北华化航天工业学院毕业论文 第 1 章 绪论 1.1 温度控制系统的重要性和发展趋势 温度是工业对象中一个主要的被控参数， 它是一种常见的过程变量， 因为它直接影响 燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理 和化学过程。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。温度控 制是许多机器的重要的构成部分， 它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内， 然后进 行工件的加工与处理。不论是在生活中还是在工业生产过程中，温度的变化对生活、生产 的某些细节环节都会造成不同程度的影响，所以适时地对温度进行控制具有重要的意义。 温度是工业对象中主要的被控参数之一，象冶金、机械、食品、化工各类工业中，广 泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制，计算机温 度控制系统使温度控制指标得到了大幅度提高。 温度控制器是实现可测温和控温的电路,是对温度进行控制的电开关设，它主要分 为机械式温控器和电子式温控器两种， 温度器属于信息技术的前沿尖端产品， 已被广泛用 于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。现今社会，越来越多 的环境需要对温度进行控制,随着温控器应用领域和范围的日益广泛，温控器的研究与应 用正在市场中逐渐占有一席之地,并在日渐成熟中占有巨大的市场前景。随着研究的发展 与深入, 温控器现已陆续推出基本款的 A 系列、高功能的 B 系列、模块化省配线的 C 系 列等等齐全系列温度控制器。 温度控制器的发展与研究已越来越势不可挡, 但目前温控器 行业进入门坎相对较低，如何为客户提供更合适、性价比更好的产品，以及如何及时开发 新的需求并实现它的价值已越来越重要, 在这种情况下温度控制器的研究十分必要. 进行系统设计时应考虑如下问题： 炉温变化规律的控制， 即炉温按预定的温度——时 间关系变化，这主要在控制程序设计中考虑。 温度控制范围：如 0～500℃，这就涉及到测温元件、电炉功率的选择等。控制精度、 超调量等指标，这涉及到 A/D 转换精度、控制规律选择等。 目前，市场上有很多比较先进的温度控制仪，如美国福禄克(Fluke Corporation) 提供的紧凑式高准确度标准温度炉， 能满足只有极少才可达到的 IECIOIO 和 CSA 安 全标准。 500 系列温控仪有以下特点:-45℃～670℃可选温度范围， 其 温度稳定性为 0.02℃， 温度一致性为 0.05℃， 温度不确定性 0.1℃， 计算机接口包括 RS-232 标准配置， 重量 13.6kg， 尺寸为 318*203*267mm 。 福禄克旗下的 HART 更是温度校准的恒温曹世界 销量的，HART 设计的的控制技术能够给出±0.0001 的温度稳定性。恒温槽 设置点的超高分辨力可达到小数点后 5 位的高精度。 另外， 还有德国的 Lauda 生产的 加热/冷却恒温浴槽、冷却器，温度控制精度可达正负 0.01。这些都是当今在温度控制领 1 北华化航天工业学院毕业论文 域研究出来的比较先进的产品， 其势头还将一路发展下去， 本领域的研究还将不断地进行， 也必将会有更多、更加先进、经济的产品问世 2 北华化航天工业学院毕业论文 第 2 章 单片机概况 2.1 单片机简介 单片机是一种集成电路芯片。它采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器 (CPU)、存储器（含程序存储器 ROM 和数据存储器 RAM） 、输入、输出接口电路(I/O 接口) 集成在同一块芯片上， 构成一个即小巧又很完善的计算机硬件系统， 在单片机程序的控制 下能准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。所以说，一片单片机芯片就具 有了组成计算机的全部功能。 由此来看，单片机有着一般微处理器（CPU）芯片所不具的功能，它可单独地完成 现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机的特征。 然而单片机又不同于单板机（一种将微处理器芯片、存储器芯片、输入输出接口芯片 安装在同一块印制电路板上的微型计算机） ，单片机芯片在没有开发前，它只是具功能 极强的超大规模集成电路， 如果对它进行应用开发， 它便是一个小型的微型计算机控制系 统，但它与单板机或个人电脑(PC 机)有着本质的区别。 单片机的应用属于芯片级应用，需要用户（单片机学习者与使用者）了解单片机芯片 的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术， 用这样特 定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具特定的功能。 不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征， 即它们的技术特征均不尽相同， 硬件 特征取决于单片机芯片的内部结构， 用户要使用某种单片机， 必须了解该型产品是否满足 需要的功能和应用系统所要求的特性指标。 这里的技术特征包括功能特性、 控制特性和电 气特性等等， 这些信息需要从生产商的技术手册中得到。 软件特征是指指令系统特性和 开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输 入输出特性及对电源的要求等等。 开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性， 支持软件 (包含可支持开发应用程序的软件资源)及硬件资源。 要利用某型号单片机开发自己的应用 系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。 单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统， 可以以 软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家 用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。 诚然， 单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益， 更重要的是 它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。 是控制技术的一次革命， 是一座重要的 里程碑。 2.2 单片机的产生与发展 1946 年台电子计算机诞生至今，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电子 管——晶体管——集成电路——大规模集成电路，使得计算机体积更小，功能更强。特别 3 北华化航天工业学院毕业论文 是近 20 年时间里，计算机技术获得飞速的发展，计算机在工农业，科研，教育，国防和 航空航天领域获得了广泛的应用，计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志。 单片机诞生于 20 世纪 70 年代，象 Fairchild 研制的 F8 单片微型计算机。所谓单 片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元(Center Processing Unit,也即常称的 CPU) 和数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)及其他 I/O 通信口集成在一块芯片上，构成一 个小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及 A/D 转换等更复 杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。 20 世纪 70 年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种 新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比 较简单， 一般均把 CPU、 RAM 有的还包括了一些简单的 I/O 口集成到芯片上， Fairchild 象 就属于这一类型， 它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。 类似的 单片机还有 Zilog 的 Z80 微处理器。 1976 年 INTEL 推出了 MCS-48 单片机，这个时期的单片机才是线 位单片 微型计算机，并推向市场。它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的 发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。 在 MCS-48 的带领下，其后，各大半导体相继研制和发展了自己的单片机，象 Zilog 的 Z8 系列。到了 80 年代初，单片机已发展到了高性能阶段，象 INTEL 的 MCS-51 系列，Motorola 的 6801 和 6802 系列，Rokwell 的 6501 及 6502 系列等 等,此外,日本的电气 NEC 和 HITACHI 都相继开发了具有自己特色的专用单片 机。 