【文章內(nèi)容簡介】 主機(jī)控制模塊 方案一：采用 FPGA， 它的名稱是 現(xiàn)場可編程門陣列 ，它是 集成度最高的一種在我們常用的 專用集成電路中 ，一些較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)式子和邏輯運算都可以通過他來完成。 它的主要特點是能實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯運算，而且運算精度較高，它能將所有器件集成到一塊芯片上以減少體積，也可以通過 EDA 軟件進(jìn)行仿真、調(diào)試，功能擴(kuò)展也非常容易，缺點是成本較高。本設(shè)計主要的突出點不是針對運算速度，F(xiàn)PGA 的優(yōu)勢得不到體現(xiàn)。 方案二：采用 PID 控制器，他的主 要組成部分是模擬放大器組成。 PID 控制對我們來說并不陌生 ， 他的組成單元有如下幾種： 比例單元 P還有 積分單元 I 以及 微分單元 D。 主要是我們設(shè)置好 Kp， Ki和 Kd 這 三個參數(shù) 值 。 PID 控制器 大部分被應(yīng)用在以基本線性還有動態(tài)特性為根本并且還要不隨時間變化的系統(tǒng)。在企業(yè)生產(chǎn)過程中，有一些參數(shù)是我們在生產(chǎn)過程中必須牢牢嚴(yán)格要求的，并且必須和期望值不能差的太多，必須在預(yù)定的范圍之內(nèi)，這些參數(shù)主要體現(xiàn)在：有溫度、 11 壓力、液位等變量的工業(yè)生產(chǎn)中，我們必須做到控制好這些參數(shù)在一定的數(shù)值上，如果是 變量那么也必須有規(guī)律的變化，總而 言之必須滿足工藝的要求。 PID 控制器 恰好就是又來解決一些難控變量的問題，它可以通過一系列的調(diào)節(jié)使物體的實際值和預(yù)期值編程一樣的。它可以滿足對溫度的控制，但是附加其它較多的外圍電路就不能顯現(xiàn)出優(yōu)勢，且反饋過程中反應(yīng)速度較慢。 方案三：控制器我們選擇 AT89C51 單片機(jī)。單片機(jī)運算速度高，外圍電路擴(kuò)展容易，軟件編程簡單容易，功耗低、體積小、成本低等優(yōu)點。 綜合分析，擬定方案三，由 AT89C51 作為主機(jī)部分。 溫度采集模塊 方案一：選擇熱敏電阻來做測量溫度的器件， 熱敏 電阻 器因為它有對溫度敏感、根據(jù)不同的溫度提供不同的阻值等良好特點，在簡單的溫度采集電路中經(jīng)常適用。它有很多的優(yōu)點，不僅反應(yīng)靈敏，而且在工作時適應(yīng)的環(huán)境溫度范圍大，除此之外，體積小還是它被廣泛應(yīng)用的一大原因之一。在簡單的溫控電路中它因為穩(wěn)定性好、承受電信號的能力較強(qiáng)還有以上敘述的特點讓它的應(yīng)用的到了非常廣的領(lǐng)域。 元件的一致性差，互換性差；元件易老化，穩(wěn)定性較差。他的優(yōu)點有很多，但是缺點同樣存在，就是它只能適應(yīng)比較簡單的電路，如果環(huán)境溫度超過150或者低于 0度時，大部分的熱敏電阻的工作會收到嚴(yán)重影響，但是還是有一些特殊高溫?zé)崦?電阻 適合在溫度偏差較大的地方應(yīng)用，但是，其成本增加。 方案二：采用溫度傳感器 AD590。我們大多時候會在測量熱力學(xué)還有攝氏溫度，兩點、多點溫差還有器平均值的實際電路中可以看到有 AD590的存在。主，在現(xiàn)代的控制領(lǐng)域里應(yīng)用非常的廣。因為 AD590精度高、價錢低、不需 輔助電源 、線性好，常用于測溫和熱電偶的 冷端補(bǔ)償 。其測溫范圍為 55℃ ~+150℃；它是不容易因為操作失誤造成反接之后而毀壞，雖然它的正常電源電壓范圍為 4～ 30 V，但是它實際上是可以承受 44 V 正向電壓同時也可以承受和 20 V 的反向電壓；他的精密度非常高，一般在 55℃ ~+150℃范圍內(nèi)，并且非線性誤差只為177?！?。 綜上所述分析選擇用方案二 ，有溫度傳感器 AD590做采樣溫度部分。 顯示模塊 12 方案一：選擇用三個 LED 八段數(shù)碼管來作為顯示模塊，讓他們?nèi)齻€數(shù)碼管分別顯示溫度的十位、個位、還有小數(shù)點位。數(shù)碼管的一些特性我們都比較了解，因為我們經(jīng)常在實驗中用到它，防水、防塵、耐壓、耐破裂這幾個特點讓它在不同的環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用。除此之外他還有耐高低溫、耐燃、超強(qiáng)抗沖擊老化等特點；工作環(huán)境： 40 度 +75 度；但其動態(tài)顯示組要驅(qū)動電路支持而且電路較為復(fù)雜。 