基于单片机的温度控制系统的研究设计说明

1、 PAGE- 2 - / NUMPAGES59 东华理工大学毕业设计题目： 基于单片机的温度控制系统的研究 英文题目：Design of Temperature Control SystemBased onSCM作者： XXXXXXX 摘 要单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，把单片机应用于温度控制中，采用单片机做主控单元，无触点控制，可完成对温度的采集和控制的要求。所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。本文主要介绍单片机在热

2、处理炉温度控制中的应用，对温度控制模块的组成与主要所选器件进行了详细的介绍。并根据具体的要求本文编写了适合本设计的软件程序。温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。本文研究的电炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。因此本文将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统。关键词：单片机；热处理温度控制；模糊 PID。AbstractThe single slice of microcomputers emerges with development of very large

3、scale integration technology, because it has small , the function is strong , high characteristic of cost performance, applies the one-chip computer to temperature control, adopt the one-chip computer to do the top management unit, control contactlessly , can finish the requisition for collection an

4、d control of temperature . So apply to such a great deal of fields as electronic instrument , household appliances , energy-conservation fitting , the robot , industrial control ,etc. extensively, make the products miniaturized , intelligented , has already improved the function and quality of the p

5、roducts, have lower costs again, has simplified and designed.This text introduces the application of the one-chip computer in the temperature control of heat-treatment furnace mainly, composition and selecting to introduce the detailed one with device mainly of the temperature control module . And h

6、as written the suitable software procedure originally designed according to the concrete demand this text.Temperature in heat treatment craft is very important. Control precisioneffect directly the quality of the product. The electric stove is a kind pure great inertia system, and the traditional he

7、at control system is based on some certain model, so is hard to satisfy the technological requirement.This paper will adopt fuzzy control algorithm to build a intelligent fuzzy control system.Keyword：SCM；Temperature control；Fuzzy PID.目 录 TOC o 1-3 h z 第1章 绪论11.1 引言11.2 控制器发展现状11.2.1 PID 控制器的发展现状11.2

8、.2 模糊 PID 控制21.2.3 模糊自整定 PID 控制21.3 电炉采用模糊自整定 PID 控制的可行性3第2章 方案简介42.1 课题背景与意义42.2 系统方案概述52.3 系统设计方案6第3章 系统硬件和电路设计73.1引言73.2 系统的总体结构73.3 温度检测电路83.3.1 温度传感器83.3.2 测量放大器的组成83.3.3 热电偶冷端温度补偿方法93.4 多路开关的选择93.5 A/D转换器的选择与连接103.6 单片机系统的扩展113.6.1 系统扩展概述113.6.2 常用扩展器件简介123.7 存储器的扩展133.7.1 程序存储器的扩展133.7.1.1只读存

9、储器简介133.7.1.2 EPROM2764简介133.7.2 数据存储器的扩展153.7.2.1数据存储器概述153.7.2.2静态RAM6264简介153.7.2.3数据存储器扩展举例153.8 单片机I/O口的扩展（8155扩展芯片）163.8.1 8155的结构和引脚163.8.2 8155的控制字的与其工作方式173.8.3 8155与8031的连接183.9 看门狗、报警、复位和时钟电路的设计193.9.1看门狗电路的设计193.9.2报警电路的设计203.9.3复位电路的设计203.9.4 时钟电路的设计213.10 键盘与显示电路的设计223.10.1 LED数码显示器的接口

10、电路223.10.2键盘接口电路233.11 DAC7521数模转换接口243.12 隔离放大器的设计253.13 可控硅调功控温263.13.1过零触发调功器的组成253.13.2主要电路介绍273.14 单片机开关稳压电源设计28第4章 系统软件设计304.1 主要程序的框图30 4.1.1主程序框图30 4.1.2显示子程序31 4.1.3键盘中断服务子程序32 4.1.4恒温与升温测控子程序33 4.1.5降温测控子程序344.2 模糊自整定 PID 控制算法35参考文献38设计总结38致40附录41第1章 绪论1.1 引言工业生产中使用的热处理设备种类繁多，如窖炉、鼓风炉、烘炉、退火

11、炉、锅炉等。如果按加温方法分类，可将热处理设备分为两大类电热炉 这类设备通过电热元件通电发热而升温，调节加入炉子的电功率则改变炉的温度。电功率调节一般采用接触器通断控制、晶闸管移相触发或通断控制。这一类设备在工厂占有相当大的比例。燃料炉 这类设备通过燃烧燃料发热而升温，调节加入炉子的燃料量则改变炉的温度。如锅炉、焦炉等。常用燃料有煤、煤气、重油等。燃料量的调节通常利用阀门、翻板等实现。这类设备在工厂中也占有较大比例热处理设备虽然种类繁多，控制方法各有差异，但对他们采用微机控制时，控制原理和方法是基本一样的。电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉的电热元件将电能转化为热能,借助辐射与

