毕业设计（论文）水浴恒温控制仪表论文

1、1、cpu部分cpu选用at89s52，选用的依据有：i/o接口能力；串行通信方式；微处理器是否包含系统正常运行所需的功能部件，如wdt、a/d等。鉴于目前大多数的微处理器内含有a/d或d/a部件均不能达到本设计的分辨率要求，故采用外扩方式。而且，串行接口方式的a/d或d/a在各种嵌入式系统中应用越来越普遍，也易得到，故系统选用串行方式。因此，微处理器选用atmel的at89s52。2、a/d部分设计a/d通道的目的在于被测的模拟量数据转换为数字量以供处理和显示。由于显示刷新周期本身不高，通常为几十毫秒以上，因此对被测模拟量的采样和转换的速度要求不高，从串行传输和光电隔离两方面考虑，采用tlc

2、1549实现对被测模拟量数据数字化，不失为一个好的途径。3、d/a部分从性能和价格两方面结合考虑，选择12位的d/a的转换芯片，考虑市场因素，最后选用dac7513n，其特性可简述为：（1）低功耗，上电输出为0；（2）工作电压范围宽：+2.7v+5.5v；（3）建立时间为10s；（4）3线串行接口；（5）两种封装：sot23-8和msop-8。4、键盘显示部分按键共有5个，分为两类：第一类，状态设置按键，确认键，复用键（开启菜单键和小数点移位键），菜单键；第二类，增加、减少等数字设定键。并可以驱动8为led数码管显示，所以本设计可以用hd7279a进行驱动。5、e2prom存储器存储器选择了美

3、国atmel公司的低功耗cmos串行e2prom at24c01，它的存储容量为256字节，工作电压宽（2.55.5v），它的特点是擦写次数多大于10000次、写入速度快小于10ms。6、max232通信max232芯片是maxim公司生产的、包含两路接收器和驱动器的ic芯片。max232芯片内部都有一个电源电压变换器，可以把输入的+5v电源电压变换成为rs232输出电平所需的10v电压。所以，采用此芯片接口的串行通讯系统只需单一的+5v电源就可以了。对于没有12v的场合，其适应性更强。第 2 章 pid控制及仿真2.1 pid控制技术的理论分析2.1.1 pid控制技术简介在模拟控制系统中是

4、将被测参数，如温度、压力、流量等由传感器变换成统一的标准信号输入调节器，在调节器中与给定值进行比较，再把比较出的差值经pid运算后送到执行机构，改变输入量，以达到自动调节的目的。而在数字控制系统中，则是用数字调节器来代替模拟调节器1。可使对被控对象的调节速度和调整精度得到进一步提高。其调节过程是首先采集参数信号，并通过模拟量输入通道将模拟量变成数字量，这些数字量通过计算机按一定的控制算法进行运算处理，运算结果经d/a转换成模拟量后，由模拟量输出通道输出，并通过执行机构去控制输入量以达到给定值。按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为pid调节器，是连续系统中技术成熟最为广泛的一种调节器，

5、它的结构简单，参数易于调整。特别在工业过程控制中由于控制对象的精确数学模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模型辨识，且往往不能得到预期的效果，所以常采用pid调节器，并根据经验进行在线整定，随着计算机特别是微机技术的发展，pid数字控制算法己能用微机和单片机简单实现，由于软件系统的灵活性，pid算法可以得到修正而更加完善。2.1.2 pid控制算法的数字实现1、pid控制理论积分微分被控对象比例r(t)图2.1 连续时间pid控制系统在连续时间控制系统中，pid控制器应用得非常广泛。其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵

6、活，能满足一般的控制要求。连续时间pid控制系统如图2.1所示。图中，d(s)所示为控制器。在pid控制系统中，所有的pid控制规律均由d(s)完成，因而称之为pid控制器，其中，分别表示比例、积分和微分环节。pid控制器是一种线性控制器，输出量y(t)和给定量r(t)之间的误差是时间的函数2。 （2.1）由图2.1的比例，积分，微分的线性组合，构成控制量u(t)，这种控制方式具有上述三种控制方式，因而被称为比例、积分、微分控制，简称pid控制。在实际应用中，根据受控对象的特性和控制的性能要求，可以灵活地采用小同的控制组合，构成比例（p）控制器、比例+积分（pi）控制器、比例+微分（pd）控制

