工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、0引 言在科學(xué)技術(shù)日新月異的今天，工藝精度、產(chǎn)品質(zhì)量的提高對(duì)于工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)的要求日益增強(qiáng)。對(duì)工業(yè)加熱爐的工作進(jìn)行監(jiān)視及報(bào)警，溫度值是加熱爐隨著加熱的需要隨時(shí)變化進(jìn)行控制的重要參數(shù)。但目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)工業(yè)還是采用加濕機(jī)等設(shè)備通過(guò)人工來(lái)控制加熱爐的溫度，很難達(dá)到最佳控制效果的，同時(shí)也無(wú)法進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄與時(shí)事管理。因此，工業(yè)加熱爐的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)取代人工完成成為了一種刻不容緩的需要，工業(yè)加熱爐的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)也是在這種需求的驅(qū)動(dòng)下被開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)的，并且達(dá)到了溫度控制、聲音報(bào)警的要求。由于工業(yè)加熱爐的溫度控制系統(tǒng)和報(bào)警自動(dòng)監(jiān)控器系統(tǒng)均采用電能作能源，因而可以通過(guò)對(duì)輸入功率的控制，達(dá)

2、到對(duì)溫度、聲音報(bào)警的控制。利用簡(jiǎn)單的單片機(jī)芯片組實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)并滿足系統(tǒng)的需要，又在經(jīng)濟(jì)上節(jié)約了支出，避免了系統(tǒng)小功能浪費(fèi)的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)深入調(diào)查和認(rèn)真分析本系統(tǒng)是一個(gè)二級(jí)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)承擔(dān)各個(gè)加熱爐的溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制以及報(bào)警監(jiān)視和報(bào)警的任務(wù)。控制中心位于中央控制室，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)的工作進(jìn)行管理，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集、顯示系統(tǒng)、打印報(bào)表以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)的工作狀態(tài)和溫度給定值的設(shè)置等工作。位于車間的工作人員值班室的值班機(jī)上，平時(shí)作為電子表運(yùn)行。當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)，值班機(jī)能以聲、顯示數(shù)據(jù)等報(bào)警形勢(shì)指示出報(bào)警的加熱爐。且當(dāng)控制總臺(tái)關(guān)機(jī)時(shí)，值班機(jī)能自動(dòng)上升為主機(jī)代替上位機(jī)接管通訊系統(tǒng)向

3、控制器發(fā)出報(bào)警查詢控制字。由于單片機(jī)的使用，現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)的任務(wù)也由單片機(jī)控制系統(tǒng)的人機(jī)接口部分來(lái)完成，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換通道部分實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的精確控制，最后采用8051單片機(jī)為主處理芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制處理。1 工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)1.1 溫度控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.1.1 選題的背景溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)。對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式、燃料、控制方案也有所不同。例如冶金、機(jī)械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等；控制方案有直

4、接數(shù)字控制（DDC）、推斷控制、預(yù)測(cè)控制、模糊控制、專家控制、魯棒控制、推理控制等。溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。隨著電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)具有處理能強(qiáng)、運(yùn)行速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，并且控制簡(jiǎn)單方便、測(cè)量范圍廣、精度較高。工業(yè)加熱爐的特點(diǎn)有：1） 爐熱慣性大2） 溫度變化遲緩3） 滯后情況嚴(yán)重4） 時(shí)變性所以當(dāng)其溫度一旦超調(diào)就無(wú)法用控制手段使其降溫，因而很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的模型和確定參數(shù)，應(yīng)用傳統(tǒng)的控制理論和方法難以達(dá)到理想的控制效果，所以這就迫切要求

5、我們的工業(yè)加熱爐的溫度控制技術(shù)得到提高。1.1.2 選題的意義隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片微型計(jì)算機(jī)的功能也不斷增強(qiáng)，許多高性能的新型機(jī)種不斷涌現(xiàn)出來(lái)。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，稱為自動(dòng)化和各個(gè)測(cè)控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中稱為必不可少的器件，尤其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來(lái)越大。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機(jī)更是起到了不可替代的核心作用。同樣我們?cè)谶@次設(shè)計(jì)中也利用了計(jì)算機(jī)軟件的作用。在第二章將詳細(xì)介紹硬件的選擇和特性，在第三章里將介紹控制器的設(shè)計(jì)的原理，在第四章里介紹工業(yè)加熱爐的軟件設(shè)計(jì)過(guò)程，并用匯編語(yǔ)言將其編制。1.2 溫度控制系統(tǒng)的功能介紹1.2.

6、1 系統(tǒng)模塊在工業(yè)生產(chǎn)中, 對(duì)溫度控制系統(tǒng)的要求主要是保證爐溫按規(guī)定的溫度工藝曲線變化、超調(diào)小或者無(wú)超調(diào)、穩(wěn)定性好、 不振蕩, 但對(duì)系統(tǒng)的快速性要求不高。所以在本次設(shè)計(jì)中將有以下主要模塊：1） 溫度檢測(cè)模塊2） 溫度信號(hào)變換模塊3） 溫度顯示模塊4） 溫度控制模塊5） 報(bào)警裝置在通常情況下，CPU（進(jìn)行運(yùn)算、控制）、RAM（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）、ROM（程序存儲(chǔ)）、輸入/輸出設(shè)備（例如：串行口、并行輸出口等），可以組成一臺(tái)能夠工作的計(jì)算機(jī)。有些單片機(jī)中除了上述部份外，還集成了其它部份如A/D、D/A等。例如在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，采用了許多附加控制驅(qū)動(dòng)電路芯片來(lái)達(dá)到上述模塊功能。1.2.2溫度控制系統(tǒng)原理分析在

7、工業(yè)生產(chǎn)中, 對(duì)溫度控制系統(tǒng)的要求主要是保證爐溫按規(guī)定的溫度工藝曲線變化、 超調(diào)小或者無(wú)超調(diào)、 穩(wěn)定性好、不振蕩， 至于系統(tǒng)的快速性要求則不高。以下淺析溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程及其實(shí)現(xiàn)方法。熱電偶將爐溫變換為模擬電壓信號(hào), 經(jīng)低通濾波濾掉干擾信號(hào)后送放大器, 信號(hào)放大為05 V 后送模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送往單片機(jī)。同時(shí), 熱電偶的冷端溫度也由溫度傳感器變?yōu)殡妷盒盘?hào), 經(jīng)放大和轉(zhuǎn)換后送給單片機(jī)。標(biāo)度變換程度根據(jù)溫度檢測(cè)值求得實(shí)際爐溫。數(shù)字調(diào)節(jié)器程序根據(jù)恒溫給定值的偏差, 按預(yù)定的PID 控制算法得到輸出控制量。數(shù)字觸發(fā)器程序根據(jù)控制電阻爐子的導(dǎo)通時(shí)間, 從而調(diào)節(jié)爐溫的變化使之與給定恒溫值一致。