12、对流的传热方式加热工件。通常可用以下公式定性描述 （1-1）式中 X电炉温升（指炉温度与室温温差) K放大系数 t加热时间 T时间系数 V控制电压0纯滞后时间但在实际热力过程中，由于被加热金属的导热率、装入量以与加热温度等因素的不同，直接影响着 K 、T 、0等参数的变化，因此电炉本身具有很大的不确定性。温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。根据不同的目的，将材料与其制件加热到适宜的温度。1.2 控制器发展现状1.2.1 PID 控制器的发展现状在过去的 50 年，调节PID控制器参数的方法获得了极大的发展。其中有利用开环阶跃响应信息，如 Coon

13、-Cohen 响应曲线法；还有使用Nyquist 曲线法的，如Ziegler-Nichols 连续响应法。然而这些调节方法只识别了系统动态信息的一小部分，不能理想的调节参数。随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整 PID 参数。这样能实现自动调整、短的整定时间、简便的操作，改善响应特性而推动了自整定 PID控制技术的发展。自整定技术可追溯到 50 年代自适应控制处于萌芽时期，60 年代国外有人设计了一种自动调节式的过程控制器，因其价格高、体积大、可靠性差而未能商品化。80 年代由于适用的控制理论的完善以与高性能微

14、机的使用，才使得自整定控制器得以开发，PID 控制器参数的自动整定技术设想已慢慢实现。电炉温度控制技术发展日新月异，从模拟 PID、数字 PID 到最优控制、自适应控制，再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在现有的电加热炉温度控制方案中，PID 控制和模糊控制应用最多，也最具代表性。1.2.2 模糊 PID 控制模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授 L.A.Zaden 首先提出的，经过20多年的发展，模糊控制取得了瞩目的成就。模糊控制适用于非线性、数学模型不确定的控制对象，对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也有较强的抑制作用，即鲁棒性较好。但模糊

15、控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。而 PID 控制正好可以弥补其不足，近年来已有不少将模糊技术与传统技术结合起来设计模糊逻辑控制的先例。在文献中介绍了多种能提高 PID控制精度的模糊 PID 混合控制方案，例如：引入积分因子的模糊 PID 控制器；混合型模糊 PID 控制器；另外将其与其它先进控制技术结合又有模糊自适应 PID 控制、神经网络模糊 PID 控制等。1.2.3 模糊自整定 PID 控制模糊自整定 PID 控制是在一般 PID 控制系统的基础，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对 PID 参数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差e和误差变

16、化ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对参数自整定的要求。它将模糊控制和 PID 控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强，调节速度快的优点，又具有 PID 控制无静差、稳定性好、精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。图1-1 模糊自整定 PID 控制1.3 电炉采用模糊自整定 PID 控制的可行性在工业生产过程中，电炉随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特性或结构发生改变。电炉温控具有升温单向性、大时滞和时变的特点，如升温靠电阻丝加热，降温依靠自然冷却，温度超调后调整慢，因此用传统的控制方法难以得到更好的控制效果。另外对于 PID 控制，若条件

17、稍有变化，则控制参数也需调整。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统指标保持在最佳围。但由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以与评价指标不易定量表示，而模糊理论正是解决这一问题的有效途径。人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件操作用模糊集表示并把这些模糊控制规则与有关信息(如评价指标、初始 PID 参数等)作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理，实现自动对 PID 参数的最佳调整。从以上的分析可知模糊自整定 PID 控制应用在具有明显的纯滞后、非线性、参数时变类似于电炉这样特点的控制对象可以获得很

18、好的控制性能。大量的理论研究和实践也充分证明了用模糊自整定 PID 控制电炉温度是一非常好的解决方法。它不仅能发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小的特点，又具有 PID 控制器的动态跟踪品质和稳态精度。因此在温度控制器设计中，采用 PID 参数模糊自整定复合控制，实现 PID 参数的在线自调整功能，可以进一步完善 PID 控制的自适应性能，在实际应用中也取得了较好的效果。第2章 方案简介2.1 课题背景与意义在工业生产中，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、机械制造和食品加工等许多领域中，人们都需要对各类设备

19、如电冰箱、热处理炉中的温度进行监测和控制。工业控制中希望对原有系统的技术进行改造，从而提高生产过程的自动化水平。并在此基础上配备相应的系统管理软件，改变传统的落后的管理方式，使管理工作规化，提高温度控制系统流程的业务管理水平。由于工厂原有的温度控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统，所以对该系统技术改造的要在原有系统的基础上进行，设计一套温度自动控制系统，克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便，从而降低了能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低温控的人力、财力成本和提高生产管理水平的目的。传统的控制系统主要由测量电路和控制电路组成，所具备的功能较少，

