【導(dǎo)讀】控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究有十分重要的意義。本次設(shè)計(jì)的目的在于學(xué)習(xí)與了解單片機(jī)。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基本流程。并通過(guò)RS485總線和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。發(fā)出控制信息來(lái)改變控制執(zhí)行模塊的狀態(tài)，使溫度回到控溫范圍以?xún)?nèi)。法多種多樣，本設(shè)計(jì)采用PID控制。塑料薄膜是一種對(duì)溫度非常敏感的材料，要求

　　

【正文】 ）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P2口也接收高 8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。 P3 ： P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P3 端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以 作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 P3口亦作為 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如表 21 所示。 在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P3 口也接收一些控制信號(hào)。 表 42 P3口特殊功能 引腳號(hào) 第二功能 RXD（串行輸入） TXD（串行輸出） INT0(外部中斷 0) 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn) 22 INT0(外部中斷 0) T0（定時(shí)器 0 外部輸入） T1（定時(shí)器 1 外部輸入） WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通 ) RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通 ) RST: 復(fù)位輸入。晶振工作時(shí)， RST 腳持續(xù) 2 個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位?？撮T(mén)狗計(jì)時(shí)完成后， RST 腳輸出 96 個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能無(wú)效。 DISRTO 默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。 ALE/PROG：地址鎖存控制信號(hào)（ ALE）是訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低 8 位地址的輸出脈沖。在 flash 編程時(shí)，此引腳（ PROG）也用作編程輸入脈沖。 在一般情況下， ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用 來(lái)作為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 脈沖將會(huì)跳過(guò)。如果需要，通過(guò)將地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位置 “ 1”， ALE 操作將無(wú)效。這一位置 “ 1”， ALE 僅在執(zhí)行 MOVX 或 MOVC 指令時(shí)有效。否則， ALE 將被微弱拉高。這個(gè)ALE 使能標(biāo)志位（地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位）的設(shè)置對(duì)微控制器處于外部執(zhí)行模式下無(wú)效。 PSEN:外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)（ PSEN）是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。當(dāng)AT89S52 從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)， PSEN 在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而 在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， PSEN 將不被激活。 EA/VPP:訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從 0000H 到 FFFFH 的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令， EA 必須接 GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令， EA 應(yīng)該接 VCC。在 flash 編程期間， EA 也接收 12 伏 VPP 電壓。 XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。 