毕业设计（论文）-基于单片机的电石渣的流量系统设计【全套图纸】.doc

第一章 绪 论电路图，加153893706近年来，随着国民经济的发展及社会环境意识的逐渐增强，环境保护已成为当前注重经济工作的同时所不可忽视的一项工作，并且越来越显其重要性。随着工业的不断发展，大量工业废水未经工业处理流入江河湖海，使环境和饮用水被严重污染，因此，工业废水的处理及达标排放已成为工业生产中不可缺少的环节。化工酸性废水的成分复杂多变，浓度、流量也大幅度地随机变化，而且成分、浓度又不可在线测量。为了废物利用，吉化公司污水厂（目前国内最大的污水处理厂）使用电石渣废液做中和剂，内含大量固体颗粒及其他杂质，使中和剂本身浓度波动很大，又造成反应滞后，给中和过程的控制带来困难，现由工人手动阀门进行控制，PH值波动范围大，甚至有时超过排放标准。另外，由于化工废水中含有大量有毒物质，必须进行生化处理。微生物对PH值又很敏感，因此有必要把PH值的波动控制在更小的范围内，以保证生化处理获得更好的效果。该课题的主要技术参数：通过控制电石渣液的流量来控制废水的PH值接近7。关于中和的介绍：在工业行业中，因为要大量使用酸和碱，所以酸碱废水的排放十分普遍，尤其以酸性废水较为普遍。酸性废水中含有硫酸、硝酸、盐酸、氢氟酸等无机酸和乙酸、甲酸、柠檬酸等有机酸，PH值在12，含量可高达510；碱性废水中常有苛性钠、碳酸钠、硫化钠、胺类等。无论从数量上还是危害程度上，酸性废水的处理都要比碱性废水更为重要。中和处理的目的就是中和废水中过量的酸和碱，以及调整废水中的酸碱度，使中和后的废水呈中性或接近中性，以适应下一步处理和外排的要求。对不同浓度的酸碱废水可采用不同的处理方法。对于浓度较高的酸性废水和碱性废水，一般首先考虑回收和综合利用，如制成硫酸亚铁、硫铵、石膏、硫化钠等。回收后的废水，或浓度较低不易回收再利用的酸碱废水就可以进行中和处理，达到中性后排放。另外，中和处理和PH值调节有着本质的区别，PH值调节的目的是为了某种特殊的要求，把废水的PH值调整到某一特定值或某一范围，这种处理操作称为PH值调节。酸碱废水中和方法主要有：酸、碱废水相互中和或碱性废渣中和，投药中和以及过滤中和。酸碱废水相互中和或碱性废渣中和:当有条件应用碱性废水或碱性废渣进行中和处理时应优先考虑以废治废，既可以节省处理费用和药剂消耗，又简便实用。当酸碱废水相互中和仍达不到处理要求时，可再补加药剂进行处理。酸、碱废水中和所用的设备一般是根据酸碱废水的排放情况来确定的。当酸碱废水排放的水质，水量比较稳定并且酸碱含量又能相互平衡，或混合水需要水泵抽升，或有相当长的出水管道可利用时，则不单独设置中和池。一般情况下，当酸碱两种废水在进行中和时，其水质，水量均不易保持稳定，会给操作带来困难，此时应设置均和池和混合反应池。当酸碱废水的水质，水量变化很大时，废水本身的酸、碱含量难以平衡时，则需要补加酸性或碱性中和剂。当水质要求很高时，或废水中含有其他的杂质，重金属离子，连续流无法保证出水的水质，较稳妥的方法是采用间歇式的中和池，一般可设置两个，交替使用。利用酸碱废渣中和酸性废水也是一种方便可行的方法，如电石渣中含有一定量的氢氧化钙，锅炉灰中含有220的氧化钙，石灰氧化法的软化站中，含有大量的碳酸钙等，将这些废渣投入到酸性废水中或利用酸性废水喷淋废渣，均可达到一定的中和效果。第 二 章 控制方案的确定及方案论证2.1 串级调节系统串级调节是改善调节质量的有效方法之一，它得到了广泛的应用。一 串级调节系统的特点和效果分析串级调节系统是一个双回路系统。实质上是把两个调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被调量准确保持为给定值。通常，串级调节系统副环的对象惯性小，工作频率错开相差三倍以上，以免频率相近时发生共振现象而破坏正常工作。串级调节主要是用来克服落在副环内的扰动。这些扰动能在中间变量反应出来，很快就被副调节器抵消了。与单回路系统相比，干扰对被调量的影响可以减小许多倍。对于中间变量并无特殊要求，它的选择应该是，既能迅速反映扰动作用，又能使副环包括更多的，特别是幅度大而频繁的扰动。主调节器的任务主要是克服落在副环以外的扰动，并准确保持被调量为给定值。由于副回路的存在，串级系统可以为闭合的副回路代替了原来的一部分对象，起了改善对象特性的作用。与单回路系统相比，除了克服落在副环内的扰动外，还提高了系统的工作频率，加快了过渡过程。采用串级调节的效果可以用图2.1所示的串级调节系统的方块图来说明。主调节器副调节器管 道管 道 图2.1 串级调节系统方框图串级调节系统由于副回路改善了对象的动特性，使整个系统的过渡过程比单回路系统的过渡过程的频率有所提高。当对象特性一定时，副调节器的放大系数越大，这种效果愈加显著。对于不包括在副环范围内的扰动，因为副回路减少了对象时间常数，而引起整个系统调节过程波动频率提高，被调量的动态偏差也将减小。这时，主调节器发出的调节作用经过调节通道去影响被调量。