80 年代，世界各大均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300 多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了 CPU、RAM、ROM、数目繁 多的 I/O 接口、多种中断系统，甚至还有一些带 A/D 转换器的单片机，功能越来越强大， RAM 和 ROM 的容量也越来越大，寻址空间甚至可达 64kB，可以说，单片机发展到了一 个新的平台． 单片机诞生于 20 世纪 70 年代末，经历了 SCM、MCU、SOC 三大阶段。 1. SCM 即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求的单 片形态嵌入式系统的体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了 SCM 与通用计算机 完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel 功不可没。 2. MCU 即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩 展满足嵌入式应用时， 对象系统要求的各种外围电路与接口电路， 突显其对象的智能化控 制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展 MCU 的重任不可避免地落在电 气、电子技术家。从这一角度来看，Intel 逐渐淡出 MCU 的发展也有其客观因素。在发 展 MCU 方面，的家当数 Philips 。 Philips 以其在嵌入式应用方面的巨大优势， MCS-51 从单片微型计算机迅速发 将 4 北华化航天工业学院毕业论文 展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记 Intel 和 Philips 的历 史功绩。 3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向 MCU 阶段发展的重要因素，就是寻求应 用系统在芯片上的化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了 SOC 化趋势。随着 微电子技术、IC 设计、EDA 工具的发展，基于 SOC 的单片机应用系统设计会有较大的发 展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。 2.3 单片机在我国的产生 我国开始使用单片机是在 1982 年，短短五年时间里 发展极为迅速。1986 年在 召开了全国首届单片机开发与应用交流会， 有的地区还成立了单片微型计算机应用 协会， 那是全国形成的次高潮。截止今日，单片机应用技术飞速发展，我们上因特网输入一 个“单片机”的搜 索，将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国外的。与它相 应的专业杂志现在也有很多，比如由单片机界 的权威何立民主编的《单片机与嵌入式系 统应用》杂志现以风靡电子界，在 2003 年 7 月在、广州、北京等大城市所做的一次 专业人才需求报告中，单片机人才的需求量位居。 一块小小的片子，为何有这样的 魔力？ 我们首先从它的构成说起：单片机，亦称单片微电脑 或单片微型计算机。它是把中 央处理器 （CPU） 随机存取存储器 、 （RAM） 只读存储器 、 （ROM） 输入/输出端口 （I/0） 、 等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。 计算机的产生加快 了人类改造世界的步伐，但是它毕 竟体积大。微计算机（单片机）在这种情况下诞生了， 它为我们改变了什么？纵观我们现在生活的各个领域，从导 弹的导航装置，到飞机上各 种仪表的控制， 从计算机的网络通讯与数据传输， 到工业自动化过程的实时控制和数据 处 理，以及我们生活中广泛使用的各种智能 IC 卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。以 前没有单片机时，这些 东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的 产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用， 元器件不断老化，控制的精度自然 也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们 只需要 在单片机外围接一点简单的接口电路， 核心部分只是由人为的写入程序来完成。 这样产品 的体积变小了，成 本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。 所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的 人来接受它、使用它。据统计， 我国的单片机年容量已达 1——3 亿片，且每年以大约 16%的速度增长，但相对于 世界 市场我国的占有率还不到 1%。特别是沿海地区的玩具等生产产品多数用到单片机，并 不断地辐射向内地。 所以，学习单片机在我国是有着广阔前景的。 5 北华化航天工业学院毕业论文 第3章 设计方案 3.1 技术指标 烘干箱的具体指标如下： (1) 烘干箱由 2 kW 电炉加热，温度为 500℃。 (2) 烘干箱温度可预置，烘干过程恒温控制，温度控制误差≤±2℃。 (3) 预置时显示设定温度，烘干时显示实时温度，显示到 1℃。 (4) 温度超出预置温度±5℃时发声报警。 (5) 对升降温过程的线 控制方案 产品的工艺不同，控制温度精度也不同，因而所采用的控制算法也不同。就温度控制 系统的动态特性来讲， 基本上都是具有纯滞后的一阶环节， 当系统精度及温度控制系统的 线性要求较高时，多采用 PID 算法或达林顿算法来实现温度控制。 本系统是一个典型的闭环控制系统。 从技术指标可以看出， 系统对控制精度的要求不 高，对升降温过程的线性也没要求，因此，力求在满足主要性能指标的基础上实现系统的 性能/价格比。系统采用简单的通断控制方式，即当烘干箱温度达到设定值时断开 加热电炉，当温度降到低于某值时接通电炉开始加热，从而保持恒温控制。本系统用单片 机来控制温度。 6 北华化航天工业学院毕业论文 第4章 4.1 总体设计思路 硬件系统的设计 单片机应用系统的设计可划分为两部分: 一是与单片机直接接口的数字电路范围的电路芯片的设计。 如存储器和并行接口的扩 展, 定时系统、中断系统扩展, 一般的外部设的接口, 甚至于 A/D、 D/A 芯片的接口。 二是与模拟电路相关的电路设计, 包括信号整形、 变换、 隔离和选用传感器; 输出通 道中的隔离和驱动以及执行元件的选用。 (1)从应用系统的总线观念出发, 各局部系统和通道接口设计与单片机要做到全局一 盘棋。例如, 芯片间的时间是否匹配, 电平是否兼容, 能否实现总线隔离缓冲等, 避免 “拼盘”战术。 (2)尽可能选用符合单片机用法的典型电路。 ? (3)尽可能采用新技术, 选用新的元件及芯片。 的印制板布线)当系统扩展的各类接口芯片较多时, 要充分考虑到总线驱动能力。当负载超过允 许范围时, 为了保证系统可靠工作, 必须加总线)可用印制板辅助设计软件, 如 PROTEL 进行印制板的设计。 ? (4)抗干扰设计是硬件设计的重要内容, 如看门狗电路、 去耦滤波、通道隔离、合理 4.2 硬件电路设计 系统的硬件电路包括主机、温度检测、温度控制、人机对线 为系统的结构框图，图 2 为系统的硬件电路原理图。 人机对话部分 温度显示 温度检测部分 A/D转换器 键盘 主机 温度控制部分 声音报警 光耦 驱动器 可控硅 调功器 电炉 变送器 热电阻 图 4-1 电烤箱控制系统结构框 7 北华化航天工业学院毕业论文 图 4-2 电烤箱控制系统硬件电路原理图 4.2.1 主机 4.1.1.1 主机的选择 由于系统的控制方案简单，数据量不大，因此初步选用 MCS-51 系列单片机作为控 制系统的核心。单片机是大规模集成电路技术发展的产物，它将中央处理器（CPU） 、存储 器（ROM/RAM） 、输入输出接口、定时器/计数器等主要计算机部件集成在一片芯片上，因 此单片机被称为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer） 。目前单片机是计算机家 族中重要的一员。单片机配上适当的外围设和软件，便可构成一个单片机应用系统。单 片机具有功能强、体积小、价格低和抗干扰能力强等特点，被广泛应用于工农业生产、国 防、科研及日常生活等各个领域。 8 北华化航天工业学院毕业论文 MCS-51 系列单片机包括 8051、8751 和 8031 三种产品，其硬件设计简单灵活。 因此 MSC-51 单片机被誉为“控制领域中的 8 位微型计算机” 。 图 4-3 MSC-51 单片机的内部总体结构框图 从图 3 中可以看出，在一小块芯片上集成了一台微型计算机的各个部分：一个 8 位 CPU，4KB ROM，128B RAM，32 条 I/O 口线 位定时器/计数器，一个具有 5 个中断 源，两个优先基的嵌套中断结构，一个全双 I/O 串行口，一个片内振荡器和时钟电路。 8051 片内有 4K 的 ROM。用户将已开发好的程序交给制造商，在制造芯片时用掩膜 型工序将用户程序写入 ROM。