【正文】 硬件抗干擾設(shè)計 在硬件設(shè)計過程中為了減少外部信號對系統(tǒng)的影響采用了以下幾種抗干擾措施。 抗干擾設(shè)計 與軟件調(diào)試 在系統(tǒng)的運行過程中可能出現(xiàn)各種干擾，如信號不穩(wěn)定、電路板搞干擾能力差、程序跑飛等，也可 能在搬運或者使用過程中對電路板或者原器件的磨損等。 實際溫差 5℃ ℃ ℃ ℃ 0℃ +℃ +℃ +℃ +5℃ e? 0 1 2 3 4 5 6 7 8 實際輸出 20 10 5 3 2 1 0 0 0 注：數(shù)值為每 20 個周期內(nèi)的導通周期數(shù) 表 差值與控制量的等級對應表 表 量化等級與實際溫度的對應表 表 控制量的量化等級與實際輸出之間的關(guān)系 表 簡化后的實際溫差與實際輸出的關(guān)系表 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 37 分析可知，可以通過查表程序來求得其模糊控制值。 為簡化運算，可將控制量 U的大小也量化成上述九個等級若根據(jù)專家經(jīng)驗，這些模糊集的隸屬度量化為如表 ： 4 3 2 1 0 +1 +2 +3 +4 PB 0 0 0 0 0 1 1 PS 0 0 0 1 0 ZO 0 0 1 0 0 NS 0 1 0 0 0 0 NB 1 1 0 0 0 0 0 根據(jù)熟練操作人員手工控制經(jīng)驗，模糊控制規(guī)則如下： 1） IF E=NB THEN U=PB 2） IF E=NS THEN U=PS 3） IF E=ZO THEN U=ZO 4） IF E=PS THEN U=NS 5） IF E=PB THEN U=NB 上述模糊控制規(guī)則為一多重模糊條件語句，可用誤差論域 E 到控制量論域 U的模糊關(guān)系 R 表示為：? ? ? ? ? ? ? ? ? ?N B uP B eN S eP S eZ O eZ O eP S uN S eP B uN B eR ?????????? 表 模糊集的隸屬度量 語言變量 量化等級 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 36 接下來再由講法法則和上述計算關(guān)系進行矩陣運算，結(jié)果如表 e 4 3 2 1 0 +1 +2 +3 +4 U +4 +3 +2 +1 0 1 2 3 4 差值 e 與實際溫度的量化關(guān)系如表 量 化等級 4 3 2 1 0 +1 +2 +3 +4 實際溫差℃ 5 3 2 1 0 +1 +2 +3 +5 控制 U與實際輸出的量化關(guān)系如表 量化等級 4 3 2 1 0 +1 +2 +3 +4 實際輸出 20 10 5 3 2 1 0 0 0 注：數(shù)值為每 20 個周期內(nèi)的導通周期數(shù) 實際運用過程中，可以將 4~4 量化為 0~8，減少符號數(shù)的運算。 偏差 e =現(xiàn)行溫度值─設(shè)定溫度值，其模糊集合可以表示為 {負大（ NB）、負小（ NS）、零（ Z0）、正?。?PS）、正大（ PB） }并將其大小量化為九個等級： 4， 3， 2， 1， 0，+1， +2， +3， +4。 圖 定時中斷 0服務(wù)程序流程圖 中斷入口 存儲斷點 A/D 轉(zhuǎn)換 模糊運算 顯示刷新 返回 輸出 20fuzztime 個負周期 中斷入口 輸出 fuzztime 個正周期 圖 定時中斷 1服務(wù)程序的流程圖 返回 重置計數(shù)器 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 35 模糊運算子程序 模糊運算程序?qū)崿F(xiàn)了由 A/D 轉(zhuǎn)換值到模糊控制值的運算。 整個程序采用順序執(zhí)行，流程圖如圖 。即定時器 1 中存在一個周期時間（為 20MS）。流程圖如圖 ，具體程序見附錄 B。