啤酒发酵过程的微机控制.doc

长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 1 啤酒发酵过程的微机控制 摘 要 在啤酒发酵中，温度糖度和时间三者的变化是相辅相成的。而实际上糖度的 控制是由调节发酵温度来完成的。时间的控制，在一定麦汁浓度酵母数量和活性 的条件下，亦取决于发酵温度。所以说目前的发酵操作中，最主要的是温度的控 制。要使整个发酵过程按预定曲线进行，达到良好的产品质量，对麦汁发酵过程 的温度进行控制，是十分重要的。单片机控制啤酒发酵的过程控制系统采用了集 成电路温度传感器和优化采样控制，具有了较好的控制精度，稳定性和可靠性。 而且由于其控制功能要通过内部的控制系统来实现，人们只要改变这些程序就可 以更改系统的控制功能，以适应新的研制要求而不需要改变硬件系统。 本文介绍了一种把单片机应用在啤酒发酵过程中的控制系统。具体介绍了该 系统涉及的对象特性，发酵温度的测量与控制，以及该系统的软件框图设计。 我们选择 mcs51 系列的 80c31 作为 cpu，构成一个最小系统机。系统机的 特点是开发量大，应用灵活。整个系统的硬件主要包括：微处理器（80c31）和外 扩存储器（27512、62256）及外扩 i/o 接口、译码电路、a/d 转换器（ad1674jn） 、 d/a 转换器（dac0832） 、lcd 液晶显示器（zjm12864b） 、提供12v 和+5v 的电源、 4*4 键盘、由 pt100 铂电阻构成的温度传感器、后向通道 v/i 变换电路、可调流 量阀、开关阀。控制算法选用 pid 控制算法。 关键词 温度控制 pid 液晶显示器 集成电路 采样控制 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 2 beer fermentation process of microcomputer control abstract in beer fermentation, the sugar content and timing of temperature changes in the three complement each other. in fact the control of sugar fermentation by adjusting the temperature to complete. time control, to a certain number of wort concentration and activity of yeast conditions, also depends on the fermentation temperature. so the current operation of the fermentation, the most important one is temperature control. fermentation process to make the whole curve as scheduled, a good product quality, on the temperature of wort fermentation process control is very important. this article introduced one kind the monolithic integrated circuit application in the beer fermentative process control system. introduced specifically this system involves object characteristic, fermentation temperature survey and control, as well as this system software diagram design. we choose mcs-51 series 80c31 to take cpu, constitutes a smallest system machine. the system machine characteristic is develops the quantity to be big, the application is flexible. the overall system hardware mainly includes: the microprocessor (80c31) and outside expands the memory (27512, 62256) and outside expands the i/o connection, the decoding circuit, the a/d switch (ad1674jn), the d/a switch (dac0832), the lcd liquid-crystal display (zjm12864b), provides 12v and the +5v power source, the 4*4 keyboard, the temperature sensor, the backward channel v/i transfer network, the adjustable flow valve, the switch valve which constitutes by the pt100 platinum resistance. the control algorithm selects the pid control algorithm. 