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毕业设计冰箱检测装置温度控制模块设计Design of refrigerator detection device temperature control module 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 电冰箱的系统组成11.2 电冰箱工作原理31.3 冰箱检测装置设计目的和意义31.4 冰箱温度控制现状3第2章 系统总体设计42.1 设计方案42.2课题中涉及的关键技术问题52.3 技术指标5第3章 系统硬件设计63.1 微处理器63.1.1 主要特性63.1.2 管脚说明63.1.3 运算器83.1.4 中断系统83.1.5 单片机最小系统83.2 热电阻测温电路93.2.1 PT100简介103.3 A/D转换器123.3.1 TLC549的主要特点123.3.2 TLC549芯片的工作原理133.4 RS485接口143.4.1 RS485简介143.4.2 RS485接口标准143.4.3 RS485节点数143.4.4 RS485通信方式153.5 开关量输出电路17第4章 Modbus现场总线协议194.1 LRC校验204.2 CRC校验20第5章 系统软件设计215.1 主程序流程图215.2 系统初始化程序流程图215.3 读A/D程序与数据处理流程图225.4 PID控制算法225.4.1 PID控制算法选择225.4.2 PID控制算法流程图235.5 通信程序流程图24第6章 系统电源设计266.1 TOP200工作原理266.2 开关电源电路27第7章 系统开发环境287.1 Protel 99简介287.2 Keil C51软件介绍287.2.1 Keil C51概述287.2.2 Keil Vision2集成开发环境介绍287.2.3 STC-ISP软件介绍29结 论30参考文献31附录A 原理图32致 谢33- 37 -第1章 绪 论随着集成电路技术的发展,单片微型计算机的功能也不断增强,许多高性能的新型机种不断涌现出来。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其在日常生活中发挥的作用也越来越大。人们对家用电冰箱的控制功能越来越高，这对电冰箱控制器提出了更高的要求。多功能，智能化是其发展方向之一，传统的机器控制，简单的电子控制已经难以满足发展的要求。而采用基于单片机温度控制系统，不仅可大大缩短设计新产品的时间,同时只要增加少许外围器件在软件设计方面就能实现功能扩展，以及智能化方面的提高，因此可最大限度地节约成本。本文即为基于单片机的电冰箱温度控制系统。目前市场销售的双门直冷式电冰箱，含有冷冻室和冷藏室,冷冻室通常用于冷冻的温度为-6-18;冷藏室用于在相对冷冻室较高的温度下存放食品,要求有一定的保鲜作用，不能冻伤食品,室温一般为010。传统的电冰箱温度一般是由冷藏室控制,冷藏室、冷冻室的不同温度是通过调节蒸发器在两室的面积大小来实现的,温度调节完全依靠压缩机的开停来控制.但是冰箱内的温度受诸多因素的影响，如放入冰箱物品初始温度的高低、存放品的散热特性及热容量、物品在冰箱的充满率、环境温度的高低、开门的频繁程度等。因此对这种受控参数及随机因素很多的温度控制，既难以建立一个标准的数学模型,也无法用传统的PID调节来实现.一台品质优良的电冰箱应该具有较高的温度控制精度,同时又有最优的节能效果,而为了达到这一设计要求采用模糊控制技术无疑是最佳的选择。1.1 电冰箱的系统组成 液体由液态变为气态时，会吸收很多热量，简称为“液体汽化吸热”，电冰箱就是利用了液体汽化的过程中需要吸热的原理来制冷的。 蒸气压缩式电冰箱制冷系统原理图如图1-1所示，主要由压缩机、冷凝器、干燥过滤器、毛细管、蒸发器等部件组成，其动力均来自压缩机，干燥过滤器用来过滤赃物和干燥水分，毛细管用来节流降压，热交换器为冷凝器和蒸发器。制冷压缩机吸入来自蒸发器的低温低压的气体制冷剂，经压缩后成为高温高压的过热蒸气，排入冷凝器中，向周围的空气散热成为高压过冷液体，高压过冷液体经干燥过滤器流入毛细管节流降压，成为低温低压液体状态，进入蒸发器中汽化，吸收周围被冷却物品的热量，使温度降低到所需值，汽化后的气体制冷剂又被压缩机吸入，至此，完成一个循环。压缩机冷循环周而复始的运行，保证了制冷过程的连续性。 图1-1 电冰箱制冷系统原理图 直冷式电冰箱的控制原理是根据蒸发器的温度控制制冷压缩机的启、停，当检测冰箱的温度、耗电量时，保持冰箱测试环境温度恒定。