由于调节通道的惯性小，所以调节作用能较快地克服偏差，从而减小动态偏差，提高调节质量。二 调节器的选型和整定方法1.调节器的选型在本应用系统中，主副调节器都采用了PID调节器。其中副调节器的任务是以快动作迅速抵消落在副环内的扰动。主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。2.串级调节系统的整定方法在运行中，主环和副环两者波动频率不同，副环频率较高，主环较低。这些频率主要取决于调节对象的动态特性，也与主副调节器的整定情况有关。在整定时，应尽量加大副调节器的增益，提高副环的频率，目的是使主.副环的频率错开，最好相差三倍以上，以减少相互之间的影响，提高调节质量。2.2 系统串级控制方案的确定酸性废水的中和值是本次设计的主要被控参数，而中和值的控制又主要由调节中和剂电石渣液的流量来实现的。但电石渣废液内含大量固体颗粒及其它杂质，使中和剂本身浓度波动很大，又造成反应滞后，若采用单回路调节，很难满足设计要求。根据本课题的具体要求，以及流量和中和值的相互关系，经确定采用串级调节系统。利用流量调节作用为内环，PH值调节作为外环。其中，主调节器的任务主要是克服落在副环以外的扰动，减小静差，保持中和值在工艺要求的范围内，副环中副调节器用来克服落在副环以内的扰动，保持流量恒定。采用串级控制方式，可以改善对象特性，提高系统的工作频率，加快过渡过程，增强抗干扰能力。串级调节系统方框图如图2.2所示副调节器主调节器阀门管道中和池流量PH值 图2.2串级调节系统方框图要想精确地测量PH值，需要选取合适的PH计，范围有2.0012.00PH，也有0.0014.00PH,为了更加精确我们选取PHG-100型工业在线PH计，其测量范围PH:0.0014.00PH,隔离信号输出：420mA一般单片机应用系统模拟信号输出只是电压信号，它能处理的一般也只是电压信号，因此在某些只有电流输入信号或只是提供电流的场合，需要进行电流/电压转换，PH计流量计输出信号为电流信号，根据其规格不同分别对PH计流量计选用4-20mA/0-5v,0-10mA/0-5v转换电路.在单片机的实时测控和智能化仪表等应用系统中，常需要将检测到的连续变化的模拟量如温度、压力、流量、速度等转换成离散的数字量，才能输入到单片微机中进行处理，然后再将处理结果的数字量经D/A变换器转换成模拟量输出，实现对被控对象-过程或仪表、机电设备、装置的控制。因此，经过I/V变换后接入ADC0809使其模拟量转变为数字量送给8031。从8031出来的数据，接入串行显示以便于对PH值的大小有清晰的概念保证它在小范围内波动，从而确定对电石渣流量大小的控制。经过8031出来的是数字信号经DAC0832把其变为模拟信号再经过一个运放使其电压信号放大，最后接入调节阀。设计一个控制系统，首先要对被控对象做全面的了解，该被控对象是碱性液体，要测它的流量特性，建立控制对象的数学模型，采用采集正常生产运行数据的方法，即在微型机控制调试运行的条件下，由微型机本身采集被控过程的输入量，然后进行数据处理。因此，在整个设计过程中，首先要对电石渣液的流量进行测量，以保证其流量的给定与PH=7相匹配，因此选定流量计是耐酸性耐碱性较好的。根据PH值波动的大小控制电石渣液的流量需要一个执行器即调节阀，参照它的特殊环境，选取电动隔膜调节阀，它适用于强酸强碱强腐蚀性介质的调节，用于黏度及悬浮颗粒状介质的调节。在本应用系统中，采用T0定时以作为流量内环的采样周期，16个流量采样周期作为PH值检测周期。经过16个流量检测周期后，检测一个PH值，对阀进行调节，使中和值达到工艺要求PH=7.0，之后不断对流量进行采样，保持流量恒定，维持上一次PH值检测后PID调节的阀的控制流量值，并不断消除干扰。以上内容为此方案选择的粗略论证。第三章 控制算法的确定3.1 数字PID控制技术在模拟的控制系统中是将被测参数，如温度、压力、流量等。由传感器变成统一的标准后转入调节器，在调节器中与给定值进行比较，再把比较出的差值经PID运算后送到执行机构，改变输入量，以达到自动调节的目的，这种系统多用于电动或气动单元组合仪表DDZ来完成。而在数字控制系统中，则是用数字调节器来代替模拟调节器，其调节过程是首先采集过程参数信号，并且通过模拟量输入通道将模拟量变成数字量，这些数字量是通过计算机按一定控制算法进行运算处理，运算结果经A/D转换成模拟量后由模拟量输出通道输出，并通过执行机构去控制输入量，以达到给定值。数字PID调节器是按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器，是连续系统中技术应用最广泛的一种调节器，它的结构简单，参数易于调整，在长期应用中以积累了丰富的经验，特别是在工业过程控制中，由于控制对象的精确数字模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论进行分析综合要耗费很大的代价进行模型辩识，且往往不能达到预期的效果。