8、顯示與恒溫判斷程序完成爐溫與恒溫時(shí)間顯示、恒溫開(kāi)始與恒溫完成判別、恒溫完成時(shí)給出聲光指示信號(hào)。斷偶判斷程序根據(jù)溫度檢測(cè)值判斷溫度傳感是否開(kāi)路；若開(kāi)路, 則給出斷偶報(bào)警信號(hào)。本次設(shè)計(jì)的工業(yè)爐溫控制系統(tǒng)是采用單片機(jī)8051為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其控制原理如下圖：圖1-1 溫度控制系統(tǒng)控制原理圖Fig 1 - 1 temperature control system control scheme1.3 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的的先決條件。一個(gè)穩(wěn)定性好的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸減小并趨于零。為了很好的完成控制任務(wù)，控制系統(tǒng)僅僅

9、滿足穩(wěn)定性要求是不夠的，還必須對(duì)其過(guò)渡過(guò)程的形式和快慢提出要求。因此，對(duì)控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間（即快速性）一般都有具體要求。在理想情況下，當(dāng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，被控量達(dá)到的穩(wěn)定值（即平衡狀態(tài)）應(yīng)與期望值一致。但實(shí)際上，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，外作用形式以及摩擦、間隙等非線性因素的影響，被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間會(huì)有誤差存在，稱為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)精度的重要標(biāo)志，在技術(shù)指標(biāo)中一般都有具體要求。所以穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，即穩(wěn)、準(zhǔn)、快是工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)必須滿足的要求。結(jié)合工業(yè)加熱爐的具體工藝要求即加熱爐爐內(nèi)溫度從室溫開(kāi)始自由升溫，當(dāng)溫度一旦到達(dá)正常工作的溫度最低限值時(shí)，就進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)節(jié)；當(dāng)溫度

10、到達(dá)正常工作的溫度時(shí)就進(jìn)入保溫段。要始終保證在系統(tǒng)控制之下，保證所需爐內(nèi)溫度的精度。加工結(jié)束，要進(jìn)行降溫控制。保溫階段的時(shí)間由工藝要求來(lái)決定。在保溫時(shí)間里，當(dāng)溫度高于正常工作的溫度的最高限值或低于正常工作的溫度最低限值時(shí)要及時(shí)報(bào)警，在升溫和降溫階段也要進(jìn)行控制，使?fàn)t內(nèi)的溫度按照預(yù)定的曲線斜率升降、保證系統(tǒng)有充足的時(shí)間過(guò)渡、確保設(shè)備和工作人員的安全。綜上所述，此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)所要完成的功能如下：1）本系統(tǒng)所檢測(cè)的溫度范圍為3001000攝氏度，當(dāng)溫度超過(guò)上限和低于下限時(shí)，發(fā)出報(bào)警，其連續(xù)鳴音30MS，并通過(guò)P1.4送出低電平，經(jīng)光電耦合后通過(guò)晶閘管驅(qū)動(dòng)自動(dòng)噴灑水的設(shè)備并監(jiān)測(cè)濕度值。為了保證數(shù)據(jù)的可

11、靠性，定時(shí)啟動(dòng)ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以檢測(cè)溫度值。 為了溫度控制的實(shí)現(xiàn)，即根據(jù)溫度給定值和采樣值的大小決定驅(qū)動(dòng)加熱爐的加熱過(guò)程的控制，即實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制。2）系統(tǒng)利用MCS-51系列單片機(jī)的片內(nèi)定時(shí)器T0，對(duì)溫度進(jìn)行10S定時(shí)，以滿足對(duì)溫度采樣周期的要求。在每次檢測(cè)溫度之后，進(jìn)行一次溫度顯示更新，即將新的溫度值經(jīng)過(guò)標(biāo)度變換后由鍵盤、顯示器接口芯片8279輸出給LED顯示器。2 工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用上下位控制，下位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，即現(xiàn)場(chǎng)控制計(jì)算機(jī)，它主要用于過(guò)程測(cè)量、控制、數(shù)據(jù)采集等工作，同時(shí)它具有可靠性高、實(shí)時(shí)性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)；上位采用可編程控制器，

12、它是一種以微處理器為核心，帶有指令儲(chǔ)存器和輸入、輸出接口，將自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)融為一體的新型工業(yè)控制裝置，即總臺(tái)控制中心。溫度控制系統(tǒng)是利用下位機(jī)設(shè)置溫度上下限、實(shí)時(shí)溫度的采集再傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。以達(dá)到對(duì)溫度的比較、控制。本設(shè)計(jì)采用MCS51單片機(jī)為主要硬件，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的復(fù)位電路，振蕩器和時(shí)鐘電路。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的此設(shè)計(jì)還設(shè)計(jì)了包括溫度采集、溫度顯示、系統(tǒng)控制、串口通信等外圍電路。而且對(duì)所設(shè)計(jì)電路給出了相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，包括定時(shí)器初始化、串行口初始化和數(shù)據(jù)傳輸?shù)瘸绦?。以?jiǎn)單說(shuō)明了溫度控制系統(tǒng)的工作原理。2.1 硬件功能根據(jù)本次設(shè)計(jì)的工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)的工藝要求，將系統(tǒng)的硬件分為一下幾個(gè)部分：

13、1）溫度檢測(cè)電路，包括熱電偶傳感器、放大器等部分。熱電偶傳感器具有價(jià)廉、精度高、構(gòu)造簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍寬(通常從- 50 + 1600 ) 及反應(yīng)快速的優(yōu)點(diǎn)。熱電偶傳感器輸出的電壓信號(hào)較為微弱(只有幾毫伏到幾十毫伏) , 因此在進(jìn)行A/ D 轉(zhuǎn)換之前必須進(jìn)行信號(hào)調(diào)理, 由高放大倍數(shù)的電路將它放大到A/ D 轉(zhuǎn)換器通常所要求的伏特級(jí)電平。2）溫度采集電路，對(duì)溫度檢測(cè)電路傳送過(guò)來(lái)的溫度進(jìn)行時(shí)事采集，并傳送給中央處理器。3）溫度控制驅(qū)動(dòng)電路，主要用于改變爐內(nèi)的溫度，使其達(dá)到控制的目的。從而符合工藝的要求。4）溫度初始化電路，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作。主要包括控制鍵盤。5）溫度顯示電路，對(duì)溫度值進(jìn)行顯示。6）

