1、2022-7-261 2022-7-262 2022-7-263【基本知识点与要求基本知识点与要求】（1）了解单片机应用系统设计的基本要求。了解单片机应用系统设计的基本要求。（2）掌握单片机掌握单片机应用系统的组成。应用系统的组成。（3）掌握单片机应用系统的设计过程。掌握单片机应用系统的设计过程。（4）掌握单片机应用系统的设计方法和抗干扰的基本技术。掌握单片机应用系统的设计方法和抗干扰的基本技术。【重点与难点重点与难点】单片机应用系统的设计过程；单片机应用系统的设计方法单片机应用系统的设计过程；单片机应用系统的设计方法和抗干扰的基本技术。和抗干扰的基本技术。单片机应用系统单片机应用系统是以是以
2、单片机为核心单片机为核心，扩展扩展必需的必需的外围电路外围电路、开发开发相应的相应的应用软件应用软件，实现实现给定给定任务和功能的实际应用系统任务和功能的实际应用系统。本。本章首先概述单片机应用系统的基本结构和设计过程；其次介绍单章首先概述单片机应用系统的基本结构和设计过程；其次介绍单片机应用系统的设计方法和抗干扰技术；然后结合前面介绍的方片机应用系统的设计方法和抗干扰技术；然后结合前面介绍的方法给出单片机应用系统的例子。法给出单片机应用系统的例子。2022-7-2649.1.1 9.1.1 单片机应用系统的结构与设计要求单片机应用系统的结构与设计要求 单片机应用系统是软件和硬件相结合的工程系
3、统单片机应用系统是软件和硬件相结合的工程系统，其设计必，其设计必须围绕应用系统的功能和技术指标来进行。须围绕应用系统的功能和技术指标来进行。单片机应用系统设计单片机应用系统设计包括包括总体设计总体设计、硬件设计硬件设计、软件设计软件设计、软硬件联合调试软硬件联合调试和和现场调现场调试运行等环节。试运行等环节。单片机又称为微控制器，在大多数情况下，单片机常被用作单片机又称为微控制器，在大多数情况下，单片机常被用作工业测控系统或者测试系统的主控制器。基于单片机的测控系统工业测控系统或者测试系统的主控制器。基于单片机的测控系统结构如图结构如图9-1所示。所示。1.单片机应用系统的结构单片机应用系统的
4、结构 2022-7-265、2022-7-266 (1)单片机应用系统的硬件组成单片机应用系统的硬件组成 输入输出设备。包括光笔、打印机、显示屏、触摸屏等，输入输出设备。包括光笔、打印机、显示屏、触摸屏等，主要用来进行显示和操控、打印、存储及传送数据。主要用来进行显示和操控、打印、存储及传送数据。模拟量输入通道。通过传感器、放大与变送器、模拟量输入通道。通过传感器、放大与变送器、A/D转换转换器、并行输入接口等将测控对象的模拟量转换为数字量。器、并行输入接口等将测控对象的模拟量转换为数字量。单片机组成的测控系统硬件包括以下部分：单片机组成的测控系统硬件包括以下部分：通信模块。利用串行接口，通过
5、载波通信等通信设备或者通信模块。利用串行接口，通过载波通信等通信设备或者经过调制解调等方式和远端主机进行通信，上传终端信息，或接经过调制解调等方式和远端主机进行通信，上传终端信息，或接收受控信号。收受控信号。操作控制台。包括键盘、控制按钮等，是单片机测控系统操作控制台。包括键盘、控制按钮等，是单片机测控系统中人中人-机交流的桥梁，通过它操作者可以向系统发出各种控制命令，机交流的桥梁，通过它操作者可以向系统发出各种控制命令，输入各种控制参数。输入各种控制参数。2022-7-267 模拟量输出通道。通过并行输出接口、模拟量输出通道。通过并行输出接口、D/A转换器、驱动转换器、驱动电路和执行器等，将
6、系统的数字量转换为模拟量输出。电路和执行器等，将系统的数字量转换为模拟量输出。开关量输入通道。通过开关量输入接口、光电隔离器等实开关量输入通道。通过开关量输入接口、光电隔离器等实现开关量的输入。现开关量的输入。开关量输出通道。通过开关量输出接口、驱动电路、固态开关量输出通道。通过开关量输出接口、驱动电路、固态继电器等来实现开关量的输出。继电器等来实现开关量的输出。单片机及其扩展的存储器。单片机及其扩展的存储器。2.2.单片机应用系统的软件组成单片机应用系统的软件组成 应用系统中的软件一般包括系统监控程序和应用程序两部分。应用系统中的软件一般包括系统监控程序和应用程序两部分。系统监控程序。系统监
