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电气电子毕业设计论文
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毕业设计107单片机定时对锅炉温度进行检测,电气电子毕业设计论文
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1 第一章 绪 论 在机械制造行业中存在大量的采用电进行加热的设备，如用于热处理的加热炉，用于熔化金属的坩埚电阻炉等。这些被控对象都可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。以往多采用常规仪表加接触器的断续控制，随着生产的发展，上述设备对温度的控制要求越来越高，除了要求具有较高的控温精度外，有的还提出温度上升速度及温度下降速度的可控问题。显然，应用常规仪表方法难于满足这些生产工艺要求。随着超大规模集成电路技术的发展，单片微型计算机出现了。它具有体积小、功能强、性价比高等特点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装 置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。单片机的出现使上述被控对象采用智能化温度控制装置进行控制成为了现实。 温度是生产过程中最常见的物理量，许多生产过程是以温度作为其被控参数的，因此，温度控制系统是典型的控制系统。 在控制系统中， PID 调节是应用最广泛的一种控制方法。所以人们经常采用 PID调节器，并根据经验进行在线整定，即用实验和分析的方法来确定数字 PID调节器的参数。但是，常规 PID 调节三个参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人 员来完成，步骤繁琐复杂，既耗时又耗力。而且当对象特性变化时，又要重新整定，并且在现代工业过程控制中，许多被控对象机理复杂，具有多输入多输出的强耦合性、参数时变性、严重的非线性特性、滞后性等特性。在这种情况下，采用常规 PID 调节器，三个参数的整定比较困难，为此本文提出了采用归一参数整定法，即只整定一个参数，这样减少了许多工作量，提高了工作效率，为实现简易的自整定控制带来了方便。本文以坩埚熔化电阻炉温度控制系统为研究对象，采用了归一参数整定法的数字 PID对锅炉炉温系统进行控制，通过调节比例系数来调节控制效果。 随着计算机运算速度的大幅度提高和存储信息的大量增加， PID 调节在工业过程控制、航空航天领域内将得到广泛的应用，因此研究 PID控制具有较高的工程实践意义和广泛的应用前景。 nts 2 第二章 控制系统总体方案确定 2.1 系统总体方案确定 方案一 系统采用 8031 作为系统的微处理器。温度信号由热电偶检测后转换为电信号经过预处理（放大）送到 A/D 转换器，转换后的数字信号再送到 8031 内部进行判断或计算。从而输出的控制信号来控制锅炉是否加热。但对于 8031来说，其内部只有 128个字节的 RAM，没有程序存储 器，并且系统的程序很多，要完成键盘、显示等功能就必须对 8031 进行存储器扩展和 I/O 口扩展，并且需要容量较大的程序存储器，外扩时占用的 I/O口较多，使系统的设计复杂化。 方案二 系统采用 8751 作为系统的微处理器。 8751 在 8031的基础上，片内又集成了 4KB的 EPROM 作为程序存储器，是一个程序不超过 4K 字节的小系统。用户可以将程序固化在 EPROM中，可以反复修改程序。系统程序较多时，只需要外扩一个容量较小的程序存储器，占用的 I/O 口减少，同时也为键盘、显示等功能的设计提供了硬件资源，简化了设计，降低了成 本。 方案三 系统采用 8051 作为系统的微处理器来完成对炉温的控制和键盘显示功能。 8051片内除了 128KB 的 RAM 外，也集成了 4KB 的 ROM。同 8751 一样， 8051 同样可以完成设计要求。但是 8051 片内 ROM 的程序是厂家制作芯片时，代为用户烧制的。程序只要写入片内，就不可以再修改。这就是要求系统的硬件部分也不能改进。如果为了提高生产效率，系统的某个部件要更换的话，那么系统的程序就要修改。而 8051 不能修改程序。这时就要更换微处理器。 8051 短期内对系统没有太大的影响，但从长远来看， 8051对系统的优化和 成本的影响都会很大。 综上所述的三种方案，该设计选用方案二比较合适。 2.1.1 系统的组成 该温度控制系统以 8751 为核心，采用可编程 8255A 接口芯片、外接简易键盘、液晶显示器，组成了一个结构简单，功能丰富的单片机炉温自动控制系统。 2.1.2 系统的工作过程 控制过程如下：单片机定时对锅炉温度进行检测，经过放大和 A/D 转换得到相应的数字量，再送到单片机进行判断和运算，得到相应的控制量来控制固态继电器，从而实现对温度的控制，同时又具有键盘输入和显示温度等功能。 控制系统的硬件原理框图如图 2-1所示： nts 3 图 2-1 系统的硬件原理框图 2.2 设计指标 设计一个温度控制系统，用单片机来对坩埚炉的炉温进行控制。坩埚炉的额定功率为 5KW，工作电压为 220V。熔化熔点在 400 1000之间的重金属。