14、報(bào)警電路，當(dāng)爐內(nèi)的溫度低于最低限度溫度或高于最高限度溫度時(shí)進(jìn)行報(bào)警。從而更好的控制爐內(nèi)溫度。2.2 系統(tǒng)硬件方框圖根據(jù)工業(yè)加熱爐工作工藝的要求本次設(shè)計(jì)采用常用的MCS-51系列單片機(jī)中的8051作為CPU，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為6264，其容量為8K8位。所采用的AD轉(zhuǎn)換器選用ADC0809，溫度、濕度顯示采用LED顯示。為了不間斷監(jiān)視程序循環(huán)動(dòng)作時(shí)間，若發(fā)現(xiàn)時(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)間，則系統(tǒng)陷入了“死循環(huán)”，所以采用了“看門狗”技術(shù)。加熱爐的溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖2-1所示：圖2-1加熱爐的溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig 2-1 heating furnace temperature control syste

15、m hardware architecture2.3 加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是微機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制系統(tǒng)理論的進(jìn)步，以單片機(jī)為主芯片的廣泛應(yīng)用。工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)的控制精度有了很大的提高，在軟件的配合下，能自動(dòng)準(zhǔn)確的對(duì)加熱爐內(nèi)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。這里簡(jiǎn)要的對(duì)各個(gè)芯片及其功能進(jìn)行分析。2.3.1加熱爐的溫度控制系統(tǒng)的CPU及擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)CPU性能分析MCS-51系列單片機(jī)是Intel高檔8位機(jī)，是在MCS-48系列基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，也是我國(guó)目前應(yīng)用最廣泛的一種單片機(jī)。它包括8031、8051和8751這幾種芯片。它們之間的區(qū)別僅在于片內(nèi)存儲(chǔ)器，8031片

16、內(nèi)無(wú)程序存器，8051片4KB的ROM，8751片內(nèi)有4KB的EPROM；其它結(jié)構(gòu)性能相同。 8051內(nèi)置1個(gè)8位微處理器CPU、128字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、32個(gè)雙向輸入/輸出(I/O)口、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和5個(gè)兩級(jí)中斷源、2個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷嵌套結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信端口，特殊功能寄存器以及一個(gè)鐘振蕩器和時(shí)鐘電路。此外，8051還可工作于低功耗模式，可通過(guò)兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié)CPU，而RAM定時(shí)器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存RAM數(shù)據(jù)，時(shí)鐘振蕩停止，同時(shí)停止芯片內(nèi)其它功能。 8051的引腳圖如下：圖2-2 8051的引腳圖Fig

17、2-2 8051 pins charts1） 輸入輸出引腳P0、P1、P2、P3（共32根）P0口（3932腳）有三個(gè)功能： a）外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)做數(shù)據(jù)總線（如圖1中的D0D7為數(shù)據(jù)總線接口） b）外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線（如圖1中的A0A7為地址總線接口） c）不擴(kuò)展時(shí)，可做一般的I/O使用，但內(nèi)部無(wú)上拉電阻，作為輸入或輸出時(shí)應(yīng)在外部接上拉電阻。 P1口（18腳）是8位準(zhǔn)雙靜態(tài)I/O端口。 P2口（2128腳）有兩個(gè)功能： a）擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作擴(kuò)展電路高8位地址總線使用 ，送出高8位地址；b）是8位準(zhǔn)雙向I/O端口，其內(nèi)部有上拉電阻； P3口（1017腳）有兩個(gè)功能： 除了作

18、為I/O使用外（其內(nèi)部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來(lái)設(shè)置. P3口的第二功能見(jiàn)下表2-1.2) 電源引腳和a）（40腳）：電源端，接+5V。b）(20腳)：接+5V電源地。表2-1 P3口的第二功能Tab 2-1 P3 mouth of the second function位線引腳第二功能P3.0 10 RXD(串行輸入口)P3.1 11 TXD（串行輸出口） P3.2 12 （外部中斷0）P3.3 13 （外部中斷1）P3.4 14 T0（定時(shí)器0的計(jì)數(shù)輸入）P3.5 15 TI（定時(shí)器1的計(jì)數(shù)輸入）P3.6 16 （外部數(shù)據(jù)存貯器寫脈沖）P3.7 17 外部數(shù)據(jù)存貯器讀脈

19、沖）3) 外接晶振引腳XTAL1和XTAL2a）XTAL1（19腳）：片內(nèi)反向放大器輸入端，接外部晶振的一個(gè)引腳。當(dāng)單片機(jī)采用外部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，此引腳應(yīng)接地。b）XTAL2（18腳）：片內(nèi)外反相放大器輸出端，接外部晶振的另一個(gè)引腳。但單片機(jī)采用外部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，外部信號(hào)引腳接入。在本系統(tǒng)使用的是內(nèi)部時(shí)鐘，MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端。在XTAL1和XTAL2兩端跨接一個(gè)片外石英晶體或陶瓷諧振器就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器。這種方式稱為內(nèi)部時(shí)鐘方式。外接石英晶體時(shí)，電容 C1和C2的值常選擇為30PF左右陶瓷諧振器時(shí)，C1

20、和C2的值為47PF，接入電容 C1和C2有利于振蕩器起振，對(duì)頻率有微調(diào)作用，振蕩步態(tài)經(jīng)由石英晶體的諧 振頻率確定。一般振蕩頻率蕩圍是1.212MHZ，為了減少寄生電容，保證振蕩器穩(wěn)定可靠地工作，石英晶體或陶瓷諧振器和電容可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近。時(shí)鐘電路是一個(gè)二分頻觸發(fā)電路，它將振蕩器的信號(hào)頻率進(jìn)行二分頻，向芯片內(nèi)提供一個(gè)二節(jié)拍信號(hào)，在每個(gè)時(shí)鐘周期的前半周期內(nèi)，節(jié)拍1使信號(hào)P1有效，在每個(gè)時(shí)鐘周期的后半周期內(nèi)，節(jié)拍2使信號(hào)P2有效。4) 控制或其他電源復(fù)用引腳 a）RST/VPD（9腳）：復(fù)位信號(hào)輸入端。掉電后，此引腳可接備用電源，以保持內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)輸入的信號(hào)連續(xù)2個(gè)機(jī)器周期

