畢業(yè)設計（論文）基于單片機的溫度控制系統(tǒng)設計

1、蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書摘  要在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關量都是常用的主要被控參數(shù)。其中，溫度控制越來越重要。在工業(yè)生產(chǎn)的很多領域中，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。采用單片機對溫度進行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(chǎn)品的質量和數(shù)量。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的控制問題。 單片機是一種集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現(xiàn)對數(shù)字信息的處理和控制。因此，單片機廣泛用于

2、現(xiàn)代工業(yè)控制中。 本論文側重介紹“單片機溫度控制系統(tǒng)”的硬件設計及相關內容。論文的主要內容包括：采樣、濾波、鍵盤、led顯示和報警系統(tǒng)，溫度pid調節(jié)系統(tǒng)等。作為控制系統(tǒng)中的一個典型應用設計，單片機溫度控制系統(tǒng)綜合運用了微機原理、自動控制原理、模擬電子技術、數(shù)字控制技術、鍵盤顯示技術等諸多方面的知識。關鍵詞：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

3、 commonly used. especially 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. peop

4、le need to heating 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, fle

5、xibility advantage 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 singl

6、e-chip microcomputer 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 -comput

7、er dialogue supported by led indication, 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

8、of knowledge.key words：mcs；temperature 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、功能及技術指標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程簡述31.2.6計算機控制的基本要求41.3設計內容41.4解決的關鍵問題4第二章 設計方案論證62.1控制系統(tǒng)選擇：62.1.1方案一：單回路反饋控制系統(tǒng)62.1.2 方案二：串級控制系統(tǒng)62.1.3 方案三：前饋控制系統(tǒng)72.2系統(tǒng)硬件設計：82

9、.2.1硬件組成82.2.2模塊作用9第三章系統(tǒng)硬件電路設計103.1單片機選型103.1.1 主要功能103.1.2內部結構圖113.1.3外部引腳說明113.1.4中斷系統(tǒng)143.2a/d 轉換器概述143.2.1a/d轉換器選型143.2.2ad0809引腳圖153.3d/a轉換器簡介163.3.1性能簡介163.3.2d/a轉換器選型163.3.3dac1208內部結構圖173.3.4dac1208引腳圖173.3.5dac1208與單片機的接口：183.4i/o擴展：193.4.1擴展i/o口芯片選擇193.4.2 8155內部結構框圖：193.4.28155引腳圖：203.4.38

10、155與單片機連接213.5地址鎖存器概述：223.5.1 鎖存器選擇223.5.274ls373引腳圖：233.5.374ls373與單片機相連233.6存儲器的擴展：243.6.1存儲器選型243.6.2存儲器管腳圖253.6.32764a工作方式263.6.42764a與單片機的連接263.7按鍵、led顯示器的設計：263.7.1按鍵的設計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傳感器和信號轉換器電氣接線圖（一體式安裝）343.8.6儀表的規(guī)格353.9hon

11、eywel電動線性調節(jié)閥363.9.1電動線性調節(jié)閥特點和性能規(guī)格373.9.2閥門放大電路373.10源模塊的設計383.11.1 電源設計38第四章系統(tǒng)軟件設計394.1 主程序和中斷服務程序：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 溫度檢測子程序：414.4 溫度控制子程序：424.5溫度越限報警子程序：434.6 控制算法子程序：444.6.1 增量式pid調節(jié)器444.6.2 單字節(jié)帶符號數(shù)的減法子程序464.6.3 雙字節(jié)帶符號數(shù)的加法子程序：474.7 顯示子程序：484.8 系統(tǒng)設計的內存分配49第五章 設計總結51附

12、錄1 程序清單：54附錄2：外文翻譯65v第一章 概述加熱爐是種類繁多的工業(yè)爐窯中的一種，軋制生產(chǎn)線上的主要工藝設備之一，其作用是將鋼坯加熱到軋制所要求的溫度。這種設備一方面耗能大另一方面控制起來困難，一直是自動化生產(chǎn)中急需要解決的問題之一。目前國內仍有大量的加熱爐停留在簡單的人工控制或者通過電子儀表進行手工電動操作，這種操作方式勞動強度大、控制粗糙、節(jié)能效果不好、對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)境污染等問題的日益急迫，急需對加熱爐之類的工業(yè)爐窯實行優(yōu)化控制以實現(xiàn)節(jié)能降耗和降低對環(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

