【正文】 及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端 . 各單元模塊的聯(lián)接 完成各模塊的設(shè)計(jì)后，模塊按照功能 的不同連接成整體的電路圖。各模塊的具體聯(lián)接圖見(jiàn)附錄一。 第 頁(yè) 24 4 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)所用工具 軟件的主要功能是根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，框圖，先制定各部分程序的流程圖，然后再根據(jù)流程圖編寫(xiě)各部分程序，通過(guò)調(diào)試各部分程序運(yùn)行正確無(wú)誤后，再進(jìn)行主程序的調(diào)試，看是否能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。 系統(tǒng)能否完全正常工作，最主要的也是最關(guān)鍵的是看軟件程序是否正確，它關(guān)系到系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，可以說(shuō)，軟件是一個(gè)系統(tǒng)的靈魂。 本設(shè)計(jì)所使用的軟件工具如下： ： KeilC51； 語(yǔ)言： C/C++。 Keil C51是美國(guó) Keil Software公司出品的 51系列兼容單片機(jī) C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)， 是目前最流行開(kāi)發(fā) 80C51系列單片機(jī)的軟件，提供了包括 C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（ micro。Vision）將這些部份組合在一起。 與匯編相比， C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。用過(guò)匯編語(yǔ)言后再使用 C來(lái)開(kāi)發(fā)，體會(huì)更加深刻。 Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā) 調(diào)試工具，全 Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到 Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。 Keil C51語(yǔ)言編譯工具都是以 ANSLC作為基礎(chǔ)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，因此，一種 C語(yǔ)言環(huán)境下所編寫(xiě)的 C語(yǔ)言程序，只需將部分與硬件相關(guān)的地方和編譯連接的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修改 ,就可方便移植到另外一種系列上。也就是說(shuō)，基于 C語(yǔ)言環(huán)境下的嵌入式系統(tǒng)能基本達(dá)到平臺(tái)的無(wú)關(guān)性。 用 C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的代碼便于開(kāi)發(fā)小組計(jì)劃 項(xiàng)目 ,靈活管理 ,分工合作以及后期維護(hù)，基本上可以杜絕因開(kāi)發(fā)人員變化而給項(xiàng)目進(jìn)度 ,后期維護(hù)或升級(jí)所帶來(lái)的影響。從而保證整個(gè)系統(tǒng)的品質(zhì)，可靠性以及可升級(jí)性。 主程序流程圖 恒壓供水控制器對(duì)生活供水、消防供水系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，要求軟件具有高可靠性、高穩(wěn)定性、高抗干擾能力，檢測(cè)信號(hào)準(zhǔn)確，有良好的動(dòng)靜態(tài)性能，該軟件按結(jié)構(gòu)化流水設(shè)計(jì)，分為若干功能部分，采用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)。本設(shè)計(jì)的軟件主程序用來(lái)動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)的壓 第 頁(yè) 25 力，壓力的采樣和系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)都在中斷處理程序中 , 主流程圖如圖 41： 圖 41 主程序流程圖 T0中斷服務(wù)程序 主要包括： A/D 轉(zhuǎn)換程序； D/A轉(zhuǎn)換程序；控制程序。 程序流程圖如下：如圖 42示，變頻器控制 M1電機(jī)， M2電動(dòng)機(jī)由單片機(jī)控制，其標(biāo)志位為 M2。 