單片機(jī)水溫控制

1、 數(shù)理與信息工程學(xué)院單片機(jī)原理及應(yīng)用期末課程設(shè)計(jì) 題 目： 基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng) 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級(jí)： 電信041班 姓 名： 李海艷 學(xué) 號(hào)： 04610103 指導(dǎo)老師： 余 水 寶 成 績： 目 錄摘 要4第1節(jié) 課題任務(wù)要求 .5第2節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) .52.1 總體方案確定.6 控制方法選擇.6 系統(tǒng)組成7 單片機(jī)系統(tǒng)選擇7 溫度控制.7 方案選擇.7第3節(jié) 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).83.1 系統(tǒng)框圖.83.2 程序流程圖.12第4節(jié) 參數(shù)計(jì)算.164.1 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì).16 溫度采集及轉(zhuǎn)換.16 傳感器輸出信號(hào)放大.17 模數(shù)轉(zhuǎn)換.18 外圍電路設(shè)計(jì).19 數(shù)值處理及顯示部分

2、.19 PID算法介紹.194.1.7 A/D轉(zhuǎn)換模塊.20 控制模塊.214.2 系統(tǒng)硬件調(diào)試.21第5節(jié) CPU軟件抗干擾 .245.1 看門狗設(shè)計(jì).24第6節(jié) 測試方法和測試結(jié)果276.1 系統(tǒng)測試儀器及設(shè)備.276.2 測試方法.276.3 測試結(jié)果27結(jié)束語 .29 參考文獻(xiàn).30基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)理與信息工程學(xué)院 04電子信息工程1班 李海艷指導(dǎo)教師：余水寶 摘要：本系統(tǒng)以AT89C51，AT89C2051單片機(jī)為核心，主要包括傳感器溫度采集，A/D模/數(shù)轉(zhuǎn)換，按扭操作，單片機(jī)控制，數(shù)碼管數(shù)字顯示等部分。本系統(tǒng)采用PID算法實(shí)現(xiàn)溫度控制功能，通過串行通信完成兩片單片機(jī)信

3、息的交互而實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)定、控制和顯示。本設(shè)計(jì)還可以通過串口與上位機(jī)（電腦）連接，實(shí)現(xiàn)電腦控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有體積小、交互性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)高精度的水溫控制，本單片機(jī)系統(tǒng)采用PID算法控制和PWM脈寬調(diào)制相結(jié)合的技術(shù)，通過控制雙向可控硅改變電爐和電源的接通、斷開，從而改變水溫加熱時(shí)間的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。本系統(tǒng)由鍵盤顯示和溫度控制兩個(gè)模塊組成，通過模塊間的通信完成溫度設(shè)定、實(shí)溫顯示、水溫升降等功能。具有電路結(jié)構(gòu)簡單、程序簡短、系統(tǒng)可靠性高、操作簡便等特點(diǎn)。第1節(jié) 課題任務(wù)與要求：1.基本要求 一升水由1kw的電爐加熱，要求水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，以保持設(shè)

4、定的溫度基本不變。2.主要性能指標(biāo)a. 溫度設(shè)定范圍：30-90，最小區(qū)分度為1。b. 控制精度：溫度控制的靜態(tài)誤差1。c. 用十進(jìn)制數(shù)碼顯示實(shí)際水溫。d. 能打印實(shí)測水溫值。3.擴(kuò)展功能a. 具有通信能力，可接受其他數(shù)據(jù)設(shè)備發(fā)來的命令，或?qū)⒔Y(jié)果傳送到其他數(shù)據(jù)設(shè)備。b. 采用適當(dāng)?shù)目刂品椒▽?shí)現(xiàn)當(dāng)設(shè)定溫度與環(huán)境溫度突變時(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。c. 溫度控制的靜態(tài)誤差1。d. 能自動(dòng)顯示水溫隨時(shí)間變化的曲線。第2節(jié) 總體方案設(shè)計(jì)2.1總體方案的確定2.1.1、控制方法選擇由于水溫控制系統(tǒng)的控制對(duì)象具有熱存儲(chǔ)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

5、有純滯后的一階大慣性環(huán)節(jié)。一般來說，熱過程大多具有較大的滯后，它對(duì)任何信號(hào)的響應(yīng)都會(huì)推遲一段時(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渡過程控制，一般來說可以采用以下幾種控制方案：（1）輸出開關(guān)量控制：對(duì)于慣性較大的過程可以簡單地采用輸出開關(guān)量控制的方法。這種方法通過比較給定值與被控參數(shù)的偏差來控制輸出的狀態(tài)：開關(guān)或者通斷，因此控制過程十分簡單，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，因此容易硬氣反饋回路產(chǎn)生振蕩，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)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