并調(diào)用顯示程序刷新當前系統(tǒng)的溫度。其流程圖見圖 鍵盤管理程序見附錄 B。 2 鍵值判斷轉(zhuǎn)移子程序 由硬件部分可知鍵盤中除了幾個數(shù)字鍵外，還有幾個功能鍵。最后將鍵值讀入到 keyboard 存儲器中。 1 鍵盤掃描子程序 由圖 可知同顯示接口一樣，鍵盤接口同樣使用了串行口的方式 0。流程如圖 ，具體程序見附錄 B。由圖 可知其采用了串行口方式 0，所以要用時只要將串行口設(shè)置為方式 0，然后在脈沖的配合下從高位到低位一個個的移入 SUBF 寄存器中即可。其讀寫程序見附錄 B。 AT2401 在電路中的器件地址為 1010000（前 4 位為 I2C 協(xié)議規(guī)定的 E2PROM 的地址，后 3 位為其類地址，由圖 可知其類地址為 000）。其時序圖如圖 從上圖我們很容易看出 I2C 總線的時序。 片外 I2C E2PROM 驅(qū)動子程序和空間分布 E2PROM 的作用已在前面說明，其內(nèi)部用連續(xù)的 7 個字節(jié)分別用于存儲首次開機標志、設(shè)定溫度、上限溫度和下限溫度。 流程圖如圖 所示。 其量化順序為：讀入 A/D 轉(zhuǎn)換值、用二進制無符號除法將轉(zhuǎn)換值減去 1000，再將其結(jié)果用二進制無符號數(shù)除法除 [13]以 10，取商和余數(shù)。而將這些值通過 A/D 轉(zhuǎn)換后結(jié)果剛好為 1000 和 2021。 2 A/D 轉(zhuǎn)換值到溫度的量化子程序 由前面硬件部分的說明可以得出，設(shè)計要求的A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果跟溫度值的關(guān)系是： A/D 值 =溫度 10。其使用過程為先置 CS 為低，將其選通，然后一直發(fā) 14 個脈沖，從第 2 個到第 5個脈沖后將 A/D 轉(zhuǎn)換值存儲于轉(zhuǎn)換結(jié)果的高字節(jié)，從第 6個到 13個時將其值存入到轉(zhuǎn)換結(jié)果的低字節(jié)。 串行 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的驅(qū)動和其輸出值的量化 1 TLC2551 的驅(qū)動 前面已經(jīng)說 明系統(tǒng)中采用的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片是串行的，所以我們在使用其時必須按照其時序一步步的完成，其時序圖如圖 所示。 圖 執(zhí)行器圖 開始 初始化，開中斷 移入設(shè)定值并顯示 調(diào)用鍵盤管理子程序 結(jié)束 圖 主程序流程 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 31 主程序流程如圖 所示?？梢哉f主程序起到了重啟動后讀入E2PROM 中的設(shè)計溫度和上、下限溫度；設(shè)計各類定時器和開中斷的，并調(diào)用鍵盤管理程序的功能。在系統(tǒng)中其主要的任務(wù)是調(diào)用鍵盤管理程序。溫度采樣頻率由定時器控制，在每一次采樣完成之后進行模糊控制時間的計算和顯示 刷新。通過控制固態(tài)繼電器的導通與關(guān)斷達到控制電爐的通電和斷電的目的 ［ 5］ 。 越限報警和誤輸入報警分別由 和 口引出，其表 鍵盤設(shè)置與功能設(shè)定 圖 報警電路 R9200R10200LED1LED2 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 30 上接的電阻為限流電阻，用于防止電流過大而引起的發(fā)光二極管燒毀 [12]。 誤輸入報警 (LED2)主要用于鍵盤管理中，當用鍵盤進行恒溫設(shè)定、上、下限溫度設(shè)定時工作人員如果沒有按說明中所要求的步驟進行操作的話就是所謂的誤操作。