[硕士论文精品]燃煤锅炉过热气温控制系统-本科毕业设计

本科毕业设计（论文）说明书11、过热汽温控制系统过热汽温控制系统是以汽包过热器出口气温为主要测量信号，以喷水减温器出口蒸汽温度为副被控信号，即温度测量信号经温度变送器送到汽温调节器，调节器根据汽包过热汽温测量值与给定值的偏差去控制喷水减温器调节阀，改变喷水量以保持汽包过热汽温在允许的范围内。过热汽温的串级PID汽温控制系统，有主、副两个控制回路，是汽温自动控制系统中比较常见的一种形式。控制系统由汽包、变送器、调节器（微处理机）、喷水减温器调节阀及相关电路组成。11过热汽温控制系统的介绍过热汽温控制系统的优点是串级系统的快速跟踪和消除干扰的性能比较好，在主回路中，串级系统的主控制可具有微分作用，特别是对惯性迟延较大的系统，其控制质量很好。串级控制系统主、副两个控制回路的工作相对比较独立，因此系统投用时的整定、调试直观方便。实际工程中，一般情况下，串级PID控制系统得到广泛的应用，它是用于被调对象迟延较大、外扰频繁，而且要求有较高的控制质量。12被控对象的确定本设计的控制对象是过热器出口蒸汽的温度T1和喷水减温器出口蒸汽温度T2，为了能够实时监控过热器出口的温度，采用热电偶测量过热器出口蒸汽的温度，并把测到的热量信号通过温度变送器转变为电信号，通过8051单片机的程序执行，和设定好的温度比较，得到控制信号，然后控制喷水器，从而控制被控对象。本科毕业设计（论文）说明书22、单片机过热汽温控制系统的总体设计单片机锅炉汽包过热气温控制系统主要是针对过热器出口气温控制的一种实际工程应用设计。在热力发电厂中以及用到热力设备的工厂中，汽包锅炉汽温的控制对锅炉的安全运行极为重要，过热气温过高、过低将引起严重的安全事故，造成经济损失。在机炉负荷运行过程中，炉内参数变化很大，过热器出口汽温是全厂工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处，在过热器正常运行时已经接近材料允许的最高温度，所以必须把过热气温控制在一定的范围内，因而及时控制过热气温就更加重要了。因此，汽包过热汽温控制是保证热力设备安全运行的必要条件。所以本设计可以使我们对过热汽温控制系统有一个比较基础的认识，同时又是对所学知识的一个巩固和创新。图21为单片机锅炉汽包过热汽温控制系统的总体设计方案。图21单片机锅炉过热汽温控制系统设计方案图本设计中对过热器出口蒸汽热电偶测量，通过电路转换为单片机可以处理的数字信号，经过软件运算，求出过热器出口气温和喷水器出口蒸汽温度的高低并得出与正常设定的汽温的差值（即控制信号），再将其控制信号利用电路转换成模拟信号，通过执行器对过热汽温进行控制。单片机采用MCS51系列中的8051单片机，8051单片机及其小系统的设计是本设计中重要的组成部分。两个模拟信号接到8051之前需要将模拟信号转换为数字信号，所以选用的是8个模拟量输入通道的A/D0809，输出是8位数字输出接到8051单片机上。本设计有一个模拟信号输出接口，I/O接口I/O接口微处理器A/D转换器D/A转换器I/V变换器V/I变换器温度变送器放大器过热器执行器本科毕业设计（论文）说明书3用来控制喷水减温器（执行器）从而调节过热汽温的高低，这中间需要一个将数字信号转换为模拟信号的环节，选用的是8位的D/A0832，在经过相应的电路转换可以得到420MA的标准电流，完成了整个电路的设计。本科毕业设计（论文）说明书43、硬件电路设计31MCS51系列8051单片机单片微型计算机，也称单片微控制器（MCU），是把一个计算机系统集成在一块芯片上的微机。即把组成微型计算机的各个功能部件，如微处理器（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存取存储器RAM、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等集成在一块芯片上，构成一个完整的计算机。3118051单片机的内部结构MCS51系列8051单片机的内部结构图如图31所示。图318051单片机功能方框图本科毕业设计（论文）说明书5MCS51单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、并行I/O口、串行I/O口、定时/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。图中PC是程序计数器，SP是堆栈指针寄存器，DPTR是数据指针寄存器，PSW是程序状态字寄存器。8051系列单片机是由中央处理器CPU（运算器和控制器）、振荡器与时序电路、4KB的ROM、256B的RAM、两个16位的定时器/计数器T0和T1、4个8位的I/O端口（P0、P1、P2、P3）、串行口等组成。其中振荡器时序电路与外时钟组成了定时控制部件。中央处理器（CPU）是单片机的心脏和头脑。它的主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入、输出端口的数据传送、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等。CPU从功能上可分为运算器和控制器两部分。它的主要功能是读入并分析每条指令，根据指令的功能，控制单片机的各功能部件执行指定的操作。运算器以算术逻辑单元（ALU）为核心，包括累加器（ACC）、暂存器1、暂存器2、程序状态字寄存器（PSW）、BCD码运算调整器等部件。