【正文】 于整個系統(tǒng)軟件相對比較龐大，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。為了滿足系統(tǒng)的要求，編制軟件時一般要符合以下基本要求： (1)易理解性、易維護性要達到易理解和易維護等指標(biāo)，在軟件的設(shè)計方法中，結(jié)構(gòu)化設(shè)計是最好的一種設(shè)計方法，這種設(shè)計方法是由整體到局部，然后再由局部到細節(jié)，先考慮整個系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，確定整體目標(biāo)，然后把這個目標(biāo)分成一個個的任務(wù)，任務(wù)中可以分成若干個子任務(wù)，這樣逐層細分，逐個實現(xiàn)； (2)實時性 實時性是電子測量系統(tǒng)的普遍要求，即要求系統(tǒng)及時響應(yīng)外部事件的發(fā)生，并及時給出處理結(jié)果。 [18] 4 軟件設(shè)計 在微機 測控系統(tǒng)中，軟件與硬件同樣重要。模擬電源和數(shù)字電源各自并接 0． 1uF 的陶瓷電容 (去耦電容 )： (3)濾波電源系統(tǒng)干擾源主要是高次諧波。要盡可能地使接地電路各自形成回路，減少電路與地線之間的電流耦合。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。對于本系統(tǒng)，硬件抗干擾設(shè)計具體措施有：隔離、接地、濾波等常用方法。電源供電電 路如圖 310 所示 圖 310 電源電路 硬件抗干擾系統(tǒng) 硬件抗干擾是應(yīng)用系統(tǒng)最基本和最主要的抗干擾手段，一般從防和抗兩方面入手來抑制 16 干擾。 15 圖 39 串口通信電路 其中 T20UT 連接上位機串口的 RX 端， R2IN 連接上位機串口的 TX 端， R20UT 和 T2IN 是TTL/CMOS 發(fā)送器的輸出和輸入端，分別連接單片機的 RX()和 TX()端。 MAX232為雙列直插 16 腳封裝。 10V 電源用于RS232 通信。系統(tǒng)設(shè)計采用 MAXIM 公司的 RS232 接口芯 MAX232，這是一種標(biāo)準的 RS232 接口芯片。具體任務(wù)是： (1)進行串一并轉(zhuǎn)換； (2)控制數(shù)據(jù)傳輸速率； (3)進行錯誤檢測； (4)進行 TTL與 EIA 電平轉(zhuǎn)換； (5)提供 EIARS232 接口標(biāo)準所要求的信號線。串行通信接口的基本任務(wù)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式化。 14 圖 38 可控硅輸出電路 串行通信接口電路 目前，廣泛使用的串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準有 RS232， RS422 與 RS485 三種。本系統(tǒng)中與可控硅配套使用的是MOC3041 光電耦合雙向可控硅驅(qū)動器，與一般的光耦器件不同之處是 MOC3041 輸出部分是硅光敏雙向可控硅，還帶有過零觸發(fā)檢測器，以保證電壓接近零時觸發(fā)可控硅。雙向可控硅與單向可控硅的區(qū)別是： (1)它在觸發(fā)之后是雙向?qū)ǎ? (2)在控制極上不管是加正的還是負的觸發(fā)信號，一般都可以使雙向可控硅導(dǎo)通?？煽毓杈哂锌刂乒β市　o觸點、長壽命等優(yōu)點，在交流電機調(diào)速、調(diào)功、隨動等系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用。 可控硅輸出電路 可控硅是一種功率半導(dǎo)體器件，簡 稱 SCR，也稱晶閘管。對于純阻性負載的電阻爐來說，溫控儀采用過零觸發(fā)方式可使電路結(jié)構(gòu)簡單，軟件計算方便。通斷控制的輸出波形仍為正弦波，其優(yōu)點是，不會對電網(wǎng)造成嚴重污染和干擾其它用電設(shè)備，而且電爐的功率愈大，優(yōu)點愈突出。其最大的缺點是：大電流的切入造成對電網(wǎng)的沖擊，不規(guī)整的脈沖負載電流引起電網(wǎng)波形的畸變及對其它電設(shè)備的中頻干擾。就觸發(fā)方式而言，前者為移相觸發(fā)，后者為過零觸發(fā)。由晶閘管實現(xiàn)交流功率調(diào)節(jié)的途徑有兩條：一種是通過改 變交流電壓每周期內(nèi)電壓波形的導(dǎo)通角，使得負載端電壓有效值得以調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)電功率調(diào)節(jié)。通道選擇電路如圖 36所示 : 12 圖 36 通道選擇電路 輸出通道設(shè)計 電阻爐的功率調(diào)節(jié)方式 電阻爐的溫度控制是通過調(diào)節(jié)電阻爐的輸入電功率來實現(xiàn)的。 為了實現(xiàn)對不同的溫控箱進行溫度采集和 A/D 轉(zhuǎn)換，選擇了 8選 1電子開關(guān) 4051。 不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進行數(shù)據(jù)傳送。因此可以用查詢方式，測試 EOC 的狀態(tài)，即可確認轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進行數(shù)據(jù)傳送?？蓳?jù)此設(shè)計一個延時子程序， A/D 轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進行數(shù)據(jù)傳送。 （ 1）定時傳送方式 對于一種 A/D 轉(zhuǎn)換其來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認 A/D 轉(zhuǎn)換的完成，因為只有確認完成后，才能進行傳送。