【正文】 內(nèi)的壓力會隨著溫度和當(dāng)前壓力的變化而變化。如果只對單一量進(jìn)行補(bǔ)償，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力就會相對差一些，所以選擇方案二來設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制。在方案二中，當(dāng)除氧器內(nèi)的實(shí)際壓力和水溫都在不斷變化時(shí)，單片機(jī)輸出的調(diào)節(jié)信號也會發(fā)生相應(yīng)變化，調(diào)節(jié)閥接到信號后也會自動變化，控制除氧器給水水量的大小，從而實(shí)現(xiàn)除氧器內(nèi)壓力穩(wěn)定的目的。第3章 系統(tǒng)的硬件選擇和設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案選擇完畢之后，希望實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)有的功能，須選擇合適的硬件和設(shè)計(jì)才能完成設(shè)計(jì)意圖?；趩纹瑱C(jī)的除氧器壓力控制系統(tǒng)有單片機(jī)、調(diào)節(jié)閥、差壓變送器、上位機(jī)等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺單個(gè)單片機(jī)來對調(diào)節(jié)閥控制，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥控制給水水量的大小來實(shí)現(xiàn)除氧器內(nèi)壓力的穩(wěn)定。通過差壓變送器采樣來自除氧器內(nèi)的壓力，配合壓力傳感器的壓力補(bǔ)償，將數(shù)據(jù)傳送回單片機(jī)進(jìn)行PID運(yùn)算，發(fā)出控制信號，控制調(diào)節(jié)閥。單片機(jī)連接上位機(jī)，上位機(jī)裝有監(jiān)控軟件，對除氧器內(nèi)壓力進(jìn)行監(jiān)控。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖31所示[4]。 圖31 整體方框圖 A/DD/A轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)①A/D是指模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的縮寫。是將連續(xù)的模擬量（如象元的灰階、電壓、電流等）通過取樣轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量。盡管ADC芯片的品種、型號很多，其內(nèi)部功能強(qiáng)弱、轉(zhuǎn)換速度快慢、轉(zhuǎn)換精度高低有很大差別，但從外特性看，無論哪種芯片，都必不可少地要包括以下四種基本信號引腳端：模擬信號輸入端(單極性或雙極性)；數(shù)字量輸出端(并行或串行)；轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端；轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端。除此之外，各種不同型號的芯片可能還會有一些其他各不相同的控制信號端。這里，我們選用ADC0809。ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口，由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成[5]。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)[6]。ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0~5V，若信號太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。ADC0809是單路8位輸入A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于。量化間隔： （31）絕對量化誤差： （32）相對量化誤差： （33）在壓力傳感器誤差與參考電壓誤差不大的情況下，ADC0809是完全滿足設(shè)計(jì)誤差要求的[7]。在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)通過鎖存器74HC373鎖存，再經(jīng)過IO擴(kuò)展芯片8255輸出端與ADC0809通信，其啟動信號直接由單片機(jī)輸出控制。片選信號由單片機(jī)輸出給8255，從而接受ADC0809的數(shù)據(jù)或向其發(fā)送數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)當(dāng)中的單片機(jī)ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器如圖32所示。圖32 ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)換器②數(shù)模轉(zhuǎn)換器，又稱D/A轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC，它是把數(shù)字量轉(zhuǎn)變成模擬的器件。