20、也比较弱，而且结构很复杂。计算机技术的迅速发展，使得传统的控制系统发生了根本性的变革，即采用微机作为控制系统的核心，代替传统的控制系统的传统的电子线路，从而成为新一代的微机化控制系统。将微机技术引入控制系统中，不仅可以解决传统控制系统不能解决的问题，而且还能简化电路、增加或增强功能、提高控制精度和可靠性，显著增强测控系统的自动化、智能化程度，而且可以缩短系统研制周期、降低成本、易于升级和维护。因此，现代控制系统设计，特别是高精度、高性能的控制系统，目前已大多数采用计算机技术了。计算机技术的引入，可以为控制系统带来以下一些新特点和新功能。（1） 自动调零功能在每次采样前对传感器的输出值自动清零，

21、从而大大降低因控制系统漂移变化造成的误差。（2） 数字滤波功能利用计算机软件对测量数据进行处理，可以抑制各种干扰和脉冲信号。（3） 数据处理功能利用计算机技术可以实现传统仪器无法实现的各种复杂的处理和运算功能。（4） 复杂控制规律利用计算机技术不仅可以实现经典的PID控制，还可以实现各种复杂的控制规律，例如，自适应控制、模糊控制等。（5） 自我诊断功能采用计算机技术后，可对控制系统进行监测，一旦发现故障则立即进行报警，并可显示故障部位或可能的故障原因，对排除故障的方法进行提示。微机化的控制系统是以微机为核心、测量控制一体化的系统，这种系统对被控对象的控制是依据对被控对象的测量结果决定的。因此，

22、它实质上是一种闭环控制系统2.2 系统方案概述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，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;由于工艺不同，所需要的温度高低不同，因而所采用的测温元件和测温方法也不同;产品工艺不同，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。单片微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法提供的载体，许多高性能的新型机种应运而生。本系统所使用的加热炉为电加热炉，炉丝功率为2kw，系

23、统要求炉膛恒温，误差为士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-5l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: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对象上，电炉因此达到一定的温度。给定值采样电路输出温度被控对象8031控制电路驱动电路晶闸管主电路图1-1 控制电路的设计2.3 系统设计方案系统设计要求：该系统为温度控制系统，在整个工业生产系统中起

24、着关键性的作用，在工业生产中，温度是一个最重要的物理量。对其进行测量和控制必须有严格的要求，故本系统对温度检测、采样和控制都具有严格的要求标准。按照系统的设计功能要求，本温度控制系统采用单片机系统进行设计，利用自行编写的软件系统来完成被测温度的采集、计算，以与显示等等功能。同时，控制各种外围的设备，使整个系统能高效准确的运行，以达到温度控制的目的。基于此，系统的大致要求有以下两点：1) 要有一定的控制精度和转换精度（一般采用数字式PID控制）。2) 要求设计一个清晰明了的整体方案，各个芯片的选用要具体，具有良好的扩展技术和接口技术。系统设计总体方案：本设计的主要解决的问题是通过单片机控制系统,

25、实现对温度的智能控制。具体设计方案如下：采用温度传感器完成对温度的数据采集，并把温度值转换为电压值，经过放大、A/D转换为数字量进入单片机控制系统，与单片机中预置的参量进行比较后，得到误差量，并与上一次采集的误差量进行比较，得到误差的变化量，把误差量和误差的变化量作为模糊PID控制器的输入，经过软件进行处理，输出控制量，经过D/A转换后控制驱动电路，得到加在电炉上的平均电压。从而控制电炉的温度，实现温度的自动调节，使得温度稳定在设定值附近。第3章 系统硬件和电路设计3.1 引言电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，其本身是一个较为复杂的被控对象，虽然可用以下模型定性描述它（3-1）式中K 放大

26、系数T 时间系数纯滞后时间但在实际热力过程中，由于实际工况的复杂性(加工工件的材质、初温、升温、幅度规格、装炉量以与电气环境等因素)，使得上述数学模型偏离实际情况相当严重，本文将在具有在线自调整功能模糊自整定PID控制器基础上设计一个炉温控制系统，以期较理想地解决被加热物件透烧过程的测量与控制。3.2 系统的总体结构控制系统组成框图如图3-1所示。图3-1 电炉温度控制系统火炉的温度经温度传感器转换成mv级电信号，经放大电路变换成05V的电压信号，通过多路开关送到A/D转换器变换成数字量送单片机。单片机首先对它进行标度变换，得支它所示、表示的温度值。然后根据给定工艺参数和温度反馈值，按预定控制