性能說(shuō)明 ⑴ 與 MCS51 兼容 ⑵ 8K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命： 1000 寫(xiě) /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 ⑶ 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz ⑷ 三級(jí) 程序存儲(chǔ)器鎖定 ⑸ 256*8 位內(nèi)部 RAM ⑹ 32 可編程 I/O 線 ⑺ 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn) 23 ⑻一個(gè)數(shù)據(jù)指針 DPTR ⑼ 8個(gè)中斷源 ⑽ 可編程 全雙工 串行通道 ⑾ 低功耗的閑置和掉電模式 ⑿ 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 通訊電路設(shè)計(jì) 通訊標(biāo)準(zhǔn)選擇 數(shù)據(jù)通訊是通過(guò)通訊接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通訊接口按信息傳輸方式分為并行和串行兩種。并行數(shù)據(jù)傳輸速度快，用到的信號(hào)線多；串行通訊時(shí)只需一根（接受和發(fā)送信號(hào)用同一根線傳輸時(shí)）或兩根（接受和發(fā)送信號(hào)用兩根不同線傳輸時(shí)）信號(hào)線，硬件成本低，對(duì)于速度要求不是太高的智能終端， 一般采用串行通訊方式來(lái)設(shè)計(jì)通訊電路。串行通訊要遵循一定的電氣和物理標(biāo)準(zhǔn)，目前廣泛使用的串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)有 RS23 RS422 與 RS485三種： 1） RS232 是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn) (即只用一對(duì)收、發(fā)設(shè)備 )通訊而設(shè)計(jì)的，其傳送距離最大為約 15 米最高速率為 20kb/s，因與 TTL 電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與 TTL 電路連接。而其共模抑制能力差，不適合在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用； 2） RS422 將傳輸速率提高到 10Mb/s，傳輸距離延長(zhǎng)到 1219 米 (速率低于 1OOkb/s 時(shí) )，并允許在一條平衡總線上連接最多 32 個(gè)接收器， 是一種單機(jī)發(fā)送、 多機(jī)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范； 3） RS485 是從 RS422基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，其電氣規(guī)定與 RS422相仿。 RS485接口在總線上允許連接多達(dá) 128個(gè)收發(fā)器，即具有多站能力，這樣用戶(hù)可以利用單一的 RS485 接口方便地建立設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，最大傳輸距離約為 1219 米。 RS485 接口具有良好的抗噪聲干擾性，長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點(diǎn)使其成為在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的首選串行接口。 89C52 內(nèi)部有一個(gè)可編程的全雙工串行接口，利用它和 PC 機(jī)組成一個(gè)集散式控制系統(tǒng)，將現(xiàn)場(chǎng)的所有控制器統(tǒng)一管理起來(lái)。 89C52 內(nèi)部的可編程全雙工串行接口，對(duì)外有兩條獨(dú)立的收發(fā)信號(hào)線，可以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，接收和發(fā)送電平為 TTL 電平。利用 89C52 單片機(jī)本身所提供的簡(jiǎn)單串行接口，加上總線驅(qū)動(dòng)器 MAX485 可組合成簡(jiǎn)單的 RS485 通訊網(wǎng)絡(luò)。而 RS485標(biāo)準(zhǔn)通訊網(wǎng)絡(luò)只需要兩根線進(jìn)行通訊，使用方便簡(jiǎn)單，同時(shí)能夠承受 15KV 靜電，抗干擾能力強(qiáng)，適合在工業(yè)控制的網(wǎng)絡(luò)中使用。 實(shí)際通訊電路 溫度控制系統(tǒng)的通訊接口電路如圖 44所示。圖中的 TXD 和 RXD分別為 89C52東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn) 24 串行口的發(fā)送端和接收端，經(jīng)過(guò)總線驅(qū)動(dòng)器 MAX485 后的發(fā)送 端和接收端分別為 TD1和 RD1。圖中另外兩個(gè)芯片 B05051W和 6N137 在此的主要功能是抗干擾。 B05051W為 5V 電壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換，使得輸入和輸出部分電源不共地線，提高系統(tǒng)抗干擾性能。如圖 45 所示， 6N137 將輸入和輸出兩部分間的地線分開(kāi)，各自使用一套電源供電。這樣信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，單向傳遞；又由于光電隔離器輸入和輸出之間絕緣電阻非常大，寄生電容很小，因此干擾信號(hào)很難從輸出端反饋到輸入端，從而起隔離作用。6N137 光電隔離器在線路中還有隔離電壓沖擊及噪聲串?dāng)_的作用。 