基于ATC单片机的温度控制新版专业系统设计.doc

内容摘要伴随控制理论和电子技术发展，工业控制器适应能力增强和高度智能化正逐步成为现实。其中以单片机为关键实现数字控制器因其体积小、成本低、功效强、简便易行而得到广泛应用。PID温度控制器作为一个关键控制设备，在化工、食品等很多工业生产过程中得到了广泛应用。本文关键讨论在过程控制中得到广泛应用数字PID控制在单片机温度控制系统中应用和设计。本文具体叙述了基于单片机温度控制系统硬件组成、软件设计及相关接口电路设计。而且充足考虑了系统可靠性，采取了对应方法给予确保。从中发觉问题，并依据实际，提出硬件及软件设计方案，为优化目前单片机之温度探制系统问题提供一定参考及借鉴。关键词：单片机，温度控制，数据处理目 录内容摘要I引 言21 温度测控技术发展和现实状况31.1 定值开关控温法31.2 PID线性控温法41.3 智能温度控制法42 系统总体设计方案52.1 系统性能要求及特点52.2 系统硬件方案分析62.3 系统软件方案分析73 硬件设计73.1 系统硬件总体结构73.2 主控模块器件选型及设计83.2.1 单片机选择83.2.2 单片机介绍93.2.3 主控模块设计93.3 输入通道设计103.3.1 Ptl00温度传感器103.3.2 AD转换123.4 输出通道设计143.4.1 温控箱功率调整方法143.4.2 可控硅输出电路153.5 串行通信接口电路153.6 电源电路163.7 硬件抗干扰方法164 软件设计174.1 软件设计思想174.2 软件组成184.3 主程序模块184.4 数据采集模块194.5 数据处理模块204.5.1 数字滤波204.5.2 显示处理214.6 软件抗干扰方法215 结论22参考文件23引 言在实际生产试验环境下，因为系统内部和外界热交换是难以控制，其它热源干扰也是无法正确计算，所以温度量改变往往受到不可估计外界环境扰动影响。为了使系统和外界能量交换尽可能符合大家要求，就需要采取其它手段来达成这么一个绝热目标，比如能够让目标系统外部环境温度和其内部温度同时改变。依据热力学第二定律，两个温度相同系统之间是达成热平衡，这么利用一个和目标系统温度同时隔离层，就能够把目标系统和外界进行热隔离。另外，在大部分实际环境中，增温要比降温方便得多。所以，对温度控制精度要求比较高情况下，是不许可出现过冲现象，即不许可实际温度超出控制目标温度。尤其是隔热效果很好环境，温度一旦出现过冲，将难以很快把温度降下来。这是因为很多应用中只有加热步骤，而没有冷却装置。一样道理，对于只有冷却没有加热步骤应用中，实际温度低于控制目标温度，对控制效果影响也是很大。鉴于上述这些特点，高精度温度控制难度比较大，而且不一样应用环境也需要不一样控制策略。所以本文据此问题，经过查阅大量文件资料并结合目前温度测探技术实际应用情况进行分析，从中发觉问题，并依据实际，提出硬件及软件设计方案，为优化目前单片机之温度探制系统问题提供一定参考及借鉴。1 温度测控技术发展和现实状况多年来，温度检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，怎样确保快速实时地对温度进行采样，确保数据正确传输，并能对所测温度场进行较正确控制，仍然是现在需要处理问题。温度测控技术包含温度测量技术和温度控制技术两个方面。在温度测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法优点是：简单、可靠、低廉、测量精度较高，通常能够测得真实温度；但因为检测元件热惯性影响，响应时间较长，对热容量小物体难以实现正确测量，而且该方法不宜于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体温度。另外非接触式测温方法是经过对辐射能量检测来实现温度测量方法，其优点是：不破坏被测温场，能够测量热容量小物体，适于测量运动物体温度，还能够测量区域温度分布，响应速度较快。但也存在测量误差较大，仪表指示值通常仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。所以，在实际温度测量中，要依据具体测量对象选择适宜测量方法，在满足测量精度要求前提下尽可能降低投入。温度控制技术根据控制目标不一样可分为两类：动态温度跟踪和恒值温度控制。