3.4.2 可控硅输出电路

可控硅是一种功率半导体器件，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。可控硅具有控制功率小、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的应用。双向可控硅相当于两个单向可控硅反向并联。双向可控硅与单向可控硅的区别是：

(1)它在触发之后是双向导通：

(2)在控制极上不管是加正的还是负的触发信号，一般都可以使双向可控硅导通。 因此双向可控硅特别适合用作交流无触点开关。

本系统中与可控硅配套使用的是MOC3041光电耦合双向可控硅驱动器，与一般的光耦器件不同之处是MOC3041输出部分是硅光敏双向可控硅，还带有过零触发检测器，以保证电压接近零时触发可控硅。

3.5 串行通信接口电路

目前，广泛使用的串行数据接口标准有RS-232，RS-422与RS-485三种。其中RS-232是美国电子工业协会正式公布的串口总线标准，也是目前最为常用的串行接口标准，用来实现计算机与计算机之间，计算机与外设之间的数据通讯。串行通信接口的基本任务是实现数据格式化。来自CPU的是普通的并行数据，接口电路应具有实现不同串行通信方式下的数据格式化的任务。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与EIA电平转换；

(5)提供EIA—RS．232接口标准所要求的信号线。

由于CMOS电平和RS-232电平不匹配，因此要实现单片机和PC机之间的通信，必须在它们之间加接电平转换器。系统设计采用MAXIM公司的RS-232接口芯MAX232，这是一种标准的RS-232接口芯片。MAX232只需+5V电源供电，其内部的电源变化成±10V电源用于RS232通信。该芯片集成有两路收发器，可将单片机输入的TTL／CMOS电平转换为RS232电平发送给PC机，或将从PC机接收的RS232电平转换为TTL／CMOS电平发送给单片机。MAX232为双列直插16脚封装。系统串口通信电路如图9所示。

图9 串口通信电路

其中T20UT连接上位机串口的RX端，R2IN连接上位机串口的TX端，R20UT和T2IN是TTL／CMOS发送器的输出和输入端，分别连接单片机的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的串联型直流稳压电源提供。设计中选用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的连接方法一样。变压器将220V的市电降压后再通过整流桥整流之后采用了大容量的电解电容进行滤波，以减小输出电压纹波。由于电解电容器在高频下工作存在电感特性，对于来自电源侧的高频干扰不能抑制，因此在整流电路后加入高频电容改善纹波。

3.7 硬件抗干扰措施

硬件抗干扰是应用系统最基本和最主要的抗干扰手段，一般从防和抗两方面入手来抑制干扰。其总的原则是：抑制或消除干扰源，切断干扰对系统的耦合通道，降低系统对干扰信号的敏感性。对于本系统，硬件抗干扰设计具体措施有：隔离、接地、滤波等常用方法。

(1)隔离主要用于过程通道的隔离。光电耦合器能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，提高信噪比。在输入、输出通道采用光电耦合器将控制系统与外围接口隔离；

(2)接地接地应遵循的基本原则是：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，减少电路与地线之间的电流耦合。合理布置地线使电流局限在尽可能小的范围内，并根据地电流的大小和频率设计相应宽度的印刷电路和接地方式。模拟电源和数字电源各自并接0.1uF的陶瓷电容(去耦电容)：

(3)滤波电源系统干扰源主要是高次谐波。无源滤波器是一个简单的、有效的低通滤波器，它只让电网中基波通过，而对高次谐波有急剧的衰减作用，对串模干扰和共模干扰信号具有很强的双向抑制作用。

4 软件设计

在微机测控系统中，软件与硬件同样重要。硬件是系统的躯体，软件则是灵魂，当系统

的硬件电路设计好之后，系统的主要功能还是要靠软件来实现，而且软件的设计在很大程度上决定了测控系统的性能。为了满足系统的要求，编制软件时一般要符合以下基本要求：

(1)易理解性、易维护性要达到易理解和易维护等指标，在软件的设计方法中，结构化设计是最好的一种设计方法，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的功能，确定整体目标，然后把这个目标分成一个个的任务，任务中可以分成若干个子任务，这样逐层细分，逐个实现；

(2)实时性是电子测量系统的普遍要求，即要求系统及时响应外部事件的发生，并及时给出处理结果。近年来，由于硬件的集成度与运算速度的提高，配合相应的软件，实时性比较容易满足设计要求；

(3)准确性对整个系统具有重要意义，尤其是测量系统，系统要进行一定量的运算，算法的正确性和准确性对结果有着直接的影响，因此在算法的选择、计算的精度等方面都要符合设计的要求；

(4)可靠性是系统软件最重要的指标之一，作为能够稳定运行的系统，抗干扰技术的应用是必不可少的，最起码的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的基本要求，首先讨论软件的设计思想。

4.1 软件设计思想

很多的单片机软件系统都是采用如图12所示的前、后台系统(也称超循环系统)。其中，应用程序是一个无限的循环，循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成是后台行为(background)。中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成是前台行为(foreground)。后台也可以叫做任务级。前台也可以叫做中断级。时间相关性很强的关键操作(critical operation)一定是靠中断服务来保证的。

本系统软件正是基于这种软件思想编制的。

图10 前后台系统

4.2 软件组成

由于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，系统软件的编制采用了模块化的设计。即整个控制软件由许多独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连接，遵循模块内部数据关系紧凑，模块之间数据关系松散的原则，按功能形成模块化结构。

系统的软件主要由主程序模块、数据采集模块、数据处理模块、控制算法模块等组成。主模块的功能是为其余几个模块构建整体框架及初始化工作；数据采集模块的作用是将A／D转换的数字量采集并储存到存储器中；数据处理模块是将采集到的数据进行一系列的处理，其中最重要的是数字滤波程序：控制算法模块完成控制系统的PID运算并且输出控制量。

下面就介绍本系统几个主要的程序模块。

4.3 主程序模块

主程序模块要做的主要工作是上电后对系统初始化和构建系统整体软件框架，其中初始化包括对单片机的初始化、A／D芯片初始化和串口初始化等。然后等待温度设定，若温度已经设定好了，判断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。主程序模块的程序流程图如图11所示。在附录中给出了系统初始化源程序。

图11 主程序流程图

4.4 数据采集模块

数据采集模块的任务是负责温度信号的采集以及将采集到的模拟量通过A／D转换器转化为相应的数字量提供给单片机。数据采集模块的程序流程图如图12和图13所示。

图12 数据采集模块程序流程图 图13 A／D转换程序流程图

4.5 数据处理模块

数据处理模块负责处理A／D转换后的数字量。其中最重要的环节是数字滤波，所以这里主要讨论系统采用的数字滤波程序。

4.5.1 数字滤波

模拟信号都必须经过A／D转换后才能为单片机接受，如果模拟信号受到扰动影响，将使A／D转换结果偏离真实值。因此仅仅对模拟量采样一次，我们是无法确定该结果是否可信的，必须经过多次采样，得到一个A／D转换的数据序列，通过某种处理后，才能得到一个可信度较高的结果。这种从数据序列中提取逼近真值数据的软件算法，通常称为数字滤波算法。

数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比具有以下几个方面的优点： (1)由于数字滤波是用程序实现的，因而不需要增加硬件设备，而且可以多个输入通道共