21、以上高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作，當(dāng)復(fù)位后程序計(jì)數(shù)器PC=0000H，即復(fù)位后將從程序存儲(chǔ)器的0000H單元讀取第一條指令碼。b）ALE/（30腳）：地址鎖存允許端。當(dāng)單片機(jī)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，該引腳輸出信號(hào)用于鎖存P0端口送出的低8位地址。其輸出信號(hào)頻率為時(shí)鐘振蕩頻率的1/6（即6分頻）。c）（29腳）：外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)輸出端，或稱為片外取指信號(hào)輸出端。在從外部程序存儲(chǔ)器取指令期間，在每個(gè)機(jī)器周期兩次有效，其頻率為振蕩頻率的1/6；但若此期間有訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，則兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。在讀外部ROM時(shí)低電平有效，以實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。 d）/（31腳）

22、：當(dāng)其保持低電平時(shí)，單片機(jī)只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，而不管片內(nèi)是否有程序存儲(chǔ)器。8051內(nèi)部的CPU是一個(gè)字長(zhǎng)為8位的中央處理單元，也就是說(shuō)它對(duì)數(shù)據(jù)的處理是按字節(jié)為單位進(jìn)行的。和微型計(jì)算機(jī)CPU類似，8051內(nèi)部的CPU也是由運(yùn)算器（ALU）、控制器（定時(shí)控制部件等）和專用寄存器組3個(gè)部分電路組成的。運(yùn)算器8051的算術(shù)邏輯部件ALU是一個(gè)性能極強(qiáng)的運(yùn)算器，它既可以進(jìn)行加、減、乘、除四則運(yùn)算，也可以進(jìn)行與、或、非、異或等邏輯運(yùn)算，有數(shù)據(jù)傳送、移位、判斷和程序轉(zhuǎn)移等功能，同時(shí)還有獨(dú)特的位處理功能，如置位、清0、取反、轉(zhuǎn)移、檢測(cè)等。8051ALU為用戶提供了豐富的指令系統(tǒng)和極快的指令執(zhí)行速度，如振蕩器

23、頻率為12MHz的情況下，大部分指令的執(zhí)行時(shí)間為1us，乘法指令可達(dá)4us.8051的ALU由一個(gè)加法器、兩個(gè)8位暫存器（TMP1和TMP2）和一個(gè)性能卓著的布爾處理器組成。雖然TMP1和TMP2對(duì)用戶并不開(kāi)放，但也可用來(lái)為加法器和布爾處理器暫存兩個(gè)8位二進(jìn)制操作數(shù)。歸納其特點(diǎn)有如下：在B寄存器的配合下，能完成乘法與除法操作；可進(jìn)行多種內(nèi)容交換操作；比較判斷操作；有教強(qiáng)的位操作功能。定時(shí)控制器定時(shí)控制部件起著控制器作用，由定時(shí)控制邏輯、指令寄存器IR、指令譯碼器ID和振蕩器OSC等電路組成。專用寄存器組專用寄存器組主要用來(lái)指示當(dāng)前要執(zhí)行指令的內(nèi)存地址、存放操作數(shù)和指示指令執(zhí)行后的狀態(tài)等。它是任

24、何一臺(tái)計(jì)算機(jī)的CPU不可缺少的組成部件，其寄存器的數(shù)目因機(jī)器的型號(hào)不同而異。專用寄存器組主要包括計(jì)數(shù)器PC、累加器A、程序狀態(tài)寄存器PSW、堆棧指示器SP、數(shù)據(jù)指針DPTR和通用寄存器B等。振蕩器MCS-51單片機(jī)片內(nèi)設(shè)有一個(gè)高增益的反向放大器，通過(guò)XTAL1和XTAL2外接作為反饋元件的晶體振蕩器后便成為自激振蕩器。XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路輸入端和輸出端，時(shí)鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。采用內(nèi)部方式時(shí)，在XTAL1和XTAL2引腳上接石英晶體和微調(diào)電容可以構(gòu)成振蕩器，如圖2-3（a）所示。圖中C1、C2起穩(wěn)定振蕩器、快速起振的作用，其容值一般在5pF30 pF。如外接陶瓷諧

25、振器，C1、C2的典型值為47 pF。內(nèi)部振蕩器方式所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，適用電路中使用較多。震蕩頻率的選擇范圍為1MHz12MHz。外部振蕩方式就是把外部已有的時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)內(nèi)。這種方式適用于使單片機(jī)的時(shí)鐘與外部信號(hào)保持同步。圖2-3（b）是外部振蕩方式電路接法。圖2-3（a）單片機(jī)時(shí)鐘內(nèi)部振蕩電路Fig 2-3 (a) SCM internal clock oscillator circuitMCS-51單片機(jī)的存儲(chǔ)器有有片內(nèi)和片外之分。片內(nèi)存儲(chǔ)器集成在芯片內(nèi)部；片外存儲(chǔ)器又稱外部存儲(chǔ)器，是專門的存儲(chǔ)器芯片，需要通過(guò)打印制電路板上的三總線和MCS-51連接。片外和片內(nèi)存儲(chǔ)器中，又有R

26、OM和RAM之分。因此MCS-51單片機(jī)的存儲(chǔ)器在物理結(jié)構(gòu)上有4個(gè)存儲(chǔ)空間：片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、片外程序存儲(chǔ)器。對(duì)8051來(lái)說(shuō)，片內(nèi)有256B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及4KB的程序存儲(chǔ)器。圖2-3（b）單片機(jī)時(shí)鐘外部振蕩電路Fig 2-3 (b) MCU clock external shocks circuit1) 程序存儲(chǔ)器  程序存儲(chǔ)器用于存放編寫好的程序或常數(shù)。EA引腳接高電平，即可從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中（4KB）讀取指令，超過(guò)4KB后，CPU自動(dòng)轉(zhuǎn)向外部ROM執(zhí)行程序；EA引腳接低電平，則所有的讀取指令操作均在外部ROM中。讀取程序存儲(chǔ)器中的常數(shù)表格用MOVC指

27、令。程序存儲(chǔ)器的尋址空間為64KB，其中有7個(gè)單元具有特殊功能（中斷入口地址），見(jiàn)下表2-2。表2-2 程序存儲(chǔ)器特殊功能地址列表Tab.2-2 formality storage function address list地址事件名稱0000H系統(tǒng)復(fù)位0003H外部中斷0000BH定時(shí)器0溢出中斷0013H外部中斷1001BH定時(shí)器1溢出中斷0023H串行口中斷00H，因此系統(tǒng)必須從0000H單元開(kāi)始取指令執(zhí)行程序。一般在該單元中存入一條跳轉(zhuǎn)指令，而用戶設(shè)計(jì)的程序從跳轉(zhuǎn)后的地址開(kāi)始存放。2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。訪問(wèn)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用MOV指令，訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)

