现场温度测量控制子系统的设计.doc

现场温度测量控制子系统的设计目 录摘 要IAbstract第一章 绪论11.1 引言11.2 课题的总体设计及思路21.2.1 总体设计思路21.2.2 系统硬件框图31.2.3 各环节的功能31.2.3 各环节的实现4第二章 方案的选择52.1控制芯片的选择52.2 温度传感器的选择52.3 A/D转换器的选择52.4 D/A转换器的选择62.5 键盘显示器接口芯片的选择62.6 显示器的选择62.7 串行接口器件的选择62.8 专用抗干扰电路的选择7第三章 现场温度测量控制子系统的硬件设计83.1现场温度测量控制子系统的电路图83.2 前置电路的设计83.2.1前置电路的组成和作用83.2.2 温度传感器83.2.3 温度变送器103.2.4模数转换器ADC0809123.3 控制核心单片机8751133.3.1 单片机的作用133.3.2 8751单片机的结构及功能133.4 输出环节的组成和作用163.4.1 数模转换器DAC0832173.4.2 电压电流变换器XTR110183.4.3调节阀193.5.键盘显示器接口芯片8155193.6 报警电路213.7 专用抗干扰电路IMP913L223.8单片机与PC机间的互连电路233.8.1.串口通讯RS-232-C介绍233.8.2 DB-9连接器243.8.3单片机与MAX232的连接253.9操作键盘的设计26第四章 数字PID控制器274.1数字PID控制器的基本概念274.2控制算法274.3 PID控制算法程序框图284.3数字PID的参数选择29第五章 现场温度测量控制子系统的软件设计325.1 温度测量控制子系统的主程序的设计325.2 中断服务程序355.3 加、减、乘和除法子程序程序395.4报警子程序435.5 标度转换子程序435.6 BCD码换子程序475.7延时子程序475.7键盘处理程序485.8显示子程序555.9单片机与PC串口通信程序56结论57附录58致谢59参考文献6061摘 要单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用。单片机由于其微小的体积和极低的成本，广泛的应用于家用电器、工业控制等领域中。在工业生产中，电流、电压、温度、压力和流量也都是常用的被控参数。本论文介绍了“基于单片机的现场温度测量控制子系统”的设计相关。系统属于典型的基于单片机的温度控制环节的PID闭环控制装置，通用性很强，在工业过程控制中有着广泛的应用。控制系统中引入单片机，可以充分利用单片机在对采集数据加以分析并根据所得结果做出逻辑判断等方面的能力，编制出符合某种技术要求的控制程序、管理程序，实现对被控参数的控制与管理。本论文介绍了基于单片机的温度控制系统的硬件设计和软件开发的过程。共分五章：第1章介绍了背景和总体的设计思路；第2章介绍了做该系统时方案的选择；第3章介绍了现场温度测量控制子系统的硬件设计；第4章介绍了数字PID控制器；第5章介绍了现场温度测量控制子系统的软件设计关键词： 单片机；PID控制； A/D转换器； LED显示器；报警器，D/A转换器AbstractThe development and application of MCU (Micro Control Unit) have made a great change in many fields of modern industrial detect and control. Because of the small scale, low price and high efficiency of MCU, it is widely used in home appliances and industrial control. in the process of producing. Current, voltage, temperature and pressure are usually the parameter to be monitored. The design of “The temperature control system based on MCU of is introduced in this paper. As a typical design in large inertia control system, the design needs the knowledge of automation theories, analog and digital electronics. A digital PID controller is used in the system, which is called DDC(direct digital