27、算法进行调节运算，确定输出控制量。控制量由D/A转换成模拟电压，经功率放大后驱动执行机构控制火炉的进气量，使炉子的温度按规定的工艺曲线变化3.3 温度检测电路温度检测是温度控制系统的一个重要的环节，直接关系到系统性能。在微机温度控制系统中，温度的检测不仅要完成温度到模拟电压量的转换，还要将电压转换为数值量送计算机。其一般结构如图3-2所示。图3-2 温度数字检测的一般结构3.3.1 温度传感器温度传感器将测温点的温度变换为模拟电压，其值一般为mV级，需要放大为满足模/数转换要求的电压值。微机通过控制把电路电压送到模/数转换器进行模/数转换，得到表示温度的电压数字量，再用软件进行标度变换与误差补

28、偿，得到测温点的实际温度值。温度传感器种类繁多，但在微机温度控制系统中使用得传感器，必须是能够将非电量变换成电量得传感器，此次设计中选用的是热电偶传感器，热电偶传感器是工业温度测量中应用最广泛得一种传感器，具有精确度高、测量围广、构造简单、使用方便等优点。热电偶是由两种不同材料得导体A和B连接在一起构成得感温元件，如图3-3所示。A和B得两个接点1和2之间存在温度差时，回路中便产生电动势，形成一定大小得电流，这种现象称为热电效应，也叫温差效应。热电偶就是利用这个原理测量 温度的。图3-3 热电偶测温原理图3.3.2 测量放大器的组成测量放大器的基本电路如图3-4所示。图3-4 测量放大器的原理

29、图测量放大器由三个运算放大器组成，其中A1、A2两个同相放大器组成前级，为对称结构，输入信号加在A1、A2的同相输入端从而具有高抑止共模干扰的能力和高输入阻抗。差动放大器A3为后级,它不仅切断共模干扰的传输,还将双端输入方式变换成单端输出方式,适应对地负载的需要。 测量放大器的放大倍数用下面公式计算（3-2）式中，为用于调节放大倍数的外接电阻，通常采用多圈电位器，并靠近组件，若距离较远，应将联线胶合在一起，改变可使放大倍数在11000围调节。3.3.3 热电偶冷端温度补偿方法用热电偶测量温度时，热电偶的工作端（热端）被放置在待测温场中，而自由端（冷端）通常被放在0的环境中。若冷端温度不是0，则

30、会产生测量误差，此时要进行冷端补偿。冷端补偿方法较多，在本次的设计中我们采用的冷端温度补偿为电桥式冷端补偿。对与冷端温度补偿器，在工业上采用如图3-5所示补偿电桥的冷端补偿电路。图3-5 热电偶冷端温度补偿电桥图中所示的补偿电桥桥臂电阻R1、R2、R3和RCu通常与热电偶的冷端置于一样的环境中。取，用锰铜线绕成；RCu是用铜导线绕制成的补偿电阻。RS是供桥电源E的限流电阻，RS由热电偶的类型决定。若电桥在20时处于平衡状态。当冷端温度升高时，RCu补偿电阻将随之增大，则电桥a、b两点间的电压Vab也增大，此时热电偶温差电势却随冷端温度升高而降如果Vab的增加量等于热电偶温差电势的减小量，则热电

31、偶输出电势VAB的大小将保持不变，从而达到冷端补偿的目的。3.4 多路开关的选择在本次的设计中，我们的温度传感器有1个，因此，我们采用了一种16的多路开关，以实现对温度传感器的巡回检测。 CC4067是单片. CMOS.16通道.模拟多路转换器。该电路包括16选1的译码器和译码器的输出分别控制的16个CMOS双向开关，通道的输出状态由电路外部输入的地址A.B.C.D所决定。 CC4067可用模拟信号或数字信号去控制模拟开关的接通或断开，具有低的导通电阻和高的断开电阻，所控制的模拟信号最大峰值为15V，而数字信号的幅度3V-5V . CC4067芯片具有禁止端inh。当禁止时，inh=1，这时所

32、有的双向开关均不接通，在公共端呈现高阻抗。1、主要性能 CMOS工艺制造；直接驱动 DTL/TTL/CMOS电平；单路、16选1模拟多路转换器；具有双向转换功能；单电源供电；标准24引脚DIP封装；功耗：1.5mW；开关接通电阻：180欧（typ）;开关接通时间：1.5us(max);开关断开时间：1us(max).2、CC4067引脚图示与图3-6。图3-6 CC4067引脚图3、 CC4067功能框图如图3-7所示。图3-7 CC4067功能框图3.5 A/D转换器的选择与连接5G14433是我国制造的31/2位模/数变换器，是目前市场上广泛流行的最典型的双积分模/数变换器。该芯片具有抗干

33、扰性能好、转换精度高、自动校零、自动极性输出、自动量程控制信号输出、外接元件少、价格便宜等特点。因此广泛应用在低速微控制器应用系统，智能仪表和数字三用表等领域。5G14433与国外型号MC14433兼容。5G14433的外部连接电路，尽管5G14433外部连接元件很少，但为使其工作于最佳状态，也必须注意外部电路的连接和外接元件的选择，其实际连接电路如图3-8所示。为了提高电源抗干扰的能力，正，负电源分别通过去耦电容0.047uF、0.02uF与Vss（VAG）相连。图中DU端和EOC端短接，以选择连续转换方式，使每一次转换的结果都输出。图3-8外部连接电路 当C1=0.1uF，VDD=5V，f

