《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)》課件-第8章

第8章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則與步驟8.2系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)8.3基于單片機(jī)的語(yǔ)音溫度計(jì)8.4電阻爐溫度控制系統(tǒng)小結(jié)

8.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則與步驟8.1.1設(shè)計(jì)原則1.安全可靠計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象各不相同,控制算法和具體技術(shù)指標(biāo)也千變?nèi)f化。系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)一般是指與工業(yè)過程相連的計(jì)算機(jī)。由于工業(yè)環(huán)境相對(duì)比較惡劣,因此控制系統(tǒng)容易受到各種干擾和其他因素的影響,導(dǎo)致系統(tǒng)不能按照要求正常運(yùn)行。一旦出現(xiàn)故障,控制系統(tǒng)將會(huì)崩潰或者癱瘓,輕者影響生產(chǎn),重者造成重大安全事故,人員的安全不能得到良好的保障。

2.操作維護(hù)方便

操作方便主要體現(xiàn)在要求系統(tǒng)便于掌握、操作簡(jiǎn)單,而且顯示畫面直觀、形象。在考慮先進(jìn)性的同時(shí),還應(yīng)兼顧操作工以往的操作習(xí)慣,使其易于掌握,并不強(qiáng)求操作工掌握太

多計(jì)算機(jī)知識(shí)。

3.實(shí)時(shí)性強(qiáng)

實(shí)時(shí)性是工業(yè)控制系統(tǒng)最主要的特點(diǎn)之一,它表現(xiàn)在對(duì)內(nèi)部和外部事件能及時(shí)地響應(yīng),并在規(guī)定的時(shí)限內(nèi)作出相應(yīng)的處理。系統(tǒng)處理的事件一般有兩類:一類是定時(shí)事件,由

系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置的時(shí)鐘保證定時(shí)處理;另一類是隨機(jī)事件,系統(tǒng)設(shè)置中斷,根據(jù)故障的輕重緩急選擇合適的中斷優(yōu)先級(jí)。

4.通用性好

通用性好體現(xiàn)在兩個(gè)方面:硬件模板設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu),配置各種通用的功能模板,便于擴(kuò)充;軟件模板設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu),用戶使用時(shí)無(wú)需二次開發(fā),只需按要求選擇即可。

5.經(jīng)濟(jì)效益高

提高經(jīng)濟(jì)效益一方面是系統(tǒng)的性能價(jià)格比要盡可能高,而投入產(chǎn)出比要盡可能低,回收周期盡可能短;另一方面還要從提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量、降低能耗、減少污染、改善勞動(dòng)

條件等經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益各方面綜合評(píng)估。

8.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分4個(gè)階段:工程項(xiàng)目和控制任務(wù)的確定階段;工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段;離線仿真和調(diào)試階段;在線調(diào)試和運(yùn)行階段。

1.工程項(xiàng)目和控制任務(wù)的確定階段

(1)甲方提出任務(wù)委托書。

(2)乙方研究任務(wù)委托書。

(3)雙方對(duì)委托書進(jìn)行確認(rèn)性修改。

(4)乙方初步進(jìn)行系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。

(5)乙方進(jìn)行可行性研究。

(6)簽訂合同書。

2.工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段

工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的流程如下:

(1)組建設(shè)計(jì)隊(duì)伍,各成員要明確分工和相互的協(xié)調(diào)合作關(guān)系。

(2)設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案,形成硬件和軟件的方塊圖,并建立說明文檔,包括控制策略和控制算法的確定。

(3)方案論證與評(píng)審。

(4)硬件和軟件的細(xì)化設(shè)計(jì)。

(5)硬件和軟件的分別調(diào)試。

(6)系統(tǒng)組裝。

3.離線仿真和調(diào)試階段

離線仿真和調(diào)試是指在實(shí)驗(yàn)室而不是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的仿真和調(diào)試。在離線仿真和調(diào)試試驗(yàn)后,還要進(jìn)行老化測(cè)試,其目的是要在連續(xù)不斷的運(yùn)行中暴露問題和解決問題。

4.在線調(diào)試和運(yùn)行階段

在線調(diào)試和運(yùn)行就是將系統(tǒng)和生產(chǎn)過程連接在一起,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和運(yùn)行。正常后,再試運(yùn)行一段時(shí)間,即可組織驗(yàn)收。驗(yàn)收是系統(tǒng)項(xiàng)目最終完成的標(biāo)志,應(yīng)由甲方主持乙方參加,雙方協(xié)同辦理。驗(yàn)收完畢應(yīng)形成文件存檔。