动态温度跟踪实现控制目标是使被控对象温度值按预先设定好曲线进行改变。在工业生产中很多场所需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中温度控制等；恒值温度控制目标是使被控对象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)不能超出某许可值。本文所讨论基于单片机温度控制系统就是要实现对温控箱恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。从工业控制器发展过程来看，温度控制技术大致可分以下多个：1.1 定值开关控温法所谓定值开关控温法，就是经过硬件电路或软件计算判别目前温度值和设定目标温度值之间关系，进而对系统加热装置(或冷却装置)进行通断控制。若目前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或开动制冷装置；若目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，在没有计算机参与情况下，用很简单模拟电路就能够实现。现在，采取这种控制方法温度控制器在中国很多工厂传统工业电炉中仍被使用。因为这种控制方法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，所以无法克服温度改变过程滞后性，致使被控对象温度波动较大，控制精度低，完全不适适用于高精度温度控制。1.2 PID线性控温法这种控温方法是基于经典控制理论中PID调整器控制原理，PID控制是最早发展起来控制策略之一，因为其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适适用于可建立正确数学模型确实定性控制系统。因为PID调整器模型中考虑了系统误差、误差改变及误差积累三个原因，所以，其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路能够采取模拟电路或计算机软件方法来实现PID调整功效。前者称为模拟PID控制器，后者称为数字PID控制器。其中数字PID控制器参数能够在现场实现在线整定，所以含有较大灵活性，能够得到很好控制效果。采取这种方法实现温度控制器，其控制品质好坏关键取决于三个PID参数(百分比值、积分值、微分值)。只要PID参数选择正确，对于一个确定受控系统来说，其控制精度是比较令人满意。不过，它不足也恰恰在于此，当对象特征一旦发生改变，三个控制参数也必需对应地跟着改变，不然其控制品质就难以得到确保。1.3 智能温度控制法为了克服PID线性控温法弱点，大家相继提出了一系列自动调整PID参数方法，jtflPID参数自学习，自整定等等。并经过将智能控制和PID控制相结合，从而实现温度智能控制。智能控温法以神经网络和模糊数学为理论基础，并合适加以教授系统来实现智能化。其中应用较多有模糊控制、神经网络控制和教授系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛应用。现在已出现一个高精度模糊控制器，能够很好模拟人操作经验来改善控制能，从理论上讲，能够完全消除稳态误差。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含有自适应PID算法温度控制仪表。现在中国温控仪表发展，相对国外而言在性能方面还存在一定差距，它们之间最大差异关键还是在控制算法方面，具体表现为中国温控仪在全量程范围内温度控制精度比较低，自适应性较差。这种不足原因是多方面造成，如针对不一样被控对象，因为控制算法不足而造成控制精度不稳定。2 系统总体设计方案本论文所讨论基于单片机温度控制系统是某型号气相色谱仪温度控制子系统，其目标是对两个温控箱温度进行恒值温度控制。温控箱温度控制范围在室温到摄氏600之间，温度控制精度要求为0.1。下面讨论系统总体设计方案，包含：系统性能要求及特点和系统软、硬件方案分析。2.1 系统性能要求及特点(1)系统性能要求：(a)能够人为方便地经过控制面板或PC机设定控制期望温度值，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，即能实现温度自动控制；(b)能够实现对温控箱温度测量而且经过控制面板上液晶显示实时显示出来；(c)含有加热保护功效安全性要求。