工業(yè)加熱爐溫度控制專業(yè)系統(tǒng)設計樣本(共79頁)

1、工業(yè)加熱爐溫度控制專業(yè)系統(tǒng)設計0引 言在科學技術日新月異的今天，工藝精度、產品質量的提高對于工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)的要求日益增強。對工業(yè)加熱爐的工作進行監(jiān)視及報警，溫度值是加熱爐隨著加熱的需要隨時變化進行控制的重要參數。但目前國內絕大多數工業(yè)還是采用加濕機等設備通過人工來控制加熱爐的溫度，很難達到最佳控制效果的，同時也無法進行溫度數據的自動記錄與時事管理。因此，工業(yè)加熱爐的溫度自動控制系統(tǒng)取代人工完成成為了一種刻不容緩的需要，工業(yè)加熱爐的溫度自動控制系統(tǒng)也是在這種需求的驅動下被開發(fā)和實現的，并且達到了溫度控制、聲音報警的要求。由于工業(yè)加熱爐的溫度控制系統(tǒng)和報警自動監(jiān)控器系統(tǒng)均采用電能作能源，因

2、而可以通過對輸入功率的控制，達到對溫度、聲音報警的控制。利用簡單的單片機芯片組實現系統(tǒng)的控制功能，能夠實現并滿足系統(tǒng)的需要，又在經濟上節(jié)約了支出，避免了系統(tǒng)小功能浪費的現象。經過深入調查和認真分析本系統(tǒng)是一個二級計算機測控系統(tǒng)?，F場計算機承擔各個加熱爐的溫度實時檢測與控制以及報警監(jiān)視和報警的任務?？刂浦行奈挥谥醒肟刂剖?，負責對現場計算機的工作進行管理，完成實時數據收集、顯示系統(tǒng)、打印報表以及對現場計算機的工作狀態(tài)和溫度給定值的設置等工作。位于車間的工作人員值班室的值班機上，平時作為電子表運行。當報警發(fā)生時，值班機能以聲、顯示數據等報警形勢指示出報警的加熱爐。且當控制總臺關機時，值班機能自動上升

3、為主機代替上位機接管通訊系統(tǒng)向控制器發(fā)出報警查詢控制字。由于單片機的使用，現場計算機的任務也由單片機控制系統(tǒng)的人機接口部分來完成，再通過模數轉換通道部分實現對系統(tǒng)的精確控制，最后采用8051單片機為主處理芯片實現對系統(tǒng)進行控制處理。1 工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng) 溫度控制系統(tǒng)簡介 選題的背景溫度是工業(yè)生產中常見的工藝參數之一，任何物理變化和化學反應過程都與溫度密切相關，因此溫度控制是生產自動化的重要任務。對于不同生產情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式、燃料、控制方案也有所不同。例如冶金、機械、食品、化工等各類工業(yè)生產中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等

4、；控制方案有直接數字控制（DDC）、推斷控制、預測控制、模糊控制、專家控制、魯棒控制、推理控制等。溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。隨著電子技術和微型計算機的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。單片機具有處理能強、運行速度快、功耗低等優(yōu)點，并且控制簡單方便、測量范圍廣、精度較高。工業(yè)加熱爐的特點有：1） 爐熱慣性大2） 溫度變化遲緩3） 滯后情況嚴重4） 時變性所以當其溫度一旦超調就無法用控制手段使其降溫，因而很難用數學方法建立精確的模型和確定參數，應用傳統(tǒng)的控制理論和方法難以達到理想的控制效果，所

5、以這就迫切要求我們的工業(yè)加熱爐的溫度控制技術得到提高。 選題的意義隨著集成電路技術的發(fā)展，單片微型計算機的功能也不斷增強，許多高性能的新型機種不斷涌現出來。單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點，稱為自動化和各個測控領域中廣泛應用的器件，在工業(yè)生產中稱為必不可少的器件，尤其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機更是起到了不可替代的核心作用。同樣我們在這次設計中也利用了計算機軟件的作用。在第二章將詳細介紹硬件的選擇和特性，在第三章里將介紹控制器的設計的原理，在第四章里介紹工業(yè)加熱爐的軟件設計過程，并用匯編語言將其編制。 溫度控制系統(tǒng)的功能介紹 系統(tǒng)模塊

6、在工業(yè)生產中, 對溫度控制系統(tǒng)的要求主要是保證爐溫按規(guī)定的溫度工藝曲線變化、超調小或者無超調、穩(wěn)定性好、 不振蕩, 但對系統(tǒng)的快速性要求不高。所以在本次設計中將有以下主要模塊：1） 溫度檢測模塊2） 溫度信號變換模塊3） 溫度顯示模塊4） 溫度控制模塊5） 報警裝置在通常情況下，CPU（進行運算、控制）、RAM（數據存儲）、ROM（程序存儲）、輸入/輸出設備（例如：串行口、并行輸出口等），可以組成一臺能夠工作的計算機。有些單片機中除了上述部份外，還集成了其它部份如A/D、D/A等。例如在本設計系統(tǒng)中，采用了許多附加控制驅動電路芯片來達到上述模塊功能。在工業(yè)生產中, 對溫度控制系統(tǒng)的要求主要是保

