基于單片機的加熱爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計硬件設(shè)計（已處理）

1、基于單片機的加熱爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計硬件設(shè)計 基于單片機的加熱爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計目錄236 1. 8031單片機6 2. 溫度測量設(shè)計101112 3. 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計17 3.1 AD574轉(zhuǎn)換器17 3.2 采樣保持器20 4. 鍵盤及顯示的設(shè)計2323 4.2 顯示電路29 4.3 8255A芯片31 5. 報警顯示電路35 6. 譯碼電路38 7D/A轉(zhuǎn)換器4145五. 結(jié)束語48六 .謝辭4949 基于單片機的加熱爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(側(cè)重硬件設(shè)計) 溫度是工業(yè)對象中最主要的被控參數(shù)之一,特別是在冶金,化工,機械各類工業(yè)中,廣泛使用各種加熱爐,熱處理爐,反應(yīng)爐等。由于爐子的種類不同,因此所

2、采用的加熱方法及燃料也不同,如煤氣,天然氣,油,電,等等。但是就其控制系統(tǒng)的本身的動態(tài)特性來說,基本上都屬于一階純滯后環(huán)節(jié),因而在控制算法上基本相同。 隨著電子技術(shù)和微型計算機的迅速發(fā)展,特別是單片機的發(fā)展,微機測量和控制技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。單片機具有處理能力強,運行速度快,功耗低等優(yōu)點,應(yīng)用在溫度測量和控制方面,控制簡單方便,測量范圍廣,精度較高。 實踐證明,控制方法的優(yōu)劣,運行效果的好壞,直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量,能源的消耗,設(shè)備的生產(chǎn)效率。而用微型計算機對爐窯進行控制,無論在提高產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量,節(jié)約能源,還是在改善勞動條件等方面都顯示出無比的優(yōu)越性。特別是單片機對被控對象采樣功

3、能強,體積小,價格低的智能溫度控制裝置進行控制已成為現(xiàn)實。本文將設(shè)計一種基于8031單片機的加熱爐爐溫控制的控制系統(tǒng)。 本文選擇的控制對象是用天然氣加熱的退火爐,天然氣燒嘴為自帶空氣式。退火爐主要用于鋼材的熱處理,以改變鋼材的物理性能。被測參數(shù)主要是溫度,測量范圍為01000。針對加熱爐的上述特點,采用8031單片機作為主機,對其進行智能控制的控溫系統(tǒng)。這種控制方法具有超調(diào)小,調(diào)整時間快,精度高的特點。系統(tǒng)通過硬件電路和軟件程序來實現(xiàn)智能控制。不但資源豐富,易于擴展以太網(wǎng)接口,并且速度快,對于溫度擴展完全能滿足實時性要求。 設(shè)計所開發(fā)的系統(tǒng)由8031為主控芯片構(gòu)成,由檢測與溫度變送電路,A/D

4、轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)采樣電路,鍵盤,顯示接口電路,報警顯示電路,譯碼電路等組成。 被測參數(shù)溫度經(jīng)熱電偶WB測量后轉(zhuǎn)換成毫伏信號,經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成05V電壓信號;再經(jīng)多路開關(guān),把8座退火爐的溫度測量信號分時地送到采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器進行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換;轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng)I/O接口讀入到CPU,在CPU中經(jīng)數(shù)據(jù)處理(數(shù)字濾波、標度變換和數(shù)字控制計算)后,一方面送顯示,并判斷是否有警報,另一方面與給定值進行比較,然后根據(jù)偏差值進行控制計算?？刂破鬏敵鼋?jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成420mA電流信號,以帶動執(zhí)行機構(gòu)動作。當采樣值大于給定值時,把天燃氣閥門關(guān)小,反之將開大閥門,這樣通過改變進入退火爐的天然氣的流量,達到控

5、制溫度的目的。本系統(tǒng)不但可以進行恒溫控制,而且可以通過軟件設(shè)計使其能按著一定的升溫曲線控制。 當系統(tǒng)中某座退火爐發(fā)生底限或超限報警時,將發(fā)出聲光報警信號,提醒操作人員注意,并采取相應(yīng)措施。 以單片機位核心組成的工業(yè)控制,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),種類繁多,用途各異,硬件設(shè)計涉及到多方面接口電路和結(jié)構(gòu),如模擬電路,驅(qū)動電路等。本文設(shè)計的各種芯片的原理,結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方法,是以8031單片機位最小應(yīng)用系統(tǒng)的。 在單片機的應(yīng)用系統(tǒng)中,信號往往有數(shù)字或模擬信號混合存在。這樣,模擬部分與數(shù)字部分的功能分工是硬件設(shè)計的重要內(nèi)容。它涉及到應(yīng)用系統(tǒng)研制的技術(shù)水平和難度。在這種模擬,數(shù)字系統(tǒng)中,模擬電路,數(shù)字邏輯電路功能與計算

6、機的軟件功能分工設(shè)計應(yīng)該協(xié)調(diào)好。 應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點: 1. 要有大量的接口。檢測,控制,驅(qū)動的功能電路,在很大程度上決定了應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)性能,如A/D,D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率,轉(zhuǎn)換速度等。 2. 必須適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境要求:如溫度,濕度及電磁干擾。其傳感器及接口可能采用數(shù)字式或數(shù)字傳感器,以利于減少干擾竄入計算機中和提高測量的精確度。 3. 單片機本身帶有一部分接口電路功能,在實際應(yīng)用中仍需擴展一部分接口。如并行8255A等。擴展的規(guī)模取自于設(shè)計要求,但在設(shè)計時要注意留有充分的余地和擴展空間。 根據(jù)以上基于單片機應(yīng)用設(shè)計該加熱爐爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計要求,該控制系統(tǒng)的硬件是實現(xiàn)溫度控制的基礎(chǔ),溫度控制系

