【正文】 算術(shù)平均濾波不能將明顯的脈沖干擾消除，只是將其影響削弱。該算法適用于抑制隨機(jī)千擾。對(duì)于變化較為劇烈的參數(shù)，此濾波方法不宜采用。該算法適用于變化緩慢的物理參數(shù)的采樣過程，如濕度、液位等。①程序判斷濾波法首先要從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，定出一個(gè)目標(biāo)參數(shù)最大可能的變化范圍。③數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很低()的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷，而且通過改變數(shù)字濾波程序，可以實(shí)現(xiàn)不同的濾波方法或改變?yōu)V波參數(shù)，這比改變模擬濾波器的硬件要更靈活方便。數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn):①由于數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，因而不需要增加硬件設(shè)備，而且可以多個(gè)輸入通道共用一個(gè)濾波程序。因此僅僅對(duì)模擬量采樣一次，我們是無法確定該結(jié)果是否可信的，必須經(jīng)過多次采樣，得到一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)序列，通過某種處理后，才能得到一個(gè)可信度較高的結(jié)果。數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)處理A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，其中最重要的環(huán)節(jié)是數(shù)字濾所以這里主要討論系統(tǒng)采用的數(shù)字濾波程序。在附錄中給出了系統(tǒng)初始化源程序。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?？刂扑惴K完成控制系統(tǒng)的PID運(yùn)算并且輸出控制量。數(shù)據(jù)采集模塊的作用是將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量采集并儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器中。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。 前后臺(tái)系統(tǒng) 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、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)。時(shí)間相關(guān)性很強(qiáng)的關(guān)鍵操作(critical operation)一定是靠中斷服務(wù)來保證的。后臺(tái)也可以叫做任務(wù)級(jí)。其中，應(yīng)用程序是一個(gè)無限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分可以看成是后臺(tái)行為(background)。 結(jié)合上述編制系統(tǒng)軟件的基本要求，首先討論軟件的設(shè)計(jì)思想。 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。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。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。③濾波電源系統(tǒng)干擾源主要是高次諧波，無源濾波器是一個(gè)簡(jiǎn)單的、有效的低通濾波器，它只讓電網(wǎng)中基波通過，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[8]。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。②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。①隔離主要用于過程通道的隔離，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。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。這個(gè)反向電勢(shì)一般很高，容易造成三極管的擊穿，加入續(xù)流二極管后，為反向電勢(shì)提供了放電回路，從而保護(hù)三極管不會(huì)被擊穿。 顯示電路 保護(hù)電路設(shè)計(jì) 保護(hù)電路電路中增加的達(dá)林頓管TIP 122是一個(gè)電流驅(qū)動(dòng)型器件，能夠提高繼電器的勵(lì)磁電流。74LS164具有10mA的輸出電流，可以直接輸出驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管，但考慮到LED長(zhǎng)期運(yùn)行于10mA以上會(huì)縮短其壽命，故串入1K電阻加以限流。故在本系統(tǒng)中將/MR接到+5V。每一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿加到CLK端時(shí)，移位寄存器移一位，8個(gè)時(shí)鐘脈沖過后，8位二進(jìn)制數(shù)全部移入74LS164中。