6、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。（2）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)，過渡時(shí)間短，但過程終了存在余差。因此它適用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)。使用時(shí)還應(yīng)注意經(jīng)過一段時(shí)間后需將累積誤差消除。a. 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成比例，積分的作用使得過渡過程結(jié)束時(shí)無余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。雖然加大比例度可以使穩(wěn)定性提高，但又使過渡時(shí)間加長。因此，PI控制適用于滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控量不允許有余差的控

7、制系統(tǒng)，它是工程上使用最多、應(yīng)用最廣的一種控制方法。b. 比例積分加微分控制（PID控制）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正比例,它對(duì)克服對(duì)象的容量滯后有顯著的效果。在比例基礎(chǔ)上加上微分作用，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)要求又很高的控制系統(tǒng)。 結(jié)合本例題設(shè)計(jì)任務(wù)與要求，由于水溫系統(tǒng)的傳遞函數(shù)事先難以精確獲得，因而很難判斷哪一種控制方法能夠滿足系統(tǒng)對(duì)控制品質(zhì)的要求。但從以上對(duì)控制方法的分析來看，PID控制方法最適合本例采用。另一方面，由于可以采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制過程，無論采用上述哪一種控制方

8、法都不會(huì)增加系統(tǒng)硬件成本，而只需對(duì)軟件作相應(yīng)改變即可實(shí)現(xiàn)不同的控制方案。因此本系統(tǒng)可以采用PID的控制方式，以最大限度地滿足系統(tǒng)對(duì)諸如控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。2.1.2、.系統(tǒng)組成就控制器本身而言，控制電路可以采用急經(jīng)典控制理論和常規(guī)模擬控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水溫的自動(dòng)團(tuán)結(jié)。但隨著計(jì)算機(jī)與超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，以現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，采用數(shù)字控制、顯示、A/D與D/A轉(zhuǎn)換，配額后執(zhí)行器與控制閥構(gòu)成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在過程控制過程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于本例是一個(gè)典型的檢測、控制型應(yīng)用系統(tǒng)，它要求系統(tǒng)完成從水溫檢測、信號(hào)處理、輸入、運(yùn)算到輸出控制電爐加熱功率以實(shí)現(xiàn)水溫控

9、制的全過程。因此，應(yīng)以單片微型計(jì)算機(jī)為核心組成一個(gè)專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，以滿足檢測、控制應(yīng)用類型的功能要求。另外，單片機(jī)的使用也為實(shí)現(xiàn)水溫的智能化控制以及提供完善的人機(jī)交互界面及多機(jī)通訊接口提供了可能，而這些功能在常規(guī)數(shù)字邏輯道路中往往是難以實(shí)現(xiàn)或無法實(shí)現(xiàn)的。所以，本例采用以單片機(jī)為核心的直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）。2.1.3、.單片機(jī)系統(tǒng)選擇AT89C2051、AT89C51單片機(jī)是最常用的單片機(jī)，是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器。AT89C2051與MCS-51系列的單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒有的功能，功能強(qiáng)、靈活性高而且價(jià)格低廉。

10、AT89S51可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長度小于4K，四個(gè)I/O口全部提供給擁護(hù)。系統(tǒng)運(yùn)行中需要存放的中間變量較少，可不必再擴(kuò)充外部RAM。1.1.4、溫度控制鍵盤輸入一個(gè)需要控制的溫度，通過單片機(jī)2051的串口把數(shù)據(jù)傳送到AT89C51，AT89C51通過數(shù)據(jù)比較，PID分析，T0，T1產(chǎn)生PWM波來控制電爐是否繼續(xù)加熱還是停止加熱。1.1.5、方案選擇方案一：用熱敏電阻：通過電阻的變化來獲得電壓的變化，起價(jià)格雖然便宜但是精度不是很高。對(duì)于一個(gè)精度要求高的系統(tǒng)不宜采用方案二：用A/D590：通過AD590溫度傳感器采集溫度，由于A

11、D590是電流傳感器，經(jīng)過電阻轉(zhuǎn)換為電壓。雖然價(jià)格較高但是精度高。經(jīng)比較，我們選擇方案二第3節(jié) 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)框圖傳 感器電爐單 片 機(jī) 基 本 系 統(tǒng)信號(hào)放大A/D功率放大鍵盤顯示圖3-1 單片機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖鍵盤顯示電路本模塊以AT89C2051單片機(jī)為核心，利用138譯碼器對(duì)顯示器動(dòng)態(tài)掃描及作為鍵盤的掃描線，采用此方法大大簡化了硬件，充分的利用了單片機(jī)的資源，這也是本設(shè)計(jì)的巧妙所在?？赏^鍵盤來設(shè)置溫度，并顯示在數(shù)碼管上，并通過串口發(fā)送出去，另外檢測到溫度通過串口接收進(jìn)來，并顯示在相應(yīng)的數(shù)碼管上鍵盤的掃描輸入與顯示器的掃描輸出由單片機(jī)控制，但考慮到鍵盤與接口需要較多的I/O口線