7、控程序。是控制单片机系统按照预定操作方式顺序是控制单片机系统按照预定操作方式顺序运行的无限循环程序。它负责组织调度各个应用程序模块，完成运行的无限循环程序。它负责组织调度各个应用程序模块，完成系统的自检、初始化、键盘扫描、显示程序、处理条件触发等。系统的自检、初始化、键盘扫描、显示程序、处理条件触发等。2022-7-268 开 始 保 护 现 场 选 择 工 作 寄 存 器 区 中 断处理 （若 需 主 程 序 处 理 则置位 标志）恢 复 现 场 返 回 图 9-X 中 断 处 理 程 序 结 构 开 始 扩 展 I/O 口 初 始 化 软 件标志、指针、计 数器等 初始化 堆 栈、定 时
8、器、串 行口、中断 等初始 化 图 9-X 1 主 程 序 程 序 结 构 事件处理，清事件标志 事 件 需 处 理？事件处理，清事件 标志 事 件 需 处 理？事件 处理，清 标志 事 件 需 处 理？n n n Y N Y N Y N 2022-7-269是否有通信请求？是否有通信请求？是否有按键操作是否有按键操作？调通信处理子程序调通信处理子程序调按键处理子程序调按键处理子程序YNN是否到采样时间是否到采样时间？调数据采集子程序调数据采集子程序YN初始化程序初始化程序一种主程序结构一种主程序结构（作业顺序型）（作业顺序型）YY调数据显示子程序调数据显示子程序是否到显示刷新时间是否到显示刷
9、新时间？N2022-7-2610 (1)高可靠性。高可靠性。(2)高性价比。高性价比。(3)实时性强。实时性强。(4)操作、操作、维护方便。维护方便。应用程序。应用程序。是主要完成系统各个部分功能的软件。如数是主要完成系统各个部分功能的软件。如数据采集（包括据采集（包括A/D转换）、键功能处理、数字滤波程序、控制算转换）、键功能处理、数字滤波程序、控制算法程序、通信程序、控制量输出程序（包括法程序、通信程序、控制量输出程序（包括D/A转换）、中断服转换）、中断服务程序等等。务程序等等。3.单片机应用系统的设计要求单片机应用系统的设计要求 9.1.2 9.1.2 单片机应用系统的设计过程单片机应
10、用系统的设计过程 (1)根据用户或研究课题的任务、功能要求进行功能和性能的根据用户或研究课题的任务、功能要求进行功能和性能的认识与合理分析，确定合理、详尽的技术指标。认识与合理分析，确定合理、详尽的技术指标。(2)单片机应用系统的设计。包括系统基本结构的确立、主要单片机应用系统的设计。包括系统基本结构的确立、主要器件选型、测控电路的选择以及软硬件功能的划分等。器件选型、测控电路的选择以及软硬件功能的划分等。(3)单片机应用系统的硬件设计与调试。单片机应用系统的硬件设计与调试。2022-7-2611 (4)单片机应用系统的软件设计与调试。单片机应用系统的软件设计与调试。(5)单片机应用系统联合调
11、试与试运行。单片机应用系统联合调试与试运行。(6)单片机应用系统现场调试运行或产品化设计。单片机应用系统现场调试运行或产品化设计。1.确定单片机应用系统的任务、功能要求和性能技术指标确定单片机应用系统的任务、功能要求和性能技术指标 在设计一个单片机应用系统之前，必须确定系统的具体功能在设计一个单片机应用系统之前，必须确定系统的具体功能和各项技术指标以及应用的范围和场所。和各项技术指标以及应用的范围和场所。形成设计文件。形成设计文件。2.确定单片机应用系统的设计方案确定单片机应用系统的设计方案 确定系统的功能和技术指标后，就可以进行调研、查找资料、确定系统的功能和技术指标后，就可以进行调研、查找
12、资料、分析研究以确定系统的设计方案。根据测控对象的要求，确定被分析研究以确定系统的设计方案。根据测控对象的要求，确定被控参数，选择可靠、经济、实用的传感器和执行器，确定模拟量控参数，选择可靠、经济、实用的传感器和执行器，确定模拟量输入、输出通道的数目和主要环节，开关量输出、输出通道的数输入、输出通道的数目和主要环节，开关量输出、输出通道的数目和主要环节。综合考虑硬、软件分工与配合方案。在此基础上目和主要环节。综合考虑硬、软件分工与配合方案。在此基础上画出整个系统的原理框图。画出整个系统的原理框图。2022-7-2612 3.单片机应用系统的硬件设计与调试单片机应用系统的硬件设计与调试 单片机应
13、用系统的硬件是系统的载体，其设计包括以下几个方面：单片机应用系统的硬件是系统的载体，其设计包括以下几个方面：(1)单片机机型的选择。单片机机型的选择。(2)信号输入通道硬件设计。信号输入通道硬件设计。根据系统的输入信号多少和性能根据系统的输入信号多少和性能要求来设计信号调理电路，要求来设计信号调理电路，A/D转换器、多路选择开关的选择与电转换器、多路选择开关的选择与电路设计主要由信号采集的速度、精度以及抗干扰的要求来定。开路设计主要由信号采集的速度、精度以及抗干扰的要求来定。开关量输入需考虑隔离和电平的兼容。关量输入需考虑隔离和电平的兼容。(3)存储器与存储器与I/O接口的扩展。接口的扩展。(
