畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘 要在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開(kāi)關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。其中，溫度控制越來(lái)越重要。在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。采用單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問(wèn)題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的控制問(wèn)題。 單片機(jī)是一種集cpu、ram、rom、i/o接口和中斷系統(tǒng)等部分于一體的器件，只需要外加電源和晶振就可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信息的處理和控制。因此，單片機(jī)廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)控制中。 本論文側(cè)重介紹“單片

2、機(jī)溫度控制系統(tǒng)”的硬件設(shè)計(jì)及相關(guān)內(nèi)容。論文的主要內(nèi)容包括：采樣、濾波、鍵盤、led顯示和報(bào)警系統(tǒng)，溫度pid調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。作為控制系統(tǒng)中的一個(gè)典型應(yīng)用設(shè)計(jì)，單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)綜合運(yùn)用了微機(jī)原理、自動(dòng)控制原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、鍵盤顯示技術(shù)等諸多方面的知識(shí)。關(guān)鍵詞：mcs；溫度控制；pid；控制系統(tǒng)abstractwith scientific constant progress, in industrial production, electric current, voltage, temperature, pressure are mainly commonly used. esp

3、ecially in the heat treatment industry, the accurate test and controlling of temperature is very important. in a lot of fields, for example: in metallurgical industry, chemical production, power engineering, machine manufactures, food processing, family and industry heat etc. people need to heating

4、furnace, heat-treatment furnace and all kinds of response stove and boiler temperature measure and control, through software design, to reach the intelligent control finally and realize the interactive function. adopt single-chip microcomputer is it control convenient, simple, flexibility advantage

5、such as being heavy to have not merely to control to go on to temperature to come, and can raise by technical indicator not to accuse of temperature by a large margin, thus can big improvement quality and the quantity of products. so the control problem to the temperature of single-chip microcompute

6、r is the control problem constantly be able to encounter in the industry manufacture. this paper focuses on mcs temperature control system hardware design and related content. the content of this thesis mainly includes: introduces, filtering ware, keyboard, man -computer dialogue supported by led in

7、dication, heat control method. as a typical experimental design in control system, mcs temperature control system integrated use of computer theories, control theory, analog electronics, digital control technology, the keyboard and display technologies in many aspects of knowledge.key words：mcs；temp

8、erature control；pid；control system 目錄摘要第一章 概述11.1選題背景11.2加熱爐工藝簡(jiǎn)介11.2.1 加熱爐11.2.2 三段連續(xù)推鋼式加熱爐21.2.3加熱爐的狀況、功能及技術(shù)指標(biāo)31.2.4加熱爐的工藝要求31.2.5加熱爐的燃燒和鋼坯加熱過(guò)程簡(jiǎn)述31.2.6計(jì)算機(jī)控制的基本要求41.3設(shè)計(jì)內(nèi)容41.4解決的關(guān)鍵問(wèn)題4第二章 設(shè)計(jì)方案論證62.1控制系統(tǒng)選擇：62.1.1方案一：?jiǎn)位芈贩答伩刂葡到y(tǒng)62.1.2 方案二：串級(jí)控制系統(tǒng)62.1.3 方案三：前饋控制系統(tǒng)72.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：82.2.1硬件組成82.2.2模塊作用9第三章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)1

9、03.1單片機(jī)選型103.1.1 主要功能103.1.2內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖113.1.3外部引腳說(shuō)明113.1.4中斷系統(tǒng)143.2a/d 轉(zhuǎn)換器概述143.2.1a/d轉(zhuǎn)換器選型143.2.2ad0809引腳圖153.3d/a轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介163.3.1性能簡(jiǎn)介163.3.2d/a轉(zhuǎn)換器選型163.3.3dac1208內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖173.3.4dac1208引腳圖173.3.5dac1208與單片機(jī)的接口：183.4i/o擴(kuò)展：193.4.1擴(kuò)展i/o口芯片選擇193.4.2 8155內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖：193.4.28155引腳圖：203.4.38155與單片機(jī)連接213.5地址鎖存器概述：223.5.1 鎖

10、存器選擇223.5.274ls373引腳圖：233.5.374ls373與單片機(jī)相連233.6存儲(chǔ)器的擴(kuò)展：243.6.1存儲(chǔ)器選型243.6.2存儲(chǔ)器管腳圖253.6.32764a工作方式263.6.42764a與單片機(jī)的連接263.7按鍵、led顯示器的設(shè)計(jì)：263.7.1按鍵的設(shè)計(jì)263.7.2鍵盤工作原理293.8 傳感器及變送器313.8.1熱電偶的特性313.8.2熱電偶型號(hào)的選擇323.8.3溫度傳送323.8.4流量傳感器333.8.5傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器電氣接線圖（一體式安裝）343.8.6儀表的規(guī)格353.9honeywel電動(dòng)線性調(diào)節(jié)閥363.9.1電動(dòng)線性調(diào)節(jié)閥特點(diǎn)和性能

11、規(guī)格373.9.2閥門放大電路373.10源模塊的設(shè)計(jì)383.11.1 電源設(shè)計(jì)38第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)394.1 主程序和中斷服務(wù)程序：394.1.1 主程序流程圖：394.1.2 中斷程序的流程圖：394.2 鍵盤掃描程序404.3 溫度檢測(cè)子程序：414.4 溫度控制子程序：424.5溫度越限報(bào)警子程序：434.6 控制算法子程序：444.6.1 增量式pid調(diào)節(jié)器444.6.2 單字節(jié)帶符號(hào)數(shù)的減法子程序464.6.3 雙字節(jié)帶符號(hào)數(shù)的加法子程序：474.7 顯示子程序：484.8 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)存分配49第五章 設(shè)計(jì)總結(jié)51附錄1 程序清單：54附錄2：外文翻譯65第一章 概述加熱爐是種

