工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計樣本

資料內容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。0引言在科學技術日新月異的今天,工藝精度、產品質量的提高對于工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)的要求日益增強。對工業(yè)加熱爐的工作進行監(jiān)視及報警,溫度值是加熱爐隨著加熱的需要隨時變化進行控制的重要參數(shù)。但當前國內絕大多數(shù)工業(yè)還是采用加濕機等設備經過人工來控制加熱爐的溫度,很難達到最佳控制效果的,同時也無法進行溫度數(shù)據(jù)的自動記錄與時事管理。因此,工業(yè)加熱爐的溫度自動控制系統(tǒng)取代人工完成成為了一種刻不容緩的需要,工業(yè)加熱爐的溫度自動控制系統(tǒng)也是在這種需求的驅動下被開發(fā)和實現(xiàn)的,而且達到了溫度控制、聲音報警的要求。由于工業(yè)加熱爐的溫度控制系統(tǒng)和報警自動監(jiān)控器系統(tǒng)均采用電能作能源,因而能夠經過對輸入功率的控制,達到對溫度、聲音報警的控制。利用簡單的單片機芯片組實現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能,能夠實現(xiàn)并滿足系統(tǒng)的需要,又在經濟上節(jié)約了支出,避免了系統(tǒng)小功能浪費的現(xiàn)象。經過深入調查和認真分析本系統(tǒng)是一個二級計算機測控系統(tǒng)?，F(xiàn)場計算機承擔各個加熱爐的溫度實時檢測與控制以及報警監(jiān)視和報警的任務?？刂浦行奈挥谥醒肟刂剖?負責對現(xiàn)場計算機的工作進行管理,完成實時數(shù)據(jù)收集、顯示系統(tǒng)、打印報表以及對現(xiàn)場計算機的工作狀態(tài)和溫度給定值的設置等工作。位于車間的工作人員值班室的值班機上,平時作為電子表運行。當報警發(fā)生時,值班機能以聲、顯示數(shù)據(jù)等報警形勢指示出報警的加熱爐。且當控制總臺關機時,值班機能自動上升為主機代替上位機接管通訊系統(tǒng)向控制器發(fā)出報警查詢控制字。由于單片機的使用,現(xiàn)場計算機的任務也由單片機控制系統(tǒng)的人機接口部分來完成,再經過模數(shù)轉換通道部分實現(xiàn)對系統(tǒng)的精確控制,最后采用8051單片機為主處理芯片實現(xiàn)對系統(tǒng)進行控制處理。1工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)1.1溫度控制系統(tǒng)簡介1.1.1選題的背景溫度是工業(yè)生產中常見的工藝參數(shù)之一,任何物理變化和化學反應過程都與溫度密切相關,因此溫度控制是生產自動化的重要任務。對于不同生產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、機械、食品、化工等各類工業(yè)生產中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應爐等;燃料有煤氣、天然氣、油、電等;控制方案有直接數(shù)字控制(DDC)、推斷控制、預測控制、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、機械、石油等工業(yè)中,具有舉足重輕的作用。隨著電子技術和微型計算機的迅速發(fā)展,微機測量和控制技術得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。單片機具有處理能強、運行速度快、功耗低等優(yōu)點,而且控制簡單方便、測量范圍廣、精度較高。工業(yè)加熱爐的特點有:爐熱慣性大溫度變化遲緩滯后情況嚴重時變性因此當其溫度一旦超調就無法用控制手段使其降溫,因而很難用數(shù)學方法建立精確的模型和確定參數(shù),應用傳統(tǒng)的控制理論和方法難以達到理想的控制效果,因此這就迫切要求我們的工業(yè)加熱爐的溫度控制技術得到提高。

1.1.2選題的意義隨著集成電路技術的發(fā)展,單片微型計算機的功能也不斷增強,許多高性能的新型機種不斷涌現(xiàn)出來。單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點,稱為自動化和各個測控領域中廣泛應用的器件,在工業(yè)生產中稱為必不可少的器件,特別是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大。在溫度控制系統(tǒng)中,單片機更是起到了不可替代的核心作用。同樣我們在這次設計中也利用了計算機軟件的作用。在第二章將詳細介紹硬件的選擇和特性,在第三章里將介紹控制器的設計的原理,在第四章里介紹工業(yè)加熱爐的軟件設計過程,并用匯編語言將其編制。1.2溫度控制系統(tǒng)的功能介紹1.2.1系統(tǒng)模塊在工業(yè)生產中,對溫度控制系統(tǒng)的要求主要是保證爐溫按規(guī)定的溫度工藝曲線變化、超調小或者無超調、穩(wěn)定性好、不振蕩,但對系統(tǒng)的快速性要求不高。因此在本次設計中將有以下主要模塊:溫度檢測模塊溫度信號變換模塊溫度顯示模塊溫度控制模塊報警裝置在一般情況下,CPU(進行運算、控制)、RAM(數(shù)據(jù)存儲)、ROM(程序存儲)、輸入/輸出設備(例如:串行口、并行輸出口等),能夠組成一臺能夠工作的計算機。有些單片機中除了上述部份外,還集成了其它部份如A/D、D/A等。例如在本設計系統(tǒng)中,采用了許多附加控制驅動電路芯片來達到上述模塊功能。1.2.2溫度控制系統(tǒng)原理分析在工業(yè)生產中,對溫度控制系統(tǒng)的要求主要是保證爐溫按規(guī)定的溫度工藝曲線變化、超調小或者無超調、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)設計過程及其實現(xiàn)方法。熱電偶將爐溫變換為模擬電壓信號,經低通濾波濾掉干擾信號后送放大器,信號放大為0～5V后送模/數(shù)轉換器轉換為數(shù)字量送往單片機。同時,熱電偶的冷端溫度也由溫度傳感器變?yōu)殡妷盒盘?經放大和轉換后送給單片機。標度變換程度根據(jù)溫度檢測值求得實際爐溫。數(shù)字調節(jié)器程序根據(jù)恒溫給定值的偏差,按預定的PID控制算法得到輸出控制量。數(shù)字觸發(fā)器程序根據(jù)控制電阻爐子的導通時間,從而調節(jié)爐溫的變化使之與給定恒溫值一致。顯示與恒溫判斷程序完成爐溫與恒溫時間顯示、恒溫開始與恒溫完成判別、恒溫完成時給出聲光指示信號。斷偶判斷程序根據(jù)溫度檢測值判斷溫度傳感是否開路;若開路,則給出斷偶報警信號。本次設計的工業(yè)爐溫控制系統(tǒng)是采用單片機8051為核心的自動控制系統(tǒng),其控制原理如下圖:圖1-1溫度控制系統(tǒng)控制原理圖Fig1-1temperaturecontrolsystemcontrolscheme1.3溫度控制系統(tǒng)設計要求在工業(yè)生產過程中,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隨時間的增長逐漸減小并趨于零。為了很好的完成控制任務,控制系統(tǒng)僅僅滿足穩(wěn)定性要求是不夠的,還必須對其過渡過程的形式和快慢提出要求。因此,對控制系統(tǒng)過渡過程的時間(即快速性)一般都有具體要求。在理想情況下,當過渡過程結束后,被控量達到的穩(wěn)定值(即平衡狀態(tài))應與期望值一致。但實際上,由于系統(tǒng)結構,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)精度的重要標志,在技術指標中一般都有具體要求。因此穩(wěn)定性、快速性和準確性,即穩(wěn)、準、快是工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)必須滿足的要求。結合工業(yè)加熱爐的具體工藝要求即加熱爐爐內溫度從室溫開始自由升溫,當溫度一旦到達正常工作的溫度最低限值時,就進入系統(tǒng)調節(jié);當溫度到達正常工作的溫度時就進入保溫段。要始終保證在系統(tǒng)控制之下,保證所需爐內溫度的精度。加工結束,要進行降溫控制。保溫階段的時間由工藝要求來決定。