基于單片機(jī)的智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、基于單片機(jī)的智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 摘 要：傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)大多建立在一定的模型基礎(chǔ)上，難以保證加熱工藝要求。溫度控制在熱處理工藝過程中,是一個非常重要的環(huán)節(jié)?？刂凭戎苯佑绊懼a(chǎn)品質(zhì)量的好壞。本文將模糊控制算法引入傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)構(gòu)成智能模糊控制系統(tǒng)。單片機(jī)在熱處理爐溫度控制中的應(yīng)用，對溫度控制模塊的組成及主要所選器件進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。并根據(jù)具體的要求本文編寫了適合本設(shè)計的軟件程序。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；處理溫度控制；電路Design of Intelligent Temperature Control System Based MCUAbstract：The traditional hea

2、ting furnace control system is based on some model,it is difficult to guarantee the demand of heating process.Temperature control in the heat treatment process,is a very important link.This paper will adopt fuzzy control fuzzy control algorithm to the control system of heating furnace in the intelli

3、gent fuzzy control system.Single chip microcomputer in heat treatment furnace temperature control applied to the temperature control module,the main components and the selected device are introduced in detail.And according the specific requirements for the design of the paper prepared by the softwar

4、e program. Keyword：SCM；Temperature control；Circuit1 前言工業(yè)生產(chǎn)中使用的熱處理設(shè)備種類繁多，如窖爐、鼓風(fēng)爐、烘爐、退火爐、鍋爐等。如果按加溫方法分類，可將熱處理設(shè)備分為兩大類1： (1)電熱爐 這類設(shè)備通過電熱元件通電發(fā)熱而升溫，調(diào)節(jié)加入爐子的電功率則改變爐內(nèi)的溫度。電功率調(diào)節(jié)一般采用接觸器通斷控制、晶閘管移相觸發(fā)或通斷控制。這一類設(shè)備在工廠占有相當(dāng)大的比例。 (2)燃料爐 這類設(shè)備通過燃燒燃料發(fā)熱而升溫，調(diào)節(jié)加入爐子的燃料量則改變爐的溫度。如鍋爐、焦?fàn)t等。常用燃料有煤、煤氣、重油等。燃料量的調(diào)節(jié)通常利用閥門、翻板等實現(xiàn)。這類設(shè)備在工廠中也占

5、有較大比例 熱處理設(shè)備雖然種類繁多，控制方法各有差異，但對他們采用微機(jī)控制時，控制原理和方法是基本相同的。電爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，通過布置在爐內(nèi)的電熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能,借助輻射與對流的傳熱方式加熱工件。通?？捎靡韵鹿蕉ㄐ悦枋?(1) 式中X電爐內(nèi)溫升（指爐內(nèi)溫度與室溫溫差) K放大系數(shù) t加熱時間 T時間系數(shù)V控制電壓0純滯后時間但在實際熱力過程中，由于被加熱金屬的導(dǎo)熱率、裝入量以及加熱溫度等因素的不同，直接影響著 K 、T 、0等參數(shù)的變化，因此電爐本身具有很大的不確定2。溫度控制在熱處理工藝過程中,是一個非常重要的環(huán)節(jié)?？刂凭戎苯佑绊懼a(chǎn)品質(zhì)量的好壞。根據(jù)不同的目的，

6、將材料及其制件加熱到適宜的溫度。1.1 研究目的與意義電子技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，給人們的生活帶來了根本性的變化，如果說微型計算機(jī)的出現(xiàn)使現(xiàn)代的科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，那么單片機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)控制測控領(lǐng)域帶來了一次新的革命。目前，單片機(jī)在工業(yè)控制系統(tǒng)諸多領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用。特別是其中的C51系列的單片機(jī)的出現(xiàn)，具有更好的穩(wěn)定性，更快和更準(zhǔn)確的運算精度，推動了工業(yè)生產(chǎn)，影響著人們的工作和學(xué)習(xí)。80年代以來，自動控制系統(tǒng)被控對象日益復(fù)雜，它不僅表現(xiàn)在控制系統(tǒng)具有多輸入一多輸出的強(qiáng)藕合性、參數(shù)時變性和嚴(yán)重的非線性特征，更突出的是從系統(tǒng)對象所能獲得的知識信息量相對地

7、減少，以及與此相反地對控制性能的要求卻日益高度化。然而，正如Zadeh教授于1973年所指出的:“當(dāng)一個系統(tǒng)復(fù)雜性增大時，人們能使它精確化的能力將降低，當(dāng)達(dá)到一定的閉值時，復(fù)雜性和精確性將相互排斥”(即“不相容原理”)。也就是說，在多變量、非線性、時變的大系統(tǒng)中，要想精確地描述復(fù)雜對象與系統(tǒng)的任何物理現(xiàn)象和運動狀態(tài)，實際上是不可能的。關(guān)鍵的是如何使準(zhǔn)確和簡明之間取得平衡，而使問題的描述具有意義。1.2 研究內(nèi)容研究內(nèi)容主要分為：研究單片機(jī)智能溫度控制的工作原理。單片機(jī)智能溫度控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計，對系統(tǒng)各個組成部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。選擇適當(dāng)?shù)膯纹瑱C(jī)等應(yīng)用元件。分析所選元件的特性，以滿足溫度系統(tǒng)的要

8、求。2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 電爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，其本身是一個較為復(fù)雜的被控對象，雖然可用以下模型定性描述它 (2) 式中K 放大系數(shù) T 時間系數(shù) 純滯后時間但在實際熱力過程中，由于實際工況的復(fù)雜性(加工工件的材質(zhì)、初溫、升溫、幅度規(guī)格、裝爐量以及電氣環(huán)境等因素)，使得上述數(shù)學(xué)模型偏離實際情況相當(dāng)嚴(yán)重，本文將在具有在線自調(diào)整功能模糊自整定PID控制器基礎(chǔ)上設(shè)計一個爐溫控制系統(tǒng)，以期較理想地解決被加熱物件透燒過程的測量與控制。2.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。圖2 電爐溫度控制系統(tǒng)Fig 2 Electric furnace temperature control