假如实际测得温控箱温度值超出了系统要求安全温度，保护电路就会做出反应，从而对温控箱实现超温保护；(d)模块化设计，安装拆卸简单，维修方便；(e)系统可靠性高，不易出故障；(f)尽可能采取经典、通用器件，一旦损坏，易于在市场上买到一样零部件进行替换。(2)系统特点：鉴于上述系统功效要求和智能仪表应含有体积小、成本低、功效强、抗干扰并尽可能达成更高精度要求。本系统在硬件设计方面含有以下特点：控制主板采取AT89C52作为关键芯片。作为和MCS-51系列兼容单片机，不管在运算速度，还是在内部资源上均可胜任本系统性能要求。依据温控箱测温范围要求，本系统适合采取Ptl00铂电阻作为温度传感器，而Ptl00铂电阻在大温度范围内测温时表现出不可忽略非线性不容忽略，所以在温度测量过程中必需对铂电阻温度传感器非线性进行优化，从而提升系统温度测量正确度。本文采取最小二乘法拟合方法对铂电阻非线性进行优化。为了简化系统硬件，控制量采取双向可控硅输出，这么就省去了DA转换步骤。整个系统遵照了冗余标准及以软代硬标准，并尽可能选择经典、常见、易于替换芯片和电路，为系统开放性、标准化和模块化打下良好基础。系统扩展和配置在满足功效要求基础上留有合适裕量，以利于扩充和修改。2.2 系统硬件方案分析现在，温度控制仪硬件电路通常采取模拟电路(Analog Circuit)和单片机(Microcontroller)两种形式。模拟控制电路各控制步骤通常由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路和电容、电阻等外围元器件组成。它最大优点是系统响应速度快，能实现对系统实时控制。依据计算机控制理论可知，数字控制系统采样速率并非越快越好，它还取决于被控系统响应特征。在本系统中，因为温度改变是一个相对缓慢过程，对温控系统实时性要求不是很高，所以模拟电路优势得不到表现。另外，模拟电路依靠元器件之间电气关系来实现控制算法，极难实现复杂控制算法。单片机是大规模集成电路技术发展产物，属于第四代电子计算机。它是把中央处理单元CPU(Central Processing Unit)、随机存取存放器RAM(Random Access Memory)、只读存放器ROM(Read only Memory)、定时计数器和IO(InputOutput)输入输出接口电路等关键计算机部件全部集成在一块集成电路芯片上微型计算机，它特点是：功效强大、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，采取单片机设计控制系统，不仅能够降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，还能够提升系统兼容性和可移植性。另外，伴随微电子技术和半导体工业不停创新和发展，片上系统SOC(System On Chip)得到了十足发展。部分厂家依据系统功效复杂程度，将这种SOC芯片应用到优异控制仪表中。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效模块和一定规模存放器(RAM和ROM)，而且这种片上系统通常含有用户自定义接口模块，使得其功效很强大，适用领域也很广。它不仅能满足复杂系统性能需要，而且还使整个系统电路紧凑，硬件结构简化。从实现复杂系统功效和简化硬件结构角度出发，SOC是实现温度控制系统最好选择，但现在市场上SOC价格还比较昂贵，而且SOC封装形式几乎全部采取贴片式封装，不利于试验电路板搭建。从降低成本，器件供货渠道充足角度看，应用单片机实现温度控制系统是比较经济实用。现在，市面上单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。AT89C52单片机是ATMEL企业出品和MCS51系列兼容低电压、高性能CMOS 8位单片机。本系统选择AT89C52为关键器件组成控制系统。另外，在选择外围扩展芯片时，本着节省成本标准，尽可能选择经典、易于扩展和替换芯片及器件。2.3 系统软件方案分析现在，MCS-51单片机开发关键用到两种语言：汇编语言和C语言。