在保溫時間里,當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要及時報警,在升溫和降溫階段也要進行控制,使爐內的溫度按照預定的曲線斜率升降、保證系統(tǒng)有充分的時間過渡、確保設備和工作人員的安全。綜上所述,此次設計的系統(tǒng)所要完成的功能如下:1)本系統(tǒng)所檢測的溫度范圍為300～1000攝氏度,當溫度超過上限和低于下限時,發(fā)出報警,其連續(xù)鳴音30MS,并經過P1.4送出低電平,經光電耦合后經過晶閘管驅動自動噴灑水的設備并監(jiān)測濕度值。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性,定時啟動ADC0809進行A/D轉換,以檢測溫度值。為了溫度控制的實現(xiàn),即根據(jù)溫度給定值和采樣值的大小決定驅動加熱爐的加熱過程的控制,即實現(xiàn)對溫度控制。2)系統(tǒng)利用MCS-51系列單片機的片內定時器T0,對溫度進行10S定時,以滿足對溫度采樣周期的要求。在每次檢測溫度之后,進行一次溫度顯示更新,即將新的溫度值經過標度變換后由鍵盤、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)硬件設計本系統(tǒng)采用上下位控制,下位機采用工業(yè)控制計算機,即現(xiàn)場控制計算機,它主要用于過程測量、控制、數(shù)據(jù)采集等工作,同時它具有可靠性高、實時性好、環(huán)境適應性強等諸多優(yōu)點;上位采用可編程控制器,它是一種以微處理器為核心,帶有指令儲存器和輸入、輸出接口,將自動化技術和計算機技術融為一體的新型工業(yè)控制裝置,即總臺控制中心。溫度控制系統(tǒng)是利用下位機設置溫度上下限、實時溫度的采集再傳輸?shù)缴衔粰C。以達到對溫度的比較、控制。本設計采用MCS51單片機為主要硬件,并設計了相應的復位電路,振蕩器和時鐘電路。為實現(xiàn)設計目的此設計還設計了包括溫度采集、溫度顯示、系統(tǒng)控制、串口通信等外圍電路。而且對所設計電路給出了相應的軟件設計,包括定時器初始化、串行口初始化和數(shù)據(jù)傳輸?shù)瘸绦?。以簡單說明了溫度控制系統(tǒng)的工作原理。2.1硬件功能根據(jù)本次設計的工業(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部分:1)溫度檢測電路,包括熱電偶傳感器、放大器等部分。熱電偶傳感器具有價廉、精度高、構造簡單、測量范圍寬(一般從-50～+1600℃)及反應快速的優(yōu)點。熱電偶傳感器輸出的電壓信號較為微弱(只有幾毫伏到幾十毫伏),因此在進行A/D轉換之前必須進行信號調理,由高放大倍數(shù)的電路將它放大到A/D轉換器一般所要求的伏特級電平。2)溫度采集電路,對溫度檢測電路傳送過來的溫度進行時事采集,并傳送給中央處理器。3)溫度控制驅動電路,主要用于改變爐內的溫度,使其達到控制的目的。從而符合工藝的要求。4)溫度初始化電路,對系統(tǒng)進行初始化操作。主要包括控制鍵盤。5)溫度顯示電路,對溫度值進行顯示。6)報警電路,當爐內的溫度低于最低限度溫度或高于最高限度溫度時進行報警。從而更好的控制爐內溫度。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計采用常見的MCS-51系列單片機中的8051作為CPU,數(shù)據(jù)存儲器為6264,其容量為8K8位。所采用的A∕D轉換器選用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)動作時間,若發(fā)現(xiàn)時間超過設定時間,則系統(tǒng)陷入了”死循環(huán)”,因此采用了”看門狗”技術。加熱爐的溫度控制系統(tǒng)硬件結構,如圖2-1所示:圖2-1加熱爐的溫度控制系統(tǒng)硬件結構Fig2-1heatingfurnacetemperaturecontrolsystemhardwarearchitecture2.3加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件電路設計隨著電子計算機技術特別是微機技術的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制系統(tǒng)理論的進步,以單片機為主芯片的廣泛應用。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,能自動準確的對加熱爐內的溫度進行監(jiān)測與控制。這里簡要的對各個芯片及其功能進行分析。2.3.1加熱爐的溫度控制系統(tǒng)的CPU及擴展電路設計CPU性能分析MCS-51系列單片機是Intel高檔8位機,是在MCS-48系列基礎上發(fā)展而成的,也是中國當前應用最廣泛的一種單片機。它包括8031、8051和8751這幾種芯片。它們之間的區(qū)別僅在于片內存儲器,8031片內無程序存器,8051片4KB的ROM,8751片內有4KB的EPROM;其它結構性能相同。

8051內置1個8位微處理器CPU、128字節(jié)內部數(shù)據(jù)存儲器RAM、32個雙向輸入/輸出(I/O)口、2個16位定時/計數(shù)器和5個兩級中斷源、2個優(yōu)先級的中斷嵌套結構,一個全雙工串行通信端口,特殊功能寄存器以及一個鐘振蕩器和時鐘電路。另外,8051還可工作于低功耗模式,可經過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結CPU,而RAM定時器、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),時鐘振蕩停止,同時停止芯片內其它功能。

8051的引腳圖如下:圖2-28051的引腳圖Fig2-28051pinscharts1)輸入輸出引腳P0、P1、P2、P3(共32根)P0口(39～32腳)有三個功能:a)外部擴展存儲器時,當做數(shù)據(jù)總線(如圖1中的D0~D7為數(shù)據(jù)總線接口)b)外部擴展存儲器時,當作地址總線(如圖1中的A0~A7為地址總線接口)c)不擴展時,可做一般的I/O使用,但內部無上拉電阻,作為輸入或輸出時應在外部接上拉電阻。P1口(1～8腳)是8位準雙靜態(tài)I/O端口。P2口(21～28腳)有兩個功能:a)擴展外部存儲器時,當作擴展電路高8位地址總線使用,送出高8位地址;b)是8位準雙向I/O端口,其內部有上拉電阻;P3口(10～17腳)有兩個功能:除了作為I/O使用外(其內部有上拉電阻),還有一些特殊功能,由特殊寄存器來設置.P3口的第二功能見下表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2-1P3口的第二功能Tab2-1P3mouthofthesecondfunction位線引腳第二功能P3.010RXD(串行輸入口)P3.111TXD(串行輸出口)P3.212(外部中斷0)P3.313(外部中斷1)P3.414T0(定時器0的計數(shù)輸入)P3.515TI(定時器1的計數(shù)輸入)P3.616(外部數(shù)據(jù)存貯器寫脈沖)P3.717外部數(shù)據(jù)存貯器讀脈沖)3)外接晶振引腳XTAL1和XTAL2a)XTAL1(19腳):片內反向放大器輸入端,接外部晶振的一個引腳。當單片機采用外部時鐘信號時,此引腳應接地。b)XTAL2(18腳):片內外反相放大器輸出端,接外部晶振的另一個引腳。但單片機采用外部時鐘信號時,外部信號引腳接入。在本系統(tǒng)使用的是內部時鐘,MCS-51單片機內部有一個用于構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XTAL2兩端跨接一個片外石英晶體或陶瓷諧振器就構成了穩(wěn)定的自激振蕩器。這種方式稱為內部時鐘方式。外接石英晶體時,電容C1和C2的值常選擇為30PF左右陶瓷諧振器時,C1和C2的值為47PF,接入電容C1和C2有利于振蕩器起振,對頻率有微調作用,振蕩步態(tài)經由石英晶體的諧振頻率確定。一般振蕩頻率蕩圍是1.2～12MHZ,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芯片靠近。時鐘電路是一個二分頻觸發(fā)電路,它將振蕩器的信號頻率進行二分頻,向芯片內提供一個二節(jié)拍信號,在每個時鐘周期的前半周期內,節(jié)拍1使信號P1有效,在每個時鐘周期的后半周期內,節(jié)拍2使信號P2有效。