所以人们经常用PID调节器，并根据经验进行在线整定。（一） PID调节器的优点：1.技术领域PID控制是连续系统中技术最成熟，应用最广泛的一种控制方法，它的机构灵活，不仅可以用常规的PID调节，而且可以根据系统的需要，采用各种的PID调节而且可以根据系统的需要采用各种PID的变种如：PI、PD、控制，不完全微分控制，积分的控制，比例PID的控制等，在PID控制系统中，系统参数整定方面，而且在大多数工业生产中效果比较好。2. 易被人们熟知和掌握生产技术人员及操作人员都比较熟悉并在实践中积累了丰富的经验，特别是一些工作时间比较长的工程技术人员更是如此。3. 不需要求出数学模型到目前为止，仍有许多工业对象设不到或很难找到精确的数学模型，应用直接数字PID控制方法比较困难，甚至根本不可能，所以必须应用PID算法。4. 控制效果好虽然计算机控制是离散的，但对于时间常数比较大的系统来说，近似于连续变化，因此，用数字PID完全可以代替模拟调节器，所以，数字方法模拟PID调节器仍是目前应用比较广泛的方法之一。（二） PID控制原理PID调节器是一种线性调节器，其框图如图3.1所示。控制器把设定值W与实际输出值Y相减，得到控制偏差e，偏差值e经比例调节器P，积分调节器I，微分调节器D的作用后，通过线性组合构成控制量u，然后用u对对象进行控制。图3.1 PID调节器框图1、 比例调节器比例调节器是一种简单的调节器，控制规律为u=kp*e+u0式中kp为比例系数，u0为控制常量，即误差为零时的控制量比例调节器能使误差减小，但不能减小到零，残存的误差，加大比较系数kp可以减小误差，但当kp过大时，会使动态质量变差，导致系统不稳定。比例控制器的优点是反应快，缺点是不能完全消除静差。2 、比例积分调节器为了消除比例积分调节器中残存的静差，在比例调节器的基础上加入积分调节器，组成比例积分调节器，其控制规律是：u=kp*(e+1/0tedt)+u0式中Ti为积分常数，TI越大积分作用越弱积分器的输出值取决于对误差积累的结果，虽然误差不便，但积分器的输出还在增大，直至使误差e=0，因此，积分器的加入能自动调节控制常量u,消除静差，使系统趋于稳定。3、比例积分调节器积分器虽能消除静差，但使系统的响应速度变慢，在PI调节器的基础上加入微分调节器，组成比例，积分，微分调节器就能使反应速度加快，其控制规律为： u=Kp*(e+1/Tit0edt+Td/dt)+u0式中Td为微分常数，Td越大微分作用越强。 微分调节器的加入使微分作用加强，克服振荡，使系统趋于稳定同时加快了系统的稳定速度，缩短调整时间，从而改善了系统的动态性能（三） PID控制算法的数字实现 采用单片机作为控制器核心上自动控制系统通过A/D电路检测过程变量Y，并计算误差e和控制变量u，通过D/A变换后输出到执行机构，使过程变量Y稳定在设定值上，可见计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的误差值计算控制变量u，因此，模拟PID控制算法公式中的积分项和微分项不能准确计算，只能用数值计算的方法接近。 PID控制算式经过离散化，则变成如下：U(k)=Kpe(k)+T/Tie(T)+Td/Te(k)-e(k-1)式中u(k)为第K个采样时刻的控制量，t=T为采样周期，e(k)与e(k-1)分别为第K次和第（K-1）次采样的时刻偏差值，K=0，1，2为采样序号。上式称为位置式PID算式，这是因为它的输出u(k)是与执行机构的位置一一对应的。由上式不难写出第K-1个采样时刻的控制量。u(k)为u(k-1)=Kpe(k-1)+T/Tie(t)+Td/Te(k-1)-e(k-2)两式相减u(k)=u(k)-u(k-1)=Kpe(k)-e(k-10+Kie(k)+Kde(k)-2e(k-1)+e(k-2)式中Ki=KpT/Ti称为积分系数。Kd=KpTd/t称为微分系数。由于这个式子的u(k)对应于第K个采样时刻的输出增量，所以称此式为增量式PID算式，而第K个采样时刻的控制量为u(k)=u(k-1)+u(k)增量式PID算法和位置式算法并没有本质的区别，此时u(k)仍可通过D/A转换器作用与执行机构。但是从计算方法上，增量式算法具有明显的优点，它编程简单，对历史数据要求不高，而且可以递推使用，占用内存单元小，运算速度快。3.2 PID参数的整定（一）采样周期的选择根据采样定理，采样频率f2fmax，但由于被控对象的物理过程及参数的变化比较复杂，致使模拟信号的最高频率 fmax很难确定，所以，采样周期的选择需根据系统的实际情况综合考虑多种因素来决定。1、从系统控制品质的需求来看，希望采样周期取小些这样在连续系统PID整定参数时可得到较好的控制效果。2、从执行元件的要求来看，对于执行速度较慢的执行器，要求采样周期不能过小。3、从对控制系统的响应快速性和抗干扰性来看，采样周期要短些。4、当系统的纯滞后时间与被控制对象的时间常数Tc相比有0。5T时，通常认为是大滞后系统，这时，选采样周期T等于或接近。