計算機控制設計課程設計報告電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計

1、計算機控制設計課程設計報告鹽城工學院電氣學院班級b電氣084姓名學號課程設計題目：電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計本課程設計要求設計電阻爐溫度控制系統(tǒng)，一種基于 at89c51單片機的電阻爐溫度控制系統(tǒng),闡述了系統(tǒng)的工作原理、硬件電路以及軟件設計。設計了一種基單片機的溫度控制系統(tǒng),該系統(tǒng)以單片機at89c51為控制核心,并采用了數(shù)字pid控制算法結合pwm脈寬調(diào)制技術對電阻爐溫度進行控制,具有精度高、穩(wěn)定性好的特點。詳細論述了數(shù)字 pid 控制器的原理及其在溫度控系統(tǒng)中的應用,將增量式 pid 和 pwm 脈寬調(diào)制技術相結合，開發(fā)了一套溫度監(jiān)控軟件。 技術參數(shù)和設計任務：1、利用單片機89c51實現(xiàn)對傳

2、感器的控制，以實現(xiàn)對溫度的控制；2、顯示電路采用led數(shù)碼管，通過顯示溫度對電阻爐溫度進行實時監(jiān)控3、本設計中由于設定溫度只需溫度+、溫度-和確認鍵3個鍵,故采用獨立式按鍵。4、當系統(tǒng)溫度高于或低于設定溫度時,p1.7口送出的低電平經(jīng)反向器驅動蜂鳴器鳴叫報警。目錄目錄21本課程設計系統(tǒng)概述31.1 系統(tǒng)原理31.2 系統(tǒng)結構圖41.3 文字說明控制方案42、硬件設計42.0單片機的i/o口擴展器件5p0口：a/d轉換器icl7109轉換后的數(shù)據(jù)的輸入接口5p3：p3.0（rxd）和p3.1（txd）用于i/o口的擴展52.1a/d轉換器72.2單片機最小系統(tǒng)82.3溫度采集電路112.4控制部

3、分112.4人機接口122.5輸出執(zhí)行電路122.6輸入電源保護電路122.7磁兼容性設計132.8電路板抗干擾措施152.9電路板熱設計152.10降低噪聲和電磁干擾的方法163、軟件設計173.1 pid算法183.2主程序193.3溫度系統(tǒng)控制過程233.4系統(tǒng)控制過程243.5程序流程圖24四、小結25五、參考文獻26附錄：271本課程設計系統(tǒng)概述1.1 系統(tǒng)原理系統(tǒng)硬件部分主要由單片機主控模塊、 輸入通道（前向通道）、輸出通道（后向通道）、人機接口模塊等組成。 溫度控制系統(tǒng)以 at89c51 單片機為核心， 外擴鍵盤輸入、led等外圍電路實現(xiàn)的。(l)系統(tǒng)性能要求:(a)可以人為方便

4、地通過控制面板或pc機設定控制期望的溫度值，系統(tǒng)應能自動將溫控箱加熱至此設定溫度值并能保持，直至重新設定為另一溫度值，即能實現(xiàn)溫度的自動控制;(b)能夠實現(xiàn)對溫控箱溫度的測量并且通過控制面板上的液晶顯示實時的顯示出來;(c)具有加熱保護功能的安全性要求。如果實際測得的溫控箱溫度值超過了系統(tǒng)規(guī)定的安全溫度，保護電路就會做出反應，從而對溫控箱實現(xiàn)超溫保護;(d)模塊化設計，安裝拆卸簡單，維修方便;(e)系統(tǒng)可靠性高，不易出故障;(f)盡量采用典型、通用的器件，一旦損壞，易于在市場上買到同樣零部件進行替換。(2)系統(tǒng)特點:鑒于上述系統(tǒng)功能要求以及智能儀表應具有的體積小、成本低、功能強、抗干擾并盡可能

5、達到更高精度的要求。本系統(tǒng)在硬件設計方面具有如下特點:(a)at89c51作為核心芯片。作為與mcs一51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。根據(jù)溫控箱(b)本設計采用pt100鉑電阻作為溫度傳感器，而pt100鉑電阻在大溫度范圍內(nèi)測溫時表現(xiàn)出的不可忽視的非線性不容忽視，因此在溫度測量的過程中必須對鉑電阻溫度傳感器的非線性進行優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)溫度測量的精確度。本設計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。為了簡化系統(tǒng)硬件，控制量采用雙向可控硅輸出，這樣就省去了d/a轉換環(huán)節(jié)。(c)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、易于替