系统能够自动地显示设定温度和测量温度，并且通过 PID 控制算法自动对两者之间的偏差进行调节。使系统在稳定的基础上响应更快，精度更高。系统的控温精度为 2。 nts 4 第三章 控制算法 3.1 控制算法的确定 1 11 27 PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。它结构灵活，不仅可以用常规的 PID调节，而且可以根据系统的要求，采用各种 PID的变型，如 PI、 PD 控制及改进的 PID 控制等。它具有许多特点，如不需要求出数学模型、控制效果好等，特别是在微机控制系统中，对于时间常数比较大的被控制对象来说，数字 PID完全可以代替模拟 PID调节器，应用更加灵活，使用性更强。所以该系统采用PID控制算法。系统的结构框图如图 3-1所示： 图 3-1 系统的结构框图 3.2 数学模型的建立 20 28 坩埚炉可以近似一个一阶惯性加纯滞后环节。其数学模型可表示为： 1)( TskesGs （ 3-1） 3.3 PID 控制算法 1 24 26 11 比例调节器（ P）与偏差成比例调节，调节及时，误差一旦产生，调节器立即产生控制作用，使被控量向减少偏差的方向变化，但这种调节使被调量存在静差，即有残留误差，因为调节作用是以偏差的存在为前提条件的。 积分调节器（ I）的突出优点是只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。在被调量的偏差消除后，由于积分规律的特点，输出将留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。但单纯的积分也有弱点，其动作过于迟缓，因而在改善静态品质的同时，往往使调 节的动态品质变坏，过度过程时间加长。 nts 5 微分调节器（ D）主要用来加快系统的响应速度，减少超调，克服振荡。 将 P、 I、 D三种调节规律结合在一起，既快速敏捷，又平稳准确，只要三者强度配合适当，便可获得满意的调节效果。 模拟 PID控制规律为： 00 )1( uddTde dtTieKu tetP （ 3-2） 式中： )()()( tytrte 称为偏差值，可作为温度调节器的输入信号，其中 )(tr 为给定值， )(ty 为被测变量值：pK为比例系数；iT为积分时间常数； Td 为微分时间常数；)(ty 为调节器的输出控制电压信号。 因计算机只能处理数字信号，故上述数学方程式必须加以变换。设采样周期为 T，第 n此采样得到的输入偏差为 en，调节器输出为 un，则有： T eedt tde nn 1)( （微分用差分代替） 100)()( nk kTetdte （积分用求和代替） 这样，式（ 3 2）便可改写为： 11 nnknndknpn T eeTTeTeku（ 3-3） 其中，nu为调节器第 n 次输出值；ne、1ne分别为第 n 次和第 n 1 次采样时刻的偏差值。由式可知，nu是全量值输出，每次的输出值都与执行机构的位置一一对应，所以称之为位置型 PID算法。 在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，因为输出的控制量nu不仅与本次偏差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得nu产生大幅度变化，这样会引起系统冲击，甚至造成事故。所以在实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，可采用增量型 PID算法。 )2()1(2)()()1()()( kekekeTTkeTTkekeKku dip（ 3-4） 当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增量型 PID控制算法。 与位置算法相比，增量型 PID算法有如下优点： 位置型算式每次输出与整个过程状态字有关，计算式中要用到过去偏差的累加值 kjje0)( ，容易产生较大的累积计算误差；而在增量型算式中由于消去了积分项，从而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易nts 6 取得较好的控制效果。 为实现 手动 自动无忧切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度0u，若采用增量型算法，其输出对应与阀门位置的变化部分，即算式中不出现0u项，所以易于实现从手动到自动得的无忧动切换。 采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。 正因为具有上述优点，在实际控制中，增量型算法要比位置算法应用更加广泛。 利用增量型 PID 控制算法，可得到位置型 PID控制 算法的递推形式，即 )2()1()()1()()1()( 210 keakeakeakukukuku （ 3-5） 3.4 PID 参数的整定 1 27 由于连续生产过程一般都有较大的时间常数，而微机控制系统的采样周期远远小于过程对象的时间常数，一次 PID调节器参数的整定，完全可以参照模拟调节器的参数整定方法进行，最后在实践中加以调整，以得到比较理想的参数。 模拟 PID 调节器参数的整定是按照工艺对过程性能的要求，确定调节器的参数pK、 Td ；而数学 PID 调节器参数的整定，除了需要确定pK、iT、 Td 外，还需要确定系统的采样周期 T。 