基于单片机的温度控制系统毕业设计

1、XXXXXXXX 毕业设计 题目:基于单片机的温度控制系统姓 名 X X X学 院 电气工程与自动化 专 业 计算机控制技术 指导教师 X X 职 称 助理实验师2009 年 5 月 25日摘 要随着国民经济的发展, 人们需要对各种加热炉, 热处理炉, 反应炉和锅炉中 温度进行监测和控制。 采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便, 简单和灵活 性大等优点, 而且可以大幅度提高被控温度的技术指标, 从而能够大大的提高产 品的质量和数量。为了适应工业控制发展的需要, 本文在分析单片机对电加热炉温度控制的基 础上,将整个系统分为温度测量、 A/D转换、单片机系统、键盘操作系统、温度 显示电路、报警电

2、路、 D/A转换等若干个功能模块。同时分别阐述其结构体系、 工作原理、 设计、 集成方法以及它们之间的共性和特点。 由于温控技术与自动化 技术的发展非常迅速, 本文一方面结合实际应用经验, 力求做到较为系统和全面 的介绍系统设计与实施技术; 另一方面尽可能反应出温控系统的发展趋势, 以及 其先进性和实用性。本设计的控制对象为电加热炉,通过控制加在电阻丝两端电压的工作时间, 来对电阻丝输出的平均功率加以控制。 以单片机为核心, 采用固态继电器控温电 路,实现对电炉的自动控制。本文将采用 PID 控制,阐述了 PID 控制器的设计, 硬件结构和软件设计, 实现了一套温度采集和控制的方案。 该系统具

3、有硬件成本 低,控温精度较高,可靠性好,抗干扰能力强等特点。关键词:电加热炉;单片机;温度控制;固态继续电器1目 录前 言在现代化的工业生产中,温度是常用的主要被控参数。例如:在冶金工业、 化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中,人们都需 要对各类加热炉、 热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。虽然温度 控制系统的制作方案有很多, 但是经过对比各个方案的优劣, 还是采用单片机更 好,因为采用单片机来对温度进行控制, 不仅具有控制方便、 组态简单和灵活性 大等优点, 而且可以大幅度提高被控温度的技术指标, 从而能够大大提高产品的 质量和数量。 因此, 单片机对温度的

4、控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问 题。单片机体积小、功能齐全、价格低廉、可靠性高等方面具有独特的优点,在 各个领域获得了广泛的应用。在我国,近几年单片机的应用研究发展进展很快, 特别是在工业控制、智能化仪表、 产品自动化、 分布式控制系统中都已取得了一 些可喜的成果。现在,一个学习和应用单片机的热潮正在一些工厂、企业、科研 单位、高等院校中兴起。本设计使用单片机 8031作为核心进行控制。加热器件是电炉丝,功率为三 千瓦,要求温度在 4001000。静态控制精度为 2.43。 算法采用目前工业生 产过程控制系统中应用最广泛的 PID 算法, 并利用测量误差改变调节器步长的方 法实现 PI

5、D 参数的自动整定,在温度曲线控制中取得了非常满意的效果。本设计说明书共有六章。 第一章温度控制系统方面简介。 第二章单片机的选 型介绍主芯片的选择。第三章介绍主芯片端口的扩张芯片 8155。第四章主要对 模数转换芯片 ADC0809的介绍。第五章是对温度检测和变送器的设计。第六章 是对温度控制电路的设计。 第七章是软件设计, 包括主程序, 子程序, 滤波程序, 等程序的设计。希望本设计说明书能给大家带来帮助。第一章 单片机温度控制系统方案简介单片机温度控制系统是数控系统的一个简单应用。在冶金、化工、建材、机 械、 食品、 石油等各类工业中, 广泛使用着加热炉、 热处理炉、 反应炉等, 因此,

6、 温度是工业对象中一个主要的被控参数。 由于炉子的种类不同, 因而所使用的燃 料和加热方法也不同,例如煤气、天然气、油、电等;由于工业不同,所需要的 温度高低不同,因而所采用的测温原件和测温方法也不同;产品工业不同, 控制 温度的精度也不同, 因而对数据采集的精度和所采用的控制算法也不同。 本系统 所使用的加热炉为电加热路, 炉丝功率为 2kw , 系统要求炉膛恒温, 误差为±VC , 超调量可能小,温度上升较快且有良好的稳定性。单片机温度控制系统是以 MS 51单片机为控制核心,辅以采样反馈电路, 驱动电路, 晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。 其系统结构框图 可表示为

7、:系统采用单闭环形式,其基本控制原理为:将温度设定值(即输入控 制量 和温度反馈值同时送入控制电路部分, 然后经过调节器运算得到输出控制 量, 输出控制量控制驱动电路得到控制电压施加到被控制对象上, 电炉因此达到 一定的温度。其控制电路如图 1.1所示。图 1.1 控制电路的设计系统控制主电路是由 8031及其外围芯片,及一些辅助的部分构成的。其系统设 计原理图如 1.2所示。 1.2 系统设计原理图 第二章 单片机的选型单片微机是单片微型计算机 SCMC(single chip micro computer的译名简 称,在国内也常简称为“单片机” 。它包括中央处理器 CPU 、随机存储器 R