它的功能是完成算术和逻辑运算、移位操作和位处理等。控制器由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、定时控制与条件转移逻辑电路等组成。它先以主振频率为基准发出CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的微操作，用来协调单片机内部各功能部件之间的数据传送、数据运算等操作。8051单片机采用哈佛结构片内存储器，即程序存储器ROM和数据存储器RAM分别在两个独立的空间（分开编址）。8051单片机内部有21个特殊功能寄存器，它们与内部RAM统一编址，离散地分布在80HFFH的地址单元中。MCS51单片机内部有4个8位的并行I/O口P0、P1、P2、P3共32根I/O线。其中P1口、P2口、P3口为准双向口，P0口为双向的三态数据线口。各端口均由端口锁存器、输出驱动器、输入缓冲器构成。为方便起见，把4个端口和其中的锁存器统称为P0P3。本科毕业设计（论文）说明书6P0口（P00P07共8条引脚，即3932脚）是双向8位三态I/O口。在访问外部存储器时，可分时用作低8位地址线和8位数据线；其工作状态由CPU发出的控制信号决定。当P0作为I/O端口使用时，CPU内部发出控制电平“0”信号；当P0口作为地址/数据总线使用时，CPU内部发出控制电平“1”信号。P1口（P10P17共8条引脚，即18脚）P1口可作为通用准双向I/O口用，它是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/O口。在EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址，能驱动4个LSTTL输入。P2口（P20P27共8条引脚，即2128脚）P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。在访问外部存储器时，它送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证时，它接收高8位地址，能驱动4个LSTTL输入。P3口（P30P37共8条引脚，即1017脚）P3口是一个多功能端口。P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。在MCS51单片机中，这8个引脚都有各自的第二功能，在实际工作中，大多数情况下都使用P3口的第二功能，P3口的第二功能如下所示P30RXD串行数据接收端；P31TXD串行数据发送端P32INTO外部中断0申请输入端；P331INT外部中断1申请输入端P34T0定时器0计数输入端；P35T1定时器1计数输入端P36WR低电平有效，外部RAM写选通；P37RD低电平有效，外部RAM读选通8051单片机提供全双工串行I/O口，可对外与外设进行串行通信，也可用于扩展I/O口。8051单片机有两个16位的可编程定时/计数器T0和T1，用于精确定时或对外部事件进行计数。8051单片机提供5个中断源，具有两个优先级，可形成中断嵌套。本科毕业设计（论文）说明书73128051单片机的引脚分布8051单片机的引脚总线分布如图32所示。图328051单片机引脚总线分布3138051单片机的各个引脚的功能8051的40个引脚的功能简介如下1、主电源引脚VCC和VSS（1）VCC（40脚）主电源5V，正常操作和对EPROM编程及校验时均接5V电源。（2）VSS（20脚）接地端。（3）XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）接外部晶振的两个引脚。（3）RST/VPD（9脚）单片机复位/备用电源引脚。刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在引脚上输入持续两个机器周期的高电平将是单片机复位。VCC掉电期间，此引脚可以接上备用电源，一旦芯片在使用中VCC电压突然下降或断电，能保护片内RAM中的信息不丢失，是复位后能继续运行。本科毕业设计（论文）说明书8（4）_EA/VPP（31脚）_EA为片内外程序存储器选用端。当_EA引脚为低电平时，只选用片外程序存储器；当_EA引脚为高电平时，先选用片内程序存储器，然后选用片外程序存储器。2、地址锁存及外部程序存储器编程脉冲信号输出引脚ALE/_PROG（30脚）地址锁存允许信号输出/编程脉冲输入引脚。ALE的输出用于锁存低字节地址信号。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地输出信号脉冲，其频率为振荡器频率的1/6。因此，他可用作对外的时钟，或用于定时目的。当CPU访问外部存储器时，将丢失一个ALE脉冲；ALE端可以驱动8个LSTTL负载。3、外部程序存储器选通信号输出引脚_PSEN（29脚）输出访问片外程序存储器“读选通”信号，CPU在从片外程序存储器取指令时，每个机器周期两次有效。每当片外数据存储器时，这两次有效的_PSEN信号将不会出现。该端同样可以驱动8个LSTTL负载。4、I/O引脚（1）P00P078位数据/低8位地址复用总线端口。（2）P10P17静态通用I/O口。（3）P20P27高位地址总线端口。（4）P30P37双功能端口。