12、，如果直接由單片機(jī)控制，一方面必須擴(kuò)充系統(tǒng)I/O口，另一方面，鍵盤與LED顯示的掃描處理占用大量機(jī)時(shí)，增加軟件編程負(fù)擔(dān)。為此在組成系統(tǒng)人機(jī)對(duì)話通道時(shí)采用了可編程的鍵盤。顯示接口芯片8051，由8051負(fù)責(zé)鍵盤掃描、消抖處理和顯示輸出工作。根據(jù)認(rèn)為的要求，8051鍵盤被設(shè)計(jì)為2*8行，掃描線有SL0SL8經(jīng)譯碼輸出，接入鍵盤列線，查詢RL0RL1提供，采用鍵盤掃描法對(duì)16個(gè)按鍵進(jìn)行讀取狀態(tài)。使用行列式，把這16個(gè)按鍵分為8鍵盤的系統(tǒng)框圖如下： 鍵盤顯示圖一 鍵盤顯示圖二2系統(tǒng)溫度控制前向通道:以AT89C51單片機(jī)為控制核心，采集到溫度，經(jīng)放大，AD轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)處理，再通過串行口發(fā)送到顯示模塊

13、因?yàn)榭紤]到PID運(yùn)算時(shí)需要調(diào)用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算程序庫,程序需要占用很大的存儲(chǔ)空間,8051內(nèi)部的能滿足此要求,所以不需要擴(kuò)展外部ROM,系統(tǒng)中運(yùn)行中需要存放的中間變量只有給定溫度和實(shí)測,PID運(yùn)算中間結(jié)果及輸出結(jié)果等十幾個(gè)變量.因而8051片內(nèi)的RAM能夠滿足要求,可不必再擴(kuò)展。后向通道:后向通道是實(shí)現(xiàn)控制型號(hào)輸出的通道,單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的控制信號(hào)經(jīng)過功率放大器的放大控制電爐的輸入功率,以實(shí)現(xiàn)水溫的控制的目的.根據(jù)系統(tǒng)的總誤差要求,后向通道的控制精度也要應(yīng)控制在0.83%之內(nèi).以上就是整個(gè)電路的框圖, 將前述各單元電路連接起來，就可構(gòu)成完整的系統(tǒng)硬件電路圖。系統(tǒng)硬件電路中除了包含前、后向通道的輸入、輸

14、出插座外，還應(yīng)考慮增加苦干個(gè)插座，以方便主控板與各部件的連接。硬件電路制作包括印刷線路板制作、焊接和系統(tǒng)連接等幾個(gè)方面。印刷線路板的設(shè)汁一般都是在計(jì)算機(jī)上利用Protel 99 SE軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。3.2 程序流程圖系統(tǒng)軟件由主程序、鍵盤掃描、LED顯示、串行口中斷組成。由于本模塊就進(jìn)行鍵盤與顯示任務(wù)，且鍵盤掃描與LED掃描是用同個(gè)74LS138來完成，可以將程序精簡，即把鍵盤和顯示的程序合在一起放在主程序里。（1）初始化。設(shè)定可編程芯片的工作方式，對(duì)內(nèi)存中的工作參數(shù)區(qū)進(jìn)行初始化，顯示系統(tǒng)初始狀態(tài)。（2）讀溫度程序. 通過DS18B20的側(cè)溫.（3）調(diào)用PID算法子程序通過鍵盤模塊發(fā)送過來的

15、數(shù)據(jù),即給定值,和測量值進(jìn)行計(jì)算,輸出PWM波.對(duì)電爐的水溫度進(jìn)行控制.（4）返回(2)定時(shí)中斷服務(wù)程序: 采樣定時(shí)由定時(shí)器o的定時(shí)操作完成，定時(shí)器o的定時(shí)初值時(shí)間由PID的運(yùn)算結(jié)果控制。程序流程如圖所示:(3)脈寬調(diào)制輸出子程序:NYYNYNNY開始初始化P3.3、P3.4、P3.5=000消抖31Hß 0P1ß30H延時(shí)Flaga=1等待按鍵放開P3.2=0？P3.7=0？消抖等待按鍵放開Flaga=1？P3.3、P3.4、P3.5=001P1ß31H延時(shí)Flagb=1？Flagbß 132Hß 0Flagbß0.P3.3、P3.

