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毕业设计（论文）题 目：基于mcs-51的多路温度采集控制系统的设计摘 要摘 要本文设计是以mcs-51单片机系统为基础的，通过热电阻变送器对热电阻随温度的变化而得到的模拟信号进行采集，连接多路模拟开关实现多路模拟信号的采集，并通过a/d转换器对模拟信号进行数模转换，把转换得到的数字信号按照顺序分别送入单片机或把指定的那路信号送入单片机，通过单片机进行控制操作，通过对单片机的数据存储器的扩展和程序存储器的扩展来提高片内存储器、数据存储器的容量，以便于在单片机的应用中满足单片机在定时器、中断、串行口等方面的要求；本设计是通过led来实现单片机的现实系统的，通过单片机对多路模拟开关的控制进行多选一，把其中一路的信号经过a/d转换器的转换，在通过单片机把采集到的信号送到led电路当中进行显示，此设计中led显示使用的串行接口来显示的，它是通过人的视觉暂留特性，只观赏感觉是连续点亮的；本文通过单片机报警系统来实现热电阻传感器随测量的温度范围200700摄氏度，若超出这个温度范围则报警。以单片机为核心完成温度巡测、数据处理.显示及上下限报警功能。关键字：a/d转换器；dbw热电阻变送器；单片机i外文摘要abstractit is based on mcs-51 one-chip computer system for this text not to design, is it gather to go on through thermal resistance changer to analog signal that thermal resistance receive with change of temperature, join many way analog switch realize many way collection of analog signal , is it count through a/d converter to analog signal mould change to go on, send digital signal received to change according to order into one-chip computer or designated those distance signal send into the one-chip computer separately, carry on control operation through one-chip computer , is it improve scenes of memory storing device to come through data expansion and expansion , procedure of memory of memory in one-chip computer. capacity of the data memory ,so that the demand in meeting the one-chip computer in the timer , cuts off , the serial mouth in the application of the one-chip computer etc.; is it is it realize realistic system of one-chip computer to come through led , is it select for one more through one-chip computer control on analog switch of many ways to go on to design originally, undergo conversion , a/d of converter among them one no. of signals , send through one-chip computer signal got to gather led show among the circuit, design this led serial interface used to show is it show to come, it to cut characteristic of staying through vision of people, only view and admire and feel and light in succession ; this text realizes 200700 degrees