畢業(yè)設計（論文）基于單片機的溫度控制系統(tǒng)設計

1、xxxxxxxx畢業(yè)設計題目：基于單片機的溫度控制系統(tǒng)姓 名 x x x 學 院 電氣工程與自動化專 業(yè) 計算機控制技術 指導教師 x x 職 稱 助理實驗師 2009 年 5 月25日摘 要隨著國民經濟的發(fā)展，人們需要對各種加熱爐，熱處理爐，反應爐和鍋爐中溫度進行監(jiān)測和控制。采用單片機來對他們控制不僅具有控制方便，簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而能夠大大的提高產品的質量和數量。為了適應工業(yè)控制發(fā)展的需要，本文在分析單片機對電加熱爐溫度控制的基礎上，將整個系統(tǒng)分為溫度測量、a/d轉換、單片機系統(tǒng)、鍵盤操作系統(tǒng)、溫度顯示電路、報警電路、d/a轉換等若干個功能模塊。

2、同時分別闡述其結構體系、工作原理、設計、集成方法以及它們之間的共性和特點。由于溫控技術與自動化技術的發(fā)展非常迅速，本文一方面結合實際應用經驗，力求做到較為系統(tǒng)和全面的介紹系統(tǒng)設計與實施技術；另一方面盡可能反應出溫控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，以及其先進性和實用性。本設計的控制對象為電加熱爐，通過控制加在電阻絲兩端電壓的工作時間，來對電阻絲輸出的平均功率加以控制。以單片機為核心，采用固態(tài)繼電器控溫電路，實現對電爐的自動控制。本文將采用pid控制，闡述了pid控制器的設計，硬件結構和軟件設計，實現了一套溫度采集和控制的方案。該系統(tǒng)具有硬件成本低，控溫精度較高，可靠性好，抗干擾能力強等特點。關鍵詞：電加熱爐；單

3、片機；溫度控制；固態(tài)繼續(xù)電器目 錄前 言1第一章 單片機溫度控制系統(tǒng)方案簡介2第二章 單片機的選型42.1 mcs51單片機內部結構與功能42.2 mcs51輸入/輸出端口的結構與功能52.3 mcs51單片機的引腳及其功能52.4 mcs51的存儲器結構62.4.1 程序存儲器72.4.2 數據存儲器72.5 8031系統(tǒng)擴展計劃82.5.1 單片機外總線結構82.5.2 mcs51系列單片機的擴展102.5.3 芯片的擴展設計11第三章 帶有i/o接口和計時器的靜態(tài)ram8155133.1 8155的結構133.2 8155的引腳功能133.3 8155的命令格式與狀態(tài)字153.4 815

4、5 i/o端口的應用163.5 mcs51和8155的接口方法16第四章 adc0809轉換芯片174.1 adc0809的引腳174.2 adc0809的內部組成184.3 adc0809與系統(tǒng)總線的連接204.4 adc0809與8031的接口20第五章 溫度的檢測和控制225.1 溫度檢測元件的選擇225.2 變送器235.3 溫度的控制24第六章 溫度控制程序和算法266.1 溫度控制的算法266.2 溫度控制程序266.3 t0中斷的服務程序ct0286.4子程序316.5 pid算法程序346.5.1 pid算法程序346.5.2雙字節(jié)帶符號乘法子程序mul137結論40參考文獻4

5、1致謝42前 言在現代化的工業(yè)生產中，溫度是常用的主要被控參數。例如：在冶金工業(yè)、化工生產、電力工程、造紙行業(yè)、機械制造和食品加工等諸多領域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。雖然溫度控制系統(tǒng)的制作方案有很多，但是經過對比各個方案的優(yōu)劣，還是采用單片機更好，因為采用單片機來對溫度進行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而能夠大大提高產品的質量和數量。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產中經常會遇到的問題。單片機體積小、功能齊全、價格低廉、可靠性高等方面具有獨特的優(yōu)點，在各個領域獲得了廣泛的應用。在

6、我國，近幾年單片機的應用研究發(fā)展進展很快，特別是在工業(yè)控制、智能化儀表、產品自動化、分布式控制系統(tǒng)中都已取得了一些可喜的成果?，F在，一個學習和應用單片機的熱潮正在一些工廠、企業(yè)、科研單位、高等院校中興起。本設計使用單片機8031作為核心進行控制。加熱器件是電爐絲，功率為三千瓦，要求溫度在4001000。靜態(tài)控制精度為2.43。算法采用目前工業(yè)生產過程控制系統(tǒng)中應用最廣泛的pid算法，并利用測量誤差改變調節(jié)器步長的方法實現pid參數的自動整定，在溫度曲線控制中取得了非常滿意的效果。本設計說明書共有六章。第一章溫度控制系統(tǒng)方面簡介。第二章單片機的選型介紹主芯片的選擇。第三章介紹主芯片端口的擴張芯片

7、8155。第四章主要對模數轉換芯片adc0809的介紹。第五章是對溫度檢測和變送器的設計。第六章是對溫度控制電路的設計。第七章是軟件設計，包括主程序，子程序，濾波程序，等程序的設計。希望本設計說明書能給大家?guī)韼椭?。第一?單片機溫度控制系統(tǒng)方案簡介單片機溫度控制系統(tǒng)是數控系統(tǒng)的一個簡單應用。在冶金、化工、建材、機械、食品、石油等各類工業(yè)中，廣泛使用著加熱爐、熱處理爐、反應爐等，因此，溫度是工業(yè)對象中一個主要的被控參數。由于爐子的種類不同，因而所使用的燃料和加熱方法也不同，例如煤氣、天然氣、油、電等；由于工業(yè)不同，所需要的溫度高低不同，因而所采用的測溫原件和測溫方法也不同；產品工業(yè)不同，控制溫