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 3 keywordskeywords temperature control proportion integration differentiation liquid-crystal display integrated circuit sampling control 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 4 第 1 章 引言 啤酒是以大麦和水为主要原料，大米或谷物、酒花为辅料，经制成麦芽、糖 化、发酵酿造而成的低酒精度、含二氧化碳、营养丰富的饮料酒。一九七二年七 月二日在墨西哥举行的第九界“国际营养食品会议”上，被正式列为营养食品。 啤酒有着同人类文化同样悠久的历史，但我国的啤酒工业迄今只有百余年的 历史。 啤酒生产要经过许多道工艺，其中发酵是最为重要的一环。麦芽汁冷却至规 定温度后，进入发酵罐，添加一定量酵母后，开始发酵作用。啤酒发酵是一项非 常复杂的生化反应过程啤酒在所含酶系的作用下，在厌气的条件下，使大部分发 酵性糖转变为二氧化碳和酒精，另外还有一系列的发酵副产物，如醇类、醛类、 酸类、酯类、酮类和硫化物等生成。这些发酵产物决定了啤酒的风味、泡沫、色 泽和稳定性等各项理化性能，使啤酒具有其独特的典型性。 不同的酿造者由于采用不同的酵母菌种，不同的发酵工艺，所以生产出不同 类型的啤酒，传统的发酵方法可分为上面发酵和下面发酵两种类型。下面发酵法 虽出现比较完，却较上面发酵法更为盛行。目前大多数国家采用下面发酵法酿造 啤酒，国内啤酒全部采用下面发酵法。啤酒的发酵可分为几个过程： 1.发酵过程：麦芽汁经冷却进入发酵罐，在此阶段自然升温到 13.5，并保持 30 小时； 2.还原过程：发酵液在 24 小时内从 13.5升温到 15.5，并保持 90 小时； 3.降温过程：发酵液在 72 小时内从 15.5降温到 4； 4.储存过程：发酵液在 48 小时内从 4降温到-0.5，并保温 96 小时。 啤酒发酵工艺是一种批量生产工艺，是啤酒生产中最为重要的一环，发酵罐 从一开始到结束，历时数周必须严格按照预定的温度控制曲线，以实现最佳发酵 过程。因此发酵控制系统就尤为重要。由于发酵罐运行的数量随产量的变化而变 化，各发酵罐的实际发酵情况也各不相同，因此各发酵罐可有自己的控制系统， 如使用单片机组成系统，再将各分系统由上位机监控。 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 5 单个发酵罐一般由罐体、罐体周围环绕的绕冷却管，及上、中、下三处三个 开关阀和一个总的流量阀组成，啤酒的发酵过程是放热反应发酵液温度逐渐升高， 要按照预定的温度曲线控制，只需控制冷却液的流量及开关阀的开关即可。这一 简单的工作由 mcs51 系列单片机组成的系统足可以完成。 本次设计即采用 mcs51 系列单片机组成的系统对啤酒的发酵过程进行控制。 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 6 第 2 章 系统控制方案的确定 啤酒发酵过程中，温度是主要参数。系统所采用的控制方法，就是根据发酵液 的温度来控制流量阀冷媒的输入量及三个开关阀的开关。其中调节系统是由微型 计算机组成。当温度控制达到一定精度时，其它的参数如压力、液位等可以忽略 不予考虑。本次设计即采用 mcs51 系列单片机组成的系统对啤酒的发酵过程进 行控制。由温度传感器采温，经 a/d 转换进入 80c31，相应算法求偏移量，由 d/a 转换送出，经 v/i 变换成 010ma 信号控制流量阀，调节冷媒流量以达到控温目 的。 发酵过程特性辩识：为了使微型计算机控制的发酵过程满足工艺要求，需要 了解被控制对象冷却液对发酵温度调节的动态特性建立控制对象的数学模型。 这是一件比较困难的事情。因为所谓测验特性是靠控制外作用去侦知对象内部的 变化过程，由于不允许破坏生产，以免影响企业的经济效益，故不能加入人为扰 动典型特征来获得满度变化特性数据，因而采用微机控制运行的条件下，由微机 本身采集被控过程的输入量输出量（冷媒调节量和温度变化） ，然后，离线回归辩 识。 控制系统的总体设计考虑：根据发酵工艺要求和控制对象大惯性、温度调节 精度和速度变化、硬件系统的可靠性、软件系统的可靠性及保持可编程多功能和 灵活性等要求和特点，总体方案要求包括以下几个方面的方针：测定和建立数学 模型；选择检测和调节仪表方案；确定控制规律；确定微机硬件配置和工作方式； 应用软件的功能和驱动方式。分述如下： 1. 测定和建立数学模型。 