7、證爐溫按規(guī)定的溫度工藝曲線變化、 超調小或者無超調、 穩(wěn)定性好、不振蕩， 至于系統(tǒng)的快速性要求則不高。以下淺析溫度控制系統(tǒng)設計過程及其實現方法。熱電偶將爐溫變換為模擬電壓信號, 經低通濾波濾掉干擾信號后送放大器, 信號放大為05 V 后送模/ 數轉換器轉換為數字量送往單片機。同時, 熱電偶的冷端溫度也由溫度傳感器變?yōu)殡妷盒盘? 經放大和轉換后送給單片機。標度變換程度根據溫度檢測值求得實際爐溫。數字調節(jié)器程序根據恒溫給定值的偏差, 按預定的PID 控制算法得到輸出控制量。數字觸發(fā)器程序根據控制電阻爐子的導通時間, 從而調節(jié)爐溫的變化使之與給定恒溫值一致。顯示與恒溫判斷程序完成爐溫與恒溫時間顯示、

8、恒溫開始與恒溫完成判別、恒溫完成時給出聲光指示信號。斷偶判斷程序根據溫度檢測值判斷溫度傳感是否開路；若開路, 則給出斷偶報警信號。本次設計的工業(yè)爐溫控制系統(tǒng)是采用單片機8051為核心的自動控制系統(tǒng)，其控制原理如下圖：圖1-1 溫度控制系統(tǒng)控制原理圖Fig 1 - 1 temperature control system control scheme 溫度控制系統(tǒng)設計要求在工業(yè)生產過程中，穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的的先決條件。一個穩(wěn)定性好的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的初始偏差應隨時間的增長逐漸減小并趨于零。為了很好的完成控制任務，控制系統(tǒng)僅僅滿足穩(wěn)定性要求是不夠的，還必須對其過渡過程的形式

9、和快慢提出要求。因此，對控制系統(tǒng)過渡過程的時間（即快速性）一般都有具體要求。在理想情況下，當過渡過程結束后，被控量達到的穩(wěn)定值（即平衡狀態(tài)）應與期望值一致。但實際上，由于系統(tǒng)結構，外作用形式以及摩擦、間隙等非線性因素的影響，被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間會有誤差存在，稱為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)精度的重要標志，在技術指標中一般都有具體要求。所以穩(wěn)定性、快速性和準確性，即穩(wěn)、準、快是工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)必須滿足的要求。結合工業(yè)加熱爐的具體工藝要求即加熱爐爐內溫度從室溫開始自由升溫，當溫度一旦到達正常工作的溫度最低限值時，就進入系統(tǒng)調節(jié)；當溫度到達正常工作的溫度時就進入保溫段。要始終保證在系

10、統(tǒng)控制之下，保證所需爐內溫度的精度。加工結束，要進行降溫控制。保溫階段的時間由工藝要求來決定。在保溫時間里，當溫度高于正常工作的溫度的最高限值或低于正常工作的溫度最低限值時要及時報警，在升溫和降溫階段也要進行控制，使爐內的溫度按照預定的曲線斜率升降、保證系統(tǒng)有充足的時間過渡、確保設備和工作人員的安全。綜上所述，此次設計的系統(tǒng)所要完成的功能如下：1）本系統(tǒng)所檢測的溫度范圍為3001000攝氏度，當溫度超過上限和低于下限時，發(fā)出報警，其連續(xù)鳴音30MS，經光電耦合后通過晶閘管驅動自動噴灑水的設備并監(jiān)測濕度值。為了保證數據的可靠性，定時啟動ADC0809進行A/D轉換，以檢測溫度值。 為了溫度控制的

11、實現，即根據溫度給定值和采樣值的大小決定驅動加熱爐的加熱過程的控制，即實現對溫度控制。2）系統(tǒng)利用MCS-51系列單片機的片內定時器T0，對溫度進行10S定時，以滿足對溫度采樣周期的要求。在每次檢測溫度之后，進行一次溫度顯示更新，即將新的溫度值經過標度變換后由鍵盤、顯示器接口芯片8279輸出給LED顯示器。2 工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件設計本系統(tǒng)采用上下位控制，下位機采用工業(yè)控制計算機，即現場控制計算機，它主要用于過程測量、控制、數據采集等工作，同時它具有可靠性高、實時性好、環(huán)境適應性強等諸多優(yōu)點；上位采用可編程控制器，它是一種以微處理器為核心，帶有指令儲存器和輸入、輸出接口，將自動化技術和計

12、算機技術融為一體的新型工業(yè)控制裝置，即總臺控制中心。溫度控制系統(tǒng)是利用下位機設置溫度上下限、實時溫度的采集再傳輸到上位機。以達到對溫度的比較、控制。本設計采用MCS51單片機為主要硬件，并設計了相應的復位電路，振蕩器和時鐘電路。為實現設計目的此設計還設計了包括溫度采集、溫度顯示、系統(tǒng)控制、串口通信等外圍電路。而且對所設計電路給出了相應的軟件設計，包括定時器初始化、串行口初始化和數據傳輸等程序。以簡單說明了溫度控制系統(tǒng)的工作原理。 硬件功能根據本次設計的工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)的工藝要求，將系統(tǒng)的硬件分為一下幾個部分：1）溫度檢測電路，包括熱電偶傳感器、放大器等部分。熱電偶傳感器具有價廉、精度高、

13、構造簡單、測量范圍寬(通常從- 50 + 1600 ) 及反應快速的優(yōu)點。熱電偶傳感器輸出的電壓信號較為微弱(只有幾毫伏到幾十毫伏) , 因此在進行A/ D 轉換之前必須進行信號調理, 由高放大倍數的電路將它放大到A/ D 轉換器通常所要求的伏特級電平。2）溫度采集電路，對溫度檢測電路傳送過來的溫度進行時事采集，并傳送給中央處理器。3）溫度控制驅動電路，主要用于改變爐內的溫度，使其達到控制的目的。從而符合工藝的要求。4）溫度初始化電路，對系統(tǒng)進行初始化操作。主要包括控制鍵盤。5）溫度顯示電路，對溫度值進行顯示。6）報警電路，當爐內的溫度低于最低限度溫度或高于最高限度溫度時進行報警。從而更好的控

