毕业设计（论文）-基于单片机50kw电热锅炉系统设计.doc

湖南铁路科技职业技术学院 电子电气系毕业论文湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）课 题 基于单片机50kw电热锅炉系统设计 编 号 专 业 电 气 自 动 化 班 级 310 学生姓名 曾巧佩 指导单位 湖南铁路科技职业技术学院 指导教师 余岳老师 3第 41 页 共 40 页任务下达时间: 2013年3月 7号 毕业设计开始与完成任务日期： 2013年3月 7号 至2013年3月20号 系部专业教学指导委员会： 该毕业设计（论文）选题符合本专业人才培养目标要求，同意下达任务 系部主任审批意见： 同意按计划执行 签字 年 月 日2 摘 要随着社会的发展，自动控制越来越成为人们关注的焦点，温度控制系统也备受关注。其中微机及其应用已经成为高，新科学技术的重要内容和标志之一，他在国民经济的各个领域正在发挥着引人注目的作用。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。本人采用AT89C51单片机对温度进行控制。使用热电偶作为温度传感器把热信号转变为电信号，电信号在经过放大，经过模数转换在输入到CPU。控制器采用PID控制算法，温度控制的原理是通过调整晶闸管的导通时间来调节加热主回路的有效电压，从而温度控制的目的。系统由AT89C51单片机，温度传感器，AD转换器，键盘及显示电路，晶闸管发射电路组成的控制器和被控制电锅炉构成一个闭环控制系统。系统控制程序采用模板化设计结构，主要包括主程序，中断服务子程序，控制算法子程序等。系统采用过零触发等技术，省去了传统的DA转换元件，简化了电路，并且提高了系统的可靠性。同时，系统可以实时控制电锅炉的实际温度。关键字：AT89C51单片机；温度；热电偶；晶闸管；PID;软硬件；硬件原理图；程序框目 录摘 要3目 录4绪 论5 1.1课题研究的背景及意义5 1.2国内外研究现状6 1.3本文的主要内容6一、单片机的发展7二、炉温度控制系统总体设计方案921设计思路922系统总体框图电路总体原理框图9三、硬件系统的设计1131单片机系统11311单片机的选择11312存储器芯片的选择12313单片机IO口扩展及外部存储器电路123.2温度控制电路的设计133.2.1温度信号采集电路的论证与选择 .133.2.2温度系统系数的计算143.3硬件设计153.3.1简单介绍硬件组成153.3.2 I/O不通道的硬件电路的设计153.3.3 电控制执行电路的设计163.34 温度传感器信号采集放大电路173.3.5 A/D转换电路设计183.56 键盘和显示的设计203.4看门狗电路的设计23四、软件系统的设计2441、主程序24411主程序模块24412读出温度子程序25413、温度转换命令子程序28414、计算温度子程序29415、显示数据刷新子程序2942 功能实现模块3043 运算控制模块3244 系统程序335第4页 共 49页 4.5 系统仿真37小 节38致 谢39参考文献40绪论热处理是提高金属材料及其制品质量的重要手段。近年来随着工业的发展，对金属材料的性能提出了更多的要求，因而处理技术也向着优质,高效，节能，无公害方向发展。电锅炉是热处理生产中应用最广的加热设备，这样热时均温过程的测量与控制就成为关键的技术，促使人们更加积极地研究加热工艺过程的方法。电锅炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门，加热材料，温度环境以及电网电压等都影响加热过程，传统的加热炉控制系统大多在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。因此本文将积分分离PID控制算法引入传统的加热炉控制系统，构成智能控制系统。1.1课题研究的背景及意义电锅炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热元件将点能转化为热能并借助辐射与对流的传热方式加热工件。热处理是提高金属材料及其制品性能的工艺。根据不同的目的，将材料及其制品加热到适宜的温度保温。随后用不同的方法冷却，改变其内部组织，以获得所要求的力学性能，通过热处理可以提高制件的使用效能或寿命。目前，我国电锅炉控制设备的现状是一小部分比较先进的设备和大部分比较落后的设备并存。整体上，我国的电锅炉控制系统与国外发达国家相比还是比较落后的。占主导地位的是仪表控制，这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时费力不准确。控制精度依赖与实验者的调节，控制精度不高，一旦生产环境发生变化的需要重新设置。