8、度的精度也不同，因而對數據采集的精度和所采用的控制算法也不同。本系統(tǒng)所使用的加熱爐為電加熱路，爐絲功率為2kw，系統(tǒng)要求爐膛恒溫，誤差為vc，超調量可能小，溫度上升較快且有良好的穩(wěn)定性。單片機溫度控制系統(tǒng)是以ms51單片機為控制核心，輔以采樣反饋電路，驅動電路，晶閘管主電路對電爐爐溫進行控制的微機控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)結構框圖可表示為：系統(tǒng)采用單閉環(huán)形式，其基本控制原理為：將溫度設定值（即輸入控制量）和溫度反饋值同時送入控制電路部分，然后經過調節(jié)器運算得到輸出控制量，輸出控制量控制驅動電路得到控制電壓施加到被控制對象上，電爐因此達到一定的溫度。其控制電路如圖1.1所示。驅動電路晶閘管主電路被控對象輸

9、出溫度采樣電路給定值8031控制電路圖1.1 控制電路的設計系統(tǒng)控制主電路是由8031及其外圍芯片，及一些輔助的部分構成的。其系統(tǒng)設計原理圖如1.2所示。80318155276474ls373ad0809傳感檢測電路溫控電路電爐過零信號發(fā)生器鍵盤與顯示1.2 系統(tǒng)設計原理圖第二章 單片機的選型單片微機是單片微型計算機scmc(single chip micro computer)的譯名簡稱，在國內也常簡稱為“單片機”。它包括中央處理器cpu、隨機存儲器ram、只讀存儲器rom、中斷系統(tǒng)、定時器/計數器、串行口和i/o等等。單片機主要應用于工業(yè)控制領域，用來實現對信號的檢測、數據的采集以及對應用

10、對象的控制。由于單片機擴展了各種控制功能，如a/d、pwm、計數器的捕獲/比較邏輯、高速i/o口、wdt等，以突破了微型計算機傳統(tǒng)的內容，所以，更準確的反映其本質的叫法應是微控制器。它具有體積小、重量輕、價格低、可靠性高、耗電少和靈活機動等許多優(yōu)點，因此如果能利用微型計算機進行溫度的測量和控制，將會大大提高溫度測控的可靠性和靈活性。單片微型計算機（簡稱單片機）是微型計算機的一個重要分支，也是一種非?；钴S和頗具生命力的機種，特別適合用于智能控制系統(tǒng)。與pc機用于控制系統(tǒng)相比，其具有明顯的性能價格比。2.1 單片機在本設計中，從經濟上以及性能上考慮，我選用8031作為cpu。8031是mcs51系

11、列單片機的一種型號，mcs51單片機的類型有：8051、8031、8751等。8051內部有4k rom，8751內部有4k eprom，8031片內無rom；除此之外三者內部結構引腳完全相同。2.1 mcs51單片機內部結構與功能8051單片機內部結構見圖2.1。含cpu、震蕩器和時序電路、4kb的rom、256b的ram、兩個16定時/計數器t0和t1、4個8位i/o端口（p0、p1、p2、p3）、串行口等組成。其中震蕩時序與時鐘組成定時控制部件。圖2.1 單片機功能方框圖2.2 mcs51輸入/輸出端口的結構與功能msc51單片機有4個i/o端口，共32根i/o線，4個端口都是準雙向口。

12、每個口都包含一個鎖存器，即專用寄存器p0p3，一個輸出驅動器和輸入緩沖器。為方便起見，我們把4個端口和其中的鎖存器都統(tǒng)稱p0p3。 在訪問片外擴展存儲器時，低8位地址和數據由p0口分時傳送，高8位地址由p2口傳送。在無片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，者4個口的每一位均可作為雙向的i/o口使用。p0口：可作為一般的i/o口使用，但應用系統(tǒng)采用外部總線結構時，它分時作低8位地址和8位雙向數據總線用。p1口：每一位均可獨立作為i/o口。p2口：作為一般i/o口用，但應用系統(tǒng)采用外部系統(tǒng)采用總線結構時，它分時作為高8位地址線。p3口：雙功能口。作為第一功能使用時同p1口，每一位均可獨立作為i/o口。另外，每一

13、位均具有第二功能，每一位的兩個功能不能同時使用。2.3 mcs51單片機的引腳及其功能mcs51單片機采用40引腳的雙例直插封裝形式，如圖2.2所示。2.2 cs-51引腳圖1） 主電源引腳vcc和vssvcc（40腳）：主電源+5v，正常操作的對eprom編程及驗證時均接+5v電源。vss（20腳）：接地。2） xtal1（19腳）和xtal2（18腳）：接外部晶振的兩個引腳3） rst/vpd、ale/、 控制信號引腳。rst/vpd (9腳)：單片機復位/備用電源引腳。剛接上電源時，其內部寄存器處于隨機狀態(tài)，在引腳上輸入持續(xù)兩個機器周期的高電平見使單片機復位。vcc掉電期間，此引腳可接上