和汇编语言相比，C语言含有以下特点：(1)含有结构化控制语句结构化控制语言显著特点是代码和数据分隔化，即程序各个部分除了必需信息交流外相互独立。这种结构化方法可使程序层次清楚，便于使用、维护及调试；(2)适用范围广和可移植性好同其它高级语言一样，C语言不依靠于特定CPU，其源程序含有良好可移植性。现在，主流CPU和常见MCU全部有C编译器。加之集成开发环境KEIL编译生成代码效率很高(仅比汇编语言生成代码效率低10一15)。所以，本系统软件选择使用C语言开发。因为整个系统软件比较复杂，为了便于编写、调试、修改和增删，系统程序编制适合采取模块化程序结构，故要求整个控制系统软件由很多独立小模块组成，它们之间经过软件接口连接，遵照模块内数据关系紧凑，模块间数据关系松散标准，将各功效模块组织成模块化软件结构。温度控制算法方面，在对温控箱数学模型辨识基础之上，结合本温控系统要求采取了经典PID控制算法，这关键是因为PID控制相对来说算法简单、鲁棒性好和可靠性高。另外，在设计PID控制器时，依靠经验和试验方法在系统调试时确定PID控制器参数KP、KI、KD，然后用代码实现了算法。3 硬件设计3.1 系统硬件总体结构本文所研究温度控制系统硬件部分按功效大致能够分为以下多个部分：单片机主控模块、输入通道、输出通道、保护电路等。硬件总体结构框图图1所表示。由结构框图可见，温度控制系统以AT89C52单片机为关键，并扩展外部存放器组成主控模块。温控箱温度由Ptl00铂电阻温度传感器检测并转换成微弱电压信号，再经过16位AD转换器AD7705转换成数字量。此数字量经过数字滤波以后，首先将温控箱温度经过控制面板上液晶显示器显示出来；其次将该温度值和设定温度值进行比较，依据其偏差值大小，采取PID控制算法进行运算，最终经过控制双向可控硅控制周期内通断占空比(即控制温控箱加热平均功率大小)，进而达成对温控箱温度进行控制目标。假如实际测得温度值超出了系统给定极限安全温度，保护电路会做出反应，从而保护温控箱。保护电路设定温度值温控箱加热部件AD转换时钟电路可控硅温度显示串行通信温度传感器MCU图1 硬件总体结构框图3.2 主控模块器件选型及设计3.2.1 单片机选择针对一定用途，合适选择所使用单片机是十分关键。对于明确应用对象，选择功效过少单片机，无法完成控制任务；选择功效过强单片机，则会造成资源浪费，使产品性能价格比下降。现在，市面上单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有不一样。在实际应用中，针对不一样需求要选择适宜单片机，选择单片机时要注意下几点：(1)单片机基础性能参数，比如指令实施速度，程序存放器容量，中止能力及IO口引脚数量等；(2)单片机增强功效，比如看门狗，双串口，RTC(实时时钟)，EEPROM，CAN接口等；(3)单片机存放介质，对于程序存放器来说，Flash存放器和OTP(一次性可编程)存放器相比较，最好是选择Flash存放器：(4)芯片封装形式，如DIP封装，PLCC封装及表面贴附封装等。选择DIP封装在搭建试验电路时会愈加方便部分；(5)芯片工作温度范围符合工业级、军品级还是商业级，假如设计户外产品，必需选择工业级芯片；(6)单片机工作电压范围，比如设计电视机遥控器时，使用2节干电池供电，最少选择单片机能够在1.8V3.6V电压范围内工作；(7)单片机抗干扰性能好；(8)编程器和仿真器价格，单片机开发是否支持高级语言和编程环境要好用易学；(9)供货渠道是否通畅，价格是否低廉，是否含有良好技术服务支持。依据上面所述标准，结合本系统实际情况综合考虑，本文讨论温度控制系统选择ATMEL企业生产AT89C52单片机作为主控模块关键芯片。3.2.2 单片机介绍本系统选择ATMEL企业生产AT89系列单片机中AT89C52，AT89C52单片机是一个新型低功耗、高性能8位CMOS微控制器，和工业标准MCS-51指令系列和引脚完全兼容。含有超强三级加密功效，其片内闪电存放器(Flash Memory)编程和擦除完全用电实现，数据不易挥发，编程擦除速度快。3.2.3 主控模块设计主控模块电路由AT89C52单片机、外部时钟电路、复位电路、存放器扩展电路组成。因为AT89C52内部存放器容量不能满足本系统需求，所以需要对其存放器进行扩展。这里选择用紫外线擦写64K8EPROM 27512和静态数据存放器8K8SRAM 6264扩展单片机存放器。