28、存儲(chǔ)器用MOVX指令。8051的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分成2塊：00H7FH和80HFFH。后128B用作特殊功能寄存器（SFR）空間，21個(gè)特殊功能寄存器離散分布在80HFFH的地址空間內(nèi)。3） 位存儲(chǔ)器20H2FH的16個(gè)單元為位尋址區(qū)，每個(gè)單元8位，共128位，其位尋址范圍為00H7FH。位尋址區(qū)的每一位都可當(dāng)做軟件觸發(fā)器，由程序直接進(jìn)行位處理。程序中通常把各種程序狀態(tài)標(biāo)志、位控變量設(shè)在位尋址區(qū)。同樣，位尋址區(qū)的RAM單元也可作為一般的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器按字節(jié)單元使用。4） 特殊功能寄存器FSR內(nèi)部RAM的高128個(gè)字節(jié)（80HFFH）為特殊功能寄存器FSR區(qū)，其中51子系列有21個(gè)，除這21個(gè)特殊功能

29、寄存器地址之外的其他單元是空閑沒(méi)用的，不能被訪問(wèn)，在使用時(shí)應(yīng)加以注意。5） 外部RAM外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器又稱外部RAM，當(dāng)片內(nèi)RAM不能滿足數(shù)量上的要求時(shí)，可通過(guò)總線端口和其他的I/O口擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)RAM，其最大容量可達(dá)64KB，其結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的功能基本相同，但前者不能用于堆棧操作。必須注意，由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器地址重疊，且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的片內(nèi)外的低字節(jié)地址重疊。所以，對(duì)片內(nèi)、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的操作使用了不同的指令。對(duì)片內(nèi)RAM讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)讀寫信號(hào)產(chǎn)生；對(duì)片外RAM讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)讀寫信號(hào)（和）產(chǎn)生。同樣，對(duì)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的操作也是靠不同的控制信號(hào)、或

30、來(lái)區(qū)別的。另外，在片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)區(qū)和擴(kuò)展的I/O口是統(tǒng)一編址的，使用的指令也是完全相同。因此，用戶在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理地進(jìn)行外部RAM和I/O端口的地址分配，并保證其統(tǒng)一性。 8051單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)常常不能滿足要求。因此，系統(tǒng)擴(kuò)展是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中不可缺少的。圖2-4 存儲(chǔ)器的空間結(jié)構(gòu)圖Fig 2-4 Memory spatial structure drawing系統(tǒng)擴(kuò)展是指單片機(jī)內(nèi)部各功能部件不能滿足系統(tǒng)要求時(shí)，在片外連接相應(yīng)的外圍芯片以滿足應(yīng)用系統(tǒng)要求。80C51系列單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展主要由程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展、I/O口的擴(kuò)展、終端系統(tǒng)擴(kuò)展及

31、其他特殊功能接口的擴(kuò)展等。1) 鎖存器74LS373由于MCS-51的P0口是分時(shí)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)線，因此必須利用地址鎖存器將地址信號(hào)從地址/數(shù)據(jù)線中分離出來(lái)，得到低8位地址A0A7。這種鎖存器也可作為數(shù)據(jù)鎖存器，鎖存CPU輸出的數(shù)據(jù)。常用的地址鎖存器，有帶三態(tài)緩沖輸出的8D鎖存器74LS373，它的引腳如圖2-5所示。圖中，是鎖存器三態(tài)門輸出使能端。=0時(shí)，鎖存器輸出；=1時(shí)，輸出呈高阻態(tài)。G是選通脈沖輸入端，選通脈沖有效時(shí)，數(shù)據(jù)輸入D0D7被鎖存。圖2-5 74LS373引腳圖Fig.2-5 The pins chart of 74LS3732) 程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展由于EPROM、EEPROM

32、集成技術(shù)的提高，可以使80C51系列單片機(jī)的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器容量越來(lái)越大，而且?guī)瑑?nèi)程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)的價(jià)格也大大降低。因此,存儲(chǔ)器的擴(kuò)展已不是必需的了。3) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM芯片有611662646256等。在8051的擴(kuò)展系統(tǒng)中，片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器一般有隨機(jī)存取存儲(chǔ)器組成，最大可擴(kuò)展64KB。一般用靜態(tài)RAM，采用8鎖存器74LS373。圖2-6為6264引腳圖，如下所示：圖2-6 6264引腳圖Fig.2-6 The pins chart of 6264圖2-7所示是用一片6264擴(kuò)展8K×8位片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的電路。擴(kuò)展如圖2-7其中芯片的地址范圍是0000H1

33、FFFH。圖2-7 8K片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路Fig.2-78K the enlarge circuitry of piece outside data storage4） 8051與8255A芯片連接方式如下：8255A是并行接口芯片，它可為CPU與外設(shè)之間提供并行輸入輸出的通道，可以通過(guò)軟件來(lái)設(shè)置該芯片的工作方式。8255A的基本特性1） 8255A是一個(gè)具有3個(gè)（A口、B口和C口）8位并行的I/O端口的接口芯片。并且PC口還具有按位置位/復(fù)位功能。2） 8255A能適應(yīng)CPU與I/O接口之間的多種數(shù)據(jù)傳送方式的要求。如無(wú)條件傳送，應(yīng)答方式傳送和中斷方式傳送。3） 8255A的PC口使用比

34、較特殊，除可作數(shù)據(jù)口外，當(dāng)工作方式1和工作方式2時(shí)，它的大部分引腳被分配作為專用聯(lián)絡(luò)信號(hào)；PC口還可以進(jìn)行按位控制；在CPU讀取8255A狀態(tài)時(shí)，PC口又作為方式1、2的狀態(tài)口用等。4） 8255內(nèi)部主要由控制寄存器、狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器組成。使用8255A時(shí)，主要是對(duì)這3類寄存器進(jìn)行編程。8255A的外部接線8255A有40個(gè)引腳的雙列直插芯片，單5V電源，其外部引腳如圖2-8所示。PA7PA0：A端口數(shù)據(jù)信號(hào)引腳。PB7PB0：B端口數(shù)據(jù)信號(hào)引腳。PC7PC0：C端口數(shù)據(jù)信號(hào)引腳。：芯片選擇。低電平動(dòng)作。當(dāng)=0時(shí)，8255被選擇；=1時(shí)，8255無(wú)法與CPU做數(shù)據(jù)傳輸。：讀取使能，低點(diǎn)平