冷冻室用于冷冻食品通常用于冷冻的温度为315,冷藏室用于相对于冷冻室较高的温度下存放食品，要求有一定的保鲜作用，不能冻伤食品，温度一般为010，当测得冷冻室温度高至3 0时或者是冷冻室温度高至1013是启动压缩机制冷，当冷冻室温度低于1518或冷藏室温度低于03时停止制冷，关断压缩机。采用单片机控制，可以使控制更为准确、灵活。1.2 电冰箱工作原理根据冷藏室和冷冻室的温度情况决定是否开压缩机，若冷藏室的温度过高，则打开电磁冷门V1,关闭阀门V2，同时打开压缩机，产生高温高压过热蒸气，经过冷凝器冷凝，干燥过滤器干燥，毛细节流管降压后，在蒸发器汽化制冷，产生低温低压的干燥气体。经过电磁阀门V1 流入冷藏室，使冷藏的温度迅速降低，当温度达到要求时关闭压缩机，同时关闭电磁阀门V1 。若是冷冻室的温度过高，则应打开V2关闭V1。1.3 冰箱检测装置设计目的和意义现今时代在家用电器领域中，对家电产品的质量、外观造型、耐用性等方面的要求越来越高。冰箱冷柜除了上述要求外，还对制冷性能提出了高标准的要求。制冷性能主要包括储藏温度和耗电量两方面，他们由GB8059114家用制冷器具的推荐性国家标准和GB1202112家用电冰箱耗电量限定值及能源效率等级强制性国家标准限制。国内大型冰箱制造企业由于采用较先进的生产线在线测试，冰箱在生产线上移动过程中完成测试。中小型制造企业由于其生产规模和资金限制，无法使用这种在线测试系统，而采用人工目测温度计进行检测，这种检测方法不仅费时费力，存在比较大的误差，而且测试数据记录凌乱，难以管理。因此，设计一个小型的冰箱自动检测系统，可以对冰箱的制冷和耗电性能进行实时检测和监控，该检测系统完全可以代替人工检测，检测结果比较准确，大大提高了企业的自动化程度，有助于企业的管理，其成本也是中小型制冷设备制造企业可以接受的。1.4 冰箱温度控制现状目前，市场上出售的冰箱有机械温控、电子温控和电脑温控等控制方式，它们的温度控制装置、化霜装置和其他控制装置的控制值都是事先设定的，这就易使许多能量消耗在目的相异的各种动作及因缺少灵活性而发生的各种多余动作，造成器件的频繁开启，一方面造成器件损坏，温度的起伏较大，不利于食品保鲜，另一方面，浪费了大量能量。电冰箱的主要任务是保证所储存的食品在经过冷冻、冷藏之后，其质、色、味不变，主要手段是通过保持箱体内的最佳温度达到食品保鲜的目的。但电冰箱的使用对象情况比较复杂，冰箱内的温度受诸多因素的影响，因而其数学模型很难建立，用传统的控制方法很难达到令人满意的控制效果。 为此，本课题确定了用单片机专家模糊控制器对冰箱进行控制。第2章 系统总体设计 2.1 设计方案控制系统结构如图2-1 所示，主要由开关电源，温度传感器，单片机，RS485接口电路，A/D接口电路，和开关量输出装置等构成。图2-1 控制系统结构图本系统以AT89S51单片机为控制核心，温度传感器Pt100提供温度信息，经过数据处理，单片机根据实测温度控制电磁阀的工作进而控制压缩机以实现温度控制功能。主要电路包括：热电阻信号处理，A/D转换电路，单片机，电源电路，开关量输出与RS485接口电路。 热阻信号处理电路是将电阻信号转换为电压信号，用来测量温度； AD接口电路是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值，即将输入的模拟信号转换为输出的数字信号；单片机是整个设计电路的核心，控制采集通道的选择、数据的处理和RS485相连接，进行数据的传输和通信； RS485是标准的工业现场总线，Modbus协议是通用的现场总线通信协议，RS485接口实现PC机与现场总线模块之间的通讯； 开关量输出电路将单片机根据测温值产生的控制信号，隔离后控制电源的断开与闭合，以保证测试过程中冰箱环境温度的精确恒温；电源电路是将220VAC通过开关电源稳压电路稳压输出+5V，-5V，给装置中的各个器件提供工作电压。2.2课题中涉及的关键技术问题（1）Modbus协议单片机的编程实现工业过程以从单击控制走向集中控制、集散控制，如今已进入网络时代，工业控制器联网也为网络管理提高了方便。Modbus就是工业控制器的网络协议中的一种。Modbus协议是应用于电子控制器的一种通用语音，通过此协议，控制器之间。控制器经由网络和其他网络设备之间可以通信，它已经成为一种通用的工业标准。（2）数字PID精确控温的编程实现用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计算机控制系统，不仅可以用软件实现PID算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使PID控制更加灵活。数字PID控制在成产过程中是一种最常用的控制算法。