流，單位mA KT—標(biāo)定因子，AD590的標(biāo)定因子為1mA/°C； TK—開氏溫度。 TC—攝氏溫度。 可見，當(dāng)溫度為攝氏0°C時，輸出電流為273.2mA。 放大器電阻計算：由于我的測量定為+°C~+64°C，根據(jù)這一測量范圍要求，信號轉(zhuǎn)換電路應(yīng)將+°C~+64°C溫度轉(zhuǎn)換為0~5V的電壓信號，根據(jù)以上分析可知AD590在0°C和64°C時輸出電流分別為273.2uA和337.2uA，因此R1、RS、R2、RS2阻值可按下式計算： R1+RS1=12V/273.2UA=43.9KΩ 取R1=40KΩ，RS1=5KΩ。 R2+RS2=5V/64UA=78.1KΩ 取R2=68KΩ，RS2=12KΩ。 綜上所述,在上述6部分都沒有問題后,就可以進(jìn)行下一步了,即軟件調(diào)試。 (6)軟件調(diào)試: 軟件的調(diào)試府在仿真器提供的單步、斷點(diǎn)、跟蹤等功能的支持下對各子程序分別進(jìn)行調(diào)試．將調(diào)試完的工程序連接起來再調(diào)試．逐步擴(kuò)大調(diào)試范圍。調(diào)試的過程一般是： a測試程序輸入條件或設(shè)定程序輸入條件; b以單步、斷點(diǎn)或跟蹤方式運(yùn)行程序； c檢查程序運(yùn)行結(jié)果； d運(yùn)行結(jié)果不正確時查找原因。修改程序，重復(fù)上述過程。 (7) 注意: A.輸入抗干擾 a、鍵盤 按鍵在按下與抬起時都會有10~20ms的抖動毛刺出現(xiàn)，在讀取鍵值時可先延時，再進(jìn)行采樣，在本設(shè)計中我是調(diào)用了一段顯示子程序，和同學(xué)的電路相比，效果非常明顯。 b.AD轉(zhuǎn)換器 由于外界的干擾，AD采樣后的數(shù)據(jù)會有較大誤差，為了提高準(zhǔn)確度，可采用輸入分區(qū)抗干擾法，對模擬信號進(jìn)行初步的處理，降低外界干擾的破壞性，當(dāng)然再配合多數(shù)平均法處理效果更加。 B.輸出抗干擾 一般來說，單片機(jī)的低電平驅(qū)動能力遠(yuǎn)高于高電平的驅(qū)動能力，可以用上拉電阻的方法來平衡單片機(jī)的端口驅(qū)動能力，以提高整體的抗干擾能力。因此本設(shè)計中只要涉及輸出控制都是采用低電平驅(qū)動。 第5節(jié) CPU軟件抗干 5.1 看門狗設(shè)計 單片機(jī)最易受干擾的是內(nèi)部計數(shù)器PC的值。在受強(qiáng)干擾的時，PC值改變，改變后的值又是隨機(jī)的，為一不確定值。因此，對系統(tǒng)內(nèi)核CPU進(jìn)行R軟件抗干擾顯得尤為重要，本設(shè)計采用的是看門狗設(shè)計。 這樣, 就可以進(jìn)行總體調(diào)試了。把編寫好的程序放在電腦里，使用偉福仿真器來仿真，看看8個數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)是否正確，按下按鍵后能否在數(shù)碼管上顯示設(shè)定的值，反復(fù)的調(diào)試、修改程序，使達(dá)到預(yù)期的效果。 看門狗(Watchdog)電路是嵌入式系統(tǒng)需要的抗干擾措施之一。本文用X25045芯片設(shè)計了一種新的看門狗電路，具有體積小、占用I/O口線少和編程方便的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于儀器儀表和各種工控系統(tǒng)中。系統(tǒng)在運(yùn)行時，通常都會遇到各種各樣的現(xiàn)場干擾，抗干擾能力是衡量工控系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)?？撮T狗(Watchdog)電路是自行監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行的重要保證，幾乎所有的工控系統(tǒng)都包含看門狗電路。在8096系列單片機(jī)和增強(qiáng)型8051系列單片機(jī)中，該系統(tǒng)已經(jīng)做在芯片內(nèi)部，用戶只要用軟件開放它就可以，使用很方便。但目前工控系統(tǒng)仍在使用廉價的普通型8051系列單片機(jī)，則看門狗電路必須由用戶自己建立。 