【正文】 （ 2） TTL 驅(qū)動(dòng) SSR，見圖 322。 （ 3） CMOS 驅(qū)動(dòng) SSR，見圖 323。 （ 1） DC— SSR 驅(qū)動(dòng)大功率負(fù)載，見圖 324。 （ 2） DC— SSR 驅(qū)動(dòng)大功率高壓負(fù)載，見圖 325。 本設(shè)計(jì)固態(tài)繼電器的選擇與應(yīng)用 [10] 由于固態(tài)繼電器的輸出采用的光電耦合器對(duì)信號(hào)進(jìn)行了隔離，本設(shè)計(jì)無(wú)需再接光電耦合器了。 接口驅(qū)動(dòng)本設(shè)計(jì)使用的是集成塊 7407（在 處略有介紹）。具體連接如圖 326 所示。 本設(shè)計(jì)中繼電器是由單片圖 322 TTL驅(qū)動(dòng) SSR 圖 323 CMOS驅(qū)動(dòng) SSR 圖 325 DC— SSR驅(qū)動(dòng)大功率高壓負(fù)載 圖 324 DC— SSR驅(qū)動(dòng)大功率負(fù)載 圖 326 固態(tài)繼電器控制電路 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 25 頁(yè) 機(jī)控制的所以它的供電電壓選擇 5V 直流電。繼電器所帶的負(fù)載為一個(gè)額定功率300W，接 220V 交流電的電爐。所以繼電器的要選用交流型（ ACSSR），耐壓在220V 以上，電流為 以上。本設(shè)計(jì)選用的是 5V供電， 2A 250VAC 的固態(tài)繼電器。 后向通道中單片機(jī)對(duì)繼電器的控制方案的確定 [4] 由于水溫控制電路的控制對(duì)象具有熱貯存能力大，慣性也較大的特點(diǎn)，水在容器內(nèi)的流動(dòng)或熱量傳遞都存在一定的阻力，因而可以 歸于具有純滯后的一階大慣性環(huán)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，熱過(guò)程大多具有較大的滯后，他對(duì)熱核信號(hào)的響應(yīng)都回推遲一些時(shí)間使輸出與輸入之間產(chǎn)生相移。對(duì)于這樣一些存在大的滯后特性的過(guò)渡過(guò)程控制，一般可采用以下幾種控制方案 [4]： a) 輸出開關(guān)量控制 對(duì)于慣性較大的過(guò)程可簡(jiǎn)單地采用輸出開關(guān)量控制的方法，這種方法通過(guò)比較給定值與被控參數(shù)的偏差來(lái)控制輸出的狀態(tài)：開通或關(guān)斷，因此控制過(guò)程十分簡(jiǎn)單也容易實(shí)現(xiàn)。但由于輸出控制量只有兩種狀態(tài)，使被控參數(shù)在兩個(gè)方向上變化的速率均為最大，因此容易引起反饋回路產(chǎn)生振蕩，對(duì)自動(dòng)控制會(huì)產(chǎn)生十分不利的 影響，甚至?xí)驗(yàn)檩敵鲩_關(guān)的頻繁動(dòng)作而不能滿足系統(tǒng)對(duì)控制精度的要求。因此，這種控制方案一般在大慣性系統(tǒng)對(duì)控制精度和動(dòng)態(tài)特性要求不高的情況下采用。 b) 比例控制 (P 控制 ) 比例控制的特點(diǎn)是控制器的輸出與偏差成比例，輸出量的大小與偏差之間有對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，抗干擾能力強(qiáng)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短 ,但過(guò)程終了存在余差。因此它適應(yīng)于控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大、允許被控量在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)。應(yīng)用時(shí)還應(yīng)注意經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后需要將累計(jì)誤差消除。 c) 比例積分控制（ PI控制） 由于比例積分控制的特點(diǎn)是控制器的輸出與 偏差的積分比例，積分的作用使過(guò)渡過(guò)程結(jié)束時(shí)無(wú)余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。雖然加大比例度可使穩(wěn)定性提高，但又使過(guò)渡過(guò)程時(shí)間家常。