【正文】 單片機的復位是由外部復位電路來實現(xiàn)的。系統(tǒng)時鐘電路設計采用內部方式，AT89C52內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1(19腳)和XTAL2(18腳)分別是此放大器的輸入端和輸出端，這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構成一個自激振蕩器，外接晶體諧振器以及電容構成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。 圖2．4 復位電路和時鐘電路 輸入通道設計系統(tǒng)輸入通道的作用是將溫控箱的溫度(非電量)通過傳感器電路轉化為電量(電壓或電流)輸出，本系統(tǒng)就是將溫度轉化為電壓的輸出。輸入通道由傳感器、A/D轉換等電路組成。Ptl00型鉑電阻，在200到850范圍內是精度最高的溫度傳感器之一。鉑電阻溫度傳感器主要有兩種類型：標準鉑電阻溫度傳感器和工業(yè)鉑電阻溫度傳感器。這主要有兩個方面的原因，其一是高溫下金屬鉑與周圍材料之間的擴散使其純度受到污染；其二是因為高溫條件下的應力退火影響了其復現(xiàn)性能?？紤]到成本，故在本系統(tǒng)中采用工業(yè)級Pt100鉑電阻作為溫度傳感器。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。鉑電阻溫度傳感器采樣電路如圖2．5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?；鶞孰妷涸措娐啡鐖D2．6所示。本系統(tǒng)中基準電壓源產生的電壓不僅提供給鉑電阻采樣電路而且還提供給A/D轉換電路使用。圖2．7所示為鉑電阻溫度電阻曲線。 A/D轉換在單片機控制系統(tǒng)中，控制或測量對象的有關變量，往往是一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、位移、速度等物理量。完成A/D轉換的器件即為A/D轉換器。A/D轉換器的分辨率以輸出二進制數(shù)的位數(shù)表示；(2)轉換時間轉換時間指A/D轉換器從轉換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經過的時間；(3)轉換誤差轉換誤差表示A/D轉換器實際輸出的數(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換器的轉移函數(shù)與理想直線的最大偏移。綜合考慮，本系統(tǒng)選用AD(ANALOG DEVICES)公司生產的16位AD轉換芯片AD7705[4]作為本溫控系統(tǒng)的A/D轉換器。它包括由緩沖器和增益可編程放大器(PGA)組成的前端模擬調節(jié)電路、ΣΔ調制器、可編程數(shù)字濾波器等部件組成。AD7705采用三線串行接口，具有兩個全差分輸入通道，%非線性的16位無誤碼輸出，其增益和輸出更新率均可編程設定，還可以選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準和系統(tǒng)校準方式。AD7705引腳如圖2．8所示。該串行時鐘可以是連續(xù)時鐘以連續(xù)的脈沖串傳送所有數(shù)據，反之，它也可以是非連續(xù)時鐘，將信息發(fā)送給AD7705；(2)MCLKIN為轉換器提供主時鐘信號，能以晶體八皆振器或外部時鐘的形式提供。完成對一個完全的輸出字的讀操作后，該引腳立即回到高電平。根據通信寄存器中的寄存器選擇位，移位寄存器可以容納來自通信寄存器、時鐘寄存器或數(shù)據寄存器的信息；(13)DIN串行數(shù)據輸入端，向片內的輸入移位寄存器寫入的串行數(shù)據由此輸入。其中，；；；；AINI(+)差分模擬輸入通道1的正輸入端接到CD4051的AOUT(3腳)，CD4051的輸入端分別接Pt100溫度傳感器。通道選擇電路如圖2．10所示?？煽毓璧目刂颇Ｊ接袃煞N：相位控制和零位控制(分配式零位控制、時間比例零位控制)。(2)零位控制：在設定的周期Tc內，觸發(fā)信號使主回路接通幾個周波，再斷開幾個周波，改變可控硅在設定周期內的通斷時間比例，以調節(jié)負載上的交流電的平均功率，即可達到調節(jié)負載功率的目的。它多用于大慣性的加熱器負載，采用這種控制，既實現(xiàn)了溫度控制，又消除了相位控制時帶來的高次諧波污染電網。 可控硅輸出電路可控硅是一種功率半導體器件，簡稱SCR，也稱晶閘[11]。雙向可控硅相當于兩個單向可控硅反向并聯(lián)。本系統(tǒng)中與可控硅配套使用的是MOC3041光電藕合雙向可控硅驅動器，與一般的光禍器件不同之處是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。 可控硅輸出電路 保護電路保護電路的作用是對溫控箱進行過溫保護，其電路如圖2．13所示。