7、器或是比例+积分+微分（pid）控制器。比例控制能够迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制小能彻底消除稳态误差。随着比例放大系数的加大，系统会逐渐变得小稳定，因此需要进行积分控制。积分控制的作用是，当系统存在误差时，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差，只要有充分的时间，积分控制能够完全消除误差，从而消除稳态误差。但是积分作用太强会引起系统超调加大，甚至使系统出现振荡，此时又需要引入微分控制。微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。应用pid控制，就是根据具体情况适当地调整比例放大系数，积分时间，

8、和微分时间，使整个控制系统达到满意的控制效果3。2、实用的pid控制方法在数字控制系统中，pid控制器是通过计算机pid控制算法程序实现的。连续的时间信号，必须经过离散化后，变成数字量，才能用计算机进行数据处理与存储。在数字计算机中，计算和处理积分和微分时，只能用数值计算去逼近。因此在数字计算机中pid控制规律的实现也必须用数值逼近的方法，用求和代替积分，用差商代替微商，使pid算法离散化，将描述连续时间pid算法的微分方程，变为描述离散时间pid算法的差分方程4。 （2.2）式中是控制量的基值，即稳态时pid控制器的输出值；u(k)是第采样时刻的控制，为比例放大系数：为积分放大系数，为微分放

9、大系数，；为采样周期。该表达式称为位置式pid控制算法。由位置式pid控制算法推导出。 （2.3）其中， （2.4） （2.5） （2.6）公式（2.3）称为增量式pid控制算法，从该表达式已经看出p、i、d作用的直接关系，只表示了各次误差量对控制作用的影响。从式（2.3）看出，数字增量式pid算法，只要贮存最近的三个误差采样值e(k)、e(k-1)、e(k-2)即可当执行机构需要的是控制量的绝对值，而是控制量的增量时，该算法可以起到很好的控制效果。在模拟调节系统中，pid控制算法的模拟表达式为： （2.7）式中，u(t)为调节器的输出信号；e(t)为偏差信号，它等于给定量与输出量之差；为比例

10、系数；为积分时间常数；为微分时间常数。其控制框图如图2.2。pid控制对象c(t)图2.2 pid控制简化示意图由于计算机系统是一种采样控制系统，它根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，必须对其离散化，用离散的差分方程来代替连续系统的微分方程。连续的时间离散化为： （k=0，1，2n） （2.8）积分用累加和近似得： （2.9）微分用一阶向后差分近似得： （2.10）式中，为采样周期；e(k)为系统第次采样时刻的偏差值；e(k-1)为系统第k-1次采样时刻的偏差值；k为采样信号，k=0，1，2。将公式（2.9）和公式（2.10）代入公式（2.7），则可得离散的pid表达式。 （2.11）如果采

11、样周期取的足够小，该式可以很好地逼近模拟pid算式，因而使被控过程与连续控制过程十分接近。由于式表示的控制算法提供了执行机构的位置u(t)，即其输出值与阀门开度的位置一一对应，所以通常把式（4.11）称为位置式pid的控制算法。该式中，令 （2.12） （2.13）可变为： （2.14）此即为离散化的位置式pid控制算法的编程表达式。当进行控制时，、可以先分别求出并放在指定的内存单元中，则可实现公式（2.11）。由公式（2.11）可以看出，每次输出与过去所有状态有关，计算复杂，浪费内存。故要做如下变动： （2.15）以上两公式相减并整理得： （2.16）式中， （2.17） （2.18） （2

12、.19）公式（2.16）就是pid位置式的递推形式，是编程的常用的形式之一。其程序框图见图（2.3）所示。取给定值、反馈值形式偏差取、作乘法取、作乘法作减作加作输出数据传送：送数据传送：送、送取、作乘法开始结束图2.3 位置式pid控制算法程序框图2.1.3 pid控制参数的整定pid控制器参数整定，是指在控制器规律已经确定为pid形式的情况下，通过调整pid控制器的参数，使得由控制对象、控制器等组成的控制回路的动态特性满足期望的指标要求，达到理想的控制目标。下面介绍pid参数整定的方法。1、经验法经验法是pid调节器三个参数、整定的一种方法，也是工程上经常使用的一种方法。所谓经验法实际上是一

13、种凑试法。它是通过模拟运行观察系统的响应曲线（例如阶跃响应），然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定pid的调节参数。增大比例系数，一般将加快系统的响应，有利于减小静差，但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，减弱稳定性。增大有利于减小超调，使系统稳定，但系统静差的消除将减慢。增大有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但对于干扰信号的抑制能力将减弱。在凑试时，可参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数进行先比例，后积分，再微分的整定步骤。首先整定比例部分。将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，知道得到反应快、超调小的响应曲线。如果