12、類繁多的工業(yè)爐窯中的一種，軋制生產(chǎn)線上的主要工藝設(shè)備之一，其作用是將鋼坯加熱到軋制所要求的溫度。這種設(shè)備一方面耗能大另一方面控制起來(lái)困難，一直是自動(dòng)化生產(chǎn)中急需要解決的問(wèn)題之一。目前國(guó)內(nèi)仍有大量的加熱爐停留在簡(jiǎn)單的人工控制或者通過(guò)電子儀表進(jìn)行手工電動(dòng)操作，這種操作方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、控制粗糙、節(jié)能效果不好、對(duì)操作工的水平要求較高。隨著要求高效利用能源和降低環(huán)境污染等問(wèn)題的日益急迫，急需對(duì)加熱爐之類的工業(yè)爐窯實(shí)行優(yōu)化控制以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和降低對(duì)環(huán)境的污染。1.1 選題背景加熱爐的燃料有重油、柴油、煤氣、天然氣等。許多中大型軋鋼廠通常是采用高爐煉鋼所產(chǎn)生的高爐煤氣和焦?fàn)t煉焦所產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣，并將它們按一

13、定的比例混合作為加熱爐的燃料，其次是以重油為燃料，也有兩者混合燃燒的。本論文源于南鋼中板廠二號(hào)加熱爐，燃料基本為高爐焦?fàn)t混合煤氣。七十年代以來(lái)，國(guó)際上主要從兩方面(設(shè)備方面和自動(dòng)控制方面)采取措施以降低加熱爐的能耗。在設(shè)備方面，諸如采用新型燒嘴，高性能爐體包扎材料，煙道換熱器以及爐徑管絕熱包扎等，以盡量提高爐內(nèi)熱量的利用率；在自動(dòng)控制方面則主要是采用合理的控制策略，使?fàn)t內(nèi)燃燒盡可能完全，以及恰當(dāng)?shù)厥逛撆骷訜岬侥繕?biāo)溫度。這兩方面的工作都取得了不小的進(jìn)展，使得加熱爐的平均耗能大幅度地降低。早期的加熱爐的自動(dòng)控制工作主要在常規(guī)燃燒控制上，如加熱爐各主要過(guò)程變量的定值控制，爐溫與燃料流量的串級(jí)控制，燃

14、料與助燃空氣的比值控制以及煙道廢氣的含氧量控制等，其直接目標(biāo)是獲得較為穩(wěn)定的爐子工況及合理的燃燒過(guò)程，追求最佳燃燒。國(guó)內(nèi)加熱爐的控制水平與先進(jìn)國(guó)家相比還存在較大的差距，加熱爐控制大多停留在常規(guī)的燃燒控制階段，更有許多處于手工操縱階段。總的來(lái)說(shuō)，加熱爐的高級(jí)計(jì)算機(jī)控制策略尚處在初級(jí)階段，有關(guān)技術(shù)還不成熟。本文對(duì)加熱爐溫度控制技術(shù)的研究主要集中在三個(gè)方面:其一是燃燒控制技術(shù)究；其二是溫度調(diào)節(jié)器的研究；然后是各段爐溫的優(yōu)化設(shè)定研究。這三個(gè)方面工作相輔相成，綜合構(gòu)成了加熱爐的最優(yōu)控制技術(shù)的主要方面。因本人水平有限，文中錯(cuò)誤在所難免，敬請(qǐng)老師和專家批評(píng)指正，不勝感激。1.2 加熱爐工藝簡(jiǎn)介 本節(jié)就加熱爐

15、的基本情況及其對(duì)加熱爐的控制要求和影響爐溫控制的因素作一些必要的介紹和分析。1.2.1 加熱爐加熱爐是鋼鐵企業(yè)的重要設(shè)備之一，屬于工業(yè)窯爐的一種，主要用于在鋼材軋制前對(duì)鋼材進(jìn)行加熱。由于不同的鋼材在加熱到不同的溫度時(shí)其特性不同，且在高溫下便于軋制，所以就必須根據(jù)生產(chǎn)需要和鋼材特性使?fàn)t膛溫度保持在特定的范圍內(nèi)，以使出爐的鋼材溫度滿足軋制要求。目前加熱爐的種類很多，各個(gè)鋼鐵企業(yè)根據(jù)自身的生產(chǎn)情況設(shè)計(jì)了不同類型的加熱爐，主要有連續(xù)式加熱爐、斜底式加熱爐、室狀加熱爐、環(huán)行加熱爐、步進(jìn)式加熱爐。1.2.2 三段連續(xù)推鋼式加熱爐連續(xù)式加熱爐是將需要加熱的鋼坯從爐尾由推鋼機(jī)推入，然后在爐膛中進(jìn)行加熱，按照工

16、藝指標(biāo)達(dá)到加熱要求后的鋼坯再?gòu)臓t頭有出鋼機(jī)推出。由于鋼坯是不斷地一根接一根由爐尾推入，加熱后由爐頭推出，生產(chǎn)過(guò)程是連續(xù)的，故稱為連續(xù)式加熱爐。連續(xù)式加熱爐可分為一段式、二段式、三段式、和多段式。圖1-1和圖1-2分別為二段式和三段式加熱爐的簡(jiǎn)圖。圖1-1 二段連續(xù)式加熱爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖1-2 三段連續(xù)式加熱爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖產(chǎn)量低或以普碳鋼為主的工廠，一段式和二段式的連續(xù)加熱爐可滿足生產(chǎn)的需要；產(chǎn)量高或以合金鋼為主的工廠，多采用三段式和多段式的連續(xù)加熱爐。本文的研究對(duì)象是三段連續(xù)推鋼式加熱爐。圖1-2也是它的結(jié)構(gòu)示意圖。由于設(shè)計(jì)的重點(diǎn)不是其生產(chǎn)原理和生產(chǎn)過(guò)程，故不再一一陳述。下面簡(jiǎn)要畫出其工藝流程圖，如圖

17、1-3：圖1-3工藝流程圖1.2.3 加熱爐的狀況、功能及技術(shù)指標(biāo)加熱爐是軋鋼工藝生產(chǎn)過(guò)程中用于加熱鋼錠或鋼坯的爐窖設(shè)備，它主要用于將連鑄機(jī)來(lái)的熱鋼坯或料場(chǎng)來(lái)的冷鋼錠或冷鋼坯加熱到熱軋溫度以上，供軋機(jī)進(jìn)行軋制。加熱爐的參數(shù)如下： 加熱爐的型式：三段連續(xù)推鋼式加熱爐，三段為預(yù)熱段、加熱段、均熱段。 加熱爐的燒嘴：采用gw-型全熱風(fēng)高壓外吻式噴嘴。 加熱爐的有效面積(長(zhǎng)x寬)：33.29mx7.54m。 加熱爐的加熱能力：120t/h。 加熱爐的燃料：燃料用重油，壓力2.0mpa,溫度130， 燃料流量：5000kg/h；助燃料為空氣，壓力20kpa。1.2.4 加熱爐的工藝要求（1） 由于不同的

