电阻炉温度控制仪硬件电路的研制

1、引 言由于电子技术的飞速开展，特别是单片机技术的不断开展、普及应用，人们在设计智能化仪表时已经突破原来的设计思维和框架，由传统的模拟电子线路设计转变成以单片机为核心控制器，配以接口电路、输入输出通道以及专用控制程序的设计思路。这样解决了许多传统智能仪表无法解决的问题，同时还能简化电路、提高仪表可靠性和稳定性、降低本钱以及加快产品的更新换代。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 、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及锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控

2、制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控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题随着工业化进程加大和高科技技术的开展，电阻炉在国民经济中有着广泛的应用。大功率的电阻炉那么应用在各种工业生产过程中。但在各种应用中，大多数电阻炉存在着各种干扰因素，将会给工业生产带来极大的不便。因此，在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地防止各种干扰因素的产生因此采用一个较好的控制方案，选择适宜的芯片及控制算法是非常有必要的。该设计以8051系列单片机为控制器核心，其中还结合了LED显示器，A/D转换器及温度传感变送器，通过温度

3、变送桥路和固态继电器控制电路，实现对电阻炉温度的自动控制，采用普通的ADC0809芯片和具有零点迁移，冷端补偿功能的温度变送器桥路，使实际测温范围缩小，该设计是一种稳定，可靠，较先进的控制方法，从而到达我们的设计目的，解决了以普通双向晶闸管控制的高温电加热炉产生的中频干扰，有效的保护了电力系统。第一章 绪论1.1 单片机的概述1.1.1 单片机的概念为适应社会开展的需要，微型计算机不断地更新换代，新产品层出不穷。在微型计算机的大家族中，近年来单片微型计算机异军突起，开展极为迅速。 单片微型计算机Single-Chip Microcomputer简称单片机。它是在一块芯片上集成了中央处理器Cen

4、tral Processing Unit，CPU、随机存取存储器Random Access Memory，RAM、只读存储器Read Only Memory，ROM 、定时、计数器及I/OInput/Output接口电路等部件，构成一个完整的微型计算机。它的特点是：高性能，高速度，体积小，价格低廉，稳定可靠，应用广泛。 单片机的开展情况单片机的开展历史并不长，它的产生和开展与计算机的产生和开展大体上同步，也经历了四个阶段。第一阶段1970-1974年：为4位单片机阶段。这种单片机的特点是：价格廉价，控制功能强，片内含有多种I/O接口，有的根据不同用途还配备有许多专用接口，有些甚至还包括A/D转

5、换、D/A转换、声音合成等电路。第二阶段1974-1978年：为低中档8位单片机阶段。它是8位单片机的早期产品，以Intel公司的MCS-48系列单片机为代表，这个系列的单片机在片内集成8位CPU、并行I/O口、8位定时/计数器、RAM/ROM等，无串行接口，中断处理较简单，片内RAM和ROM容量较小，且寻址范围不大于4KB。第三阶段1978-1983年：为高档8位单片机阶段。这种单片机是在低、中档根底上开展起来的，其性能有明显提高。以Intel公司的MCS-51系列为代表，这类单片机功能强大，应用领域广，是目前各类单片机中应用最多的一种。第四阶段1983年至今：位8位单片机稳固开展阶段及16

6、位单片机、32位单片机推出阶段。16位单片机除了CPU为16位外，片内RAM为232B，ROM为8KB，片内带有高速度输入输出部件，多通道10位A/D转换部件，中断处理8级，其实时处理能力更强。目前单片机的开展是面向大容量，高性能化，外围电路内装化等方面开展，表现在以下几方面：1CPU的改良采用双CPU结构，以提高处理能力。增加数据总线宽度，单片机内部采用16位数据线，其数据处理能力明显优于一般8位单片机。采用流水线结构。指令以队列形式出现在CPU中，具有很快的运算速度。串行总线结构。2存储器的开展加大存储容量。片内EPROM开始EEPROM化。程序保密化。3片内I/O的改良增加并行口的驱动能

7、力。增加I/O口的逻辑控制功能。设计特殊串行接口功能，为单片机构成网络和系统提供方便条件。4外围电路内装化 随着集成度的不断提高，将会把众多的外围功能器件集成在片内。5低耗能化CMOS工艺的大量应用使得单片机在最低功耗下工作。1.2 智能仪表的概况1.2.1 智能仪表的概述在高新技术的推动下，作为工业自动化技术工具的仪器仪表正逐步跨入真正的微型化、数字化、智能化、网络化和多功能化的时代，它具体表现在:体积大小微型化，测量信息数字化，测控仪表智能化，控制管理网络化及测量参数多功能化。目前许多智能仪表均能实现复杂的运算和控制，例如四那么运算、开方运算、三角函数运算、PID控制、模糊控制、自适应、自