14、系统没有静差或静差小到允许的范围之内，并且响应曲线己属满意，那么只需用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。如果仅调节比例调节器参数，系统的静差还达不到设计要求，则需加入积分。首先置积分常数为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小，然后减小积分常数，使系统在保持良好的动态性能的情况下，消除静差。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复修改比例系数和积分常数，直至得到满意的结果。若使用比例积分器能消除静差，但动态过程经反复调整后仍达不到要求，这时可加入微分。在整定时，先置微分常数为零，在第二步整定的基础上，增大，同时相应的改变和，逐步凑试，以获得满意的调节结果和参数5。2、临界比例度法临

15、界比例度法是一种非常著名的pid控制器参数整定方法，曾在工程上得到广泛的应用。该法不依赖于对象的数学模型参数，而是总结了前人理论和实践的经验，通过实验由经验公式得到pid控制器的最优整定参数。它用来确定被控对象的动态特性的参数有两个：临界增益和临界振荡周期。临界比例度法是在闭环的情况下，将pid控制器的积分和微分作用先去掉，仅留下比例作用，然后在系统中加入一个扰动，如果系统响应是衰减的，则需要增大控制器的比例增益重做实验，相反如果系统响应的振荡幅度不断增大，则需要减小。实验的最终目的，是要使闭环系统做临界等幅周期振荡，此时的比例增益，就被称为临界增益，记为；而此时系统的振荡周期被称为临界振荡周

16、期，记为。临界比例度法就是利用和由经验公式求出pid控制器的参数整定值。表2.1所示就是zn临界比例度法参数整定经验公式。表2.1 临界比例法参数整定经验公式pid控制器参数pid型控制器0.60.50.1252.2 温控系统pid控制的调节过程根据温度变化的要求，可将其分为三段来进行控制：自由升温段、保温段和自然降温段。为避免过热，从室温到80%额定温度为自由升温段，在20%额定温度时为保温段。输入的电功率为,=0时电功率最小,=1时为全功率。在自由升温段中，希望升温越快越好，将加热功率全开足，因此得自由升温段控制方程：当温度t80%时（表示温度设定值)，选=1；当t80%时，已较接近需要保

17、温的值，为此采用保温段控制方程6。在保温控制过程中，如果采用比例控制，由于电热丝所加功率的变化和加热管内温度的变化之间存在一段时间延迟，因此当以温差来控制输出时（即比例控制），系统只有在温度与给定值（保温温度）相等时才停止输出。这时由于加热管内温度变化的延迟性质，加热管内温度并不因输入停止而马上停止上升，从而超过给定值。滞后时间越大，超过给定值也越大。温度上升到一定程度后，才开始下降，并继续下降到小于给定值时，系统才重新输出。同样，由于温度变化滞后于输出，它将继续下降，从而造成温度的上下波动，即所谓振荡。考虑到滞后的影响，调节规律必须加入微分因数，即pd（比例微分）调节。有了pd调节，系统输出

18、不仅取决于温差的大小，还取决于温差的变化速率。当温度从自由升温段进入保温段时，加热管内温度还小于给定值，但温差变化较大（由于温差及温差的变化对系统输出都有影响，而在升温过程中，这两项对输出的作用是相反的），因而系统可提前减少或停止输出，使加热管内温度不至于出现过大的超调。同样，在降温过程中也是如此，这样就改善了加热管内温度调节的动态品质。积分作用可以提高温度控制的静态精度，适当选择积分作用，则可在不影响动态性能情况下提高温度控制的精度。所以保温段控制还应加入积分环节即采用pid控制方法。自然降温段的控制方程为=0。2.3 温控系统pid控制的其他几种优良措施1、积分分离pid控制当系统启、停或

19、大幅度提、降给定值时，短时间内的大偏差在积分控制作用下可使过渡过程出现大的超调和振荡。过大的超调会对系统产生不利的影响，可运用计算机逻辑判断的功能，使偏差e(k)大时积分不起作用，直至e(k)减小到一定值时，才将积分作用投入7。这就是所谓积分分离pid控制或pd-pid选择控制。设积分分离值为e(i)，则控制算法可表达为：（1） （2.20）（2） （2.21）pid控制与pd-pid选择控制比较，后者由于积分迟投入作用，开始时过渡过程较慢，但由于没有积分引起的超调和振荡，使整个过渡过程还是进行得较快且平稳。2、变增益pid控制针对受控对象具有的非线性特点，可通过改变pid控制的增益来进行补偿