圖 44 通訊電路接口 由單片機(jī)串行口加上總線驅(qū)動(dòng)器 MAX485 組成的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)還必須和 PC機(jī)進(jìn)行通訊，而我們所選用的 PC 機(jī) COM1 口其電氣標(biāo)準(zhǔn)為 RS232。所以在實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)串行通訊時(shí)，還要進(jìn)行 RS232/RS485 電平的轉(zhuǎn)換。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，我們直接使用了 NS485Ⅶ型號(hào)的 RS232/RS485 轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器體積小，無(wú)需外部供電，自動(dòng)數(shù)據(jù)流控制，具有隔離及故障自保護(hù)功能，當(dāng)某一下位機(jī)終端出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)不影響網(wǎng)絡(luò)其它節(jié)點(diǎn)正常通訊；只需 TXD、 RXD、 GND 三根信號(hào)線，完成數(shù)據(jù)收發(fā)功能。 I2C 串行擴(kuò)展 電路 由于系統(tǒng)參數(shù)需要經(jīng)常修改，而且在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的一些控制參數(shù)也需要存儲(chǔ)和更新，因此需要外擴(kuò) E2PROM，這樣掉電或關(guān)機(jī)以后控制參數(shù)也不會(huì)丟失。電擦除可編程 E2PROM 能在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行在線修改，并能在斷電的情況下保持修改結(jié)果，尤其是串行 E2PROM，硬件接口非常簡(jiǎn)單，具有很大的靈活性，在被測(cè)數(shù)據(jù)需東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn) 25 要隨機(jī)保存而又頻繁掉電的場(chǎng)合已成為首選器件。實(shí)驗(yàn)中選用帶有 I2C 接口的串行E2PROM 器件 AT24C16，它由 ATMEL 公司生產(chǎn)， 16384 比特的串行二總線 E2PROM，遵從 I2C協(xié)議。該片功耗低、性能可靠 ，寫(xiě)入次數(shù)可達(dá)百萬(wàn)次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間 100 年，工作電壓范圍很寬。 89C52 是一種不帶 I2C 總線接口的單片機(jī)，實(shí)驗(yàn)中采用了 89C52的并行 I/O 口，并通過(guò)軟件模擬實(shí)現(xiàn) I2C總線擴(kuò)展。 硬件抗干擾措施 干擾來(lái)源分類(lèi) 在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，生產(chǎn)環(huán)境往往比較惡劣，干擾比較多。要求智能終端具有很強(qiáng)的抗干擾能力。干擾主要來(lái)自空間及配電系統(tǒng)，常見(jiàn)的干擾： 1）電源干擾。電源干擾主要分為交流干擾和直流干擾。交流干擾主要來(lái)自工頻交流電網(wǎng)，有兩種類(lèi)型：一種是以交流電源引線作為介質(zhì)傳播電網(wǎng)中的高頻干擾信號(hào)。例如可控硅 器件通斷時(shí)產(chǎn)生的尖峰經(jīng)變壓器耦合產(chǎn)生的干擾及斷電器動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓經(jīng)變壓器耦合產(chǎn)生的干擾。這些干擾的頻帶一般為數(shù)百赫茲到兆赫茲以上，干擾電壓峰值可達(dá)到幾百伏到上千伏，當(dāng)這些干擾從電源系統(tǒng)進(jìn)入下位機(jī)后，可能會(huì)使智能終端工作產(chǎn)生錯(cuò)誤甚至毀壞智能終端電路；另一種是引線所載的50HZ 工頻電壓在一定條件下成為電路的低頻干擾信號(hào)。低頻干擾在模數(shù)轉(zhuǎn)換電路或有高增益放大的系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生明顯的干擾作用。直流干擾一般是直流電源本身以及負(fù)載的變換引起 18 的，其形式為電源濾波性能不好，直流紋波較大，電源內(nèi)阻太大，電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度 低而使得負(fù)載變換時(shí)在各元件之間引起交叉干擾。 2）布線干擾。如果電路板的結(jié)構(gòu)安排和元件布置的不合理，也會(huì)產(chǎn)生干擾問(wèn)題。這是因?yàn)樵驮g、導(dǎo)線和導(dǎo)線之間都存在著分布電容，并且對(duì)地還有一定的雜散電容，元器件本身的燥熱聲，靜電感應(yīng)等因素也會(huì)在一定的條件下造成惡劣的影響。 3）接地干擾。實(shí)踐證明，微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)和其他工業(yè)用電子設(shè)備的干擾與系統(tǒng)的接地方式有很大關(guān)系。良好的接地可以在很大程度上抑制內(nèi)部噪聲耦合，防止外部干擾的入侵，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。反之，若接地處理得不好，反而會(huì)導(dǎo)致噪聲耦合，形成嚴(yán)重干擾。 