centigrade of temperature ranges that the thermal resistance sensor measure at the same time through the warning system of the one-chip computer, if beyond the scope of this temperature to report to the police. regard one-chip computer as the core and finish temperature and patrol examining , data processing . show and the warning function of upper and lower limits.key words： a/d converter；dbw thermal resistance changer;；an one-chip computerii目 录目 录摘 要iabstractii目 录iii第一章 绪 论11.1 课题背景及意义11.2 国内外研究的现状11.3 课题内容和主要工作2第二章 多路温度采集控制系统总体设计32.1 总体设计指标32.2 系统框图及工作原理3第三章 系统硬件电路的设计53.1 信号输入通道与信号采样模块53.1.1 信号采样模块的电路设计53.1.2 测量电路63.1.3 a/d芯片83.2 8051单片机113.3显示系统、报警系统133.3.1 显示系统的设计133.3.2 报警系统的设计173.4 控制系统设计173.4.1 pid算法控制173.4.2 继电器控制电路183.5 8051单片机的扩展及系统电路203.6 键盘控制的设计243.7系统的电源设计263.7.1 电源系统的组成263.7.2 电源设计原理263.7.3 电路27第四章 系统软件的设计284.1主控模块的程序设计284.2 led显示程序设计314.3 报警系统的程序设计32结 论34参考文献35附 录36致 谢4344第一章 绪 论第一章 绪 论1.1 课题背景及意义温度是现代检测的重要组成部分，人民的日常生活与环境的温度息息相关，在工业和农业生产过程中常需对温度进行检测和监控。采用微型机对温度进行检测、显示、信息存储及实时控制对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用。温度是一个非常重要的物理量，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。温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。因此对温度的检测的意义就越来越大。温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。1.2 国内外研究的现状21世纪，科学技术的发展日新月异，科技的进步带动了测量技术的发展，现代控制设备的性能和结构发生了翻天覆地的变化。我们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术也成为当今科技的一个主流，广泛地深入到研究和应用工程的各个领域。温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一。温度的变化会给我们的生活、工作、生产等带来重大影响，因此对温度的测量至关重要。其测量控制一般使用各式各样形态的温度传感器。随着现代计算机和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、传输相处理的功能器件，温度传感器的作用日显突出，已成为自动检测、自动控制系统和计量测试中不可缺少的重要技术工具，其应用已遍及工农业生产和日常生活的各个领域。国内外一直在对温度采集控制系统进行研究，目前各种温度采集控制系统的技术已经很成熟，在实际应用中也非常普遍。基于应用目的的不同，有各种类型的温控系统，如：有基于微机的温控系统、有基于dsp芯片的温控系统、有基于单片机的温度控制系统。相应的也研发了出了各种类型的温度采集控制芯片，同时也有了很多实际的产品投入生产应用。虽然这些系统不尽相同，但它们的基本原理和完成的功能都大致一样，主要由温度传感器负责采集温度，经过信号放大、滤波等处理后进行a/d转换，把温度数据转换为数字信号；数字信号最后送入控制系统进行相应的处理和显示，系统根据处理结果发出相应的控制信号。近些年来，单片机技术的迅速兴起并蓬勃发展，单片机具有快速、精确、抗干扰能力强等特点，所以在实际应用中，更多的是采用基于单片机的温度控制系统。