【正文】 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 3 1．系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)步驟，工程設(shè)計(jì)等方面。 （ 1）安全可靠 首先要選用高性能的 AT89C52單片機(jī)，保證在惡劣的 工業(yè)環(huán)境下能正常運(yùn)行。 （ 2）操作維護(hù)方便 操作方便表現(xiàn)在操作簡單、直觀形象和便于掌握且不強(qiáng)求操作工要掌握計(jì)算機(jī)知識(shí)才能操作。 （ 4）通用性好 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮能適應(yīng)不同的設(shè)備和各種不同設(shè)備和各種不同控制對(duì)象，并采用積木式結(jié)構(gòu)，按照控制要求靈活構(gòu)成系統(tǒng)。 （ 5）經(jīng)濟(jì)效益高 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟 （ 1）工程項(xiàng)目與控制任務(wù)的確定階段 （ 2）項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、 方案論證評(píng)審 硬件和軟件的分別細(xì)化設(shè)計(jì) 硬件和軟件的分別調(diào)試 系統(tǒng)的組裝 （ 3）離線仿真和調(diào)試階段 系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 本論文設(shè)計(jì)對(duì)比目前最為流行的爐溫控制方案后 ,采用了性能可靠且實(shí)施相對(duì)簡東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 4 易的 單片機(jī)結(jié)合雙向可控硅來達(dá)到調(diào)功及實(shí)現(xiàn)溫度控制 ,具體概述參見模塊化電路章節(jié) . 系統(tǒng)的總統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 確定系統(tǒng)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu) 確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式 現(xiàn)場設(shè)備選擇 確定控制策略和控制算法 硬件、軟件的功能劃分 系統(tǒng)總體方案 （ 1）系統(tǒng)的主要功能、技術(shù)指標(biāo)、原理性方框及文字說明。 （ 3）保證性能指標(biāo)要求的技術(shù)措施。 硬件的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) （ 1）選擇系統(tǒng)的 總線和主機(jī)機(jī)型 選擇系統(tǒng)的總線，系統(tǒng)總線的優(yōu)點(diǎn)：采用總線可以簡化硬件設(shè)計(jì)，用戶可根據(jù)需要直接選用符合總線標(biāo)準(zhǔn)的功能模板，而不必考慮模板插件之間的匹配問題，使系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)大大簡化；系統(tǒng)可擴(kuò)性好，僅需將總線標(biāo)準(zhǔn)研制的新的功能模板插在總線槽中即可；系統(tǒng)更新性好，一旦出現(xiàn)新的微處理器、存儲(chǔ)器芯片相接口電路，只要將這些新的芯片按總線標(biāo)準(zhǔn)研制成各類插件，即可取代原來的模板而升級(jí)更新系統(tǒng)。本文著眼于爐溫控制，首當(dāng)其沖選擇溫度變送器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液壓 3種類型 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。其顯著特性是 只有當(dāng)負(fù)載交流電源到達(dá)過零區(qū)時(shí) SSR才導(dǎo)通，所以負(fù)載工作時(shí)近似正弦波，可減少高次諧波對(duì)電網(wǎng)的干擾。由于它重主要通過接觸器的通斷時(shí)間比例來達(dá)到該表加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸 器的壽命限制，通斷頻率很低，故溫度控制精度低，單片機(jī)脈寬調(diào)溫閉環(huán)系統(tǒng)以 AT89C52 單片機(jī)作為該控制系統(tǒng)的核心，采用脈沖調(diào)寬技術(shù)，雙向可控硅輸出，工作穩(wěn)定、性能可靠。該系統(tǒng)具有軟啟動(dòng)、程序升溫、鍵盤輸入、顯示打印等功能，使溫度控制穩(wěn)態(tài)誤差精度達(dá)177。 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程分為總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試四個(gè)部分。然后寫出論證，選擇控制方案，控制方案的好壞，直接影響控制效果、系統(tǒng)投資和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。觸發(fā)脈沖由過零同步脈沖形成電路提供。鍵盤與顯示器用于各種參數(shù)的設(shè)置和顯示。單片機(jī)每隔一定時(shí)間啟動(dòng)一次 A/D轉(zhuǎn)換、采樣一次現(xiàn)場溫度，將溫度數(shù)據(jù)與給定溫度 WT 進(jìn)行比較，得到溫差，再根據(jù)偏差的大小和正負(fù)，通過 PID 控制算法送出 1個(gè)具有相應(yīng)寬，讓一定數(shù)量的觸發(fā)脈沖在高電平奇跡通過控制門去觸發(fā)可控硅，對(duì)被測溫度調(diào)節(jié)開度的門控脈沖。能 對(duì) 0～ 1500176。C 。數(shù)據(jù)采集部分能完成對(duì)被測信號(hào)的采樣，顯示分辨率 1176。C ，控制精度 1176。數(shù)據(jù)處理分為預(yù)處理、功能性處理、抗干擾等子功能。 