基于单片机的工业锅炉炉温控制系统设计菅许涛

1、引 言目前，国内企业的热处理车间，虽然有的已出现微机控制的全自动连续渗碳炉，但其价格却使很多中、小型阿企业望洋兴叹。本文是以单片机温度控制系统正是针对这一问题而设计完成的，同时其控制原理也适用于其他类型的电炉系统的控制。选用了MCS-51系列的AT89S51单片机的控制系统的核心，采用PID控制算法，使用双向晶闸管AC-SSR作为执行元件。工作人员可以从键盘设定被控温度、时间、温度上限及温度下限等工艺参数，按下运行键后，系统将进入自动工作状态，工作结束后，有报警器提醒工作人员。随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量

2、。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。然而，用常规的控制方法，潜力是有限的，难以满足较高的性能要求。采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。采用MCS-51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

3、，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。工业生产过程中经常遇到的温度控制系统是具有大滞后特征的控制系统, 单纯采用PID 算法校正的温度控制系统具有高频扰动大、调整时间长、PID 参数整定困难、有较大超调量等弊端。这里以Intel 公司的MCS-51系列的AT89S51单片机为核心, 引进模糊控制思想来实现对PID 参数整定, 设计了一个简单实用的温度控制系统。实验结果表明, 该系统具有控制参数整定方便、控制精度高、稳定性好等优点。温度是工业控制中主要的被控参数之一, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中, 具有举足重轻的

4、作用。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同,则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同, 则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同, 因而, 对温度的测控方法多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展,微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术, 也便随之而生, 并得到日益发展和完善, 越来越显示出其优越性。本设计即用微机对温度进行实时检测与控制。第1章 绪 论1.1 问题的提出 在现代工业生产中，温度是非常重要的技术参数，特别在生产化肥的一些化肥厂，对温度参数都有不同程度的要求。在本

5、系统中，温度对的控制对象锅炉来说，是主要的参数。如果锅炉内的温度过高，那么将会有爆炸的危险，国内这样的生产事故也是经常发生的，这将给生产和人们的日常生活带来无法估量的损失。如果温度过低，根本就达不到产品的工艺要求。故而，对锅炉的温度控制十分重要，也是十分必要的。1.2 系统的功能 本系统的功能主要有数据采集、数据处理、输出控制。能对01000 ºc范围内的电加热锅炉的温度进行精密测量，同时，四位LED显示器直接跟踪显示被控对象的温度值，准确度高，显示清晰，稳定可靠，使用方便。 数据采集部分能完成对被测信号的采样，显示分辨率0.25ºc，测量精度0.25ºc，控制精

6、度0.25ºc，可以实现采集信号的放大及A/D转换，并自动进行零漂校正，同时按设定值、所测温度值、温度变化速率，自动进行PID参数自整定和运算，并输出010mA控制电流，配以主回路实现温度的控制。数据处理分为预处理、功能性处理、抗干扰等子功能。输出控制部分主要是数码管显示控制。工作流程是：当由传感器（由热敏电阻来实现）传来模拟信号，经放大电路放大之后，送到AD574A A/D转换器，转换为数字信号。此信号送到单片机里，由单片机发出的控制信号分别送到EPPROM X5045、显示接口8155。程序指令由EPPROM X5045送到单片机。经8155输出的信号送到LED数码显示器显示。系

7、统可通过四个按键来设置上下限温度值等,存入EPPROM中。每当锅炉的实际温度高于所设定的上限值或低于下限时，单片机会发出信号驱动声光报警。单片机数据采集控制电路传感器电热锅炉显示电路越限报警按键控制图1-1 系统的原理框图第2章 系统硬件电路的设计    本单片机应用系统结构是以单片机为核心外部扩展相关电路的形式。确定了系统中的单片机、存储器分配及输入/输出方式就可大体确定出单片机应用系统的基本组成。 2.1 单片机系统的硬件设计2.1.1 单片机的选择 在本系统中，考虑到系统的功能需求和目前市场上的单片机应用情况以及与学习的8051单片机的兼容情况，选

8、定MCS-51系统的AT89S51。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。    AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器

9、，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。其引脚图如图21所示。图2-1 AT89S51引脚图2.1.2 时钟电路的设计单片机虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。51系列单片机的时钟产生方法有两种。一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。（1） 内部时钟方式利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出的时钟信号。最常用的内部时