14、備用電源，一旦芯片在使用中vcc電壓突然下降或斷電，能保護片內ram中信息不丟失，使恢復電后能繼續(xù)正常進行。 ale/（30腳）：當訪問片外存儲器時，ale的輸出用于鎖存字節(jié)地址信號。即使不訪問片外存儲器，ale端仍以不變的頻率周期性地出現脈沖信號。其頻率為振蕩器頻率1/6。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時的目的。應注意的是：當訪問片外數據存儲器時，將跳過一個ale脈沖；ale端可以驅動8個lset負載。對含有eprom的單片機，片內eprom編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖（prog）。（29腳）：輸出訪問片外程序存儲器的讀選通信號。cpu在從片外程序存儲器取指令（或常數）期間，每個

15、機器周期兩次有效。每當訪問片外存儲器時，這兩次有效的prog信號將不會出現。該端同樣可驅動8個lsttl負載。/vpp（31腳）：當ea輸入端輸入高電平時，cpu可訪問片內程序存儲器4kb的地址范圍。若pc值超出4kb地址時，將自動轉向片外程序存儲器。當ea輸入低電平時，不論片內是否有程序存儲器，則cpu只是訪問片外程序存儲器。對含有eprom的單片機，在對eprom編程期間，此引腳用于施加+21v的編程電壓vpp。4）輸入/輸出引腳p0.0p0.7對應3932腳；p1.0p1.7對應18腳；p2.0p2.7對應2128腳；p3.0p3.7對應1017腳。2.4 mcs51的存儲器結構mcs5

16、1存儲器空間分布與一般的微機的存儲器配置方法大不相同。一般微機通常只有一個邏輯空間，可以隨意安排rom或ram，訪問存儲器時同一地址對應唯一的存儲單元，可以是rom也可以是ram，并用同類指令訪問。而mcs51單片機的存儲器配置在物理結構上有四個存儲空間，即片內程序存儲器、片外程序存儲器、片內數據存儲器、片外數據存儲器。從用戶使用的角度，即邏輯上，mcs51有三個存儲器地址空間，即片內統(tǒng)一地址的64k字節(jié)的編程存儲地址空間、片內256b字節(jié)的數據存儲器和64k字節(jié)的數據存儲器地址空間。訪問三個不同的邏輯空間，應采用不同形式的指令。2.4.1 程序存儲器mcs51的程序存儲器（program m

17、emory）用于存放編好的應用程序和表格常數。由于采用16位的地址總線，因而其可擴展的地址空間是64kb，這64kb的地址是連續(xù)統(tǒng)一的。msc51的片外最多能擴展64字節(jié)。片內的rom是同一編值的，如果eafei端保持高電平，8051的程序計數器pc在0000h0fffh地址范圍內是執(zhí)行片內rom中的程序；當pc在1000hffffh地址范圍時，自動執(zhí)行片外程序存儲器中的程序。當eafei保持低電平時，只能尋址外部程序存儲器，片外存儲器可以從0000h開始編址。對片內無rom的單片機，如8031，80c31和80c32等，應用時應將eafei引腳固定接低電平且使系統(tǒng)全部執(zhí)行片外程序存儲器中的程

18、序。2.4.2 數據存儲器數據存儲器用于存放運算中間結果、數據暫存和緩沖、標志位、待調試的程序。數據存儲器在物理上和邏輯上都分為兩個地址空間：一個是片內256字節(jié)的ram，另一個是片外最大可擴充64k字節(jié)的ram。訪問片內ram使用movx指令。片內數據存儲器在物理上又可分為兩個不同的區(qū)：00h7fh單元組成低128字節(jié)的片內ram區(qū)和80hffh單元組成的高128字節(jié)的專用寄存器（sfr）區(qū)。1）低128字節(jié)的片內ram區(qū)在低128字節(jié)ram中，00h1fh共32個單元通常作為工作寄存器區(qū)，共分為四組每組8個單元組成通用寄存器r0r7。20h2fh共16個字節(jié)，可用位尋址方式訪問，共有128

19、個位的位地址。30h7fh共80個單元為用戶ram區(qū)，作堆?；驍祿彌_。a 工作寄存器的地址表與工作區(qū)設置工作寄存器的地址表，每組寄存器均可選作為cpu的當前工作寄存器，通過psw程序狀態(tài)字寄存器中rs1、rs0的設置來改變cpu當前使用的工作寄存器。這樣的設置為程序中保護現場提供了方便。b 位尋址區(qū)與位地址低128字節(jié)中的20h2fh共16個字節(jié)，可用為尋址方式訪問這16個字節(jié)的每個位，共128個位的地址，每個位均勻對應地址，這128個位的地址范圍為00h7fh。這些位單元可以構成布爾處理器的存儲器空間，這種位尋址能力是mcs51的一個重要特點。2）高128字節(jié)的專用寄存器（sfh）區(qū)高12

