基于AT89S52的热处理控制器的设计毕业设计

衢州学院毕业设计（论文）题目： 基于AT89S52的热处理控制器的设计 电气与信息工程学院毕业设计说明书（论文）毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘要温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。本设计使用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。本系统使用AT89S52单片机，使温度控制大为简便。关键词: AT89S52；传感器；PID调节；ADC0809AT89S52；Sensor； PID； ADC0809目 录第一章 概 述61.1单片机作用61.2 温度控制系统作用与要求71.2.1温度控制的作用71.2.2 温度控制的要求7第二章 系统原理及电路设计82.1温度的检测82.1.1传感器简介82.2 温度的测量电路92.3 MCS-51单片机122.4 MCS-51系列单片机引脚132.5 锁存器74LS373简介152.6总线驱动器74LS244152.7 单片机I/O口的扩展162.7.1、8155接口电路162.7.2、 8255接口电路172.7.3、LED电路的设计172.8 A/D转换器的选择及连接192.9报警电路的设计202.10复位电路202.10.1、复位操作原理202.10.2、复位电路212.11看门狗电路的设计212.12 时钟电路222.12.1、时钟电路222.12.、时钟信号的产生222.13 电磁阀控制电路232.13.1电磁阀的结构23调节阀的流量特性232.14 电源电路设计242.15、直流型固态继电器25第三章 数字PID调节器263.1 数字PID控制算法263.2 数字PID调节器参数的选择283.2.1、凑试法确定PID调节参数283.2.2、实验经验法确定PID调节参数293.2.3、采样周期的选择303.3 PID调节器及被控过程的数学模型30第四章 系统软件设计324.1 主要程序的框图和原理图32总结36致谢37参考文献38附录3954第一章 概 述1.1 单片机作用在工业生产过程中，温度是最基本的工艺参数之一，因此对温度实现自动控制是生产自动化的重要任务之。本系统以AT89S52单片机为核心构成一个智能炉温控制系统，具有对电炉温度的定时检测、实时控制和调节，参数显示和打印，存储必要的信息等功能。通过操作键盘，可在线修改给定值和控制参数，并进行手动、自动的切换。加热炉是将物料或工件加热的设备。按热源划分有燃料加热炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等。应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。加热炉按炉温分布，炉膛沿长度方向可分为预热段、加热段和均热段。单片机的温度控制是数字控制系统的一个应用。本系统所使用的加热炉为燃料加热炉，加热炉温控范围200650，热处理炉温升速率100150/h，加热炉恒温时间可调，且要能显示当前温度值。单片机温度控制系统是以MCS-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。系统的原理框图如图1-1所示，其基本控制原理为: ：用键盘将温度的设定值送入单片机，启动运行后，通过信号采集电路将温度信号采集到后，送到A/D 转换电路将信号转换成数字量送入单片机系统进行PID 控制运算，将控制量输出，控制煤气的浓度，把数据反馈给单片机。给定值煤气浓度被控对象主电路驱动电路AT89S52控制电路气体浓度传感器图1-1 原理框图1.2 温度控制系统作用与要求1.2.1温度控制的作用随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。1.2.2 温度控制的要求 在工业生产中，对温度控制系统的要求，主要是保证炉温按规定的温度工艺曲线变超调小或者无超调，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。温度工艺曲线随产品不同而不同，如图12的工作曲线由三部分组成： （1）等数升（降）温度。这一工艺过程要求加热炉在规定时间内等速从某个温度值变化到另一温度值。这时，微机不仅要检测炉温，还要对加热炉进行升（降）温控制。 （2）恒温段（亦称保温段）。这一工艺过程是温度控制的主要工艺过程，它要求控制系统保证炉温在各种干扰下能稳定在允许范围内。图1-2 热处理温度曲线第二章 系统原理及电路设计本次毕业设计其工作原理为：热处理器上有8个温度传感器和14个控制阀，温度传感器与控制阀是一一对应的对关，一个测温点对应一个控制阀。