20、。通常使pid控制器的增益随偏差e变化，令=f(e)代入（2.4）式中，可以得到变增益pid控制算式： （2.22）函数f(e)既可以用数学表达式给出，也可以用数据表格形式给出。在用程序实现变增益pid控制时，可把fe(k)看成一个与为1的基本pid控制器相串联的环节8。2.4 计算机仿真利用matlab软件环境可以实现计算机仿真，matlab语言是一种更为抽象的高级计算机语言，既有与c语言等同的一面，又更为接近人的抽象思维。便于学习和编程。同时它具有很好的开放性，用户可以根据自己的需求，利用matlab提供的基本工具，灵活的编制和开发自己的程序，开创新的应用。simulink是matlab环

21、境下的数字仿真工具，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的集成环境。它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统仿真，也支持具有多种速率的多速率系统仿真。simulink提供了用鼠标“画”出系统框图的方式，可以进行图形建模。与传统的仿真软件包用微分方程或差分方程建模相比，它具有直观、方便、灵活的优点。simulink还提供了封装和模块化工具，尤其适用于复杂、多层次、高非线性的系统仿真。它简化了设计过程，减轻了设计负担。提高了仿真的集成化和可视化程度。在matlab工作空间中键入命令simulink模块库。由于温度一般都属于一阶对象和带纯滞后的一阶对象，被控对象的传递函数可表示为： （2.2

22、3）式中：为被控对象的放大系数；为被控对象的时间常数；为纯滞后时间。取；。由matlab可得该pid控制的仿真结构图如图2.4所示9。图2.4 pid控制仿真结构图由于该pid控制只调整一个参数，取不同的值，可得到一系列的阶跃响应结果。（1）当，时，阶跃响应结果如图2.5所示。（2）当，时，阶跃响应结果如图2.6所示。（3）当，时，阶跃响应结果如图2.7所示。由三图是只调节时，而和只是与成比例关系的计算值，输入进行仿真的图形，从图形显示结果可知，只调节这一参数时波形趋于稳定。所以上面提到的pid算法是可行的，并且，该方法对这种一阶的带滞后的对象的控制不失为一种好的方法。 图2.5 阶跃响应曲线

23、1 图2.6 阶跃响应曲线2图2.7 阶跃响应曲线32.5 本章小结本章主要介绍pid的调节原理和算法及参数整定方法，并应用matlab仿真软件确定pid参数。第 3 章 系统的硬件设计现代的控制仪表正趋于智能化，结构简单但功能强大使用方便的智能仪表是发展的趋势。因此控制仪表的设计应朝着通用型、智能型、良好的人机界面的方向发展。本章就是按照这个方向展开的。本设计的硬件框图如图3.1所示。温度采集电路a/d转换器单片机键盘显示电路d/a转换输出故障报警电路继电器控制存储器铂电阻pt100max232串行通讯图3.1 数字化调节器硬件电路框图3.1 热电阻输入通道的设计铂电阻以其性能稳定、重复性好

24、、精度高在工业用温度传感器中得到的广泛的应用。工业铂电阻测温范围为-200850，铂电阻阻值与温度之间的关系可近似用下式表示：（1）在0850, （3.1）（2）在-2000， （3.2）式中，分别为铂电阻在0和t的电阻值。、分别为三个常数（/,/,/）。本设计采用的热电阻是pt100，并且采用三线制接法(消除引线电阻的影响)将温度信号转换为电阻信号，并通过一定的电路设计就可以将温度信号转换为电压信号。下面主要是具体设计方法。3.1.1 基于tl431稳压芯片的稳压电路的实现tl431，a、b集成电路是三端可编程并联稳压二极管。这些单片集成电路电压基准如同低温度系数齐纳管一样运行，通过2个外部

25、电阻可从编程至36伏。这些器件显示出宽工作电流范围，在典型动态阻抗0.22时为1.0ma至100ma。这些基准的特性使它能在数字电压表、电源和运放等许多应用中代替齐纳二极管。2.5伏参考使从5.0伏逻辑电源可方便地获得稳压参考电压。由于tl431，a、b工作方式为并联稳压器，所以可以用作正压或负压参考。tl431接线图如3.2所示。图3.2 tl431接线图3.1.2 铂电阻pt100测温原理热电阻pt100在-3090范围内的分度见表3.110。由表3.1可见，其温度变化与阻值变化不是绝对线性，因此，对测温时温度补偿和信号采集的稳定性的要求是非常高的。因此，热电阻的接线必须考虑这些方面的影响