14、制爐內溫度。 系統(tǒng)硬件方框圖根據工業(yè)加熱爐工作工藝的要求本次設計采用常用的MCS-51系列單片機中的8051作為CPU，數據存儲器為6264，其容量為8K8位。所采用的AD轉換器選用ADC0809，溫度、濕度顯示采用LED顯示。為了不間斷監(jiān)視程序循環(huán)動作時間，若發(fā)現時間超過設定時間，則系統(tǒng)陷入了“死循環(huán)”，所以采用了“看門狗”技術。加熱爐的溫度控制系統(tǒng)硬件結構，如圖2-1所示：圖2-1加熱爐的溫度控制系統(tǒng)硬件結構Fig 2-1 heating furnace temperature control system hardware architecture 加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件電路設計隨著電子

15、計算機技術特別是微機技術的迅猛發(fā)展和現代控制系統(tǒng)理論的進步，以單片機為主芯片的廣泛應用。工業(yè)加熱爐溫度控制系統(tǒng)的控制精度有了很大的提高，在軟件的配合下，能自動準確的對加熱爐內的溫度進行監(jiān)測與控制。這里簡要的對各個芯片及其功能進行分析。CPU性能分析MCS-51系列單片機是Intel高檔8位機，是在MCS-48系列基礎上發(fā)展而成的，也是我國目前應用最廣泛的一種單片機。它包括8031、8051和8751這幾種芯片。它們之間的區(qū)別僅在于片內存儲器，8031片內無程序存器，8051片4KB的ROM，8751片內有4KB的EPROM；其它結構性能相同。 8051內置1個8位微處理器CPU、12

16、8字節(jié)內部數據存儲器RAM、32個雙向輸入/輸出(I/O)口、2個16位定時/計數器和5個兩級中斷源、2個優(yōu)先級的中斷嵌套結構，一個全雙工串行通信端口，特殊功能寄存器以及一個鐘振蕩器和時鐘電路。此外，8051還可工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結CPU，而RAM定時器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存RAM數據，時鐘振蕩停止，同時停止芯片內其它功能。 8051的引腳圖如下：圖2-2 8051的引腳圖Fig 2-2 8051 pins charts1） 輸入輸出引腳P0、P1、P2、P3（共32根）P0口（3932腳）有三個功能： a）外部擴展存儲器

17、時，當做數據總線（如圖1中的D0D7為數據總線接口） b）外部擴展存儲器時，當作地址總線（如圖1中的A0A7為地址總線接口） c）不擴展時，可做一般的I/O使用，但內部無上拉電阻，作為輸入或輸出時應在外部接上拉電阻。 P1口（18腳）是8位準雙靜態(tài)I/O端口。 P2口（2128腳）有兩個功能： a）擴展外部存儲器時，當作擴展電路高8位地址總線使用 ，送出高8位地址；b）是8位準雙向I/O端口，其內部有上拉電阻； P3口（1017腳）有兩個功能： 除了作為I/O使用外（其內部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設置. P3口的第二功能見下表2-1.2) 電源引腳和a）（40腳）：電源端

18、，接+5V。b）(20腳)：接+5V電源地。表2-1 P3口的第二功能Tab 2-1 P3 mouth of the second function位線引腳第二功能P3.0 10 RXD(串行輸入口)P3.1 11 TXD（串行輸出口） P3.2 12 （外部中斷0）P3.3 13 （外部中斷1）P3.4 14 T0（定時器0的計數輸入）P3.5 15 TI（定時器1的計數輸入）P3.6 16 （外部數據存貯器寫脈沖）P3.7 17 外部數據存貯器讀脈沖）3) 外接晶振引腳XTAL1和XTAL2a）XTAL1（19腳）：片內反向放大器輸入端，接外部晶振的一個引腳。當單片機采用外部時鐘信號時，此

19、引腳應接地。b）XTAL2（18腳）：片內外反相放大器輸出端，接外部晶振的另一個引腳。但單片機采用外部時鐘信號時，外部信號引腳接入。在本系統(tǒng)使用的是內部時鐘，MCS-51單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端。在XTAL1和XTAL2兩端跨接一個片外石英晶體或陶瓷諧振器就構成了穩(wěn)定的自激振蕩器。這種方式稱為內部時鐘方式。外接石英晶體時，電容 C1和C2的值常選擇為30PF左右陶瓷諧振器時，C1和C2的值為47PF，接入電容 C1和C2有利于振蕩器起振，對頻率有微調作用，振蕩步態(tài)經由石英晶體的諧 振頻率確定。12MHZ，為了減少寄生電容

20、，保證振蕩器穩(wěn)定可靠地工作，石英晶體或陶瓷諧振器和電容可能安裝得與單片機芯片靠近。時鐘電路是一個二分頻觸發(fā)電路，它將振蕩器的信號頻率進行二分頻，向芯片內提供一個二節(jié)拍信號，在每個時鐘周期的前半周期內，節(jié)拍1使信號P1有效，在每個時鐘周期的后半周期內，節(jié)拍2使信號P2有效。4) 控制或其他電源復用引腳 a）RST/VPD（9腳）：復位信號輸入端。掉電后，此引腳可接備用電源，以保持內部RAM的數據不丟失。當輸入的信號連續(xù)2個機器周期以上高電平時即為有效，用以完成單片機的復位初始化操作，當復位后程序計數器PC=0000H，即復位后將從程序存儲器的0000H單元讀取第一條指令碼。b）ALE/（30腳）