18、鋼種和不同的規(guī)格，其導(dǎo)熱性能不同，開(kāi)軋的溫度不同；所以，不同鋼種不同規(guī)格的鋼坯其所需要的加熱工藝也不一樣。這就要求系統(tǒng)能對(duì)各加熱段不同溫度要求進(jìn)行設(shè)定，并要嚴(yán)格控制在工藝所允許的范圍內(nèi)。（2） 加熱爐是一個(gè)耗能的大戶，節(jié)能工作也是十分重要的；故要求系統(tǒng)在保證鋼坯加熱質(zhì)量的前提下，用最少的燃料達(dá)到要求的溫度，在升溫時(shí)既不冒黑煙，在降溫時(shí)不使空氣過(guò)剩太多，有較高的熱效率。1.2.5 加熱爐的燃燒和鋼坯加熱過(guò)程簡(jiǎn)述在任何冶金軋鋼生產(chǎn)中，鋼坯必須經(jīng)過(guò)加熱才能進(jìn)行軋制。軋鋼加熱爐的主要作用就是加熱鋼坯，使之達(dá)到軋制所要求的溫度分布。（1）加熱爐的燃燒過(guò)程油罐中的重油被油泵抽出，經(jīng)由總油管至加熱器中加熱，

19、然后被分配到上、下加熱段和均熱段油路中，最后到達(dá)加熱爐燒嘴中；與此同時(shí)空氣由風(fēng)機(jī)送出，經(jīng)由總風(fēng)管至煙道內(nèi)的熱交換器中被加熱后，分配到各段的風(fēng)路中，最后也到達(dá)各段燒嘴。在各段的燒嘴中有被霧化后同空氣混合起來(lái)噴射到加熱爐內(nèi)燃燒。燃燒是一個(gè)化學(xué)過(guò)程。（2）鋼坯加熱過(guò)程推鋼機(jī)將鋼坯（此時(shí)鋼坯的溫度與環(huán)境溫度相同）從加熱爐爐尾連續(xù)推入加熱爐，鋼坯在預(yù)熱段進(jìn)行預(yù)熱，在預(yù)熱段段末，鋼坯溫度達(dá)到700左右后進(jìn)入加熱段，在加熱段鋼坯經(jīng)過(guò)上下加熱后，到達(dá)加熱段段末時(shí)鋼坯上下溫度基本上達(dá)到了1220左右，然后進(jìn)入均熱段，在均熱段中鋼坯經(jīng)過(guò)加熱后，將要軋制的鋼坯被加熱到了1250左右的溫度，鋼坯內(nèi)部和表面溫度基本均勻

20、一致，具有了軋制工藝所要求的可塑性，達(dá)到工藝所要求的溫度分布，然后由出鋼機(jī)將鋼坯從加熱爐中頂出，進(jìn)入軋制工序。鋼坯一旦進(jìn)入加熱爐就一直被加熱直到被出鋼機(jī)從加熱爐中頂出。鋼坯加熱是具有熱傳導(dǎo)和熱輻射的過(guò)程。從上述的描述中可以看出評(píng)價(jià)加熱爐性能優(yōu)劣的指標(biāo)是鋼坯的加熱質(zhì)量，鋼的氧化燒損率，加熱爐的單位能耗及產(chǎn)量等。1.2.6 計(jì)算機(jī)控制的基本要求加熱爐在使用計(jì)算機(jī)控制前主要是加熱爐操作，根據(jù)生產(chǎn)節(jié)奏及鋼坯出爐溫度變化人工調(diào)整爐溫，使得鋼溫均勻不粘鋼。加熱爐提溫時(shí)先增風(fēng)后增油，降溫時(shí)先減油后減風(fēng)，以防止冒黑煙；在調(diào)整風(fēng)油來(lái)提高或降低爐溫的同時(shí)還要調(diào)整煙道閘板，使?fàn)t壓保持微正壓，以減少熱損，提高熱效率。

21、在增減風(fēng)、油時(shí)，加熱爐操作工都是手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)或油流量調(diào)節(jié)閥門。加熱爐共分三個(gè)控制段：上加熱段、下加熱段、均熱段。從上面的敘述中可以看出加熱爐控制的基本要求有：（1）根據(jù)軋制節(jié)奏自動(dòng)控制各段爐溫鋼坯的加熱過(guò)程是軋制的前道工序，加熱爐的用途是把鋼坯從冷態(tài)加熱到適合軋制的溫度要求（如鋼坯的表面溫度以及表面溫度與中心溫度之差要在一定的范圍內(nèi)），為了使鋼坯滿足軋制要求且滿足一種優(yōu)化指標(biāo)（節(jié)能優(yōu)化或產(chǎn)量?jī)?yōu)化等），需對(duì)加熱爐的各段溫度加以控制，以達(dá)到生產(chǎn)的要求。（2）爐溫越限報(bào)警加熱爐爐溫最高不能超過(guò)1320，否則將會(huì)對(duì)加熱爐爐體本身產(chǎn)生破壞作用，加速加熱爐自身的老化速度，縮短加熱爐的使用壽命。1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)

22、容對(duì)加熱爐系統(tǒng)的工藝生產(chǎn)過(guò)程了解，掌握加熱爐控制系統(tǒng)的基本任務(wù)和要求。能夠提出總體控制方案和軟硬件設(shè)計(jì)方案以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，并且對(duì)方案進(jìn)行論證優(yōu)化，以及完成各種硬件選型和組合。實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐溫度的控制。溫度的控制狀態(tài)可以實(shí)時(shí)顯示，并可存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制算法。1.4 解決的關(guān)鍵問(wèn)題1. 加熱爐系統(tǒng)的工藝生產(chǎn)過(guò)程和控制系統(tǒng)的了解。2. 系統(tǒng)的硬件電路的建立，以及合理的選型。3. 系統(tǒng)控制算法以及單片機(jī)溫度調(diào)節(jié)器整個(gè)軟件設(shè)計(jì)。4. 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)加熱爐爐溫的控制,控制溫度為10001250，誤差3。5. 能夠輸入完成手/自動(dòng)的溫度設(shè)定。6. 能夠進(jìn)行和計(jì)算機(jī)的通信。第二章 設(shè)計(jì)方案論證加熱爐