整定 PID的方法有临界比例度法、扩充响应曲线法和试凑法整定 PID法。本系统的参数整定采用扩充响应曲线法和试凑法相结合的方法，即先用扩充响应曲线法整定参数初值，再用试凑法微调，使系统的输出后达到控制要求。 扩充临界比例度法 整定 PID参数 扩充临界比例度法是在模拟 PID 调节器中使用的临界比例度为基础的一种数字PID调节器参数的整定方法。整定步骤如下： 选择一个足够短的周期 T，例如被控制过程有纯滞后时，采样周期 T取滞后时间的 1/10以下，此时调节器只作纯比例控制，给定值 r作阶跃输入。 逐渐加大比例系数pK、使控制系统出现临界振荡。由临界振荡过程求得相应的临界振荡周期 Ts，并记下此时的比例系数pK，将其记作临界振荡增益SK。此时的比例度为临界比例度，记作 ss K1 选择控制度，所谓控制度时数字调节器和模拟调节器所对应的过渡过程的误差平方的积分之比，即 nts 7 模拟控制度)()(0202dttedtte D D C （ 3-6） 对于模拟系统，其误差平方积分可以按记录纸上的图形面积计算；而数字控制系统则可用计算机直接计算。 控制度是数字调节器和模拟调节器控制效果相比较的一种性能指示。通常不需要去计算。当控制度为 1.05 时，数字调节器与模拟调节器的控制效果相当；当控制度为 2.0时，数字调节器的控制质量差一倍。 按式（ 3 6）选择的控制度应为 1.05、 1.2、 1.5、 2.0中的一个数。 表 3 1 是扩充临界比例度法整定参数的计算公式。根据控制度，查表 3-1 求出 T 、pK、iT、和 Td 值。 最后整定出 PID 参数初值。 试凑法 由于实际生产过程错综复杂 ,参数千变万化，因此并不是所有的数字 PID 调节器参数都能用临界比例度法和扩充响应曲线法整定的，所以目前应用最多的还是试凑法。试凑法是从一组初始 PID参数出发，经过闭环试验，再根据各参数对系统品质的定性影响，反复试凑，不断修改最后确定 PID 参数。表 3 2 是 PID 参数的经验选择范围 表 3-1扩充临界比例度法整定参数的计算公式 只采用比例控制，pK由小变大，若响应时间、超条、静差已达到要求，只采用比例调节即可。 若静差 不满足，则加入积分控制，将pK减小，例如取 0.8Kp代替pK，iT由小到大，反复测试多组的pK和iT值，从中确定合适的参数。 若动特性不满足，比如超调量过大，或调节时间过长，则加入微分控制， Td由小到大，逐步凑多组 PID参数，从中找到一组最佳调节参数。 控制度 控制规律 T Kp Ti（分） Td 1.05 PI 0.1 0.84Tc/ 3.4 PID 0.05 1.15 Tc/ 2.0 0.45 1.20 PI 0.2 0.78 Tc/ 3.6 PID 0.16 1.0 Tc/ 1.9 0.55 1.50 PI 0.5 0.68 Tc/ 3.9 PID 0.34 0.85 Tc/ 1.62 0.65 2.00 PI 0.8 0.57 Tc/ 4.2 PID 0.6 0.6 Tc/ 1.5 0.82 nts 8 表 3-2 PID参数的经验选择范围 被调量 特点 Kp Ti（分） Td（分） 温度 滞后大，用微分 1.6 5 3 10 0.5 3 压力 滞后一般不大，不用微分 1.4 3.5 0.4 3 液位 若允许有静差，可不用积分和微分 1.25 5 流量 时间常数小，有噪声，故 KP较小， Ti较短，不用微分 1 2.5 0.1 1 nts 9 第四章 控制系统的硬件设计 4.1 微处理器的选择 5 2 4 6 系统采用了 MCS-51系列的单片机 8751，这是 Intel公司推出的单片 8位计算机。从应用的角度来看，它有以下优点： 集成度高 单片机 8751的内部含有 128B的 RAM， 4KB 的 EPROM， 4个 8位并行口，一个全双工的串行口，两个 16 位定时计数器、片内时钟振荡器、两种优先级的五个中断源的中断结构、 64KB的程序存储器地址空间和 64KB 的数据存储器地址空间。并且由于集成度高，焊点少，可靠性也大大提高。 速度快，处理能力强 8751 指令系统含有大量的算术运算、布尔运算和逻辑判断、转移指令，并且有丰富的位操作功能。在采用 12MHz晶振时，它执行一条单字节的乘法指令仅需 4微秒，这个速度足以满足工业过程控制系统的要求。 扩充性好，寻址范围大 另外， 8751 还具有特殊的多机通信功能，很适合于用作分级分布式控制系统中的直接控制级 4.1.1 8751芯片介绍 单片机 8751采用 40引脚的双列直插封装方式。引脚如图 4-1所示： 图 4-1 8751双列直插封装方式的引脚图 其各引脚的功能如下： nts 10 电源引脚 VCC（ 40脚）：接 +5V电源。 VSS（ 20脚）：接地。 时钟引脚 XTAL1（ 19 脚）：接外部晶体的一个引脚。该引脚是内部反相放大器的输入端。这个反相放大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。 控制引脚 RST/VPD（ 9脚） RST（ RESET）：是复位信号输入端，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于两个机器周期（ 24 个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。