3148051单片机的结构特点就CPU的结构来说，通用微机的CPU内部有一定数量的通用或专用寄存器，而MCS51系列8051单片机则在数据RAM区开辟了一个工作寄存器区。该区共有4组，每组8个寄存器，共计可提供32个工作寄存器，相当于通用微机CPU中的通用寄存器。除此之外，MCS51系列8051单片本科毕业设计（论文）说明书9机还有颇具特色的21个特殊功能寄存器SFR。要理解MCS51系列8051单片机的工作，就必须对特殊功能寄存器SFR的工作有清楚的了解。SFR使仅具有40条引脚的单片机系统的功能有很大的扩展。由于这些SFR的作用，每个通道在程序控制下，都可有第二功能，从而使得有限的引脚能衍生出更多的功能。而且，利用SFR可完成对定时器、串行口、中断逻辑的控制，这就使得单片机可以把定时/计数器、串行口、中断逻辑等集成在一个芯片上。MCS51系列8051单片机在存储器结构上与通用微机也有不同之处，通用微机中程序存储器和数据存储器是一个地址空间，而单片机把程序存储器和数据存储器分成两个独立的地址空间，采用不同的寻址方式，使用两个不同的地址指针，PC指向程序存储器，DPTR指向数据存储器。采用这种结构主要是考虑到工业控制的特点。一般工业控制系统中，需要较大的程序存储器空间和较小的随机存储器空间，不同于通用微机需要较大的数据存储器空间。MCS51系列8051单片机在输入输出接口方面的特点是，通道口引线在程序的控制下都可有第二功能，可由用户系统设计者灵活选择。比如数据线和地址线低8位可分时合用通道0，而地址线高8位与其它信号线也可合用通道2。由于存储器和接口都在片内，就给应用提供了方便，往往只在其引脚处增加驱动器即可简化接口设计工作，提高单片机与外设数据交换的处理速度。同时，功能变换和选择由相应的指令来控制实现，而不是靠硬件上的跳线短接等方法实现。MCS51系列8051单片机I/O引脚一线多功能的特点方便了用户，但在组成应用系统时，也应根据其特点分时使用。MCS51系列8051单片机的另一个显著特点是内部有一个全双工串行口，即可同时发送和接收；有两个物理上独立的接收、发送缓冲器。发送缓冲器只能写入不能读出，接收缓冲器只能读出不能写入。在程序的控制下，串行口能工作于四种方式，用户可根据需要，设定为移位寄存器方式以扩展I/O口和外接同步输入输出设备，或用作异步通信口，以实现双机本科毕业设计（论文）说明书10或多机通信，极为方便地组成分布式控制系统。3158051单片机的主要技术指标（1）8位的CPU；（2）128B的数据存储器；（3）32根I/O线；（4）64KB的片外程序存储器寻址能力，64KB的片外数据存储器寻址能力；（5）1个全双工的异步串行口；（6）2个16位定时/计数器；（7）2个优先级，5个中断源；（8）4KB的程序存储器；（9）21个特殊功能寄存器；（10）1个片内时钟振荡器和时钟电路。316单片机时钟电路单片机时钟电路通常有两种形式1、内部时钟产生方式MCS51单片机片内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，与内部反相器构成稳定的自激振荡器。其发出的时钟脉冲直接送入片内控制部件，图33为内部方式图。本科毕业设计（论文）说明书11XTAL1XTAL2晶晶8051C1C2图33内部方式图2、外部时钟产生方式时钟脉冲完全由外部电路产生。外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内。图34为外部振荡方式图。VSS外外外外外TTLXTAL2XTAL180515VVO图34外部方式图本设计所采用的是内部时钟产生方式，晶振选择为12MHZ，电容C1、C2大小通常为30PF，其接线如图35所示。本科毕业设计（论文）说明书12晶晶12M30PF30PFXTAL28051XTAL1图35晶振结构图32变送器的选择变送器的作用是分别将各种工艺变量（如温度、压力、流量、液位）和电气信号（如电压、电流、频率、气压信号等）转换成相应的统一标准信号。321温度检测变送器的选择在本次设计中，选用热电阻温度变送器，它原理图如下图36RI1RI2放放放放EI图36热电阻温度变送器原理图热电偶温度变送器与各种测温热电偶配合使用，可将温度信号线性的转换成为420MADC电流信号或15VDC电压信号输出，它是由量程单元本科毕业设计（论文）说明书13和放大单元两部分组成的。热电偶温度变送器的主要特点是采用非线性负反馈回路来实现线性变化。这个特殊的性质反馈回路能按照热电偶温度毫伏信号间的非线性关系调整反馈电压，以保证输入温度T与整机输出I0或V0间的线性关系。由图36可见，热电偶温度变送器的量程单元由信号输入回路A，零点调整及冷端补偿回路B，以及非线性反馈回路C等部分组成。输入信号ET为热电偶产生的热电势，输入回路中限流电阻RI1、RI2和限压稳压管为安全火花防爆元件；电阻RI1、RI2还与电容CI组成低通滤波器。由于燃烧锅炉内的控制点处温度值比较高，所以选用的热电偶变送器的温度测量值必须达到要求，这里，我选用的是DBW1150型热电偶温度变送器。DBW1150型热电偶温度变送器是DDZIII系列的主要品种。本温度变送器用热电偶作为测量元件，将被测温度线性地转换成标准信号15VDC或420MADC输出。技术参数输入标准热电偶输出输出电流420MADC输出电压15VDC输出电阻250允许负载变化范围100量程01600冷端补偿误差1温度漂移01基本误差/1工作条件环境温度050322I/V变换电路过程参数的测量及变换是由传感器和变送器完成的。