9、 system2.2 溫度檢測電路 溫度檢測是溫度控制系統(tǒng)的一個重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到系統(tǒng)性能。在微機(jī)溫度控制系統(tǒng)中，溫度的檢測不僅要完成溫度到模擬電壓量的轉(zhuǎn)換，還要將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)值量送計算機(jī)。其一般結(jié)構(gòu)如圖10所示。圖3 溫度數(shù)字檢測的一般結(jié)構(gòu)Fig 3 General structure of digital temperature detection2.2.1 溫度傳感器溫度傳感器將測溫點的溫度變換為模擬電壓，其值一般為mV級，需要放大為滿足模/數(shù)轉(zhuǎn)換要求的電壓值。微機(jī)通過控制把電路電壓送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，得到表示溫度的電壓數(shù)字量，再用軟件進(jìn)行標(biāo)度變換與誤差補(bǔ)償，得到測溫點的

10、實際溫度值。溫度傳感器種類繁多，但在微機(jī)溫度控制系統(tǒng)中使用得傳感器，必須是能夠?qū)⒎请娏孔儞Q成電量得傳感器，此次設(shè)計中選用的是熱電偶傳感器，熱電偶傳感器是工業(yè)溫度測量中應(yīng)用最廣泛得一種傳感器，具有精確度高、測量范圍廣、構(gòu)造簡單、使用方便等優(yōu)7。熱電偶是由兩種不同材料得導(dǎo)體A和B連接在一起構(gòu)成得感溫元件，如圖4所示。A和B得兩個接點1和2之間穿在溫度差時，回路中便產(chǎn)生電動勢，形成一定大小得電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，也叫溫差效應(yīng)。熱電偶就是利用這個原理測量 溫度的5。 圖4 熱電偶測溫原理圖Fig 4 Schematic diagram of the thermocouple temperatur

11、e measurement2.2.2 測量放大器的組成 測量放大器的基本電路如圖5所示。 圖5 測量放大器的原理圖Fig 5 Schematic diagram of measuring amplifier 測量放大器由三個運算放大器組成，其中A1、A2兩個同相放大器組成前級，為對稱結(jié)構(gòu)，輸入信號加在A1、A2的同相輸入端從而具有高抑止共模干擾的能力和高輸入阻抗。差動放大器A3為后級,它不僅切斷共模干擾的傳輸,還將雙端輸入方式變換成單端輸出方式,適應(yīng)對地負(fù)載的需要。 測量放大器的放大倍數(shù)用下面公式計算 (3) 式中，為用于調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的外接電阻，通常采用多圈電位器，并靠近組件，若距離較遠(yuǎn)，應(yīng)將

12、聯(lián)線膠合在一起，改變可使放大倍數(shù)在11000范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。2.2.3 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償方法用熱電偶測量溫度時，熱電偶的工作端（熱端）被放置在待測溫場中，而自由端（冷端）通常被放在0的環(huán)境中。若冷端溫度不是0，則會產(chǎn)生測量誤差，此時要進(jìn)行冷端補(bǔ)償。冷端補(bǔ)償方法較多，在本次的設(shè)計中我們采用的冷端溫度補(bǔ)償為電橋式冷端補(bǔ)8。對與冷端溫度補(bǔ)償器，在工業(yè)上采用如圖6所示補(bǔ)償電橋的冷端補(bǔ)償電路。 圖 6 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償電橋Fig 6 Thermocouple cold end temperature compensation bridge圖中所示的補(bǔ)償電橋橋臂電阻R1、R2、R3和RCu通常與熱電偶的冷

13、端置于相同的環(huán)境中。取，用錳銅線繞成；RCu是用銅導(dǎo)線繞制成的補(bǔ)償電阻。RS是供橋電源E的限流電阻，RS由熱電偶的類型決定。若電橋在20時處于平衡狀態(tài)。當(dāng)冷端溫度升高時，RCu補(bǔ)償電阻將隨之增大，則電橋a、b兩點間的電壓Vab也增大，此時熱電偶溫差電勢卻隨冷端溫度升高而降如果Vab的增加量等于熱電偶溫差電勢的減小量，則熱電偶輸出電勢VAB的大小將保持不變，從而達(dá)到冷端補(bǔ)償?shù)哪?。2.3 多路開關(guān)的選擇 在本次的設(shè)計中，我們的溫度傳感器有5個，因此，我們采用了一種16的多路開關(guān)，以實現(xiàn)對5個溫度傳感器的巡回檢測。 CC4067是單片. CMOS.16通道.模擬多路轉(zhuǎn)換器。該電路包括16選1的譯碼

14、器和譯碼器的輸出分別控制的16個CMOS雙向開關(guān)，通道的輸出狀態(tài)由電路外部輸入的地址A.B.C.D所決定。 CC4067可用模擬信號或數(shù)字信號去控制模擬開關(guān)的接通或斷開，具有低的導(dǎo)通電阻和高的斷開電阻，所控制的模擬信號最大峰值為15V，而數(shù)字信號的幅度3V-5V . CC4067芯片具有禁止端inh。當(dāng)禁止時，inh=1，這時所有的雙向開關(guān)均不接通，在公共端呈現(xiàn)高阻抗。 (1)主要性能 CMOS工藝制造；直接驅(qū)動 DTL/TTL/CMOS電平；單路、16選1模擬多路轉(zhuǎn)換器；具有雙向轉(zhuǎn)換功能；單電源供電；標(biāo)準(zhǔn)24引腳DIP封裝；功耗：1.5mW；開關(guān)接通電阻：180歐（typ）;開關(guān)接通時間：1