13、高爐煉鋼所產(chǎn)生的高爐煤氣和焦爐煉焦所產(chǎn)生的焦爐煤氣，并將它們按一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加熱爐，燃料基本為高爐焦爐混合煤氣。七十年代以來，國際上主要從兩方面(設備方面和自動控制方面)采取措施以降低加熱爐的能耗。在設備方面，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，以盡量提高爐內熱量的利用率；在自動控制方面則主要是采用合理的控制策略，使爐內燃燒盡可能完全，以及恰當?shù)厥逛撆骷訜岬侥繕藴囟?。這兩方面的工作都取得了不小的進展，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控制工作主要在常規(guī)燃燒控制上

14、，如加熱爐各主要過程變量的定值控制，爐溫與燃料流量的串級控制，燃料與助燃空氣的比值控制以及煙道廢氣的含氧量控制等，其直接目標是獲得較為穩(wěn)定的爐子工況及合理的燃燒過程，追求最佳燃燒。國內加熱爐的控制水平與先進國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?？偟膩碚f，加熱爐的高級計算機控制策略尚處在初級階段，有關技術還不成熟。本文對加熱爐溫度控制技術的研究主要集中在三個方面:其一是燃燒控制技術究；其二是溫度調節(jié)器的研究；然后是各段爐溫的優(yōu)化設定研究。這三個方面工作相輔相成，綜合構成了加熱爐的最優(yōu)控制技術的主要方面。因本人水平有限，文中錯誤在所難免，敬請老

15、師和專家批評指正，不勝感激。1.2 加熱爐工藝簡介 本節(jié)就加熱爐的基本情況及其對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)的重要設備之一，屬于工業(yè)窯爐的一種，主要用于在鋼材軋制前對鋼材進行加熱。由于不同的鋼材在加熱到不同的溫度時其特性不同，且在高溫下便于軋制，所以就必須根據(jù)生產(chǎn)需要和鋼材特性使爐膛溫度保持在特定的范圍內，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，各個鋼鐵企業(yè)根據(jù)自身的生產(chǎn)情況設計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

16、將需要加熱的鋼坯從爐尾由推鋼機推入，然后在爐膛中進行加熱，按照工藝指標達到加熱要求后的鋼坯再從爐頭有出鋼機推出。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圖。圖1-1 二段連續(xù)式加熱爐結構簡圖圖1-2 三段連續(xù)式加熱爐結構簡圖產(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。本文的研究對象是三段連續(xù)推鋼式加熱爐。圖1-2也是它的結構示意圖。由于設計的重點不是其生

17、產(chǎn)原理和生產(chǎn)過程，故不再一一陳述。下面簡要畫出其工藝流程圖，如圖1-3：圖1-3工藝流程圖1.2.3 加熱爐的狀況、功能及技術指標加熱爐是軋鋼工藝生產(chǎn)過程中用于加熱鋼錠或鋼坯的爐窖設備，它主要用于將連鑄機來的熱鋼坯或料場來的冷鋼錠或冷鋼坯加熱到熱軋溫度以上，供軋機進行軋制。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，三段為預熱段、加熱段、均熱段。 加熱爐的燒嘴：采用gw-型全熱風高壓外吻式噴嘴。 加熱爐的有效面積(長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

18、，壓力20kpa。1.2.4 加熱爐的工藝要求（1） 由于不同的鋼種和不同的規(guī)格，其導熱性能不同，開軋的溫度不同；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)能對各加熱段不同溫度要求進行設定，并要嚴格控制在工藝所允許的范圍內。（2） 加熱爐是一個耗能的大戶，節(jié)能工作也是十分重要的；故要求系統(tǒng)在保證鋼坯加熱質量的前提下，用最少的燃料達到要求的溫度，在升溫時既不冒黑煙，在降溫時不使空氣過剩太多，有較高的熱效率。1.2.5 加熱爐的燃燒和鋼坯加熱過程簡述在任何冶金軋鋼生產(chǎn)中，鋼坯必須經(jīng)過加熱才能進行軋制。軋鋼加熱爐的主要作用就是加熱鋼坯，使之達到軋制所要求的溫度分布。（1）加