6、換的芯片和電路，為系統(tǒng)的開放性、標準化和模塊化打下良好基礎。系統(tǒng)擴展和配置在滿足功能要求的基礎上留有適當裕量，以利于擴充和修改。1.2 系統(tǒng)結構圖單片機溫度控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)框圖1.3 文字說明控制方案用戶通過鍵盤輸入系統(tǒng)設定溫度的上限值與下限值,溫度信息由集溫度測量和a/d轉換于一體的dsl8b20溫度傳感器測量并轉換成數(shù)字信號輸入主機(單片機at89c51),此信號經(jīng)過標度轉換后,一方面通過led將溫度顯示出來;當測得的溫度越限時,蜂鳴器和發(fā)光二極管同時報警,另一方面,將該溫度值與設定的溫度值進行比較,如果溫度過高則控制ssr固態(tài)繼電器啟動降溫設備,如果溫度過低則控制s

7、sr固態(tài)繼電器啟動加溫設備,如果溫度在正常范圍之內(nèi)則繼續(xù)進行溫度檢測。這樣就可以控制輸出設備,實時調(diào)節(jié)溫度的變化,使其逐漸趨于給定值且達到控制的目的。2、硬件設計系統(tǒng)的硬件結構主要由溫度檢測電路、鍵盤與顯示電路、報警電路、輸出控制電路等部分組成。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。它的最大優(yōu)點是系統(tǒng)響應速度快，能實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時控制。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)的響應特性。在本設計中，由于溫度的變化是一個相對緩慢的過程，對溫控系統(tǒng)的實時性要求不是很高，所以模擬電路的優(yōu)勢得不到體現(xiàn)。另

8、外，模擬電路依靠元器件之間的電氣關系來實現(xiàn)控制算法，很難實現(xiàn)復雜的控制算法系統(tǒng)硬件部分主要由單片機主控模塊、 輸入通道（前向通道）、輸出通道（后向通道）、人機接口模塊等組成。 其硬件總體結構框圖如圖 1 所示。 溫度控制系統(tǒng)以 at89c51單片機為核心， 外擴鍵盤輸入、led 等外圍電路實現(xiàn)的。圖2硬件系統(tǒng)總體結構框圖2.0單片機的i/o口擴展器件 由于單片機本身只有4個8位并行輸入輸出i/o接口，1個串行i/o接口，非常有限，所以當i/o口不能滿足設計需求時則需要我們進行i/o口的擴展。其擴展方法為根據(jù)需要在串行口上外接1個或多個移位寄存器。由電路原理圖我們可以看到此次我們單片機89s51

9、的i/o口分配如下：p0口：a/d轉換器icl7109轉換后的數(shù)據(jù)的輸入接口p1口：其中p1.0接+5v的直流蜂鳴器當p1.0=0時蜂鳴器蜂鳴p1.1接發(fā)光二極管led,當p1.1=1時發(fā)光二極管發(fā)光，其和蜂鳴器結合就是我們所要實現(xiàn)的聲光報警。p1.2接排風扇的繼電器部分p1.3p1.6作為數(shù)碼管顯示部分的位選p1.7作為7109的片選p2口我們僅用了p2.6和p2.7作為7109的數(shù)據(jù)選通端p3：p3.0（rxd）和p3.1（txd）用于i/o口的擴展所以很顯然我們要對單片機進行擴展i/o口，下圖所示為用串行口擴展i/o口的電路： rxd txd 單片機dsadsb 74ls164cpq0

10、q7圖2-2 i/o口擴展電路其中芯片74ls164為帶清零端的串行輸入/并行輸出移位寄存器（8位），其管腳圖和功能表如下圖2-3 74ls164的管腳圖表2-2 74ls164功能表 輸 入 輸 出clk a b l l l l h l qa0 qb0 qh0 h h h h qan qgn h l l qan qgn h l l qan qgnh=高電平 l=低電平 =任意 =電平上升在使用時將a,b并接作為數(shù)據(jù)的串行輸人端,clk作為時鐘端。串行輸入時，先將數(shù)據(jù)在a,b端準備好，在clk端產(chǎn)一上升沿，則一位數(shù)據(jù)移至最低位qa;再將下一位數(shù)據(jù)準備好后，在clk端產(chǎn)生下一上升沿，則下一位數(shù)據(jù)