5、从计算的精度考虑，采样周期不能过小，过小将使前后两次采样值反映不出差别，使调节作用减弱。6、从微型机的工作量考虑，采样周期T应大些。特别是控制回路较多，计算量较大时，要使每个回路有足够的计算时间。可见，采样周期的选择涉及到很多因素，有些是相互制约和矛盾的。实际中需要考虑上述原则，根据具体情况和主要要求作出适当的折中。（二） PID参数的整定1、临界比例度法这是一种通过临界稳定实验来整定PID参数的常用的工程方法之一。所谓比例度就是比例增益的倒数=1/Kp.这一方法的步骤：（1）选择一个足够短的采样周期Tmin（2）选用纯比例控制，给定值作阶跃扰动，将比例度由小到大，直到系统产生等幅震荡。此时的比例度称为临界比例度，对应的震荡周期称为临界震荡周期。2、扩充响应曲线法这一方法适用于多容量自平衡系统，其步骤如下：（1）断开控制器，在系统的开环状态下，求出阶跃响应曲线。（2）在曲线的最大斜率处作切线，求得滞后时间，对象时间常数Tc和放大倍数K。3、试凑法试凑法是从一组初始数据出发，通过闭环运行观察系统的运行效果，根据各参数对系统本质的定性影响，反复试凑修改参数，直到结果满意为止。PID各参数对系统品质的定性影响。（1）增益KP与系统快速性成正比，与系统的静差成反比。但KP过大将使系统超调过大振荡加剧，稳定性变坏。（2）积分时间Ti有利于减小超调和振荡。有利于系统稳定，但消除静差的过程将加长。（3）微分时间Td与系统快速性成正比，并能使超调减小，稳定性增加，但抗干扰性将变差。根据上述结论，可按如下步骤对参数实行先比例，后积分，再微分的整定步骤。（1）采用比例控制，Kp由小变大。如果响应时间、超调、静差已达到要求，则只需用比例控制即可，并由此确定比例增益系数。（2）如果静差达不到要求，则加入积分控制。Kp减小，例如每次减小到原来的90%，积分时间Ti由大变小，反复试凑多组Kp，Ti只从中确定合适的参数。（3）如果动态特性不满足，则加入微分控制，T由0增大，逐步试凑多组参数，从中找出最优者。为了减小参数试凑的盲目性，表3.2给出对几种常见过程变量PID控制参数的经验范围可作为参数试凑的初值。由表3.2可见，其除温度控制外，其他三种过程参数的控制一般都不用微分控制。表3.2 PID控制参数被调量特点KpTi(分)Td(分)流量对象时间常数小，并有噪声，故Kp较小，Ti较短，不用微分12.5 0.11温度 对象为多容系统，有较大滞后，常用微分1.653100.53压力 对象为容量系统，滞后一般不大，不用微分1.43.50.43在PID控制中，比例、积分、微分三部分参数具有一定的互补性，往往某一参数的减小可由其他参数的增加来补偿，所以不同的参数往往可以达到相同的控制效果。对实际应用来说，只要控制效果已达到要求，就可以确定对应的PID参数。第 四 章 控制系统的硬件选择4.1单片机的发展趋势现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。 纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：低功耗CMOS化 MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。 微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PWM (脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。 此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。 主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。4.2单片机的选择美国Intel公司继1976年推出MCS-48系列单片机后，1980年又推出了MCS-51系列高档8位单片机。由于MCS-51单片机是在MCS-48的基础上推出的增强型产品，它的出现直接与HMOS工艺有关，并提高了芯片的集成度，因而后者比前者在性能上大为提高，增加了多种片内硬件功能，并扩展了功能单元的种类和数量。MCS-51单片机硬件结构有如下一些主要特点：内部程序存储器和内部数据存储器容量输入/输出口MCS-51单片机内的I/O口的数量和种类较多且齐全，尤其是它有一个全双工的串行口。外部程序存储器和外部数据存储器寻址空间MCS-51可对64KB的外部数据存储器寻址且不受该系列中各种芯片型号的影响，而对程序存储器是内外总空间为64KB.中断与堆栈MCS-51有5个中断源，分为2个优先级，每个中断源的优先级是可编程的，它的堆栈位置也是可编程的，堆栈深度可达128字节。而MCS-48只有不分优先级的2个中断源，且堆栈设置在片内RAM的16个字节的固定单元内。定时/计数器与寄存器区MCS-51子系列有2个16位的定时/计数器，通过编程可以实现四种工作模式。