8、AM 、只 读存储器 ROM 、中断系统、定时器 /计数器、串行口和 I/O等等。单片机主要应用于工业控制领域, 用来实现对信号的检测、 数据的采集以及 对应用对象的控制。由于单片机扩展了各种控制功能,如 A/D、 PWM 、计数器的 捕获 /比较逻辑、高速 I/O口、 WDT 等,以突破了微型计算机传统的内容,所以, 更准确的反映其本质的叫法应是微控制器。它具有体积小、 重量轻、 价格低、 可靠性高、 耗电少和灵活机动等许多优点, 因此如果能利用微型计算机进行温度的测量和控制, 将会大大提高温度测控的可 靠性和灵活性。单片微型计算机(简称单片机是微型计算机的一个重要分支, 也是一种非常活跃和

9、颇具生命力的机种,特别适合用于智能控制系统。与 PC 机 用于控制系统相比,其具有明显的性能价格比。2.1 单片机在本设计中, 从经济上以及性能上考虑, 我选用 8031作为 CPU 。 8031是 MCS 51系列单片机的一种型号, MCS 51单片机的类型有:8051、 8031、 8751等。 8051内部有 4K ROM , 8751内部有 4K EPROM , 8031片内无 ROM ;除此之外三者内 部结构引脚完全相同。2.1 MCS 51单片机内部结构与功能8051单片机内部结构见图 2.1。含 CPU 、震荡器和时序电路、 4KB 的 ROM 、 256B 的 RAM 、两个

10、16定时 /计数器 T0和 T1、 4个 8位 I/O端口(P0、 P1、 P2、 P3 、串行口等组成。其中震荡时序与时钟组成定时控制部件。 图 2.1 单片机功能方框图2.2 MCS 51输入 /输出端口的结构与功能MSC 51单片机有 4个 I/O端口,共 32根 I/O线, 4个端口都是准双向口。 每个口都包含一个锁存器,即专用寄存器 P0P3,一个输出驱动器和输入缓冲 器。为方便起见,我们把 4个端口和其中的锁存器都统称 P0P3。在访问片外扩展存储器时,低 8位地址和数据由 P0口分时传送,高 8位地 址由 P2口传送。在无片外扩展存储器的系统中,者 4个口的每一位均可作为双 向的

11、 I/O口使用。P0口:可作为一般的 I/O口使用,但应用系统采用外部总线结构时,它分 时作低 8位地址和 8位双向数据总线用。P1口:每一位均可独立作为 I/O口。P2口:作为一般 I/O口用,但应用系统采用外部系统采用总线结构时,它 分时作为高 8位地址线。P3口:双功能口。作为第一功能使用时同 P1口,每一位均可独立作为 I/O口。另外,每一位均具有第二功能,每一位的两个功能不能同时使用。2.3 MCS 51单片机的引脚及其功能MCS 51单片机采用 40引脚的双例直插封装形式,如图 2.2所示。 2.2 CS-51引脚图1主电源引脚 VCC 和 VSSVCC (40脚 :主电源 +5V

12、, 正常操作的对 EPROM 编程及验证时均接 +5V电源。 VSS (20脚 :接地。2 XTAL1(19脚和 XTAL2(18脚 :接外部晶振的两个引脚3 RST/VPD、 ALE/PROG 、 PSEN 控制信号引脚。RST/VPD (9脚 :单片机复位 /备用电源引脚。刚接上电源时,其内部寄存 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见使单片机复位。 VCC 掉电期间, 此引脚可接上备用电源, 一旦芯片在使用中 VCC 电压突然下降或断电, 能保护片内 RAM 中信息不丢失,使恢复电后能继续正常进行。ALE/PROG (30脚 :当访问片外存储器时, ALE 的输出用于锁

13、存字节地址 信号。即使不访问片外存储器, ALE 端仍以不变的频率周期性地出现脉冲信号。 其频率为振荡器频率 1/6。 因此, 它可用作对外输出的时钟, 或用于定时的目的。 应注意的是:当访问片外数据存储器时,将跳过一个 ALE 脉冲; ALE 端可以驱动 8个 LSET 负载。对含有 EPROM 的单片机,片内 EPROM 编程期间,此引脚用于输入编程脉冲 (PROG 。PROG (29脚 :输出访问片外程序存储器的读选通信号。 CPU 在从片外程 序存储器取指令(或常数期间,每个机器周期两次有效。每当访问片外存储器 时,这两次有效的 PROG 信号将不会出现。该端同样可驱动 8个 LSTT

14、L 负载。 EA /VPP(31脚 :当 EA 输入端输入高电平时, CPU 可访问片内程序存储器 4KB 的地址范围。若 PC 值超出 4KB 地址时,将自动转向片外程序存储器。当 EA 输入低电平时, 不论片内是否有程序存储器, 则 CPU 只是访问片外程序存储器。 对含有 EPROM 的单片机, 在对 EPROM 编程期间, 此引脚用于施加 +21V的编程 电压 VPP 。4输入 /输出引脚P0.0P0.7对应 3932脚; P1.0P1.7对应 18脚; P2.0P2.7对应 21 28脚; P3.0P3.7对应 1017脚。2.4 MCS 51的存储器结构MCS 51存储器空间分布与