因此，適用于之后較小，負(fù)荷變化不大，被控量不允許有余差的控制系統(tǒng)，它是工程上使用最多、應(yīng)用最廣泛的一種控制方法。 d) 比例積分加微分控制（ PID 控制） 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 26 頁(yè) 比例積分加微分控制的特點(diǎn)是微分的作用使控制器的輸出與偏差變化的速度成比例，它對(duì)克服對(duì)象的容量之后有顯著的效果。在比例基礎(chǔ)上加入微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消除余差。因此， PID 控制適用于負(fù)荷變化大、容量滯后較大、控制 品質(zhì)要求有很高的控制系統(tǒng)。 綜合本設(shè)計(jì)任務(wù)與要求，我選用最常用的比例積分控制（ PI控制），由于是集于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程，采用這種方法不會(huì)增加系統(tǒng)硬件成本。而且采用PI控制在滿足電路要求的基礎(chǔ)上，在軟件編寫方面也比 PID 控制簡(jiǎn)單很多。 硬件的整合與軟件設(shè)計(jì) 硬件的整合 [11] 水溫控制電路的原理圖 見附 錄 二 根據(jù)原理圖，實(shí)際水溫顯示的字型碼是由 P0 口送出，十位、個(gè)位和小數(shù)位分別由 、 、 選通；設(shè)定溫度顯示的字型碼是由 P2 口送出，十位、個(gè)位和小數(shù)位分別由 、 、 選通。按鍵接在 、 、 ，分別控制設(shè)定溫度的十位、個(gè)位和小數(shù)位 。溫度傳感器輸入到 口，單片機(jī)的輸出控制信號(hào)由 輸出。 軟件的設(shè)計(jì) [12]如圖 327 所示 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 27 頁(yè) 圖 327 水溫控制電路的主流程圖 流程圖 [2]如圖 328所示 圖 328 按鍵處理子程序 [2]如圖 329 圖 329 預(yù)置溫度非法 報(bào)警程序流程圖 PWM波，加在電爐上的平均電壓與脈寬成正比 [ 13]。 PWM 流程圖（定時(shí)中斷 1子程序 1ms 定時(shí)）如圖 330。 顯示 40℃ Y 調(diào)顯示子程序 顯示 90℃ 報(bào)警 Y 按鍵預(yù)置溫度〉 40℃ ？ N 按鍵預(yù)置溫度 〈 90℃ ？ N 報(bào)警 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 28 頁(yè) 圖 330 PWM 流程圖 [1 15] 溫度控制系統(tǒng)可采用比例積分調(diào)節(jié)器來(lái)校正，按一定采樣周期采集 r(k)和F(k),其偏差值為 e（ k） = r（ k） F（ k） （ ） 根據(jù)偏差值來(lái)計(jì)算輸出 u(k)，其對(duì)應(yīng)差分方程為： u(k)= u(k1)+ a0e(k) a1e(k1) （ ） 其中： a0=Kp(1+T/T1) （ ） a1= Kp （ ） e（ k） = r（ k） F（ k） （ ） u(k)為輸出 比例積分調(diào)節(jié)流程圖如圖 331 所示 否 是 P1=0？ 100？ P← 初值 UK 置 高（上升沿） T送初值 100 返回 置 低（下降 沿） P← 初值 UK 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 29 頁(yè) 圖 331 比例積分調(diào)節(jié)流程圖 取溫度 F（ k） 取給定 溫 度 r（ k） e（ k） = r（ k）－ F（ k）， 存放在 EK單元 計(jì)算 a0e(k)結(jié)果存在 A0Ek單元 Ek1← Ek 返回 Uk1← Uk 從 EK1取出 e(k1) 計(jì)算 a1e(k1)結(jié)果存在 A1Ek單元 計(jì)算 uk1+ a0e(k) a1e(k1)結(jié)果存在 Uk 將 Uk送入 PWM單元 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 30 頁(yè) 第四章 電路安裝和調(diào)試 安 裝和調(diào)試工具 一 .安裝工具 二 .調(diào)試工具 型萬(wàn)用表 設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題 在設(shè)計(jì)按鍵電路的時(shí)候我最初的想法是用矩陣鍵盤，我用到了 AT89C51 芯片的 、 。