8.2系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)8.2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)總體方案是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,設(shè)計(jì)者必須深入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),熟悉生產(chǎn)工藝流程,了解系統(tǒng)的控制要求,明確系統(tǒng)要完成的任務(wù)和要達(dá)到的最終目標(biāo)。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分考慮硬件和軟件功能的合理分配。在快速性方面:多采用可以提高系統(tǒng)反應(yīng)速度的硬件,簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)工作。在可靠性和抗干擾能力方面:過多地采用硬件會(huì)增加系統(tǒng)元器件數(shù)目并降低系統(tǒng)的可靠性,同時(shí),硬件的增加也使系統(tǒng)的抗干擾性能下降。在成本方面:多采用軟件可以降低成本。

1.硬件總體方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)方法:采用“黑箱”設(shè)計(jì)法,即畫方塊圖的方法。用此方法進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),只需明確各方塊之間的信號(hào)輸入輸出關(guān)系和功能要求,而無(wú)需知道“黑箱”內(nèi)的具體結(jié)構(gòu)。

先確定系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)是開環(huán)控制還是閉環(huán)控制;接著確定類型:操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督控制系統(tǒng)、分級(jí)控制系統(tǒng)、分散控制系統(tǒng)等;再進(jìn)一步確定主機(jī)的類型:工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、PLC智能調(diào)節(jié)器等。

2.軟件總體方案設(shè)計(jì)

畫出方框圖,確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制策略、控制算法。

3.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

將上面的硬件、軟件總體方案合在一起構(gòu)成系統(tǒng)總體方案?？傮w方案論證可行后,要形成文件,建立總體方案文檔。

8.2.2硬件的工程設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

1.選擇系統(tǒng)總線和主機(jī)機(jī)型

系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì),使系統(tǒng)的可擴(kuò)展性好、更新性好。

內(nèi)總線:常用的有PC總線和STD總線兩種,一般選用PC總線。

外總線:指計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)與智能儀表、智能外設(shè)之間通信的總線,有串行和并行兩大類。根據(jù)通信的距離、速率、系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信協(xié)議等要求綜合分析來(lái)確定。

1)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成方案的選擇

(1)組裝方案。

優(yōu)點(diǎn):整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、性能價(jià)格比高。

缺點(diǎn):要求設(shè)計(jì)者具有豐富的專業(yè)理論知識(shí)和工程設(shè)計(jì)能力及經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)工作量大,過程復(fù)雜,軟件需全部自行開發(fā),研發(fā)周期長(zhǎng)。

(2)單片機(jī)方案。該方案體積小、重量輕、價(jià)格低、可靠性高,可廣泛應(yīng)用于小規(guī)模控制系統(tǒng)、智能控制裝置、智能化儀表和各種先進(jìn)的家電產(chǎn)品中。

(3)通用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方案。

優(yōu)點(diǎn):容易實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制功能,硬、軟件設(shè)計(jì)

工作量小。硬件一般只需根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行必要的接口擴(kuò)展,軟件開發(fā)可在已有的開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行,研制周期短。

缺點(diǎn):系統(tǒng)成本高(相對(duì)單片機(jī)而言),計(jì)算機(jī)利用率低,可靠性和抗干擾能力相對(duì)于工業(yè)控制機(jī)差一些。

(4)專用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方案。

優(yōu)點(diǎn):可靠性高,具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

缺點(diǎn):價(jià)格高。

2)微型計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)選擇

作為工業(yè)控制用計(jì)算機(jī),應(yīng)滿足以下基本要求:完善的中斷系統(tǒng);足夠的存儲(chǔ)容量;微處理器具有足夠的數(shù)據(jù)處理能力。

2.選擇輸入輸出通道模板

(1)數(shù)字量(開關(guān)量)輸入/輸出(DI/DO)模板。

(2)模擬量輸入/輸出(AI/AO)模板包括A/D、D/A板和信號(hào)調(diào)理電路等。

3.選擇變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)

變送器能將被測(cè)變量轉(zhuǎn)換為可遠(yuǎn)傳的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)。常用的變送器有溫度變送器、壓力變送器、液位變送器、差壓變送器、流量變送器等?？筛鶕?jù)被測(cè)參數(shù)的種類、量程、

被測(cè)對(duì)象的介質(zhì)類型和環(huán)境來(lái)選擇具體型號(hào)

8.2.3軟件的工程設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

1.劃分模塊

程序設(shè)計(jì)應(yīng)先模塊后整體。設(shè)計(jì)時(shí)通常是按功能來(lái)劃分模塊。劃分模塊時(shí)要注意4點(diǎn):

