毕业设计（论文）基于单片机的温度控制系统设计

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1、兰州理工大学毕业设计说明书摘 要在工业生产中，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。其中，温度控制越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。 单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可实现对数字信息的处理和控制。因此，单片机广泛用于现代工业控制

2、中。 本论文侧重介绍“单片机温度控制系统”的硬件设计及相关内容。论文的主要内容包括：采样、滤波、键盘、LED显示和报警系统，温度PID调节系统等。作为控制系统中的一个典型应用设计，单片机温度控制系统综合运用了微机原理、自动控制原理、模拟电子技术、数字控制技术、键盘显示技术等诸多方面的知识。关键词：MCS；温度控制；PID；控制系统AbstractWith scientific constant progress, in industrial production, electric current, voltage, temperature, pressure are mainly commo

3、nly used. especially in the heat treatment industry, the accurate test and controlling of temperature is very important. In a lot of fields, for example: In metallurgical industry, chemical production, power engineering, machine manufactures, food processing, family and industry heat etc. people nee

4、d to heating furnace, heat-treatment furnace and all kinds of response stove and boiler temperature measure and control, through software design, to reach the intelligent control finally and realize the interactive function. Adopt Single-Chip Microcomputer is it control convenient, simple, flexibili

5、ty advantage such as being heavy to have not merely to control to go on to temperature to come, and can raise by technical indicator not to accuse of temperature by a large margin, thus can big improvement quality and the quantity of products. So the control problem to the temperature of Single-Chip

6、 Microcomputer is the control problem constantly be able to encounter in the industry manufacture. This paper focuses on MCS temperature control system hardware design and related content. The content of this thesis mainly includes: introduces, filtering ware, keyboard, man -computer dialogue suppor

7、ted by LED indication, heat control method. As a typical experimental design in control system, MCS temperature control system integrated use of computer theories, Control theory, analog electronics, digital control technology, the keyboard and display technologies in many aspects of knowledge.Key w

8、ords：MCS；temperature control；PID；Control System 目录摘要第一章 概述11.1选题背景11.2加热炉工艺简介11.2.1 加热炉11.2.2 三段连续推钢式加热炉21.2.3加热炉的状况、功能及技术指标31.2.4加热炉的工艺要求31.2.5加热炉的燃烧和钢坯加热过程简述31.2.6计算机控制的基本要求41.3设计内容41.4解决的关键问题4第二章 设计方案论证62.1控制系统选择：62.1.1方案一：单回路反馈控制系统62.1.2 方案二：串级控制系统62.1.3 方案三：前馈控制系统72.2系统硬件设计：82.2.1硬件组成82.2.2模块作用

9、9第三章系统硬件电路设计103.1单片机选型103.1.1 主要功能103.1.2内部结构图113.1.3外部引脚说明113.1.4中断系统143.2A/D 转换器概述143.2.1A/D转换器选型143.2.2AD0809引脚图153.3D/A转换器简介163.3.1性能简介163.3.2D/A转换器选型163.3.3DAC1208内部结构图173.3.4DAC1208引脚图173.3.5DAC1208与单片机的接口：183.4I/O扩展：193.4.1扩展I/O口芯片选择193.4.2 8155内部结构框图：193.4.28155引脚图：203.4.38155与单片机连接213.5地址锁存

10、器概述：223.5.1 锁存器选择223.5.274LS373引脚图：233.5.374LS373与单片机相连233.6存储器的扩展：243.6.1存储器选型243.6.2存储器管脚图253.6.32764A工作方式263.6.42764A与单片机的连接263.7按键、LED显示器的设计：263.7.1按键的设计263.7.2键盘工作原理293.8 传感器及变送器313.8.1热电偶的特性313.8.2热电偶型号的选择323.8.3温度传送323.8.4流量传感器333.8.5传感器和信号转换器电气接线图（一体式安装）343.8.6仪表的规格353.9HONEYWEL电动线性调节阀363.9.

11、1电动线性调节阀特点和性能规格373.9.2阀门放大电路373.10源模块的设计383.11.1 电源设计38第四章系统软件设计394.1 主程序和中断服务程序：394.1.1 主程序流程图：394.1.2 中断程序的流程图：394.2 键盘扫描程序404.3 温度检测子程序：414.4 温度控制子程序：424.5温度越限报警子程序：434.6 控制算法子程序：444.6.1 增量式PID调节器444.6.2 单字节带符号数的减法子程序464.6.3 双字节带符号数的加法子程序：474.7 显示子程序：484.8 系统设计的内存分配49第五章 设计总结51附录1 程序清单：54附录2：外文翻译

12、65V第一章 概述加热炉是种类繁多的工业炉窑中的一种，轧制生产线上的主要工艺设备之一，其作用是将钢坯加热到轧制所要求的温度。这种设备一方面耗能大另一方面控制起来困难，一直是自动化生产中急需要解决的问题之一。目前国内仍有大量的加热炉停留在简单的人工控制或者通过电子仪表进行手工电动操作，这种操作方式劳动强度大、控制粗糙、节能效果不好、对操作工的水平要求较高。随着要求高效利用能源和降低环境污染等问题的日益急迫，急需对加热炉之类的工业炉窑实行优化控制以实现节能降耗和降低对环境的污染。1.1 选题背景加热炉的燃料有重油、柴油、煤气、天然气等。许多中大型轧钢厂通常是采用高炉炼钢所产生的高炉煤气和焦炉炼焦所

