單片機(jī)的遠(yuǎn)程溫度控制儀表的設(shè)計(jì)方案

單片機(jī)的遠(yuǎn)程溫度控制儀表的設(shè)計(jì)摘要當(dāng)今世界已經(jīng)進(jìn)入信息時(shí)代，信息技術(shù)成為推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)把模擬儀器的精度、分辨力與測量速度提高了幾個(gè)量級(jí)，為實(shí)現(xiàn)測試自動(dòng)化打下了良好的基礎(chǔ)。許多領(lǐng)域都需要對(duì)溫度的監(jiān)控，如何將單片微處理器應(yīng)用到溫度控制領(lǐng)域，成為目前溫度自動(dòng)化的焦點(diǎn)課題之一，為越來越多的科研機(jī)構(gòu)所重視。目前，一個(gè)學(xué)習(xí)與應(yīng)用單片機(jī)的高潮在全社會(huì)大規(guī)模地興起。本課題的研究設(shè)計(jì)是完成單片機(jī)的遠(yuǎn)程溫度控制儀表的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)首先對(duì)溫度測控系統(tǒng)各環(huán)節(jié)進(jìn)行了功能需求分析，明確了本溫控系統(tǒng)所要達(dá)到了技術(shù)要求；然后又根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了硬件元器件的選擇和軟件算法的確定；最后，本設(shè)計(jì)最終給出了基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程溫度控制儀表的整套軟硬件設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞：單片機(jī)，遠(yuǎn)程，溫度控制AbstractWiththerapiddevelopmentofthecomputertechnology,measuringinstrumentsandcontroltechnology,agrowingnumberofadvancedmeasurementandcontroltechnology、equipmentandmethodsareusedinmodernautomationfield.Howtousesingle-chipmicroprocessorintheareaoftemperaturecontrolsystemisoneofthefocustopicsonthecurrenttemperatureautomation,whichattractsmoreandmorescientificresearchinstitutions ’attention.Thetopicofstudyisadaptedtothistrendofdevelopment,SCMareappliedtoremotetemperaturecontrolpanel.Firstly,thedesighanalyzesthefunctionalrequirementsofthetemperaturemeasurementandcontrolsystemcomponents,andmakeclearthetechncalrequirementsforthetemperaturecontrolsystem。Thenthedesighchoicesthehardwarecomponentsandsoftwarealgorithmsbasedonthefunc--tionofthesystem。Finally,thepackageofhardwareandsoftwaredesignareaccomplishedbasedonSCMremotetemperaturecontrolinstrumentation.KeyWord:SCMLong-distanceTemperaturecontrol1/42目 錄.21.4..2...4..53.1..5311...531253.2A/D.63.2.1A/D...63.2.2MC14433...93.38031103.3.18031103.3.2113.3.3143.6153.6.1RS-485153.6.2.1183.7.225....264.1.264.1.1264.1.2264.1.3274.1.4284.1.5292/42第一章 概述1.1 選題背景當(dāng)今社會(huì)，計(jì)算機(jī)的引入，使儀器的功能發(fā)生了質(zhì)的變化，以個(gè)別參數(shù)的測量轉(zhuǎn)變成整個(gè)系統(tǒng)特征參數(shù)的測量；從單純的接收顯示轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂?、分析、處理、?jì)算與顯示輸出；四十年代發(fā)展和逐步成熟起來的經(jīng)典控制理論在解決較簡單的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面是很有力的工具。在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的模擬式自動(dòng)控制系統(tǒng)也達(dá)到了相當(dāng)完善的程度。盡管這種控制系統(tǒng)對(duì)單輸入單輸出系統(tǒng)是很有效的，對(duì)一些較復(fù)雜的多輸入多輸出的參數(shù)相互藕合的系統(tǒng)也曾起過積極的作用。但是，它的進(jìn)一步發(fā)展受到了限制，在控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的最優(yōu)化，可靠性等方面越來越不能滿足更高的要求?，F(xiàn)代儀器儀表是對(duì)物質(zhì)世界的信息進(jìn)行測量與控制的基礎(chǔ)手段和設(shè)備，是信息產(chǎn)業(yè)的源頭和組成部分。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展給控制系統(tǒng)開辟了新的途經(jīng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷完善，使它在工業(yè)控制方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)把模擬儀器的精度、分辨力與測量速度提高了幾個(gè)量級(jí)，為實(shí)現(xiàn)測試自動(dòng)化打下了良好的基礎(chǔ)。在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，對(duì)溫度控制系統(tǒng)的要求，主要是保證溫度在一定溫度范圍內(nèi)變化，穩(wěn)定性好，不振蕩，對(duì)系統(tǒng)的快速性要求不高。單片機(jī)的出現(xiàn)，由于其集成度高，功能強(qiáng)，可靠性高，體積小，價(jià)格低廉，靈活方便等一系列的優(yōu)點(diǎn)，為工業(yè)過程控制提供了十分廣闊的應(yīng)用前景。可以說智能控制與自動(dòng)控制的核心就是單片機(jī)。1.2 設(shè)計(jì)意義在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、流量、流速和開光量都是常用的主要被控參數(shù)，例如在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工程、造紙行業(yè)、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐、熱處理器、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測和控制。采用MCS-51單片機(jī)來對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。MCU<微控制器或單片機(jī)）、DSP<數(shù)字信號(hào)處理器）、潛入式系統(tǒng)等的問世和性能的不斷改善，大大加快了儀表微機(jī)化和智能化的進(jìn)程。它們具有體積小、功耗低、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，另外用它們開發(fā)各類智能產(chǎn)品周期短、成本低，在計(jì)算機(jī)和儀表的一體化設(shè)計(jì)中有著更大的優(yōu)勢和潛力。許多領(lǐng)域都需要對(duì)溫度的監(jiān)控,如工廠的生產(chǎn)設(shè)備、化工領(lǐng)域、農(nóng)作物的種植和儲(chǔ)存、實(shí)驗(yàn)室等等.有很多領(lǐng)域的溫度可能較高或較低,人無法靠近或現(xiàn)場無需人力來監(jiān)控，我們可以用遠(yuǎn)程監(jiān)控,坐在辦公室里就可以對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控,又方便又節(jié)省人力。3/421.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容本設(shè)計(jì)是完成單片機(jī)的遠(yuǎn)程溫度控制儀表的設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)要求有：1、完成當(dāng)前控制器狀態(tài)信號(hào)控制。2、完成上位計(jì)算機(jī)命令執(zhí)行，并設(shè)有就地和上位控制方式。3、電源：除供給系統(tǒng)供電，還可以向外部提供24V1A的隔離電源，以備外部開關(guān)量輸入使用，應(yīng)設(shè)計(jì)為開關(guān)電源。4、根據(jù)系統(tǒng)要求選用適當(dāng)?shù)腃PU模塊，具有一定的抗干擾能力。5、系統(tǒng)應(yīng)具有復(fù)位電路，并在復(fù)位后保持現(xiàn)有輸出的開關(guān)狀態(tài)不變。6、系統(tǒng)提供E2PROM，并能夠保留上位計(jì)算機(jī)分配的地址信號(hào)。7、提出綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件方案和方案論證優(yōu)化。8、完成軟件需求的系統(tǒng)分析，并等待上位計(jì)算機(jī)通信信號(hào)，根據(jù)上位計(jì)算機(jī)通信信號(hào)變化輸出狀態(tài)。1.4 技術(shù)指標(biāo)主要設(shè)計(jì)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)為：1、溫度信號(hào)檢測誤差1℃2、控制信號(hào)輸出開關(guān)量3、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)4、智能識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)4/42第二章 設(shè)計(jì)思想與方案論證2.1 設(shè)計(jì)思想本設(shè)計(jì)用溫度傳感器將被測溫度轉(zhuǎn)換為電量，經(jīng)過放大濾波電路處理后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再與單片機(jī)相連，通過可編程鍵盤顯示接口芯片實(shí)現(xiàn)溫度限值的設(shè)定。最后通過小鍵盤控制數(shù)碼管顯示所需要的某路溫度值。遠(yuǎn)程溫度控制儀表顧名思義就是對(duì)加熱設(shè)備<這里指電熱絲）采用單片機(jī)進(jìn)行升溫、降溫控制，它將溫度變送、顯示和數(shù)字控制集成一體，用軟件實(shí)現(xiàn)程序升、降溫的PID調(diào)節(jié)，并且通過通信接口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通訊，而且為32多機(jī)通信，因此具有一定的智能識(shí)別能力。其溫度控制工藝為：系統(tǒng)工作時(shí)先由使用者設(shè)定預(yù)期達(dá)到的兩位溫度值 <該值為十進(jìn)制，單位為攝氏度1），即一個(gè)最高限Tmax，一個(gè)最低限Tmin。溫度值輸入完畢后，打開電源，單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位，進(jìn)行初始化，此時(shí)LCD顯示器顯示設(shè)定溫度，以便操作人員核對(duì)設(shè)定溫度并且檢查撥碼盤顯示的溫度是否與顯示器顯示的相符，然后溫度檢測電路將測試溫度輸入單片機(jī)，經(jīng)軟件濾波后取其平均值作為實(shí)測溫度，此后顯示器將一直顯示實(shí)測溫度。若實(shí)測溫度高于溫度最高限 Tmax1℃以上，則關(guān)加熱器；若實(shí)測溫度低于設(shè)定溫度Tmin1℃以內(nèi)，則打開加熱器；若實(shí)測溫度在 Tmax和Tmin之間，則系統(tǒng)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，自動(dòng)打開加熱器并以10s為一個(gè)控制周期，其中每個(gè)周期有2s加熱時(shí)間；若實(shí)測溫度低于設(shè)定溫度在1℃以上，則系統(tǒng)自動(dòng)打開加熱器并以10s為一個(gè)控制周期，其中每個(gè)控制周期內(nèi)加熱器全部在工作。負(fù)載<以加熱絲為例）溫度控制系統(tǒng)如圖 <1）所示：5/42熱放電大A/D阻器負(fù)單載SSR片機(jī)通轉(zhuǎn)通信換信口器線MAX485