存放器扩展时，AT89C52P0口作为数据总线和低8位地址线，P2口作为高8位地址线。因为P0口分时复用所以需要使用地址锁存器74HC373对低8位地址进行锁存。单片机复位是由外部复位电路来实现。在单片机复位引脚RST(9脚)上保持两个机器周期高电平就能使AT89C52完全复位。复位电路接法很多，本系统中采取上电复位和手动复位键复位相结合方法。系统时钟电路设计采取内部方法。AT89C52内部有一个用于组成振荡器高增益反相放大器。引脚XTALl(19脚)和XTAL2(18脚)分别是此放大器输入端和输出端。这个放大器和作为反馈元件片外晶体谐振器一起组成一个自激振荡器。外接晶体谐振器和电容组成并联谐振电路，接在放大器反馈回路中。本系统电路采取晶体振荡器频率为11.0592MHz。采取这种频率晶体振荡器原因是能够方便取得标准波特率。复位电路和时钟电路图2所表示。图2 复位电路和时钟电路3.3 输入通道设计系统输入通道作用是将温控箱温度(非电量)经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输出。因为此时电量(电压)还是单片机所不能识别模拟量，所以还需要进行AD转换，立即模拟电量转化成和之对应数字量，提供给单片机判定和控制。输入通道由传感器、AD转换等电路组成。3.3.1 Ptl00温度传感器温度传感器种类比较繁杂，多种不一样温度传感器因为其组成材料、组成方法及测温原理不一样，使得其测量温度范围、测量精度也各不相同。所以，在不一样应用场所，应选择不一样温度传感器。Ptl00型铂电阻，在-200850范围内是精度最高温度传感器之一。和热电偶、热敏电阻相比较，铂物理、化学性能全部很稳定，尤其是耐氧化能力很强，离散性很小，精度最高，灵敏度也很好。这些特点使得铂电阻温度传感器含有信号强、精度高、稳定性和复现性好特点。因为在本系统中，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，所以选择Ptl00铂电阻作为本温度控制系统温度传感器。铂电阻温度传感器关键有两种类型：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，工业铂电阻测量稳定性和复现性通常不如标准铂电阻，这关键有两个方面原因，其一是高温下金属铂和周围材料之间扩散使其纯度受到污染，从而降低了铂电阻测温复现性能，其二是因为高温条件下应力退火影响了其复现性能。不过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，故在本系统中采取工业级Ptl00铂电阻作为温度传感器。铂电阻测温电路工作方法通常分为恒压方法和恒流方法两种。根据接线方法不一样又能够分为二线制、三线制和四线制多个。本系统采取是恒流四线制接法对Ptl 00铂电阻进行采样。铂电阻温度传感器采样电路图3所表示。该电路将温控箱温度转化为电压输出。采取恒流四线制接法测温电路中需要用到一个稳定基准电压源。本系统采取精密基准电压源LM399H产生基准电压，图中参考电压EP即来自LM399H。基准电压源电路图4所表示。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器件，内部有恒温电路，确保了器件长久稳定性。本系统中基准电压源产生电压不仅提供给铂电阻采样电路而且还提供给AD转换电路使用。图3 温度传感器电路 图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改变而改变这一特征进行温度测量，依据IEC(International Electrician Committee)标准751-1983： (-200t0) (1) (0t850) (2)其中，Rt为t时电阻值，Ro为0时电阻值。图5所表示为铂电阻温度电阻曲线。图5 铂电阻温度电阻曲线因为本系统中温控箱温度范围在室温至600之间，故只针对(2)式进行讨论。由(2)式可知，铂电阻温度传感器在其测量范围内含有非线性，即阻值改变含有饱和特征。为了降低铂电阻饱和特征给温度测量带来误差，这里采取最小二乘法对铂电阻非线性进行优化。在0-800之间均匀抽取100个温度点，对应铂电阻阻值利用(2)式计算出来，然后将此电阻值代入图3所表示采样电路求得电压值，这么就有100组数据点。