（3）PWM输出的编程实现PWM控制技术一直是变频中的核心部分，采用全数字化方案，完成优化的实时在线PWM信号输出，由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，由此在交流传动及其他能量变换系统中得到广泛应用。2.3 技术指标（1）输入信号：PT100；（2）测温分辨：0.05；（3）测温精度；0.1；（4）输出信号：直流电压/可控硅输出/继电器开关；（5）供电电源：220VAC10%；（6）环境温度：055；（7）环境湿度：85%；（8）通信方式：RS485现场总线。第3章 系统硬件设计 3.1 微处理器微处理器是本系统的核心，其性能的好坏直接影响系统的稳定，鉴于本系统为实时控制系统，系统运行时需要进行大量的运算，所以单片机采用INTEL公司的高效微控制器AT89C51。他是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。3.1.1 主要特性（1）4KB片内在系统可编程Flash程序存储器；（2）时钟频率为033MHz；（3）128字节片内随机读写存储器（RAM）；（4）32个可编程输入/输出引脚；（5）2个16位定时/计数器；（6）5个中断源，2级优先级；（7）全双工串行通信接口；（8）监视定时器；（9）2个数据指针。 3.1.2 管脚说明单片机引脚如下：图3-1 AT89C51 单片机引脚图VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：表3-1 P3口的特殊功能口管脚备选功能 P3.0 RXD串行输入口P3.1 TXD串行输出口 P3.2 /INT0外部中断0 P3.3 /INT1外部中断1P3.4 T0记时器0外部输入P3.5 T1记时器1外部输入 P3.6 /WR外部数据存储器写选通 P3.7 /RD外部数据存储器读选通P3：口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。3.1.3 运算器 (1)算术逻辑部件ALU：用以完成+、-、*、/ 的算术运算及布尔代数的逻辑运算，并通过运算结果影响程序状态寄存器PSW的某些位，从而为判断、转移、十进制修正和出错等提供依据。(2)累加器A：在算术逻辑运算中存放一个操作数或结果，在与外部存储器和I/O接口打交道时，进行数据传送都要经过A来完成。(3)寄存器B：在 *、/ 运算中要使用寄存器B 。乘法时，B用来存放乘数以及积的高字节；除法时，B用来存放除数及余数。不作乘除时，B可作通用寄存器使用。(4)程序状态标志寄存器PSW：用来存放当前指令执行后操作结果的某些特征，以便为下一条指令的执行提供依据。3.1.4 中断系统8051单片机的中断系统简单实用，其基本特点是：有5个固定的可屏蔽中断源，3个在片内，2个在片外，它们在程序存储器中各有固定的中断入口地址，由此进入中断服务程序；5个中断源有两级中断优先级，可形成中断嵌套；2个特殊功能寄存器用于中断控制和条件设置的编程。5个中断源的符号、名称及产生的条件如下:INT0：外部中断0，由P32端口线引入，低电平或下跳沿引起。INT1：外部中断1，由P33端口线引入，低电平或下跳沿引起。T0：定时器计数器0中断，由T0计满回零引起。T1：定时器计数器l中断，由T1计满回零引起。TIRI：串行IO中断，串行端口完成一帧字符发送接收后引起。 3.1.5 单片机最小系统单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。最小系统原理图如图所示。图3-2 AT89C51 单片机最小系统此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的USB口供给，也可使用外部稳定的5V电源供电模块供给。单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算出时间常数。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。STC89C51使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。3.2 热电阻测温电路 在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。我们在为冰箱测温系统中，为了克服上面提到的三个问题，我们采用三线制平衡电桥法在热电阻测量。本文分析了测量热电阻平衡电桥法中存在的问题，提出了恒压分压式三线制测量方法，分析了测量电路产生误差的原因及影响因素，推导并建立了待测电阻的影响参数及公式，设计了完整的测量电路，包括信号放大器和A/D转换器以及与单片机的接口电路。