34、CLK=66KHz时，若Vxmax=+2V，则R1=480K；若Vxmax=+200mV，则R1=28K。外接失调补偿电容固定为0.1uF。外接时钟电阻Rc=470K时，fLCK66KHz;当Rc=200K时，fLCK=140KHz。实际电路中一般取Rc=300K。3.6 单片机系统的扩展3.6.1系统扩展概述MCS51系列单片机的功能较强，从一定意义上说，一块单片机就相当于一台单片机的功能。这就使得在智能仪器、仪表、小型检测与控制系统、家用电器中可直接应用单片机而不必再扩展外围芯片，使用极为方便。但对于一些较大的应用系统来说，单片机片所具有的功能将显得不足，这时就必须在片外连接一些外围芯片。

35、这些外围芯片，既可能是存储器芯片，也可能是输入/输出接口芯片。系统的扩展一般有以下几方面的容：外部程序存储器的扩展；外部数据存储器的扩展；输入/输出接口的扩展；管理功能器件的扩展（如定时/计数器、键盘/显示器、中断优先编码等）。3.6.2常用扩展器件简介一、总线驱动器74LS244总线驱动器74LS244经常用作三态数据缓冲器，74LS244为单向三态数据缓冲器，而74LS244为双向三态数据缓冲器。单向的部有8个三态驱动器，分成两组，分别由控制端1G和2G控制；双向的有16个三态驱动器，每个方向8个。在控制端G有效时（G为低电平），由DIR端控制驱动方向；DIR为“1”时方向从左到右（输出允

36、许），DIR为“0”时方向从右到左（输入允许）。74LS244的引脚如图3-9所示。图3-9 74LS244的引脚二、地址锁存器74LS37374LS373是一种带输出三态门的8D锁存器，其结构示意图如图3-10所示。 图3-10 74LS373的结构图其中：1D8D为8个输入端。1Q8Q为8个输出端。G为数据打入端:当G为1时,锁存器输出端状态(1Q8Q)同输入状态(1D8D)；当G由1变0时,数据打入锁存器中。OE为输出允许端;当OE0时,三态门打开;当OE1时,三态门关闭,输出呈高阻。在MCS51单片机系统中,经常采用74LS373作为地址锁存器使用,其连接方法如图3-11所示。其中输入

37、端接至单片机的口，输出端提供的是地址的低位，端接至单片机的地址锁存器信号。输出允许端OE接地表示输出三态门一直打开。 图3-11 74LS373的结构图3.7存储器的扩展3.7.1程序存储器的扩展3.7.1.1只读存储器简介半导体存储器分为随机存取存储器（Random Access Memory）和只读存储器（Read Only Memory）两大类，前者主要用于存放数据，后者主要用于存放程序。只读存储器的特点是信息一旦写入之后就不能随意跟更改，特别是不能在程序运行过程中写入新的容，而只能读出其中的容，故称之为只读存储器；只读存储器的另一个特点是断电以后信息不会消失，能够长久保存。只读存储器是

38、由MOS管阵列构成的，以MOS管的接通或断开来存储二进制信息。按照程序要求确定ROM存储阵列中各MOS管状态的过程叫做ROM编程。3.7.1.2 EPROM2764简介2764的引脚自从EPROM276芯片被逐渐淘汰后，目前比较广泛采用的是2764芯片为双列直插式28引脚的标准芯片，容量为8K8位，其管角如图3-12所示。图3-12 2764的引脚其中：A12A0：13位地址线。D7D0：8位数据线。CE：片选信号，低电平有效。OE：输出允许信号，当OE=0时，输出缓冲器打开，被寻址单元的容才能被卖出。Vpp：编程电源，当芯片编程时，该端加上编程电压（+25V或+12V）；正常使用时，该端加+

39、5V电源。（NC为不用的管脚）。2764的工作时序2764在使用时，只能将其所存储的容读出，其过程与RAM的读出十分类似。即首先送出要读出的单元地址，然后使CE和OE均有效（低电平），则在芯片的D0D7数据线上就可以输出要读出的容。其过程的时序关系如图3-13所示图3-13 2764的工作时序EPROM的一个重要特点就是在于它可以反复擦除，即在其存储的容擦除后可通过编程（重新）写入新的容。这就是用户调试和修改程序带来很大的方便。EPROM的编程过程如下：（1）擦除：如果EPROM芯片是第一次使用的新芯片，则它是干净的。干净的标志通常是一个存储单元的容都是FFH。若芯片是使用过的，则它需要利用紫

