单片机的远程温度控制仪表的设计方案

单片机的远程温度控制仪表的设计摘要当今世界已经进入信息时代，信息技术成为推动国民经济和科学技术高速发展的关键技术。数字技术的出现把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个量级，为实现测试自动化打下了良好的基础。许多领域都需要对温度的监控，如何将单片微处理器应用到温度控制领域，成为目前温度自动化的焦点课题之一，为越来越多的科研机构所重视。目前，一个学习与应用单片机的高潮在全社会大规模地兴起。本课题的研究设计是完成单片机的远程温度控制仪表的设计。设计首先对温度测控系统各环节进行了功能需求分析，明确了本温控系统所要达到了技术要求；然后又根据系统所要实现的功能进行了硬件元器件的选择和软件算法的确定；最后，本设计最终给出了基于单片机的远程温度控制仪表的整套软硬件设计方案。关键词：单片机，远程，温度控制AbstractWiththerapiddevelopmentofthecomputertechnology,measuringinstrumentsandcontroltechnology,agrowingnumberofadvancedmeasurementandcontroltechnology、equipmentandmethodsareusedinmodernautomationfield.Howtousesingle-chipmicroprocessorintheareaoftemperaturecontrolsystemisoneofthefocustopicsonthecurrenttemperatureautomation,whichattractsmoreandmorescientificresearchinstitutions ’attention.Thetopicofstudyisadaptedtothistrendofdevelopment,SCMareappliedtoremotetemperaturecontrolpanel.Firstly,thedesighanalyzesthefunctionalrequirementsofthetemperaturemeasurementandcontrolsystemcomponents,andmakeclearthetechncalrequirementsforthetemperaturecontrolsystem。Thenthedesighchoicesthehardwarecomponentsandsoftwarealgorithmsbasedonthefunc--tionofthesystem。Finally,thepackageofhardwareandsoftwaredesignareaccomplishedbasedonSCMremotetemperaturecontrolinstrumentation.KeyWord:SCMLong-distanceTemperaturecontrol1/42目 录.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 选题背景当今社会，计算机的引入，使仪器的功能发生了质的变化，以个别参数的测量转变成整个系统特征参数的测量；从单纯的接收显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出；四十年代发展和逐步成熟起来的经典控制理论在解决较简单的自动控制系统设计方面是很有力的工具。在这个基础上发展起来的模拟式自动控制系统也达到了相当完善的程度。尽管这种控制系统对单输入单输出系统是很有效的，对一些较复杂的多输入多输出的参数相互藕合的系统也曾起过积极的作用。但是，它的进一步发展受到了限制，在控制规律的实现，系统的最优化，可靠性等方面越来越不能满足更高的要求。现代仪器仪表是对物质世界的信息进行测量与控制的基础手段和设备，是信息产业的源头和组成部分。计算机技术的发展给控制系统开辟了新的途经。随着计算机技术的不断完善，使它在工业控制方面得到越来越广泛的应用。数字技术的出现把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个量级，为实现测试自动化打下了良好的基础。在工业生产和日常生活中，对温度控制系统的要求，主要是保证温度在一定温度范围内变化，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。单片机的出现，由于其集成度高，功能强，可靠性高，体积小，价格低廉，灵活方便等一系列的优点，为工业过程控制提供了十分广阔的应用前景。可以说智能控制与自动控制的核心就是单片机。1.2 设计意义在现代工业生产中，电流、电压、流量、流速和开光量都是常用的主要被控参数，例如在冶金工业、化工工业、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理器、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。MCU<微控制器或单片机）、DSP<数字信号处理器）、潜入式系统等的问世和性能的不断改善，大大加快了仪表微机化和智能化的进程。它们具有体积小、功耗低、价格便宜等优点，另外用它们开发各类智能产品周期短、成本低，在计算机和仪表的一体化设计中有着更大的优势和潜力。许多领域都需要对温度的监控,如工厂的生产设备、化工领域、农作物的种植和储存、实验室等等.有很多领域的温度可能较高或较低,人无法靠近或现场无需人力来监控，我们可以用远程监控,坐在办公室里就可以对现场进行监控,又方便又节省人力。3/421.3 设计内容本设计是完成单片机的远程温度控制仪表的设计，主要设计要求有：1、完成当前控制器状态信号控制。2、完成上位计算机命令执行，并设有就地和上位控制方式。3、电源：除供给系统供电，还可以向外部提供24V1A的隔离电源，以备外部开关量输入使用，应设计为开关电源。4、根据系统要求选用适当的CPU模块，具有一定的抗干扰能力。5、系统应具有复位电路，并在复位后保持现有输出的开关状态不变。6、系统提供E2PROM，并能够保留上位计算机分配的地址信号。7、提出综合自动化系统的硬件方案和方案论证优化。8、完成软件需求的系统分析，并等待上位计算机通信信号，根据上位计算机通信信号变化输出状态。1.4 技术指标主要设计参数及技术指标为：1、温度信号检测误差1℃2、控制信号输出开关量3、信号转换电路设计4、智能识别系统设计4/42第二章 设计思想与方案论证2.1 设计思想本设计用温度传感器将被测温度转换为电量，经过放大滤波电路处理后，由模数转换器将模拟量转换为数字量，再与单片机相连，通过可编程键盘显示接口芯片实现温度限值的设定。最后通过小键盘控制数码管显示所需要的某路温度值。远程温度控制仪表顾名思义就是对加热设备<这里指电热丝）采用单片机进行升温、降温控制，它将温度变送、显示和数字控制集成一体，用软件实现程序升、降温的PID调节，并且通过通信接口实现单片机与上位机的远程通讯，而且为32多机通信，因此具有一定的智能识别能力。其温度控制工艺为：系统工作时先由使用者设定预期达到的两位温度值 <该值为十进制，单位为摄氏度1），即一个最高限Tmax，一个最低限Tmin。温度值输入完毕后，打开电源，单片机自动复位，进行初始化，此时LCD显示器显示设定温度，以便操作人员核对设定温度并且检查拨码盘显示的温度是否与显示器显示的相符，然后温度检测电路将测试温度输入单片机，经软件滤波后取其平均值作为实测温度，此后显示器将一直显示实测温度。若实测温度高于温度最高限 Tmax1℃以上，则关加热器；若实测温度低于设定温度Tmin1℃以内，则打开加热器；若实测温度在 Tmax和Tmin之间，则系统进行PID调节，自动打开加热器并以10s为一个控制周期，其中每个周期有2s加热时间；若实测温度低于设定温度在1℃以上，则系统自动打开加热器并以10s为一个控制周期，其中每个控制周期内加热器全部在工作。负载<以加热丝为例）温度控制系统如图 <1）所示：5/42热放电大A/D阻器负单载SSR片机通转通信换信口器线MAX485