23、的控制性能和控制方案的選擇有直接的關(guān)系，為了使系統(tǒng)的達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)又符合經(jīng)濟(jì)性，要選擇合適的控制系統(tǒng)。2.1 控制系統(tǒng)選擇：常用的控制系統(tǒng)有單回路控制系統(tǒng)、串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)、解耦系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、均與控制系統(tǒng)和分程控制系統(tǒng)等。2.1.1 方案一：?jiǎn)位芈贩答伩刂葡到y(tǒng) 單回路反饋控制系統(tǒng)-又稱簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，是指由一個(gè)被控過(guò)程、一個(gè)檢測(cè)變送器、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器所組成的對(duì)一個(gè)被控變量進(jìn)行控制的單回路反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制系統(tǒng)影響溫度的主要干擾因素是燃料的流量的變化，流量被包在在閉環(huán)控制系統(tǒng)回路中，只要干擾造成溫度的偏離設(shè)定值，控制器就會(huì)根據(jù)偏差的情況，通過(guò)改變控制閥的流量，

24、從而把變化的溫度調(diào)到設(shè)定值。但是從調(diào)節(jié)閥到燃燒室的滯后時(shí)間太大，只有溫度有偏差的時(shí)候才能發(fā)現(xiàn)有干擾的存在，當(dāng)調(diào)節(jié)過(guò)程發(fā)生作用是，出口溫度已經(jīng)偏離很遠(yuǎn)了，要是燃料的干擾頻繁出現(xiàn)，單回路控制系統(tǒng)是不能滿足要求的。單回路反饋控制系統(tǒng)的方框圖如圖2-1所示：圖2-1 單回路反饋控制系統(tǒng)方框圖單回路控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的基本單元、其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、易于調(diào)整和投運(yùn)，能滿足一般工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制要求、因此在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用十分廣泛，尤其適用于被控過(guò)程的純滯后和慣性小、負(fù)荷和擾動(dòng)變化比較平緩，或者控制質(zhì)量要求不太高的場(chǎng)合。但是本設(shè)計(jì)的容量滯后、純滯后較大，負(fù)荷和干擾變化比較劇烈而且頻繁，對(duì)工藝對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量

25、提出的要求很高，采用單回路控制系統(tǒng)的方法就不太有效，要采用其他的控制系統(tǒng)。2.1.2 方案二：串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)就是采用兩個(gè)控制器的串聯(lián)工作，主控制器的輸出作為服控制器的設(shè)定值，由副控制器的輸出去操作調(diào)節(jié)閥，從而對(duì)主控制變量具有更好的控制效果。加熱爐出口溫度決定產(chǎn)品質(zhì)量，影響出口溫度的主要因素是燃料流量，在流量控制閥后面在加一個(gè)閉環(huán)反饋，但流量有擾動(dòng)發(fā)生偏差時(shí)，調(diào)節(jié)器及時(shí)調(diào)節(jié)，使燃料的變化對(duì)出口溫度的影響減小。串級(jí)調(diào)速的方框圖如圖2-2所示：圖2-2 串級(jí)調(diào)速方框圖主變量和副變量的選擇是一樣的，能有效反映爐子溫度的變量，串級(jí)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)都是因?yàn)楦被芈罚栽谠O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該把更多的干擾納入副回路

26、。主要干擾一旦出現(xiàn)，副回路首先把他們克制到最低，減小對(duì)主變量的影響，從而提高對(duì)控制的質(zhì)量。為此，在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，應(yīng)該對(duì)生產(chǎn)工藝中各種的干擾來(lái)源即影響程度進(jìn)行必要的。對(duì)于加熱爐出口溫度控制的問(wèn)題，由于產(chǎn)品質(zhì)量主要取決于出口溫度，工藝上對(duì)它的要求較為嚴(yán)格。進(jìn)過(guò)分析，我們選擇出口溫度為主控變量，燃料的流量為副控制變量。溫度控制器根據(jù)檢測(cè)溫度和給定溫度的偏差進(jìn)行工作，其輸出作為副控制器（流量控制器）的給定值；流量控制器根據(jù)測(cè)量值與給定值的偏差控制閥門的開(kāi)關(guān)，從而控制出口溫度。整個(gè)系統(tǒng)形成兩個(gè)雙閉環(huán)回路，副回路有動(dòng)作快、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，把燃料流量波動(dòng)的干擾因素納入在回路中。主要干擾一旦出現(xiàn)，

27、副回路首先把它們克服到最低程度，減小它們對(duì)溫度的影響。2.1.3 方案三：前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)是與反饋系統(tǒng)而言的。反饋控制是在系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)，被控量發(fā)生偏差后再進(jìn)行控制，而前饋控制的思想就是根據(jù)進(jìn)入過(guò)程的擾動(dòng)量（包括外界擾動(dòng)和設(shè)定值的變化），產(chǎn)生合適的控制作用，使被控量不發(fā)生偏差。前饋系統(tǒng)屬于開(kāi)環(huán)控制，所以只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的，則控制系統(tǒng)穩(wěn)定。要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)f(t)完全補(bǔ)償。必須有：wff(s)wd(s)/wd(s)但是，完全補(bǔ)償幾乎是難以做到的，要準(zhǔn)確掌握燃料的流量特性及控制通道的特性是不容易的，而其被控對(duì)象含有非線性特性，故前饋模型難以確定。前饋系統(tǒng)的框圖如圖3-2所示：圖2-3

