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1、目录引言11 概况及现状分析11.1概况11.2温度测控技术的发展与现状分析22 总体电路设计32.1系统性能要求及特点32.2系统硬件与软件方案分析43.系统硬件设计53.1系统硬件总体结构53.2主控模块器件选型及设计63.2.1单片机的选用及介绍63.2.2主控模块设计73.3输入通道设计83.3.1 Ptl00温度传感器83.3.2A/D转换103.4输出通道设计123.4.1电阻炉的功率调节方式123.4.2可控硅输出电路143.5串行通信接口电路143.6电源电路153.7硬件抗干扰系统164 软件设计164.1软件组成174.2主程序模块174.3数据采集模块194.4显示处理模
2、块195控制方案205.1PID控制的发展205.2PID控制理论215.3PID控制算法226总结24参考文献：25附件126附件226基于单片机的食品加工机温控系统摘要：在食品加工中，需要对温控箱中的温度进行检测和控制。本文针对食品加工机温度控制的要求，设计了基于AT89C52单片机的食品加工机温度控制系统。该温度控制系统采用Pt100温度传感器采集温度，通过LED显示器显示温度。硬件上充分考虑了抗干扰措施，软件上用了PID控制算法，并给出了硬件结构图与软件流程。本设计具有控制简单、方便和灵活性大、精度高等特点。关键词：温度控制；单片机；PID引言单片机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞
3、生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，被广泛应用到食品加工机的控制中。使产品小型化、智能化，既提高了食品加工机的功能与质量，又降低了成本，简化了设计。本文介绍了单片机在食品加工机温控系统中的应用。温度是生活及生产过程中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。在生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。1所以在本文中提出了PID控制，达到对温度的高精度控制。1 概况及现状分析1.1概况民以食为天。在食品加工过程中温度是一个非常重要的控制量。对于需要冷藏处理的食品温度达不到要求，食品就会腐败影响到食品安全；对于需要加热的
4、食品，在加工初期温度过高会引起微生物繁殖、蛋白质变性；对于烘烤类食品温度过低会使加热时间过长，且达不到预期的口感，温度过高会使食品烤焦，甚至产生安全问题。所以对食品加工过程中温度的精确控制是至关重要的。 2在食品加工中要对加热炉进行温度控制。然而，用常规的控制方法，潜力是有限的，难以满足较高的性能要求。采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。3因此，单片机对温度的控制是食品生产中经常会遇到的控制问题。同时,温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。然而，高精度温度控制的难度比较大
5、，而且不同的应用环境也需要不同的控制策略。1.2温度测控技术的发展与现状分析近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是：简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度；但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实
6、现温度测量的方法，其优点是：不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。因此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。从工业温度控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：（1）定值开关控温法所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热源（或冷却装置）进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置
7、；若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使系统温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。（2）PID线性控温法这种控温方法是基于经典控制理论中的调节器控制原理，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数