其中A、B（第2腳）為串行數(shù)據(jù)輸入端，2個(gè)引腳按邏輯與運(yùn)算規(guī)律輸入信號(hào)，公用一個(gè)輸入信號(hào)時(shí)可并接。LED數(shù)碼管顯示電路采用四片首尾相連的74LS164作為L(zhǎng)ED數(shù)碼管的靜態(tài)顯示鎖存器。由于本系統(tǒng)需要對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，故采用靜態(tài)顯示方式以減少CPU的負(fù)擔(dān)。靜態(tài)顯示：利用鎖存器將各顯示單元鎖定，直到更新顯示內(nèi)容為止。LED數(shù)碼管的顯示方式通常有兩種：動(dòng)態(tài)顯示：即單片機(jī)定時(shí)對(duì)各顯示單元進(jìn)行掃描，各顯示器分時(shí)工作，利用視覺暫留的特性，達(dá)到穩(wěn)定顯示的目的。 鍵盤電路 顯示電路設(shè)計(jì)在單片機(jī)系統(tǒng)中，通常用LED數(shù)碼管來顯示各種數(shù)字或符號(hào)。在本課題的設(shè)計(jì)中，鍵盤用來設(shè)定目標(biāo)溫度、PID參數(shù)，以及控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換。閉合鍵的識(shí)別由專用的硬件譯碼器實(shí)現(xiàn)并產(chǎn)生鍵編號(hào)或鍵值的稱為編碼鍵盤，如BCD碼鍵盤、ASCII鍵盤等。因此，將SSR的輸入端①直接接到單片機(jī)引腳，輸入端②接地，輸出端③、④（、D端）串入交流負(fù)載回路即可[7]。由此可見，SSR可以直接由TTL驅(qū)動(dòng)，而用CMOS電路驅(qū)動(dòng)時(shí)需加一級(jí)跟隨器（一般由晶體管承擔(dān)）來提高驅(qū)動(dòng)能力。R5與電容C構(gòu)成吸收回路，防止交流電源對(duì)器件的沖擊和干擾。實(shí)際電路中T2連到了SCR的G極，如果RR3選取得當(dāng)，使加于SCR上的電壓大于某值以上T2導(dǎo)通，那么就可以保證在加于SCR的電壓接近于零時(shí)，因而也是③、④端間電壓接近于零時(shí)SCR才被觸發(fā)，因而BRC才被觸發(fā)，當(dāng)③、④端電壓較大時(shí)，盡管①、②端輸入電壓較大，BRC也不會(huì)被觸發(fā)。當(dāng)①、②端輸入電壓為零時(shí)，在交流電壓過零后BRC被阻斷。 交流SSR工作原理框圖。這種設(shè)計(jì)能防止高次諧波的干擾和對(duì)電網(wǎng)的污染。觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開關(guān)電路④工作，但由于開關(guān)電路在不加特殊控制電路時(shí)，將產(chǎn)生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電網(wǎng)，為此特設(shè)“過零控制電路”。從整體上看，SSR只有兩個(gè)輸入端(A和B)及兩個(gè)輸出端(C和D)，是一種四端器件。SSR按使用場(chǎng)合可以分成交流型和直流型兩大類。另外，SSR的驅(qū)動(dòng)電壓低，電流小，易于與計(jì)算機(jī)接口。但是與普通電磁繼電器比，SSR體積小，開關(guān)速度快，無機(jī)械觸點(diǎn)，因而沒有機(jī)械磨損，不怕有害氣體腐蝕，沒有機(jī)械噪聲，耐振動(dòng)、耐沖擊，使用壽命長(zhǎng)。 可控硅輸出電路固態(tài)繼電器(Solid State Relays)，簡(jiǎn)寫成“SSR”，是一種全部由固態(tài)電子元件（如光電耦合器、晶體管、可控硅、電阻、電容等）組成的新型無觸點(diǎn)開關(guān)器件。它多用于大慣性的加熱器負(fù)載，采用這種控制既實(shí)現(xiàn)了溫度控制，又消除了相位控制時(shí)帶來的高次諧波污染電網(wǎng)。②零位控制:在設(shè)定的周期T內(nèi)，觸發(fā)信號(hào)使主回路接通幾個(gè)周波(幾個(gè)完整的正弦波)，再斷開幾個(gè)周波，改變可控硅在設(shè)定周期內(nèi)的通斷時(shí)間比例，以調(diào)節(jié)負(fù)載上的交流電的平均功率，即可達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載功率的目的。 相位控制調(diào)功電壓波形 通斷控制調(diào)功電壓波形①相位控制:作用于每一個(gè)交流正弦波，改變正弦波每個(gè)正半波和負(fù)半波的導(dǎo)通角來控制電壓的大小，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)輸出電壓和功率的大小。 A/D轉(zhuǎn)換電路 輸出通道設(shè)計(jì) 溫控箱的功率調(diào)節(jié)方式目前多數(shù)溫控系統(tǒng)均采用可控硅來實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。⑨DIN串行數(shù)據(jù)輸入端，向片內(nèi)的輸入移位寄存器寫入的串行數(shù)據(jù)由此輸入。⑧ DOUT串行數(shù)據(jù)輸出端，從片內(nèi)的輸出移位寄存器讀出的串行數(shù)據(jù)由此端輸出。完成對(duì)一個(gè)完全的輸出字的讀操作后，該引腳立即回到高電平。