當(dāng) OE 輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。下降沿啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸出信號變低，指示轉(zhuǎn) 換正在進行。此地址經(jīng)譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較器。 GND：地。 REF（ +）、 REF（ ）：基準電壓。 CLK：時鐘脈沖輸入端。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。 START： A/D 轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少 100ns 寬）使其啟動（脈沖 11 上升沿使 0809 復(fù)位，下降沿啟動 A/D 轉(zhuǎn)換）。 21～ 28： 8 位數(shù)字量輸出端。其內(nèi)部有一個 8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通 8路模擬輸入信號中的一個進行 A/D 轉(zhuǎn)換。綜合考慮，本系統(tǒng)選用 美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 CMOS 工藝 8通道 ADC0809 作為本溫控系統(tǒng)的 A/D 轉(zhuǎn)換器。溫度控制中A/D 轉(zhuǎn)換是非常重要的一個環(huán) 節(jié)。不同類型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相差甚遠： (3)轉(zhuǎn)換誤差 轉(zhuǎn)換誤差表示 A/D 轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(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； (4)線性度 線性度指實際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。 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)換器對輸入信號的分辨能力。但是大多數(shù)單片機本身只能識別和處理數(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)單片機對被控對象的識別和處理。 圖 34 基準電壓源電路 鉑電阻 溫度傳感器是利用其電阻值隨溫度的變化而變化這一特性進行溫度測量的，根據(jù)IEC(International Electrician Committee)標(biāo)準 7511983： ])1 0 0(1[ 320t ttCBtAtRR ????? （ 200℃ t0℃） （ 31））20t tt1( BARR ??? （ 0℃ t850℃） （ 32） 其中， tR 為 t℃時的電阻值， 0R 為 O℃時的電阻值。它是迄今為止同類產(chǎn)品中溫度系數(shù)最低的器件，內(nèi)部有恒溫電路，保證了器件的長期穩(wěn)定性?；鶞孰妷涸措娐啡鐖D 34所示。采用恒流四線制接法的測溫電路中需要用到一個穩(wěn)定的基準電壓源。本系統(tǒng)采用的是恒流四線制接法對 Ptl00 鉑電阻進行采樣 。 鉑電阻測溫電路的工作方式一般分為恒壓方式和恒流方式兩種。但是標(biāo)準鉑電阻溫度傳感器也存在價格昂貴，維護起來較為困難等缺點。 鉑電阻溫度傳感器主要有兩種類型：標(biāo)準鉑電阻溫度傳感器和工業(yè)鉑電阻溫度傳感器。這些特點使得鉑電阻溫度傳感器具有信號強、精度高、穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性好的特點。 Ptl00 型鉑電阻，在 200℃到 850℃范圍內(nèi)是精度最高的溫度傳感器之一。 Ptl00 溫度傳感器 溫度傳感器的種類比較繁雜，各種不同的溫度傳感器由于其構(gòu)成材料、構(gòu)成方式及測溫原理的不同，使得其測量溫度的范圍、測量精度也各不相同。由于此時的電量 (電壓 )還是單片機所不能識別的模擬量，所以還需要進行 A/D 轉(zhuǎn)換，即將模擬的電量轉(zhuǎn)化成與之對應(yīng)的數(shù)字量，提供給單片機判斷和控制。 在本硬件系統(tǒng)設(shè)計中，為保證串行通行波特率的誤差，選擇了 的標(biāo)準石英晶振，電容 C C2 為 47uF。外接電 C C2 的大小會影響振蕩器頻率的穩(wěn)定度、起振時間及溫度穩(wěn)定性。 10uF。當(dāng)外接石英晶振時，電容 CC2選 30Pf177。在本系統(tǒng)設(shè)計中， C取 22uf,R取 ，充電時間常數(shù)為 22*106 **103=104ms。隨著充電的進行，電容器上的電壓不斷上升， RST 上的電壓就隨著下降， RST 腳上只要保持 10ms 以上高電平，系統(tǒng)就會有效復(fù)位。外部復(fù)位電路是為內(nèi)部復(fù)位電路提供兩個機器周期以上的電平而設(shè)計的。 [13] AT89C52 引腳如圖 32 所示： 7 圖 32 AT89C52引腳圖 主控模塊設(shè)計 主控模塊電路由 AT89C52 單片機、復(fù)位電路、外部時鐘電路組成。 AT89C52 單片機 DIP 封裝的引腳如圖 32 所示。 本系統(tǒng)選用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89 系列單片機中的 AT89C52， AT89C52 單片機是新型的低功耗、高性能的 8位 CMOS 微控制器，與工業(yè)標(biāo)準 MCS51指令系列和引腳全兼容。