决定对测定对象动态特性和辩识算法进行模拟研究，在此基础上确定了用采 集正常生产运行数据，并用最小二乘法进行回归建立对象的数学模型。实验已证 明，我们对建立对象的数学模型过程的大惯性、大滞后性质的预估是正确的，但 其中不同发酵阶段的参数有很大变化是逐渐认识的。 2.检测与调节。 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 7 对上百立方米这样的一个大容器，又无搅拌的系统，我们采用多点测温取平 均值的方法，即分上、中、下三部，上部和下部分三点，中部两点。调节部分采 用一个总的流量阀，上、中、下各采用一个开关阀。由微机控制总的流量和各阀 的开关。 3.控制规律。 对于一般温度惯性对象，由 pid 调节器构成闭环单回路系统，用离散化 pid 值直接控制就可以了。不过为适应不同工艺阶段给定值是变化的温度曲线（折线） 这个情况，采用恒温段采用 pid 调节等不同控制措施。为了适应大惯性、大滞对 象的特点，在软件设计中还提供了补偿的 smith 预估补偿以及比较著名的达林算 法。 4.系统的硬件设计。 微机选型要兼顾性能、可靠性、与外围接口设备的连接、功耗、价格等多方 面因素。我们采用 mcs51 系列的 80c31 作为 cpu 并配以相应的外围电路。 5.软件设计。 软件设计采用模块化程序，各种功能作成子程序，如键盘、显示、pid 调节、 报警等，供主程序调用。 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 8 第 3 章 系统数学模型的建立及控制算法的确定 啤酒发酵的周期为 15 天左右，温度变化缓慢，是一个大滞后、大惯性的控制 对象，对发酵液的温度控制精度要求在 0.15的范围内。要使控制系统达到理想 的效果，适当的选择控制算法是非常重要的。通常的数字调节器都利用常规的 pid 算法，即根据下式来编制调节程序。 式中：e 为给定值与实际值的偏差；kp 为调节器放大被数；td 为微分时间；ti 为 积分时间。 由于发酵罐的容积比较大，每次投料很多，冷却液又不能与发酵液直接接触， 只在发酵罐周围的环管中循环，这样一来系统反应速度很慢，滞后时间较长，时 间常数较大，常常会使调节出现超调或震荡。图 3-1 示出阶跃信号作用下系统的 反应曲线。对于此类含纯滞后的控制对象采用 pid 算法或史密斯补偿算法能收到 良好的效 阶跃信号 图 31 阶跃信号作用下系统反应曲线 由于发酵罐的时间常数大，将其闭环调节系统用一个一阶惯性环节加一个延 时环节来进行。 1 0 0 t i p dt tdt de tekp 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 9 对于计算机控制必须把连续形式化成离散形式，而且为了防止计算机运算输出饱 和值，通常采用增量输出离散算法。 式中：tc 为采样周期，本系统为 10 秒。还可以变换下面的增量方程： 式中： ui(k)第 k 个周期采样温度值； u0(k)第 k 个周期的给定温度值。 初值 q(k-1)=0,e(k-1)=0 我们根据被控对象的特点，采取以下的方法结合到 pid 算法之中： 1.在保温阶段，给定 u0（k）保持不变，采用 pi 调节。 2.在升温和降温阶段，采用 pid 调节。 3.为了减少滞后的影响，在给定温度曲线发生折点变化时，应在拐点之前提 前开阀或关阀。这就是拐点处理，其目的是为了使温度发生转折变化时过度自然。 4.对增量输出和阀位输出进行限幅处理。 前面已提到了采用 smith 补偿算法， )()()( )() 1()( ) 1()( ) 1()()( 0 kukuke kbkcekq kqkae kpkpkp i c d p c d p c d i c p t t kc t t kb t t t t ka 21 1 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 10 我们把被控对象视为具有纯滞后的惯性环节： 这是它的传递函数。式中：k0 为对象的放大倍数；t 为对象的时间常数； 为纯 滞后时间。smith 补偿环节的传递函数为： 化为微分方程形式为： 再化为差分方程形式为： 也可以改写为： 式中：k=0，1，2；tc 为采样周期时间；c 为滞后周期数；c=。由于在主控部分 采用 pid 控制算法，其算法在前面给出，可知： 又有： 而 ys(k)可以由 smith 差分方程推出： 式中： 由此可见，smith 补偿控制算法只不过是采样温度减去给定温度，再加上一 )()()( )( 0 tptpkty dt tdy t s s )()(1)() 1( 000 ktpktpekktyetky t t s t t cs cc ss p e ts k esgsg 1 )()( 0 s e ts k sg sd sy 1 1 )( )( )( 0 ) 1()(1)() 1( 0 kpkpekkyekyt t s t t s c c )() 1()( ) 1()() 1()()( kbkcekq kqkaekpkpkp )()()()()()()( 00 kykukukykukuke sisi ) 1() 1(1) 1()(lkpkpkfyky ss t tc ef t tc ekh1 0 c t l 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 11 个 ys(k)值作为补偿值，再把这个值作为 u(k)送入 pid 算式中计算增量输出。