13、产生的焦炉煤气，并将它们按一定的比例混合作为加热炉的燃料，其次是以重油为燃料，也有两者混合燃烧的。本论文源于南钢中板厂二号加热炉，燃料基本为高炉焦炉混合煤气。七十年代以来，国际上主要从两方面(设备方面和自动控制方面)采取措施以降低加热炉的能耗。在设备方面，诸如采用新型烧嘴，高性能炉体包扎材料，烟道换热器以及炉径管绝热包扎等，以尽量提高炉内热量的利用率；在自动控制方面则主要是采用合理的控制策略，使炉内燃烧尽可能完全，以及恰当地使钢坯加热到目标温度。这两方面的工作都取得了不小的进展，使得加热炉的平均耗能大幅度地降低。早期的加热炉的自动控制工作主要在常规燃烧控制上，如加热炉各主要过程变量的定值控制，

14、炉温与燃料流量的串级控制，燃料与助燃空气的比值控制以及烟道废气的含氧量控制等，其直接目标是获得较为稳定的炉子工况及合理的燃烧过程，追求最佳燃烧。国内加热炉的控制水平与先进国家相比还存在较大的差距，加热炉控制大多停留在常规的燃烧控制阶段，更有许多处于手工操纵阶段。总的来说，加热炉的高级计算机控制策略尚处在初级阶段，有关技术还不成熟。本文对加热炉温度控制技术的研究主要集中在三个方面:其一是燃烧控制技术究；其二是温度调节器的研究；然后是各段炉温的优化设定研究。这三个方面工作相辅相成，综合构成了加热炉的最优控制技术的主要方面。因本人水平有限，文中错误在所难免，敬请老师和专家批评指正，不胜感激。1.2

15、加热炉工艺简介 本节就加热炉的基本情况及其对加热炉的控制要求和影响炉温控制的因素作一些必要的介绍和分析。1.2.1 加热炉加热炉是钢铁企业的重要设备之一，属于工业窑炉的一种，主要用于在钢材轧制前对钢材进行加热。由于不同的钢材在加热到不同的温度时其特性不同，且在高温下便于轧制，所以就必须根据生产需要和钢材特性使炉膛温度保持在特定的范围内，以使出炉的钢材温度满足轧制要求。目前加热炉的种类很多，各个钢铁企业根据自身的生产情况设计了不同类型的加热炉，主要有连续式加热炉、斜底式加热炉、室状加热炉、环行加热炉、步进式加热炉。1.2.2 三段连续推钢式加热炉连续式加热炉是将需要加热的钢坯从炉尾由推钢机推入，

16、然后在炉膛中进行加热，按照工艺指标达到加热要求后的钢坯再从炉头有出钢机推出。由于钢坯是不断地一根接一根由炉尾推入，加热后由炉头推出，生产过程是连续的，故称为连续式加热炉。连续式加热炉可分为一段式、二段式、三段式、和多段式。图1-1和图1-2分别为二段式和三段式加热炉的简图。图1-1 二段连续式加热炉结构简图图1-2 三段连续式加热炉结构简图产量低或以普碳钢为主的工厂，一段式和二段式的连续加热炉可满足生产的需要；产量高或以合金钢为主的工厂，多采用三段式和多段式的连续加热炉。本文的研究对象是三段连续推钢式加热炉。图1-2也是它的结构示意图。由于设计的重点不是其生产原理和生产过程，故不再一一陈述。下

17、面简要画出其工艺流程图，如图1-3：图1-3工艺流程图1.2.3 加热炉的状况、功能及技术指标加热炉是轧钢工艺生产过程中用于加热钢锭或钢坯的炉窖设备，它主要用于将连铸机来的热钢坯或料场来的冷钢锭或冷钢坯加热到热轧温度以上，供轧机进行轧制。加热炉的参数如下： 加热炉的型式：三段连续推钢式加热炉，三段为预热段、加热段、均热段。 加热炉的烧嘴：采用GW-型全热风高压外吻式喷嘴。 加热炉的有效面积(长X宽)：33.29mX7.54m。 加热炉的加热能力：120t/h。 加热炉的燃料：燃料用重油，压力2.0Mpa,温度130， 燃料流量：5000Kg/h；助燃料为空气，压力20KPa。1.2.4 加热炉

18、的工艺要求（1） 由于不同的钢种和不同的规格，其导热性能不同，开轧的温度不同；所以，不同钢种不同规格的钢坯其所需要的加热工艺也不一样。这就要求系统能对各加热段不同温度要求进行设定，并要严格控制在工艺所允许的范围内。（2） 加热炉是一个耗能的大户，节能工作也是十分重要的；故要求系统在保证钢坯加热质量的前提下，用最少的燃料达到要求的温度，在升温时既不冒黑烟，在降温时不使空气过剩太多，有较高的热效率。1.2.5 加热炉的燃烧和钢坯加热过程简述在任何冶金轧钢生产中，钢坯必须经过加热才能进行轧制。轧钢加热炉的主要作用就是加热钢坯，使之达到轧制所要求的温度分布。（1）加热炉的燃烧过程油罐中的重油被油泵抽出