方案二：采用 12864 液晶顯示屏；其內(nèi)部儲存顯示字庫，其主要特點是：低功耗，體積小、顯示效果好、抗干擾能力強(qiáng)，編程容易。更有多種擴(kuò)展共能，例如：光標(biāo)顯示、睡眠模式、增加可讀性。 分析之后我們決定選用 12864 液晶顯示器做顯示部分。 總體設(shè)計概述 根據(jù) 我們 上 面的 分析， 還有電路的性質(zhì)以及控制目的 ，確定 下面的 方案： 本系統(tǒng)以 89C51 單片機(jī)為核心，擴(kuò)展外圍控制電路，檢測變送電路，按鍵電路，顯示電路，復(fù)位電路，時鐘電路，電源電路，報警電路；本系統(tǒng)的整體運行過程為：通過按鍵電路設(shè)定理想水溫范圍，實時水溫通過檢測變送電路模檢測，并將檢測到的物理量轉(zhuǎn)化成電信號，然后放大電信號并將模 擬量同過 A/D 轉(zhuǎn)換為單片機(jī)識別的數(shù)字量發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)系統(tǒng)將實時溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行對比，并通過顯示電路將實時溫度顯示出來，如果實時溫度大于設(shè)定的最高溫度或者低于設(shè)定的最低溫度一定時間，單片機(jī)將觸發(fā)報警電路對過溫或者低溫進(jìn)行警報，同時觸發(fā)控制電路對水溫的控制做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，確保水溫出在理想的溫度值，滿足需求 第 3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件電路主要分為電源 電路 、復(fù)位電路、時鐘電路、按鍵電路、 LCD顯示電路和溫度采集電路六部分。 選擇 集成的 單片機(jī)成為主要的控制器 ， 在系統(tǒng)中溫度靠溫度傳感器獲得并 將其轉(zhuǎn)換為電信號送給 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換信號為單片機(jī)能夠讀懂的數(shù)字信號，然后通過單片機(jī)內(nèi)部的程序來將各種信息處理并輸出指令信號通過顯示和控制電路變現(xiàn)出來。使用 按鍵改變 設(shè)置 溫度。 從而實現(xiàn)溫控功能。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 31所示 ： 13 圖 31 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 單片機(jī)控制部分 單片機(jī)通俗來講就是一個小型的計算機(jī)，試想一下一個計算機(jī)的功能全部濃縮在一個小小的芯片上，充分解釋了什么叫濃縮的是精華。因此 在很多控制領(lǐng)域中我們用到的最廣泛的芯片就是單片機(jī)，單片機(jī)雖然體積 小、但是其功能卻十分驚人，其高可靠性、高性能的特點一直是人們熱衷于單片機(jī)開發(fā)的主要原因。功能全但是造價并不高，而且在能耗方面也有出色的表現(xiàn)。在系統(tǒng)中應(yīng)用單片機(jī)，可以是系統(tǒng)快速的檢測到大量的數(shù)據(jù)，在經(jīng)過飛速的運算處理和邏輯分析之后，可以做出快速的、實時的動態(tài)響應(yīng)。發(fā)展到現(xiàn)代社會，工業(yè)中我們應(yīng)用的主流單片機(jī)還是以 8位機(jī)為主，但其 16位、 32 位的同胞兄弟正在以極快的速度崛起中。而本次磁懸浮小球控制系統(tǒng)，其需要處理的數(shù)據(jù)量并不是太大，所以考慮到系統(tǒng)的運算性能和成本問題，本次設(shè)計選用的是 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51型號的單片機(jī)。圖 32為本次設(shè)計中所應(yīng)用的單片機(jī)的最小系統(tǒng)。 按鍵模塊 電源模塊 單 片 機(jī) LCD 顯示模塊 復(fù)位電路 時鐘電路 溫 度采集模塊 14 圖 32 51 單片機(jī)最小系統(tǒng) 由圖可以看出，此單片機(jī)一共有 40 個管腳，其中可以用做輸入輸出的管腳是 P0 口、 P1口、 P2 口、 P3口，除此只外 P0 口還可以用作地址、數(shù)據(jù)總線，而P3口也有自己的第二功能， 用作第二功能的時候，每個管腳都需要單獨定義。需要注意的是要是用 P0 口的輸入輸出功能的時候一定要在外面接上拉電阻。 ● X X2 管腳用于接外接晶振，為單片機(jī)提供脈沖信號。 ● ALE 管腳用于選擇地址的鎖存信號，當(dāng)脈沖信號為下降沿 的時候，此管腳輸出工作信號。 ● RESET 管腳外接復(fù)位電路，用于單片機(jī)的復(fù)位操作。 ● PSEN 管腳用于單片機(jī)是否在外部的儲存器提取指令，在低電平到達(dá)的時候，單片機(jī)才會從外部的儲存器提取所用的指令信號。 ● EA 管腳負(fù)責(zé)管理單片機(jī)的內(nèi)外程序存儲器，當(dāng) EA為高電平的時候，單片機(jī)可以反問片內(nèi)的 ROM存儲器；反之則訪問片外的。 本次設(shè)計中也只是應(yīng)用了 PO 口作為輸入功能，與其相連的是 ADC0809 模數(shù) 15 轉(zhuǎn)換芯片。而輸出口則是應(yīng)用的 P2 口，用于輸出產(chǎn)生的 PWM 波。由此可以看出，本次設(shè)計并沒有將單片機(jī)的全部引腳充分利用，但現(xiàn) 在也可以滿足此次的設(shè)計要求。在設(shè)計總控制器的時候我也有考慮過使用其他的控制芯片，甚至也考慮過比51單片機(jī)功能更強(qiáng)大的種類。但是介于所學(xué)到的知識和對整個系統(tǒng)的功能分析，并最終決定整個控制系統(tǒng)的核心采用 51 單片機(jī)。 單片機(jī)正因為其多功能的管腳、較小的身軀、強(qiáng)大的功能、出色的運算速度等，確定了其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，生活中我們的各種家電、各種智能設(shè)備，工業(yè)中所應(yīng)用的生產(chǎn)流水線，高端智能儀器等等。單片機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)成為了我們社會進(jìn)步的不可缺少的重要工具。 復(fù)位電路 復(fù)位電路是單片機(jī)系統(tǒng) 必不可少的重要 組成部分 ， 只有在 復(fù)位 電路的可靠運行下系統(tǒng)才能可靠的運行。復(fù)位電路在單片機(jī)中的形式的只能就是使單片機(jī)重置至 初始狀態(tài)，并從這個工作店開始工作。我們可以通過很多種方法來實現(xiàn) 復(fù)位電路， 由于功能的不同我們可將其分為兩大類：一種是電源復(fù)位，另一種是按鍵復(fù)位。電源復(fù)位就是說通過給電源直接給單片機(jī)通電的方法來達(dá)到復(fù)位的目的；而按鍵復(fù)位就是在系統(tǒng)的復(fù)位電路中裝上復(fù)位開關(guān)，通過按鍵開關(guān)的通斷來觸發(fā)復(fù)位電平信號，通過上述對比，我們選用電源復(fù)位，電路設(shè)計 如圖 33所示 ： 圖 33 單片機(jī) 復(fù)位電路 16 時鐘電路 時鐘是單片機(jī)內(nèi)部電路工作的基礎(chǔ)，也是 CPU 工作時序的時間基準(zhǔn)。時鐘電路 的作用是 產(chǎn)生單片機(jī) 穩(wěn)定 工作 需要 的時鐘信號。振蕩器 是單片機(jī)工作所需的必要部分。它是由單片機(jī)內(nèi)部的 高增益反相放大器構(gòu)成 的 。 振蕩器有輸入和輸出段兩個端口，它的輸入端接單片機(jī)內(nèi)部的 其輸入端接至單片機(jī) 內(nèi)部 的 XTAL1 引腳，輸出端接單片機(jī)的外部 的 XTAL2 引腳。 通過在兩個端口的兩端介入一個合適的晶振還有兩個電容就組成了一個可以單片機(jī)運行所需的 自激式振蕩電路 。 電容 CC2 的作用是 穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振，容量的選擇范圍為 5～ 30PF,通常選擇30pF。振蕩頻率的選擇范圍為 ～ 12MHz，本設(shè)計選擇 12MHZ，時鐘周期為 (1/12)μ s。如圖 3 所示是單片機(jī)內(nèi)部時鐘方式的振蕩電路。 單片機(jī)所需的時鐘脈沖信號是需要將 時鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖 通過 觸發(fā)器進(jìn)行二分頻之后 產(chǎn)生的脈沖。單片機(jī)內(nèi)部的時鐘電路結(jié)構(gòu)如圖 34 所示： 圖 34 片機(jī)內(nèi)部時鐘電路 P0 口上拉電阻電路 STC89C51 單片機(jī) P0 口 里面沒有 上拉電阻， 通過對 單片機(jī) 內(nèi)部場效應(yīng)管的控制來實現(xiàn) 端口的輸出 。假 如 不設(shè) 上拉電阻， 單片機(jī)無法在端口得到高電平，即使 17 單片機(jī) 通過鎖存器結(jié)合單片機(jī)輸出的 1 使場效應(yīng)管截止。 所以 P0 口 必 需加上拉電阻。如圖 下 35。 圖 35 P0口上拉電阻電路 溫度采集部分 溫度采樣部分由型號為 AD590的溫度傳感器以及號為 OP07運算放大器 型 還有 型號為