MCS-52子系列有3个16位的定时/计数器。而MCS-48只有一个8位定时/计数器。MCS-51在内部RAM中开设了四个通用工作寄存器区，共32个通用寄存器，以适应多种中断或子程序嵌套的要求。而MCS-48的内部RAM中只有两个通用工作寄存器区，每个寄存器区包含8个8位寄存器。指令系统MCS-51有一个比MCS-48功能强得多的指令系统，主要表现在MCS-51的指令系统中增添了减法、乘法、除法、比较、堆栈操作和多种位操作指令。当振荡器频率接最高12MHZ时，大部分指令执行时间为1s，少部分为2s，乘除指令的执行时间也只有4s。布尔处理器特别值得一提的是MCS-51的布尔处理器。它实际上是一个完整的一个微计算机，这个一位微机有自己的CPU ,位寄存器、I/O口和指令集。把八位微机和一位微机结合在一起是微机技术上的一个突破。一位机在开关决策、逻辑电路仿真和实时测控方面非常有效，而八位机在运算处理、智能仪表常用的数据采集方面有明显的长处。在MCS-51系列单片机中八位机和一位机（布尔处理器）的硬件资源是复合在一起的，二者相辅相成，这是MCS-51在设计上的精美之处，也是一般微机所不具备的。MCS-48的内部没有布尔处理器。综上就是MCS-51单片机的主要特点，显然在性能方面远远强于MCS-48系列。MCS-51的这些优良特性和较高的性能价格比就是它为什么能迅速在我国代替TP801,Z80,MCS-48的根本原因，也是为什么MCS-51应用热经久不衰的理由。因此在本课题中选择8031为核心设计控制系统硬件线路图。4.3单片机芯片的引脚描述主电源引脚VCC和VSSVCC-(40脚)接+5V电压；VSS-(20脚)接地。外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2(18脚)接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对CHMOS，此引脚应悬浮。控制或与其他电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG,、PSEN和EA/VPPRST/VPD(9脚)：当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10F的电容，以保证可靠的复位。VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保持内部RAM的数据不丢失。当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电范围内，VPD就向内部RAM提供备用电源。ALE/PROG(30脚)：当访问外部存储器时，ALE的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个LS型的TTL输入电路。对于EPROM型的单片机,在EPROM编程期间,此引脚用于输入编程脉冲.PSEN(29脚):此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号.在从外部程序存储器取指令期间,每个机器周期两次有效.但在此期间,每当访问外部数据存储器时,这两次有效的信号将不出现.PSEN同样可以驱动8个LS型的TTL输入.EA/VPP(引脚):当EA端保持高电平时,访问内部程序存储器,但在PC值超过0FFFH或1FFFH时,将自动转向执行外部程序存储器内的程序.当EA保持低电平时,则只访问外部程序存储器,不管是否有内部程序存储器.对于常用的8031来说,无内部程序存储器,所以EA脚必须常接地,这样才能只选择外部程序存储器.输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3 P0口(39脚-32脚):是双向8位三态I/O口,在外接存储器时,与地址总线的低8位及数据总线复用,能以吸收电流的方式驱动8个LS TTL负载.P1口(1脚-8脚):是8位准双向I/O口.由于这种接口输出没有高阻状态,输入也不能锁存,故不是真正的双向I/O口.P1口能驱动4个LS TTL负载.对8052、8032,P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入,P1.1引脚的第二功能为捕捉、重装触发,即T2的外部控制端.对EPROM编程和程序验证时,它接收低8位地址。P2口(21脚-28脚):是8位准双向I/O口.在访问外部存储器时,它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址.在对EPROM编程和程序验证期间,它接收高8位地址.可以驱动4个LS TTL负载.P3口(10脚-17脚):是8位准双向I/O口,在MCS-51中,这8个引脚还用于专门功能,是复用双功能口.P3能驱动4个LS TTL负载.