35、動(dòng)作。=0，且=0時(shí)，CPU從8255讀取數(shù)。：寫入使能，低點(diǎn)平動(dòng)作。=0，且=0時(shí)，CPU將數(shù)據(jù)寫入8255。表2-3 8255A輸入輸出接口的選擇方式Tab.23 8255A inputs outputs connection choice wayA1 A0被選中的端口名0 0PA口0 1PB口1 0PC口1 1控制端口A0、A1：地址選擇線，用來(lái)選擇8255的PA口、PB口、PC口和控制寄存器。RESET：復(fù)位信號(hào)，高電平有效。RESET有效時(shí)，清除8255A中所有控制字寄存器內(nèi)容，并將各端口置成輸入方式。圖28 8255芯片圖 Fig 2-8 8255 chips charts8255

36、A內(nèi)部結(jié)構(gòu)8255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。它由以下四個(gè)部分組成。圖2-9 8255A內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig 2-9 8255A internal structure of the1） 并行輸入輸出端口A、B、C8255A包括3個(gè)8位輸入輸出，每個(gè)端口都有1個(gè)數(shù)據(jù)輸入寄存器和1個(gè)數(shù)據(jù)輸出寄存器，輸入時(shí)端口有三態(tài)緩沖器的功能，輸出時(shí)端口有數(shù)據(jù)縮存器的功能。2） A組和B組控制部件端口A與端口C的高4位（PC7PC4）構(gòu)成A組，由A組控制部件實(shí)現(xiàn)控制功能，端口B與端口C的低4位（PC3PC0）構(gòu)成B組，由B組控制部件實(shí)現(xiàn)控制功能。它們各有1個(gè)控制單元，可接收來(lái)自讀/寫控制部件的命令和CPU通過(guò)數(shù)據(jù)總線

37、（D7D0）送來(lái)的控制字，并根據(jù)它們來(lái)定義各個(gè)端口的操作方式。3） 數(shù)據(jù)總線緩沖存儲(chǔ)器這是一個(gè)三態(tài)雙向8位數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器，用于傳送單片機(jī)和8255A間的控制字、狀態(tài)字和端口數(shù)據(jù)。4） 讀/寫控制部件這部分電路可以接受單片機(jī)送來(lái)的讀寫命令和選口地址，并根據(jù)它們向片內(nèi)各功能部件發(fā)出控制命令。2.3.2 數(shù)據(jù)采集與控制電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是要是通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)工業(yè)加熱爐現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行溫度控制，就要從現(xiàn)場(chǎng)獲得信息，這個(gè)信息是溫度值。但溫度是模擬量，計(jì)算機(jī)無(wú)法直接識(shí)別，因此就必須把溫度這個(gè)模擬量變成數(shù)字量之后再輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。該通道設(shè)計(jì)的好與壞，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)及其工作的穩(wěn)定性。模擬輸入通道包括

38、兩大部分，其一是變送器，其二是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。實(shí)際上，模入通道的設(shè)計(jì)就是變送器的設(shè)計(jì)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器及溫度傳感器的選擇問(wèn)題。1）傳感器的選用及其原理圖2-8(a)是一種特殊結(jié)構(gòu)的電路直流單臂電橋，R1、R2、R3和R4叫電橋的臂，檢流計(jì)G接于AB之間稱為“橋”。一般情況下R1、R3兩端的電壓不相等，即A、B兩點(diǎn)間的電勢(shì)不等，G中有電流通過(guò)。改變R1、R3的大小，可以使UACUCB，這時(shí)G中無(wú)電流通過(guò)。當(dāng)G中無(wú)電流時(shí)叫做“電橋平衡”。圖2-8(a)所示的橋式電路，其輸出電壓可用與之差表示： =-= (2-1)為使測(cè)量前輸出=0，即使電橋平衡，應(yīng)滿足=條件。在滿足式(2-1)的條件下，當(dāng)電橋各臂電阻變

39、化遠(yuǎn)小于本身值（« ），橋的負(fù)載電阻無(wú)限大時(shí)2，輸出電壓可近似用下式表示： (2-2)如果將傳感器電阻接入一臂，見(jiàn)圖2-8（b），并且測(cè)量前令=， ，則： (2-3)在測(cè)量過(guò)程中，電阻、都不變化，即，因此 (2-4)(a) 橋式測(cè)量電路 (b) 傳感器測(cè)量電路(a) Measure circuit like a bridge (b) Measure circuit of hot sensitive resistance sensor圖2-8 測(cè)量電路Fig.2-8 Measure circuit 傳感器是將感受的物理量、化學(xué)量等信息，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量和傳輸?shù)男盘?hào)裝置。電信號(hào)易

40、于傳輸和處理，所以大多數(shù)的傳感器是將物理量等信息是轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的。傳感器主要用于測(cè)量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。在自動(dòng)測(cè)量過(guò)程或控制系統(tǒng)中，首先由傳感器接受被測(cè)量，而后把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，供顯示儀表指示或用來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如果傳感器不能靈敏地接受被測(cè)量，或者不能把被測(cè)量精確地轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其他儀表和裝置的精確度再高也無(wú)意義。計(jì)算機(jī)應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)時(shí)，也必須由傳感器提供準(zhǔn)確可靠的信息，如果傳感器的水平與計(jì)算機(jī)的水平不相適應(yīng)，計(jì)算機(jī)便不能充分發(fā)揮應(yīng)有的作用和效益。因此，傳感器是測(cè)量、控制系統(tǒng)中的一種關(guān)鍵裝置。傳感器的種類很多，分類的方法也不同，常用的分類法有兩種。一種是按

41、照傳感器的用途區(qū)分，如位移傳感器、力傳感器、荷重傳感器、速度傳感器、振動(dòng)傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器和密度傳感器等。另一種分類法是按傳感器的工作原理區(qū)分如電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、電渦流式傳感器、磁電式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器、磁彈性式傳感器、振頻式傳感器和電化學(xué)式傳感器等。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的模擬量輸入信號(hào)為工業(yè)加熱爐的溫度信號(hào)，而其工藝過(guò)程的溫度在800左右，因此，根據(jù)上面介紹的電橋平衡原理，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用集成溫度傳感器AD590，其測(cè)溫范圍為+3001000。要求工作電源為直流+4V-+30V，它能把溫度信號(hào)變?yōu)榕c絕對(duì)溫度成比例的電信號(hào)，比例因子為1UF