15、一般的微机的存储器配置方法大不相同。一般微 机通常只有一个逻辑空间,可以随意安排 ROM 或 RAM ,访问存储器时同一地址对 应唯一的存储单元,可以是 ROM 也可以是 RAM ,并用同类指令访问。而 MCS 51单片机的存储器配置在物理结构上有四个存储空间, 即片内程序存储器、 片外程 序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。从用户使用的角度,即逻辑上, MCS 51有三个存储器地址空间, 即片内统一地址的 64K 字节的编程存储地址空 间、片内 256B 字节的数据存储器和 64K 字节的数据存储器地址空间。访问三个 不同的逻辑空间,应采用不同形式的指令。MCS 51的程序存储器(Pr

16、ogram Memory用于存放编好的应用程序和表格 常数。由于采用 16位的地址总线,因而其可扩展的地址空间是 64KB ,这 64KB 的地址是连续统一的。MSC 51的片外最多能扩展 64字节。片内的 ROM 是同一编值的,如果 EAfei 端保持高电平, 8051的程序计数器 PC 在 0000H 0FFFH 地址范围内是执行片内 ROM 中的程序;当 PC 在 1000H FFFFH 地址范围时,自动执行片外程序存储器中 的程序。 当 EAfei 保持低电平时,只能寻址外部程序存储器,片外存储器可以从 0000H 开始编址。对片内无 ROM 的单片机,如 8031, 80C31和 8

17、0C32等,应用时应将 EAfei 引 脚固定接低电平且使系统全部执行片外程序存储器中的程序。数据存储器用于存放运算中间结果、数据暂存和缓冲、标志位、待调试的程 序。 数据存储器在物理上和逻辑上都分为两个地址空间:一个是片内 256字节的 RAM ,另一个是片外最大可扩充 64K 字节的 RAM 。访问片内 RAM 使用 MOVX 指令。 片内数据存储器在物理上又可分为两个不同的区:00H 7FH 单元组成低 128字节的片内 RAM 区和 80H FFH 单元组成的高 128字节的专用寄存器(SFR 区。 1 低 128字节的片内 RAM 区在低 128字节 RAM 中, 00H 1FH 共

18、 32个单元通 常作为工作寄存器区,共分为四组每组 8个单元组成通用寄存器 R0R7。 20H 2FH 共 16个字节,可用位寻址方式访问,共有 128个位的位地址。 30H 7FH 共 80个单元为用户 RAM 区,作堆栈或数据缓冲。A 工作寄存器的地址表与工作区设置工作寄存器的地址表,每组寄存器均可选作为 CPU 的当前工作寄存器,通过 PSW 程序状态字寄存器中 RS1、 RS0的设置来改变 CPU 当前使用的工作寄存器。这样 的设置为程序中保护现场提供了方便。B 位寻址区与位地址低 128字节中的 20H 2FH 共 16个字节,可用为寻址方式访问这 16个字节的每个位, 共 128个

19、位的地址, 每个位均匀对应地址, 这 128个位的地址范围为 00H 7FH 。这些位单元可以构成布尔处理器的存储器空间,这种位寻址能力是 MCS 51的一个重要特点。2高 128字节的专用寄存器(SFH 区高 128字节的专用寄存器区的地址范 围为 80H FFH 。有 23个专用寄存器。2.5 8031系统扩展计划通常情况下, 采用 MCS 51系列单片机的最小系统只能用于一些很简单应用 场合,在此情况下直接使用单片机内部存储器、数据存储器、定时功能、中断功 能、 I/O端口等,组成的应用系统的成本较低。但在许多应用场合构成一个工业 测控系统时,考虑到传感器接口、 伺服控制接口以及人机对话

20、等需要, 仅靠单片 机内部资源是不能满足要求的。 因此系统扩展是单片机应用系统硬件设计中最常 遇到的问题。系统扩展是指当单片机内部的功能不能满足应用系统要求时,在片外连接相 应的外围芯片以满足应用系统的要求。 MCS 51系列单片机有很强的外部扩展功 能, 大部分常规芯片都可以都可以作为单片机外围扩充电路芯片。 扩展的内容主 要有总线扩展、程序存储器和数据存储器以及 I/O口的扩展等。单片机系统扩展的方法有并行扩展法和串行扩展法两种。并行扩展法是利用 单片机的三种线(AB 、 DB 、 CB 进行的系统扩展:串行扩展法是利用 SPI 三线总 线或 I 2C 双总线的串行系统扩展。但是,一般串行

21、接口器件速度慢,在需要高速应用的场合,还是并行扩展法 占主导地位。在本设计中, 由于存储数据比较少, 单片机内部的数据存储器能满 足需要,故不需要扩展片外存储器。同时由于本设计中所用单片机是 8031,其 内部不含程序存储器故需要扩展片外程序存储器, 而且, 还由于运行速度的要求 只能采用并行扩展法进行片外扩展,所以下面主要介绍并行扩展法。微型计数机大多数 CPU 外部都有单独的地址总线、数据总线和控制总线,而 MCS 51单片机由于受到芯片管脚的限制, 数据线和地址线 (低 8位 是复用的, 而且是 I/O口兼用。 为了将它们分离开来, 以便同单片机之外的芯片正确地相连, 常常在单片机外部加