LCD键盘看门狗E2PROM控制过程为：负载温度由热电阻测量，其信号送入放大器，毫伏信号经放大后由A/D电路转换为相应的数字量，最后进入主机电路。由主机进行数据处理、判断分析，并对偏差按PID规律运算后输出数字控制量。与此同时，单片机还检测通讯口是否有通讯信号，并判断是接收还是发送。假如有通讯信号，就进行中断处理，没就进行控制处理。最后数值信号来控制三极管的导通与关断，最终通过SSR对负载温度进行控制。另一方面，主机电路还输出开关量信号，发生相应的开关动作，以驱动显示器，进行数字显示。同时系统还可以通过软件分析控制信号，并等待上位机通信信号，根据上位计算机通信信号变化输出状态。本系统是以MCS-51系列单片机为控制单元,并采用热电阻的桥式电路形式采集现场温度数据而设计的远程温度控制系统.该系统具有结构新颖、电路简单和控制方便等优点,温度值显示的精度1,并可根据需要设置控制温度的上、下限,系统具有超过设置上、下限温度自动报警等功能.系统可以被广泛地用于生产中的各领域,特别适合于人体无法接近的高温或危险场所的温度控制。2.2 方案论证目前检测温度一般采用热电偶或热敏电阻作为传感器，这种传感器至仪表之间一般都要用专用的温度补偿导线，而温度补偿导线价格很贵，并且线路太长也会影响测量精度。在实际应用中往往需要对较远处<1KM左右）的温度信号进行控制。现有的解决方案有很多，例如：可以用PLC以及相应的接口器件来实现，但 PLC虽然功能强大，但成本相对单片机一般较高，而且单片机编程语言相对灵活的多，有C语言、汇编语言等，对于智能仪表，假如用PLC，就有点大材小用了，并且性价比差。而且在单片机技术和嵌入式技术高速发展的今天，智能仪表的设计有了更为灵活的实施手段，完全可以用单片机以极低的成本来实现远程温度控制。6/42第三章 硬件电路设计3.1 温度采集电路3.1.1 温度测量元件热电耦将温度变化转换为电势变化，热电阻是把温度变化转换为电阻值变化。在本设计中采用热电阻来测温，其主要是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理工作的，虽然事实上各种金属材料的阻值都会随温度的变化而变化，但要利用它作为测量的热电阻必须满足以下要求：电阻温度系数要尽可能大和稳定，电阻率高，线性度好，并目前工业上常用的热电式传感器主要有热电耦和热电阻，热电耦是且能够在较宽的温度范围内保持稳定的物理和化学性能。目前应用多的热电阻材料主要有铂、铜、镍、铁等，这里使用铂电阻，铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比