一是一個(gè)模塊不宜劃分得太長(zhǎng)或太短;

二是力求各模塊之間界限分明,邏輯上彼此獨(dú)立;

三是力圖使模塊具有通用性;

四是簡(jiǎn)單任務(wù)不必模塊化。

2.資源的分配

硬件資源包括ROM、RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷源、I/O地址等。ROM用于存放程序和表格,定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷源、I/O地址在任務(wù)分析時(shí)已經(jīng)分配好了。資源分配的主要工作是RAM的分配,應(yīng)列出一張分配RAM資源的詳細(xì)清單,作為編程依據(jù)。

3.實(shí)時(shí)控制軟件設(shè)計(jì)

(1)數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)處理程序。

(2)控制算法程序。

(3)控制量輸出程序。

(4)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和中斷處理程序。

(5)數(shù)據(jù)管理程序。

(6)數(shù)據(jù)通信程序。

8.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行

1.離線仿真和調(diào)試

(1)硬件調(diào)試。

(2)軟件調(diào)試。

(3)系統(tǒng)仿真。

2.在線調(diào)試和運(yùn)行

在實(shí)際運(yùn)行前設(shè)計(jì)人員必須制定調(diào)試計(jì)劃、實(shí)施方案、安全措施、分工合作細(xì)則等?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和運(yùn)行的過程是從小到大、從易到難、從手動(dòng)到自動(dòng)、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜逐步過渡。

8.3基于單片機(jī)的語(yǔ)音溫度計(jì)

8.3.1工程概述單片機(jī)廣泛應(yīng)用于調(diào)制解調(diào)器、電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、空調(diào)控制系統(tǒng)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和其他一些領(lǐng)域。單片機(jī)的高速處理速度和增強(qiáng)型外圍設(shè)備集合使得它們適合于這種高速事件應(yīng)用場(chǎng)合。然而,關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域也要求單片機(jī)高度可靠。完善的測(cè)試環(huán)境和用于驗(yàn)證這些無(wú)論在元部件層次還是系統(tǒng)級(jí)別的單片機(jī)的合適的工具環(huán)境保證了高可靠性和低市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)。

8.3.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用的模塊包括單片機(jī)系統(tǒng)、電源模塊、LCD顯示模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、溫度傳感器模塊、鍵盤控制模塊,如圖8-1所示。圖8-1原理框圖

主要原理:當(dāng)溫度傳感器的信號(hào)送達(dá)至AT89C51芯片時(shí),程序?qū)⒁罁?jù)送達(dá)信號(hào)的類型進(jìn)行處理,并將處理結(jié)果送達(dá)顯示模塊、報(bào)警模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊,且發(fā)送控制信號(hào)控制各個(gè)模塊。在硬件設(shè)計(jì)方面,AT89C51外圍電路提供能使其工作的晶振脈沖和復(fù)位按鍵,四個(gè)I/O口分別用于外圍設(shè)備的連接。單片機(jī)AT89C51的I/O端口具體分配如表8-1所示。

8.3.3硬件設(shè)計(jì)

1.電源模塊

電源模塊采用四只干電池作為電源,優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明扼要,成本低,能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)單片機(jī),適合小電流負(fù)載。由于電路中各模塊所需要的電壓和電流各不相同,因此電源模塊應(yīng)該包含多個(gè)穩(wěn)壓電路,將電壓轉(zhuǎn)為芯片所需要的電壓。

2.溫度傳感器模塊

方案中采用了DS18B20作為溫度數(shù)據(jù)采集器,主要作用是進(jìn)行溫度采集。

1)DS18B20的測(cè)溫原理

DS18B20內(nèi)有一個(gè)能直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的溫度傳感器,其分辨率為9、10、11、12bit并且可編程。通過設(shè)置內(nèi)部配置寄存器可選擇溫度的轉(zhuǎn)換精度,出廠時(shí)默認(rèn)設(shè)置12bit。溫度的轉(zhuǎn)換精度有0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃。溫度轉(zhuǎn)換后以16bit格式存入便箋式RAM,可以用讀便箋式RAM命令(BEH)通過1Wire接口讀取溫度信息,數(shù)據(jù)傳輸時(shí)低位在前,高位在后。溫度/數(shù)字對(duì)應(yīng)關(guān)系如表8-2所示(分辨率為12bit時(shí))。

2)DS18B20與AT89C51的接口電路設(shè)計(jì)

DS18B20可以從單總線上得到能量并儲(chǔ)存在內(nèi)部電容中,該能量是供信號(hào)線處于低電平期間消耗,在信號(hào)線為高電平時(shí)能量得到補(bǔ)充,這種供電方式被稱為寄生電源供電。