40、外线照射其窗口，以便将其容擦除干净。一般照射击1520min即可擦除干净。（2）编程：EPROM的编程有两种方式：标准编程和灵巧编程。标谁编程的过程为：将Vcc接+5V电源，Vpp接+21V电源（注意：不同厂家的芯片其编程电压Vpp是不一样的），然后输入需编程的单元地址，在数据线上加上要写入的数据，使CE保持低电平，OE为高电平。当上述信号稳定后，在PGM端加上505ms的负脉冲。这样就将1个字节的数居写到了相应的地址单元中。重复上述过程，即可将要写入编程过程。标准编程中，每写入1个字节需要50ms左右的时间，对于2764来说共需78分钟时间。而且芯片容量愈大，所需的时间就愈多。另一方面，编程

41、脉冲愈宽，芯片功耗愈大，芯片愈容易损坏。这此，人们提出了另一个编程方式灵巧编程。2764与单片机的连接图如图3-14示。图3-14 2764与单片机的连接图3.7.2 数据存储器的扩展3.7.2.1 数据存储器概述数据存储器即随机存取存储器（Random Access Memory），简称RAM，用于存放可随时修改的数据信息。它与ROM不同，对RAM可以进行读、写两种操作。RAM为易失性存储器，断电后所存信息立即消失。按半导体工艺，RAM分为MOS型和双极型两种。MOS型集成度高、功耗低、价格便宜，但速度较慢。双极型的特点恰好相反。在单片机系统中多数采用MOS型数据存储器，使得输入输出信号能与

42、TTL相兼容，扩展后的信号连接也很方便。按工作方式，RAM分为静态（SRAM）和动态（DRAM）两种。静态RAM只要电源加上，所存信息就能可靠保存。而动态RAM使用的是动态存储单元，需要不断进行刷新以便周期性地再生，才能保存信息。动态RAM的集成密度大，如集成同样的位容量，那么动态RAM所占芯片面积只是静态RAM的四分之一。此外动态RAM的功耗低，价格便宜。由于动态存储器要增加刷新电路，因此只适用于较大的系统，而在单片机系统中则很少使用。3.7.2.2 静态RAM6264简介6264是8K8位的静态数据存储器芯片，采用CMOS工艺制造，为28引脚双列直插式封装，其引脚图如图3-15所示。图3-

43、15 RAM6264引脚图需要说明的是，6264有两个片选信号CE1和CE2，只有当CE10，CE21时，芯片才被选中。在实际应用中，往往只用其中1个，而将另一个接成常有效；也可以将系统片选信号以与取反后的信号分别接至CE1和CE2端。3.7.2.3 数据存储器扩展举例数据存储器的扩展与程序存储器的扩展相类似，不同之处主要在与控制信号的接法不一样，不用PSEN信号，而用RD和WR信号，且直接与数据存储器的OE端和WE端相连即可。图3-16为外扩1片6264的连接图。采用线选法，将片选信号CE1与P2.7相连，片选信号CE2与P2.6相连。其地址译码关系为：A15 A14 A13 A12 A11

44、 A1001所占用的地址为:第一组 4000H5FFFH (A130) 第二组 6000H7FFFH (A131) 图3-16 扩展一片RAM6264的连接图3.8 单片机I/O口的扩展（8155扩展芯片）3.8.1 8155的结构和引脚 Intel 8155是一种多功能的可编程的可编程接口芯片，它具有3个可编程I/O（A口和B口是8位，C口是6位）、1个可编程定时器/计数器和256B的RAM，能方便地进行I/O扩展和RAM扩展，其组成框图与引脚如图3-17所示。图3-17 8155引脚和结构图8155为40脚双列直插式封装，其引脚的功能与特点说明如下：RESET：复位端，高电平有效。当RES

45、ET端加入5us左右宽的正脉冲时，8155初始化复位。把A口、B口、C口均初始化为输入方式。AD0AD7：三态地址数据总线。采用时方法区分地址与数据信息。通常与MCS-51单片机的P0口相连。其地址码可以是8155中RAM单元地址或I/O地址。地址信息由ALE的下降沿锁存到8155的地址锁存器中，与RD和WR信号配合输入或输出数据。CE：片选信号端，低电平有效。它与地址信息一起由ALE信号的下降沿锁到8155的锁存器中。 IO/M：RAM和I/O接口选择端。IO/M=0时，选中8155的片RAM，AD0AD7为RAM地址（00HFFH）；IO/M=1时，选中8155片3个I/O接口以与命令/状

46、态寄存器和定时器/计数器。AD0AD7为I/O接口地址，见下表3-1。表3-1 8155口地址分配AD7-AD0A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0选中的寄存器 X x x x x 0 0 0 X x x x x 0 0 1 X x x x x 0 1 0 X x x x x 0 1 1 X x x x x 1 0 0 X x x x x 1 0 1 命令/状态寄存器A口（PA0-PA7）B口（PB0-PB7）C口（PC0-PC7）定时器/计数器低B位寄存器定时器/计数器高B位寄存器与工作方式2位RD：读选通信号端。低电平有效。当CE=0、RD=0时，将8155片RAM单元或I/O接