W100

来表示，它是铂热电阻在

100℃时的阻值

R100与0℃时的阻值R0之比。按IEC标准，工业用铂热电阻的

W100>1.3 温度测量电路本设计采用其桥式测量方法，电路图如图 <2）所示：图<2）用热电阻传感器进行测量时，一般与检测仪表距离一般较远，因此热电阻的引线对测量结果有很大影响。铂电阻接入采用三线接法，正好消除引线电阻对测量精度的影响。图中U8构成增益可调的差动运算放大器，其中R5=R6=Rf=5K7/42R8=R9=R10=R11=RF=50KAW接入系数，该电路的理想闭环增益为KF81RF20111RfAwAw在调试时适当选取AW的值，可使增益在一定范围内变化，在本设计中，取AW=1，则KF8=40。U9构成反向比例运算放大器R17 W1KF9R15调节W1的值，可调节其增益，两个二极管D1和D2起限幅作用，使输出控制在0～+5V内变化，该电压范围即为单片机允许的模拟电压输入信号。3.2A/D 转换电路3.2.1A/D 转换芯片的选择在选择A/D时，分辨率和转换时间是首先考虑的指标。选用高分辨率和转换时间短的A/D，可提高仪表的精度和响应速度，但仪表的成本也会随之提高。在确定分辨率指标时，应留有一定的余量，因为多路开关、放大器、采样保持器以及转换器本身都会引入一定的误差。A/D转换器的输入/输出方式和控制信号也是设计中应注意的。不同的芯片，其输入端的连接方式不同。有单端输入的，也有差动输入的。差动输入方式有利于克服共模干扰。有些芯片既可以单极性输入，也可以双极性输入，这由极性控制端的接法来决定。在本设计中要求温度的精度为 1℃，并具有一定的抗干扰能力，鉴于此，这里选用MC14433芯片，其引脚图如图<3）所示：8/42图<3）MC14433是31位<BCD码）双积分A/D芯片，其分辨率相当于二进制11位，转换速率23～10次/秒，转换误差是 1LSB，输入阻抗大于100M 。该芯片的模拟输入电压范围为0～1.999V或0～199.9mV。片内的输出锁存器用来存放转换结果，经多路开关输出多路选通脉冲信号DS1～DS4及BCD码数据Q0～Q3。MC14433芯片的各引脚功能如下： VAG<引脚1）：被测电压Vx和基准电压VR的接地端。VR<引脚2）：外接输入基准电压<+2V或+200mV）.Vx( 引脚3>：被测电压输入端。R1、R1/C1、C1<引脚4、5、6）：外接积分电阻R1和积分电容C1元件端，外接元件典型值：①当量程为2V时，C1=0.1F,R1=470K 。②当量程为200mV时，C1=0.1F，R1=27K。9/42C01、C02<引脚4、5、6）：外接失调补偿电容C0端，CO端的典型值为0.1 F。DU<引脚9）：更新输出的A/D转换数据结果的输入端。当DU与EOC<引脚14）连接时，每次A/D转换数据结果被更新。CLK1和CLK0：时钟振荡器外接电阻Rc端。Rc的典型值为470，时钟频率随着Rc<引脚10、11）的增加而下降。VEE<引脚12）：模拟部分的负电源端，接 -5V。VSS<引脚13）：除CLK0端外所有输出端的低电平基准<数字地）。当VSS接VAG<模拟地、数字地相连）时，输出电压幅度为VAG～VDD<0～5V）；当VSS接VEE<-5V～+5V）时10V的幅值。实际应用中，一般是VSS接VAG，即模拟地和数字地相连。EOC<引脚14）：转换周期结束标志输出。每当一个A/D转换周期结束，EOC端即输出一个宽度为时钟周期1/2宽度的正脉冲。OR<引脚15）：过量程标志输出，平时为高电平。当 Vx>VR时<被测电平输入绝对值大于基准电压），OR端输出低电平。DS1 ～DS4<引脚19～16）：多路选通脉冲输出端。 DS1对应千位，DS4对应个位。每个选通脉冲宽度为18个时钟周期，两个相邻脉冲之间间隔两个时钟周期。Q0～Q3<引脚20～23）：BCD码数据输出线。其中，Q0为最低位，Q3为最选通期间高位。当DS2、DS3和DS4选通期间，输出三位完整的BCD码，即0～9数字中的任一个都可.：VDD<引脚24）：正电源端，接+15V。MC14433外部电路连接的元件很少，但为提高其转换精度，也必须注意外部电路的连接和外部元器件参数的选择。 MC14433的输入阻抗大于100M ，模拟输入电压范围为0～ 1.999V或0～ 199.9mV，转换误差为 1LSB。片内提供时钟发生器，使用时只需外接一个电阻，也可采用外部输入时钟或外接晶体震荡电路。片内的输出锁存器用来存放A/D转换结果，经多路开关输出多路选通脉冲信号 DS1～DS4及BCD码数据Q0～Q3。3.2.2MC14433外接电路设计典型的MC14433外部电路的连接方法如图 4所示10/42图4芯片正常工作电源为 5V，正电源接VDD，模拟部分负电源接VEE，模拟地VAG与数字地VSS相连为公共接地端。为了提高电源的抗干扰能力，正、负电源分别通过去耦电容0.047 F、0.02 F与VSS<VAG）端相连。在每一次A/D转换结束时，EOC端都输出一个1/2时钟周期宽度的脉冲；而当给DU端输入一个正脉冲时，当前A/D转换周期的转换结果将被送入输出锁存器，经多路开关输出；否则，将输出锁存器中原来的转换结果。所以，EOC与DU短接，是将每一次A/D转换的结果都输出。外接元件参数的选定:积分电阻R1和积分电容C1的选取公式为VXmaxTR1VC1式中，VXmax为输入电压量程；V为积分器电容上的充电电压幅值，其值为 V=VDD-VXmax-0.5V；11/42T为常数，其值为T=4000/fCLK。在这里，C1=0.1F，VDD=5V，fCLK=66KHz，VXmax=+2V时，则计算得R1=470K。外接失调补偿电容固定为 0.1 F.外接钟频电阻Rc，当Rc=470K 时fCLK≈66KHz；当Rc=200K时，fCLK≈140KHz，一般取Rc=300K。其与8031的连接图见整体硬件图。3.38031 主机模块的设计3.3.18031 芯片介绍如今我国在上述领域中应用最多的是美国Intel公司的8位MC5-51系列单片机。MC5-51系列单片机有三种基本型号：8031，8051及87510它们的管脚及指令系统完全兼容，只是在结构及特性方面有一些差异。其中8031是目前应用最多的。通过对系统大致程序量的估计和系统工作速度的估计以及I/O口需求量的估计，考虑价格因素、元器件市场因素，选定8031单片机作为系统的主要控制芯片。其引脚图如图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图53.3.2 主机模块设计存储器扩展模块由于选用的是 8031，其内部有 256字节的数据存储器 RAM，没有程序存储器12/42ROM，所以设计中扩展了 8K×8位的电可擦除可编程只读存储器 E2PROM，以及2K×8位的RAM以存放PID控制过程中的数据。 E2PROM是电擦除可编程存储器，掉电后信息不会丢失，+5V供电下就可进行编程，而且对编程脉冲宽度一般无特殊要求，不需要特别专用的编程器和擦除器。故 E2PROM可以说是一种特殊的可读写存储器。其接线电路如附录所示：由整体接线电路，可以确定 RAM地址范围为0000H～07FFH2．I/O扩展芯片8155在硬件上，由于考虑到8031的I/O口比较紧张，所以增加了一块I/O扩展专用集成：8155。8155是一种可编程并行I/O口，具有功能强，与MCS-51单片机接口简单等优点。它是一个多功能的接口芯片，具有2个8位I/O口PA﹑PB，一个6为I/O口PC，又有256B的静态RAM，还有一个14位的定时器/计数器，被广泛应用于单片机系统中。8155与8031的接线图如图6所示：图68155的地址编码及工作方式为：在单片机应用系统中，8155是按外部数据存储器统一编址的，为 16位地址，其高8位由片选线CE提供，CE＝0，选中该片。当CE＝0，IO/M＝0时，选中8155片内RAM，这时8155只能作片外RAM使用，其RAM的低8位编址为00H～FFH；当CE＝0，IO/M＝1时，选中8155的I/O口，其端口地址的低8位由AD7～AD0确定。这时，A、B、C口的口地址低8位分别为01H、02H、03H<设地址无关位为0）。13/428155的A口、B口可工作于基本 I/O方式或选通I/O方式。C口可工作于基本 I/O方式，也可作为 A口、B口在选通工作方式时的状态控制信号线。8155的I/O工作方式选择是通过对 8155内部命令寄存器设定控制字实现的。命令寄存器只能写入，不能读出，命令寄存器的格式如图 7所示。00：空操作01：停止计数10：时间到则停止计数11：置入工作方式和计数长度后立即启动计数，若正在计数，溢出后按新的方式和长度计数0：禁止B口中断1：允许B口中断