值得一提的是，當系統(tǒng)從低溫開始加熱，到下限溫度以前系統(tǒng)都會出現(xiàn)越限報警。 下翻 1（ 12） 循環(huán)顯示設(shè)定、上限、下限溫度，按下顯示 2 秒，不按則顯示溫度 3 報警電路 為使系統(tǒng)的人機交互界面更好，設(shè)置了兩路報警信號，分別為兩路紅色的發(fā)光二極管，用于顯示越限報警和誤輸入報警。 下限溫度 1（ 15） 設(shè)定上限溫度，正常顯示時輸入有限，數(shù)據(jù)輸入時無效，且報錯 上限溫度 1（ 14） 設(shè)定 下限溫度，正常顯示時輸入有限，數(shù)據(jù)輸入時無效，且報錯 設(shè)定恒溫 1（ 13） 設(shè)定恒溫溫度，正常顯示時輸入有限，數(shù)據(jù)輸入時無效，且報錯 停機鍵 1（ 11） 使其停止加熱，正常顯示時有限，停機時停止顯示，停止測量。其鍵名和功能如表 。在硬件的實現(xiàn)上，采用串行接口，由一個 74HC164，其 8 個輸出口作為矩陣鍵盤的列線，再由89C2051 的 、 作為行線組成，每根線上都加一個上拉電阻，用于減小干擾。 Disselec 用于選通顯示 ［ 11］ 。所以顯示的溫度可以精確到小數(shù)點后一位，即 ℃ 。但其有一個明顯的弱點就是顯示的時候只能看到一個值，讓人有一種不直觀的感覺，并且在鍵盤上設(shè)定好一個顯示管理鍵，要顯示什么值只有按這個鍵就可以達到循環(huán)顯示的目的。但LCD 顯示器也存在著很大的不足，如 LCD 顯示器一般都有 8 根數(shù)據(jù)線和 5 根控制線，即使是用串行的情況下也要占用單片機的 8 個 I/O 口 ［ 10］ ，或者 6 根線和幾個邏輯門。當然，從理論上而言，如果要很明了的顯示各種數(shù)值的話，應該加上漢字顯示模塊，這樣就可以一目了然的識別出各種設(shè)定值。其實際電路連接圖如圖 ，電阻 R R8 為 I2C 協(xié)議的上拉電阻。當系統(tǒng)斷電再得電以后，系統(tǒng)將自動的讀出 AT24C01 中的保存值，并根據(jù)其內(nèi)容進行加熱，直到設(shè)定的溫度。 其協(xié)議定義的數(shù)據(jù)格式如下 ［ 9］ ： AT24C01 是美國 ATMEL 公司的低功耗 CMOS 串行 E2PROM，它是內(nèi)含 128 8位存儲空間，具有工作電壓寬（ ～ ）、擦寫次數(shù)多（大于 10000 次）、寫入速度快（小于 10ms）等特點。它通過 SDA（串行數(shù)據(jù)線）及 SCL（串行時鐘線）兩根線在連到總線上的器件之間傳送信息，并根據(jù)地址識別每個器件：不管是單片機、存儲器、 LCD 驅(qū)動器還是鍵盤接口。為了達到此功能，在單片機外部加入了一個基于 I2C 總線的 E2PROM，完成對設(shè)定溫度的存儲。當這種情況發(fā)生時，系統(tǒng)應該繼續(xù)加熱到斷電前設(shè)定的溫度。在設(shè)計電路板時，晶振，電容等均應盡可能靠近芯片，以減小分布電容，保證振蕩器振蕩的穩(wěn)定性。一般采用石英晶振作定時控制元件；在不需要高精度參考時鐘時，也可以用電感代替晶振，有時也可以引入外部時鐘脈沖信號。 振蕩器的工作頻率一般在 ~12MHz 之間，當然在一般情況下頻率越快越好。 由 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C2051［ 8］ ，除了在外部引腳上少了兩個并行口外，其它內(nèi)部資源與 AT89C51 完全相同，且其內(nèi)部的 2KFLASH ROM 能夠很方便的進行擦寫，匯編指令與 80C51 完全兼容的特點，成為了首選。單 5V供電 ， 工作溫度范圍： 0℃ ~70℃ ； 其接口電路如圖 。 