取得了良好的测温效果。3.2.1 PT100简介热电阻是利用铂丝的电阻值随着温度的变化而变化这一基本原理设计和制作的，按0时的电阻值R()的大小分为10欧姆（分度号为Pt10）和100欧姆（分度号为Pt100）等，测温范围均为-200850.10欧姆铂热电阻的感温原件是用较粗的铂丝绕制而成，耐温性能明显优于100欧姆的铂热电阻，只要用于650以上的温区：100欧姆铂热电阻主要用于650以下的温区，虽也可用于650以上温区，但在650以上温区不允许有A级误差。100欧姆铂热电阻的的分辨率比10欧姆铂热电阻的分辨率大10倍，对二次仪表的要求相应地一个数量级，因此在650以下温区测温应尽量选用100欧姆铂热电阻。就结构而言，铂热电阻还可以分为工业铂热电阻和铠装铂热电阻。工业铂热电阻也叫装配铂热电阻，即是将铂热电阻感温元件焊上引线组装在一端封闭的金属管或陶瓷管内，再安装上接线盒而成；铠装铂热电阻是将铂热电阻元件，过渡引线，绝缘粉组装在不锈钢管内再经模具拉实的整体，具有坚实，抗震，可绕，线径小，使用安装方便等优点。热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响，目前热电阻的引线主要有三种方式 。二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合 三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的。 四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。 热电阻采用三线制接法。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。本系统使用的热电阻PT100的三线制接法测量电路如图：图3-3 热电阻测温电路热电阻测量电路的输出电压仅与电流和热电阻RT有关，与R无关，消除了由导线电阻引入的测量误差恒流源电流，对测量精度有直接影响，本设计采用由LM358构成的精密恒流源电路，如图所示图3-4 恒流源电路由运算放大关系得输出恒定电流I如下式： (4-1)3.3 A/D转换器现代自动控制系统中需要测量和控制的参数往往都是连续变化的模拟信号，如温度，压力，流量，速度等。这些物理量和控制参数往往都是连续变化的电压和电流，因此，必须将其变换成数字量（即需经模/数转换），才能被数字计算机所识别。这些数字量在计算机内经过运算处理，可以得到一个数字形式的控制量，将这些控制量经过数/模转换器，变成模拟电压或电流信号，再送到执行机构去驱动相应的设备动作，即可实现对生产过程的自动控制。3.3.1 TLC549的主要特点 TLC549是采用IinCMOSTM技术并以开关电容逐次逼近原理工作的8位串行AD芯片，可与通用微处理器、控制器通过IO CLOCK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。TLC549具有4MHz的片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长为17s，允许的最高转换速率为40000次/s。总失调误差最大为05LSB，典型功耗值为6 mW。TLC549采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，由于其VREF-接地时，(VREF+)-(VREF-)1 V，故可用于较小信号的采样，此外，该芯片还单电源36v的供电范围。总之，TLC549具有控制口线少，时序简单，转换速度快，功耗低，价格便宜等特TLC549的极限参数如下： 电源电压：65 V： 输入电压范围：0.3VVCC：+o.3V： 输出电压范围：0.3VVCC：+03 V； 峰值输入电流（任一输人端）：10 mA； 峰值输人电流(所有输入端)：30mA 工作温度：TLC549C：070C TLC549I：-4085 TLC549M-55C125 3.3.2 TLC549芯片的工作原理 TLC549带有片内系统时钟，该时钟与IO CLOCK是独立工作的，无需特殊的速度或相位匹配。当CS为高时，数据输DATA OUT端处于高阻状态，此时IO CLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片TLc549时，共用IO CLOCK，以减少多路(片)AD使用时的IO控制端口。