大多情况下，传感器将过程参数转换成直流电压或电流信号。为了提高系统的抗干扰能力，本科毕业设计（论文）说明书14通常情况下变送器输出的是标准电流信号。因此，需要经过I/V变换，将标准电流信号变成电压信号后，才能进行A/D转换，进而被计算机处理。I/V转换电路是将电流信号成比例的转换成电压信号。常用I/V变换的实现方法有无源I/V变换和有源I/V变换。本设计采用的是有源I/V变换，有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器组成，如图37所示图37有源I/V变换电路利用同相放大电路，放大电路电阻R1上的产生的输入电压放大，该同相放大电路的放大倍数为A1R4R333采样保持器331采样保持器的介绍在对模拟信号进行模/数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即A/D转换的孔径时间。当输入信号频率提高时，由于孔径时间的存在，会造成较大的转换误差。要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始前能跟踪输入信号的变化，即对输入信号处于采样状态；在A/D转换开始时将信号电平保持住，这种功能的器件叫做采样/保持器。在转化过程中，如果模拟量产生变化，将直接影响到转换精度。特别是在同步系统中。几个并联的参量需取自同一瞬时，而各参数的A/D转换又共R2R4R4RES2R5R1CU81432I本科毕业设计（论文）说明书15享一个芯片，所得到的几个量就不是同一时刻的值，无法进行计算和比较。所以要求输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求A/D转换器的输入信号能够跟随模拟量变化。能够完成上述任务的器件为采样保持器（SAMPLE/HOLD）简写为S/H。332采样保持器的工作方式采样保持器有两种工作方式，一种是采样方式，另一种是保持方式。在采样方式中，采样保持器的输出跟随模拟量输入电压变化。在保持状态中，采样保持器的输出将保持在命令发出时刻的模拟量输入值，直到下一个保持命令来到时为止。333采样保持电路的工作原理采样保持电路的组成如图38所示,它由输入缓冲放大器A1、模拟开关AS、模拟信号存储电容CH及输出缓冲放大器A2组成。A1和A2接成跟随器的形式，具有高输入阻抗、低输出阻抗的特点。采样保持器在采样状态时，输出能跟随输入电压的变化；在保持状态时，输出保持在进入保持瞬间的输入电压值。ASA2输输控控控控_输输图38采样保持电路的原理框图工作原理是模拟开关AS闭合时，进入采样状态（跟踪），由于A1本科毕业设计（论文）说明书16输入阻抗小，A1输出端给电容CH快速充电，输出跟随输入变化；模拟开关AS断开，进入保持状态，由于A2输入阻抗大，输入电流几乎为零，保证输出的电压值几乎不变。334采样保持器LF398功能分析本设计所选用的保持器为LF398，目前是应用比较广泛的一种。主要完成的工作是对系统温度信号的采样和保持。LF398是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样保持电路。它具有采样速度高，保持下降速度慢，以及精度高等特点。LF398的原理图如下图39所示。图311中有一个由二极管D1、D2组成的保护电路。在没有D1和D2的情况下，如果在S再次接通以前IU变化了，且变化较大时，于是OU的变化也很大。以至于使A1的输出进入饱和状态，OU与UI不再保持线性关系，并使开关电路承受较高的电压，不利于安全。接入D1和D2以后，当OU比OU所保持的电压高出一个二极管的正向压降时，D1将导通，OU被钳位于UIUD1。这里的UD1表示二极管D1的正向导通压降。当OU比OU低于一个二极管的压降时，D2导通，将OU钳位于UIUD2。UD2为D2的正向压降。在S接通的情况下，因为OUOU，所以D1和D2都不导通，保护电路不起作用。本科毕业设计（论文）说明书17V1V2300偏偏输输逻逻CHVV逻逻逻逻_输输_图39LF398原理图LF398的3脚为模拟电压输入，5脚为模拟电压输出；2脚为偏置调整引脚，可通过外接电阻调整采样保持器的偏差。V、V为芯片电源（5V18V），8脚为逻辑端，7脚为逻辑参考，它们用来控制采样保持器的工作方式，采用TTL逻辑电平控制采样和保持，8脚为高电平时，开关S闭合，电路工作在采样状态；反之，8脚为低电平时保持。6脚为保持电容引脚，用来外接保持电容。本设计所用到的采样保持器主要是对温度信号进行采样和保持，当ADC0809为高电平时，此时采样保持器进行信号的采样，输出随着输入的变化而变化，当单片机通知ADC0809进行输入信号的转换时引脚EOC为低电平，此时通过单片机的P30口将LF398的8引脚置为低电平，两个模拟输入信号同时被保持住，ADC0809进行转换，转换结束后EOC又为高电平，进行下次信号的采样，如此往复，实现了信号的不断采样和保持，并且跟踪快。34A/D转换器及其接口本设计采用的A/D转换器为8位转换器ADC0809。ADC0809是与微处理器兼容的8通路8位A/D转换器。它主要由逐次逼近式A/D转换器和8本科毕业设计（论文）说明书18路模拟开关组成。ADC0809的特点是可直接与微处理器相连，不需另加接口逻辑；具有锁存控制的8路模拟开关，可以输入8个模拟信号；分辨率为8位，总的不可调误差为（1/2）LSB和1LSB；输入、输出引脚电平与TTL电路兼容；当模拟电压范围为05V时，可使用单一的5V电源；基准电压可以有多种接法，且一般不需要调零和增益校准。