系統(tǒng)的技術(shù)要求 （ 1）溫度范圍： 40℃ ～ 1500℃ （ 2）供電電壓：三相交流 380V （ 3）調(diào)節(jié)溫度的超調(diào)量小于 30% （ 4）功率范圍： 4 kW 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 溫度控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 3. 溫度控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)規(guī)范 原理圖主要由設(shè)計(jì)、診斷與檢查組成。 （ 2) 圖中所使用的元器件要合理選用，電阻，電容等器件的參數(shù)要正確標(biāo)明。 原理圖的設(shè)計(jì)、診斷與檢查在 Protel DXP 軟件環(huán)境下完成。在印制板設(shè) 計(jì)時(shí)，要仔細(xì)考慮印制板的面積、布局及連線長度，以減小對(duì)信號(hào)的延時(shí)和杠干 擾。 主要芯片功能介紹 （ 1） AT89C52 AT89C52 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓 ,高性能 CMOS8 位單片機(jī) ,片內(nèi)含 8K BYTES 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器 (PEROM)和 256BYTES 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM),器件采用 ATMEL 公司的高密度 ,非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn) ,與標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 8052 產(chǎn)品引腳兼容 ,片內(nèi)置通用 8位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲(chǔ)單元 ,功能強(qiáng)大 AT89C52 單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合 . AT89C52 主 要性能參數(shù)： 與 MCS51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容 8K字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲(chǔ)器 1000 次擦寫周期 全靜態(tài)操作 :0Hz～ 24Hz 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 256*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM 32個(gè)可編程 I/O 口線 3個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 圖 31 AT89C52引腳分布 8個(gè)中斷源 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 溫度控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 可編程串行 UART 通道低功耗空閑和掉電模式 管腳說明 — VCC：供電電壓。 — P0口： P0口為一個(gè) 8位漏級(jí)開路雙向 I/O口 ，每個(gè)管腳可吸收 8TTL門電流。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 — P1口： P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八 位地址接收。作為輸入時(shí)， P2口的管腳電位被外部拉低，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址“ 1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉的優(yōu)勢，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 — P3口： P3口管腳是 8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O口，可接收輸出 4個(gè) TTL門電流。作為輸入時(shí)，由于外部下拉為低電平， P3口將輸出電流 (ILL)，也是由于上拉的緣故。 — RST：復(fù)位輸入。 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 溫度控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 — PROGALE / ：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在平時(shí)， ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE脈沖。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC指令時(shí) ALE才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE禁止，置位無效。在由外部程序存儲(chǔ)器取址期間，每個(gè)機(jī)器周期 PSEN 兩次有效。 — VPPEA/ ：當(dāng) EA 保持低電平時(shí)，訪問外部 ROM；注意加密方式 1時(shí)， EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) EA 端保持高電平時(shí)，訪問內(nèi)部 ROM。 — XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 AT89C52 的基本操作 如圖所示， 在 X1和 X2之間接一只石英振蕩晶體構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘電路，它還有另一種接法， 是把外部振蕩器的信號(hào)直接連接到 XTAL1 端， XTAL2 端懸空不用。當(dāng)振蕩電路工作，并且在 RST 引腳上加一個(gè)至少保持 2 個(gè)機(jī)器周期的高電 平時(shí)，就能使AT89C52 完成一次復(fù)位。 