22、地址锁存器来构成与一般 CPU 相类似的三总线, 如图 2.3所 示。图 2.3 片机外总线结构(1 地址总线(AB 地址总线由 P0口提供低 8位 A0A7, P2口提供高 A8A15。由于 P0口还要作地址总线口,只能分时工作。在 ALE 的下降沿将 P0口输出 的地址数据锁存。锁存器的锁存控制信号由引脚 ALE 提供。在 ALE 的下降沿将 P0口输出的地址数据锁存。P2口具有输出锁存功能,故不需要外加锁存器。 P0、 P2口在系统扩展中用 作地址线后便不能在作为一般的 I/O口使用。地址总线宽度为 16位,故可寻址 范围为 216=64KB。(2 数据总线(DB 数据总线由 P0口提供

23、,其宽度为 18位。 P0口为三态双向口, 是应用系统中 使用最为频繁的通道。所有单片机与外围交换的数据、指令、信息,除少数可直 接通过 P1口传送外,全部通过 P0口传送。数据总线通常要连接到多个外围芯片上, 而在同一时间里只能够一个有效的 数据传送通道。 哪个芯片的通道有效, 则地址总线控制各个芯片的片选线来选择。 (3 控制总线(CB 系统扩展用控制线有 ALE 、 PSEN 、 EA 、 WR 、 RD 。ALE/PROG(30引脚:地址锁存允许信号。用于锁存 P0口输出的低字节地 址数据。通常, ALE 在 P0口输出地址期间出现低电平,用这个低电平控制锁存 器锁存地址数据。另外即使

24、单片机不访问外部芯片, ALE 端仍以不变的频率周期 性地出现正脉冲信号,次频率为震荡频率的 1/6。因此它可用作外输出的时钟, 或用于定时目的。PSEN (29 :输出。用于访问片外程序存储器的读选通信号。读片外程序存 储器中的数据(指令代码时,不用 RD 信号而不用 PSEN 。EA /Vpp(31 :输入。当 EA 接高电平时, CPU 可访问片内程序存储器 4KB 的地址范围。 若 PC 值超出 4KB 的地址时将自动转去执行片外程序存储器。 当 EA 接低电平时,则只能访问片外程序存储器,不论片内是否有程序存储器。WR (P3.6 、 RD (P3.7 :输出。 用于片外数据存储器

25、(RAM 的读 /写控制。 当执行片外程序存储器操作指令 MOVX 时这两个控制信号自动生成。当片外要扩展多个芯片时就需要用到译码电路,对于译码的规则与方法如 下。1译码规则 :(1程序存储器和数据存储器地址可以重叠使用(2外围芯片 I/O接口芯片与数据存储器要同一编址。外围 I/O不仅占用 数据存储器地址单元,而且也使用了数据存储器的读 /写控制信号与读 /写指令。 (3 地址总线宽度为 16位外部程序存储器和数据存储器的寻址范围个为 64K 字节2译码方法 :(1线选法:是将各个扩展芯片上的地址线均接到单片机总线上,且外围 芯片上的片选线也作为地址线接到地址总线剩余的任意一条线上。线选法的

26、特点是:各扩展芯片均有独立的片选控制线,地址有可能冲突且不 联系。因此,这种方法不试用于扩展芯片较多且容量小的存储器, 试用于扩展容 量大的存储器。(2全地址译码法:是将各个扩展芯片上的地址线均接到单片机地址总线上,各片芯片的选择利用译码器电路实现。全地址译码法特点是:各扩展芯片均有独立片选信控制线,且地址连续。可 扩展较多外围芯片。1程序存储器扩展设计(A 程序存储器简介常见的 EPROM 有:2716(容量 2K ×8位 、 2732(容量 4K ×8位 、 2764(容 量 8K ×8位 、 27128(容量 16K ×8位 、 27256(容量

27、32K ×8位 、 27521(容量 64K ×8位 。EPROM 外引脚功能如下:A0A15:地址输入线;O0O7:三态数据总线,读或编程校验时为数据输出线,编程时为数据输入 线。维持或编程禁止时 O0O7呈高阻态;CE :片选信号输入线, “ 0” (即 TTL 低电平有效;PGM :编程脉冲输入线;其值因芯片型号和制造厂商不同而异;Vpp :编程电源输入线,其值因芯片型号和制造厂商不同而异;OE :读选通信号输入线, “ 0”有效;Vcc :主电源输入线,一般为 +5V;(B 扩展方法扩展程序存储器时,一般扩展容量大于 256字节,因此,除了由 P0口提供 低 8位地

28、址线外,还由于 P2口提供若干地址线,最大的扩展范围为 64K 字节, 即需 16位地址线。具体方法是 CPU 应向 EPROM 提供三种信号线。即A :数据总线:P0口接 EPROM 地址 O0O7(D7D0 ;B :地址总线:P0口经锁存器向 EPROM 提供地址低 8位, P2口提供高 8位地 址以及片选线。 控制的程序存储器究竟需要多少位地址线, 应根据 cxccq 容量和 选用的 EPROM 芯片容量而定。C :控制总线:PSEN 片外程序存储器取指令控制信号,接 EPROM 的“ OE ” 。 ALE 接锁存器的 G , EA 接地。控制单片 EPROM 时, EPROM 的地址线

29、分别接单片机上对应的地址线上,而片 选信号 CE 接地。(C 设计所用 EPROM 芯片扩展设计本设计采用 8031进行故障信号的采集和判别, 由于 8031内没有程序存储器, 外 部需要扩展程序存储器,根据需要, 又考虑到经济性问题。 我选用的 EPROM 芯片 为 2764。连接如图 2.4所示。 图 2.5 EPROM芯片扩展CPU 访问外部程序存储器时, P2口提供地址高 8位, P0口分时输出地址的低 8位和接收外部程序存储器送到数据总线上的指令代码信息。其工作过程为:当 锁存控制信号 ALE 上升为高电平后, P0口输出为低 8位地址 (PCL, P2口输出高 8位地址(PCH 。