8、学习等功能，这些技术的运用大大促进了各行各业的飞速开展！1.2.2 智能仪表的组成和设计以单片机为核心的智能化仪表主要由单片机、A/D转换器、输入输出接口、键盘、显示器、控制程序等局部组成，现在市场中许多流行的单片机已经将许多接口电路集成在单片机芯片内部，这些常见的接口包括：A/D转换器、CCP模块比拟/捕捉/脉宽调制、USART、I2C/SPI、CAN、LCD驱动器等，因此在设计仪表时只要选择了适宜的单片机就可以将硬件电路大大简化，只需非常简单的外围电路就可以设计出高性能的、高可靠的智能仪表。智能化仪表设计的主要内容包括：硬件连同单片机在内的全部电子线路、软件包括监控管理程序及各种功能模块以

9、及仪表结构工艺三大局部。首先确定仪表所要到达的预期性能并提出详细的技术方案，然后根据技术方案设计出硬件原理图，对各元器件的参数进行详细计算，在进行硬件设计过程中，单片机的选型非常重要，选择的依据包括ROM的大小和类型、RAM的大小、A/D转换器的数量和位数、I/O接口数量、EEPROM的容量、CCP模块、T/C的数量、USART、CAN以及单片机的价格和设计者对型号的熟悉程度等。软件设计在智能化仪表的设计过程中非常重要，设计出高质量的软件是尤其键的一个环节，通常软件的设计方法是先画出软件流程图，然后根据流程图写出程序。常用的程序设计技术包括：模块化设计、自顶向下设计、结构化程序设计。第二章 最

10、小系统的设计2.1 8051的简介 8051中央处理器Central Processing Unit组成8051的CPU是由运算部件和控制部件组成的，下面分别说明两个部件的各自组成。1运算部件：它包括算术、逻辑部件ALU、布尔处理器、累加器Acc、存放器B、暂存器TMP1、和TMP2、程序状态存放器PSW以及十进制调整电路等。运算部件的功能是实现数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传送操作。运算部件ALU的功能十分强大，它不仅可对8位变量进行逻辑“与、或“异或、循环、求补、清零等根本操作，还可进行加、减、乘、除等根本运算。为了乘除的需要，还设置了B存放器。在执行乘法指令时，用来存放其中一个乘数

11、的高8位数；在执行除法运算指令时，B中存放除数及余数。 2控制部件：控制部件是主控电路的神经中枢，它包括时钟电路、复位电路、指令存放器、译码器以及信息传送控制部件。它以主振频率为基准发出CPU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操作，用来控制电路的各局部的运行。通常把运算器和控制器合在一起称为中央处理器Central Processing Unit，简称CPU。2.1.2 8051单片机定时器/计数器MCS-51单片机内部设有两个16位可编程的定时器/计数器，即定时器/计数器1和0，分别用T0、T1表示。它由两个特殊功能存放器TMOD和TCON及T0、T1组成。其中

12、TMOD为模式控制存放器，主要用来设置定时器/计数器的操作模式；TCON为控制存放器，主要用来控制定时器的启动与停止。8051定时器/计数器结构如图2-1所示。定时/计数器T0由TH0、TL0构成，T1由TH1、TL1构成。两个16位的定时器/计数器T0和T1均可以分成2个独立的8位计数器即TH0、TL0、TH1、TL1，它们用于存定时或计数的初值。定时器/计数器的工作原理如下：当定时器/计数器为定时工作方式时，计数器的加1信号由振荡器的12分频信号产生，即每过一个机器周期，计数器加1，直至计满溢出为止。我们定时器/计数器是一种可编程部件，所以在定时器/计数器开始工作之前，CPU必须将一些命令

13、称为控制字写入定时/计数器。将控制字写入定时/计数器的过程叫定时器/计数器初始化。在初始化过程中，要将工作方式控制字写入方式存放器，工作状态字或相关位写入控制存放器，赋定时/计数初值。图2-1 8051定时器/计数器结构图2.1.3 8051复位及复位电路设计单片机应用系统工作时，会经常进入复位状态。单片机的复位都是靠外部电路实现的。在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平时，单片机便实现复位。1存放器的复位状态单片机在RESET引脚有效电平控制下，程序计数器PC和特殊功能存放器的复位状态如表2-1所示。单片机的复位状态不影响片内RAM状态，只要RESET引脚端保持高电

14、平，单片机将循环复位。在复位的有效期间，ALE、输出高电平。 表2-1 8051存放器的复位状态专用存放器复位状态专用存放器复位状态PC0000HTMOD00HAcc00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0P3FFHSCON00HIPXXX0 0000BSBUFXXXX XXXXBIE0XX0 0000BPCON0XXX 0000B注：XXX为不定图2-2 8051复位电路图2复位电路 单片机通常采用上电自动复位和按扭复位两种方式，但该设计采用这两种复位的组合电路，如图2-2所示。上电瞬间，RC电路充电，RESET

15、引脚端出现正脉冲，只要RESET端保持10ms以上高电平，就能使单片机有效地复位。在实际的应用中，有些外围芯片也需要复位。如果这些复位端的复位电平要求与单片机复位要求一致，那么可以与之相连。在图2-2复位电路中，干扰易于串入复位端，在大多数情况下，不会造成单片机的错误复位，但会引起内部某些存放器错误复位。这时，可在RESET端接上一去耦电容，也可加一监视定时器。在应用系统中，为了保证复位电路可靠的工作，常将RC电路接在史密特电路后再接入单片机复位端和外围电路复位端。这样，系统有多个复位端时，能保证可靠的同步的复位。2.1.4 8051时钟电路和CPU时序时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信