1． A/D轉(zhuǎn)換子程序 其主要任務(wù)是把壓力傳感器檢測(cè)的壓力轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并送入單片機(jī)處理，程序見(jiàn)附錄。 2． D/A轉(zhuǎn)換子程序 其主要任務(wù)是把經(jīng) PID處理過(guò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬量，來(lái)控制變頻器輸出電壓的頻率，來(lái)控制水泵的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制供水壓力的目的。 主程序初始化 ,開(kāi) T0 中斷 ,設(shè)置 T0 為 10ms 的中斷 壓力的動(dòng)態(tài)顯示 按鍵處理子程序 Y N 是否鍵按下 開(kāi)始 第 頁(yè) 26 圖 42 T0 中斷服務(wù)程序流程圖 讀 A/D 轉(zhuǎn)換器 返回 Y 進(jìn)入 T0中斷 PID 調(diào)節(jié) 是否為最大值 標(biāo)志位 M2 是否為 1 是否為最小值 標(biāo)志位 M2 是否為 1 N Y Y 置標(biāo)志位 M2 為1， (開(kāi) M2 電機(jī) )。 PID 調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)送 D/A 轉(zhuǎn)換器 清標(biāo)志位 M2 為 0 ,(關(guān) M2 電機(jī) ) N N N N Y 第 頁(yè) 27 3． PID 調(diào)節(jié)程序 本設(shè)計(jì)就是通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的 PID 調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)水壓的恒定，并自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的數(shù)量。 在工業(yè)控制過(guò)程中，目前采用最多的控制方式仍然是 PID 方式。 PID 有幾個(gè)重要的功能：提供反饋控制；通過(guò)積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差：通過(guò)微分作用預(yù)測(cè)將來(lái)。由于PID 控制器具有簡(jiǎn)單而固定的形式，在很寬的操作條件范圍內(nèi)，另一方面是因?yàn)?PID 控制器允許工程技術(shù)人員以一種簡(jiǎn)單而直接的方式來(lái)調(diào) 節(jié)系統(tǒng)性能 ，其程序見(jiàn)附錄。 數(shù)字 PID 控制算法通常分為位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。隨 著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在控制工程中，用計(jì)算機(jī) PID 控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字 PID 控制器，組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?？梢造`活的改變 PID 參數(shù)，同時(shí)可以改變控制策略來(lái)達(dá)到控制目的。這是模擬 PID 控制器中所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。這里所說(shuō)的控制策略是數(shù)字 PID 的改進(jìn)算法，如積分分離 PID 控制算法、不完全微分 PID 控制算法、微分先行 PID 控制算法和帶死區(qū)的 PID 控制算法等。在各個(gè)控制階段采取各種控制方法，以此來(lái)獲得控制目標(biāo)。本設(shè)計(jì)采用 增量式 PID 控制，下面把增量式 PID 控制算法介紹一下： 1) 增量式 PID 控制算法 所謂增量式 PID 是指數(shù)字 控制器的輸出只是控制量的增量 Δu(k)。離散的 PID 表達(dá)式為： ?? ????? kj DIP kekeKjeKkeKku 0 )]1()([)()()( （ 41） 當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量 (如驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) )時(shí)，可由式 (41)導(dǎo)出提供增量的 PID 控制算法。根據(jù)遞推原理可得 )]2()1([)(K1)e (kK1)u(k 1k 0jIP ?????? ?? kekeKje D （ 42） 用式 (41 )減去 (42 )，可得 )]2()1(2)([)()]1()([)( ?????????? kekekeKkeKkekeKku DIP )]1()([)()( ???????? kekeKkeKkeK DIP （ 43） 其中： 1)e(ke(k ) e(k ) ?? 