4)控制或其它電源復用引腳a)RST/VPD(9腳):復位信號輸入端。掉電后,此引腳可接備用電源,以保持內部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。當輸入的信號連續(xù)2個機器周期以上高電平時即為有效,用以完成單片機的復位初始化操作,當復位后程序計數(shù)器PC=0000H,即復位后將從程序存儲器的0000H單元讀取第一條指令碼。b)ALE/(30腳):地址鎖存允許端。當單片機訪問外部存儲器時,該引腳輸出信號用于鎖存P0端口送出的低8位地址。其輸出信號頻率為時鐘振蕩頻率的1/6(即6分頻)。c)(29腳):外部程序存儲器的讀選通信號輸出端,或稱為片外取指信號輸出端。在從外部程序存儲器取指令期間,在每個機器周期兩次有效,其頻率為振蕩頻率的1/6;但若此期間有訪問外部數(shù)據(jù)存儲器,則兩次有效的信號將不出現(xiàn)。在讀外部ROM時低電平有效,以實現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。d)/(31腳):當其保持低電平時,單片機只訪問外部程序存儲器,而不論片內是否有程序存儲器。8051內部的CPU是一個字長為8位的中央處理單元,也就是說它對數(shù)據(jù)的處理是按字節(jié)為單位進行的。和微型計算機CPU類似,8051內部的CPU也是由運算器(ALU)、控制器(定時控制部件等)和專用寄存器組3個部分電路組成的。運算器8051的算術邏輯部件ALU是一個性能極強的運算器,它既能夠進行加、減、乘、除四則運算,也能夠進行與、或、非、異或等邏輯運算,有數(shù)據(jù)傳送、移位、判斷和程序轉移等功能,同時還有獨特的位處理功能,如置位、清0、取反、轉移、檢測等。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,如振蕩器頻率為12MHz的情況下,大部分指令的執(zhí)行時間為1us,乘法指令可達4us.8051的ALU由一個加法器、兩個8位暫存器(TMP1和TMP2)和一個性能卓著的布爾處理器組成。雖然TMP1和TMP2對用戶并不開放,但也可用來為加法器和布爾處理器暫存兩個8位二進制操作數(shù)。歸納其特點有如下:在B寄存器的配合下,能完成乘法與除法操作;可進行多種內容交換操作;比較判斷操作;有教強的位操作功能。定時控制器定時控制部件起著控制器作用,由定時控制邏輯、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指示當前要執(zhí)行指令的內存地址、存放操作數(shù)和指示指令執(zhí)行后的狀態(tài)等。它是任何一臺計算機的CPU不可缺少的組成部件,其寄存器的數(shù)目因機器的型號不同而異。專用寄存器組主要包括計數(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單片機片內設有一個高增益的反向放大器,經過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,時鐘能夠由內部方式產生或外部方式產生。采用內部方式時,在XTAL1和XTAL2引腳上接石英晶體和微調電容能夠構成振蕩器,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5pF～30pF。如外接陶瓷諧振器,C1、C2的典型值為47pF。內部振蕩器方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定,適用電路中使用較多。震蕩頻率的選擇范圍為1MHz～12MHz。外部振蕩方式就是把外部已有的時鐘信號引入單片機內。這種方式適用于使單片機的時鐘與外部信號保持同步。圖2-3(b)是外部振蕩方式電路接法。圖2-3(a)單片機時鐘內部振蕩電路Fig2-3(a)SCMinternalclockoscillatorcircuitMCS-51單片機的存儲器有有片內和片外之分。片內存儲器集成在芯片內部;片外存儲器又稱外部存儲器,是專門的存儲器芯片,需要經過打印制電路板上的三總線和MCS-51連接。片外和片內存儲器中,又有ROM和RAM之分。因此MCS-51單片機的存儲器在物理結構上有4個存儲空間:片內數(shù)據(jù)存儲器、片外數(shù)據(jù)存儲器、片內程序存儲器、片外程序存儲器。對8051來說,片內有256B的數(shù)據(jù)存儲器及4KB的程序存儲器。圖2-3(b)單片機時鐘外部振蕩電路Fig2-3(b)MCUclockexternalshockscircuit1)程序存儲器

程序存儲器用于存放編寫好的程序或常數(shù)。EA引腳接高電平,即可從內部程序存儲器中(4KB)讀取指令,超過4KB后,CPU自動轉向外部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。讀取程序存儲器中的常數(shù)表格用MOVC指令。程序存儲器的尋址空間為64KB,其中有7個單元具有特殊功能(中斷入口地址),見下表2-2。表2-2程序存儲器特殊功能地址列表Tab.2-2formalitystoragefunctionaddresslist地址事件名稱0000H系統(tǒng)復位0003H外部中斷0000BH定時器0溢出中斷0013H外部中斷1001BH定時器1溢出中斷0023H串行口中斷00H,因此系統(tǒng)必須從0000H單元開始取指令執(zhí)行程序。一般在該單元中存入一條跳轉指令,而用戶設計的程序從跳轉后的地址開始存放。2)數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器分為外部數(shù)據(jù)存儲器和內部數(shù)據(jù)存儲器。訪問內部數(shù)據(jù)存儲器用MOV指令,訪問外部數(shù)據(jù)存儲器用MOVX指令。8051的內部數(shù)據(jù)存儲器分成2塊:00H~7FH和80H~FFH。后128B用作特殊功能寄存器(SFR)空間,21個特殊功能寄存器離散分布在80H~FFH的地址空間內。3)位存儲器20H～2FH的16個單元為位尋址區(qū),每個單元8位,共128位,其位尋址范圍為00H～7FH。位尋址區(qū)的每一位都可當做軟件觸發(fā)器,由程序直接進行位處理。程序中一般把各種程序狀態(tài)標志、位控變量設在位尋址區(qū)。同樣,位尋址區(qū)的RAM單元也可作為一般的數(shù)據(jù)存儲器按字節(jié)單元使用。4)特殊功能寄存器FSR內部RAM的高128個字節(jié)(80H～FFH)為特殊功能寄存器FSR區(qū),其中51子系列有21個,除這21個特殊功能寄存器地址之外的其它單元是空閑沒用的,不能被訪問,在使用時應加以注意。5)外部RAM外部數(shù)據(jù)存儲器又稱外部RAM,當片內RAM不能滿足數(shù)量上的要求時,可經過總線端口和其它的I/O口擴展外部數(shù)據(jù)RAM,其最大容量可達64KB,其結構如圖2-4所示。外部數(shù)據(jù)存儲器和內部數(shù)據(jù)存儲器的功能基本相同,但前者不能用于堆棧操作。必須注意,由于數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器地址重疊,且數(shù)據(jù)存儲器的片內外的低字節(jié)地址重疊。因此,對片內、片外數(shù)據(jù)存儲器的操作使用了不同的指令。對片內RAM讀寫數(shù)據(jù)時,無讀寫信號產生;對片外RAM讀寫數(shù)據(jù)時,無讀寫信號(和)產生。同樣,對程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的操作也是靠不同的控制信號、或來區(qū)別的。另外,在片外數(shù)據(jù)存儲器中,數(shù)據(jù)區(qū)和擴展的I/O口是統(tǒng)一編址的,使用的指令也是完全相同。因此,用戶在應用系統(tǒng)設計時,必須合理地進行外部RAM和I/O端口的地址分配,并保證其統(tǒng)一性。8051單片機的系統(tǒng)擴展單片機最小應用系統(tǒng)常常不能滿足要求。因此,系統(tǒng)擴展是單片機應用系統(tǒng)中不可缺少的。圖2-4存儲器的空間結構圖Fig2-4Memoryspatialstructuredrawing系統(tǒng)擴展是指單片機內部各功能部件不能滿足系統(tǒng)要求時,在片外連接相應的外圍芯片以滿足應用系統(tǒng)要求。