28、 前饋系統(tǒng)方框圖綜合上述三種控制系統(tǒng)的比較，本控制系統(tǒng)選擇方案二。2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：目前工業(yè)中常用的控制系統(tǒng)大多數(shù)都是由單片機(jī)及可編程邏輯器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于單片機(jī)的精度高、體積小、價(jià)格便宜，和外圍的設(shè)備及計(jì)算機(jī)通信很方便，所以得到了廣泛的應(yīng)用。在本設(shè)計(jì)中，選擇mcs-51系列的單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的主要硬件。2.2.1 硬件組成控制系統(tǒng)是一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)，主要由單片機(jī)，溫度測(cè)量，溫度控制，人機(jī)對(duì)話，存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，通訊幾部分組成。系統(tǒng)的硬件示意圖如圖2-4：圖2-4 系統(tǒng)硬件示意圖2.2.2 模塊作用 主 機(jī)：主要用來(lái)儲(chǔ)存系統(tǒng)運(yùn)行的程序，數(shù)據(jù)。 溫度檢測(cè)：包括溫度傳感器，變送器，a/d轉(zhuǎn)換三部分。工

29、藝過(guò)程中的溫度一般不能直接測(cè)量，需借用傳感器去測(cè)量，傳感器的類型和型號(hào)要根據(jù)工藝的要求去選擇；傳感器測(cè)量的信號(hào)有可能是電壓、有可能是電流，可以通過(guò)變送器把采集的信號(hào)變成系統(tǒng)所需要的信號(hào)（包括強(qiáng)度和性質(zhì)）;變送器的輸出信號(hào)是模擬信號(hào)，單片機(jī)接受的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，用a/d轉(zhuǎn)化把采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)a/d轉(zhuǎn)換器應(yīng)該根據(jù)控制的精度去選擇。 溫度控制：溫度的控制是通過(guò)燃料的開(kāi)關(guān)大小來(lái)控制的。當(dāng)燃料燃燒多時(shí)釋放的熱量就多，當(dāng)出口的溫度過(guò)高或者過(guò)低是，可以通過(guò)調(diào)節(jié)燃料的流量達(dá)到控制溫度的目的。 人機(jī)對(duì)話：包括鍵盤，顯示，報(bào)警。出口的溫度是由操作人員根據(jù)工藝的要求通過(guò)鍵盤設(shè)定的，在設(shè)定值的時(shí)候，數(shù)碼管顯示

30、設(shè)定值的值，然后按啟動(dòng)鍵開(kāi)始工作。如果設(shè)定值不在允許值的范圍，報(bào)警系統(tǒng)工作。報(bào)警上限溫度為預(yù)設(shè)溫度+5，即上限溫度到預(yù)設(shè)溫度+5 時(shí)報(bào)警，并停止加熱。鍵盤由i/o并行接口連接；數(shù)碼管要加一個(gè)趨動(dòng)才能正常工作；報(bào)警電路也要加一個(gè)放大電路。 存儲(chǔ)器的擴(kuò)展：?jiǎn)纹瑱C(jī)內(nèi)部用來(lái)存儲(chǔ)的空間很小，為了是程序能正常運(yùn)行，中間數(shù)據(jù)能完整的保存需要進(jìn)行存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。 通 訊：用于遠(yuǎn)距離的控制和信號(hào)的測(cè)量。第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本章就加熱爐溫度控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)部分加以介紹。控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，具有重要意義。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括8031單片機(jī)、a/d 轉(zhuǎn)換器ad0809、12位d/a轉(zhuǎn)換dac1208、

31、鍵盤掃描電路、顯示電路、溫度傳感器、溫度變送器、流量傳感器、i/o擴(kuò)展芯片、rs232串行通信、報(bào)警、系統(tǒng)電源等單元電路組成。下面分別介紹各個(gè)單元 。3.1 單片機(jī)選型mcs-51系列的單片機(jī)有許多產(chǎn)品，可分為兩大系列：51子系列和52子系列。51子系列主要有8031、8051、8751三種機(jī)型。它們的指令系統(tǒng)與引腳完全兼容。52子系列主要有8032、8052、8752三種機(jī)型。52系列和51系列不同之處在：片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器增至256b，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器增至8kb（8032無(wú)），有3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，6個(gè)中斷源，其余性能與51是一樣的。51系列的單片機(jī)，其性能表如下：表3-1 51系列單片機(jī)性能ro

32、m形式片內(nèi)rom （字節(jié)）片內(nèi)ram （字節(jié)）尋址范圍（字節(jié)）i/o中斷源片內(nèi)rom片內(nèi)eprom外接eprom計(jì)數(shù)器并行口串行口8051875180314k12864k216481580c5187c5180c314k12864k21648158052875280328k25664k316481680c25287c25280c2528k25664k3164817綜合設(shè)計(jì)的價(jià)格，性能的比較，本設(shè)計(jì)選擇8051單片機(jī)。3.1.1 主要功能8031單片機(jī)主要有：8位的cpu、片內(nèi)帶振蕩器、128字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、4個(gè)8位并行i/o接口、一個(gè)全雙工的串行接口、2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器、5個(gè)中斷源、

33、2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)、111條指令、具有位尋址功能、片內(nèi)采用單總線結(jié)構(gòu)。mcs51 系列單片機(jī)的濕度適用范圍也較微處理器芯片z80，8080 等寬，其溫度范圍為： 民品（商業(yè)用） 0 70 工業(yè)品40 85 軍用品55 125市場(chǎng)上的銷售品多為工業(yè)品，其穩(wěn)定性和抗干擾性都優(yōu)于微處理器芯片。3.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 mcs-51系列的單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：圖3-1 mcs-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.1.3 外部引腳說(shuō)明mcs-51單片機(jī)大都采用40條引腳的雙列直插式封裝，引腳示意圖如圖3-2所示：圖3-2 mcs-51系列單片機(jī)引腳示意圖1）各引腳說(shuō)明： vcc(40腳)：直流電源正端，接+5v

34、電源 vs s(20腳) ：直流電源的負(fù)端接地 xtal1(19腳)：接外部晶振的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時(shí)，則引腳應(yīng)接地。 xtal2(18腳)：接外部晶振的一個(gè)引腳。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，則此引腳接外部振蕩信號(hào)的輸入。如圖3-3所示：b 內(nèi)部時(shí)鐘a 外部時(shí)鐘 圖3-3 單片機(jī)的時(shí)鐘電路按不同工藝制造的單片機(jī)芯片外接振蕩器時(shí)的接法如表3-2所示：表3-2 單片機(jī)外部時(shí)鐘接線法芯片類型接 法xtal1xtal2chmos接外部振蕩器脈沖輸入端(帶上拉電阻)懸浮hmos接地

