【正文】 51 兼容，片內(nèi)的 Flash ROM 允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲器來編程。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的一般方法 [1] 硬件設(shè)計及制作的一般方法 硬件設(shè)計應(yīng)按照系統(tǒng)設(shè)計方案確定的硬、軟件功能的分工，對硬件進(jìn)行技術(shù)設(shè)計和制作。因此，在硬件設(shè)計中，盡可能的使用已有的功能模塊，可節(jié)省大量的設(shè)計和調(diào)試時間，縮短開發(fā)研制周期。盡可能選擇功能強(qiáng)、集成度高、性能好、通用性強(qiáng)、市場供貨充足的元器件，以利于大批 量生產(chǎn)，提高系統(tǒng)的可靠性，便于今后的維修工作。對用于野外作業(yè)場所的應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)，提高驅(qū)動能力、降低功耗非常重要，在元器件的選擇和電路設(shè)計時要注意，如可選用 CMOS 工藝的單片機(jī)、CMOS 系列的元器件等等。 軟件設(shè)計的一般方法 軟件主要分兩大類，即系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 7 系統(tǒng)對軟件的要求通常包括針對性、通用性、實(shí)時性、可靠性等。而一個好的應(yīng)用程序不僅要具有針對性，而且還要有一定的靈活性和通用性，能適應(yīng)不同系統(tǒng)的要求。大部分單片機(jī)應(yīng) 用與實(shí)時控制，要求軟件具有實(shí)時性，能夠字允許的時間內(nèi)對系統(tǒng)進(jìn)行控制、計算和處理。 盡管應(yīng)用系統(tǒng)的種類繁多，程序編制人員風(fēng)格各異，但好的軟件設(shè)計都存在一些共同的特點(diǎn)和規(guī)律。將完成一定功能、相對獨(dú)立的整個程序?qū)嵭心K化、子程序化，既便于察錯、調(diào)試和鏈接，又便于移植和修改。 論文的主要研究內(nèi)容 1）對樓宇控制系統(tǒng)設(shè)計為主從機(jī)控制，以一 PC 機(jī)為主機(jī)，以恒壓供水系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)為從機(jī)。 3）對基于 89C51 單片機(jī)的樓宇溫度控制系統(tǒng)的從機(jī)進(jìn)行硬件及其軟件的設(shè)計，并且對其系統(tǒng)模塊的移植性進(jìn)行分析 8 2 樓宇主從機(jī)控制 系統(tǒng)總體設(shè)計 主從機(jī)多機(jī)通信原理 在樓宇智能控制系統(tǒng)中，由單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)非常之多，諸如恒壓供水系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)、安全報警系統(tǒng)等等，單個單片機(jī)在這些應(yīng)用場合往往僅負(fù)責(zé)某一點(diǎn)或某個子系統(tǒng)的控制，對于整個系統(tǒng)中各點(diǎn)監(jiān)測或各個子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制則由一個功能更強(qiáng)的中央處理器如 PC 機(jī)來完成。在此樓宇智能控制系統(tǒng)中，需要多個單片機(jī)構(gòu)成復(fù)雜系統(tǒng)，相互之間完成整個任務(wù)。 本文以一 PC 機(jī)作為主機(jī)，在主控室進(jìn)行操作，樓宇控制系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)作為從機(jī)，在此以恒壓供水單片機(jī)和溫度控制單片機(jī)為從機(jī)。 T X D R X D T X D T X DR X D R X D從 機(jī)8 9 C 5 1溫 度 控 制 從 機(jī)8 9 C 5 1恒 壓 供 水 從 機(jī)8 9 C 5 1R X DT X D主 機(jī)8 9 C 5 1 圖 21 基于串行口全雙工主從通信 [2] Communicate based on the serial whole principal and subordinate of duplex operation 主機(jī)的發(fā)送端和各從機(jī)的接收 端相連，主機(jī)的接受端和各從機(jī)的發(fā)送端相連，主機(jī)發(fā)送的信息可以傳到各個從機(jī)或指定的從機(jī)，而各從機(jī)發(fā)送的信息只能被主機(jī)接收，各從機(jī)之間不能直接通信。 在主機(jī)與各從機(jī)通信時，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送的信息分為地址和數(shù)據(jù)兩類，以第 9 位作為區(qū)分標(biāo)志，當(dāng)發(fā)送地址信息時， TB8（發(fā)送數(shù)據(jù)位 8） =1，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)信息時， TB8=0。根據(jù)此，便可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的多機(jī)串行通信。一般通信協(xié)議有通用標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)議比較完善。 1）系統(tǒng)從機(jī)容量為 255 臺，其地址分別為 00HFEH。 3）制定主機(jī)發(fā)送的控制命令代碼，代碼按 00H、 01H… 順序設(shè)置，其他均為非法代碼。 