47、口的容传送到AD0AD7总线上。WR：写选通信号端，低电平有效。当CE=0、WR=0时，将CPU输出送到AD0AD7总线上的信息写到片RAM单元或I/O借口中。ALE：地址锁存允许信号端。ALE信号的下降沿将AD0AD7总线上的地址信息和CE与IO/M的状态信息都锁存到8155部锁存器中。PA7PA0：A口通用输入/输出线。它由命令寄存器中的控制字来决定输入/输出。PA7PB0：B口通用输入/输出线。它由命令寄存器中的控制字来决定输入/输出。PC5PC0：可用编程的方法来决定C口作为通用输入/输出线或作A口、B口数据传送的控制应答联络线。TIME IN：定时器/计数器脉冲输入端。TIME OU

48、T：定时器/计数器矩形脉冲或方波输出端（取决于工作方式）。Vcc：+5电源端。Vss：接地端。3.8.2 8155的控制字的与其工作方式1）、命令/状态字的格式与功能8155的I/O接口的工作方式选择是通过 对8155部寄存器送命令来实现的，命令寄存器由8位锁存器组成，只能写入、不能读出。命令字每位的定义如下所示：AINTR：A口中断请求信号ABF：B口缓冲器信号ASTB：A口选通信号BINTR：B口中断请求信号BBF：B口缓冲满信号BSTB：B口选通信号8155的状态寄存器口地址和命令寄存器一样。与控制字相反，状态字寄存器只能读出、不能写入，其格式与定义如图3-18，3-19所示：图3-18

49、 8155状态字格式图3-19 8155状态字定义3.8.3 8155与8031的连接如图3-20所示为8155与8031的连接图3-20 8155与8031的连接3.9 看门狗、报警、复位和时钟电路的设计3.9.1 看门狗电路的设计为提高系统的可靠性,由硬件的 “看门狗”。由NE555定时器构成的看门狗电路如图3-21所示R3、C6为定时元件，由单稳态电路产生的正脉冲宽度为，C5用于滤除高频干扰。下面分析看门狗电路的工作原理：1、当系统工作正常时，看门狗电路不起作用。2、当系统运行不正常时，8031不能给定时器送去触发脉冲，NE555中的单稳态触发器就输出脉宽大于4us的负脉冲，经F6反相后

50、加至8031的复位端，使系统能可靠地复位，迅速恢复正常运行状态。图3-21 看门狗电路3.9.2报警电路的设计当温度过超了给定的温度时，系统就会发出报警信号。在这方面的设计中我们采用了如图3-22所示的报警电路。其工作原理是：温度过高时，单片机就从P1.5口发出一个低电平信号，经反向后使发光二极管发光，同时使蜂鸣器发音，从而达到报警的日的。图3-22 报警电路3.9.3复位电路的设计在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。所以，系统的复位电路必须准确、可靠地工作。另外，单片机的复位状态与应用系

51、统的复位状态又是密切相关的，因此，必须熟悉单片机的复位状态。一、复位单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST引脚保持10ms以上的高电平。只要RST保持高电平，则MCS-51单片机就循环复位。单片机的复位状态要注意以下几点：复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把 PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行。复位操作除了把PC初始化为0000H之外，还对一些特殊功能寄存器（专用寄存器）有影响，它们的复位状态

52、见表3-2。复位操作还对单片机的个别引脚信号有影响，例如把ALE和PSEN信号变为无效状态，即ALE=0,PSEN=1。但复位不影响单片机部的RAM状态。表3-2单片机的复位状态专用寄存器复位状态专用寄存器复位状态PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR000H0TH100HP0P3FFHSCON00HIP000000BSBUF不定IE0000000BPCON00000B二、复位电路从以上的叙述中，我们已经清楚复位电路的设计原理：在单片机的 RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平（为

53、了保证应用系统可靠地复位，通常使 RST引脚保持10ms以上的高电平）。根据这个原则，采用的电路是：按键电平复位，如图3-23所示，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的。图3-23 复位电路3.9.4 时钟电路的设计时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。而时序所研究的则是指令执行中各信号之间的相互时间关系。一、 时钟电路在介绍单片机引脚时，我们已经叙述过有关振荡器的概念。振荡电路产生的振荡脉冲，并不是时钟脉冲。这二者既有联系又有区别。在由多片单片机组成的