30、随后,在 ALE 的下降沿, P0口输出的稳定的程序存储器低 8位 地址被锁存器锁存并输出。 接着 P0口由原输出状态变为输入状态 (为浮空状态 , 等待从程序存储器读取指令代码。而 P2口输出的高 8位地址信息保持不变。这 时,送往程序存储器的地址线上的地址信息为:高 8位由 P2口提供,低 8位由 锁存器提供。当程序存储器 “读” 选通信号 PSEN 为低电平时, 片内程序存储器将 P2口和 锁存器提供的地址所对应的单元中的内容(指令代码输出到数据总线上, 然后 在 PSEN 的上升沿, CPU 通过 P0口将指令代码送入指令寄存器中。由于 P2口本身具有锁存功能,因此,在整个指令周期中,

31、 P2口输出的程序 存储器的高 8位地址将一直保持稳定不变。在电路设计时, P2口无需再加锁存 器。程序存储器地址为:P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 .P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0 起至 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0终止 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 12 数据存储器设计由于算法的需要,在存储器中需要存储 24个从 A/D片出来的数据,即需要 24单元的存储单元。在 8031的内部数据存储区低 128字节 RAM 中 30H 7FH 共 80个存储单元使用户 RAM 区,完全可以容纳下 24个数据以及其运算过程中的临 时数

32、据,故不需要在;另外扩展片外数据存储器。第三章 带有 I/O接口和计时器的静态 RAM81558155芯片内具有 256个字节的 RAM, 两个 8位, 一个 16位的可编程 I/O口和 一个 14位计数器它与 51型单片机接口简单, 是单片机应用系统中广泛使用的芯 片。3.1 8155的结构8155按照器件的功能, 8155由下列三部分组成:随机存储部分:容量为 256*8位的静态 RAMI/O接口部分:端口 A :可编程程序 I/O端口 PA0 PA7端口 B :可编程程序 I/O端口 PB0 PB7端口 C :可编程程序 6位 I/O端口 PC0 PC5命令寄存器:8位寄存器,只允许写入

33、状态寄存器:8位寄存器,只允许读出计数器 /时算器是一个 14位的二进制减法计数器。3.2 8155的引脚功能8255具有 40个引脚,如图 3.1列直插式 PID 封装其功能定义如下 :图 3.1 8155引脚图1AD0 AD7(三态AD0 AD7是地址 /数据总线,可以直接与 80C51的 P0口相连接。在允许地 址锁存信号 ALE 的后沿(即下降沿 ,将 8位地址锁存在内部地址寄存器中,该 地址可作为存储器部分的低 8位地址, 也可是 I/O接口的通道地址, 这将由输入的 IO/M 信号的状态来决定。在 AD0 AD7引脚上出现的数据信号是读出还是写入 8155,由系统控制信号 WR 或

34、 RD 来决定。2 RESET这是复位信号,高电平有效,作为总清零器件使用。 RESET 信号的脉冲宽度 一般为 600ns 。当器件被总清零后,各接口(A 、 B 、 C 被置成输入工作方式。 3 ALE地址允许锁存信号。在该信号的后沿将 AD0 AD7上的低 8位地址,片选信 号 CE 及 IO/M 信号锁存在片内的存储器内。4 CE片选信号,低电平有效。当该引脚位“ 0”时,器件才允许被启动,否则位 禁止使用。5 IO/MI/O口或存储器的选择信号。当该引脚为“ 1”时,选择 8155片内 3个 I/O口以及命令 /状态寄存器和定时器;该引脚为“ 0”时,选择存储器。6 WR 、 ED读

35、、写信号,控制 8155的读或写操作,可以直接与单片机的读、写线相连。 由于系统控制的作用, WR 和 ED 信号同时有效。7 PA0 PA7、 PB0 PB7、 PC0 PC5分别为 A 、 B 、 C 的 8位 I/O口线, A 、 B 口的 I/O线用于 8155与外设之间的 数据传送, C 口的 I/O线既可以用于 8155与外设之间数据传送,也可以作为 A 口、 B 口的专题联络信号线。8 TIMNR IN 、 TIMEOUT定时 /计数器的脉冲输入 /输出线。9 VCC :为 +5V电源引脚。3.3 8155的命令格式与状态字使用 8155的 A 、 B 、 C 三个转接口、随机存

36、储器以及计数器 /定时器时,应线 向命令寄存器写入一个控制字以确定他们的工作方式。 他们的工作方式均由可编 程序的命令寄存器的内容所规定, 而其状态可由读出状态寄存器的内容获得。 上 面已经叙述, 8155的器件内部,从逻辑上来说,是只允许写入命令寄存器和读 出状态寄存器内容的。因此,命令寄存器和状态寄存器的地址为一个通道地址:这两个寄存器简称为命令 /状态寄存器,有时以 C/S寄存器来表示。1 8155的命令字格式命令寄存器由 8位组成,每一位都能锁存。其中低 4位(D0 D3位用来 定义 PA 、 PB 和 PC 接口的工作方式:当 PC 用于控制 PA 或 PB 的端口工作时,第 4、