電路中增加的達林頓管TIP122是一個電流驅動型器件，能夠提高繼電器的勵磁電流。這個反向電勢一般很高，容易造成三極管的擊穿，加入續(xù)流二極管后，為反向電勢提供了放電回路，從而保護三極管不會被擊穿。其中RS232是美國電子工業(yè)協(xié)會正式公布的串口總線標準，也是目前最為常用的串行接口標準，用來實現(xiàn)計算機與計算機之間，計算機與外設之間的數(shù)據通訊。來自CPU的是普通的并行數(shù)據，接口電路應具有實現(xiàn)不同串行通信方式下的數(shù)據格式化的任務。由于CMOS電平和RS232電平不匹配，因此要實現(xiàn)單片機和PC機之間通信，必須在它們之間加接電平轉換器。MAX232只需+5V電源供電，其內部的電源變化成10V電源用于RS232通信。MAX232為雙列直插16腳封裝。圖2．14 串口通信電路 其中T2OUT連接上位機串口的RX端，R2IN連接上位機串口的TX端，R2OUT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。設計中選用了LM7805，LM7815和LM7915三個三端集成穩(wěn)壓器，分別提供+5V、+15V和15V直流電壓，輸出電流均為1A。電源電路如圖2．15和2．16所示。其總的原則是：抑制或消除干擾源，切斷干擾對系統(tǒng)的藕合通道，降低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性。 (l)隔離主要用于過程通道的隔離。在輸入、輸出通道采用光電藕合器將控制系統(tǒng)與外圍接口隔離；(2)接地接地應遵循的基本原則是：數(shù)字地、模擬地、屏蔽地應該合理接地，不能混用。(去藕電容)；(3)濾波電源系統(tǒng)干擾源主要是高次諧波。 本章小結本章主要介紹了溫度控制系統(tǒng)的硬件電路主要模塊的設計。然后通過A/D轉換芯片AD7705把溫度電信號轉換成數(shù)字信號送入AT89C52中，通過微控制器，實現(xiàn)對溫度信號的顯示、判斷及控制。通過可控硅調功對被控對象溫控箱的加熱，實現(xiàn)系統(tǒng)對被控對象的溫度控制。當系統(tǒng)的硬件電路設計好之后，系統(tǒng)的主要功能還是要靠軟件來實現(xiàn)，而且軟件的設計在很大程度上決定了測控系統(tǒng)的性能。近年來，由于硬件的集成度與運算速度的提高，配合相應的軟件，實時性比較容易滿足設計要求； (3)準確性準確性對整個系統(tǒng)具有重要意義，尤其是測量系統(tǒng)，系統(tǒng)要進行一定量的運算，算法的正確性和準確性對結果有著直接的影響，因此在算法的選擇、計算的精度等方面都要符合設計的要求； (4)可靠性可靠性是系統(tǒng)軟件最重要的指標之一，作為能夠穩(wěn)定運行的系統(tǒng)，抗干擾技術的應用是必不可少的，最起碼的要求是在軟件受到干擾出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)還能恢復正常工作。 軟件設計思想 很多的單片機軟件系統(tǒng)都是采用前、后臺系統(tǒng)(也稱超循環(huán)系統(tǒng))。中斷服務程序處理異步事件，這部分可以看成是前臺行為(foreground)。前臺也可以叫做中斷級。本系統(tǒng)軟件正是基于這種軟件思想編制的。即整個控制軟件由許多獨立的小模塊組成，它們之間通過軟件接口連接，遵循模塊內部數(shù)據關系緊湊，模塊之間數(shù)據關系松散的原則，按功能形成模塊化結構。主模塊的功能是為其余幾個模塊構建整體框架及初始化工作；數(shù)據采集模塊的作用是將A/D轉換的數(shù)字量采集并儲存到存儲器中；數(shù)據處理模塊是將采集到的數(shù)據進行一系列的處理，其中最重要的是數(shù)字濾波程序；控制算法模塊完成控制系統(tǒng)的PID運算并且輸出控制量。 主程序模塊主程序模塊的主要工作是上電后對系統(tǒng)初始化和構建系統(tǒng)整體軟件框架，其中初始化包括對單片機、A/D芯片和串口的初始化等。主程序模塊的程序流程圖如圖3．2所示。 圖3．2 主程序流程圖 數(shù)據采集模塊數(shù)據采集模塊的任務是負責溫度信號的采集以及將采集到的模擬量通過A/D轉換器轉化為相應的數(shù)字量提供給單片機。所示 圖3．3 數(shù)據采集模塊程序流程圖 圖3．4 A/D轉換程序流程圖 數(shù)據處理模塊數(shù)據處理模塊負責處理A/D轉換后的數(shù)字量。 數(shù)字濾波模擬信號都必須經過A/D轉換后才能為單片機接受，如果模擬信號受到擾動影響，將使A/D轉換結果偏離真實值。這種從數(shù)據序列中提取逼近真值數(shù)據的軟件算法，通常稱為數(shù)字濾波算法。 (l)程序判斷濾波法首先要從經驗出發(fā)，定出一個目標參數(shù)最大可能的變化范圍。 (2)中值濾波法對目標參數(shù)連續(xù)進行若干次采樣，然后將這些采樣進行排序，選取中間位置的采樣值為有效值。