来至热处理器的温度经温度传感器将现场信号传化为电信号，再经放大器将信号放大，经多路开关选择通过，经A/D转换器转化为数字量并送入单片机进行控制处理，单片机的控制信号由P0输出并由8155扩展，使其能满足14路输出的控制要求，驱动电磁阀开关，实现温度的控制。2.1温度的检测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21所示。图21 温度数字检测的一般结构温度传感器将各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。微机通过控制多路开关选择某一路电压送到模/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偿，得到测温点的实际温度值。2.1.1传感器简介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，目前常用得有热电偶传感器、热电阻传感器和半导体集成温度传感器。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、测量范围广、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22所示。A和B得两个接点1和2之间穿在温度差时，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。热电偶的测温范围很宽,一般为501600，最低可达200，最高达2800（短时间内）：在良好的测量电路配合下，它可以实现搞精度测量，因此在工业生产过程得到很广泛的应用。日本工业界根据热电偶电极线径和对应的温度范围将热电偶分为7类，即K、E、J、T、B、R、S几种工业标准。测温范围一般由热电偶的线径决定，线径越粗所能测量的温度越高。根据本次毕业设计的实际测量温度的情况，我们选择热电偶作为本次设计的温度测量设备。2.2 温度的测量电路由于热电偶所输出的热电动势一般很小。每度只有几十微伏，这个热电动势在整个要测的范围内一般是非线性的。热电动势是热电偶工作端（热端）相对自由端（冷端）而产生的，因此用热电偶测量温度，选择或设计相应的测量电路必须要考虑三件事：采用什么样的放大电路？一、热电偶放大电路为便于输入通道AI中A/D转换所需电平，要对模拟传感器输出的弱信号加以放大，并把信号中的干扰噪声抑制在最低限度，因而须用低噪声、低漂移、高增益、高输入阻抗以及具有很高共模抑制比的直流放大器。这类的放大器常用的有测量放大器、可编程序放大器和隔离放大器。通过比较和讨论，在这本的设计中我们采用了测量放大器，下面介绍一下测量放大器。1、测量放大器的特点运算放大器对微弱信号的放大，仅适用于信号回路不受干扰的情况，然而，传感器的工作环境往往比较恶劣；两个输出端上经常产生较大的干扰信号，有时是完全相同的，完全相同的干扰信号称为共模干扰，虽然运算放大器对直接输入到差动端的共模信号有较强的抑止能力，但对简单的反相输入或同相输入接法，由于电路结构的不对称，抵御共模干扰的能力很差，故不能用在精密测量场合，因此，需要引入另一种形式的放大器，即测量放大器，又称仪用放大器、数据放大器，他广泛用于传感器的信号放大，特别是微弱信号及具有较大共模干扰的场合。测量放大器除了对低电平信号进行线性放大外，还担负着阻抗匹配和抗共模干扰的任务，他具有高共模抑止比、高速度、高精度、宽频带、高稳定性、高输入阻抗、低输出阻抗、低噪声等特点。2、测量放大器的组成 测量放大器的基本电路如图2-3所示。2-3 测量放大器的原理图测量放大器的放大倍数用下面公式计算 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范围内调节。3、实用测量放大器目前，国内外已有不少厂家生产了许多型号的单片机测量放大器芯片。供用户选择，美国公司提供的有AD521、AD522、AD612、AD605等。国内749厂生产的有ZF605、ZF603、ZF604、ZF606等。在信号处理中需对微弱信号放大时，可以不必再用分立的通用运算放大器来构成测量放大器。采用单片机测量放大器芯片显然具有性能优异、体积小、电路结构简单、成本低等优点。下面介绍两种单片机测量放大器。AD521 AD521的管脚功能与基本接法如图24所示图24 AD521的管脚功能与基本接法(a) 管脚功能 (b) 基本接法管脚OFFSET(4，6)用来调节放大器零点，调节方法是将该端子接到10电位器的两固定端，滑动端接负电源端。测量放大器计算公式为放大倍数在使用AD521（或其他测量放大器）时，都要特别注意为偏置电流提供回路，为此，输入（1或3）端必须与电源的地线相连构成回路，可以直接相连，也可以通过电阻相连。图24中给出了信号处理电路中与传感器不同的耦合方式下的接地方法。