14、4)总线驱动能力。总线驱动能力。(5)信号输出通道硬件设计。信号输出通道硬件设计。有两方面问题必须考虑，一是驱有两方面问题必须考虑，一是驱动问题；二是动问题；二是D/A转换器的选择。转换器的选择。(6)人机交互设计。人机交互设计。(7)通信接口设计。通信接口设计。2022-7-2613 硬件的静态调试包括不加电和加电调试。利用万用表、逻辑硬件的静态调试包括不加电和加电调试。利用万用表、逻辑分析测试仪，在不加电的情况下检查电路中各器件、引脚连接是分析测试仪，在不加电的情况下检查电路中各器件、引脚连接是否正确，是否有断路故障等。排除故障后，插上芯片，在加电的否正确，是否有断路故障等。排除故障后，插
15、上芯片，在加电的情况下进一步检查是否有故障。此时要注意对易受静电影响的器情况下进一步检查是否有故障。此时要注意对易受静电影响的器件考虑防静电。之后，将应用系统和仿真机联机动态调试，观察件考虑防静电。之后，将应用系统和仿真机联机动态调试，观察存储器和各扩展的存储器和各扩展的I/O口线是否正常。直至硬件可以稳定正常工作。口线是否正常。直至硬件可以稳定正常工作。4.单片机应用系统的软件设计与调试单片机应用系统的软件设计与调试 （1）确定软件总体结构，划分功能模块，生成软件设计文档。）确定软件总体结构，划分功能模块，生成软件设计文档。（2）模块设计采用逐步细化的方法。）模块设计采用逐步细化的方法。产生
16、各功能模块详细程序产生各功能模块详细程序流程图。流程图。（3）采用结构化的程序设计思想。）采用结构化的程序设计思想。在编程过程中，采用顺序结在编程过程中，采用顺序结构、分支结构、循环结构和子程序的结构化设计思想。构、分支结构、循环结构和子程序的结构化设计思想。2022-7-2614 5.单片机应用系统联合调试与试运行单片机应用系统联合调试与试运行 软件设计完成后，就可以进行软件的调试工作。软件设计完成后，就可以进行软件的调试工作。软件调试遵软件调试遵循先独立后联机、先分块后组合、先单步后连续的原则循先独立后联机、先分块后组合、先单步后连续的原则。软件调。软件调试需要利用仿真工具在线一个模块一个
17、模块的进行调试，最后连试需要利用仿真工具在线一个模块一个模块的进行调试，最后连接起来统调。也可以通过接起来统调。也可以通过Keil C51与与Proteus联合进行全程仿真调联合进行全程仿真调试。需要注意的问题是试。需要注意的问题是经过汇编程序的经过汇编程序的“编译编译”，只能发现语法，只能发现语法错误，不能解决程序逻辑上的错误！错误，不能解决程序逻辑上的错误！逻辑错误只能通过设计者进逻辑错误只能通过设计者进行仔细的软件调试和硬软件联合调试来完成。软件调试无误后就行仔细的软件调试和硬软件联合调试来完成。软件调试无误后就可以固化到单片机的程序存储器中，脱机运行。可以固化到单片机的程序存储器中，脱
18、机运行。通过联合调试来发现硬、软件能否按预定要求协调工作，系通过联合调试来发现硬、软件能否按预定要求协调工作，系统运行中是否有潜在的在设计时难以预料的错误，系统的动态性统运行中是否有潜在的在设计时难以预料的错误，系统的动态性能指标是否满足设计要求等等。这一步需要借助于单片机开发系能指标是否满足设计要求等等。这一步需要借助于单片机开发系统来完成。统来完成。2022-7-2615需要通过相应的仪器装置模拟现场设备的输入输出信号，对系统需要通过相应的仪器装置模拟现场设备的输入输出信号，对系统进行调试，同时模拟环境运行，以期发现隐含的错误。联合调试进行调试，同时模拟环境运行，以期发现隐含的错误。联合调
19、试无误后，将程序无误后，将程序“烧录烧录”到单片机中在现场进行试运行，由于现到单片机中在现场进行试运行，由于现场环境比实验室环境复杂、条件恶劣、干扰多，总会出现这样或场环境比实验室环境复杂、条件恶劣、干扰多，总会出现这样或那样的问题，这时需要认真分析问题来源，加以解决。那样的问题，这时需要认真分析问题来源，加以解决。6.单片机应用系统现场调试运行或产品化设计单片机应用系统现场调试运行或产品化设计 只有经过现场调试后的用户系统才能保证其可靠的工作，系只有经过现场调试后的用户系统才能保证其可靠的工作，系统经过现场调试和试运行正常后，就可以交付用户正式运行使用统经过现场调试和试运行正常后，就可以交付