37、5两位分别用来允许或禁止 PA 和 PB 的中断;而最高两位(D6、 D7两位则 用来定义计数器 /定时器的工作方式。利用输出指令,可以将对命令寄存器的各 位编码打入其中。D0位 (PB:定义 PB0 PB7数据信息传送的方向。 “ 0”输入方式; “ 1” 输出方式。D3、 D2位 (PC 、 PC :定义 PC0 PC5的工作方式。 “ 00” 方式; “ 11” 方式; “ 01”方式; “ 10”方式。当 8155的 A 、 B 、 C 三个端口被定义为基本 I/O口使用时, 可以直接利用 MOVX 类指令完成对这三个口的读 /写(输入 /输出操作。D4位(IEA :在端口 C 对 P

38、A0 PA7起控制作用时, IEA 位用来定义允许端 口 A 的中断。 “ 0”禁止; “ 1”允许。D5位(IEB :当端口 C 在工作在对 PB0 PB7起控制作用时, IEB 位用来定 义允许端口 A 的中断。 “ 0”禁止; “ 1”允许。D7、 D6位(TM2、 TM1 :用来定义定时器 /计数器工作的命令。有四种情况。 2 8155的状态字格式状态寄存器末 8位,各位均可锁存,其中最高位为任意位, 低 6位用于存放 I/O接口的状态, 另一位作指示定时器 /计数器的状态。 通过读寄存器的操作 (及 用指令系统的输入指令 ,可读出状态寄存器的内容。表 3-1表TM2 TM1 功能00

39、 不影响计时器工作01 若计数器未启动,则无操作;若计数器已运行,则停止计数。10 达到当前计数 TC 后,立即停止。若未启动 定时器,则无操作。11 装入方式和计数值后,立即启动定时器。若 计数器已在运行,则当达到当前计数值后, 再按新的方式和计数长度予以启动。3.4 8155 I/O端口的应用当 IO/M 为高电平时, 8155选通片内的 I/O端口。 A 、 B 、 C 三个口可以作为 扩展的 I/O口使用, MCS 51单片机的 P0口与 8155的 AD0 AD7相连。此时 P0输出的低 8位地址只有 3位有效,用于片内选址,其他位无用。使用 A 、 B 、 C 三 个口时, 首先相

40、命令寄存器写入一个控制字以确定三个口的工作方式。 如果写入 的控制字规定他们工作于方式或方式下,则这三个口都是独立的基本 I/O口。可以直接利用 MOVX A, DPTR或 MOVX DPTR, A指令完成这三个口的读 /写(输入 /输出操作。工作在方式或方式时, C 口用作控制口或部分用于控制。3.5 MCS 51和 8155的接口方法MCS 51单片机可以和 8155直接连接,不需要任何外加电路,给系统增加 了 256个自己的 RAM 、 22位 I/O线及一个计数器。当 P2.0=0且 P2.1=0时, 选中 8155的 RAM 工作;在 P2.0=1和 P2.0=0时, 8155选中片

41、内三个 I/O端口。相应 地址分配为 :0000H 00FFH 8155内部 RAM0100H 命令 /状态口0101H A口0102H B口0103H C口0104H 定时器低八位口0105H 定时器高八位口8155用作键盘 /LED显示器接口电路略。第四章 ADC0809转换芯片ADC0809是采用 COMS 工艺制成的 28引脚双列直插式八位 A/D转换芯片。它 采用逐次比较数模转换芯片,其分辨率为 8位,每次转换时间为 100S ,转换 精度高(21LSB ,输入电压范围为 0 5V ,可分时对 8路模拟量进行采样。4.1 ADC0809的引脚ADC0809的引脚如图 4.1 图 4.

42、1IN0 IN7:8路模拟量输入A 、 B 、 C :3位地址输入,经译码后选择模拟量中的一路进行 A/D转换, 2个 地址输入端的不同组合选择八路模拟量输入。ALE :地址锁存启动信号,在 ALE 的上升沿,将 A 、 B 、 C 上的通道地址锁存 到内部的地址锁存器,并启动译码电路,选中模拟量输入。D0 D7:八位数据输出线, A/D转换结果由这 8根线传送给单片机。OE :允许输出信号,当 OE=1时,即当位高电平的时候,允许输出锁存器输 出数据。START :启动信号输入端, START 为正脉冲,该信号上升沿复位内部逐次逼 近寄存器 SAR ,其下降沿启动控制逻辑,开始 A/D转换。

43、EOC :转换完成信号,当 EOC 上升为高电平时,在 START 信号上升沿之后的0 8个时钟周期内, EOC 信号变低, 以指示转换工作在进行中, 当转换完成, EOC 再变为高电平。OE :输出允许,高电平有效。当该信号有效时,打开芯片的三态门使准会结 果送至数据总线。D0 D7:8位数字量输出线。CLOCK :外部时钟输入线。要求时钟频率不能高于 640KHz , 当频率为 640KHz 时,转换时间约 100s 。VREF (+ , VREF( :基准电压输入线,提供模拟信号的基准电压。一般单 极性输入时, VREF(+接 +5V, VREF( 接地。VCC :工作电源,接 +5V。