如下图：AD521的输入信号耦合方式 (a)变压器耦合 （b）热电偶直接耦合 （c）电容器耦合，通过电阻R为偏置电流提供回路虽然热电偶的每度所对应的热电动势只有几十微伏，对于电路技术和微电子技术发展到今天，检测几十微伏的电压信号的电路还是相当多的。设计这样的放大器是不太困难的，但是在设计电路时，还必须小心的选用有关元器件。下面我们以K类热电偶为例设计有关的放大器。图25 K型热电偶的放大电路和元件图25是K型热电偶的放大电路和元件。AD521测量放大器。假设该电路实现0800所对应电势的放大，根据表22所示的K型热电偶的温差电势，在0时，温差电势0V，800时对应的温差电势为33.277mV。如果要求该放大电路对于0800的温差电势，为配合之后的A/D转换器的输入电压，在放大器AD521的输出端输出02000mV,那么，运算放大器的增益应为60.1倍。该增益只要调整RG就能达到，所以元件参数选为：RG=15K。表21 热电偶的温差电势类 型温 度K(mV)J(mV)E(mV)T(mV)200100010020030040050060070080090010001100120013005.8913.55304.0958.13712.20716.39520.64024.90229.12833.27737.32541.26945.10848.82852.3987.8904.63205.26810.77716.32521.84627.38833.09639.13045.49851.87557.94263.77769.5368.8245.23706.31713.41921.03328.94336.99945.08553.11061.02268.78376.3585.6033.37804.2779.28614.86020.8692.3 MCS-51单片机单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称单片机，是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器及串型和并行I/O接口等部件。单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对象的控制。它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点。单片机是微型计算机的一个重要分支，特别适合用于智能控制系统。基于经济上的的考虑，以及本次设计的加热炉的精度要求，选用AT89S52单片机作为中央处理器。AT89S52是MCS51系列单片机的一种型号，在MCS51系列单片机中还有8051、8032、80C31等。本设计采用MCS-51单片机的AT89S52作为CPU, MCS-51系列单片机有十多个品种. l MCS-51单片机内部结构MCS-51系列单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、4个I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。SP是堆栈指针寄存器，PC是程序计数器，PSW是程序状态字寄存器，DPTR是数据指针寄存器。 一个完整的计算机应该由运算器、控制器、存储器（ROM及RAM）和I/O接口组成。一般微处理器（如Z80）只包括运算器和控制器两部分。和一般为处理器相比，8051增加了四个8位I/O口、一个串行口、4KB ROM、128B RAM、很多工作寄存器及特殊功能寄存器（SFR）。各部分的功能简述如下。 中央处理单元（CPU）CPU是单片机的核心，是计算机的控制和指挥中心，由运算器和控制器等部件组成。a) 运算器：包括一个可进行8位算术运算和逻辑运算的单元ALU，8位的暂存器1、暂存器2，8位的累加器ACC，寄存器B和程序状态寄存器PSW等。ALU：可对4位（半字节）、8位（一字节）和16位（双字节）数据进行操作。能做加减、乘、除、加1、减1、BCD数十进制调整及比较等算术运算和与、或、异或、求补及循环移位等逻辑操作。ACC：累加器ACC经常作为一个运算数经暂存器2进入ALU的输入端，与另一个来自暂存器1的运算数进行运算，运算结果又送回ACC。除此之外，ACC在8051内部经常作为数据传送的中转站。在指令中用助记符A来表示。PSW：程序状态字寄存器，8位，用于指示指令执行后的状态信息，相当于一般微处理器的标志寄存器。PSW中各位状态供程序查询和判别用。B：8位寄存器，在乘、除运算时，B寄存器用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一部分结果；若不做乘、除运算时，则可作为通用寄存器使用。b) 控制器：包括程序计算器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、振荡器及定时电路等。 存储器8051片内有ROM（程序存储器，只能读）和RAM（数据存储器，可读可写）两类，它们有各自独立的存储地址空间，与一般微机的存储器配置方式很不相同。 