因 而，可以把上述两种算法合成一个程序。只要在开始入口处用不同地址选择其中 的一种算法即可 第 4 章 控制系统硬件设计及分析 本次设计是为了实现啤酒发酵过程的自动控制，对次过程来说，要求处理精度 高、速度快，结合前面叙述的控制方案、控制算法及兼顾性能、价格的综合研究， 我们选择 mcs51 系列的 80c31 作为 cpu，构成一个最小系统机。系统机的特点 是开发量大，应用灵活。整个系统的硬件主要包括：微处理器（80c31）和外扩存 储器（27512、62256）及外扩 i/o 接口、译码电路、a/d 转换器（ad1674jn） 、 d/a 转换器（dac0832） 、lcd 液晶显示器（zjm12864b） 、提供12v 和+5v 的电源、 4*4 键盘、由 pt100 铂电阻构成的温度传感器、后向通道 v/i 变换电路、可调流 量阀、开关阀。 4.1 微处理器和外部存储器扩展 4.1.1 微处理器 80c31（cpu） 微处理器（cpu）是控制系统的核心。我们选择 mcs51 系列的 80c31 作为 cpu。80c31 是 cmos 工艺的芯片，功耗较小，价格便宜。 80c31 与 51 系列基本型完全兼容。片内有一个 8 位的处理器；片内震荡器； 128 字节的用户 ram，21 个字节的专用寄存器；4 个 8 位并行 i/o 口 （p0、p1、p2、p3） ；1 个全双工的串行 i/o 口；2 个 16 位定时/计数器（t0、t1） ， 5 个中断源，2 级中断优先权。 80c31 的供电电压可在 5v20%范围内。它有两种掉电工作方式：一种是 cpu 停止工作，其它部分继续工作；一种是除片内 ram 继续保持数据外，其它部分都 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 12 停止工作。 双列直插封装（dip）方式的 80c31 共有 40 个引脚，图 41 是它的引脚分布， 其按功能可分为三部分： 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 13 图 4-1 80c31 管脚图 1.i/o 口线：p0、p1、p2、p3 p0 口的每一位都由一个多路转换开关 mux 控制。即 p0 是一个多功能口。 当单片机需要扩展片外程序存储器或数据存储器时，p0 口各位用来输出片外存储 器地址的低 8 位 a0a7 以及输入或输出数据 d0d7。p0 口一般都是用作地址/数 据复用总线，它是双向口。本次设计也是如此使用。 p1 口是一个普通的单功能口，只能用来作普通的 i/o 口。可以按位设置 成输入或输出。本次设计用 p1 口来控制多路开关、冷却开关阀及报警电路。 p2 口的每一位也都由一个多路转换开关 mux 控制。它是一个双功能口。 当扩展片外程序存储器时，p2 作为地址总线，输出地址高 8 位 a8a15；当扩展 片外数据存储器时，可以输出锁存器的值作为地址高 8 位 a8a15，也可以输出 dph 的值作为地址高 8 位 a8a15。 p3 口也是双功能口，除了作为普通 i/o 口之外，它还具有第二功能。作 为第二功能时，p3 口 8 条线有特殊用途： p3.0 第二功能为 rdx(串行输入)； p3.1 第二功能为 tdx(串行输出)； p3.2 第二功能为 int0(外部中断 0 输入)； 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 14 p3.3 第二功能为 int1(外部中断 1 输入)； p3.4 第二功能为 t0(定时/计数器 0 输入)； p3.5 第二功能为 t1(定时/计数器 0 输入)； p3.6 第二功能为 wr(片外数据存储器写选通)； p3.7 第二功能为 rd(片外数据存储器读选通)； 本次设计我们用到 p3 口的第二功能。80c31 的串行口在 p3.0 和 p3.1，它 要用于与上位机进行通讯。 2.控制口线： psen（29）片外取指控制。此引脚输出的是外部程序存储器的读选通信 号。 ale（30）地址锁存控制。当访问外部存储器时，ale 的输出用于锁存地 址的低位字节。 ea（31）片外程序存储器选择。当 ea 保持低电平时，访问片外程序存储 器。因为我们用的 80c31 片内没有程序存储器，必须进行外部扩展，因此，将 ea 引脚直接接地。 reset（9）复位控制。在此引脚保持两个机器周期的高电平，cpu 将执 行复位操作，恢复初始状态。我们将此引脚与“看门狗”相连。 3.电源及时钟： vcc（40） 、vss（20）这两个引脚为处理器提供电源。其中 vcc 接 +5v，vss 接地。 xtal1（19） 、xtal2（18）这两个引脚用于引进外部震荡源，来给处理器 提供基准时钟信号。我们采用外接 12m 晶体震荡器。 