在单片机正常工作时，此脚应为 0.5V 低电平。 VPD ：为本引脚的第二功能，即备用电源的输入端。当主电源 VCC发生故障 ，降低到某一规定值的低电平时，将 +5V电源自动接入 RST端，为内部 RAM 提供备用电源，以保证片内 RAM中的信息不丢失，从而使单片机在复位后能继续正常运行。 ALE/PROG （ 30 脚） ALE：为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作后， ALE 引脚不断输出正脉冲信号。当访问单片机外部存储器时， ALE输出信号的负跳沿用作低 8位地址的锁存信号。即使不访问外部锁存器， ALE端仍有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率的 1/6。但是， 每当访问外部数据存储器时（即执行的是 MOVX类指令），在两个机器周期中 ALE只出现一次，即丢失一个 ALE 脉冲。因此，严格来说，用户不宜用 ALE作精确的时钟源或定时信号。 ALE 端可以驱动 8 个 LS 型 TTL 负载。如果想判断单片机芯片的好坏，可用示波器查看 ALE端是否有正脉冲信号输出。如果有脉冲信号输出，则单片机基本上是好的。 PROG ：为本引脚的第二个功能。在对片内 EPROM 型单片机（如 8751）编程写入时，此引脚作为编程脉冲输出端。 PSEN （ 29脚）：程序存储器允许输出控制端。在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出的负脉冲作为读外部程序存储器的选通信号。此引脚接外部程序存储器的OE （输出允许）端。 PSEN 端可以驱动 8个 LS型 TTL负载。如果检查一个单片机应用系统上电后， CPU能否正常到外部程序存储器读取指令码，也可以用示波器查 PSEN端有无脉冲输出，如有则说明单片机应用系统基本工作正常。 EA /VPP（ 31脚） EA ：为内外程序存储器选择控制端。当 EA 端为高电平时，单片机访问内部程序存储器，但在 PC（程序计数器）值超过 0FFFH 时（对于 8751为 4KB），将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不论是否有内部程序存储器。 nts 11 VPP：为本引脚的第二功能。在对 EPROM 型单片机 8751 片内 EPROM 固化编程 时，用于施加较高编程电压（如 +21V或 +12V）的输入端。 I/O口引脚 P0 口：双向 8 位三态 I/O 口，此口为地址总线（低 8 位）及数据总线分时复用口，可驱动 8个 LS 型 TTL负载。 P1口： 8位准双向 I/O口，可驱动 4个 LS型 TTL负载。 P2 口： 8 位准双向 I/O 口，与地址总线（高 8 位）复用，可驱动 4 个 LS 型 TTL负载。 P3口： 8位准双向 I/O口，双功能复用口，可驱动 4个 LS型 TTL 负载。 4.1.2 时钟电路和复位电路 时钟电路是单片机的心脏 ,单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准 ,有条不紊地一拍一拍地工作。因此 ,时钟频率直接影响单片机的速度 ,时钟电 路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式 ,一种是内部时钟方式 ,另一种是外部时钟方式。系统采用内部时钟方式。 MCS-51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 ,该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚 XTAL1,输出端为引脚 XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容 ,就构成一个稳定的自激振荡器。单片机内部时钟方式的电路如图4-2所示 图 4-2 8751内部时钟方式电路 电路中的电容 C1 和 C2 典型值通常选用为 30pF 左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求 ,但电容的大小 会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体的振荡频率的范围通常是在 1.2MHz 12 MHz之间。晶体的频率越高 ,则系统的时钟频率也就越高 ,单片机的运行速度也就越快。 复位电路的设计 复位是单片机的初始化操作 ,只要给 RESET 引脚加上 2 个机器周期以上的高电平信号 ,就可使单片机复位。复位的主要功能是把 PC初始化为 0000H,使单片机从 0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外 ,当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态 ,为摆脱死锁状态 ,也需要按复位键重新启动。 nts 12 单片机的复位 是由外部电路来实现的。系统采用按键电平复位。电路图如图 4-3所示： 图 4-3 按键电平复位电路 4.2 温度检测元件的选择与冷端补偿电路 13 30 3 22 4.2.1 温度检测元件的选择 目前，使用比较广泛的温度传感器有四类：热电阻、热电偶、热敏电阻及集成温度传感器。 