19、，经由总油管至加热器中加热，然后被分配到上、下加热段和均热段油路中，最后到达加热炉烧嘴中；与此同时空气由风机送出，经由总风管至烟道内的热交换器中被加热后，分配到各段的风路中，最后也到达各段烧嘴。在各段的烧嘴中有被雾化后同空气混合起来喷射到加热炉内燃烧。燃烧是一个化学过程。（2）钢坯加热过程推钢机将钢坯（此时钢坯的温度与环境温度相同）从加热炉炉尾连续推入加热炉，钢坯在预热段进行预热，在预热段段末，钢坯温度达到700左右后进入加热段，在加热段钢坯经过上下加热后，到达加热段段末时钢坯上下温度基本上达到了1220左右，然后进入均热段，在均热段中钢坯经过加热后，将要轧制的钢坯被加热到了1250左右的温度

20、，钢坯内部和表面温度基本均匀一致，具有了轧制工艺所要求的可塑性，达到工艺所要求的温度分布，然后由出钢机将钢坯从加热炉中顶出，进入轧制工序。钢坯一旦进入加热炉就一直被加热直到被出钢机从加热炉中顶出。钢坯加热是具有热传导和热辐射的过程。从上述的描述中可以看出评价加热炉性能优劣的指标是钢坯的加热质量，钢的氧化烧损率，加热炉的单位能耗及产量等。1.2.6 计算机控制的基本要求加热炉在使用计算机控制前主要是加热炉操作，根据生产节奏及钢坯出炉温度变化人工调整炉温，使得钢温均匀不粘钢。加热炉提温时先增风后增油，降温时先减油后减风，以防止冒黑烟；在调整风油来提高或降低炉温的同时还要调整烟道闸板，使炉压保持微正

21、压，以减少热损，提高热效率。在增减风、油时，加热炉操作工都是手动调节风或油流量调节阀门。加热炉共分三个控制段：上加热段、下加热段、均热段。从上面的叙述中可以看出加热炉控制的基本要求有：（1）根据轧制节奏自动控制各段炉温钢坯的加热过程是轧制的前道工序，加热炉的用途是把钢坯从冷态加热到适合轧制的温度要求（如钢坯的表面温度以及表面温度与中心温度之差要在一定的范围内），为了使钢坯满足轧制要求且满足一种优化指标（节能优化或产量优化等），需对加热炉的各段温度加以控制，以达到生产的要求。（2）炉温越限报警加热炉炉温最高不能超过1320，否则将会对加热炉炉体本身产生破坏作用，加速加热炉自身的老化速度，缩短加热

22、炉的使用寿命。1.3 设计内容对加热炉系统的工艺生产过程了解，掌握加热炉控制系统的基本任务和要求。能够提出总体控制方案和软硬件设计方案以及监测系统的软硬件设计方案，并且对方案进行论证优化，以及完成各种硬件选型和组合。实现对加热炉温度的控制。温度的控制状态可以实时显示，并可存储。设计系统的控制算法。1.4 解决的关键问题1. 加热炉系统的工艺生产过程和控制系统的了解。2. 系统的硬件电路的建立，以及合理的选型。3. 系统控制算法以及单片机温度调节器整个软件设计。4. 能够实现对加热炉炉温的控制,控制温度为10001250，误差3。5. 能够输入完成手/自动的温度设定。6. 能够进行和计算机的通信

23、。第二章 设计方案论证加热炉的控制性能和控制方案的选择有直接的关系，为了使系统的达到设计的要求，同时又符合经济性，要选择合适的控制系统。2.1 控制系统选择：常用的控制系统有单回路控制系统、串级调速系统、前馈控制系统、解耦系统、比值控制系统、均与控制系统和分程控制系统等。2.1.1 方案一：单回路反馈控制系统 单回路反馈控制系统-又称简单控制系统，是指由一个被控过程、一个检测变送器、一个控制器和一个执行器所组成的对一个被控变量进行控制的单回路反馈闭环控制系统。根据控制系统影响温度的主要干扰因素是燃料的流量的变化，流量被包在在闭环控制系统回路中，只要干扰造成温度的偏离设定值，控制器就会根据偏差的

24、情况，通过改变控制阀的流量，从而把变化的温度调到设定值。但是从调节阀到燃烧室的滞后时间太大，只有温度有偏差的时候才能发现有干扰的存在，当调节过程发生作用是，出口温度已经偏离很远了，要是燃料的干扰频繁出现，单回路控制系统是不能满足要求的。单回路反馈控制系统的方框图如图2-1所示：图2-1 单回路反馈控制系统方框图单回路控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。但是本设计的容量滞后、纯滞后较大，负荷和干扰变化比较剧