26、。本设计采用恒流源供电的方法。表3.1 pt100分度表+0123456789-0-3088.2287.8387.4387.0486.6486.2585.8585.4685.0684.6784.27-2092.1691.7791.3790.9390.5990.1989.889.489.0188.6288.22-1096.0995.6995.394.9194.5294.1293.7393.3492.9592.5592.160100100.39100.78101.17101.56101.95102.34102.73103.12103.51103.910103.9104.29104.68105.07

27、105.46105.85106.24106.63107.02107.4107.7920107.79108.18108.75108.96109.35109.73110.12110.51110.9111.28111.6730111.67112.06112.45112.83113.22113.61114.99114.38114.77115.15115.5440115.54115.93116.31116.7117.08117.47117.85118.24118.62119.01119.450119.4119.78120.16120.55120.93121.32121.7122.09122.47122.

28、86123.2460123.24123.62124.01124.39124.77125.16125.54125.92126.31126.69127.0770127.07127.45127.84128.22128.6128.98129.37129.75130.13130.51130.8980130.89131.27131.66132.04132.42132.8133.18133.56133.94134.32134.790134.7135.08135.46135.84136.22136.6136.98137.36137.74138.12138.53.1.3 恒流源电路的设计恒流源的设计是热电阻输入

29、通道的关键，它要求在热电阻在0850温度范围变化内阻值的变化不会引起恒流源电流的变化，由电子学的知识，如果恒流源的内阻为无穷大，则负载变化不会引起电流的变化。由pt100构成信号的获取电路常用的方法有2种，一种是构成的十分常见的电桥电路，当然，在本系统中，考虑成本的问题，一般采用单臂桥；还有一种是运用恒流源电路，将恒流源通过温度传感器，温度传感器两端的电压即反映温度的变化。上述两种电路的结构形式见下图3.4所示11。 (a)单臂桥式 (b)恒流源式图3.4 两种信号获取电路的结构根据测试技术的有关知识，图a的输出与电阻的阻值不是个正比的关系，因而数据处理起来特别麻烦，尤其是用单片机来处理这些非

30、线性的问题。而图b的由于恒流源的作用，使得电压输出与电阻成良好的线性关系，因此，本系统采用恒流源电路来获取温度信号。恒流源电路的设计，有用三极管构成的，有用专门的恒流管，也有用价格低廉的器件通过比较巧妙的设计构成的，本系统是采用tl431为核心来构成的，根据以往的运用经验，恒流效果十分理想，系统设计的恒流源电路见下图3.5所示。图3.5 由tl431构成的恒流源电路3.1.4 铂电阻测温电路的设计本设计所应用的温度采集电路是由pt100构成的双恒流源测温电路，电路如图3.5所示。图3.6 由pt100构成的双恒流源测温电路由图3.6可见铂电阻pt100采用三线制接法，双恒流源分别接到pt100

31、和r16一端，当温度是0时，pt100的对应阻值为100与r16阻值相等，pt100两端电压和r16两端电压相互抵消，即测温电路输出为0v；当pt100的阻值随着温度的变化而增长时，pt100两端电压增大，减去r16两端电压后输出的电压就对应着pt100的阻值对应温度的变。，输出的电压在经过u1a的放大，放大倍数为r14的阻值比上r7的阻值即放大39倍，u1b为跟随放大器，在经r17和r18分压即为本测温电路的输出电压，在接到a/d的输入端。3.2 a/d转换接口电路设计在智能仪表中，对一般的模拟信号处理为能被计算机所接受的数字信号，无外乎以下两种方式，要么a/d转换，要么v/f转换，对于在工

32、业上对现场的信号需要远距离传送的信号，我们经常采用频率信号传输，由于我们己经对现场的信号采用了恒流源电路来获取温度信号，并经在cpu板一起的仪用放大器进行放大，因此，用最常用的a/d转换作为我们模拟信号变换成数字信号的基本思路。3.2.1 tlc1549的简介tlc1549系列是美国德州仪器公司生产的具有串行控制、连续逐次逼近型的模数转换器，它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口，其中三态输出分别为片选(cs低电平有效)，输入/输出时钟(i/o的clock)，数据输出(dataout)。tlc1549引脚排列如图3.7所示。tlc1549能以串行方式送给单片机，由于tlc15