定义端口A0：输入0：禁止A口中断 1：输出1：允许A口中断定义端口B0：输入1：输出定义端口 C00：ALT1、A口、B口基本输入输出， C口输入01：ALT1、A口、B口基本输入输出， C口输出10：ALT3，A口选通输入输出， B口基本输入输出PC0：AINTRPC1：ABFPC2：ASTBPC3～PC5：输入输出PC0：AINTRPC1：ABFPC2：ASTBPC3：BINTRPC4：BBFPC5：BSTB图78155命令寄存器格式在本设计中，PA口用做键盘输入接口，PB口用做温度显示接口，PC口用做温度控制接口和输出报警接口，其接口电路如整体图所示。控制口地址为：1700HPA 口地址为：1701HPB 口地址为：1702HPC 口地址为：1703H3.3.3 看门狗电路设计14/42图8为了防止系统受干扰而使程序丢失,或者走进死循还而使系统死机,本设计加入了看门狗电路,以保证系统的可靠性。其电路连接如图11所示。图中当P1.7为低电平时,三极管Q2不导通,电流由"+5V-->R10-->C10-->地"对电容C1充电。当P1.7为高电平时,三极管Q2饱和导通,电容C10通过"Q2-->R12-->地"放电。这样我们通过在程序运行中定时对P1.7脚进行置位和清零操作,便可以保持Q2集电极为低电平。当程序进入死循还,不能对P1.7口进行置位操作,那么电路就会对电容持续充电,使Q2集电极电平持续上升,当上升到高电平电压时,单片机系统复位,程序重新开始运行,达到看门狗功能。电阻R11与电容C10值应根据程序运行情况选择,R10越大,充电电流越小,电平上升时间就越长,反之则反。R13和D2起电源指示作用,R11和按钮构成手动复位电路。3.4 温度控制输出模块设计15/42图9要控制负载上电压的通断，本设计选用了直流固态继电器 SSR，它是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，因此又被称为无触点开关。当PC3输出高电平时，固态继电器控制输出端导通，也就使得负载导通加热.当PC3输出低电平时，固态继电器输出端截止，关闭加热。3.5显示模块设计LCD液晶显示器是一种低压、微功耗的显示器件，只要2～3V即可工作，而工作电流仅为几个微安，这是其他任何显示器件无法比拟的。同时它能显示大量的信息，除可以显示数字外，还可以显示文字、曲线等，比传统的七段码LED显示器显示的界面有了质的提高，在袖珍式仪器、仪表或低功耗应用系统中得到了广泛的应用。液晶显示器的工作原理是在上、下玻璃电极之间封入向列型液晶材料，使液晶分子平行排列，上、下扭曲 90，再通过与上偏振片后形成偏振光。该偏振光通过平行排列的液晶材料后被旋转 90，再通过与上偏振片垂直的下偏振片被反射极反射回来，呈透明状态。当上、下电极加上一定的电压后，电极部分的液晶分子转成垂直排列，失去旋光性，使电极从上偏振片入射的偏振光不被旋转，光无法通过下偏振片返回，因而呈黑色。根据需要，将电极做成各种数字、文字、图形，就可以获得各种显示形状。本设计中选用的是16×1LCD，引脚图如图10所示：16/42图10功能说明：开机时显示“ 0000”，最后光标在第一个“ 0”位置闪烁。3.6串行通信接口设计随着数据采集系统的广泛应用，通常由单片机构成的应用系统，如仪器仪表、智能设备等，都需要与PC机之间交换数据，实现与PC机之间的通讯功能，以充分发挥PC和单片机之间的功能互补，资源共享的优势。以往常用的RS－232协议在很大程度上已不能满足设计的要求，如传输速率慢，传输距离短<一般只用于20m以内），传输信号易受外界的干扰等缺点，而且考虑到本设计通信距离远的缘故，本设计采用了一种性能优越的RS－485接口芯片。3.6.1RS－485标准介绍RS－485标准定义一个基于单对平衡线的多点、双向、半双工通信链路，是一种极17/42为经济，并具有相当高的噪声抑制、传输速率、传输距离和宽共模范围的通信平台。它采用差分信号进行传输；最大传输距离可以达到1.2km；最大可连接32个驱动器和收发器；接收器最小灵敏度可达±200mV；最大传输速率可达2.5Mb/s。RS485输入、输出都为TTL电平,+5V电源供电。由此可见，RS－485协议正是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准。MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS－485芯片，其引脚图如图 11所示：图11MAX485采用单一电源+5V工作，额定电流为 300μA，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS－485电平的功能。其引脚结构图如图1所示。从图中可以看出,MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100Ω的电阻。用8031单片机实现与PC机之间的通讯时，由于设计采用的RS－485标准通信口，而微机一般用的是RS－232标准，必须使用电平转换接口芯片，并且单片机的I/O端口输出的是TTL电平<+5V为“1”，-5V为“0”），与RS－485标准电平一致，而与RS－232标准不符合，工作方式及工作机理也也有差别。