11、移至次低位qb,其余位順次從低位到高位移動，這種時序符合串行器件特性，即把164當成一典型串行外設，可以用普通i/o口模擬其時序將數(shù)據(jù)移入。2.1a/d轉換器 a/d轉換部分電路是由a/d轉換器icl7109構成的，其主要作用是將氣體傳感器mq-4所得到的模擬電壓信號轉換成數(shù)字量（該模擬電壓信號與瓦斯氣體的體積分數(shù)相對應），便于輸入到單片機中進行數(shù)據(jù)處理。圖2-4a/d轉換電路前面我們已經(jīng)分析過氣體傳感器mq-4完全符合此次設計的要求，所以在這里mq-4的作用就是將氣體瓦斯的濃度轉換成與之相對應的模擬電壓信號。我們需要將該模擬信號轉換成數(shù)字量，只有這樣才能經(jīng)過單片機進行處理。在這里我們經(jīng)過a/

12、d轉換器icl7109將其進行轉換。icl7109為12位的模數(shù)轉換器，數(shù)據(jù)可分為低8位和高4位分時傳送給單片機，由我們的電路圖我們可以看出工作方式選擇端mode我們直接接地了，也就是說現(xiàn)在轉換器的工作方式為直接輸出方式，在該工作方式下我們可以在片選和字節(jié)使能的控制下直接讀取數(shù)據(jù)。而且工作狀態(tài)輸出端status與單片機的int1直接相連，這樣完成一次轉換便能向單片機發(fā)出一個中斷信號，表明數(shù)據(jù)轉換已完成，單片機此時可以接收數(shù)據(jù)。具體的數(shù)據(jù)傳輸過程是由7109的片選及低8位數(shù)據(jù)輸出選通端（低電平有效）和高4位數(shù)據(jù)輸出選通端（也是低電平有效）配合來完成，同時也兼作極性位、溢出位選通端（主要用于判斷傳

13、輸數(shù)據(jù)的正誤），我們將，分別接至單片機的p2.6和p2.7，同時將7109的片選端接至p1.7容易得知當p1.7為低（也就是說此時7109被選中可以進行數(shù)據(jù)的傳輸）且p2.6為低時低8位數(shù)據(jù)進行傳輸，而當p2.7為低時高4位數(shù)據(jù)進行傳輸。2.2單片機最小系統(tǒng)圖2.5 89c51單片機單片機系統(tǒng)上電后，首先要對系統(tǒng)進行初始化，初始化程序包括內(nèi)存空間的分配、初始變量的設置、設定堆棧指針等。正常初始化后開放定時器中斷，外部中斷和串行口中斷，然后啟動定時器定時。每隔一段時間對瓦斯的濃度采集一次，將采集到的模擬量濃度數(shù)據(jù)存到寄存器中，當系統(tǒng)在取數(shù)據(jù)進行顯示的過程中要產(chǎn)生中斷，調(diào)用中斷處理子程序，在中斷處

14、理子程序中進行數(shù)據(jù)轉換及顯示濃度。主程序編好后編制各從屬的程序和子程序，最后完成整個系統(tǒng)的軟件設計。系統(tǒng)軟件設計中要實現(xiàn)的功能有：用戶機的單片機系統(tǒng)要完成定時地對瓦斯?jié)舛鹊倪M行檢測，將瓦斯?jié)舛戎档倪M行a/d轉換，動態(tài)地顯示采集到的瓦斯?jié)舛戎?，聲光報警。單片機最小控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)能夠順利工作的核心環(huán)節(jié)，是真?zhèn)€系統(tǒng)的關鍵所在。隨著電子市場迅速發(fā)展，單片機種類繁多，在這里我選用了atmel公司的89c51單片機， at89c51是一種帶4k字節(jié)flash存儲器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低電壓、高性能cmos 8

15、位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器。1、 at89c51單片機的主要特性與mcs-51 兼容 4k字節(jié)可編程flash存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間：10年 全靜態(tài)工作：0hz-24mhz 三級程序存儲器鎖定 1288位內(nèi)部ram 32可編程i/o線 兩個16位定時器/計數(shù)器 5個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路

16、2、 引腳說明at89c51器件管腳圖如圖八所示；個引腳說明如下：vcc：供電電壓。gnd：接地。 p0口：p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當p0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口，當fiash進行校驗時，p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。p1口：p1口是一個內(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。p1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在f