图310为ADC0809与8051的接口电路。本设计使用的输入端口有IN0，输入的是温度。X1X2RESETRD17WR16INT012P10P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2627ALE/P308051IN026MSB212122202319241825826152714LSB2817EOC7ADDA25ADDB24ADDC23ALE22REF16REF12CLOCK10ADC0809SCVCCGND5V图310ADC0809与8051的接口D0D7是转换后的二进制输出端，它们受输出允许信号OE的控制，OE信号由程序或外部设备提供。OE为“0”时，D0D7呈高阻态；OE为“1”时，D0D7输出转换后的数据。A，B，C是三个采样地址输入端，C为最高位，A为最低位了，通过C、B、A的不同组合用来选择模拟量输入通路IN0IN7中的一个通路并进行转换，它们之间的对应关系如表31所示。表31地址所选通道CBAIN0000IN1001本科毕业设计（论文）说明书19IN2010IN3011IN4100IN5101IN6110IN7111ADC0809芯片是采用CMOS工艺的多路8位逐次逼近型A/D转换器，芯片内包括一个8位通道多路模拟开关、8位A/D转换器和一个8位数据锁存器，芯片内部结构如图311所示。图311ADC0809原理图（1）ADC0809主要技术指标线性误差为1LSB；转换时间为100微秒，单一电源5V供电，模拟模拟量输入范围05V；功耗为15MV；输出具有TTL三态锁存缓冲器；无需进行零位及满量程调整；温度范围4085。ADC0809的引脚功能IN0IN78路模拟量输入端。ALE地址锁存启动信号，在ALE的上升沿，将A、B、C上的通道地8通道多路模拟开关地址锁存器和逐次逼近寄控制逻辑开关数组256电阻分压三态输出锁存器本科毕业设计（论文）说明书20址锁存到内部的地址锁存器。D0D78位数据输出线，A/D转换结果由这八根线输出。OE允许输出信号。OE1,位高电平时，允许输出锁存器输出数据。START启动信号输入端，START为正脉冲，其上升沿清除ADC0809的内部的各寄存器，其下降沿启动A/D开始转换。EOC转换完成信号，当EOC上升为高电平时，表明内部A/D转换已完成。CLK时钟输入信号，0809的时钟频率范围在101200KHZ，典型值为640KHZ。UREF（）、UREF参考电压端子。对于一般的单极性模拟量输入信号，UREF（）5V，UREF0V。UCC电源端子，接5V。GND接地端。当ADC0809由程序控制进行A/D转换时，输入通路选定后由输出指令启动A/D转换（SC为正脉冲）。转换结束产生EOC高电平信号作为中断请求。当微处理器执行输入指令后，OE变为高电平，选通三态输出锁存器，输入转换后的代码。35D/A转换器及其接口在微机控制系统中，经模拟量输入通道采集来的参数，按一定的控制规律或某种控制算法处理后，输出控制信号，实现对生产过程的控制和调节。在模拟量输出通道中，需经过D/A转换，将计算机输出的数字信号变换为模拟量信号传送给执行机构，由执行机构直接作用于生产过程进行控制调节。本设计的D/A转换器为DAC0832。模拟量输出通道不论采用哪一种结构形式，都要解决D/A转换器与微处理器的接口问题。D/A转换器是一种将数字信号转换为连续模拟信号的操作，它为计算机本科毕业设计（论文）说明书21系统的数字信号和模拟环境的连续信号之间提供了一种接口。它要求数字量并行输入，并且其输入应在一定时间范围内保持稳定，以实现模拟量输出。8位或少于8位的D/A转换器，只需通过相应位数的锁存器与8位的微处理器总线连接。D/A转换器的工作原理如下图312图312D/A转换原理图本设计采用DAC0832作为D/A转换器，DAC0832是电流输出型8位D/A转换器，采用CMOS工艺，单一电源供电（515V），低功耗（20MW），逻辑电平输入与TTL兼容，内部电路采用R2RT形电阻网络及两级缓冲结构，可单缓冲、双缓冲或直接数字输入，在多个转换器同时工作时，实现多通道D/A的同步输出，其内部结构及引脚图如下图313图313DAC0832的内部结构及引脚DAC0832的各引脚信号功能如下精密电阻网络多路模拟开关数字接口输出放大器标准电流本科毕业设计（论文）说明书221D0D78位数字量输入端，D0为最低位，D7为最高位。2CS片选信号，低有效。3ILE输入锁存允许，高有效。与CS、WR1一起控制数据的输入。41WR写控制信号1，低有效。52WR写控制信号2，低有效。在XFER信号控制下将输入寄存器的数据送入DAC寄存器，并进行D/A转换。6XFER数据传送控制信号，低有效。7VREF参考电压。电压范围为1010V。8IO1输出电流1，当DAC0832数据全为1时输出电流IOUT最大，当DAC0832数据寄存器中全为0时，输出电流为零。9IO2输出电流2，IO1IO2常数。10VCC电源电压，可在515V范围内选择，最佳工作状态VCC15V。11AGND模拟地。12DGND数字地。AGND和DGND在片外接一起。图314为DAC0832与8051的接口电路。图314DAC0832与8051的接口本科毕业设计（论文）说明书23使用DA0832时，应注意WR选通脉冲的宽度一般不小于500S，寄存器保持数据的时间不应小于90S，否则锁存数据会出错。