7、統(tǒng)硬件設(shè)計主要內(nèi)容包括溫度測量,A/D轉(zhuǎn)換,單片機系統(tǒng)擴展,鍵盤操作,溫度顯示電路,報警電路,D/A轉(zhuǎn)換電路,I/O設(shè)備等。 整體設(shè)計原理是:被測參數(shù)溫度經(jīng)熱電偶WB測量后轉(zhuǎn)換成毫伏信號,經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成05V電壓信號;再經(jīng)多路開關(guān),把8座退火爐的溫度測量信號分時地送到采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器進行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換;轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng)I/O接口讀入到CPU,在CPU中經(jīng)數(shù)據(jù)處理(數(shù)字濾波、標度變換和數(shù)字控制計算)后,一方面送顯示,并判斷是否有警報,另一方面與給定值進行比較,然后根據(jù)偏差值進行控制計算?？刂破鬏敵鼋?jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成420mA電流信號,以帶動執(zhí)行機構(gòu)動作。當采樣值大于給定值時,把天燃氣

8、閥門關(guān)小,反之將開大閥門,這樣通過改變進入退火爐的天然氣的流量,達到控制溫度的目的。 下圖是其系統(tǒng)方框圖: 退火爐單片機控制系統(tǒng)原理圖 三.硬件電路設(shè)計: 單片機 Single-Chip-Microcomputer又稱微控制器Microcontroller,其實就是一個簡化的微機,將微機的CPU、存儲器、串行工/0接口、并行1/0接口、定時器/計數(shù)器等集成在一片芯片上就是單片機了,單片機雖然只是一個芯片,但無論從組成還是從功能上來看它都具有了微機系統(tǒng)的含義。它主要用來完成各種控制功能。相對微機來說,單片機價格很低,非常適用于簡單的控制場合以降低成本。另外,單片機是按照工業(yè)控制要求設(shè)計的,其可靠

9、性很高,可以在工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境下運行。單片機依靠其可靠性和極高的性價比,在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、智能化儀表、家用電器等方面得到了單片機應(yīng)用在檢測、控制領(lǐng)域中具有如下特點: 1 小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化。能組成各種智能式測控設(shè)備及智能儀器儀表。 2 可靠性好,應(yīng)用范圍廣。單片機芯片本身是按工業(yè)控制環(huán)境設(shè)計的,抗干擾能力強,能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境,這是其他機種無法比擬的。 3 易擴展,很容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng),控制功能強。單片機的邏輯控制功能很強,指令系統(tǒng)有各種控制功能指令,可以對邏輯功能比較復(fù)雜的系統(tǒng)進行控制。 4 具有通訊功能,可以很方便地實現(xiàn)多機和分布式控制,形成控制網(wǎng)絡(luò)和遠程控制。

10、單片機以其高可靠性、高性能價格比、控制方便簡單和靈活性大等優(yōu)點,在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀器儀表等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用單片機進行爐溫控制,可以提高控制質(zhì)量和自動化水平。 8031單片機的引腳及功能 8031是INTEL公司70年代末發(fā)展的高性能8位單片機,8031內(nèi)部有128KBRAM,2個16位定時/計數(shù)器,5個可屏蔽的中斷源,帶有32個并行I/O口,1個串行I/O口。此外8031的片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的尋址空間都為64KB,且可完全重疊,均為0000H?FFFFH,這在絕大多數(shù)工業(yè)控制場所都能滿足要求。(1)電源引腳Vcc和Vss Vcc(40腳):接+5V電壓。 Vss(20腳

11、):接地。(2)外接晶體引腳XTAL1和XTAL2(共兩根)XTAL1(19腳)和XTAL2(18腳)引腳接外部振蕩器的信號,即把外部振蕩器的信號直接連到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。(3)控制和復(fù)位引腳ALE、/PSEN、/EA和RST(共四根)ALE (30腳):當訪問外部存儲器時,ALE(允許地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器,ALE端仍以不變得頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號,此頻率為振蕩器頻率的1/6。它可用作對外輸出的時鐘,或用于定時。需要注意的是,每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時,將跳過一個ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動(吸收或輸出電流)8個TTL門電路。 /PSEN(29腳

12、):此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取出指令(或常數(shù))期間,每個機器周期兩次/PSEN有效。但在此期間,每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時,這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/PSEN同樣可以驅(qū)動8個TTL門電路。 /EA(31腳):當/EA端保持高電平時,訪問內(nèi)部程序存儲器,但在PC(程序計數(shù)器)值超過片內(nèi)程序存儲器容量時,將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器。當/EA保持低電平時,則只訪問外部程序存儲器,不管是否有內(nèi)部程序存儲器。對于常用的8031來說,無內(nèi)部程序存儲器,所以/EA腳必須常接地這樣才能選擇外部程序存儲器。單片機只在復(fù)位期間采樣/EA腳的電平,復(fù)位結(jié)束以后/EA腳的