經(jīng)過(guò)多次修改程序發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)口都沒(méi)有反應(yīng)， 后來(lái)經(jīng)過(guò)查資料發(fā)現(xiàn)，如果將 0寫入 、 ，則 CPU 不能對(duì)外部 RAM/IO 進(jìn)行讀 /寫。 由于 I/O 口資源較少所以后來(lái)改用獨(dú)立式 鍵盤電路，并且沒(méi)有使用 、 口。 在軟件程序中加上測(cè)溫子程序時(shí)，原來(lái)很穩(wěn)定的顯示變得很閃爍，多次修改掃描時(shí)間，不能達(dá)到好的效果 。經(jīng)過(guò)仔細(xì)的分析發(fā)現(xiàn)這與測(cè)溫子程序有關(guān)，檢測(cè)溫度的頻率和延時(shí)會(huì)影響整個(gè)電路的穩(wěn)定性，這與機(jī)器周期有關(guān)系，一開始我用的是 6MHZ 的晶振（機(jī)器周期為 2um），后來(lái)?yè)Q了一個(gè) 12MHZ 的晶振（機(jī)器周期為 1um），顯示穩(wěn)定了許多，然后修改了一下顯示延時(shí)程序，顯示穩(wěn)定。 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 31 頁(yè) 第五章 本課程設(shè)計(jì)的拓展 通常，以微處理器，單片機(jī)為核心的智能儀器工作現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境比較惡劣，存在 著諸如電網(wǎng)波形畸變及各種電磁干擾，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使智能儀器正常工作的程序遭到破壞，發(fā)生人們習(xí)慣稱為的“程序跑飛”。這是智能儀器便失去控制，需迅速采取有效措施恢復(fù)程序的正常運(yùn)行。 看門狗電路的設(shè)計(jì) [16] 采用屏蔽、隔離、去耦、濾波等措施，雖然可以提高智能儀器的抗干擾能力，但這不僅需要增加儀器的成本、增大儀器的體積和復(fù)雜性，而且不可能從根本上杜絕智能儀器發(fā)生程序跑飛問(wèn)題。 所以需要提出一個(gè)充分利用 CPU 的智能，采用以軟件為主、軟硬件結(jié)合檢測(cè)程序跑飛的方法，使智能儀器在受嚴(yán)重干擾、發(fā)生程序跑飛時(shí)能實(shí)現(xiàn)自診 斷和自恢復(fù)運(yùn)行。下面介紹看門狗電路的具體分析和電路 看門狗電路的原理與設(shè)計(jì) 智能儀器一旦接通電源便首先進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位結(jié)束后，儀器的 CPU 便從程序計(jì)數(shù)器的復(fù)位值開始執(zhí)行初始化程序。初始化程序結(jié)束后，系統(tǒng)便進(jìn)入主程序模塊。主程序結(jié)構(gòu)是儀器而定。本設(shè)計(jì)就是不斷從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、外設(shè)輸入信息，按程序規(guī)定的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；得出結(jié)果后，一方面輸出顯示；另一方面向控制執(zhí)行的 I/O口輸出一定的控制信息。為及時(shí)監(jiān)視某些外設(shè)的變化和定時(shí)地做一些諸如掃描鍵盤顯示器，有規(guī)律地控制執(zhí)行器等，往往需要設(shè)立一些中斷。CPU在接到中斷申請(qǐng)后，若中斷開發(fā)，便中斷主程序執(zhí)行，八主程序中斷，中斷結(jié)束后再返回到主程序執(zhí)行，如此不斷循環(huán)。 一．程序跑飛的表現(xiàn) 當(dāng)儀器遇到某種強(qiáng)的干擾時(shí)，可能會(huì)影響和破壞程序的正常運(yùn)行。通常表現(xiàn)為： 1. CPU 突然離開監(jiān)控程序規(guī)定的正常順序雜亂無(wú)章地執(zhí)行一些莫名其妙的指令，顯示和輸出出錯(cuò)，儀器與系統(tǒng)完全按失控。這種情況是因干擾使 CPU 執(zhí)行程序的指揮棒 —— 程序計(jì)數(shù)器（ PC）值突然出錯(cuò)所至。