10、钟方式是采用外接晶体（在频率稳定性要求不高而希望尽可能廉价时，可选择陶瓷谐振器）和电容组成的并联谐振回路，不论是HMOS还是CHMOS型单片机其并联谐振回路及参数相同，如图2-2所示CX2CX1晶振AT89S51XTAL1 XTAL2VSS 图2-2 使用片内振荡器的时钟电路 振荡晶体可在1.2MHz12MHz之间选择，电容值无严格要求，但在电容值取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF100pF之间取值，但在60pF70pF时振荡器有较高的频率稳定性。在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷谐振器和电容应尽可能靠尽单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好是保

11、证谐振器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。（2）外部时钟方式外部时钟方式是利用外部振荡信号源直接接入XTAL1、XTAL2。由于HMOS和CHMOS单片机内部时钟进入的引脚不同（CHMOS型单片机由XTAL1进入，HMOS型单片机由XTAL2进入），其外部振荡信号源接入的方式也不同。HMOS型单片机的外部振荡信号源的接入方法：外部振荡信号接至XTAL2，而内部的反相放大器的输入端XTAL1应接地。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故建议外接一个上拉电阻。在CHMOS电路中，因内部时钟引入端取反相放大器的输入端（即与非门的一个输入端），故采用外部与HMOS型有所不同，

12、外部信号接至XTAL1，而XTAL2可不接地。外部振荡信号通过一个2分频的触发器而成为内部的时钟信号。故对外部信号的占空比没什么要求，但高电平持续时间和低电平持续时间应大于20ns.(3)本设计方案由于对上述两种方案的分析，在本设计中选择内部时钟方式。电路如图2-3所示。在外部晶体上选用晶体振荡器，频率为11.0592MHz，为提高频率稳定性，CX1、CX2都为30pF。C230pF11.0592MHzXTAL1XTAL2VSS30pFAT89S51C1 图2-3 本设计的时钟电路2.1.3 复位电路的设计51系列单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。本文是采用按钮复位，电路如图24所示。

13、当按钮按下后，RESET引脚端出现低电平，只要RESET端保持10ms以上低电平，就能使单片机有效地复位。 (a) 上电自动复位 (b) 按钮复位图2-4 复位电路2.1.4 数码显示环节设计单片机应用系统最常用的显示器是LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器），这两种显示器可显示数字、字符及系统的状态，它们的驱动电路简单、易于实现且价格低廉，因此，得到广泛应用。常用的LED显示器有LED状态显示器（俗称发光二极管）、LED七段显示器（俗称数码管）和LED十六段显示器。发光二极管可显示两种状态，用于系统状态显示；数码管用于数字显示；LED十六段显示器用于字符显示。由于本系统中没有显示字

14、符，故而选择数码管就可以满足要求了。1、8155简介（1）8155各引脚功能说明如下：RST：复位信号输入端，高电平有效。复位后，3个I/O口均为输入方式。AD0AD7：三态的地址/数据总线。与单片机的低8位地址/数据总线（P0口）相连。单片机与8155之间的地址、数据、命令与状态信息都是通过这个总线口传送的。：读选通信号，控制对8155的读操作，低电平有效。：写选通信号，控制对8155的写操作，低电平有效。：片选信号线，低电平有效。IO/：8155的RAM存储器或I/O口选择线。当IO/0时，则选择8155的片内RAM，AD0AD7上地址为8155中RAM单元的地址（00HFFH）；当IO/

15、1时，选择 8155的I/O口，AD0AD7上的地址为8155 I/O口的地址。ALE：地址锁存信号。8155内部设有地址锁存器，在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息及，IO/的状态都锁存到8155内部锁存器。因此，P0口输出的低8位地址信号不需外接锁存器。PA0PA7：8位通用I/O口，其输入、输出的流向可由程序控制。PB0PB7：8位通用I/O口，功能同A口。PC0PC5：有两个作用，既可作为通用的I/O口，也可作为PA口和PB口的控制信号线，这些可通过程序控制。TIMER IN：定时/计数器脉冲输入端。TIMER OUT：定时/计数器输出端。VCC：5V电源。（2）8155