I/O接口8051有四个8位并行接口，即P0-P3。它们都是双向端口，每个端口各有8条I/O线，均可输入/输出。P0-P3口四个锁存器同RAM统一编址，可以把I/O口当作一般特殊功能寄存器来寻址。2.4 MCS-51系列单片机引脚MCS51系列单片机芯片均为40个引脚，HMOS工艺制造的芯片采用双列直插方式封装，其引脚示意及功能分类。下面按引脚功能分为4部分叙述各引脚的功能。这40脚大致可分为：电源（VCC、VSS、VDD、VPD），时钟（XTAL1、XTAL2），I/O（P0P3），地址总线（P0、P2），数据总线（BUS）和控制总线（ALE、RST、）6大部分。它们的功能简述如下：1主电源引脚Vcc（40脚）：接+5V电源正端。Vss（20脚）：接+5V电源地端。2外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1：引脚号19，内部振荡器外接晶振的一个输入端。在使用外部振荡源时，此端必须接地。XTAL2：引脚号18，内部振荡器外接晶振的另一个输入端。在使用外部振荡源时，此端用于输入外部振荡信号。XTAL2也是内部时钟发生器的输入端。当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。如果单片机是EPROM，在编程其间， 将用于输入编程脉冲。3MCS-51 输入/输出引脚MCS-51单片机有4个I/O端口，共32根I/O线，4个端口都是准双向口。每个口都包含一个锁存器，即专用寄存器P0-P3，一个输出驱动器和输入缓冲器。为方便起见，我们把4个端口和其中的锁存器都统称P0-P3。在访问片外扩展存储器时，低8位地址和数据由P0口分时传送，高8位地址由P2口传送。在无片外扩展存储器的系统中，这4个口的每一位均可作为双向的I/O口使用。P0口：可作为一般的I/O口用，但应用系统采用外部总线结构时，它分时作低8位地址和8位双向数据总线用。P1口：每一位均可独立作为I/O口。P2口：可作为一般I/O口用，但应用系统采用外部系统采用总线结构时，它分时作为高8位地址线。P3口：双功能口。作为第一功能使用时同P1口，每一位均可独立作为I/O口。另外，每一位均具有第二功能，每一位的两个功能不能同时使用。如表2-6示。4MCS-51控制线RST/Vpd（9脚）：RST即为RESET，Vpd为备用电源。该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机震荡工作时，该引脚上将出现持续两个机器周期的高电平，这时可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。当Vcc发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚上可接备用电源Vpd（+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。ALE/PROG（30脚）：地址锁存有效信号输出端。ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存P0输出端的低八位地址；在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。 PSEN（29脚）：片外程序存储器选通信号输出端，低电平有效。在从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期内该信号有效两次，并通过数据总线P0口读回指令或常数。在访问片外数据存储器期间，该信号将不出现。 EA/VPP（31脚）： EA为片外程序存储器选通断。该引脚有效（低电平）时，只选用片外程序存储器，否则单片机上电或复位后选用片内程序存储器。对于片内还有EPROM的机型，在编程期间，此引脚用作12V编程电源Vpp的输入端。5单片机外总线结构微型计算机大多数CPU外部都有单独的地址总线、数据总线和控制总线，而MCS51单片机由于受到芯片管脚的限制，数据线和地址线（低8位）是复用的，而且是I/O口兼用。为了将它们分离开来，以便同单片机之外的芯片正确地相连，常常在单片机外部加地址锁存器来构成与一般CPU相类似的三总线，6.MCS-51单片机系统扩展通常情况下，采用MCS-51系列单片机的最小系统只能用于一些很简单的应用场合，在此情况下直接使用单片机内部存储器、数据存储器、定时功能、中断功能、I/O端口等，组成的应用系统的成本较低。单片机系统扩展的方法有并行扩展法和串行扩展法两种。并行扩展法是利用单片机的三种线（AB、DB、CB）进行的系统扩展；串行扩展法是利用SPI三线总线或I2C双总线的串行系统扩展。但是，一般串行接口器件速度慢，在需要高速应用的场合，还是并行扩展法占主导地位。