20、8字節(jié)的專用寄存器區(qū)的地址范圍為80hffh。有23個專用寄存器。2.5 8031系統(tǒng)擴展計劃通常情況下，采用mcs51系列單片機的最小系統(tǒng)只能用于一些很簡單應用場合，在此情況下直接使用單片機內部存儲器、數據存儲器、定時功能、中斷功能、i/o端口等，組成的應用系統(tǒng)的成本較低。但在許多應用場合構成一個工業(yè)測控系統(tǒng)時，考慮到傳感器接口、伺服控制接口以及人機對話等需要，僅靠單片機內部資源是不能滿足要求的。因此系統(tǒng)擴展是單片機應用系統(tǒng)硬件設計中最常遇到的問題。系統(tǒng)擴展是指當單片機內部的功能不能滿足應用系統(tǒng)要求時，在片外連接相應的外圍芯片以滿足應用系統(tǒng)的要求。mcs51系列單片機有很強的外部擴展功能，大

21、部分常規(guī)芯片都可以都可以作為單片機外圍擴充電路芯片。擴展的內容主要有總線擴展、程序存儲器和數據存儲器以及i/o口的擴展等。單片機系統(tǒng)擴展的方法有并行擴展法和串行擴展法兩種。并行擴展法是利用單片機的三種線（ab、db、cb）進行的系統(tǒng)擴展：串行擴展法是利用spi三線總線或i2c雙總線的串行系統(tǒng)擴展。但是，一般串行接口器件速度慢，在需要高速應用的場合，還是并行擴展法占主導地位。在本設計中，由于存儲數據比較少，單片機內部的數據存儲器能滿足需要，故不需要擴展片外存儲器。同時由于本設計中所用單片機是8031，其內部不含程序存儲器故需要擴展片外程序存儲器，而且，還由于運行速度的要求只能采用并行擴展法進行片

22、外擴展，所以下面主要介紹并行擴展法。2.5.1 單片機外總線結構微型計數機大多數cpu外部都有單獨的地址總線、數據總線和控制總線，而mcs51單片機由于受到芯片管腳的限制，數據線和地址線（低8位）是復用的，而且是i/o口兼用。為了將它們分離開來，以便同單片機之外的芯片正確地相連，常常在單片機外部加地址鎖存器來構成與一般cpu相類似的三總線，如圖2.3所示。圖2.3 片機外總線結構（1） 地址總線（ab）地址總線由p0口提供低8位a0a7，p2口提供高a8a15。由于p0口還要作地址總線口，只能分時工作。在ale的下降沿將p0口輸出的地址數據鎖存。鎖存器的鎖存控制信號由引腳ale提供。在ale的

23、下降沿將p0口輸出的地址數據鎖存。p2口具有輸出鎖存功能，故不需要外加鎖存器。p0、p2口在系統(tǒng)擴展中用作地址線后便不能在作為一般的i/o口使用。地址總線寬度為16位，故可尋址范圍為216=64kb。（2） 數據總線（db）數據總線由p0口提供，其寬度為18位。p0口為三態(tài)雙向口，是應用系統(tǒng)中使用最為頻繁的通道。所有單片機與外圍交換的數據、指令、信息，除少數可直接通過p1口傳送外，全部通過p0口傳送。數據總線通常要連接到多個外圍芯片上，而在同一時間里只能夠一個有效的數據傳送通道。哪個芯片的通道有效，則地址總線控制各個芯片的片選線來選擇。（3） 控制總線（cb） 系統(tǒng)擴展用控制線有ale、。al

24、e/prog（30）引腳：地址鎖存允許信號。用于鎖存p0口輸出的低字節(jié)地址數據。通常，ale在p0口輸出地址期間出現低電平，用這個低電平控制鎖存器鎖存地址數據。另外即使單片機不訪問外部芯片，ale端仍以不變的頻率周期性地出現正脈沖信號，次頻率為震蕩頻率的1/6。因此它可用作外輸出的時鐘，或用于定時目的。（29）：輸出。用于訪問片外程序存儲器的讀選通信號。讀片外程序存儲器中的數據（指令代碼）時，不用信號而不用。/vpp（31）：輸入。當接高電平時，cpu可訪問片內程序存儲器4kb的地址范圍。若pc值超出4kb的地址時將自動轉去執(zhí)行片外程序存儲器。當接低電平時，則只能訪問片外程序存儲器，不論片內是

25、否有程序存儲器。（p3.6）、（p3.7）：輸出。用于片外數據存儲器（ram）的讀/寫控制。當執(zhí)行片外程序存儲器操作指令movx時這兩個控制信號自動生成。2.5.2 mcs51系列單片機的擴展當片外要擴展多個芯片時就需要用到譯碼電路，對于譯碼的規(guī)則與方法如下。1）譯碼規(guī)則:（1）程序存儲器和數據存儲器地址可以重疊使用（2）外圍芯片i/o接口芯片與數據存儲器要同一編址。外圍i/o不僅占用數據存儲器地址單元，而且也使用了數據存儲器的讀/寫控制信號與讀/寫指令。（3）地址總線寬度為16位外部程序存儲器和數據存儲器的尋址范圍個為64k字節(jié)2）譯碼方法:（1）線選法：是將各個擴展芯片上的地址線均接到單片

26、機總線上，且外圍芯片上的片選線也作為地址線接到地址總線剩余的任意一條線上。線選法的特點是：各擴展芯片均有獨立的片選控制線，地址有可能沖突且不聯系。因此，這種方法不試用于擴展芯片較多且容量小的存儲器，試用于擴展容量大的存儲器。（2）全地址譯碼法：是將各個擴展芯片上的地址線均接到單片機地址總線上，各片芯片的選擇利用譯碼器電路實現。全地址譯碼法特點是：各擴展芯片均有獨立片選信控制線，且地址連續(xù)?？蓴U展較多外圍芯片。2.5.3 芯片的擴展設計1）程序存儲器擴展設計（a） 程序存儲器簡介常見的eprom有：2716（容量2k8位）、2732（容量4k8位）、2764（容量8k8位）、27128（容量16