5）設(shè)置從機(jī)狀態(tài)字，以表明從機(jī)的工作狀態(tài)： ERR 0 0 0 0 0 TRDY RRDY 其中最高位 D7： ERR=1，表示從機(jī)接受到非法指令； TRDY=1， 表示從機(jī)發(fā)送準(zhǔn)備就緒；RRDY=1，表示從機(jī)接受準(zhǔn)備就緒。對于地址相符的從機(jī)，使 SM2=0以接收主機(jī)隨后發(fā)來的所有信息；地址不符的從機(jī)，仍保持 SM2=1，對主機(jī)隨后發(fā)來的數(shù)據(jù)不予理財，等待主機(jī)發(fā)來新的地址幀信息； 4）主機(jī)向被尋址的從機(jī)發(fā)送控制指令與數(shù)據(jù) ，數(shù)據(jù)幀的第 9 位置 0，表示發(fā)送的是數(shù)據(jù)或控制指令； 5）主從機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 發(fā) 送 命 令 幀發(fā) 送 地 址 幀定 時 器 T 1 、 串 行 口按 照 命 令 跳 轉(zhuǎn)結(jié) 束開 始從 機(jī) 應(yīng) 答 ？發(fā) 送 復(fù) 位 命 令YYYNNN應(yīng) 答 地 址 正 確 ？應(yīng) 答 命 令 正 確 ？ 圖 22 主從機(jī)通信主機(jī)程序流程圖 [4] The munication program flow chart of principal and subordinate of main puter 從機(jī)中斷方式通信程序 從機(jī)串行 通信采用中斷控制啟動方式。從機(jī)的主程序中應(yīng)該包括定時器 1 波特率設(shè)定及初始化，開中斷等程序段。 11 中 斷保 護(hù) 現(xiàn) 場地 址 符 合 ？發(fā) 送 地 址接 受 下 一 幀命 令 字接 受 準(zhǔn) 備 好 ？ 發(fā) 送 準(zhǔn) 備 好 ？T R D Y = 1R R D Y = 1發(fā) 送 數(shù) 據(jù)接 收 完 ？ 發(fā) 送 完 ？S M 2 = 1 恢 復(fù) 現(xiàn) 場R R D Y = 0NNN0 00 1NNYYNT R D Y = O是 命 令 嗎 ？接 收 數(shù) 據(jù) 圖 23 主從機(jī)通信從機(jī)程序流程圖 The munication of principal and subordinate is from machine program flow chart 12 3 從機(jī)一：變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 引言 由于城市自來水管網(wǎng)的水壓較低，自來水通常不能到達(dá)高層住宅的較高樓層，一般需要用水泵再將水送至水塔或樓頂?shù)母呶凰?，再供給住戶。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)可以改變這一狀況，恒壓供水系統(tǒng)是指用戶端不管用水量大小，總保持管網(wǎng)中水壓基本恒定。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由于具有節(jié)約能源，減少污染的特點(diǎn)，已經(jīng)越來越多的用于 智能樓宇中。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制原理 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 變頻調(diào)速供水系統(tǒng)由 89C51 單片機(jī)控制系統(tǒng)、電機(jī)水泵機(jī)組、變頻器、壓力傳感器及繼電器邏輯控制電路組成，其供水控制系統(tǒng)組成如圖 31 所示。 電機(jī)水泵機(jī)組是傳送水或其他液體的機(jī)電裝置，其作用是水以一定的壓力和流量通過供水管道輸送到用戶，以滿足用戶用水需求。 變頻器 [5]是一高技術(shù)裝置，主要有電力電子器件和微處理器組成，它能根據(jù)頻率設(shè)定的輸入信號輸出相應(yīng)頻率的交流電。 壓力傳感器是供水系統(tǒng)的測量元件，它安裝在水泵出水管上，其作用是將出水管內(nèi)水壓變成 0~5V 的模擬信號送入單片機(jī)控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)的控制原理 為了穩(wěn)定水壓，需構(gòu)成一個壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。該自動控制系統(tǒng)通過安裝在水泵出口管上的遠(yuǎn)傳壓力變送傳感器，把出口壓力變成 (0~5V)的模擬信號，經(jīng)過前置放大、 A/D 變換成數(shù)字信號傳送到單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)與給定參量進(jìn)行比較，得出調(diào)節(jié)參量 △ E，對 △ E 進(jìn)行 PID 運(yùn)算后輸出控制信號，經(jīng)由 D/A 變換成模擬量作用到變頻器，控制其輸出頻率，以調(diào)節(jié)電機(jī)水泵機(jī)組的 轉(zhuǎn)速，按實(shí)際用水量供水并使供水壓力恒定。 8 9 C 5 1 D / A 變 頻 器壓 力 傳 感 器水 泵 機(jī) 組H rH bHA / D 圖 32 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)控制原理圖 The control picture of frequency control of constant voltage of water supply system 若 △ E 0，則供水壓力小于設(shè)定值，用水量增加造成供水壓力下降，單片機(jī)將通過計算提高變頻器的輸出頻率，從而使電機(jī)水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速增加，使供水壓力增加并 恢復(fù)到設(shè)定值；如果 △ E0，則供水壓力大于設(shè)定值，說明用水量減少導(dǎo)致供水壓力上升，單片機(jī)通 14 過計算控制變頻器使其輸出頻率下降，電機(jī)水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速下降，使供水壓力減小恢復(fù)到設(shè)定值。 