80C51系列單片機的系統(tǒng)擴展主要由程序存儲器的擴展、數(shù)據(jù)存儲器的擴展、I/O口的擴展、終端系統(tǒng)擴展及其它特殊功能接口的擴展等。1)鎖存器74LS373由于MCS-51的P0口是分時復用的地址/數(shù)據(jù)線,因此必須利用地址鎖存器將地址信號從地址/數(shù)據(jù)線中分離出來,得到低8位地址A0~A7。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)。常見的地址鎖存器,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,鎖存器輸出;=1時,輸出呈高阻態(tài)。G是選通脈沖輸入端,選通脈沖有效時,數(shù)據(jù)輸入D0~D7被鎖存。圖2-574LS373引腳圖Fig.2-5Thepinschartof74LS3732)程序存儲器擴展由于EPROM、EEPROM集成技術的提高,能夠使80C51系列單片機的片內程序存儲器容量越來越大,而且?guī)瑑瘸绦虼鎯ζ鞯膯纹瑱C的價格也大大降低。因此,存儲器的擴展已不是必須的了。3)數(shù)據(jù)存儲器擴展常見的數(shù)據(jù)存儲器SRAM芯片有6116﹑6264﹑6256等。在8051的擴展系統(tǒng)中,片外數(shù)據(jù)存儲器一般有隨機存取存儲器組成,最大可擴展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2-66264引腳圖Fig.2-6Thepinschartof6264圖2-7所示是用一片6264擴展8K×8位片外數(shù)據(jù)存儲器的電路。擴展如圖2-7其中芯片的地址范圍是0000H～1FFFH。圖2-78K片外數(shù)據(jù)存儲器擴展電路Fig.2-78Ktheenlargecircuitryofpieceoutsidedatastorage4)8051與8255A芯片連接方式如下:8255A是并行接口芯片,它可為CPU與外設之間提供并行輸入輸出的通道,能夠經過軟件來設置該芯片的工作方式。8255A的基本特性1)8255A是一個具有3個(A口、B口和C口)8位并行的I/O端口的接口芯片。而且PC口還具有按位置位/復位功能。2)8255A能適應CPU與I/O接口之間的多種數(shù)據(jù)傳送方式的要求。如無條件傳送,應答方式傳送和中斷方式傳送。3)8255A的PC口使用比較特殊,除可作數(shù)據(jù)口外,當工作方式1和工作方式2時,它的大部分引腳被分配作為專用聯(lián)絡信號;PC口還能夠進行按位控制;在CPU讀取8255A狀態(tài)時,PC口又作為方式1、2的狀態(tài)口用等。4)8255內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,主要是對這3類寄存器進行編程。8255A的外部接線8255A有40個引腳的雙列直插芯片,單5V電源,其外部引腳如圖2-8所示。PA7～PA0:A端口數(shù)據(jù)信號引腳。PB7～PB0:B端口數(shù)據(jù)信號引腳。PC7～PC0:C端口數(shù)據(jù)信號引腳。:芯片選擇。低電平動作。當=0時,8255被選擇;=1時,8255無法與CPU做數(shù)據(jù)傳輸。:讀取使能,低點平動作。=0,且=0時,CPU從8255讀取數(shù)。:寫入使能,低點平動作。=0,且=0時,CPU將數(shù)據(jù)寫入8255。表2-38255A輸入輸出接口的選擇方式Tab.2－38255AinputsoutputsconnectionchoicewayA1A0被選中的端口名00PA口01PB口10PC口11控制端口A0、A1:地址選擇線,用來選擇8255的PA口、PB口、PC口和控制寄存器。RESET:復位信號,高電平有效。RESET有效時,清除8255A中所有控制字寄存器內容,并將各端口置成輸入方式。圖2－88255芯片圖Fig2-88255chipscharts8255A內部結構8255A的內部結構如圖2-9所示。它由以下四個部分組成。圖2-98255A內部結構圖Fig2-98255A1)并行輸入輸出端口A、B、C8255A包括3個8位輸入輸出,每個端口都有1個數(shù)據(jù)輸入寄存器和1個數(shù)據(jù)輸出寄存器,輸入時端口有三態(tài)緩沖器的功能,輸出時端口有數(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(PC7～PC4)構成A組,由A組控制部件實現(xiàn)控制功能,端口B與端口C的低4位(PC3～PC0)構成B組,由B組控制部件實現(xiàn)控制功能。它們各有1個控制單元,可接收來自讀/寫控制部件的命令和CPU經過數(shù)據(jù)總線(D7～D0)送來的控制字,并根據(jù)它們來定義各個端口的操作方式。3)數(shù)據(jù)總線緩沖存儲器這是一個三態(tài)雙向8位數(shù)據(jù)緩沖存儲器,用于傳送單片機和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能夠接受單片機送來的讀寫命令和選口地址,并根據(jù)它們向片內各功能部件發(fā)出控制命令。2.3本設計是要是經過計算機系統(tǒng)對工業(yè)加熱爐現(xiàn)場進行溫度控制,就要從現(xiàn)場獲得信息,這個信息是溫度值。但溫度是模擬量,計算機無法直接識別,因此就必須把溫度這個模擬量變成數(shù)字量之后再輸入到計算機中進行處理。該通道設計的好與壞,直接影響到整個系統(tǒng)的性能指標及其工作的穩(wěn)定性。模擬輸入通道包括兩大部分,其一是變送器,其二是模/數(shù)轉換器。實際上,模入通道的設計就是變送器的設計和模/數(shù)轉換器及溫度傳感器的選擇問題。1)傳感器的選用及其原理圖2-8(a)是一種特殊結構的電路─直流單臂電橋,R1、R2、R3和R4叫電橋的臂,檢流計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兩點間的電勢不等,G中有電流經過。改變R1、R3的大小,能夠使UAC＝UCB,這時G中無電流經過。當G中無電流時叫做”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)為使測量前輸出=0,即使電橋平衡,應滿足=條件。在滿足式(2-1)的條件下,當電橋各臂電阻變化遠小于本身值(?),橋的負載電阻無限大時[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,見圖2-8(b),而且測量前令=,,則:(2-3)在測量過程中,電阻、、都不變化,即,因此(2-4)(a)橋式測量電路(b)傳感器測量電路(a)Measurecircuitlikeabridge(b)Measurecircuitofhotsensitiveresistancesensor圖2-8測量電路Fig.2-8Measurecircuit傳感器是將感受的物理量、化學量等信息,按一定規(guī)律轉換成便于測量和傳輸?shù)男盘栄b置。電信號易于傳輸和處理,因此大多數(shù)的傳感器是將物理量等信息是轉換成電信號輸出的。傳感器主要用于測量和控制系統(tǒng),它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。在自動測量過程或控制系統(tǒng)中,首先由傳感器接受被測量,而后把它轉換成電信號,供顯示儀表指示或用來控制執(zhí)行機構。如果傳感器不能靈敏地接受被測量,或者不能把被測量精確地轉換成電信號,其它儀表和裝置的精確度再高也無意義。計算機應用于測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)時,也必須由傳感器提供準確可靠的信息,如果傳感器的水平與計算機的水平不相適應,計算機便不能充分發(fā)揮應有的作用和效益。因此,傳感器是測量、控制系統(tǒng)中的一種關鍵裝置。傳感器的種類很多,分類的方法也不同,常見的分類法有兩種。一種是按照傳感器的用途區(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式傳感器等。本設計系統(tǒng)的模擬量輸入信號為工業(yè)加熱爐的溫度信號,而其工藝過程的溫度在800℃左右,因此,根據(jù)上面介紹的電橋平衡原理,本系統(tǒng)的設計選用集成溫度傳感器AD590,其測溫范圍為+300℃～＋1000℃。