16、4、P3.5=010P3.3、P3.4、P3.5=011.P3.3、P3.4、P3.5=101P3.3、P3.4、P3.5=100P3.3、P3.4、P3.5=110P3.3、P3.4、P3.5=111入口P0.0輸出高電平脈寬標(biāo)志位清0返回脈寬標(biāo)志位是高電平?P0.0輸出低電平把脈寬標(biāo)志位置1YN初始化調(diào)用水溫檢測子程序調(diào)用PID算法子程序開起定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到?調(diào)用脈寬子程序返回YNN初始化調(diào)讀溫度子程序調(diào)PWM子程序調(diào)PID子程序調(diào)發(fā)送子程序定時(shí)時(shí)間到Y(jié)PID子程序T1=T1+K(Ek-E(K-1)設(shè)置溫度大于實(shí)測溫度設(shè)置溫度減實(shí)際溫度實(shí)際溫度減設(shè)置溫度置標(biāo)志位清標(biāo)志位差值放30HYN子程

17、序返回占空比加上差值標(biāo)志位為1PWM占空比到上限PWM占空低到下限占空比減去差值開始復(fù)位DS18B20發(fā)讀存儲(chǔ)器命令返回發(fā)跳過ROM命令發(fā)溫度轉(zhuǎn)換命令延時(shí)復(fù)位DS18B20將溫度轉(zhuǎn)換成BCD碼發(fā)送溫度值,顯示溫度水溫檢測子程序第4節(jié) 參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。按+鍵設(shè)定溫度值加一；按-鍵設(shè)定溫度值減一；按設(shè)溫鍵，可任意設(shè)置溫度，輸入相應(yīng)的數(shù)值，按確定鍵即可，按取消鍵則返回前一次設(shè)置的值；按初始鍵則返回剛一開機(jī)的狀態(tài)。軟件的調(diào)試府在仿真器提供的單步、斷點(diǎn)、跟蹤等功能的支持下對(duì)各子程序分別進(jìn)行調(diào)試將調(diào)試完的工程序連接起來再調(diào)試逐步擴(kuò)大調(diào)試范圍。4.1 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算、溫度采

18、集部分及轉(zhuǎn)換部分我們使用AD590來采集外界的溫度。AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下：1、流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)，即：mA/K式中： 流過器件（AD590）的電流，單位為mA； T熱力學(xué)溫度，單位為K。2、AD590的測溫范圍為-55+150。3、AD590的電源電壓范圍為4V30V。電源電壓可在4V6V范圍變化，電流 變化1mA，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。4、輸出電阻為710MW。5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精

19、度最高，在-55+150范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3。由于AD590采集的輸出數(shù)據(jù)是模擬量電流，而且很小，不易測量，所以我們要將電流量轉(zhuǎn)換成電壓量，這樣有利于后面的放大及D/A轉(zhuǎn)換。我們改用一個(gè)固定電阻（9.1k或10k）和一個(gè)電位器(1K)串接的方法，這樣可以通過調(diào)節(jié)電位器使得每路輸出電壓基本一致。如以0為參考值則應(yīng)使其電壓輸出為2.73V；如以25為參考值，則應(yīng)使其電壓輸出為2.98V.、傳感器輸出信號(hào)放大電路部分:由于取得的電壓量很小，我們選用LM324做為運(yùn)放，以為其內(nèi)部帶有四個(gè)運(yùn)放，可以使得運(yùn)放部分在電路版上不占用太大的體積。我們用了其內(nèi)部的三個(gè)運(yùn)放。第一級(jí)運(yùn)放我們做成射級(jí)

20、跟隨器的形式，起到阻抗匹配的作用。第二級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)為反相比例求和電路，根據(jù)反相比例求和電路公式，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下圖的電路，U=-(（10/10）*U1+10/（20+R）),其中U為第二級(jí)輸出電壓，R為50k的電位器?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)電位器使得輸出電壓達(dá)到要求。設(shè)0時(shí)，第二級(jí)的輸出為2.73-2.73=0V，而25時(shí)，第二級(jí)的輸出為2.73-2.98= -0.25V（反相）（零位調(diào)整）。第三級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)為反相比例放大電路，我們?cè)O(shè)計(jì)為將第二級(jí)的輸出電壓放大5倍。所以我們選用了10k和50k的電阻來實(shí)現(xiàn)。、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分:這部分最初想用ADC0809的，但為了配合使用CD4051，我們最終選擇了ADC08

21、04。ADC0804的規(guī)格及引腳圖·8位CMOS逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器·三態(tài)鎖定輸出·存取時(shí)間：135s；·分辨率：8位；·轉(zhuǎn)換時(shí)間：100s；·總誤差：±1LSB；·工作溫度：ADC0804LCN0+70；·ADC0804LCD -40+85；引腳圖及說明如圖所示：/CS：芯片選擇信號(hào)。/RD：外部讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的控制腳輸出信號(hào)。/RD為高時(shí)，DB0DB7處于高阻抗；/RD為低時(shí)，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)才會(huì)輸出。/WR：用來啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的控制輸入，相當(dāng)于ADC的轉(zhuǎn)換開始（/CS=0時(shí)），當(dāng)/WR由高變?yōu)榈蜁r(shí)，轉(zhuǎn)換器被清除