综上所述，MCS51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：（1）单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚都具有第2功能；（2）单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址线；由P0口分时复用作为数据总线；由ALE、PSEN、RST、EA与P3口中的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD共10个引脚组成控制总线。由于是16位地址线，因此，可使外部存储器的寻址范围达到64KB。2.5 锁存器74LS373简介74LS373是一种带输出三态门的8D锁存器，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。其中输入端接至单片机的口，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。2.6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。单向的内部有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（输出允许），DIR为“0”时方向从右到左（输入允许）。P2口如外接总线驱动器,它的两个控制端1G和2G均接地，相当于8个三态门均打开，数据从P2口到A8A15端直通，也就是说。此处采用74LS244纯粹是为了增加驱动能力而不加任何控制。2.7 单片机I/O口的扩展2.7.1、8155接口电路8155是Intel公司研制的通用I/O接口芯片。MCS-51和8155相连不仅可为外部设备提供两个8位I/O端口（A口和B口）和一个6位（C口），而且也可为CPU提供一个256字节RAM存储器和一个14位的定时器/计数器，所以8155广泛用于MCS-51系统中。MCS-51单片机可以和8155直接连接而不需要任何外加逻辑器件，就可为系统增加256个字节片外RAM、22位I/O口线以及一个14位定时器。P0口输出的低8位地址不必再另加锁存器，可直接与8155的AD0-AD7相连，既可作低8位地址总线，又可作数据总线。从P0口传送过来的地址信息在ALE的作用下在8155内部被锁存。高8位地址由及IO/的地址控制线决定，因此在图中的连接状态下，可以确定各个端口的地址：RAM的地址范围：FC00HFCFFH命令/状态口： FD00H； PA口： FD01H；PB口： FD02H； PC口： FD03H；定时器低8位： FD04H； 定时器高8位：FD05H8155在单片机应用系统中是16位地址数据，其高8位由片选线提供，而低8位地址为片内地址。当IOM/=0时，单片机对8155内RAM读/写，RAM低8位编址为00FFH；当IO/M=1时，单片机对8155中的I/O口进行读/写。AT89S52与8155的连接如图和键盘显示连接图如图2-6所示。图2-62.7.2、 8255接口电路(1)三个8位的I/O接口：A口、B口、C口A口具有一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。可编程为8位输入/输出或双向寄存器。B口具有一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器。可编程为8位输入/输出寄存器，但不能双向输入/输出。C口具有一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器。C口可分作两个4位口使用。它除了作为输入/输出口外，还可以作为A口、B口选通方式工作时的状态控制信号。(2)读/写控制逻辑读/写控制逻辑的功能用于管理所有的数据、控制字或状态字的传送。它接收来自 CPU的地址信息及一些控制信号来控制各个口的工作状态，这些控制信号有：CS：片选信号端，低电平有效。RD：读选通信号端，低电平有效WR：写选通信号端，低电平有效RESET：复位信号端，高电平有效。A1、A0（端口选择信号）：它们与RD、 WR信号配合用来选择端口及内部控制寄存器，并控制信息传送的方向，（3）A组和B组的控制电路这是两组根据CPU命令控制8255A 工作方式的电路。每组控制电路从读、写控制逻辑接收各种命令，从内部数据总线接收控制字（指令），并发出适当的命令到相应的端口。组控制电路控制口及C口的高位。B组控制电路控制B口及C口的低位。（4）数据总线缓冲器这是一个双向三态的位缓冲器，用于与系统的数据总线直接相连，以实现CPU和8255A间传送信息。2.7.3、LED电路的设计一、LED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相同。