【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 大致可分 為幾個(gè)范疇，在智能儀器儀表上的應(yīng)用，在工業(yè)控制中的應(yīng)用，在家用電器中的應(yīng)用，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用， 在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 ， 在各種大型電器中的模塊化應(yīng)用 ， 在汽車(chē)設(shè)備領(lǐng)域 中的應(yīng)用 等等 [2]。 未來(lái)單片機(jī)技術(shù)將向多功能、高性能、高速度、低電壓、低功耗、外圍電路內(nèi)裝化及片內(nèi)儲(chǔ)存器容量增加的方向發(fā)展。 所以本課題將采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)除氧器內(nèi)壓力的控制。 設(shè)計(jì)目標(biāo) 本課題的研究對(duì)象為除氧器的壓力，對(duì)其壓力進(jìn)行控制。基本思想是以單片機(jī)作為控制器，通過(guò)單片機(jī)、壓力傳感器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等硬件系統(tǒng)和軟件方法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具有壓力報(bào)警和控制的雙重功能，同時(shí)也具有壓力顯示的功能。系統(tǒng)的硬件部分包括以下幾個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)作為核心控制器、壓力采集部分、鍵盤(pán)顯示部分、 A/D 變換部分、報(bào)警部分、壓力控制等部分組成。 3 第 2 章 壓力控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案 系統(tǒng)總體任務(wù) 本文主要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能有： （ 1）當(dāng)除氧器內(nèi)壓力低于控制壓力值時(shí)，開(kāi)啟給水水閥對(duì)除氧器進(jìn)行加水。 （ 2）當(dāng)除氧器內(nèi)壓力高于控制壓力值時(shí)，停止對(duì)除氧器內(nèi)進(jìn)行加水。 （ 3）當(dāng)由于某種特殊原因，壓力高于控制點(diǎn)壓力時(shí)，仍然沒(méi)有關(guān)閉給水水閥，則達(dá)到上限壓力值時(shí)，進(jìn)行報(bào)警，關(guān)閉給水水閥。 （ 4）設(shè)計(jì)消除報(bào)警按鈕，當(dāng)有報(bào)警時(shí)操作人員在知道的情況下可以按下消除報(bào)警并去做相應(yīng)的處理工作。 （ 5）設(shè)計(jì)緊急停止按鈕，在遇到緊急情況是可以停止系統(tǒng)的運(yùn)行。 （ 6）設(shè) 計(jì)實(shí)驗(yàn)按鈕，在系統(tǒng)啟動(dòng)之前進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)，確保系統(tǒng)可以正常運(yùn)行及報(bào)警。 （ 7）安裝溫度、壓力傳感器，可以進(jìn)行溫度與壓力值的顯示。 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案 根據(jù)上面對(duì)系統(tǒng)任務(wù)的簡(jiǎn)單描述，將系統(tǒng)功能進(jìn)行細(xì)分，此系統(tǒng)從整體看可以分為五部分：調(diào)節(jié)閥控制部分，信號(hào)采集部分，通信部分，數(shù)據(jù)處理部分，人機(jī)交互部分。調(diào)節(jié)閥控制部分主要完成對(duì)調(diào)節(jié)閥的控制，從而控制除氧器內(nèi)壓力值大小。信號(hào)采集部分則用于采集壓力等相關(guān)參量。通信部分主要完成與上位機(jī)的通信任務(wù)。數(shù)據(jù)處理部分主要完成 PID 運(yùn)算和數(shù)據(jù)運(yùn)算功能，而人機(jī)交互部分用來(lái)顯示除氧器運(yùn) 行狀態(tài)和相應(yīng)的按鍵控制。 在穩(wěn)定除氧器內(nèi)壓力時(shí)，可行性較大的方式主要有二種： 因?yàn)闇y(cè)量壓力范圍最高值在 100kpa，壓力比較小，比較好實(shí)現(xiàn)壓力的控制。本方案就通過(guò)控制檢測(cè)壓力即測(cè)量壓力，并通過(guò) PID 運(yùn)算等控制系統(tǒng)輸出，從而實(shí)現(xiàn)壓力的控制。 4 圖 21 方案一 第二種是考慮到除氧器內(nèi)本身存在的壓力和溫度對(duì)除氧器內(nèi)壓力的影響。由于除氧原理多采用加熱式除氧，所以計(jì)算實(shí)際壓力值時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到水溫變化與當(dāng)前壓力的變化，所以要對(duì)實(shí)際壓力值進(jìn)行一定的補(bǔ)償計(jì)算 [3]。 圖 22 方案二 經(jīng)過(guò)二個(gè)方案比較后發(fā)現(xiàn)方案一比方 案二少了一個(gè)前饋。所以當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在不同狀態(tài)時(shí)時(shí)，除氧器內(nèi)的壓力會(huì)隨著溫度和當(dāng)前壓力的變化而變化。如果只對(duì)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(huì)相對(duì)差一些，所以選擇方案二來(lái)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(hào)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，調(diào)節(jié)閥接到信號(hào)后也會(huì)自動(dòng)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。 5 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。 系統(tǒng) 的硬件電路設(shè)計(jì) 基于單片機(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(tái)單個(gè)單片機(jī)來(lái)對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)除氧器內(nèi)壓力的穩(wěn)定。通過(guò)差壓變送器采樣來(lái)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(hào)，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(duì)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) ① A/D 是指模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器，是模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器的縮寫(xiě)。 是將連續(xù)的模擬量（如象元的灰階、電壓、電流等）通過(guò)取樣轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量 。 盡管 ADC 芯片的品種、型號(hào)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(wú)論哪種芯片，都必不可少地要包括以下四種基本信號(hào)引腳端：模擬信號(hào)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(dòng)信號(hào)輸入端；轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端。