TLC2551/2541 是 TI 公司生產(chǎn)的串行 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 ［ 8］ ，其采用 DIP8 封裝， 簡單的微處理器接口 ， 單通道差分輸入 ， 轉(zhuǎn)換時間在 Flock=400KHz 時為 ， 5V 供電時輸入范圍： 0～ 5V， 輸入輸出完全兼容 TTL和 CMOS 電路 ， 全部非校準誤差： 177。通過以上設(shè)定，在保證了很大的裕量的同時又減小了其計算的復雜性。前面已經(jīng)說明變送器的輸出為 1~5V，所以可以調(diào)節(jié)送器的量程， 0℃時變送器輸出為 ,而 A/D轉(zhuǎn)換的輸出為 1000。 用 12 位 A/D 器，其輸入電壓為 0~5V時對應的輸出為 0~4096，設(shè)計要求溫度控制在 0~100℃。同時很大程度上加大了編程的難度，其在邏輯思維上、程序轉(zhuǎn)換上都有較大的難度。但這其中又隱含了另外一個問題即將溫度的檢測 值到十進制溫度轉(zhuǎn)換的計算， A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果每增加一個單位值，十進制溫度增加 度，這需要用二進字浮點數(shù)運算。采用 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器如果設(shè)定其成比例關(guān)系，基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 24 即 0~255， 0℃ ~100℃。 按照設(shè)計指標，精度要求在177。 由以上分析，我們可以得出結(jié)論， DDZШ熱電偶溫度變 送器是一種集成的自動化溫度傳感變送器，在量程和精度上都完全滿足設(shè)計中溫度測量、變送的要求。或電壓信號和被測溫度（輸入信號）成線性關(guān)系。其具有以下幾個特點： (1) 采用了線性集成電路，提高了儀表的可靠性、穩(wěn)定性及各項技術(shù)性能。 DDZ Ш熱電偶溫度變送器可以把溫度轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標準信號（ DC4~20mA 或DC1~5V），其輸出送顯示儀表或調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對溫度的顯示或自動控制。常用的有鉑電阻、銅電阻、半導體熱敏電阻等，但與熱電偶相比較，在精度上，熱電偶精度比熱電阻高。其具體實現(xiàn)過程見下面的分析過程。它具有測溫精度高，在小范圍內(nèi)熱電動勢與溫度基本呈單值、線性關(guān)系，穩(wěn)定性和復現(xiàn)性較好，測溫范圍寬，響應時間較快等特點。所以熱電偶和熱敏電阻溫度計在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究領(lǐng)域中得到了廣泛地應用。所以理所當然選擇接觸式的溫度測量方式更為理想。但是它受到物體的輻射率、距離、煙塵和水汽等因素影響，測溫誤差較大。非接觸式測溫是通過接收被測介質(zhì)發(fā)出的輻射熱來判斷的。同時測量體可能與被測介質(zhì)產(chǎn)生化學。接觸式測量的主要特點是：方法簡單、可靠，測量精度高。所以，溫度的檢測與控制是自基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 22 動控制工程的重要任務(wù)之一。 4. 對測量信號進行曲線線性化處理。 a. 測量信號校正。 2. 盡可能選擇快速響應的測量元件與變送設(shè)備。被檢測參數(shù)性質(zhì)的不同，準確度要求、響應速度要求的不同以及對控制性能要求的不同都影響檢測、變送器的選擇，要從工藝的合理性、經(jīng)濟性加以綜合考慮。在溫度的檢測過程中一般用熱電阻和熱電偶完成，熱電阻一般用在檢測精度要求不是很高的地方，而熱電偶則在靈敏度上比熱電偶更好，檢測精度能比熱電阻有一個數(shù)位的差異 ［ 7］ 。 溫度 檢測 與變送環(huán)節(jié)