1.3 课题内容和主要工作本课题是基于单片机的多路温度采集控制系统设计，其利用单片机作为系统的主要控制器，通过温度传感器检测锅炉温度信号，再经a/d转换后，将数字信号，送入到单片机中进行数据处理，经过一定的控制算法后，通过单片机的输出i/o口，来控制继电器的闭合，达到弱电控制强电的目的，从而实现对了对锅炉温度的调节。 本人的主要工作是运用单片机作为主控制单元及数据处理单元，控制温度传感器检测环境温度信号及a/d转换，数据处理，发出控制信号对加热炉和风扇进行自动化控制，达到自动调节控制环境温度的目的，同时实现超高温报警和超低温报警功能，显示报警温度值和当前温度值。第二章 多路温度采集控制系统总体设计第二章 多路温度采集控制系统总体设计2.1 总体设计指标本设计要求利用单片机对8路热电阻温度信号进行采集和显示。熟悉单片机在温度巡回检测仪表中的应用。掌握单片机系统的设计方法。本设计要求采用逐渐逼近式a/d转换器来进行对信号的采集转换，并通过led来实现温度采集的显示，设计是通过8个热电阻来进行温度采集的，要求温度范围在200700摄氏度。要求能够实现巡回显示和指定显示，通过完成本次设计来加深对单片机系统的掌握和了解。一基本功能检测温度显示温度过限报警控制温度二主要技术参数 温度检测范围 ： 200700测量精度 ： 0.5显示方式 ： 四位led显示报警方式 ： 三极管驱动的蜂鸣音报警2.2 系统框图及工作原理系统框图如下 系统框图工作原理：温度采集元件采集到温度数据,由a/d转换器将采集的模拟信号转换为数字信号，再将数字信号送入到51单片机中进行数据处理，经过一定的控制算法后，通过单片机的输出i/o口，来控制继电器的闭合，达到弱电控制强电的目的，从而实现了对温度的调节。同时将温度在led显示系统中显示出来。如里温度超过上限或下限温度，报警系统会发出警报。第三章 系统硬件电路的设计第三章 系统硬件电路的设计3.1 信号输入通道与信号采样模块3.1.1 信号采样模块的电路设计热电式传感器是温度变化转换为电量变化的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。本设计是用热电阻传感器来进行测量的，热电阻的特点是精度高，适用于测低温。虽然大多数金属的电阻值随温度变化而变化，然而并不是所有的金属都能作为测量温度的热电阻。作为测量温度热电阻的金属材料应具有如下特性：电阻温度系数大，电阻率要大，热容量小；在整个测量范围内应具有稳定的物理和化学性质；电阻与温度的关系最好近似于线性，或为平滑的曲线；并要求容易加工，复制性好，价格便宜。目前应用最广发的热电阻材料试铂和铜并且已做成标准测温热电阻，本设计选用的是铂电阻。铂电阻的特点是精度高，稳定性好，性能可靠。铂在氧化性气氛中，甚至在高温下的物理、化学性质非常稳定。因此铂被公认为是目前制造热电阻的最好材料。铂电阻作为标准电阻温度计使用，也常被用在工业测量中。此外，还被广乏地应用于温度的基准、标准的传递。铂电阻的阻值温度之间的关系，在0850摄氏度范围内可用下式表示，rt=ro(1+at+bt2) (3-1)在-2000范围内用下式表示，rt=ro1+at+bt2+c(t-100)3 (3-2) 式中 rt-温度为t摄氏度时的铂电阻的阻值；ro-温度为0时的铂电阻值；a、b、c-常数，a=3.940*10-3/摄氏度 b=-5.802*10-7/摄氏度 c=-4.274*10-12/摄氏度对满足上诉关系的热电阻，其温度系数约为3.9*10-3/摄氏度。由式（3-1）、式（3-2）可见，电阻值与t及ro有关，当ro值不同时，即使在同样的温度下其rt的值也不同。因此作为测量用热电阻必须规定ro值。根据国家从1988年开始采用的iec标准，工业用铂电阻ro有100和50欧姆两种，并将电阻值rt与温度t的对应关系列成表格，成为铂电阻分度表，分度号分别为pt100和pt50。铂电阻材料的纯度通常用百度电阻比w(100)来表示，即w(100)=r100/ro （3-3）式中 r100-水费点时的铂电阻的电阻值； ro-水冰点时的铂电阻的电阻值。目前技术水平已达到w(100)=1.3930，与之相应的铂纯度为99.9995%，工业用铂电阻纯度w(100)=1.3871.390.3.1.2 测量电路测量电路是通过dbw系列的热电阻变送器来实现的。dbw型热电阻温度变送器它的作用是把测温元件（热电阻）所测得的温度信号转换成420ma（或15v）直流电流信号，供给记录仪、温度指示仪或调节器以组成检测系统或调节系统，对生产过程实现检测或自动控制。dbwm型热电阻温度变送器与各种不同型号的热电阻配套使用，将被测温度线性地转换成统一的标准信号15vdc（或420madc），输出供给指示，记录仪，摸拟电动调节器，可编程数字调节器，分数控制系统及工业过程控制机使用。