44、GND :信号地。CLK :时钟输入信号, 0809的时钟频率范围在 10 1200KHz , 典型值为 640KHz 。 4.2 ADC0809的内部组成ADC0809内由 8路模拟量输入选择与地址锁存电路, 典型 8位逐次逼近 ADC,8位三态输出锁存缓冲器。 8位逐次逼近 ADC 由比较器、 256R 电阻网络、 树型开关、 逐次逼近寄存器 SAR 和控制与时序电路组成(如图 4.2 。该部分完成对某一路 模拟量的 8次比较, 在 SAR 中获得与被转换的模拟量相对应的 8位二进制数。 256R 电阻网络和树型开关组成片呃逆 D/A转换器。 8路模拟量输入选择与地址锁存电 路实现地址信号

45、 ADDA ADDC 的输入,锁存及译码,选中一路模拟量信号送逐次 逼近 ADC 。 ADDA ADDC 与 IN0 IN7的对应关系(如图 4.3 : 图 4.2ADDA ADDC 与 IN0 IN7的对应关系ADDA ADDB ADDC 选中输入线 0 0 0 IN00 0 1 IN10 1 0 IN20 1 1 IN31 0 0 IN41 0 1 IN51 1 0 IN61 1 1 IN7图 4.3D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0OE V REF(+ V REF(-4.3 ADC0809与系统总线的连接ADC0809是带有多路模拟开关的 8位 A/D转换芯片,所以它可由 8

46、个模拟量 的输入端,由芯片的 A 、 B 、 C 三个引脚来选择模拟量通道中的一个。 A 、 B 、 C 三 端分别与 8031的 P0.0 P0.2相接。 地址锁存信号 (ALE 和启动转换信号 (START , 由 P2.2和 /WR或非得到。输出允许,由 P2.2和 /RD或非得到。时钟信号,可有 8031的 ALE 输出得到, 不过当采用 6M 晶振时, 应该先进行二分频, 以满足 ADC0809的时钟信号必须小于 640K 的要求。由于 ADC0809芯片具有三态输出换成锁存器, 因此它可以直接与系统总线连 接。 连接方法是 :将微机的系统时钟经分频后连接 ADC0809芯片的 CL

47、OCK 输入端; 将系统数据总线连至 ADC0809的数据输入端,数据总线的低位 D2D100依次接 ADC0809的 ADDC,ADDB,ADDA ;将系统地址译码输出信号 CS 与 M/IO,WR信号组合 接至 ADC809的启动信号 START 和地址锁存信号 ALE ;将系统地址译码输出信号 CS 与 M/IO,RD信号组合接至 ADC0809的数据输出允许信号 OE 。ADC0809的转换过程大致如下:首先输入地址选择信号, 在 ALE 信号作用下, 地址信号被锁存,产生译码信号, 选中一路模拟量输入, 然后输入启动转换控制 信号 START 启动转换。转换结束,数据送三态缓冲锁存器

48、,同时发出 EOC 信号。 在允许输入信号 OE 的控制下,再将转换结果输入到外部数据总线。通常 CPU 采用三种方式读取 ADC0809的转换结果。(1程序查询方式:采用该方式需要将 EOC 通过三态门接至系统的一根数 据总线上。 CPU 查询该总线的位是否位低电平,若位低电平,则再查询它是否位 高电平,若是,则表明转换结束, CPU 再执行读 ADC0809端口的指令即可。 (2中断方式:采用该方式,需要将 EOC 接至 8259A ,即将 EOC 作为 CPU 的中断请求信号,上升沿触发,以中断方式请求 CPU 读取转换结果。(3定时方式:已知完成一次 A/D转换所需的时间,可用定时器时

49、大于或 等于该转换时间, 等待定时时间一到即读取转换结果, 或定时申请中断读取转换 结果。 也可在启动 ADC0809后, 用软件延时一个固定送时间, 然后读取转换结果, 这种方式不用考虑转换结束信号 EOC 。4.4 ADC0809与 8031的接口ADC0809的 IN0和变送器输出端相连,故 IN0上输入的 0V +5V范围的模拟 电压经 A/D转换后可由 8031通过程序从 P0口输入到它的内部 RAM 单元。 其连接 图如图 4.4所示: 图 4.4在 P20=0和 WR =0时 8031可以使 ALE 和 START 变为高电平而启动 ADC0809工作;在 P22=0和 ED =

50、0时, 8031可以从 ADC0809接收 A/D转换后的数字量。这就是说:ADC0809可以视为 8031的一个外部 RAM 单元,地址为 03F8H 。因此, 8031执行如下程序可以启动 ADC0809工作。MOV DPTR, #03F8HMOVX DPTR, A若 8031改为执行:MOV DPTR, #03F8HMOVX A, DPTR则可以从 ADC0809输入 A/D准会后的数字量。ADC0809的 CLK 由 8031的 ALC 提供, EOC 经反相器作用 8031的 P33口,作 为中断请求输入线。第五章 温度的检测和控制5.1 温度检测元件的选择温度检测元件和变送器的选择

51、和被控温度及精度等级有关。 电炉常用热电偶 作为测温元件,其材料要求为:1. 耐高温 -热电偶的测温范围主要取决于热电极的高温性能,在高温介质 中,热电极的物理化学性能越稳定,则由它组成的热电偶的测温范围就越宽。 2. 再显性好 -用相同的两种热电极材料的热电偶, 要求它们的电热性能相而 而稳定,这样能使热电偶成批生产,并有很好的互换性。3. 灵敏度高, 线性好 -要求电偶所产生的温差热电势足够大, 并与温度呈线 性关系。4. 要求热电有为材料除能满足上述几点要求外, 并希望它的电阻系数和电阻 温度系数尽可能地小,且其价格便宜。目前常用的热电偶有以下几种:1铂铑/铂热电偶其分度号为 S ,正极