為保證充足的水量供應(yīng)，本系統(tǒng)采用兩臺水泵構(gòu)成的供水控制系統(tǒng)，具備同時控制兩臺水泵的功能。也可以根據(jù)實(shí)際要求設(shè)計采用多臺水泵，如圖 33 所示。在使用時，控制其中一臺水泵處于變頻器控制下，其他電動機(jī)則根據(jù)供水量，在工頻全速運(yùn)行或停機(jī)待命。 15 36393837353433322122232426272825EAP2.2P2.1P0.6P0.7P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0X1X287654321P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P1.7TXDINT1WRP2.0PSENP2.5162930INT0P2.6P2.3P2.4151413129T1T0RESETRXDP2.7RD89C51ALED1D2D3D4D5D6D7A B C CLKEOCSTARTALEOEIN1IN2IN3IN4INOIN5IN6IN7ADC080974L373GOE247。采用 US5100 壓力傳感器安裝在自來水的入口處，將其所測定的壓力值和設(shè)定的電位器值送入 ADC0809 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，比較 后送入 89C51 系列單片機(jī)進(jìn)行處理。 接口通過繼電器控制變頻泵 1 的運(yùn)轉(zhuǎn)， 接口同樣是通過繼電器控制工頻泵 2 的運(yùn)轉(zhuǎn)。 系統(tǒng)控制方案的選擇 輸入通道的設(shè)計 在微型計算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，要將生產(chǎn)現(xiàn)場測得的信息傳給 CPU。一個生產(chǎn)過程有兩種基本量 :一是隨時間連續(xù)變化的物理量 。前者為模擬量，后者為數(shù)字量。對于本系統(tǒng)來說，只有兩路入通道，即為水壓的給定值和反饋值。本系統(tǒng)先簡化為兩路通道。差壓變送器主要用于測量液體、氣體或蒸汽的壓力、差壓、流量、液位、比重等物理量，并把這些被測物理量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的 4~20mA ADC 的輸出。 1）模擬量輸出通道 將經(jīng)過運(yùn)算處理后的數(shù)字量送往 D/A 轉(zhuǎn)換器，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換變換成 0~5V， 4~20mA 信號，作為變頻器的頻率給定，來控制水泵電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。 CPU 可通過 I/O 接口電路直接對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，也可以通過半導(dǎo)體開關(guān)的動作或機(jī)電式繼電器接點(diǎn)的開閉進(jìn)行控制。 17 壓力傳感器的選擇 壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個高溫就是所謂的 “居里點(diǎn) ”）。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。在此恒壓供水系統(tǒng)中采用 US5100[7]壓力傳感器。 US5100 壓力傳感器可以適應(yīng)大多數(shù)腐蝕性工作環(huán)境，并可以按照 OEM 客戶的需要進(jìn)行特殊材質(zhì)，特殊壓力接口及特殊輸出信號等要求的產(chǎn)品定制。%FS； 7）工作溫度范圍： 40℃ ~25℃ ； 8）介質(zhì)兼容性：與 316L 不銹鋼兼容的各種介質(zhì)； 9）量程： 0~5 至 10000（ Psi）； 10）過載壓力：可達(dá) 3 倍額定壓力； 11）典型應(yīng)用：高級 HVAC 控制，制冷系統(tǒng)，自動檢測系統(tǒng)，空壓機(jī)，工業(yè)過程控制， 泵和壓縮機(jī)，液壓 /氣動系統(tǒng)，農(nóng)機(jī)設(shè)備，能源和水處理系統(tǒng)。它的原理如圖 35所示。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。 PID 控制器根據(jù)目標(biāo)值 (設(shè)定值 )r(t)與反饋值 (測量值 )c(t)構(gòu)成的控制偏差： e(t)=r(t)c(t) （ 31） 將偏差的比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)通過線性組合構(gòu) 成控制量，對受控對 象進(jìn)行控制。 DDC 控制方式的特點(diǎn)是采樣控制，每個被控制變量的測量值隔一定時間與設(shè)定值比較一次，按照預(yù)定的控制算法得到輸出值，通常把它保留到 下一采樣時刻。在選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器時，主要考慮其以下指標(biāo)： 1）精度 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度分為絕對精度和相對精度兩種。例如，理論上 5V 模擬量輸