抗干擾措施 對(duì)于電源干擾采取的措施是：用低通濾波器抑制交流電源線上引入的高頻干擾；用隔離變壓器在其原副邊之間加靜電屏蔽層；數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用雙積分型，且時(shí)鐘頻率是工頻的整數(shù)倍，用以減小工頻干擾。對(duì)于布線干擾采取的措施是：兩塊電路板采用內(nèi)插式結(jié)構(gòu)，且板與板之間留有一定余地；將交流電路部分和直流電路東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn) 26 部分走線分開(kāi)，強(qiáng)電和弱電分開(kāi)，輸入和輸出電路分開(kāi)；為了防止板與板之間的相互干擾，在電源及地線引入處并接一個(gè) 10～ 100 μ F 的電容和一個(gè) ～ μ F得瓷片電容；流過(guò)大電流的走線要加粗；雙層印刷電路 板正反面垂直交叉布線；在印刷電路板的每個(gè)集成器件上接入一個(gè)旁路電容，一般選擇高頻特性好的 ～ μ F 陶瓷或獨(dú)石電容，旁路電容的引線要短，而且緊靠在集成器件的電源和地端。 對(duì)于地線干擾采取的措施是：低頻電路中接地電路形成的回路對(duì)干擾影響較大，所以低頻電路應(yīng)采用一點(diǎn)接地的方式；為在輸入和輸出之間不形成回路，采用光電隔離器件隔離輸入和輸出?？刂葡到y(tǒng)的 8路輸入信號(hào)，分別對(duì)應(yīng) 8 路相互獨(dú)立的信號(hào)采集與放大電路，也是一種防止輸入信號(hào)串?dāng)_的有效措施。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所選用的 89C52 單片機(jī)自帶監(jiān)視定時(shí)器，可以使單片機(jī)程 序在受到干擾而產(chǎn)生混亂時(shí)能夠自動(dòng)復(fù)位。 系統(tǒng)總電路圖（見(jiàn)附錄） 本章小結(jié) 本章介紹了溫度控制系統(tǒng)硬件組成和基本工作原理。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，充分發(fā)揮智能單片機(jī) 89C52 優(yōu)勢(shì)，利用其集成的外設(shè)裝置，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。并在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)流程中，采取各項(xiàng)措施提高溫度控制系統(tǒng)的抗干擾能力。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 結(jié)論 27 結(jié)論 溫度控制對(duì)于小到人們的日常生活、大到鋼鐵等大型工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程都具有廣闊的應(yīng)用前景，目前我國(guó)的溫度控制主要以傳統(tǒng)的控制方式為主。論文將新的模糊控制理論與經(jīng)典的控制理論相結(jié)合，研究出一種響應(yīng)快、超調(diào)小、精度高的模糊 PID 控制方法。整個(gè)課題分為三個(gè)步驟完成：建立控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)；分析燙刀受熱溫度變化特性，然后選擇控制算法；完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。 通過(guò)對(duì)本課題從理論上的研究到具體實(shí)現(xiàn)，我感到自己無(wú)論在理論水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)上都有了很大的提高。尤其是課題要求不僅僅停留在原理設(shè)計(jì)上，而要求研制出可以實(shí)際應(yīng)用到工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的溫度控制系統(tǒng)，對(duì)我來(lái)說(shuō)更是一次挑戰(zhàn)。不僅在電路設(shè)計(jì)上考慮到很多在理論設(shè)計(jì)上考慮不到的因素，如現(xiàn)場(chǎng)干擾、執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行速度和幅度的限制等，而且設(shè)計(jì)好的電路在實(shí)際通電后出現(xiàn)了很多理論設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有預(yù)料到的問(wèn)題，逐一分析 問(wèn)題的產(chǎn)生原因并解決問(wèn)題讓我增長(zhǎng)了不少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)應(yīng)用所學(xué)的控制理論對(duì)實(shí)際被控對(duì)象進(jìn)行控制，對(duì)原來(lái)頭腦中一些不清晰的、理解的不透徹的概念的物理意義有了清楚的認(rèn)識(shí)，使我對(duì)控制理論的理解更加深入。 本課題研制的溫度控制系統(tǒng)基本上滿(mǎn)足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的預(yù)期要求，從模糊 PID 算法控制的效果圖中可知系統(tǒng)上升時(shí)間為 200 秒左右，外界擾動(dòng)時(shí)溫度誤差小于 5 度，系統(tǒng)溫度穩(wěn)態(tài)精度控制在 177。 ℃ 度以?xún)?nèi)。課題成果已經(jīng)投入使用，運(yùn)行穩(wěn)定、控制