⑥REFIN (+)差分基準(zhǔn)輸入的正輸入端，基準(zhǔn)輸入是差分的，并規(guī)定REFIN (+)必須大于REFIN()，REFIN(+)可以取VDD和GND之間的任何值。④RESET復(fù)位輸入，低電平有效。晶體/諧振器可以接在MCLKIN和MCLKOUT兩引腳之間，時(shí)鐘頻率的范圍為500kHz5MHz。該串行時(shí)鐘可以是連續(xù)時(shí)鐘以連續(xù)的脈沖串傳送所有數(shù)據(jù)，反之，它也可以是非連續(xù)時(shí)鐘，將信息發(fā)送給AD7705 。工作電壓3V或5V，在3V工作電壓時(shí)，器件的最大功耗僅為1mW。能直接將傳感器測(cè)量到的多路微小信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。 AD7705引腳圖AD7705是AD公司生產(chǎn)的16位Σ一△型A/D轉(zhuǎn)換器。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。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。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。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)到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過的時(shí)間。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。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。C）誤差（。 實(shí)際溫度與測(cè)得溫度對(duì)照表實(shí)際溫度（。對(duì)這100組溫度和電壓數(shù)據(jù)利用最小二乘法進(jìn)行擬合，求出溫度與電壓關(guān)系的三次多項(xiàng)式為: t = + －+ 式()求解出測(cè)溫多項(xiàng)式后，在0800℃之間隨機(jī)抽取10個(gè)點(diǎn)，對(duì)此多項(xiàng)式進(jìn)行檢驗(yàn)。為了減少鉑電阻的飽和特性給溫度測(cè)量帶來的誤差，這里采用最小二乘法對(duì)鉑電阻的非線性進(jìn)行優(yōu)化。由于本系統(tǒng)中溫控箱的溫度范圍在室溫到600℃之間，故只針對(duì)式()進(jìn)行討論。差動(dòng)放大電路中R3＝R R5＝R放大倍數(shù)＝R5/R3，運(yùn)放采用單一5V供電[2]。該電路將溫控箱的溫度轉(zhuǎn)化為電壓輸出。按照接線方式的不同又可以分為二線制、三線制和四線制幾種?？紤]到成本，故在本系統(tǒng)中采用工業(yè)級(jí)Pt100鉑電阻作為溫度傳感器。在測(cè)量精度方面，工業(yè)鉑電阻的測(cè)量穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性一般不如標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，這主要有兩個(gè)方面的原因，其一是高溫下金屬鉑與周圍材料之間的擴(kuò)散使其純度受到污染，從而降低了鉑電阻測(cè)溫的復(fù)現(xiàn)性能，其二是因?yàn)楦邷貤l件下的應(yīng)力退火影響了其復(fù)現(xiàn)性能。由于在本系統(tǒng)中，測(cè)溫范圍較大(在室溫到6000C之間)，且要求檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好，因此選用Pt100鉑電阻作為本溫度控制系統(tǒng)的溫度傳感器。與熱電偶、熱敏電阻相比較，鉑的物理、化學(xué)性能都非常穩(wěn)定，尤其是耐氧化能力很強(qiáng)，離散性很小，精度最高，靈敏度也較好。因此在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)選擇不同的溫度傳感器。輸入通道由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換等電路組成[1]。 輸入通道設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸入通道的作用是將溫控箱的溫度(非電量)通過傳感器電路轉(zhuǎn)化為電量(電壓或電流)輸出，本系統(tǒng)就是將溫度轉(zhuǎn)化為電壓的輸出。本系統(tǒng)電路采用的晶體振蕩器頻率為12MHz。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。AT89C52內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。復(fù)位電路的接法很多，本系統(tǒng)中采用上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位鍵復(fù)位相結(jié)合的方式。單片機(jī)的復(fù)位是由外部復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。⑥內(nèi)部有一個(gè)由直接可位尋址組成的布爾處理機(jī)，在指令系統(tǒng)中包含了一個(gè)指令子集，專門用于對(duì)布爾處理機(jī)的各位進(jìn)行各種布爾處理，特別適用于控制目的和解決邏輯問題。