復(fù)位后， PC 指向 0000H 單元，使單片機(jī)從起始地址 0000H 單元開始重新執(zhí)行程序。 AT89C52單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種復(fù)位方式。按鈕復(fù)位又分為按鈕電平復(fù)位和按鈕脈沖復(fù)位。復(fù)位電路參數(shù)的選擇應(yīng)能保證復(fù)位高電平持續(xù)時(shí)間大于 2個(gè)機(jī)器周期。 振蕩器特性： XTAL XTAL2為片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端。由于輸入到內(nèi)部電路是經(jīng)過一個(gè) 2分頻觸發(fā)器，所以輸入的外部時(shí)鐘信東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 溫度控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 號(hào)無需特殊要求，但它必須符合電平的最大和最小值及時(shí)序規(guī)范。 8279 是 Intel 公司為 8 位微處理器設(shè)計(jì)的通用鍵盤 /顯示器接口芯片，其功能是：接收來 自鍵盤的輸入數(shù)據(jù)并作預(yù)處理；完成數(shù)據(jù)顯示的管理和數(shù)據(jù)顯示器的控制。 圖 32 8279芯片內(nèi)部功能塊 數(shù)據(jù)緩沖器將雙向三態(tài) 8 位內(nèi)部數(shù)據(jù)總線 D0～ D7 與系統(tǒng)總線相連，用于傳送CPU與 8279 之間的命令和狀態(tài)。 定時(shí)器包含一些計(jì)數(shù)器，其中有一個(gè)可編程的 5位計(jì)數(shù)器（計(jì)數(shù)值在 2～ 31間），對(duì) CLK 輸入的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，產(chǎn)生 100 KHz 的內(nèi)部定時(shí)信號(hào)（此時(shí)掃描時(shí)間為，消抖時(shí)間為 ）。 掃描計(jì)數(shù)器有兩種輸出方式：一是編碼方式，計(jì)數(shù)器以二進(jìn)制方式計(jì)數(shù)， 4 位計(jì)數(shù)狀態(tài)從掃描線 SL3~SL0 輸出，經(jīng)外部譯碼器可以產(chǎn)生 16 位的鍵盤和顯示器掃描信號(hào)；另一種是譯碼方式，掃描計(jì)數(shù)器的低兩位經(jīng)內(nèi)部譯碼后從 SL3～ SL0 輸出，直數(shù) 據(jù)緩 沖 器I / O 控 制F I F O / 傳感 器 R A M狀 態(tài)控 制 及 定時(shí) 寄 存 器8 179。 8顯 示 R A M顯 示寄 存 器R E S E TC L K D B 0 ～ D B 7W RR DC S A 0 I R QS L 0 ～ S L 3B DO U T A 0 ～ O U T A 3O U T B 0 ～ O U T B 3R L 0 ～ S L 7C N T L / S T BS H I F T顯 示 輸 出鍵 盤 輸 入掃 描 輸 出至 C P U內(nèi) 部 數(shù) 據(jù) 總 線東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 溫度控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 接作為鍵盤和顯示器的掃描信號(hào)。 RL7～ RL0 為回送信號(hào)線作為鍵盤的檢測輸入線，由回送緩沖器緩沖并鎖存，當(dāng)某一鍵閉合時(shí)，附加的移位狀態(tài) SHIFT、控制狀態(tài) CNTL 及掃描碼和回送信號(hào)拼裝成一個(gè)字節(jié)的 “ 鍵盤數(shù)據(jù) ” 送入 8279 內(nèi)部的 FIFO（先進(jìn)先出） RAM。輸入數(shù)據(jù)即為 RL7~RL0。 8 RAM。只要 FIFO RAM 不空，狀態(tài)邏輯將置中斷請(qǐng)求 IRQ=1； 在傳感器矩陣方式，作為傳感器 RAM，當(dāng)檢 測出傳感器矩陣的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，中斷請(qǐng)求信號(hào) IRQ=1。 8矩陣開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行掃描，在內(nèi)部譯碼掃描方式時(shí)，可對(duì) 4179。 顯示 RAM用來存儲(chǔ)顯示數(shù)據(jù)，容量是 16179。 在顯示過程中，存儲(chǔ)的顯示數(shù)據(jù)輪流從顯示寄存器輸出。 顯示地址寄存器用來寄存 CPU 讀 /寫顯示 RAM 的地址，可以 設(shè)置為每次讀出或?qū)懭牒笞詣?dòng)遞增。 RL7～ RL0 為鍵盤回送線。 OUTB3～ OUTB0、 OUTA3～ OUTA0。 RESET 為復(fù)位輸入線。 CNTL/STB 為控制 /選通輸入線。 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 溫度控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 圖 33 8279芯片引腳分布 圖 34 8279芯片擴(kuò)展鍵盤電路 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 溫度控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 8279 是可編程接口芯片，通過編程使其實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，編程的過程實(shí)際上就是CPU向 8279 發(fā)送控制指令的過程。由于該系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性及速度要求并不十分高，所以時(shí)鐘頻率采用 6MHz 已足夠了，故程序時(shí)鐘命令字取為 2AH，用以保證 100kHz的內(nèi)部工作頻率。CPU對(duì) 8279 的控制是先讀回 8279 的狀態(tài)字，查看 PIFORAM 中有無字符，若有將根據(jù)字符個(gè)數(shù)讀出所有字符，并進(jìn)行相應(yīng)處理；若無，則