16、的地址编码及工作方式在单片机应用系统中，8155是按外部数据存储器统一编址的，为16位地址，其高8位由片选线提供，0，选中该片。当0，IO/0时，选中8155片内RAM，这时8155只能作片外RAM使用，其RAM的低8位编址为00HFFH；当0，IO/1时，选中8155的I/O口，其端口地址的低8位由AD7AD0确定，如表6-6所示。这时，A、B、C口的口地址低8位分别为01H、02H、03H（设地址无关位为0）。8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或选通I/O方式。C口可工作于基本I/O方式，也可作为A口、B口在选通工作方式时的状态控制信号线。当C口作为状态控制信号时，其每位线的作用如

17、下：PC0：AINTR（A口中断请求线）PC1：ABF（A口缓冲器满信号）PC2：（A口选通信号）PC3：BINTR（B口中断请求线）PC4：BBF（B口缓冲器满信号）PC5：（B口选通信号）表2-1 8155芯片的I/O口地址AD7AD0选择I/O口A7A6A5A4A3A2A1A0××××××××××××××××××××××××××&#

18、215;×××000011001100010101命令/状态寄存器A口B口C口定时器低8位定时器高6位及方式8155的I/O工作方式选择是通过对8155内部命令寄存器设定控制字实现的。命令寄存器只能写入，不能读出。在ALT1ALT4的不同方式下，A口、B口及C口的各位工作方式如下：ALT1：A口，B口为基本输入/输出，C口为输入方式。ALT2：A口，B口为基本输入/输出，C口为输出方式。ALT3：A口为选通输入/输出，B口为基本输入/输出。PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为，PC3PC5为输出。ALT4：A口、B口为选通输入/输出。PC0为AINTR，P

19、C1为ABF，PC2为，PC3为BINTR，PC4为BBF，PC5为。2静态显示接口1）静态显示概念静态显示是指数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。这种显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定接地（共阴极）或接正电源（共阳极）。每个数码管的8个字段分别与一个8位I/O口地址相连，I/O口只要有段码输出，相应字符即显示出来，并保持不变，直到I/O口输出新的段码。3动态显示接口1）动态显示概念动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。通常，各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制；各位的位选线（公共阴极或阳极）由另外的I/O

20、口线控制。动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使其稳定显示必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另一位数码管，并送出相应的段码，依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的字符，虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人同时显示的感觉。采用动态显示方式比较节省I/O口，硬件电路也较静态显示方式简单，但其亮度不如静态显示方式，而且在显示位数较多时，CPU要依次扫描，占用CPU较多的时间。综合静态显示和动态显示的优缺点,在本次设计中选择动态显示。用MCS-51系列单片机构建数码管动态显示系统时常采用

21、8155可编程I/O扩展接口。 2）多位动态显示接口应用采用8051与8155接口，再采用8155的I/O口控制数码管的段码和位码，同时，采用动态扫描方式依次循环点亮各位数码管，即可构成多位动态数码管显示电路。由8155的A口控制段码输出，C口控制位码输出，采用定时器中断方式实现动态扫描，每隔20ms扫描一次，每位数码管点亮的时间为1ms。在单片机内部RAM设置待显示数据缓冲区，由查表程序完成显示译码，将缓冲区内待显示数据转换成相应的段码，再将段码通过8051的P0口送至8155的A口；位码数据由累加器循环左移指令产生，再通过P0口送至8155的C口。以单片机内部RAM的30H35H单元作为显

22、示数据缓冲区，六位数码管段码的获取及每位数码管的显示时间均由显示子程序完成；采用定时器中断方式实现动态扫描，每隔20ms扫描一次，每位数码管点亮的时间为1ms。单片机每接收一次按键信号（即模拟生产线计数信号），显示缓冲区的待显示数据被刷新一次，数码管相应的显示数值也就随之发生变化，如连续按键，即可产生计数数据从左至右循环移动的效果。根据图中IO/、与单片机的连接可知，可以确定命令/状态字A口、B口、C口、计数值低8位寄存器及高6位和方式寄存器地址分别为：0100H、0101H、0102H、0103H、0104H、0105H 。同样都是动态扫描显示，如果是采用不断调用子程序的方式实现动态扫描显示