要求工作電源為直流+4V-+30V,它能把溫度信號變?yōu)榕c絕對溫度成比例的電信號,比例因子為1UF∕K。其穩(wěn)定性高、線性度好、測溫誤差有正負1、0.5和0.3幾種等級。根據(jù)本設計GO工藝特點,放大器采用穩(wěn)高精運算放大OP07。AD590本身產生的是電流信號,經過運算放大器OP07對電流作加法運算,在運放輸出端得到合適的電壓信號,作為A∕D轉換器的輸入,電阻R1、R2、和電位器RP1、RP2的選擇原則是使運放輸出電壓被測有一個合適的對應關系。本例還使用了光傳感器和煙霧傳感器,用來對火盜警的檢測。放大器采用OPA404,OPA404是高性能介質隔離場效應輸入運算單片機運算放大器。帶寬為6.4MHZ,高轉換速率為35∕V,低失調電壓最大為正負750UV,低偏置電流最在為正負4PA。輸出通道設計包括開關量和模擬量輸出通道的設計。開關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轉換器的選擇(轉換精度、轉換速度、結構、功耗等),輸出信號的形式(電流還是電壓)、隔離方式、擴展接口等輸出通道是單片機控制系統(tǒng)與執(zhí)行機構(或控制設備)連接的紐帶和橋梁。設計時要根據(jù)被控對象的通道數(shù)據(jù)及執(zhí)行機構的類型進行選擇。對于那些可直接接受數(shù)字量的執(zhí)行機構,可由單片機直接輸出數(shù)字量。對于那些需要接收模擬量的執(zhí)行機構,則需要用D/A轉化,即把數(shù)字量變成模擬量后,再帶動執(zhí)行機構。在微型計算機應用中,輸入裝置經過I/O接口電路把程序、數(shù)據(jù)或現(xiàn)場采集到的各種信息輸入計算機,計算機的處理結果和控制信息要經過I/O接口電路傳送到輸出裝置,以便顯示、打印,最后實現(xiàn)各種控制。本例的輸出通道為3條,是經過光電耦合后再經過晶閘管驅動噴灑水設備;最后達到控制溫度的作用。信號變送電路是系統(tǒng)溫度檢測電路和CPU之間的通信通道,其功能完成數(shù)據(jù)的傳送和轉換的作用,是溫度控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分,一般的設計都選用ADC0809和DAC0830轉換芯片,ADC0809芯片將來自溫度檢測電路的模擬信號轉化成數(shù)字信號,將數(shù)字信號再送往CPU中,進行數(shù)據(jù)處理;DAC0832芯片是將來自CPU的數(shù)字信號命令轉換成模擬信號來控制設備。信號變送電路的傳輸速度和精度是設計此部分的重要指標,對系統(tǒng)的功能設計有著重大的影響。在數(shù)字電子技術的很多應用場合往往需要把模擬量轉換為數(shù)字量,稱為模/數(shù)轉換器(AD轉換器,簡稱ADC);或把數(shù)字量轉換成模擬量,稱為數(shù)模轉換器(轉換器,簡稱DAC)。完成以上轉換的電路有多種,特別是單片大規(guī)模集成、轉換器問世,為實現(xiàn)上述的轉換提供了極大的方便。使用者可借助于手冊提供的器件性能指標及典型應用電路,即可正確使用這些器件。在單片機檢測系統(tǒng)中,許多被測量的信號往往是模擬量,它們經過預處理(放大、V∕I轉換等)之后,在進入計算機之前必須經過A∕D轉換變成數(shù)字量。A∕D轉換接口是模擬通道中的主要環(huán)節(jié)。A∕D轉換接口的主要內容是合理選擇A∕D轉換器件,以實現(xiàn)與單片機的正確連接以及轉換程序。此次設計將采用大規(guī)模集成電路ADC0809實現(xiàn)A轉換后,與單片機進行連接;再用DAC0832實現(xiàn)D/A轉換,驅動噴灑水設備達到溫度控制的目的。A/D轉換電路ADC0809與8051單片機的硬件接口有3種形式,分別是查詢方式、中斷方式和延時等待方式,本設計選用中斷接口方式。查詢方式:A/D轉換芯片由表明轉換完成的狀態(tài)信號,例如ADC0809的EOC端。因此能夠用查詢方式,測試EOC的狀態(tài),即可確知轉換是否完成,并接著進行數(shù)據(jù)傳送。中斷方式:把表明轉換完成的狀態(tài)信號(EOC)作為中斷請求信號,以中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送。定時傳送方式:ADC0809轉換時間為128μs,相當于6MHz的MCS-51單片機共64個機器周期。可據(jù)此設計一個延時子程序,A/D轉換啟動后即調用此子程序。延遲時間一到,轉換肯定已經完成了,接著就可進行數(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,也可單獨工作。其內部結構如圖2-9:地址鎖存譯碼地址鎖存譯碼ALEADDCADDBADDA八路模擬信號選擇器IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0樹形開關256RT型譯碼器逐次比較寄存器控制與時序8位ADCSTART啟動時鐘CLOCKEOC三態(tài)輸出鎖存器2－82－72－62－52－42－32－22－1MSBLSB輸出允許OEVREF(+)VREF(－)圖2-9ADC0809的變換內部結構Fig2-9ADC0809transformationinternalstructure外部特性ADC0809芯片為28引腳雙列直插式封裝,其引腳排列見圖2-10.所示:圖2-10ADC0809引腳圖Fig.2-10PinschartofADC0809IN7～IN0:模擬量輸入通道。ADC0809對輸入模擬量的要求主要有:信號單極性,電壓范圍0～5V,若信號過小還需進行放大。另外,在A/D轉換過程中,模擬量輸入的值不應變化太快;因此,對變化速度快的模擬量,在輸入前應增加采樣保持電路A、B、C:地址線。A為低位地址,C為高位地址,用于對模擬通道進行選擇。圖2-10中為ADDA、ADDB和ADDC。ALE:地址鎖存允許信號。在對應ALE上跳沿,A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START:轉換啟動信號。START上跳沿時,所有內部寄存器清0;START下跳沿時,開始進行A/D轉換;在A/D轉換期間,START應保持低電平。D7~D0:數(shù)據(jù)輸出線。其為三態(tài)緩沖輸出形式,能夠和單片機的數(shù)據(jù)線直接相連。OE:輸出允許信號。其用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。OE=0,輸出數(shù)據(jù)線呈高電阻;OE=1,輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。CLK:時鐘信號。ADC0809的內部沒有時鐘電路,所需時鐘信號由外界提供,因此有時鐘信號引腳。一般使用頻率為500kHz的時鐘信號。EOC:轉換結束狀態(tài)信號。EOC=0,正在進行轉換;EOC=1,轉換結束。該狀態(tài)信號既可作為查詢的狀態(tài)標志,又能夠作為中斷請求信號使用。Vcc:+5V電源。Vref:參考電源。參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較,作為逐次逼近的基準。其典型值為+5V(Vref(+)=+5V,Vref(-)=0V)。由于ADC0809無片內時鐘,時鐘信號可由單片機的ALE信號經D觸發(fā)器二分頻后獲得。ALE引腳得脈沖頻率是8051時鐘頻率的1/6。該題目中單片機時鐘頻率采用6MHz,則ALE輸出的頻率是1MHz,二分頻后為500Hz,符合ADC0809對頻率的要求。由于ADC0809內部設有地址鎖存器,因此通道地址由P0口的低3位直接與ADC0809的A、B、C相連。通道基本地址為0000H～0007H?？刂菩盘?將P2.7作為片選信號,在啟動A/D轉換時,由單片機的寫信號和P2.7控制ADC的地址鎖存和啟動轉換。由于ALE和START連在一起,因此ADC0809在鎖存通道地址的同時也啟動轉換。在讀取轉換結果時,用單片機的讀信號和P2.7引腳經或非門后,產生正脈沖作為OE信號,用一打開三態(tài)輸出鎖存器。其接口電路如圖2-11所示。圖2-11ADC0809與MCS-51的連接Fig.2-11theconnectADC0809withMCS-51當8051經過對0000H～0007H(基本地址)中的某個口地址進行一次寫操作時,即可啟動相應通道的A／D轉換;當轉換結束后,ADC0809的EOC端向8051發(fā)出中斷申請信號;8051經過對0000H～0007H中的某個口地址進行一次讀操作,即可得到轉換結果。