操作不方便，控制数据无法保存。因而，对生产工艺的研究很困难，因此造成产品质量低，废品率高，工作人员劳动强度大，劳动效率低，这些都影响着企业的效益。近年来，虽然引进了国外的一些控制器，如日本导电的R四3型40段步可编程PID调节器，全部操作窗口按功能分为六个窗口群，共95个子窗口，其设置仍然繁杂。随着先进制造技术的快速发展，热处理设备的控制精度越来越重要，而温度对热处理工件质量具有重要影响，因此炉温控制显得尤为重要。由与一般的炉温度控制系统是参数时变，非线性，大滞后系统，在许多应用实例中已证明，与传统的PID控制相比，采用FUZZY控制有较快的响应和更小的超调，非线性因素影响很少，具有很强的实用性。但控制精度不够高，在大滞后系统中还可能出现不稳定现象。因此，我们设计了一种带积分分离的PID控制器，既考虑了抗扰性又考虑了跟踪性，或的了良好的控制效果。1.2国内外研究现状自1980年以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度测控系统发展迅速，尤其是控制方面，在智能化，自适应，参数字整等方面取得显具成果。在这方面，以日本，美国，德国，瑞典等国家技术领先，都生产了一批商品化，性能优异的温度控制仪表，并在各行广泛应用。其特点是适应于大惯性，大滞后等复杂温度控制系统，具有参数自整定功能和自学习功能，既温度控制器对控制对象，控制参数及特效进行自动整定，并根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。温度控制系统具有控制精度高，抗干扰能力强等特点。目前，国外温度控制仪表正朝着高精度，智能化，小型化等方向发展。8第5页 共 49页微处理技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，在控制领域出现的一系列新的技术课题之一的空对象动静态参数，控制系统结构，参数发生较大范围变化的情况下，控制系统仍能满足给定的品质指标，这是自适应控制的最基本特征，自适应PID控制的最基本特征，自适应PID控制可以在线不断整定参数，克服干扰，跟踪系统的时变特性，使控制对象达到一定的目标。同时，随着现代控制理论（诸如智能控制，自适应模糊控制和神经网络技术等）研究和应用的发展与深入，为控制复杂无规则系统开辟了新途径，逐步弱化或取消了对受控制数学模型结构不变的限制。目前我国在测控仪表的研究与生产应用中，总结了很多经验，但从国外生产的温度控制器及测温仪表来说，总体发展水平不高。程熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，只能适应一般温度系统控制，难以控制复杂的大滞后是变温度系数。目前，我国在温度测控仪表业与国外的差距主要表现在如下几个方面：行业内企业规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，导致研发能力不强，制约技术发展。商品化产品以PID控制器为主，智能化仪表少，这方面同国外差距较大。目前，国内企业复杂及精度要求高的温度控制系统大多采用进口温度控制仪表。仪表控制关键技术，相关算法及控制软件方面研究比国外滞后。例如：在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品，但由于我国开发上的滞后，还没有开发出性能可靠的自整软件，控制参数大多数靠人工经验及现场调试来确定。这些差距我们必须努力克服。随着我国经济的发展及有时代接轨加入WTO带来的契机，政府及企业对于高科技术的发展都非常重视，对相关企业资源进行重组，相继建立了一些国家，企业的研发中心，并通过合资，技术合作等方式，组建了一批合资，合作及独资企业。是我国温度等测试仪表行业得到迅速发展。1.3本文的主要内容由于本文是大学生的毕业设计，在一定程度上展现了大学生在大学的学习成果，也展现了当代大学生独立完成设计工作一定的能力。它不仅仅是学习的需要，对于即将走上工作岗位的大学生来说，要想在将来的工作中如鱼得水，就一定要在现在作好各种准备，因此说，这次毕业设计任务也是以后走上工作岗位前的一个预演。所以应要详细的介绍设计步聚，以及各个模块的电路及详细说明，并要有系统设计的电路总图。下面将就本文各个章节计划完成的功能和主要工作做一下简单介绍。本文主要内容如下： 第一章：主要介绍了电锅炉温度控制系统的研究意义及国内外研究现状。 第二章：简单介绍单片的发展。 第三章：电热锅炉温度控制系统的整体设计方案介绍。主要是介绍一下电热锅炉温度控制系统的主要硬件构成部分且给出了电热锅炉控制系统方案，并且画出其方框图。第四章：本章是设计的重要部分即硬件设计。在这一章中主要介绍系统的各个功能模块和他的电路图，他是在第三章的基础上更加细致的介绍炉温控制的各个组成部分，简要分析电路图的工作过程及功能。