21、：地址鎖存允許端。當單片機訪問外部存儲器時，該引腳輸出信號用于鎖存P0端口送出的低8位地址。其輸出信號頻率為時鐘振蕩頻率的1/6（即6分頻）。c）（29腳）：外部程序存儲器的讀選通信號輸出端，或稱為片外取指信號輸出端。在從外部程序存儲器取指令期間，在每個機器周期兩次有效，其頻率為振蕩頻率的1/6；但若此期間有訪問外部數據存儲器，則兩次有效的信號將不出現。在讀外部ROM時低電平有效，以實現外部ROM單元的讀操作。 d）/（31腳）：當其保持低電平時，單片機只訪問外部程序存儲器，而不管片內是否有程序存儲器。8051內部的CPU是一個字長為8位的中央處理單元，也就是說它對數據的處理是按字節(jié)為單位進行

22、的。和微型計算機CPU類似，8051內部的CPU也是由運算器（ALU）、控制器（定時控制部件等）和專用寄存器組3個部分電路組成的。運算器8051的算術邏輯部件ALU是一個性能極強的運算器，它既可以進行加、減、乘、除四則運算，也可以進行與、或、非、異或等邏輯運算，有數據傳送、移位、判斷和程序轉移等功能，同時還有獨特的位處理功能，如置位、清0、取反、轉移、檢測等。8051ALU為用戶提供了豐富的指令系統(tǒng)和極快的指令執(zhí)行速度，如振蕩器頻率為12MHz的情況下，大部分指令的執(zhí)行時間為1us，乘法指令可達4us.8051的ALU由一個加法器、兩個8位暫存器（TMP1和TMP2）和一個性能卓著的布爾處理器

23、組成。雖然TMP1和TMP2對用戶并不開放，但也可用來為加法器和布爾處理器暫存兩個8位二進制操作數。歸納其特點有如下：在B寄存器的配合下，能完成乘法與除法操作；可進行多種內容交換操作；比較判斷操作；有教強的位操作功能。定時控制器定時控制部件起著控制器作用，由定時控制邏輯、指令寄存器IR、指令譯碼器ID和振蕩器OSC等電路組成。專用寄存器組專用寄存器組主要用來指示當前要執(zhí)行指令的內存地址、存放操作數和指示指令執(zhí)行后的狀態(tài)等。它是任何一臺計算機的CPU不可缺少的組成部件，其寄存器的數目因機器的型號不同而異。專用寄存器組主要包括計數器PC、累加器A、程序狀態(tài)寄存器PSW、堆棧指示器SP、數據指針DP

24、TR和通用寄存器B等。振蕩器MCS-51單片機片內設有一個高增益的反向放大器，通過XTAL1和XTAL2外接作為反饋元件的晶體振蕩器后便成為自激振蕩器。XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路輸入端和輸出端，時鐘可以由內部方式產生或外部方式產生。采用內部方式時，在XTAL1和XTAL2引腳上接石英晶體和微調電容可以構成振蕩器，如圖2-3（a）所示。圖中C1、C2起穩(wěn)定振蕩器、快速起振的作用，其容值一般在5pF30 pF。如外接陶瓷諧振器，C1、C2的典型值為47 pF。內部振蕩器方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，適用電路中使用較多。震蕩頻率的選擇范圍為1MHz12MHz。外部振蕩方式就是把外部已有的時鐘

25、信號引入單片機內。這種方式適用于使單片機的時鐘與外部信號保持同步。圖2-3（b）是外部振蕩方式電路接法。圖2-3（a）單片機時鐘內部振蕩電路Fig 2-3 (a) SCM internal clock oscillator circuitMCS-51單片機的存儲器有有片內和片外之分。片內存儲器集成在芯片內部；片外存儲器又稱外部存儲器，是專門的存儲器芯片，需要通過打印制電路板上的三總線和MCS-51連接。片外和片內存儲器中，又有ROM和RAM之分。因此MCS-51單片機的存儲器在物理結構上有4個存儲空間：片內數據存儲器、片外數據存儲器、片內程序存儲器、片外程序存儲器。對8051來說，片內有256

26、B的數據存儲器及4KB的程序存儲器。圖2-3（b）單片機時鐘外部振蕩電路Fig 2-3 (b) MCU clock external shocks circuit1) 程序存儲器  程序存儲器用于存放編寫好的程序或常數。EA引腳接高電平，即可從內部程序存儲器中（4KB）讀取指令，超過4KB后，CPU自動轉向外部ROM執(zhí)行程序；EA引腳接低電平，則所有的讀取指令操作均在外部ROM中。讀取程序存儲器中的常數表格用MOVC指令。程序存儲器的尋址空間為64KB，其中有7個單元具有特殊功能（中斷入口地址），見下表2-2。表2-2 程序存儲器特殊功能地址列表 formality storage

27、function address list地址事件名稱0000H系統(tǒng)復位0003H外部中斷0000BH定時器0溢出中斷0013H外部中斷1001BH定時器1溢出中斷0023H串行口中斷00H，因此系統(tǒng)必須從0000H單元開始取指令執(zhí)行程序。一般在該單元中存入一條跳轉指令，而用戶設計的程序從跳轉后的地址開始存放。2) 數據存儲器數據存儲器分為外部數據存儲器和內部數據存儲器。訪問內部數據存儲器用MOV指令，訪問外部數據存儲器用MOVX指令。8051的內部數據存儲器分成2塊：00H7FH和80HFFH。后128B用作特殊功能寄存器（SFR）空間，21個特殊功能寄存器離散分布在80HFFH的地址空間內