对这100组温度和电压数据利用最小二乘法进行拟合，求出温度和电压关系三次多项式为： (3)求解出测温多项式后，在0-800之间随机抽取1O个点，对此多项式进行检验，其结果如表1所表示。表1 实际温度、测得温度对照表实际温度()计算温度()误差()39.0038.993-0.007117.00117.0190.019195.00195.0130.013291.00282.995-0.005351.00350.982-0.018429.00428.982-0.018507.00506.996-0.004624.00624.0230.023702.00702.0190.019780.00779.961-0.039由上表能够看到经过最小二乘法优化以后，(2-3)式误差绝对值最大值仅为0.039，测量精度已经满足系统要求。3.3.2 AD转换在单片机控制系统中，控制或测量对象相关变量，往往是部分连续改变模拟量，如温度、压力、流量、位移、速度等物理量。不过大多数单片机本身只能识别和处理数字量，所以必需经过模拟量到数字量转换(AD转换)，才能够实现单片机对被控对象识别和处理。完成AD转换器件即为AD转换器。AD转换器关键性能参数有：(1)分辨率表示AD转换器对输入信号分辨能力。AD转换器分辨率以输出二进制数位数表示；(2)转换时间指AD转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定数字信号所经过时间。不一样类型转换器转换速度相差甚远：(3)转换误差表示AD转换器实际输出数字量和理论上输出数字量之间差异，常见最低有效位倍数表示；(4)线性度指实际转换器转移函数和理想直线最大偏移。现在有很多类型AD转换芯片，它们在转换速度、转换精度、分辨率和使用价值上全部各具特色，其中大多数积分型或逐次比较型AD转换器对于高精度测量，其转换效果不够理想。温度控制中AD转换是很关键一个步骤。传统电路设计方法是在AD转换前增加一级高精度测量放大器，这么就增加了成本，电路也较为复杂。综合考虑，本系统选择AD(ANALOG DEVICES)企业生产16位AD转换芯片AD7705作为本温控系统AD转换器。AD7705是AD企业生产16位-型AD转换器。它包含由缓冲器和增益可编程放大器(PGA)组成前端模拟调整电路、调制器、可编程数字滤波器等部件组成。能直接将传感器测量到多路微小信号进行AD转换。 AD7705采取三线串行接口，含有两个全差分输入通道，能达0.003非线性16位无误码输出，其增益和输出更新率均可编程设定，还能够选择输入模拟缓冲器，和自校准和系统校准方法。工作电压3V或5V，在3VI作电压时，器件最大功耗仅为lmW。AD7705弓|脚图6所表示。图6 AD7705引脚图AD7705引脚功效描述以下：(1)SCLK串行时钟，将一个外部串行时钟加于这一输入端口，以访问AD7705串行数据。该串行时钟能够是连续时钟以连续脉冲串传送全部数据，反之，它也能够是非连续时钟，将信息发送给AD7705；(2)MCLKIN为转换器提供主时钟信号，能以晶体谐振器或外部时钟形式提供。晶体谐振器能够接在MCLKIN和MCLKOUT两弓|脚之间，时钟频率范围为500kHz-5MHz；(3)MCLKOUT，当主时钟为晶体谐振器时，晶体谐振器被接在MCLKIN和MCLKOUT之间，假如在MCLKIN引脚处接上一个外部时钟，MCLKOUT将提供一个反向时钟；(4) 片选信号，低电平有效；(5) 复位输入，低电平有效；(6)AIN2(+)差分模拟输入逶道2正输入端(7)AINl(+)差分模拟输入通道1正输入端；(8)AINl(-)差分模拟输入遥道l负输入端；(9)AIN2(-)差分模拟输入通道2负输入端；(10)REFIN(+)差分基准输入正输入端，基准输入是差分，并要求REFIN(+)必需大于REFIN(-)，REFIN(+)能够取VDD和GND之间任何值；(11) (-)差分基准输入负输入端，REFIN(-)能够取VDD和GND之间任何值，且必需满足REFIN(+)大于REFIN(-)；(12)DRDY逻辑输出，这个输出端上逻辑低电平表示能够从AD7705数据寄存器获取新输出字。完成对一个完全输出字读操作后，该引脚立即回到高电平。当该引脚处于高电平时，不能进行读操作，当数据更新后，该引脚又返回低电平：(13)DOUT串行数据输出端，从片内输出移位寄存器读出串行数据由此端输出。