20、用户正式运行使用了。如果开发的是产品的话，则还要为大批生产做准备。将各种了。如果开发的是产品的话，则还要为大批生产做准备。将各种设计、安装、调试、元器件采购等环节流程化，以进行大批量生设计、安装、调试、元器件采购等环节流程化，以进行大批量生产。产。2022-7-2616 干扰信号主要通过电磁感应、传输通道和电源三个途径进入干扰信号主要通过电磁感应、传输通道和电源三个途径进入应用系统，对于电磁感应干扰可应用良好的应用系统，对于电磁感应干扰可应用良好的“屏蔽屏蔽”和正确的和正确的“接地接地”加以解决。下面着重从软、硬两个方面给出传输通道和加以解决。下面着重从软、硬两个方面给出传输通道和电源的抗干扰
21、技术。电源的抗干扰技术。1.输入输出通道抗干扰措施输入输出通道抗干扰措施 输入输出通道是单片机和外设、测控对象进行信息交换的渠道，输入输出通道是单片机和外设、测控对象进行信息交换的渠道，由通道引起的干扰主要由公共地线引发。因此，必须隔开对象与输由通道引起的干扰主要由公共地线引发。因此，必须隔开对象与输入输出通道之间的公共地线，主要措施有：入输出通道之间的公共地线，主要措施有：9.3.1 单片机应用系统的硬件抗干扰技术单片机应用系统的硬件抗干扰技术 (1)光电耦合隔离。光电耦合隔离。(2)双绞线传输。双绞线传输。双绞线能使各小环路的电磁感应干扰相抵消，双绞线能使各小环路的电磁感应干扰相抵消，对电
22、磁场干扰、共模噪声有一定的抑制效果。对电磁场干扰、共模噪声有一定的抑制效果。2022-7-2617 (3)传感器后级的变送器应尽量采用电流型传输方式。由于电传感器后级的变送器应尽量采用电流型传输方式。由于电流型变送器比电压型变送器抗干扰能力强，所以采用电流型变送流型变送器比电压型变送器抗干扰能力强，所以采用电流型变送器可以提高系统的抗干扰能力。器可以提高系统的抗干扰能力。2.印制电路板的抗干扰设计印制电路板的抗干扰设计 (1)印制电路板大小要适中。印制电路板大小要适中。过大时，印刷线条长，阻抗增加，过大时，印刷线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也高；过小，散热不好，且易受干扰。尽抗噪声能力
23、下降，成本也高；过小，散热不好，且易受干扰。尽量使用多层印制板，保证良好的接地网，减少地电位差。量使用多层印制板，保证良好的接地网，减少地电位差。(2)器件布置要合理。器件布置要合理。把相关的器件就近放置，易产生噪声的把相关的器件就近放置，易产生噪声的电路应尽量远离主机电路，发热量大的器件应考虑散热问题，电路应尽量远离主机电路，发热量大的器件应考虑散热问题，I/O驱动器件尽量靠近印制板边上放置。闲置的驱动器件尽量靠近印制板边上放置。闲置的lC芯片引脚不要悬空，芯片引脚不要悬空，元器件引脚避免相互平行，以减少寄生耦合。如有可能，尽量使元器件引脚避免相互平行，以减少寄生耦合。如有可能，尽量使用贴片
24、元件。用贴片元件。2022-7-2618 (3)布线时注意的问题。布线时注意的问题。电路之间的连线应尽量短，容易受电路之间的连线应尽量短，容易受干扰的信号线要重点保护，不要与产生干扰或传递干扰的线路长干扰的信号线要重点保护，不要与产生干扰或传递干扰的线路长距离平行布线；交直流电路要分开；对双面布线的印制电路板，距离平行布线；交直流电路要分开；对双面布线的印制电路板，应使两面线条垂直交叉，以减少磁场耦合效应。应使两面线条垂直交叉，以减少磁场耦合效应。(4)合理接地。合理接地。交流地与信号地不能共用，以减少电源对信交流地与信号地不能共用，以减少电源对信号的干扰；数字地、模拟地分开设计，在电源端两种
25、地线一点相号的干扰；数字地、模拟地分开设计，在电源端两种地线一点相连；对于多级电路，设计时要考虑各级动态电流，注意接地阻抗连；对于多级电路，设计时要考虑各级动态电流，注意接地阻抗相互耦合的影响，工作频率低于相互耦合的影响，工作频率低于1MHz时采用一点接地，工作频时采用一点接地，工作频率较高时采取多点接地，接地线应尽量粗。率较高时采取多点接地，接地线应尽量粗。(5)加去耦电容。加去耦电容。加去耦电容是印制电路板设计的一项常用加去耦电容是印制电路板设计的一项常用技术。在电源输入端跨接技术。在电源输入端跨接10100F的电解电容或钽电容，在每的电解电容或钽电容，在每块集成电路芯片的电源线上跨接一个