8、学模型的确定性控制系统。由于PID调节器模型中考虑了系统的误差，误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温法。其具体电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。前者称为模拟PID调节器，后者称为数字PID调节器。其中数字PID调节器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数（即比例值、积分值、微分值）。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须
9、相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。4（3）智能温度控制法为了克服PID线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整PI参数的方法，如PID参数的自学习，自整定等等。并通过将智能控制与PID控制相结合，从而实现温度的智能控制。智能控温法采用神经元网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器，可以更好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。5所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应P
10、ID算法的温度控制仪表。目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的温控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定等。针对上述不足，本文以探索新的PID自整定方法为目的，设计和开发一种新型电阻炉智能温度控制仪，以简化控制电路，提高系统运行的可靠性。2 总体电路设计2.1系统性能要求及特点 在食品加工过程中，对于不同的原料不同的生产需求，需要采取不同的加工工艺。有的食品原料需要进行冷冻处理，有的食品原料需要进行加热处理。同时食品
11、加工中的温度控制有动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化；恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度(即稳态误差)不能超过某允许值。6本文所讨论的基于单片机的食品加工机温度控制系统就是要实现对温控箱的恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。所以该系统的性能要求及特点如下：(1)系统性能要求：(a)可以人为方便地通过控制面板或PC机设定控制期望的温度值，系统应能自动将温控箱加热至此设定温度值并能保持，直至重新设定为另一温度值，即能实现温度的自动控制；(b)能够实现对温控箱温度的测量并且通过控制
12、面板上的显示器显示出来；(c)具有自动加热保护功能的安全性要求。如果实际测得的温度值超过了系统要求的温度范围，就停止加热。(d)系统可靠性高，不易出故障；(e)尽量采用典型、通用的器件，一旦损坏，易于在市场上买到同样零部件进行替换。(f)模块化设计，安装拆卸简单，维修方便；(2)系统特点：鉴于上述系统功能要求以及智能仪表应具有的体积小、成本低、功能强、抗干扰并尽可能达到更高精度的要求。本系统在硬件设计方面具有如下特点：控制主板采用AT89C52作为核心芯片。作为与MCS-51系列兼容的单片机，无论在运算速度，还是在内部资源上均可胜任本系统的性能要求。7根据温控箱测温范围的要求，本系统适合采用P
13、tl00铂电阻作为温度传感器，而Ptl00铂电在大温度范围内测温时表现出的不可忽视的非线性不容忽视，因此在温度测量的过程中必须对铂电阻温度传感器的非线性进行优化，从而提高系统温度测量的精确度。本文采用最小二乘法拟合的方法对铂电阻的非线性进行优化。8为了简化系统硬件，控制量采用双向可控硅输出，这样就省去了D/A转换环节。整个系统遵循了冗余原则及以软代硬的原则，并尽可能选用典型、常用、易替换的芯片和电路，为系统的开放性、标准化和模块化打下良好基础。2.2系统硬件与软件方案分析食品加工机温度控制系统的硬件电路一般采用模拟电路(Analog Circuit)和单片机(Microcontroller)两