作为第一功能使用时,就作为普通I/O口用,功能和操作方法与P1口相同.作为第二功能使用时,各引脚的定义如图所示.值得强调的是,P3口的每一条引脚的定义均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能. 图4.1 8031引脚结构图4.4 单片机外围电路的设计4.4.1 复位电路的设计51系列单片机通过RST 片脚输入复位信号。当RST保持个机器周期高电平就是先复位操作。CPU测试到复位信号后在第二个机器周期执行一系列片内复位操作，并且在RST变低前的每一个周期重复执行。复位结束时，四个并行口（P0P3）为全高，即可直接作第二功能使用，或作第一功能输入信号。堆栈指针（SP）设为07H，即通用寄存器0区未设成堆栈，这样，寄存器0区R0R7与栈区不重迭。串行口缓冲寄存器SBUF内容不定。其他所有控制位，标志位全部为零。按键复位操作不影响片内数据存储器（用户RAM）007FH各单元。如果断电后再上电复位，则用户RAM内容不确定。RET片脚也是双功能的。除复位外，另一功能是在断电时，通过RST/Vpd片脚引入备用电源。利用这一特性，在检测到电源即将短开时，拥护系统应中断，把有关数据送到片内RAM保护，并在单片机正常电源Vcc下降到操作允许极限之前把备用电源加到RST/Vpd，单片机进入掉电运行方式，备用电源向片内RAM供电。这样单片机虽然不能工作，但能保存信息。当电源恢复时，Vpd应保持到片内振荡电路开始正常工作再加2个机器周期以完成复位操作后才可撤消。对于一般51系列单片机只有上述掉电运行方式，而对于CMOS工艺制作的51系列单片机则具有更完善的掉电保护功能。图4.2 8031 与复位电路接口4.4.2 时钟电路设计8031片内设有一个有反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端。时钟可以有内部方式产生和外部方式产生。在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就产生振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体可以在1.2MHz到12MHz之间选择，电容值在530PF之间选择，电容的大小可起频率微调作用。XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要保证脉冲宽度，一般采用频率底于12MHz的方波信号。时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟信号P1和P2供时钟使用。P1在每一个状态的前半部分有效。P2在每一个状态的后半部分有效。时钟电路如图（4.3）所示：图4.3时钟电路接口4.5存储器的扩展4.5.1程序存储器的扩展MCS-51的程序存储器空间、数据存储器空间是相互独立的。程序存储器寻址空间为64K字节（0000HFFFFH）,其中8051、8751片内包有4K字节的ROM或EPROM,8031片内不带ROM.当片内ROM不够用或采用8031芯片时，需扩展程序存储器。用作程序存储器的器件是EPROM和EEPROM.程序存储器一般采用芯片 ，国内一般无条件使用掩模，也极少使用，经常使用的是芯片。由于MCS-51单片机的P0口是分时复用的地址/数据总线，因此在进行程序存储器扩展时，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，地址锁存器可使用带三态缓冲输出的八D锁存器74LS373或8282，也可以使用带清除端的八D锁存器74LS273，地址锁存信号为ALE 。74LS373和8282都是透明的带有三态门的八D锁存器。当三态门的使能信号线OE非为低电平时，三态门处于导通状态，允许1Q8Q输出到OUT18，当OE非端为高电平时，输出三态门断开，输出线OUT18处于浮空状态。G称为数据打入线，当74LS373用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号OE非为低电平，这时，当G输入端为高电平时，锁存器输出状态和输入端状态相同；当G端从高电平返回到低电平时，输入端的数据锁入1Q8Q的8位锁存器中。当用74LS373和8282作为地址锁存器时，它们的锁存控制端G和STB可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存，而74LS273作为地址锁存器时，单片机ALE端输出的锁存控制信号必须经反相器后才能连到74LS273的CLK端，以满足CLK在上升沿锁存的要求。常用EPROM芯片介绍紫外线擦除电可编程只读存储器EPROM可作为MCS-51单片机的外部程序存储器，其典型产品是INTEL公司的系列芯片2716、2732、2764、27128、27256、27512等。