DS18B20也可以由3~5.5V的外部電源供電。所以在硬件上,DS18B20與單片機(jī)的連接有兩種方法:一種是VCC接外部電源,GND接地,I/O與單片機(jī)的I/O線相連;另一種是用寄生電源供電,此時(shí)UDD、GND接地,I/O接單片機(jī)I/O。無(wú)論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電,I/O口線要接5kΩ左右的上拉電阻。

3.顯示模塊

LCD顯示屏是一種低壓、微功耗的顯示器件,只要2~3V就可以工作了,工作電流僅為幾微安,是其他顯示器無(wú)法相比的。同時(shí)它還可以顯示大量信息,除數(shù)字外,還可以顯示字母、曲線,比其他傳統(tǒng)的LED數(shù)碼顯示器的畫面有了質(zhì)的提高。雖然LCD顯示器的價(jià)格比傳統(tǒng)的LED數(shù)碼管要貴些,但它的顯示效果更好,是當(dāng)今顯示器的主流產(chǎn)品,所以采用LCD作為顯示器。采用LCD顯示屏更容易滿足現(xiàn)實(shí)需求,對(duì)后續(xù)功能的兼容性很高,只需修改軟件即可,可操作性強(qiáng),易于讀數(shù),采用RT1602顯示屏,能夠顯示兩行16個(gè)字符,能同時(shí)顯示日期、時(shí)間和溫度。RT1602液晶顯示器的引腳說明如下:

第3腳VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端,接正電源時(shí)對(duì)比度最弱,接地時(shí)對(duì)比度最高,對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”,使用時(shí)可以通過一個(gè)10kΩ的電位器調(diào)整對(duì)比度。第4腳RS為寄存器選擇端,高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器,低電平時(shí)選擇指令寄存器。第5腳R/W為讀寫/信號(hào)線,高電平時(shí)進(jìn)行讀操作,低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址,當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào),當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳E為使能端,當(dāng)E由高電平跳變成低電平時(shí),液晶模塊執(zhí)行命令。第7~14腳D0~D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15、16腳為背光電源。RT1602基本操作時(shí)序如表8-3所示。

4.鍵盤控制模塊

對(duì)于獨(dú)立式按鍵來(lái)說,如果設(shè)置過多按鍵,會(huì)占用較多I/O口,給布線帶來(lái)不便,因此此方案適用于按鍵較少的情況。但是在本設(shè)計(jì)中所需要的控制點(diǎn)數(shù)較少,只需要幾個(gè)功能鍵,因此簡(jiǎn)便、易操作、成本低就成了首要考慮的因素。

本系統(tǒng)中用到四個(gè)功能控制按鍵,用P2的4個(gè)I/O口接4個(gè)獨(dú)立式按鍵即可滿足需要,軟件消除抖動(dòng)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有鍵按下時(shí),延時(shí)10~20ms再查詢是否有鍵按下。若沒有鍵按下。說明上次查詢結(jié)果為干擾或抖動(dòng);若仍有鍵按下,則說明閉合鍵已穩(wěn)定。鍵盤控制電路如圖8-2所示。圖8-2鍵盤控制電路

5.語(yǔ)音播報(bào)模塊

ISD1420是采用模擬存取技術(shù)集成的可反復(fù)錄放的20s語(yǔ)音芯片,掉電語(yǔ)音不丟失,最大可分160段,最小每段語(yǔ)音長(zhǎng)度為125ms。每段語(yǔ)音都可由地址線控制輸出,每125ms為一個(gè)地址,由A0~A7八根地址線控制。地址輸入A0~A7有雙重功能,由A6、A7的電平狀態(tài)決定。如果A6、A7中有一個(gè)是低電平,那么A0~A7輸入全解釋為地址位,作為起始地址。地址位僅作為輸入端,在操作過程中不能輸出內(nèi)部地址信息。

1)ISD1420的操作模式

所有初始操作都是從0地址開始。0地址是ISD1420存儲(chǔ)空間的起始端,以后的操作可根據(jù)模式的不同而從不同的地址開始工作。當(dāng)電路中錄放音轉(zhuǎn)換或進(jìn)入省電狀態(tài)時(shí),地址計(jì)數(shù)器復(fù)位為0。

其關(guān)系公式為

2)ISD1420語(yǔ)音芯片錄放音電路設(shè)計(jì)