4.1.2 外部存储器 存储器是计算机不可缺少的部分，它担负着计算机程序和数据的存储的重任。 有了存储器计算机才能脱离人的直接干预，自动的完成工作。存储器的容量越大， 存储的信息就越多，计算功能就越强。 1.外部程序存储器 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 15 在 mcs51 系列单片机应用系统扩展中，程序存储器的扩展应用是最多的， 扩展方法也比较简单。外部程序存储器根据烧写方法的不同可以分为掩膜式的 （prom） 、光可擦的（eprom）和电可擦的（eeprom） 。我们选用 inter 公司的 27 系列的 27512 芯片，它的存储器空间达到了 64k 字节。 外部程序存储器和外部数据存储器是分别独立编址的，因此外部程序存储器 有自己独立的地址编号（0000hffffh） 。外部程序存储器内指令的读取由 psen 引脚的信号控制，使用 movc 指令。外部程序存储器和外部数据存储器共同使用地 址总线和数据总线。 mcs51 系列单片机访问外部程序存储器的操作时序分两种情况，即不执行 movx 指令和执行 movx 指令。在执行 movx 指令时，p0 口作为地址线，专门用于输 出程序存储器的低 8 位地址 pcl。p2 口专门用于输出程序存储器的高 8 位地址 pch。p2 口具有输出锁存功能，而 p0 口除输出地址数据外，还要输出指令，故要 用 ale 来锁存 p0 口输出的地址数据 pcl，在每个机器周期中允许地址锁存器两次 有效，在下降沿时锁存器出现 p0 口上的低 8 位地址 pcl。同时 psen 也是每个机 器周期中两次有效，用于选通外部程序存储器，使指令读入片内。 当应用系统中接有外部数据存储器时，在执行 movx 指令时，程序存储器的操 作有变化，其主要原因是在执行 movx 指令时，16 位地址应指向数据存储器。在 指令输入以前，p2 口、p0 口输出的地址 pch、pcl 指向程序存储器。在指令输入 并判断是 movx 指令后，在该机器周期 s5 状态中 ale 锁存的 p0 口的地址数据则不 是存储器的低 8 位，而是数据存储器的地址。若执行的是 movx a，dptr/movx dptr，a 指令，则此地址就是 dpl（数据指针的低 8 位） ，同时，在 p2 口上出现 的是 dph（数据指针的高 8 位） 。若执行的是 movx a，ri/movx ri，a 指令时， 此地址就是 ri 的内容，而 p2 口提供的是指向数据存储器高 8 位 p2 口内锁存器的 内容，实际上就是下一条指令的高 8 位地址。在同一机器周期中将不再出现 psen 有效取指信号，下一个机器周期中 ale 的有效信号也不复出现，而当 rd/wd 有效 时，p0 口将读/写数据存储器中的数据。p0 口将出现有效的输入数据或输出数据。 只有执行 movx 指令时，第二个机器周期间地址总线才由数据数据存储器使用。 我们选用 inter 公司的 27 系列的 27512 芯片，是 64k*8 位的紫外线擦除、电 可编程只读存储器，单一+5v 供电，工作电流最大 125ma 维持电流 40ma，读出时 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 16 间最大为 250ns。其 cs 引脚为片选线，本次设计直接接地；oe 引脚是数据选通线， 与 80c31 的 psen 相连，a0a15 为地址线；o0o7 为数据输出线。具体引脚分布 见图 4-2。 2外部数据存储器 虽然 mcs51 系列片内有 128 字节的 ram，但一般情况这是不够的，需要扩 数据数据存储器。外部数据数据存储器与外部程序存储器的地址编号是完全重叠 的，都是 0000hffffh，所以它们的地址和数据总线可以共用。虽然地址重叠， 但它们采用不同的控制信号，所以不会冲突。可是外部数据数据存储器却是和 i/o 口及外围设备是统一编址的，任何 i/o 口及外围设备均要占用外部数据数据 存储器的地址空间。 本次设计扩展的外部数据数据存储器，我们选用常用的 sram 芯片 62256，它 采用单一+5v 供电。其中 ce 引脚为片选信号输入线，低电平有效；oe 引脚为读选 通信号输入线，低电平有效；we 为写允许信号输入线，低电平有效；a0a14 为 地址输入线；d0d7 为双向三态数据线。具体引脚分布见图 4-3。 图 42 27512 管脚图 图 43 62256 管脚图 4.1.3 锁存器 由于 mcs51 单片机的 p0 口是分时复用的地址/数据 总线，因此在进行外部程序存储器扩展时，必须利用地址 锁存器将地址信号从地址/数据总线中分离开来。 通常，地址锁存器可以使用带三态缓冲输出的八 d 锁 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 17 存器 74ls373 或 8282，可以使用带清除端的八 d 锁存 图 44 74ls373 管脚图 器 74ls273，它们的地址锁存信号都是 ale。我们选用的是 74ls373。其引脚如图 44 所示。 74ls373 是带三态缓冲输出的八 d 锁存器。