27、k8位）、27256（容量32k8位）、27521（容量64k8位）。eprom外引腳功能如下：a0a15：地址輸入線；o0o7：三態(tài)數據總線，讀或編程校驗時為數據輸出線，編程時為數據輸入線。維持或編程禁止時o0o7呈高阻態(tài)；：片選信號輸入線，“0”（即ttl低電平）有效；pgm：編程脈沖輸入線；其值因芯片型號和制造廠商不同而異；vpp：編程電源輸入線，其值因芯片型號和制造廠商不同而異；：讀選通信號輸入線，“0”有效；vcc：主電源輸入線，一般為+5v；（b）擴展方法擴展程序存儲器時，一般擴展容量大于256字節(jié)，因此，除了由p0口提供低8位地址線外，還由于p2口提供若干地址線，最大的擴展范圍為

28、64k字節(jié)，即需16位地址線。具體方法是cpu應向eprom提供三種信號線。即a：數據總線：p0口接eprom地址o0o7（d7d0）；b：地址總線：p0口經鎖存器向eprom提供地址低8位，p2口提供高8位地址以及片選線?？刂频某绦虼鎯ζ骶烤剐枰嗌傥坏刂肪€，應根據cxccq容量和選用的eprom芯片容量而定。c：控制總線：片外程序存儲器取指令控制信號，接eprom的“oe”。ale接鎖存器的,接地?？刂茊纹琫prom時，eprom的地址線分別接單片機上對應的地址線上，而片選信號接地。（c） 設計所用eprom芯片擴展設計本設計采用8031進行故障信號的采集和判別，由于8031內沒有程序存儲

29、器，外部需要擴展程序存儲器，根據需要，又考慮到經濟性問題。我選用的eprom芯片為2764。連接如圖2.4所示。圖2.5 eprom芯片擴展cpu訪問外部程序存儲器時，p2口提供地址高8位，p0口分時輸出地址的低8位和接收外部程序存儲器送到數據總線上的指令代碼信息。其工作過程為：當鎖存控制信號ale上升為高電平后，p0口輸出為低8位地址(pcl)，p2口輸出高8位地址（pch）。隨后，在ale的下降沿，p0口輸出的穩(wěn)定的程序存儲器低8位地址被鎖存器鎖存并輸出。接著p0口由原輸出狀態(tài)變?yōu)檩斎霠顟B(tài)（為浮空狀態(tài)），等待從程序存儲器讀取指令代碼。而p2口輸出的高8位地址信息保持不變。這時，送往程序存儲

30、器的地址線上的地址信息為：高8位由p2口提供，低8位由鎖存器提供。當程序存儲器“讀”選通信號為低電平時，片內程序存儲器將p2口和鎖存器提供的地址所對應的單元中的內容（指令代碼）輸出到數據總線上，然后在的上升沿，cpu通過p0口將指令代碼送入指令寄存器中。由于p2口本身具有鎖存功能，因此，在整個指令周期中，p2口輸出的程序存儲器的高8位地址將一直保持穩(wěn)定不變。在電路設計時，p2口無需再加鎖存器。程序存儲器地址為：p2.7 p2.6 p2.5 p2.4 p2.3 p2.2.p0.4 p0.3 p0.2 p0.1 p0.0起至 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0終止 1 1 1 1 1 1

31、1 1 1 1 12） 數據存儲器設計由于算法的需要，在存儲器中需要存儲24個從a/d片出來的數據，即需要24單元的存儲單元。在8031的內部數據存儲區(qū)低128字節(jié)ram中30h7fh共80個存儲單元使用戶ram區(qū)，完全可以容納下24個數據以及其運算過程中的臨時數據，故不需要在；另外擴展片外數據存儲器。第三章 帶有i/o接口和計時器的靜態(tài)ram81558155芯片內具有256個字節(jié)的ram,兩個8位，一個16位的可編程i/o口和一個14位計數器它與51型單片機接口簡單，是單片機應用系統(tǒng)中廣泛使用的芯片。3.1 8155的結構8155按照器件的功能，8155由下列三部分組成：隨機存儲部分：容量為

32、256*8位的靜態(tài)rami/o接口部分：端口a：可編程程序i/o端口pa0pa7端口b：可編程程序i/o端口pb0pb7端口c：可編程程序6位i/o端口pc0pc5命令寄存器：8位寄存器，只允許寫入狀態(tài)寄存器：8位寄存器，只允許讀出計數器/時算器是一個14位的二進制減法計數器。3.2 8155的引腳功能8255具有40個引腳，如圖3.1列直插式pid封裝其功能定義如下:圖3.1 8155引腳圖1)ad0ad7(三態(tài)）ad0ad7是地址/數據總線，可以直接與80c51的p0口相連接。在允許地址鎖存信號ale的后沿（即下降沿），將8位地址鎖存在內部地址寄存器中，該地址可作為存儲器部分的低8位地址，