温度的测量控制一般采用各式各样的温度传感器，常用的温度传感器及其测温 范围 ( )为：热电偶 (-184 2300)，热电阻 (-200 850)，热敏电阻 (-55 300)，半导体 (-55 150)。 其中，热电偶是一种高温测量传感器 ,是将温度变化转化为热电势变化的温度传感器。它是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器，在工业用温度传感器中占有极其重要的地位。它具有结构简单、制造方便、测量温度范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远距离传送等特点，而且自身能产生电压，不需要外加驱动电源。 常用的热电偶有铂铑 10-铂热电偶（ LB）、镍铬 -镍硅热电偶（ EU）、镍铬 -考铜热电偶（ EA） 和钨铼 6-钨铼 20热电偶（ LL）。其中，铂铑 10-铂热电偶可在 1300以下范围内长期使用，短期可测 1600高温。其复制精度和测量准确性高。但材料为贵金属，成本较高；镍铬 -镍硅热电偶化学稳定性较高，测量范围为 -50 +1312。其复制性好，产生热电势大、线性好、价格便宜，是工业中最常用的一种热电偶；镍铬 -考铜热电偶适用于还原性或中性介质，灵敏度高、价格便宜，但测温范围窄而低；钨铼 6-钨铼 20热电偶（ LL）是一种较好的超高温热电偶。 根据设计要求，该控制系统选用热电偶作为温度检测元件。选用工业中最常用的镍铬 -镍硅热电偶，分度号为 K，在 400 1000线性度好，适应氧化性环境。 4.2.2 冷端补偿电路 热电偶的热电势与测温接点和基准接点（冷接点）的温度必须保持恒定。标准中规定基准接点的热电势为 0时的热电势。而基准接点保持为 0可以采用碎冰和水，但这样使用极其不方便。当基准接点温度不为 0时，会产生测量误差，需要等效地加上相当于 0时的基准接点的热电势进行补偿。该控制系统加上了一个冷端补偿电nts 13 路，它利用了 PN 结电压随温度上升而线性下降的特性来进行补偿。其补偿电路如图4-4所示 图 4-4 补偿电路 4.3 变送器的选择与设计 14 24 26 热电偶的输出电压极小，其值为几十微伏每摄氏度，因此要采用低失调电压运放进行放大。 K 型热电偶测温范围为 -200 +1200，温度变化 1，可产生 40uV 左右的电压变化。热电偶测高温的检测放大电路如图 4-5所示： 图 4-5 热电偶测高温的检测放大电路 热端每变化 1， K型热电偶有 40uV的电位差输 出，其灵敏度为 mV级。采用 OP07运放组成低漂移高精度前置放大器，对几十 mV 变化信号测量比较精确。其中 OP07nts 14 的 1、 7、 8端与 RW1 构成调零电路。 前置放大器的输出为 mV 级信号，再接一级由运放 741 构成的续接放大器就可将mV 级信号放大到需要的幅度，如 0V 5V。 741（相当于国产 F007）是一种通用、价廉的集成运放，在小信号（ mV）放大中经常使用。 741的 1、 4、 5端与 RW2构成调零电路。 741的输出送给后面的多路开关及 A/D 转换电路。 4.4 A/D 转换芯片的选择与接口电路 18 21 7 8 由于控制系统为一路温度检测，所以可以省去多路转换器。又由于控制系统是对温度进行检测，相当于 A/D转换器的转换时间来说信号变化很慢，所以采样保持器（保持在 A/D转换时间内输入的模拟信号不变）也可以省去。因此，由 741 输出的信号就可以直接送给 A/D转换器。 4.4.1 A/D转换芯片的选择 A/D转换器（ ADC）的作用就是把模拟量转换成数字量，以便于计算 机进行处理。根据设计要求系统的精度为： 2/（ 1000-400） =0.003333。该控制系统选用 MC14433 A/D转换器。它是 3位半双积分型的 A/D转换器，相对于逐次逼近型的 A/D 转换器其抗干扰性能好，能抑制串模干扰。其精度高（精度相当于 11 位二进制数），分辨率为：1/ 112 =0.0004880.003333。满足系统设计的精度要求。 MC14433 A/D 转换器的被转换电压量程为 199.9mV 或 1.999V。转换完的数据以 BCD 码的形式分四次送出。引脚图如图 4-6所 图 4-6 MC14433 引脚图 nts 15 其各引脚的功能如下： 电源及共地端 VDD：主工作电源 +5V。 VEE：模拟部分的负电源端，接 -5V。 VAG：模拟地端。 VSS：数字地端。 VR：基准电压。 外接电阻及电容端 R1：积分电阻输入端， VX=2V时， R1=470； VX=200mV时， R1=27k。 C1：积分电容输入端， C1一般取 0.1uF。 C01、 C02：外接补偿电容端，电容取值约 0.1uF。 R1/C1： R1与 C1 的公共端。 CLKI、 CLKO外接振荡器时钟调节电阻 RC， RC一般取 470k左右。 转换启动 /结束信号端 EOC：转换结束信号输出端，正脉冲有效。 DU：启动新的转换，若 DU 与 EOC 相连，每当 A/D 转换结束后，自动启动新的转换。 过量程信号输出端 OR ： 当 RX V|V| ，过量程 OR 输出低电平。 位选通控制线 DS4 DS1：选择个、十、百、千位，正脉冲有效。 DS1对应千位， DS4对应个位。