D/A轉(zhuǎn)換器基本上由4個(gè)部分組成，即權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)電源和模擬開關(guān)。這里我們采用DAC0832。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。DAC0832有三種工作方式，分別為直通方式，單緩沖方式和雙緩沖方式。本設(shè)計(jì)采用了單緩沖的工作方式，輸入寄存器和DAC寄存器共用一個(gè)地址，同時(shí)選通輸出，輸入數(shù)據(jù)在控制信號作用下，直接進(jìn)入DAC寄存器中。和同時(shí)進(jìn)行，并且與單片機(jī)的端相連接，單片機(jī)對DAC0832執(zhí)行一次寫操作，將數(shù)據(jù)直接寫入DAC寄存器中。本設(shè)計(jì)當(dāng)中的單片機(jī)DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接如圖33所示[8]。 圖33 DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器 通訊傳輸模塊設(shè)計(jì)通訊模塊是單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的處理芯片及其外圍電路。目前單片機(jī)與上位機(jī)通訊采用兩種方式，一種是常見的USB接口；第二種是采用美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口解決方案。采用USB接口設(shè)計(jì)作為備用接口。USB設(shè)計(jì)采用器件MAX232來實(shí)現(xiàn)。MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5v單電源供電，是一種把電腦的串行口rs232信號電平（10 ，+10v）轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所用到的TTL信號點(diǎn)平（0 ，+5）的芯片。其中MAX232通信原理圖如圖34所示[9]。 圖34 MAX232通信原理圖本設(shè)計(jì)提供的USB物理接頭使單片機(jī)和上位機(jī)之間可以通過USB線進(jìn)行連接。整個(gè)USB轉(zhuǎn)串口線不需要外接電源，直接使用USB供電即可。 時(shí)間模塊設(shè)計(jì)通過單片機(jī)的定時(shí)器，可以設(shè)計(jì)時(shí)間功能，然而單片機(jī)自身的產(chǎn)生時(shí)間數(shù)據(jù)大大占用了系統(tǒng)的資源，降低了工作效率，甚至影響了其他功能的實(shí)現(xiàn)，因此在本設(shè)計(jì)方案中，采用了外部芯片提供時(shí)間信號，用以系統(tǒng)記錄時(shí)間信息。DS1302因其較小的體積，占用I/O口資源少等特點(diǎn)，是常用的時(shí)間芯片。此次設(shè)計(jì)采用DIP8封裝。DS1302中Vcc1為后備電源，Vcc2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中電壓較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc1＋，Vcc2供電，當(dāng)Vcc2小于Vcc1時(shí)，DS1302由Vcc1供電。本設(shè)計(jì)中直接把芯片的2腳接高電平，由其給芯片供電。X1和X2是振蕩源接口。RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳輸。RST輸入有兩種功能：首先RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進(jìn)行操作。如果傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次傳輸，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時(shí)，在Vcc≥，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時(shí)，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端。SCLK始終是輸入端，用來輸入串行時(shí)鐘信號。根據(jù)DS1302的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)電路如圖35所示[10]。圖35 DS1302時(shí)間模塊在實(shí)際應(yīng)用中，起控制、輸入輸出的三個(gè)端口上拉較弱，容因產(chǎn)生信號串?dāng)_，因此加上了上拉電阻，加強(qiáng)信號的穩(wěn)定性。 單片機(jī)接口擴(kuò)展因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中有鍵盤輸入控制與顯示器等設(shè)備，而單片機(jī)接口數(shù)量有限，為解決這一問題，我們選擇常見的可編程并行I/O接口芯片8255。8255是Intel公司生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片，有3個(gè)8位并行I/O口。具有3個(gè)通道3種工作方式的可編程并行接口芯片（40引腳）。 