第五章:本章是软件设计部分。在本章画出设计所用到的程序流程图，写出部分程序的源代码。另外还有仿真部分环节也将在下文介绍。10第6页 共 49页 一、单片机的发展单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃和颇具有生命力的机种。单片微型计算机简称单片机，特别适用于工业控制领域，因此又称为微控器。1971年微处理器研制成功不久，就出现了单片微型计算机即单片机，但最早的单片机是1位的，处理能力有限。 单片机的发展分为4个阶段：第一阶段（197476年）：单片机初级阶段。因为受工艺限制，单片机采用单片的形式而且功能比较简单。例如美国仙童公司生产的F8单片机，实际上只包括了8位CPU，64个字节的RAM和2个并行接口。第二阶段（197678年）：低性能单片机阶段。以Intel公司生产的MCS48系列单片机为代表，该系列单片机片内集成有8位CPU，8位定时器/计数器，并行I/O接口，RAM和ROM等，但是最大的缺点就是无串行接口，中断处理比较简单而且片内RAM和ROM容量较小，且寻址范围不大与4KB。第三阶段（197883）高性能单片阶段这个阶段推出的单片机普遍带有串行接口。多级中断系统，16位定时器/计数器，片内ROM，RAM容量加大，且寻址范围可达64KB，有的片内还带有A/D转换器。第四阶段（1983年至今）8位单片机巩固发展以及16位单片机，32 位单片机推出阶段。此阶段的主要特征是：一方面发展16位单片机，32位单片机及专用型单片机；另一方面不断完善高档8位单片机，改善其结构，增加片内器件，以满足不同的客户要求。单片机的应用单片机的应用很广，分别在以下领域中得到了广泛的应用。工业自动化：在自动化技术中，无论是过程控制技术、数据采集技术还是测控技术，都离不开单片机。在工业自动化的领域中，机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用，在这种机械、微电子和计算机技术为一体的综合技术（例如机器人技术、数控技术）中，单片机将发挥非常重要的作用特别是近些年来，随着计算机技术的发展，工业自动化也发展到了一个新的高度，出现了无人工厂、机器人作业、网络化工厂等，不仅将人从繁重、重复和危险的工业现场解放出来，还大大提高了生产效率，降低了生产成本。仪器仪表：目前对仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高。在自动化测量仪器中，单片机应用十分普及。单片机的使用有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构，减小体积，易于携带和使用，加速仪器仪表向数字化、智能化和多功12第7页 共 49页能化方向发展。消费类电子产品：该应用主要反映在家电领域。目前家电产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度。例如，电子游戏、照相机、洗衣机、电冰箱、空调、电视机、微波炉、手机、IC卡、汽车电子设备等。在这些设备中使用了单片机后，其功能和性能大大提高，并实现了智能化、最优化控制。通信方面：较高档的单片机都具有通信接口，因而为单片机在通信设备中的应用创造了很好的条件。例如，在微波通信、短波通信、载波通信、光纤通信、程控交换等通信设备和仪器中都能找到单片机的应用。武器装备：在现代化的武器装备中， 如飞机、军舰、坦克、导单、鱼雷制导、智能武器设备、航天飞机导航系统，都有单片机在其中发挥重要作用。终端及外部设备控制：计算机网络终端设备，如银行终端，以及计算机外部设备如打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等，在这些设备中都使用了单片机。近年来随着科技的飞速发展，同时带动自动控制系统日新月异更新，单片机的应用正在不断地走向深入。第8页 共 49页二、炉温度控制系统总体设计方案2.1设计思路本系统是选用 ATMEL 公司的 51 系列单片机 AT89S51 来实现,利用单 片机软件编程灵活、自由度大的特点,力求用软件完善各种控制 算法和逻辑控制。主机本系统选用的 AT89S51 芯片时钟可达 12MHz, 运算速度快,控制功能完善。 其内部具有 128 字节 RAM,而且内部 含有 4KB 的 flash ROM 不需要外扩展存储器,可使系统整体结构 更为简单、实用。I0 通道的硬件电路的设计就本系统来说,需要实时采集水温数据,然后经过 AD 转换为数 字信号,送入单片机中的特定单元,然后一部分送去显示;另一部 分与设定值进行比较,通过 PID 算法得到控制量并经由单片机输 出去控制电热锅炉加热或降温。