26、块集成电路芯片的电源线上跨接一个0.01F的陶瓷电容器。以过的陶瓷电容器。以过滤电源的干扰。滤电源的干扰。2022-7-2619 3.供电系统抗干扰措施供电系统抗干扰措施 (1)使用交流稳压器使用交流稳压器，可防止电网过电压、欠电压干扰，保证，可防止电网过电压、欠电压干扰，保证供电的稳定性。供电的稳定性。(2)采用隔离变压器采用隔离变压器，初次级用屏蔽层隔离，减少其间分布电，初次级用屏蔽层隔离，减少其间分布电容，提高共模抗干扰能力。容，提高共模抗干扰能力。(3)采用低通滤波器采用低通滤波器可滤去干扰中的高次谐波。可滤去干扰中的高次谐波。(4)整个系统采用分立式供电方式整个系统采用分立式供电方式
27、，分别对各部分进行供电。，分别对各部分进行供电。(5)采用开关电源并提供足够的功率余量。采用开关电源并提供足够的功率余量。(6)强、弱电路严格分开。强、弱电路严格分开。如果单片机应用系统含有强电电路，如果单片机应用系统含有强电电路，那么强、弱电路不要设计在一块电路板上。那么强、弱电路不要设计在一块电路板上。9.3.2 9.3.2 单片机应用系统的软件抗干扰技术单片机应用系统的软件抗干扰技术 2022-7-2620 程序在执行过程中，程序在执行过程中，CPU受到干扰后可能会将一些操作数受到干扰后可能会将一些操作数当作指令码来执行，不能按正常状态执行程序，引起程序混乱，当作指令码来执行，不能按正常
28、状态执行程序，引起程序混乱，这就是通常所谓的这就是通常所谓的程序程序“跑飞跑飞”或或“走飞走飞”。1.在程序中插入空操作指令在程序中插入空操作指令(指令冗余指令冗余)的抗干扰措施的抗干扰措施 在软件设计时，应多采用单字节指令，并在一些关键地方插在软件设计时，应多采用单字节指令，并在一些关键地方插入入NOP指令。如在长度为双字节、三字节指令后面插入指令。如在长度为双字节、三字节指令后面插入2条条NOP指令。另外，在一些对程序流向起决定性作用的指令之前插入指令。另外，在一些对程序流向起决定性作用的指令之前插入两条两条NOP指令指令(如如RET，RETI，ACALL，LCALL，SJMP，AJMP，
29、LJMP，JZ，JNZ，JC，JNC，JB，JNB，JBC，CJNE，DJNZ)以保证以保证“跑飞跑飞”的程序能快速恢复正常。的程序能快速恢复正常。2.采用采用“软件陷阱软件陷阱”抗干扰措施抗干扰措施 CPU受干扰，程序受干扰，程序“跑飞跑飞”到非程序区，此时指令冗余无能到非程序区，此时指令冗余无能为力，使程序进人为力，使程序进人“陷阱陷阱”，强迫引导程序进入一个指定的地址，强迫引导程序进入一个指定的地址，执行一段专门对程序出错进行处理的程序。执行一段专门对程序出错进行处理的程序。2022-7-2621 (3)程序区。程序区。程序区由一串串执行指令构成，当程序执行到程序区由一串串执行指令构成，
30、当程序执行到LJMP，SJMP，AJMP，RET等无条件转移类指令时，等无条件转移类指令时，PC的值的值应发生正常的跳变，此时程序不可能继续往下顺序执行。若在这应发生正常的跳变，此时程序不可能继续往下顺序执行。若在这些指令后设置软件陷阱，就可拦截弹飞到这里的程序，而又不影些指令后设置软件陷阱，就可拦截弹飞到这里的程序，而又不影响正常执行的流程。响正常执行的流程。NOP NOP LJMP ERR (1)未使用的中断区。未使用的中断区。当干扰使未使用的中断开放并激活这当干扰使未使用的中断开放并激活这些中断时，就会引起程序混乱。些中断时，就会引起程序混乱。(2)未使用的大片程序空间。未使用的大片程序
31、空间。2022-7-2622 (4)数据表格区。数据表格区。为了不破坏表格的连续性，可在数据表格区为了不破坏表格的连续性，可在数据表格区的尾部设置软件陷阱。软件陷阱安排在正常程序执行不到的地方，的尾部设置软件陷阱。软件陷阱安排在正常程序执行不到的地方，不影响程序执行的效率，在程序存储器容量允许的条件下，多设不影响程序执行的效率，在程序存储器容量允许的条件下，多设置软件陷阱有利而无害。置软件陷阱有利而无害。3.数据采集的抗干扰措施数据采集的抗干扰措施 对实时测控系统或者数据采集系统来说，除采用硬件滤波电对实时测控系统或者数据采集系统来说，除采用硬件滤波电路外，还可以应用软件技术对要采集的数据进行