分段錄音時(shí),ISD1420的A0~A7用作地址輸入線,A6、A7不可同時(shí)為高電平,所以地址范圍為00H~9FH,即為十進(jìn)制碼0~159,共160個(gè)數(shù)值。這表明ISD1420的EEPROM模擬存儲(chǔ)器最多可被劃分為160個(gè)存儲(chǔ)單元,也就是說ISD1420最多可存儲(chǔ)160個(gè)語(yǔ)音段,語(yǔ)音段的最小時(shí)間長(zhǎng)度為0.125s。不同分段的選擇通過對(duì)A0~A7端接不同的高低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)ISD1420進(jìn)行分段錄音之前要先列出語(yǔ)音信息與分段地址的對(duì)照表,如表8-4所示,然后檢查電路連接、接線和電源情況,并通過對(duì)照表來(lái)設(shè)置8個(gè)開關(guān)選擇要錄音的地址。最后按下錄音鍵直至錄音結(jié)束,松開錄音鍵,重復(fù)此操作就可以將自己需要錄入的內(nèi)容全部錄入到芯片中。

3)ISD1420與AT89C51接口電路設(shè)計(jì)

ISD1420錄音和放音電路可以通過硬件開關(guān)控制。本設(shè)計(jì)錄音是用硬件控制,但是播報(bào)溫度放音是通過AT89C51來(lái)控制的。單片機(jī)某一段的起始地址進(jìn)行放音操作時(shí),遇到段

結(jié)束標(biāo)志(EOM)即自動(dòng)停止放音,單片機(jī)收到段結(jié)束標(biāo)志EOM)就開始觸發(fā)下一段語(yǔ)音的起始地址,如此控制,即可以將很多不同段的語(yǔ)音組合在一起合成一句話放音出來(lái),實(shí)

現(xiàn)語(yǔ)音的自動(dòng)組合。

6.報(bào)警模塊

報(bào)警模塊的工作原理是:當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到的溫度高于溫度的上限或低于溫度的下限設(shè)定值時(shí),單片機(jī)的P0.0發(fā)出高電平信號(hào)促使PNP三極管導(dǎo)通點(diǎn)亮發(fā)光二極管,蜂鳴器也發(fā)出響聲,產(chǎn)生聲光報(bào)警。報(bào)警電路如圖8-3所示。

圖8-3報(bào)警電路

8.3.4軟件設(shè)計(jì)

1.開發(fā)工具介紹

單片機(jī)開發(fā)中除了硬件,同樣離不開軟件,編寫的匯編程序要變?yōu)镃PU可執(zhí)行的機(jī)器碼有兩種方法,一種是手工匯編,另一種是機(jī)器匯編。機(jī)器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C(jī)器碼,用于MSC-51單片機(jī)的匯編軟件有早期的A51。隨著單片機(jī)開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展,從普遍使用匯編語(yǔ)言到逐漸使用高級(jí)語(yǔ)言,單片機(jī)的開發(fā)語(yǔ)言也在不斷發(fā)展,Keil是目前最流行的開發(fā)MCS-51系列單片機(jī)的軟件。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

主程序在運(yùn)行的過程中必須先經(jīng)過初始化,包括鍵盤程序、測(cè)量程序以及各個(gè)控制端口的初始化工作。系統(tǒng)在初始化完成后就進(jìn)入讀取溫度測(cè)量程序,實(shí)時(shí)地測(cè)量當(dāng)前的溫度,

并判斷溫度是否超出設(shè)定范圍。若超出(低于)溫度上(下)限,則調(diào)用報(bào)警子程序。測(cè)得的溫度值通過顯示電路在LCD上顯示。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體流程如圖8-4所示。

圖8-4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體流程圖

3.鍵盤掃描子程序

對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說,鍵輸入程序是整個(gè)鍵盤控制應(yīng)用系統(tǒng)的核心。當(dāng)所設(shè)的功能鍵按下時(shí),系統(tǒng)應(yīng)完成該鍵所設(shè)的功能。本系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)功能如表8-5所示。

鍵盤掃描子程序流程如圖8-5所示(延時(shí)子程序未畫出)。圖8-5鍵盤掃描子程序流程圖

4.測(cè)量溫度子程序設(shè)計(jì)

因?yàn)樵谡麄€(gè)語(yǔ)音溫度計(jì)的設(shè)計(jì)中是以正確采集溫度為前提的,如果溫度采集不正確,那么即使后續(xù)電路(例如顯示和報(bào)溫電路)均正確,最后的結(jié)果仍然不能達(dá)到我們所要的目標(biāo),也就是不能正確地對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行顯示和報(bào)溫,所以關(guān)于DS18B20的溫度采集是非常重要的。DS18B20單線通信功能是分時(shí)完成的,它有嚴(yán)格的時(shí)隙概念,因此讀寫時(shí)序很重要。操作協(xié)議為:初始化DS18B20(發(fā)復(fù)位脈沖)→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲(chǔ)器操作命令→處理數(shù)據(jù)。測(cè)溫子程序流程如圖8-6所示。部分DS18B20控制指令及其功能如