当三态门的使能信号线 oe 为低电 平时，三态门处于导通状态，允许 q1q8 输出；当三态门的使能信号线 oe 为高 电平时，三态门处于断开状态，输出端对外呈现高阻状态。因此，74ls373 用作 地址锁存器时，应首先使三态门的使能信号线 oe 为低电平。 4.2 外部 i/o 口的扩展 在 mcs51 的应用系统中，单片机本身提供给用户使用的输入、输出口线并 不多，只有 p1 口和部分 p3 口。因此，在大部分 mcs51 单片机应用系统设计中 都不可避免的要进行 i/o 口的扩展。我们的系统亦如此。由于 mcs51 的外部数 据存储器是和 i/o 口及外围设备是统一编址的，因此，我们可以把外部 64k 字节 的数据存储器 ram 空间的一部分作为扩展外围 i/o 口的地址空间。这样一来单片 机就可以像访问外部 ram 存储器那样访问外部接口芯片，对其进行读/写操作。 在实际的应用系统中，我们把所有的外围芯片都通过总线与单片机相连。如 何使单片机数据总线分时的与各外围芯片进行数据传送而不发生冲突，这是我们 需要解决的一个问题。 mcs51 单片机的数据存储器和程序存储器地址可以重叠使用，因此数据存 储器和程序存储器之间不会因为地址重叠而产生数据冲突问题。但 i/o 口外围设 备是和数据存储器统一编址的，它不仅占用数据存储器地址单元，而且使用数据 存储器的读写控制指令与读写指令，这就使得在系统的硬件设计中，单片机数据 存储器与外围 i/o 接口芯片的地址译码较为复杂。 为了唯一的选中外部某一存储单元（i/o 接口芯片已作为数据存储器的一部 分） ，必须进行两种选择：一是必须选出该存储器芯片或 i/o 接口芯，称为片选； 二是必须选择出该芯片的某一存储单元或 i/o 接口芯片中的寄存器，称为字选。 常用的选址方法有线选法和全地址译码法。线选法适用于扩展少量的 ram 和 i/o 接口芯片，它是把单独的地址线（通常是 p2 口的某一根线）接到外围芯片的片选 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 18 端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。全地址译码法就是将低位地址线 作为芯片的片内地址（取外部电路中最大的地址线位数） ，用译码器对高位地址线 进行译码，译出的信号作为片选线，一般采用 74ls138 作为地址译码器。本次设 计我们也采用全地址译码的方法，但地址译码器我们采用的是一个可编程的逻辑 器件 gal16v8b。它是一种可以用不同的程序来实现不同功能的逻辑器件。我们在 本次设计中用它来实现 74ls138 的译码功能。采用这种器件可以方便日后对系统 修改。gal16v8b 芯片如图 45 所示。其实现 74ls138 译码器功能的具体程序如 下： module yimaqi titleyimaqi u3 devicegal16v8b a,b,c,d pin 9,8,7,6; e,f,g,h pin 5,4,3,2; i,j,k,l pin 19,18,17,16; m,n,o,p pin 15,14,13,12; truth_table (h,g,f,e,d,c,b,a-i,j,k,l,m,n,o,p) 1,x,x,x,x,x,x,x-1,1,1,1,1,1,1,0 图 45 gal16v8b 管脚图 0,1,0,1,x,x,x,x-1,1,1,1,1,1,0,1 0,1,0,0,x,x,x,x-1,1,1,1,1,0,1,1 0,1,1,0,x,x,x,x-1,1,1,1,0,1,1,1 0,0,1,0,x,x,x,x-1,1,1,0,1,1,1,1 end yimaqi 各外部芯片的地址分配如下： 622568000hffffh ds128875000h5fffh ad1674jn4000h4fffh dac08326000h6fffh 81552000h2fffh 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 19 图 46 8155 管脚图 4.3 人机通道配置 在我们的系统中需要有人机对话功能，来实现我们对系统在必要情况下的干 预和系统向我们报告运行状态及运行结果。 我们的系统采用 8155 外扩接口芯片带一个 4*4 键盘和一块 lcd 液晶显示器 （zjm12864b） 。 4.3.1 接口芯片 8155 8155 是 inter 公司生产的可编程的输入输出接口芯片。它包含有 256 字节的 ram，2 个 8 位、1 个 6 位的可编程并行 i/o 口和 1 个 14 位定时/计数器及控制逻 辑电路。各部件和存储器地址的选择由 io/m 引脚的信号决定。我们的系统将其接 到 80c31 的 p2.0 引脚上。8155 的工作方式由 cpu 写入 8155 的控制命令寄存器的 控制字来决定。我们的系统只是使用 8155 的 i/o 口扩展。使 pa 口、pb 口为输 出线，pc 口为输入线，控制字写入 03h 即可。8155 的引脚如图 46 所示。 4.3.2 键盘 键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件，我们用它来来实现我们对系 统在必要情况下的干预。