control)system. The DDC system can not only replace the analog system, but also can realize the more complicated rules of control through changing the program of software, not even changing a component in the electro circuit. It can improve reliability of whole system.This thesis introduces to control the hardware design of the system and the process of the software developments according to the temperature of a machine.Is divided into totally five chapter:Chapter 1 introduced the background and total design way of thinkings;A choice that introduces to do the project of hour of that system;A hardware design that introduces the spot temperature to measure to control the sub- system;Chapter 4s introduced the numerical controller of PID;A software design that introduces the spot temperature to measure to control the sub- systemThe A/ D converts the machine; Display of LED;Report to the police the machine, the D/ A conversion machineKey words: MCU; PID Control; The A/ D converts the machine; LED;Report to the police the machine, the D/ A conversion machin第一章 绪论1.1 引言传统的控制系统主要由测量电路和控制电路组成，所具备的功能较少，也比较弱，而且结构很复杂。计算机技术的迅速发展，使得传统的控制系统发生了根本性的变革，即采用微机作为控制系统的核心，代替传统的控制系统的传统的电子线路，从而成为新一代的微机化控制系统。将微机技术引入控制系统中，不仅可以解决传统控制系统不能解决的问题，而且还能简化电路、增加或增强功能、提高控制精度和可靠性，显著增强测控系统的自动化、智能化程度，而且可以缩短系统研制周期、降低成本、易于升级和维护。因此，现代控制系统设计，特别是高精度、高性能的控制系统，目前已很少不采用计算机技术的了。计算机技术的引入，可以为控制系统带来以下一些新特点和新功能。（1） 自动调零功能在每次采样前对传感器的输出值自动清零，从而大大降低因控制系统漂移变化造成的误差。（2） 数字滤波功能利用已算机软件对测量数据进行处理，可以抑制各种干扰和脉冲信号。（3） 数据处理功能利用计算机技术可以实现传统仪器无法实现的各种复杂的处理和运算功能。（4） 复杂控制规律利用计算机技术不仅可以实现经典的PID控制，还可以实现各种复杂的控制规律，例如，自适应控制、模糊控制等。微机化的控制系统是以微机为核心、测量控制一体化的系统，这种系统对被控对象的控制是依据对被控对象的测量结果决定的。因此，它实质上是一种闭环控制系统，其基本组成框图，如图1.1所示单片机传感器键盘LED显示器L报警器图 1.1 基本组成框图给定值执行机构调节阀炉温本次设计的温度控制系统属于单片机控制大惯性环节的典型应用，通用性很强，在工业过程控制中有着广泛的应用。用单片机来代替模拟调节器，就构成了微机过程控制系统。控制系统中引入单片机，可以充分利用单片机在对采集数据加以分析并根据所得结果作出逻辑判断等方面的能力，编制出符合某种技术要求的控制程序、管理程序，实现对被控参数的控制与管理。在单片机控制系统中，控制规律是通过软件来完成的。改变控制规律，只要改变相应的程序即可。由最优控制理论证明的数字式PID调节器，其温度调节精度要优于模拟式PID调节器。数字式PID调节器由单片机实现智能控制，能满足高精度、高要求场合下的热加工、热处理、工业窑炉等。因此，在温控系统的控制策略上采用单片机控制下的数字式PID调节方式，并通过控制调节阀的开度实现对温度的控制。