一组通常的控制时序操作如下： (1)将Cs置低，内部电路在测得CS下降沿后，在等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，再确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出到DATAOUT端； (2)在前四个IO CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位(D6，D5，D4，D3)，片上采样保持电路在第4个IO CLOCK下降沿开始采样模拟辅人： (3)接下来的3个I/O CLOCK周期的下降沿可移出第6、7、8(D2，D1，D0)各转换位；(4)最后，片上采样保持电路在第8个IOCLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8(D2，D1，D0）各转换位。然后使保持功能持续4个内部时钟周期，接着开始进行32个内部时钟周期的AD转换。在第8个IO CLCOK后,CS必须为高或IO CLOCK保持低电平这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。如果CS为低时，IO CLOCK上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器，控制器将与器件的IO时序失去同步；而在CS为高时若出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。在36个内部系统时钟周期结束之前，实施步骤(1)(4)，可重新启动一次新的AD转换，与此同时，正在进行的转换将终止。但应注意，此时的输出是前一次的转换结果而不是正在进行的转换结果。若要在特定的时刻采样模拟信号，则应使第8个IO CLOCK时钟的下降沿与该时刻对应。因为芯片虽在第4个IO CLOCK时钟的下降沿开始采样，却在第8个IO CLOCK的下降沿才开始保存。 本系统以8位AD转换芯片TLC549为核心部件。它适台完成单通道8位转换，即比较适合在速度要求不高时，组成一种数据采集系统。TLC549芯片可以方便地与具有外围串行接口(SPI)的单片机连接使用。按照TC549严格的时序，它在完成A/D转换后，其串行输出的A0A7二进制数据可由时序控制，并串行输出到申入并出的移位寄存器。将该寄存器的8位数据与微处理器的数据总线相连，即可完成效据传递。由此设计如下图：图3-5 A/D转换电路3.4 RS485接口3.4.1 RS485简介RS-485接口芯片已广泛应用于工业控制、仪器、仪表、多媒体网络、机电一体化产品等诸多领域。可用于RS-485接口的芯片种类也越来越多。如何在种类繁多的接口芯片中找到最合适的芯片，是摆在每一个使用者面前的一个问题。RS-485接口在不同的使用场合，对芯片的要求和使用方法也有所不同。使用者在芯片的选型和电路的设计上应考虑哪些因素，由于某些芯片的固有特性，通信中有些故障甚至还需要在软件上作相应调整，如此等等。希望本文对解决RS-485接口的某些常见问题有所帮助。 3.4.2 RS485接口标准 传输方式：差分 传输介质：双绞线 标准节点数：32 最远通信距离：1200m 共模电压最大、最小值：+12V；-7V 差分输入范围：-7V+12V 接收器输入灵敏度：200mV 接收器输入阻抗：12k 3.4.3 RS485节点数 所谓节点数，即每个RS-485接口芯片的驱动器能驱动多少个标准RS-485负载。根据规定，标准RS-485接口的输入阻抗为12k，相应的标准驱动节点数为32。为适应更多节点的通信场合，有些芯片的输入阻抗设计成1/2负载（24k）、1/4负载（48k）甚至1/8负载（96k），相应的节点数可增加到64、128和256。表1为一些常见芯片的节点数。表3-2 常见芯片节点表节点数型 号32SN75176，SN75276，SN75179，SN75180，MAX485，MAX488，MAX49064SN75LBC184128MAX487，MAX1487256MAX1482，MAX1483，MAX3080MAX3089 3.4.4 RS485通信方式RS485接口可连接成半双工和全双工两种通信方式。半双工通信的芯片有SN75176、SN75276、SN75LBC184、MAX485、MAX 1487、MAX3082、MAX1483等；全双工通信的芯片有SN75179、SN75180、MAX488MAX491、MAX1482等。图3-6 半双工通信电路图3-7 全双工通信电路在电参数仪的设计中，数据采集由单片机AT89C51负责，上位PC机主要负责通信（包括与单片机之间的串行通信和数据的远程通信），以及数据处理等工作。