LCD鍵盤看門狗E2PROM控制過程為：負(fù)載溫度由熱電阻測量，其信號(hào)送入放大器，毫伏信號(hào)經(jīng)放大后由A/D電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量，最后進(jìn)入主機(jī)電路。由主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、判斷分析，并對(duì)偏差按PID規(guī)律運(yùn)算后輸出數(shù)字控制量。與此同時(shí)，單片機(jī)還檢測通訊口是否有通訊信號(hào)，并判斷是接收還是發(fā)送。假如有通訊信號(hào)，就進(jìn)行中斷處理，沒就進(jìn)行控制處理。最后數(shù)值信號(hào)來控制三極管的導(dǎo)通與關(guān)斷，最終通過SSR對(duì)負(fù)載溫度進(jìn)行控制。另一方面，主機(jī)電路還輸出開關(guān)量信號(hào)，發(fā)生相應(yīng)的開關(guān)動(dòng)作，以驅(qū)動(dòng)顯示器，進(jìn)行數(shù)字顯示。同時(shí)系統(tǒng)還可以通過軟件分析控制信號(hào)，并等待上位機(jī)通信信號(hào)，根據(jù)上位計(jì)算機(jī)通信信號(hào)變化輸出狀態(tài)。本系統(tǒng)是以MCS-51系列單片機(jī)為控制單元,并采用熱電阻的橋式電路形式采集現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程溫度控制系統(tǒng).該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)新穎、電路簡單和控制方便等優(yōu)點(diǎn),溫度值顯示的精度1,并可根據(jù)需要設(shè)置控制溫度的上、下限,系統(tǒng)具有超過設(shè)置上、下限溫度自動(dòng)報(bào)警等功能.系統(tǒng)可以被廣泛地用于生產(chǎn)中的各領(lǐng)域,特別適合于人體無法接近的高溫或危險(xiǎn)場所的溫度控制。2.2 方案論證目前檢測溫度一般采用熱電偶或熱敏電阻作為傳感器，這種傳感器至儀表之間一般都要用專用的溫度補(bǔ)償導(dǎo)線，而溫度補(bǔ)償導(dǎo)線價(jià)格很貴，并且線路太長也會(huì)影響測量精度。在實(shí)際應(yīng)用中往往需要對(duì)較遠(yuǎn)處<1KM左右）的溫度信號(hào)進(jìn)行控制。現(xiàn)有的解決方案有很多，例如：可以用PLC以及相應(yīng)的接口器件來實(shí)現(xiàn)，但 PLC雖然功能強(qiáng)大，但成本相對(duì)單片機(jī)一般較高，而且單片機(jī)編程語言相對(duì)靈活的多，有C語言、匯編語言等，對(duì)于智能儀表，假如用PLC，就有點(diǎn)大材小用了，并且性價(jià)比差。而且在單片機(jī)技術(shù)和嵌入式技術(shù)高速發(fā)展的今天，智能儀表的設(shè)計(jì)有了更為靈活的實(shí)施手段，完全可以用單片機(jī)以極低的成本來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度控制。6/42第三章 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 溫度采集電路3.1.1 溫度測量元件熱電耦將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化，熱電阻是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化。在本設(shè)計(jì)中采用熱電阻來測溫，其主要是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理工作的，雖然事實(shí)上各種金屬材料的阻值都會(huì)隨溫度的變化而變化，但要利用它作為測量的熱電阻必須滿足以下要求：電阻溫度系數(shù)要盡可能大和穩(wěn)定，電阻率高，線性度好，并目前工業(yè)上常用的熱電式傳感器主要有熱電耦和熱電阻，熱電耦是且能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能。目前應(yīng)用多的熱電阻材料主要有鉑、銅、鎳、鐵等，這里使用鉑電阻，鉑熱電阻中的鉑絲純度用電阻比

W100

來表示，它是鉑熱電阻在

100℃時(shí)的阻值

R100與0℃時(shí)的阻值R0之比。按IEC標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)用鉑熱電阻的