显然用户本身是无法将自己的程序写入 8051 芯片的。程序 一经写入片内 ROM，用户也无法改变程序。所以 8051 用在批量较大时，经济上才合算。 8751 片内有 4K 的 EPROM。用户可以用高压脉冲将用户程序写入片内 EPROM。所以当 用户的程序不长时使用这种芯片可简化电路， 也可以作为开发系统片内 8051ROM 单片机的 代用芯片。 由于 EPROM 可通过照射紫外光线抹去原有程序进行改写， 所以这类芯片也可以 用于程序的开发工作。 8031 片内无 ROM 或 EPROM， 使用时必须配置外部的程序存储器 EPROM。 如不使用 8051 或 8751 芯片片内的 ROM 或 EPROM 即可将其作为 8031 使用。 这种引脚相容的产品均可寻址 64KB 的外部程序存储器和 64KB 的外部数据存储器。 9 北华化航天工业学院毕业论文 综合上述，选用 8031 作为控制系统的核心，其构成的成本低及不需要特殊的开发手 段。8031 内部没有 ROM，外扩 EPROM27256 作为程序存储器，它具有价格低，使用灵活的 优点。也可视具体情况换用 8051、8052、8751、8752、80C51、89C51、89C52 等。其中， 8051、8052、8751、8752 的各个引脚输入/输出电平只与 TTL 电平兼容；89C51、89C52、 80C51 各引脚输入/输出电平既与 TTL 电平兼容，也与 CMOS 电平兼容。 8031 的晶振频率为 6 MHz。 4.1.2 MCS－51(8031)信号引脚介绍 8031MCS－51 单片机是标准的 40 引脚双列直插封装（DIP）集成电路芯片，引脚排列 见图 4。 其中，在 40 条引脚中有两条专用电源引脚，2 条外接晶体的引脚，4 条控制或其他电 源复用的引脚，32 条 I/O 引脚。40 条引脚说明如下： （1）信号引脚介绍 40 只引脚按其功能来分，可分为如下三类： 1）电源及时钟引脚：Vcc、 Vss、 XTAL1、 XTAL2 ① ② ③ Vss (20 脚)：接地。 Vcc (40 脚) ：正常操作、对 EPROM 编程时，接+5V。 XTAL1 (19 脚)、XTAL2(18 脚) ：时钟引脚， 两个时钟引脚 XTAL1 、XTAL2 外接晶体与片内的反相放大器构成一个振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号。2 个时 钟引脚也可外接独立的晶体振荡器。 XTAL1(19 脚) ：芯片内部振荡电路(单级反相放大器)输入端。 XTAL2(18 脚) ：芯片内部振荡电路(单级反相放大器)输出端。 8031 的时钟可以由两种方式产生，即内部时钟方式和外部时钟方式。 内部时钟方式利用芯片内部的振荡电路， XTAL1 和 XTAL2 引脚上外接定时元件， 在 内 部振荡电路将自激振荡。 可以用示波器观察到 XTAL2 输出的波形。 定时元件可用晶体振荡 器和电容组成并联谐振回路， 10 北华化航天工业学院毕业论文 图 4-4 MCS-51 -8031 引脚图 图 4-5 8031 时钟电路 外部振荡器是使用现成的外部振荡器产生的脉冲信号，常用于多片 MCS-51 单片机的 同时工作，以便于多片 MCS-51 单片机之间的同步，一般为低于 12MHZ 的方波。 接线（a）所示。晶体振荡频率可在 2—12MHz 之间选择，C01、C02 在 5—30PF 之间选择，外部时钟方式 XTAL1 接地，XTAL2 接外部振荡源。 2）控制引脚：PSEN、 ALE、 EA、 RESET(即 RST)。 ① RST(9 脚)：复位信号输入端。 当输入的复位信号延续两个机器周期（24 个时钟振荡周期）以上的高电平时 即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。单片机正常工作时，此脚应为小于或等 11 北华化航天工业学院毕业论文 于 0.5V 的低电平。 在 8031 单片机的时钟电路工作以后， RST 引脚上出现 24 个振荡周期以上的高电 平，8031 单片机芯片内部初始复位。复位后，P0—P3 口输出高电平，即 P0—P3 口的内容 为 FFH，初值 07H 写入栈指针 SP，其余的特殊功能寄存器和程序计数器 PC 被清“0” 。RST 从高电平变为低电平后，8031 单片机从 0 地址开始执行程序。 影响内部 RAM 的状态，包括工作寄存器 R0—R7。 8031 单片机的复位方式有上电自动复位和手动按钮复位两种，另外，该引脚还 具有复用功能。Vcc 掉电期间，此引脚可接上用电源，以保持内部 RAM 的数据。Vcc 下 降到低于规定的电平，而 VPD 在其规定的电平范围内，VPD 就向内部 RAM 提供用电源。 ② ALE（30 脚） ：地址所存允许信号。 在系统扩展时，ALE 用于控制把 P0 口输 出的低 8 位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。当访问外部存贮器时（外部程 序存贮器或外部数据存贮器） ，ALE 的输出用于锁存地址的地位字节。 此外，由于即使不访问外部存贮器时，ALE 是仍以晶振 1/6 的固定频率输出的正 脉冲，因此，可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。然而要注意的是，每当访问外部数据 存贮器时，将跳过一个 ALE 脉冲。ALE 端可以驱动 8 个 LSTTL 输入。 ③ PSEN（29 脚） ：外部程序存储器读选通信号。在读外部 ROM 时，PSEN 有效（低 当 8031 单片机访问外部程序存贮器时,将 PC 的 16 位地址输出到 P2 口和 P0 口外 部地址寄存器后，PSEN 产生负脉冲选通外部程序存贮器，相应的存贮器单元的指令字节 送到 P0 口，供 8031 读取。 只要看 PSEN、ALE 和 XTAL2 是否有信号输出，就可以判断出 8031 是否在工作。 ④ EA（31 脚）:内/外程序存储器选择控制端。当 EA 信号为低电平时，单片机只 访问外部存储器，不论是否有内部存储器，对于 8031，因其无内部程序存储器，所以 EA 必须接地；当 EA 为高电平时，对 8051 和 8751 来说，内部有 4K 字节的程序存贮器。开机 后，CPU 首先访问 4KB 内部程序存贮器，然后再访问外部程序存贮器。当 EA 接地，则不 使用内部程序存贮器，CPU 取指令时，总是访问外部程序存贮器。因此，对 8051 和 8751， EA 要接高电平，对 8031 来说，EA 必须接地。 3） I/O 口引脚:P0、 P1、 P2、 P3,为 4 个 8 位 I/O 口的外部引脚。 ① P0 口：P0.0～P0.7（39～32 脚） P 口是一个漏极开路的 8 位准双向 I/O 端口。作为漏极开路的输出端口，每位能 驱动 8 个 LS 型 TTL 负载。当 P0 口作为输入口使用时，应先向锁存器（地址 80H）写入全 1，此时 P0 口的全部管脚浮空，可作为高阻抗输入。作输入口使用时要先写 1，这就是准 双向的含义。 CPU 访问片外存储器时， 口是分时提供低 8 位地址和 8 位数据的复用总线 口内部上拉电阻有效。 12 8031 单片机初始复位不 电平） ，以实现外部 ROM 单元的读操作. 北华化航天工业学院毕业论文 ② P1 口：P1.0～P1.7（1～8 脚） P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 端口。P1 口的每一位能驱动（吸收 或输出电流）4 个 LS 型 TTL 负载。在 P1 口作为输入口使用时，应先向 P1 口锁存器（地 址 90H）写入全 1，此时 P1 口管脚由内部上拉电阻接成高电平。 ③ P2 口：P2.0～P2.7（P21～28 脚） P2 口是一个带内部上接电阻的 8 位准双向 I/O 端口。P2 口的每一位能驱动（吸收或 输出电流）4 个 LS 型 TTL 负载。 ④ P3 口：P3.0～P3.7（P21～28 脚） P3 口是一个带内部上接电阻的 8 位准双向 I/O 端口。P3 口的每一位能驱动（吸收或 输出电流）4 个 LS 型 TTL 负载。P3 口与其他 I/O 端口有很大区别，它除了作为一般准双 向 I/O 口外，每个管脚还具有专门的功能。 （2）某些信号引脚的第二功能 由于工艺及标准化等原因， 芯片的引脚功能是有限的。 因此就出现了需要与可能的矛盾， “兼职”是可行的办法，即给一些信号引脚赋以双重功能（第二功能） 。MCS-51 某些 引脚的第二功能如下： 1) P3 口的第二功能。P3 口的 8 条口线都定义有第二功能。见表 4-1. 表 4-1 P3 口各引脚于第二功能 引脚 P3.0 P3.1 P3.1 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 第二功能 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD 信号名称 串行数据接收 串行数据发送 外部中断 0 申请 外部中断 1 申请 定时/计数器 0 的外部输入 定时/计数器 1 的外部输入 外部 RAM 写选通 外部 RAM 读选通 2) EPROM 存储程序固化所需的信号。有内部 EPROM 的单片机芯片为写入程序需提供 专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚以第二功能的形式提供的，即： 编程脉冲：30 脚（ALE/PROG）对于 EPROM 型单片机，在 EPROM 编程期间，此引脚用 于输入编程脉冲。 