23、，亮度相对较高，CPU效率较低；但如果是采用定时器中断（20ms中断一次）的方式实现动态扫描显示，亮度较低，CPU效率相对较高；谁优谁劣，各有千秋。针对数码管显示亮度偏低的情况，可采用提高扫描速度（如由20ms改为10ms）,或适当延长单只数码管导通的时间（如导通延时时间由1ms改为2ms）等措施来弥补，但其带来的后果是显示程序占用CPU的时间更多，导致CPU利用率更加下降。2.1.5 可编程键盘的设计键盘是由一组规则排列的按键组成，一个按键实际上是一个开关元件，也就是说键盘是一组规则排列的开关。 1、按键的分类按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；

24、另一类是无触点开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者造价低，后者寿命长。目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键。按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别，非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码，此外，一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路。2、键输入原理在单片机应用系统中，除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外，其它按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。当所设置的功能键或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能，键信

25、息输入是与软件结构密切相关的过程。对于一组键或一个键盘，总有一个接口电路与CPU相连。CPU可以采用查询或中断方式了解有无将键输入并检查是哪一个键按下，将该键号送入累加器ACC，然后通过跳转指令转入执行该键的功能程序，执行完后再返回主程序。3、按键结构与特点微机键盘通常使用机械触点式按键开关，其主要功能是把机械上的通断转换成为电气上的逻辑关系。也就是说，它能提供标准的TTL逻辑电平，以便与通用数字系统的逻辑电平相容。机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。其抖动过程如图2-5所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为510

26、ms。闭合稳定键按下前沿抖动后沿抖动图2-5 按键触点的机械抖动在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错。即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施，可从硬件、软件两方面予以考虑。在键数较少时，可采用硬件去抖，而当键数较多时，采用软件去抖。在本系统中，虽然只有四个按键，但考虑到系统外部电路已经比较复杂了，采用软件去抖方式。单片机控制系统中，往往只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构。独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其

27、它I/O口线的状态。独立式按键的典型应用如图2-6所示。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。图2-6中按键输入均采用低电平有效，此外，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。当I/O口线内部有上拉电阻时，外电路可不接上拉电阻。独立式按键软件常采用查询式结构。先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。+5VAT89S51P1.0P1.1P1.2P1.3图2-6 独立式按键电路单片机系统中，若使按键较多时

28、，通常采用矩阵式（也称行列式）键盘。但在本次设计中，按键较少，故而选择独立式按键。而且通常情况下，为了节省单片机口线，把键盘和数码显示模块设计在一起。具体设计如下：1K*48路驱动4路驱动PA0PA7+5VPB4PB7PB0PB3接地图2-7 键盘与显示电路2.1.6  看门狗电路及外部程序存储器看门狗对系统提供了保护功能。当系统发生故障而超过设置时间时或者程序跑飞时，电路中的看门狗将通过RESET信号向CPU 做出反应。为了系统有很好的掉电保护，扩展了外部ROM。当系统掉电时，开始设定的温度值如果没有存储，那就会丢失，到上电时又要重新设置，这给的实际工作生活带来了麻烦。所

29、以，针对这个问题，在单片机系统之外设计了外部ROM，将设置的温度值存入，那么掉电后就不会丢失，再次上电后也就不用再次设定了。X5045是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM 三种功能于一身的可编程电路。这种组合设计减少了电路对电路板空间的需求。X5045提供了三个时间值供用户选择使用。它所具有的电压监控功能还可以保护系统免受低电压的影响，当电源电压降到允许范围以下时，系统将复位，直到电源电压返回到稳定值为止。X5045的存储器与CPU 可通过串行通信方式接口，共有4096个位，可以按512×8个字节来放置数据。1、 引脚介绍X5045的管脚排列如图2-8 所示，它共有8个引脚，各

30、引脚的功能如下：CS 电路选择端，低电平有效；                     SO ：串行数据输出端；    SI ：串行数据输入端；     SCK：串行时钟输入端；    WP ：写保护输入端，低电平有效；    RESET ：复位输出端； VCC ：电源端； VSS ：接地

31、端。图2-8 X5045引脚图2、 工作原理 （1） 上电复位 向X5045加电时会激活其内部的上电复位电路，从而使RESET 引脚有效。该信号可避免系统微处理器在电压不足或振荡器未稳定的情况下工作。当VCC 超过器件的Vtrip门限值时，电路将在200ms（典型）延时后释放RESET 以允许系统开始工作。（2） 低电压监视工作时， X5045对VCC 电平进行监测，若电源电压跌落至预置的最小Vtrip以下时，系统即确认RESET，从而避免微处理器在电源失效或断开的情况下工作。当RESET 被确认后，该RESET 信号将一直保持有效，直到电压跌到低于1V 。而当VCC 返回并超过Vtrip达2