25、烈而且频繁，对工艺对产品质量提出的要求很高，采用单回路控制系统的方法就不太有效，要采用其他的控制系统。2.1.2 方案二：串级控制系统串级控制系统就是采用两个控制器的串联工作，主控制器的输出作为服控制器的设定值，由副控制器的输出去操作调节阀，从而对主控制变量具有更好的控制效果。加热炉出口温度决定产品质量，影响出口温度的主要因素是燃料流量，在流量控制阀后面在加一个闭环反馈，但流量有扰动发生偏差时，调节器及时调节，使燃料的变化对出口温度的影响减小。串级调速的方框图如图2-2所示：图2-2 串级调速方框图主变量和副变量的选择是一样的，能有效反映炉子温度的变量，串级调速的优点都是因为副回路，所以在设计

26、时应该把更多的干扰纳入副回路。主要干扰一旦出现，副回路首先把他们克制到最低，减小对主变量的影响，从而提高对控制的质量。为此，在串级调速系统设计之前，应该对生产工艺中各种的干扰来源即影响程度进行必要的。对于加热炉出口温度控制的问题，由于产品质量主要取决于出口温度，工艺上对它的要求较为严格。进过分析，我们选择出口温度为主控变量，燃料的流量为副控制变量。温度控制器根据检测温度和给定温度的偏差进行工作，其输出作为副控制器（流量控制器）的给定值；流量控制器根据测量值与给定值的偏差控制阀门的开关，从而控制出口温度。整个系统形成两个双闭环回路，副回路有动作快、抗干扰能力强的特点，把燃料流量波动的干扰因素纳入

27、在回路中。主要干扰一旦出现，副回路首先把它们克服到最低程度，减小它们对温度的影响。2.1.3 方案三：前馈控制系统前馈控制系统是与反馈系统而言的。反馈控制是在系统受到扰动时，被控量发生偏差后再进行控制，而前馈控制的思想就是根据进入过程的扰动量（包括外界扰动和设定值的变化），产生合适的控制作用，使被控量不发生偏差。前馈系统属于开环控制，所以只要系统中各环节是稳定的，则控制系统稳定。要实现系统对扰动f(t)完全补偿。必须有：Wff(s)Wd(s)/Wd(s)但是，完全补偿几乎是难以做到的，要准确掌握燃料的流量特性及控制通道的特性是不容易的，而其被控对象含有非线性特性，故前馈模型难以确定。前馈系统的

28、框图如图3-2所示：图2-3 前馈系统方框图综合上述三种控制系统的比较，本控制系统选择方案二。2.2 系统硬件设计：目前工业中常用的控制系统大多数都是由单片机及可编程逻辑器来实现的，由于单片机的精度高、体积小、价格便宜，和外围的设备及计算机通信很方便，所以得到了广泛的应用。在本设计中，选择MCS-51系列的单片机作为控制系统的主要硬件。2.2.1 硬件组成控制系统是一个测控系统，主要由单片机，温度测量，温度控制，人机对话，存储器的扩展，通讯几部分组成。系统的硬件示意图如图2-4：图2-4 系统硬件示意图2.2.2 模块作用 主 机：主要用来储存系统运行的程序，数据。 温度检测：包括温度传感器，

29、变送器，A/D转换三部分。工艺过程中的温度一般不能直接测量，需借用传感器去测量，传感器的类型和型号要根据工艺的要求去选择；传感器测量的信号有可能是电压、有可能是电流，可以通过变送器把采集的信号变成系统所需要的信号（包括强度和性质）;变送器的输出信号是模拟信号，单片机接受的信号是数字信号，用A/D转化把采集的信号转换为数字信号A/D转换器应该根据控制的精度去选择。 温度控制：温度的控制是通过燃料的开关大小来控制的。当燃料燃烧多时释放的热量就多，当出口的温度过高或者过低是，可以通过调节燃料的流量达到控制温度的目的。 人机对话：包括键盘，显示，报警。出口的温度是由操作人员根据工艺的要求通过键盘设定的

30、，在设定值的时候，数码管显示设定值的值，然后按启动键开始工作。如果设定值不在允许值的范围，报警系统工作。报警上限温度为预设温度+5，即上限温度到预设温度+5 时报警，并停止加热。键盘由I/O并行接口连接；数码管要加一个趋动才能正常工作；报警电路也要加一个放大电路。 存储器的扩展：单片机内部用来存储的空间很小，为了是程序能正常运行，中间数据能完整的保存需要进行存储器的扩展。 通 讯：用于远距离的控制和信号的测量。第三章 系统硬件电路设计本章就加热炉温度控制系统的硬件系统部分加以介绍。控制系统的硬件设计是系统设计的基础，具有重要意义。设计内容主要包括8031单片机、A/D 转换器AD0809、12

