【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （ 32） 其中， tR 為 t℃時(shí)的電阻值， 0R 為 O℃時(shí)的電阻值。 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，控制或測(cè)量對(duì)象的有關(guān)變量，往往是一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、位移、速度等物理量。但是大多數(shù)單片機(jī)本身只能識(shí)別和處理數(shù)字量，因此必須經(jīng)過(guò)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換 (A/D 轉(zhuǎn)換 )，才能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)對(duì)被控對(duì)象的識(shí)別和處理。完成 A/D 轉(zhuǎn)換的器件即為 A/D 轉(zhuǎn)換器。 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)有： (1)分辨率 分辨率表示 A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。 A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率以輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示； 10 (2)轉(zhuǎn)換時(shí) 間 轉(zhuǎn)換時(shí)間指 A/D 轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來(lái)開(kāi)始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。不同類型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相差甚遠(yuǎn)： (3)轉(zhuǎn)換誤差 轉(zhuǎn)換誤差表示 A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別，常用最低有效位的倍數(shù)表示； (4)線性度 線性度指實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。目前有很多類型的A/D 轉(zhuǎn)換芯片，它們?cè)谵D(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度、分辨率以及使用價(jià)值上都各具特色，其中大多數(shù)積分型或逐次比較型的 A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)于高精度測(cè)量，其轉(zhuǎn)換效果不夠理想。溫度控制中A/D 轉(zhuǎn)換是非常重要的一個(gè)環(huán) 節(jié)。傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法是在 A/D轉(zhuǎn)換前增加一級(jí)高精度的測(cè)量放大器，這樣就增加了成本，電路也較為復(fù)雜。綜合考慮，本系統(tǒng)選用 美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 CMOS 工藝 8通道 ADC0809 作為本溫控系統(tǒng)的 A/D 轉(zhuǎn)換器。其引腳圖如圖 35所示： 圖 35 ADC0809引腳圖 ADC0809 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 CMOS 工藝 8 通道， 8 位逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器 。其內(nèi)部有一個(gè) 8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通 8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的 8 位 通用 A/D 芯片 ADC0809 芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝 ，主要引腳功能介紹如下： IN0～ IN7： 8 路模擬量輸入端。 21～ 28： 8 位數(shù)字量輸出端。 ADDA、 ADDB、 ADDC： 3 位地址輸入線，用于選通 8路模擬輸入中的一路 ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。 START： A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少 100ns 寬）使其啟動(dòng)（脈沖 11 上升沿使 0809 復(fù)位，下降沿啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換）。 EOC： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào) 輸出，當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電 （轉(zhuǎn)換期間一 直為低電平）。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開(kāi)輸出三態(tài)門(mén)，輸出數(shù)字量。 CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于 640KHZ。 REF（ +）、 REF（ ）：基準(zhǔn)電壓。 Vcc：電源，單一 +5V。 