32、00ms时，系统重新开始工作。（3） 看门狗定时器看门狗定时器的作用是通过监视WDI输入来监视微处理器是否激活。由于微处理器必须周期性的触发CS/WDI引脚以避免RESET 信号激活而使电路复位，所以CS/WDI引脚必须在看门狗超时时间终止之前受到由高至低信号的触发。（4） 重新设置VCC 门限X5045/45出厂时设置的标准VCC 门限电压为Vtrip，但在应用时，如果标准值不恰当，用户可以重新调整。（5） SPI串行存储器器件存储器部分是带块锁保护的CMOS串行EEPROM 阵列，阵列的内部组织是×8 位。X5045可提供最少为1000,000次擦写和100年的数据保存期，并具有

33、串行外围接口（SPI）和软件协议的特点，允许工作在简单的四总线上。X5045主要是通过一个8 位的指令寄存器来控制器件的工作，其指令代码通过SI输入端（MSB在前）写入寄存器。表2-2所列为X5045的指令格式及其操作。(6) 时钟和数据时序当CS变低以后，SI线上的输入数据在SCK 的第一个上升沿时被锁存。而SO 线上的数据则由SCK的下降沿输出。用户可以停止时钟，然后再启动它, 以便在它停止的地方恢复操作。在整个工作期间，CS必须为低。表2-2 X5045的指令格式及其操作指令名称指令格式操作WREN00000110设置写使能锁存器（使能写操作）WRDI00000100复位写使能锁存器（禁

34、止写操作）RSDR00000101读状态寄存器WRSR00000001读状态寄存器（看门狗和块锁）READ0000A800从选定的地址开始读存储器阵列的数据WRITE0000A8010从选定的地址开始写入数据至存储器阵列（1至16字节）(7) 状态寄存器状态寄存器包含四个非易失性状态位和两个易失性状态位。控制位用于设置看门狗定时器的操作和存储器的块锁保护。表2-3 状态寄存器的格式7654321000WD1WD0BL1BL0WELWIP其中： WIP (Write-In-Progress) 位是易失性只读位，用于指明器件是否忙于内部非易失性写操作。WIP 位可用RDSR指令读出。当该位为“1”

35、时，表示非易失性写操作正在进行；为“0”时，表示没有进行写操作。WEL（Write Enable Latch）位用于指出“写使能”锁存的状态。WEL=1时，表示锁存被设置；WEL=0 表示锁存已复位。WEL 位是易失性只读位。可以用WREN指令设置WEL 位；用WRDI指令复位WEL位。用BLO，BL1（Block Lock）位可设置块锁存保护的范围。任何被块锁保护的存储器都只能读出不能写入。这两个非易失性位可用WRSR指令来编程，并允许用户保护EEPROM 阵列的1/4 、1/2、全部或0。参见表2-4 。表2-4 受保护的EEPROM陈列地址状态寄存器位受保护的陈列地址BL1BL0X504

36、500无011801FF101001FF110001FF    WD0、WD1（ Watchdog Timer）位用于选择看门狗的超时周期。见表2-5 。当用CS 选中器件后，送8 位RDSR指令，并由CLK 信号触发即可将状态寄存器的内容从SO 线上读出。而在写状态寄存器时，应先将CS 拉低，然后送WREN指令，再拉高CS。然后再次拉低CS，最后送入WREN指令及对应于状态寄存器内容的8 位数据即可。该操作由CS 变高结束。表2-5 看门狗超时周期选择状态寄存器看们狗超时周期（典型值）WD1WD0001.4秒01600毫秒10200毫秒11禁止WEL位及WP引脚

37、的状态对器件内的存储器及状态寄存器各部分保护的影响如表2-6所列。表2-6 WREN命令和WP引 脚状态对状态寄存器的影响WREN命令（WEL） 器件引脚（WP）存储器件状态寄存器（BL0，BL1，WD0，WD1）保护区不保护区0X保护保护保护X0保护保护保护11保护可写入可写入X5045与单片机的接口电路非常简单，只要将X5045的引脚分别接到单片机的口线上即可。具体见下图所示。图2-9 X5045与单片机的接口电路2.1.7 限温报警电路和抗干扰电路的设计1、 限温报警电路的设计在本系统中，设计了能够设定上下限温度值的功能，当温度超过上限或下限的时候，系统将会报警。具体的电路如下：图2-1