W100>1.3 溫度測量電路本設(shè)計(jì)采用其橋式測量方法，電路圖如圖 <2）所示：圖<2）用熱電阻傳感器進(jìn)行測量時(shí)，一般與檢測儀表距離一般較遠(yuǎn)，因此熱電阻的引線對(duì)測量結(jié)果有很大影響。鉑電阻接入采用三線接法，正好消除引線電阻對(duì)測量精度的影響。圖中U8構(gòu)成增益可調(diào)的差動(dòng)運(yùn)算放大器，其中R5=R6=Rf=5K7/42R8=R9=R10=R11=RF=50KAW接入系數(shù)，該電路的理想閉環(huán)增益為KF81RF20111RfAwAw在調(diào)試時(shí)適當(dāng)選取AW的值，可使增益在一定范圍內(nèi)變化，在本設(shè)計(jì)中，取AW=1，則KF8=40。U9構(gòu)成反向比例運(yùn)算放大器R17 W1KF9R15調(diào)節(jié)W1的值，可調(diào)節(jié)其增益，兩個(gè)二極管D1和D2起限幅作用，使輸出控制在0～+5V內(nèi)變化，該電壓范圍即為單片機(jī)允許的模擬電壓輸入信號(hào)。3.2A/D 轉(zhuǎn)換電路3.2.1A/D 轉(zhuǎn)換芯片的選擇在選擇A/D時(shí)，分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間是首先考慮的指標(biāo)。選用高分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間短的A/D，可提高儀表的精度和響應(yīng)速度，但儀表的成本也會(huì)隨之提高。在確定分辨率指標(biāo)時(shí)，應(yīng)留有一定的余量，因?yàn)槎嗦烽_關(guān)、放大器、采樣保持器以及轉(zhuǎn)換器本身都會(huì)引入一定的誤差。A/D轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出方式和控制信號(hào)也是設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的。不同的芯片，其輸入端的連接方式不同。有單端輸入的，也有差動(dòng)輸入的。差動(dòng)輸入方式有利于克服共模干擾。有些芯片既可以單極性輸入，也可以雙極性輸入，這由極性控制端的接法來決定。在本設(shè)計(jì)中要求溫度的精度為 1℃，并具有一定的抗干擾能力，鑒于此，這里選用MC14433芯片，其引腳圖如圖<3）所示：8/42圖<3）MC14433是31位<BCD碼）雙積分A/D芯片，其分辨率相當(dāng)于二進(jìn)制11位，轉(zhuǎn)換速率23～10次/秒，轉(zhuǎn)換誤差是 1LSB，輸入阻抗大于100M 。該芯片的模擬輸入電壓范圍為0～1.999V或0～199.9mV。片內(nèi)的輸出鎖存器用來存放轉(zhuǎn)換結(jié)果，經(jīng)多路開關(guān)輸出多路選通脈沖信號(hào)DS1～DS4及BCD碼數(shù)據(jù)Q0～Q3。MC14433芯片的各引腳功能如下： VAG<引腳1）：被測電壓Vx和基準(zhǔn)電壓VR的接地端。VR<引腳2）：外接輸入基準(zhǔn)電壓<+2V或+200mV）.Vx( 引腳3>：被測電壓輸入端。R1、R1/C1、C1<引腳4、5、6）：外接積分電阻R1和積分電容C1元件端，外接元件典型值：①當(dāng)量程為2V時(shí)，C1=0.1F,R1=470K 。②當(dāng)量程為200mV時(shí)，C1=0.1F，R1=27K。9/42C01、C02<引腳4、5、6）：外接失調(diào)補(bǔ)償電容C0端，CO端的典型值為0.1 F。DU<引腳9）：更新輸出的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)果的輸入端。當(dāng)DU與EOC<引腳14）連接時(shí)，每次A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)果被更新。CLK1和CLK0：時(shí)鐘振蕩器外接電阻Rc端。Rc的典型值為470，時(shí)鐘頻率隨著Rc<引腳10、11）的增加而下降。VEE<引腳12）：模擬部分的負(fù)電源端，接 -5V。VSS<引腳13）：除CLK0端外所有輸出端的低電平基準(zhǔn)<數(shù)字地）。當(dāng)VSS接VAG<模擬地、數(shù)字地相連）時(shí)，輸出電壓幅度為VAG～VDD<0～5V）；當(dāng)VSS接VEE<-5V～+5V）時(shí)10V的幅值。實(shí)際應(yīng)用中，一般是VSS接VAG，即模擬地和數(shù)字地相連。EOC<引腳14）：轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志輸出。每當(dāng)一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換周期結(jié)束，EOC端即輸出一個(gè)寬度為時(shí)鐘周期1/2寬度的正脈沖。OR<引腳15）：過量程標(biāo)志輸出，平時(shí)為高電平。當(dāng) Vx>VR時(shí)<被測電平輸入絕對(duì)值大于基準(zhǔn)電壓），OR端輸出低電平。DS1 ～DS4<引腳19～16）：多路選通脈沖輸出端。 DS1對(duì)應(yīng)千位，DS4對(duì)應(yīng)個(gè)位。每個(gè)選通脈沖寬度為18個(gè)時(shí)鐘周期，兩個(gè)相鄰脈沖之間間隔兩個(gè)時(shí)鐘周期。Q0～Q3<引腳20～23）：BCD碼數(shù)據(jù)輸出線。其中，Q0為最低位，Q3為最選通期間高位。當(dāng)DS2、DS3和DS4選通期間，輸出三位完整的BCD碼，即0～9數(shù)字中的任一個(gè)都可.：VDD<引腳24）：正電源端，接+15V。MC14433外部電路連接的元件很少，但為提高其轉(zhuǎn)換精度，也必須注意外部電路的連接和外部元器件參數(shù)的選擇。 MC14433的輸入阻抗大于100M ，模擬輸入電壓范圍為0～ 1.999V或0～ 199.9mV，轉(zhuǎn)換誤差為 1LSB。片內(nèi)提供時(shí)鐘發(fā)生器，使用時(shí)只需外接一個(gè)電阻，也可采用外部輸入時(shí)鐘或外接晶體震蕩電路。片內(nèi)的輸出鎖存器用來存放A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，經(jīng)多路開關(guān)輸出多路選通脈沖信號(hào) DS1～DS4及BCD碼數(shù)據(jù)Q0～Q3。3.2.2MC14433外接電路設(shè)計(jì)典型的MC14433外部電路的連接方法如圖 4所示10/42圖4芯片正常工作電源為 5V，正電源接VDD，模擬部分負(fù)電源接VEE，模擬地VAG與數(shù)字地VSS相連為公共接地端。為了提高電源的抗干擾能力，正、負(fù)電源分別通過去耦電容0.047 F、0.02 F與VSS<VAG）端相連。在每一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC端都輸出一個(gè)1/2時(shí)鐘周期寬度的脈沖；而當(dāng)給DU端輸入一個(gè)正脈沖時(shí)，當(dāng)前A/D轉(zhuǎn)換周期的轉(zhuǎn)換結(jié)果將被送入輸出鎖存器，經(jīng)多路開關(guān)輸出；否則，將輸出鎖存器中原來的轉(zhuǎn)換結(jié)果。所以，EOC與DU短接，是將每一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果都輸出。外接元件參數(shù)的選定:積分電阻R1和積分電容C1的選取公式為VXmaxTR1VC1式中，VXmax為輸入電壓量程；V為積分器電容上的充電電壓幅值，其值為 V=VDD-VXmax-0.5V；11/42T為常數(shù)，其值為T=4000/fCLK。在這里，C1=0.1F，VDD=5V，fCLK=66KHz，VXmax=+2V時(shí)，則計(jì)算得R1=470K。外接失調(diào)補(bǔ)償電容固定為 0.1 F.外接鐘頻電阻Rc，當(dāng)Rc=470K 時(shí)fCLK≈66KHz；當(dāng)Rc=200K時(shí)，fCLK≈140KHz，一般取Rc=300K。其與8031的連接圖見整體硬件圖。3.38031 主機(jī)模塊的設(shè)計(jì)3.3.18031 芯片介紹如今我國在上述領(lǐng)域中應(yīng)用最多的是美國Intel公司的8位MC5-51系列單片機(jī)。MC5-51系列單片機(jī)有三種基本型號(hào)：8031，8051及87510它們的管腳及指令系統(tǒng)完全兼容，只是在結(jié)構(gòu)及特性方面有一些差異。其中8031是目前應(yīng)用最多的。通過對(duì)系統(tǒng)大致程序量的估計(jì)和系統(tǒng)工作速度的估計(jì)以及I/O口需求量的估計(jì)，考慮價(jià)格因素、元器件市場因素，選定8031單片機(jī)作為系統(tǒng)的主要控制芯片。其引腳圖如圖5所示：1P1.0VCC40239P1.1P0.0338P1.2P0.1437P1.3P0.25361P1.4P0.3635P1.5P0.457347P1.6P0.5883319P1.7P0.632RST/VPDP0.710315RXDP3.0EA/VPP01130812TXDP3.1ALE/PROG29INT0P3.2PSEN11328INT1P3.3P2.731427015T0P3.4P2.6268T1P3.5P2.51625WRP3.6P2.41724RDP3.7P2.31823XTAL2P2.21922XTAL1P2.12021VSSP2.0圖53.3.2 主機(jī)模塊設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊由于選用的是 8031，其內(nèi)部有 256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM，沒有程序存儲(chǔ)器12/42ROM，所以設(shè)計(jì)中擴(kuò)展了 8K×8位的電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器 E2PROM，以及2K×8位的RAM以存放PID控制過程中的數(shù)據(jù)。 E2PROM是電擦除可編程存儲(chǔ)器，掉電后信息不會(huì)丟失，+5V供電下就可進(jìn)行編程，而且對(duì)編程脈沖寬度一般無特殊要求，不需要特別專用的編程器和擦除器。故 E2PROM可以說是一種特殊的可讀寫存儲(chǔ)器。其接線電路如附錄所示：由整體接線電路，可以確定 RAM地址范圍為0000H～07FFH2．I/O擴(kuò)展芯片8155在硬件上，由于考慮到8031的I/O口比較緊張，所以增加了一塊I/O擴(kuò)展專用集成：8155。8155是一種可編程并行I/O口，具有功能強(qiáng)，與MCS-51單片機(jī)接口簡單等優(yōu)點(diǎn)。它是一個(gè)多功能的接口芯片，具有2個(gè)8位I/O口PA﹑PB，一個(gè)6為I/O口PC，又有256B的靜態(tài)RAM，還有一個(gè)14位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，被廣泛應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)中。8155與8031的接線圖如圖6所示：圖68155的地址編碼及工作方式為：在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，8155是按外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址的，為 16位地址，其高8位由片選線CE提供，CE＝0，選中該片。當(dāng)CE＝0，IO/M＝0時(shí)，選中8155片內(nèi)RAM，這時(shí)8155只能作片外RAM使用，其RAM的低8位編址為00H～FFH；當(dāng)CE＝0，IO/M＝1時(shí)，選中8155的I/O口，其端口地址的低8位由AD7～AD0確定。這時(shí)，A、B、C口的口地址低8位分別為01H、02H、03H<設(shè)地址無關(guān)位為0）。13/428155的A口、B口可工作于基本 I/O方式或選通I/O方式。C口可工作于基本 I/O方式，也可作為 A口、B口在選通工作方式時(shí)的狀態(tài)控制信號(hào)線。8155的I/O工作方式選擇是通過對(duì) 8155內(nèi)部命令寄存器設(shè)定控制字實(shí)現(xiàn)的。命令寄存器只能寫入，不能讀出，命令寄存器的格式如圖 7所示。00：空操作01：停止計(jì)數(shù)10：時(shí)間到則停止計(jì)數(shù)11：置入工作方式和計(jì)數(shù)長度后立即啟動(dòng)計(jì)數(shù)，若正在計(jì)數(shù)，溢出后按新的方式和長度計(jì)數(shù)0：禁止B口中斷1：允許B口中斷