31、位D/A转换DAC1208、键盘扫描电路、显示电路、温度传感器、温度变送器、流量传感器、I/O扩展芯片、RS232串行通信、报警、系统电源等单元电路组成。下面分别介绍各个单元 。3.1 单片机选型MCS-51系列的单片机有许多产品，可分为两大系列：51子系列和52子系列。51子系列主要有8031、8051、8751三种机型。它们的指令系统与引脚完全兼容。52子系列主要有8032、8052、8752三种机型。52系列和51系列不同之处在：片内数据存储器增至256B，片内程序存储器增至8KB（8032无），有3个定时/计数器，6个中断源，其余性能与51是一样的。51系列的单片机，其性能表如下：表3

32、-1 51系列单片机性能ROM形式片内ROM （字节）片内RAM （字节）寻址范围（字节）I/O中断源片内ROM片内EPROM外接EPROM计数器并行口串行口8051875180314K12864K216481580C5187C5180C314K12864K21648158052875280328K25664K316481680C25287C25280C2528K25664K3164817综合设计的价格，性能的比较，本设计选择8051单片机。3.1.1 主要功能8031单片机主要有：8位的CPU、片内带振荡器、128字节的片内数据存储器、4个8位并行I/O接口、一个全双工的串行接口、2个16位

33、的定时/计数器、5个中断源、2个中断优先级、111条指令、具有位寻址功能、片内采用单总线结构。MCS51 系列单片机的湿度适用范围也较微处理器芯片Z80，8080 等宽，其温度范围为： 民品（商业用） 0 70 工业品40 85 军用品55 125市场上的销售品多为工业品，其稳定性和抗干扰性都优于微处理器芯片。3.1.2 内部结构图 MCS-51系列的单片机内部结构如图3-1所示：图3-1 MCS-51单片机的内部结构图3.1.3 外部引脚说明MCS-51单片机大都采用40条引脚的双列直插式封装，引脚示意图如图3-2所示：图3-2 MCS-51系列单片机引脚示意图1）各引脚说明： VCC(40

34、脚)：直流电源正端，接+5V电源 VS S(20脚) ：直流电源的负端接地 XTAL1(19脚)：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，则引脚应接地。 XTAL2(18脚)：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。如图3-3所示：b 内部时钟a 外部时钟 图3-3 单片机的时钟电路按不同工艺制造的单片机芯片外接振荡器时的接法如表3-2所示：表3-2 单片机外部时钟接线法芯片类型接 法XTAL1XTAL2CHMOS接外部振荡器脉冲输入端(

35、带上拉电阻)悬浮HMOS接地接外部振荡器脉冲输入端(带上拉电阻)输入输出I/O的引脚包括P0口、P1口、P2口。P0口(P0 .0P0.7)：双向8位三态I/O接口。在不接片外存储器与不扩展I/O接口时，可作为准双向输入/输出接口；在接有片外存储器或扩展I/O接口时，P0口是地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载。一般作为扩展时的地址/数据总线口使用。P1口(P1 .0P1.7)：为8为准方向I/O接口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入时，口锁存器必须置一），可以驱动4个TTL负载。P2口(P2 .0P2.7)：为8位准双向的I/O接口，当它作为I/O接口使

36、用时，可直接连接外部的I/O设备；在接有片外存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256字节时，P2口作为高8位地址总线。一般作为扩展时地址总线的高8位使用。P3口(P3 .0P3.7)：为8位准双向I/O接口，还可以将每一位用于第二功能，而且P3口的每一条引脚均可以独立的定义为第一功能的输入/输出或第二功能。第二功能定义如表3-3所示：表3-3 P3口的第二功能引 脚第 二 功 能P3.0RXD 串行口输入端P3.1TXD 串行口输出端P3.2 外部中断0请求输入端，低电平有效P3.3 外部中断1请求输入端，低电平有效P3.4T0 定时器/计数器0计数脉冲输入端P3.5T1 定时器/计数器1计

37、数脉冲输入端P3.6 外部数据存储器及I/O口写通信号输出端，低电平有效P3.7 外部数据存储器及I/O口读通信号输出端，低电平有效2）控制引脚 包括RESET(及RST)、ALE、等，此类引脚提供控制信号，有些引脚具有复用功能。RST/VPD(9脚)：VPD为备用电源。该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可以实现复位操作，使单片机恢复到初始状态。复位后应使此引脚的电平小于等于0.5V的低电平，以保证单片机正常工作。上电时，考虑到振荡器有一定的振荡时间，该引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位。当Vcc发生故障时，该引脚

38、可接备用电源VPD，为内部RAM供电，保证RAM中的数据不会丢失。ALE/PROG(30引脚)：地址锁存有效输出端。ALE在每个机器周期内输出两个脉冲，在访问外部存储器时，ALE输出脉冲的下降沿用于锁存16位的低八位。即使不访问外部存储器，ALE端仍有周期性的正脉冲输出，其频率为振荡频率的1/6。(29脚)：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。在外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次有效。可以驱动8个TTL负载。(31脚)：为片外程序存储器选用端。当端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存储器，但当PC值超过4KB时，将自动转向执行外部程序存储器内的内容。当端保持低电平时，则不管是