通过对系统软件和硬件设计的合理规划，发挥单片机自身集成众多系统功能单元的优势，在不减少功能的前提下有效降低了硬件成本，系统操控简便。2.2系统总体框图电路和总体原理框图硬件电路主要有两大部分组成：模拟部分和数字部分；从功能模块上来分有：主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行电 路。以 AT89S51 作为电路的控制核心,使用 12 位的高精度模 数转换器 AD574A 进行数据转换,控制电路部分采用 PWM 控 制可控硅的通断以实行对锅炉温度的连续控制, 此方案电路 简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。系统设计总体框图如下。数字式温度传感器加热器控制器单 片 机显示器超限 报警键盘图2-114第9页 共 49页根据温度变化慢,并且控制精度不易掌握的特点,我们以 AT89S51 单 片机为检测控制中心的电热锅炉温度自动控制系统。 温度控制采用改 进的 PID 数字控制算法,显示采用 3 位 LED 静态显示。该设计结构简 单,控制算法新颖,控制精度高,有较强的通用性。所设计的控制系统有 以下功能： 温度控制设定波动范围小于1%,测量精度小于1%,控制精度小于 2%,超调整量小于4%; 实现控制可以升温也可以降温; 实时显示当前温度值; 按键控制：设置复位键、运行键、功能转换键、加一键、减一键; 越限报警。图2-2硬件系统的设计15 第10页 共 49页三、硬件系统的设计3.1单片机系统3.1.1单片机的选择随着电子技术，微电子技术的飞速发展，微型计算机发展很快，单片机作为计算机的一个独特分支，以其体积小，功能强，性能价格比高等优点广泛应用于诸多领域。如工业控制系统，智能化仪表，数据采集系统等。在单片机的选型上，考虑单片机本身的性能以及本设计的需要，选用MCS-51系列单片机AT89C51。AT89C51是一个低耗能、高性能CMOS8位单片机，可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和FLASH存储器结合在一起，特别是可反复擦写的FLASH存储器可有效的降低开发成本。AT89C51主要功能特性：（1） 兼容MCS-51指令系统；（2） 且有布尔代数的运算能力；（3） 32条双向且可被独立寻址的IO口；（4） 芯片内有128字节可供储存数据的RAM；（5） 内部有两组16位定时器；（6） 且有全双工传输信号UART；（7） 5个中断源，且具有两级（高低）优先权顺序的中段结构；（8） 芯片内有4KB的程序存储器(ROM)；（9） 芯片内有时钟（clock）震荡电路；（10） 程序存储器可扩展至64KB(ROM)，数据存储器可扩展至64KB(RAM)；AT89C51单片机的接口电路有MCM2814和AD574、DAC7521等芯片。MCM2814作为AT89C51的掉电数据保护功能，AD574作为温度检测电路的输入接口，DAC7521是模数转换接口。16 第11页 共 49页图2-3 AT89C51引脚及功能3.1.2存储器芯片的选择本系统需要的存储容量不大，且要求存储器要具有掉电不丢失的特点，增加外部存储器既增加系统的体积，又增大系统的功耗，所以最好能用一片高速的串行存储器来存储数据。综合以上因素，对比国内市场土的非易失性存储器，而24C08EEPROM存储器芯片以其优越的表现进入我们的视线。24C08存储器具有容量较大、功耗低、体积小的突出优点，而且其性价很高，因此我们决定选用24C08 EEPROM存储器芯片作为系统的数据存储器。3.1.3单片机IO口扩展及外部存储器电路由于液晶显示和USB芯片需要大量的IO口，所以采用一片8255来进行IO17 第12页 共 49页 口扩展。8255是单片机应用系统中广泛采用的可编程外部IO口，扩展芯片。它有3个8位并行IO口，每个口可以有3种工作方式。其中的WR是写信号输入端，RD是读信号输入端，A1A0用于决定端口的地址。单片机系统及外部存储器电路如图1-4所示。图2-4 单片机系统电路图3.2温度系统控制器的设计3.2.1温度信号采集电路的论证与选择采用温度传感器 DS18B20 美国 DALLAS 公司的产品可编程单总线数字式温度传感器 DS18B20 可实现室内温度信 号的采集,有很多优点:如直接输出数字信号,故省去了后继的信号放大及模数转换部分, 外围电路简单,成本低;单总线接口,只有一根信号线作为单总线与 CPU 连接,且每一只 都有自己唯一的 64 位系列号存储在其内部的 ROM 存储器中,故在一根信号线上可以挂接 多个 DS18820,便于多点测量且易于扩展. DS 18 B2 0 的测温范围较大,集成度较高,但需要串口来模拟其时序才能使用,故没 有选用此方案 第13页 共 49页3.2.2温度系统系数的计算19 第14页 共 49页3.3 硬件设计3.3.1 硬件电路主要有两大部分组成：模拟部分和数字部分：从功能模块上来分有：主 机电路、数据采集电路、温度传感器信号采集放大电路、A/D转换电路、键盘显示电路、控制执行电路。