定義端口A0：輸入0：禁止A口中斷 1：輸出1：允許A口中斷定義端口B0：輸入1：輸出定義端口 C00：ALT1、A口、B口基本輸入輸出， C口輸入01：ALT1、A口、B口基本輸入輸出， C口輸出10：ALT3，A口選通輸入輸出， B口基本輸入輸出PC0：AINTRPC1：ABFPC2：ASTBPC3～PC5：輸入輸出PC0：AINTRPC1：ABFPC2：ASTBPC3：BINTRPC4：BBFPC5：BSTB圖78155命令寄存器格式在本設(shè)計(jì)中，PA口用做鍵盤輸入接口，PB口用做溫度顯示接口，PC口用做溫度控制接口和輸出報(bào)警接口，其接口電路如整體圖所示?？刂瓶诘刂窞椋?700HPA 口地址為：1701HPB 口地址為：1702HPC 口地址為：1703H3.3.3 看門狗電路設(shè)計(jì)14/42圖8為了防止系統(tǒng)受干擾而使程序丟失,或者走進(jìn)死循還而使系統(tǒng)死機(jī),本設(shè)計(jì)加入了看門狗電路,以保證系統(tǒng)的可靠性。其電路連接如圖11所示。圖中當(dāng)P1.7為低電平時(shí),三極管Q2不導(dǎo)通,電流由"+5V-->R10-->C10-->地"對(duì)電容C1充電。當(dāng)P1.7為高電平時(shí),三極管Q2飽和導(dǎo)通,電容C10通過"Q2-->R12-->地"放電。這樣我們通過在程序運(yùn)行中定時(shí)對(duì)P1.7腳進(jìn)行置位和清零操作,便可以保持Q2集電極為低電平。當(dāng)程序進(jìn)入死循還,不能對(duì)P1.7口進(jìn)行置位操作,那么電路就會(huì)對(duì)電容持續(xù)充電,使Q2集電極電平持續(xù)上升,當(dāng)上升到高電平電壓時(shí),單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位,程序重新開始運(yùn)行,達(dá)到看門狗功能。電阻R11與電容C10值應(yīng)根據(jù)程序運(yùn)行情況選擇,R10越大,充電電流越小,電平上升時(shí)間就越長,反之則反。R13和D2起電源指示作用,R11和按鈕構(gòu)成手動(dòng)復(fù)位電路。3.4 溫度控制輸出模塊設(shè)計(jì)15/42圖9要控制負(fù)載上電壓的通斷，本設(shè)計(jì)選用了直流固態(tài)繼電器 SSR，它是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點(diǎn)開關(guān)器件，因此又被稱為無觸點(diǎn)開關(guān)。當(dāng)PC3輸出高電平時(shí)，固態(tài)繼電器控制輸出端導(dǎo)通，也就使得負(fù)載導(dǎo)通加熱.當(dāng)PC3輸出低電平時(shí)，固態(tài)繼電器輸出端截止，關(guān)閉加熱。3.5顯示模塊設(shè)計(jì)LCD液晶顯示器是一種低壓、微功耗的顯示器件，只要2～3V即可工作，而工作電流僅為幾個(gè)微安，這是其他任何顯示器件無法比擬的。同時(shí)它能顯示大量的信息，除可以顯示數(shù)字外，還可以顯示文字、曲線等，比傳統(tǒng)的七段碼LED顯示器顯示的界面有了質(zhì)的提高，在袖珍式儀器、儀表或低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。液晶顯示器的工作原理是在上、下玻璃電極之間封入向列型液晶材料，使液晶分子平行排列，上、下扭曲 90，再通過與上偏振片后形成偏振光。該偏振光通過平行排列的液晶材料后被旋轉(zhuǎn) 90，再通過與上偏振片垂直的下偏振片被反射極反射回來，呈透明狀態(tài)。當(dāng)上、下電極加上一定的電壓后，電極部分的液晶分子轉(zhuǎn)成垂直排列，失去旋光性，使電極從上偏振片入射的偏振光不被旋轉(zhuǎn)，光無法通過下偏振片返回，因而呈黑色。根據(jù)需要，將電極做成各種數(shù)字、文字、圖形，就可以獲得各種顯示形狀。本設(shè)計(jì)中選用的是16×1LCD，引腳圖如圖10所示：16/42圖10功能說明：開機(jī)時(shí)顯示“ 0000”，最后光標(biāo)在第一個(gè)“ 0”位置閃爍。3.6串行通信接口設(shè)計(jì)隨著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，通常由單片機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)，如儀器儀表、智能設(shè)備等，都需要與PC機(jī)之間交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)之間的通訊功能，以充分發(fā)揮PC和單片機(jī)之間的功能互補(bǔ)，資源共享的優(yōu)勢。以往常用的RS－232協(xié)議在很大程度上已不能滿足設(shè)計(jì)的要求，如傳輸速率慢，傳輸距離短<一般只用于20m以內(nèi)），傳輸信號(hào)易受外界的干擾等缺點(diǎn)，而且考慮到本設(shè)計(jì)通信距離遠(yuǎn)的緣故，本設(shè)計(jì)采用了一種性能優(yōu)越的RS－485接口芯片。3.6.1RS－485標(biāo)準(zhǔn)介紹RS－485標(biāo)準(zhǔn)定義一個(gè)基于單對(duì)平衡線的多點(diǎn)、雙向、半雙工通信鏈路，是一種極17/42為經(jīng)濟(jì)，并具有相當(dāng)高的噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共模范圍的通信平臺(tái)。它采用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸；最大傳輸距離可以達(dá)到1.2km；最大可連接32個(gè)驅(qū)動(dòng)器和收發(fā)器；接收器最小靈敏度可達(dá)±200mV；最大傳輸速率可達(dá)2.5Mb/s。RS485輸入、輸出都為TTL電平,+5V電源供電。由此可見，RS－485協(xié)議正是針對(duì)遠(yuǎn)距離、高靈敏度、多點(diǎn)通訊制定的標(biāo)準(zhǔn)。MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS－485芯片，其引腳圖如圖 11所示：圖11MAX485采用單一電源+5V工作，額定電流為 300μA，采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS－485電平的功能。其引腳結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。從圖中可以看出,MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡單,內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可；/RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)/RE為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端,當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機(jī)連接時(shí)接線非常簡單。只需要一個(gè)信號(hào)控制MAX485的接收和發(fā)送即可。同時(shí)將A和B端之間加匹配電阻，一般可選100Ω的電阻。用8031單片機(jī)實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)之間的通訊時(shí)，由于設(shè)計(jì)采用的RS－485標(biāo)準(zhǔn)通信口，而微機(jī)一般用的是RS－232標(biāo)準(zhǔn)，必須使用電平轉(zhuǎn)換接口芯片，并且單片機(jī)的I/O端口輸出的是TTL電平<+5V為“1”，-5V為“0”），與RS－485標(biāo)準(zhǔn)電平一致，而與RS－232標(biāo)準(zhǔn)不符合，工作方式及工作機(jī)理也也有差別。