16、号。时钟信号可以由两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式，下面分别予以介绍。1.内部时钟方式8051内部有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器，见图2-3所示。外接晶振时，C1和C2值通常选择为30pF左右；外接陶瓷谐振器时，C1、C2约为47pF。C1、C2对频率有微调作用，振荡频率范围为12MHz。2.外部时钟方式 图2-3 振荡电路 图2-4 外部时钟脉冲源接法外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内。如图2-

17、4所示。该设计采用内部振荡方式，外接晶体以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在8051芯片的XTAL1和XTAL2端一起构成智能仪表主电路的时钟。对外接电容C1和C2的值虽然没有严格要求，但电容的大小多少会影响振荡器的频率的上下、振荡器的稳定性、起振的快速性。外接晶体时，通常选C1和C2的值为30pF左右，经实验证明这里取为30pF。在印刷电路板，晶体应尽可能的安装的与单片机芯片靠近，以减少寄生电容的存在，更好地保证振荡器可靠地工作。为了提高温度的稳定性，通常晶体可以在1.2MHz12MHz之间选择，经实验证实取12MHz为最好。MCS-5共111条指令，全部指令按其长度分为单字节指令，双字

18、节指令和三字节指令。执行这些指令所需的机器周期数目是不同的。一条指令可以分解为假设干根本的微操作，而这些微操作所对应的脉冲信号，在时间上有严格的先后次序，这些次序就是单片机主控电路的时序，它指明主电路内部与外部互相联系所遵守的规律。2.2 最小系统的设计图2-5 以8051为芯片的最小系统结构图所谓最小系统即能保证单片机正常工作的条件下又能使应用设备到达最简化，耗能最小化，最重要的是保证能满足智能仪表的工作要求。根据以上要求该设计的最小系统包括以下三局部： 电源电路向单片机供电 复位电路确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程 时钟电路单片机工作的时间基准，决定单片机工作速度8051单片

19、机的工作电压范围为， 所以通常给单片机外接5V直流电源。连接方式为Vcc40脚接+5V电压，Vss20脚接地。8051的时钟电路和复位电路由上节中提到的。8051单片机组成的最小系统原理如图2-5所示。 8051三总线结构简介图2-6 总线结构图单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入和用户I/O口外，其余引脚都是为了实现系统扩展而设置的。这些引脚构成了三总线形式。引脚功能分类如图2-6所示。1地址总线AB：地址总线宽度16位，因此外部存储器直接寻址范围为64KB。16位地址总线由P0口经地址锁存器提供8位地址A0A7，P2口直接提供高8位地址A8A15。2数据总线DB：数据总线宽度为8位，由P0

20、口提供。3控制总线CB：由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET，ALE组成。第三章 8051扩展电路的设计 8051的系统扩展概述单片机芯片内集中了计算机的根本部件，因而一块单片机往往就是一个根本的微机系统。对于大多数单片机还具有系统的扩展能力，允许各种外围电路补充芯片内部容量缺乏，适应各种特定的需要。一个单片机应用系统的硬件电路设计包括有两局部内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM，RAM，I/O口，定时器/计数器，中断系统等容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、

21、打印机、A/D、D/A转换器等，都要设计适宜的接口电路。这些都要根据所设计系统的具体要求来选定。3.2 地址锁存器74LS3738051单片机中的16位地址分为高八位A15 A8和低八位A7A0。高八位由P2口输出，低八位由P0口输出。而P0口同时又是数据输入/输出接口，故在传送时应该分时使用，即采用分时方式，先输出低八位地址，然后再传送数据。但是，在对外部存储器进行读/写操作时，地址必须保持不变，这就需要选用适当的存放器存放低8位地址，这个外接的存放器就称为地址锁存器。在进行外部扩展时，凡具有输入/输出控制的8位存放器均可以作为地址锁存器。本设计采用的地址锁存器为74LS373，其结构图如图

22、3-1所示。图3-1 地址锁存器74LS373引脚结构图当三态门的使能信号线为低电平时，三态门处于导通状态，允许1Q8Q输出到OUT18，当为高电平时，输出三态门断开，输出线OUT18处于浮空状态。当G输入端为高电平时，锁存器输出Q1Q8状态和输入端D1D8状态相同；当G端从高电平返回到低电平时下降沿时，输入端D1D8的数据锁入Q1Q8的8位锁存器中。当74LS373作为地址锁存器时，它们的锁存控制端G可直接与单片机的锁存信号ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。3.3 程序存储器的扩展3.3.1 典型EPROM扩展电路在MCS-51单片机应用系统中，程序存储器的扩展用的很多，扩展方法也很简

23、单。其扩展特性可概括如下： 程序存储器由单独的地址编号0000HFFFFH，虽然与数据存储器重叠，但不会被占用；使用单独的存储信号和指令，程序存储器数据读取由控制，读取数据用MOVC指令。 程序存储器和地址存储器共用地址总线和数据总线。该设计程序存储器采用芯片27256，它是32K8位的紫外线擦除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为100mA，维持电流40mA，读出时间最大为250ms，28线双列直插式封装，其管脚配置如图3-2所示。图3-2 扩展芯片27256引脚结构图A0-A14是地址线；O0-O7是数据输出线；是片选线，/Vpp是数据输出选通/编程电源。3.3.2 使用芯片2

