【導(dǎo)讀】第3節(jié)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)………………………傳感器輸出信號(hào)放大…………………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。度設(shè)定、控制和顯示。本系統(tǒng)由鍵盤顯示和溫度控制兩個(gè)模塊組成，通過(guò)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。操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度基本不變。b.控制精度：溫度控制的靜態(tài)誤差≤1℃。積分的作用使得過(guò)渡過(guò)程結(jié)束時(shí)無(wú)余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。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)，用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消除余差。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(jì)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，方法的分析來(lái)看，PID控制方法最適合本例采用。需對(duì)軟件作相應(yīng)改變即可實(shí)現(xiàn)不同的控制方案。

　　

【正文】 第 5 節(jié) CPU 軟件抗干 看門狗設(shè)計(jì) 單片機(jī)最易受干擾的是內(nèi)部計(jì)數(shù)器 PC 的值。在受強(qiáng)干擾的時(shí)， PC 值改變，改變后的值又是隨機(jī)的，為一不確定值。因此，對(duì)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(jì)采用的是看門狗設(shè)計(jì)。 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(lái)仿真，看看 8 個(gè)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(jì)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(shí)，通常都會(huì)遇到各種各樣的現(xiàn)場(chǎng)干擾，抗干擾能力是衡量工控系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。看門狗(Watchdog)電路是自行監(jiān)測(cè)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24 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(jià)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(gè)定時(shí)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(jì)數(shù)型的看門狗電路通常由 555 多諧振蕩器、計(jì) 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(jiǎn)介 X25045 是美國(guó) 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(shí)器、電壓監(jiān)控三種功能組合在單個(gè)芯片之內(nèi)，大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對(duì)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 51 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(shí)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(shí)，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。 25 表 1 X25045 指令及其含義 X25045 看門狗電路設(shè)計(jì)及編程 X25045 硬件連接圖如圖 2 所示。 X25045 芯片內(nèi)包含有一個(gè)看門狗定時(shí)器，可通過(guò)軟件預(yù)置系統(tǒng)的監(jiān)控時(shí)間。在看門狗定時(shí)器預(yù)置的時(shí)間內(nèi)若沒有總線活動(dòng)，則X25045 將從 RESET 輸出一個(gè)高電平信號(hào)，經(jīng)過(guò)微分電路 C R3 輸出 一個(gè)正脈沖，使 CPU復(fù)位。圖 2 電路中， CPU 的復(fù)位信號(hào)共有 3 個(gè)：上電復(fù)位 (C R2)，人工復(fù)位 (S、 R R2)和 Watchdog 復(fù)位 (C R3)，通過(guò)或門綜合后加到 RESET端。 C R3 的時(shí)間常數(shù)不必太大，有數(shù)百微秒即可，因?yàn)檫@時(shí) CPU的振蕩器已經(jīng)在工作。 圖 52X25045看門狗電路硬件連接圖 看門狗定時(shí)器的預(yù)置時(shí)間是通過(guò) X25045 的狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位來(lái)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 WD WD0 和看門狗電路有關(guān)，其余位和 EEPROM 的工作設(shè)置有關(guān)。 ] 26 第 6 節(jié) 測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果 系統(tǒng)測(cè)試 儀器及設(shè)備 雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源 DH1718E5 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 GDM8145 數(shù)字萬(wàn)用表 0～ 100℃溫度計(jì)、調(diào)溫電熱杯、秒 表 測(cè)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 3 腳短路，然后調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使六腳輸出為 0。 （ 3）在改變溫度使溫度為 35℃時(shí)輸出為 0V，溫度為 95℃時(shí)輸出為 5V。在 65℃時(shí)為 。 （ 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(shí)水爐會(huì)自動(dòng)斷電，當(dāng)水溫低與 88℃，水爐有會(huì)自動(dòng)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。 測(cè)試結(jié)果 （ 1）測(cè)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(cè)溫度（℃） 相對(duì)誤差 給定溫度（℃） 實(shí)測(cè)溫度（℃） 相對(duì)誤差 1 35 35 0 4 65 63 ％ 2 45 43 ％ 5 75 73 ％ 3 55 53 ％ 6 85 83 ％ 27 上表用溫度計(jì)標(biāo)定測(cè)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(cè)量溫度值和實(shí)際溫度值，盡量校準(zhǔn)系統(tǒng)使測(cè)量誤差在 1℃以內(nèi)。記錄測(cè)量數(shù)據(jù)填入表 1。 由上表可以看出，實(shí)測(cè)溫度和給定溫度之間的絕對(duì)溫度超出了177。 1℃之間，由于系統(tǒng)顯示數(shù)值沒有小數(shù)部分，所測(cè)結(jié)果只能以度來(lái)衡量，其實(shí)際誤差是稍大于177。 1℃的，測(cè)量結(jié)果不是很滿足系統(tǒng)誤差的要求。這也是這個(gè)系統(tǒng)設(shè)置不全的一方面?？梢允钦{(diào) 0的過(guò)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(dòng)很大，后來(lái)我又換了一個(gè) 10K的，那波動(dòng)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(gè)問題是我到現(xiàn)在還沒解決的，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中有些電阻是自己去估計(jì)取出來(lái)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(guò)改變電路中一些電阻或電容的阻值來(lái)得到改善。 注意，在測(cè)量的過(guò)程中，也就是在使用 AD590 傳感器的時(shí)候，為了避免器件一被測(cè)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(cè)液體對(duì)傳感器的腐蝕和對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。 結(jié)束語(yǔ) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，調(diào)試完成的系統(tǒng)應(yīng)作全面的指標(biāo)測(cè)試。測(cè)試過(guò)程如下： ，輸入范圍能滿足 40 一 90C 區(qū)分度為 1 C 的要求。 ，觀察水溫變化情況．測(cè)量水溫靜態(tài)誤差，該誤差應(yīng)能滿足要求。 ，觀察系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)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。 28 通過(guò)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(shí)。特別是對(duì) PID 算法有了一定的了解。在整個(gè)系統(tǒng)的制作過(guò)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(guò)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(dòng)手能力提高了許多 ,能夠讓我在做電路時(shí) ,自己來(lái)解決碰到的問題 ,學(xué)會(huì)了怎樣去分析電路 ,怎樣把所學(xué)到的知識(shí)和實(shí)際相起來(lái)。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(lái)加強(qiáng)自己這方面的不足。 參考文獻(xiàn) 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(yáng)等 清華大學(xué)出版社 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 編著 :韓志軍 ,王振波等 機(jī)械工業(yè)出版社