該算法適用于抑制隨機千擾。算術平均濾波不能將明顯的脈沖干擾消除，只是將其影響削弱。(5)去極值平均濾波法既采用去極值法去掉明顯的脈沖干擾，又可對采樣值進行平滑處理，在高、低速數(shù)據采集系統(tǒng)中，它都能削弱干擾，提高數(shù)據處理能力。即對目標參數(shù)連續(xù)采樣6次數(shù)據，然后對6次采樣的數(shù)據由小到大排序，分別去掉最小值和最大值，將剩余的4個數(shù)據求其算術平均值，即得到本次A/D轉換后的數(shù)字量。 圖3．5去極值平均濾波程序流程圖 顯示處理顯示處理模塊主要完成人機交互作用，具體實現(xiàn)將采樣溫度值、設定溫度值以字符的形式通過液晶顯示出來。HT1621是128點內存映象和多功能LCD驅動器。 軟件抗干擾措施 本系統(tǒng)中，在軟件方面的抗干擾措施主要從以下兩個個方面來考慮：(l)按鍵的軟件消抖措施按鍵是一個機械開關，當鍵按下時，開關閉合；當鍵松開時，開關斷開。對于按鍵消抖的具體措施目前有兩種：一是用硬件電路來實現(xiàn)，即用RC濾波電路濾除抖動。本文采用的就是軟件延時消抖的方法。(2)數(shù)字濾波數(shù)字濾波是將一組輸入數(shù)字序列進行一定的運算而轉換成另一組輸出數(shù)字序列的方法，采用軟件濾波算法不需要增加硬件設備，可靠性高，功能多樣，使用靈活，但是要占用一定的處理器運行時間。 本章小結 本章在分析了系統(tǒng)軟件組成的基礎之上，采用傳統(tǒng)的前、后臺方式編制系統(tǒng)軟件，分別介紹了系統(tǒng)中的主程序模塊、數(shù)據采集模塊、數(shù)據處理模塊。第4章 控制方案 PID控制 PID控制的發(fā)展 PID控制[8]是最早發(fā)展起來的控制策略之一，現(xiàn)今使用的PID控制器產生并發(fā)展于19151940年期間。因此，PID控制器在工業(yè)控制中仍然得到廣泛應用。 PID控制器的發(fā)展經歷了液動式、氣動式、電動式幾個階段，目前正由模擬控制器向著數(shù)字化、智能化控制器的方向發(fā)展。PID控制系統(tǒng)原理[10]如圖4．1所示。 PID控制算法 由于計算機控制是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量。現(xiàn)令T為采樣周期，以一系列的采樣時刻點kT代表連續(xù)時間t，以累加求和近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，做如下的近似變換： t=KT 　(4．4) (4．5) 　(4．6)其中，T為采樣周期，e(k)為系統(tǒng)第k次采樣時刻的偏差值，e(kl)為系統(tǒng)第(kl)次采樣時刻的偏差值，k為采樣序號，k=0，1，2，…。通常把(4．7)式稱為PID的位置式控制算法?？梢钥闯觯看屋敵雠c過去的所有狀態(tài)都有關，要想計算u(k)，不僅涉及e(k)和e(kl)，且須將歷次e(j)相加，計算復雜，浪費內存。為此，對(4．8)式作如下的變動：考慮到第(kl)次采樣時有 (4．9)使(4．8)式兩邊對應減去(4．9)式，得 整理后的 (4．10) 其中，(4．10)式就是PID位置式得遞推形式。 因為在計算機控制中、都可以事先求出，所以，實際控制時只須獲得e(k)、e(kl)、e(k2)三個有限的偏差值就可以求出控制增量。本系統(tǒng)的控制算法即采用增量式的PID控制算法。 圖4．2 增量式PID控制算法程序流程圖　　附錄中給出了本系統(tǒng)的PID控制算法源程序。單片機系統(tǒng)開發(fā)中的仿真包括軟件仿真和硬件仿真。用戶不需要搭建硬件電路就可對程序進行驗證，特別適合于偏重算法的程序。使用了附加硬件后用戶就可以對程序的運行進行控制。此時就需要用到仿真器。徹底解決80C51開發(fā)中仿真工具的瓶頸問題。TKS系列仿真器還可以同KEIL調試軟件銜接并得到KEIL公司的強力技術援助具備強大的調試功能。它可以完成從工程建立和管理、編譯連接目標代碼的生軟件仿真、硬件仿真等完整的開發(fā)流程。 KEIL IDE Vision2集成開發(fā)環(huán)境主要由以下部分組成：(l) Vision2 IDE Vision2 IDE 包括：一個工程管理器，一個功能豐富并有交互式錯誤提示的編輯器選項設置生成工具。 vision2可以自動完成編譯匯編鏈接程序的操作； (2)C51編譯器和A51匯編器 由 Vision2 IDE創(chuàng)建的源文件可以被C51編譯器或A51匯編器處理生成可定位的object文件。KEIL A51宏匯器支持80C51及其派生系列的所有指令集； (3)LIB51庫管理器 LIB51庫管理器可以從由匯編器和編譯器創(chuàng)建的目標文件建立目標庫，些庫是按規(guī)定格式排列的目標模塊，可在以后被鏈接器所使用當鏈接器處理個庫時僅僅使用了庫中程序使用了的目標模塊而不是全部加以引用；(4)BL51鏈接器定位