在工作中，单片机需要定时向上位PC机传送大批量的采样数据。通常，主控PC机和由单片机构成的现场数据采集系统相距较远，近则几十米，远则上百米，并且数据传输通道环境比较恶劣，经常有大容量的电器（如电动机，电焊机等）启动或切断。为了保证下位机的数据能高速及时、安全地传送至上位PC机，单片机和PC机之间采用RS485协议的串行通信方式较为合理。实际应用中，由于大多数普通PC机只有常用的RS232串行通信口，而不具备RS485通信接口。因此，为了实现RS485协议的串行通信，必须在PC机侧配置RS485/RS232转换器，或者购买适合PC机的RS485卡。这些附加设备的价格一般较贵，尤其是一些RS485卡具有自己独特的驱动程序，上位PC机的通信一般不能直接采用WINDOW95/98环境下有关串口的WIN32通信API函数，程序员还必须熟悉RS485卡的应用函数。为了避开采用RS485通信协议的上述问题，我们决定自制RS485/RS232转换器来实现单片机和PC机之间的通信。单片机的通信信号首先通过光隔，然后经过RS485接口芯片，将电平信号转换成电流环信号。经过长距离传输后，再通过另一个RS485接口芯片，将电流环信号转换成电平信号。该电平信号再经过光电隔离，最后由RS232接口芯片，将该电平信号转换成与PC机RS232端口相兼容的RS232电平。由于整个传输通道的两端均有光电隔离，故无论是PC机还是单片机都不会因数据传输线上可能遭受到的高压静电等的干扰而出现“死机”现象。单片机侧RS485接口电路如图所示。图3-8 RS485接口电路3.5 开关量输出电路压缩机工作原理是制冷系统内制冷剂的低压蒸汽被压缩机吸入并压缩为高压蒸汽后排至冷凝器。同时轴流风扇吸入的室外空气流经冷凝器，带走制冷剂放出的热量，使高压制冷剂蒸汽凝结为高压液体。高压液体经过过滤器、节流机构后喷入蒸发器，并在相应的低压下蒸发，吸取周围的热量。同时贯流风扇使空气不断进入蒸发器的肋片间进行热交换，并将放热后变冷的空气送向室内。如此室内空气不断循环流动，达到降低温度的目的。 而冰箱没有风扇靠自然对流来进行热量交换。电磁阀的工作原理非常简单，阻流板就象一个闸门，一个弹簧让它处于关闭状态，上面一个电磁铁芯，铁芯（低部橡胶）压在阻流板中间（凸起）的一个小眼儿上，外面一个电磁线圈，接通电源后铁芯别吸上去，小眼儿开始进气，压力达到顶开弹簧后电磁阀打开。单片机控制电磁阀电路如下。图3-9 开关量输出电路第4章 Modbus现场总线协议Modbus协议最初由Modicon公司开发出来，在1979年末该公司成为施耐德自动化(Schneider Automation)部门的一部分，现在Modbus已经是工业领域全球最流行的协议。此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。 当在网络上通信时，Modbus协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成应答并使用通信协议发送给询问方。 Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP等，并没有规定物理层。此协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。标准的Modicon控制器使用RS232C实现串行的Modbus。Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和就答的方式，数据通讯采用Maser/Slave方式，Master端发出数据请求消息，Slave端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求；Master端也可以直接发消息修改Slave端的数据，实现双向读写。 Modbus协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验，但TCP模式没有额外规定校验，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。另外，Modbus采用主从方式定时收发数据，在实际使用中如果某Slave站点断开后（如故障或关机），Master端可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通。因此，Modbus协议的可靠性较好。 下面我来简单的给大家介绍一下，对于Modbus的ASCII、RTU和TCP协议来说，其中TCP和RTU协议非常类似，我们只要把RTU协议的两个字节的校验码去掉，然后在RTU协议的开始加上5个0和一个6并通过TCP/IP网络协议发送出去即可。