24、7256的扩展电路地址锁存器采用74LS373，27256是32K容量的EPROM，用15根地址线，由于系统中只用到了一片程序存储器，故片选信号接地。图3-3为8051与27256的接口电路图。3.4 数据存储器的扩展3.4.1 典型数据存储器SRAM扩展电路8051单片机内部有128个字节RAM。CPU对内部RAM有丰富的操作指令，在实际应用中，仅靠片内RAM往往不够，必须扩展外部数据存储器。该设计采用的SRAM芯片为62256，其结构图如3-4所示。 62256容量为32K，单一+5V供电，工作电流为8mA，维持电流，读出时间最大为250ms，28线双列直插式封装图3-3 8051扩展电路

25、图A0-A14：地址输入线；D0-D7数据线；：片选信号输入线，低电平有效，且为低电平时才选中该片；：读选通信号输入线，低电平有效；：写允许信号输入线，低电平有效；Vcc：工作电源+5V；GND：线路地。图3-4 扩展芯片62256引脚结构图3.4.2 使用芯片62256的扩展电路地址存储器采用74LS373，62256是32K容量的，故用到了15根地址线。芯片62256与8051的接口电路如图3-5所示。图3-5 8051与芯片62256结构连接图3.5 8051扩展32K EPROM和32K RAM总体结构图8051用一片EPROM 27256提供32K字节的片外程序存储器，用一片静态RA

26、M 62256提供32K字节的片外数据存储器。总体结构图如图3-6所示。图中的片选端接8051的，输出常为0时，才能选通62256，所以它的地址为0000H-7FFFH。27256的 同时被选中。经反相器与芯片74LS138的控制端相接，当为低电平时27256和62256同时工作74LS138不工作；当为高电平时，27256和62256停止工作，8051选中74LS138。这样解决了扩展芯片与74LS138译码器控制信号的分配问题。27256的GND和均接地。74LS138我们会在第七章具体分析说明。图3-6 8051对外扩展EPROM和SRAM总体结构图第四章 8051外部I/O口扩展设计

27、I/O扩展芯片8255A结构及原理 I/O口扩展概述8051单片机共有4个8位并行I/O口，这些I/O口一般是不能完全提供应用户使用的，提供应用户使用的I/O口只有P1口和P3口的局部口线，因此需要进行I/O口的扩展。P1口和P3口线的逻辑电路图如图4-1和4-2所示。图4-1 P1口线逻辑电路图 图4-2 P3口线逻辑电路图8051单片机的外部数据存储器RAM和I/O是统一编址的，用户可以把外部64K字节的数据存储器RAM空间的一局部作为扩展I/O接口的地址空间，每一个接口芯片中的一个功能存放器口地址就相当于一个RAM 存储单元，CPU可以像访问外部存储器RAM那样访问外部接口芯片，对其功能

28、存放器进行读、写操作。8255就是其中的一种，本设计用其来扩展键盘和显示器。MCS-51单片机的地址总线宽度为16位，P2口提供高8位地址A8A15，P0口经外部锁存后提供低8位地址A0A7。为了唯一地选中外部某一存储单元I/O接口芯片已作为数据存储器的一局部，必须进行两种选择：一是必须选择出该存储器芯片或I/O接口芯片，称为片选；二是必须选择出该芯片的某一存储单元或I/O接口芯片中的存放器，称为字选。常用的选址方法有两种：线选法和全地址译码法。 8255A芯片简介8255A是Intel86系列微处理机的配套并行接口芯片，它可为86系列CPU与外部设备之间提供并行输入/输出的通道。由于它是可编

29、程的，可以通过软件来设置芯片的工作方式。所以，用8255A连接外部设备时，通常不用再附加外部电路，给使用者带来很大方便。8255A具有3个8位的并行I/O口，分别为PA口、PB口和PC口，其中PC口又可分为高4位口PC7PC4和低4位口PC3PC0，它们都可以通过软件编程来改变I/O口的工作方式。8255A可以与MCS-51单片机直接连接。8255A的引脚和结构分别如图4-3和4-4所示。由图4-3所示8255A可分为以下几局部，下面将分别介绍：1并行输入/输出端口A，B，C 8255A芯片内部包含3个8位端口，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

30、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。2A组和B组控制部件端口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。它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，并根据它们来定义各个端口的操作方式。图4-3 8255A引脚结构图 图4-4

31、 8255A内部结构图3数据总线缓冲存储器这是一个三态双向8位数据缓冲存储器，它是8255A与CPU之间的数据接口。CPU执行输出命令时，可将控制字或数据通过数据总线缓冲存储器传送给8255A。CPU执行输入命令时，8255A可将状态信息或数据通过数据总线缓冲存储器向CPU输入。因此它是CPU与8255A之间交换信息的必经之路。4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：片选信号。由CPU输入，通常由端口的高位地址码A15A2译码得到，有效，表示该8255A被选中。，读、写控制信号。由CPU