13 北华化航天工业学院毕业论文 编程电压（21V） ：31 脚（EA/VPP）对于 EPROM 型单片机，在 EPROM 编程期间，此引 脚应施加 21V 的编程电源（VPP） 。 3）用电源引入：由 9 脚（RST/VPD）引入，当电源发生故障，电压降低到下限值时， 用电源经此端向内部 RAM 提供电压，以保护内部 RAM 中的信息不丢失。 4.2.2 温度检测 这部分包括温度传感器、变速器和 A/D 转换三部分。 温度传感器和变送器的类型选择与被控温度的范围及精度等级有关。 A/D 转换器件的选择主要取决于温度的控制精度。 4.2.2.1 温度传感器 （1）温度传感器的含义 传感器， 从广义上讲， 就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信 号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。 它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直 接输出电信号， 本身就构成传感器。 敏感元器件品种繁多， 就其感知外界信息的原理来讲， 可分为①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。②化学类，基于化学反应的 原理。③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为 热敏元件、光敏元件、气 敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线 敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将传感器分 46 类） 。 温度传感器主要由热敏元件组成。热敏元件品种教多，市场上销售的有双金属片、铜 热电阻、铂热电阻、热电偶及半导体热敏电阻等。以半导体热敏电阻为探测元件的温度传 感器应用广泛，这是因为在元件允许工作条件范围内，半导体热敏电阻器具有体积小、灵 敏度高、精度高的特点，而且制造工艺简单、价格低廉。 （2）温度传感器产品的分类 目前，温度传感器没有统一的分类方法。其中， 按输出量分类有模拟式温度传感器和数字式温度传感器。 按测温方式分类有接触式温度传感器和非接触式温度传感器。 按类型分类有分立式温度传感器（含敏感元件） 、模拟集成温度传感器和智能温度传 感器（即数字温度传感器） 。 模拟式温度传感器输出的是随温度变化的模拟量信号。其特点是输出响应速度较快， 和 CPU（微处理器）接口较复杂。数字式温度传感器输出的是随温度变化的数字量，同模 拟输出相比，它输出速度响应较慢，但容易与 CPU 接口。 （3）选择传感器的总原则 传感器作为单片机测控系统前向通道的关键部件， 在选择传感器时应考虑以下几个方 面： 14 北华化航天工业学院毕业论文 1.根据测控对象与测控环境确定传感器的类型 由被测对象的特点和传感器的使用条件综合考虑以下一些具体问题：?传感器 的量程；? 被测位置对传感器体积的要求；? 测量方式为接触式还是非接触式；④传感 器信号的引出是有线还是无线；⑤使购买传感器还是自行研制传感器以及价格因素等。 在综合考虑以上因素之后就能确定选择何种传感器，然后再考虑传感器的具体 性能指标。 2.灵敏度的选择 通常情况下，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为灵敏度越 高，与被测量变化相对应的输出信号的值越大，有利于信号处理。但是，传感器的灵敏度 越高，与被测量无关的的外界噪声越容易混入，噪声被放大系统放大后会影像测量精度。 因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。 另外某些传感器的灵敏度是具有方向性的。 当被测量是单向量， 而且对方向性要求较 高，则应选择其他方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉 灵敏度越小越好。 3.频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围， 传感器的频率响应好， 可测的信号 频率范围就越宽， 传感器的输出信号必须在允许的频率范围内保持不失真， 实际上传感器 的响应总有一定的延迟，希望延迟时间越短越好。 4.线性范围 传感器的线性范围是指输出信号与输入量成正比的范围。 从理论上讲， 在此范围内灵 敏度应保持定值。传感器的线性范围越宽，其量程越大，并且能保证一定的精度。在选择 传感器时， 当传感器的种类确定之后首先要看其量程是否满足要求。 实际上任何传感器都 不能保持的线性，其线.稳定性 传感器使用一定时间以后， 其性能保持不变话的能力称为稳定性。 影响传感器长期稳 定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要是传感器具有良好 的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。 6.精度的选择 精度是传感器一个重要的性能指标， 它是关系到整个测控系统测量精度的一个重要指 标。传感器的精度越高，其价格就越昂贵。因此，传感器的精度越高只要能满足整个测控 系统的要求就行了， 不必选的过高。 这样就可以能在满足在满足统一测量目的的诸多传感 器中选择比较便宜和简单的的传感器。 （3）温度传感器的选择 不同的传感器具有不同的应用场合，由于在温度测控系统中，传感器事前向通道 的关键部件，因此选择合适的传感器是非常重要的。选择的原则要考虑温度范围、温控精 15 北华化航天工业学院毕业论文 度、测温场合、价格等级方面的因素。 如果被测温度较高，一般可选择热电偶式或辐射式温度传感器；对于常温区域的 温度测量，如果要求精度较高，已选择集成温度传感器；如果要求精度不高，宜选择热敏 电阻温度传感器； 如果要求对对被测温度能快速反应， 则应选择时间常数小的温度传感器； 若被测环境具有较强腐蚀性， 则选择的传感器就要考虑能耐何种腐蚀， 必要时要对传感器 进行一定的耐腐蚀封装。 总之，传感器的选择要与温度测控系统的要求相适应，除此之外再考虑成本。在 满足要求的前提下，尽可能选择成本较低的传感器。 综上， 因此选择型号为 WZB—003， 分度号为 BA2 的铂热电阻适用于 0℃～500℃的温 度测量范围，其可以满足本系统的要求。 （4）铂热电阻温度传感器 铂热电阻温度传感器是利用热电阻温度系数随温度变化的特性而制成的温度传感 器，其电阻值具有随温度升高而增大的特性。其特点是：精度高，稳定性好、重复性好、 温度系数高。 因此，它是目前制造热电阻温度传感器理想的材料，可用作标准电阻温度计，被 广泛应用于作为温度的基准。 常用标准铂电阻温度传感器的特性： 铂的纯度常以 R100/R0 来表达， 通常用 W 100） （ 来表示，一般温度测控系统中常用的铂电阻的 W（100）不得小于 1.391。 BA2 铂热电阻特性：R0=100.00Ω ；R100/R0=1.391+(-)0.001;精度等级为 2 级；R0 允 许 的 误 差 为 -0.5% ～ +0.5% ； 大 允 许 误 差 ： (0 ℃ ～ 500 ℃ )-0.3+4.5*10-3t ～ +0.3+4.5*10-3t。 4.2.2.2 变送器 变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压，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偶输出的 0mV-41.32mV 变换成 4mA-20mA 的电流； 电流/电压变 送器用于把毫伏变送器输出的 4mA-20mA 电流变换成 0-5V 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 500℃-1000℃，则热电偶输出为 20.6mV-41.32mV，毫伏变送器零点迁移后输出 4mA-20mA 范围电流。这样，采用 8 位 A/D 转换器就可使量化温度达到 1.96℃以内,当温度在 0℃ ~500℃时变送器输出 0~4.9 V 左右的电压。 在此，变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压，当温度在 0℃~500℃时变送器 输出 0～4.9 V 左右的电压。 16 北华化航天工业学院毕业论文 4.2.2.3 A/D 转换器 （1）A/D 转换器的作用 A/D 转换器用于实现模拟量到数字量的转换，即将一个输入电压信号转换为一个输 出的数字信号。 由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换 器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为的可转换信号大 小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。 （2）A/D 转换器的主要技术指标 ① 转换时间和转换速率 的倒数为转换速率。 ② 分辨率 A/D 转换器的分辨率习惯上用输出二进制位数或 BCD 码位数表示 量化过程引起的误差为量化误差。 