42、K。其穩(wěn)定性高、線性度好、測(cè)溫誤差有正負(fù)1、0.5和0.3幾種等級(jí)。根據(jù)本設(shè)計(jì)GO工藝特點(diǎn)，放大器采用穩(wěn)高精運(yùn)算放大OP07。AD590本身產(chǎn)生的是電流信號(hào)，通過(guò)運(yùn)算放大器OP07對(duì)電流作加法運(yùn)算，在運(yùn)放輸出端得到合適的電壓信號(hào)，作為AD轉(zhuǎn)換器的輸入，電阻R1、R2、和電位器RP1、RP2的選擇原則是使運(yùn)放輸出電壓被測(cè)有一個(gè)合適的對(duì)應(yīng)關(guān)系。本例還使用了光傳感器和煙霧傳感器，用來(lái)對(duì)火盜警的檢測(cè)。放大器采用OPA404，OPA404是高性能介質(zhì)隔離場(chǎng)效應(yīng)輸入運(yùn)算單片機(jī)運(yùn)算放大器。帶寬為6.4MHZ，高轉(zhuǎn)換速率為35V，低失調(diào)電壓最大為正負(fù)750UV，低偏置電流最在為正負(fù)4PA。輸出通道設(shè)計(jì)包括開(kāi)關(guān)

43、量和模擬量輸出通道的設(shè)計(jì)。開(kāi)關(guān)量要考慮功率和控制方式(繼電器、可控硅、三極管等)。模擬量輸出要考慮D/A轉(zhuǎn)換器的選擇(轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度、結(jié)構(gòu)、功耗等),輸出信號(hào)的形式(電流還是電壓) 、隔離方式、擴(kuò)展接口等輸出通道是單片機(jī)控制系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)（或控制設(shè)備）連接的紐帶和橋梁。設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)被控對(duì)象的通道數(shù)據(jù)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型進(jìn)行選擇。對(duì)于那些可直接接受數(shù)字量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可由單片機(jī)直接輸出數(shù)字量。對(duì)于那些需要接收模擬量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，則需要用D/A轉(zhuǎn)化，即把數(shù)字量變成模擬量后，再帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用中，輸入裝置通過(guò)I/O接口電路把程序、數(shù)據(jù)或現(xiàn)場(chǎng)采集到的各種信息輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果和控制

44、信息要通過(guò)I/O接口電路傳送到輸出裝置，以便顯示、打印，最后實(shí)現(xiàn)各種控制。本例的輸出通道為3條，是經(jīng)過(guò)光電耦合后再通過(guò)晶閘管驅(qū)動(dòng)噴灑水設(shè)備；最后達(dá)到控制溫度的作用。信號(hào)變送電路是系統(tǒng)溫度檢測(cè)電路和CPU之間的通信通道，其功能完成數(shù)據(jù)的傳送和轉(zhuǎn)換的作用，是溫度控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分，通常的設(shè)計(jì)都選用ADC0809和DAC0830轉(zhuǎn)換芯片，ADC0809芯片將來(lái)自溫度檢測(cè)電路的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)再送往CPU中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；DAC0832芯片是將來(lái)自CPU的數(shù)字信號(hào)命令轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)來(lái)控制設(shè)備。信號(hào)變送電路的傳輸速度和精度是設(shè)計(jì)此部分的重要指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)有著重大的影響。

45、在數(shù)字電子技術(shù)的很多應(yīng)用場(chǎng)合往往需要把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，稱為模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換器（A / D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱ADC）；或把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，稱為數(shù) / 模轉(zhuǎn)換器（D / A轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱DAC）。完成以上轉(zhuǎn)換的電路有多種，特別是單片大規(guī)模集成A / D、D / A轉(zhuǎn)換器問(wèn)世，為實(shí)現(xiàn)上述的轉(zhuǎn)換提供了極大的方便。使用者可借助于手冊(cè)提供的器件性能指標(biāo)及典型應(yīng)用電路，即可正確使用這些器件。在單片機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)中，許多被測(cè)量的信號(hào)往往是模擬量，它們經(jīng)過(guò)預(yù)處理(放大、VI轉(zhuǎn)換等)之后，在進(jìn)入計(jì)算機(jī)之前必須經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量。AD轉(zhuǎn)換接口是模擬通道中的主要環(huán)節(jié)。AD轉(zhuǎn)換接口的主要內(nèi)容是合理選擇AD轉(zhuǎn)換器件，以實(shí)現(xiàn)

46、與單片機(jī)的正確連接以及轉(zhuǎn)換程序。此次設(shè)計(jì)將采用大規(guī)模集成電路ADC0809實(shí)現(xiàn)A / D轉(zhuǎn)換后,與單片機(jī)進(jìn)行連接；再用DAC0832實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)噴灑水設(shè)備達(dá)到溫度控制的目的。1） A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0809與8051單片機(jī)的硬件接口有3種形式，分別是查詢方式、中斷方式和延時(shí)等待方式，本設(shè)計(jì)選用中斷接口方式。查詢方式：A/D轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測(cè)試EOC的狀態(tài)，即可確知轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。中斷方式：把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)（EOC）作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。定時(shí)傳送方式：ADC0809轉(zhuǎn)換時(shí)間

47、為128µs，相當(dāng)于6MHz的MCS-51單片機(jī)共64個(gè)機(jī)器周期?？蓳?jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用此子程序。延遲時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器、CMOS工藝。由寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等其它一些電路組成。因此，ADC0809可處理8路模擬量輸入，且有三態(tài)輸出能力，既可與各種微處理器相連，也可單獨(dú)工作。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-9：地址鎖存譯碼ALEADDCADDBADDA八路模擬信號(hào)選擇器IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0樹(shù)形開(kāi)關(guān)256RT型譯碼器逐次比較寄存器控制與時(shí)序8位ADCSTAR

48、T 啟動(dòng)時(shí)鐘 CLOCKEOC三態(tài)輸出鎖存器2827262524232221MSBLSB輸出允許OEVREF(+)VREF()圖2-9 ADC0809的變換內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig 2-9 ADC0809 transformation internal structure外部特性 ADC0809芯片為28引腳雙列直插式封裝，其引腳排列見(jiàn)圖2-10.所示：圖2-10 ADC0809引腳圖Fig.2-10 Pins chart of ADC0809IN7IN0：模擬量輸入通道。ADC0809對(duì)輸入模擬量的要求主要有：信號(hào)單極性，電壓范圍05 V，若信號(hào)過(guò)小還需進(jìn)行放大。另外，在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中，模擬量輸入的