22、；當(dāng)/WR回到高時(shí)，轉(zhuǎn)換正式開始。CLK IN, CLK R：時(shí)鐘輸入或接振蕩元件（R,C）,頻率約限制在100kHz1460kHz,如果使用RC電路則其振蕩頻率為1/（1.1RC）./INTR：中斷請(qǐng)求信號(hào)輸出，低電平動(dòng)作。VIN(+)、VIN()：差動(dòng)模擬電壓輸入。輸入單端正電壓時(shí)，VIN()接地；而差動(dòng)輸入時(shí)，直接加入VIN(+)、VIN()。AGND,DGND：模擬信號(hào)及數(shù)字信號(hào)的接地。VREF：輔助參考電壓。DB0DB7：8位的數(shù)字輸出。VCC：電源供應(yīng)以及作為電路的參考電壓。眾所周知, 精度是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要指標(biāo), 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化誤差是影響系統(tǒng)精度的主要因素,A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)

23、越多, 其量化誤差越小, 一個(gè)M 位的A/D 轉(zhuǎn)換器的量化誤差可表示為:式中V ref為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考基準(zhǔn)電壓。設(shè)A/D 轉(zhuǎn)換電路的模擬輸入電壓為Vi, 則經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后的相對(duì)誤差表示為: (2)上式表明, 當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)選定后, 其相對(duì)誤差D與其模擬輸入電壓V i 成反比。因此只有將輸入信號(hào)V i 預(yù)放大到接近參考電壓V ref, 才能充分發(fā)揮A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的效能, 減小量化誤差, 提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度。此即為引入前置放大器的目的之所在。逐步逼近式A/D的轉(zhuǎn)換公式：，、Ux為輸入電壓、N為輸出值 （1-1） （1-2）當(dāng)選定參考電壓和A/D位數(shù)時(shí)，e為常數(shù)，由誤差傳遞公式得：，Ux

24、是輸入絕對(duì)誤差 （1-3）由式（1-3）知：當(dāng)輸入電壓越大，A/D轉(zhuǎn)換的相對(duì)誤差越小，當(dāng)然輸入電壓不能大于A/D最大轉(zhuǎn)換電壓。因此為了減少A/D轉(zhuǎn)換誤差，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大。、ADC0804芯片外圍電路的設(shè)計(jì)：a.19腳的CLKR端接一個(gè)10k的電阻和150PF的電容，根據(jù)公式f=1/（1.1RC）,可算得時(shí)鐘輸入頻率為0.6兆左右。b.9腳：選擇470k的電阻、5k的電位器和2.7伏的穩(wěn)壓管來調(diào)節(jié)芯片的相對(duì)電壓。本電路中應(yīng)調(diào)節(jié)電位器使得9腳電壓為2 .56伏。c.1、7、8腳接地d.6腳接運(yùn)放的輸出端，采集收集到的信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換最后輸出8位2 進(jìn)制數(shù)，這樣就可以送到單片機(jī)里進(jìn)

25、行處理了。、數(shù)值處理部分及顯示部分: 數(shù)值處理部分：我們采用8051芯片，其內(nèi)部自帶程序存儲(chǔ)器。其外接12兆的晶振來給起供應(yīng)震蕩頻率。9腳接一個(gè)10 顯示部分：用7447芯片與8051的P1.0P1.3口相連，7447芯片可將8051轉(zhuǎn)換好的8421BCD碼轉(zhuǎn)換成7段碼送到數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管選用共陽的，因此在其Vcc端要外接一個(gè)三極管（9013），通過控制三極管給數(shù)碼管供電，來控制數(shù)碼管的通斷。、PID算法的介紹:在模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達(dá)式:（1）式中： P（t）調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)： e（t）調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，它等于測量值與給定值之差； KP調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；TI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間； TD調(diào)

26、節(jié)器的微分時(shí)間。、A/D轉(zhuǎn)換模塊由于系統(tǒng)對(duì)信號(hào)采集的速度要求不高，故可以采用價(jià)格低的8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804，該轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度為100us,轉(zhuǎn)換精度為0.39%，對(duì)應(yīng)誤差為0.2340°C。故采用AD0804，ADC0804是8位模數(shù)轉(zhuǎn)化電路，它能把模擬電壓值轉(zhuǎn)化為8位二進(jìn)制碼，其轉(zhuǎn)化公式如下：DX=VIN*256/VREF 我們這里設(shè)置VREF 等于5V（因?yàn)檫@里懸空沒接，查資料可知其為5V），則DX 所對(duì)應(yīng)的值就是八位二進(jìn)制碼的十進(jìn)制值，具體轉(zhuǎn)化表如下：溫度值A(chǔ)DCin（V）DX十六進(jìn)制編碼溫度值A(chǔ)DCin（V）DX十六進(jìn)制編碼0°C0000H30