32、路外，还可以应用软件技术对要采集的数据进行“数字滤波数字滤波”。所谓数字滤波所谓数字滤波，是通过算法程序对采样数据进行平滑加工，以减是通过算法程序对采样数据进行平滑加工，以减小或者剔除干扰对数据的影响。小或者剔除干扰对数据的影响。常用的滤波算法有常用的滤波算法有“程序判断滤程序判断滤波波”、“中值滤波中值滤波”、“算术平均滤波算术平均滤波”、“一阶递推滤波一阶递推滤波”等等方法。方法。2022-7-2623 9.4.1 9.4.1 电阻炉温度控制系统设计电阻炉温度控制系统设计 用于热处理的电阻炉、用于熔化金属的坩埚电炉等加热设备用于热处理的电阻炉、用于熔化金属的坩埚电炉等加热设备在机械、化工、
33、冶金等行业中应用广泛，其中温度作为一个典型在机械、化工、冶金等行业中应用广泛，其中温度作为一个典型的被控参数。电阻炉温度控制属于一阶环节加纯滞后系统，具有的被控参数。电阻炉温度控制属于一阶环节加纯滞后系统，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，如果应用传统的断续控制方式大惯性、纯滞后、非线性等特点，如果应用传统的断续控制方式将导致超调量大、调节时间长、控制精度低等问题。采用单片机将导致超调量大、调节时间长、控制精度低等问题。采用单片机进行炉温控制，具有电路设计简单、控制精度高、效果好等优点，进行炉温控制，具有电路设计简单、控制精度高、效果好等优点，对提高生产效率和产品质量等方面具有重要的现实意义。
34、对提高生产效率和产品质量等方面具有重要的现实意义。1.整体设计及系统原理整体设计及系统原理 设计的温度控制系统主要技术指标有：设计的温度控制系统主要技术指标有：温度控制范围：在温度控制范围：在3001000之间设定；之间设定；恒温时间：可以在恒温时间：可以在24小时内任意设定，但每次设定小时内任意设定，但每次设定2022-7-2624时间不能超过时间不能超过2424小时；小时；控制精度：控制精度：；超调量超调量1%1%。温度控制系统功能要求有：温度控制系统功能要求有：能够由键盘设定目标温度和控制参数；能够由键盘设定目标温度和控制参数；液晶显示炉温、设定时间、实际时间；液晶显示炉温、设定时间、实
35、际时间；具有串行接口通信功能；具有串行接口通信功能；具有越限报警功能；具有越限报警功能；根据系统的功能要求和技术指标，本系统由单片机根据系统的功能要求和技术指标，本系统由单片机AT89S51、传感器、信号调理与转换电路、键盘、显示及报警电路、计时电传感器、信号调理与转换电路、键盘、显示及报警电路、计时电路、驱动与执行电路、串行接口通信电路等部分组成。硬件原理路、驱动与执行电路、串行接口通信电路等部分组成。硬件原理框图如图框图如图9-2所示。所示。2022-7-2625图图9-2 电阻炉温度控制系统原理框图电阻炉温度控制系统原理框图2022-7-2626 在系统中，利用热电偶测得电阻炉实际温度并
36、转换成毫伏级在系统中，利用热电偶测得电阻炉实际温度并转换成毫伏级电压信号。经过调理后，该电压信号再经过转换电路转换成与炉电压信号。经过调理后，该电压信号再经过转换电路转换成与炉温相对应的数字信号输入单片机；温相对应的数字信号输入单片机；单片机进行数据处理后，一方面通过显示器显示温度、判断单片机进行数据处理后，一方面通过显示器显示温度、判断温度是否越限，如果越限则报警，并将温度通过串行接口发送到温度是否越限，如果越限则报警，并将温度通过串行接口发送到上位机；另一方面将实际温度与设定温度值比较，由上位机；另一方面将实际温度与设定温度值比较，由PID算法计算算法计算出控制量，该控制量用来控制固态继电
37、器的导通和关闭，从而达出控制量，该控制量用来控制固态继电器的导通和关闭，从而达到改变电阻丝的导通时间，以实现对炉温的控制。系统中的计时到改变电阻丝的导通时间，以实现对炉温的控制。系统中的计时电路可以根据要求进行准确计时。电路可以根据要求进行准确计时。2022-7-26272.硬件设计 选用集成电路芯片选用集成电路芯片MAX6675，完成热电偶输出电压信号的调，完成热电偶输出电压信号的调理与数字量的转换。理与数字量的转换。MAX6675是是MAXIM公司开发的公司开发的K型热电偶型热电偶转换器，集成了滤波器、放大器等，并带有热电偶断线检测电路、转换器，集成了滤波器、放大器等，并带有热电偶断线检测
38、电路、冷端补偿电路，能将冷端补偿电路，能将K型热电偶输出的电压直接转换成型热电偶输出的电压直接转换成12位数字位数字量，量，分辨率为分辨率为0.25。因此，不需外围电路、接线简单、精度高、。因此，不需外围电路、接线简单、精度高、成本低。温度数据通过成本低。温度数据通过SPI端口输出给单片机，表端口输出给单片机，表9-1为为MAX6675的引脚功能。图的引脚功能。图9-3为本系统温度检测电路。为本系统温度检测电路。(1)温度检测与调理电路温度检测与调理电路 一般的温度测量过程采用一般的温度测量过程采用“传感器滤波器放大器冷传感器滤波器放大器冷端补偿线性化处理端补偿线性化处理/D转换转换”模式，转