量化误差是由于有限位数字量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,提高分辨率可减小量化 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误差。可用误差或相对误差表示 A/D 转换器重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表 示。 转换器能够准确输出的数字信号的位数越多， 表示转换器能够分辨输入信号的能力越 强，转换器的性能也就越好。 （3） A/D 转换器的分类 A/D 转换器的种类很多，按转换原理可分为 4 种，即技术式 A/D 转换器、双积分式 A/D 转换器、逐次逼近式 A/D 转换器和并行式 A/D 转换器。 目前常用的是双积分式 A/D 转换器和逐次逼近式 A/D 转换器。双积分式 A/D 转换 器的主要优点是转换精度高，抗干扰性能好，价格便宜。其缺点是转换速度较慢，因此， 这种转换器主要用于速度要求不高的场合。另一种常用的 A/D 转换器是逐次逼近式的， 逐次逼近式 A/D 转换器是一种速度较快，精度较高的转换器，其转换时间大约在几微秒 到几百微秒之间。通常使用的逐次逼近式 A/D 转换器芯片有 1）ADC0801——ADC0805 型八位 MOS 型 A/D 转换器（美国国家半导体产品） 。 它是目前流行的中速廉价型产品，偏内有三态数据输出锁存器，但通道输入，转换时间约 100 毫秒左右。 2）ADC0808/0809 型八位 MOS 型 A/D 转换器。它可实现 8 路模拟信号的分时采集， 片内有 8 路模拟选通开关， 以及相应的通道地址锁存用译码电路， 其转换时间为 100 毫秒 右。 3） ADC0816/0817。 这类产品除输入通道数增加至 16 个外， 其他性能与 ADC0808/0809 17 转换时间是 A/D 完成一次转换所需要的时间。转换时间 北华化航天工业学院毕业论文 型基本相同。 （4）A/D 转换器的选择 A/D 转换器的选择原则如下： ① 根据前向通道的总误差，选择 A/D 转换器精度及分辨力。应将综合精度在各个环 节上进行分配，已确定对 A/D 转换精度的要求，据此确定 A/D 转换器的位数。 ② 根据信号对象的变化率及转换精度的要求，确定 A/D 转换器的速度，以保证系统 的实时要求。 ③ 根据环境条件选择 A/D 转换芯片的一些环境参数要求，如工作温度、功耗、可靠 性等指标。 ④ 根据计算机接口特征，考虑如何选择 A/D 转换器的输出状态。 A/D 转换器件的选择主要取决于温度的控制精度。 本系统要求温度控制误差≤±2℃， 采用 8 位 A/D 转换器，其量化误差为±1／2（1/250*500℃）=±1℃，完全能够满足 精度要求。这里我们采用 ADC0809 作为 A/D 转换器。电路设计好后，调整变送器的输出， 使 0℃～500℃的温度变化对应于 0～4.9 V 的输出， A/D 转换对应的数字量为 00H～FAH， 则 即 0～250，则转换结果乘以 2 正好是温度值。用这种方法一方面可以减少标度转换的工 作量，另一方面还可以避免标度转换带来的计算误差。 （5） ADC0809 的内部结构及转换原理 ADC0809 是典型的 8 位 8 通道逐次逼近式 A/D 转换器，CMOS 工艺。 0809 是采用逐次比较的方法完成 A/D 转换的。 由单一的+5V 电源供电。 片内带有锁存 功能的 8 路选 1 的模拟开关，由 C、B、A 的编码来决定所选的通道。0809 完成一次转换 需 100 微秒左右，输出具有 TTL 三态锁存缓冲器，可直接连到 MCS-51 的数据总线上。通 过适当的外接电路，0809 可对 0-5V 的模拟信号进行转换。 ADC0809 的内部逻辑结构如图 6 所示。 18 北华化航天工业学院毕业论文 图 4-6 ADC0809 的内部逻辑结构 如图 6 中所示，多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用一个 A/D 转换器进行转换。地址锁存于译码电路完成对 A、B、C 三个地址位进行锁存和译码， 其译码输出用于通道选择，如表 4-3 所示。 表 4-3 通道选择表 C 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 A 0 1 0 1 0 1 0 1 选择的通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 19 北华化航天工业学院毕业论文 8 位 A/D 转换器是逐次逼近式，由控制与时序电路、逐次逼近寄存器、树状开关以及 256R 电阻阶梯网络等组成。 输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量。 （6） A/D0809 信号引脚介绍 ADC0809 芯片为 28 引脚双列直插是封装，其引脚排列见图 4-7： 对 ADC0809 主要信号引脚的功能说明如下: ① IN7～IN0:模拟量输入通道。ADC0809 对输入模拟量的要求主要有：信号单 极性，电压范围 0～5V，若信号过小还需进行放大。另外，在 A/D 转换过程中模拟量输 入的值不应变化太快，因此，对变化速度快的模拟量，在输入前应增加采样保持电路。 ② ③ A、B、C：地址线。A 为地位地址，C 为高位地址，用于对模拟通道进行选 ALE:地址锁存允许信号。在对应 ALE 上跳沿，A、B、C 地址状态送入地址锁 择。上图中为 ADDA、ADDB 和 ADDC，其地址状态与通道相对应的关系见表 3。 存器中。 图 4-7 ADC0809 引脚图 ④ ⑤ 接。 ⑥ START；转换启动信号。START 上跳沿时，所有内部寄存器清零；START 下跳 D7～DO:数据输出线。其为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接连 OE：输出允许信号。其用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数 沿时，开始进行 A/D 转换；在 A/D 转换期间，START 应保持低电平。 据。OE=0 时，输出数据线 时，输出转换得到的数据。 20 北华化航天工业学院毕业论文 ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ CLOCK:时钟信号。ADC0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供， EOC：转换结束状态信号。EOC=0，正在进行转换；EOC=1,转换结束。该状态 VCC:+5V 电源。 VREF:参考电源。参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的 因此有时钟信号引脚。通常使用频率为 500KHZ 的时钟信号。 信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。 基准。其典型值为+5V(VREF(+)=+5V,VREF(-)=0V)。 （7） ADC0809 应用说明 1） ．ADC0809 内部带有输出锁存器，可以与 AT89S51 单片机直接相连。 2） 初始化时，使 ST 和 OE 信号全为低电平。 ． 3） 送要转换的哪一通道的地址到 A，B，C 端口上。 ． 4） 在 ST 端给出一个至少有 100ns 宽的正脉冲信号。 ． 5） 是否转换完毕，我们根据 EOC 信号来判断。 ． 6） 当 EOC 变为高电平时，这时给 OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。 ． （8） 1）. ADC0809 的工作过程 当模拟量送至某一输入通道 INT 后，CPU 将标识该通道编码的三位地址信号经 数据线或地址线输入到 ADDC、ADDB、ADDA 引脚上。 2）. 地址锁存允许 ALE 锁存这三位地址信号，启动命令 START 启动 A/D 转换。 3） 转换开始,EOC 变低电平，转换结束，EOC 变为高电平。EOC 可作为中断请求信 ． 号。 4）. 转换结束后，可通过执行 IN 指令，设法在输出允许 OE 脚上形成一个正脉冲， 打开三态缓冲器把转换的结果输入到 DB，一次 A/D 转换便完成了。 （9）ADC0809 与 CPU 的接口技术 由于 ADC0809 输入端具有可控的三态输出门， 所以它既能同微处理器直接相连， 也能 通过并行接口芯片同微处理器连接， 其与 CPU 的连接见图 4-8： ADC 0809 直接与单片机 8031 连接。 由于 A/D0809 片内无时钟，可利用 8031 提供的地址所存允许信号 ALE 经 D 触发器二 分频后获得，ALE 脚的频率是 8031 单片机时钟频率的 1/6（但要注意的是，每当访问外部 数据存储器时，将少一个 ALE 脉冲）。单片机时钟频率选用 6MHZ，则 ALE 引脚的输出频 率为 1MHZ，在二分频后为 500KHZ，恰好符合 ADC0809 对时钟频率的要求。由于 ADC0809 具有输出三态锁存器，其八位数据输出引脚可直接与数据总线相连。地址译码引脚 C、B、 A 21 北华化航天工业学院毕业论文 图 4-8ADC0809 与 8031 单片机的连接 分别与地址总线 中的一个通路。 P2.7(地 将 址总线)作为片选信号，在启动 A/D 转换时，由单片机的低电平写信号 WR 和 P2.7 控 制 ADC 的地址锁存和转换启动， 由于 ALE 和 START 连在一起， 因此 ADC0809 在锁存通道地 址的同时，启动并进行转换。