32、输入，有效，表示CPU读8255A，应由8255A向CPU传送数据或状态信息。有效，表示CPU写8255A，应由CPU将控制字或数据写入8255A。 RESET复位信号。由CPU输入，RESET有效时，去除8255A中所有控制字存放器内容，并将各端口置成输入方式。 A1和A0端口选择信号。A1A0=00，选择端口A；A1A0=01，选择端口B；A1A0=10，选择端口C； A1A0=11，选择控制字存放器。由端口地址A1A0和相应的控制信号组合起来可定义各端口的操作方式如表4-1所示。表4-1 8255A端口选择表A1A0操作00010端口ACPU01010端口BCPU10010端口C CPU

33、 00100CPU 端口A01100CPU 端口B10100CPU 端口C11100CPU 控制存放器11010非法操作110数据总线浮空1未选该8255A，数据总线浮空 8255A与8051的接口设计8255的片选信号由三八译码器的输出端Y0来控制。图4-5为8255A与单片机8051连接图。图4-5 8255A与8251的接口结构图第五章 LED显示器与66小键盘接口的设计 LED显示器设计 LED显示器结构LED 显示器是单片机应用系统中常用的输出器件，是由假设干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个或一个笔画发光，控制不同组合的二极管导通，这就能显示出不同字符。常用的LED

34、显示器有7段和“米字段之分。该设计采用的是七段LED显示器。七段LED共有8个发光二极管，其中7个发光二极管七端字形“8”，一个发光二极管构成小数点。发光二极管阴极连在一起的称为共阴极显示器，如图5-1a所示。共阴极LED显示器的发光二极管阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，即逻辑电平“1”时，发光二极管点亮。发光二极管阳极接在一起的称为共阳极显示器，如图5-1b所示。共阳极LED显示器的阳极接在 +5V电压源上，当某个发光二极管的阴极为低电平，即逻辑“0”时，发光二极管点亮。a共阴极显示器 b共阳极显示器图5-1 七段LED显示器 LED显示器原理点亮显示器有静态和动态两种方式。所谓

35、静态显示就是显示器在显示某个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。这种显示方式每个显示器都需要一个8位输出口控制，需要硬件多，适用于显示位数较少的场合。当显示位数较多时采用动态显示。图5-2 8位动态显示器接口所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各位显示器，对于每位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的点亮和点亮时的导通电流有关，还与点亮时间和间隔时间有关，调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。假设显示的位数不大于8位，那么控制显示器公共电极只需一个I/O控制各位显示器，所显示的字形也需要一个I/O口。图5-2为8051通过8255扩展I/O控制的8位共阴极显示器的接口。其中8

36、255提供两个输出口，A口输出经同向驱动芯片7407驱动后接显示器公共极，作为字位口，B口输出为字形口，亦经7407接显示器的各个极。 66小键盘接口设计5.2.1 键盘工作原理键盘是由假设干个按键组成的开关矩阵，它是一种廉价的输入设备。一个键盘，通常包括有数字键09，字母键AZ以及一些功能键。操作人员可以通过键盘向计算机输入数据，地址、指令或其它控制命令，实现人机对话。用于计算机系统的键盘按其结构形式可分为两类：一类是编码键盘，即键盘上闭合键的识别由专用的硬件来实现；另一类是非编码键盘，即键盘上闭合键的识别由软件来识别。66的键盘结构如图5-3所示。图5-3 6X6小键盘接口图66的键盘行线

37、通过电阻接+5V。当键盘上没有键闭合时，所有的行线和列线断开，行线都呈高电平。当键盘上某一个键闭合时，那么该键所对应的列线与行线短路。例如11号键按下闭合时，行线X4和列线Y5短路，此时列线Y5 的电平由X4行线的电位所决定。图5-4 8255A与键盘和显示器的连接图 6X6键盘、显示器与8255A的连接结构图该设计显示器采用的是8段数码管，用共阴极接法显示，用8255A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。键盘、LED显示器与8255A连接如图5-4所示。第六章 A/D转换器的设计 A/D转换器原理6. A/D转换器原理通过传感器检测到的温度信号，经过放大滤波后，

38、必须将连续变化的模拟量转换成离散的数字量，才能输入到单片微机中进行处理。实现模拟量变换成数字量的设备称为模数转换器ADC简称A/D。根据A/D转换器的原理可将A/D转换器分成两类：一类是直接型A/D转换器，另一类是间接型A/D转换器。目前应用较为广泛的主要有三种类型：逐次逼近式A/D转换器、双积分式A/D转换器和V/F变换式A/D转换器。该设计采用逐次逼近式A/D转换器，其原理图如图6-1所示。图6-1 逐次逼近A/D转换器原理图如下图A/D转换器主要原理为：将一待转换的模拟输入信号UIN与一个推测信号UI相比拟，根据推测信号大于还是小于输入信号来决定增大还是减小该推测信号，以便相模拟输入信号