1.2 课题的总体设计及思路1.2.1 总体设计思路 首先通过热电偶对退火炉的温度进行实时采样，热电偶将采集的信号传给温度变送器，温度变送器将信号变为A/D转换器可识别的信号，信号经A/D转换器的转换送给单片机，单片机先判断是否超过控制温度的上下限，超过则进行越限报警，没越限则单片机通过内部数字PID控制算式进行计算，然后根据计算结果控制调节调节阀的开度控制送给加热机构天然气的流量从而进行温度控制。1.2.2 系统硬件框图系统硬件框图如图1.2所示 热电偶变送器AD转换器DA转换器调节阀8751键盘LED显示器PC机MAX232报警器 图 1.2 系统硬件框图电压电流转换器1.2.3 各环节的功能（1）PID环节PID环节是整个系统的核心控制环节，通过调节PID可以改变整个系统的控制规律，同时也就改变了系统的动态和稳态的性能指标，例如，系统的响应时间、稳态误差。（2）执行环节系统的执行环节由晶闸管及其移相触发电路和加热器组成，PID控制器产生的控制信号先通过数模转换器转换成移相触发器的控制电压信号，再由移相触发电路对晶闸管进行移相控制，最终输出不同有效值的电压，使电热器输出不同的功率。（3）温度采集环节首先将退火炉的温度信号转化为模拟电信号，再将模拟电信号通过模数转换器转化为可以被单片机识别的数字信号。整个温度采集环节过程构成一个反馈环节。1.2.3 各环节的实现（1）PID环节的实现PID环节为数字PID控制，完全由单片机内的算法程序来实现，PID算法中的各个参数的选择由被控制对象的特性和预期的控制目标来决定。（2）执行环节的实现执行环节是由数模转换器及电压/电流变换器和调节阀来实现的。PID输出信号通过DAC0832转换成05V的电压。05V的电压信号经电压/电流变换器转换成可以控制调节阀的420MA的电流控制信号。控制信号控制调节阀的开度来控制送给加热机构的天然气的流量来控制温度。（3）温度采集环节的实现此环节由热电偶和模数转换器ADC0809来实现。热电偶通过变送器输出一个电压信号，该信号被送进模数转换器ADC0809将模拟量变为单片机可以识别的数字量传给单片机。第二章 方案的选择2.1控制芯片的选择 本设计是基于单片机的现场温度测量控制子系统的设计，随着计算机技术在社会各个领域的应用，单片机已广泛地在人们工作和生活中得到应用。 MCS-51单片机，体积小，重量轻，抗干扰能力强，功耗小，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，因此特别适合于工业控制和控制有关的数据处理系统，越来越广泛地应用于自动控制、智能化仪器、仪表、数据采集、军工产品以及家用电器等各个领域。即使是非电子计算机专业人员，通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量，来开发所希望的单片机应用系统。本设计中选用MCS-51系列单片机中的8751，它的片内有4K的EPROM可以方便的进行程序的檫除和写入，使用起来非常方便。2.2 温度传感器的选择 本设计所测温度是工业中退火炉的温度，其温度范围为01000所以选用镍铬镍硅热电偶进行温度采集。镍铬镍硅热电偶适用温度为-401200.而且热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器，同时它具有构造简单，使用方便，准确度高，热惯性小，稳定性及复现性好，温度测量范围宽，适于信号的远传和集中控制等优点，在温度测量中占有重要的地位。2.3 A/D转换器的选择 A/D转换器用以实现模拟量向数字量的转换。目前最常用的是双积分式和逐次逼近式。双积分式A/D转换器的主要优点为转换精度高、抗干扰性能好、价格便宜；缺点为转换速度较慢。因此这种传感器主要适用于速度要求不高的场合。常用的产品有ICL7106/ICL7107/ICL7126系列、MC1443以及ICL7153等。另一种常用的A/D转换器是逐次逼近式。逐次逼近式A/D转换器是一种速度较快、精度较高价格适中的转换器，其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间。是目前种类最多，应用最广的A/D转换器，典型的8位模数转换器有ADC0809。由于逐次逼近式A/D转换器的换速度比方案双积分式A/D转换器快，价格适中，应用广泛，在本设计中采用ADC0809。2.4 D/A转换器的选择 D/A转换器实现数字量向模拟量的转换。根据本设计的具体情况，在本设计中选用目前常用的D/A转换器DAC0832。2.5 键盘显示器接口芯片的选择接口芯片采用8155，8155是Intel公司生产的可编程多功能接口芯片。它的内部有两个可编程的8位并行I/O口、一个六位并行I/O口、一个14位定时/计数器以及256字节的RAM存储器。