15、.5us(max);開關(guān)斷開時間：1us(max). (2)CC4067引腳圖示與圖7。圖7 CC4067引腳圖Fig 7 The CC4067 pin diagram (3)CC4067功能框圖如圖8所示。 圖8 CC4067功能框圖Fig 8 The CC4067 function block diagram2.4 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及連接 5G14433是我國制造的31/2位模/數(shù)變換器，是目前市場上廣泛流行的最典型的雙積分模/數(shù)變換器。該芯片具有抗干擾性能好、轉(zhuǎn)換精度高、自動校零、自動極性輸出、自動量程控制信號輸出、外接元件少、價格便宜等特點。因此廣泛應(yīng)用在低速微控制器應(yīng)用系統(tǒng)，智能儀

16、表和數(shù)字三用表等領(lǐng)域。5G14433與國外型號MC14433兼10。5G14433的外部連接電路，盡管5G14433外部連接元件很少，但為使其工作于最佳狀態(tài)，也必須注意外部電路的連接和外接元件的選擇，其實際連接電路如圖9所示。為了提高電源抗干擾的能力，正，負(fù)電源分別通過去耦電容0.047uF、0.02uF與Vss（VAG）相連。圖中DU端和EOC端短接，以選擇連續(xù)轉(zhuǎn)換方式，使每一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果都輸出。 圖9 外部連接電路Fig 9 The external connection circuit 當(dāng)C1=0.1uF，VDD=5V，fCLK=66KHz時，若Vxmax=+2V，則R1=480K；若V

17、xmax=+200mV，則R1=28K。外接失調(diào)補(bǔ)償電容固定為0.1uF。外接時鐘電阻Rc=470K時，fLCK66KHz;當(dāng)Rc=200K時，fLCK=140KHz。實際電路中一般取Rc=300K。2.5 單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展2.5.1 系統(tǒng)擴(kuò)展概述MCS51系列單片機(jī)的功能較強(qiáng)，從一定意義上說，一塊單片機(jī)就相當(dāng)于一臺單片機(jī)的功能。這就使得在智能儀器、儀表、小型檢測及控制系統(tǒng)、家用電器中可直接應(yīng)用單片機(jī)而不必再擴(kuò)展外圍芯片，使用極為方便。但對于一些較大的應(yīng)用系統(tǒng)來說，單片機(jī)片內(nèi)所具有的功能將顯得不足，這時就必須在片外連接一些外圍芯片。這些外圍芯片，既可能是存儲器芯片，也可能是輸入/輸出接口芯片。

18、系統(tǒng)的擴(kuò)展一般有以下幾方面的內(nèi)容：(1)外部程序存儲器的擴(kuò)展；(2)外部數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展；(3)輸入/輸出接口的擴(kuò)展；管理功能器件的擴(kuò)展（如定時/計數(shù)器、鍵盤/顯示器、中斷優(yōu)先編碼等）。2.5.2 常用擴(kuò)展器件簡介 (1)總線驅(qū)動器74LS244總線驅(qū)動器74LS244經(jīng)常用作三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器，74LS244為單向三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器，而74LS244為雙向三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器。單向的內(nèi)部有8個三態(tài)驅(qū)動器，分成兩組，分別由控制端1G和2G控制；雙向的有16個三態(tài)驅(qū)動器，每個方向8個。在控制端G有效時（G為低電平），由DIR端控制驅(qū)動方向；DIR為“1”時方向從左到右（輸出允許），DIR為“0”時方向從右到左

19、（輸入允許）。74LS244的引腳如圖10所示。圖10 74LS244的引腳Fig 10 74LS244 pin (2)地址鎖存器74LS37374LS373是一種帶輸出三態(tài)門的8D鎖存器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。 圖11 74LS373的結(jié)構(gòu)圖Fig 11 The 74LS373 structure diagram 其中：1D8D為8個輸入端。1Q8Q為8個輸出端。G為數(shù)據(jù)打入端:當(dāng)G為1時,鎖存器輸出端狀態(tài)(1Q8Q)同輸入狀態(tài)(1D8D)；當(dāng)G由1變0時,數(shù)據(jù)打入鎖存器中。OE為輸出允許端;當(dāng)OE0時,三態(tài)門打開;當(dāng)OE1時,三態(tài)門關(guān)閉,輸出呈高阻。在MCS51單片機(jī)系統(tǒng)中,經(jīng)常采用7

20、4LS373作為地址鎖存器使用,其連接方法如圖3-11所示。其中輸入端接至單片機(jī)的口，輸出端提供的是地址的低位，端接至單片機(jī)的地址鎖存器信號。輸出允許端OE接地表示輸出三態(tài)門一直打開。 圖12 74LS373的結(jié)構(gòu)圖Fig 12 The 74LS373 structure diagram2.6 存儲器的擴(kuò)展2.6.1 只讀存儲器簡介半導(dǎo)體存儲器分為隨機(jī)存取存儲器（Random Access Memory）和只讀存儲器（Read Only Memory）兩大類，前者主要用于存放數(shù)據(jù)，后者主要用于存放程序。只讀存儲器的特點是信息一旦寫入之后就不能隨意跟更改，特別是不能在程序運行過程中寫入新的內(nèi)容，