13、電平對程序存儲器的訪問沒有影響。 RST(9腳):當振蕩器運行時,在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。建議在此引腳與Vss引腳之間連接一個約8.2千歐的下拉電阻,與Vcc引腳之間連接一個約10uF的電容,以保證可靠復(fù)位。(4)輸入/輸出(I/O)引腳P0、P1、P2、P3 (共32根)P0口(32腳?39腳):是雙向8位三態(tài)I/O口,在外接存儲器時,與地址總線的低8位及數(shù)據(jù)總線復(fù)用,能以吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL負載。 P1口(1腳?8腳):是8位準雙向I/O口。由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài),輸入也不能鎖存 ,故不是真正的雙向I/O口。P1口能驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL負

14、載。 P2口(21腳?28腳):是8位準雙向I/O口。在訪問外部存儲器時,它可以作為高8位地址總線送出高8位地址。P2口可以驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL負載。 P3口(10腳?17腳):是8位準雙向I/O口,在MCS-51中,這8個引腳除用于普通輸入、輸出外,還可用于專門功能,它是一個復(fù)用雙功能口。P3能驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL負載。P3口作為第一功能使用時,即作為普通I/O口用,功能和操作方法與P1口相同。作為第二功能使用時,各引腳的定義如下表所示。值得強調(diào)的是,P3 口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。表1 P3口第二功能引腳第二功能P3.0RXD(串行口

15、輸入端)P3.1TXD(串行口輸出端)P3.2/INT0(外部中斷0 請求輸入端,低電平有效)P3.3/INT1(外部中斷1 請求輸入端,低電平有效)P3.4T0(定時器/計數(shù)器0計數(shù)脈沖輸入端)P3.5T(定時器/計數(shù)器1計數(shù)脈沖輸入端)P3.6/WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端,低電平有效)P3.7/RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端,低電平有效)2溫度測量 因為退火爐的溫度測溫范圍是0 1000攝氏度,所以根據(jù)設(shè)計要求檢測原件選用鎳鉻-鎳鋁熱電偶(分度號為K),對其輸出信號為041.2643毫伏。溫度變送器選用現(xiàn)成的集成一體化變送器,在01000攝氏度時對應(yīng)輸出為05伏。2.1.

16、檢測原件 K型熱電偶,熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點是:測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸,不受中間介質(zhì)的影響。測量范圍廣。常用的熱電偶從-50+1600均可邊續(xù)測量,某些特殊熱電偶最低可測到-269(如金鐵鎳鉻),最高可達+2800(如鎢-錸)。構(gòu)造簡單,使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成,而且不受大小和開頭的限制,外有保護套管,用起來非常方便。2.1.1 熱電偶測溫基本原理 K型熱電偶是以鎳鉻合金為正極,鎳硅合金為負極的兩導(dǎo)體的一端焊接而成的。這兩根導(dǎo)體的焊接端稱為K型熱電偶的熱電極,其焊接端為熱端,非焊接端為冷端。在進行溫度測量時,將熱電偶插入被測的物體介質(zhì)

17、中,使其熱端感受到被測介質(zhì)的溫度,其冷端置于恒定的溫度下,并用連接導(dǎo)線連接電氣測量儀表。由于熱電偶兩端所處的溫度不同,在熱電偶回路中就會產(chǎn)生熱電勢,在保持熱電偶冷端溫度不變的情況下,熱電偶產(chǎn)生的熱電勢只隨其熱端溫度而變化,因此,用電氣測量儀表測得熱電勢的數(shù)值后,便可求出對應(yīng)的溫度數(shù)值。 表 溫度/數(shù)字對照表溫度/01002003004005006007008009001010A/D輸出/H0001913224B364E7F0991B33CCDE56FFF2.2 溫度變送器1引言 信息技術(shù)的飛速發(fā)展,引起了自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革,逐步形成了以網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線就是順應(yīng)

18、這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)?，F(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場,在微機化測量控制設(shè)備(稱為現(xiàn)場總線儀表)之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信系統(tǒng),也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò),它在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。 目前,在國內(nèi)可購到的FF(現(xiàn)場總線基金會)現(xiàn)場總線儀表有:羅斯蒙特公司的FF3051壓力(壓差)變送器、FF3244MV溫度變送器、FFDVC50000智能閥門;Smart公司的FFLD302壓力(壓差)變送器、FFTT302溫度變送器、FFFP302現(xiàn)場總線到氣壓轉(zhuǎn)換器。本文從工程應(yīng)用出發(fā),對FFTT302溫度變送器的原理和應(yīng)用加以介紹,以供自動

19、化人員參考。 2原理 2.2.1功能與特性 TT302是一種將溫度、溫差、毫伏等工業(yè)過程參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)場總線數(shù)字信號的變送器,它還具有控制功能,起到了基地式(現(xiàn)場)儀表的作用。 TT302測量溫度配用RTD(熱電阻)或熱電偶,但也可配用其他具有電阻或毫伏輸出的傳感器,諸如高溫計、負荷傳感器、電阻或位置指示器等。TT302采用數(shù)字技術(shù)后能實現(xiàn)下列性能:單一的型號能接受多種傳感器、寬量程范圍、單值或差值測量;在現(xiàn)場和控制室之間接口容易,可大大減少安裝和維護費用,能接受二路輸入,也就是說有兩個測量點,準確度為0.02%。 TT302溫度變送器內(nèi)裝AI(模擬輸入)、PID(比例加積分加微分控制)、ISS