8155可以和MCS51系列单片机连接，而不需要增加硬件电路，它是单片机应用系统中最常用的一种接口芯片。2.6 显示器的选择显示器采用发光二极管LED，发光二极管LED是一种通电后能发光的半导体器件，其导电性质与普通二极管类似。LED数码显示器就是由发光二极管组合而成的一种新型显示器件，在单片机系统中应用非常广泛。2.7 串行接口器件的选择PC机配有标准RS-232接口，单片机输出的是TTL电平。因此，单片机与PC机之间通讯时，需要电平转换。RS-232电平转换芯片有MC1489，MC1488。MC1488内有三个与非门和一个相反器，供电电压为+15V-15V或者+12V-12V，输入为TTL电平，输出为RS-232电平。MC1489内部有四个相反器，输入为RS232电平，输出为TTL电平。 采用MAX232作为单片机与PC之间通讯的桥梁。MAX232的优点是：一片芯片可以完成发送转换和接收转换的双重功能。 单一电源+5V供电。MC1488和MC1489，完成电平转换时电路设计麻烦，比较容易出现错误，而且功能不如MAX232齐全。所以选择MAX232作为电平转换的芯片，它不仅在功能上能满足本系统的要求，且电路设计与连接比较简单。2.8 专用抗干扰电路的选择 专用抗干扰集成电路内部往往含有电源和复位电压检测电路，以及“看门狗” 电路。常用的低成本微处理器监视电路有MAX705/706/707/708/813L. MAX705/706/707/708/813L是一组CMOS监控电路。与MAX705/706/813L相比，MAX707/708内部缺少了“看门狗”电路，其他功能两者相同。另外MAX813L的复位信号是高电平有效，MAX705/706的复位信号是低电平有效.所以专用抗干扰集成电路选用MAX813L. 第三章 现场温度测量控制子系统的硬件设计3.1现场温度测量控制子系统的电路图 见附录3.2 前置电路的设计3.2.1前置电路的组成和作用 前置电路由温度传感器、温度变送器和A/D转换器组成，前置电路的主要作用是用温度传感器采集温度信号，然后温度变送器将温度传感器微弱电信号实现变换放大变成温度传感器可识别的信号，此信号经A/D转换器变成数字信号传给单片机。3.2.2 温度传感器 在工业生产过程及工程检测中，为了对各种工业参数（压力、温度）进行检测，首先要把这些参数转换成便于传送的信息，这就需要用到各种传感器。温度传感器按测量中感温元件是否与被测介质接触，可分为接触式和非接触式两种。接触式的测温方法是使温度敏感元件和被测介质相接触，当被测介质与感温元件达到热平衡时，温度敏感元件与被测介质的温度相等。这类温度传感器具有结构简单，工作可靠，精度高，稳定性好，价格低廉等优点。非接触式测温是应用物体的热辐射能量随温度变化而变化的原理，主要用于测高温、腐蚀、有毒，运动物体及固体，液体面的温度，不干扰被测温度场，但精度很低，使用不方便。由于在设计中试测气体的温度，我们选用热电偶作温度传感器。热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器，同时它具有构造简单，使用方便，准确度高，热惯性小，稳定性及复现性好，温度测量范围宽，适于信号的远传和集中控制等优点。热电偶测温原理：将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个很小的电流，这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。导体A和B称为热电极，两个接点，一个称热端，测温时将它置于被测介质中；另一个是冷端，它通过导线与显示仪表相连。热电势与温度的关系如下：eAB（T，T0）=eAB（T）+eAB（T0）,上式是两金属的节点温度不同时产生了两个大小不等，方向相反的热电势eAB（T）和eAB（T0）,。在此闭合回路中总的热电势为e（T，T0）。对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB（T0）=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即eAB（T，T0）=eAB（T）-c=f(T),即只要测出eAB（T，T0）的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。热电偶的种类常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类，所谓标准热电偶就是它已列入工业标准化文件中，具有统一的分度表。表3.1为常用热电偶的主要性能及特点。 