17、lash編程和校驗時，p1口作為第八位地址接收。p2口：p2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電流，當p2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。p3口：p3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收

18、輸出4個ttl門電流。當p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。 p3口也可作為at89c51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 p3.0 rxd（串行輸入口） p3.1 txd（串行輸出口） p3.2 /int0（外部中斷0） p3.3 /int1（外部中斷1） p3.4 t0（記時器0外部輸入） p3.5 t1（記時器1外部輸入） p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） p3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 rst：復位輸入。當

19、振蕩器復位器件時，要保持rst腳兩個機器周期的高電平時間。ale/prog：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時， ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無效。/psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外

20、部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/psen有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。/ea/vpp：當/ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/ea將內(nèi)部鎖定為reset；當/ea端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。 xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 xtal2：來自反向振蕩器的輸出。圖2.6單片機最小系統(tǒng)2.3溫度采集電路本設計選用的是數(shù)字式的溫度傳感器ds18b20，它具有獨特的單總線接口方式,

21、將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線復用為一根信號線,輸入輸出均為數(shù)字信號。這使得其與單片機接口變得十分簡單,克服了模擬式傳感器與微機接口時需要的ad轉換器及其它復雜外圍電路的缺點,由它組成的溫度測控系統(tǒng)非常方便,而且成本低、體積小、可靠性高。ds18b2o供電電壓范圍為 3.05.5v。測溫范圍：-55125,測量分辨率為 0.0625，在-1085c 范圍內(nèi),精度為0.5c。采用單根信號線，既可以傳輸時鐘信號，又能傳輸數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)的傳輸是雙向的；在溫度采集的通道上省去了模數(shù)轉換電路，可以直接讓單片機與溫度傳感器的數(shù)據(jù)引腳相連，通過指令控制傳感器測量溫度。2.4控制部分at89c51是整個系統(tǒng)的 cp

22、u, 測量的溫度由ds18b20 數(shù)字溫度傳感器檢測并直接轉換成數(shù)字信號，單片機將該溫度值與被控制值(設定溫度值)進行比較，計算出溫度偏差,根據(jù)其偏差值的大小，然后采用 pid 控制算法并計算出相應的控制輸出量,最后通過 d/a 轉換電路（這里采用 pwm 調(diào)功方式，相當于 d/a 轉換器）控制固態(tài)繼電器在控制周期內(nèi)的通斷占空比 （即控制電阻爐平均功率的大?。瑢⒖刂戚敵隽枯敵?，控制加熱器工作,進而達到對溫度進行控制的目的。 at89c51 還負責按鍵處理、液晶顯示以及與上位機進行通信等工作。2.4人機接口為了能夠更好的控制溫度，實時顯示過程溫度，我們在電路中設計了友好的人機接口界面，溫度設定

23、和 pid 控制參數(shù)的調(diào)節(jié)可以通過鍵盤輸入，過程溫度可以通過 led 顯示屏顯示。人機對話部分包括顯示、鍵盤和報警三部分。(1)顯示部分的設計。在本設計中p0口和p2口的部分位,作為動態(tài)顯示器的顯示輸出口。段碼由p0口并行輸出到4位led顯示器,位碼由p2.0、p2.1 p2.2 p2.3輪流輸出。(2)鍵盤的設計。本設計中由于設定溫度只需溫度+、溫度-和確認鍵3個鍵,故采用獨立式按鍵。在開機后輸入設定溫度值即可。(3)報警功能的實現(xiàn)。當系統(tǒng)溫度高于或低于設定溫度時,p1.7口送出的低電平經(jīng)反向器驅動蜂鳴器鳴叫報警。2.5輸出執(zhí)行電路at89c51對溫度的控制是通過控制固體繼電器(ssr)在低

24、溫時啟動加熱設備,在高溫時啟動降溫設備來調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度,使之維持在正常范圍。主程序主要完成對子程序的初始化,在判斷初始化程序成功之后執(zhí)行測溫程序模塊,并對溫度進行顯示,同時完成與設定溫度的比較,形成可以控制降溫設備降溫、加熱設備升溫與停止工作三種工作狀態(tài),在超過警戒溫度時還要發(fā)出聲光報警2.6輸入電源保護電路由于在溫度控制器設計時采用 at89c51為核心控制器件，其中包括5v、15v 兩個電源，而且正常工作時對電源的穩(wěn)定性要求也較高。當此供電電壓低于 4.7v 時，單片機便不能正常工作且始終處于復位狀態(tài)，從而導致整個系統(tǒng)都不能正常工作；如果供電電壓過高或者輸入電壓極性接反時，可能會直接燒壞at