33、49采用cmos工艺，内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且开关电容设计使在满刻度时总误差最大仅为1lsb(4.8mv)，因此可广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。图3.7 tlc1549引脚图3.2.2 tlc1549工作原理在芯片选择（cs）无效情况下，i/o的clock最初被禁止且data out处于高阻状态。当串行接口把cs拉至有效时，转换时序开始允许i/o的clock工作并使data out脱离高阻状态。串行接口然后把i/o的clock序列提供给i/o的clock并从data out接收前次转换结果。i/o的clock从主机串行接口接收长度在10和16个

34、时钟之间的输入序列。开始10个i/o时钟提供采样模拟输入的控制时序。clockdataoutcs1234567891000001a9a8a7a6a5a4a3a2a1a0b9采样周期bmsblsba/d变化时间间隔（21s）data先前变化图3.8 tlc1549工作时序图在cs的下降沿，前次转换的msb出现在data out端。10位数据通过data out被发送到主机串行接口。为了开始转换，最少需要10个时钟脉冲。如果i/o的clock传送大于10个时钟长度，那么在的10个时钟的下降沿，内部逻辑把data out拉至低电平以确保其余位的值为零。在正常进行的转换周期内，规定时间内cs端高电平至

35、低电平的跳变可终止该周期，器件返回初始状态（输出数据寄存器的内容保持为前次转换结果）。由于可能破坏输出数据，所以在接近转换完成时要小心防止cs被拉至低电平。时序图如图3.8所示。3.3 微处理器at89s52本设计中单片机主要完成数据的运算和显示的任务，因此，一般的单片机都能满足设计的要求，但考虑到实用性和成本的问题，本设计选用常用的atmel公司的51单片机at89s52。功能特性描述如下：at89s52是一种低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k在系统可编程flash存储器。使用atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80c51产品指令和引脚完全兼容。片上flash允许程序

36、存储器在系统上编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位cpu和在系统可编程flash，使得at89s52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。at89s52具有以下标准功能：8k字节flash，256字节ram，32位i/o口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，at89s52可降至0hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，cpu停止工作，允许ram、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，ram内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断

37、或硬件复位为止。at89s52信号引脚功能如下：（1）vcc：电源。（2）gnd：接地。（3）p0口：p0口是一个8位漏极开路的双向i/o口。作为输出口，每位能驱动8个ttl逻辑电平。对p0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，p0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，p0具有内部上拉电阻。在flash编程时，p0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。（4）p1口：p1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p1输出缓冲器能驱动4个ttl逻辑电平。对p1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使

38、用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil）。此外，p1.0和p1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（p1.0/t2）和定时器/计数器2的触发输入（p1.1/t2ex）。（5）p2口：p2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2输出缓冲器能驱动4个ttl逻辑电平。对p2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(iil)。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行movxdptr）时，p2口送出高八位地址。在这种应用中，p2口使用很强的内部上拉发

39、送1。在使用8位地址（如movxri）访问外部数据存储器时，p2口输出p2锁存器的内容。在flash编程和校验时，p2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。（6）p3口：p3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2输出缓冲器能驱动4个ttl逻辑电平。对p3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil）。p3口亦作为at89s52特殊功能（第二功能）使用。其引脚图如图3.9所示。图3.9 at89s52引脚图（7）rst：复位输入。晶振工作时，rst脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时

40、完成后，rst脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器auxr（地址8eh）上的disrto位可以使此功能无效。disrto默认状态下，复位高电平有效。（8）ale/prog：地址锁存控制信号（ale）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（prog）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ale以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ale脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8eh的sfr的第0位置“1”ale操作将无效。这一位置“1”ale仅在执行movx或movc指令时有效。否则，ale

41、将被微弱拉高。这个ale使能标志位（地址为8eh的sfr的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。（9）psen：外部程序存储器选通信号（psen）是外部程序存储器选通信号。当at89s52从外部程序存储器执行外部代码时，psen在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，psen将不被激活。（10）ea/vpp：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000h到ffffh的外部程序存储器读取指令，ea必须接gnd。为了执行内部程序指令，ea应该接vcc。在flash编程期间，ea也接收12伏vpp电压。（11）xtal1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。（12）xt

42、al2：振荡器反相放大器的输出端。以上就是at89s52单片机芯片40条引脚的定义及简单功能说明。3.4 d/a输出通道设计d/a通道的主要功能是实现的功能，即将设定的数字量转化为模拟量输出，数字量的设定通过按键“+”和“-”实现。从性能和价格两方面结合考虑，选择12位的d/a的转换芯片，可以达到4096级的分辨率。考虑市场因素，最后选用texas的dac7513n，其特性可简述为：低功耗，上电输出为0；工作电压范围宽：+2.7v+5.5v；建立时间为10s；3线串行接口；两种封装：sot23-8和msop-8。基于dac7513n的输出通道设计见图3.10。从图中可知，该输出通道主要包含与微