表 3.1热电偶名称分度号等级 适用温度铜-铜镍CK-40350镍铬铜镍E -40800 -40900铁铜镍 J -40750镍铬镍硅 EU2 -401000 -401200铂铑10铂LB3 01100 6001600铂铑30铂铑6LL2 6001700 8001700根据表中各个热电偶的特点、价格及测温范围的考虑，我们选用镍铬镍硅热电偶作为本次设计的温度传感器。热电偶冷端温度补偿热电偶的热电动势只与冷端和热端温度有关，因此只有当冷端温度恒定时，热电偶的热电动势和热端温度才由单值的函数关系。此外热电偶的分度表示以冷端温度作为基准进行分度的，而在实际使用过程中，冷端温度往往不为0，所以必须对冷端温度进行补偿，消除冷端温度的影响。热电偶冷端温度补偿的方法有四种：1、热电偶补偿导线 2、冷端温度修正法 3、冷端0恒温法4、冷端温度自动补偿法（补偿电桥法）由于工业现场条件的限制，考虑到工业中使用的方便性，我们才用补偿电桥法。补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压 作为补偿信号，来自动补偿热电偶测量过程中因冷端温度不为零度或变化而引起热电势的变化值。补偿电桥如下图所示，它有三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻r1、r2、r3及电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻rcu和稳压电源组成。补偿电桥与热电偶冷端处在同一环境温度，当冷端温度变化引起的热电势eAB（T，T0）变化时，由于rcu的阻值随冷端温度变化而变化，适当选择桥臂电阻和桥路电流，就可以使电桥产生的不平衡电压Uab补偿由于冷端温度t0变化引起的热电势变化量，从达到自动补偿的目的。3.2.3 温度变送器由于热电偶感应的热电势非常小，因此需要对传感器的输出进行放大和线性化处理，因此，我们选用AD693作为温度变送器，同时接有冷端补偿电路对热电偶进行补偿，这样就可以把热电偶的热电信号转换成05V的直流电压信号。AD693芯片介绍和自动控制。该单片温度变送器具有工作可靠, 结构简单,测量精度高等明显优点。1、AD693芯片介绍热电偶温度变送器测量电路如图3.2。 图3.2 热电偶温度变送器测量电路测量电路主要由输入电路与AD693 电路两部分组成。输入电路实际上是一个直流电桥, 具有冷端温度补偿和零点迁移的功能。电桥的不平衡电势与热电偶热电势的综合量作为输入电路的输出值,送AD693 输入端。电桥的四个桥臂分别是电阻R1 、R2 、RCu 和W2 电位器。桥路的直流电源由AD693 的内部基准电压源和辅助放大器经R5 、R4 电阻分压后提供。其具有精密稳压的特点,可以避免因电源波动而使桥路直流电源的波动。W1 电位器用于调整电桥的总电流, 使I =1mA 。由于桥路两个支路的固定电阻R1 、R2 各为5k ,比其它电阻的阻值大得多,所以桥路中其它电阻发生变化时, 对两个支路的电流影响很小,可以设为I1 = I2 = 0. 5mA 。图中, 铜电阻RCu 具有热电偶冷端温度补偿功能, 当热电偶输出热电势EX 随其冷端温度的变化而变化时, 在RCu 的作用下桥路输出电压也随之变化, 并使两者的变化量大小相等、方向相反, 因而自动补偿了因热电偶冷端温度变化而引起的测量误差。RCu 由铜丝绕制而成, 桥路的其它电阻则由锰铜丝制成。W2 电位器具有零点迁移和零点调整功能。在工艺生产中,温度测量往往并不是以0C开始, 为了正确选择仪表量程, 提高测量精度,也常常需要进行零点迁移。从电路上可以看出, 桥路的输出电压为RCu 的补偿电压与W2电位器上压降的代数和, 因此与热电偶电势EX综合输入到AD693 的综合信号Vi可以看出, 改变W2 的阻值, 即可改变桥路的输出起始点,从而实现零点迁移。R5的接入使输出为420mA的电流转换为15V的电压。3.2.4模数转换器ADC0809一、 ADC0809主要特性ADC0809为8路模拟量输入的芯片，转换电压为-5V+5V，分辨率为8位，转换时间为 100us，转换绝对误差为土 1LSB，单一+5V供电， 28脚DIP结构封装，功耗15mw。二、 ADC0809的内部结构及管脚功能图3.3ADC0809引脚图 ADC0809是采用逐次逼近法的8位AD转换芯片，其引脚如图3.3所示，它内部除AD转换部分外，还带有锁存功能的八通道多路模拟开关和8位三态输出锁存器。地址编码被选中的通道C B A000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7 28个管脚功能如下：（1）IN0IN7：八个模拟量输入端，允许8路模拟量分时输入，共用一个AD转换器；（2）ADDA、ADDB、ADDC：通道端口选择线，ADDC为高位，地址编码关系如下：（3）ALE：地址锁存允许，当ALE为上升沿时，可将地址选择信号C、B、A锁入地址寄存器内。