每个选通脉冲宽度为 18个时钟周期，两个相应脉冲之间间隔为 2个时钟周期 。 BCD码输出线 Q0 Q3： BCD码数据输出线。其中 Q0为最低位， Q3为最高位。 4.4.2 A/D转换器与单片机的接口电路 由于 MC14433的 A/D转换结果是动态分时输出的 BCD码， Q0 Q3 和 DS1 DS4都不是总线式的。因此， MCS-51 单片机只能通过并行 I/O 接口或扩展 I/O 接口与其连接。对于 8751 单片机的应用系统来说， MC14433 可以直接和 P1 口或扩展 I/O 口8155/8255连接。系统采用 MC14433与 8751 单片机的 P1口直接连接的接法。接口电路如图 4-7所示： nts 16 图 4-7 MC14433与 8751直接连接的硬件接口电路 其中 5G1403 是一种输出电压为 2.5 0.025（ V）的高精度电压基准集成电路。它具有输出精度高、温漂小、输出噪声小、动态内阻小等特点。在进行 A/D、 D/A 转换时，为了保证输出精度常要用到高精度电压基准作为参考电压源。 4.5 I/O 接口扩展 11 19 控制系统既要显示、键盘输入，又要进行控制，仅靠 8751 单片机的接口是远远不够的。系统选用了可编程并行 I/O芯片 8255A。 4.5.1 可编程并行 I/O芯片 8255A介绍 8255A是 Intel公司生产的可编程并行 I/O芯片，它具有 3个 8位的并行 I/O口，三种工作方式，可通过编程改变其功能，因而使用方便灵活，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。 8255A引脚如图 4-8所示 nts 17 图 4-8 8255A 引脚图 引脚说明 8255A共有 40个引脚，采用双列直插式封装，各引脚功能如下： D7 D0：三态双向数据线，与单片机数据总线连接，用来传送数据信息。 CS ：片选信号线，低电平有效，表示芯片被选中。 RD ：读出信号线，低电平有效，控制数据的读出。 WR ：写入信号线，低电平有效，控制数据的写入。 VCC： +5V电源。 PA7 PA0： A口输入 /输出线。 PB7 PB0： B口输入 /输出线。 PC7 PC0： C口输入 /输出线。 RESET：复位信号线。 A1 A0：地址线，用来选择 8255A内部端口。 内部结构 8255A 内部结构包括三个并行数据输入 /输出端口，二个工作方式控制电路，一个读 /写控制逻辑电路和 8位数据总线缓冲器。各部分功能如下： 端口 A、 B、 C 8255A 有三个 8 位并行口， PA、 PB 和 PC。都可以选择作为输入输出工作模式，但在功能和结构上有些差异。 PA口：一个 8位数据输出锁存器和缓冲器；一个 8位数据输入锁存器。 PB口：一个 8位数据输出锁存器和缓冲器；一个 8位数据输入缓冲器（输入不锁存）。 nts 18 PC口：一个 8位数据输出锁存器；一个 8位数据输入缓冲器（输入不锁存）。 通常 PA口、 PB 口作为输入输出口， PC口作为输入输出口，也可在软件的控制下，分为两个 4位的端口，作为端口 A、 B选通方式操作时的状态控制信号。 A组和 B组控制电路 这是两组根据 CPU 写入的“控制字”来控制 8255A 工作方式的控制电路。 A组控制 PA口和 PC口的上半部（ PC7 PC4）； B组控制 PB口和 PC口的下半部（ PC3 PC0），并可根据“控制字”对端口的每一位实现按位“置位”或“复位”。 数据总线缓冲器 数据总线缓冲器是一个三态双向 8位缓冲器，作为 8255A与系统总线之间的接口，用来传送数据、指令、控制命令以及外部状态信息。 读 /写控制逻辑电路 读 /写控制逻辑电路接收 CPU发来的控制信号 RD 、 WR 、 RESET、地址信号 A1A0等，然后根据控制信号的要求，将端口数据读出，送往 CPU，或者将 CPU送来的数据写入端口。 8255A的三种工作方式 方式 0 方式 0 是一种基本的输入 /输出工作方式。在这种方式下，三个端口都可以由程序设置为输入或者输出，没有固定的用于应答的联络信号。在方式 0 下， MCS-51 单片机可对 8255A 进行 I/O 数据的无条件传送，因此 8255A 是方式 0 属于基本输入 /输出方式。 方式 1 方式 1 是一种选通式输入 /输出工作方式。 A 口和 B 口皆可独立地设置成这种工作方式。在方式 1下， 8255A的 A口和 B口通常用于传送和它们相连外设的 I/O数据，C口用作 A口和 B口的应答联络线，以实现中断方式传送 I/O数据。 C口的 PC7 PC0应答联络线是在设计 8255A时规定的。 方式 2 方式 2只有 A口才能设定。特别用于像键盘、显示终端一类外部设备，因为有时需要把键盘上输入的编码信号通过 A口送给 CPU，有时又需要把数据通过 A口送给终端显示。 4.5.2 8255A与 8751 的接口电路 接口电路图如图 4-9所示 。图中， 74LS373 是地址锁存器， 8255A 的地址线 A1、A0经 74LS373接于 P0.1、 P0.0；片选端 CS 经 74LS373与 P0.7接通，其他地址悬空；8255A的控制线 RD 和 WR 端；数据线 D0 D7 接于 P0.0 P0.7。 