19、熱爐的燃燒過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，然后被分配到上、下加熱段和均熱段油路中，最后到達加熱爐燒嘴中；與此同時空氣由風機送出，經(jīng)由總風管至煙道內的熱交換器中被加熱后，分配到各段的風路中，最后也到達各段燒嘴。在各段的燒嘴中有被霧化后同空氣混合起來噴射到加熱爐內燃燒。燃燒是一個化學過程。（2）鋼坯加熱過程推鋼機將鋼坯（此時鋼坯的溫度與環(huán)境溫度相同）從加熱爐爐尾連續(xù)推入加熱爐，鋼坯在預熱段進行預熱，在預熱段段末，鋼坯溫度達到700左右后進入加熱段，在加熱段鋼坯經(jīng)過上下加熱后，到達加熱段段末時鋼坯上下溫度基本上達到了1220左右，然后進入均熱段，在均熱段中鋼坯經(jīng)過加熱后，將要軋

20、制的鋼坯被加熱到了1250左右的溫度，鋼坯內部和表面溫度基本均勻一致，具有了軋制工藝所要求的可塑性，達到工藝所要求的溫度分布，然后由出鋼機將鋼坯從加熱爐中頂出，進入軋制工序。鋼坯一旦進入加熱爐就一直被加熱直到被出鋼機從加熱爐中頂出。鋼坯加熱是具有熱傳導和熱輻射的過程。從上述的描述中可以看出評價加熱爐性能優(yōu)劣的指標是鋼坯的加熱質量，鋼的氧化燒損率，加熱爐的單位能耗及產(chǎn)量等。1.2.6 計算機控制的基本要求加熱爐在使用計算機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整爐溫，使得鋼溫均勻不粘鋼。加熱爐提溫時先增風后增油，降溫時先減油后減風，以防止冒黑煙；在調整風油來提高或降低爐溫的

21、同時還要調整煙道閘板，使爐壓保持微正壓，以減少熱損，提高熱效率。在增減風、油時，加熱爐操作工都是手動調節(jié)風或油流量調節(jié)閥門。加熱爐共分三個控制段：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)奏自動控制各段爐溫鋼坯的加熱過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），為了使鋼坯滿足軋制要求且滿足一種優(yōu)化指標（節(jié)能優(yōu)化或產(chǎn)量優(yōu)化等），需對加熱爐的各段溫度加以控制，以達到生產(chǎn)的要求。（2）爐溫越限報警加熱爐爐溫最高不能超過1320，否則將會對加熱爐爐體本身產(chǎn)生破壞作用

22、，加速加熱爐自身的老化速度，縮短加熱爐的使用壽命。1.3 設計內容對加熱爐系統(tǒng)的工藝生產(chǎn)過程了解，掌握加熱爐控制系統(tǒng)的基本任務和要求。能夠提出總體控制方案和軟硬件設計方案以及監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件設計方案，并且對方案進行論證優(yōu)化，以及完成各種硬件選型和組合。實現(xiàn)對加熱爐溫度的控制。溫度的控制狀態(tài)可以實時顯示，并可存儲。設計系統(tǒng)的控制算法。1.4 解決的關鍵問題1. 加熱爐系統(tǒng)的工藝生產(chǎn)過程和控制系統(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溫度調節(jié)器整個軟件設計。4. 能夠實現(xiàn)對加熱爐爐溫的控制,控制溫度為10001250，誤差3。5. 能夠輸入完成手/自動的溫

23、度設定。6. 能夠進行和計算機的通信。第二章 設計方案論證加熱爐的控制性能和控制方案的選擇有直接的關系，為了使系統(tǒng)的達到設計的要求，同時又符合經(jīng)濟性，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)、串級調速系統(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：單回路反饋控制系統(tǒng) 單回路反饋控制系統(tǒng)-又稱簡單控制系統(tǒng)，是指由一個被控過程、一個檢測變送器、一個控制器和一個執(zhí)行器所組成的對一個被控變量進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