43、处理器的接口电路、转换后的模拟信号的驱动电路两部分。其中，前者主要涉及到接口所需的3串行信号，数据输入din；时钟sclk；转换同步信号sync；采用3片4n25进行光电隔离，提高系统抗干扰能力。4n25为高速光耦，其响应时间是1.2s，在12mhz系统中，机器周期是1s，串行信号的实现通常需要若干指令周期，因此，4n25能满足系统串行信号的输入/输出速度要求。图3.10 基于dac7513n的d/a通道dac7513n的基准电压由tl431基准电路提供基准电压电压为+2.5v，其目的是为了保证d/a转换的稳定性。设数字量为，则dac7513n的输出电压与输入数字量之间的关系如下： （3.3）

44、按照运放的“虚短”原则，不难推导得到经u11a运放放大后的输出与关系如下： （3.4）运放u11b设计为一级跟随器，主要是提高输出信号的负载能力。u11a和u11b使用性价比极高的lm324，允许单电源和双电源供电，为简化电源电路，本系统采用单电源供电方式，电压为5v。由于dac7513n图3.9中的电阻r27为平衡电阻，其值为r25和r26的并联值。电阻r25、r26及r27应采用1%金属膜精密电阻。3.5键盘/显示接口电路的设计键盘与显示器作为常用的现场人机接口，尤其是作为现场工作的智能仪表，那是不可缺少的，作为温度测量也不例外。在这里，不仅要用显示器件向用户提供实时测量的各路温度值，而且

45、由于不同的现场有不同的温度报警参数，因此还需要现场调整这类参数的键盘，当然调整参数时，显示器的作用是配合键盘显示当前设定的现场参数。常用的显示器件主要有led（发光二极管）和lcd（液晶），它们都具有耗电少，成本低，线路简单，寿命长等优点，广泛应用于智能仪表场合。考虑一般工业现场的工作特点（工作温度、光线等），在本设计中选用led数码管显示器。led数码管显示器是由发光二极管显示字段的显示器件。这种显示器有阳极和共阴极两种，本设计中采用了共阴极led。常用的led显示器接口芯片有mc14499、8279、8155、max7219、74hc164、hd7279、 zlg7290、bc7281等。

46、考虑本人对该类芯片的熟悉程度及其性能好的优点，本设计中选用了hd7279作为键盘/显示器的驱动芯片。3.5.1 hd7279简介hd7279a是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴极数码管的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成led显示、键盘的全部功能。hd7279a内部含有译码器，可直接接受bcd码或16进制码，并同时具有两种译码方式。此外，还有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等12。1、hd7279的引脚功能hd7279引脚图如图3.11所示。 图3.11 hd7279引脚图hd7279引脚功能如下表3.2所示。表3.2 hd7279引脚功

47、能表引脚名称说明1，2vdd 正电源3，5nc 无连接，必须悬空4vss 接地6cs 片选物入端，此引脚为低电平时，可向芯片发送指令及读取键盘数据7clk 同步时钟输入端，向芯片发送数据及读取键盘数据时，此引脚电平上升沿表示数据有效8data 串行数据输入/输出端，当芯片接收指令时，此引脚为输入端；当读取键盘数据时，此引脚在读指令最后一个时钟的下降沿变为输出端9ket 按键有效输出端，平时为高电平，当检测到有效按键时，此引脚变为低电平1016sgsa 段g到段a驱动输出17dp 小数点驱动输出1825dig0dig7 数字0到数字7驱动输出26clko 振荡输出端27rc rc振荡器连接端28

48、reset 复位端2、hd7279特点（1）串行接口，无需外围元件可直接驱动led。（2）各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性。（3）（循环）左移/（循环）右移指令。（4）具有段寻址指令，方便控制独立led。（5）64键键盘控制器，内含去抖电路。3、串行接口hd7279采用串行方式与微处理器通讯，串行数据从data引脚送入芯片，并由clk端同步，当片选信号变为低电平后，data引脚上的数据在clk引脚的上升沿被写入hd7279的缓冲寄存器。hd7279的指令结构有三种类型：不带数据的纯指令，指令的宽度为8个bit，即微处理器需发送8个clk脉冲;带有数据的指令，宽度为16个bit即微处理器