键盘的种类很多，我们采用 4*4 的矩阵式键盘。行线接 8155 的 pa7pa4，列线接 pc0pc3，采用列扫描方式编程。 4.3.3 lcd 液晶显示器 lcd 液晶显示器是一种低功耗的显示器。我们选用的是吉林紫晶公司的液晶 显示模块 zjm12864b。zjm12864b 是一低功耗的点阵图形式 lcd 模块。显示格式为 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 20 128 点（列） 64 点（行） ；显示类型为 stn 黄绿模式、半反半透、6:00 视角、 正向显示；驱动方式：1/64 占空比；易与 8 位的 cpu 相连；多功能指令；加电自 动复位；控制芯片为 ks0107b、ks0108b；el 背光源电压 ac 110v、400hz；工作 电压：5.0v 0.5v。zjm12864b 的引脚功能如表 41 所示。 表 41zjm12864b 的引脚功能 引脚号 符 号电 平功 能 1vss0地 2vdd5.0v逻辑电压 3volcd 驱动电压调节 4rsh / lh：数据输入 l：指令输入 5r/wh / lh：数据读出 l：数据写入 6eh、hl使能信号 7db0h / l 8db1h / l 9db2h / l 10db3h / l 11db4h / l 12db5h / l 13db6h / l 14db7h / l 数据总线 15cs1l片选信号 1 16cs2l片选信号 2 17rstl复位信号 18vee-10v 输出端 19nc 20nc 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 21 zjm12864 的时序特性如表 42 所示 表 42zjm12864 的时序特性 特 性符号最小值最大值单位 e 信号周期tc1000ns e 高电平宽度twh450ns e 低电平宽度twl450ns e 上升时间tr25ns e 下降时间tf25ns 地址建立时间tasu140ns 地址保持时间tah10ns 数据建立时间tsu200ns 数据延迟时间td320ns 数据保持时间(1)tdhw10ns 数据保持时间(2)tdhr20ns 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 22 图 4-7 zjm12864b 可以方便的和 80c31cpu 相连接。在我们的系统中，将 zjm12864b 与 8155 相连接，如图 48 所示。 pb pa0 pa1 pa2 pa3 d0 . . . d7 rs r/w e rst 8155 zjm12864a vdd vss v0 vee +6v 1m-2mk 1 2 u 图 48 zjm12864b 与 8155 相连图 4.4 前向通道配置 当单片机用作测控系统时，系统中总要有被测信号的输入通道，由计算机提 取必要的信息。被控对象的状态由传感器采集，但传感器采集的信号如温度、压 力、流量、速度等是连续变化的模拟量，而单片机只能处理数字量，只有将这些 模拟量转换成离散的数字量才能输入到单片机中进行处理，这份工作要由 a/d 转 换器来完成。但 a/d 转换器只能接受电信号，如果传感器输出的是非电信号，还 要有专门的电路将非电信号转换成电信号。整个这部分称为前向通道。 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 23 22 0 1001ttcbtatrrt 我们系统的前向通道包括 pt100 热电阻传感器及配套电路、a/d 转换器 ad1674jn、多路开关 cd4051。 4.4.1 pt100 热电阻传感器 1热电阻工作原理 热电阻是利用导体或半导体的电阻随温度变化而变化的原理制成的，这种现 象称为热电阻效应。利用材料的这种特性而制成的热电阻传感器有金属热电阻传 感器和热敏电阻传感器两大类。金属热电阻传感器测温范围在200600， 它大多由纯金属材料制成，最常用有铂和铜。因为铂易于提纯，物理化学性质稳 定，易于加工，而且精度高，稳定性好，性能可靠，所以在中、低温测量中得到 广泛应用。铂 热电阻与温度的关系接近于线性，在 0600范围内可以用下式表示： 在1900范围内则用下式表示： 式中：rt 是温度为 t时铂电阻的电阻值；r0 是温度为 0时铂电阻的电阻值； a、b、c 为常数，由实验求的，其中： 由此可见，当 r0 值不同时，在同样的温度下 rt 值不同。目前国内同统一设 计的一般工业用标准铂电阻 r0 值有 100 和 10 两种。我们选用的 pt100 热电 阻传感器属于前一种。 2测量电路 电阻温度传感器阻值的变化 r 是用电桥来测量的，常用的是三线四分之一 电桥电路。如原理图所示，当被测温度变化时，铂热电阻的电阻值发生变化，导 2 0 1btatrrt cc cb ca 03 03 03 /10*22 . 4 /10*847 . 5 /10*96847 . 