表8-6所示。

圖8-6測(cè)溫子程序流程圖

5.報(bào)警子程序

初始默認(rèn)上下限報(bào)警值,或鍵盤設(shè)定報(bào)警值,實(shí)時(shí)測(cè)量溫度值并與溫度上下限值比較,如果超過報(bào)警范圍,則導(dǎo)通三極管,觸發(fā)蜂鳴器與指示燈報(bào)警。當(dāng)實(shí)時(shí)溫度恢復(fù)到報(bào)警范

圍內(nèi)時(shí),自動(dòng)停止報(bào)警。報(bào)警子程序流程如圖8-7所示。

圖8-7報(bào)警子程序流程圖

6.語(yǔ)音播放子程序

單片機(jī)語(yǔ)根據(jù)語(yǔ)音信息與分段地址的對(duì)照表和當(dāng)前溫度,組合出播報(bào)當(dāng)前的溫度語(yǔ)音數(shù)據(jù)地址,再通過P3.3控制語(yǔ)音芯片放音,把處理的數(shù)據(jù)地址通過P1端口寫給語(yǔ)音芯片。語(yǔ)音播放子程序流程如圖8-8所示。

圖8-8-語(yǔ)音播放子程序流程圖

8.3.5系統(tǒng)調(diào)試

顯示模式包括當(dāng)前溫度顯示、時(shí)間顯示、溫度上下限顯示,它們的實(shí)現(xiàn)都是先初始化調(diào)用顯示字符串子程序,再調(diào)用顯示指定位置字符子程序。顯示當(dāng)前溫度子程序流程如圖8-9所示,圖8-10是其系統(tǒng)仿真電路圖。圖8-9顯示當(dāng)前溫度子程序流程圖圖8-10語(yǔ)音溫度計(jì)仿真電路

8.4電阻爐溫度控制系統(tǒng)

8.4.1系統(tǒng)總體描述電阻爐溫度控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、采集板卡、控制箱、加熱爐體組成。由計(jì)算機(jī)和采集板卡完成溫度采集、控制算法計(jì)算、輸出控制、監(jiān)控畫面等主要功能。控制箱內(nèi)裝有溫度顯示與變送儀表、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制量顯示電路、手控電路等。加溫爐體由民用烤箱改裝,較為美觀,適合實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。

單回路電阻爐溫度控制系統(tǒng)主要的性能指標(biāo)如下:

(1)計(jì)算機(jī)采集控制板卡PCI1711:

A/D:12位,輸入電壓為0~5V。

D/A:12位,輸出電壓為0~5V。

(2)控制及加熱箱:

控制電壓為0~220V。

控制溫度為20℃~250℃。

測(cè)溫元件為PT100熱電阻(輸出:直流0~5V或4~20mA)。

執(zhí)行元件為固態(tài)繼電器(輸入:直流0~5V,輸出:交流0~220V)。

單回路溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),其硬件結(jié)構(gòu)如圖8-11所示,但是沒有數(shù)字量輸入/輸出通道。圖8-11電阻爐溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

8.4.2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.傳感器設(shè)計(jì)

溫度傳感器有熱電阻和熱電偶。熱電阻最大的特點(diǎn)是工作在中低溫區(qū),性能穩(wěn)定,測(cè)量精度高。

熱電阻傳感器是利用電阻隨溫度變化的特性制成的溫度傳感器。熱電阻傳感器按其制造材料來(lái)分,可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類;按其結(jié)構(gòu)來(lái)分,有普通型熱電阻、

鎧裝熱電阻和薄膜熱電阻;按其用途來(lái)分,有工業(yè)用熱電阻、精密的和標(biāo)準(zhǔn)的熱電阻。熱電阻傳感器主要用于對(duì)溫度和溫度有關(guān)的參量進(jìn)行測(cè)量。

金屬體熱電阻傳感器通常使用電橋測(cè)量電路,如圖8-12所示。

圖8-12電橋測(cè)量原理圖

測(cè)量電路原理分析如下:

對(duì)于鉑電阻,在0~850℃范圍內(nèi)有非線性關(guān)系Rt=R0(1+At+Bt2),其中R0為0℃時(shí)的鉑電阻值,Rt為t℃時(shí)鉑電阻值。純度R100/R0=1.1391時(shí),A=3.96847×10-3,B=-5.847×10-5。寫成增量形式為

或者

2.執(zhí)行器設(shè)計(jì)

執(zhí)行器選用交流固態(tài)繼電器(SolidStateRelays,SSR),它是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無(wú)觸點(diǎn)通斷電子開關(guān),為四端有源器件。其中兩個(gè)端子為輸入控制端,另外兩端為輸出受控端,中間采用光電隔離,作為輸入輸出之間電氣隔離(浮空)。在輸入端加上直流或脈沖信號(hào),輸出端就能從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)(無(wú)信號(hào)時(shí)呈阻斷狀態(tài)),從而控制較大負(fù)載。整個(gè)器件無(wú)可動(dòng)部件及觸點(diǎn),功能相當(dāng)于常用的機(jī)械式電磁繼電器。

交流型SSR工作原理框圖如圖8-13所示,圖8-14是一種典型的交流型SSR的原理圖。圖8-13固態(tài)繼電器工作原理框圖圖8-14交流固態(tài)繼電器原理圖

3.A/D、D/A模塊設(shè)計(jì)

A/D和D/A轉(zhuǎn)換選用PCI－1711數(shù)據(jù)采集集成板卡來(lái)實(shí)現(xiàn)。該板卡是一款功能強(qiáng)大的低成本多功能PCI總線數(shù)據(jù)采集卡,具有以下特點(diǎn):16路單端模擬量輸入;12位A/D轉(zhuǎn)換器,采樣速率可達(dá)100kHz;每個(gè)輸入通道的增益可編程;自動(dòng)通道/增益掃描;卡上有1KB的采樣FIFO緩沖器;2路12位模擬量輸出;16路數(shù)字量輸入及16路數(shù)字量輸出;可編程觸發(fā)器/定時(shí)器。

1)即插即用功能

PCI－1711完全符合PCI2.1標(biāo)準(zhǔn),支持即插即用。

2)靈活的輸入類型和范圍設(shè)定

PCI1711有一個(gè)自動(dòng)通道/增益掃描電路。

3)卡上FIFO(先入先出)存儲(chǔ)器

PCI－1711卡上提供了FIFO(先入先出)存儲(chǔ)器,可儲(chǔ)存1KBA/D采樣值,用戶可以啟用或禁用FIFO緩沖器中斷請(qǐng)求功能。

4)卡上可編程計(jì)數(shù)器

PCI1711有1個(gè)可編程計(jì)數(shù)器,可用于A/D轉(zhuǎn)換時(shí)的定時(shí)觸發(fā)。

4.PCI系統(tǒng)總線

PCI(PeripheralComponentInterconnect)總線是一種高性能局部總線,是為了滿足外設(shè)間以及外設(shè)與主機(jī)間的高速數(shù)據(jù)傳輸而提出來(lái)的。在數(shù)字圖形、圖像和語(yǔ)音處理以及高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理等對(duì)數(shù)據(jù)傳輸率要求較高的應(yīng)用中,采用PCI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸可以解決原有的標(biāo)準(zhǔn)總線數(shù)據(jù)傳輸率低帶來(lái)的瓶頸問題。從1992年創(chuàng)立規(guī)范到如今,PCI總線已成為了計(jì)算機(jī)的一種標(biāo)準(zhǔn)總線。PCI總線構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8-15所示,其特點(diǎn)如下:

(1)數(shù)據(jù)總線32位,可擴(kuò)充到64位。

(2)可進(jìn)行突發(fā)(Burst)式傳輸。

(3)總線操作與處理器—存儲(chǔ)器子系統(tǒng)操作并行。

(4)總線時(shí)鐘頻率33MHz或66MHz,最高傳輸率可達(dá)528Mb/s。

(5)中央集中式總線仲裁。

(6)全自動(dòng)配置資源分配:PCI卡內(nèi)有設(shè)備信息寄存器組為系統(tǒng)提供卡的信息,可實(shí)現(xiàn)

即插即用(PNP)。

(7)PCI總線規(guī)范獨(dú)立于微處理器,通用性好。

(8)PCI設(shè)備可以完全作為主控設(shè)備控制總線。

(9)PCI總線引線:高密度接插件,分基本插座(32位)及擴(kuò)充插座(64位)。

圖8-15典型PCI總線的構(gòu)成

8.4.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如前所述,單回路電阻爐溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8-16所示。圖8-16電阻爐溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電阻爐是一個(gè)典型的純滯后一階慣性環(huán)節(jié),其傳遞函數(shù)模型為