由于DAC0832具有两级数据锁存器，所以，它具有双缓冲、单缓冲及直通数据输入3种工作方式。双缓冲工作方式输入数据锁存器和D/A寄存器分别单独控制。常用于多个D/A转换同步输出的场合。先把需要转换的数据送入各DAC的输入寄存器，然后再通过一个输出指令同时启动多个DAC寄存器进行转换。单缓冲工作方式只要把两个寄存器中的任何一个接成直通方式，另一个工作在锁存方式，DAC就可以处于单缓冲方式，此时只需要一次写操作，就开始转换，提高了D/A的数据吞吐量。直通方式ILE接高电平，CS，WR1，WR2和XFER都接数字地，DAC就处于直通方式。DAC0832有两个输出端LOUT1和LOUT2，为电流输出形式，当输入数据为FFH时，IOUT1电流最大。LOUT1和LOUT2电流之和为一个常数。为使输出电流线性地转换成电压，要在输出端接上运算放大器。36并行接口8255的扩展3618255芯片介绍8255A是INTEL公司生产的一种通用的可编程并行输入/输出接口芯片，可以方便的与多种微处理器相连，并扩展输入/输出口。8255A片内有A、B、C三个8位I/O并行口，A口和B口为两个数据端口，C口既可以作为数据端口，也可以作为控制端口。8522A芯片内部结构图及其功能如下，由图315可见，8255A由以下几部分组成与CPU的接口电路、内部控制逻辑和外设接口电路。本科毕业设计（论文）说明书24图3158255A芯片内部结构图1、并行输入/输出断口A，B，C8255A芯片内部包含3个8位端口，它的引脚图如下图316所示，其中端口A包含一个8位数据输出锁存/缓冲存储器和一个8位数据输入锁存器；端口B包含一个8位数据输入/输出、锁存/缓冲存储器和一个8位数据输入缓冲存储器；端口C包含一个输入锁存/缓冲存储器和一个输入缓冲存储器。必要时端口C可分为2个4位端口，分别与端口A和端口B配合工作，通常将端口A和端口B定义位输入/输出的数据端口，而端口C可作为状态或控制信息的传送端口。D034D133D232D331D430D529D628D727PA04PA13PA22PA31PA440PA539PA638PA737PB018PB119PB220PB321PB422PB523PB624PB725PC014PC115PC216PC317PC413PC512PC611PC710RD5WR36A09A18RESET35CS68255726VCCGND图3168255A芯片引脚图2、A组和B组控制部件A组控制数据总线缓冲读/写控制逻辑B组控制A组A口（8位）A组C口高位（4位）B组C口低位（4位）B组B口8位PA7PA0PC7PC4PC3PC0PB7PB0D0D7本科毕业设计（论文）说明书25端口A与端口C的高4位（PC7PC4）构成A组，由A组控制部件实现控制功能，端口B与端口C的低4位（PC3PC0），由B组部件实现控制功能。他们各有一个控制单元，可接收来自读/写控制部件的命令和CPU通过数据总线（D7D0）送来的控制字，并根据他们来定义各个端口的操作方式。3、读/写控制部件这是8255A内部完成读/写控制功能的部件，它能接收CPU的控制命令，并根据它们向片内各功能部件发出操作命令。可接收的控制命令如下（1）CS片选信号。由CPU输入，通常由端口的高位地址码（A15A2）译码得到，CS有效，表示该8255A被选中。（2）RD，WR读、写控制信号。由CPU输入，RD有效，表示CPU读8255A，应由8255A向CPU传送数据或状态信息。WR有效，表示CPU写8255A，应由CPU将控制字或数据写入8255A。（3）RESET复位信号。由CPU输入，RESET有效时，清除8255A中所有控制字寄存器内容，并将各端口置成输入方式。（4）A1和A0端口选择信号。A1A000，选择端口A；A1A001，选择端口B；A1A010，选择端口C；A1A011，选择控制字寄存器。3628255A芯片的控制字及其工作方式8255A中各端口可有三种基本工作方式方式0基本输入/输出方式；方式1选通输入/输出方式；方式2双向传送方式。端口A可处于3种工作方式（方式0，1，2），端口B只可处于两种方式（方式0和方式1），端口C常常被分成高4位和低4位两部分，可分别用来传送数据或控制信息。本科毕业设计（论文）说明书26用户可用软件来分别定义3个端口的工作方式，可使用的控制字由定义工作方式控制字和置位/复位控制字。1、控制字图3178255A工作方式控制字格式（1）定义工作方式控制字，格式如图317所示。通过定义工作方式控制字可将3个端口分别定义为3种不同方式的组合，当将端口A定义为方式1或方式2或将端口B定义为方式1时，要求使用端口C的某些位作控制用，这时需要使用一个专门的置位/复位控制字来对控制端口C的各位分别进行置位/复位操作。（2）置位/复位控制字只对端口C有效，其使用格式如图318所示。图3188255A置位/复位控制字格式2、工作方式本科毕业设计（论文）说明书27（1）工作方式0这是8255A中各端口的基本输入/输出方式。适用于无条件传送和查询方式的接口电路。它只完成简单的并行输入/输出操作，CPU可从指定端口输入信息，也可向指定端口输出信息。如果3个端口均处于工作方式0，则可由工作方式控制字定义16种工作方式的组合，这种情况下，工作方式控制字的具体格式如图319所示。图3198255A定义工作方式0控制字格式由控制字中D4、D3、D1、D0，4位的不同取值可定义方式0的16种工作方式的组合，如表32所示。