在读取转换结果的时，用低电平的读信号 RD 和 P2.7 脚经一 级或非门后，产生正脉冲作为 OE 信号，用以打开三态输出锁存器。 采用中断方式大大节省了 CPU 的时间， EOC 脚经过非门与 8031 的低电平 INT1 脚 连接，当转换结束时，EOC 发出一个脉冲，向单片机提出中断申请，单片机响应中断请求， 由外部中断 1 的中断服务程序读 A\D 结果，并启动 0809 的下一次转换，外部中断 1 采用 跳沿触发方式。 4.2.3 温度控制 电炉控制采用可控硅来实现， 双向可控硅和电炉电阻丝串接在交流 220 V 市电回路中。 单片机的 P1.7 口通过光电隔离器和驱动电路送到可控硅的控制端， P1.7 口的高低电平 由 来控制可控硅的导通与断开，从而控制电阻丝的通电加热时间。 晶闸管又叫可控硅。 自从 20 世纪 50 年代问世以来已经发展成了一个大的家族， 它的 主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶 闸管，等等。今天大家使用的是单向晶闸管，也就是人们常说的普通晶闸管，它是由四层 22 北华化航天工业学院毕业论文 半导体材料组成的，有三个 PN 结，对外有三个电极：层 P 型半导体引出的电极叫阳 极 A，第三层 P 型半导体引出的电极叫控制极 G，第四层 N 型半导体引出的电极叫阴极 K。 从晶闸管的电路符号图 2 可以看到， 它和二极管一样是一种单方向导电的器件， 关键是多 了一个控制极 G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。 温度控制电路采用晶闸管调功方式。 双向晶闸管串在 50Hz 交流电源和加热丝电路中， 只要在给定周期里改变晶闸管开关的接通时间的脉冲信号即可。 这可以用一条 I/O 线， 通 过程序输出控制脉冲。 为了达到过零触发的目的，需要交流电过零检测电路。此电路输出对应于 50Hz 交流 电压过零时刻的脉冲，作为触发双向晶闸管的同步脉冲，使晶闸管，在交流电压过零时刻 导通。 电压比较器 LM311 将 50HZ 正弦交流电压变成方波。方波上升沿和下降沿分别作为单 稳态触发器的触发信号， 单稳触发器输出的窄脉冲经二极管或门混合， 就得到对应于 220V 市电过零时刻的同步脉冲。 此脉冲一路作为触发同步脉冲加到温控电路， 一路作为计数脉 冲加到单片机 8031 的 P3.4 和 P3.5 输入端。 4.2.4 人机对话 这部分包括键盘、显示和报警三部分电路。 4.2.4.1 键盘 键盘是一组按键的集合， 它是常用的单片机输入设， 操作人员可以通过键盘输入 数据或命令，实现简单的人机通信。键是一种常开型按纽开关，平时键的两个触点处于断 开状态，按下键时它们才闭合。键盘分编码和非编码键盘。键盘上闭合键的识别由专用的 硬件译码器实现并产生键编号或键值的称为编码键盘，如 BCD 码键盘、ASCII 码键盘等； 靠软件识别的称为非编码键盘。 为使系统简单紧凑， 键盘只设置 4 个功能键， 分别是启动、 “百位+”、“十位+”和“个位+”键，由 P1 口低 4 位作为键盘接口。利用+1 按键可以 分别对预置温度的百位、十位和个位进行加 1 设置，并在 LED 上显示当前设置值。连续按 动相应位的加 1 键即可实现 0℃～500℃的温度设置。 4.2.4.2.显示器 本系统设有 3 位 LED 数码显示器， 停止加热时显示设定温度， 启动加热时显示当前烤 箱温度。采用串行口扩展的静态显示电路作为显示接口电路。所谓静态显示，就是当显示 器显示某个字符时，相应的段（发光二极管）恒定地导通或截止，直到显示另一个字符为 止。例如，七段显示器的 a,b,c 段恒定导通，其余段和小数点恒定截止时显示“7” ，当更 换显示另一个字符“0”时，显示器的 a,b,c,d,f 段恒定导通，g、dp 截止。 LED 显示器工作于静态显示方式时， 各位的共阴极 （公共端 K0） 接地， 若为共阳极 （公 共 K0）时接+5V 电源。每位的段选线（a—dp）分别与一个 8 位锁存输出口相连，显示器 中的各位相互独立，而且各位的显示字符一经确定，相应锁存的输出将维持不变。正因为 如此，静态显示器的亮度较高。 23 北华化航天工业学院毕业论文 LED 的动态显示方式，在多位 LED 显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的选 线 位 I/O 口控制。而共阴 I/O 线控制，实现各部分的分时选通。 由于所有 6 位选线皆由一个 I/O 口控制，因此，在每一瞬间，6 位 LED 会显示相同的 字符。要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方法流点亮各位 LED，即在一瞬间只使 某一位显示字符。在此瞬间，段选控制 I/O 口输出相应字符段选码（字型码） ，而位选则 控制 I/O 口在该显示位送入选通电平（因为 LED 为共阴，故应送低电平） ，以保证该位显 示相应字符。如此轮流，每位分时显示该位应显示字符。 数码显示器与 8031 的接口电路给出了 6 位共阴极显示器和 8031 的接口逻辑， 8155 的 A 口控制显示器的阴极电位，称为扫描口，B 口控制各显示器的字形显示，称为段数据输 出口。8031 的 P2.7 经反相后接到 8155 的片选端 CE，P2.6 接 8155 的 I/O 口与 RAM 选择 端 IO/M。P0 口作为数据线 的 ALE 相连。 4.2.4.3 报警器 报警功能由蜂鸣器实现。当由于意外因素导致烤箱温度高于设置温度时，P1.6 口送 出的低电平经反向器驱动蜂鸣器鸣叫报警。 (1）蜂鸣器的介绍 1）蜂鸣器的作用 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电， 广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设、电话机、 定时器等电子产品中作发声器件。 2）蜂鸣器的分类 (2）蜂鸣器的结构原理 1）压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及 共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。 多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5~15V 直流工作电压）, 多谐振荡器起振,输出 1.5~2.5kHZ 的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。 压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电 极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。 2）电磁式蜂鸣器 组成。 接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振 动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等 蜂鸣器主要分为压电式和电磁式两种类型。 蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”。 3）蜂鸣器的电路图形符号 24 北华化航天工业学院毕业论文 4.2.5 其它可扩展电路 对于要求更高的系统，在现有电路的基础上，可以视需要自行扩展以下接口电路： (1)实时时钟电路：连接实时时钟芯片 DS12887 可以获得长的采样周期，显示年、月、 日、时、分、秒，而其片内带有的 114 B 非易失性 RAM，可用来存入需长期保存但有时也 需变更的数据。如采样周期、PID 控制算法的系数 KP、KI、KD 等。 (2) “看门狗”电路：连接集成监控芯片 MAX705 可实现对主电源 VCC 的监控，提高 系统的可靠性。 MAX705/ MAX706/ MAX707/ MAX705 微处理器监控电路简介： 在上电、掉电或电源不稳定时产生一个低电平复位信号输出、复位脉冲宽度 200ms， VCC=1V 时，保证/RESET 有效；当 Watchdog 输入在 1.6s 内未能触发时，将产生低电平有 效的 Watchdog 输出信号； 1.25V 门限监测器用于掉电警告、 低电池检测和监视+5V 以外的 电源；消抖动的 TTL/CMOS 兼容的低电平的手动复位输入；MAX707/708 除了用一个高电平 有效的复位信号代替了 Watchdog 定时器以外， 其他功能与 MAX705/706 相同； 两种电源电 压监控电平，MAX705/707 当电源电压将至低于 4.65V 时，产生复位脉冲，MAX706/708 当 电源低于 4.40V 时产生复位脉冲；200μ A 静态电流；VCC=+5V。 由于干扰或程序设计错误等各种原因， 程序在运行过程中可能会偏离正常的顺序而进 入到不可预知、不受控制的状态，甚至陷入死循环，我们称为飞程序、死机。为防止这种 情况造成重大损失，并让系统能够自动恢复正常运行，必须对系统运行进行监控，完成系 统运行监控功能的电路或软件称为“看门狗”电路或“看门狗”定时器。 其工作原理是系 统在运行过程中，每隔一段固定的时间给“看门狗”一个信号，表示系统运行正常。如果 超过这一时间没有给出信号， 则表示系统失灵。 “看门狗”将自动产生一个复位信号使系 统复位，或产生一个“看门狗”定时器中断请求，系统响应该请求，转去执行中断服务子 程序，处理当前的故障，如停机或复位等。 