其各口功能可由軟件選擇，使用靈活，通用性強(qiáng)。下面簡單介紹一下8255的各個(gè)接口功能。D0～D7：三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8255與CPU數(shù)據(jù)傳送的通道，當(dāng)CPU執(zhí)行輸入輸出指令時(shí)，通過它實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數(shù)據(jù)總線傳送。PA0～PA7：端口A輸入輸出線，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器。工作于三種方式中的任何一種。PB0～PB7：端口B輸入輸出線，一個(gè)8位的I/O鎖存器，一個(gè)8位的輸入輸出緩沖器。PC0～PC7：端口C輸入輸出線，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器。端口C可以通過工作方式設(shè)定而分成2個(gè)4位的端口，每個(gè)4位的端口包含一個(gè)4位的鎖存器，分別與端口A和端口B配合使用，可作為控制信號輸出或狀態(tài)信號輸入端口。其設(shè)計(jì)圖如圖36所示[11]。4圖36 8255擴(kuò)口8255A有三種工作方式，分別是方式0：基本輸入輸出方式；方式1：選通輸入輸出方式；方式2：雙向輸入輸出方式。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，我們使用8255A的方式0這種工作方式，即基本輸入輸出方式。這種工作方式的基本特點(diǎn)是任何一個(gè)端口可以作為輸入口，也可以作為輸出口，各個(gè)端口之間沒有規(guī)定的必然聯(lián)系。各個(gè)端口的輸入或者輸出，可以有不同的組合。 主控模塊設(shè)計(jì)主控模塊即是整個(gè)系統(tǒng)的控制與主要數(shù)據(jù)運(yùn)算單元。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來作為主控模塊的主要組成部分。單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)性價(jià)比以及被控對象接口數(shù)量，運(yùn)算要求等方面的綜合考慮，我們選用STC公司的STC89C51型單片機(jī)。~，完全能夠滿足控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。STC89C51單片機(jī)有40個(gè)引腳，采用雙列直插（DIP）方式封裝。單片機(jī)最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。晶振采用12MHz晶振，保證單片機(jī)有所需的機(jī)器周期。復(fù)位電路采用常用的按鍵復(fù)位。本設(shè)計(jì)當(dāng)中的單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖37所示[12]。圖37 單片機(jī)最小系統(tǒng)對于單片機(jī)最小系統(tǒng)的各個(gè)部分，都有相應(yīng)的電容電阻等的元件，選擇正確的阻值大小與電容大小是單片機(jī)最小系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在。①晶振計(jì)算：為了對CPU時(shí)序進(jìn)行分析，首先要為它定義一種能夠度量各時(shí)序信號出現(xiàn)時(shí)間的尺度。最常用的尺度包括時(shí)鐘周期、機(jī)器周期和指令周期。時(shí)鐘周期又稱振蕩周期，由單片機(jī)片內(nèi)振蕩電路OSC產(chǎn)生，常定義為時(shí)鐘脈沖頻率的倒數(shù)。機(jī)器周期定義為實(shí)現(xiàn)特定功能所需的時(shí)間，對于此款單片機(jī)來說，機(jī)器周期由十二個(gè)時(shí)鐘周期T構(gòu)成。指令周期定義為執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間。為了方便我們編程以及定時(shí)的準(zhǔn)確性，我們采用12MHz晶振作為單片機(jī)的晶振源。計(jì)算如下： （34）此時(shí)單片機(jī)的機(jī)器周期為，如此方便計(jì)算與編程。②復(fù)位電路RC計(jì)算：單片機(jī)復(fù)位電路可以正常引導(dǎo)單片機(jī)到正確的程序執(zhí)行位置，復(fù)位電路不正常會導(dǎo)致程序錯(cuò)亂甚至不能運(yùn)行。此單片機(jī)復(fù)位電路為按鍵式高電平復(fù)位，即正常工作時(shí)復(fù)位引腳為低電平，按下復(fù)位按鍵時(shí)，復(fù)位腳為高電平并維持兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)振蕩周期）或以上。假設(shè)高電平復(fù)位有效，舍去充放過程中較低的電平，~1ms，RC計(jì)算公式為：； （35）；這里我們?nèi)〗?jīng)驗(yàn)值電容為，電容為。計(jì)算延時(shí)時(shí)間：根據(jù)RC計(jì)算公式，計(jì)算出延時(shí)時(shí)間為，滿足單片機(jī)的按鍵復(fù)位要求[13]。 