21、而只能讀出其中的內(nèi)容，故稱之為只讀存儲器；只讀存儲器的另一個特點是斷電以后信息不會消失，能夠長久保存。只讀存儲器是由MOS管陣列構(gòu)成的，以MOS管的接通或斷開來存儲二進(jìn)制信息。按照程序要求確定ROM存儲陣列中各MOS管狀態(tài)的過程叫做ROM編程。 EPROM2764簡介 2764的引腳 自從EPROM276芯片被逐漸淘汰后，目前比較廣泛采用的是2764芯片為雙列直插式28引腳的標(biāo)準(zhǔn)芯片，容量為8K×8位，其管角如圖13所示。 圖13 2764的引腳 Fig 13 2764 pin 其中：A12A0：13位地址線。D7D0：8位數(shù)據(jù)線。CE：片選信號，低電平有效。OE：輸出允許信號，當(dāng)O

22、E=0時，輸出緩沖器打開，被尋址單元的內(nèi)容才能被賣出。Vpp：編程電源，當(dāng)芯片編程時，該端加上編程電壓（+25V或+12V）；正常使用時，該端加+5V電源。（NC為不用的管腳）。 2764的工作時序2764在使用時，只能將其所儲存的內(nèi)容讀出，其過程與RAM的讀出十分類似。即首先送出要讀出的單元地址，然后使CE和OE均有效（低電平），則在芯片的D0D7數(shù)據(jù)線上就可以輸出要讀出的內(nèi)容。其過程的時序關(guān)系如圖14所示 圖14 2764的工作時序Fig 14 2764 the work sequence EPROM的一個重要特點就是在于它可以反復(fù)擦除，即在其存儲的內(nèi)容擦除后可通過編程（重新）寫入新的內(nèi)容

23、。這就是用戶調(diào)試和修改程序帶來很大的方便。EPROM的編程過程如下： (1)擦除：如果EPROM芯片是第一次使用的新芯片，則它是干凈的。干凈的標(biāo)志通常是一個存儲單元的內(nèi)容都是FFH。若芯片是使用過的，則它需要利用紫外線照射其窗口，以便將其內(nèi)容擦除干凈。一般照射擊1520min即可擦除干凈。 (2)編程：EPROM的編程有兩種方式：標(biāo)準(zhǔn)編程和靈巧編程。標(biāo)誰編程的過程為：將Vcc接+5V電源，Vpp接+21V電源（注意：不同廠家的芯片其編程電壓Vpp是不一樣的），然后輸入需編程的單元地址，在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)，使CE保持低電平，OE為高電平。當(dāng)上述信號穩(wěn)定后，在PGM端加上50±5

24、ms的負(fù)脈沖。這樣就將1個字節(jié)的數(shù)居寫到了相應(yīng)的地址單元中。重復(fù)上述過程，即可將要寫入編程過程。標(biāo)準(zhǔn)編程中，每寫入1個字節(jié)需要50ms左右的時間，對于2764來說共需78分鐘時間。而且芯片容量愈大，所需的時間就愈多。另一方面，編程脈沖愈寬，芯片功耗愈大，芯片愈容易損壞。這此，人們提出了另一個編程方式靈巧編程。11 2764與單片機(jī)的連接圖如圖15示。 圖15 2764與單片機(jī)的連接圖Fig 15 2764 and the SCM connection diagram2.6.2 數(shù)據(jù)存儲器概述 數(shù)據(jù)存儲器即隨機(jī)存取存儲器（Random Access Memory），簡稱RAM，用于存放可隨時修改

25、的數(shù)據(jù)信息。它與ROM不同，對RAM可以進(jìn)行讀、寫兩種操作。RAM為易失性存儲器，斷電后所存信息立即消失。按半導(dǎo)體工藝，RAM分為MOS型和雙極型兩種。MOS型集成度高、功耗低、價格便宜，但速度較慢。雙極型的特點恰好相反。在單片機(jī)系統(tǒng)中多數(shù)采用MOS型數(shù)據(jù)存儲器，使得輸入輸出信號能與TTL相兼容，擴(kuò)展后的信號連接也很方便。按工作方式，RAM分為靜態(tài)（SRAM）和動態(tài)（DRAM）兩種。靜態(tài)RAM只要電源加上，所存信息就能可靠保存。而動態(tài)RAM使用的是動態(tài)存儲單元，需要不斷進(jìn)行刷新以便周期性地再生，才能保存信息。動態(tài)RAM的集成密度大，如集成同樣的位容量，那么動態(tài)RAM所占芯片面積只是靜態(tài)RAM的

26、四分之一。此外動態(tài)RAM的功耗低，價格便宜。由于動態(tài)存儲器要增加刷新電路，因此只適用于較大的系統(tǒng)，而在單片機(jī)系統(tǒng)中則很少使用。2.6.3 靜態(tài)RAM6264簡介 6264是8K×8位的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器芯片，采用CMOS工藝制造，為28引腳雙列直插式封裝，其引腳圖如圖16所示。圖16 RAM6264引腳圖Fig 16 The RAM6264 pin diagram需要說明的是，6264有兩個片選信號CE1和CE2，只有當(dāng)CE10，CE21時，芯片才被選中。在實際應(yīng)用中，往往只用其中1個，而將另一個接成常有效；也可以將系統(tǒng)片選信號以及取反后的信號分別接至CE1和CE2端。2.6.4 數(shù)據(jù)存

27、儲器擴(kuò)展舉例數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展與程序存儲器的擴(kuò)展相類似，不同之處主要在與控制信號的接法不一樣，不用PSEN信號，而用RD和WR信號，且直接與數(shù)據(jù)存儲器的OE端和WE端相連即可。圖17為外擴(kuò)1片6264的連接圖。采用線選法，將片選信號CE1與P2.7相連，片選信號CE2與P2.6相連。其地址譯碼關(guān)系為：A15 A14 A13 A12 A11 A1001·×××××××××××××所占用的地址為:第一組 4000H5FFFH (A130) 第二組 6000H7F