14、种形式。模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路以及电容、电阻等外围元器件组成。它的最大优点是系统响应速度快，能实现对系统的实时控制。根据计算机控制理论可知，数字控制系统的采样速率并非越快越好，它还取决于被控系统的响应特性。在系统中，由于温度的变化是一个相对缓慢的过程，对温控系统的实时性要求不是很高，所以模拟电路的优势得不到体现。9另外，模拟电路依靠元器件之间的电气关系来实现控制算法，很难实现复杂的控制算法。单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它是把中央处理单元CPU(Central Processing Unit)、随机存取存储器RAM(Ra
15、ndomAccess Memory)、只读存储ROM(Readonly Memory)、定时/计数器以及I/O(Input/Output)输入输出接口电路等主要计算机部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是：功能强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见，采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，还可以提高系统的兼容性和可移植性。10另外，随着微电子技术和半导体工业的不断创新和发展，片上系统SOC(System On Chip)得到了十足的发展。一些厂家根据系统功能的复杂程度，将这种SOC芯片应用到先进的控制仪表中
16、。SOC芯片通常含有一个微处理器核(CPU)，同时，它还含有多个外围特殊功能模块和一定规模的存储器(RAMROM)，并且这种片上系统一般具有用户自定义接口模块，使得其功能非常强大，适用领域也非常广。它不仅能满足复杂的系统性能的需要，而且还使整个系统的电路紧凑，硬件结构简化。从实现复杂系统功能和简化硬件结构的角度出发，SOC是实现温度控制统的最佳选择，但目前市场上SOC的价格还比较昂贵，并且SOC的封装形式几乎都采用贴片式封装，不利于实验电路板的搭建。从降低成本，器件供货渠道充足的角度看，应用单片机实现温度控制系统是比较经济实用的。目前，市面上单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。AT8
17、9C52单片机是ATMEL公司出品的与MCS-51系列兼容的低电压、高性能CMOS 8位单片机。目前，MCS51单片机的开发主要用到两种语言：汇编语言和C语言。与汇编语言相比，C语言具有以下的特点：(1)具有结构化控制语句结构化控制语言的显著特点是代码和数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护及调试；(2)适用范围大和可移植性好同其他高级语言一样，C语言不依赖于特定的CPU，其源程序具有良好的可移植性。目前，主流的CPU和常见的MCU都有C编译器。加之集成开发环境KEIL编译生成的代码效率很高(仅比汇编语言生成的代码效率低10-
18、15)。所以，本系统的软件选择使用C语言开发。11由于整个系统软件比较复杂，为了便于编写、调试、修改和增删，系统程序的编制适合采用模块化的程序结构，故要整个控制系统软件由许多独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连件结构。接，遵循模块内数据关系凑，模块间数据关系松散的原则，将各功能模块组织成模块化的软3.系统硬件设计3.1系统硬件总体结构本文所研究的温度控制系统硬件部分按功能大致可以分为以下几个部分：单片机主控模块、输入通道、输出通道等。硬件总体结构框图如图3-1所示。由结构框图可见，温度控制系统以AT89C52单片机为核心。温控箱的温度由Ptl00铂电阻温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，
19、再通过8位的A/D转换ADC0809转换成数字量。此数字量经过数字滤波之后，一方面将温控箱的温度通过控制面板上的显示器显示出来；另一方面将该温度值与设定的温度值进行比较，根据其偏差值的大小，采用PID控制算法进行运算，最后通过控制双向可控硅控制周期内的通断占空比(即控制温控箱加热平均功率的大小)，进而达到对温控箱温度进行控制的目的。时钟电路A/D转换温度传感器温控箱加热部件可控硅AT89C52串行通信显示电路键盘电路 图3-1 硬件总体框图3.2主控模块器件选型及设计3.2.1单片机的选用及介绍针对一定的用途，恰当的选择所使用的单片机是十分重要的。对于明确的应用对象，选择功能过少的单片机无法完
20、成控制任务；选择功能过强的单片机，则会造成资源浪费，使产品的性能价格比下降。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有不同。实际应用中，针对不同的需求要选择合适的单片机，选择单片机时要注意下几点：(1)单片机的基本性能参数，例如指令执行速度，程序存储器容量，中断能力及I/O口引脚数量等；(3)单片机的存储介质，对于程序存储器来说，Flash存储器和OTP(一次性可编程)存储器相比较，最好是选择Flash存储器；(4)芯片的封装形式，如DIP封装，PLCC封装及表面贴附封装等。选择DIP封装在搭建实验电路时会更加方便一些； (2)单片机的增强功能，例如看门狗，双串口，RTC(实时时钟