主机电路的设计 主机选用 ATMEL 公司的 51 系列单片机 AT89S51 来实现,利用单片机软件编程灵 活、自由度大的特点,力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。本系统选用的 AT89S51 芯片时钟可达 12MHz,运算速度快,控制功能完善。其内部具有 128 字节 RAM,而且内部含有 4KB 的 flash ROM 不需要外扩展存储器,可使系统整体结构更 为简单、实用。3.3.2 I0 通道的硬件电路的设计就本系统来说,需要实时采集水温数据,然后经过 AD 转换为数字信号,送入单 片机中的特定单元,然后一部分送去显示;另一部分与设定值进行比较,通过 PID 算法得到控制量并经由单片机输出去控制电热锅炉加热或降温。 2.1 数据采集电路的设计 数据采集电路主要由 AD590, 0P07,74LS373,AD574A 等组成。由于控制精度要求 为 0.1 度,而考虑到测量 第15页 共 40页干扰和数据处理误差,则温度传感器和 AD 转化器的精 度应更高才能保证控制精度的实现, 22 第16页 共 40页这个精度可处粗略定为 0.1 度。故温度传感 器需要能够区分 0.1 度;而对于 AD 转换器,由于测量范围为 40-90 度,以 0.1 度 作为响应的 AD 区分度要求,则 AD 需要区分(90-40)/0.1=500 个数字量,显然需 要 10 位以上的 AD 转换器。为此,选用高精度的 12 位 AD574A。 为了达到测量高精度的要求,选用温度传感器 AD590,AD590 具有较高精度和重复 性(重复性优于 01,其良好的非线形可以保证优于 01 的测量精度,利用 其重复性较好的特点,通过非线形补偿,可以达到 0.1测量精度.)超低温漂移 高精度运算放大器 0P07 将温度一电压信号进行放大,便于 AD 进行转换,以提高 温度采集电路的可靠性。模拟电路硬件部分见图2. 3.3.3 电控制执行电路的设计 由输出来控制电炉,电炉可以近似建立为具有滞后性质的一阶惯性环节数学模 型。其传递函数形式为：可控硅可以认为是线形环节实现对水温的控制。单片机输出与电炉功率分别属于弱电与强电部分,需要进行隔离处理,这里采用光耦元件 TLP521 在控制部分进 行光电隔离,此外采用变压器隔离实现弱强电的电源隔离。 单片机 PWM 输出电平为 0 时,光耦元件导通,从而使三极管形成有效偏置而导通, 通过整流桥的电压经过集电极电阻以及射集反向偏压,有 7V 左右的电压加在双 向可控硅控制端,从而使可控硅导通,交流通路形成,电阻炉工作;反之单片机输 出电平为 0 时,光耦元件不能导通,三极管不能形成有效偏置而截止,可控硅控 制端电压几乎为零,可控硅截止从而截断交流通路,电炉停止工作。此外,还有越 限报警,当温度低于下限时发光二极管亮;高上限时蜂鸣器叫。控制执行部分的硬 件电路如下图。 第17页 共40页3.3.4温度传感器信号采集放大电路设计当受控对象温度发生变化时，铂电阻的阻值随之发生变化。在电路中表现为铂电阻两端的电压发生变化。因此，我们只需采集铂电阻两端的电压变化情况即可推算出温度的变化。但由于铂电阻的温度系数比较小，铂电阻两端的电压变化情况不会很明显。所以在电路中我们使用放大电路铂电阻两端电压放大后进行处理。温度传感器信号采集放大电路如1-10所示。图2-9 信号放大电路图24 第18页 共40页电路中，铂电阻两端的电压 （3-2）把公式（2-7）代入得:25 第19页 共40页26 第20页 共40页3.3.5 A/D转换电路设计ADC0809与单片机接口模块此系统中，利用74LS165将ADC0809输出的并行数据转换为串行数据，然后经单片机的串口输入。这样节省了单片机有限的端口资源，方便今后的扩展。ADC0809有11条数字量输出及控制线：ST为转换启动信号，当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零，下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号，当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在过行A/D转换。OE为输出允许信号。当OE=1时，输出转换得到的数据；OE=0时，输出数据线呈高阻态。D7至D0为数字量输出线。CLK为时钟多输入信号。