28、FFH (A131) 圖17 擴(kuò)展一片RAM6264的連接圖Fig 17 The extension of a RAM6264 connected graph2.7 單片機(jī)I/O口的擴(kuò)展（8155擴(kuò)展芯片）2.7.1 8155的結(jié)構(gòu)和引腳 Intel 8155是一種多功能的可編程的可編程接口芯片，它具有3個可編程I/O（A口和B口是8位，C口是6位）、1個可編程定時器/計數(shù)器和256B的RAM，能方便地進(jìn)行I/O擴(kuò)展和RAM擴(kuò)展，其組成框圖及引腳如圖18所示。圖18 8155引腳和結(jié)構(gòu)圖Fig 18 8155 pin and structure diagram 8155為40腳雙列直插式封裝，

29、其引腳的功能及特點說明如下：RESET：復(fù)位端，高電平有效。當(dāng)RESET端加入5us左右寬的正脈沖時，8155初始化復(fù)位。把A口、B口、C口均初始化為輸入方式。AD0AD7：三態(tài)地址數(shù)據(jù)總線。采用時方法區(qū)分地址及數(shù)據(jù)信息。通常與MCS-51單片機(jī)的P0口相連。其地址碼可以是8155中RAM單元地址或I/O地址。地址信息由ALE的下降沿鎖存到8155的地址鎖存器中，與RD和WR信號配合輸入或輸出數(shù)據(jù)。CE：片選信號端，低電平有效。它與地址信息一起由ALE信號的下降沿鎖到8155的鎖存器中。 IO/M：RAM和I/O接口選擇端。IO/M=0時，選中8155的片內(nèi)RAM，AD0AD7為RAM地址（0

30、0HFFH）；IO/M=1時，選中8155片內(nèi)3個I/O接口以及命令/狀態(tài)寄存器和定時器/計數(shù)器。AD0AD7為I/O接口地址，見下表1。表1 8155口地址分配Table 1 8155 address allocationAD7-AD0A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0選中的寄存器 X x x x x 0 0 0 X x x x x 0 0 1 X x x x x 0 1 0 X x x x x 0 1 1 X x x x x 1 0 0 X x x x x 1 0 1 命令/狀態(tài)寄存器A口（PA0-PA7）B口（PB0-PB7）C口（PC0-PC7）定時器/計數(shù)器低B位寄存器定

31、時器/計數(shù)器高B位寄存器及工作方式2位 RD：讀選通信號端。低電平有效。當(dāng)CE=0、RD=0時，將8155片內(nèi)RAM單元或I/O接口的內(nèi)容傳送到AD0AD7總線上。WR：寫選通信號端，低電平有效。當(dāng)CE=0、WR=0時，將CPU輸出送到AD0AD7總線上的信息寫到片內(nèi)RAM單元或I/O借口中。ALE：地址鎖存允許信號端。ALE信號的下降沿將AD0AD7總線上的地址信息和CE及IO/M的狀態(tài)信息都鎖存到8155內(nèi)部鎖存器中。PA7PA0：A口通用輸入/輸出線。它由命令寄存器中的控制字來決定輸入/輸出。PA7PB0：B口通用輸入/輸出線。它由命令寄存器中的控制字來決定輸入/輸出。PC5PC0：可用

32、編程的方法來決定C口作為通用輸入/輸出線或作A口、B口數(shù)據(jù)傳送的控制應(yīng)答聯(lián)絡(luò)線。TIME IN：定時器/計數(shù)器脈沖輸入端。TIME OUT：定時器/計數(shù)器矩形脈沖或方波輸出端（取決于工作方式）。Vcc：+5電源端。Vss：接地端。2.7.2 8155的控制字的及其工作方式命令/狀態(tài)字的格式及功能8155的I/O接口的工作方式選擇是通過 對8155內(nèi)部寄存器送命令來實現(xiàn)的，命令寄存器由8位鎖存器組成，只能寫入、不能讀出。命令字每位的定義如下所示：AINTR：A口中斷請求信號ABF：B口緩沖器信號ASTB：A口選通信號BINTR：B口中斷請求信號BBF：B口緩沖滿信號BSTB：B口選通信號8155

33、的狀態(tài)寄存器口地址和命令寄存器相同。與控制字相反，狀態(tài)字寄存器只能讀出、不能寫入，其格式及定義如圖19，20所示：圖19 8155狀態(tài)字格式Fig 19 8155 status word format圖20 8155狀態(tài)字定義Fig 20 8155 status word definition2.7.3 8155與8031的連接如圖21所示為8155與8031的連接 圖21 8155與8031的連接Fig 21 8155 and 8031 connection2.8 看門狗、報警、復(fù)位和時鐘電路的設(shè)計2.8.1 看門狗電路的設(shè)計 為提高系統(tǒng)的可靠性,由硬件的 “看門狗”。由NE555定時器構(gòu)成

34、的看門狗電路如圖22所示R3、C6為定時元件，由單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生的正脈沖寬度為，C5用于濾除高頻干擾。下面分析看門狗電路的工作原理： (1)當(dāng)系統(tǒng)工作正常時，看門狗電路不起作用。(2)當(dāng)系統(tǒng)運行不正常時，8031不能給定時器送去觸發(fā)脈沖，NE555中的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器就輸出脈寬大于4us的負(fù)脈沖，經(jīng)F6反相后加至80C31的復(fù)位端，使系統(tǒng)能可靠地復(fù)位，迅速恢復(fù)正常運行狀態(tài)。 圖22 看門狗電路Fig 22 The watchdog circuit2.8.2 報警電路的設(shè)計當(dāng)溫度過大地超了給定的溫度時，系統(tǒng)就會發(fā)出報警信號。在這方面的設(shè)計中我們采用了如圖23所示的報警電路。其工作原理是：溫度過高時，單