24、度的偏離設定值，控制器就會根據(jù)偏差的情況，通過改變控制閥的流量，從而把變化的溫度調到設定值。但是從調節(jié)閥到燃燒室的滯后時間太大，只有溫度有偏差的時候才能發(fā)現(xiàn)有干擾的存在，當調節(jié)過程發(fā)生作用是，出口溫度已經(jīng)偏離很遠了，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)是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的基本單元、其結構簡單、投資少、易于調整和投運，能滿足一般工業(yè)生產(chǎn)過程的控制要求、因此在工業(yè)生產(chǎn)應用十分廣泛，尤其適用于被控過程的純滯后和慣性小、負荷和擾動變化比較平緩，或者控制質量要求不太高的場合。但是本設計的容量滯

25、后、純滯后較大，負荷和干擾變化比較劇烈而且頻繁，對工藝對產(chǎn)品質量提出的要求很高，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：串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)就是采用兩個控制器的串聯(lián)工作，主控制器的輸出作為服控制器的設定值，由副控制器的輸出去操作調節(jié)閥，從而對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閉環(huán)反饋，但流量有擾動發(fā)生偏差時，調節(jié)器及時調節(jié)，使燃料的變化對出口溫度的影響減小。串級調速的方框圖如圖2-2所示：圖2-2 串級調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

26、調速的優(yōu)點都是因為副回路，所以在設計時應該把更多的干擾納入副回路。主要干擾一旦出現(xiàn)，副回路首先把他們克制到最低，減小對主變量的影響，從而提高對控制的質量。為此，在串級調速系統(tǒng)設計之前，應該對生產(chǎn)工藝中各種的干擾來源即影響程度進行必要的。對于加熱爐出口溫度控制的問題，由于產(chǎn)品質量主要取決于出口溫度，工藝上對它的要求較為嚴格。進過分析，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)檢測溫度和給定溫度的偏差進行工作，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)測量值與給定值的偏差控制閥門的開關，從而控制出口溫度。整個系統(tǒng)形成兩個雙閉環(huán)回路，副回路有動作快、抗干擾能力強

27、的特點，把燃料流量波動的干擾因素納入在回路中。主要干擾一旦出現(xiàn)，副回路首先把它們克服到最低程度，減小它們對溫度的影響。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)受到擾動時，被控量發(fā)生偏差后再進行控制，而前饋控制的思想就是根據(jù)進入過程的擾動量（包括外界擾動和設定值的變化），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。要實現(xiàn)系統(tǒng)對擾動f(t)完全補償。必須有：wff(s)wd(s)/wd(s)但是，完全補償幾乎是難以做到的，要準確掌握燃料的流量特性及控制通道的特性是不容易的，而其被控對象含有非線性

28、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 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)硬件設計：目前工業(yè)中常用的控制系統(tǒng)大多數(shù)都是由單片機及可編程邏輯器來實現(xiàn)的，由于單片機的精度高、體積小、價格便宜，和外圍的設備及計算機通信很方便，所以得到了廣泛的應用。在本設計中，選擇mcs-51系列的單片機作為控制系統(tǒng)的主要硬件。2.2.1 硬件組成控制系統(tǒng)是一個測控系統(tǒng)，主要由單片機，溫度測量，溫度控制，人機對話，存儲器的擴展，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：主要用來儲存系統(tǒng)運行的程序

29、，數(shù)據(jù)。 溫度檢測：包括溫度傳感器，變送器，a/d轉換三部分。工藝過程中的溫度一般不能直接測量，需借用傳感器去測量，傳感器的類型和型號要根據(jù)工藝的要求去選擇；傳感器測量的信號有可能是電壓、有可能是電流，可以通過變送器把采集的信號變成系統(tǒng)所需要的信號（包括強度和性質）;變送器的輸出信號是模擬信號，單片機接受的信號是數(shù)字信號，用a/d轉化把采集的信號轉換為數(shù)字信號a/d轉換器應該根據(jù)控制的精度去選擇。 溫度控制：溫度的控制是通過燃料的開關大小來控制的。當燃料燃燒多時釋放的熱量就多，當出口的溫度過高或者過低是，可以通過調節(jié)燃料的流量達到控制溫度的目的。 人機對話：包括鍵盤，顯示，報警。出口的溫度是由