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须外界提供，通常使用频率为500KHZ。这个脉冲既可以通过中断实现，也可以通过硬件进行分频得到。为了简化程序，设计中采用了硬件分频的方法，使用双D触发器对单片机的ALE端进行两次分频得到。具体电路如下：CLRDCLKQQDCLKCLR/QQPREPRE500KHZ2MHZ图2-10 ADC0809的内部逻辑结构八路模拟量开关IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN8地址锁存器与译码器ABCALE三态输出锁存器八路A/D转换器STCLKVREF（+）VREF（）OED0D7EOC由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。27 第20页 共40页3 第21页 共40页图2-11ADC0809的A/D采样部分电路图28 第21页 共40页3 第22页 共40页图2-12ADC0809与单片机AT89C52的接口电路理论计算与分析由于ADC0809的参考电压VREF=5.00V，所以转换后要经过数据处理，在数码管上显示电压值。实际显示的电压值为D/256VREF=D/51。当输入为5.00V时，ADC0809输出为255（FFH）；因此单片机最高分辩为0.01965V。测量时一般以0.02V的幅度变化。若需要精度则12、13位的A/D转换。33.6 键盘及显示的设计 键盘采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计,低电平有效。图 3 中按键 AN1,AN2,AN3,AN4, AN5 的功能定义如表 1 所示。按键 AN3 与 P3.2 相连,采用外部中断方式,并且优先级定为最高;按键 AN5 和 AN4 分别与 P1.7 和 P1.6 相连,采用软件查询的方式;AN1 则为硬件复位键,与 R、C 构 成复位电路。表 1 按键功能按键AN1 AN2 键名复位键运行键功能使系统复位使系统开始数据采集按键按下(D1 亮)时,显 示温度设定值;按键升 起(D1 不亮)时,显示前温度值设定温度渐次加一 设定温度渐次减一AN3 AN4 AN5功能转换键加一键减一键。显示采用 3 位共阳 LED 静态显示方式,显示内容有温度值的十位、个位及小数点 后一位,这样可以只用 P3.0(RXD)口来输出显示数据,从而节省了单片机端口资 源,在 P1.4 口和 P3.1(TXD)的控制下通过 74LS164 来实现 3 位静态显示。 数字电 路硬件部分见图29 第22页 共40页图2-13 显示接口电路30 第23页 共40页3.4 看门狗电路设计在工业现场运行的单片机应用系统,由于坏境恶劣,常 有强磁场,电源尖 峰, 电火花等外界干扰, 这些干扰可能造成仪表中单片机的程序运行出现 跑飞 现象,引起程序混乱,输出或显示不正确,甚至死机 .系统无法继续正常的 运行,处在一种瘫痪状态,它的硬件电路并没有损坏,只是内部程序运行出现了 错误,这时,即使干扰消失,系统也不会恢复正常,这就需要采取一些措施来保 障系统失控后能自动恢复正常, 程序运行几天来视系统 (Watchdog 看门狗) 就是常用的一种抗干扰措施,用以保证系统因干扰失控后能自动复位.为了提高 仪表可靠性及抗干扰能力,通常在智能仪表中采用看门狗技术. 看门狗电路它实质上是一个可由 CPU 复位的定时器,它的定时时间是固定 不变的, 一旦定时时间到, 电路就产生复位信号或中断信号. 当程序正常运行时, 在小于定时时间隔内,单片机输出一信号刷新定时器,定时器处于不断的重新定 时过程,因此看门狗电路就不会产生复位信号或中断信号,反之,当程序因出现 干扰而跑飞时,单片机不能刷新定时器,产生复位信号或产生中断信号使单 片机复位或中断,在中断程序中使其返回到起始程序,恢复正常. 它的工作原理如同图 3-4 所示的两个计时周期不同的定时器 T1 和 T2 是两个 时钟源相同的定时器,设 T1=1.0s,T2=1.1s,而用 T1 定时器的溢出脉冲 P1 同时 对 T1 和 T2 定时器清零,只要 T1 定时器工作正常,则定时器 T2 永远不可能计时 溢出.当 T1 定时器不在计时,定时器 T2 则会计时溢出,并产生溢出脉冲 P2. 一旦产生溢出脉冲 P2,则表明 T1 出了故障.这里的 T2 即是看门狗.利用溢出 脉冲 P2 并进行巧妙的程序设计,可以检测系统的出错,而后使飞掉的程序 重新恢复运行. 31 第24页 共40页四、软件系统的设计系统的软件由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。