若想利用微机现成的COM1、COM2串行口实现RS－485标准通信，必须经过电平转换。单片机 <下位机）与PC机<上位机）的RS－485标准远距离通信原理如框图 13所示：图12单片机<下位机）与PC机<上位机）的RS－485标准远距离通信原理为：单片机将18/42收集到的数据以TTL电平的数据信号送入到RS－485<Ⅰ）中，而RS－485<Ⅰ）将TTL电平的数据转换成差模信号送出，经RS－485传输线送到RS－485<Ⅱ）中，RS－485<Ⅱ）将差模信号转换成共模信号输出，并通过电平转换送到PC机的串行口COM中，在PC机显示器中显示出数据来。同理，PC机发出指令并通过串行口COM输出一串共模信号输出，并通过RS－485传输线送到RS－485<Ⅰ），经RS－485<Ⅰ）将TTL差模信号转换成TTL电平的数据信号送到单片机，由单片机去完成各种控制指令，这样就完成了单片机与PC机串口的远程通信任务。在本设计中RS-232/RS-485转换器采用了常用的MAX203E芯片，其优点是外围无需接任何元器件便能正常工作，它能将RS-232标准的电平转换成TTL电平，同时也能将TTL的电平转换为RS-232标准的电平。其硬件连接图如图13所示：图133.6.2. 通信协议<1）通讯口设置通讯方式：RS-485标准电平同步方式：起停同步方式波特率：9600BPS通讯距离：不大于 1200M通讯线：二线数据代码：ASCII码数据格式：每字符 10位，1个起始位，8个数据位，1个停止位<2）数据传输格式地址：2字节<高字节在前，低字节在后）；数据：按地址顺序，仪表数据传输格式为十六进制 2字节定点数；2字节定点数=低字节高4位<ASCII码）+低字节低4位<ASCII码）19/42高字节高4位<ASCII码）+高字节低4位<ASCII码）若数据为负数，则采用补码方式传输；在传输实时测量值时，传输完2字节定点数后，紧接着又传输2字节定点数，其中高字节低4位为小数点位数。例 ：<50.0）10表示为4634303130303031低字节 高字节 小数位数<3）仪表通讯格式：@ DE 帧类型 帧数据 CRC CR@ ：通讯起始符DE ：仪表设备号<地址）帧类型 ：操作命令帧数据 ：各种操作命令所对应的命令及数据CRC：校验字节<除@外CRC之前的其他几个字节的异或值）CR ：结束符<回车符）<4）应用中用到的命令及数据格式：读仪表全部动态数据命令帧 @DERDCRCCR命令回送帧 正确 @DERD帧数据 CRCCR错误 @DE**CRCCR3.7 开关电源的设计3.7.1 参数计算本设计的的电源设计要求为：除给系统提供5V、1A的电源外，还可向外提供24V、1A的隔离型开关电源以备外部开关量使用，应设计为多路输出的开关电源。确定在使用开关电源作为本设计的电源设计方案时，就需要设计一个符合本设计要求的24V、1A的开关电源。经过查阅资料，没有直接符合本设计的电源模块，所以要自行设计一个，主要设计过程如下：1、确定开关电源的基本参数 :1>、交流输入电压最小值 UMmin为195V2>、交流输入电压最大值 U 为256VMAX3>、电网频率fi:50Hz或60Hz4>、开关频率f：100KHz5>、输出电压Uo(v>: 以知24V6>、输出功率Po(w>: 以知24W7>、电源效率:一般取８０％20/428>、损耗因数Z:Z代表二次饶住损耗值的比值 ,典型值是0.5２、根据输出要求,选择反馈电路的类型以及反馈电压 UFB从基本反馈电路、改进型反馈电路、配稳压管的光耦反馈电路、配 TL431的光耦电路四种反馈电路中选择最后一种电路，并确定其反馈电压为 12V。3. 确定输入电容值1) 根据u令整流桥的响应时间 tC=3ms2) 根据输入电压,从表1查值CIN3) 得到UImin的值表1确定CIN、UImin的值交流输入电PO/W比例系数CIN/uFUImin/V压/(uF/W>固定输入以知2-3(2-3>PO/W90通用个输入以知2-3(2-3>PO/W90固定输入以知11PO/W2404、根据输入电压确定UOR、UB的值1>根据输入电压，确定，UB=200VUOR=135V2）第20步将用到UB的值来选择瞬变电压抑制器 <TVS）的型号3）TOPSwitch关断且二次侧电路处于导通状态时，二次侧电压会感应到一次侧绕组上。感应电压UOR与UI相叠加后，加至内部功率开关管 <MOSFET）的漏极上。此时一次绕组漏感释放能量，并在漏极上产生尖峰电压 UL。由于上述不利情况同时出现，极易损坏芯片，因此须给一次侧绕组增加钳位保护电路，利用 TVS器件来吸收尖峰电压的瞬时能量,使上述三种电压之和不超过漏 -源击穿电压U(BR)DS的值5、根据UOR、UImin的值来确定最大占空比 DmaxDmax计算公式为:Dmax=UOR100%(3-1>UIminUDS(ON)UOR21/421>、MOSFET的通态漏-源电压UDS(ON)=10V。2> 、应在u=umin时确定Dmax若将UOR=135V、UImin、UDS(ON)=10V一并带入式(3-1>中,可计算出Dmax=64.3%,这与典型值67%非常接近.Dmax随着u的升高而减小,例如当u=umin=265V时,Dmax=34.6%。6、确定一次绕组脉动电流 IR与一次绕组峰值电流 IP的比值KRP定义比例系数KRP