依据通信寄存器中寄存器选择位，移位寄存器能够容纳来自通信寄存器、时钟寄存器或数据寄存器信息；(14)DIN串行数据输入端，向片内输入移位寄存器写入串行数据由此输入。3.4 输出通道设计3.4.1 温控箱功率调整方法温控系统均采取可控硅来实现功率调整。可控硅控制模式有两种：控制和零位控制(分配式零位控制、时间百分比零位控制)。(1)相位控制：作用于每一个交流正弦波，改变正弦波每个正半波和负半波导通角来控制电压大小，进而能够调整输出电压和功率大小。采取相位控制模式可控硅控制器能够叫做调压器，它能够方便调整电压有效值，可用于电炉温度控制、灯光调整、异步电机降压软开启和调压调速等。(2)零位控制：在设定周期Tc内，触发信号使主回路接通多个周波(多个完整正弦波)，再断开多个周波，改变可控硅在设定周期内通断时间百分比，以调整负载上交流电平均功率，即可达成调整负载功率目标。依据输出电压分布不一样，零位控制又分为分配式零位控制(在Tc周期内依据输出百分比平均分布周波)和时间百分比零位控制(在Tc周期内依据输出百分比连续接通多个周波，然后在Tc周期剩下时间内连续关断多个周波)。它多用于大惯性加热器负载，采取这种控制，既实现了温度控制，又消除了相位控制时带来高次谐波污染电网。本系统采取分配式零位控制模式，控制温控箱加热电阻平均加热功率，进而控制温控箱温度。3.4.2 可控硅输出电路可控硅是一个功率半导体器件，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。可控硅含有控制功率小、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。双向可控硅和单向可控硅区分是：(1)它在触发以后是双向导通：(2)在控制极上不管是加正还是负触发信号，通常全部能够使双向可控硅导通。所以双向可控硅尤其适适用作交流无触点开关。本系统中和可控硅配套使用是MOC3041光电耦合双向可控硅驱动器，和通常光耦器件不一样之处是MOC3041输出部分是硅光敏双向可控硅，还带有过零触发检测器，以确保电压靠近零时触发可控硅。3.5 串行通信接口电路现在，广泛使用串行数据接口标准有RS-232，RS-422和RS-485三种。其中RS-232是美国电子工业协会正式公布串口总线标准，也是现在最为常见串行接口标准，用来实现计算机和计算机之间，计算机和外设之间数据通讯。串行通信接口基础任务是实现数据格式化。来自CPU是一般并行数据，接口电路应含有实现不一样串行通信方法下数据格式化任务。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和EIA电平转换；(5)提供EIARS232接口标准所要求信号线。因为CMOS电平和RS-232电平不匹配，所以要实现单片机和PC机之间通信，必需在它们之间加接电平转换器。系统设计采取MAXIM企业RS-232接口芯MAX232，这是一个标准RS-232接口芯片。MAX232只需+5V电源供电，其内部电源改变成10V电源用于RS232通信。该芯片集成有两路收发器，可将单片机输入TTLCMOS电平转换为RS232电平发送给PC机，或将从PC机接收RS232电平转换为TTLCMOS电平发送给单片机。MAX232为双列直插16脚封装。系统串口通信电路图9所表示。图9 串口通信电路其中T20UT连接上位机串口RX端，R2IN连接上位机串口TX端，R20UT和T2IN是TTLCMOS发送器输出和输入端，分别连接单片机RX(P3.0)和TX(P3.1)端。3.6 电源电路系统所用直流电源由三端集成稳压器组成串联型直流稳压电源提供。设计中选择LM7805，LM7815和LM7915三个三端集成稳压器，分别提供+5V、+15V和一15V直流电压，输出电流均为1A。LM7805、LM7815和LM7915连接方法一样。变压器将220V市电降压后再经过整流桥整流以后采取了大容量电解电容进行滤波，以减小输出电压纹波。因为电解电容器在高频下工作存在电感特征，对于来自电源侧高频干扰不能抑制，所以在整流电路后加入高频电容改善纹波。3.7 硬件抗干扰方法硬件抗干扰是应用系统最基础和最关键抗干扰手段，通常从防和抗两方面入手来抑制干扰。