GND：地。 ADC0809 的工作過(guò)程是 首先輸入 3位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較器。 START 上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn) 換正在進(jìn)行。直到 A/D 轉(zhuǎn)換完成， EOC 變?yōu)楦唠娖剑甘?A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng) OE 輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門(mén)打開(kāi)，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 A/D 轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問(wèn)題是如何確認(rèn) A/D 轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。 [16]為此可采用下述三種方式。 （ 1）定時(shí)傳送方式 對(duì)于一種 A/D 轉(zhuǎn)換其來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如 ADC0809轉(zhuǎn)換時(shí)間為 128us，相當(dāng)于 6MHz 的 MCS51 單片機(jī)共 64 個(gè)機(jī)器周期。可據(jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序， A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用此子程序，延遲時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 （ 2）查詢方式 A/D 轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)，例如 ADC0809 的 EOC端。因此可以用查詢方式，測(cè)試 EOC 的狀態(tài)，即可確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 （ 3）中斷方式 把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)（ EOC）作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過(guò)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地 址并以信號(hào)有效時(shí)， OE信號(hào)即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機(jī)接受。 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的溫控箱進(jìn)行溫度采集和 A/D 轉(zhuǎn)換，選擇了 8選 1電子開(kāi)關(guān) 4051。 405l的輸入端分別接 Ptl00 溫度傳感器，控制端和地址鎖存器 74HC373 相連，從而受到單片機(jī)的控制。通道選擇電路如圖 36所示 : 12 圖 36 通道選擇電路 輸出通道設(shè)計(jì) 電阻爐的功率調(diào)節(jié)方式 電阻爐的溫度控制是通過(guò)調(diào)節(jié)電阻爐的輸入電功率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前多數(shù)溫控儀采用晶閘管來(lái)實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。由晶閘管實(shí)現(xiàn)交流功率調(diào)節(jié)的途徑有兩條：一種是通過(guò)改 變交流電壓每周期內(nèi)電壓波形的導(dǎo)通角，使得負(fù)載端電壓有效值得以調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電功率調(diào)節(jié)。由于這種調(diào)節(jié)方式下觸發(fā)脈沖的觸發(fā)時(shí)刻與電壓波形的相位有關(guān)，因此稱為相位控制調(diào)功；另一種調(diào)節(jié)方式是電壓波形不變而只改變電壓周波在控制周期內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)，這種調(diào)節(jié)方式稱為通斷控制調(diào)功。就觸發(fā)方式而言，前者為移相觸發(fā)，后者為過(guò)零觸發(fā)。兩者的電壓波形比較如圖 37所示 : （ a）相位控制調(diào)功的電壓波形 13 （ b）通斷控制調(diào)功的電壓波形 圖 37功率調(diào)節(jié)方式比較 相位控制的電壓波形不“規(guī)整”，但正負(fù)半周對(duì)稱，無(wú)直流成分，可直接用于電 感負(fù)載。其最大的缺點(diǎn)是：大電流的切入造成對(duì)電網(wǎng)的沖擊，不規(guī)整的脈沖負(fù)載電流引起電網(wǎng)波形的畸變及對(duì)其它電設(shè)備的中頻干擾。輸出的線性范圍窄而線性度又不好，只能靠反饋來(lái)改善。通斷控制的輸出波形仍為正弦波，其優(yōu)點(diǎn)是，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染和干擾其它用電設(shè)備，而且電爐的功率愈大，優(yōu)點(diǎn)愈突出。但通斷控制也存在抗電源干擾能力弱等缺點(diǎn)。對(duì)于純阻性負(fù)載的電阻爐來(lái)說(shuō)，溫控儀采用過(guò)零觸發(fā)方式可使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件計(jì)算方便。