3 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 24 致电桥失去平衡，电桥的输出端将有电压差产生，此电压差经阻容滤波后送到 op-07 运算放大器进行放大，然后送到第二级放大器 lm308 进行放大，其输出为 05v，送入 a/d 转换器。运算放大器 op-07 的温度漂移小于 0.6mv/，lm308 的 温度漂移小于 5mv/，它们可以提高传感器精度，减小系统温度漂移。为了提高 传感器的稳定性，我们将与 pt100 相邻的一臂采用精密的绕线电阻。为了加大工 作电流引起的 pt 本身温升引起的误差，我们增加了两个 2.5k 电阻。 4.4.2 a/d 转换器 传感器采集的信号如温度、压力、流量、速度等是连续变化的模拟量，而单 片机只能处理数字量，只有将这些模拟量转换成离散的数字量才能输入到单片机 中进行处理，这需要由 a/d 转换器来完成这项任务。 我们选用的 a/d 转换器 ad1674jn 是美国模拟器件公司生产的 12 位逐次逼近 型快速 a/d 转换器。它是 ad574/ad674 的换代产品，与 ad574/ad674 的芯片引脚、 应用特性及诸方面的功能完全兼容。ad1674 的转换速度仅为 10s，比 ad674 还 要快。ad1674 的一个非常突出的优点是芯片内自带采样保持器，可以直接与被转 换的模拟信号相连接。与 ad574/ad674 一样，ad1674 片内也包含高精度的参考电 压和时钟电路，不需要外接任何电路和时钟信号就能完成任务。ad1674 的引脚如 图 49 所示。 ad1674 的基本特点和参数如下：带有内部 采样保持的完全 12 位逐次逼近（sar）型模/数 转换器, 采样频率为 100khz , 转换时间为 10s,具有1/2lsb 的积分非线性（inl）以及 12 位无漏码的差分非线性（dnl）, 满量程校准 误差为 0.125%内有+10v 基准电源，也可使用外 部基准源, 四种单极或双极电压输入范围分别为 5v，10v，0v10v 和 0v20v, 数据可并 行输出，采用 8/12 位可选微处理器总线接口, 图 49 ad 1674jn 管脚图 内部带有防静电保护装置（esd） ，采用双电源供电，采用 28 脚密封陶瓷 dip 或 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 25 soic 封装形式。 ce=1，cs=0 同时满足时，ad1674 才能处于工作状态。当 ad1674 处于工作状 态时，r/c=0 时启动 a/d 转换；r/c=1 时进行数据读出。12/8 和 a0 端用来控制转 换字长和数据格式。a0=0 时启动 a/d 转换，则按完整的 12 位 a/d 转换方式工作， 如果按 a0=1 启动 a/d 转换，则按 8 位 a/d 转换方式工作。当 ad1674 处于数据读 出工作状态（r/c=1）时，a0 和 12/8 成为数据输出格式控制端。12/8=1，对应 12 位并行输出；12/8=0 则对应 8 位双字节输出。其中 a0=0 时输出高 8 位，a0=1 时 输出低 4 位，并以 4 个 0 补足尾随的 4 位。通过改变 ad1674 引脚 ref out（8） 、 ref in（10） 、bip off（12）的外电路，可使 ad1674 进行单极性和双极性模拟信 号的转换。 4.4.3 多路开关 多路开关是数据选择器的别称。多路开关的作用主要是用于信号的切换，在 某一时刻接通 某一路，让该路信号输入，而让其他路断开，从而达到信号切换的 目的。 我们的系统有八路温度信号输入，因此需用选用多路开关。我们选择的是 cmos 工艺的八通道多路开关 cd4015。它由逻辑电平转换电路 、地址译码电路、开关通道三部分组成开关接通哪一通道由输入的 3 位地址码 abc 来决定。其地址控制信号由 80c31 提供。 cd4051 还设有另外一个电源端 vee，以作 为电平位移时使用，从而使得通常在单组 电源供电条件下工作的 cmos 电路所提供的 数字信号能直接控制这种多路开关，并使 这种多路开关可传输峰峰值达 15v 的交 流信号。cd4051 的引脚分布如图 4-10 所 示。nh 为禁止端，当 inh 为高电平时，八 通道全部不通。当 inh 为低电平 0 时 4051 开始工作，当 abc0 时 ,0 脚输 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 26 出为 1；当 a=b=0， 图 410 cd4051 管脚图 c=1 时，1 脚输出 1 当 a=c=0，b=1 时，2 脚输出为 1；按 8421 码排列直 到 a=b=c=1 时，7 脚输出为一。表 43 为地址译码电路的真值表。 长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系 27 表 43 地址译码电路的真值表 地 址 输 入通 道 inha2a1a0si 1*- 0000s0 0001s1 0010s2 0011s3 0100s4 0101s5 0110s6 0111s7 4.5 后向通道配置 在工业控制系统中，cpu 实现控制运算处理后，要对控制对象实现控制操 作，控制执行器完成任务。但单片机输出的都是离散的数字量，需要将离散 的数