35、接外部振蕩器脈沖輸入端(帶上拉電阻)輸入輸出i/o的引腳包括p0口、p1口、p2口。p0口(p0 .0p0.7)：雙向8位三態(tài)i/o接口。在不接片外存儲(chǔ)器與不擴(kuò)展i/o接口時(shí)，可作為準(zhǔn)雙向輸入/輸出接口；在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展i/o接口時(shí)，p0口是地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)ttl負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時(shí)的地址/數(shù)據(jù)總線口使用。p1口(p1 .0p1.7)：為8為準(zhǔn)方向i/o接口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線（作為輸入時(shí)，口鎖存器必須置一），可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)ttl負(fù)載。p2口(p2 .0p2.7)：為8位準(zhǔn)雙向的i/o接口，當(dāng)它作為i/o接口使用時(shí)，可直接連接外部的i/o

36、設(shè)備；在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展i/o接口且尋址范圍超過(guò)256字節(jié)時(shí)，p2口作為高8位地址總線。一般作為擴(kuò)展時(shí)地址總線的高8位使用。p3口(p3 .0p3.7)：為8位準(zhǔn)雙向i/o接口，還可以將每一位用于第二功能，而且p3口的每一條引腳均可以獨(dú)立的定義為第一功能的輸入/輸出或第二功能。第二功能定義如表3-3所示：表3-3 p3口的第二功能引 腳第 二 功 能p3.0rxd 串行口輸入端p3.1txd 串行口輸出端p3.2 外部中斷0請(qǐng)求輸入端，低電平有效p3.3 外部中斷1請(qǐng)求輸入端，低電平有效p3.4t0 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖輸入端p3.5t1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)脈沖輸入端p3.6 外部數(shù)

37、據(jù)存儲(chǔ)器及i/o口寫通信號(hào)輸出端，低電平有效p3.7 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及i/o口讀通信號(hào)輸出端，低電平有效2）控制引腳 包括reset(及rst)、ale、等，此類引腳提供控制信號(hào)，有些引腳具有復(fù)用功能。rst/vpd(9腳)：vpd為備用電源。該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端。當(dāng)單片機(jī)振蕩器工作時(shí)，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，使單片機(jī)恢復(fù)到初始狀態(tài)。復(fù)位后應(yīng)使此引腳的電平小于等于0.5v的低電平，以保證單片機(jī)正常工作。上電時(shí)，考慮到振蕩器有一定的振蕩時(shí)間，該引腳上高電平必須持續(xù)10ms以上才能保證有效復(fù)位。當(dāng)vcc發(fā)生故障時(shí)，該引腳可接備用電源vpd，為內(nèi)部r

38、am供電，保證ram中的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。ale/prog(30引腳)：地址鎖存有效輸出端。ale在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)輸出兩個(gè)脈沖，在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ale輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位的低八位。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ale端仍有周期性的正脈沖輸出，其頻率為振蕩頻率的1/6。(29腳)：片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效。在外部程序存儲(chǔ)器取指令期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效?？梢则?qū)動(dòng)8個(gè)ttl負(fù)載。(31腳)：為片外程序存儲(chǔ)器選用端。當(dāng)端保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)的是內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，但當(dāng)pc值超過(guò)4kb時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的內(nèi)容。當(dāng)端保持低電平時(shí)，則不管是否有內(nèi)部存儲(chǔ)器而只訪問(wèn)外部存

39、儲(chǔ)器。3.1.4 中斷系統(tǒng) 有五個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)如表3-4所示：表3-4 中斷優(yōu)先級(jí)為外部輸入中斷請(qǐng)求高低tf0為片內(nèi)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器t0的溢出中斷請(qǐng)求tf1為片內(nèi)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器t1的溢出中斷請(qǐng)求為外部輸入中斷請(qǐng)求ti或ri串行接口中斷服務(wù)程序的入口地址如表3-5所示：表3-5 中斷程序入口地址中斷源入口地址中斷源入口地址外部中斷00003h定時(shí)器0溢出000bh外部中斷10013h定時(shí)器1溢出001bh定時(shí)器0溢出0023h3.2 a/d 轉(zhuǎn)換器概述在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，被采集的信號(hào)大多是連續(xù)變化的模擬量，由于單片機(jī)只能處理數(shù)字量，所以就需要將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。3.2

40、.1 a/d轉(zhuǎn)換器選型a/d轉(zhuǎn)換器的類型很多，目前應(yīng)用廣泛的有三種類型：逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器、雙斜率積分式a/d轉(zhuǎn)換器以及v/f變換式a/d轉(zhuǎn)換器。a/d轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口方式有串行接口和并行接口兩種方式。1）逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)是：轉(zhuǎn)換速度較快，價(jià)格適中，精度較高，因此在單片機(jī)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。目前，典型的逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器有8位a/d轉(zhuǎn)換器adc0809/adc0808,12位a/d轉(zhuǎn)換器adc1210、ad574等。2）a/d器件的主要性能指標(biāo)有：轉(zhuǎn)換時(shí)間和分辨率。一般情況下，逐次逼近型a/d器件的轉(zhuǎn)換時(shí)間是微秒級(jí)的。分辨率是指器件的最小量化單位，通常用數(shù)字量來(lái)表示。若分辨率

41、為n位，表示它可以對(duì)滿量程的1/2n的增量作出反應(yīng)。分辨率越高，轉(zhuǎn)換期間對(duì)輸入量微小變化的反應(yīng)越靈敏。ad0809是一種帶有三態(tài)緩沖器的快速12位逐次比較式a/d轉(zhuǎn)換芯片，可以直接和8位或16位微處理器相連，無(wú)需要附加邏輯接口電路。片內(nèi)有高精度的參考電源和時(shí)鐘電路，不需要外接時(shí)鐘和參考電壓等電路就可以正常工作。 分辨率12位。 非線性誤差1/2lsb。 模擬輸入為單極性5v；10v。 供電電源為vl4.5v5.5v；vcc13.5v16.5v；vee13.5v 16.5v。 功耗450mw 溫度范圍070 轉(zhuǎn)換時(shí)間35s3.2.2 ad0809引腳圖（1）in7-in0：8條模擬量輸入通道 （