30、操作人員根據(jù)工藝的要求通過鍵盤設定的，在設定值的時候，數(shù)碼管顯示設定值的值，然后按啟動鍵開始工作。如果設定值不在允許值的范圍，報警系統(tǒng)工作。報警上限溫度為預設溫度+5，即上限溫度到預設溫度+5 時報警，并停止加熱。鍵盤由i/o并行接口連接；數(shù)碼管要加一個趨動才能正常工作；報警電路也要加一個放大電路。 存儲器的擴展：單片機內部用來存儲的空間很小，為了是程序能正常運行，中間數(shù)據(jù)能完整的保存需要進行存儲器的擴展。 通 訊：用于遠距離的控制和信號的測量。第三章 系統(tǒng)硬件電路設計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?？刂葡到y(tǒng)的硬件設計是系統(tǒng)設計的基礎，具有重要意義。設計內容主要包括8031單片

31、機、a/d 轉換器ad0809、12位d/a轉換dac1208、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擴展芯片、rs232串行通信、報警、系統(tǒng)電源等單元電路組成。下面分別介紹各個單元 。3.1 單片機選型mcs-51系列的單片機有許多產(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、8752三種機型。52系列和51系列不同之處在：片內數(shù)據(jù)存儲器增至256b，片內程序存儲器增至8kb（8032無），有3個定時/計數(shù)器，6個中斷源，其余性能與51是一樣的。

32、51系列的單片機，其性能表如下：表3-1 51系列單片機性能rom形式片內rom （字節(jié)）片內ram （字節(jié)）尋址范圍（字節(jié)）i/o中斷源片內rom片內eprom外接eprom計數(shù)器并行口串行口8051875180314k12864k2×164×81580c5187c5180c314k12864k2×164×8158052875280328k25664k3×164×81680c25287c25280c2528k25664k3×164×817綜合設計的價格，性能的比較，本設計選擇8051單片機。3.1.1 主要功能8

33、031單片機主要有：8位的cpu、片內帶振蕩器、128字節(jié)的片內數(shù)據(jù)存儲器、4個8位并行i/o接口、一個全雙工的串行接口、2個16位的定時/計數(shù)器、5個中斷源、2個中斷優(yōu)先級、111條指令、具有位尋址功能、片內采用單總線結構。mcs51 系列單片機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 內部結構圖 mcs-51系列的單片機內部結構如圖3-1所示：圖3-1 mcs-51單片機的內部結構圖3.1.3 外部引腳說明mcs-51單片機大

34、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系列單片機引腳示意圖1）各引腳說明： vcc(40腳)：直流電源正端，接+5v電源 vs s(20腳) ：直流電源的負端接地 xtal1(19腳)：接外部晶振的一個引腳。在單片機內部，它是一反相放大器輸入端，這個放大器構成了片內振蕩器。它采用外部振蕩器時，則引腳應接地。 xtal2(18腳)：接外部晶振的一個引腳。在片內接至振蕩器的反相放大器輸出端和內部時鐘發(fā)生器輸入端。當采用外部振蕩器時，則此引腳接外部振蕩信號的輸入。如圖3-3所示：b 內部時鐘a 外部時鐘 圖3-3 單片機的時鐘電路按不同工藝制造的單片機芯片

35、外接振蕩器時的接法如表3-2所示：表3-2 單片機外部時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。在不接片外存儲器與不擴展i/o接口時，可作為準雙向輸入/輸出接口；在接有片外存儲器或擴展i/o接口時，p0口是地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時復用口，可驅動8個ttl負載。一般作為擴展時的地址/數(shù)據(jù)總線口使用。p1口(p1 .0p1.7)：為8為準方向i/o接口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線（

36、作為輸入時，口鎖存器必須置一），可以驅動4個ttl負載。p2口(p2 .0p2.7)：為8位準雙向的i/o接口，當它作為i/o接口使用時，可直接連接外部的i/o設備；在接有片外存儲器或擴展i/o接口且尋址范圍超過256字節(jié)時，p2口作為高8位地址總線。一般作為擴展時地址總線的高8位使用。p3口(p3 .0p3.7)：為8位準雙向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請求輸入