39、换环节多、电路复杂、模式，转换环节多、电路复杂、精度低。精度低。2022-7-2628引 脚 号 名 称 功 能 1 GND 接地 2 T-热电偶负极（使用时接地）3 T+热电偶正极 4 Vcc 电源端 5 SCK 串行时钟输入 6 CS 片选信号 7 SO 数据串行输出 8 NC 悬空不用 2022-7-2629图图9-3 温度检测电路温度检测电路2022-7-2630 以以AT89S51的的P2.5作为作为MAX6675的片选信号，低电平有效，的片选信号，低电平有效，P2.连接连接MAX6675时钟端口。在每一个时钟信号的下降沿从时钟端口。在每一个时钟信号的下降沿从MAX6675的的SO端
40、输出一位数据，经过端输出一位数据，经过16个时钟信号完成数据个时钟信号完成数据输出，先输出高位输出，先输出高位D15，最后输出的是低位，最后输出的是低位D0，D14-D3为相应为相应的温度数据。当的温度数据。当P2.5为高电平时，为高电平时，MAX6675开始进行新的温度开始进行新的温度转换。在应用转换。在应用MAX6675时，应该注意将其布置在远离其它时，应该注意将其布置在远离其它I/O芯芯片的地方，以降低电源噪声的影响；片的地方，以降低电源噪声的影响；MAX6675热电偶负端必须热电偶负端必须接地，而且和该芯片的电源地都是模拟地，不要和数字地混淆接地，而且和该芯片的电源地都是模拟地，不要和
41、数字地混淆而影响芯片读数的准确性。而影响芯片读数的准确性。2022-7-2631(2)计时电路计时电路 在本系统中，在本系统中，DS12887的地址数据复用总线与单片机的的地址数据复用总线与单片机的P0口相连。通过定时器中断，口相连。通过定时器中断，CPU每隔每隔0.4秒读一次秒读一次DS12887的的内部时标寄存器，得到当前的时间，送至液晶显示器进行显示。内部时标寄存器，得到当前的时间，送至液晶显示器进行显示。每当电阻炉从一个状态转入另一个状态，每当电阻炉从一个状态转入另一个状态，CPU通过通过DS12887把把系统时间清零，重新开始计时。通过系统时间清零，重新开始计时。通过DS12887，
42、还可以设定电，还可以设定电阻炉的加热时间和恒温时间。电路如图阻炉的加热时间和恒温时间。电路如图9-4中所示。中所示。在系统中需要准确显示升温时间、恒温时间等，本系统选在系统中需要准确显示升温时间、恒温时间等，本系统选用了时钟芯片用了时钟芯片DS12887构成定时电路来完成对时间的准确计时。构成定时电路来完成对时间的准确计时。DS12887具有时钟、闹钟、具有时钟、闹钟、12/24小时选择和闰年自动补偿小时选择和闰年自动补偿功能；包含有功能；包含有10的时钟控制寄存器、的时钟控制寄存器、4的状态寄存器和的状态寄存器和114的通用的通用RAM；具有可编程方波输出功能；报警中断、周期性；具有可编程方
43、波输出功能；报警中断、周期性中断、时钟更新中断可由软件屏蔽或测试。使用时不需任何外中断、时钟更新中断可由软件屏蔽或测试。使用时不需任何外围电路，并具有良好的外围接口。围电路，并具有良好的外围接口。2022-7-2632(3)控温电路控温电路 控温电路包括驱动芯片控温电路包括驱动芯片MC1413、过零型交流固态继电器、过零型交流固态继电器（Z型型SSR）。报警和控温电路如图）。报警和控温电路如图9-4中所示。中所示。D44606Z型型SSR内部含有过零检测电路，当加入控制信号，且负载电源电压内部含有过零检测电路，当加入控制信号，且负载电源电压过零时，过零时，SSR才能导通；而控制信号断开后，才能
44、导通；而控制信号断开后，SSR在交流电正负在交流电正负半周交界点处断开。也就是说，当半周交界点处断开。也就是说，当Z型型SSR在在1秒内为全导通状态秒内为全导通状态时，其被触发频率为时，其被触发频率为100Hz；当；当Z型型SSR在在1秒内导通时间为秒内导通时间为0.5秒时，其被触发频率为秒时，其被触发频率为50Hz。在本系统中，采用。在本系统中，采用PID控制算法，控制算法，通过改变通过改变Z型型SSR在单位时间内的导通时间达到改变电阻炉的加在单位时间内的导通时间达到改变电阻炉的加热功率、调节炉内温度的目的。热功率、调节炉内温度的目的。2022-7-2633 (5)键盘和报警电路键盘和报警电