若想利用微機(jī)現(xiàn)成的COM1、COM2串行口實(shí)現(xiàn)RS－485標(biāo)準(zhǔn)通信，必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。單片機(jī) <下位機(jī)）與PC機(jī)<上位機(jī)）的RS－485標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)距離通信原理如框圖 13所示：圖12單片機(jī)<下位機(jī)）與PC機(jī)<上位機(jī)）的RS－485標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)距離通信原理為：單片機(jī)將18/42收集到的數(shù)據(jù)以TTL電平的數(shù)據(jù)信號(hào)送入到RS－485<Ⅰ）中，而RS－485<Ⅰ）將TTL電平的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成差模信號(hào)送出，經(jīng)RS－485傳輸線送到RS－485<Ⅱ）中，RS－485<Ⅱ）將差模信號(hào)轉(zhuǎn)換成共模信號(hào)輸出，并通過電平轉(zhuǎn)換送到PC機(jī)的串行口COM中，在PC機(jī)顯示器中顯示出數(shù)據(jù)來。同理，PC機(jī)發(fā)出指令并通過串行口COM輸出一串共模信號(hào)輸出，并通過RS－485傳輸線送到RS－485<Ⅰ），經(jīng)RS－485<Ⅰ）將TTL差模信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平的數(shù)據(jù)信號(hào)送到單片機(jī)，由單片機(jī)去完成各種控制指令，這樣就完成了單片機(jī)與PC機(jī)串口的遠(yuǎn)程通信任務(wù)。在本設(shè)計(jì)中RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器采用了常用的MAX203E芯片，其優(yōu)點(diǎn)是外圍無需接任何元器件便能正常工作，它能將RS-232標(biāo)準(zhǔn)的電平轉(zhuǎn)換成TTL電平，同時(shí)也能將TTL的電平轉(zhuǎn)換為RS-232標(biāo)準(zhǔn)的電平。其硬件連接圖如圖13所示：圖133.6.2. 通信協(xié)議<1）通訊口設(shè)置通訊方式：RS-485標(biāo)準(zhǔn)電平同步方式：起停同步方式波特率：9600BPS通訊距離：不大于 1200M通訊線：二線數(shù)據(jù)代碼：ASCII碼數(shù)據(jù)格式：每字符 10位，1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位<2）數(shù)據(jù)傳輸格式地址：2字節(jié)<高字節(jié)在前，低字節(jié)在后）；數(shù)據(jù)：按地址順序，儀表數(shù)據(jù)傳輸格式為十六進(jìn)制 2字節(jié)定點(diǎn)數(shù)；2字節(jié)定點(diǎn)數(shù)=低字節(jié)高4位<ASCII碼）+低字節(jié)低4位<ASCII碼）19/42高字節(jié)高4位<ASCII碼）+高字節(jié)低4位<ASCII碼）若數(shù)據(jù)為負(fù)數(shù)，則采用補(bǔ)碼方式傳輸；在傳輸實(shí)時(shí)測量值時(shí)，傳輸完2字節(jié)定點(diǎn)數(shù)后，緊接著又傳輸2字節(jié)定點(diǎn)數(shù)，其中高字節(jié)低4位為小數(shù)點(diǎn)位數(shù)。例 ：<50.0）10表示為4634303130303031低字節(jié) 高字節(jié) 小數(shù)位數(shù)<3）儀表通訊格式：@ DE 幀類型 幀數(shù)據(jù) CRC CR@ ：通訊起始符DE ：儀表設(shè)備號(hào)<地址）幀類型 ：操作命令幀數(shù)據(jù) ：各種操作命令所對(duì)應(yīng)的命令及數(shù)據(jù)CRC：校驗(yàn)字節(jié)<除@外CRC之前的其他幾個(gè)字節(jié)的異或值）CR ：結(jié)束符<回車符）<4）應(yīng)用中用到的命令及數(shù)據(jù)格式：讀儀表全部動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)命令幀 @DERDCRCCR命令回送幀 正確 @DERD幀數(shù)據(jù) CRCCR錯(cuò)誤 @DE**CRCCR3.7 開關(guān)電源的設(shè)計(jì)3.7.1 參數(shù)計(jì)算本設(shè)計(jì)的的電源設(shè)計(jì)要求為：除給系統(tǒng)提供5V、1A的電源外，還可向外提供24V、1A的隔離型開關(guān)電源以備外部開關(guān)量使用，應(yīng)設(shè)計(jì)為多路輸出的開關(guān)電源。確定在使用開關(guān)電源作為本設(shè)計(jì)的電源設(shè)計(jì)方案時(shí)，就需要設(shè)計(jì)一個(gè)符合本設(shè)計(jì)要求的24V、1A的開關(guān)電源。經(jīng)過查閱資料，沒有直接符合本設(shè)計(jì)的電源模塊，所以要自行設(shè)計(jì)一個(gè)，主要設(shè)計(jì)過程如下：1、確定開關(guān)電源的基本參數(shù) :1>、交流輸入電壓最小值 UMmin為195V2>、交流輸入電壓最大值 U 為256VMAX3>、電網(wǎng)頻率fi:50Hz或60Hz4>、開關(guān)頻率f：100KHz5>、輸出電壓Uo(v>: 以知24V6>、輸出功率Po(w>: 以知24W7>、電源效率:一般?。福埃?0/428>、損耗因數(shù)Z:Z代表二次饒住損耗值的比值 ,典型值是0.5２、根據(jù)輸出要求,選擇反饋電路的類型以及反饋電壓 UFB從基本反饋電路、改進(jìn)型反饋電路、配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路、配 TL431的光耦電路四種反饋電路中選擇最后一種電路，并確定其反饋電壓為 12V。3. 確定輸入電容值1) 根據(jù)u令整流橋的響應(yīng)時(shí)間 tC=3ms2) 根據(jù)輸入電壓,從表1查值CIN3) 得到UImin的值表1確定CIN、UImin的值交流輸入電PO/W比例系數(shù)CIN/uFUImin/V壓/(uF/W>固定輸入以知2-3(2-3>PO/W90通用個(gè)輸入以知2-3(2-3>PO/W90固定輸入以知11PO/W2404、根據(jù)輸入電壓確定UOR、UB的值1>根據(jù)輸入電壓，確定，UB=200VUOR=135V2）第20步將用到UB的值來選擇瞬變電壓抑制器 <TVS）的型號(hào)3）TOPSwitch關(guān)斷且二次側(cè)電路處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，二次側(cè)電壓會(huì)感應(yīng)到一次側(cè)繞組上。感應(yīng)電壓UOR與UI相疊加后，加至內(nèi)部功率開關(guān)管 <MOSFET）的漏極上。此時(shí)一次繞組漏感釋放能量，并在漏極上產(chǎn)生尖峰電壓 UL。由于上述不利情況同時(shí)出現(xiàn)，極易損壞芯片，因此須給一次側(cè)繞組增加鉗位保護(hù)電路，利用 TVS器件來吸收尖峰電壓的瞬時(shí)能量,使上述三種電壓之和不超過漏 -源擊穿電壓U(BR)DS的值5、根據(jù)UOR、UImin的值來確定最大占空比 DmaxDmax計(jì)算公式為:Dmax=UOR100%(3-1>UIminUDS(ON)UOR21/421>、MOSFET的通態(tài)漏-源電壓UDS(ON)=10V。2> 、應(yīng)在u=umin時(shí)確定Dmax若將UOR=135V、UImin、UDS(ON)=10V一并帶入式(3-1>中,可計(jì)算出Dmax=64.3%,這與典型值67%非常接近.Dmax隨著u的升高而減小,例如當(dāng)u=umin=265V時(shí),Dmax=34.6%。6、確定一次繞組脈動(dòng)電流 IR與一次繞組峰值電流 IP的比值KRP定義比例系數(shù)KRP