所以在这里我仅介绍一下Modbus的ASCII和RTU协议。 表4-1 ASCII协议和RTU协议的比较 协议开始标记结束标记校验传输效率程序处理ASCII:CR,LFLRC低直观，简单，易调试RTU无无CRC高不直观，稍复杂通过比较可以看到，ASCII协议和RTU协议相比拥有开始和结束标记，因此在进行程序处理时能更加方便，而且由于传输的都是可见的ASCII字符，所以进行调试时就更加的直观，另外它的LRC校验也比较容易。但是因为它传输的都是可见的ASCII字符，RTU传输的数据每一个字节ASCII都要用两个字节来传输，比如RTU传输一个十六进制数0xF9,ASCII就需要传输F9的ASCII码0x39和0x46两个字节，这样它的传输的效率就比较低。所以一般来说，如果所需要传输的数据量较小可以考虑使用ASCII协议，如果所需传输的数据量比较大，最好能使用RTU协议。4.1 LRC校验LRC域是一个包含一个8位二进制值的字节。LRC值由传输设备来计算并放到消息帧中，接收设备在接收消息的过程中计算LRC，并将它和接收到消息中LRC域中的值比较，如果两值不等，说明有错误。LRC校验比较简单，它在ASCII协议中使用，检测了消息域中除开始的冒号及结束的回车换行号外的内容。它仅仅是把每一个需要传输的数据按字节叠加后取反加1即可。4.2 CRC校验CRC域是两个字节，包含一16位的二进制值。它由传输设备计算后加入到消息中。接收设备重新计算收到消息的CRC，并与接收到的CRC域中的值比较，如果两值不同，则有误。CRC是先调入一值是全“1”的16位寄存器，然后调用一过程将消息中连续的8位字节各当前寄存器中的值进行处理。仅每个字符中的8Bit数据对CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校验位均无效。CRC产生过程中，每个8位字符都单独和寄存器内容相或（OR），结果向最低有效位方向移动，最高有效位以0填充。LSB被提取出来检测，如果LSB为1，寄存器单独和预置的值或一下，如果LSB为0，则不进行。整个过程要重复8次。在最后一位（第8位）完成后，下一个8位字节又单独和寄存器的当前值相或。最终寄存器中的值，是消息中所有的字节都执行之后的CRC值。CRC添加到消息中时，低字节先加入，然后高字节。Modbus是MODICON公司最早为它的可编程控制器设计的基于RS485通讯介质的一个现场总线协议，目前在工业控制领域获得了比较广泛的应用。硬件系统能选择设置ASCII或RTU两种传输模式中的任何一种在标准的Modbus网络中通信。用户选择想要的模式，包括波特率、校验方式等串口通信参数，在配置每个控制器的时候，在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。目前最常用的就是RTU模式，即二进制方式。第5章 系统软件设计5.1 主程序流程图冰箱检测装置温度控制模块的主程序包括系统初始化程序、通信子程序、读A/D子程序、数据处理子程序等四个模块。如图5-1所示：开始系统初始化读A/D子程序数据处理子程序通信子程序图5-1 主程序流程图5.2 系统初始化程序流程图系统初始化是是系统按照设计期望运行的必要条件，包括对内部或外部可编程模块的初始化，以及所用到的全局变量作初始赋值。系统初始化子程序框图如图6-2所示：串行口、定时器初始化各种变量初始化子程序返回图5-2 系统初始化程序流程图5.3 读A/D程序与数据处理流程图读A/D转换结果与数据处理计算子程序框图如6-3所示。这部分程序的功能是启动TLC549开始一次新的转换，判断转换结束后读取转换结果并作处理，同时，单片机将AD值转换成对应的温度值，并控制电磁阀的通断，来实现冰箱环境温度的恒定。启动A/D转换器读取A/D值将A/D值转换成电阻值查询标准校准点数值将电阻值转换成温度值子程序返回图5-3 A/D数据读取与处理程序5.4 PID控制算法5.4.1 PID控制算法选择比例，积分，微分的线性组合，构成控制量u(t)，称为：比例(Proportional)、积分(Integrating)、微分(Differentiation)控制，简称PID控制。常用的PID算法有：1位置型控制算法 (5-1)其中，为全量输出，它对应于被控对象的执行机构第k次采样时刻应到达的位置。为第k次系统给定值与输出值的偏差，为比例系数，为积分系数，为微分系数。如果采样周期足够小，这种离散逼近相当准确。2增量型控制算法 (5-2)增量型控制算法具有以下优点：（1）计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，误动作影响小。