4.1主程序4.1.1主程序模块主程序主要完成加热控制系统各部件的初始化和实现各功能子程序的调用，以及实际测量中各个功能模块的协调在无外部中断申请时，单片机通过循环对外部温度进行实时显示。把设置键作为外部中断0，以便能对数字按键进行相应处理。主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。这样以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图2-2所示。 初始化调用显示子程序1S到？初次上电？读出温度值计数处理数据刷新发温度转换开始命令NYYN图4-1 主程序流程图32 第25页 共40页4.1.2读出温度子程序读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进温度数据的改写。其程序流程图如图2-3示发DS18B20复位命令发CCH SKIP ROM命令发44H开始转换延时复位发CCH SKIP ROM命令连续读出两个字节数据（温度）结束发读存器命令图4-2 DS18B20读温度流程图DIN EQU P1.0TEMP EQU 30HTEMP1 EQU 31HTEMP2 EQU 32HORG 0000HSJMP MAINORG 0030H33 第26页 共40页MAIN: LCALL RDTEMSJMP $RDTEM: LCALL RESET MOV A, #0CCHLCALL WRITEMOV A, #44HLCALL WRITELCALLL DEL1000LCALL RESETMOV A, #0CCHLCALL WRITEMOV A, #0BEHLCALL WRITELCALL READMOV TEMP1, TEMPLCALL READMOV TEMP2, TEMPRETRESET: NOPL0: CLR DINMOV R2, #200L1: NOPDJNZ R2, L1SETB DINMOV R2, #30L4: DJNZ R2, L4CLR CORL C, DINJC L334 第27页 共40页MOV R6, #80L5: ORL C, DINJC L3DJNZ R6, L5SJMP L0L3: MOV R2, #250L2: DJNZ R2, L2RETWRITE: MOV R3, #8WR1: SETB DINMOV R4, #8CLR DINWR2: DJNZ R4, WR2MOV DIN, CMOV R4, #20WR3: DJNZ R4, WR3DJNZ R3, WR1SETB DINRETREAD: MOV R6, #8RE1: CLR DINMOV R4, #6NOPSETB DINRE2: DJNZ R4, RE2MOV C, DINRRC AMOV R5, #30RE3: DJNZ R5, RE335 第29页 共40页DJNZ R6, RE1MOV TEMP, ASETB DINRETDEL1000: MOV 40H, #18DEL100: MOV 41H, #0FFHDEL10: MOV 42H, #0FFHDEL1: DJNZ 42H, DEL1DJNZ 41H, DEL10DJNZ 40H, DEL100RET4.1.3温度转换命令子程序温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。温度转换命令子程序流程图如上图，图2-4所示发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发温度转换开始命令 结束图4-3温度转换流程图4.1.4计算温度子程序计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负37 第29页 共40页的判定，其程序流程图如图2-5所示。开始温度零下？温度值取补码置“-”标志计算小数位温度BCD值计算整数位温度BCD值结束置“+”标志NY图4-4 4.1.5显示数据刷新子程序显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，最高显示为0时将符号显示位移入下一位。程序流程图如图2-6。温度数据移入显示寄存器十位数为0？百们数为0？十们数显示百位数不显示百位显示数据（不显示符号）结束NYNY图4-5显示数据刷新流程图4.2.功能实现模块以用来执行对固态继电器及电热杯的控制。功能实现模块主要由中断处理子程序、温度比较处理子程序、键盘处理子程序、显示子程序、报警子程序等部分组成。键盘显示及中断程序流程图如下图2-7中断开始保护寄存器内容调用键扫子程序有键按下？调用键处理子程序是YES键？是NO键？调显示子程序温度设置完？调用温度处理子程序调用比较子程序恢