（4）START：启动A/D转换，当START为上升沿时，开始AD转换。表 3.2（5）EOC：转换结束信号，当AD转换完毕之后，该端由低电平跳转为高电平，（6）OE：输出允许信号，高电平有效。此信号用以打开三态输出锁存器，将A/D转换后的8位数字量输出至单片机的数据总线上。（7）CLOCK：定时时钟输入端，最高允许频率为640kHZ，转换一次最短时间为100us。（8） D7D0：数字量输出端。（9）VREF（+）和VREF（-）：参考电压端，一般VREF（+）= 5V，VREF（-）=0V。（10） VCC、GND：+5V电源及地。ADC 0809转换结果可依据下列公式计算： D = 255 * V i / VREF公式中，V i 为模拟输入量，D为十进制数字量输出。3.3 控制核心单片机87513.3.1 单片机的作用 本设计选用MCS51系列的8751作为控制芯片，它的作用是在接收温度传感器的信号后通过内部程序进行分析，来控制执行机构对温度进行控制。3.3.2 8751单片机的结构及功能一、单片机的内部结构如所示：图3.4 8751单片机内部结构8751单片机是由8大部分组成的。这8大部分是：1、中央处理单元（8位）数据处理、测试位，置位，复位 位操作2、只读存储器（4KB或8KB）永久性存储应用程序，掩模ROM、EPROM、EEPROM3、随机存取内存（128B、128B SFR）在程序运行时存储工作变量和资料4、并行输入/输出口（I / O）（32条） 作系统总线、扩展外存、I / O接口芯片5、串行输入/输出口（2条） 串行通信、扩展I / O接口芯片6、定时/计数器（16位、加1计数）计满溢出、中断标志置位、向CPU提出中断请求，与CPU之间独立工作7、时钟电路内振、外振。8、中断系统五源中断、2级优先。结构特点：1）片内EPROM：4K 2）片内RAM：128B 3）片外ROM：64KB4）片外RAM：64KB5）I / O线： 32根（4口，每个口8根）6）定时/计数器：2个16位可编程定时/计数器7）串行口：全双工，2 根8）内部数据存储器：工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区三个部分9）中断源：5源中断，2级优先10）布尔处理机：位处理机，某位单独处理11）指令系统：五大类，111条二、 8751外部引脚8751图3.5 8751外部引脚图 1、主电源引脚Vss 、 Vcc2、外接晶振引脚XTAL1 、 XTAL23、控制或复位引脚 RST / VPD 两个机器周期高电平，单片机复位。 复位状态 ： P0 P3 口：输出高电平FFH SP ： 07H SFR、PC ： 清0 不影响内RAM状态，机器从0地址开始执行。 ALE / PROG ：地址锁存控制端 提供1/6 fosc振荡频率，输入编程脉冲EPROM PSEN ：外部程序内存的读选通信号端。 EA / VPP ：EA = 1 ，访问内部程序内存 当PC值超过内ROM范围（0FFFH）时，自动转执行外部内存的程序 EA = 0 ， 只访问外部程序内存。 对8751机，可施加21V编程电源（Vpp）4、输入/输出引脚 P0 P3：四个I / O口，每口8线，共同32线。三、 单片机复位电路及复位状态1复位电路单片机复位电路包括片内、片外两部分。外部复位电路就是为内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的。MCS-51单片机通常采用上电自动复。位和按键手动复位两种方式。如图3.7所示22F C1RST R11K+5V22F C1RST+5VR220087518751（a）上电复位电路（b）上电/外部复位电路 R11K图3.6 8751复位参考电路2单片机复位后的状态单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新运行。21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，如表3.3所示表3.3 PC与SFR复位状态特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态A00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0P3FFHSBUFBIP00000BSCON00HIE000000BPCON0B3.4 输出环节的组成和作用 输出环节由D/A转换器电压/电流变换器组成，D/A转换器将单片机输出由数字量转换为模拟量，此模拟量为0-5伏电压经电压电流变换器变为4-20MA的电流去控制天然气调节阀工作，根据输出电流的大小来控制阀门的开度，从而控制天然气流量来控制温度。 