这些芯片上均有一个玻璃窗户，在紫外光下照射20分钟左右，存储器中的各位信息均变为1，此时，可以通过编程器将工作程序固化到这些芯片中。 2716EPROM2716是2K8位的紫外线擦除电可编程只读存储器，单一+5V供电，运行时最大功耗为252mW，维持功耗位132mW，读出时间最大位450ns，24脚双列直插式封装，其管脚配置如图所示。其中A0A10是地址线；O0O7是数据线；CE非是片选线，低电平有效；OE非是数据输出选通线；Vpp是编程电源；Vcc是工作电源。 2732A EPROM2732A是一种4K8位的紫外线擦除电可编程知识读存储器，单一+5V供电，最大静态工作电流位100mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250ns。2732A为24线双列直插式封装。 2764A EPROM2764A是8K字节的紫外线擦除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250ns，28脚双列直插式封装。 27128A EPROM27128A是16K8位的紫外线擦除电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为100mA，维持电流40mA，读出时间最大为250ns，28线双列直插式封装，各引脚含义如下：A0A13为地址线；O0O7为数据输出线；CE非为片选线；OE非为数据输出选通线；PGM非为编程脉冲输入端；Vpp为编程电源。 7256 EPROM27256是64K8位的紫外线擦除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为100mA，维持电流为40mA，读出时间为250ns，28线双列直插式封装，其各引脚如下：A0A14是地址线；O0O7是数据输出线；CE非是片选线；OE非是数据输出选通线；Vpp是编程电源 27512 EPROM27512是64K8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，读出时间最大为250ns。27512为28线双列直插式封装，各引脚含义如下：A0A15为地址线；O0O7为数据输出线；CE非是片选线，OE非/Vpp是数据输出选通/编程电源。图4.4 8031与27128的接口图4.5.2数据存储器的扩展8031单片机内部具有128个字节数据存储器，CPU对内部RAM具有丰富的操作指令，这个RAM区是十分珍贵的资源，可作为工作寄存器，堆栈，软件标志和数据缓冲区等。但在实际应用系统中，可利用外接RAM电路作为外部的数据存储器。数据存储器与程序存储器地址重叠编号使用不同的控制信号和指令，但它于I/O口以及外围设备实行统一编址，任何扩展I/O口以及外围设备均占用数据存储器地址。数据存储器只使用WR，RD控制线而不用PSEN。在本次设计中适用静态RAM，静态RAM不必考虑保持数据而设置的刷新电路，且它与主机的硬件连接简便，方便。 图4.5 8031与6264的接口图6264是8K8位的静态随机存储器芯片，采用CMOS工艺制作，单一+5V电源，额定功耗165mw，典型存取时间为200ns，24线双列直插式封装，其管脚与逻辑符号如上图所示。A0A12为片内13位地址线，D0D7为8位数据线CE为片选信号，OE为读允许信号线，WE为写信号线。数据存储器扩展电路与程序存储器扩展电路相似，所用的地址线，数据线完全相同，读，写控制线用WR，RD但要考虑的问题比程序存储器涉及的问题要多，如I/O口扩展的统一编址问题。4.6 A/D转换器的选择在单片机的实时控制和智能化仪表等应用系统中，常需要将检测到的连续变化的模拟量如温度、压力、流量、速度等转换成离散的数字量，才能输入到单片机微机中进行处理。然后再将处理结果的数字量经D/A变换器转换成模拟量输出，实现对被控对象的控制。实现模拟量变换成数字量的设备称为模数转换器。A/D转换器按照输出代码的有效位数分为4位、6位、8位、10位、12位、16位等；按照转换速度可以分为超高速、高速、中速、低速等几种不同转换速度的芯片。A/D转换器的选择要点：如何确定A/D转换器的位数A/D转化器的位数的确定与整个测量控制系统所要测量控制的范围和精度有关，但又不能唯一确定系统的精度。因为系统精度涉及的环节较多，包括传感器变换精度、信号预处理电路精度和A/D转换器及输出电路、伺服机构精度，甚至还包括软件控制算法。然而估算时，A/D转换器的位数至少要比总精度要求的最低分辨率高一位。实际选取的A/D转换器的位数应与其他环节所能达到的精度相适应。只要不低于它们就行，选得太高既没有意义，而且价格还要高得多。对转换器位数的另一点考虑是如果微处理器是8位的，采用8位以下的转换器，其接口电路最简单。因为绝大部分集成转换器的数据输出都具有电平，而且数据输出寄存器具有可控三态输出功能，可直接挂在数据总线上。当采用8位以上的转换器时，就要加缓冲器接口，数据要分两次读出。