52、是 90%铂和 10%铑的合金,负 极为纯铂丝。其优点是测温精度高, 可作为国际实用温标中 630.74 1064.43范围内的 基准热电偶。其物理化学稳定性高, 宜在氧化性和中性气氛中使用; 它的熔点较 高, 故测温上限亦高。 在工业测量中一般用它测量 1000以上的温度, 在 1300 以下可长期连续使用,短期测温可达 1600。但价格昂贵,热电势小。2镍铬/镍硅 (镍铝 热电偶其分度号为 K ,正极成分是 9 10%铬、 0.4%硅,其余为镍,负极成分为 2.5 3%硅,<0.6%铬,其余为镍。其优点是有较强的抗氧化性和抗腐蚀性, 其他学稳定性好,热电势较大,热 电势与温度问的线性

53、关系好,其热电极材料的价格便宜,可在 1000以下长期 连续使用,短期测温可达 1300。但在 500以上的温度中和在还原性介质中, 以及在硫及化物气氛中使用时很容易被腐蚀, 所以, 在这些气氛中工作时必须加 保护套管,另化它的测温精度也低于铂铑/铂热电偶。3镍铬/考铜热电偶文分度号为 E , 正极镍铬成分为 9 10%铬, 0. 4%硅,其余为镍;负极考铜万分为 56%铜和 44%镍。其优点是热电势大,价格便宜。但不能用来测高温,其测温上限为 800, 长期使用时,只限 600以下,另外,由于考铜合金易受氧化而变质,使用时必 须加装保护套管。4铂铑 30/铂铑 6热电偶简称为双铂铑热电偶,分

54、度号为 B 。该热电 偶的正负极都是铂铑合金,仅仅是合金含量比例不同而巳,正极含铑 30%,负极含铑为 6%, 双铂铑 热电偶的抗沾污能力强, 在测温 1800温度时仍有很好的稳 定性。其测温精度较高,适用于氧化性、中性介质,可以长期连续测量 1400 1600的高温,短期测量可达 1800。但价格昂贵,灵敏度较低。5铜 /康铜热电偶 -其分度号为 T , 正极为铜, 负极为 60%铜 /40%镍的合金。 其优点是测温灵敏度较高,热电极容易复制,价格便宜,低温性能好,可测 量 200低温。但其成分铜易氧化,因此一般测温上限不超过 300。基于测量范围,精度以及价格的考虑,本设计采用镍铬 /镍硅

55、热电偶,相应 的输出电压为 0mV 41.32mV 。5.2 变送器变送器由毫伏变送器和电流 /电压变送器组成。毫伏变送器用于把热电偶输 出的 0 41.32mV 转换成 0 10mA 范围内的电流。 电流 /电压变送器用于把毫伏变 送器输出的 0 10mA 电流转换成 0 5V 范围的电压。 通过转换可以使信号达到单 片机所规定的电流与电压要求。为了提高精度,变送器可以进行零点漂移。例如:若温度测量范围为 400 1000,则热电偶输出为 16.4mV 41.32mV ,毫伏变送器零点漂移后输出 0 10mV 范围电流。这样,采用 8位 A/D转换器就可以使量化误差达到正负 2.34度 以内

56、。本设计采用 BS 系列 JD384-TD185I-7B0电流 /电压变送器,其技术参数如表 5.2所示。表 5.25.3 温度的控制8031对温度的控制是通过可控硅调控器实现的。双向可控硅管和加热丝串 联接在交流 220V , 50Hz 交流同步回路。在给定的周期 T 内, 8031只要改变可控 硅管的接通时间便可改变加热丝功率,以达到条件温度的目的。可控硅接通时间可以通过时间可以通过可控硅控制板上控制脉冲控制。 该触 发脉冲由 8031用软件在 P1.3引脚上产生, 受过零同步脉冲后经光耦管和驱动器送到可控硅的控制极上。 图 6.1过零触发电路过零脉冲是一种 50HZ 交流电压过零时刻的脉

57、冲,可使可控硅在交流电压正弦波过零时刻出发导通。 过零同步脉冲由触发电路产生, 详细电路如图 6.1所示, 图中电压比较器用于把 50HZ 的正弦交流电压变为方波。方波的正边沿和负边沿 分别作为两个单稳态触发器的输入信号, 单稳态触发器输出的两个脉冲经二极管 或门混合后就可以得到对应于交流 220V 的市点的同步脉冲。此脉冲一方面可作 为可控硅的触发脉冲加到温度控制电路, 另一方面还可以作为计数脉冲加到 8031的 T0和 T1端。第六章 温度控制程序和算法6.1 温度控制的算法通常, 电阻炉炉温控制采用偏差控制法。 偏差控制的原理是先求出所测炉温 对所需炉温的偏差值,然后对偏差值处理 而获得的控制信号去调节电阻炉的加 热功率, 以实现对电阻炉的为温度控制在工业上,偏差控制有称为 PID 控制, 这 是工业控制中常用的控制形式,一般