因此，在本系統(tǒng)中采用通斷控制的方式來(lái)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。 可控硅輸出電路 可控硅是一種功率半導(dǎo)體器件，簡(jiǎn) 稱 SCR，也稱晶閘管。它分為單向可控硅和雙向可控硅，在微機(jī)控制系統(tǒng)中，可作為功率驅(qū)動(dòng)器件?？煽毓杈哂锌刂乒β市?、無(wú)觸點(diǎn)、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，在交流電機(jī)調(diào)速、調(diào)功、隨動(dòng)等系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用。雙向可控硅相當(dāng)于兩個(gè)單向可控硅反向并聯(lián)。雙向可控硅與單向可控硅的區(qū)別是： (1)它在觸發(fā)之后是雙向?qū)ǎ? (2)在控制極上不管是加正的還是負(fù)的觸發(fā)信號(hào)，一般都可以使雙向可控硅導(dǎo)通。 [17] 因此雙向可控硅特別適合用作交流無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。本系統(tǒng)中與可控硅配套使用的是MOC3041 光電耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器，與一般的光耦器件不同之處是 MOC3041 輸出部分是硅光敏雙向可控硅，還帶有過(guò)零觸發(fā)檢測(cè)器，以保證電壓接近零時(shí)觸發(fā)可控硅?？煽毓栎敵鲭娐啡鐖D 38所示。 14 圖 38 可控硅輸出電路 串行通信接口電路 目前，廣泛使用的串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)有 RS232， RS422 與 RS485 三種。其中 RS232是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)正式公布的串口總線標(biāo)準(zhǔn)，也是目前最為常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間，計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通訊。串行通信接口的基本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式化。來(lái)自 CPU 的是普通的并行數(shù)據(jù)，接口電路應(yīng)具有實(shí)現(xiàn)不同串行通信方式下的數(shù) 據(jù)格式化的任務(wù)。具體任務(wù)是： (1)進(jìn)行串一并轉(zhuǎn)換； (2)控制數(shù)據(jù)傳輸速率； (3)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)； (4)進(jìn)行 TTL與 EIA 電平轉(zhuǎn)換； (5)提供 EIARS232 接口標(biāo)準(zhǔn)所要求的信號(hào)線。 由于 CMOS 電平和 RS232 電平不匹配，因此要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和 PC 機(jī)之間的通信，必須在它們之間加接電平轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用 MAXIM 公司的 RS232 接口芯 MAX232，這是一種標(biāo)準(zhǔn)的 RS232 接口芯片。 MAX232 只需 +5V 電源供電，其內(nèi)部的電源變化成177。 10V 電源用于RS232 通信。該芯片集成有兩路收發(fā)器，可將單 片機(jī)輸入的 TTL/CMOS 電平轉(zhuǎn)換為 RS232 電平發(fā)送給 PC機(jī)，或?qū)?PC機(jī)接收的 RS232 電平轉(zhuǎn)換為 TTL/CMOS 電平發(fā)送給單片機(jī)。 MAX232為雙列直插 16 腳封裝。系統(tǒng)串口通信電路如圖 39 所示。 15 圖 39 串口通信電路 其中 T20UT 連接上位機(jī)串口的 RX 端， R2IN 連接上位機(jī)串口的 TX 端， R20UT 和 T2IN 是TTL/CMOS 發(fā)送器的輸出和輸入端，分別連接單片機(jī)的 RX()和 TX()端。 電源電路 本設(shè)計(jì)的供電電路主要由變壓器、整流橋、濾波電路和 78L05 芯片組成。電源供電電 路如圖 310 所示 圖 310 電源電路 硬件抗干擾系統(tǒng) 硬件抗干擾是應(yīng)用系統(tǒng)最基本和最主要的抗干擾手段，一般從防和抗兩方面入手來(lái)抑制 16 干擾。其總的原則是：抑制或消除干擾源，切斷干擾對(duì)系統(tǒng)的耦合通道，降低系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)的敏感性。對(duì)于本系統(tǒng)，硬件抗干擾設(shè)計(jì)具體措施有：隔離、接地、濾波等常用方法。 (1)隔離主要用于過(guò)程通道的隔離。光電耦合器能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾，提高信噪比。在輸入、輸出通道采用光電耦合器將控制系統(tǒng)與外圍接口隔離； (2)接地接地應(yīng)遵循的基本原則是：數(shù)字地、模擬地、屏蔽地應(yīng)該合理接地，不能混用。要盡可能地使接地電路各自形成回路，減少電路與地線之間的電流耦合。合理布置地線使電流局限在盡可能小的范圍內(nèi)，并根據(jù)地電流的大小和頻率設(shè)計(jì)相應(yīng)寬度的印刷電路和接地方式。