45、路 系统采用系统采用3*3键盘，可通过按键设定温度和时间，有的按键键盘，可通过按键设定温度和时间，有的按键在不同情况下可以实现不同功能。报警电路是将单片机的在不同情况下可以实现不同功能。报警电路是将单片机的I/O口口与驱动芯片与驱动芯片MC1413相连，通过相连，通过MC1413驱动蜂鸣器，电路如图驱动蜂鸣器，电路如图9-4中所示。中所示。(4)串行接口通信模块串行接口通信模块 应用单片机内部异步串行接口，在外围采用应用单片机内部异步串行接口，在外围采用MAX232芯片完芯片完成成TTL电平和电平和RS-232C电平的转换，并与上位电平的转换，并与上位PC机通信。机通信。2022-7-2634
46、图图9-4 键盘、时钟、报警、通信和控温电路键盘、时钟、报警、通信和控温电路 2022-7-2635 显示器选用点阵字符型液晶显示器显示器选用点阵字符型液晶显示器TC1602，系统中将，系统中将AT89S51数据总线和数据总线和TC1602的数据线相连，的数据线相连，P2.1与与TC1602的的使能端相连，低电平时液晶模块执行命令；使能端相连，低电平时液晶模块执行命令；P2.2与与TC1602的读的读/写信号线相连，以控制液晶显示器的读写信号线相连，以控制液晶显示器的读/写操作，高电平时对写操作，高电平时对TC1602进行读操作，低电平时进行写操作；进行读操作，低电平时进行写操作；P2.3与与
47、TC1602的的寄存器选择信号线相连，高电平时选择数据寄存器，低电平时寄存器选择信号线相连，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。选择指令寄存器。TC1602的显示形式是的显示形式是16*2行，可显示炉温、行，可显示炉温、设定时间、实际时间等。电路如图设定时间、实际时间等。电路如图9-5所示。所示。(6)显示电路显示电路2022-7-2636图图9-5 显示电路显示电路2022-7-2637 程序流程如图程序流程如图9-6所示。图中，实测温度如果处于下限值附所示。图中，实测温度如果处于下限值附近，或与目标温度的误差的绝对值大于近，或与目标温度的误差的绝对值大于5度，则使固态继电器处度
48、，则使固态继电器处于恒导通状态，电炉全速加热，当误差的绝对值小于于恒导通状态，电炉全速加热，当误差的绝对值小于5度，此时度，此时采用采用PID算法控制电炉的加热。本例中仅给出了炉温测量和算法控制电炉的加热。本例中仅给出了炉温测量和PID控控制算法。制算法。3.软件设计软件设计 在系统软件中，在系统软件中，主程序主程序完成系统初始化和电炉丝的导通和完成系统初始化和电炉丝的导通和关断；而炉温测量、键盘输入、时间确定和显示、控制算法、关断；而炉温测量、键盘输入、时间确定和显示、控制算法、串行口通信等都由串行口通信等都由子程序子程序来完成；来完成；中断服务中断服务程序实现定时测温程序实现定时测温和读取
49、时间。和读取时间。2022-7-2638 图图9-6 主程序流程图主程序流程图2022-7-2639 本例中控制算法采用增量式本例中控制算法采用增量式PID算法计算，控制量输出采用算法计算，控制量输出采用位置式输出形式，计算式如下：位置式输出形式，计算式如下：设温度的设定值为设温度的设定值为W；第；第k次的采样（测量）值为次的采样（测量）值为y(k)；第；第k次的测量值与设定值的偏差为次的测量值与设定值的偏差为 e(k)=W-y(k)。(2)PID控制算法控制算法第第k次控制输出次控制输出)1()()()()(0kekeTTjeTTkePkudkji（9-1）)2()1()()1()1(10k
50、ekeTTjeTTkePkudkji第第k-1次控制输出次控制输出（9-2）2022-7-2640控制量的增量式计算公式为：控制量的增量式计算公式为：)()()()2()1(2)()()1()()1()()(2keDkIekePkekekeTTkeTTkekePkukukudi（9-3）)1()()(kekeke)1()()(2kekeke)2()1()1(kekeke式（式（9-3）中，）中，T为采样周期；为采样周期；iTTI 为积分系数；为积分系数；TTDd为微分系数；为微分系数；P为比例系数；为比例系数；2022-7-2641)()()()1()(2keDkIekePkuku 控制量控制
