張愛民,林輝 發表於 2020-12-23 10:00:44
1 引言
溫度是表徵物體冷熱程度的物理量。針對生產中常遇到的多路溫度測控問題，提出以單片機系統為核心的4路溫度測控儀表的設計方案。該系統可監控4路溫度，同時輸出控制信號直接作用於對象，而無需經變換器，節省大量成本，同時該系統設計還具有結構緊湊，測量精度高，抗幹擾能力強．測溫範圍廣。LCD中文界面友好，可遠程通訊等特點。
2 系統硬體設計
2．1 系統設計分析
溫度控制儀的硬體設計主要由電加熱爐溫度檢測、環境溫度檢測、A／D轉換、外部晶閘管調功、人機互動以及與PC機通信等部分組成。該系統儀表以單片機為核心，讀取計算由測量輸入通道進入的被測信號，再通過一定的算法計算控制量，送至控制輸出通道至控制信號。同時，單片機通過通信模塊與PC機數據通信，以及通過人機互動模塊實現與操作者的信息交互。圖1為該系統硬體設計框圖。
4個通道先通過熱電偶測到的電壓值經CD405l的八選一模擬選擇開關，再經MD轉換電路送至單片機P89V5lRD2，將測得的溫度值與由按鍵或RS-485接口通信接收的設定值相比較，計算控制量以控制晶閘管輸出，調整電加熱爐溫度值。液晶顯示模塊FYDl2864則將單片機測得的4路溫度與設定值予以顯示。RS-485接口通信模塊除由PC向單片機發送設定值外，還負責單片機通過MAX487向PC發送所測的溫度值，再傳輸至上位機進行管理和繪圖。
2．2 儀表控制系統
儀表控制系統主要包括單片機P89V51RD2和看門狗X5045，它是系統的核心，用於系統控制和計算。
圖2中，振蕩器電路中晶體振蕩器頻率為11．059 2 MHz，電容C1和C2都是30 pF。單片機P89V51RD2的PO．O～P0．7用於連接液晶模塊的數據線，P2．0～P．3用於連接液晶模塊的控制線。P89V51RD2型單片機的Flash程序存儲器支持並行和串行在系統編程（ISP）。並行編程方式提供高速的分組編程方式，可節省編程花費和開發時間。ISP允許在軟體控制下重複編程最終產品，其內存容量大，4路溫控存取的數據較大，並具有較豐富的外設功能。X5045是一種在單片機系統中廣泛應用的看門狗，內置上電復位、看門狗定時器、電壓監控和EEPROM等4種常用功能。其看門狗定時器和電源電壓監控功能可對系統起到保護作用；512x8位的EEPROM用於存儲單片機系統的重要數據。X5045與MCU採用SPI總線接口，可與任意一款單片機的I／O埠直接連接。該器件內部含有一個位指令移位寄存器，該寄存器可通過SI進行訪問。數據在SCK的上升沿由時鐘同步輸入，在其整個工作期間，西必須是低電平且麗必須是高電平。如果在看門狗定時器預置的溢出時間內無總線活動，說明西引腳電平發生變化，X5045將提供復位信號輸出以保證系統可靠運行。X5045內部有一個「寫使能」鎖存器，在執行寫操作之前該鎖存器必須置位，在寫周期完成後，該鎖存器自動復位。X5045還有一個狀態寄存器，用於提供其狀態信息以及設置塊保護和看門狗的定時周期。
3 系統軟體設計
上位機採用VC++6．0編程實現，一次完整的通信過程分為3個階段：主機詢問、從機應答和鏈路釋放。系統中溫控儀為下位機。系統通信採用主從方式，即通信過程由上位機向下位機發送數據包，從而發起一個通信過程：下位機在接收到該數據包並完成相應操作後向上位機回送一個數據包，從而結束該通信過程。這種方式稱為呼叫應答式通信。其中下傳方向為PC機向溫控儀傳送數據，上傳方向為溫控儀向PC機傳送數據。
儀表軟體設計流程圖如圖3所示，系統上電後，首先進行初始化，包括看門狗和液晶顯示的初始化，使系統進入正常工作環境。在進入系統前，要將工作經驗值錄入初始的PID控制參數和控溫要求。系統開始工作時，需要判斷上位PC機有無發送數據，如果有，進行接收並處理設計值，如果無，則直接處理設定值。根據採樣模塊，採樣4通道的溫度值後送到液晶顯示，單片機根據4路測量的溫度值與設定的4路溫度值比較，計算出4路的偏差量，根據PID控制參數分別計算四路的控制量，單片機根據4路的控制量分別控制晶閘管的導通與關閉，從而實現4路的溫度控制。在計算偏差量的同時。如果超過設定的偏差限幅，則溫高報警，關斷該迴路的晶閘管控制，進行故障檢修，避免危險發生。單片機根據測得的各個迴路的溫度值及時發送至上位機，實現溫度保存和曲線繪製，並根據測得的溫度值修改PID參數。在整個測控過程中．還要判斷有無按鍵按下，如果有，根據鍵盤操作程序判斷是停止測量還是參數修改，從而實現系統實時控制。
4 結論
4路溫度測控系統是以P89V51單片機為核心。採用CD4051為溫度測量電路，以數模轉換器ICL7135為輸出電路，完成4臺電加熱爐的溫度測控實驗，取得較好實驗結果：利用串口實現儀表與上位機的通信，並用VC++編寫PC端的應用程式。實際調試結果證明系統各項技術指標均達到工業生產的要求，完成4路智能溫控儀產品樣機設計。
責任編輯：gt
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