20、(輸入選擇)、CHAR(線性化)和ARTH(計算)等5種功能模塊。它們具有可由用戶組態(tài)的基本功能,各種功能模塊都有輸入、輸出,并裝有參數(shù)和一個算法。各功能模塊用一個標識符來表示,功能模塊的輸入、輸出等能用其他儀表從總線上讀出,它們之間也能互相連接,其他儀表也能寫入模塊的輸入。TT302與其他現(xiàn)場總線儀表互連構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。用戶可通過功能模塊的連接建立適合控制應(yīng)用所需的控制策略。 2.2.2、硬件構(gòu)成原理 由TT302輸入板、主電路板和顯示板組成。TT302接受來自熱電偶(TC)、mV發(fā)生器、熱電阻(ohm)傳感器的信號,這些輸入信號必須在規(guī)定范圍內(nèi)。電壓規(guī)定范圍為50500mV,電阻的規(guī)

21、定范圍為0200W。量程可以組態(tài)。 輸入板 MUX為多路轉(zhuǎn)換器,它的作用是確保傳感器端子到信號調(diào)理板接收的電壓信號是正確的端子間電壓。 信號調(diào)理板的功能是給輸入信號乘上一個正確的增益以適合A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換器的信號接收范圍。 電源隔離和信號隔離的作用是防止輸入信號與地形成地環(huán)電流而引入干擾。來自主電路板CPU的控制信號和來自A/D轉(zhuǎn)換器的信號通過光電耦合器傳輸,從而實現(xiàn)了信號電的隔離。同樣,輸入板上的電源也必須是隔離的,電源隔離是采用把直流轉(zhuǎn)換為一高頻交流,并使用變壓器分隔電的聯(lián)系來實現(xiàn)的。 主電路板 中央處理器CPU是TT302的核心部件,它控制著整個儀表各個部件的協(xié)調(diào)工作、線性化和通信。

22、系統(tǒng)程序存貯于CPU外部的只讀存貯器PROM,運算數(shù)據(jù)暫存貯于RAM,如果電源開關(guān)斷開,RAM中的數(shù)據(jù)就會丟失。然而,CPU內(nèi)還有一個非易失性存貯器EEPROM,當電源開關(guān)斷開時,這里的數(shù)據(jù)仍保留。因此,一些重要的標定、組態(tài)和辨識等應(yīng)用程序都存貯在這里。主電路板上的EEPROM存貯器用來存貯組態(tài)參數(shù)(指功能模塊的參數(shù))。 CPU與信號整形之間是通信控制器,此控制器用來監(jiān)視現(xiàn)場總線上的占空系數(shù)(或情況),調(diào)制和解調(diào)通信信號,引入和刪除數(shù)字信號中開始和結(jié)束的定界符。 本機調(diào)整為兩個干簧管(也稱磁性開關(guān))1。在本機調(diào)整時,不用打開儀表的端蓋,即在儀表的電路全部被密封的情況下,利用磁棒的置入與置出就可

23、觸發(fā)TT302內(nèi)的磁開關(guān),進行儀表的組態(tài)和調(diào)整,從而使現(xiàn)場儀表內(nèi)的電子元件不與現(xiàn)場的惡劣環(huán)境直接接觸,大大延長了電子元件的使用壽命,也使儀表適應(yīng)惡劣環(huán)境的性能得到提高。 TT302是由現(xiàn)場總線供電的,供電電壓為932VDC。在供電的同時,儀表的輸入-輸出的數(shù)字信號也由現(xiàn)場總線傳輸,與二線制模擬變送器相近,但現(xiàn)場總線中的數(shù)字信號是雙向的,而且傳輸?shù)氖嵌鄠€信號。信號規(guī)程符合IEC-1158-2,本安,隔爆。 顯示板 顯示板是一個從CPU接收數(shù)據(jù)的微功耗液晶顯示器,它為四位半數(shù)字值和五位字母的LCD(液晶顯示器)。 (3)應(yīng)用 目前,在中國已有十幾家工業(yè)企業(yè)選用了Smart公司的302現(xiàn)場總線控制系

24、統(tǒng)。安慶石化腈綸廠是國內(nèi)率先采用Smart302現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的廠家,其現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)應(yīng)用示意圖如圖2所示。 PCI為過程控制接口卡,它通過卡上的OPRAM(雙口RAM)與PC機CPU進行快速信息交換,從而實現(xiàn)PC機與所有現(xiàn)場總線儀表間的信息交換,而PC機的CPU主要從事管理工作。每塊卡可接4個相互獨立的通道,每個通道下可掛接4塊總線安全柵(SB302)。 總線安全柵除了起總線安全隔離作用外,還起總線供電和總線重復(fù)器(放大器)作用。 LD302是一種將差壓、絕壓、差壓、液位和流量等工業(yè)過程參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)場總線數(shù)字信號的變送器,它還具有控制功能,起到了基地式儀表的作用。 TT302可就地實現(xiàn)溫