25、89c51,甚至其它的外圍電路，致使整個系統(tǒng)毀壞，后果不堪設想。為了解決欠電壓問題，這里采用高精度軍品級電源模塊向溫度控制器供電，以保證其能夠正常工作。對于過電壓和電壓極性反接問題，我們采取保護整個溫度控制器系統(tǒng)，防止誤操作時損壞溫控器。 此電路的工作原理為：d1 為二極管，串接在電源輸入的正端，當電源極性連接正確時，d1 導通系統(tǒng)正常工作；而當電源極性接反時，二極管 d1 由于承受反向電壓而截止，從而切斷了電源，對溫度控制器起到了保護作用，解決了電源極性接反問題。d2 為 5.6v 穩(wěn)壓二極管，當電源電壓低于 5.6v 時，穩(wěn)壓二極管d2 不工作，系統(tǒng)工作正常；當電源電壓高于5.6v 時，d

26、2 反向擊穿將輸入電壓鉗制到 5.6v，以保證系統(tǒng)正常工作，從而提高了整個系統(tǒng)工作的可靠性。2.7磁兼容性設計一個良好的系統(tǒng)應該符合國際電磁兼容（emc）標準，即系統(tǒng)應該具有一定的抗電磁干擾能力，使其能夠在特定的電磁環(huán)境中正常工作，同時又能減少系統(tǒng)身對周圍其它系統(tǒng)的電磁干擾。為了滿足電磁兼容性的要求，在設計系統(tǒng)時，應該盡量遵循以下幾點設計規(guī)則1采用正確的布線策略采用平行走線可以減少導線電感，但導線之間的互感和分布電容增加，如果布局允許，最好采用井字形網(wǎng)狀布線結構，具體做法是印制板的一面橫向布線，另一面縱向布線，然后在交叉孔處用金屬過孔相連。 為了抑制印制板導線之間的串擾，在設計布線時應盡量避免

27、長距離的平行走線，盡可能拉開線與線之間的距離，信號線與地線及電源線盡可能不交叉。在一些對干擾十分敏感的信號線之間設置一根接地的印制線，可以有效地抑制串擾。2選擇合理的導線寬度由于瞬變電流在印制線條上所產(chǎn)生的沖擊干擾主要是由印制導線的電感成分造成因此應盡量減小印制導線的電感量。印制導線的電感量與其長度成正比，與其寬度成反比，因而短而寬的導線對抑制干擾是有利的。時鐘引線、行驅動器或總線驅動器的信號線常常載有較大的瞬變電流，印制導線要盡可能地短。對于分立元件電路，印制導線寬度在 1.5mm 左右時，即可完全滿足要求；對于集成電路，印制導線寬度可在 0.21.0mm 之間選擇。3抑制反射干擾為了抑制出

28、現(xiàn)在印制電路板線條終端的反射干擾，除了特殊需要之外，應盡可能縮短印制線的長度和采用慢速電路。在必要時可以加終端匹配，即在傳輸線的末端對地和電源端各加接一個相同阻值的匹配電阻。根據(jù)經(jīng)驗，對一般速度較快的 ttl 電路，其印制線條長于 10cm 以上時就應采用終端匹配措施。匹配電阻的阻值應根據(jù)集成電路的輸出驅動電流及吸收電流的最大值來決定。1地線設計印制板中的接地線應盡量加粗。因為當印制線走線長度相同時，如果接地線所用的印制線條越細其響接地電位隨電流的變化增大，使印制電路板的抗噪聲性能變壞。因此，在設計印制電路板時，應將接地線條加粗，使它能通過二倍于印制電路板上的允許電流。接地線構成閉環(huán)路。其原因

29、是：一塊印制電路板上有很多集成電路元器件，尤其是遇到功耗大的元器件時，因受接地線粗細的限制，在接地線上產(chǎn)生較大的電位差，從而引起電路板抗噪聲能力下降；若將接地線形成閉環(huán)路，則地線上的電位差變小，提高抗噪聲能力。2電源線布置電源布線時，除了要根據(jù)電流的大小，盡量地加粗導線寬度，尤其是電路板主接地線極力加粗外，采取使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛞恢?，有助于增強抗噪聲能力。當電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路時，應將它們盡量分開，且二者的接地線不要相混，分別與電源端地線相連，同時要盡量加大線性電路的接地面積。3去耦電容配置在直流電源回路中，負載的變化會引起電源噪聲。例如在數(shù)字電路中，當電路