假如微处理器是16位的，采用多少位的转换器都一样。综上所述，因此该课题选择8位以下的，如ADC0809。如何确定A/D转换器的转换速率A/D转换器从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的时间，这就是A/D转换器的转换时间；其倒数就是每秒钟能完成的转换次数，称为转换速率。用不同原理实现的A/D转换器其转换时间是大不相同的。总的来说，积分型、电荷平衡型和跟踪比较型A/D转换器转换速度较慢，转换时间从几毫秒到几十毫秒不等，只能构成低速A/D转换器，一般适用于对温度、压力、流量等缓变参量的检测和控制。逐次比较型的A/D转换器的转换时间可从几微秒到100微秒左右，属于中速A/D转换器，常用于工业多通道单片机控制系统和声频数字转换系统等。如何决定是否要加采样保持器原则上直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持器。其他情况都要加采样保持器。根据分辨率、转换时间、信号带宽关系可得到如下数据作为是否要加采样保持器的参考：如果A/D转换器的转换时间是100ms、ADC是8位时、没有采样保持器时，信号的允许频率是0.12HZ；如果ADC是12位，该频率为0.0077HZ。如果转换时间是100s，ADC是8位时，该频率为12HZ，12位时是0.77HZ。工作电压和基准电压有些早期设计的集成A/D转换器需要15V的工作电压，最近开发的产品可在+12V+15V范围内工作，这就需要多种电源。如果选择使用单一5V工作电压的芯片，与单片机系统可共用一个电源就比较方便。基准电源是提供给A/D转换器在转换时所需要的参考电压，这是为保证转换精度的基本条件。在要求较高精度时，基准电压要单独用高度稳定电源供给。正确选用A/D转换器有关量程的引脚A/D转换器的模拟量输入有时需要是双极性的，有时是单极性的。输入信号最小值有从零开始，也有从非零开始的。有的A/D转换器提供了不同的量程的引脚，只有正确使用，才能保证转换精度。有些A/D转换器如ADC0809提供有两个参考电压引脚，一个为REF(+)，另一个为REF(-)。通常情况下，可将REF(-)接地。当输入的模拟量不是从零开始，最大值也不是满量程时，就可利用这两个参考电压引脚连成。例如输入模拟量来自压力传感器，压力为零时模拟量电压为1.25V；压力为额定值时模拟电压值为3.75V。使用对称参考电压接法，则可使压力为零时的A/D转换器的输出字为00H，压力为额定值时输出字为FFH。此种接法可提高测量精度。综上，该课题选择ADC0809ADC0809片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路05V的输入模拟电压信号分时进行转换，片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR、控制与时序电路等。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线上。分辨率为8位。最大不可调误差ADC0809小于1LSB.单一+5V供电，模拟输入范围为05V.具有锁存控制的8路模拟开关。可锁存三态输出，输出与TTL兼容。功耗为15兆瓦.不必进行零点和满度调整。转换速度取决于芯片的时钟频率。芯片引脚功能如下：IN0IN7:8路输入通道的模拟量输入端口。2-1-2-8:8位数字量输出端口。START,ALE:START为启动控制输入端口，ALE为地址锁存控制信号端口。这两个信号端可连接在一起，当通过软件输入一个正脉冲，便立即启动模/数转换。EOC,OE:EOC为转换结束信号脉冲输出端口，OE为输出允许控制端口。这两个信号也可连接在一起表示模/数转换结束。OE端的电平由低变高，打开三态输出锁存器，将转换结果的数字量输出到数据总线上。REF(+),REF(-),VCC,GND:REF(+)和REF(-)为参考电压输入端，VCC为主电源输入端，GND为接地端。一般REF(+)与VCC连接在一起，REF(-)与GND连接在一起。CLK:时钟输入端ADDA,B,C:8路模拟开关的三位地址选通输入端，以选择对应的输入通道。其对应的输入通道。图4.6 A/D转换器的接法4.7 D/A转换器的选择在单片机应用系统设计中，常要用到模拟输出，数模转换器(D/A)就是一种把数字信号转换成为模拟信号的器件。实际上，D/A转换器输出的电量并不真正能连续可调，而是以所用D/A转换器的绝对分辨率为单位增减，所以这实际上是准模拟量输出。为了满足计算机的总线控制要求，适应计算机应用系统结构，在D/A转换芯片内增加了一些计算机接口相关电路及引脚，其结构特征是：具有数字输入锁存功能电路，能和CPU数据总线直接相连；带有数据寄存器及D/A转换控制端，CPU可直接控制数字量的输入和转换；与CPU相同的单一+5V电源供电。这类芯片适用于单片机应用系统的D/A接口，故称这类芯片为与微处理器完全兼容的D/A转换芯片