38、0 报警电路+12VNPN报警信号R2、抗干扰电路的设计针对可能出现的各种干扰，设计抗干扰电路。抗干扰电路就是在系统的弱电部分（以单片机为核心）的电源入口处对地跨接1个大电容（100µf左右）与1个小电容（0.1µf左右），在系统内部各芯片的电源端对地跨接1个小电容（0.01µf0.1µf）。 2.2 温度传感器的选择及A/D转换环节的设计由于当今市场上流行的数字式温度传感器例如AD7416等的测定温度的范围非常小,一般只能做到-50度到+125度之间,这远远不能满足工业上的需要，故而选择传统的模拟式的传感器，然后通过AD转换环节将模拟信号转换为数字信号

39、，送入单片机。2.2.1 传感器的选择本次系统的控制对象是需要工作在01000的温度范围内，选择热电敏电阻传感器，温度检测元件与变送器的类型选择和被控温度及精度等级有关，镍铬/镍铝热电偶适用于01000的温度范围，相应输出电压为0mV41.32 mV。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敏电阻输出的0mV41.32 mV变换成0mA10mA范围内的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的0mA10mA范围内的电流变换成0V5V的电压。为了提高测量精度，变送器可以进行零点迁移。例如：若温度测量范围为4001000度，则热电敏电阻输出为16.4mV41.3mV,毫伏变

40、送器零点迁移后输出0mA10mA范围内的电流，这样，采用12位A/D转换器就可以使量化温度误差达到±0.15以内。2.2.2 A/D转换原理 A/D转换器把模拟量信号转换成与其大小成比例的数字量信号。A/D转换电路的种类很多，根据转换原理，目前常用的A/D转换电路主要分逐次逼近式和双积分式。A/D转换的主要技术指标有：（1）转换时间和转换速率转换时间是A/D完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数是转换速率。并行式A/D转换器，转换时间最短约为2050ns，速率为2050Mb/s；双极性逐次逼近式装换器转换时间约为0.4s，速率为2.5 Mb/s。（2）分辨率A/D转换器的分辨率习惯

41、上用输出二进制位数或BCD位数表示。量化过程引起的误差为量化误差。量化误差是由于有限数字对模拟量进行量化而引起的误差。量化误差理论上规定为一个单位分辨率的±1/2LSB，提高分辨率可减少量化误差。（3）转换精度A/D转换器的转换精度定义为一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量化值上的差值。可用绝对误差或相对误差表示。逐次逼近式转换的基本原理是用一个计量单位使连续量数量化（简称量化），即用计量单位与连续量比较，把连续量变成计量单位的整数倍，略去小于计量单位的连续量部分。这样所得到的整数量即位数字量。显然，计量单位越小，量化误差也越小。可见，逐次逼近式的转换原理即“逐位比较”。图

42、2-11为一个N位逐次逼近式A/D转换器原理图。它由N位寄存器、D/A转换器、比较器和控制逻辑等部分组成。N位寄存器用来存放N位二进制数码。当模拟量VX送入比较器后，启动信号通过控制逻辑电路启动A/D转换。首先，置N位寄存器最高位（DN-1）为“1”，其余位清“0”，N位寄存器的内容经D/A转换后得到整个量程一半的模拟电压VN与输入电压VX比较。若VX>VN，则保留DN-1=1；若VX<VN 则DN-1 清“0”。然后，控制逻辑使下一位（DN-2）置“1”，与上一次的结果一起经D/A转换后与VX比较，直到D0位取1还是0为止，此时控制逻辑电路发出转换结束信号EOC。这样，经过N次比