（2）在k时刻的输出，只需要用到此时刻的偏差及前一时刻、前两时刻的偏差、和前一次的输出值，这大大节约了内存和计算时间。（3）在进行手动和自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑地过渡。3积分分离型控制算法 (5-3)当|e(k)|e时，=0，即偏差比较大时，采用PD控制，可避免较大的超调，又使系统有较快的响应。当|e(k)|e时，=1，即偏差较小时，采用PID控制，可保证控制系统的控制精度。所以据上所述，本系统采用积分分离型控制算法，既能够快速调节，也能达到控制精度的要求。5.4.2 PID控制算法流程图控制系统PID算法流程图如图5-4所示。输入给定值采样测量值给定一个测量值ePD控制控制电磁阀PID控制开始结束NY图5-4 PID算法流程图5.5 通信程序流程图根据设计要求PC机与单片机之间进行通信，采用标准的Modbus协议。由于CPU完成数据发送和接受。数据没帧为8个字节，具体格式如表5-1、5-2所示。表5-1 数据读取传输格式站号03号命令写地址写地址数据数据CRC校验CRC校验表5-2 数据写入传输格式站号06号命令数据数据空字节空字节CRC校验CRC校验在通信协议中只用了两个命令，03号命令和06号命令，03号命令代表要求发送数据，06号命令代表要求从机原样数据返回作为应答。否是判断协议命令号发送数据判断协议命令号串口接受中断是否通过CRC校验图5-5 通信程序流程图第6章 系统电源设计6.1 TOP200工作原理为减小设计电路的体积、提高系统的抗干扰能力，本系统采用的是由TOP200构成的正负5V开关电源。开关电源具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、能构成无工频变压力开关电源等显著特点。另外，它比普通线性电源具有更高的质量、效率和可靠性。TOP200有三个引脚。这三个引脚分别为控制端C，源极S，漏极D。控制端有4个作用：1、利用控制电流IC的大小来调节占空比D；2、为芯片提供正常工作所需的偏流；3、决定自动重启的频率；4、对控制回路进行补偿；TOP200主要包括10部分：1、控制电源（由控制电压UC向并联调整器和门驱动级提供偏压，而控制端电流IC则能调节占空比）；2、带隙基准电压源（给内部提供各种基准电压）；3、振荡器（产生锯齿波(SAW)、最大占空比信号（Dmax）和时钟信号（CLOCK）；4、并联调节器/误差放大器；5、脉宽调节器（通过改变控制端电流IC的大小，连续调节脉冲占空比，实现脉宽调节并能滤掉开关噪声电压）；6、门驱动级和输出级（内含耐压为700V的功率开关管MOSFET）；7、过流保护电路（利用MOSFET的漏一源通态电阻RDS（ON）来检测过电流。当ID过大时，令MOSDET关断，起到过流保护作用）；8、过热保护及上电复位电路（当芯片结温Tj135摄氏度，关断输出级）；9、关断/自动重启电路（当调节失控时，立即使芯片在低占空比下工作。倘若故障已经排除，就自动重新启动电源恢复正常工作）；10、高压电流源（提供偏流作用）。TOP200的工作原理是利用反馈电流IC来调节占空比D，达到稳压的目的，6.2 开关电源电路本次设计中的开关电源将220VAC通过开关电源稳压电路输出+5V和-5V电压， 给模块中的各部分电路提供工作电源图3-10 开关电源电路交流输入电压范围为85V265VAC输入电网频率f=47HZ440HZ，电压调整率SV=0.5%，负载调整率SI=1%，电源效率达80%，输出纹波电压最大值为50mv，该电源采用带稳压管的光耦反馈工作方式，电路中TOP为TOP200型单片开关电源。开关芯片TOP200的1脚为反馈端，2脚为GND，3脚为调整端。开关电源大致原理是将工频电压整流变成直流，在经过开关管进行调整，将直流变成交流，该电源为降压型开关电源，输出交流电压9V，经二极管整流，再将三端稳压块LM7805和LM7905稳压到+5V和5V给系统供电。反馈原理：当负载加大时，光耦的发光二极管强度就会变弱，使得光敏二极管的导通能力也变弱，反馈给开关管TOP200，由它自动调整线圈的导通时间，进而使副线圈的输出能力增强，也就是所谓的脉宽调节。图中，电容起到滤波和隔离的作用。第7章 系统开发环境7.1 Protel 99简介Protel 99是 Protel 98的改进版本，也是目前 Protel电路绘图软件的最新版本。 Protel 99继承了 Protel 98的所有优点，新增的功能使整个电路设计更加快捷、方便。Protel 99和Protel98除了文件管理方式不同以外，其菜单、功能对话框基本相同。对于熟悉Protel 98的读者，只要掌握P