39、逼近。推测信号由D/A转换器的输出获得，当推测信号与模拟信号相等时，向D/A转换器输入的数字就是对应模拟输入量的数字量。其“推测值的算法如下：使二进制计数器中输出锁存器的每一位从最高位起依次置1，每接一位时，都要进行测试。假设模拟输入信号UIN小于推测信号UI，比拟器输出为零，并使该位置零；假设模拟输入信号UIN大于推测信号UI，比拟器输出为1，并使该位保持为1。无论那种情况，均应继续比拟下一位，直到最末位为止。此时，D/A转换器的数字输入即为对应模拟输入信号的数字量。将此数字量输出就完成了A/D转换过程。 ADC0809结构及引脚功能 ADC0809 8位逐次逼近式A/D转换器是一种单片CM

40、OS器件，包括8位的模/数转换器、8通道多路转换器和与微处理机兼容的控制逻辑。ADC0809的主要特征如下：8路8位A/D转换器，即分辨率8位。具有转换起停控制端。转换时间为100s。单个+5V电源供电。模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准。工作温度范围为-40+85。图6-2 ADC0809引脚图由图6-2所示，该转换器由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比拟器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近存放器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809可处理8路模拟量输入且有三态输出能力，即可与各种微处理器相连，也可单独工作，输入输出与TTL兼容。从图6-2可知ADC0809芯

41、片有28条引脚，采用双列直插式封装，各引脚功能说明如表6-1所示。表6-1 ADC0809引脚功能表符号引脚号功能2628，15为8个通道模拟量输入线ADDAADDBADDC2523多路开关地址选择线A为最底位，C为最高位。通常分别接在地址线的低三位。17，14，15，8，18218位数字量输出结果。ALE22地址锁存有效输入线。该信号上升沿把3条选择线的状态锁存入多路开关地址存放器中。START6启动转换输入线。该信号上升沿去除ADC的内部存放器而在下降沿启动内部控制逻辑，开始A/D转换工作。EOC7转换完成输出线，当EOC为1时表示转换已完成。CLOCK10转换定时时钟输入线。其频率不能高

42、于640KHZ。当频率为640时，转换速度100OE9允许输入线。在OE为1时，三态输入锁存器脱离三态，把数据送往总线。12，16参考电压输入线Vcc11接+5VGND13接地ADC0809通过引脚IN0，IN1， IN7可输入8路单边模拟输入电压。ALE将3位地址线ADDA，ADDB，ADDC进行锁存，然后由译码器选通8路中的一路进行A/D转换。地址译码与对应通道的关系如表6-2所示。ADC0809片内没有时钟，可以利用8051提供的地址锁存器允许信号ALE经D触发器四分频后获得，ALE的频率是8051单片机频率的1/6，单片机的工作频率是12MHz，ALE经四分频后的频率是500KHz，这

43、正符合ADC0809的工作频率。四分频电路将在以后介绍。 表6-2 ADC0809地址译码与通道的关系地址CBA选通的模拟通道0 0 0通道00 0 1通道10 1 0通道20 1 1通道31 0 0通道41 0 1通道51 1 0通道61 1 1通道7 ADC0809与8051的连接6.2.1 分频电路8051的CPU要与ADC0809芯片协调工作，首先要完成它们的时钟配合。ADC0809的选通信号的是由8051的ALE信号来担负的。图6-3 四分频结构图8051的ALE信号的时钟频率为2MHz，而ADC0809的时钟频率一般为500KHz，为了使得ADC0809能正常工作，我们要对8051

44、 的ALE信号进行四分频，才能得到ADC0809所需要的500KHz频率。其电路图如图6-3所示。我们所用的D触发器进行分频，由于一个D触发器为2分频所以经过两个D触发器后，8051的ALE信号的时钟频率就成了500KHz，也就能满足ADC0809的时钟频率要求了，其四分频波形如图6-4所示。图中的端接到8051的ALE端，另一端Q接到ADC0809的CLK端，完成分频电路的连接。图6-4 四分频波形图 ADC0809与8051的连接图6-5 ADC0809与8051接口图微机与A/D转换器接口电路的主要功能是：1 通过I/O输出通道A/D转换。2 将转换好的数据送入CPU。ADC0809的工

45、作过程是：首先输入三位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比拟器。START上升沿将逐次逼近存放器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用做中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门翻开，转换结果的数字量输出到数据总线上。ADC0809与8051的连接图如图6-5所示。第七章 电阻炉温度控制仪硬件电路的设计7.1 温度变送器桥路的设计 炉温控制仪硬件电路设计总体思路传统的以普通双向晶闸管控制的高温电加热炉采用移相触发电路改变晶闸管导

46、通角的大小来调节输出功率，到达自动控制电路温度的目的。这种移相方式输出一种非正弦波，实践说明这种控制方式产生相当大的中频干扰，并通过电网传送，给电力系统造成危害。采用固态继电器控温电路，通过单片机控制固态继电器，其波形为完整的正弦波，是一种稳定，可靠，较先进的控制方法。为了降低本钱和保障较高的控制精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零点迁移，冷端补偿功能的温度变送器桥路，使实际测温范围缩小。电加热炉温度控制系统的硬件由图7-1所示。图7-1 电加热炉温度控制系统硬件结构框图它以MCS-51单片机为核心，外扩键盘输入和LED显示温度。电加热炉炉内的实际温度由热电偶测得并转换成毫伏级的电压信号