IR/IP

(3-2>1 ）當(dāng)

u確定之后，

KRP有一定的取值范圍。在

AC110/115V或?qū)挿秶妷悍秶斎霑r(shí)，可選

KRP=0.4,

當(dāng)AC230V輸入時(shí)，取

KRP=0.6）在整個(gè)迭代過程中，可適當(dāng)增大KRP的值，但不得超過最大值1.0。7、確定一次繞組波形參數(shù)計(jì)算下列參數(shù)<電流參數(shù)均取A）：）輸入電流的平均值IAVGIAVGP0=0.63A(3-3>UImin）一次繞組峰值電流IPIPIAVG=0.648A(3-4>(10.5KRP)DMAX）一次繞組脈動(dòng)電流IR=0.72A[見式3-2]）一次繞組有效電流IRMSIRMS=IPDMAX(KRP2KRP1)=0.42A(3-5>38、根據(jù)電子數(shù)據(jù)表格和所須 IP值，選擇TOPSwitch芯片）所選極限電流最小值應(yīng)滿足下式0.9ILIMT(min)IP(3-6>22/42）若芯片散熱不良，則選擇功率稍大一些的芯片。9、計(jì)算芯片的結(jié)溫 Tj）按下式計(jì)算結(jié)溫Tj=[IRMS2RDS(ON)1CXT(UIMAXUOR)2f]RA+25(3-7>2式中，CXT是漏極結(jié)點(diǎn)的等效電容。公式中括號(hào)內(nèi)第二項(xiàng)代表當(dāng)交流輸入電壓較高時(shí)，由于CXT不斷被充放電而引起的開關(guān)損耗，可用 PCXT表示。2）計(jì)算過程中若發(fā)現(xiàn) Tj>100℃，應(yīng)選功率較大的 TOPSwitch芯片。10、驗(yàn)算IP公式為IP0.9ILIMT(min)(3-8>1>輸入新的KRP值且從最小值開始迭代直到KRP=1.02>檢查IP值是否符合要求。3>迭代KRP=1.0或IP=0.9ILIMIT(min)11、計(jì)算一次繞組電感量LP一次繞組電感量由下式確定LP=106P0Z(1)=19944(3-9>IP2KRP(1KRP)f2式中，LP的單位取H.12、設(shè)定一次繞組層數(shù) d和二次繞組匝數(shù)NS的初值并計(jì)算NS的值設(shè)定d=2層。計(jì)算計(jì)算二次繞組NS時(shí)，對(duì)于或?qū)挿秶斎霑r(shí)取0.6匝/V,AC230V現(xiàn)以知UO=24V,考慮到二次側(cè)肖特基整流管上還有0.4V的正向壓降UF1,因此二次繞組匝數(shù)為(U0+UF1>0.6匝/V=14.64 匝。由于二次繞組上和還存在導(dǎo)線電阻，也會(huì)形成壓降，實(shí)取 NS=15匝。亦可根據(jù)二次繞組每伏匝數(shù)和 UF1的值，直接計(jì)算 NS的值。23/4213、計(jì)算一次組匝數(shù)NP和反饋繞組匝數(shù)NFNUOR(3-10>P=NSUOUF1將UOR=85V,UO=24V,UF1=0.4V,NS=15匝一同帶入式<-10）中計(jì)算出，NP=52.3匝。實(shí)取53匝。再計(jì)算反饋繞組匝數(shù)NF=NSUFBUUOU