D/A轉換電路DAC0832是一個8位D/A轉換器。單電源供電,從+5V～+15V均可正常工作?；鶞孰妷旱姆秶鸀椤?0V,電流建立時間為1μS、CMOS工藝、低功耗20mW。DAC0832與8051單片機的接口電路如下:圖2－12DAC0832與8051接口電路Fig2－12DAC0832and8051connectionselectriccircuits上圖為兩個輸入寄存器同時受控的連接方法,和一起接8051的,和共同連接在P2.7,因此兩個寄存器的地址相同。DAC0832轉換器芯片為20引腳,雙列直插式封裝,其引腳排列如圖所示。DAC0832內部結構框圖如圖所示。圖2－13DAC0832內部結構框圖Fig2–13DAC0832internalstructurediagramDAC0832是一種典型的的8位、電流輸出型、通用DAC芯片。由其內部結構圖可知DAC0832能夠方便地與微處理機接口。由三個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行數(shù)據(jù)鎖存控制,當=0時,輸入數(shù)據(jù)被鎖存;當=1時,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)能夠直接進入D/A轉換器。單緩沖方式:或一直為高,只控制其中一級寄存器。雙緩沖方式:不讓和一直為高,控制兩級寄存器?？刂茝母咦兊?將從D10～D17進入的數(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,同時開始D/A轉換。雙緩沖工作方式能做到對某個數(shù)據(jù)進入D/A轉換的同時,輸入下一個數(shù)據(jù),還適用于要求多個模擬量同時輸出的場合。在ILE為高電平下,經過和將數(shù)據(jù)寫入到8位輸入寄存器;經過和將數(shù)據(jù)寫入到8位DAC寄存器,同時進行D/A轉換。DAC0832的模擬輸出、、,另外,還有電源和地信號引腳。:模擬電流輸出1,它是邏輯電平為1的各位輸出電流之和。當輸入數(shù)字為全”1”時,其值最大,為(255╱256);當輸入數(shù)字為全為”0”時,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,用作外接運算放大器的反饋電阻,為D/A轉換器提供電壓輸出,該電阻與內部R-2R電阻網絡相匹配。Vref:基準電壓,其電壓可正可負,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。AGND:模擬地,芯片模擬電路接地點。由梯形電阻網絡組成的D/A轉換電路,其轉換結果是與輸入數(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。在實際應用中,為了增強驅動能力,還需經運算放大器放大并變換為電壓輸出。對電流輸出型DAC外加運算放大器就可實現(xiàn)電壓輸出。有些DAC芯片中已經集成了運算放大器,它們屬于電壓輸出型DAC。一般D/A轉換器輸出電壓范圍有0～5V或0～10V、-5V～5V或-10V～+10V等幾種。本次設計采用DAC0832單極性電壓輸出,其連接示意圖如圖2-14。因為內部反饋電阻的阻值等于電阻網絡的R值,故電壓輸出為:(2-5)圖2-14DAC0832單級性電壓輸出的連接示意圖Fig.2-14DAC0832singlevoltageoutputoftheconnectiondiagram在此次設計中DAC0832為單緩沖工作方式,此方式是使用兩個寄存器中一個處于直通狀態(tài),另一個工作于受控鎖存狀態(tài)。一般是使DAC寄存器直通狀態(tài),即把和端接數(shù)字地。此時,數(shù)據(jù)只要寫入DAC芯片,就馬上進行轉換。此種工作方式簡單,并可減少一條輸出同步的場合。經過以上分析信號變送硬件原理圖如下圖2-15所示:圖2-15信號變送硬件原理圖Fig.2-15signaltransmissionhardwareschematics模擬信號輸入到ADC0809,經ADC0809將模擬信號變換成為數(shù)字信號,傳送給8051單片機。經單片機處理后傳送給8255,再經過8255傳送給DAC0832;DAC0832將數(shù)字信號轉換成為模擬量,最后驅動噴灑水設備。2.3.3顯示電路是為方便觀察加熱爐中溫度值變化的數(shù)字顯示電路,能夠準確、快速的反應加熱爐溫度變化,工作者就能夠根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)來判斷系統(tǒng)的運行狀態(tài),再進行相應的操作。顯示電路包括顯示驅動芯片8279、BIC8718、74LS138和LED顯示器等,接受來自CPU的數(shù)字信號。顯示電路硬件原理圖如圖2-16。在本系統(tǒng)中,顯示驅動電路接口是使用的三—八譯碼器進行驅動顯示器,驅動器BIC8718;BIC8718屬于BIC87系列集成電路,是北京集成電路設計中心生產的微機專用小功率驅動器,輸入/輸出為8位,具有良好的驅動性能,因此得到廣泛應用。1)譯碼器本次設計采用的三—八譯碼器,它是將片內尋址的地址線以外的高位地址線,全部輸入到譯碼器進行譯碼,利用譯器的輸出端作為各存儲器芯片的片選信號。3線-8線二進制譯碼器74LS138是一種具有特定邏輯功能的組合邏輯器件,74LS138的管腳及功能如下圖2-17。圖2－16顯示電路硬件原理圖Figure2-16showcircuithardwareschematics圖2－1774LS138各引腳圖Fig.2-1774LS138variouspinscharta)三個使能端(=0)任何一個無效時,八個譯碼輸出都是無效電平,即輸出全為高電平”1”;b)三個使能端(=1)均有效時,譯碼器八個輸出中僅與地址輸入對應的一個輸出端為有效低電平”0”,其余輸出無效電平”1”;c)使能條件下,每個輸出都是地址變量的最小項,考慮到輸出低電平有效,輸出函數(shù)可寫成最小項的反函數(shù),即:(2-6)2)LED顯示器常見的LED顯示器有LED狀態(tài)顯示器(俗稱發(fā)光二極管)、LED七段顯示器(俗稱數(shù)碼管)和LED十六段顯示器。LED顯示器就是由發(fā)光二極管構成的數(shù)碼顯示管,又稱數(shù)碼管。它分為共陰極和共陽極兩種結構,結構如圖2-18所示。圖(a)中控制極為高點平時,相應的字段亮,圖(b)中與之相反。(a)外型結構;(b)共陰極;(c)共陽極(a)Geometrystructureandpins(b)Commoncathode(c)Commonanode圖2-18數(shù)碼管結構圖Fig.2-18nixietubestructurepictureLED顯示器的基本原理:發(fā)光二極管是一種將電能轉變成光能的半導體器件。共陰和共陽結構的LED顯示器各筆劃段名和安排位置是相同的。當二極管導通時,相應的筆劃段發(fā)亮,由發(fā)亮的筆劃段組合而顯示各種字符。8個筆劃段hgfedcba對應于一個字節(jié)(8位)的D7D6D5D4D3D2D1D0,于是用8位二進制碼就能夠表示欲顯示字符的字型代碼。在小型專用微機系統(tǒng)和單板機等場合,它是主要的顯示器件,在通用微機系統(tǒng)中,也常見來作狀態(tài)等顯示。LED顯示管實際上是一個壓降為1．2～2．5V的二極管,使用時將它經過驅動電路接向微機的一個端口即可。3)BIC87系列微機在單片機應用系統(tǒng)中最常見的是小功率驅動器件,它將I/O及數(shù)據(jù)總線的信號轉換成小功率信號。BIC87系列包括8708、8718、8728,它們都是北京集成電路設計中心推出的微機專用小功率8位驅動器,它們具有良好的驅動性能,在單片機應用系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。BIC87系列是集電極開路高壓輸出且?guī)нx能端的8位驅動器。工作電壓為5V正負10%,環(huán)境溫度為0～70攝氏度,采用20引腳雙列直插塑料封裝,輸入端和輸出端分別排在兩側,輸入端與單片機輸出直接相連,接線方便。該驅動器還設有選通端G,能夠方便地對輸出信號進行控制。例如,將G端與保護信號相,當執(zhí)行機構工作異常時,經過保護電路給G端送入低電平信號;這時驅動器各輸出端立即由導通變?yōu)榻刂範顟B(tài),從而功斷執(zhí)行機構輸出電路,保護了設備的安全。在本系統(tǒng)中采用的是BIC87系列中的8718,它能夠十分方便地驅動LED顯示器,該驅動器的輸入電流較小(相當于LS系列電路的輸入電流),可由CMOS電路直接驅動。