本设计是使用8155作为8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，也可以用相同的。反相电流驱动器经常使用7406；同相电流驱动器则采用7407或74LS244。（注意：使用OC门7406或7407时要加上拉电阻）LED显示器中的发光二极管共有两种连接方法:(1)共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接5V。阴极端输入电平的段发光二极管导通点亮，输入高电平的则不亮。(2)共阴极接法。把发光二极管的阴极连接在一起构成公共阴极。使用时公共阴极接地，阳极端输入高电平的段发光一几极管导通电亮，输入低电平的则不亮。二、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P0P3口中的口构成多打4*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等接口芯片，采用8155接口芯片构成4*8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。在本次的毕业设计中我们的显示与键盘的设计如图27其中显示器8个 。键盘显示连接图如图2-7所示图2-72.8 A/D转换器的选择及连接ADC0809是一个典型的A/D转换芯片，为逐次逼近式8位CMOS型A/D转换器，片内有8路模拟选通开关、三态输出锁存器以及相应的通道地址锁存与译码电路。ADC0809 可处理8 路模拟量输入， 且有三态输出能力， 既可与各种微处理器相连， 也可单独工作。输入输出与TTL 兼容。8 路8 位AD 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05V， 不需零点和满刻度校准。首先输入3 位地址， 并使ALE1， 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较器。START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动AD转换， 之后EOC 输出信号变低， 指示转换正在进行。直到AD 转换完成， EOC 变为高电平， 指示AD 转换结束，结果数据已存入锁存器， 这个信号可用作中断申请。当OE 输入高电平时， 输出三态门打开， 转换结果的数字量输出到数据总线上。A/D转换是把从热电偶接收到的温度模拟量转换成温度数字量输送到单片机里，以便可以用单片机进行控制。引脚结构 ：（1）IN7IN0：8条模拟量输入通道 （2）地址输入和控制线：4条 （3）数字量输出及控制线：11条 （4）电源线及其他：5条 输入为8个可选通的模拟量IN0-IN7。至于ADC转换器接收哪一路输入信号由地址A、B、C控制的8路模拟开关实现。 同一时刻，ADC0809只接收一路模拟量输入，不同时刻对8路模拟量进行模数转换。如图2-8所示图2-8 2.9报警电路的设计当温度过大地超了给定的温度时，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29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29 报警电路2.10复位电路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。2.10.1、复位操作原理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：1.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。2.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。3.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内部的 RAM 状态。2.10.2、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，通常采用以下几种电路：（1）上电自动复位如图310（a）所示，在通电瞬间，由于RS电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。C和R的值随时钟频率的变化而变化，可由实验调整。当采用6MHz时钟时，C为22F,R为1k时，便能可靠复位（2）按键电平复位如图310（b）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。（3）系统复位在实际应用系统中，为了保证复位电路可靠工作，常将RC电路接斯密特电路后再接入单片机复位端和外围电路复位端。