線性穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源通常分為線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源是比較早使用的一類直流穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓直流電源的特點(diǎn)是：輸出電壓比輸入電壓低；反應(yīng)速度快，輸出紋波較??；工作產(chǎn)生的噪聲低：效率較低，產(chǎn)生的熱量大。線性穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流、濾波電路及穩(wěn)壓電路組成，其基本流程為變壓，蒸餾，濾波，穩(wěn)壓，輸出。本設(shè)計(jì)中電源變壓器T的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui。變壓器的副邊與原邊的功率比為P2/P1=η，式中η為變壓器的效率。采用變壓器，將市電220V/50Hz變?yōu)?5V/50Hz的交流電，然后通過整流電路，將交流電壓Ui變換成脈動的直流電壓。這里我們采用的整流電路為全波整流電路，以此來保證輸出電壓有效值。然后將此脈動直流電壓進(jìn)行濾波處理，即通過電容將脈動直流電壓的文波減小或者消除，此時(shí)電壓基本穩(wěn)定，再通過穩(wěn)壓電路來穩(wěn)定輸出電壓。同時(shí)，本設(shè)計(jì)涉及到傳感器以及調(diào)節(jié)閥， 需要用到放大器，所以，我們通過7812和7912芯片來輸出12V與12V電源。滿足設(shè)計(jì)全局的供電需求。這里，將15V輸出電壓變?yōu)?2V電壓，我們采用的是LM7812芯片。用LM7812三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜。相應(yīng)的使用7912來輸出12V電壓[14]。，典型值為5V,，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。輸出+5V電壓可以給單片機(jī)等工作模塊供電。其設(shè)計(jì)圖如圖38所示。圖38 線性電源 顯示與鍵盤模塊設(shè)計(jì)①顯示模塊設(shè)計(jì)：本設(shè)計(jì)采用12864液晶進(jìn)行顯示。該點(diǎn)陣的成本相對較低，適用于各類儀器，小型設(shè)備的顯示領(lǐng)域。壓力控制系統(tǒng)中的溫度壓力等等參數(shù)將通過12864液晶進(jìn)行顯示，同時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)也將通過液晶顯示。考慮到液晶屏有可能損壞，本文將液晶屏連接接頭做成插頭形式，方便更換與維護(hù)。其具體硬件連接如圖39。圖39顯示模塊②按鍵設(shè)計(jì)：因?yàn)槌跗鲏毫刂葡到y(tǒng)目的之一是減少人工勞動的繁瑣，基本上是全自動運(yùn)行，不需要過多的人工控制，所以設(shè)計(jì)按鍵較少。鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中是一個(gè)很關(guān)鍵的部件，它能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、發(fā)送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)系統(tǒng)的主要手段。考慮到本設(shè)計(jì)實(shí)際需要的按鍵較少，故采用獨(dú)立式鍵盤接口電路即可。設(shè)計(jì)按鍵分別執(zhí)行功能為：當(dāng)除氧器壓力過高時(shí)報(bào)警，消除報(bào)警； 當(dāng)壓力控制系統(tǒng)運(yùn)行之前，實(shí)驗(yàn)按鈕測試保證所需報(bào)警等功能完好運(yùn)行；系統(tǒng)緊急關(guān)閉按鈕；設(shè)定值增量按鈕，即“+”按鈕；設(shè)定值減量按鈕，即“”按鈕；系統(tǒng)預(yù)留按鈕；按鍵的處理可以采用中斷方式，也可以采用查詢方式。鍵盤工作方式的選取原則是既要保證能及時(shí)響應(yīng)按鍵操作，又要不過多占用單片機(jī)的工作時(shí)間。所以選擇中斷方式處理按鍵。按鍵設(shè)計(jì)如圖310所示。圖310按鍵設(shè)計(jì) 看門狗電路設(shè)計(jì)看門狗電路它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)可由CPU復(fù)位的定時(shí)器，它的定時(shí)時(shí)間是固定不變的，一旦定時(shí)時(shí)間到，電路就產(chǎn)生復(fù)位信號或中斷信號。當(dāng)程序正常運(yùn)行時(shí)，在小于定時(shí)時(shí)間隔內(nèi)，單片機(jī)輸出一信號刷新定時(shí)器，定時(shí)器處于不斷的重新定時(shí)過程，因此看門狗電路就不會產(chǎn)生復(fù)位信號或中斷信號，反之，當(dāng)程序因出現(xiàn)干擾而“跑飛”時(shí)，單片機(jī)不能刷新定時(shí)器，產(chǎn)生復(fù)位信號或產(chǎn)生中斷信號使單片機(jī)復(fù)位或中斷，在中斷程序中使其返回到起始程序，恢復(fù)正常。本設(shè)計(jì)采用MAX831L看門狗電路監(jiān)控單片機(jī)的工作，如果單片機(jī)工作不正常，看門狗電路在規(guī)定時(shí)是內(nèi)得不到刷新復(fù)位，就輸