表32方式0的工作状态组合序号控制字D7，D0端口A端口C高4位端口B端口C低4位110000000输出输出输出输出210000001输出输出输出输入310000010输出输出输入输出410000011输出输出输入输入510001000输出输入输出输出610001001输出输入输出输入710001010输出输入输入输出本科毕业设计（论文）说明书28810001011输出输入输入输入910010000输入输出输出输出1010010001输入输出输出输入1110010010输入输出输入输出1210010011输入输出输入输入1310011000输入输入输出输出1410011001输入输入输出输入1510011010输入输入输入输出1610011011输入输入输入输入这种情况下，端口C被分成2个4位端口，它们可分别被定义为输入或输出端口，CPU与3个端口之间交换数据可直接由CPU执行IN和OUT指令来完成，而不提供任何“握手”信息，适于用在各种同步并行传送系统中。（2）工作方式1被称作选通输入/输出方式，在这种工作方式下，数据输入/输出操作要在选通信号控制下完成，适用于查询和中断的接口电路。采用工作方式1进行输入操作时，需要使用的控制字如下（1）STB选通信号。由外部输入，低电平有效。STB有效时，将外部输入的数据锁存到所选端口的输入锁存器中。对A组来说，指定端口C的第四位（PC4）用来接收向端口A输入的STB信号；对B组来说，指定端口C的第二位（PC2）用来接收向端口B输入的STB信号。（2）IBF输入缓冲存储器满信号，向外部输入，高电平有效。IBF有效时，表示由输入设备输入的数据已占用该端口的输入锁存器，它实际上是对STB信号的回答信号，待CPU执行IN指令时，RD有效，将输入数据读入CPU，其后把IBF置“0”，表示输入缓冲存储器已空，外部设备可继续输入后续数据，对A组来说，指定端口的第一位（PC1）作为从本科毕业设计（论文）说明书29端口B输出的IBF信号。（3）INTR中断请求信号。向CPU输出，高电平有效。在A组和B组控制电路中分别设置一个内部中断触发器INTEA和INTEB，前者由ASTB（PC4）控制置位，后者由BSTB（PC2）控制置位。当任一组中的STB有效，则把IBF置“1”，表示当前输入缓冲存储器已满，并由STB后沿置“1”各组的INTE，于是输出INTR有效，向CPU发出中断请求信号。待CPU响应这一中断请求，可在中断服务程序中安排IN指令读取数据后置“0”于IBF，外部设备才可继续输入后续数据。显然，8255A中的端口A和端口B均可工作于方式1完成输入操作功能，这种情况下工作方式控制字的具体格式如图320所示，经这样定义的端口状态如图321所示。图3208255定义工作方式1输入控制字格式（A）端口A方式1输入（B）端口B方式1输入图321方式1输入端口状态从图中可以看出，当端口A和端口B同时被定义为工作方式1完成输入本科毕业设计（论文）说明书30操作时，端口C的PC5PC0被用作控制信号，只有PC7和PC6位可完成数据输入或输出操作，因此这实际上可构成两种组合状态它们是端口A，B输入，PC7，PC6输入和端口A，B输入，PC7，PC6输出。采用工作方式1也可完成输出操作，这时需要使用的控制信号如下（1）OBF输出缓冲存储器满信号。向外部输出，低电平有效。OBF有效时，表示CPU已将数据写入该端口正等待输出。当CPU执行OUT指令，WR有效时，表示将数据锁存到数据输出缓冲存储器，由WR的上升沿将OBF置为有效。对于A组，系统规定端口C的第7位（PC7）用作从端口A输出的OBF信号，对于B组，规定端口C的第一位（PC1）用作从端口B输出的OBF信号。ACK外部应答信号。由外部输入，低电平有效。（2）ACK有效，表示外部设备已收到由8255A输出的八位数据，它实际上是对OBF信号的回答信号。对A组来说，指定端口C的第6位（PC6）用来接收向端口A输入的ACK信号；对B组来说，指定端口C的第2位（PC2）用来接收向端口B输入的ACK信号。（3）INTR中断请求信号。向CPU输出，高电平有效。对于端口A，内部中断触发器INTEA由PC6（AACK）置位，对于端口B，INTEB由PC2（BACK）置位。当AACK有效时，OBF被复位为高电平，并将相应端口的INTE置“1”，于是INTR输出高电平，向CPU发出输出中断请求，待CPU响应该中断请求，可在中断服务程序中安排OUT指令继续输出后续字节。对于A组，指定端口C的第3位（PC3）作为由端口A发出的INTR信号；对于B组，指定端口C的第0位（PC0）作为由端口B发出本科毕业设计（论文）说明书31的INTR信号。图3228255定义工作方式1输出控制字格式如果将8255A中的端口A和端口B均定义为工作方式1完成输出操作功能，那么工作方式控制字的具体格式如图322所示。经这样定义的端口状态如图323所示。（A）端口A方式1输出（B）端口B方式1输出图323方式1输出端口状态从图中可看出，当端口A和端口B同时被定义为工作方式1完成输出操作时，端口C的PC6，PC7和PC3PC0被用作控制信号，只有PC4，PC5两位可完成数据输入或输出操作。因此可构成两种组合状态端口A，B输出，PC4，PC5输入；端口A，B输出，PC4，PC5输出。采用工作方式1时，还允许将端口A和端口B分别定义为输入和输出端口。如果将端口A定义为方式1输入端口，而将端口B定义为方式1输出本科毕业设计（论文）说明书32端口，则其方式控制字格式如图324所示。