这特别适合于应用现场干扰大、电压波动大的工作环境，并且，当系统有多个复位端时，能保证可靠地同步复位，如图310(c)所示。图210 复位电路2.11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，AT89S52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反相后加至AT89S52的复位端，使系统能可靠地复位，迅速恢复正常运行状态。2.12 时钟电路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。2.12.1、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。2.12.、时钟信号的产生XTAL1（19脚）是按外部晶体管的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。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211所示图211 引脚接晶体震荡器和微调电容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范围通常是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211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6 MHZ的晶体震荡器。2.13 电磁阀控制电路电磁阀的作用是快速地切断和接通气源，使阀处于完全通、断的位置，多用于安全放空阀。回讯开关是需要在控制室实时监测到阀位的信号才选用的。保位阀的选择是根据工艺状况，当气源切断时，阀位要求保持在一定的位置上，但这种情况不多见。电磁阀的选择一般要从以下几个方面进行考虑：1)根据工艺条件，选择合适的调节阀结构和类型。2)根据工艺对象，选择合适的流量特性。3)根据工艺参数，计算流量系数，选择阀的口径。4)根据工艺要求，选择材料和辅助装置。2.13.1电磁阀的结构电磁阀是由气动执行机构和阀两部分组成的，气动执行机构是接收输入的气源信号，产生相应的推力，使推杆发生位移，推动阀门动作；而阀是指与管路联接的阀体组件部分，它接受执行机构的推杆推力，改变阀杆位移，从而改变阀门开度，最终控制流体流量的变化。电磁阀按其行程可分为直行程和角行程两种，按其结构类型分直通单座阀、直通双座阀、高压阀、角形阀、套筒阀、隔膜阀、蝶阀、偏心旋转阀等。其中直通阀比较常见，单座阀泄漏量较小，但阀前后压差不能太大，而双座阀正好与之相反。高压阀适合于高静压和高压差的介质测量，但在高压差情况下，流体对材料冲刷和气蚀严重，一般要考虑阀芯和阀座的材质，以提高其使用寿命。在高压差、高黏度、含悬浮物和颗粒状物质流体的控制中可选用角形阀。隔膜阀更适用于强酸、强碱等强腐蚀性介质的控制。蝶阀适用于大流量、低压差的气体介质。套筒阀采用平衡型阀芯结构，具有低噪声的特点，是应用较为广泛的阀之一。本次设计，我们采用ZCM煤气(液用)电磁阀。ZCM电磁阀具有结构简单、流量大，寿命长，安全可靠等特点。适用于城市煤气、液化石油气、天然气等多种煤气为加热燃烧介质管路作二位式通断切换，进行温度自动控制的执行结构，它广泛应用于纺织业、印染业的煤气热定型和玻璃、灯泡业的窑炉加热及其它行业的煤气加热自控系统。2.13.2 调节阀的流量特性调节阀的流量特性是指介质流过阀的相对流量Q与阀芯相对行程己(阀门的相对开度)之间的函数关系：Q=f(L)当调节阀两端压差P保持不变时，阀的流量特性称为固有流量特性。固有流量特性主要有直线、等百分比(对数)、抛物线和快开等4种类型，如图31所示：在生产中阀的固有流量特性有直线、等百分比和快开3种。抛物线特性介于直线和等百之间，一般用等百特性来代替。快开特性主要用于二位式控制。在一般情况下，电磁阀两端压差不可能永远保持不变，这时阀的固有流量特性就会发生畸变，阀在实际工作条件下的特性称之为工作流量特性。这时在确定流量特性时要引入一个称为阀阻比的系数S。S=P/PP为系统总压差，是阀、全部工艺设备和管路系统上的各压差之和。2.14 电源电路设计一、设计方案根据系统的要求,电源指标如下:输入:AC220V20%;输出:DC5V1% 3A，+12V1%0.3A,电源电压调整率:小于1%(176264V);负载电流调整率:小于1%(空载到满载);输出电压尖峰:小于50mV。主回路选择最简单的单端反激式;控制方式选择他激式的电流型控制方式,它具有如下优点:(1)逐周电流控制(大大简化了过载和短路保护电路); (2)具有良好的电源电压调整率(随电源电压变化自动调节脉宽);(3)快的响应时间(电流型控制可对负载变化迅速响应);(4)具有好的稳定性。输出滤波电容选用CD03HF高频电解电容器,它的高频特性极好,即使在1MHz时仍呈容性,在高频状态下较同静电容的普通电解电容器的等效容量大10倍以上。