30、從一個狀態(tài)轉換為另一種狀態(tài)時，就會在電源線上產(chǎn)生一個很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。配置去耦電容可以抑制因負載變化而產(chǎn)生的噪聲，是印制電路板的可靠性設計的一種常規(guī)做法，配置原則如下：(1) 電源輸入端跨接一個 10100uf 的電解電容器，如果印制電路板的位置允許，采用 100uf 以上的電解電容器的抗干擾效果會更好；(2)對于噪聲能力弱、關斷時電流變化大的器件和 rom、ram 等存儲器件，應在芯片的電源線和地線間直接接入去耦電容即可；(3) 原則上每個集成電路芯片配置 0.01uf 的陶瓷電容。如遇到印制電路板空間小而裝不下時，可每 410 個芯片配置一個 110uf 鉭電容器，這種器

31、件的高頻阻抗特別小，在 500khz20mhz 范圍內(nèi)阻抗小于 1 ，而且漏電流很?。ㄒ话阍?0.5ua 以下）；(4) 在焊接元器件時，應該使電容引線盡量短，特別是高頻旁路電容不能帶引線除了電路板和電路方面的抗干擾問題，還需要考慮印制電路板尺寸與器件的布置。印制電路板的大小要適中，過大時，印制線條長，阻抗增加，不僅抗噪聲能力下降，成本也高；過小的話，則散熱性又不好，同時易受鄰近線條干擾。在元器件的配置方面，與其它的邏輯電路一樣，應該把相互有關的元器件盡量放得靠近一些，這樣做能夠獲得較好的抗噪聲效果。例如時鐘發(fā)生器、晶振和微處理器的時鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲，應相互靠近一些。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電

32、流電路、大電流電路等應盡量遠離計算機邏輯電路，如有可能，應另做電路板。另外，還要考慮電路板在整個系統(tǒng)中的放置位置，將發(fā)熱大的元器件放置在上方。2.8電路板抗干擾措施印制電路板是微處理系統(tǒng)中電子元器件、信號線、電源線的高密度集合體，印制電路板的設計質(zhì)量對抗干擾性能影響很大，所以印制電路板的設計決不單是器件、線路的簡單布局安排，還必須符合抗干擾的原則。2.9電路板熱設計由于電路在工作時會發(fā)熱，如果設計不合理，當發(fā)熱量過大時，會引起電路中某些溫度漂移大的器件輸出產(chǎn)生很大的誤差，從而影響整個系統(tǒng)的正常工作和精度。因此，下面我們討論電路板的熱設計，以提高電路工作的穩(wěn)定性和可靠性。從散熱的角度出發(fā)，印制電

33、路板最好是直立安裝，板與板之間的距離一般應不小于 2 厘米，而且在電路板上布局元器件時應注意以下規(guī)則： 1同一塊印制板上的器件應盡可能按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區(qū)排列，發(fā)熱量小或耐熱性差的器件（如小信號晶體管、小規(guī)模集成電路、電解電容等）放在冷卻氣流的最上流（入口處），發(fā)熱量大或耐熱性好的器件（如功率晶體管、大規(guī)模集成電路等）放在冷卻氣流最下游。 2對溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的區(qū)域（如設備的底部），千萬不要將它放在發(fā)熱器件的正上方，多個器件最好是在水平面上交錯布局。 3對于采用自由對流空氣冷卻的設備，最好是將集成電路（或其它器件）按縱長方式排列；對于采用強制空氣冷卻的設備，最好是將

34、集成電路（或其它器件）按橫長方式排列； 4設備內(nèi)印制板的散熱主要依靠空氣流動，所以在設計時要研究空氣流動路徑，合理配置器件或印制電路板。空氣流動時總是趨向于阻力小的地方流動，所以在印制電路板上配置器件時，要避免在某個區(qū)域留有較大的空域。整機中多塊印制電路板的配置也應注意同樣的問題。5在水平方向上，大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置，以便縮短傳熱路徑；在垂直方向上，大功率器件盡量靠近印制板上方布置，以便減少這些器件工作時對其它器件溫度的影響。2.10降低噪聲和電磁干擾的方法在以微處理為核心設計電子產(chǎn)品時，降低系統(tǒng)噪聲和提高系統(tǒng)抗干擾能力是我們必須認真考慮的問題。如果一個系統(tǒng)不具有一定的抑制噪聲和抗