3.4.1 数模转换器DAC0832 一般说明图3.7 DAC0832引脚图DAC0832是国内使用较为普遍的8位D/A转换器，它采用CMOS/Si-Cr工艺制成。由于片内有输入数据寄存器，故可以直接与单片机接口。DAC0832以电流形式输出，当需要转换为电压输出时，可外接运算放大器。DAC0832的主要特性： 输出电流线性度可在满量程下调节； 转换时间为1； 数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直接方式； 每次输入数字为8位二进制数； 功耗为20 mW； 逻辑电平输入与TTL电平兼容； 增益温度补偿为0.02%FC/； 供电电源为单一电源，可在+5+15V内。DAC0832结构引脚 DAC0832由输入锁存器、DAC寄存器和D/A转换器三部分组成。输入数据锁存器和DAC寄存器用以实现两极缓冲，故在输出时，尚可采集一个数字，从而提高转换速率。多芯片同时工作时，可用同步信号控制各模拟量的同步输出。DAC0832引脚如图3.7所示，它采用20线双列直插式封装，各引脚功能如下。 1）片选信号：输入低电平有效，与ILE相配合，可对写信号是否有效起到控制作用。 2）ILE允许锁存信号：输入高电平有效。输入锁存器的锁存信号由ILE，的逻辑组合产生。当ILE为高电平、为低电平、输入负脉冲时，在端产生正脉冲。当为高电平时，输入锁存器的状态随着数据输入线的状态变化，的负跳变将数据线上的信息打入输入锁存器。3）写信号1：输入低电平有效。当，ILE均为有效时，可将数据写入8位输入锁存器。 4）写信号2：输入低电平有效。当其有效时，在传送控制信号的作用下，可将锁存在输入锁存器的8位数据送到DAC寄存器。5）数据传送控制信号：输入低电平有效。当，均有效时，则在端产生正脉冲。当为高电平时，DAC寄存器的输出和输入锁存器的状态一致， 的负跳变将输入锁存器的内容打入DAC寄存器。 基准电压输入端：可在10 V范围内调节。 6）DI7DI0：8位数字输入量输入端。7） ：DAC的电流输出1。当DAC寄存器各位均为1时，输出电流最大；当DAC寄存器各位均为0时，输出电流为0。 8）：DAC的电流输出2。与的和为一常数，一般单极性输出时接地，在双极性输出时接运放。 9） ：反馈电阻引脚。在DAC0832芯片内部有一个反馈电阻，可作为外部运算放大电路的反馈电阻用。 10） ：电源输入线，+5+15V。 11） DGND，AGND：分别为数字信号地和模拟信号地。3.4.2 电压电流变换器XTR110图3.8 XTR110引脚图XTR110是美国 Burr Brown 公司推出的精密电压电流变换器，它是专为模拟信号传输所设计的。可用于将05或010的输入电压转换成420, 020，525或其他常用范围的输出电流。此外，其内部精确的10参考电压可也用于驱动外部电路。该芯片由精密电阻网络模块、电压电流变换模块、电流电流变换模块和精密电压基准模块组成。由于它利用电流进行传输，所以能有效克服在长线传送过程中环境干扰对测试的影响，从而使其性能大大提高。XTR110应用范围极广，可用于任何需要信号处理的场合，尤其是在信号小、环境差的测试环境（如工业过程控制、压力、温度、应变测重、数据采集系统和微控制器应用系统中的输入通道等）下更为适合。引脚功能XTR110的引脚排列如图所示。性能参数XTR110的主要性能特点如下：采用标准电流传输；输入输出范围可选择；最大非线性误差为；带有精确的参考电压输出；采用独立电源工作模式，且电压范围很宽（）；引脚可编程。3.4.3调节阀 调节阀选用浙江中三有限公司生产的ZAZM电动套筒调节阀。ZAZM电动套筒调节阀由DDZ型系列直行程电动执行机构和套筒阀两部分组成。以单相交流220V电源为动力，接受010mA或4-20mA直流信号，自动地控制调节阀开度，从而达到对压力、温度、流量、液位等工艺参数的连续调节。该产品具有比双座阀大的流量系数，且允许压差大，稳定性好，工作时不易产生振动，适用性强等优点，广泛地应用于电力、冶金、石油、化工、轻工等工业部门的自动控制系统。3.5.键盘显示器接口芯片81558155 基本结构及工作方式： 8155 芯片为 40 引脚双列直插式封装，单一的十 5V 电源，其引脚排列如图 3.8。8155 具有三个可编程 I O 口，其中二个口（ A 和 B ）为 8 位口，一个口（ C ）为 6 位口。此外还有 256 单元的 RAM 和一个 14 位计数结构的定时器计数器。 1. 主要接口信号引脚 在与单片机接口的方面， 8155 提供如下信号： AD 7 AD 0 - 地址数据复合线 ALE- 地址锁存信号。除进行 AD 7 AD 0 的地址锁存控制外，还用于把片选信号和 IO 等信号进行锁存 - 读选通信号 图 3.9 8155引脚图 - 写选通信号 - 片选信号 IO -I O 与片内 RAM 选择信号。 