28、。3） 位存儲器20H2FH的16個單元為位尋址區(qū)，每個單元8位，共128位，其位尋址范圍為00H7FH。位尋址區(qū)的每一位都可當做軟件觸發(fā)器，由程序直接進行位處理。程序中通常把各種程序狀態(tài)標志、位控變量設在位尋址區(qū)。同樣，位尋址區(qū)的RAM單元也可作為一般的數據存儲器按字節(jié)單元使用。4） 特殊功能寄存器FSR內部RAM的高128個字節(jié)（80HFFH）為特殊功能寄存器FSR區(qū)，其中51子系列有21個，除這21個特殊功能寄存器地址之外的其他單元是空閑沒用的，不能被訪問，在使用時應加以注意。5） 外部RAM外部數據存儲器又稱外部RAM，當片內RAM不能滿足數量上的要求時，可通過總線端口和其他的I/O口

29、擴展外部數據RAM，其最大容量可達64KB，其結構如圖2-4所示。外部數據存儲器和內部數據存儲器的功能基本相同，但前者不能用于堆棧操作。必須注意，由于數據存儲器與程序存儲器地址重疊，且數據存儲器的片內外的低字節(jié)地址重疊。所以，對片內、片外數據存儲器的操作使用了不同的指令。對片內RAM讀寫數據時，無讀寫信號產生；對片外RAM讀寫數據時，無讀寫信號（和）產生。同樣，對程序存儲器和數據存儲器的操作也是靠不同的控制信號、或來區(qū)別的。另外，在片外數據存儲器中，數據區(qū)和擴展的I/O口是統(tǒng)一編址的，使用的指令也是完全相同。因此，用戶在應用系統(tǒng)設計時，必須合理地進行外部RAM和I/O端口的地址分配，并保證其統(tǒng)

30、一性。 8051單片機的系統(tǒng)擴展單片機最小應用系統(tǒng)常常不能滿足要求。因此，系統(tǒng)擴展是單片機應用系統(tǒng)中不可缺少的。圖2-4 存儲器的空間結構圖Fig 2-4 Memory spatial structure drawing系統(tǒng)擴展是指單片機內部各功能部件不能滿足系統(tǒng)要求時，在片外連接相應的外圍芯片以滿足應用系統(tǒng)要求。80C51系列單片機的系統(tǒng)擴展主要由程序存儲器的擴展、數據存儲器的擴展、I/O口的擴展、終端系統(tǒng)擴展及其他特殊功能接口的擴展等。1) 鎖存器74LS373由于MCS-51的P0口是分時復用的地址/數據線，因此必須利用地址鎖存器將地址信號從地址/數據線中分離出來，得到低8位地址A0A7

31、。這種鎖存器也可作為數據鎖存器，鎖存CPU輸出的數據。常用的地址鎖存器，有帶三態(tài)緩沖輸出的8D鎖存器74LS373，它的引腳如圖2-5所示。圖中，是鎖存器三態(tài)門輸出使能端。=0時，鎖存器輸出；=1時，輸出呈高阻態(tài)。G是選通脈沖輸入端，選通脈沖有效時，數據輸入D0D7被鎖存。圖2-5 74LS373引腳圖 The pins chart of 74LS3732) 程序存儲器擴展由于EPROM、EEPROM集成技術的提高，可以使80C51系列單片機的片內程序存儲器容量越來越大，而且?guī)瑑瘸绦虼鎯ζ鞯膯纹瑱C的價格也大大降低。因此,存儲器的擴展已不是必需的了。3) 數據存儲器擴展常用的數據存儲器SRAM

32、芯片有611662646256等。在8051的擴展系統(tǒng)中，片外數據存儲器一般有隨機存取存儲器組成，最大可擴展64KB。一般用靜態(tài)RAM，采用8鎖存器74LS373。圖2-6為6264引腳圖，如下所示：圖2-6 6264引腳圖 The pins chart of 6264圖2-7所示是用一片6264擴展8K×8位片外數據存儲器的電路。擴展如圖2-7其中芯片的地址范圍是0000H1FFFH。圖2-7 8K片外數據存儲器擴展電路 the enlarge circuitry of piece outside data storage4） 8051與8255A芯片連接方式如下：8255A是并行

33、接口芯片，它可為CPU與外設之間提供并行輸入輸出的通道，可以通過軟件來設置該芯片的工作方式。8255A的基本特性1） 8255A是一個具有3個（A口、B口和C口）8位并行的I/O端口的接口芯片。并且PC口還具有按位置位/復位功能。2） 8255A能適應CPU與I/O接口之間的多種數據傳送方式的要求。如無條件傳送，應答方式傳送和中斷方式傳送。3） 8255A的PC口使用比較特殊，除可作數據口外，當工作方式1和工作方式2時，它的大部分引腳被分配作為專用聯絡信號；PC口還可以進行按位控制；在CPU讀取8255A狀態(tài)時，PC口又作為方式1、2的狀態(tài)口用等。4） 8255內部主要由控制寄存器、狀態(tài)寄存器