37、端，低電平有效p3.3 外部中斷1請求輸入端，低電平有效p3.4t0 定時器/計數(shù)器0計數(shù)脈沖輸入端p3.5t1 定時器/計數(shù)器1計數(shù)脈沖輸入端p3.6 外部數(shù)據(jù)存儲器及i/o口寫通信號輸出端，低電平有效p3.7 外部數(shù)據(jù)存儲器及i/o口讀通信號輸出端，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，有些引腳具有復用功能。rst/vpd(9腳)：vpd為備用電源。該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。當單片機振蕩器工作時，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期的高電平，就可以實現(xiàn)復位操作，使單片機恢復到初始狀態(tài)。復位后應使此引腳的電平小于等于0.5v的低電平，以保證

38、單片機正常工作。上電時，考慮到振蕩器有一定的振蕩時間，該引腳上高電平必須持續(xù)10ms以上才能保證有效復位。當vcc發(fā)生故障時，該引腳可接備用電源vpd，為內部ram供電，保證ram中的數(shù)據(jù)不會丟失。ale/prog(30引腳)：地址鎖存有效輸出端。ale在每個機器周期內輸出兩個脈沖，在訪問外部存儲器時，ale輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位的低八位。即使不訪問外部存儲器，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)：片外程序存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效。在外部程序存儲器取指令期間，每個機器周期兩次有效?？梢则寗?個ttl負載。(31腳)：為片外程序存儲器選用端。當端

39、保持高電平時，單片機訪問的是內部程序存儲器，但當pc值超過4kb時，將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器內的內容。當端保持低電平時，則不管是否有內部存儲器而只訪問外部存儲器。3.1.4 中斷系統(tǒng) 有五個中斷源，兩個中斷優(yōu)先級，優(yōu)先級如表3-4所示：表3-4 中斷優(yōu)先級為外部輸入中斷請求高低tf0為片內定時器/計數(shù)器t0的溢出中斷請求tf1為片內定時器/計數(shù)器t1的溢出中斷請求為外部輸入中斷請求ti或ri串行接口中斷服務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定時器0溢出000bh外部中斷10013h定時器1溢出001bh定時器0溢出002

40、3h3.2 a/d 轉換器概述在單片機測控系統(tǒng)中，被采集的信號大多是連續(xù)變化的模擬量，由于單片機只能處理數(shù)字量，所以就需要將連續(xù)變化的模擬量轉換成數(shù)字量。3.2.1 a/d轉換器選型a/d轉換器的類型很多，目前應用廣泛的有三種類型：逐次逼近型a/d轉換器、雙斜率積分式a/d轉換器以及v/f變換式a/d轉換器。a/d轉換器與單片機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轉換的特點是：轉換速度較快，價格適中，精度較高，因此在單片機系統(tǒng)中廣泛應用。目前，典型的逐次逼近型a/d轉換器有8位a/d轉換器adc0809/adc0808,12位a/d轉換器adc1210、ad574等。2

41、）a/d器件的主要性能指標有：轉換時間和分辨率。一般情況下，逐次逼近型a/d器件的轉換時間是微秒級的。分辨率是指器件的最小量化單位，通常用數(shù)字量來表示。若分辨率為n位，表示它可以對滿量程的1/2n的增量作出反應。分辨率越高，轉換期間對輸入量微小變化的反應越靈敏。ad0809是一種帶有三態(tài)緩沖器的快速12位逐次比較式a/d轉換芯片，可以直接和8位或16位微處理器相連，無需要附加邏輯接口電路。片內有高精度的參考電源和時鐘電路，不需要外接時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

42、.5v5.5v；vcc13.5v16.5v；vee13.5v 16.5v。 功耗450mw 溫度范圍070 轉換時間35s3.2.2 ad0809引腳圖（1）in7-in0：8條模擬量輸入通道 （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個可選通的模擬量in0-in7。至于adc轉換器接收哪一路輸入信號由地址a、b、c控制的8路模擬開關實現(xiàn)。 同一時刻，adc0809只接收一路模擬量輸入，不同時刻對8路模擬量進行模數(shù)轉換。3.5.2 0809與8031的連接圖3.4 0809與8031的連接3.3 d/a轉換器簡介d/a轉換就是將數(shù)字量轉換