輸出級采用了集電極開路高電壓大電流輸出,故可直接驅動繼電器、可控硅、LED顯示器等,還可作為電平轉換器用。2.3.控制鍵盤輸入電路是為控制者設定系統(tǒng)工作環(huán)境的初始值而設定的,鍵盤是本系統(tǒng)的外圍的電路,可是其與CPU連接驅動電路卻是必不可少的。驅動電路是把控制鍵盤的設定值經過變送電路部分轉換并送往CPU,在CPU中進行初始化處理。其硬件原理圖如下所示:圖2－19控制鍵盤驅動硬件圖Fig2－19ControlsthekeyboardtoactuatethehardwarechartINTEL8279是一種通用可編程的鍵盤、顯示器接口芯片,單個芯片就可能作為行列式鍵盤、LED顯示器與微機的接口電路。鍵盤接口部分能夠和具有64個按鍵或傳感器的陣列相連,能自動消除開關抖動并具有多鍵同時按下保護。顯示器接口部分按掃描方工作,能夠連接8位或16位LED顯示器。采用8279作為鍵盤、顯示器接口,能簡化鍵處理和顯示程序,減少CPU占用時間。8279芯片引腳圖如下:圖2－208279的引腳圖Fig2–208279pinscharts8279是一種功能較強的鍵盤/顯示接口電路,可直接與Intel公司的各個系列的單片機接口,能夠外接多種規(guī)格的鍵盤和顯示器。下圖是8051與8279的一般接口框圖,圖中8279外接8×8鍵盤,16位顯示器,由SL0SL2譯出鍵掃描線,由416譯碼器對SL0SL3譯出顯示器的位掃描線。在實際應用中,鍵盤的大小和顯示器的位數(shù)能夠根據(jù)具體需要而定。圖2－218051與8279的一般接口框圖Fig2－218051and8279generalconnectionsdiagrams8279包括以下部分:1)I/O控制及數(shù)據(jù)緩沖器I/O控制是CPU對8279進行控制的信號線集合。數(shù)據(jù)緩沖器為雙向,連接內、外總線,用于傳送CPU和8279之間的命令或數(shù)據(jù)。2)控制與定時寄存器及定時控制控制與定時寄存器用來寄存鍵盤和顯示器的工作方式,以及由CPU編程的其它操作方式。3)掃描計數(shù)器掃描計數(shù)器有兩種工作方式---編碼方式和譯碼方式。按編碼方式工作時,計數(shù)器作二進制計數(shù),4位計數(shù)狀態(tài)從掃描線SL0-SL3輸出。經外接4/16譯碼器,能提供16位LED的字位控制。外接3/8譯碼器,能為行列式鍵盤提供8列掃描信號,與RL0-RL7構成8×8鍵盤的行列掃描。按譯碼方式工作時,掃描計數(shù)器的最低二位被譯碼后,從SL0-SL3輸出一位低電平,可接4位LED或4×8鍵盤。在本系統(tǒng)中不用鍵盤,只是用到SL0-SL3外接LED。4)回復緩沖器、鍵盤去抖及控制5)FIFO/傳感器RAM及其狀態(tài)寄存器FIFO/傳感器RAM及其狀態(tài)寄存器是一個雙重功能的8×8位RAM。8279A芯片是一種通用的可編程序的鍵盤、顯示接口器件,單個芯片就能完成鍵盤輸入和LED顯示控制兩種功能?？膳c任何8位機接口。8279A芯片包括鍵盤輸入和顯示輸出兩個部分。若采用8279作為鍵盤/顯示器接口,則能夠實現(xiàn)對鍵盤、顯示器自動掃描,8279主要是管理鍵盤輸入和顯示器輸出的。8279可編程鍵盤顯示器接口芯片具有動態(tài)顯示驅動電路簡單、不占用CPU的時間、可自動進行鍵盤掃描、與計算機接口方便、系統(tǒng)靈活等特點．當今已成為設計計算機應用系統(tǒng),特別是實時性較高的測控系統(tǒng)的首選器件之一。2.3當加熱爐的溫度突然高于或者低于設定的初始極限值時,系統(tǒng)就會出現(xiàn)不正常的運行狀態(tài),嚴重時會涉及到車間的安全,導致工藝的生產不符合要求,這就要一部分電路驅動加熱/降溫設備。當溫度低于設定值時候,CPU就會發(fā)出命令驅動加熱器進行加熱;當溫度高于設定值時候,CPU就會發(fā)出命令驅動噴水設備進行降溫。加熱/降溫驅動電路的硬件中要用到光電隔離器和晶閘管等器件來做觸發(fā)電路,同時將次信號經過P1.2、P1.3送向CPU中。在CPU的支持情況下,進行相關的數(shù)據(jù)和指令處理,例如報警、顯示狀態(tài)等。圖2-22為加熱/降溫驅動電路硬件原理圖。2.3.6報警電路設計報警電路是當加熱爐的溫度超過設定值的時候,系統(tǒng)自動發(fā)出報警指令,經過報警驅動電路,啟動報警芯片,發(fā)出報警聲音。報警電路硬件原理圖如圖2-23所示。從圖2-23能夠知系統(tǒng)的設計采用了聲音報警芯片。P1.2接晶體管基極輸入端,當P1.2輸出高電平”1”時,晶體管導通,壓電蜂鳴器得電而鳴音P1.2軟件低電平”0”時,三極管退出導通狀態(tài),蜂鳴器停止發(fā)音。聲音報警電路經過一塊聲音報警芯片9561產生報警信號,經三極管放大接喇叭產 圖2－22加熱/降溫驅動電路硬件原理Fig2－22Heatsup/thetemperaturedecreaseactuationelectriccircuithardwareprinciple圖2－23報警電路硬件連接圖Fig2－23Alarmcircuitshardwareconnectionlayout聲音報警。此報警芯片可產生兩種不同的報警聲:當控制器檢測到庫房有盜警時,Talert信號為低電平,報警芯片電源接通發(fā)出警車報警聲;當控制器檢測到庫房火警時,Talert、Falert信號皆為低電平。Talert信號接通報警芯片電源,Falert信號接通芯片報警聲音選擇端(Sel),此時報警芯片發(fā)出消防車報警聲。2.3.7”由于單片機自身的抗干擾能力比較差,特別在一些條件惡劣、噪聲大的場合,常會出現(xiàn)單片機因為受外界干擾而導致死機的現(xiàn)象,造成系統(tǒng)不能正常工作。設置看門狗電路是為了防止單片機死機、提高單片機系統(tǒng)抗干擾性的一種重要途徑。PC受到干擾而失控,可能使程序陷入”死循環(huán)”。指令冗余技術、軟件陷阱技術不能使失控的程序擺脫”死循環(huán)”的困境,一般采用程序監(jiān)視技術,又稱”看門狗”技術,使程序脫離”死循環(huán)”。測控系統(tǒng)的應用程序往往采用循環(huán)運行方式,每一次循環(huán)的時間基本固定?！笨撮T狗”技術就是不斷監(jiān)視程序運行時間,若發(fā)現(xiàn)時間超過已知的設定時間,則認為系統(tǒng)陷入了”死循環(huán)”,然后強迫程序返回到0000H入口,在0000H處安排一段出錯處理程序,使系統(tǒng)運行納入正規(guī)。在本系統(tǒng)中采用的硬件”看門狗”電路----單穩(wěn)態(tài)型”看門狗”電路。單穩(wěn)態(tài)型”看門狗”電路采用74LS123雙可再觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器設計的電路。74LS123在清除端為高電平,B端為高電平的情況下,若A端輸入負跳變,則單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脫離原來的穩(wěn)態(tài)(Q為低電來)進入暫態(tài),即Q端變?yōu)楦唠娖?。在經過一段延時后,Q端重新回到穩(wěn)定狀態(tài)。這就使Q端輸入一個正脈沖,其脈沖寬度由定時元件R、C決定。當C>1000PF時,輸出脈沖寬度計算如下:Tw=0.45RC式中,R的單位為歐,C的單位為F,Tw的單位為S。第一個單穩(wěn)態(tài)電路的工作狀態(tài)由單片機的P1.0口控制系統(tǒng)開始工作時,P1.0口向第一個74LS123的A端輸入一個脈沖,使第一個74LS123的Q端產生正跳變,但并不能觸發(fā)第二個74LS123動作,第二個74LS123的Q端仍為低電平。P1.0口負跳變脈沖的時間間隔取決于系統(tǒng)控制主程序運行周期的大小?？紤]系統(tǒng)參數(shù)的變化及中斷、干擾等因素,必須留有足夠的余量。本系統(tǒng)最大運行周期為0.3S。第一個74LS123的輸出寬度為450MS,若此期間內第一個74LS123的A端再有負脈沖輸入,則第一個74LS123的Q端高電平就會在此刻重新實現(xiàn)450MS的延時。因此只要在第一個74LS123的A端連續(xù)地輸入間隔小于450MS的負脈沖,則第一個74LS123的Q端輸出將始終維持在高電平上。這時第二個74LS123的A端保持高電平,第二個74LS123單穩(wěn)不動作,第二個74LS123的Q端始終維持在低電平。