看門狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統(tǒng)需要出讓一個定時器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，而且若系統(tǒng)軟件運(yùn)行不正常，可能導(dǎo)致看門狗系統(tǒng)也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的“程序運(yùn)行監(jiān)視器”，如計數(shù)型的看門狗電路通常由555多諧振蕩器、計數(shù)器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統(tǒng)電路較為復(fù)雜，運(yùn)行不夠可靠。 X25045芯片簡介 X25045是美國Xicor公司的生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化8腳集成電路，它將EEPROM、看門狗定時器、電壓監(jiān)控三種功能組合在單個芯片之內(nèi)，大大簡化了硬件設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對印制電路板的空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗，是一種理想的單片機(jī)外圍芯片。X25045引腳如圖1所示。 圖5-1 X25045引腳圖 其引腳功能如下。 CS：片選擇輸入； SO：串行輸出，數(shù)據(jù)由此引腳逐位輸出； SI：串行輸入，數(shù)據(jù)或命令由此引腳逐位寫入X25045； SCK：串行時鐘輸入，其上升沿將數(shù)據(jù)或命令寫入，下降沿將數(shù)據(jù)輸出； WP：寫保護(hù)輸入。當(dāng)它低電平時，寫操作被禁止； Vss：地； Vcc：電源電壓； RESET：復(fù)位輸出。 X25045在讀寫操作之前，需要先向它發(fā)出指令，指令名及指令格式如表1所示。 表1 X25045指令及其含義 X25045看門狗電路設(shè)計及編程 X25045硬件連接圖如圖2所示。X25045芯片內(nèi)包含有一個看門狗定時器，可通過軟件預(yù)置系統(tǒng)的監(jiān)控時間。在看門狗定時器預(yù)置的時間內(nèi)若沒有總線活動，則X25045將從RESET輸出一個高電平信號，經(jīng)過微分電路C2、R3輸出一個正脈沖，使CPU復(fù)位。圖2電路中，CPU的復(fù)位信號共有3個：上電復(fù)位(C1、R2)，人工復(fù)位(S、R1、R2)和Watchdog復(fù)位(C2、R3)，通過或門綜合后加到RESET端。C2、R3的時間常數(shù)不必太大，有數(shù)百微秒即可，因?yàn)檫@時CPU的振蕩器已經(jīng)在工作。 圖5-2X25045看門狗電路硬件連接圖 看門狗定時器的預(yù)置時間是通過X25045的狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位來設(shè)定的。如表2所示，X25045狀態(tài)寄存器共有6位有含義，其中WD1、WD0和看門狗電路有關(guān)，其余位和EEPROM的工作設(shè)置有關(guān)。 ] 第6節(jié) 測試方法和測試結(jié)果 6.1 系統(tǒng)測試儀器及設(shè)備 雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源DH1718E-5 直流穩(wěn)壓電源 數(shù)字示波器Tektronix TDS1002 偉福E6000/L 仿真器 多功能數(shù)字表GDM-8145 數(shù)字萬用表 0～100℃溫度計、調(diào)溫電熱杯、秒表 6.2 測試方法 由于系統(tǒng)不完善，我采用的是分步調(diào)試的方法，步驟如下： （1）在水杯中存放1L凈水，放置在1KW的電爐上，打開控制電源，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備工作狀態(tài)。 （2）先調(diào)零，先將OP07的2、3腳短路，然后調(diào)節(jié)滑動變阻器，使六腳輸出為0。 （3）在改變溫度使溫度為35℃時輸出為0V，溫度為95℃時輸出為5V。在65℃時為2.5V。 （4）在結(jié)合軟件進(jìn)行水溫控制，假如設(shè)定溫度為88℃，而實(shí)際溫度為55℃，那么就加熱使水問到達(dá)88℃，此時水爐會自動斷電，當(dāng)水溫低與88℃，水爐有會自動加熱實(shí)現(xiàn)控制的作用。 （5）然后在雙機(jī)通訊，用鍵盤設(shè)定溫度，結(jié)合軟件加以控制。 6.3 測試結(jié)果 （1）測量溫度與給定溫度的相應(yīng)值如表1所示 表 1 給定溫度（℃） 實(shí)測溫度（℃） 相對誤差 給定溫度（℃） 實(shí)測溫度（℃） 相對誤差 1 35 35 0 4 65 63 2.52％ 2 45 43 -3.22％ 5 75 73 -2.33％ 3 55 53 2.82％ 6 85 83 2.18％ 上表用溫度計標(biāo)定測溫系統(tǒng)。分別是水溫穩(wěn)定在35℃、45℃、55℃、65℃、75℃、85℃，觀察系統(tǒng)測量溫度值和實(shí)際溫度值，盡量校準(zhǔn)系統(tǒng)使測量誤差在1℃以內(nèi)。記錄測量數(shù)據(jù)填入表1。 由上表可以看出，實(shí)測溫度和給定溫度之間的絕對溫度超出了±1℃之間，由于系統(tǒng)顯示數(shù)值沒有小數(shù)部分，所測結(jié)果只能以度來衡量，其實(shí)際誤差是稍大于±1℃的，測量結(jié)果不是很滿足系統(tǒng)誤差的要求。這也是這個系統(tǒng)設(shè)置不全的一方面?？梢允钦{(diào)0的過程中由于調(diào)不到0，我把反饋電阻R18給換了，我第一次換的是20K的雖然能調(diào)到但波動很大，后來我又換了一個10K的，那波動就小了很多，也能調(diào)到要求的范圍了。但我覺得還是有問題，這個問題是我到現(xiàn)在還沒解決的，在設(shè)計的過程中有些電阻是自己去估計取出來的，有些還是很有問題的，我認(rèn)為這是導(dǎo)致誤差的主要原因。因此我認(rèn)為可以通過改變電路中一些電阻或電容的阻值來得到改善。 注意，在測量的過程中，也就是在使用AD590傳感器的時候，為了避免器件一被測液體的直接接觸，應(yīng)將傳感器裝入保護(hù)套管中，或?qū)⑵骷糜操|(zhì)乙烯樹脂等材料密封，以避免被測液體對傳感器的腐蝕和對測量精度產(chǎn)生影響。 結(jié)束語 根據(jù)設(shè)計要求，調(diào)試完成的系統(tǒng)應(yīng)作全面的指標(biāo)測試。測試過程如下： a.通過鍵盤輸人水溫給定值，輸入范圍能滿足40一90C區(qū)分度為1 C的要求。 b.運(yùn)行水溫控制系統(tǒng)，觀察水溫變化情況．測量水溫靜態(tài)誤差，該誤差應(yīng)能滿足要求。 c.在給定突變或環(huán)境溫度突變的情況下，觀察系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量，并能根據(jù)需要改變系統(tǒng)控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同的控制品質(zhì)要求。 通過這次實(shí)驗(yàn), 了解了傳感器A/D590的特性和其應(yīng)用。也收獲了很多關(guān)于單片機(jī)相互通信的知識。特別是對PID算法有了一定的了解。在整個系統(tǒng)的制作過程中，溫度的采樣遇到了很大的困難，電阻值沒有調(diào)準(zhǔn)。還有在PCB板的制作過程中預(yù)先沒有設(shè)置好線條的粗細(xì)，在加220V電壓的線路中，線條應(yīng)該加粗，防止相互之間的干擾。本系統(tǒng)溫度采樣，PWM波和通信都已經(jīng)已經(jīng)完成，但是由于PAB板不能加220V電壓，故而沒有最總完成電路系統(tǒng)。使我的動手能力提高了許多,能夠讓我在做電路時,自己來解決碰到的問題,學(xué)會了怎樣去分析電路,怎樣把所學(xué)到的知識和實(shí)際相起來。但是由于自己是第一次真正做系統(tǒng),所以在很多方面都沒有經(jīng)驗(yàn),故而并沒有完成老師的要求,今后將都作系統(tǒng)來加強(qiáng)自己這方面的不足。 參考文獻(xiàn) 電子系統(tǒng)設(shè)計 主編:何小艇 浙江大學(xué)出版社 8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用 編著:吳金戎,沈慶陽等 清華大學(xué)出版社 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計 編著:韓志軍,王振波等 機(jī)械工業(yè)出版社 28