27、76;C2.344878H2°C0.156107H35°C2.73498BH4°C0.31320AH40°C3.125AA0H8°C0.625320H45°C3.516BB4H10°C0.781427H50°C3.906CC7H15°C1.17253CH55°C4.297DDCH20°C1.56064FH60°C4.688EF0H25°C1.953763H64°C5.000FFFHA/D轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘電路參數(shù)計(jì)算ADC0804片內(nèi)有時(shí)鐘電路，其振蕩頻率可按下式

28、計(jì)算： fclk1/1.1RC式中R和C分別是CLK_R和CLK_IN兩端外接一對(duì)地電阻、電容的阻容值。其典型應(yīng)用參數(shù)為R=10K，C=150PF。此時(shí)fclk640kHz，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間約為103s。A/D轉(zhuǎn)換器的INTR與89C51的P1.0相連，單片機(jī)以查詢方式獲取A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完畢的信息。、控制模塊由于用單片機(jī)來控制雙向晶閘管，而晶閘管陽極和陰極間所接的是220V的交流電壓，故本電路在中間加了一個(gè)光電耦合器件，使低壓區(qū)和高壓區(qū)隔離開。光電耦合器件采用的是MOC3041，其耐壓值為400V，可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。而光電耦合器件的工作電流較大，因此前面需加放大電路，采用的是小功率硅三極管

29、9012可滿足要求，另外為了保護(hù)光電耦合器件需在高壓側(cè)接一個(gè)大功率電阻。雙向晶閘管的選?。河捎谪?fù)載是1KW的電爐，用于控制負(fù)載輸入功率的雙向晶閘管應(yīng)能滿足負(fù)載對(duì)工作電壓、電流的要求。工作電壓峰值可按下式計(jì)算: Vp=2201.414=313（V）工作電流峰值可按下式計(jì)算: Ip=1000/2201.414=6.43（A）因此，為滿足應(yīng)用要求并適當(dāng)留有余地，雙向晶閘管可選用BAT12-600，該器件可承受的最大反向電壓為600V，最大電流為12A，為了保護(hù)雙向晶閘管還可在其旁邊加一保護(hù)電路（即緩沖電路），因?yàn)殡p向晶閘管在開通和關(guān)斷的瞬間du/dt的變化率較大，開關(guān)損耗很大，因此加上阻容電路，利用

30、儲(chǔ)能元件對(duì)能量進(jìn)行緩沖，從而達(dá)到保護(hù)的目的，具體電路如圖2所示。由于本電路采用PID控制，程序較長，約為2.8K左右，因此選用比較熟悉AT89C51單片機(jī)，其容量為4K，可以滿足設(shè)計(jì)的要求。復(fù)位電路的參數(shù)選擇：本設(shè)計(jì)晶振用的是12M，則機(jī)器周期為1us，要使單片機(jī)復(fù)位需持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期的高電平?？砂聪率接?jì)算： RC2us 為了使單片機(jī)能夠可靠地上電自動(dòng)復(fù)位，選取R=8.2K，C=10uF。4.2 系統(tǒng)硬件調(diào)試溫系統(tǒng)經(jīng)溫度傳感器和信號(hào)放大器產(chǎn)生05V的模擬電壓信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量通過系統(tǒng)總線送入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。硬件電路的調(diào)試應(yīng)依次對(duì)單片機(jī)基本系統(tǒng)、前

31、向通道和后向通道分別進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試時(shí)可利用仿真器對(duì)各接口地址進(jìn)行讀寫操作，靜態(tài)地測試電路各部分的連接是否正確；對(duì)于動(dòng)態(tài)過程(如中斷響應(yīng)、脈寬調(diào)制輸出等)可以編寫簡短的調(diào)試程序配合硬件電路的調(diào)試。、單片機(jī)基本系統(tǒng)調(diào)試(a)晶振電路 將仿真器晶扳開關(guān)打到外部，如果仿真器出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象,說明用戶系統(tǒng)晶振電路有問題，此時(shí)應(yīng)用示波器觀察單片機(jī)時(shí)鐘信號(hào)，或輸入端是否振蕩信或檢查品振電路各器件參數(shù)。(b)復(fù)位電路按下復(fù)位按鈕應(yīng)使系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài)，否則用用表檢查復(fù)位電路各點(diǎn)信號(hào)和器件參數(shù)。(2)LED顯示電路本電路采用8個(gè)共陰的數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，前4個(gè)為設(shè)定溫度，后4個(gè)為實(shí)測溫度。動(dòng)態(tài)掃描時(shí)采用74LS138對(duì)這