49、值不應(yīng)變化太快；因此，對(duì)變化速度快的模擬量，在輸入前應(yīng)增加采樣保持電路A、B、C：地址線。A為低位地址，C為高位地址，用于對(duì)模擬通道進(jìn)行選擇。圖2-10 中為ADDA、ADDB和ADDC。ALE：地址鎖存允許信號(hào)。在對(duì)應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START：轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。START上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清0；START下跳沿時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。D7D0：數(shù)據(jù)輸出線。其為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。OE：輸出允許信號(hào)。其用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高電阻；OE=

50、1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 CLK：時(shí)鐘信號(hào)。ADC0809的內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)由外界提供，因此有時(shí)鐘信號(hào)引腳。通常使用頻率為500kHz的時(shí)鐘信號(hào)。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)。EOC=0，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1，轉(zhuǎn)換結(jié)束。該狀態(tài)信號(hào)既可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可以作為中斷請(qǐng)求信號(hào)使用。Vcc：+5 V電源。Vref：參考電源。參考電壓用來(lái)與輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為+5 V（Vref (+) =+5 V，Vref(-) =0 V）。由于ADC0809無(wú)片內(nèi)時(shí)鐘，時(shí)鐘信號(hào)可由單片機(jī)的ALE信號(hào)經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后獲得。ALE引腳得脈沖頻率是8051時(shí)鐘頻率的1

51、/6。該題目中單片機(jī)時(shí)鐘頻率采用6MHz,則ALE輸出的頻率是1MHz，二分頻后為500Hz,符合ADC0809對(duì)頻率的要求。由于ADC0809內(nèi)部設(shè)有地址鎖存器，所以通道地址由P0口的低3位直接與ADC0809的A、B、C相連。通道基本地址為0000H0007H?？刂菩盘?hào)：將P2.7作為片選信號(hào)，在啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由單片機(jī)的寫信號(hào)和P2.7控制ADC的地址鎖存和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。由于ALE和START連在一起，因此ADC0809在鎖存通道地址的同時(shí)也啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，用單片機(jī)的讀信號(hào)和P2.7引腳經(jīng)或非門后，產(chǎn)生正脈沖作為OE信號(hào)，用一打開(kāi)三態(tài)輸出鎖存器。其接口電路如圖2-11所示。圖2

52、-11 ADC0809與MCS-51的連接Fig.2-11 the connect ADC0809 with MCS-51當(dāng)8051通過(guò)對(duì)0000H0007H（基本地址）中的某個(gè)口地址進(jìn)行一次寫操作時(shí)，即可啟動(dòng)相應(yīng)通道的AD轉(zhuǎn)換；當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后,ADC0809的EOC端向8051發(fā)出中斷申請(qǐng)信號(hào)；8051通過(guò)對(duì)0000H0007H中的某個(gè)口地址進(jìn)行一次讀操作，即可得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。2） D/A轉(zhuǎn)換電路DAC0832是一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器。單電源供電，從+5V+15V均可正常工作?；鶞?zhǔn)電壓的范圍為±10V，電流建立時(shí)間為1S、CMOS工藝、低功耗20mW。3） DAC0832與8051單片機(jī)

53、的接口電路如下：圖212 DAC 0832 與8051接口電路Fig212 DAC 0832 and 8051 connections electric circuits上圖為兩個(gè)輸入寄存器同時(shí)受控的連接方法，和一起接8051的，和共同連接在P2.7，因此兩個(gè)寄存器的地址相同。DAC0832轉(zhuǎn)換器芯片為20引腳，雙列直插式封裝，其引腳排列如圖所示。DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。圖213 DAC0832 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig 2 13 DAC0832 internal structure diagramDAC0832是一種典型的的8位、電流輸出型、通用DAC芯片。由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可知DAC08

54、32可以方便地與微處理機(jī)接口。由三個(gè)與門電路組成寄存器輸出控制邏輯電路，該邏輯電路的功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存控制，當(dāng)=0時(shí)，輸入數(shù)據(jù)被鎖存；當(dāng)=1時(shí)，鎖存器的輸出跟隨輸入的數(shù)據(jù)。DAC0832形成以下3種工作方式：直通方式：和一直為高，數(shù)據(jù)可以直接進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器。單緩沖方式：或一直為高，只控制其中一級(jí)寄存器。雙緩沖方式：不讓和一直為高，控制兩級(jí)寄存器?？刂茝母咦兊停瑢腄10D17進(jìn)入的數(shù)據(jù)存入輸入寄存器。控制從高變低，將輸入寄存器的數(shù)據(jù)存入DAC寄存器，同時(shí)開(kāi)始D/A轉(zhuǎn)換。雙緩沖工作方式能做到對(duì)某個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換的同時(shí)，輸入下一個(gè)數(shù)據(jù)，還適用于要求多個(gè)模擬量同時(shí)輸出的場(chǎng)合。在ILE為高電平下

55、，通過(guò)和將數(shù)據(jù)寫入到8位輸入寄存器；通過(guò)和將數(shù)據(jù)寫入到8位DAC寄存器，同時(shí)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。DAC0832的模擬輸出、,此外，還有電源和地信號(hào)引腳。：模擬電流輸出1，它是邏輯電平為1的各位輸出電流之和。當(dāng)輸入數(shù)字為全“1”時(shí)，其值最大，為（255256）；當(dāng)輸入數(shù)字為全為“0”時(shí)，其值最小，為0。：模擬電流輸出2，它是邏輯電平為0的各位輸出電流之和。+=常量。：反饋電阻引出端。反饋電阻被集成在芯片內(nèi)，用作外接運(yùn)算放大器的反饋電阻，為D/A轉(zhuǎn)換器提供電壓輸出，該電阻與內(nèi)部R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)相匹配。Vref：基準(zhǔn)電壓，其電壓可正可負(fù),范圍-10V+10V。Vcc：電源電壓，為+5V+15V。DGND：數(shù)字地，芯片數(shù)字電路接地點(diǎn)。AGND：模擬地，芯片模擬電路接地點(diǎn)。由梯形電阻網(wǎng)絡(luò)組成的D/A轉(zhuǎn)換電路，其轉(zhuǎn)換結(jié)果是與輸入數(shù)字量成正比的電流，這稱為電流輸出型DAC。許多DAC芯片屬于這種形式。在實(shí)際應(yīng)用中，為了增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，還需