本仪表采可用三、四线制连接方式，由于在电路设计上采用了高性能的功能模块结构方式，使整机结构紧凑，体积小，重量轻，安装调校简单，维护工作量小。本设计采用三线制连接方式。接线端子：图3-1 热电阻变送器接线端子图由于热电阻变送器提供的是15v电压，而adc0809所需要的是05v电压，所以还需要加个减法电路即差值运算放大器来实现15v到05v的电压转换。图3-2是一个集成放大器组成的基本差值运算电路，它的同向输入端和反向输入端都接有输入信号，理想情况下，ii=0,u-=u+,于是可以列出i1=i2（ui1-u-）/r1=(uuo)/r2u+=ui2*r4/(r3+r4)解得uo=ui2*r4/(r3+r4)*（r1+r2）/r1-ui1*r2/r1 (3-4)当外电路电阻满足平衡对称条件时r1=r3,r2=r4时，式（3-4）可写成uo=-r2/r1*(ui1-ui2) (3-5)图3-2差值运算放大器式3-5表明输出电压与两个输入电压的差值uid=ui1-ui2成正比，电路实现了差值运算。差值运算放大器也成为差动运算放大器。uid称为差模信号，at=uo/uid=-r2/r1称为电路的差模放大倍数。当输入电压ui1=ui2时，输出电压uo=0，把uic=（ui1+ui2）/2称为共模信号，可见电路对功模信号无放大作用，共模放大倍数为零。热电阻变送器与差值运算放大器的连接时，6号引脚接地，5号引脚接ui2,ui1接+1v电压。3.1.3 a/d芯片a/d转换器从原理上通常分为四类：计数器式a/d转换器、双积分式a/d转换器、逐渐逼近式a/d转换器和并行a/d转换器。计数式a/d转换器结构简单，但转换速度很慢，所以很少采用。双积分a/d转换器抗干扰能力强，转换精度也很高，但速度不够理想。逐渐逼近式a/d转换器的结构不太复杂，转换速度也很高。并行a/d转换器的转换速度最快，但结构复杂而且造价高。因此，选用逐渐逼近式a/d转换器。八路模拟开关逐次逼近寄存器s.a.rd7d6d5d4d3d2d1d0比较器树状开关控制与时序256电阻阶梯三态门输出地址锁存与译码in0in1in2in3in4in5in6in7212019188151417262728123451125242322vxvs1312vccgndvrfe(+)169vrfe(-)oe7eoc610addaaddbaddcalestartclkadc0809是典型的转换芯片，adc0809是带有8位a/d转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的cmos组件。它是逐次逼近式a/d转换器，可以和微机直接接口。芯片是adc0808，可以互相替换。adc0809的内部逻辑结构如图3-3所示。图3-3 adc0809的内部逻辑结构由图3-3可以看出，adc0809有一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个a/d转换器和一个三态输出锁存器组成。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。三态输出锁存器用于锁存a/d转换完的数字量，当oe端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 adc0809采用双列直插式封装，共有28条引脚。其引脚结构图如图3-4所示。图 3-1 adc0809内部逻辑图3-4adc0809引脚图（1）in0in7：8条模拟量通道 adc 0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05v，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。（2）地址输入和控制线：4条ale 为地址锁存允许输入线,高电平有效。当ale现为高电平时，地止锁存与译码器将adda、addb和addc三条地址输入线，用于选通in0in7上的一路模拟量输入。通道选择如表3-1所示。addcaddbadda选择的通道000in0001in1010in2011in3100in4101in5110in6111in7表3-1被选通道和地址的关系（3）数字量输出及控制线：11条start 为转换启动信号。当start上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行a/d转换；在转换期间，start应保持低电平。eoc位转换结束信号。当eoc为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行a/d转换。