選擇 DIP 封裝在搭建實驗電路時會更加方便一些； (2)單片機的增強功能，例如看門狗，雙串口， RTC(實時時鐘 )，EEPROM， CAN 接口等； (5)芯片工作溫度范圍符合工業(yè)級、軍品級還是商業(yè)級，如果設(shè)計戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級芯 片； (6)單片機的工作電壓范圍，例如設(shè)計電視機遙控器時，使用 2 節(jié)干電池供電，至少選擇的單片機能夠在 電壓范圍內(nèi)工作； (7)單片機的抗干擾性能好； (8)編程器以及仿真器的價格，單片機開發(fā)是否支持高級語言以及編程環(huán)易學(xué)； (9)供貨渠道是否暢通，價格是否低廉，是否具有良好的技術(shù)服務(wù)支持。目前，市面上的單片機不僅種類繁多，而且在性能方面也各有不同。 圖 31 硬件總體框圖 主控模塊器件選型及設(shè)計 單片機的選用及介紹 針對一定的用途，恰當(dāng)?shù)倪x擇所使用的單片機是十分重要的。溫控箱的溫度由 Ptl00 鉑電阻溫度傳感器檢測并轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號，再通過 8 位的 A/D 轉(zhuǎn)換 ADC0809 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 31所示。 [11]由于整個系統(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)，故要整個控制系統(tǒng)軟件由許多獨立的小模塊組成，它們之間通過軟件接口連件結(jié)構(gòu)。加 之集成開發(fā)環(huán)境 KEIL 編譯生成的代碼效率很高 (僅比匯編語言生成的代碼效率低 10％ 15％ )。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護及調(diào)試； (2)適用范圍大和可移植性好 5 同其他高級語言一樣， C 語言不依賴于特定的 CPU，其源程序具有良好的可移植性。 目前， MCS51 單片機的開發(fā)主要用到兩種語言：匯編語言和 C語言。目前，市面上單片機不僅種類繁多，而且在性能方面也各有所長。從實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)功能和簡化硬件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)， SOC是實現(xiàn)溫度控制統(tǒng)的最佳選擇，但目前市場上 SOC的價格還比較昂貴，并且 SOC 的封裝形式幾乎都采用貼片式封裝，不利于實驗電路板的搭建。 SOC 芯片通常含有一個微處理器核 (CPU)，同時，它還含有多個外圍特殊功能模塊和一定規(guī)模的存儲器 (RAMROM)，并且這種片上系統(tǒng)一般具有用戶自定義接口模塊，使得其功能非常強大，適用領(lǐng)域也非常廣。 [10]另外，隨著微電子技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，片上系統(tǒng) SOC(System On Chip)得到了十足的發(fā)展。它是把中央處理單元 CPU(Central Processing Unit)、隨機存取存儲器 RAM(RandomAccess Memory)、只讀存儲 ROM(Readonly Memory)、定時 /計數(shù)器以及 I/O(Input/Output)輸入輸出接口電路等主要計算機部件都集成在一塊集成電路芯片上 的微型計算機，它的特點是：功能強大、運算速度快、體積小巧、價格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛。 [9]另外，模擬電路依靠元器件之間的電氣關(guān)系來實現(xiàn)控制算法，很難實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。根據(jù)計算機控制理論可知，數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣速率并非越快越好，它還取決于被控系統(tǒng)的響應(yīng)特性。模擬控制電路的各控制環(huán)節(jié)一般由運算放大器、電壓比較器、模擬集成電路以及電容、電阻等外圍元器件組成。整個系統(tǒng)遵循了冗余原則及以軟代硬的原則，并盡可能選用典型、常 用、易替換的芯片和電路，為系統(tǒng)的開放性、標(biāo)準化和模塊化打下良好基礎(chǔ)。本文采用最小二乘法擬合的方法對鉑電阻的非線性進行優(yōu)化。作為與 MCS51 系列兼容的單片機，無論在運算速度，還是在內(nèi)部資源上均可勝任本系統(tǒng)的性能要求。 (f)模塊化設(shè)計，安裝拆卸簡單，維修方便； (2)系統(tǒng)特點： 鑒于上述系統(tǒng)功能要求以及智能儀表應(yīng)具有的體積小、成本低、功能強、抗干擾并盡可能達到更高精度的要求。如果實際測得的溫度值超過了系統(tǒng)要求的溫度范圍，就停止加熱。 [6]本文所討論的基于單片機的食品加工機溫度控制系統(tǒng)就是要實現(xiàn)對溫控箱的恒值溫度控制要求，故以下僅對恒值溫度控制進行討論。同時食品加工中的溫度控制有動態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。 2 總體電路設(shè)計 系統(tǒng)性能要求及特點 在食品加工過程中，對于不同的原料不同的生產(chǎn)需求，需要采取不同的加工工藝。這種不足的原因是多方面造成的，如針對不同的溫控對象，由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定等。 [5]所謂第三代智能溫控儀表，就是指基于智能控溫技術(shù)而研制的具有自適應(yīng) PID 算法的溫度控制儀表。尤其是模糊控溫法在實 3 際工程技術(shù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。智能控溫法采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和 模糊數(shù)學(xué)