32、8個(gè)數(shù)碼管輪流掃描，進(jìn)行位控，而P1口是進(jìn)行段控信號(hào)的控制，為了增加數(shù)碼管的亮度，共陰端有三極管來驅(qū)動(dòng)它的電流。電路如圖6所示。(3)鍵盤接口電路 本電路采用鍵盤掃描法對(duì)16個(gè)按鍵進(jìn)行讀取狀態(tài)。使用行列式，把這16個(gè)按鍵分為8(4)前向通道調(diào)試比較簡單(5)后向通道調(diào)試(a)靜態(tài)調(diào)試 用仿真器在p00上輸出高電平，雙向可控硅導(dǎo)通電爐開始加熱；在P00上輸出低電平雙向可控硅截止，電爐停止加熱。如果輸出不正常，應(yīng)按信號(hào)輸出順序分別撿查P00、光電耦合器輸入端、光電耦合器輸出端及雙向可控硅兩端的電壓情況。(b)動(dòng)態(tài)調(diào)試編寫簡短調(diào)試程序，在P00上周期性地輸出一定占空比的脈寬調(diào)制波形，用示被器觀察電爐

33、兩端電壓輸入波形和通斷比例。改變輸出波形占空比，電爐兩端電壓輸入的通斷比也應(yīng)有相應(yīng)改變。 (6) 傳感器電路部分溫度傳感器種類較多。熱電偶由于熱電勢較小，因而靈敏度較低；熱敏電阻由于非線性而影響精度；鉑電阻溫度傳感器由于成本高，在一般小系統(tǒng)中很少使用。AD590是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的二端式集成溫度傳感器，具有體積小、重量輕、線性度好、性能穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn)。它的測溫范圍為-50+155°C，滿刻度誤差為0.3°C，當(dāng)電源電壓在510V之間，穩(wěn)定度為1%，誤差只有0.01°C，完全適用于本設(shè)計(jì)對(duì)水溫測量的要求。另外AD590是溫度電流傳感器，對(duì)于

34、提高系統(tǒng)抗干擾能力也有很大幫助，因此本設(shè)計(jì)選用AD590作為溫度傳感器。其輸出電流I與溫度的關(guān)系可用下式表示： 或式中：I輸出電流，單位mAKT標(biāo)定因子，AD590的標(biāo)定因子為1mA/°C；TK開氏溫度。TC攝氏溫度?？梢姡?dāng)溫度為攝氏0°C時(shí)，輸出電流為273.2mA。放大器電阻計(jì)算：由于我的測量定為+°C+64°C，根據(jù)這一測量范圍要求，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路應(yīng)將+°C+64°C溫度轉(zhuǎn)換為05V的電壓信號(hào)，根據(jù)以上分析可知AD590在0°C和64°C R1+RS1=12V/273.2UA=43.9K取R1=40K，RS1

35、=5K。 R2+RS2=5V/64UA=78.1K取R2=68K，RS2=12K。 綜上所述,在上述6部分都沒有問題后,就可以進(jìn)行下一步了,即軟件調(diào)試。(6)軟件調(diào)試:軟件的調(diào)試府在仿真器提供的單步、斷點(diǎn)、跟蹤等功能的支持下對(duì)各子程序分別進(jìn)行調(diào)試將調(diào)試完的工程序連接起來再調(diào)試逐步擴(kuò)大調(diào)試范圍。調(diào)試的過程一般是：a測試程序輸入條件或設(shè)定程序輸入條件;b以單步、斷點(diǎn)或跟蹤方式運(yùn)行程序；c檢查程序運(yùn)行結(jié)果；d運(yùn)行結(jié)果不正確時(shí)查找原因。修改程序，重復(fù)上述過程。(7) 注意:A.輸入抗干擾a、鍵盤按鍵在按下與抬起時(shí)都會(huì)有1020ms的抖動(dòng)毛刺出現(xiàn)，在讀取鍵值時(shí)可先延時(shí)，再進(jìn)行采樣，在本設(shè)計(jì)中我是調(diào)用了一

36、段顯示子程序，和同學(xué)的電路相比，效果非常明顯。b.AD轉(zhuǎn)換器 由于外界的干擾，AD采樣后的數(shù)據(jù)會(huì)有較大誤差，為了提高準(zhǔn)確度，可采用輸入分區(qū)抗干擾法，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行初步的處理，降低外界干擾的破壞性，當(dāng)然再配合多數(shù)平均法處理效果更加。B.輸出抗干擾 一般來說，單片機(jī)的低電平驅(qū)動(dòng)能力遠(yuǎn)高于高電平的驅(qū)動(dòng)能力，可以用上拉電阻的方法來平衡單片機(jī)的端口驅(qū)動(dòng)能力，以提高整體的抗干擾能力。因此本設(shè)計(jì)中只要涉及輸出控制都是采用低電平驅(qū)動(dòng)。第5節(jié) CPU軟件抗干5.1 看門狗設(shè)計(jì)單片機(jī)最易受干擾的是內(nèi)部計(jì)數(shù)器PC的值。在受強(qiáng)干擾的時(shí)，PC值改變，改變后的值又是隨機(jī)的，為一不確定值。因此，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)核CPU進(jìn)行R軟件抗