42、2）地址輸入和控制線：4條 （3）數(shù)字量輸出及控制線：11條 （4）電源線及其他：5條 輸入為8個(gè)可選通的模擬量in0-in7。至于adc轉(zhuǎn)換器接收哪一路輸入信號(hào)由地址a、b、c控制的8路模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。 同一時(shí)刻，adc0809只接收一路模擬量輸入，不同時(shí)刻對(duì)8路模擬量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。3.5.2 0809與8031的連接圖3.4 0809與8031的連接3.3 d/a轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介d/a轉(zhuǎn)換就是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。d/a轉(zhuǎn)換器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)與外部模擬對(duì)象的一種重要控制接口，單片機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)必須經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換器，變成模擬信號(hào)，才能對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。3.3.1 性能簡(jiǎn)介d/a轉(zhuǎn)換器的主要性

43、能指標(biāo)有分辨率和建立時(shí)間。分辨率是d/a轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入量變化敏感程度的描述，d/a轉(zhuǎn)換器的分辨率為：當(dāng)輸入數(shù)字量發(fā)生單位碼變化時(shí)，即產(chǎn)生1lsb位變化時(shí)所對(duì)應(yīng)輸出模擬量的變化量。對(duì)于線性d/a轉(zhuǎn)換器，分辨率通常分辨率采用輸入數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示。建立時(shí)間是描述d/a轉(zhuǎn)換速度快慢的一個(gè)重要參數(shù)。一般所指的建立時(shí)間是輸入數(shù)字量變化后，模擬輸出量達(dá)到終值誤差lsb/2時(shí)所需的時(shí)間。根據(jù)建立時(shí)間長(zhǎng)短，可以將d/a轉(zhuǎn)換器分成以下幾個(gè)檔次： 超高速：100ns 較高速: 100ns1s 高 速: 110s 中 速: 10100s 低 速: 100s3.3.2 d/a轉(zhuǎn)換器選型d/a轉(zhuǎn)換器的品種繁多,性能各異。

44、按輸入數(shù)字量的位數(shù)來(lái)分,有8位、10位、12位、16位等；按輸入的數(shù)碼形式分，有二進(jìn)制和bcd碼等；按傳送數(shù)字量的方式分，有并行和串行；按輸出方式分，有電壓和電流輸出兩種形式。12位d/a轉(zhuǎn)換dac1208系列的轉(zhuǎn)換器有dac1208、dac1209、dac1210三種芯片類型，與mcs-51單片機(jī)完全兼容，它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理和用法完全一樣，區(qū)別在于精度不同，如表3-6所示：表3-6 dac1208系列的精度精 度型 號(hào)0.012dac12080.024dac12090.05dac1210dac1208的性能參數(shù)如下：輸出電流穩(wěn)定時(shí)間：1s參考電壓：-10v+10v工作電壓：-5v+15

45、v根據(jù)精度要求本設(shè)計(jì)選擇dac1208，可滿足系統(tǒng)的要求。3.3.3 dac1208內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac1208內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示：圖3-5 dac1208的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.3.4 dac1208引腳圖 數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac1208的引腳圖如圖3-6所示：圖3-6 dac1208的引腳圖cs：片選信號(hào)，低電平有效。wr1：寫信號(hào)，低電平有效。byte1/ byte2：字節(jié)順序控制信號(hào)。該信號(hào)為高電平時(shí)開(kāi)啟8位和4位兩個(gè)鎖存器。將12位數(shù)據(jù)全部打入鎖存器，當(dāng)該信號(hào)位低電平時(shí)，只開(kāi)啟4位輸入鎖存器。wr2：寫信號(hào)。低電平有效，當(dāng)與同時(shí)為低電平時(shí)，把鎖存器數(shù)據(jù)打入dac寄存器。當(dāng)為高電平時(shí)d

46、ac寄存器中的數(shù)據(jù)別鎖存。xfer：傳送控制信號(hào)，低有效。di0di11：12位輸入數(shù)據(jù)iout1：為電流輸出端iout2：為電流輸出端rfb：反饋電阻輸入vref：參考電壓輸入vcc：電源電壓 dgnd:數(shù)字接地agnd:模擬接地3.3.5 dac1208與單片機(jī)的接口： 數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac1208與單片機(jī)的連接如圖3-10所示：圖3-7 dac1208與單片機(jī)的連結(jié)圖dac1208轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口電路中，該圖采用地址線a0來(lái)控制byte1/byte2，當(dāng)a01時(shí)，選中8位輸入鎖存器，a0=0時(shí)選中4位輸入鎖存器。單片機(jī)的三條高位地址線作為74ls138譯碼器的輸入，譯碼輸出先y2、y3控

47、制ce、xfer，這樣一片dac1208芯片共占三個(gè)端口地址。當(dāng)向高8位端口寫入數(shù)據(jù)時(shí)，byte1/byte2為低電平，當(dāng)wr信號(hào)到來(lái)時(shí)，高8位數(shù)據(jù)被同時(shí)寫入dac1208的高8位輸入鎖存器和低4位輸入鎖存器；向端口寫入低4位數(shù)據(jù)時(shí)，則byte1/byte2為低電平，當(dāng)wr信號(hào)到來(lái)時(shí)，第4位數(shù)據(jù)寫入輸入鎖存器，原先寫的內(nèi)容被沖洗掉；向12位的dac端口寫入數(shù)據(jù)時(shí)，則xfer信號(hào)有效，當(dāng)wr信號(hào)來(lái)到時(shí)，dac1208內(nèi)的12位dac鎖存器與高8位輸入鎖存器和低4位輸入鎖存器直通，因而這一新的數(shù)據(jù)由片內(nèi)的12位d/a轉(zhuǎn)換器開(kāi)始轉(zhuǎn)換，當(dāng)xfer或wr信號(hào)結(jié)束時(shí)，12位dac鎖存器將鎖存的這一數(shù)據(jù)，直