實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)證明，相對(duì) RAM和其它寄存器而言，程序計(jì)數(shù)器最容易受干擾的影響。 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 32 頁(yè) 2. RAM 區(qū)和寄存器某些參數(shù)和標(biāo)志全部或局部被破壞。造 成這種情況最主要的可能是 PC 值破壞后，跑飛程序訪問(wèn)了 RAM 區(qū)和使用了有關(guān)寄存器，也可能因干擾非常嚴(yán)重直接破壞了寄存器和 RAM 區(qū)中的數(shù)據(jù)，通常后一種可能性較少發(fā)生。而一旦出現(xiàn)直接破壞 RAM 數(shù)據(jù)的強(qiáng)干擾。 PC 值通常已先遭破壞。 3. 全部或某些中斷不響應(yīng)。這種現(xiàn)象通常是 CPU 在執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)，智能儀器受干擾后使 PC 值發(fā)生突變，越過(guò)了開放中斷指令和中斷返回指令所致。 另外，象鍵盤無(wú)法輸入，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是偶那個(gè)等一般也是儀器干擾后 PC 值出錯(cuò)、程序跑飛所造成的。 為了防止智能儀器受到某種強(qiáng)干擾時(shí)出現(xiàn)“程序跑飛”的情況， 我們可以設(shè)計(jì)響應(yīng)的看門狗電路，即采用軟、硬件結(jié)合檢測(cè)程序跑飛的方法，使智能儀器在受嚴(yán)重干擾、發(fā)生程序跑飛時(shí)能實(shí)現(xiàn)自診斷和自恢復(fù)運(yùn)行。 二．看門狗電路的具體設(shè)計(jì) 由于以主動(dòng)方式從電源、信號(hào)傳輸通道、 I/O 口能產(chǎn)生電磁耦合的任何空間方向檢測(cè)各種干擾將是極端復(fù)雜和困難的；即使能測(cè)出來(lái)也難以計(jì)算它們對(duì)智能一般與系統(tǒng)的實(shí)際影響。因此，我們可以采用被動(dòng)方式即檢測(cè)智能儀器與系統(tǒng)干擾的情況。其原理是，若程序一直正常運(yùn)行， RAM 單元未遭破壞，即使儀器受到很大的干擾，也照樣不聞不問(wèn)；但當(dāng)干擾一旦破壞了程序的正常運(yùn)行，通過(guò)軟硬件 相結(jié)合的辦法就能立即發(fā)現(xiàn)程序已經(jīng)跑飛。進(jìn)而由 CPU 作一系列故障檢測(cè)和分析判斷，然后自動(dòng)在合適的地址上迅速恢復(fù)程序的正常運(yùn)行。 根據(jù)上面的思路，我們采用一片雙可再觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多謝震蕩器 74LS12一片四 2輸入或門 743一片四 2輸入或非門 7402 及機(jī)制電阻電容來(lái)組成這個(gè)電路。該電路如圖 51 所示。 74123 的真值表如表 51所示。該電路的原理圖如下： 圖 51 看門狗電路 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 33 頁(yè) U4： B 的清零端 CLR 和正觸發(fā)端 B 接高電平，因此整個(gè)電路的輸出完全取決于負(fù)觸發(fā)端 A 輸入狀態(tài)和 Cx、 Rx的數(shù)值。在 CPU上電復(fù)位器件 P1 口所有輸出腳都被上拉電阻成高電平。上電后，由于電容 C12 兩端的電壓不能突變，所以 7432 的 1 腳輸入端的電壓迅速升至 VCC然后緩慢降低。通過(guò)或門后使得 CPU復(fù)位。隨著系統(tǒng)穩(wěn)定后， U4:A 的反相端 Q 輸出固定的高電平，使得 7402 輸出固定的低電平，而 C12 充電結(jié)束后，電平變?yōu)榈碗娖?，?RESET 端恢復(fù)到低電平，系統(tǒng)正常工作。復(fù)位時(shí)程序計(jì)數(shù)器置 0000H。復(fù)位結(jié)束后， CPU便從 0000H地址處開始執(zhí)行初始化程序。我們?cè)诔跏蓟绦虻拈_始就讓 AT89C51 單片機(jī)的T1 為允許中斷定時(shí)方式。選一個(gè)小于 U4:B 暫穩(wěn)態(tài)周 期的時(shí)間常數(shù)。以后在干擾沒(méi)有破壞智能儀器程序正常運(yùn)行時(shí)，使 定時(shí)地輸出一個(gè)正脈沖。在正脈沖下降沿 U4:B 被 A 端再次觸發(fā)，使其暫穩(wěn)