模型參數(shù)為放大系數(shù)K、滯后時(shí)間τ和時(shí)間常數(shù)T1(變送器、固態(tài)繼電器及電阻爐的比例系數(shù)乘積)。

利用階躍響應(yīng)曲線辨識(shí)純滯后一階慣性環(huán)節(jié)參數(shù)的方法有:將被控對(duì)象電阻爐進(jìn)行開環(huán)控制,開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8-17所示。在電阻爐對(duì)象輸入階躍信號(hào)r0(t),得到對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線如圖8-18所示,由階躍響應(yīng)曲線求解出K、T1、τ三個(gè)參數(shù)的值,進(jìn)而得到被控對(duì)象電阻爐的傳遞函數(shù)模型W(s)。

圖8-17開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖8-18-被控對(duì)象開環(huán)階躍響應(yīng)曲線

參數(shù)求解方法如下:

(1)過程的靜態(tài)放大系數(shù):

其中y(∞)為穩(wěn)態(tài)溫度,y(0)為初始溫度,r0為給定階躍信號(hào)。

(2)過程的時(shí)間常數(shù)T1和滯后時(shí)間τ的求法:

通過實(shí)驗(yàn),得到爐溫控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如圖8-19所示。從圖上可以得到圖8-19爐溫控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

控制器D(z)采用位置式PID控制算法:

在整個(gè)控制過程中,控制量u(k)的值由控制量u(k-1),誤差量e(k)、e(k-1)、e(k-2),以及控制器參數(shù)Kp、Ki、Kd來(lái)決定。PID實(shí)時(shí)控制算法流程如圖8-20所示。

圖8-20PID算法流程圖

算法中的“標(biāo)度變換系數(shù)”指實(shí)際物理量與檢測(cè)量(或控制量)之間的轉(zhuǎn)換倍數(shù)。例如本系統(tǒng)中的溫度范圍為0~400℃,而熱電阻PT100在經(jīng)過變送器變換后得到0~5V的輸出電壓,所以實(shí)際溫度與控制電壓有80倍的轉(zhuǎn)換關(guān)系,即標(biāo)度變換系數(shù)。

8.4.4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.軟件開發(fā)環(huán)境

進(jìn)行爐溫控制軟件開發(fā)可以使用的工具有很多,比較常見的有VisualBasic語(yǔ)言、C語(yǔ)言、C++語(yǔ)言等,它們都具有較強(qiáng)大的功能。但是使用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)需要編寫大量的源程序,這無(wú)疑加大了系統(tǒng)開發(fā)的難度。本系統(tǒng)的開發(fā)采用了一種工控組態(tài)軟件———組態(tài)王。組態(tài)軟件的使用使?fàn)t溫控制系統(tǒng)開發(fā)過程變得簡(jiǎn)單,而組態(tài)軟件功能強(qiáng)大,可以開發(fā)出更出色的應(yīng)用軟件。

組態(tài)軟件具有實(shí)時(shí)多任務(wù)處理、使用靈活、功能多樣、接口開放及易學(xué)易用等特點(diǎn)。在開發(fā)系統(tǒng)的過程中,組態(tài)軟件能完成系統(tǒng)要求的以下任務(wù):

(1)計(jì)算機(jī)與采集、控制設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

(2)計(jì)算機(jī)畫面上元素同設(shè)備數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。

(3)處理數(shù)據(jù)報(bào)警和系統(tǒng)報(bào)警。

(4)存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)并支持歷史數(shù)據(jù)的查詢。

(5)各類報(bào)表的生成和打印輸出。

(6)最終生成的應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

(7)具有與第三方程序的接口,方便數(shù)據(jù)共享。

系統(tǒng)選用組態(tài)王6.02版本進(jìn)行應(yīng)用軟件的開發(fā)。該版本軟件包包括工程管理器(ProjectManager)、工程瀏覽器(TouchExplorer)、工程運(yùn)行系統(tǒng)(TouchView)和信息窗口(InformationWindows)4部分,各自的功能如下:

(1)工程管理器。

(2)工程瀏覽器。

(3)工程運(yùn)行系統(tǒng)。

(4)信息窗口。

2.應(yīng)用軟件的開發(fā)

應(yīng)用組態(tài)王軟件開發(fā)爐溫控制系統(tǒng)的開發(fā)步驟如下:

(1)搞清所使用的I/O設(shè)備的生產(chǎn)廠商、種類、型號(hào)以及使用的通信接口類型、采用的通信協(xié)議,進(jìn)