IR/IP

(3-2>1 ）当

u确定之后，

KRP有一定的取值范围。在

AC110/115V或宽范围电压范围输入时，可选

KRP=0.4,

当AC230V输入时，取

KRP=0.6）在整个迭代过程中，可适当增大KRP的值，但不得超过最大值1.0。7、确定一次绕组波形参数计算下列参数<电流参数均取A）：）输入电流的平均值IAVGIAVGP0=0.63A(3-3>UImin）一次绕组峰值电流IPIPIAVG=0.648A(3-4>(10.5KRP)DMAX）一次绕组脉动电流IR=0.72A[见式3-2]）一次绕组有效电流IRMSIRMS=IPDMAX(KRP2KRP1)=0.42A(3-5>38、根据电子数据表格和所须 IP值，选择TOPSwitch芯片）所选极限电流最小值应满足下式0.9ILIMT(min)IP(3-6>22/42）若芯片散热不良，则选择功率稍大一些的芯片。9、计算芯片的结温 Tj）按下式计算结温Tj=[IRMS2RDS(ON)1CXT(UIMAXUOR)2f]RA+25(3-7>2式中，CXT是漏极结点的等效电容。公式中括号内第二项代表当交流输入电压较高时，由于CXT不断被充放电而引起的开关损耗，可用 PCXT表示。2）计算过程中若发现 Tj>100℃，应选功率较大的 TOPSwitch芯片。10、验算IP公式为IP0.9ILIMT(min)(3-8>1>输入新的KRP值且从最小值开始迭代直到KRP=1.02>检查IP值是否符合要求。3>迭代KRP=1.0或IP=0.9ILIMIT(min)11、计算一次绕组电感量LP一次绕组电感量由下式确定LP=106P0Z(1)=19944(3-9>IP2KRP(1KRP)f2式中，LP的单位取H.12、设定一次绕组层数 d和二次绕组匝数NS的初值并计算NS的值设定d=2层。计算计算二次绕组NS时，对于或宽范围输入时取0.6匝/V,AC230V现以知UO=24V,考虑到二次侧肖特基整流管上还有0.4V的正向压降UF1,因此二次绕组匝数为(U0+UF1>0.6匝/V=14.64 匝。由于二次绕组上和还存在导线电阻，也会形成压降，实取 NS=15匝。亦可根据二次绕组每伏匝数和 UF1的值，直接计算 NS的值。23/4213、计算一次组匝数NP和反馈绕组匝数NFNUOR(3-10>P=NSUOUF1将UOR=85V,UO=24V,UF1=0.4V,NS=15匝一同带入式<-10）中计算出，NP=52.3匝。实取53匝。再计算反馈绕组匝数NF=NSUFBUUOU