输入滤波电容采用CD03HU小型化高压电解电容器。高频变压器磁芯选用牌号为R2KB1,规格为PQ2016型磁芯,它不仅高度小,而且损耗低、B、Bs以及居里温度高。由于变压器的限制,电源的工作频率选75kHz.为阻隔电网与电源的互相干扰,在电源输入端加入DL2型电源滤波器,但为装入很薄的空间,需对其加以改造。开关晶体管选用功率场效应晶体管,型号为BUZ80A.输出整流二极管采用肖特基二极管(用于5V输出)和快恢复二极管。二、回路与控制电路当T处于导通状态时,由于D反偏,变压器不向次级传输电能,变压器初级电流为激磁电流,即 Ip=Et/Lp (1) 当t=ton时,变压器中的储能为：W=12Lpi2PM (2)而T关断期间,变压器中的贮能通过D向负载释放。一般应用时,T的最大导通时间的占空比不大于0.4,并且变压器的储能在开关周期内完全释放,以减小输出尖峰。实践证明:他激式控制方式在性能上优于自激式控制方式,控制电路则优选电流控制型PWMIC.本文选择了性能优异UC3844,它的特点是: 电流型控制方式,开关频率可达500kHz,最大占空比在30%50%之间调节,不会出现UC3842在断电或电压过低时的低频自激现象;逐周电流控制,可封锁PWM;内部带有起动电路和滞环特性的欠压锁定;1A的推拉输出能力;小于1mA的起动电流;DIP8封装;最少的外围元件。稳压控制方式采用初级控制方式与输出光电隔离反馈方式结合,使系统既有良好的响应速度,又有高的稳压精度。我们采用与常规稳压控制相反的方法,目的在于消除常规控制方式可能出现的过电压从而省去过电压保护电路。压基准IC,其工作原理为:输出空载时,输出电压略高于标称值,这时TL431完全导通,使光电耦合器的LED不能工作,光电晶体管不工作,这时的控制完全是初级控制方式;当输出负载增加后,输出电压略有下降,TL431阴极电压 上升,使光电耦合器的LED工作,光电晶体管导通(TL431阴极上压越高,光电晶体管的导通越好),使Uf点的分压比下降并通过初级控制方式将输出电压调回到预定值;当输出电压因负载减轻而略有升高时,调节过程正好相反。因空载电压仅由初级控制决定,因此不会出现因光电耦合器的衰变而引起的过电压现象。 三、电源性能单片机开关电源电路指标如下: 输入:AC150270V.输出电压:DC5V20mV,03A,12V30mV,00.3A;各路电源电压调整率:10mV(150270V).各路负载电流调整率:20mV(空载到满载)。各路输出电压尖峰:20mV(满载)。开关频率:75kHz5%;电源效率:60%;温升:约30。2.15、直流型固态继电器固态继电器（SSR）是近年来发展起来的一种新型电子继电器，其输入控制电流小，用TTL，HTL，COMS等集成电路或加简单的辅助电路就可直接驱动。因此，适宜于在微机测控系统中作为输出通道的控制元件。固态继电器是一种无触点通断功率型电子开关。当施加触发信号后其主回路呈导通状态，无信号时呈阻断状态。它利用电子技术实现了控制回路（输入端）与负载回路（输出端）之间的隔离和信号耦合，而没有任何可动部件或触头，实现了相当于电磁继电器一样的功能，故称为固态继电器。与普通电磁式继电器相比，它具有体积小、开关速度快、无机械触点和机械噪声、开关无电弧、耐冲击、抗有害气体腐蚀、寿命长等优点，因，在微机测控等领域中，已逐渐取代传统的电磁式继电器和磁力开关作为开关量输出控制元件。本次设计选用直流型固态继电器（ACSSR）。第三章 数字PID调节器3.1 数字PID控制算法随着计算机在控制领域的广泛运用，特别是面向控制的单片微机的运用，PID控制多由计算机软件来实现，由于计算机的控制是一种采样控制，他只能根据采样的偏差值来计算控制量，因此在计算机控制系统中，要想在计算机上实现PID调节规律，需将连续系统的微分方程式化为离散形式。采用单片微机作为控制器的自动控制系统简化框图如图31所示。图31 自动控制系统简化框图微机系统通过A/D电路测定过程变量y，并计算误差e和控制变量u，通过D/A输出到执行机构，使过程变量y稳定在设定的点上。模拟PID控制算法公式中的积分项和微分项不能直接准确计算，只能用数值计算的方法逼近，现采用梯形积分来逼近积分，采用向后差分方法来逼近微分，在采样时刻t=iT（T为采样周期）时，式（31）所表示的PID调节规律可以用下式近似计算： （32）当执行机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量时，由式（32）可导出提供增量的PID算法。 上式称为增量PID控制算法，而式（32）称为位置式PID控制算法。式（33）可以进一步改写为 （34）其中：可见增量式PID算法只需要保持现时以前的三个时刻的误差即可。增量式PID算法与位置式相比，有下列优点：（1）位置式算法每次输出与整修过去状态有关，计算式中要乃至过去误差的累加值 ，容易产