8155 内部的 I O 口与 RAM 是分开编址的，因此要使用控制信号进行区分。 IO 0 ，对片内 RAM 进行读写； IO =1 ，对 I O 口进行读写。 RESET- 复位信号。 8155 以 600ns 的正脉冲进行复位，复位后 A 、 B 、 C 口均置为输入方式。 2. I O 口及工作方式 8155 的三个 I O 口，分别以 PA 、 PB 和 PC 称呼，其中 PA 和 PB 都是 8 位通用输入输出口，主要用于数据的 I O 传送，它们都是数据口，因此只有输入输出两种工作方式。而 PC 口则为 6 位口，它既可以作为数据口用于数据的 I O 传送，也可以作为控制口，用于传送控制信号和状态信号，对 PA 和 PB 的 I O 操作进行控制。因此 PC 口具有四种工作方式，即：输入方式，输出方式， PA 口控制端口方式以及 PA 和 PB 口控制端口方式。 当以无条件方式进行数据输入输出传送时，由于不需要任何联络信号，因此这时 PA 、 PB 及 PC 都可以进行数据的输入输出操作。 当 PA 或 PB 以中断方式进行数据传送时，所需的联络信号由 PC 提供，其中 PC 2 PC 。是为 PA 提供， PC 5 PC 3 是为 PB 提供。各联络信号的定义如表3.4 所示。 表 3.4 PC 口联络信号定义 口位 方式 作 PA 控制端口 作 PA 和 PB 控制端口 PC 0 AINTR AINTR PC 1 ABF ABF PC 2 PC 3 输出 BINTR PC 4 输出 BBF PC 5 输出 联络信号共有三个，其中： INTR- 中断请求信号（输出），高电平有效。送给 MCS 51 单片机的外中断请求。 IBF- 缓冲器满状态信号（输出），高电平有效。 - 选通信号（输入），低电平有效。数据输人操作时， 是外设送来的选通信号；数据输出时， 是外设送来的应答信号。 3. RAM 单元及 I/O 编址 8155 共有 256 个 RAM 单元，加上六个可编址的端口。为此 8155 引入了八位地址 AD 7 AD 0 ，无论是 RAM 还是可编址端口都使用这八位地址进行编址。可编址的六个端口是：命令状态寄存器、 PA 口、 PB 口、 PC 口、定时器计数器低 8 位以及定时器计数器高 8 位；对它们只需使用 AD 2 AD 0 即可实现编址，如表 3.5所示。表 3.5 8155 的可编程端口 AD 7 AD 6 AD 6 AD 4 AD 3 AD 2 AD 1 AD 0 选择 X X X X X 0 0 0 命令 / 状态寄存器 X X X X X 0 0 1 PA 口 X X X X X 0 1 0 PB 口 X X X X X 0 1 1 PC 口 X X X X X 1 0 0 定时器 / 计数器低 8 位 X X X X X 1 0 1 定时器 / 计数器高 8 位 3.6 报警电路 报警电路电路图 +5V 图中，驱动器的输入端接8751的P1.0，P1.0接晶体管基级输入端，当P1.0输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器得电鸣音，P1.0输出低电平“0”时，三极管退出导通状态，蜂鸣器停止发音。3.7 专用抗干扰电路IMP813L在 MCU、DSP 等应用中，广泛用的看门狗（Watch Dog）电路，又称电压监控器电路，比如，IMP813L、X25045 等，本文总结了看门狗电路应用中的一些基本技巧和注意事项。 左面的图 为 IMP813L 的内部电路框图。1、系统电压选择看门狗依据系统内部的电压轨，也就是说，根据 MCU 或 DSP 的驱动电压来选择电压监控器。2、看门狗输入端（WDI）一旦 MCU 无法正常工作时，而且其片内看门狗功能也无法复位，软件进入死循环。这时，具有集成看门狗功能的监控器可触发复位，从而提高系统的可靠性。3、手动复位（MR）功能 借助该功能，可对电路进行手动复位，或者通过应用中的另一个器件来主动控制监控器电路。4、有效高电平输出 如果处理器需要采用有效高电平复位输入，无需增加额外的器件就可实现。5、电源故障输入/输出（PFI/PFO） 利用该比较器能够提供更大的灵活性，例如用来实现电池电量的长时间监测和电压跌落预警。6、延迟时间 一定的延迟时间使得电压和电路中的其它器件能够在正常操作重新开始之前先稳定先来，降低电压波动，提高系统的可靠性。7、通道数 一般而言，系统中所需的监控器功能的数量取决于处理器及外围器件的电压。例如，独立电压的处理器有可能需要对两个电源轨进行监控，与此同时，系统中的存储器可能也需要进行监控并工作在第三个（不同的）电压轨上。8、芯片启动选通作用 一旦电源电压处于欠压状态时，看门狗电路的芯片启动选通功能能够防止错误数据使 CMOS RAM 发生劣化。 PC受到