应用“看门狗”技术能够使程序从死循环中恢复到正常状态， “看门狗”就是一个时 间监视器，时间监视器有两种：一种是硬时钟，另一种是软时钟。硬时钟是在 CPU 芯片外 用硬件构成一个定时器，软时钟是利用片内定时/计数器，定时时间比正常执行一次程序 循环所需时间要长。程序正常运行未受干扰时，CPU 每隔一段时间就对硬时钟输出复位脉 冲使其复位，或对软时钟重置时间常数并使其复位，复位时间应比设定的定时时间要短， 使系统不受影响地正常工作。 当受到干扰使程序不能正常运行陷入死循环时， 因不能及时 发出复位脉冲， 硬时钟或软时钟运行至既定的定时时间， 硬时钟会输出一个复位脉冲使单 片机复位。软时钟可产生中断，在中断服务子程序中进行相应处理。 “看门狗”技术可以采用硬件电路实现，也可采用软件技术通过内部定时/计数器实 现。 25 北华化航天工业学院毕业论文 4.2.6 硬件抗干扰措施 为提高系统的可靠性，除了对系统供电、接地及传输过程抗干扰以外，更重要的是在 系统硬件设计时，根据不同的干扰采取相应的措施。 单片机应用系统的干扰很大程度上来源于模拟输入通道， 如传感器， 转换电路等。 A/D 传统的方法是抑制相应的模拟信号干扰， 如在输入回路中接入模拟滤波器， 使用双积分式 A/D 转换器、V/I 转换，采用专用隔离放大器等。由于单片机应用系统是一个数字—模拟 混合的系统，所以，采用数字隔离技术，即光电隔离技术将是更好的选择。 光电隔离是通过光电耦合器实现的。 光电耦合器是将一个发光二极管和一个光敏三极 管封装在一个外壳里的器件。 发光二极管与光敏三极管之间用透明绝缘体填充， 并使发光 管与光敏管对准， 则输入电信号使发光二极管发光， 其光线又使光敏三极管产生电信号输 出，从而既完成了信号的传递，又实现了信号电路与接收电路之间的电气隔离，割断了噪 声从一个电路进入另一个电路的通路。 除隔离和抗干扰功能以外， 光电耦合器还可用于实 现电平转换。光电耦合的响应时间一般不超过几微秒。采用光电隔离技术，不仅可以把主 机与输入通道进行隔离，而且还可以把主机与输出通道进行隔离，构成所谓“全浮空系 统”。 虽然采取了各种干扰措施，但由于各种原因，仍然可能出现各种掉电、飞程序、死机 等系统完全失灵的情况。系统监控（也称为 uP,即 Microprocessor 监控）是针对上述情况 而设置的后一道防线，用以确保系统的可靠性。 26 北华化航天工业学院毕业论文 第 5 章 软件设计 5.1 设计原则 系统的操作过程和工作过程在程序的设计过程中起着很重要的指导作用， 因此， 在软 件设计时要注意以下设计原则： (1)采用模块程序设计。 (2) 采用自顶向下的程序设计。 (3) 外部设和外部事件尽量采用中断方式与 CPU 联络, 这样, 既便于系统模块化, 也可提高程序效率。 ? (4) 近几年推出的单片机开发系统, 有些是支持高级语言的, 如 C51 与 PL/M96 的编 程和在线) 目前已有一些实用子程序发表, 程序设计时可适当使用, 其中包括运行子程序 和控制算法程序等。 ? (6)系统的软件设计应充分考虑到软件抗干扰措施。 5.2 工作流程 烤箱在上电复位后先处于停止加热状态， 这时可以用“+1”键设定预置温度， 显示器 显示预定温度； 温度设定好后就可以按启动键启动系统工作了。 温度检测系统不断定时检 测当前温度，并送往显示器显示，达到预定值后停止加热并显示当前温度；当温度下降到 下限（比预定值低 2℃）时再启动加热。这样不断重复上述过程，使温度保持在预定温度 范围之内。启动后不能再修改预置温度，必须按复位/停止键回到停止加热状态再重新设 定预置温度。 5.3 功能模块 根据上面对工作流程的分析，系统软件可以分为以下几个功能模块： (1)键盘管理：监测键盘输入，接收温度预置，启动系统工作。 (2)显示：显示设置温度及当前温度。 (3)温度检测及温度值变换：完成 A/D 转换及数字滤波。 (4)温度控制：根据检测到的温度控制电炉工作。 (5)报警：当预置温度或当前炉温越限时报警。 27 北华化航天工业学院毕业论文 5.4 资源分配 为了便于阅读程序，首先给出单片机资源分配情况。 数据存储器的分配与定义见下表 5-1 表 5-1 温度控制软件数据存储器分配表 地址 50H~51H 52H~53H 54H~56H 57H~58H 59H~7FH PSW.5 功能 当前检测温度，高位在前 预置温度，高位在前 BCD码显示缓冲区，百位、 十位、个位 二进制显示缓冲区， 高位在 前 堆栈区 报警允许标志 F0=0时禁止报警；F0=1时 允许报警 名称 TEMP1~TEMP0 ST1~ST0 T100，T10，T BT1，BT0 初始化值 00H 00H 00H 00H F0 0 程序存储器：EPROM27256 的地址范围为 0000H~7FFFH I/O 口：P1.0~P1.3——键盘输入；P1.6、P1.7——报警控制和电炉控制。A/D 转换器 0809：通道 0~通道 7 的地址为 7FF8H~7FFFH，使用通道 0。 5.5 功能软件设计 5.5.1 键盘管理模块 上电或复位后系统处于键盘管理状态， 其功能是监测键盘输入， 接收温度预置和启动 键。程序设有预置温度合法检测报警，当预置温度超过 500℃时会报警并将温度设定在 500℃。键盘管理子程序流程图如图 5-1 所示。 键盘管理子程序 KIN： KIN: MOV ACALL CHK BT1，ST1 ；预置温度合法性检测 28 北华化航天工业学院毕业论文 A 预置温度合法检查 预置温度→显示缓冲区 调用显示子程序 P1 .1 ＝0 N P1 .2 ＝0 N P1 .3 ＝0 N N P1 .0 ＝0 Y 返回 启动加热 N A Y 1 00 →A Y 1 0→A Y 1 →A 有键闭合 Y 调用显示子程序 延时去抖 N A＋预置温度→ 预置温度数据区 键释放 Y N 有键闭合 Y 图 5-1 键盘管理子程序流程图 MOV BT0，ST0 LCALL DISP KIN0： JZ ACALL ACALL JZ KIN0 ACALL KIN0 DISPACALL KEY DISP KEY ；预置温度送显示缓冲区 ；显示预置温度 ；读键值 ；无键闭合和重新检测 ；二次调用显示子程序延时去抖 ；再检测有无键按下 ；无键按下重新检测 ；百位键按下 JB ACC.1，S10 MOV A，#100 AJMP S10： SUM JB ACC.2，S1 ；十位键按下 29 MOV A，#10 北华化航天工业学院毕业论文 AJMP SUM S1： SUM： JB ADD ACC.3，S0 ；个位键按下 ；预置温度按键+1 A， ST0 MOV A，#01 MOV ST0，A MOV A，#00H ADDC KIN1： ACALL JNZ S0： RET KEY： CPL RET 预 置 温度合法性检测子程序 CHK( 用双字节减法比较预置温度是否大于 500℃ (01F4H))： CHK： MOV CLR C SUBB SUBB JC RET OUTA： MOV ST1，#01H MOV ST0，#0F4H CLR SETB RET 5.5.2 显示模块 30 A，ST1 KEY ；判断闭合键释放 ；未释放继续判断 ；闭合键释放继续扫描键盘 ；无键按下重新扫描键盘 ；启动键按下返回 ；读键值子程序 MOV ST1，A KIN1 AJMP KIN JNB ACC.0，KIN MOV A A，P1 ANL A，#0FH A，#0F4H A，ST0 A，ST1 ；预置温度上限低 8 位送 A ；低 8 位减，借位送 CY ；预置温度上限高 8 位送 A ；高 8 位带借位减 ；预置温度越界，转报警 ；预置温度合法标志 ；将 500 写入预置温度数据区 ；发报警信号 0.6 s ；停止报警 MOV A，#01H OUTA MOV A，#00H P1.6 P1.6 ACALL D0.6s 北华化航天工业学院毕业论文 显示子程序的功能是将显示缓冲区 57H 和 58H 的二进制数据先转换成三个 BCD 码， 分 别存入百位、十位和个位显示缓冲区（54H、55H 和 56H 单元） ，然后通过串口送出显示。 显示子程序 DISP： DISP： ACALL MOV MOV MOV MOVC MOV WAIT： NEXT： JBC INC DJNZ HTB R2，#03H R0，#T100 A，@R0 A，@A+DPTR SBUF，A TI，NEXT R0 R2，LD ；将显示数据转换为 BCD 码 ；置串行口为方式 0 ；显示位数送 R2 ；显示缓冲区首地址送 R0LD： ；指向字型码表首地址 ；取显示数据 ；查表 ；字型码送串行口 ；发送结束转下一个数据并清中断标志 ；发送未完等待 ；修改显示缓冲区指针 ；判 3 位显示完否，未完继续 ；字型码表（略） ；取二进制显示数据低 8 位 ；除 100，确定百位数 ；百位数送 54H 单元 ；除 10，确定十位 XCH ；十位数送 55H 单元 ；个位数送 56H 单元 ；取二进制显示数据高 8 位 ； 高位不为 0 转 LH1 继续高 8 位转换 ；高位为 0 结束，返回 ；高位不为 0，低位转换结果加 256 A，B MOV MOV SCON，#00H DPTR，#TAB SJMP WAIT RETTAB： ? BCD 码转换子程序 HTB： HTB： MOV MOV DIV MOV MOV DIV MOV MOV JNZ RET LH1： MOV A，#06H ADD DA MOV MOV A T，A A，#05H A，T A，BT0 B，#100 AB T100，A A，#10 A，B T，B A，BT1 LH1 MOV T10，A （因为温度数据不会大于 500，所以高 8 位多为 01H，即 256） ；个位加 6（十进制加） ；结果送回个位 ADDC A，T10 31 北华化航天工业学院毕业论文 DA MOV MOV DA MOV RET A T10，A A，#02H A T100，A ；十位加 5（十进制加） ；结果送回十位 ADDC A，T100 ；百位加 2（十进制加） ；结果送回百位 5.5.3 温度检测模块 A/D 转换采用查询方式。