34、和數據寄存器組成。使用8255A時，主要是對這3類寄存器進行編程。8255A的外部接線8255A有40個引腳的雙列直插芯片，單5V電源，其外部引腳如圖2-8所示。PA7PA0：A端口數據信號引腳。PB7PB0：B端口數據信號引腳。PC7PC0：C端口數據信號引腳。：芯片選擇。低電平動作。當=0時，8255被選擇；=1時，8255無法與CPU做數據傳輸。：讀取使能，低點平動作。=0，且=0時，CPU從8255讀取數。：寫入使能，低點平動作。=0，且=0時，CPU將數據寫入8255。表2-3 8255A輸入輸出接口的選擇方式3 8255A inputs outputs connection cho

35、ice wayA1 A0被選中的端口名0 0PA口0 1PB口1 0PC口1 1控制端口A0、A1：地址選擇線，用來選擇8255的PA口、PB口、PC口和控制寄存器。RESET：復位信號，高電平有效。RESET有效時，清除8255A中所有控制字寄存器內容，并將各端口置成輸入方式。圖28 8255芯片圖 Fig 2-8 8255 chips charts8255A內部結構8255A的內部結構如圖2-9所示。它由以下四個部分組成。圖2-9 8255A內部結構圖Fig 2-9 8255A internal structure of the1） 并行輸入輸出端口A、B、C8255A包括3個8位輸入輸出

36、，每個端口都有1個數據輸入寄存器和1個數據輸出寄存器，輸入時端口有三態(tài)緩沖器的功能，輸出時端口有數據縮存器的功能。2） A組和B組控制部件端口A與端口C的高4位（PC7PC4）構成A組，由A組控制部件實現控制功能，端口B與端口C的低4位（PC3PC0）構成B組，由B組控制部件實現控制功能。它們各有1個控制單元，可接收來自讀/寫控制部件的命令和CPU通過數據總線（D7D0）送來的控制字，并根據它們來定義各個端口的操作方式。3） 數據總線緩沖存儲器這是一個三態(tài)雙向8位數據緩沖存儲器，用于傳送單片機和8255A間的控制字、狀態(tài)字和端口數據。4） 讀/寫控制部件這部分電路可以接受單片機送來的讀寫命令和

37、選口地址，并根據它們向片內各功能部件發(fā)出控制命令。 數據采集與控制電路設計本設計是要是通過計算機系統(tǒng)對工業(yè)加熱爐現場進行溫度控制，就要從現場獲得信息，這個信息是溫度值。但溫度是模擬量，計算機無法直接識別，因此就必須把溫度這個模擬量變成數字量之后再輸入到計算機中進行處理。該通道設計的好與壞，直接影響到整個系統(tǒng)的性能指標及其工作的穩(wěn)定性。模擬輸入通道包括兩大部分，其一是變送器，其二是模/數轉換器。實際上，模入通道的設計就是變送器的設計和模/數轉換器及溫度傳感器的選擇問題。1）傳感器的選用及其原理圖2-8(a)是一種特殊結構的電路直流單臂電橋，R1、R2、R3和R4叫電橋的臂，檢流計G接于AB之間稱

38、為“橋”。一般情況下R1、R3兩端的電壓不相等，即A、B兩點間的電勢不等，G中有電流通過。改變R1、R3的大小，可以使UACUCB，這時G中無電流通過。當G中無電流時叫做“電橋平衡”。圖2-8(a)所示的橋式電路，其輸出電壓可用與之差表示： =-= (2-1)為使測量前輸出=0，即使電橋平衡，應滿足=條件。在滿足式(2-1)的條件下，當電橋各臂電阻變化遠小于本身值（« ），橋的負載電阻無限大時2，輸出電壓可近似用下式表示： (2-2)如果將傳感器電阻接入一臂，見圖2-8（b），并且測量前令=， ，則： (2-3)在測量過程中，電阻、都不變化，即，因此 (2-4)(a) 橋式測量電路

39、(b) 傳感器測量電路(a) Measure circuit like a bridge (b) Measure circuit of hot sensitive resistance sensor圖2-8 測量電路 Measure circuit 傳感器是將感受的物理量、化學量等信息，按一定規(guī)律轉換成便于測量和傳輸的信號裝置。電信號易于傳輸和處理，所以大多數的傳感器是將物理量等信息是轉換成電信號輸出的。傳感器主要用于測量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。在自動測量過程或控制系統(tǒng)中，首先由傳感器接受被測量，而后把它轉換成電信號，供顯示儀表指示或用來控制執(zhí)行機構。如果傳感器不能靈敏地接

40、受被測量，或者不能把被測量精確地轉換成電信號，其他儀表和裝置的精確度再高也無意義。計算機應用于測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)時，也必須由傳感器提供準確可靠的信息，如果傳感器的水平與計算機的水平不相適應，計算機便不能充分發(fā)揮應有的作用和效益。因此，傳感器是測量、控制系統(tǒng)中的一種關鍵裝置。傳感器的種類很多，分類的方法也不同，常用的分類法有兩種。一種是按照傳感器的用途區(qū)分，如位移傳感器、力傳感器、荷重傳感器、速度傳感器、振動傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器和密度傳感器等。另一種分類法是按傳感器的工作原理區(qū)分如電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、電渦流式傳感器、磁電式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳

41、感器、磁彈性式傳感器、振頻式傳感器和電化學式傳感器等。本設計系統(tǒng)的模擬量輸入信號為工業(yè)加熱爐的溫度信號，而其工藝過程的溫度在800左右，因此，根據上面介紹的電橋平衡原理，本系統(tǒng)的設計選用集成溫度傳感器AD590，其測溫范圍為+3001000。要求工作電源為直流+4V-+30V，它能把溫度信號變?yōu)榕c絕對溫度成比例的電信號，比例因子為1UFK。其穩(wěn)定性高、線性度好、測溫誤差有正負1、。根據本設計GO工藝特點，放大器采用穩(wěn)高精運算放大OP07。AD590本身產生的是電流信號，通過運算放大器OP07對電流作加法運算，在運放輸出端得到合適的電壓信號，作為AD轉換器的輸入，電阻R1、R2、和電位器RP1、