oe为输出允许信号，用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。oe=1,输出转换得到的数据；oe=0，输出数据线呈高阻状态。d7d0为数字输出线。（4）电源线及其他：5条clock为时钟输入信号线。因adc0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须有外界提供，通常使用频率为500khz的时钟信号。vcc为+5v电源线。gnd为地线。vref(+)和vref(-)为参考电压输入，参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型去值：vref(+)=+5v,vref(-)=0v.3.2 8051单片机1电源：vcc - 芯片电源，接+5v；vss - 接地端；2时钟：xtal1、xtal2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。3 控制线：控制线共有4根，ale/prog：地址锁存允许/片内eprom编程脉冲ale功能：用来锁存p0口送出的低8位地址prog功能：片内有eprom的芯片，在eprom编程期间，此引脚输入编程脉冲。psen：外rom读选通信号。rst/vpd：复位/备用电源。rst（reset）功能：复位信号输入端。vpd功能：在vcc掉电情况下，接备用电源。ea/vpp：内外rom选择/片内eprom编程电源。ea功能：内外rom选择端。vpp功能：片内有eprom的芯片，在eprom编程期间，施加编程电源vpp。图3-5 8051单片机引脚图4 i/o线80c51共有4个8位并行i/o端口：p0、p1、p2、p3口，共32个引脚。p3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。p3口引脚功能p3.0rxd（串行输入端口）p3.1txd（串行输出端口）p3.2int0（外中断0）p3.3int1（外中断1）p3.4t0（定时器0外部输入）p3.5t1（定时器1外部输入）表3-2 p3口的功能3.3显示系统、报警系统3.3.1 显示系统的设计 显示系统是单片机控制系统的重要组成部分，主要用于显示各种参数的值，以便使现场工作人员能够及时掌握生产过程。工业控制系统中常用的显示器件有crt、led、lcd等。crt不仅可以进行字符显示，而且可以进行画面显示，和计算机配合使用，可十分方便地实现生产过程的管理和监视。但由于crt体积大，价格昂贵，所以只适用于大型微机控制系统。在中小型的控制过程中，为了使工作人员能够在现场直接看到生产情况和报警信号，经常选用led和lcd作为显示器件。led和lcd都具有体积小，功耗低，响应速度快，易于匹配，可靠性高和寿命高等优点。lcd是一种功耗极低的显示元件，在仪表和低功耗应用系统中的使用较多，而led成本低廉，培植灵活，多用于单片机控制系统中，所以选用led显示。led是一种电流发光器件它既可以工作在恒定电流状态，又可以工作在脉冲电流状态。在平均电流相同的情况下，脉冲工作状态可产生比直流工作状态较强的亮度，一般每秒钟可导通100500次，每次为几个毫秒：led有单个发光二极管、七段(或八段)led显示器和led点阵显示器等类型。发光颜色有红、绿、黄等。led显示器每段正常发光需直流电流1020ma，发光二极管发光时其正向导通压降为1.7v左右。七段led显示器是由7个led按定的图形排列组成，如图3-6(a)所示，七段led显示器的各个二极管分别称为a、b、c、d、e、f、g段，有些七段显示器增加一个dp段表示小数点，也称为八段led显示器。七段led显示器有两种结构：共阴极七段led显示器和共阳极七段led显示器，如图3-6(b)、(c)所示。所有二极管的阴极接在一起的称为共阴极七段led显示器；所有二极管的阳极接在一起的称为共阳极七段lld显示器。共阳极七段led显示器工作时，二极管的公共阳极接向电平“1”各段的阴极接与共阳七段码相对应的电平。共阴极七段led显示器工作时，其公共极接到低电平，各段的阳级接与共阴七段码相对应的电平。在实际应用中，除公共极外，其他各极应串接一个电阻后再接到相应电平。电阻的作用是限制流过led中的电流以保证在发光时二极管不因电流过大而被烧坏。 （a）典型的七段led器件 （b）共阳极led显示器 （c）共阴极led显示器图3-6七段led显示器的结构原理将数码管的引脚和单片机的数据输出口相连，控制输出的数据可以使数码管显示不同的数字和字符，通常称控制发光二极管的8位字节数据为段选码。7段led段选码如表3-3所示。可以看出，共阳极和共阴极的段选码互为补数。