35、片機(jī)就從P1.5口發(fā)出一個低電平信號，經(jīng)反向后使發(fā)光二極管發(fā)光，同時使蜂鳴器發(fā)音，從而達(dá)到報警的日的。 圖23 報警電路Fig 23 Alarm circuit2.8.3 復(fù)位電路的設(shè)計在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時，除了進(jìn)入系統(tǒng)正常的初始化之外，當(dāng)由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵以重新啟動。所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必須準(zhǔn)確、可靠地工作。另外，單片機(jī)的復(fù)位狀態(tài)與應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)位狀態(tài)又是密切相關(guān)的，因此，必須熟悉單片機(jī)的復(fù)位狀態(tài)。 (1)復(fù)位單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的RST引腳上出現(xiàn)24個時鐘振蕩脈沖（2個機(jī)器周期）以上的高電平

36、，單片機(jī)便實現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，在設(shè)計復(fù)位電路時，通常使RST引腳保持10ms以上的高電平。只要RST保持高電平，則MCS-51單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位。單片機(jī)的復(fù)位狀態(tài)要注意以下幾點： 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。其主要功能是把 PC初始化為0000H，使單片機(jī)從 0000H單元開始執(zhí)行。 復(fù)位操作除了把PC初始化為0000H之外，還對一些特殊功能寄存器（專用寄存器）有影響，它們的復(fù)位狀態(tài)見表2。 復(fù)位操作還對單片機(jī)的個別引腳信號有影響，例如把ALE和PSEN信號變?yōu)闊o效狀態(tài)，即ALE=0,PSEN=1。但復(fù)位不影響單片機(jī)內(nèi)部的RAM狀態(tài)。表2單片機(jī)的復(fù)位狀態(tài)Table 2

37、MCU reset state專用寄存器復(fù)位狀態(tài)專用寄存器復(fù)位狀態(tài)PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR000H0TH100HP0P3FFHSCON00HIP××000000BSBUF不定IE0×000000BPCON0×××0000B (2)復(fù)位電路 從以上的敘述中，我們已經(jīng)清楚復(fù)位電路的設(shè)計原理：在單片機(jī)的 RST引腳上出現(xiàn)24個時鐘振蕩脈沖（2個機(jī)器周期）以上的高電平（為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，通常使 RST引腳保持10ms以上的高電平）

38、。根據(jù)這個原則，采用的電路是：按鍵電平復(fù)位，如圖24所示，按鍵電平復(fù)位是通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實現(xiàn)的。 圖24復(fù)位電路 Fig 24 Reset circuit2.8.4 時鐘電路的設(shè)計 時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時鐘信號，單片機(jī)本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下嚴(yán)格地按時序進(jìn)行工作。而時序所研究的則是指令執(zhí)行中各信號之間的相互時間關(guān)系。 (1)時鐘電路在介紹單片機(jī)引腳時，我們已經(jīng)敘述過有關(guān)振蕩器的概念。振蕩電路產(chǎn)生的振蕩脈沖，并不是時鐘脈沖。這二者既有聯(lián)系又有區(qū)別。在由多片單片機(jī)組成的系統(tǒng)中，為了各單片機(jī)之間時鐘信號

39、的同步，還引人公用外部脈沖信號作為各單片機(jī)的振蕩脈沖。 (2)時鐘信號的產(chǎn)生XTAL1（19腳）是按外部晶體管的一個引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。輸出端為引腳XTAL2，在芯片的外部通過這兩個引腳接晶體震蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激震蕩器。我們可以用示波器測出XTAL2上的波形。電路中的C1和C2一般取30PF 左右而晶體震蕩器的頻率范圍通常是1.212 MHZ，晶體震蕩器的頻率越高，振蕩頻率就越高。振蕩電路產(chǎn)生的振蕩脈沖并不是時鐘信號，而是經(jīng)過二分頻后才作為系統(tǒng)達(dá)到時鐘信號。如圖25所示。在二分頻的基礎(chǔ)上再三分頻產(chǎn)生 ALE信

40、號在二分頻的基礎(chǔ)上再六分頻得到機(jī)器周期信號。本次設(shè)計中我們采用了6MHZ的晶體震蕩器。 圖25 時鐘電路圖Fig 25 Clock circuit diagram2.9 鍵盤與顯示電路的設(shè)計2.9.1 LED數(shù)碼顯示器的接口電路實際使用的LED數(shù)碼顯示器位數(shù)較多,為了簡化線路、降低成本，大多采用以軟件為主的接口方法。對于多位LED數(shù)碼顯示器，通常采用動態(tài)掃描顯示方法，即逐個地循環(huán)地點亮各位顯示12。這樣雖然在任一時刻只有1位顯示器被點亮，但是由于人眼具有視覺殘留效應(yīng)，看起來與全部顯示器持續(xù)點亮的效果基本一樣（在亮度上要有差別）。為了實現(xiàn)LED顯示器的動態(tài)掃描顯示，除了要給顯示器提供顯示段碼之外

41、，還要對顯示器進(jìn)行位的控制，即通常所說的“位控”。因此對于多位LED數(shù)碼顯示器的接口電路來說，需要有兩個輸出口，其中一個用于輸出顯示段碼；另一個用于輸出位控信號，“位控”實際上就是對LED顯示器的公共端進(jìn)行控制，位控信號的數(shù)目與顯示器的位數(shù)相同。 圖25 6位LED數(shù)碼顯示器接口的電路Fig 25 6 LED digital display interface circuit 圖25是使用8155作為6位LED數(shù)碼顯示器接口的電路，其中8155的A口為輸出口（段控口），用以輸出8位顯示段碼（包括小數(shù)點）?？紤]到LED顯示器的段電流為8mA左右，不能用8155的A口直接驅(qū)動，因此要加1級電流驅(qū)動