模擬電源和數(shù)字電源各自并接 0． 1uF 的陶瓷電容 (去耦電容 )： (3)濾波電源系統(tǒng)干擾源主要是高次諧波。無(wú)源濾波器是一個(gè)簡(jiǎn)單的、有效的低通濾波器，它只讓電網(wǎng)中基波通過(guò)，而對(duì)高次諧波有急劇的衰減作用，對(duì)串模干擾和共模干擾信號(hào)具有很強(qiáng)的雙向抑制作用。 [18] 4 軟件設(shè)計(jì) 在微機(jī) 測(cè)控系統(tǒng)中，軟件與硬件同樣重要。硬件是系統(tǒng)的軀體，軟件則是靈魂，當(dāng)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)好之后，系統(tǒng)的主要功能還是要靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且軟件的設(shè)計(jì)在很大程度上決定了測(cè)控系統(tǒng)的性能。為了滿足系統(tǒng)的要求，編制軟件時(shí)一般要符合以下基本要求： (1)易理解性、易維護(hù)性要達(dá)到易理解和易維護(hù)等指標(biāo)，在軟件的設(shè)計(jì)方法中，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)是最好的一種設(shè)計(jì)方法，這種設(shè)計(jì)方法是由整體到局部，然后再由局部到細(xì)節(jié)，先考慮整個(gè)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，確定整體目標(biāo)，然后把這個(gè)目標(biāo)分成一個(gè)個(gè)的任務(wù)，任務(wù)中可以分成若干個(gè)子任務(wù)，這樣逐層細(xì)分，逐個(gè)實(shí)現(xiàn)； (2)實(shí)時(shí)性 實(shí)時(shí)性是電子測(cè)量系統(tǒng)的普遍要求，即要求系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)外部事件的發(fā)生，并及時(shí)給出處理結(jié)果。近年來(lái)，由于硬件的集成度與運(yùn)算速度的提高，配合相應(yīng)的軟件，實(shí)時(shí)性比較容易滿足設(shè)計(jì)要求； (3)準(zhǔn)確性 準(zhǔn)確性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具有重要意義，尤其是測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)要進(jìn)行一定量的運(yùn)算，算法的正確性和準(zhǔn)確性對(duì)結(jié)果有著直接的影響，因此在算法的選擇、計(jì)算的精度等方面都要符合設(shè)計(jì)的要求； (4)可靠性 可靠性是系統(tǒng)軟件最重要的指標(biāo)之一，作為能夠穩(wěn)定運(yùn)行的系統(tǒng)，抗干擾技術(shù)的應(yīng)用是必不可少的，最起碼的要求是在軟件受到干擾出現(xiàn)異常時(shí)， 系統(tǒng)還能恢復(fù)正常工作。 [19] 軟件組成 由于整個(gè)系統(tǒng)軟件相對(duì)比較龐大，為了便于編寫(xiě)、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)軟件的編制采用了模塊化的設(shè)計(jì)。即整個(gè)控制軟件由許多獨(dú)立的小模塊組成，它們之間通過(guò)軟件接口連接，遵循模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)關(guān)系緊湊，模塊之間數(shù)據(jù)關(guān)系松散的原則，按功能形成模塊化結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的軟件主要由主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制算法模塊等組成。主模塊的功能是為其余幾個(gè)模塊構(gòu)建整體框架及初始化工作；數(shù)據(jù)采集模塊的作用是將 A/D轉(zhuǎn)換 17 的數(shù)字量采集并儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器中；數(shù)據(jù)處理模塊是將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系 列的處理，其中最重要的是數(shù)字濾波程序：控制算法模塊完成控制系統(tǒng)的 PID 運(yùn)算并且輸出控制量。 下面就介紹本系統(tǒng)幾個(gè)主要的程序模塊。 主程序模塊 主程序模塊要做的主要工作是上電后對(duì)系統(tǒng)初始化和構(gòu)建系統(tǒng)整體軟件框架，其中初始化包括對(duì)單片機(jī)的初始化、 A/D 芯片初始化和串口初始化等。然后等待溫度設(shè)定，若溫度已經(jīng)設(shè)定好了，判斷系統(tǒng)運(yùn)行鍵是否按下，若系統(tǒng)運(yùn)行，則依次調(diào)用各個(gè)相關(guān)模塊，循環(huán)控制直到系統(tǒng)停止運(yùn)行。主程序模塊的程序流程圖如圖 41 所示。在附錄中給出了系統(tǒng)初始化源程序。 18 圖 41 主程序流程圖 開(kāi)始 系統(tǒng)初始化 等待 控制輸出 PID 運(yùn)算 數(shù)據(jù)采集 等待 溫度顯示 讀溫度設(shè)定值 運(yùn)行 /停止鍵按下否 運(yùn)行 /停止鍵按下否 溫度設(shè)定否 Y Y N N N Y 19 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊的任務(wù)是負(fù)責(zé)溫度信號(hào)的采集以及將采集到的模擬量通過(guò) A/D