49、需发送16个clk脉冲;读取键盘数据指令，宽度为16个bit前8个为微处理器发送到hd7279的指令，后8个为hd7279返回的键盘代码，执行此指令时，hd7279的data端在第9个clk脉冲的上升沿变为输出状态，并在第16个脉冲的下降沿恢复为输入状态，等待接收下一个指令。3.5.2 hd7279在本设计中的应用如图3.12，hd7279需要一个外接的rc振荡电路以供系统工作，其典型值是k。pf。如果芯片无法正常工作，就检查这个振荡电路。图3.12 按键及显示电路设计图hd7279的复位端在一般的应用情况下，可以直接与正电源连接，在需要较高可能性的情况下，连接一个外复位电路，或直接由mcu控

50、制。在上电或复位端由低电平变为高电平后，hd7279大约需要经过1825ms的时间才会进入正常的工作状态。上电后，所有的显示都为空，所有显示的显示位的属性均为“显示”和“不闪烁”。当有键按下时，key引脚输出变为低电平，此时如果接到“读键盘”指令，hd7279将输出所按下的键的代码。如果在收到“读键盘”指令时没有有效按键，它将输出ffh。程序中，尽可能减少cpu对hd7279的访问次数，可以使得程序变的有效率。因为芯片直接驱动led数码管显示，电流较大，且为动态扫描方式，故如果该部分电路电源连线较细较长，可能会引入较大的电源噪声干扰，将hd7279的正负电源端上并入去耦电容可以提高电路抗干扰能

51、力。3.6 通讯接口电路设计max232芯片是maxim公司生产的、包含两路接收器和驱动器的ic芯片13。max232芯片内部都有一个电源电压变换器，可以把输入的+5v电源电压变换成为rs232输出电平所需的10v电压。所以，采用此芯片接口的串行通讯系统只需单一的+5v电源就可以了。对于没有12v的场合，其适应性更强。max232芯片引脚结构见图3.13。图3.13 max232引脚图max232芯片的典型工作电路见图3.13。在图3.14中上半部分电容c8、c9、c10、c11，及v+、v-是电源变换电路部分。在实际应用中，器件对电源噪声很敏感。因此，vcc必须要对地加去耦电容c43，其值为

52、见图3.16所示。电容c8、c9、c10、c11取同样的值，其值见图3.13，用于提高抗干扰能力，在连接时一定要靠近器件。下半部分为发送和接受部分。实际应用中，t-in1，t-in2可以直接接ttl/cmos电平的89c52单片机的串行发送端txd；r_out1，r_out2可直接接ttl/cmos电平的89c52单片机的串行接收端rxd；rt-out1，rt-out2可直接接pc机的rs232串口的接收端inn；rr-in1，rr-in2可直接接pc机的rs232c串口的发送端outt。图3.14 通讯接口芯片max232接口电路3.7 报警电路报警电路可以及时通知我们系统出现错误或者有益处

53、产生，这样就避免了器件的损坏，减少了使用者的损失。报警电路如图3.15所示。图3.15 声光报警电路当单片机输出为低电平时三极管截止，蜂鸣器和发光二极管没有电流流过，报警电路不工作；当单片机输出为高电平时三极管导通，电源两端与蜂鸣器相接，蜂鸣器开始工作，电压通过r15产生电流，从而使发光二极管有电流流过，开始闪烁；这就是本设计的报警电路的工作原理。3.8 存储器模块设计存储器选择了美国atmel公司的低功耗cmos串行eeprom at24c01，它的存储容量为256字节，工作电压宽（2.55.5v），它的特点是擦写次数多大于10000次、写入速度快小于10ms。而且与单片机接口电路简单，掉电

54、存储数据不丢失，可用于保存用户的历史数据。3.8.1 at24c01功能介绍掉电存储单元的作用是在电源断开的时候，存储用户当前用电量和电表转数信息的。at24c01是atmel公司的2kb的电可擦除存储芯片，采用两线串行的总线和单片机通讯，电压最低可以到2.5v，额定电流为1ma，静态电流10a（5.5v），芯片内的资料可以在断电的情况下保存，而且采用8脚的dip封装，使方用便。其引脚如图3.16所示14。图3.16 at24c01 引脚图其主要引脚功能如下：（1）scl是串行时钟输入端。用于对输入和输出数据的同步，写入eprom的串行数据用scl的上升沿同步，读出的串行数据用scl的下降沿同步。（2）sda是串行数据输入/输出（或地址输入）端。（3）wp、test为写保护输入端，存储器检测端，vcc为+5v电源端。（4）a0、a1、a2：片选或页面选择地址输入端。也称为可