42、。電流驅(qū)動即可以用反相的，也可以用相同的。反相電流驅(qū)動器經(jīng)常使用7406；同相電流驅(qū)動器則采用7407或74LS244。（注意：使用OC門7406或7407時要加上拉電阻）C口作為輸出口（位控口），以PC0PC5輸出位控信號。由于位控信號控制的是LED顯示器的公共端，驅(qū)動電流較大，8段全亮?xí)r需要4060mA。因此必須在C口與LED的位控線之間增加電流驅(qū)動器以提高驅(qū)動能力，常用的有SN75452（反相）、7406（反相）或7407（同相）等。2.9.2 鍵盤接口電路對于8751或8051型單片機(jī)來說，如果不再外擴(kuò)程序存儲器的話，則可以利用P0P2口中的任意兩個口構(gòu)成多打8*8的鍵盤，其中1個作為

43、輸出口，1個作為輸入口，既可以采用掃描法，也可以采用線反轉(zhuǎn)法。如果單片機(jī)本身的口線已被占用的話，則可以通過外擴(kuò)I/O接口芯片來構(gòu)成鍵盤借口電路，較常用的是8155、8255A等接口芯片，圖26是采用8155接口芯片構(gòu)成2*6鍵盤的接口電路，其中B口為輸入，作為行線；C口為輸出，作為列線。 圖27 采用8155接口芯片構(gòu)成2*6鍵盤的接口電路Fig 27 Using 8155 interface chip 2*6 keyboard interface circuit 在本次的畢業(yè)設(shè)計中我們的顯示與鍵盤的設(shè)計如圖28。其中顯示器5個按鍵10個。 圖28 顯示與鍵盤的設(shè)計圖Fig 28 Displa

44、y and keyboard design 顯示器可顯示通道、溫度、升降溫速率、恒溫時間這幾項功能。10個按鍵盤分別為SET：恒溫設(shè)置鍵；SETUP：升溫速率設(shè)置鍵；SETDN；降溫速率設(shè)置鍵；SETTM：恒溫時設(shè)置鍵盤；CHN：通道選擇鍵；SUM：增一鍵；RL：右移鍵，ENTER：回車鍵盤；DTS：顯示鍵。2.10 DAC7521數(shù)模轉(zhuǎn)換接口 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的主要任務(wù)是:將模糊自整定PID控制器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成可控硅過零觸發(fā)電路所需的模擬控制量。本系統(tǒng)采用的觸發(fā)芯片TL494的觸發(fā)電壓需調(diào)至010V，移相范圍0°170°，故每度所需的移相電壓 控制0.1°所需移

45、相電壓增量為5.882 mV。這里采用12位DAC7521作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其滿度輸出10 V，輸出電流經(jīng)運放OP07變成電壓，分辨率為 每個量化單位可控制的移相角設(shè)為x°，則0.10°/5.882°= x°/2.44，即 可見控制器的控制平滑度和精度，都有較大的余量。D/A轉(zhuǎn)換器的接口邏輯如圖29所示。 圖29 數(shù)模轉(zhuǎn)換接口電路Fig 29 D/d conversion interface circuit DAC7521從8031的8位數(shù)據(jù)線上獲取12位的數(shù)據(jù)必須分兩次進(jìn)行。為了防止D/A轉(zhuǎn)換書輸出會有“毛刺”現(xiàn)象，這里采用了兩級緩沖器結(jié)構(gòu)。即8031先

46、把低8位送入第一級緩沖器，然后再送高4位數(shù)據(jù)時，同時選通第二級的兩片74LS373構(gòu)成的第一級緩沖器，使12位數(shù)據(jù)同時出現(xiàn)在DAC7521的數(shù)據(jù)輸出線上，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。D/A輸出的電流經(jīng)OP07反相后變?yōu)?10V的電壓信號。2.11 隔離放大器的設(shè)計電子電路抗干擾設(shè)計的有效方法是利用光電隔離。但是，由于光電隔離器件的電流傳輸系數(shù)是非線性的，直接用來傳輸模擬量時，非線性失真較大、精度差，我們利用光電耦合器件與運算放大器結(jié)合設(shè)計一個線性度較好的模擬量光隔離放大器電13。如圖30所示。圖30光電隔離放大器Fig 30 Photoelectric isolation amplifier 其中，G1,

47、G2是兩個性能、規(guī)格相同(同一封裝)的光電耦合器，G1,G2的初級串連，并用同一偏置電流I1激勵，設(shè)G1和G2的電流傳輸系數(shù)分別為a2和a2，則 ， 則集成運放A4具有理想性能，則 而輸出電壓U0為 因此，電路的電壓增益AV可由下式確定 則 (4) 由于G1、G2是同性能、同型號、同封裝的光電耦合器（MOC8111）,因此G1、G2的電流傳輸系數(shù)a1和a2可看作是相等的，所以光耦合放大器的電壓增益為 由此可知，如圖所示的光耦放大器增益與G1,G2的電流傳輸系數(shù)a1和a2無關(guān)。實際上是利用G1,G2電流傳輸系數(shù)的對稱性補(bǔ)償了它們之間的非線性。運放A5(uA741)接成跟隨器形式，以提高電路的負(fù)載

48、能力。運放A1連接反饋電容C，用來消除電路的自激振蕩。由于光電耦合器初級、次級之間存在著延遲，使G1和G2組成的負(fù)反饋電路之間顯得遲緩，容易引起電路C自激振蕩，連接電容之后，保證了電路對瞬變信號的負(fù)反饋作用，提高了電路的穩(wěn)定性。電容C的容量可根據(jù)電路的頻率特性要求來確定，經(jīng)實驗和實際應(yīng)用，電路的非線性誤差小于0.2%較好地解決了模擬信號不共地傳輸?shù)膯栴}。2.12 可控硅調(diào)功控溫可控硅調(diào)功控溫具有不沖擊電網(wǎng)，對用電設(shè)備不產(chǎn)生干擾等優(yōu)點，是一種應(yīng)用廣泛的控溫方式。所謂調(diào)功控溫就是在給定周期內(nèi)控制可控硅的導(dǎo)通時間，從而改變加熱功率，來實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。設(shè)采取(控制)周期為T,在T周期內(nèi)工頻交流電的半周波