25、度的自動控制,同時把溫度信號通過現(xiàn)場總線傳送給操作站。 FI302是把現(xiàn)場總線數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為420mADC電流信號的轉(zhuǎn)換器,IF302是把420mA DC電流信號轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場總線數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換器。這兩個轉(zhuǎn)換器可使現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與常規(guī)模擬控制系統(tǒng)相連。 操作站采用普通工控機及AI-WIN人機界面軟件。 雙向的全數(shù)字通信總線從控制室的操作站一直延伸到現(xiàn)場儀表,中間節(jié)省了很多A/D、D/A等環(huán)節(jié),既可提高系統(tǒng)的精度,又可減少I/O卡及其安裝空間,因而可以大大減少運行和維護方面的費用。在安全可靠性方面,由于控制功能下放在各處的現(xiàn)場總線儀表內(nèi),從而將危險分散,大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 溫度顯示程序:SW

26、 EQU 33HBW EQU 34HGW EQU 35HORG 0000HLJMP MAINORG 0030H MAIN:CLR P1.4MOV R0,#100MOV R1,#8MOV R2,#00MOV R3,#00MOV R4,#04MOV R5,#04MOV GW,#0AHMAIN1:MOVX DPTR,AJB P3.2,$MOVX A,DPTRCLR CADD A,R2MOV R2,ACLR ARLC AADD A,R3MOV R3,ADJNZ R1,MAIN1MOV A,R2LCALL ZH1LCALL ZHMAIN2:LCALL LOP1DJNZ R0,MAIN2LJMP MAIN

27、ZH1:CLR C RRC A DJNZ R4,ZH1 MOV R2,A MOV A,R3ZH2:CLR C RLC A DJNZ R5,ZH2 ORL A,R2 RET ZH:MOV B,#10 DIV AB MOV R5,B MOV B,#16 MUL AB ADD A,R5 DA A PUSH A ANL A,#0FH MOV SW,A POP A SWAP A ANL A,#0FH MOV BW,A RET LOP1:CLR P2.5MOV A,GWMOV DPTR,#TABMOVC A,A+DPTRMOV DPTR,#0EFFFHMOVX DPTR,ASETB P2.1CLR P2.

28、3LCALL LEYMOV A,SWMOV DPTR,#TABMOVC A,A+DPTRMOV DPTR,#0EFFFHMOVX DPTR,ASETB P2.3CLR P2.2LCALL LEYMOV A,BWMOV DPTR,#TABMOVC A,A+DPTRMOV DPTR,#0EFFFHMOVX DPTR,ASETB P2.2CLR P2.1LCALL LEYret TAB:DB 0C0H 0F9H 0A4H 0B0H 099H 092H 082H 0F8H 080H 090H 0C6H LEY:MOV R6,#10LOOP5:MOV R7,#250LOOP6:DJNZ R7,LOOP6

29、DJNZ R6,LOOP5RET 3.1 本系統(tǒng)采用AD574,12位A/D轉(zhuǎn)換器。 (1)A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理: 其原理圖如下: AD574是具有三態(tài)輸出的緩沖器,可與8位或16位微處理器直接連接的12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片。AD574A它由高精度的12位D/A,基準參考電壓,時鐘,逐次逼近寄存器,控制邏輯和三態(tài)緩沖器等組成。其轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)端可直接同8位或16位微機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線連接,控制端同TTL或CMOS電平兼容。允許對輸入的+5V等信號進行轉(zhuǎn)換,輸出可為單極性二進制碼或雙極性偏移二進制碼。 其主要功能特性如下: 分辨率:12位 非線性誤差:小于1/2LBS或1LBS 轉(zhuǎn)換速率:2

30、5us 模擬電壓輸入范圍:0?10V和0?20V,0?5V和0?10V兩檔四種 電源電壓:15V和5V 數(shù)據(jù)輸出格式:12位/8位 芯片工作模式:全速工作模式和單一工作模式 AD574的引腳說明: : 1.?Pin1+V?+5V電源輸入端。2.?Pin2?數(shù)據(jù)模式選擇端,通過此引腳可選擇數(shù)據(jù)縱線是12位或8位輸出。3.?Pin3?片選端。4.?Pin4A0?字節(jié)地址短周期控制端。與端用來控制啟動轉(zhuǎn)換的方式和數(shù)據(jù)輸出格式。須注意的是,端TTL電平不能直接+5V或0V連接。5.?Pin5?讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)控制端。6.?Pin6CE?使能端。7.?Pin7V+?正電源輸入端,輸入+15V電源。 8.?Pi

31、n8REF OUT?10V基準電源電壓輸出端。9.?Pin9AGND?模擬地端。10.?Pin10REF IN?基準電源電壓輸入端。?11.?PinV-?負電源輸入端,輸入-15V電源。12.?Pin1V+?正電源輸入端,輸入+15V電源。13.?Pin1310V IN?10V量程模擬電壓輸入端。14.?Pin1420V IN?20V量程模擬電壓輸入端。15.?Pin15DGND?數(shù)字地端。 16.?Pin16?Pin27DB0?DB11?12條數(shù)據(jù)總線。通過這12條數(shù)據(jù)總線向外輸出A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。17.?Pin28STS?工作狀態(tài)指示信號端,當STS1時,表示轉(zhuǎn)換器正處于轉(zhuǎn)換狀態(tài),當STS0