④內(nèi)部ROM中開辟了四個(gè)通用工作寄存器區(qū)，共32個(gè)通用寄存器，以適應(yīng)多種中斷或子程序嵌套的情況。②三個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。 單片機(jī)介紹本系統(tǒng)選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89系列單片機(jī)中的AT89C52, AT89C52單片機(jī)是一種新型的低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系列和引腳完全兼容。⑧編程器以及仿真器的價(jià)格，單片機(jī)開發(fā)是否支持高級(jí)語言以及編程環(huán)境要好用易學(xué)。⑥單片機(jī)的工作電壓范圍，例如設(shè)計(jì)電視機(jī)遙控器時(shí)，使用2節(jié)干電池供電。選擇DIP封裝在搭建實(shí)驗(yàn)電路時(shí)會(huì)更加方便一些。③單片機(jī)的存儲(chǔ)介質(zhì)，對(duì)于程序存儲(chǔ)器來說，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器和OTP(一次性可編程)存儲(chǔ)器相比較，最好是選擇Flash存儲(chǔ)器。在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)不同的需求要選擇合適的單片機(jī)，選擇單片機(jī)時(shí)要注意下幾點(diǎn):①單片機(jī)的基本性能參數(shù)，例如指令執(zhí)行速度，程序存儲(chǔ)器容量，中斷能力及I/O口引腳數(shù)量等。選擇功能過強(qiáng)的單片機(jī)，則會(huì)造成資源浪費(fèi)，使產(chǎn)品的性能價(jià)格比下降。 硬件總體結(jié)構(gòu)框圖 主控模塊器件選型及設(shè)計(jì) 單片機(jī)的選用針對(duì)一定的用途，恰當(dāng)?shù)倪x擇所使用的單片機(jī)是十分重要的。另一方面將該溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差值的大小，采用PID控制算法進(jìn)行運(yùn)算，最后通過控制雙向可控硅控制周期內(nèi)的通斷占空比(即控制溫控箱加熱平均功率的大小)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)溫控箱溫度進(jìn)行控制的目的。溫控箱的溫度由Pt100鉑電阻溫度傳感器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號(hào)，再通過16位的A/D轉(zhuǎn)換器AD7705轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。7河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)本文所研究的溫度控制系統(tǒng)硬件部分按功能大致可以分為以下幾個(gè)部分:單片機(jī)主控模塊、輸入通道、輸出通道、保護(hù)電路等。第四章控制方案著重介紹溫度控制系統(tǒng)溫控箱的數(shù)學(xué)模型的確立及PID算法原理和控制仿真。第二章硬件設(shè)計(jì)主要介紹系統(tǒng)各部分的硬件組成和特點(diǎn)，包括信號(hào)輸入輸出電路、單片機(jī)系統(tǒng)和保護(hù)電路等等。 ④研究了該系統(tǒng)的控制策略，在建立溫度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上,通過對(duì)PID控制的分析設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制器。 ②完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括采樣電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、主控制電路、顯示電路等等的設(shè)計(jì)。此外，在設(shè)計(jì)PID控制器時(shí)，依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)的方法在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)確定PID控制器的參數(shù)KP, KD, KI，然后用代碼實(shí)現(xiàn)了算法。 由于整個(gè)系統(tǒng)軟件比較復(fù)雜，為了便于編寫、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)程序的編制適合采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，故要求整個(gè)控制系統(tǒng)軟件由許多獨(dú)立的小模塊組成，它們之間通過軟件接口連接，遵循模塊內(nèi)數(shù)據(jù)關(guān)系緊湊，模塊間數(shù)據(jù)關(guān)系松散的原則，將各功能模塊組織成模塊化的軟件結(jié)構(gòu)。目前，主流的CPU和常見的MCU都有C編譯器。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護(hù)及調(diào)試。 系統(tǒng)軟件方案分析 目前，MCS 51單片機(jī)的開發(fā)主