35、干擾的能力，那么此系統(tǒng)必然受到外界的各種干擾而不能穩(wěn)定、可靠地工作，也無法達到設計時要求的性能指標。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在設計系統(tǒng)時應該盡量地遵循如下設計原則：(1) 盡量選用頻率低的微處理器。外部時鐘頻率低的微處理器可以有效地降低噪聲和提高系統(tǒng)抗干擾能力；(2) 時鐘發(fā)生器盡量靠近用該時鐘的元器件，石英晶體振蕩器外殼要接地；(3) 每個集成電路應配置一個去耦電容，在電解電容邊上要并聯(lián)一個小的高頻旁路電容；(4) i/o 驅動電路盡量靠近印制電路板邊，讓其盡快離開電路板。對于進入電路板的信號要進行濾波，同時用串終端電阻的方法減小信號反射；(5) 閑置不用的門電路的輸入端不要懸空，不用的運

36、算放大器同相輸入端接地而反向端接輸出端。綜上所述可知印制電路板的可靠性與實際電路、元器件的布局以及印制板的走線等因素密切相關。因此，在設計系統(tǒng)時應該根據(jù)實際情況合理設計印制電路板，以提高系統(tǒng)工作的可靠性。3、軟件設計軟件與硬件同樣重要，硬件是系統(tǒng)的軀體，軟件則是靈魂，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。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:(l)易理解性、易維護性要達到易理解和易維護等指標，在軟件的設計方法中，結構化設計是最好的一種設計方法，這種設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

37、要實現(xiàn)的功能，確定整體目標，然后把這個目標分成一個個的任務，任務中可以分成若干個子任務，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)及時響應外部事件的發(fā)生，并及時給出處理結果。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

38、擾出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)還能恢復正常工作。由于整個系統(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計。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(nèi)部數(shù)據(jù)關系緊湊，模塊之間數(shù)據(jù)關系松散的原則，按功能形成模塊化結構。系統(tǒng)中軟件需要完成的主要功能是: 數(shù)據(jù)采集、數(shù)值處理、pid控制算法及控制輸出、相應的數(shù)值顯示、 按鍵處理以及避免程序跑飛的程序監(jiān)視等。 程序設計遵循自頂向下、模塊化設計的原則,相應的程序流程圖如圖4所示。這個只是系統(tǒng)的主程序模塊, 主程序主要完成初始化、 溫度采集、數(shù)據(jù)處理和發(fā)送、pid子程序的調(diào)用,并將變換量按比例轉換為

39、pwm 波的時間來控制固態(tài)繼電器從而控制加熱時間。圖4系統(tǒng)主程序流程圖3.1 pid算法溫度pid控制原理是先求出實測溫度與設定溫度的偏差值,然后對偏差值進行比例積分與微分數(shù)值處理, 得到的控制輸出信號用來控制加熱,使溫度控制在設定的溫度范圍內(nèi)。溫控系統(tǒng)采用的數(shù)字 pid 算法， 具體算法采用的是增量式 pid 算法,增量 pid 算法的優(yōu)點是編程簡單,數(shù)據(jù)可以遞推使用,占用存儲空間少,運算快，用匯編軟件來實現(xiàn)。smith 預估器的輸出為 c(k)，數(shù)字 pid 控制器的輸入為 ec(k)。如圖 3.2 所示。圖5 smith 預估器的 pid 數(shù)字控制系統(tǒng)通過離散化過程,可得離散的pid表達

40、式為： （1）式中：k為采樣序號,k=0、1、2、3、；u(k)為第k次采樣時刻的計算機輸出值；e(k)為第k次采樣時刻輸入的偏差值；e(k-1)為第k-1次采樣時刻輸入的偏差值；ki=ts/ti；kd=td/ts?？捎墒?1)導出提供增量的pid控制算式,根據(jù)遞推原理可得: （2）用式(1)減去式(2),可得： （3）可見,控制系統(tǒng)的輸出僅僅與最近3次的偏差有關。在確定了ts、ti、td、kc之后,根據(jù)最近3次的偏差即可求出控制增量。3.2主程序主程序：org 0000hajmp mainorg 00013hajmp int1org 0030hmain： mov sp, #60h； 設定堆棧