nts 19 图 4-9 8255A 与 8751的接口电路 4.6 程序存储器扩展 15 23 2 6 单片机的芯片内集成了计算机的基本功能部件，已具备了很强的功能，例如MCS-51系列中的 8751 和 8051，一块芯片就是一个完整的最小微机系统，但片内 ROM、RAM 的容量还是很有限的（ 8751 片内有 128B 的 RAM， 4KB 的 EPROM），这时就需要对存储器进行扩展。 由于系统所要存储的程序比较多，所以将单片机 8751 进行程序存储器的扩展。常用的是 EPROM芯片 。随着大规模集成电路技术的发展，大容量存储器芯片的产量剧增，价格不断下降。大容量存储器芯片的性价比明显增高，而由于有些厂家已经停止生产小容量的芯片，使市场上某些小容量芯片的价格反而比大容量芯片还贵。所以，在扩展程序存储器设计时，应尽量采用大容量的芯片。这样，不仅可以使电路板的体积缩小，成本降低，还可以减低整机功耗和减少控制逻辑电路，从而提高系统的稳定性和可靠性。系统采用 27256（ 32KB 8）。 27256 与 8751单片机的接口电路如图 4-10所示 ： 图 4-10 27256与 8751 的接口电路 nts 20 4.7 键盘、显示器接口电路 6 8 4.7.1 8255A与键盘接口电路 键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。按键是一种常开型按钮开关。平时 (常态时 )，按键的两个触点处于断开状态，按下键时它们才闭合 (短路 )。键盘分编码键盘和非编码键盘。键盘上闭合键的识别由专用的硬件译码器实现，并产生键编号或键值的称编码键盘，如 BCD码键盘、 ASCII码键盘等；靠软件识别的称为非编码键盘 。在单片机组成的测控系统及智能化仪器中，用的最多的是非编码键盘。本系统中，采用 4 5 键盘。 4 5 的键盘结构如图 4-11 所示，图中行线通过电阻接 +5V，当键盘上没有健闭合时，所有的行线和列线断开，行线 XO X4 呈高电平。当键盘上某一个键闭合时，该健所对应的行线与列线短路。例如， 6号键按闭合时，行线 Xl和列线 Y1短路，此时 Xl的电平由 Y1的电平所决定，如果把行线接到微机的输人口，列线接到微机的输出口，则在微机的控制下，使列线 Y1 为低电平 (0)，其余四根列线 Y0、 Y2、 Y3、 Y4都为高电平。然后微机通过输人口读 行线的状态，如果 X0、 X1、 X2、 X3都为高电平，则 Y1 这一列上没有键闭合，如果读出的列线状态不全为高电平，则为低电子的行线和 Y1 相交的键处于闭合状态；如果 Y1 这一列上没有键闭合，接着使列线 Y1 为低电平，其余列线为高电平。用同样的方法检查 Y2 这一列上有无键闭合，以此类推，最后使列线 Y4为低电平，其余的列线为高电平，检查 Y4这一列上是否有健闭合。这种逐行逐列地检查键盘状态的过程称为对键盘的一次扫描。 CPU对键盘扫描可以采取程序控制的随机方式， CPU在空闲时扫描键盘，也可以采取定时控制方式，每隔一定时间， CPU 对键盘扫描一次， CPU 可随时响应健输入请求。也可以采用中断方式，当键盘上有键闭合时，向 CPU请求中断， CPU响应键盘输入中断请求，对键盘扫描，以识别那一个键处于闭合状态，并对键输入信息做出相应处理。 CPU对键盘上闭合键键号的确定，可根据行线和列线的状态计算求得，还可以根据行线和列线状态查表求得。 图 4-11 键盘结构图 nts 21 t 0 t 1t 2t 3 t 4 图 4-12 键闭合时行线输出电压波形 在图 4-12中，若 Y0为低电平， 0号键闭合一次， X0的电压波形如图所示，图中t1和 t3分别为健的闭合和断开过程中的抖动期 (呈现一串负脉冲 )，抖动时间长短和开关的机械特性有关，一般为 5 10ms， t2为稳定的闭合期，其时间由按键动作所确定，一般为十分之几秒到几秒， t0、 t4 为断开期。为了保证 CPU 对键的闭合作一次仅一次处理，在软件中必须设置去除抖动，在键的稳定闭合或断开时读键的状态，并判断出健由闭合到释放时，再作键输入处理。 键盘分布如图 4-13所示，共有 0 9十个数字键和十个功能键。数字键用于参数输入，这里主要介绍其余十个功能键。 ：数字加 1键。每按一次数字就增加 1。 ：数字减 1键。 每按一次数字就减少 1。 ：数字位左移键。每按一次数字位就向左移动一位。 ：数字位右移键。每按一次数字位就向右移动一位。 CLR：清屏键。按下该键，显示屏上的所有数字将清除。 DEL：删除键。按下该键，则删除显示屏上光标所在位的数字。 更改：修改键。对输入数据发生错误时，用此键进行修改。 启动：系统启动工作键。 停止：系统工作停止键。 确认：输入数据完成确认键。 图 4-13 键盘分布图 nts 22 4.7.2 8255A与显示器接口电路 随着仪器、仪表智能化、多功能化的要求，液晶显示器以其体积小、功耗低、接口 方便等优点在显示器市场中脱颖而出，取代了传统的 LED、 CRT 等显示方式而成为现代显示技术发展的主流。 系统采用液晶显示器（ LCD），液晶显示器是一种被动式的显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性，而达到白底黑字或者黑底白字显示的目的。液晶显示器在单片机系统中作为输出器被广泛使用有以下原因： 显示质量高 由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，因此，液晶显示器画质高而且不会闪烁。 