32、時,聲明A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束,通過此信號可以判別A/D轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài),作為單片機的中斷或查詢信號之用。 現(xiàn)在我們來討論AD574A的CE、和A0對其工作狀態(tài)的控制過程。在CE1、0同時滿足時,AD574A才會正常工作,在AD574處于工作狀態(tài)時,當0時A/D轉(zhuǎn)換,當1是進行數(shù)據(jù)讀出。和A0端用來控制啟動轉(zhuǎn)換的方式和數(shù)據(jù)輸出格式。A0-0時,啟動的是按完整12位數(shù)據(jù)方式進行的。當A01時,按8位A/D轉(zhuǎn)換方式進行。當1,也即當AD574A處于數(shù)據(jù)狀態(tài)時,A0和控制數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)的格式。當1時,數(shù)據(jù)以12位并行輸出,當0時,數(shù)據(jù)以8位分兩次輸出。而當A00時,輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高8位,A01時輸出A/D轉(zhuǎn)換

33、數(shù)據(jù)的低4位,這四位占一個字節(jié)的高半字節(jié),低半字節(jié)補零。 AD574A的工作模式:以上我們所述的是AD574A的全控狀態(tài),如果需AD574A工作于單一模式,只需將CE、端接至+5V電源端,和A0接至0V,僅用端來控制A/D轉(zhuǎn)換的啟動和數(shù)據(jù)輸出。當0時,啟動A/D轉(zhuǎn)換器,經(jīng)25us后STS1,表明A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束,此時將置1,即可從數(shù)據(jù)端讀取數(shù)據(jù)。 AD574A控制端標志意義 CEA0工作狀態(tài)0XXXX禁止x1XXX禁止100X0啟動12位轉(zhuǎn)換100X1啟動8位轉(zhuǎn)換101接+5VX12位并行輸出有效101接0V0高8位并行輸出有效101接0V1低4位并行輸出有效 A/D轉(zhuǎn)換器與8031的接口電路如

34、圖 3-4-6所示。3.2 采樣保持 采樣保持器又稱為采樣保持放大器(SHA),它是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的基本部件之一。采樣保持器的作用是:在采樣期間,其輸出能跟隨輸入的變化而變化;而在保持狀態(tài),能使其輸出值保持不變。如圖 3-4-2 采樣/保持原理,在時刻前,處于采樣狀態(tài),此刻K為閉合狀態(tài),輸出信號V0跟輸入Vi保持同步變化;而在時間,K斷開,此刻處于保持狀態(tài)(如圖 3-4-3 采樣/保持原理電路),輸出電壓恒值保持在不變;而在時刻,保持結(jié)束,新一個采樣時刻到來,此時相當于K重新閉合,V0又隨Vi同步變化,直至?xí)r刻,新的保持信號到來,K斷開,V0保持A1的電位不變。 因此,利用采樣/保持器,在啟動

35、A/D變換時,保持住輸入信號,從而可避免A/D轉(zhuǎn)換孔徑時間(在采樣保持器中,由于模擬開關(guān)有一定的動作滯后,從保持命令發(fā)出到模擬開關(guān)斷開的時間叫孔徑時間,它會導(dǎo)致A/D采樣時間被延遲。)帶來轉(zhuǎn)換誤差;在進行多路信號瞬態(tài)采集時,可利用多個采樣保持器并聯(lián),在同一時刻發(fā)出一個保持信號,則能得到某一瞬時各路信號的瞬態(tài)值,然后再分時對各路保持信號進行轉(zhuǎn)換,得到所需的值。 采樣保持原理圖 圖采樣保持原理電路 它由模擬開關(guān)K,保持電容Ch和緩沖器A1和A2構(gòu)成。高輸入阻抗輸入放大器A1對輸入信號起緩沖作用,輸出用于對Ch充電。由上述討論知為保證量化精度,當ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出時,取樣保持Ch端電

36、壓應(yīng)該保持不變,所以輸出放大器A2必須為高輸入阻抗放大器。3.2.2 采樣放大器主要指標 由于SHA和外接Ch為非理想器件,使實際SHA在信號采樣和信號保持這兩個狀態(tài)的過度過程中,產(chǎn)生了信號采樣幅值的誤差和信號的時延。其指標如下:捕捉時間:捕捉時間是從采樣保持器接收到采樣命令開始,到輸出從保持信號幅值跟蹤為當前輸入信號幅值所需要的時間,它同模擬開關(guān)從截止到導(dǎo)通的延時,放大器的延時,輸入信號的幅度變化以及容許的逼近誤差有關(guān)。捕捉時間影響采樣頻率的提高,它和轉(zhuǎn)換精度無關(guān)?？讖綍r間:孔徑時間是指采樣保持器在接受到系統(tǒng)輸出的保持命令,由于模擬開關(guān)從導(dǎo)通轉(zhuǎn)截止所存在的延時,導(dǎo)致采樣保持器的輸出仍繼續(xù)跟蹤

37、輸入信號的變化,因此采樣保持器在穩(wěn)態(tài)時的輸出已不是接收到保持命令時輸入信號的瞬時幅值。保持溫度時間:保持穩(wěn)定時間是從模擬開關(guān)完全截止到SHA輸出不超過指定誤差所需要的時間,通常是指從保持命令發(fā)出到輸出最終值在某一誤差范圍內(nèi)所需要的時間。保持階躍:保持階躍是開關(guān)電路從采樣方式轉(zhuǎn)為保持方式時,輸出電壓產(chǎn)生的階躍幅值。4. 鍵盤/顯示電 為了使操作人路員能夠隨時掌握每個爐子的溫度變化情況,設(shè)計了四個LED顯示器。第一位為通道號,第二至四位用來顯示溫度,最大為999攝氏度。根據(jù)系統(tǒng)的需要 ,顯示方法設(shè)計有兩種方式。 自動循環(huán)顯示在這種方式下,計算機可以自動地把采樣的1號到8號退火爐的溫度進行顯示,同時