在單片機應用系統(tǒng)中可用系統(tǒng)中可用任意I/O引腳為每個74LS123的A端輸出負脈沖,本電路用P1.0引腳。在系統(tǒng)實際運行中,只要程序在正常工作循環(huán)中就能保證單穩(wěn)態(tài)第一個74LS123始終處于暫穩(wěn)態(tài),第一個74LS123的Q輸出高電平,第二個Q端輸出低電平。一旦程序由于干擾而”亂飛”或進入”死循”,”看門狗”脈沖不能正常觸發(fā),經過450MS后第一個單穩(wěn)態(tài)74LS123脫離暫態(tài),第一個74LS123端回到低電平,并觸發(fā)第二個單穩(wěn)態(tài)74LS123翻轉到暫態(tài),在第二個74LS123的Q端產生足夠寬的正脈沖(0.9MS),使單片機右靠復位。一旦系統(tǒng)復位,程序就可重新進入正常的工作循環(huán)中,使系統(tǒng)的運行可靠性大大提高了。2.3.8系統(tǒng)3工業(yè)加熱爐溫度控制方法3.1工業(yè)加熱爐溫度PID控制方法控制器是用來實時調節(jié)爐溫,即根據(jù)工藝的要求和實際爐溫的偏差自動接通或斷開供給爐子的熱源能量或連續(xù)改變熱源能量的大小,從而達到調節(jié)工業(yè)加熱爐溫度的目的。溫度自動控制常見調節(jié)規(guī)律有二位式、三位式、比例、比例積分和比例積分微分等幾種。電阻爐爐溫控制是這樣一個反饋調節(jié)過程:比較實際爐溫和需要爐溫得到偏差,經過對偏差的處理獲得控制信號,去調節(jié)電阻爐的熱功率,從而實現(xiàn)對爐溫的控制。按照偏差的比例、積分和微分產生控制作用(PID控制),是過程控制中應用最廣泛的一種控制方式。PID控制是工業(yè)生產過程中,經常見的控制方法。有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產品的質量,因而設計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是至關重要的。根據(jù)硬件設計和軟件設計的過程,本次設計的控制系統(tǒng)采用8051作為控制核心,以便使用最為普遍的器件ADC0809作模數(shù)轉換,控制上使用對電阻絲加電使其升溫和開動噴灑水設備使其降溫。此方案簡易可行、器件的價格便宜是一種理想的控制方案。在溫度控制系統(tǒng)中,用微分方程來表示PID運算規(guī)律,實現(xiàn)模擬PID調節(jié)的理想算式為:(3-1)對上式進行離散化,得出PID輸出的位置式算式:(3-2)根據(jù)上面式子進行編程,可實現(xiàn)PID算法。在本設計中為了防止積分飽和,減小超調量,采用了積分分離的PID算法,即:當時,為PD運算;當時,為PID運算。比例積分微分(PID)調節(jié)--比例積分調節(jié)會使調節(jié)過程增長,溫度的波動幅值增大,為此再引入微分(D)調節(jié)。微分調節(jié)是指調節(jié)器的輸出與偏差對時間的微分成比例,微分調節(jié)器在溫度有變化”苗頭”時就有調節(jié)信號輸出,變化速度越快、輸出信號越強。溫度控制系統(tǒng)中主要是控制器的設計,采用滿足系統(tǒng)要求的PID算法,其原理是先求出實測爐溫對所需爐溫的偏差值,而后對偏差值處理而獲得控制信號去調節(jié)加熱爐的加熱功率,以實現(xiàn)對爐溫的控制。綜上所述,預設計的控制系統(tǒng)方框圖如下圖3-1所示:圖3-1控制系統(tǒng)方框圖Figure3-1controlsystemblockdiagram從圖可知,整個系統(tǒng)可劃分為控制環(huán)節(jié)部分、執(zhí)行環(huán)節(jié)部分和溫度采集環(huán)節(jié)三部分。溫度傳感器將溫度信息變換為模擬電壓信號后,將電壓信號放大到單片機能夠處理的范圍內,經過低通濾波,濾掉干擾信號送入單片機。在單片機中對信號進行采樣,為進一步提高測量精度,采樣后對信號再進行數(shù)字濾波。單片機將檢測到的溫度信息與設定值進行比較;如果不相符,數(shù)字調節(jié)程序根據(jù)給定值與測得值的差值按PID控制算法設計控制量,觸發(fā)程序根據(jù)控制量控制執(zhí)行單元。如果檢測值高于設定值,則啟動制冷系統(tǒng),降低環(huán)境溫度;如果檢測值低于設定值,則啟動加熱系統(tǒng),提高環(huán)境溫度,達到控制溫度的目的。根據(jù)溫度變化慢,而且控制精度不易掌握的特點,設計了以8051單片機為檢測控制中心的工業(yè)加熱爐溫度自動控制系統(tǒng)。就本系統(tǒng)來說,需要實時采集水溫數(shù)據(jù),然后經過A／D轉換為數(shù)字信號,送入單片機中的特定單元,然后一方面送去顯示;另一方面與設定值進行比較,經過PID算法得到控制量并經由單片機輸出去控制加熱爐加熱或降溫。溫度控制采用改進的PID數(shù)字控制算法,顯示采用LED顯示。該設計結構簡單,控制算法新穎,控制精度高,有較強的通用性。所設計的控制器有以下功能:1)溫度控制設定波動范圍小于±1%,測量精度小于±1%,控制精度小于±2%,超調整量小于±4%。2)實現(xiàn)控制能夠升溫也能夠降溫。3)實時顯示當前溫度值。4)人工調頻控制:設置復位鍵、運行鍵、功能轉換鍵。5)越限報警。從功能模塊上來分有:主機電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、控制執(zhí)行電路。本設計的溫度控制范圍為400℃～1000℃之間,溫度誤差要求在3℃左右,系統(tǒng)超調量不超過15%,因此在硬件系統(tǒng)中采用8位轉換器ADC0809就能夠使溫度誤差保持在±2.34℃以內,滿足設計要求。3.2PID控制算法1)主程序模塊在主程序中首先給定PID算法的參數(shù)值,然后經過循環(huán)顯示當前溫度,而且設定鍵盤外部中斷為最高優(yōu)先級,以便能實時響應鍵盤處理;軟件設定定時器T0為10秒定時,在無鍵盤響應時每隔10秒響應一次,以用來采集經過A／D轉換的溫度信號;設定定時器T1為嵌套在T0之中的定時中斷,初值由PID算法子程序提供。2)功能實現(xiàn)模塊用來執(zhí)行對可控硅及加熱爐的控制。功能實現(xiàn)模塊主要由A／D轉換子程序、中斷處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序等部分組成。a)T0中斷子程序該中斷是單片機內部10s定時中斷,優(yōu)先級設為最低,但卻是最重要的子程序。在該中斷響應中,單片機要完成A／D數(shù)據(jù)采集轉換、數(shù)字濾波、判斷是否越限、標度轉換處理、繼續(xù)顯示當前溫度、與設定值進行比較,調用PID算法子程序并輸出控制信號等功能。b)T1中斷子程序T1定時中斷嵌套在T0中斷之中,優(yōu)先級高于T0中斷,其定時初值由PID算法子程序提供,T1中斷響應的時間用于輸出可控硅(加熱爐)的控制信號。c)運算控制模塊運算控制模塊涉及標度轉換,PID算法、以及該算法調用到的乘法子程序等。d)標度轉換子程序該子程序作用是將溫度信號(00H~FFH)轉換為對應的溫度值,以便送顯示或與設定值在相同量綱下進行比較。e)PID算法子程序系統(tǒng)算法控制采用工業(yè)上常見的位置型PID數(shù)字控制,而且結合特定的系統(tǒng)加以算法的改進,形成了變速積分PID一積分分離PID控制相結合的自動識別的控制算法。該方法不但大大減小了超調量而且有效地克服了積分飽和的影響,使控制精度大大提高.對加熱爐溫度控制系統(tǒng)模型,設計中運用PID算法更新T1的定時常數(shù),PWM輸出控制可控硅的通斷,從而實現(xiàn)對溫度的連續(xù)控制。本設計的控制工作穩(wěn)定、控制精度高,可改進的PID算法超調量大大降低,軟件采用模塊化結構,提高了通用性。3.3溫度控制的實現(xiàn)為使系統(tǒng)滿足工藝的要求,控制方法多種多樣,如PID調節(jié)規(guī)律、純滯后補償、大林算法及最優(yōu)化控制等。選用PID調節(jié)規(guī)律對爐溫進行控制,調節(jié)的靈活性較大,只要在程序上稍加改變就能夠達到改進控制質量的目的。針對不同的被控對象,除PID調節(jié)外還可采用一些不同的運算方法,如只選用積分、比例積分或比例微分等。本次設計要求:1)當T≤400℃時為自由升溫段,這個階段溫度升高越快越好。為避免過沖,將自由升溫上限值設定為390℃。即當T≤390℃時,Pi最大(全量輸出)。也就是說在自由升溫段,采用全量輸出對系統(tǒng)進行開環(huán)控制。2)