54、系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，还引人公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。二、时钟信号的产生XTAL1（19脚）是按外部晶体管的一个引脚。在单片机部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片振荡器。输出端为引脚XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚接晶体震荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激震荡器。如图3-24所示。我们可以用示波器测出XTAL2上的波形。电路中的C1和C2一般取30PF 左右而晶体震荡器的频率围通常是1.212 MHZ，晶体震荡器的频率越高，振荡频率就越高。振荡电路产生的振荡脉冲并不是时钟信号，而是经过二分频后才作为系统达到时钟信号。如图3-24

55、所示。在二分频的基础上再三分频产生 ALE信号在二分频的基础上再六分频得到机器周期信号。本次设计中我们采用了6MHZ的晶体震荡器。图3-24 时钟电路图3.10 键盘与显示电路的设计3.10.1LED数码显示器的接口电路实际使用的LED数码显示器位数较多,为了简化线路、降低成本，大多采用以软件为主的接口方法。对于多位LED数码显示器，通常采用动态扫描显示方法，即逐个地循环地点亮各位显示器。这样虽然在任一时刻只有1位显示器被点亮，但是由于人眼具有视觉残留效应，看起来与全部显示器持续点亮的效果基本一样（在亮度上要有差别）。为了实现LED显示器的动态扫描显示，除了要给显示器提供显示段玛之外，还要对显

56、示器进行位的控制，即通常所说的“位控”。因此对于多位LED数码显示器的接口电路来说，需要有两个输出口，其中一个用于输出显示段码；另一个用于输出位控信号，“位控”实际上就是对LED显示器的公共端进行控制，位控信号的数目与显示器的位数一样。图3-25 6位LED数码显示器接口的电路图3-25是使用8155作为6位LED数码显示器接口的电路，其中8155的A口为输出口（段控口），用以输出8位显示段码（包括小数点）。考虑到LED显示器的段电流为8mA左右，不能用8155的A口直接驱动，因此要加1级电流驱动。电流驱动即可以用反相的，也可以用一样的。反相电流驱动器经常使用7406；同相电流驱动器则采用74

57、07或74LS244。（注意：使用OC门7406或7407时要加上拉电阻）C口作为输出口（位控口），以PC0PC5输出位控信号。由于位控信号控制的是LED显示器的公共端，驱动电流较大，8段全亮时需要4060mA。因此必须在C口与LED的位控线之间增加电流驱动器以提高驱动能力，常用的有SN75452（反相）、7406（反相）或7407（同相）等。3.10.2键盘接口电路对于8751或8051型单片机来说，如果不再外扩程序存储器的话，则可以利用P0P2口中的任意两个口构成多打8*8的键盘，其中1个作为输出口，1个作为输入口，既可以采用扫描法，也可以采用线反转法。如果单片机本身的口线已被占用的话，则

58、可以通过外扩I/O接口芯片来构成键盘借口电路，较常用的是8155、8255A等接口芯片，图3-26是采用8155接口芯片构成2*6键盘的接口电路，其中B口为输入，作为行线；C口为输出，作为列线。图3-26 采用8155接口芯片构成2*6键盘的接口电路在本次的毕业设计中我们的显示与键盘的设计如图3-27。其中显示器5个按键10个。图3-27 显示与键盘的设计图显示器可显示通道、温度、升降温速率、恒温时间这几项功能。10个按键盘分别为SET：恒温设置键；SETUP：升温速率设置键；SETDN；降温速率设置键；SETTM：恒温时设置键盘；CHN：通道选择键；SUM：增一键；RL：右移键，ENTER：

59、回车键盘；DTS：显示键。3.11 DAC7521数模转换接口 数模转换电路的主要任务是:将模糊自整定PID控制器输出的数字量转换成可控硅过零触发电路所需的模拟控制量。本系统采用的触发芯片TL494的触发电压需调至010V，移相围0170，故每度所需的移相电压 （3-3） 控制0.1所需移相电压增量为5.882 mV。这里采用12位DAC7521作为数模转换器，其满度输出10 V，输出电流经运放OP07变成电压，分辨率为（3-4）每个量化单位可控制的移相角设为x，则0.10/5.882= x/2.44，即（3-5）可见控制器的控制平滑度和精度，都有较大的余量。D/A转换器的接口逻辑如图3-28

60、所示。图3-28 数模转换接口电路DAC7521从8031的8位数据线上获取12位的数据必须分两次进行。为了防止D/A转换书输出会有“毛刺”现象，这里采用了两级缓冲器结构。即8031先把低8位送入第一级缓冲器，然后再送高4位数据时，同时选通第二级的两片74LS373构成的第一级缓冲器，使12位数据同时出现在DAC7521的数据输出线上，进行D/A转换。D/A输出的电流经OP07反相后变为010V的电压信号。3.12 隔离放大器的设计电子电路抗干扰设计的有效方法是利用光电隔离。但是，由于光电隔离器件的电流传输系数是非线性的，直接用来传输模拟量时，非线性失真较大、精度差，我们利用光电耦合器件与运算