F2(3-11>F1將NS=15匝,UFB=10.4,UF2=0.7V,UO=24V,UF1=0.4V代入式<-11）中計(jì)算出，NF=6.8匝，實(shí)取7匝。14、計(jì)算磁芯中的最大磁通密度 BM100IPLP<3-12）BM=NPSJ將IP=0.648A,LP=623H,NP=53匝，磁芯有效橫截面積SJ=0.41cm2代入式<-12）中計(jì)算出，BM=0.185T。實(shí)取BM=0.2085T。需要指出，如若 BM>0.3T，則需增加磁心的橫截面積或增加一次繞組的匝數(shù)，使BM在0.2-0.3的范圍內(nèi)。如BM<0.2T，就應(yīng)選則較小的磁心或減小NP的值。15、計(jì)算磁芯的氣隙寬度和留有氣隙時(shí)磁芯的等效電感ALGNP21(3-13>=40SJ()1000LP1000AL式中，的單位是mm。將NP=53匝，SJ=0.41cm2,LP=623H,磁芯不留間16、計(jì)算DPM、DPM的值根據(jù)一次繞組層數(shù)d、骨架寬度b和安全邊距M，首先用下式計(jì)算有效骨架寬度<單位是：mm）：bEd(b2M)(3-15>將d=2,b=8.43mm,M=0代入式<-15）中求得:bE=16.86mm。24/42再利用下式計(jì)算一次繞組導(dǎo)線的外徑 <帶絕緣層）DPM:bEDFM (3-16>NP將bE=16.86mm,NP=53匝，代入式<-16）中求得DPM=0.31mm，扣除漆皮后裸導(dǎo)線的內(nèi)徑。DPM=0.26mm。17、計(jì)算一次繞組導(dǎo)線的電流密度J并判斷其是否滿足條件計(jì)算電流密度的公式為J=19801.28IRMS(3-17>1.27DP2(1000)2DP24IRMS25.4將DPM=0.26mm,IRMS=0.32A代入式<-17）中得到J=6.06A/mm2。若J>10A/mm2，應(yīng)選較粗的導(dǎo)線和較大的磁心骨架，使J<10A/mm2。若J<4A/22，宜可適當(dāng)增加的匝數(shù)。mm，應(yīng)選較細(xì)的導(dǎo)線和較小的磁心骨架，使J>4A/mm1）ALG值必須在選好NP值以后才能確定。2）如上所述，高頻變壓器的設(shè)計(jì)是一個(gè)多次迭代的過程。例如當(dāng)NP改變后，NS和NF的值也一定會(huì)按一定的比例變化。此外，在改變磁芯尺寸時(shí)，需對(duì)J、BM、等參數(shù)重新計(jì)算，以確信它們?nèi)卧诮o定范圍之內(nèi)。18、確定二次繞組參數(shù)ISP、ISRMS、IRI、DSm、DSM1）計(jì)算二次繞組峰值電流 ISP二次繞組峰值電流取決與一次繞組峰值電流以及一、二次繞組匝數(shù)比，有公式ISP=IPNP(3-18>NS將IP=0.648A,NP=53匝，NS=15匝代入式<-18）中得到，ISP=2.29A2）計(jì)算二次繞組有效電流值 ISRMS二次繞組紋波電流與峰值電流的比例系數(shù) KRP 與一次繞組完全相同，區(qū)別僅是對(duì)二次繞組而言， KRP 反映的是二次繞組電流在占空比為 <1-DMAX）時(shí)的比例系數(shù)。因25/42此，計(jì)算二次繞組有效值電流 時(shí)，需用下面的公式ISRMS=ISP(1DMAX)(KRP2KRP21)(3-19>3將ISP=2.29A,DAMX=51%,KRP=0.4代入式<-19）中求得，ISRMS=1.27A。3）計(jì)算輸出濾波電容上的紋波電流 IRII RI= ISRMS2 IO2 <3-20 ）將ISRMS=1.27A，IO=1A代入式<-20）中求得IRI=0.79A。最后計(jì)算二次繞組裸導(dǎo)線直徑，有公式DSm=4ISRMS198025.41.13ISRMS(3-21>1.27J1000J將ISRMS=1.27A，J=5.18A/mm2，代入式<-21）中求得DSm=0.56mm。實(shí)際選0.600mm的公制線規(guī)。需要指出，當(dāng)DSm>0.4mm時(shí)，應(yīng)采用0.4mm的兩股導(dǎo)線雙線并繞 NS匝。與單線粗導(dǎo)線繞制方法相比，雙線并繞能增大二次繞組的等效橫截面積，改善磁場耦合程度，減小磁場泄漏及漏感。此外，用雙線并繞方式還能減小二次繞組導(dǎo)線的電阻值，降低功率損耗。若選用三重絕緣線來繞制一次繞組，則導(dǎo)線外徑 <單位是mm）的計(jì)算公式為DSM=b2M(3-22>NS將b=8.43mm,M=0,NS=15匝代入式<-22）中求得，DSM=0.562mm可選導(dǎo)線直徑DSm0.56mm而絕緣層外徑DSM0.562mm的三層絕緣線。19、確定二次側(cè)整流管、反饋電路整流管的最高反向峰值電壓：U(BR)S、U(BR)FB有公式NSU(BR)S=UO+UIMAXNP(3-23>U(BR)FB=UFB+UIMAXNF(3-24>NP將UO=24V,UFB=10.4V,UIMAX=375V,NS=15匝,NP=53匝,NF=7匝,分別代26/42入以上兩式中求得，U(BR)S=130.1V, U(BR)FB=59.92V。20、選擇鉗位二極管和阻塞二極管根據(jù)交流輸入電壓220V，可確定鉗位二極管P6KE200，阻塞二極管BYV26C。對(duì)于低功率的TOP200、TOP201、TOP210型單片開關(guān)電源，可選180V的瞬變電壓抑制器。21、選擇輸出整流管輸出整流管宜采用肖特基二極管，此類管子的壓降低、損耗小，能提高電源效率。22、利用步驟20得到的IRI，選擇輸出濾波電容 COUT1）濾波電容在105、100KHz時(shí)的紋波電流應(yīng) IRI。2）要選擇等效串聯(lián)電阻很低的電解電容。等效串聯(lián)電阻的英文縮寫為 ESR，符號(hào)為rO。它表示在電容器的等效電路中，與之相串聯(lián)的代表電容器損耗的等效電阻，簡稱串聯(lián)損耗電阻。輸出的紋波電壓URI由下式?jīng)Q定URI=ISPrO式中，ISP由步驟20決定。3>為減少大電流時(shí)的紋波電流 IRI，可將幾只濾波電容串聯(lián)使用，以降低電容的rO值和等效電感LO 。4>COUT的容量與最大電流輸出時(shí)的紋波電流 IOM有關(guān)。例如：當(dāng) UO=5-24V、IOM=1A時(shí)，COUT取330 F/35V，IOM=2A時(shí)COUT應(yīng)取1000 F/35V。23、當(dāng)輸出端的紋波電壓超過規(guī)定值時(shí)，應(yīng)再增加一級(jí) LC濾波器24、選擇反饋電路中的整流管整流管類型主要有玻封高速開關(guān)硅二極管IN4148<國產(chǎn)）、超快恢復(fù)二極管BAV21<飛利普）和UF4003<GI），但前者最高反向工作電壓URM為75V，后者為200V。由關(guān)系式URM1.252umax(3-26>可確定反饋電路的整流管選用玻封高速開關(guān)硅二極管 IN4148。25、選擇反饋濾波電容應(yīng)取0.1 F/50V的陶瓷電容器。26、選擇控制端電容及串聯(lián)電阻27/42控制端電容一般取 47F/10V，普通電解電容即可。與之相串聯(lián)的電容可選6.2 /0.25W。在不連續(xù)模式下可去掉此電阻。3.7.2 電源電路圖圖14第四章 軟件設(shè)計(jì)4.1 流程圖設(shè)計(jì)4.1.1 軟件設(shè)計(jì)思想本設(shè)計(jì)主要控制過程為：首先先通過 8155PA口鍵盤設(shè)定溫度最高限 Tmax和最底限28/42Tmin，然后以66KHZ的頻率采集溫度信號(hào)并濾波，通過MC14433進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行溫度控制。將實(shí)際溫度T與先與Tmax進(jìn)行比較，如果T>Tmax,則清PC0口，停止加熱；如果小于，再與Tmin計(jì)較，T>Tmin，則進(jìn)行PID控制，不然則將PC0口置1，開啟加熱，并將實(shí)際溫度值送LCD輸出顯示。與此同時(shí)，單片機(jī)還一直檢測串行口，看是否有通訊信號(hào)。若有信號(hào)顯示，則產(chǎn)生中斷，判斷是接收信號(hào)還是發(fā)送信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)處理。若無通訊信號(hào)，則繼續(xù)采集溫度信號(hào)。為防止程序進(jìn)入死循環(huán)，設(shè)計(jì)還設(shè)有看門狗電路，前面已有所介紹，這里不再敘述。4.1.2 主程序流程圖主程序主要包括 8031本身的初始化、串行口初始化、中斷系統(tǒng)初始化等等。大體來說，本程序包括設(shè)置有關(guān)溫度參數(shù)、數(shù)據(jù)采集和溫度 PID控制、溫度顯示等程序。其流程圖如圖15所示：29/42圖154.1.3 鍵盤掃描子程序在本設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際需要，共設(shè)有 4個(gè)按鍵，分別為：S1：上升鍵，在設(shè)定溫度最高限和最底限時(shí)控制溫度的上升。S2：下降鍵，在設(shè)定溫度時(shí)控制溫度的下降。S3：確定鍵，在設(shè)定好溫度最高限和最低限后確定。S4：復(fù)位鍵，使用此鍵可以實(shí)現(xiàn)對(duì)最高限和最底限溫度值的更改。其流程圖如圖16所示：圖164.1.4 數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計(jì)中采用MC14433進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，DU端與EOC端相連，以選擇連續(xù)方式，每次轉(zhuǎn)換結(jié)果都送至輸出寄存器。