21、)，EEPROM，CAN接口等；(5)芯片工作温度范围符合工业级、军品级还是商业级，如果设计户外产品，必须选用工业级芯片；(6)单片机的工作电压范围，例如设计电视机遥控器时，使用2节干电池供电，至少选择的单片机能够在1.8V-3.6V电压范围内工作；(7)单片机的抗干扰性能好；(8)编程器以及仿真器的价格，单片机开发是否支持高级语言以及编程环易学；(9)供货渠道是否畅通，价格是否低廉，是否具有良好的技术服务支持。12根据上面所述的原则，结合本系统实际情况综合考虑，本文讨论的温度控制系统选ATMEL公司生产的AT89C52单片机作为主控模块的核心芯片。本系统选用ATMEL公司生产的AT89系列单
22、片机中的AT89C52，AT89C52单片机是新型的低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，与工业标准MCS-51指令系列和引脚全兼容。具有超强的三级加密功能，其片内闪电存储器(FlashMemory)的编程与擦除完全用电实现，数据不易挥发，编程/擦除速度快。AT89C52单片机DIP封装的引脚如图3-2所示。AT89C52的主要特点有：(1)内部程序存储器为电擦除可编程只读存储器EEPROM，容量8KB，内部数据存储器容量256字节，最大寻址空间64KB；(2)三个16位定时/计数器；(3)可利用两根I/O口线作为全双工的串行口，有四种工作方式，可通过编程设定；(4)内部ROM中开辟了四个通用
23、工作寄存器区，共32个通用寄存器，以适应多种中断或子程序嵌套的情况；(5)6个中断源，分为两个中断优先级，每个中断源优先级都是可编程的；(6)内部有一个由直接可位寻址组成的布尔处理机，在指令系统中包含了一个指令子集，专门用于对布尔处理机的各位进行各种布尔处理，特别适用于控制目的和解决逻辑问题；(7)AT89C52的状态周期由晶体振荡器2分频后获得，作为芯片工作的基本时间单位，在采用12MHz晶振时，AT89C52的状态周期为(2/12)*10-6=167ns。13AT89C52引脚如图3-2所示：图3-2 AT89C52引脚图3.2.2主控模块设计主控模块电路由AT89C52单片机、复位电路、
24、外部时钟电路组成。（1） 复位电路：单片机上电时，当振荡器正在运行时，只要持续给出RST引脚两个机器周期的高电平，便可完成系统复位。外部复位电路是为内部复位电路提供两个机器周期以上的电平而设计的。系统采用上电自动复位，上电瞬间电容器上的电压不能突变，RST上的电压是Vcc上的电压与电容器上的电压之差，因而RST上的电压与Vcc上的电压相同。随着充电的进行，电容器上的电压不断上升，RST上的电压就随着下降，RST脚上只要保持10ms以上高电平，系统就会有效复位。电容C可取10-33uF，电阻R可取1.2-10k。在本系统设计中，C取22uf,R取4.7k，充电时间常数为22*10-6 *4.7*
25、103=104ms。（2）振荡电路：XTAL1脚和XTAL2脚分别构成片内振荡器的反相放大器的输入和输出端，外接石英晶振或陶瓷晶振以及补偿电容C1、C2选47uF构成并联谐振电路。当外接石英晶振时，电容C1、C2选30Pf10pF；当外接陶瓷振荡器时，电容C1、C2选47uF10uF。AT89S52系统中晶振可在024MHz选择。外接电C1、C2的大小会影响振荡器频率的稳定度、起振时间及温度稳定性。在设计电路板时，晶振和电容应靠近单片机芯片，以便减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠工作。在本硬件系统设计中，为保证串行通行波特率的误差，选择了11.0592MHz的标准石英晶振，电容C1、C2为47u
26、F。复位与时钟电路如图3-3所示：图3-3 复位与时钟电路3.3输入通道设计系统输入通道的作用是将温控箱的温度(非电量)通过传感器电路转化为电量(电压或电流)输出，本系统就是将温度转化为电压的输出。由于此时的电量(电压)还是单片机所不能识别的模拟量，所以还需要进行A/D转换，即将模拟的电量转化成与之对应的数字量，提供给单片机判断和控制。输入通道由传感器、A/D转换等电路组成。3.3.1 Ptl00温度传感器温度传感器的种类比较繁杂，各种不同的温度传感器由于其构成材料、构成方式及测温原理的不同，使得其测量温度的范围、测量精度也各不相同。因此，在不同的应用场合，应选择不同的温度传感器。Ptl00型