49、數(shù)為N，如全導(dǎo)通時額定加熱功率為PH則實際的平均加熱功率與T周期內(nèi)實際導(dǎo)通的半周波數(shù)n成正比，即 (5) 2.12.1 過零觸發(fā)調(diào)功器的組成 目前，采用可控硅進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的觸發(fā)方式有兩種:過零觸發(fā)、移相觸發(fā)。移相觸發(fā)方式調(diào)功實際上是控制可控硅的導(dǎo)通角，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的，此方式易造成電磁干擾且電路復(fù)雜。據(jù)文獻(xiàn)專門介紹:采用移相觸發(fā)的可控硅交流調(diào)功裝置，往往在可控硅導(dǎo)通的瞬間使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)畸變，當(dāng)控制角為90°時，產(chǎn)生的三次諧波電流為基波電流的50%五次諧波也可達(dá)基波的1/6。這些諧波分量引起電網(wǎng)電壓波形畸變，功率因數(shù)下降，給其它用電設(shè)備和通訊系統(tǒng)的工作帶來不良影14。為此，人們研究了

50、各種避免電壓瞬時大幅度下降和抑制高次諧波的方法，過零觸發(fā)方式很好地解決了此類問題，它可把可控硅導(dǎo)通的起始點限制在電源電壓過零點，從而大大降低了諧波分量。然而，傳統(tǒng)的可控硅過零觸發(fā)調(diào)功器由同步脈沖產(chǎn)生電路、檢零電路、隔離電路組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降低了可靠性，而且采用分立元件，器件的離散性和溫漂嚴(yán)重影響調(diào)功器控制精度及使用壽命。實現(xiàn)可控硅調(diào)功控溫需解決3個技術(shù)關(guān)鍵:獲取工頻交流電源的過零觸發(fā)脈沖，作為觸發(fā)雙向可控硅的同步脈沖:將控制算法得到的控制量變?yōu)榭煽毓柙谥芷趦?nèi)的導(dǎo)通時間:隔離工頻交流電源強(qiáng)電對單片機(jī)系統(tǒng)和控制電路弱電的干擾。根據(jù)上述要求設(shè)計的可控硅調(diào)功控溫電路如圖31所示。該調(diào)功器主要由跟隨器、

51、PWM脈沖形成電路、光隔離/光耦合過零雙向可控硅驅(qū)動器及電源四部分組成。 圖31 可控硅調(diào)功原理圖Fig 31 Thyristor power diagram2.12.2 主要電路介紹 (1)PWM脈沖形成及脈寬調(diào)制電路TL494是德克薩斯儀器公司研制的雙端脈寬調(diào)制器，其功能框圖與引腳如圖32所示。圖32 TL494功能框圖與引腳Fig 32 The TL494 function block diagram and pins TL494在開關(guān)電源中應(yīng)用較多，在此，利用其脈寬調(diào)制功能構(gòu)成脈沖形成及脈寬調(diào)制電路。將芯片的5,6腳分別接振蕩器的電阻、電容，通過改變電阻、電容的大小，即可調(diào)節(jié)振蕩器頻率

52、(為了保證振蕩器的穩(wěn)定性，應(yīng)采用金屬膜電阻和漏電流的電容)。振蕩器產(chǎn)生的鋸齒形振蕩波被送到PWM比較器的反相輸入端，脈沖調(diào)寬電壓送到PWM比較器的同相輸入端，通過PWM比較器進(jìn)行比較，輸出一定寬度的脈沖波。當(dāng)調(diào)寬電壓變化時，TL494輸出的脈沖寬度也隨之改變，從而改變開關(guān)管的導(dǎo)通時間，達(dá)到調(diào)節(jié)、穩(wěn)定輸出電壓的目15。脈寬調(diào)寬電壓可由3腳直接送入的電壓來控制，也可分別從兩個誤差放大器輸入端送入，通過比較、放大經(jīng)隔離二極管輸出到PWM比較器的正相輸入端，此時3腳應(yīng)接RC網(wǎng)絡(luò)，提高整個電路的穩(wěn)定性。本設(shè)計將兩個誤差放大器的輸入端和反饋接地，將3腳直接接控制電壓，這時比較器A7輸出為一定額率的脈沖信號

53、，將13腳接地，則觸發(fā)器不起作用，所以改變控制電壓大小，即可改變10腳輸出脈沖的寬度。(2)光隔離/光耦合過零雙向可控硅驅(qū)動器MOC3041新型器件MOC3041的使用使調(diào)功器電路變得非常簡練，它集光電隔離、過零檢測功能于一身，具有體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、無噪聲等優(yōu)點，圖33為其構(gòu)成的可控硅基本驅(qū)動電路。圖33可控硅基本驅(qū)動電路Fig 33 The basic drive circuit of controlled silicon 圖中有關(guān)元件功能如下: Rs,Cs為吸收電路，并接在功率可控硅的陽極和陰極之間，起保護(hù)作用。因為負(fù)載若為感性，可控硅通、斷時會產(chǎn)生較大的反電動勢，可能引起可控硅的損壞，在相關(guān)電路上并聯(lián)吸收電路后，就能削弱高的瞬時電壓，從而保護(hù)可控硅。一般Cs,Rs取值靠經(jīng)驗確定，暫無一套完整的計算方法。