F2(3-11>F1将NS=15匝,UFB=10.4,UF2=0.7V,UO=24V,UF1=0.4V代入式<-11）中计算出，NF=6.8匝，实取7匝。14、计算磁芯中的最大磁通密度 BM100IPLP<3-12）BM=NPSJ将IP=0.648A,LP=623H,NP=53匝，磁芯有效横截面积SJ=0.41cm2代入式<-12）中计算出，BM=0.185T。实取BM=0.2085T。需要指出，如若 BM>0.3T，则需增加磁心的横截面积或增加一次绕组的匝数，使BM在0.2-0.3的范围内。如BM<0.2T，就应选则较小的磁心或减小NP的值。15、计算磁芯的气隙宽度和留有气隙时磁芯的等效电感ALGNP21(3-13>=40SJ()1000LP1000AL式中，的单位是mm。将NP=53匝，SJ=0.41cm2,LP=623H,磁芯不留间16、计算DPM、DPM的值根据一次绕组层数d、骨架宽度b和安全边距M，首先用下式计算有效骨架宽度<单位是：mm）：bEd(b2M)(3-15>将d=2,b=8.43mm,M=0代入式<-15）中求得:bE=16.86mm。24/42再利用下式计算一次绕组导线的外径 <带绝缘层）DPM:bEDFM (3-16>NP将bE=16.86mm,NP=53匝，代入式<-16）中求得DPM=0.31mm，扣除漆皮后裸导线的内径。DPM=0.26mm。17、计算一次绕组导线的电流密度J并判断其是否满足条件计算电流密度的公式为J=19801.28IRMS(3-17>1.27DP2(1000)2DP24IRMS25.4将DPM=0.26mm,IRMS=0.32A代入式<-17）中得到J=6.06A/mm2。若J>10A/mm2，应选较粗的导线和较大的磁心骨架，使J<10A/mm2。若J<4A/22，宜可适当增加的匝数。mm，应选较细的导线和较小的磁心骨架，使J>4A/mm1）ALG值必须在选好NP值以后才能确定。2）如上所述，高频变压器的设计是一个多次迭代的过程。例如当NP改变后，NS和NF的值也一定会按一定的比例变化。此外，在改变磁芯尺寸时，需对J、BM、等参数重新计算，以确信它们任在给定范围之内。18、确定二次绕组参数ISP、ISRMS、IRI、DSm、DSM1）计算二次绕组峰值电流 ISP二次绕组峰值电流取决与一次绕组峰值电流以及一、二次绕组匝数比，有公式ISP=IPNP(3-18>NS将IP=0.648A,NP=53匝，NS=15匝代入式<-18）中得到，ISP=2.29A2）计算二次绕组有效电流值 ISRMS二次绕组纹波电流与峰值电流的比例系数 KRP 与一次绕组完全相同，区别仅是对二次绕组而言， KRP 反映的是二次绕组电流在占空比为 <1-DMAX）时的比例系数。因25/42此，计算二次绕组有效值电流 时，需用下面的公式ISRMS=ISP(1DMAX)(KRP2KRP21)(3-19>3将ISP=2.29A,DAMX=51%,KRP=0.4代入式<-19）中求得，ISRMS=1.27A。3）计算输出滤波电容上的纹波电流 IRII RI= ISRMS2 IO2 <3-20 ）将ISRMS=1.27A，IO=1A代入式<-20）中求得IRI=0.79A。最后计算二次绕组裸导线直径，有公式DSm=4ISRMS198025.41.13ISRMS(3-21>1.27J1000J将ISRMS=1.27A，J=5.18A/mm2，代入式<-21）中求得DSm=0.56mm。实际选0.600mm的公制线规。需要指出，当DSm>0.4mm时，应采用0.4mm的两股导线双线并绕 NS匝。与单线粗导线绕制方法相比，双线并绕能增大二次绕组的等效横截面积，改善磁场耦合程度，减小磁场泄漏及漏感。此外，用双线并绕方式还能减小二次绕组导线的电阻值，降低功率损耗。若选用三重绝缘线来绕制一次绕组，则导线外径 <单位是mm）的计算公式为DSM=b2M(3-22>NS将b=8.43mm,M=0,NS=15匝代入式<-22）中求得，DSM=0.562mm可选导线直径DSm0.56mm而绝缘层外径DSM0.562mm的三层绝缘线。19、确定二次侧整流管、反馈电路整流管的最高反向峰值电压：U(BR)S、U(BR)FB有公式NSU(BR)S=UO+UIMAXNP(3-23>U(BR)FB=UFB+UIMAXNF(3-24>NP将UO=24V,UFB=10.4V,UIMAX=375V,NS=15匝,NP=53匝,NF=7匝,分别代26/42入以上两式中求得，U(BR)S=130.1V, U(BR)FB=59.92V。20、选择钳位二极管和阻塞二极管根据交流输入电压220V，可确定钳位二极管P6KE200，阻塞二极管BYV26C。对于低功率的TOP200、TOP201、TOP210型单片开关电源，可选180V的瞬变电压抑制器。21、选择输出整流管输出整流管宜采用肖特基二极管，此类管子的压降低、损耗小，能提高电源效率。22、利用步骤20得到的IRI，选择输出滤波电容 COUT1）滤波电容在105、100KHz时的纹波电流应 IRI。2）要选择等效串联电阻很低的电解电容。等效串联电阻的英文缩写为 ESR，符号为rO。它表示在电容器的等效电路中，与之相串联的代表电容器损耗的等效电阻，简称串联损耗电阻。输出的纹波电压URI由下式决定URI=ISPrO式中，ISP由步骤20决定。3>为减少大电流时的纹波电流 IRI，可将几只滤波电容串联使用，以降低电容的rO值和等效电感LO 。4>COUT的容量与最大电流输出时的纹波电流 IOM有关。例如：当 UO=5-24V、IOM=1A时，COUT取330 F/35V，IOM=2A时COUT应取1000 F/35V。23、当输出端的纹波电压超过规定值时，应再增加一级 LC滤波器24、选择反馈电路中的整流管整流管类型主要有玻封高速开关硅二极管IN4148<国产）、超快恢复二极管BAV21<飞利普）和UF4003<GI），但前者最高反向工作电压URM为75V，后者为200V。由关系式URM1.252umax(3-26>可确定反馈电路的整流管选用玻封高速开关硅二极管 IN4148。25、选择反馈滤波电容应取0.1 F/50V的陶瓷电容器。26、选择控制端电容及串联电阻27/42控制端电容一般取 47F/10V，普通电解电容即可。与之相串联的电容可选6.2 /0.25W。在不连续模式下可去掉此电阻。3.7.2 电源电路图图14第四章 软件设计4.1 流程图设计4.1.1 软件设计思想本设计主要控制过程为：首先先通过 8155PA口键盘设定温度最高限 Tmax和最底限28/42Tmin，然后以66KHZ的频率采集温度信号并滤波，通过MC14433进行A/D转换，再进入单片机进行温度控制。将实际温度T与先与Tmax进行比较，如果T>Tmax,则清PC0口，停止加热；如果小于，再与Tmin计较，T>Tmin，则进行PID控制，不然则将PC0口置1，开启加热，并将实际温度值送LCD输出显示。与此同时，单片机还一直检测串行口，看是否有通讯信号。若有信号显示，则产生中断，判断是接收信号还是发送信号，并进行相应处理。若无通讯信号，则继续采集温度信号。为防止程序进入死循环，设计还设有看门狗电路，前面已有所介绍，这里不再叙述。4.1.2 主程序流程图主程序主要包括 8031本身的初始化、串行口初始化、中断系统初始化等等。大体来说，本程序包括设置有关温度参数、数据采集和温度 PID控制、温度显示等程序。其流程图如图15所示：29/42图154.1.3 键盘扫描子程序在本设计中根据实际需要，共设有 4个按键，分别为：S1：上升键，在设定温度最高限和最底限时控制温度的上升。S2：下降键，在设定温度时控制温度的下降。S3：确定键，在设定好温度最高限和最低限后确定。S4：复位键，使用此键可以实现对最高限和最底限温度值的更改。其流程图如图16所示：图164.1.4 数据采集子程序设计中采用MC14433进行A/D转换，DU端与EOC端相连，以选择连续方式，每次转换结果都送至输出寄存器。