数字接口 液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单，操 作也更加方便。 体积小、重量轻 液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器件要轻得多。 功率消耗小 相比而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 IC 上，因而耗电量比其他显示器件也要小得多。 LCD的显示原理： 在 LCD显示器的上下两电极间加有液晶材料，液晶分子呈平行排列，具有旋光性，平时呈透明态，当上下电极间加上一定电压时，液晶分子转成垂直排列，失去旋光性而呈黑色。 LCD的驱动波形是很讲究的，以偏置比为 1/2的时分隔方式为例。如图 4-14所示为 欲使某一笔划亮或者不亮在段极和公共极上应该产生的波 形。 图 4-14 波形图 nts 23 一般 COM端的波形总是固定的，对动态 1/2时分隔方式， COM1和 COM2端的波形是相反的。要控制各笔划的显示与熄灭，就必须在相应电极上产生合适的波形。图 波形的实现有一定困难，因为：两极公共电极的波形中有 0.25V、 5V 三种电压。由于有 2.5V 存在，不能直接用数字电路来产生，须用模拟电路再加一些硬件、软件；段码数据每周期变换 3次。若段码数据只靠软件来提供，而三次变换都要在中断子程序里进行，软件就相当复杂了，加上 LCD驱 动波形频率在 160Hz左右，中断服务子程序过长，运行主程序很短，以至于根本无法工作。为解决上述问题。我们对 LCD显示的硬件和软件进行了一些设计，取得了良好的效果。 LCD 显示分为笔段型、点阵字符型、点阵图形型。本设计采用 5 7 点阵字符型LCD。 8255A与显示器接口电路如图 4-15所示 图 4-15 8255A与显示器接口电路 4.8 过零检测电路 20 29 4.8.1 调功原理 调功方式是在固定的控制周期时间（ 简称为调功周期） 2T 内 ,改变加在电热负载上交流电压周波的个数来调节电热负载的发热量 ,此时电热负载上电压 UL波形，如图4-16所示（ U 为交流电源电压波形）。 nts 24 图 4-16 电源电压与负载电压的波形图 设电热负载的额定功率为LeP，交流电频率为 f ，则每秒钟交流周波数为 f ，设每一调功周期时间 2T 交流周波数为 N （假定 2T 内有整数个交流周波数），实际导通周波数为 n ，不导通周波数为（ N -n ），则在每个调功周期内，负载得到的平均功率 LP与导通周波数 n 成正比，即： LeL PNnP 式中LeP为常数，当 2T 一定时， N亦为常数，改变 n（ Nn 0 ），电热负载上的功率得以线性调节。当 n=0时，停止加热；当 n=N时，负载得到全功率，全速加热。 4.8.2 过零检测电路 过零检测电路如图 4-17所示， GD1、 GD2 为光电耦合器，起检零和隔离作用，10R为限流电 阻。在交流正半周， GD1导通， GD2 截止， AV 为低电平；在交流负半周， GD1截止， GD2导通， AV 为低电平。只有在交流过零点时， GD1和 GD2均截止， AV 为高电平。 AV 波形如图 4-18所示。 AV 在经过 74LS123 单稳态电路整形，去掉毛刺，得到一过零脉冲序列 BV ，再和 8255A 的 PC3 口的高低电平进行与非运算后得到的控制信号来控制执行机构从而来控制坩埚炉加热。 8255A 与过零检测电路的接口电路如图 4-19 图 4-17 过零检测电路 nts 25 图 4-18 AV 和 BV 的波形图 图 4-19 8255A与过零检测电路的接口电路 4.9 执行机构的选择 29 18 19 23 4.9.1 固态继电器的选择 本设计中采用的是固态继电器（ SSR)是一种元触点通断功率型电子开关，又称固态开关。固态继电器的主要特点有： 输入功率小：由于其输入端是采用的光电耦合器，其驱动电流仅需几毫安便能可靠地控制，所以直接用 TTL、 HTL、 CMOS 等集成驱动电路控制。 高可靠性：由于其结构上无可动触部件，且采用全塑料密闭式封装，所以 SSR开关时无抖动和回跳现象，无机械噪声，同时能耐潮、耐振、耐腐蚀；由于无触点火花，可用在有易燃易爆介质的场合 。 低电磁噪声：交流型 SSR在采用了过零触发技术后，电路具有零电压开启、零nts 26 电流关断的特性，可使对外界和本系统的射频干扰减低到最低程度。 能承受的浪涌电流大：其数值可为 SSR 额定值的 6 10倍。 对电源电压适应能力强：交流型 SSR的负载电源可以在 30 220V范围内任选。 抗干扰能力强：由于输入与输出之间采用了光电隔离，割断了两者的电气联系，避免了输出功率负载电路对输入电路的影响。另外又在输出端附加了干扰抑制网络，有效地抑制了线路中 dV/di和 di/dt的影响。 综合以上的特点，系统采用交流 -过零 -常开式固 态继电器。 4.9.2 固态继电器的应用电路 系统采用 TTL驱动，固态继电器的应用电路如图 4-20所示 图 4-20 固态继电器的应用电路 图中的 R=150， C=0.1F组成了阻容吸收支路，用以 SSR的过压保护， MR 是压敏电阻，用于感性负载时的过压保护。 4.10 系统电源 1
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