33、也可是i/o接口的通道地址，這將由輸入的io/信號的狀態(tài)來決定。在ad0ad7引腳上出現的數據信號是讀出還是寫入8155，由系統(tǒng)控制信號或來決定。2） reset這是復位信號，高電平有效，作為總清零器件使用。reset信號的脈沖寬度一般為600ns。當器件被總清零后，各接口（a、b、c）被置成輸入工作方式。3） ale地址允許鎖存信號。在該信號的后沿將ad0ad7上的低8位地址，片選信號及io/信號鎖存在片內的存儲器內。4）片選信號，低電平有效。當該引腳位“0”時，器件才允許被啟動，否則位禁止使用。5） io/i/o口或存儲器的選擇信號。當該引腳為“1”時，選擇8155片內3個i/o口以及命令

34、/狀態(tài)寄存器和定時器；該引腳為“0”時，選擇存儲器。6） 、讀、寫信號，控制8155的讀或寫操作，可以直接與單片機的讀、寫線相連。由于系統(tǒng)控制的作用，和信號同時有效。7） pa0pa7、pb0pb7、pc0pc5分別為a、b、c的8位i/o口線，a、b口的i/o線用于8155與外設之間的數據傳送，c口的i/o線既可以用于8155與外設之間數據傳送，也可以作為a口、b口的專題聯絡信號線。8） timnr in 、定時/計數器的脈沖輸入/輸出線。9） vcc：為+5v電源引腳。3.3 8155的命令格式與狀態(tài)字 使用8155的a、b、c三個轉接口、隨機存儲器以及計數器/定時器時，應線向命令寄存器寫

35、入一個控制字以確定他們的工作方式。他們的工作方式均由可編程序的命令寄存器的內容所規(guī)定，而其狀態(tài)可由讀出狀態(tài)寄存器的內容獲得。上面已經敘述，8155的器件內部，從邏輯上來說，是只允許寫入命令寄存器和讀出狀態(tài)寄存器內容的。因此，命令寄存器和狀態(tài)寄存器的地址為一個通道地址：這兩個寄存器簡稱為命令/狀態(tài)寄存器，有時以c/s寄存器來表示。1）8155的命令字格式命令寄存器由8位組成，每一位都能鎖存。其中低4位（d0d3位）用來定義pa、pb和pc接口的工作方式：當pc用于控制pa或pb的端口工作時，第4、5兩位分別用來允許或禁止pa和pb的中斷；而最高兩位（d6、d7兩位）則用來定義計數器/定時器的工作

36、方式。利用輸出指令，可以將對命令寄存器的各位編碼打入其中。d0位(pb)：定義pb0pb7數據信息傳送的方向?！?”輸入方式；“1”輸出方式。d3、d2位（pc、pc）：定義pc0pc5的工作方式?！?0”方式；“11”方式；“01”方式；“10”方式。當8155的a、b、c三個端口被定義為基本i/o口使用時，可以直接利用movx類指令完成對這三個口的讀/寫（輸入/輸出）操作。d4位（iea）：在端口c對pa0pa7起控制作用時，iea位用來定義允許端口a的中斷?！?”禁止；“1”允許。d5位（ieb)：當端口c在工作在對pb0pb7起控制作用時，ieb位用來定義允許端口a的中斷?！?”禁止；

37、“1”允許。d7、d6位（tm2、tm1）：用來定義定時器/計數器工作的命令。有四種情況。2）8155的狀態(tài)字格式狀態(tài)寄存器末8位，各位均可鎖存，其中最高位為任意位，低6位用于存放i/o接口的狀態(tài)，另一位作指示定時器/計數器的狀態(tài)。通過讀寄存器的操作（及用指令系統(tǒng)的輸入指令），可讀出狀態(tài)寄存器的內容。表3-1表 tm2 tm1 功能 00 不影響計時器工作 01 若計數器未啟動，則無操作；若計數器已運 行，則停止計數。 10 達到當前計數tc后，立即停止。若未啟動 定時器，則無操作。 11 裝入方式和計數值后，立即啟動定時器。若 計數器已在運行，則當達到當前計數值后， 再按新的方式和計數長度予

38、以啟動。3.4 8155 i/o端口的應用當io/為高電平時，8155選通片內的i/o端口。a、b、c三個口可以作為擴展的i/o口使用，mcs51單片機的p0口與8155的ad0ad7相連。此時p0輸出的低8位地址只有3位有效，用于片內選址，其他位無用。使用a、b、c三個口時，首先相命令寄存器寫入一個控制字以確定三個口的工作方式。如果寫入的控制字規(guī)定他們工作于方式或方式下，則這三個口都是獨立的基本i/o口?？梢灾苯永胢ovx a，dptr或movx dptr，a指令完成這三個口的讀/寫（輸入/輸出）操作。工作在方式或方式時，c口用作控制口或部分用于控制。3.5 mcs51和8155的接口方法

39、mcs51單片機可以和8155直接連接，不需要任何外加電路，給系統(tǒng)增加了256個自己的ram、22位i/o線及一個計數器。當p2.0=0且p2.1=0時，選中8155的ram工作；在p2.0=1和p2.0=0時，8155選中片內三個i/o端口。相應地址分配為:0000h00ffh 8155內部ram 0100h 命令/狀態(tài)口 0101h a口 0102h b口 0103h c口 0104h 定時器低八位口 0105h 定時器高八位口8155用作鍵盤/led顯示器接口電路略。 第四章 adc0809轉換芯片adc0809是采用coms工藝制成的28引腳雙列直插式八位a/d轉換芯片。它采用逐次比較