38、顯示通道號。定點顯示即操作人員可以隨時任意查看某一退火爐的溫度,并且兩種顯示方式可以任意切換。 圖矩陣式鍵盤接口電路 (1)鍵盤的結(jié)構(gòu)與類型 鍵盤是一組按鍵的集合。按鍵是一種按壓式或觸摸式常開型按鈕開關(guān)。平時(常態(tài))按鍵的兩個觸點處于斷開狀態(tài) ,當按壓或觸摸按鍵時兩個觸點才處于閉合連通狀態(tài)。 按鍵閉合時能向微機輸入數(shù)字(0?9或0-F)的鍵稱為數(shù)字鍵,能向微機輸入命令以實現(xiàn)某項功能的鍵稱為功能鍵或命令鍵。鍵盤上的按鍵是按一定順序排列在一起的,每個按鍵都有各自的命令。為了便于CPU區(qū)分各個按鍵,必須給鍵盤上的每個按鍵賦以一個獨有的編號,按鍵的編號或編碼稱為鍵號或鍵值。CPU知道了按鍵的鍵號或鍵值

39、,就能區(qū)分這個鍵是數(shù)字鍵還是功能鍵。如果是數(shù)字鍵,就直接將該鍵值送到顯示緩沖區(qū)進行顯示,如果是功能鍵則由該鍵值找到執(zhí)行該鍵功能的程序的入口地址,并轉(zhuǎn)去運行該程序即執(zhí)行該鍵的命令。因此,確定按鍵的鍵值是執(zhí)行該鍵功能的前提。 鍵盤接口與鍵盤程序的根本任務(wù)就是要檢測有沒有鍵按下?按下的是哪個位置的鍵?這個鍵的鍵值是多少?這個任務(wù)叫做鍵盤掃描。鍵盤掃描可以用硬件來實現(xiàn),也可以用軟件來實現(xiàn)。帶有鍵盤掃描硬件電路的鍵盤稱為編碼鍵盤,不帶鍵盤掃描硬件電路的鍵盤稱為非編碼鍵盤,非編碼鍵盤的掃描靠軟件實現(xiàn)。為了節(jié)省成本起見,一般的微機化測控系統(tǒng)多采用非編碼鍵盤。 為了能讓CPU監(jiān)測按鍵是否閉合,通常將按鍵開關(guān)的

40、一個觸點通過一個電阻(稱上拉電阻)接+5V電源(這個觸點稱“接零端”),另一個觸點接地或接低電平(這個觸點稱“接零端” ),這樣當按鍵開關(guān)未閉合時,其測試端為高電平,當按鍵開關(guān)閉合時,其測試端便為低電平。(1)鍵盤是微機系統(tǒng)最常使用的輸入設(shè)備(2)小鍵盤:適用于單板機或以微處理器為基礎(chǔ)的儀器,實現(xiàn)數(shù)據(jù)、地址、命令及指令等的輸入(3)獨立鍵盤:通過5芯電纜與PC微機主機連接鍵盤的工作方式 微機化測控系統(tǒng)中,鍵盤掃描只是CPU的工作內(nèi)容之一。CPU在忙于各項工作任務(wù)時如何兼顧鍵盤的輸入,取決于鍵盤的工作方式,通常鍵盤的工作方式有以下三種可供選擇。1)編程掃描工作方式 編程掃描工作方式也稱程控掃描方

41、式或查詢方式,它是利用CPU在完成其它工作的空余,調(diào)用鍵盤掃描程序,反復(fù)地掃描鍵盤,等待用戶從鍵盤上輸入數(shù)據(jù)或命令。而在執(zhí)行鍵輸入命令或處理鍵輸入數(shù)據(jù)的過程中,CPU將不再響應(yīng)鍵輸入要求,直到CPU返回重新掃描鍵盤為止。 2)定時掃描方式 定時掃描工作方式是利用單片機內(nèi)部定時器產(chǎn)生定時中斷(例如10ms),CPU響應(yīng)中斷后對鍵盤進行掃描,并在有鍵按下時識別出該鍵并執(zhí)行相應(yīng)鍵功能程序。定時掃描工作方式的鍵盤硬件電路與編程掃描工作方式相同。中斷工作方式 鍵盤工作于編程掃描狀態(tài)時,CPU要不間斷地對鍵盤進行掃描,以監(jiān)視鍵盤的輸入情況,直到有鍵按下為止,其間CPU不能干任何其它工作。如果CPU工作量較

42、大,這種方式將不能適應(yīng)。定時掃描進了一大步,除了定時監(jiān)視一下鍵盤輸入情況外,其余時間可進行其它任務(wù)的處理,因此,CPU效率提高了。為了進一步提高CPU的工作效率,可采用中斷掃描工作方式,即只有在鍵盤有鍵按下時,才執(zhí)行鍵盤掃描并執(zhí)行該按鍵功能程序。如果無鍵按下,CPU將不理睬鍵盤?？梢哉f,前兩種掃描方式,CPU對鍵盤的監(jiān)視是主動進行的,而后一種掃描方式,CPU對鍵盤的監(jiān)視是被動進行的。4按鍵輸入軟件中應(yīng)該解決的幾個問題幾個問題 1消除鍵抖動 目前,無論是按鍵或是鍵盤,大部分都是利用機械觸點的合、斷作用。機械觸點由于彈性作用的影響,在閉合及斷開瞬間均有抖動過程,從而使電壓信號也出現(xiàn)抖動。這種抖動的