39、否有内部存储器而只访问外部存储器。3.1.4 中断系统 有五个中断源，两个中断优先级，优先级如表3-4所示：表3-4 中断优先级为外部输入中断请求高低TF0为片内定时器/计数器T0的溢出中断请求TF1为片内定时器/计数器T1的溢出中断请求为外部输入中断请求TI或RI串行接口中断服务程序的入口地址如表3-5所示：表3-5 中断程序入口地址中断源入口地址中断源入口地址外部中断00003H定时器0溢出000BH外部中断10013H定时器1溢出001BH定时器0溢出0023H3.2 A/D 转换器概述在单片机测控系统中，被采集的信号大多是连续变化的模拟量，由于单片机只能处理数字量，所以就需要将连续变化

40、的模拟量转换成数字量。3.2.1 A/D转换器选型A/D转换器的类型很多，目前应用广泛的有三种类型：逐次逼近型A/D转换器、双斜率积分式A/D转换器以及V/F变换式A/D转换器。A/D转换器与单片机的接口方式有串行接口和并行接口两种方式。1）逐次逼近型A/D转换的特点是：转换速度较快，价格适中，精度较高，因此在单片机系统中广泛应用。目前，典型的逐次逼近型A/D转换器有8位A/D转换器ADC0809/ADC0808,12位A/D转换器ADC1210、AD574等。2）A/D器件的主要性能指标有：转换时间和分辨率。一般情况下，逐次逼近型A/D器件的转换时间是微秒级的。分辨率是指器件的最小量化单位，

41、通常用数字量来表示。若分辨率为N位，表示它可以对满量程的1/2n的增量作出反应。分辨率越高，转换期间对输入量微小变化的反应越灵敏。AD0809是一种带有三态缓冲器的快速12位逐次比较式A/D转换芯片，可以直接和8位或16位微处理器相连，无需要附加逻辑接口电路。片内有高精度的参考电源和时钟电路，不需要外接时钟和参考电压等电路就可以正常工作。 分辨率12位。 非线性误差1/2LSB。 模拟输入为单极性5V；10V。 供电电源为VL4.5V5.5V；VCC13.5V16.5V；VEE13.5V 16.5V。 功耗450mW 温度范围070 转换时间35s3.2.2 AD0809引脚图（1）IN7-I

42、N0：8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。3.5.2 0809与8031的连接图3.4 0809与8031的连接3.3 D/A转换器简介D/A转换就是将数字量转换成相应的模拟量。D/A转换器是单片机应用系统与外部模拟对象的一种重要控制接口，单片机输出的数字信号必须经D/A转换器，变成模拟信号，才能对控制对象进行控制。3.3.1

43、性能简介D/A转换器的主要性能指标有分辨率和建立时间。分辨率是D/A转换器对输入量变化敏感程度的描述，D/A转换器的分辨率为：当输入数字量发生单位码变化时，即产生1LSB位变化时所对应输出模拟量的变化量。对于线性D/A转换器，分辨率通常分辨率采用输入数字量的位数来表示。建立时间是描述D/A转换速度快慢的一个重要参数。一般所指的建立时间是输入数字量变化后，模拟输出量达到终值误差LSB/2时所需的时间。根据建立时间长短，可以将D/A转换器分成以下几个档次： 超高速：100ns 较高速: 100ns1s 高 速: 110s 中 速: 10100s 低 速: 100s3.3.2 D/A转换器选型D/A

44、转换器的品种繁多,性能各异。按输入数字量的位数来分,有8位、10位、12位、16位等；按输入的数码形式分，有二进制和BCD码等；按传送数字量的方式分，有并行和串行；按输出方式分，有电压和电流输出两种形式。12位D/A转换DAC1208系列的转换器有DAC1208、DAC1209、DAC1210三种芯片类型，与MCS-51单片机完全兼容，它们的内部结构、工作原理和用法完全一样，区别在于精度不同，如表3-6所示：表3-6 DAC1208系列的精度精 度型 号0.012DAC12080.024DAC12090.05DAC1210DAC1208的性能参数如下：输出电流稳定时间：1s参考电压：-10V+

45、10V工作电压：-5V+15V根据精度要求本设计选择DAC1208，可满足系统的要求。3.3.3 DAC1208内部结构图 数模转换器DAC1208内部结构图如图3-5所示：图3-5 DAC1208的内部结构图3.3.4 DAC1208引脚图 数模转换器DAC1208的引脚图如图3-6所示：图3-6 DAC1208的引脚图CS：片选信号，低电平有效。WR1：写信号，低电平有效。BYTE1/ BYTE2：字节顺序控制信号。该信号为高电平时开启8位和4位两个锁存器。将12位数据全部打入锁存器，当该信号位低电平时，只开启4位输入锁存器。WR2：写信号。低电平有效，当与同时为低电平时，把锁存器数据打入

46、DAC寄存器。当为高电平时DAC寄存器中的数据别锁存。XFER：传送控制信号，低有效。DI0DI11：12位输入数据IOUT1：为电流输出端IOUT2：为电流输出端RFB：反馈电阻输入VREF：参考电压输入VCC：电源电压 DGND:数字接地AGND:模拟接地3.3.5 DAC1208与单片机的接口： 数模转换器DAC1208与单片机的连接如图3-10所示：图3-7 DAC1208与单片机的连结图DAC1208转换器与单片机的接口电路中，该图采用地址线A0来控制BYTE1/BYTE2，当A01时，选中8位输入锁存器，A0=0时选中4位输入锁存器。单片机的三条高位地址线作为74LS138译码器的