47、，通过温度变送器桥路实现零点迁移和冷端补偿，经运算放大器7650放大到0-5V，再经有源低通滤波器滤波后，由A/D转换成数字量。此数字量经数字滤波、标度变换后，一方面通过LED将炉温显示出来;另一方面，将该温度值与被控温度值进行比拟，根据其偏差值的大小，采用比例微分控制，通过固态继电器控温电路控制电炉丝的导通时间，就可以控制电炉丝的加热功率大小，从而控制电炉的温度，使其逐渐趋于给定值且到达平衡。 热电偶的选取热电偶是测量传感器对它的选取将直接影响测量误差大小。根据设计要求炉温范围在0600以下，我们选取K型镍铬镍硅测温范围01000或S型铂铑铂测温范围01600热电偶。两者相比，K型具有较好的

48、温度热电势的线性度，但它不适于长时间在高温区使用；S型具有较高的精度，但温度热电势的线性度较差。 温度变送器桥路该设计采用A/D转换器ADC0809其转换精度为1/256，假设电炉工作温度是600，这样在0600温度范围内A/D转换精度为，这样不能满足高控温精度的要求。为了提高控温精度，该设计必须采用零点迁移的方法，缩小实际量程的范围。将实际量程缩小为1/3，这样在0600温度范围内A/D转换器精度可控制在内。为保证在600时，毫伏放大器输出为0V，那么必须在温度变送器桥路中引入零点迁移和冷端温度补偿电路。温度变送器桥路正是为了满足上述两种需要而设计的，其电路图如图7-2所示。 图7-2 温度

49、变送器桥路如下图热电偶冷端处于环境温度之中，所测得热电势为Ex，Rcu为铜导线绕制的补偿电阻，它与热电偶冷端处于相同的环境温度中。Rs为限流电阻，其阻值与热电偶的选取有关，调整Rs的大小使桥路电流为，并通过选取适宜的Rcu使得电桥在环境温度时处于平衡状态，此时桥路输出电压为零。在该设计中，选取Rcu=20。当冷端温度升高时，Ex将会减少，所测温度将会低于电路的实际温度，而此时Rcu两端电压将会随环境温度的升高而升高，这样桥路输出电压UqUq极性与Ex相同将会增加。如果Ex的降低量与Uq的增加量相同，那么实现了冷端温度的补偿。由图7-2可知以下关系：与极性相反，与极性相同。下面将表达该电路实现零

50、点迁移的三种方案。零点迁移 ：改变连接线1，2，3端子实现迁移的三种方案如下：1 W与R并联：开关1与开关2线相连，开关3与触点N相接。对于镍铬镍硅EU-2热电偶，冷端温度为20时，Rcu=20，RLN=038。当RLN=0时，零点迁移Uq 0-20=-10mV当RLN =38时，零点迁移Uq 38-20=9mV零点迁移很小。2 W与R串联：开关2与触点N相连RLN=60160。当RLN =60时，零点迁移Uq 60-20=20mV当RLN =160时，零点迁移Uq160-20=70mV零点迁移量很大。3 只有W：开关3与触点N相连RLN =W=0100。当RLN=0时，零点迁移Uq0-20

51、=-10mV当RLN =100时，零点迁移Uq100-20=40mV 该设计要求控制温度为0600，在此范围内，毫伏放大器输出为05V，对于ADC0809，为了确保精度，应尽量压缩温度测量范围。图7-3 该设计采用的温度变送器桥路图在该设计中我们将控制范围缩小在300600，实现精度。当输出温度为300时，EU-2热电偶输出为 ，为保证在300时，毫伏放大器输出为0V，那么变送器桥路引入零点迁移Uq应为。所以该设计采用控制方案3，即开关3与触点N相连。电路图如图7-3所示。7.2 低漂移毫伏放大器电路设计 集成运放ICL7650热电偶经传感器转换得到的电压信号的幅度往往很小，无法进行A/D转换

52、，因此，需对这些模拟电信号进行放大处理。在该设计中采用集成运算放大ICL7650，它是一种高输入阻抗，低输出阻抗，高放大倍数且便于调试的优质放大器。开关电容斩波方式使其前置放大器的分辨率可以小；能自动检测放大器的失调电压和共模电压引起的漂移，并自动动态校零。它的输入失调电压极低，在整个工作温度范围内只有失调电压温漂仅/C。其结构简图如7-4所示。 aICL7650机构框图 bICL电路结构图图7-4 ICL7650结构框图及电路图ICL7650器件有两种封装形式，一种是14脚双列直插式，另一种是8脚金属壳封装，其引脚安排及电路连接见图7-4所示。14脚封装各个引脚功能分述如下：电源正端。电源地

53、端。，外接电容端。用于补偿自动调零。+IN、-IN差动信号输入端。INT/EXT时钟控制端，用以选择使用内部时钟还是外部时钟，当需要使用外部时钟时，该端接，Vss并在13脚 EXT CLK IN端接入外时钟信号，当该端开路或连接VDD时，电路用内时钟控制。EXT CLK IN外部时钟输入端。CLK OUT内时钟输出端200Hz时，可用来观察内时钟信号输出，也可利用该输出去控制其它电路的工作。OUT信号输出端。OUT CLAMP输出端，其中3、6脚为空脚，是为信号输入脚作保护环用的。 低漂移毫伏放大器电路的设计该设计采用ICL7650的集成放大电路图如图7-5所示。斩波电容C1和C2选用绝缘电阻