EOC是A/D转换结束的输出标志信号。本设计将 EOC端与30/428031外部中断输入端INT1相连，所以读取 A/D转换结果采用中断方式，其流程图如图所示：图17MC14433上电后，即对外部模拟输入电压信号进行 A/D转换，由于EOC断与DU端相连，故每次转换完毕都有相应的 BCD码及相应的选通信号出现在 Q0～Q3和DS1～DS4上。当 8031开放CPU中断时，允许INT1中断申请，并置外部中断为边沿触发方式，在执行此程序后，且每次A/D转换结束时，都将把A/D转换结果数据送入片内RAM中的20H、21H单元。这两个单元均可位寻址。量程出错标志位为10H。4.1.4 温度控制子程序根据上述控制机理，其流程图如图 18所示：31/42图18其中PID控制采用的是FUZZY-PID控制。基于FUZZY逻辑推理的PID控制器是以控制专家整定PID控制器参数的经验和知识为基础，通过对系统过渡过程模式的在线识别，对PID参数进行自整定，其算法流程如图19所示：PID 参数的FUZZY自动调整思想是依据被控对象的响应在采样时刻的误差 E和误差的变化率EC两个因素来确定参数调整量的极性和大小的。本质上，同时兼顾了被控对象响应的“静态性能”和响应的“动态性能”两个因素，既看现状，也看动向。32/4233/42图194.1.5 串行通讯子程序根据通信协议，通信串行口工作于同步起停模式，用定时器T1做波特率发生器。帧格式：一个起时位，8个数据位，一个停止位。用T1定时器产生9600波特率，晶体振荡器的频率为12MHZ，T1的计数初值为0E8H，程序流程图如图20所示：图204.2 程序单片机用汇编语言编程的优点是操作方便，直观。根据目前自身能力，以及设计的特点，这里采用汇编语言，程序为：ORG 0000HLJMP

MAINORG

0003H

。外部中断

1人口地址LJMP

INT1ORG

000BH

。定时中断

0人口地址LJMP

T0INTORG

0013H

。外部中断

1人口地址LJMP

INT1INTORG

001BH

。定时中断

1人口地址LJMP

T1INTORG

0023H

。串口中断人口地址34/42LJMP SIOINTORG 0100HMAIN: MOV R0,#20H 。数据存放首地址MOV TL0,#18H 。(TL0>=(TH0>=38H,2ms,(12MHz>MOV TH0,#0FCH 。T0工作于方式2MOV TMOD,#01H 。T0:Mode2记数方式控制寄存器MOV TCON,#55H 。记数器控制寄存器MOV DPTR,#1700H。启动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 ；读键盘状态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 。置外部中断1为边沿触发方式SETBEA ；开放CPU中断SETBEX1 ；允许外部中断 1中断AINT:MOV B,P1 。 开启A/D转换JNB ACC.4 ，AINI1；判断DS1CLR 06H ；20H的D6和D5置0CLR 05HJB ACC.0 ，AER ；被测电压超量程，转 AERJB ACC.2 ，AI1 ；极性为正转AI1SETB 07H ；极性为负，20H单元第4位置1AJMP AI2AI1：CLR 07H35/42AI2：JB ACC.3，AI3 ；千位为0转AI3SETB 04HAJMP AI4AI3：CLR 04HAI4：MOV B,P1JNB ACC.5 ，AI4 ；判断DS2MOV R0 ，#20HXCHO ：B，@R0。百位送20H单元的第0～3位AI5：MOV B,P1JNB ACC.6 ，AI5 ；判断DS3SWAP BINC R0MOV@R0 ，B ；十位送21H单元的第4～7位AI6：MOV B,P1JNB ACC.7 ，AI5；判断DS4XCHO：B，@R0。个位送21H单元的第0～3位RETIAER：SETB10H ；置量程错误标志位，报警FILTER：MOV B,2CH ；中值滤波CJNEB ，2DH，COMPARE1AJMPCOMPARE2COMPARE1：JNCCOMPARE2XCHB ，2DHXCHB ，2CHCOMPARE2：MOVB,2DHBJ ：MOV30H，Tmax 。上限温度存入30HMOVTmax ，#01HMOV31H ，Tmin ；下限温度存入 31HCJNEB ，Tmax，J1 ；不等跳转J1 ：JCNEXT0 ；B<Tmax跳转MOVDPTR，1703HMOVA ，#00H ；PCO清0，停止加热NEXT0：CJNEB，Tmin，J2J2 ：JCNEXT1 ；B<Tmin跳转AJMPFRID ；温度没超限，则转 PID控制NEXT1：MOVDPTR，1703HMOVA ，#01H ；加热FRID：MOV R5，31H ；uk送R4R5MOV R4 ，32HMOV R3 ，2AH ；ui<k）送R2R3MOV R2 ，#00H36/42ACALLCPL1；取ui<k）的补码ACALLDSUM；计算E<K）MOV39H，R7；E<K）送39H和3AH单元MOV3AH，R6MOVR5，35H；Ki送R5R4MOVR4，36HMOVR0，#4AH；积起始地址4AH送R0ACALLMULT1；计算Pi=Ki·E<K）MOVR5，39H；E<K）送R5R4MOVR4，3AHMOVR3，3BH；E<K-1）送R3R2MOVR2，3CHACALLCPL1；对E<K-1）求补ACALLDSUM报；求[E<K）-E<K-1）]MOVR5，33H；Kp送R5R4MOVR4，34HMOVR0，#46H；积起