48、到下一次又送新的數(shù)據(jù)為止。在送入數(shù)據(jù)時(shí)，要先送12位數(shù)據(jù)中的高8位數(shù)據(jù)di11di4，然后再送入低4位數(shù)據(jù) di3di0,而不能將傳送的次序顛倒，否則結(jié)果不正確。3.4 i/o擴(kuò)展：mcs/51單片機(jī)共有4個(gè)并行i/o接口，但是i/o接口并不是都能提供給用戶使用。對(duì)于片內(nèi)有rom或eprom的單片機(jī)，入8031、8051、8751、at89c52來(lái)說(shuō)，當(dāng)無(wú)須擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)，p0口p3口均可做通用i/o接口使用。對(duì)于8051單片機(jī)來(lái)說(shuō)，其p0口和p2口僅能作外部程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和擴(kuò)展i/o接口的地址/數(shù)據(jù)總線，而不能直接作為i/o接口，只有p1口和p3口的部分接口線可以直接做i/o接口。

49、因此，在大部分的mcs-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中都不可避免地進(jìn)行i/o接口的擴(kuò)展。3.4.1 擴(kuò)展i/o口芯片選擇mcs-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中i/o口擴(kuò)展用芯片主要有通用i/o口芯片和ttl、cmos鎖存器、緩沖器電路芯片兩大類。通用i/o口芯片選用intel公司的芯片，其接口最為簡(jiǎn)捷可靠，如8255、8155等。采用ttl或cmos鎖存器、三態(tài)門電路作為i/o擴(kuò)展芯片，也是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中經(jīng)常采用的方法。這些i/o口擴(kuò)展用芯片具有體積小、成本低、配置靈活的特點(diǎn)。一般在擴(kuò)展8位輸入或輸出口時(shí)十分方便?？梢宰鳛閕/o擴(kuò)展的ttl芯片有74ls373、74ls277、74ls244、74ls273、7

50、4ls367等。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)芯片特點(diǎn)及輸入、輸出量的特征，應(yīng)選擇合適的擴(kuò)展芯片。8155芯片具有地址鎖存功能，與mcs-51單片機(jī)接口簡(jiǎn)單，即有ram又具有i/o接口，是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用的芯片。因此，選擇8155作為i/o擴(kuò)展芯片。3.4.2 8155內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖： 8155芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-8所示：intel8155是一種可編程的并行i/o接口芯片。8155芯片由以下部分構(gòu)成： 256字節(jié)的ram 2個(gè)8位、1個(gè)6位的可編程并行i/o接口 1個(gè)14位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器3.4.2 8155引腳圖：8155芯片的引腳圖如圖3-9所示：圖3-9 8155引腳圖8155共有40個(gè)引腳

51、，采用雙列直插式封裝，各引腳的功能如下：ad0ad7：地址/數(shù)據(jù)線總線。是低8位地址線和數(shù)據(jù)線的共用輸入總線,常和51單片機(jī)的p0口相連,用于分時(shí)傳送地址數(shù)據(jù)信息,當(dāng)ale=1時(shí),傳送的是地址.pa0pa7：a口輸入/輸出線。用于和外設(shè)之間傳遞數(shù)據(jù)。pb0pb7：b口輸入/輸出線。用于和外設(shè)之間傳遞數(shù)據(jù)。pc0pc5：c口輸入/輸出線或控制信號(hào)線ce: 片選信號(hào)線，低電平有效rd: 讀信號(hào)線，低電平有效；控制8155的讀操作wr：寫信號(hào)線，低電平有效；控制8155的寫操作ale：地址鎖存線,高電平有效.它常和單片機(jī)的ale端相連,在ale的下降沿將單片機(jī)p0口輸出的低8位地址信息鎖存到8155

52、內(nèi)部的地址鎖存器中.因此,單片機(jī)的p0口和8155連接時(shí),無(wú)需外接鎖存器io/m：ram或i/o口的選擇線.當(dāng)=0時(shí),選中8155的256 b ram;當(dāng)=1時(shí),選中8155片內(nèi)3個(gè)i/o端口以及命令/狀態(tài)寄存器和定時(shí)/計(jì)數(shù)器pc0：a口的中斷信號(hào)線pc1：a口的緩沖器滿信號(hào)線pc2：a口的選通線pc3：b口的中斷信號(hào)線pc4：b口的緩沖器滿信號(hào)線pc5：b口的選通線timer in：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器輸入端timer out：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器輸出端vcc：+5v電源gnd：接地線3.4.3 8155與單片機(jī)連接 8155與單片機(jī)連接的示意圖如圖3-10所示：圖3-10 8155與單片機(jī)的連接圖單片

53、機(jī)對(duì)8155的i/o接口進(jìn)行讀/寫時(shí)，8155內(nèi)部i/o口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的低8位地址見(jiàn)表3-7：表3-7 8155i/o接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器編碼ad0ad7寄 存 器a7a6a5a4a3a2a1a0000命令/狀態(tài)寄存器（命令狀態(tài)口）001a口（pa0pa7）010b口（pb0pb7）011c口（pc0pc7）100定時(shí)器/計(jì)數(shù)器低8位寄存器101定時(shí)器/計(jì)數(shù)器高6位及2位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作方式位3.5 地址鎖存器概述：地址鎖存器就是一個(gè)暫存器，它根據(jù)控制信號(hào)的狀態(tài)，將總線上地址代碼暫存起來(lái)。mcs-51單片機(jī)數(shù)據(jù)和地址總線采用分時(shí)復(fù)用操作方法，即用同一總線既傳輸數(shù)據(jù)又傳輸?shù)刂?。?dāng)微處理器與存儲(chǔ)器交換信號(hào)時(shí)，首先由cpu發(fā)出存儲(chǔ)器地址，同時(shí)發(fā)出允許鎖存信號(hào)ale給鎖存器，當(dāng)鎖存器接到該信號(hào)后將地址/數(shù)據(jù)總線上的地址鎖存在總線上，隨后才能傳輸數(shù)據(jù)。3.5.1 鎖存器選擇通常用作單片機(jī)地址鎖存的芯片有兩類，一類是8d觸發(fā)器，如74ls272、74ls377等，另一類是8位鎖存器，如741s373、8282等。 74ls373是帶有三態(tài)門的8d鎖存器，當(dāng)三態(tài)門的使能信號(hào)線為低電平時(shí)，三態(tài)門處于導(dǎo)通