40、數模轉換芯片，其分辨率為8位，每次轉換時間為100s，轉換精度高（lsb），輸入電壓范圍為05v，可分時對8路模擬量進行采樣。4.1 adc0809的引腳adc0809的引腳如圖4.1圖4.1in0in7：8路模擬量輸入a、 b、c：3位地址輸入，經譯碼后選擇模擬量中的一路進行a/d轉換，2個地址輸入端的不同組合選擇八路模擬量輸入。ale：地址鎖存啟動信號，在ale的上升沿，將a、b、c上的通道地址鎖存到內部的地址鎖存器，并啟動譯碼電路，選中模擬量輸入。d0d7：八位數據輸出線，a/d轉換結果由這8根線傳送給單片機。oe：允許輸出信號，當oe=1時，即當位高電平的時候，允許輸出鎖存器輸出數據。

41、start：啟動信號輸入端，start為正脈沖，該信號上升沿復位內部逐次逼近寄存器sar，其下降沿啟動控制邏輯，開始a/d轉換。eoc：轉換完成信號，當eoc上升為高電平時，在start信號上升沿之后的08個時鐘周期內，eoc信號變低，以指示轉換工作在進行中，當轉換完成，eoc再變?yōu)楦唠娖健e：輸出允許，高電平有效。當該信號有效時，打開芯片的三態(tài)門使準會結果送至數據總線。d0d7：8位數字量輸出線。clock：外部時鐘輸入線。要求時鐘頻率不能高于640khz，當頻率為640khz時，轉換時間約100s。vref（+），vref()：基準電壓輸入線，提供模擬信號的基準電壓。一般單極性輸入時，v

42、ref(+)接+5v，vref()接地。vcc：工作電源，接+5v。gnd：信號地。clk：時鐘輸入信號，0809的時鐘頻率范圍在101200khz，典型值為640khz。4.2 adc0809的內部組成adc0809內由8路模擬量輸入選擇與地址鎖存電路，典型8位逐次逼近adc,8位三態(tài)輸出鎖存緩沖器。8位逐次逼近adc由比較器、256r電阻網絡、樹型開關、逐次逼近寄存器sar和控制與時序電路組成（如圖4.2）。該部分完成對某一路模擬量的8次比較，在sar中獲得與被轉換的模擬量相對應的8位二進制數。256r電阻網絡和樹型開關組成片呃逆d/a轉換器。8路模擬量輸入選擇與地址鎖存電路實現地址信號a

43、ddaaddc的輸入，鎖存及譯碼，選中一路模擬量信號送逐次逼近adc。addaaddc與in0in7的對應關系（如圖4.3）:addaaddb8位模 擬開關地址鎖存與譯碼器in7in6in5in4in08位a/d轉換電路三態(tài)輸出數據鎖存器d7d6d5d4d3d2d1d0oeeocin3in2in1addcaleclkstartvref(+)vref(-)vccgnd圖4.2addaaddc與in0in7的對應關系adda addb addc 選中輸入線 0 0 0 in0 0 0 1 in1 0 1 0 in2 0 1 1 in3 1 0 0 in4 1 0 1 in5 1 1 0 in6 1

44、 1 1 in7圖4.34.3 adc0809與系統(tǒng)總線的連接adc0809是帶有多路模擬開關的8位a/d轉換芯片，所以它可由8個模擬量的輸入端，由芯片的a、b、c三個引腳來選擇模擬量通道中的一個。a、b、c三端分別與8031的p0.0p0.2相接。地址鎖存信號（ale）和啟動轉換信號（start），由p2.2和/wr或非得到。輸出允許，由p2.2和/rd或非得到。時鐘信號，可有8031的ale輸出得到，不過當采用6m晶振時，應該先進行二分頻，以滿足adc0809的時鐘信號必須小于640k的要求。由于adc0809芯片具有三態(tài)輸出換成鎖存器，因此它可以直接與系統(tǒng)總線連接。連接方法是:將微機的系

45、統(tǒng)時鐘經分頻后連接adc0809芯片的clock輸入端；將系統(tǒng)數據總線連至adc0809的數據輸入端，數據總線的低位d2d100依次接adc0809的addc,addb,adda；將系統(tǒng)地址譯碼輸出信號cs與m/io,wr信號組合接至adc809的啟動信號start和地址鎖存信號ale；將系統(tǒng)地址譯碼輸出信號cs與m/io,rd信號組合接至adc0809的數據輸出允許信號oe。adc0809的轉換過程大致如下：首先輸入地址選擇信號，在ale信號作用下，地址信號被鎖存，產生譯碼信號，選中一路模擬量輸入，然后輸入啟動轉換控制信號start啟動轉換。轉換結束，數據送三態(tài)緩沖鎖存器，同時發(fā)出eoc信號