41、指針 clr p1.1 mov 40h,#07h；40h存放個位顯示八段碼 mov 41h,#07h；41h存放十位顯示八段碼初始化時顯全8 mov 42h,#07h；42h存放百位顯示八段碼 mov 43h,#07h；43h存放千位顯示八段碼 mov 44h, #00h；44h47h分別存放個十百千位的設定真實值 mov 45h, #00h； mov 46h, #00h； mov 47h, #00h； clr p2.5；初始化時默認處于確定狀態(tài) setb ea；開中斷 setb ex1；允許外中斷1開中斷 setb px0；外中斷1定為高優(yōu)先級 setb it1；邊沿觸發(fā)s1：mov a,p

42、2.0 jz a,key1 retkey1： lcall delay jb p2.0, s2 acall k1 s2:：mov a,p2.1 jz a,key2 retkey2： lcall delay jb p2.1, s3 acall k2 s3：mov a,p2.2 jz a,key3 retkey3： lcall delay jb p2.2, s4 acall k3s4：mov a,p2.3 jz a,key4 retkey4： lcall delay jb p2.3, s5 acall k4s5：mov a, p2.4 jz a, key5 retkey3： lcall delay

43、jb p2.4, xsh acall k5xsh： mov a,40h mov sbuf,a x1： jnb ti, x1 clr p1.3 acall delay setb p1.3 mov a,41h mov sbuf,a x2：jnb ti, x2 clr p1.4 acall delay setb p1.4 mov a,42h mov sbuf,a x3： jnb ti, x3 clr p1.5 acall delay setb p1.5mov a,43h mov sbuf,ax4： jnb ti, x4 clr p1.6 acall delay setb p1.6 ajmp s1數(shù)據(jù)

44、采集子程序int1： push dph；保護現(xiàn)場push dplpush bmov b,r0mov r0,#50h；緩存區(qū)首地址mov dptr,#8000h；p2.6=0,p2.7=1movx a,dptrmov r0,ainc r0mov dptr,#4000h;p2.6=1,p2.7=0movx a,dptrmov r0,amov r0,bpop bpop dplpop dphpop accreti動態(tài)顯示子程序： disp:lcall htb;將顯示數(shù)據(jù)轉換為bcd碼 mov scon, #00h; 置串行口方式0 mov r0, #50h; 顯示緩沖區(qū)首地址送r0 ld: mov d

45、ptr, #table ; 指向字形碼表首地址 mov a, r0; 取顯示數(shù)據(jù) movc a , a+dptr;查表 mov sbuf, a; 字形碼送串行口 disp1: jnb ti , disp1; ti=0,等待；ti=1準備發(fā)送 clr ti clr p1.3 setb p1.4 setb p1.5 acacall delly disp2: jnb ti , disp2 clr ti clr p1.4 setb p1.5 setb p1.6 lcall delydisp3: jnb ti , disp3 clr ti clr p1.5 setb p1.6 setb p1.7 lca

46、ll delaytable: db 3fh 06h 5bh db 4fh 66h 6dh db 7dh 07h 7fh db 6fh 77h 7ch db 39h 5eh 79h db 71h 00h 73h3.3溫度系統(tǒng)控制過程（1）定時采樣。使用 t0 定時器產(chǎn)生 5s 定時中斷，作為本系統(tǒng)的采樣周期。在中斷服務程序中啟動 a/d 轉換，讀入采樣數(shù)據(jù)。采樣周期選 5s 控制效果最好。定時器 t0采用方式 1，定時 50ms,50ms 的 100 次即為 5s。因為采樣可能會因為偶然因素產(chǎn)生誤差，為了采樣值的精確我們采用三次，然后用中間值濾波對三次采樣數(shù)據(jù)處理，從而可以求得較為精確一點的采樣值。（2） 數(shù)據(jù)處理。對采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，這里用中間值濾波方法來處理，如果不做濾波處理可能存在誤差，上下限限幅處理等。數(shù)字濾波子程序：3 次采樣值 cn1、cn2、cn3分別存在于2ch、2dh、2eh單元，取中間值cn存放在2ah單元，以備pid運算和溫度標度轉換用。（3）pid計算。對偏差進行pid算法處理，并輸出控制脈沖信號，脈沖寬度由t0定時器中斷決定。3.4系統(tǒng)控制過程（1） 定時采樣使用 t0 定時器產(chǎn)生 5s 定時中斷，作為本系統(tǒng)的采樣周期。在中斷服務程序中啟動 a/d 轉換