EOC是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的輸出標(biāo)志信號(hào)。本設(shè)計(jì)將 EOC端與30/428031外部中斷輸入端INT1相連，所以讀取 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果采用中斷方式，其流程圖如圖所示：圖17MC14433上電后，即對(duì)外部模擬輸入電壓信號(hào)進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，由于EOC斷與DU端相連，故每次轉(zhuǎn)換完畢都有相應(yīng)的 BCD碼及相應(yīng)的選通信號(hào)出現(xiàn)在 Q0～Q3和DS1～DS4上。當(dāng) 8031開放CPU中斷時(shí)，允許INT1中斷申請(qǐng)，并置外部中斷為邊沿觸發(fā)方式，在執(zhí)行此程序后，且每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，都將把A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)送入片內(nèi)RAM中的20H、21H單元。這兩個(gè)單元均可位尋址。量程出錯(cuò)標(biāo)志位為10H。4.1.4 溫度控制子程序根據(jù)上述控制機(jī)理，其流程圖如圖 18所示：31/42圖18其中PID控制采用的是FUZZY-PID控制?；贔UZZY邏輯推理的PID控制器是以控制專家整定PID控制器參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)為基礎(chǔ)，通過對(duì)系統(tǒng)過渡過程模式的在線識(shí)別，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行自整定，其算法流程如圖19所示：PID 參數(shù)的FUZZY自動(dòng)調(diào)整思想是依據(jù)被控對(duì)象的響應(yīng)在采樣時(shí)刻的誤差 E和誤差的變化率EC兩個(gè)因素來確定參數(shù)調(diào)整量的極性和大小的。本質(zhì)上，同時(shí)兼顧了被控對(duì)象響應(yīng)的“靜態(tài)性能”和響應(yīng)的“動(dòng)態(tài)性能”兩個(gè)因素，既看現(xiàn)狀，也看動(dòng)向。32/4233/42圖194.1.5 串行通訊子程序根據(jù)通信協(xié)議，通信串行口工作于同步起停模式，用定時(shí)器T1做波特率發(fā)生器。幀格式：一個(gè)起時(shí)位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)停止位。用T1定時(shí)器產(chǎn)生9600波特率，晶體振蕩器的頻率為12MHZ，T1的計(jì)數(shù)初值為0E8H，程序流程圖如圖20所示：圖204.2 程序單片機(jī)用匯編語言編程的優(yōu)點(diǎn)是操作方便，直觀。根據(jù)目前自身能力，以及設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，這里采用匯編語言，程序?yàn)椋篛RG 0000HLJMP

MAINORG

0003H

。外部中斷

1人口地址LJMP

INT1ORG

000BH

。定時(shí)中斷

0人口地址LJMP

T0INTORG

0013H

。外部中斷

1人口地址LJMP

INT1INTORG

001BH

。定時(shí)中斷

1人口地址LJMP

T1INTORG

0023H

。串口中斷人口地址34/42LJMP SIOINTORG 0100HMAIN: MOV R0,#20H 。數(shù)據(jù)存放首地址MOV TL0,#18H 。(TL0>=(TH0>=38H,2ms,(12MHz>MOV TH0,#0FCH 。T0工作于方式2MOV TMOD,#01H 。T0:Mode2記數(shù)方式控制寄存器MOV TCON,#55H 。記數(shù)器控制寄存器MOV DPTR,#1700H。啟動(dòng)8155MOV A,#17HMOVX@DPTR,AKEY：MOVDPTR，1700H ；送控制口地址MOVA ，#OEH ；方式控制字送 AMOVX@DPTR,AMOVX DPTR,#1701H 。PA口地址MOVX A ，@DPTR ；讀鍵盤狀態(tài)MOV R1,AACALL T6ms ；消抖CJNE A ，R0，D0D0CJNE A ，#160EH，KEY2；LJMP KEY1KEY2 ：CJNE A，160CH，KEY3LJMP KEY2KEY3 ：CJNE A，160AH，KEY4LJMP KEY3KEY4 ：CJNE A，1608H，D0D0LJMP KEY4D0D0 ：RETT6ms:MOV R2,#06HINT1:SETBIT1 。置外部中斷1為邊沿觸發(fā)方式SETBEA ；開放CPU中斷SETBEX1 ；允許外部中斷 1中斷AINT:MOV B,P1 。 開啟A/D轉(zhuǎn)換JNB ACC.4 ，AINI1；判斷DS1CLR 06H ；20H的D6和D5置0CLR 05HJB ACC.0 ，AER ；被測電壓超量程，轉(zhuǎn) AERJB ACC.2 ，AI1 ；極性為正轉(zhuǎn)AI1SETB 07H ；極性為負(fù)，20H單元第4位置1AJMP AI2AI1：CLR 07H35/42AI2：JB ACC.3，AI3 ；千位為0轉(zhuǎn)AI3SETB 04HAJMP AI4AI3：CLR 04HAI4：MOV B,P1JNB ACC.5 ，AI4 ；判斷DS2MOV R0 ，#20HXCHO ：B，@R0。百位送20H單元的第0～3位AI5：MOV B,P1JNB ACC.6 ，AI5 ；判斷DS3SWAP BINC R0MOV@R0 ，B ；十位送21H單元的第4～7位AI6：MOV B,P1JNB ACC.7 ，AI5；判斷DS4XCHO：B，@R0。個(gè)位送21H單元的第0～3位RETIAER：SETB10H ；置量程錯(cuò)誤標(biāo)志位，報(bào)警FILTER：MOV B,2CH ；中值濾波CJNEB ，2DH，COMPARE1AJMPCOMPARE2COMPARE1：JNCCOMPARE2XCHB ，2DHXCHB ，2CHCOMPARE2：MOVB,2DHBJ ：MOV30H，Tmax 。上限溫度存入30HMOVTmax ，#01HMOV31H ，Tmin ；下限溫度存入 31HCJNEB ，Tmax，J1 ；不等跳轉(zhuǎn)J1 ：JCNEXT0 ；B<Tmax跳轉(zhuǎn)MOVDPTR，1703HMOVA ，#00H ；PCO清0，停止加熱NEXT0：CJNEB，Tmin，J2J2 ：JCNEXT1 ；B<Tmin跳轉(zhuǎn)AJMPFRID ；溫度沒超限，則轉(zhuǎn) PID控制NEXT1：MOVDPTR，1703HMOVA ，#01H ；加熱FRID：MOV R5，31H ；uk送R4R5MOV R4 ，32HMOV R3 ，2AH ；ui<k）送R2R3MOV R2 ，#00H36/42ACALLCPL1；取ui<k）的補(bǔ)碼ACALLDSUM；計(jì)算E<K）MOV39H，R7；E<K）送39H和3AH單元MOV3AH，R6MOVR5，35H；Ki送R5R4MOVR4，36HMOVR0，#4AH；積起始地址4AH送R0ACALLMULT1；計(jì)算Pi=Ki·E<K）MOVR5，39H；E<K）送R5R4MOVR4，3AHMOVR3，3BH；E<K-1）送R3R2MOVR2，3CHACALLCPL1；對(duì)E<K-1）求補(bǔ)ACALLDSUM報(bào)；求[E<K）-E<K-1）]MOVR5，33H；Kp送R5R4MOVR4，34HMOVR0，#46H；積起