47、输入，译码输出先Y2、Y3控制CE、XFER，这样一片DAC1208芯片共占三个端口地址。当向高8位端口写入数据时，BYTE1/BYTE2为低电平，当WR信号到来时，高8位数据被同时写入DAC1208的高8位输入锁存器和低4位输入锁存器；向端口写入低4位数据时，则BYTE1/BYTE2为低电平，当WR信号到来时，第4位数据写入输入锁存器，原先写的内容被冲洗掉；向12位的DAC端口写入数据时，则XFER信号有效，当WR信号来到时，DAC1208内的12位DAC锁存器与高8位输入锁存器和低4位输入锁存器直通，因而这一新的数据由片内的12位D/A转换器开始转换，当XFER或WR信号结束时，12位DA

48、C锁存器将锁存的这一数据，直到下一次又送新的数据为止。在送入数据时，要先送12位数据中的高8位数据DI11DI4，然后再送入低4位数据 DI3DI0,而不能将传送的次序颠倒，否则结果不正确。3.4 I/O扩展：MCS/51单片机共有4个并行I/O接口，但是I/O接口并不是都能提供给用户使用。对于片内有ROM或EPROM的单片机，入8031、8051、8751、AT89C52来说，当无须扩展外部存储器时，P0口P3口均可做通用I/O接口使用。对于8051单片机来说，其P0口和P2口仅能作外部程序存储器、数据存储器和扩展I/O接口的地址/数据总线，而不能直接作为I/O接口，只有P1口和P3口的部分

49、接口线可以直接做I/O接口。因此，在大部分的MCS-51单片机应用系统中都不可避免地进行I/O接口的扩展。3.4.1 扩展I/O口芯片选择MCS-51单片机应用系统中I/O口扩展用芯片主要有通用I/O口芯片和TTL、CMOS锁存器、缓冲器电路芯片两大类。通用I/O口芯片选用Intel公司的芯片，其接口最为简捷可靠，如8255、8155等。采用TTL或CMOS锁存器、三态门电路作为I/O扩展芯片，也是单片机应用系统中经常采用的方法。这些I/O口扩展用芯片具有体积小、成本低、配置灵活的特点。一般在扩展8位输入或输出口时十分方便。可以作为I/O扩展的TTL芯片有74LS373、74LS277、74L

50、S244、74LS273、74LS367等。在实际应用中，根据芯片特点及输入、输出量的特征，应选择合适的扩展芯片。8155芯片具有地址锁存功能，与MCS-51单片机接口简单，即有RAM又具有I/O接口，是单片机应用系统中广泛使用的芯片。因此，选择8155作为I/O扩展芯片。3.4.2 8155内部结构框图： 8155芯片的内部结构图如图3-8所示：INTEL8155是一种可编程的并行I/O接口芯片。8155芯片由以下部分构成： 256字节的RAM 2个8位、1个6位的可编程并行I/O接口 1个14位定时器/计数器3.4.2 8155引脚图：8155芯片的引脚图如图3-9所示：图3-9 8155

51、引脚图8155共有40个引脚，采用双列直插式封装，各引脚的功能如下：AD0AD7：地址/数据线总线。是低8位地址线和数据线的共用输入总线,常和51单片机的P0口相连,用于分时传送地址数据信息,当ALE=1时,传送的是地址.PA0PA7：A口输入/输出线。用于和外设之间传递数据。PB0PB7：B口输入/输出线。用于和外设之间传递数据。PC0PC5：C口输入/输出线或控制信号线CE: 片选信号线，低电平有效RD: 读信号线，低电平有效；控制8155的读操作WR：写信号线，低电平有效；控制8155的写操作ALE：地址锁存线,高电平有效.它常和单片机的ALE端相连,在ALE的下降沿将单片机P0口输出的

52、低8位地址信息锁存到8155内部的地址锁存器中.因此,单片机的P0口和8155连接时,无需外接锁存器IO/M：RAM或I/O口的选择线.当=0时,选中8155的256 B RAM;当=1时,选中8155片内3个I/O端口以及命令/状态寄存器和定时/计数器PC0：A口的中断信号线PC1：A口的缓冲器满信号线PC2：A口的选通线PC3：B口的中断信号线PC4：B口的缓冲器满信号线PC5：B口的选通线TIMER IN：定时器/计数器输入端TIMER OUT：定时器/计数器输出端VCC：+5V电源GND：接地线3.4.3 8155与单片机连接 8155与单片机连接的示意图如图3-10所示：图3-10