显示字符共阴极段选码共阳极段选码显示字符共阴极段选码共阳极段选码03fhc0ha77h88h106hf9hb7ch83h25bha4hc39hc6h34fhb0hd5eha1h466h99he79h86h56dh92hf71h8eh67dh82hh76h09h707hf8hp73h8ch87fh80hu3ehc1h96fh90h灭00hffh表3-3 7段led段选码led的显示份静态显示方式和动态显示方式在静态显示方式下，n块显示器件都处于选通状态；每一块显示器件的段选线和一个8位的并行口相连，只要控制显示位的段选码，就可显示出相应的字幅。由于显示器件由不同的i/o控制，所以静态显示方式中的每一位都可以独立显示，在同一时刻每一位显示的字符可以各不相同。led动态显示就是将所有显示位的段选线并联在一起，有一个8位i/o口控制，而位选线则有其他的i/o口控制，通过程序控制，不断循环输出相应的段选码和位选码，由于人的视觉暂留效应，就可以获得视觉稳定的显示状态。本设计选用的是串行口动态扫描显示，其电路图如3-7所示。图3-7 串行动态led扫描电路图3-7是电原理图，采用mcs-8051单片机，同时用廉价易得的74ls164和74ls138作为扩展芯片。74ls164是一个8位串入并出的移位寄存器，其此处的功能是将8051串行通信口输出的串行数据译码并在其并口线上输出，从而驱动led数码管。74ls138是一个3-8译码器，它将单片机输出的地址信号译码后动态驱动相应的led。但74ls138电流驱动能力较小，为此，使用了未级驱动三极管2sa1015作为地址驱动。3.3.2 报警系统的设计 报警系统的电路图如图3-8所示。图3-8报警系统的电路图报警是微机控制系统的一项重要功能，主要用于保证生产过程的正常运行和操作者的生命安全。在生产过程中控制系统随时检测被控对象的一些重要参数，当超出允许范围是，控制系统便会发出声光报警信号，引起操作者的注意以便采取相应的措施。智能型的报警系统不仅能够发出声光报警信号，甚至可以实现简单故障的自动处理。3.4 控制系统设计3.4.1 pid算法控制pid在温度控制中已使用数十年，是一种成熟的技术，它具有结构简单、易于理解和实现，且一些高级控制都是以pid为基础改进的。pid具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后纯滞后”与“二阶滞后纯滞后”的控制对象，pid控制器是一种最优控制。其调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（pi、pd、）。pid调节器又称为比例积分微分调节器，它具有比例、积分、微分三种调节作用温度pid调节器有三个可设定参数，即比例放大系数、积分时间常数、微分时间常数。对一个控制系统而言，合理地设置这三个参数可取得较好的控制效果。 在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成pd或pid控制器。 采用pid控制其优点是理论和技术都很成熟，在单片机上用软件较易实现，可以达到较小的静态误差，但必须仔细调整控制参数，才能获得较好的效果。因题目对静态误差要求较高，故采用pid控制。参数整定采用试凑法，在系统调试阶段完成。考虑到电炉对水进行加热有较大的滞后性，若采用单一的pid控制，难以兼顾调节时间和超调量，设定温度突变时，有可能产生振荡或调节时间过长。因此将控温过程分成两段，误差较大时用模糊控制，接近设定温度时改用pid控制。3.4.2 继电器控制电路图3-9为通过三极管来控制继电器的开关的。继电器采用的是带光电隔离的过零型双向可控硅ac-ssr固态继电器，为使其实现过零控制，就是要实现工频电压的过零检测，并给出脉冲信号，由单片机控制双向可控硅过零脉冲数目。当在其输入端加入（撤离）控制信号时，输出端接通（断开）。此电路用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制，此处被控对象为电炉丝，采用对加在电炉丝两端的电压进行通断的方法进行控制，以实现对水加热功率的调整，从而达到对水温控制的目的。对电炉丝通断的控制采用ssr固态继电器。它的使用非常简单，只要在控制台端加上一ttl电平，即可实现对继电器的开关。电路的工作原理是：高电平导通，线圈有电，电池结构触点吸合；低电平断开，线圈无电，电池结构触点分离，线路断开。从而控制电炉与电源的通断，来达到加热或冷却炉丝的目的，最终实现温度稳定在设定值上。图3-9 继电器电路本系统使用的固态继电器是整个控制系统的执行部件，在整个自动控制系统中起着举足轻重的作用。随着科学技术的发展和工业化程度的提高,对广泛使用的继电器提出更高的要求,归纳如下： 高敏感度,高速响应 输入可以是传感器信号,输出为高压信号 从低频到高频的宽频带 高可靠性,长寿命 体积小,可进行表面安装 多功能、静音化固态继电器(ssr)是一种由固态电子器件组成的新型无触点开关器件.