54、高的聚脂薄膜电容器，由调零放大器在斩波振荡器和时钟电路控制下轮流为本身的主放大器调零。图7-5 低漂移毫伏放大器电路图D1和D2选用低漏流型的开关二极管，起保护ICL7650的作用。D1和D2选用低漏流型的硅开关二极管，起保护ICL7650的作用。A1输出信号经二阶有源低通滤波器滤波，使信噪比S/N提高，此有源低通波器的截止频率约1.5 Hz， A2的增益为1，A2可选用uA741，A2的输出经A/D转换器转换成数字信号后读入单片机，然后由软件转换成相应的温度显示值。7.3 固态继电器控温电路的设计 固态继电器SSR固态继电器SSR是一种四端有源器件，其中两端为输入控制端，另外两端为输出端。S

55、SR分为单向直流固态继电器DC-SSR和双向交流固态继电器AC-SSR。AC-SSR又有过零触发器Z型和调相型P型之分。通常采用光电耦合器来实现输入和输出之间的电气隔离。图7-6 SSR组成框图其中，过零型具有零电压开启，零电流关断特性；随机开启型具有快速开启特性。SSR组成如图7-6所示。对于随机开启型交流固态继电器，在输入端施加适宜的控制信号Vi时，输出端立即导通，只有在Vi撤销后，当负载电流低于双向可控硅维持电流时输出才关断。而过零型SSR的输入端施加控制电压后，要等交流电压过零时才能导通，所以可能造成延迟。随机开启型SSR组成如下：1驱动电路采用开关控制电路图如图7-7所示图7-7 开

56、关控制电路图2输出负载小容量负载，如图7-8所示。图7-8 小容量负载结构图用于低容量负载时要注意固定继电器的两个特点：最小负载电流。关断状态下的电流。一般来说，固态继电器的开启电流至少是关断状态电流的10倍，如果负载电流低于这个值，负载需要并联一个电阻，以提高继电器的开启电流，见图7-8所示。3尖峰电压保护电压尖峰加在SSR 上时会使SSR在没有选通的情况下开启，因此尖峰电压超过了SSR的阻断电压或SSR在关闭状态下的dv/dt特性，因此，应在SSR上并联一个压敏电阻以消除尖峰电压。其电路图如图7-9所示。图7-9 带有尖峰电压保护的小容量负载当电磁阀或继电器的电流小于所用的SSR额定负载电

57、流的最小值时，必须在负载上并联一个电阻。7.4 73LS138译码器和73LS273 8D触发器74LS138我们在是“3-8”的译码器，具有3个选择输入端口，可组合成8种输入状态。8个输入端，每个输出端分别对应8种输入状态中的一种，0电平有效。其引脚结构图如图7-10a所示。74LS138的真值表如表7-1所示。表7-1 74LS138真值表输 入输 出使 能选 择Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7E3 CBA1 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 00 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 10111111110111

58、1111101111111101111111101111111101111111101111111100 X XX 1 XX X 1X X XX X XX X X11111111111111111111111174LS273是带有去除端的8D触发器，只有在去除端保持高电平时，才具有锁存功能，锁存控制端为11脚CLK，采用上升沿锁存，其引脚结构图如图7-10b所示。 a73L138译码器引脚图 b73LS273 8D触发器引脚图图7-10 74LS273和74LS138引脚结构图74LS273的11引脚未加时钟脉冲时，它的输出不随输入变化，只有在时钟脉冲的上升沿出现在引脚11时，输入的数据才被锁

59、存。该集成电路还有清零端，当引脚1加低电平时集成电路的输出为零。在74LS273中每个D触发器的功能表如表7-2所示。表7-2 74LS273功能表输入输出Q去除时钟D0XX01X1110010X7.5 温度变送器、放大器以及固态继电器的连接图7-11 局部连接图固态继电器、放大器以及温度变送器的连接如图7-11所示。在该设计中，8051的控制信号通过74LS138译码后，与写控制信号经过或非运算，使74LS273导通，74LS273的输出控制固态继电器开始工作，从而实现了对电炉丝的加热功率的控制。7.6 电阻炉温度控制仪系统总体设计图炉温控制仪总体设计思想为：以MCS-51单片机为核心，外扩键盘输入和LED显示温度。电加热炉炉内的实际温度由热电偶测得并转换成毫伏级的电压信号，通过温度变送器桥路实现零点迁移和冷端补偿，经运算放大器7650放大到0-5 V，再经有源低通滤波器滤波后，由A/D转换成数字量。此数字量经数字滤波、标度变换后，一方面通过LED将炉温显示出来;另一方面，将该温度值与被控温度值进行比拟，根据其偏差值的大小，采用比例微分控制，通过固态继电器控温电路控制电炉丝的导通时间，就可以控制电炉丝的加热功率大小，从而控制电炉的温度，使其逐渐趋于给定值且到达平衡。所以系统总体结构图即可画出，如图7-12所示。图7-12 电阻炉温度控制系统总体结构图结 论 该设计以8051系列