式 (43)稱(chēng)為增量式 PID 控制算法。 可以看出，由于一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期 T，一旦確定了 KP， KI，KD，只要使用前后三次測(cè)量值的偏差，即可有 (43)求出控制增量。采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量 Δu(k)對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量。對(duì)應(yīng)閥門(mén)實(shí)際位置的控制量，目前采用較多的是利用如上算式并通過(guò)執(zhí)行軟件來(lái)完成。 第 頁(yè) 28 獨(dú)立按鍵程序設(shè)計(jì) 1） 程序設(shè)計(jì)思路 按鍵接收子程序主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前設(shè)定壓力的調(diào)整。根據(jù)按鍵電路的設(shè)計(jì)可 知，當(dāng)【 SET】鍵按下時(shí)可以產(chǎn)生中斷請(qǐng)求， CPU 響應(yīng)中斷請(qǐng)求時(shí)，則進(jìn)入該中斷服務(wù)程序。在程序中，將對(duì)當(dāng)前設(shè)定的壓力進(jìn)行調(diào)整，利用【 SET】、【 +1】和【 1】鍵配合使用，每次對(duì)【 +1】鍵的按下則進(jìn)行累加；同樣對(duì)【 1】鍵按下則進(jìn)行減 1 操作。 圖 43 鍵盤(pán)掃描程序流程圖 開(kāi) 始 置無(wú)鍵按下（ P0 口 FFH）標(biāo)志 進(jìn)入鍵盤(pán)處理程 是否有鍵按下？ （讀 P0 口值） 調(diào)延時(shí)子程序 是否有鍵按下？ （再次讀 P0 口值） 確認(rèn)有鍵按下 保存鍵值 Y Y N N 第 頁(yè) 29 2） 按鍵去抖動(dòng)的處理 圖 44 按鍵處理程序流程圖 開(kāi)始 為 F7H 否？ 為 EFH 否 為 FBH 否？ 為 DFH 否？ 讀鍵值（ P0 口） 置標(biāo)志位 執(zhí)行 RUN 置標(biāo)志位 執(zhí)行 SET 執(zhí)行 +1 執(zhí)行－ 1 返回 Y N Y Y Y N N N N N 第 頁(yè) 30 由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，在閉合及斷開(kāi)的瞬間均伴隨有一連串的抖動(dòng) ，抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為 5～ 10ms。而按鍵穩(wěn)定閉合時(shí)間的長(zhǎng)短則是由操作人員的按鍵動(dòng)作決定的，一般為零點(diǎn)幾秒至數(shù)秒。鍵抖動(dòng)會(huì)引起一次按鍵被誤讀多次，為了確保 CPU 對(duì)鍵的一次閉合僅作一次處理，按鍵的抖動(dòng)可以用硬件或者軟件方法來(lái)消除。本次設(shè)計(jì)中采用軟件方法來(lái)消除按鍵抖動(dòng)，具體的鍵盤(pán)掃描程序框圖如圖 43 所示。而按鍵處理的程序框圖如圖 44 所示。讀取 P0 口的值于（ 11000011）二進(jìn)制數(shù)或運(yùn)算再到鍵盤(pán)處理程序中處理，以屏蔽高兩位和低兩位對(duì)程序的影響。 LED 動(dòng)態(tài)顯示程序模塊的設(shè)計(jì) 在采用 動(dòng)態(tài)掃描顯示方式時(shí)，要使得 LED 顯示比較均勻，又有足夠的亮度，需要設(shè)置適當(dāng)?shù)膾呙桀l率。當(dāng)掃描頻率在 70Hz 左右時(shí)，能夠產(chǎn)生足夠的圖形和較好的顯示效果。一般可以采用時(shí)間間隔 10ms 對(duì) LED 進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描一次，每一位 LED 的顯示時(shí)間為 1ms。在單片機(jī)中，定時(shí)器功能既可以由硬件（定時(shí) /記數(shù)器）實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)軟件定時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)。軟件延時(shí)程序占用 CPU 的時(shí)間，因此，它降低了 CPU 的利用率；硬件定時(shí)是利用單片機(jī)片內(nèi)定時(shí)器，啟動(dòng)以后定時(shí)器可與 CPU 并行工作，不占用 CPU 的時(shí)間，使得 CPU 有較高的工作效率。 本設(shè)計(jì)采用硬件定 時(shí)和軟件定時(shí)并用的方式，即用定時(shí)器 1 溢出中斷功能實(shí)現(xiàn) 10ms定時(shí)，通過(guò)軟件延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn) 1ms 的定時(shí)。 