它利用分立元件、集成器件及微电子技术实现控制回路（输出）之间的电隔离和信号耦合。达到无触点、无火花接通和断开电路的目的，具有工作可靠、驱动功率小、开关速度快、使用寿命长、无噪音和抗干扰的特点。其应用领域十分广泛，诸如微机的i/o接口、防爆场合和自动控制领域等。3.5 8051单片机的扩展及系统电路由于单片机的输入/输出引脚有限，一般的，我们采用地址存储器进行单片机系统总线的扩展。常用的单片机地址锁存器芯片有74ls373、8282、74ls273等。图3-10所示为74ls373的引脚以及它们用作地址锁存器的连接方法。74ls373是带三态输出的8位锁存器。当三态门为有效低电平，使能端g为有效高电平时，输出跟随输入变化；当g由高变低时，输出端8位信息被锁存，直到g端再次有效为止。图3-10 74ls373的引脚 用eprom作为单片机片外rom是目前最常用的rom扩展方法。常用的eprom芯片有很多，图3-11为intel2764。在2764中主要有7种功能引脚，如图3-11所示： vcc：电源电压,+5v.a0a12：地址线。 d0d7：数据线。 oe：片输出允许，连接单片机的读信号线。 ce：片选信号引脚，由地址线译码器或单线选通。 vpp：编程写入电压。图3-11 2764的各个功能引脚 程序存储器的扩展如图3-12所示。图3-12 程序存储器的扩展mcs-51系列单片机内部带有128b或256b的ram，可用作工作寄存器堆栈数据缓冲器及软件标志等。对于一般而又简单的应用场合，片内ram用于暂存数据处理过程中的中间结果等，已经足够了。但是，在诸如实时数据采集和处理成批数据的场合，仅片内提供的ram往往不够使用，可利用单片机的扩展功能，外接ram电路，作为片外ram。一般采用静态ram（staticram，sram）。sram具有存取速度快使用方便等特点。常用的sram型号有很多，本课题中使用的是intel6264,如图3-136264是8k*8的sram芯片，在6264中主要有6种功能引脚： we：写允许引脚，低电平有效。 a0a12：地址线。 d0d7：数据线。 oe：片输出允许，低电平有效。 cs1：片选信号引脚，低电平有效。cs2：片选信号引脚，高电平有效。图3-13 6264的各个功能引脚数据存储器的扩展电路如图3-14所示图3-14数据存储器的扩展3.6 键盘控制的设计 键盘按结构的不同可分为独立式按键和行列式键盘两类，每类按译码方式的不同又分为编码式和非编码式两种。单片机中一般使用的都是用软件来识别和产生键代码的非编码键盘。 行列式键盘的编码方式由静态和动态两种。静态接口主要由一个行编码器和一个列编码器构成；动态接口可采用计数器、译码器和数据选择器构成。这两种键盘由硬件完成键的编码任务。 一般在小型仪器仪表和控制系统中，使用较多的是行列式和独立式的非编码键盘；如果系统要求实现多键同时按下的处理，则用非编码独立方式较为合适。 本设计采用独立式按键方式，主要通过4个键，s1、s2、s3、s4来实现指定显示某一电路。图3-15独立式按键当s1断开时，为巡回检测电路，当s1闭合时，指定显示电路的通道数与s2、s3、s4的关系见下表3-4。 s4s3s2对应通道数000#0001#1010#2011#3100#4101#5110#6111#7 “1”表示键闭合，“0”表示键断开表3-4键对应的通道数3.7系统的电源设计3.7.1 电源系统的组成仅就单片机系统(最小系统)而言，只需要5v的直流电源，而对实际的单片机应用系统来说，由于需要扩展一定的测控转换通道和与其相应的接口电路及外设，除5v的直流外，还需要其他的直流(如12v等)、交流(50hz和其他频率)电源乃至特殊电源(如各种频率的方波、锯齿波等)。图3-16 单片机应用系统电源组成框图如图3-16所示，单片机应用系统的电源一般是由市电通过变压、整流、稳压、滤波及a/d变换、波形变换后提供系统所需的直流、交流和特殊电源，也有从直流供电设备取得电能后通过d/d变换、稳压、滤波后提供系统所需电源。因而单片机应用系统电源通常包括变压电路、整流电路(d/d变换电路)、稳压电路、滤波电路，有些还有d/a换流电路、特殊波形发生电路。而本设计电源只有交流供电设备，无特殊电路和交流电路。3.7.2 电源设计原理电源电压的设计主要是针对系统要求的不同工作电压进行电源分配。一般有两种方法，一种是多电源方案，一种是单电源方案。本设计采用的是单电源方案，主要供系统电压+5v电源。为降低成本，采用“变压器降压-整流-滤波-稳压”的线性电源。采用单电源方案的优点是系统简单、工作可靠。尽管单片机系统目前难以实现系统内全部器件采用单一电源。