27、铂电阻，在-200到850范围内是精度最高的温度传感器之一。与热电偶、热敏电阻相比较，铂的物理、化学性能都非常稳定，尤其是耐氧化能力很强，离散性很小，精度最高，灵敏度也较好。这些特点使得铂电阻温度传感器具有信号强、精度高、稳定性和复现性好的特点。14由于在本系统中，测温范围较大(在室温到600之间)，且要求检测精度高、稳定性好，因此选用Ptl00铂电阻作为本温度控制系统的温度传感器。铂电阻温度传感器主要有两种类型：标准铂电阻温度传感器和工业铂电阻温度传感器。在测量精度方面，工业铂电阻的测量稳定性和复现性一般不如标准铂电阻，这主要有两个方面的原因，其一是高温下金属铂与周围材料之间的扩散使其纯度受
28、到污染，从而降低了铂电阻测温的复现性能，其二是因为高温条件下的应力退火影响了其复现性能。但是标准铂电阻温度传感器也存在价格昂贵，维护起来较为困难等缺点。考虑到成本，故在本系统中采用工业级Ptl00铂电阻作为温度传感器。铂电阻测温电路的工作方式一般分为恒压方式和恒流方式两种。按照接线方式的不同又可以分为二线制、三线制和四线制几种。本系统采用的是恒流四线制接法对Ptl00铂电阻进行采样。铂电阻温度传感器采样电路将温控箱的温度转化为电压输出。采用恒流四线制接法的测温电路中需要用到一个稳定的基准电压源。15本系统采用精密基准电压源LM399H产生基准电压，图中参考电压EP即来自LM399H。基准电压源
29、电路如图3-4所示。LM399H是内置恒温槽高精度基准电压源，输出电压6.9999V。它是迄今为止同类产品中温度系数最低的器件，内部有恒温电路，保证了器件的长期稳定性。本系统中基准电压源产生的电压不仅提供给铂电阻采样电路而且还提供给A/D转换电路使用。图3-4 基准电压源电路铂电阻温度传感器是利用其电阻值随温度的变化而变化这一特性进行温度测量的，根据IEC(International Electrician Committee)标准751-1983： （-200t0） （3-1） （0t850） （3-2）其中，为t时的电阻值，为O时的电阻值。3.3.2A/D转换在单片机控制系统中，控制或测量
30、对象的有关变量，往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、位移、速度等物理量。但是大多数单片机本身只能识别和处理数字量，因此必须经过模拟量到数字量的转换(A/D转换)，才能够实现单片机对被控对象的识别和处理。完成A/D转换的器件即为A/D转换器。A/D转换器的主要性能参数有：(1)分辨率 分辨率表示A/D转换器对输入信号的分辨能力。A/D转换器的分辨率以输出二进制数的位数表示；(2)转换时间 转换时间指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。不同类型的转换器转换速度相差甚远：(3)转换误差 转换误差表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之
31、间的差别，常用最低有效位的倍数表示；(4)线性度 线性度指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。目前有很多类型的A/D转换芯片，它们在转换速度、转换精度、分辨率以及使用价值上都各具特色，其中大多数积分型或逐次比较型的A/D转换器对于高精度测量，其转换效果不够理想。温度控制中A/D转换是非常重要的一个环节。传统的电路设计方法是在A/D转换前增加一级高精度的测量放大器，这样就增加了成本，电路也较为复杂。综合考虑，本系统选用美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道ADC0809作为本温控系统的A/D转换器。其引脚图如图3-5所示： 图3-5 ADC0809引脚图ADC0809是美国国家半导体公
32、司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，主要引脚功能介绍如下：IN0IN7：8路模拟量输入端。 2-12-8：8位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）
33、。 EOC： A/D转换结束信号输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一+5V。 GND：地。 ADC0809的工作过程是首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转
34、换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。16为此可采用下述三种方式。 （1）定时传送方式 对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128us，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定