43、较后，N位寄存器的内容就是转换后的数字量数据，在输出允许信号OE有效的情况下，此值经输出缓冲器读出。整个转换过程就是一个逐次比较逼近的过程。双积分式A/D转换采用了间接测量原理,即将被测电压值VX转换成时间常数,通过测量时间常数得到未知的电压值。它由电子开关、积分器、比较器、计数器、逻辑控制门等部件组成。 所谓双积分就是进行一次A/D转换需要两次积分。转换时，控制门通过电子开关把被测电压VX加到积分器的输入端，积分器从零开始，在固定的时间T0内对VX积分（称为定时积分），积分输出终值与VX成正比。接着控制门将电子开关切换到极性与VX相反的基准电压VR上，进行反向积分，由于基准电压VR恒定，所以

44、积分输出将按T0期间积分的值以恒定的斜率下降，当比较器检测积分输出过零时，积分器停止工作。反向积分时间T1与定值积分的初值成比例关系，故可以通过测量反向积分时间T1计算出VX，即：VX= VR*T1/ T0。由于双积分方法的二次积分时间比较长，因此A/D转换速度慢，故在本次设计中选择逐位逼近式。常用的逐次逼近式A/D器件有ADC0809、AD574A等。由于ADC0809是八位数字量输出，故而转换精度不能满足要求，在次选择12位的转换芯片AD574A。比较器时序与控制逻辑电路D/A转换器N位寄存器输出缓冲器EOCVXOE时钟启动VN   图2-11逐次逼近A/D转换器原理图

45、2.2.3 AD574A芯片功能介绍AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：    分辨率：12位非线性误差：小于±1/2LBS或±1LBS转换速率：25us模拟电压输入范围：010V和020V，0±5V和0±10V两档四种电源电压：±15V和5V数据输出格式：12位/8位芯

46、片工作模式：全速工作模式和单一工作模式AD574A的引脚说明：1. Pin1(+V)+5V电源输入端。    2. Pin2()数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。    3. Pin3()片选端。    4. Pin4(A0)字节地址短周期控制端。与端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。须注意的是，端TTL电平不能直接+5V或0V连接。 5. Pin5()读转换数据控制端。6. Pin6(

47、CE)使能端。7. Pin7(V+)正电源输入端，输入+15V电源。8. Pin8(REF OUT)10V基准电源电压输出端。9. Pin9(AGND)模拟地端。10. Pin10(REF IN)基准电源电压输入端。11. Pin(V-)负电源输入端，输入-15V电源。12. Pin1(V+)正电源输入端，输入+15V电源。13. Pin13(10V IN)10V量程模拟电压输入端。14. Pin14(20V IN)20V量程模拟电压输入端。15. Pin15(DGND)数字地端。图2-12 AD574A

48、的引脚图  16. Pin16Pin27(DB0DB11)12条数据总线。通过这12条数据总线向外输出A/D转换数据。17. Pin28(STS)工作状态指示信号端，当STS=1时，表示转换器正处于转换状态，当STS=0时，声明A/D转换结束，通过此信号可以判别A/D转换器的工作状态，作为单片机的中断或查询信号之用。AD574A的工作模式：以上所述的是AD574A的全控状态，如果需AD574A工作于单一模式，只需将CE、端接至+5V电源端，和A0接至0V，仅用端来控制A/D转换的启动和数据输出。当=0时，启动A/D转换器，经25us后STS=1，表明A/D转换结束

49、，此时将置1，即可从数据端读取数据。表2-7 AD574A控制逻辑真值表CEA0工作状态0XXXX禁止X1XXX禁止100X0启动12位转换100X1启动8位转换101接+5VX12位并行输出有效101接+5V0高8位并行输出有效101接+5V1低4位并行输出有效 图2-13 单片机与AD574A的接口电路2.2.4 A/D转换环节的设计前文已经详细介绍了逐次逼近式A/D转换原理，现在在此基础上具体设计本系统中的A/D转换电路。图2-13是AT89S51单片机与AD574A的接口电路，其中还使用了三态锁存器74LS373和74LS00与非门电路，逻辑控制信号由(、和A0)有AT89S51的数据

50、口P0发出，并由三态锁存器74LS373锁存到输出端Q0、Q1和Q2上，用于控制AD574A的工作过程。AD转换器的数据输出也通过P0数据总线连至AT89S51，由于只使用了8位数据口，12位数据分两次读进AT89S51，所以接地。当AT89S51的p3.0查询到STS端转换结束信号后，先将转换后的12位A/D数据的高8位读进AT89S51，然后再将低4位读进AT89S51。这里不管AD574A是处在启动、转换和输出结果，使能端CE都必须为1，因此将AT89S51的写控制线和读控制线通过与非门74LS00与AD574A的使能端CE相连。2.3 控制执行电路的设计  