43、成相應的模擬量。d/a轉換器是單片機應用系統(tǒng)與外部模擬對象的一種重要控制接口，單片機輸出的數(shù)字信號必須經(jīng)d/a轉換器，變成模擬信號，才能對控制對象進行控制。3.3.1 性能簡介d/a轉換器的主要性能指標有分辨率和建立時間。分辨率是d/a轉換器對輸入量變化敏感程度的描述，d/a轉換器的分辨率為：當輸入數(shù)字量發(fā)生單位碼變化時，即產(chǎn)生1lsb位變化時所對應輸出模擬量的變化量。對于線性d/a轉換器，分辨率通常分辨率采用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示。建立時間是描述d/a轉換速度快慢的一個重要參數(shù)。一般所指的建立時間是輸入數(shù)字量變化后，模擬輸出量達到終值誤差±lsb/2時所需的時間。根據(jù)建立時間長短，

44、可以將d/a轉換器分成以下幾個檔次： 超高速：<100ns 較高速: 100ns1s 高 速: 110s 中 速: 10100s 低 速: 100s3.3.2 d/a轉換器選型d/a轉換器的品種繁多,性能各異。按輸入數(shù)字量的位數(shù)來分,有8位、10位、12位、16位等；按輸入的數(shù)碼形式分，有二進制和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轉換dac1208系列的轉換器有dac1208、dac1209、dac1210三種芯片類型，與mcs-51單片機完全兼容，它們的內部結構、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：

45、表3-6 dac1208系列的精度精 度型 號0.012dac12080.024dac12090.05dac1210dac1208的性能參數(shù)如下：輸出電流穩(wěn)定時間：1s參考電壓：-10v+10v工作電壓：-5v+15v根據(jù)精度要求本設計選擇dac1208，可滿足系統(tǒng)的要求。3.3.3 dac1208內部結構圖 數(shù)模轉換器dac1208內部結構圖如圖3-5所示：圖3-5 dac1208的內部結構圖3.3.4 dac1208引腳圖 數(shù)模轉換器dac1208的引腳圖如圖3-6所示：圖3-6 dac1208的引腳圖cs：片選信號，低電平有效。wr1：寫信號，低電平有效。byte1/ byte2：字節(jié)順

46、序控制信號。該信號為高電平時開啟8位和4位兩個鎖存器。將12位數(shù)據(jù)全部打入鎖存器，當該信號位低電平時，只開啟4位輸入鎖存器。wr2：寫信號。低電平有效，當與同時為低電平時，把鎖存器數(shù)據(jù)打入dac寄存器。當為高電平時dac寄存器中的數(shù)據(jù)別鎖存。xfer：傳送控制信號，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與單片機的接口： 數(shù)模轉換器dac1208與單片機的連接如圖3-10所示：圖3-7 dac1208與單片機的連結圖dac120

47、8轉換器與單片機的接口電路中，該圖采用地址線a0來控制byte1/byte2，當a01時，選中8位輸入鎖存器，a0=0時選中4位輸入鎖存器。單片機的三條高位地址線作為74ls138譯碼器的輸入，譯碼輸出先y2、y3控制ce、xfer，這樣一片dac1208芯片共占三個端口地址。當向高8位端口寫入數(shù)據(jù)時，byte1/byte2為低電平，當wr信號到來時，高8位數(shù)據(jù)被同時寫入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，則byte1/byte2為低電平，當wr信號到來時，第4位數(shù)據(jù)寫入輸入鎖存器，原先寫的內容被沖洗掉；向12位的dac端口寫入數(shù)據(jù)時，則xfer信號有效

48、，當wr信號來到時，dac1208內的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)由片內的12位d/a轉換器開始轉換，當xfer或wr信號結束時，12位dac鎖存器將鎖存的這一數(shù)據(jù)，直到下一次又送新的數(shù)據(jù)為止。在送入數(shù)據(jù)時，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，否則結果不正確。3.4 i/o擴展：mcs/51單片機共有4個并行i/o接口，但是i/o接口并不是都能提供給用戶使用。對于片內有rom或eprom的單片機，入8031、8051、8751、at89c52來說，當無須擴展外部存儲器時，p0口