35、已经完成了，接着就可进行数据传送。 （2）查询方式 A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。 （3）中断方式 把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。 不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。为了实现对不同的温控箱进行温度采集和A/D转换，选择了8选1电子开关4051。405l的输入端分别接Ptl00温度传感器，控制端和地址锁存器74HC
36、373相连，从而受到单片机的控制。通道选择电路如图3-6所示:图3-6 通道选择电路3.4输出通道设计3.4.1电阻炉的功率调节方式电阻炉的温度控制是通过调节电阻炉的输入电功率来实现的。目前多数温控仪采用晶闸管来实现功率调节。由晶闸管实现交流功率调节的途径有两条：一种是通过改变交流电压每周期内电压波形的导通角，使得负载端电压有效值得以调节，进而实现电功率调节。由于这种调节方式下触发脉冲的触发时刻与电压波形的相位有关，因此称为相位控制调功；另一种调节方式是电压波形不变而只改变电压周波在控制周期内出现的次数，这种调节方式称为通断控制调功。就触发方式而言，前者为移相触发，后者为过零触发。两者的电压波
37、形比较如图3-7所示:（a）相位控制调功的电压波形（b）通断控制调功的电压波形图3-7功率调节方式比较相位控制的电压波形不“规整”，但正负半周对称，无直流成分，可直接用于电感负载。其最大的缺点是：大电流的切入造成对电网的冲击，不规整的脉冲负载电流引起电网波形的畸变及对其它电设备的中频干扰。输出的线性范围窄而线性度又不好，只能靠反馈来改善。通断控制的输出波形仍为正弦波，其优点是，不会对电网造成严重污染和干扰其它用电设备，而且电炉的功率愈大，优点愈突出。但通断控制也存在抗电源干扰能力弱等缺点。对于纯阻性负载的电阻炉来说，温控仪采用过零触发方式可使电路结构简单，软件计算方便。因此，在本系统中采用通断
38、控制的方式来进行功率调节。3.4.2可控硅输出电路可控硅是一种功率半导体器件，简称SCR，也称晶闸管。它分为单向可控硅和双向可控硅，在微机控制系统中，可作为功率驱动器件。可控硅具有控制功率小、无触点、长寿命等优点，在交流电机调速、调功、随动等系统有着广泛的应用。双向可控硅相当于两个单向可控硅反向并联。双向可控硅与单向可控硅的区别是：(1)它在触发之后是双向导通：(2)在控制极上不管是加正的还是负的触发信号，一般都可以使双向可控硅导通。17因此双向可控硅特别适合用作交流无触点开关。本系统中与可控硅配套使用的是MOC3041光电耦合双向可控硅驱动器，与一般的光耦器件不同之处是MOC3041输出部分
39、是硅光敏双向可控硅，还带有过零触发检测器，以保证电压接近零时触发可控硅。可控硅输出电路如图3-8所示。图3-8 可控硅输出电路3.5串行通信接口电路目前，广泛使用的串行数据接口标准有RS-232，RS-422与RS-485三种。其中RS-232是美国电子工业协会正式公布的串口总线标准，也是目前最为常用的串行接口标准，用来实现计算机与计算机之间，计算机与外设之间的数据通讯。串行通信接口的基本任务是实现数据格式化。来自CPU的是普通的并行数据，接口电路应具有实现不同串行通信方式下的数据格式化的任务。具体任务是：(1)进行串一并转换；(2)控制数据传输速率；(3)进行错误检测；(4)进行TTL与EI
40、A电平转换；(5)提供EIA-RS-232接口标准所要求的信号线。由于CMOS电平和RS-232电平不匹配，因此要实现单片机和PC机之间的通信，必须在它们之间加接电平转换器。系统设计采用MAXIM公司的RS-232接口芯MAX232，这是一种标准的RS-232接口芯片。MAX232只需+5V电源供电，其内部的电源变化成10V电源用于RS-232通信。该芯片集成有两路收发器，可将单片机输入的TTL/CMOS电平转换为RS232电平发送给PC机，或将从PC机接收的RS232电平转换为TTL/CMOS电平发送给单片机。MAX232为双列直插16脚封装。系统串口通信电路如图3-9所示。图3-9 串口通
41、信电路其中T20UT连接上位机串口的RX端，R2IN连接上位机串口的TX端，R20UT和T2IN是TTL/CMOS发送器的输出和输入端，分别连接单片机的RX(P3.0)和TX(P3.1)端。3.6电源电路本设计的供电电路主要由变压器、整流桥、滤波电路和78L05芯片组成。电源供电电路如图3-10所示图3-10 电源电路3.7硬件抗干扰系统硬件抗干扰是应用系统最基本和最主要的抗干扰手段，一般从防和抗两方面入手来抑制干扰。其总的原则是：抑制或消除干扰源，切断干扰对系统的耦合通道，降低系统对干扰信号的敏感性。对于本系统，硬件抗干扰设计具体措施有：隔离、接地、滤波等常用方法。(1)隔离主要用于过程通道