51、0; 固体继电器（亦称固态继电器）英文名称为Solid State Relay，简称SSR。它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件，单相SSR为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出间为光隔离，输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就能从断态转变成通态。  一般情况下，万用表不能判别SSR的好坏，正确的方法采用图2-15的测试电路：当输入电流为零时，电压表测出的为电网电压，电灯不亮（灯泡功率须25W以上）；当输入电流达到一定值以后，电灯亮，电压表测出的SSR导通压降（在3V以下）。（请初次使用者务必注意：因SSR内部有RC回

52、路而带来漏电流，因此不能等同于普通触点式的继电器、接触器，请参考后面的注意事项）。  输入电路光电接收器控制电路 图2-14普通交流SSR内部结构框图100WVmASSR220V+_图2-15 交流SSR基本性能测试电路 1、 SSR优缺点  固体继电器工作可靠，寿命长，无噪声，无火花，无电磁干扰，开关速度快，抗干扰能力强，且体积小，耐冲击，耐振荡，防爆、防潮、防腐蚀、能与TTL、DTL、HTL等逻辑电路兼容，以微小的控制信号达到直接驱动大电流负载。主要不足是存在通态压降（需相应散热措施），有断态漏电流，交直流不能通用，触点组数少，另外过电流、过电压及电压上升率、电流上升率

53、等指标差。  2、 SSR的使用场合   固体继电器目前已广泛应用于计算机外围接口装置，电炉加热恒温系统，数控机械，遥控系统、工业自动化装置；信号灯、闪烁器、照明舞台灯光控制系统；仪器仪表、医疗器械、复印机、自动洗衣机；自动消防，保安系统，以及作为电网功率因素补偿的电力电容的切换开关等等，另外在化工、煤矿等需防爆、防潮、防腐蚀场合中都有大量使用。  3、 SSR的分类   交流固体继电器按开关方式分有电压过零导通型（简称过零型）和随机导通型（简称随机型）；按输出开关元件分有双向可控硅输出型（普通型）和单向可控硅反并联型（增强型）；按安装方式分有

54、印刷线路板上用的针插式（自然冷却，不必带散热器）和固定在金属底板上的装置式（靠散热器冷却）；另外输入端又有宽范围输入（DC332V）的恒流源型和串电阻限流型等。 4、 过零型和随机型SSR的区别  当输入端施加有效的控制信号时，随机型SSR输出端立即导通（速度为微秒级），而过零型SSR则要等到负载电压过零区域(约±15V)时才开启导通。当输入端撤消控制信号后，过零型和随机型SSR均在小于维持电流时关断。虽然过零型SSR有可能造成最大半个周期的延时，但却减少了对负载的冲击和产生的射频干扰，成为理想的开关器件，在“单刀单掷”的开关场合中应用最为广泛。 随机型SSR的特点是反应速

55、度快，它可以控制移相触发脉冲达到方便地改变交流电网电压，从而应用于精确地调温、调光等阻性负载及部分感性负载场合。 5、 双向可控硅输出的普通型和单向可控硅反并联输出的增强型的区别  在感性负载的场合，当SSR由通态关断时，由于电流、电压的相位不一致，将产生一个很大的电压上升率dv/dt（换向dv/dt）加在双向可控硅两端，如此值超过双向可控硅的换向dv/dt指标(典型值为10V/µs)则将导致延时关断，甚至失败。而单向可控硅为单极性工作状态，只受静态电压上升率dv/dt(典型值为100V/µs)影响，由两只单向可控硅反并联构成的增强型SSR比由一只双向可控硅构成的普通型SSR的换向dv/dt有了很大提高，因此在感性或容性负载场合宜选取增强型SSR。  过零型输入均为恒流型：DC3-32V(触发电流大于等于5mA)  (立式3A除外，为IN3-12V）随机型输入均为串电阻型：DC4-8V(触发电流大于等于10mA）   6、使用场合的区别：     2A、立式3A、4A为塑料外壳，3A为金属外壳，5A为铸铝锌合金外壳，均为插针焊接，印刷板上使用，自然冷却。  6A为铸铝锌合金外壳，插片连接式电极，小体积安装式，固定在