46、。在允許輸入信號oe的控制下，再將轉換結果輸入到外部數據總線。通常cpu采用三種方式讀取adc0809的轉換結果。（1） 程序查詢方式：采用該方式需要將eoc通過三態(tài)門接至系統(tǒng)的一根數據總線上。cpu查詢該總線的位是否位低電平，若位低電平，則再查詢它是否位高電平，若是，則表明轉換結束，cpu再執(zhí)行讀adc0809端口的指令即可。（2） 中斷方式：采用該方式，需要將eoc接至8259a，即將eoc作為cpu的中斷請求信號，上升沿觸發(fā)，以中斷方式請求cpu讀取轉換結果。（3） 定時方式：已知完成一次a/d轉換所需的時間，可用定時器時大于或等于該轉換時間，等待定時時間一到即讀取轉換結果，或定時申請中

47、斷讀取轉換結果。也可在啟動adc0809后，用軟件延時一個固定送時間，然后讀取轉換結果，這種方式不用考慮轉換結束信號eoc。4.4 adc0809與8031的接口adc0809的in0和變送器輸出端相連，故in0上輸入的0v+5v范圍的模擬電壓經a/d轉換后可由8031通過程序從p0口輸入到它的內部ram單元。其連接圖如圖4.4所示：圖4.4在p20=0和=0時8031可以使ale和start變?yōu)楦唠娖蕉鴨觓dc0809工作；在p22=0和=0時，8031可以從adc0809接收a/d轉換后的數字量。這就是說：adc0809可以視為8031的一個外部ram單元，地址為03f8h。因此，803

48、1執(zhí)行如下程序可以啟動adc0809工作。movdptr,#03f8hmovx dptr, a若8031改為執(zhí)行：movdptr,#03f8hmovx a, dptr則可以從adc0809輸入a/d準會后的數字量。adc0809的clk由8031的alc提供，eoc經反相器作用8031的p33口，作為中斷請求輸入線。 第五章 溫度的檢測和控制5.1 溫度檢測元件的選擇溫度檢測元件和變送器的選擇和被控溫度及精度等級有關。電爐常用熱電偶作為測溫元件，其材料要求為： 1.耐高溫-熱電偶的測溫范圍主要取決于熱電極的高溫性能，在高溫介質中，熱電極的物理化學性能越穩(wěn)定，則由它組成的熱電偶的測溫范圍就越寬。

49、 2.再顯性好-用相同的兩種熱電極材料的熱電偶，要求它們的電熱性能相而而穩(wěn)定，這樣能使熱電偶成批生產，并有很好的互換性。 3.靈敏度高，線性好-要求電偶所產生的溫差熱電勢足夠大，并與溫度呈線性關系。4.要求熱電有為材料除能滿足上述幾點要求外，并希望它的電阻系數和電阻溫度系數盡可能地小，且其價格便宜。目前常用的熱電偶有以下幾種： 1鉑銠鉑熱電偶其分度號為s，正極是90鉑和10銠的合金，負極為純鉑絲。其優(yōu)點是測溫精度高，可作為國際實用溫標中630.741064.43范圍內的基準熱電偶。其物理化學穩(wěn)定性高，宜在氧化性和中性氣氛中使用；它的熔點較高，故測溫上限亦高。在工業(yè)測量中一般用它測量1000以上

50、的溫度，在1300以下可長期連續(xù)使用，短期測溫可達1600。但價格昂貴，熱電勢小。 2鎳鉻鎳硅(鎳鋁)熱電偶其分度號為k，正極成分是910鉻、0.4硅，其余為鎳，負極成分為2.53硅，0.6鉻，其余為鎳。 其優(yōu)點是有較強的抗氧化性和抗腐蝕性，其他學穩(wěn)定性好，熱電勢較大，熱電勢與溫度問的線性關系好，其熱電極材料的價格便宜，可在1000以下長期連續(xù)使用，短期測溫可達1300。但在500以上的溫度中和在還原性介質中，以及在硫及化物氣氛中使用時很容易被腐蝕，所以，在這些氣氛中工作時必須加保護套管，另化它的測溫精度也低于鉑銠鉑熱電偶。 3鎳鉻考銅熱電偶文分度號為e，正極鎳鉻成分為910鉻，04硅，其余為

51、鎳；負極考銅萬分為56銅和44鎳。 其優(yōu)點是熱電勢大，價格便宜。但不能用來測高溫，其測溫上限為800，長期使用時，只限600以下，另外，由于考銅合金易受氧化而變質，使用時必須加裝保護套管。 4鉑銠30鉑銠6熱電偶簡稱為雙鉑銠熱電偶，分度號為b。該熱電偶的正負極都是鉑銠合金，僅僅是合金含量比例不同而巳，正極含銠30%，負極含銠為6%，雙鉑銠 熱電偶的抗沾污能力強，在測溫1800溫度時仍有很好的穩(wěn)定性。其測溫精度較高，適用于氧化性、中性介質，可以長期連續(xù)測量14001600的高溫，短期測量可達1800。但價格昂貴，靈敏度較低。5銅 /康銅熱電偶-其分度號為t，正極為銅，負極為60%銅/40%鎳的合金。 其優(yōu)點是測溫靈敏度較高，熱電極容易復制，價格便宜，低溫性能好，可測量200低溫。但其成分銅易氧化，因此一般測溫上限不超過300?；跍y量范圍，精度以及價格的考慮，本設計采用鎳鉻/鎳硅熱電偶，相應的輸出電壓為0mv41.32mv。5.2 變送器變送器由毫伏變送器和電流/電壓變送器組成。毫伏變送器用于把熱電偶輸出的041.32mv轉換成010m