49、p3口均可做通用i/o接口使用。對于8051單片機來說，其p0口和p2口僅能作外部程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和擴展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。因此，在大部分的mcs-51單片機應用系統(tǒng)中都不可避免地進行i/o接口的擴展。3.4.1 擴展i/o口芯片選擇mcs-51單片機應用系統(tǒng)中i/o口擴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擴展芯片，也是單片機應用

50、系統(tǒng)中經(jīng)常采用的方法。這些i/o口擴展用芯片具有體積小、成本低、配置靈活的特點。一般在擴展8位輸入或輸出口時十分方便?？梢宰鳛閕/o擴展的ttl芯片有74ls373、74ls277、74ls244、74ls273、74ls367等。在實際應用中，根據(jù)芯片特點及輸入、輸出量的特征，應選擇合適的擴展芯片。8155芯片具有地址鎖存功能，與mcs-51單片機接口簡單，即有ram又具有i/o接口，是單片機應用系統(tǒng)中廣泛使用的芯片。因此，選擇8155作為i/o擴展芯片。3.4.2 8155內部結構框圖： 8155芯片的內部結構圖如圖3-8所示：intel8155是一種可編程的并行i/o接口芯片。8155芯

51、片由以下部分構成： 256字節(jié)的ram 2個8位、1個6位的可編程并行i/o接口 1個14位定時器/計數(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個引腳，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單片機的p0口相連,用于分時傳送地址數(shù)據(jù)信息,當ale=1時,傳送的是地址.pa0pa7：a口輸入/輸出線。用于和外設之間傳遞數(shù)據(jù)。pb0pb7：b口輸入/輸出線。用于和外設之間傳遞數(shù)據(jù)。pc0pc5：c口輸入/輸出線或控制信號線ce: 片選信號線，低電平有效rd:

52、 讀信號線，低電平有效；控制8155的讀操作wr：寫信號線，低電平有效；控制8155的寫操作ale：地址鎖存線,高電平有效.它常和單片機的ale端相連,在ale的下降沿將單片機p0口輸出的低8位地址信息鎖存到8155內部的地址鎖存器中.因此,單片機的p0口和8155連接時,無需外接鎖存器io/m：ram或i/o口的選擇線.當=0時,選中8155的256 b ram;當=1時,選中8155片內3個i/o端口以及命令/狀態(tài)寄存器和定時/計數(shù)器pc0：a口的中斷信號線pc1：a口的緩沖器滿信號線pc2：a口的選通線pc3：b口的中斷信號線pc4：b口的緩沖器滿信號線pc5：b口的選通線timer i

53、n：定時器/計數(shù)器輸入端timer out：定時器/計數(shù)器輸出端vcc：+5v電源gnd：接地線3.4.3 8155與單片機連接 8155與單片機連接的示意圖如圖3-10所示：圖3-10 8155與單片機的連接圖單片機對8155的i/o接口進行讀/寫時，8155內部i/o口、定時器/計數(shù)器的低8位地址見表3-7：表3-7 8155i/o接口、定時器/計數(shù)器編碼ad0ad7寄 存 器a7a6a5a4a3a2a1a0×××××000命令/狀態(tài)寄存器（命令狀態(tài)口）×××××001a口（pa0pa7）&

54、#215;××××010b口（pb0pb7）×××××011c口（pc0pc7）×××××100定時器/計數(shù)器低8位寄存器×××××101定時器/計數(shù)器高6位及2位定時器/計數(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暫存器，它根據(jù)控制信號的狀態(tài)，將總線上地址代碼暫存起來。mcs-51單片機數(shù)據(jù)和地址總線采用分時復用操作方法，即用同一總線既傳輸數(shù)據(jù)又傳輸?shù)刂贰．斘⑻幚砥髋c存儲器交換信號時，首先由cpu發(fā)出存儲器地址，同時發(fā)出允許鎖存信號ale給鎖存器，當鎖存器接到該信號后將地址/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，當三態(tài)門的使能信號線為低電平時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)，允許鎖存器輸出，鎖存控制端為11腳le，采用下降沿鎖存，控制