图3248255定义工作方式1输入/输出控制字格式经定义的端口状态如图325所示。从图中可看出，这种情况下端口C的PC5PC0用作控制信号，只有PC7，PC6可作数据输入/输出用，这又能构成两种状态端口A输入，端口B输出，PC7，PC6输入；端口A输入，端口B输出，PC7，PC6输出。（A）方式1A口输入B口输出（B）方式1A口输出B口输入图325方式1输入/输出端口状态从图326可看出，端口C的PC7和PC6，PC3PC0分别用作控制信号，只有PC4和PC5可作数据输入/输出用，根据PC4，PC5的两种方式又可组合成两种端口状态端口A输出，端口B输入，PC4，PC5输入；端口A输出，端口B输入，PC4，5输出。本科毕业设计（论文）说明书33图3268255定义工作方式1输入/输出控制字格式综上所述，8255A中的端口A和端口B的工作在方式1时，可构成8种不同的状态组合方式，端口C的低4位总是作控制用，而高4位总是保持有两位仍然可作数据输入/输出用，因此控制字中的D0位可为任意值，D1，D3，D4位的不同取值构成8种不同的状态组合方式，本设计即是采用方式03638255与单片机连接图8255的片选信号CS由三八译码器的输出端5Y来控制。图327为8255与单片机8051连接图8051825574LS13874LS373GD0P00P007EARESETD7ALEP26D0P25P27D7Q0Q1A0A1图3278255与单片机8051连接图本科毕业设计（论文）说明书34364显示器接口根据内部发光二极管的连接形式不同，显示器有共阴极和共阳极两种。所有发光二极管的阳极连接到一块称共阳极，阴极连接在一起成为共阴极。本设计采用共阴极接法显示，用8255的PB口显示将要显示的位是什么数，用PA口来控制显示是哪一位显示。共阴极连接时，所有发光二极管的阴极连接在一块接地，当某个二极管的阳极接高电平时，对应的二极管点亮。因此要显示某个字形就相应的使此字形的相应段二极管被点亮，实际上就是送一个用不同电平组合代表的数据字来控制LED的显示，此数据成为字形码。通过以上论述得出总的键盘显示器连接如图328所示。图3288255与显示器的连接图37执行器的选择电动执行器有五种类型直行程电动执行器、角行程电动执行器、电动调节阀、PID电动调节执行器和电磁阀。前四种属于DDZ型。直行程与角本科毕业设计（论文）说明书35行程电动执行器的作用是接收调节器或其它仪表送来的010，420毫安或15伏电压的标准直流电信号，经执行器后变成位移推力或转角力矩，以操作开关、阀门等，完成自动调节的任务。这两种执行器以前都是由伺服放大器与执行机构两大部分组成的。现在有机电一体智能化的结构，它们的结构、工作原理和使用方法都是相似的，区别仅在于，一个输出位移推力，一个输出转角力矩。执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构系指产生推理或位移的装置，调节机构系指直接改变能量或输送量的装置，通常称调节阀。执行器按其使用的能源可分为气动、电动和液动三大类。液动的在实际应用中很少使用。本设计采用电动执行器。371电动执行机构电动执行机构有角行程和直行程两种，直行程与角行程电动执行器的作用是接收调节器或其它仪表送来的010，420毫安或15伏电压的标准直流电信号，经执行器后变成位移推力或转角力矩，以操作开关、阀门等，完成自动调节的任务。这两种执行器以前都是由伺服放大器与执行机构两大部分组成的。现在有机电一体智能化的结构，它们的结构、工作原理和使用方法都是相似的，区别仅在于一个输出位移推力，一个输出转角力矩。执行机构系指产生推理或位移的装置，调节机构系指直接改变能量或输送量的装置，通常称调节阀。它将输入的直流电流信号线性地转换成位移量。这两种执行机构是以两项交流电机为动力的位置伺服机构，两者电器原理完全相同，只是减速器不一样。本系统采用角行程执行机构。具有手动、自动控制功能、设有限行程、限力矩机构设有现场机械式开度指示具有断电、断信号、电机过载、阀门卡住等故障报警、保护功能采用低惯性高力矩的电机采用三相电机，可具有动态制动功能小规格执行机构可以选用单相电机外壳具有优良防水、防尘性能能提供外部操作所需的电源DC或AC24110V位置发送器内部采用DC24V电源精度高，抗干扰性本科毕业设计（论文）说明书36强采用组合式结构、性能组件采用模块化设计。角行程执行机构的输入信号为420MA（DC），输入电阻为250，输入轴转矩16、40、100、250、600、1600、4000、6000、10000NM，输出轴转角90O，全行程时间25S，基本误差25，变量15。（1）基本构成和工作原理角行程电动执行机构由伺服放大器和执行机构两大部分组成，如图329所示。该执行机构适用于操纵蝶阀、挡板等转角式调节机构。图329电动执行机构方框图伺服放大器将输入信号II和反馈信号IF相比较，所得差值信号经功率放大后，驱使两相伺服电机转动，再经减速器减速，带动输出轴改变转角。若差值为正，伺服电机正转，输出轴转角增大；当差值为负时，伺服电机反转，输出轴转角减小。输出轴转角位置经位置发送器转换成相应的反馈电流IF，回送到伺服放大器的输入端，当反馈信号IF与输入信号II相平衡，即差值为零时，伺服电机停止转动，输出轴就稳定在与输入信号II相对应的位置上。输出轴转角与输入信号II的关系为IKI（公式31）式中，K为比例系数。由上式31可知