除此之外，各種不同型號(hào)的芯片可能還會(huì)有一些其他各不相同的控制信號(hào)端。 這里，我們選 用 ADC0809。 6 ADC0809 是帶有 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、 8 路多路開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是 0~5V，若信號(hào)太 小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過(guò)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 s?100 。 量化間隔 ： mVV 8 ??? （ 31） 絕對(duì)量化誤差 ： mV76 56 ???? （ 32） 相對(duì)量化誤差 ： % 18 ?? ?? （ 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(mǎn)足設(shè)計(jì)誤差要求的[7]。 在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)通過(guò)鎖存器 74HC373 鎖存，再經(jīng)過(guò) IO 擴(kuò)展芯片 8255 輸出端與ADC0809 通信，其啟動(dòng)信號(hào)直接由單片機(jī)輸出控制。片選信號(hào)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。 7 I N 026m s b 2 1212 220I N 1272 3192 418I N 2282 582 615I N 312 714l s b 2 817I N 42E O C7I N 53A D D A25I N 64A D D B24A D D C23I N 75A L E22r e f ( )16E N A B L E9S T A R T6r e f ( + )12C L O C K10U6V C CA D 0A D 1A D 2A D 3A D 4A D 5A D 6A D 7S T A R TOES T A R TA D C 0 809A L E 圖 32 ADC0809 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 ② 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，又稱(chēng) D/A 轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng) 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(kāi)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(hào)作用下，直接進(jìn)入 DAC寄存器中。 1WR 和 2WR 同時(shí)進(jìn)行，并且與單片機(jī)的 WR 端相連接，單片機(jī)對(duì) DAC0832 執(zhí)行一次寫(xiě)操作，將數(shù)據(jù)直接寫(xiě)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]。 8 Vcc2011 712 659 4168 151413I L E1918CS12X f e r17DDDDDDDD01234567o u t1o u t2IIRFVR E FWRWR 121Z D A C 0 8 3 2V C CP 1 0P 1 1P 1 2P 1 3P 1 4P 1 5P 1 6P 1 7L M 3 2 4 L M 3 2 4 +L M 3 2 4 O U T 5 VV C C321411U 4 AL M 3 2 4L M 3 2 4 +L M 3 2 4 V C C 5 VL M 3 2 4 O U T 567U 4 BL M 3 2 4R11K 12P1H e a d e r 2 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(jiàn)的 USB 接口；第二種是采用 美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì) 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(lái)實(shí)現(xiàn)。 MAX232 芯片是美信（ MAXIM）公司專(zhuān)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(hào)電平（ 10 ， +10v）轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所用到的 TTL 信號(hào)點(diǎn)平（ 0 ， +5）的芯片。 其中 MAX232 通信原理圖如圖 34 所示 [9]。 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(guò) USB 線(xiàn)進(jìn)行連接。整個(gè)USB 轉(zhuǎn)串口線(xiàn)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(guò)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(hào)，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＋ 時(shí)，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，外接 晶振。 RST 是復(fù)位 /片選線(xiàn)，通過(guò)把 RST 輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來(lái)啟動(dòng)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(duì) DS1302 進(jìn)行操作。如果傳送過(guò)程中 RST 置為低電平，則會(huì)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≥ 之前， 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(lái)輸入串行時(shí)鐘信號(hào) 。 根據(jù) DS1302 的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)電路如圖 35 所示 [10]。 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(hào)串?dāng)_，因此加上了上拉電阻，加強(qiáng)信號(hào)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(pán)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(wèn)題，我們選擇常見(jiàn)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(jiǎn)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(xiàn)， 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(guò)它實(shí) 現(xiàn) 8 位數(shù)據(jù)的讀 /寫(xiě)操作，控制字和狀態(tài)信息也通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳送。 PA0～ PA7： 端口 A 輸入輸出線(xiàn)，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