42、RP2的選擇原則是使運放輸出電壓被測有一個合適的對應關系。本例還使用了光傳感器和煙霧傳感器，用來對火盜警的檢測。放大器采用OPA404，OPA404是高性能介質隔離場效應輸入運算單片機運算放大器。，高轉換速率為35V，低失調電壓最大為正負750UV，低偏置電流最在為正負4PA。輸出通道設計包括開關量和模擬量輸出通道的設計。開關量要考慮功率和控制方式(繼電器、可控硅、三極管等)。模擬量輸出要考慮D/A轉換器的選擇(轉換精度、轉換速度、結構、功耗等),輸出信號的形式(電流還是電壓) 、隔離方式、擴展接口等輸出通道是單片機控制系統(tǒng)與執(zhí)行機構（或控制設備）連接的紐帶和橋梁。設計時要根據被控對象的通道數

43、據及執(zhí)行機構的類型進行選擇。對于那些可直接接受數字量的執(zhí)行機構，可由單片機直接輸出數字量。對于那些需要接收模擬量的執(zhí)行機構，則需要用D/A轉化，即把數字量變成模擬量后，再帶動執(zhí)行機構。在微型計算機應用中，輸入裝置通過I/O接口電路把程序、數據或現場采集到的各種信息輸入計算機，計算機的處理結果和控制信息要通過I/O接口電路傳送到輸出裝置，以便顯示、打印，最后實現各種控制。本例的輸出通道為3條，是經過光電耦合后再通過晶閘管驅動噴灑水設備；最后達到控制溫度的作用。信號變送電路是系統(tǒng)溫度檢測電路和CPU之間的通信通道，其功能完成數據的傳送和轉換的作用，是溫度控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分，通常的設計都選用

44、ADC0809和DAC0830轉換芯片，ADC0809芯片將來自溫度檢測電路的模擬信號轉化成數字信號，將數字信號再送往CPU中，進行數據處理；DAC0832芯片是將來自CPU的數字信號命令轉換成模擬信號來控制設備。信號變送電路的傳輸速度和精度是設計此部分的重要指標，對系統(tǒng)的功能設計有著重大的影響。在數字電子技術的很多應用場合往往需要把模擬量轉換為數字量，稱為模 / 數轉換器（A / D轉換器，簡稱ADC）；或把數字量轉換成模擬量，稱為數 / 模轉換器（D / A轉換器，簡稱DAC）。完成以上轉換的電路有多種，特別是單片大規(guī)模集成A / D、D / A轉換器問世，為實現上述的轉換提供了極大的方便

45、。使用者可借助于手冊提供的器件性能指標及典型應用電路，即可正確使用這些器件。在單片機檢測系統(tǒng)中，許多被測量的信號往往是模擬量，它們經過預處理(放大、VI轉換等)之后，在進入計算機之前必須經過AD轉換變成數字量。AD轉換接口是模擬通道中的主要環(huán)節(jié)。AD轉換接口的主要內容是合理選擇AD轉換器件，以實現與單片機的正確連接以及轉換程序。此次設計將采用大規(guī)模集成電路ADC0809實現A / D轉換后,與單片機進行連接；再用DAC0832實現D/A轉換，驅動噴灑水設備達到溫度控制的目的。1） A/D轉換電路ADC0809與8051單片機的硬件接口有3種形式，分別是查詢方式、中斷方式和延時等待方式，本設計選

46、用中斷接口方式。查詢方式：A/D轉換芯片由表明轉換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC的狀態(tài)，即可確知轉換是否完成，并接著進行數據傳送。中斷方式：把表明轉換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進行數據傳送。定時傳送方式：ADC0809轉換時間為128µs，相當于6MHz的MCS-51單片機共64個機器周期?？蓳嗽O計一個延時子程序，A/D轉換啟動后即調用此子程序。延遲時間一到，轉換肯定已經完成了，接著就可進行數據傳送。ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D轉換器、CMOS工藝。由寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等其它一些電路組成

47、。因此，ADC0809可處理8路模擬量輸入，且有三態(tài)輸出能力，既可與各種微處理器相連，也可單獨工作。其內部結構如圖2-9：地址鎖存譯碼ALEADDCADDBADDA八路模擬信號選擇器IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0樹形開關256RT型譯碼器逐次比較寄存器控制與時序8位ADCSTART 啟動時鐘 CLOCKEOC三態(tài)輸出鎖存器2827262524232221MSBLSB輸出允許OEVREF(+)VREF()圖2-9 ADC0809的變換內部結構Fig 2-9 ADC0809 transformation internal structure外部特性 ADC0809芯片為28引腳雙

48、列直插式封裝，：圖2-10 ADC0809引腳圖 Pins chart of ADC0809IN7IN0：模擬量輸入通道。ADC0809對輸入模擬量的要求主要有：信號單極性，電壓范圍05 V，若信號過小還需進行放大。另外，在A/D轉換過程中，模擬量輸入的值不應變化太快；因此，對變化速度快的模擬量，在輸入前應增加采樣保持電路A、B、C：地址線。A為低位地址，C為高位地址，用于對模擬通道進行選擇。圖2-10 中為ADDA、ADDB和ADDC。ALE：地址鎖存允許信號。在對應ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START：轉換啟動信號。START上跳沿時，所有內部寄存器清0；START