T1 定時(shí)器中斷服務(wù)程序的功能，從顯示緩沖區(qū)分別取出 4 位 LED 顯示數(shù)據(jù)的位碼和段碼，送 P0 口，依次顯示每一位，顯示 4 位需要 4ms 的時(shí)間。在設(shè)定時(shí)間時(shí)候，對(duì)當(dāng)前需要調(diào)整的設(shè)定值應(yīng)具有閃爍功能，用來(lái)提醒當(dāng)前處于設(shè)置狀態(tài)。 第 頁(yè) 31 5 系統(tǒng)調(diào)試 本章對(duì)系統(tǒng)的各模塊進(jìn)行了仿真調(diào)試。 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)關(guān) T1 中斷 把 DATA1 中數(shù)據(jù)寫(xiě)到 DATA 中 根據(jù) CLK，送位選 COM 端 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，開(kāi) T1 中斷，恢復(fù) T1 初值 返回 四位顯示是否結(jié)束 Y N COM＋ 1 圖 45 LED 動(dòng)態(tài)顯示程序程序流程圖 進(jìn)入 T1 中斷 第 頁(yè) 32 Proteus仿真軟件介紹 Proteus軟件是 Labcenter Electronics 公司的一款電路設(shè)計(jì)與仿真軟件，它包括ISIS、 ARES等軟件模塊， ARES模塊主要用來(lái)完成 PCB的設(shè)計(jì)，而 ISIS 模塊用來(lái)完成電路原理圖的布圖與仿真。 Proteus的軟件仿真基于 VSM技術(shù)，它與其他軟件最大的不同也是最大的優(yōu)勢(shì)就在于它能仿真大量的單片機(jī)芯片，比如 MCS51系列、 PIC系列等等，以及單片機(jī)外圍電路，比如鍵盤(pán)、 LED、 LCD等等。通過(guò) Proteus軟件的使用我們能夠輕易地獲得一個(gè)功能齊全、實(shí)用方便的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室。 軟件仿真有很多特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，如：可以隨意方便的更換和改變電路中的器件 及線(xiàn)路，仿真的過(guò)程中不會(huì)損壞器件，從而降低了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本。 本文中由于我們主要使用 Proteus軟件在單片機(jī)方面的仿真功能，所以我們重點(diǎn)研究 ISIS模塊的用法，在下面的內(nèi)容中，如不特別說(shuō)明，我們所說(shuō)的 Proteus 軟件特指其ISIS模塊。 我們首先來(lái)熟悉一下 Proteus的界面。 Proteus 是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 Windows 窗口程序，和大多數(shù)程序一樣，沒(méi)有太大區(qū)別，其啟動(dòng)界面如圖 51所示： 圖 51 Proteus 啟動(dòng)界面 如圖中所示，區(qū)域 ① 為菜單及工具欄，區(qū)域 ② 為預(yù)覽區(qū)，區(qū)域 ③ 為元器件瀏覽區(qū)，區(qū)域 ④ 為編輯窗口，區(qū)域 ⑤ 為對(duì)象拾取區(qū)，區(qū)域 ⑥ 為元器件調(diào)整工具欄，區(qū)域 ⑦ 為運(yùn)行工具條。 第 頁(yè) 33 首先點(diǎn)擊 啟動(dòng)界面區(qū)域 ③ 中的 “P” 按鈕（ Pick Devices，拾取元器件）來(lái)打開(kāi) “Pick Devices” （拾取元器件）對(duì)話(huà)框從元件庫(kù)中拾取所需的元器件。在對(duì)話(huà)框中的“Keywords” 里面輸入我們要檢索的元器件的關(guān)鍵詞，比如我們要選擇項(xiàng)目中使用的AT89C51，就可以直接輸入。輸入以后我們能夠在中間的 “Results” 結(jié)果欄里面看到我們搜索的元器件的結(jié)果。在對(duì)話(huà)框的右側(cè)，我們還能夠看到我們選擇的元器件的仿真模型、引腳以及 PCB參數(shù)。這里有一點(diǎn)需要注意，可能有時(shí)候我們選擇的元器件并沒(méi)有仿真模型，對(duì)話(huà)框?qū)⒃诜抡婺?型和引腳一欄中顯示 “No Simulator Model” （無(wú)仿真模型）。那么我們就不能夠用該元器件進(jìn)行仿真了，或者我們只能做它的 PCB 板，或者我們選擇其他的與其功能類(lèi)似而且具有仿真模型的元器件。 搜索到所需的元器件以后，我們可以雙擊元器件名來(lái)將相應(yīng)的元器件加入到我們的文檔中，那么接著我們還可以用相同的方法來(lái)搜索并加入其他的元器件。當(dāng)我們