其总标准是：抑制或消除干扰源，切断干扰对系统耦合通道，降低系统对干扰信号敏感性。对于本系统，硬件抗干扰设计具体方法有：隔离、接地、滤波等常见方法。(1)隔离关键用于过程通道隔离。光电耦合器能有效地抑制尖峰脉冲及多种噪声干扰，提升信噪比。在输入、输出通道采取光电耦合器将控制系统和外围接口隔离；(2)接地接地应遵照基础标准是：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，降低电路和地线之间电流耦合。合理部署地线使电流局限在尽可能小范围内，并依据地电流大小和频率设计对应宽度印刷电路和接地方法。模拟电源和数字电源各自并接0.1uF陶瓷电容(去耦电容)：(3)滤波电源系统干扰源关键是高次谐波。无源滤波器是一个简单、有效低通滤波器，它只让电网中基波经过，而对高次谐波有急剧衰减作用，对串模干扰和共模干扰信号含有很强双向抑制作用。4 软件设计在微机测控系统中，软件和硬件一样关键。硬件是系统躯体，软件则是灵魂，当系统硬件电路设计好以后，系统关键功效还是要靠软件来实现，而且软件设计在很大程度上决定了测控系统性能。为了满足系统要求，编制软件时通常要符合以下基础要求：(1)易了解性、易维护性要达成易了解和易维护等指标，在软件设计方法中，结构化设计是最好一个设计方法，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功效，确定整体目标，然后把这个目标分成一个个任务，任务中能够分成若干个子任务，这么逐层细分，逐一实现；(2)实时性是电子测量系统普遍要求，即要求系统立即响应外部事件发生，并立即给出处理结果。多年来，因为硬件集成度和运算速度提升，配合对应软件，实时性比较轻易满足设计要求；(3)正确性对整个系统含相关键意义，尤其是测量系统，系统要进行一定量运算，算法正确性和正确性对结果有着直接影响，所以在算法选择、计算精度等方面全部要符合设计要求；(4)可靠性是系统软件最关键指标之一，作为能够稳定运行系统，抗干扰技术应用是必不可少，最起码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。结合上述编制系统软件基础要求，首先讨论软件设计思想。4.1 软件设计思想很多单片机软件系统全部是采取图12所表示前、后台系统(也称超循环系统)。其中，应用程序是一个无限循环，循环中调用对应函数完成对应操作，这部分能够看成是后台行为(background)。中止服务程序处理异步事件，这部分能够看成是前台行为(foreground)。后台也能够叫做任务级。前台也能够叫做中止级。时间相关性很强关键操作(critical operation)一定是靠中止服务来确保。本系统软件正是基于这种软件思想编制。图10 前后台系统4.2 软件组成因为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，系统软件编制采取了模块化设计。即整个控制软件由很多独立小模块组成，它们之间经过软件接口连接，遵照模块内部数据关系紧凑，模块之间数据关系松散标准，按功效形成模块化结构。系统软件关键由主程序模块、数据采集模块、数据处理模块、控制算法模块等组成。主模块功效是为其它多个模块构建整体框架及初始化工作；数据采集模块作用是将AD转换数字量采集并储存到存放器中；数据处理模块是将采集到数据进行一系列处理，其中最关键是数字滤波程序：控制算法模块完成控制系统PID运算而且输出控制量。下面就介绍本系统多个关键程序模块。4.3 主程序模块主程序模块要做关键工作是上电后对系统初始化和构建系统整体软件框架，其中初始化包含对单片机初始化、AD芯片初始化和串口初始化等。然后等候温度设定，若温度已经设定好了，判定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。主程序模块程序步骤图图11所表示。在附录中给出了系统初始化源程序。图11 主程序步骤图4.4 数据采集模块数据采集模块任务是负责温度信号采集和将采集到模拟量经过AD转换器转化为对应数字量提供给单片机。数据采集模块程序步骤图图12和图13所表示。图12 数据采集模块程序步骤图 图13 AD转换程序步骤图4.5 数据处理模块数据处理模块负责处理AD转换后数字量。其中最关键步骤是数字滤波，所以这里关键讨论系统采取数字滤波程序。