43、暫態(tài)過程大約經(jīng)過5-10ms的時間,雖然人的肉眼是覺察不到的,但對高速的CPU是有反映的,可能產(chǎn)生誤處理,為了保證鍵動作一次,只作一次處理,必須采取措施以消除抖動。軟件消除抖動是通過延時來躲過暫態(tài)抖動過程,執(zhí)行一段大于IOms的延時程序后,再讀取穩(wěn)定的鍵狀態(tài)。 2 按鍵編碼方法 按鍵都要通過1/O口線查詢按鍵的開關(guān)狀態(tài)。根據(jù)鍵盤的結(jié)構(gòu)不同,采用不同的編碼方法。但無論有無編碼,以及采用什么樣的編碼,最后都要轉(zhuǎn)換成為與單片機的累加器中的數(shù)值相對應(yīng)的鍵值,以實現(xiàn)按鍵功能程序的散裝。鍵盤編碼主要有兩種方法。 用鍵盤連接的1/O口線的二進制組合表示鍵碼。這種鍵值編碼軟件較為簡單直觀,但離散性大,不利于安

44、排散轉(zhuǎn)程序的入口地址。 順序排列鍵編碼。這種方法,健值的形成要根據(jù)1/O口線的狀態(tài)作出相應(yīng)的處理。鍵碼可以按下式形成:鍵碼行首鍵碼十列號。 由于軟件消除鍵抖動簡單,而且成本較低。順序排列鍵編碼比較好管理,而編程也比較容易實現(xiàn)。所以本文在鍵盤掃描程序中采用的是軟件延時和順序排列鍵編碼的方法來分別去掉按鍵抖動和對按鍵進行編碼。 3按鍵檢測方法 單片機系統(tǒng)中,檢測有無按鍵按下可采用查詢工作方式、定時掃描工作方式和中斷工作方式。定時掃描工作方式是利用單片機內(nèi)部定時器產(chǎn)生定時中斷,CPU 響應(yīng)中斷后對鍵盤進行掃描,再檢測是哪個鍵按下。中斷工作方式是當有按鍵按下時,向CPU發(fā)送一個中斷中斷請求信號,CPU

45、響應(yīng)中斷后,在中斷服務(wù)程序中掃描鍵盤,執(zhí)行功能程序。本文采用的是查詢的方法來檢測鍵盤有無按鍵按下以及檢測是哪個鍵按下,從而編出4*4的鍵盤掃描程序。 采用中斷工作方式與采用編程掃描和定時掃描兩種方式在接口電路上的區(qū)別是:各條鍵入線除了與CPU的輸入口相連外,還要經(jīng)與門同CPU的中斷口相接。通過以上敘述,在本設(shè)計中,我們選擇4*4矩陣式鍵盤。為了完成系統(tǒng)操作,該系統(tǒng)專門設(shè)計了一個4乘4矩陣鍵盤,其中09為數(shù)字鍵,AF為功能鍵。鍵盤的主要功能是完成參數(shù)設(shè)置,自動/手工選擇及系統(tǒng)的啟動和停止。 鍵盤輸入的功能主要包括設(shè)定溫度、在led顯示中進行顯示實際溫度和顯示工作時間這兩者循環(huán)顯示的時候進行選擇。

46、同時考慮避免誤操作而引起的設(shè)定溫度的改變,所以系統(tǒng)專門增加一個確定鍵。因此該系統(tǒng)具有4個按鍵:模式選擇、增加按鈕、減少按鈕及確定按鈕。電路如下圖所示。圖 鍵盤輸入電路 4乘4鍵盤程序:ORG 0000HLJMP MAINORG 0020HMAIN:MOV R0,#30HMOV 30H,#0MOV 31H,#0MOV 32H,#0MOV 40H,#10LCALL DISP;*檢查是否有按鍵按下* JS:MOV P0,#0FHMOV P0,AANL A,#0FHCJNE A,#0FH,KEYLJMP MAIN;*消除抖動*KEY:LCALL DL0 MOV A,P0 ANL A,#0FH MOV

47、B,A CJNE A,#0FH,KEY1 LJMP JS;*確定哪個鍵按下*KEY1:MOV P0,#0F0HMOV A,P0ANL A,#0F0HORL A,BLOOP1:CJNE A,#7DH,LOOP2 ;鍵2 MOV 30H,#1 MOV 31H,#2 MOV 32H,#3 AA:LCALL DISP DJNZ 40H,AA LJMP MAINLOOP2:CJNE A,#77H,JS ;鍵F1LIGHT:MOV P1,A LCALL DELAAA: LCALL DISP DJNZ 40H,AAA LJMP MAIN;*顯示程序*DISP:MOV DPTR,#TABLEMOV A,30HMOVC A,A+;1毫秒延時程序DL0:MOV R6,#14HDL1:MOV R7,#19HDL2:DJNZ R7,DL2 DJNZ R6,DL1 RETTABLE: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H ,0C6HDEL:MOV R6,#10 D2:MOV R7,#50 D1:DJNZ R7,D1 DJNZ R6,D2 RET END 4.2 顯示電路 (1)顯示電路采用兩個4位LED顯示數(shù)碼管,共陰極接法,(第1個數(shù)碼管