为提高数据采样的可靠性，对采样温度进行数字滤波。数字 滤波的算法很多，这里采用 4 次采样取平均值的方法。如前所述，本系统 A/D 转换结果乘 2 正好是温度值，因此，4 次采样的数字量之和除以 2 就是检测的当前温度。检测结果高 位存入 50H，低位存入 51H。温度检测子程序流程图如图 5-2 所示。 温度检测子程序 TIN： TIN： MOV MOV MOV MOV LTIN1： MOVX HERE： JNB TEMP1，#00H TEMP0，#00H R2，#04H DPTR，#7FF8H @DPTR，A IE1，HERE TEMP0 ；取样次数送 R2 ；指向 A/D 转换器 0 通道 ；启动转换 ；等待转换结束 ；读转换结果 ；累加（双字节加法） ；清检测温度缓冲区 MOVX A，@DPTR ADD A， MOV TEMP0，A MOV A #00H 32 北华化航天工业学院毕业论文 A 清检测结果缓冲区 采样次数4 →R 2 N R2 －1 ＝0 Y 4 次累加结果除2 → 检测结果缓冲区 启动A/D转换 N 转换结束 Y 累加采样结果 结果低8 位→5 1H 高8 位→5 0H A 图 5-2 温度检测子程序流程图 返回 ADDC MOV DJNZ CLR MOV RRC MOV MOV RRC MOV RET A，TEMP1 TEMP1，A R2，LTIN1 C A，TEMP1 A TEMP1，A A，TEMP0 A TEMP0，A ；4 次采样完否，未完继续 ；累加结果除 2(双字节除法) 33 北华化航天工业学院毕业论文 5.5.4 温度控制模块 将当前温度与预置温度比较，当前温度小于预置温度时，继电器闭合，接通电阻丝加 热； 当前温度大于预置温度时， 继电器断开， 停止加热； 当二者相等时电炉保持原来状态； 当前温度降低到比预置温度低 2℃时，再重新启动加热；当前温度超出报警上下限时将启 动报警， 并停止加热。 由于电炉开始加热时， 当前温度可能低于报警下限， 为了防止误报， 在未达到预置温度时，不允许报警，为此设置了报警允许标志 F0。模块流程见图 5-3。 温度控制子程序 CONT： CONT： MOV CLR C SUBB MOV MOV SUBB JNB MOV CLR SUBB C A，#02H A，ST0 B，A A，TEMP1 A，ST1JNC F0，LON A，B LOFF 度， ；无借位，表示当前温度≥预 转 LOFF ；当前温度预置温度，判是否达到过 预置温度 ；若达到过预置温度，判二者差值是否大于 2 置温 ；低 8 位相减的差值暂存 B A，TEMP0 ；当前温度-预置温度（双字节减） 34 北华化航天工业学院毕业论文 当前温度与预置温度比较 当前温度＜预置温度 Y N 达到过预置温度 Y N 置允许报警标志 当前温度＜预置温度－2 Y 开电炉 N 关电炉 返回 图 5-3 温度控制流程图 JNC ACC.7，LOFF LON： CLR SETB SETB P1.7 EXIT： RET P1.7 F0 SJMP EXIT ；差值不大于 2，转 LOFF ；开电炉 ；返回 LOFF： ；设置允许报警标志 ；关电炉 35 北华化航天工业学院毕业论文 5.5.5 温度越限报警模块 报警上限温度值为预置温度+5℃， 即当前温度上升到高于预置温度+5℃时报警， 并停 止加热；报警下限温度值为预置温度-5℃，即在当前温度下降到低于预置温度-5℃，且报 警允许时报警，这是为了防止开始从较低温度加温时误报警。报警的同时也关闭电炉。图 5-4 为报警子程序流程图。 当前温度 -预置温度 差高字节→A 差低字节→B 置允许报警标志 差＞5 当前温度≤预置温度 Y 预置温度 -当前温度 差高字节→A 差低字节→B N Y 允许报警 Y 开报警器，关电炉 N N 返回 图 5-4 为报警子程序流程图 报警子程序 ALARM ALARM： MOV CLR SUBB MOV MOV SUBB JC AJMP LA0： CLR A，TEMP0 C A，ST0 B， A A，TEMP1 A，ST1 LA0 LA1 ；预置温度低字节→A C ； （当前温度低字节-预置温度低字节）→A ；低字节相减结果送 B 暂存 ；当前温度高字节→A ； （当前温度高字节-预置温度高字节）→A ；有借位，当前温度小于预置温度转 ；当前温度≥预置温度，允许报警 ；当前温度低字节→A SETB F0 MOV A，ST0 36 北华化航天工业学院毕业论文 SUBB A，TEMP0 ； （预置温度低字节-当前温度低字节）→A ；低字节相减结果送 B 暂存 ；预置温度高字节→A ； （预置温度高字节-当前温度高字节）→ALA1： ；高低字节互换，判断相减结果是否大于 5 ； （低字节差-5）→A ； （低字节差-5）→B，高字节差→A ； （高字节差-0）→A（因为 5 的高字节为 0） ；相减结果小于 5，不报警返回 ；相减结果≥5，判是否允许报警，不允许则返回 ；启动报警 ；关电炉 ；报警延时 0.6 s ；关报警 ；延时 0.6 s 子程序 MOV B，A MOV A，ST1 SUBB A，TEMP1 XCH A，B CLR C SUBB A，#05H XCH A，B SUBB A，#00H JC CLR LA2 P1.6 D0.6s JNB F0，LA2 SETB P1.7 LCALL LA2： RET D0.6s： （略） SETB P1.6 5.5.6 主程序和中断服务子程序 主程序采用中断嵌套方式设计，各功能模块可直接调用。主程序完成系统的初始化， 温度预置及其合法性检测， 预置温度的显示及定时器 0 设置。 定时器 0 中断服务子程序是 温度控制体系的主体，用于温度检测、控制和报警（包括启动 A/D 转换、读入采样数据、 数字滤波、越限温度报警和越限处理、输出可控硅的控制脉冲等） 。中断由定时器 0 产生， 根据需要每隔 15 s 中断一次，即每 15 s 采样控制一次。但系统采用 6 MHz 晶振，定 时为 130 ms，为实现 15 s 定时，这里另行设了一个软件计数器。主程序和中断服务子程 序的流程图如图 5-5 所示。 37 北华化航天工业学院毕业论文 保护现场 重装定时器0 初值 开始 软定时器减1 定义堆栈区 N 1 5 s到 Y 重置软定时器初值 调用温度检测子程序 调用键盘管理子程序 启动键闭合时返回 开定时器0 中断 调用温度控制子程序 等待定时中断 调报警子程序 当前温度显示缓冲区 调显示子程序 定时器0 、软定时器、 各数据缓冲区、 各标志位初始化 中断返回 图 5-5 主程序和中断服务子程序的流程图 主程序 MAIN ： （数据缓冲区的定义和初始化部分从略） ORG AJMP ORG AJMP ORG MAIN： MOV MOV MOV MOV 0000H MAIN 000BH PT0 0030H SP，#59H TMOD，#01H TL0，#0B0H TH0，#3CH ；设定堆栈指针 ；定时器 0 初始化 ；定时器定时时间 100 ms 38 北华化航天工业学院毕业论文 MOV SETB SETB SETB R7，#150 ET0 EA TR0 ；置 15 s 软计数器初值 ；调键盘管理子程序 ；允许定时器 0 中断 ；开中断 ；启动定时器 0 ACALL KIN SJMP $ 定时器 0 中断服务子程序 PT0： PT0： MOV MOV DJNZ MOV MOV TL0，#0B0H TH0，#3CH R7，BACK R7，#150 ；重置定时器 0 初值 ；15 s 到否，不到返回 ；重置软计数器初值 ；温度检测 ；当前温度 送显示缓冲区 ACALL TIN BT1，TEMP1 MOV BT0，TEMP0 ACALL ACALL DISP CONT ；显示当前温度 ；温度控制 ；温度越限报警 LCALL ALARM BACK： RETI 39 北华化航天工业学院毕业论文 总 结 通过这次毕业设计使我了解到单片机应用在了我们生活中的各个方面， 我们都会看到 温度控制的影子，了解到了单片机在日常生活和生产中的重要性。 设计是从硬件和软件两方面介绍了以 MSC—51 为核心的单片机远程温度控制系统的 设计思路， 对硬件原理图和软件程序框图作了详细的描述。 首先介绍了当前温度控制系统 的发展趋势和前景， 又简单介绍了单片机的产生和发展， 接着根据总体设计思路进行整体 控制方案的确定， 然后在设计过程中通过比较分析确定了元器件并对各部分选用的元器件 进行了简单介绍。在软件部分的设计中，根据整体要求划分出了各功能模块，系统整体由 数据采集、中断处理、输出控制几部分组成。烘干箱的温度控制系统是一个典型的闭环控 制系统。从技术指标可以看出，系统对控制精度的要求不高，对升降温过程的线性也没有 要求，因此，系统采用简单的通断控制方式，即当烘干箱温度达到设定值时断开加热电 炉，当温度降到低于某值时接通电炉开始加热，从而保持恒温控制。 在这一设计过程。
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