3.7.3 电路稳压电源是单片机测控系统的重要组成部分，它不仅为测控系统提供多路电源电压，还直接影响到系统的技术指标和抗干扰性能。近年来，传统的线性稳压电源正逐步被高效率的开关电源所取代。特别是单片开关电源的迅速推广应用，为设计新型、高效、节能电源创造了良好的条件。线性集成稳压器分固定式输出、可调式输出两种类型，又以三端固定或可调式集成稳压器的应用范围为最广。图3-17 系统电源的电路图此设计中选用的三端固定集成稳压器为78l05，其电路图如图3-17所示。第四章 系统软件的设计第四章 系统软件的设计4.1主控模块的程序设计在主模块中的主要程序是巡回检测程序，巡回检测程序主要由以下几个方面构成：1采样周期t的确定：采样周期可通过软件程序实现。2采样开关通道号的控制：控制采样开关选择要监测数据的通道。3a/d转换：实现模拟量到数字量的转换。系统软件介绍：本程序由系统初始化程序和中断程序组成。初始化程序完成中断向量和定时器初值的设定；中段程序完成数据采样工作，实现对8个通道的巡回检测。初始化程序功能：设置定时器0、外部中断0、和外部中断1的中断程序入口；设置定时器0的工作方式为1；定时时间为100ms；设置计数单元（30h）初值。初始化程序流程图如图4-1所示。开始定时器初始化中断初始化开中断设置中断向量等待中断启动定时器图4-1 初始化程序流程图定时器0中断功能：实现8秒定时，通过检测技术单元（30h）的数据判断定时事件是否到8秒，8秒时间到，触发外部中断0，执行数据采样程序。定时器中断程序流程框图4-2所示。开始计数单元+1触发into重新加载数据关中断开中断返回8秒定时到否？是否图4-2 定时器中断程序流程框图数据采样程序功能：巡回检测adc0809通道，控制存放数据的地址和采样次数。巡回检测的方式是先对8个通道各采样一次，然后再采集第二次共采集五次。采样程序采用中断方式。在设置通道初值、通道数、采样次数和存放数据的开始地址后，启动a/d转换，随后检测标志位状态。标志位被清零，标志着本通道的a/d转换已经结束，在修改通道号和数据存放地址后，对下一通道继续检测。当8个通道的检测工作完成后，判断5次采样是否全部完成，若没完成，则对8个通道继续采样，直至完成5次采样工作。数据采样程序流程框图如4-3所示。a/d转换完成中断功能：将标志位清零，读取转换后的温度数据并存放在ram中。 a/d转换完成中断程序流程图如图4-4所示。开始置标志位置标志位修改通道号与存放地址设置通道初始值，采样次数，数据存放地址标志位改变否？启动a/d转换等待中断5次采样完成否？8个通道均采样否？返回启动a/d转换是是是否否否图4-3 数据采样程序流程框图开始读入数据存储数据标志位清零返回图4-4 a/d转换完成中断程序流程图程序说明：1程序实现5次采样，每次检测8个通道。2数据的存放格式。3程序的采样周期是通过软件实现的。如果系统处理的任务较多，且对实时性要求较高，则采样周期可通过系统扩展8253等定时芯片实现。4.2 led显示程序设计led显示程序的设计： 动态显示程序流程图如图4-5所示。开始显示完4位数据否？设置位选字返回输出位选字读显示数据设置显示数据首地址延时10ms输出段选码查段选码否是图4-5 动态显示程序流程图4.3 报警系统的程序设计报警处理程序一般都需要根据系统的要求编写，如有的报警系统要求能够发出声光报警信号、记录报警时间参数或进行自动处理等。虽然不同的系统的报警处理程序是不一样的，但报警程序的设计基本思想是相同的。报警程序主要有以下几个步骤组成：1采样被测参数。2比较采样值和给定的上下限。3根据比较结果执行相应的处理程序。报警处理程序，只有采样值连续3次异常时，系统才进行报经处理。报警程序的设计思想是预设允许的连续异常的次数n，将采样值和预先设定的报警值进行比较，如果发现采样值超过报警值，则判断上一次采样值 是否正常。如果正常，则重置允许的连续不正常的次数n，并设置本次采样不正常标志，然后继续采样。如果上一次采样值不正常，则判断是否连续n次采样异常，不是则设置本次采样不正常标识以及计算允许的连续异常次数，然后继续采样；否则发出执行报警处理程序。设上限报警值存放在amax单元，下限报警值存放在amin单元，采样值存放在samp单元，允许的连续异常次数存放在num单元。flag为上次采样异常标志位，flag=0,上次采样正常；flag=1,上次采样异常。报警程序流程框图4-6所示：采样值超上限否取报警上限重置连续采样异常次数设置采样异常标志报警处理允许连续异常采样次数-1取报警下限结束允许连续采样异常次数=0？上次采样正常否采样值超下限否开始是否是否是否否是设置采样正常标志图4-6 报警程序流程框图结 论结 论本系统设计简单，性能稳定，能够通过单片机灵活编程进行各