49、下跳沿時，開始進行A/D轉換；在A/D轉換期間，START應保持低電平。D7D0：數據輸出線。其為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機的數據線直接相連。OE：輸出允許信號。其用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。OE=0，輸出數據線呈高電阻；OE=1，輸出轉換得到的數據。 CLK：時鐘信號。ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500kHz的時鐘信號。EOC：轉換結束狀態(tài)信號。EOC=0，正在進行轉換；EOC=1，轉換結束。該狀態(tài)信號既可作為查詢的狀態(tài)標志，又可以作為中斷請求信號使用。Vcc：+5 V電源。Vref：參考電源。參考電壓

50、用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準。其典型值為+5 V（Vref (+) =+5 V，Vref(-) =0 V）。由于ADC0809無片內時鐘，時鐘信號可由單片機的ALE信號經D觸發(fā)器二分頻后獲得。ALE引腳得脈沖頻率是8051時鐘頻率的1/6。該題目中單片機時鐘頻率采用6MHz,則ALE輸出的頻率是1MHz，二分頻后為500Hz,符合ADC0809對頻率的要求。由于ADC0809內部設有地址鎖存器，所以通道地址由P0口的低3位直接與ADC0809的A、B、C相連。通道基本地址為0000H0007H。控制信號：，在啟動A/D轉換時，。由于ALE和START連在一起，因此ADC08

51、09在鎖存通道地址的同時也啟動轉換。在讀取轉換結果時，產生正脈沖作為OE信號，用一打開三態(tài)輸出鎖存器。其接口電路如圖2-11所示。圖2-11 ADC0809與MCS-51的連接 the connect ADC0809 with MCS-51當8051通過對0000H0007H（基本地址）中的某個口地址進行一次寫操作時，即可啟動相應通道的AD轉換；當轉換結束后,ADC0809的EOC端向8051發(fā)出中斷申請信號；8051通過對0000H0007H中的某個口地址進行一次讀操作，即可得到轉換結果。2） D/A轉換電路DAC0832是一個8位D/A轉換器。單電源供電，從+5V+15V均可正常工作?；鶞?/p>

52、電壓的范圍為±10V，電流建立時間為1S、CMOS工藝、低功耗20mW。3） DAC0832與8051單片機的接口電路如下：圖212 DAC 0832 與8051接口電路Fig212 DAC 0832 and 8051 connections electric circuits上圖為兩個輸入寄存器同時受控的連接方法，和一起接8051的，因此兩個寄存器的地址相同。DAC0832轉換器芯片為20引腳，雙列直插式封裝，其引腳排列如圖所示。DAC0832內部結構框圖如圖所示。圖213 DAC0832 內部結構框圖Fig 2 13 DAC0832 internal structure diag

53、ramDAC0832是一種典型的的8位、電流輸出型、通用DAC芯片。由其內部結構圖可知DAC0832可以方便地與微處理機接口。由三個與門電路組成寄存器輸出控制邏輯電路，該邏輯電路的功能是進行數據鎖存控制，當=0時，輸入數據被鎖存；當=1時，鎖存器的輸出跟隨輸入的數據。DAC0832形成以下3種工作方式：直通方式：和一直為高，數據可以直接進入D/A轉換器。單緩沖方式：或一直為高，只控制其中一級寄存器。雙緩沖方式：不讓和一直為高，控制兩級寄存器?？刂茝母咦兊停瑢腄10D17進入的數據存入輸入寄存器?？刂茝母咦兊?，將輸入寄存器的數據存入DAC寄存器，同時開始D/A轉換。雙緩沖工作方式能做到對某個數

54、據進入D/A轉換的同時，輸入下一個數據，還適用于要求多個模擬量同時輸出的場合。在ILE為高電平下，通過和將數據寫入到8位輸入寄存器；通過和將數據寫入到8位DAC寄存器，同時進行D/A轉換。DAC0832的模擬輸出、,此外，還有電源和地信號引腳。：模擬電流輸出1，它是邏輯電平為1的各位輸出電流之和。當輸入數字為全“1”時，其值最大，為（255256）；當輸入數字為全為“0”時，其值最小，為0。：模擬電流輸出2，它是邏輯電平為0的各位輸出電流之和。+=常量。：反饋電阻引出端。反饋電阻被集成在芯片內，用作外接運算放大器的反饋電阻，為D/A轉換器提供電壓輸出，該電阻與內部R-2R電阻網絡相匹配。Vre

55、f：基準電壓，其電壓可正可負,范圍-10V+10V。Vcc：電源電壓，為+5V+15V。DGND：數字地，芯片數字電路接地點。AGND：模擬地，芯片模擬電路接地點。由梯形電阻網絡組成的D/A轉換電路，其轉換結果是與輸入數字量成正比的電流，這稱為電流輸出型DAC。許多DAC芯片屬于這種形式。在實際應用中，為了增強驅動能力，還需經運算放大器放大并變換為電壓輸出。對電流輸出型DAC外加運算放大器就可實現電壓輸出。有些DAC芯片中已經集成了運算放大器，它們屬于電壓輸出型DAC。通常D/A轉換器輸出電壓范圍有05V或010V、-5V5V或-10V+10V等幾種。本次設計采用DAC0832單極性電壓輸出，其連接示意圖如圖2-14。因為內部反饋電阻的阻值等于電阻網絡的R值，故電壓輸出為： (2-5)圖2-14 DAC0832單級性電壓輸出的連接示意圖Fig. 2-14 DAC0832 single voltage ou