42、的隔离。光电耦合器能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，提高信噪比。在输入、输出通道采用光电耦合器将控制系统与外围接口隔离；(2)接地接地应遵循的基本原则是：数字地、模拟地、屏蔽地应该合理接地，不能混用。要尽可能地使接地电路各自形成回路，减少电路与地线之间的电流耦合。合理布置地线使电流局限在尽可能小的范围内，并根据地电流的大小和频率设计相应宽度的印刷电路和接地方式。模拟电源和数字电源各自并接01uF的陶瓷电容(去耦电容)：(3)滤波电源系统干扰源主要是高次谐波。无源滤波器是一个简单的、有效的低通滤波器，它只让电网中基波通过，而对高次谐波有急剧的衰减作用，对串模干扰和共模干扰信号具有很强的双向抑制
43、作用。184 软件设计在微机测控系统中，软件与硬件同样重要。硬件是系统的躯体，软件则是灵魂，当系统的硬件电路设计好之后，系统的主要功能还是要靠软件来实现，而且软件的设计在很大程度上决定了测控系统的性能。为了满足系统的要求，编制软件时一般要符合以下基本要求：(1)易理解性、易维护性要达到易理解和易维护等指标，在软件的设计方法中，结构化设计是最好的一种设计方法，这种设计方法是由整体到局部，然后再由局部到细节，先考虑整个系统所要实现的功能，确定整体目标，然后把这个目标分成一个个的任务，任务中可以分成若干个子任务，这样逐层细分，逐个实现；(2)实时性 实时性是电子测量系统的普遍要求，即要求系统及时响应
44、外部事件的发生，并及时给出处理结果。近年来，由于硬件的集成度与运算速度的提高，配合相应的软件，实时性比较容易满足设计要求；(3)准确性 准确性对整个系统具有重要意义，尤其是测量系统，系统要进行一定量的运算，算法的正确性和准确性对结果有着直接的影响，因此在算法的选择、计算的精度等方面都要符合设计的要求；(4)可靠性 可靠性是系统软件最重要的指标之一，作为能够稳定运行的系统，抗干扰技术的应用是必不可少的，最起码的要求是在软件受到干扰出现异常时，系统还能恢复正常工作。194.1软件组成由于整个系统软件相对比较庞大，为了便于编写、调试、修改和增删，系统软件的编制采用了模块化的设计。即整个控制软件由许多
45、独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连接，遵循模块内部数据关系紧凑，模块之间数据关系松散的原则，按功能形成模块化结构。系统的软件主要由主程序模块、数据采集模块、数据处理模块、控制算法模块等组成。主模块的功能是为其余几个模块构建整体框架及初始化工作；数据采集模块的作用是将A/D转换的数字量采集并储存到存储器中；数据处理模块是将采集到的数据进行一系列的处理，其中最重要的是数字滤波程序：控制算法模块完成控制系统的PID运算并且输出控制量。下面就介绍本系统几个主要的程序模块。4.2主程序模块主程序模块要做的主要工作是上电后对系统初始化和构建系统整体软件框架，其中初始化包括对单片机的初始化、A/D芯片
46、初始化和串口初始化等。然后等待温度设定，若温度已经设定好了，判断系统运行键是否按下，若系统运行，则依次调用各个相关模块，循环控制直到系统停止运行。主程序模块的程序流程图如图4-1所示。在附录中给出了系统初始化源程序。开始系统初始化等待控制输出 PID运算数据采集等待温度显示读温度设定值运行/停止键按下否运行/停止键按下否温度设定否YYNNNY图4-1 主程序流程图4.3数据采集模块数据采集模块的任务是负责温度信号的采集以及将采集到的模拟量通过A/D转换器转化为相应的数字量提供给单片机。数据采集模块的程序流程图如图4-2和图4-3所示。开始置连续采样个数A/D转换启动A/D数字滤波结果保存等待转
47、换结束连续采样个数到否返回返回开始YN图4-2 数据采集模块流程图 图4-3 A/D转换程序流程图 4.4显示处理模块显示处理模块主要完成人机交互作用，具体实现将采样温度值、设定温度值以字符的形式显示出来。主要的显示方式有LED显示与LCD显示。但由于LED显示简单、价格低廉。因此，本文选择LED显示。其电路图如图4-5所示：图4-5显示电路 为了节省I/O端口选择LED动态显示。LED数码管动态显示就是一位一位地轮流点亮各位数码管，对于每一位LED数码管来说，每隔一段时间点亮一次，利用人眼的“视觉暂留效应，采用循环扫描的方式，分时轮流选通各数码管的公共端，使数码管轮流导通显示。当扫描速度达到一定程度时，人眼就分辨不出来了。尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，认为各数码管是同时发光的。因为LED数码管动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管的，因此要考虑每一位点亮的保持时间和间隔时间。保持时间太短，则发光太弱而人眼无法看清；时间太长，则间隔时间也将太长（假设N位，则