37、干擾顯得尤為重要，本設(shè)計(jì)采用的是看門狗設(shè)計(jì)。 這樣, 就可以進(jìn)行總體調(diào)試了。把編寫好的程序放在電腦里，使用偉福仿真器來仿真，看看8個(gè)數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)是否正確，按下按鍵后能否在數(shù)碼管上顯示設(shè)定的值，反復(fù)的調(diào)試、修改程序，使達(dá)到預(yù)期的效果?？撮T狗(Watchdog)電路是嵌入式系統(tǒng)需要的抗干擾措施之一。本文用X25045芯片設(shè)計(jì)了一種新的看門狗電路，具有體積小、占用I/O口線少和編程方便的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于儀器儀表和各種工控系統(tǒng)中。系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，通常都會(huì)遇到各種各樣的現(xiàn)場干擾，抗干擾能力是衡量工控系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)?？撮T狗(Watchdog)電路是自行監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行的重要保證，幾乎所有的工控系統(tǒng)

38、都包含看門狗電路。在8096系列單片機(jī)和增強(qiáng)型8051系列單片機(jī)中，該系統(tǒng)已經(jīng)做在芯片內(nèi)部，用戶只要用軟件開放它就可以，使用很方便。但目前工控系統(tǒng)仍在使用廉價(jià)的普通型8051系列單片機(jī)，則看門狗電路必須由用戶自己建立?？撮T狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統(tǒng)需要出讓一個(gè)定時(shí)器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，而且若系統(tǒng)軟件運(yùn)行不正常，可能導(dǎo)致看門狗系統(tǒng)也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的“程序運(yùn)行監(jiān)視器”，如計(jì)數(shù)型的看門狗電路通常由555多諧振蕩器、計(jì)數(shù)器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統(tǒng)電路較為復(fù)雜，運(yùn)行不夠可靠。X25045芯片簡介X25045是美國

39、Xicor公司的生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化8腳集成電路，它將EEPROM、看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控三種功能組合在單個(gè)芯片之內(nèi)，大大簡化了硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對(duì)印制電路板的空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗，是一種理想的單片機(jī)外圍芯片。X25045引腳如圖1所示。圖5-1 X25045引腳圖其引腳功能如下。CS：片選擇輸入；SO：串行輸出，數(shù)據(jù)由此引腳逐位輸出；SI：串行輸入，數(shù)據(jù)或命令由此引腳逐位寫入X25045；SCK：串行時(shí)鐘輸入，其上升沿將數(shù)據(jù)或命令寫入，下降沿將數(shù)據(jù)輸出；WP：寫保護(hù)輸入。當(dāng)它低電平時(shí)，寫操作被禁止；Vss：地；Vcc：電源電壓；RESET：復(fù)位輸出。X25045在讀寫操作

40、之前，需要先向它發(fā)出指令，指令名及指令格式如表1所示。表1 X25045指令及其含義X25045看門狗電路設(shè)計(jì)及編程X25045硬件連接圖如圖2所示。X25045芯片內(nèi)包含有一個(gè)看門狗定時(shí)器，可通過軟件預(yù)置系統(tǒng)的監(jiān)控時(shí)間。在看門狗定時(shí)器預(yù)置的時(shí)間內(nèi)若沒有總線活動(dòng)，則X25045將從RESET輸出一個(gè)高電平信號(hào)，經(jīng)過微分電路C2、R3輸出一個(gè)正脈沖，使CPU復(fù)位。圖2電路中，CPU的復(fù)位信號(hào)共有3個(gè)：上電復(fù)位(C1、R2)，人工復(fù)位(S、R1、R2)和Watchdog復(fù)位(C2、R3)，通過或門綜合后加到RESET端。C2、R3的時(shí)間常數(shù)不必太大，有數(shù)百微秒即可，因?yàn)檫@時(shí)CPU的振蕩器已經(jīng)在工作

41、。圖5-2X25045看門狗電路硬件連接圖看門狗定時(shí)器的預(yù)置時(shí)間是通過X25045的狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位來設(shè)定的。如表2所示，X25045狀態(tài)寄存器共有6位有含義，其中WD1、WD0和看門狗電路有關(guān)，其余位和EEPROM的工作設(shè)置有關(guān)。第6節(jié) 測試方法和測試結(jié)果 6.1 系統(tǒng)測試儀器及設(shè)備雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源DH1718E-5直流穩(wěn)壓電源數(shù)字示波器Tektronix TDS1002偉福E6000/L 仿真器多功能數(shù)字表GDM-8145數(shù)字萬用表0100溫度計(jì)、調(diào)溫電熱杯、秒表6.2 測試方法由于系統(tǒng)不完善，我采用的是分步調(diào)試的方法，步驟如下： （1）在水杯中存放1L凈水，放置在1KW的電爐上，打開控制電源，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備工作狀態(tài)。（2）先調(diào)零，先將OP07的2、