53、8155与单片机的连接图单片机对8155的I/O接口进行读/写时，8155内部I/O口、定时器/计数器的低8位地址见表3-7：表3-7 8155I/O接口、定时器/计数器编码AD0AD7寄 存 器A7A6A5A4A3A2A1A0000命令/状态寄存器（命令状态口）001A口（PA0PA7）010B口（PB0PB7）011C口（PC0PC7）100定时器/计数器低8位寄存器101定时器/计数器高6位及2位定时器/计数器工作方式位3.5 地址锁存器概述：地址锁存器就是一个暂存器，它根据控制信号的状态，将总线上地址代码暂存起来。MCS-51单片机数据和地址总线采用分时复用操作方法，即用同一总线既传输

54、数据又传输地址。当微处理器与存储器交换信号时，首先由CPU发出存储器地址，同时发出允许锁存信号ALE给锁存器，当锁存器接到该信号后将地址/数据总线上的地址锁存在总线上，随后才能传输数据。3.5.1 锁存器选择通常用作单片机地址锁存的芯片有两类，一类是8D触发器，如74LS272、74LS377等，另一类是8位锁存器，如741S373、8282等。 74LS373是带有三态门的8D锁存器，当三态门的使能信号线为低电平时，三态门处于导通状态，允许锁存器输出，锁存控制端为11脚LE，采用下降沿锁存，控制端可以直接与CPU 的地址锁存控制信号ALE相连。 地址锁存器使用74LS373较多,在本系统中我

55、们选择它来作地址锁存器。3.5.2 74LS373引脚图： 74LS373的引脚图如图3-14所示：图3-14 74LS373引脚图1）74LS373有20个管脚，管脚的功能如下所示： VCC：+5V电源 GND：接地 OE：片选信号引脚 D0D7：锁存器8位数据输入线 Q0Q7：锁存器8位数据输出线 G：锁存控制信号输入引脚。2）功能如表3-9所示：表3-9 74LS373的功能表OELEDnQn0111010000不变1高阻态3.5.3 74LS373与单片机相连 74LS373与单片机相连的示意图如图3-12：图3-12 74LS373与单片机的连结图3.6 存储器的扩展：存储器是计算机

56、系统中的记忆装置，用来存放要运行的程序和程序运行所需要的数据。单片机系统扩展的存储器通常使用半导体存储器，根据用途可以分为程序存储器（一般用ROM）和数据存储器（一般用RAM）两种类型。3.6.1 存储器选型1）MCS-51单片机对外部存储器的扩展应考虑的以下问题： 选择合适类型的存储器芯片 只读存储器（ ROM ）常用于固化程序和常数，可分为掩膜ROM、可编程PROM、紫外线可擦除EPROM和电可擦除E2PROM几种。若所设计的系统是小批量生产或开发产品，则建议使用EPROM和E2PROM；若为成熟的大批量产品，则应采用PROM或掩膜ROM 。 随机存取存储器（ RAM ）常用来存取实时数据

57、、变量和运算结果。可分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两类。若所用的RAM容量较小或要求较高的存取速度，则宜采用SRAM；若所用的RAM容量较大或要求低功耗，则应采用DRAM，以降低成本。此外，还可以选择OTP ROM、Flash存储器、FRAM、NVSRAM、用于多处理机系统的DSRAM（双端口RAM）等。存储器选择时要注意以下问题： 工作速度匹配 MCS-51的访存时间（单片机对外部存储器进行读写所需要的时间）必须大于所用外部存储器的最大存取时间（存储器的最大存取时间是存储器固有的时间 ） 选择合适的存储容量 在MCS-51应用系统所需存储容量不变的前提下，若所选存储器本身

58、存储容量越大，则所用芯片数量就越少，所需的地址译码电路就越简单。 合理分配存储器地址空间的分配 存储器的地址空间的分配必须满足存储器本身的存储容量，否则会造成存储器硬件资源的浪费。 合理选择地址译码方式 可根据实际应用系统的具体情况选择线选法、全地址译码法、部分地址译码法等地址译码方式。2）目前典型的EPROM芯片主要是27系列，有Intel 2716（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、27128（16K8）、27256（32K8）、27512（64K8）27040(512K)等。一般选择8KB以上的芯片作为外部程序存储器。3）常用的静态SRAM有6116(2K)、6264(8

59、K)、62128(16K)、62256(32K)、628128(128K)等。根据系统设计的要求，选择2764A、6264作为系统的程序存储器和数据存储器。3.6.2 存储器管脚图1）2764A的管脚图如图3-13所示：图3-13 2764的引脚图2）2764A的性能参数： 8K8位的紫外线擦除可编程存储器 单一5V电源供电 工作电流为75ms 维持电流为35ms 读出时间最长为250ms3）各个管脚的功能如下： A0A12：存储器的地址线 D0D7： 存储器的数据线 CE：存储器的选通信号线，低电平有效 PGM：编程脉冲输入信号线，低电平有效 Vpp：编程电源 Vcc：芯片电源5V GND：芯片接地3.6.3 2764A工作方式2764A有五种工作方式，见表3-10：表3-10 2764A的工作方式方式引脚CEOEPGMVPPVCC输 出读00155DOUT维持155高 阻编程01012.55DIN编程校验00112.55DOUT编程禁止VIH12.55高 阻3.6.4 2764A与单片机的连接2764A是8K8位EPROM器件，用于存放程序和数据。它有