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电气电子毕业设计论文
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毕业设计131河北某大学毕业设计基于AT89C52的电阻炉温度控制器设计,电气电子毕业设计论文
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河 北 某 大 学 毕业设计说明书 (论文 ) 学生姓名： 学 号： 学 院： 电气信息学院 专 业： 电气工程及其自动化 题 目： 基于 AT89C52 的电阻炉温度控制器设计 指导教师： 评阅教师： 2006 年 6 月 nts毕业设计说明书（论文）中文摘要 电阻炉是热处理行业广泛应用的一种加热炉。该电阻炉的炉温范围为 01200，系统主要调节在 1000左右，精度达 5。一般加热过程中会出现温度与显示不一致的情况，导致工件加热不均匀产品质量不高的问题出现。为了克服人工干预、自动化程度不高的缺点，此设计采用以八位的单片机 AT89C52 为核心部件的控制系统，对被控对象的温度采用 PID 参数 可调的实时控制。系统应用程序由结构化模块实现，以实现温区温度上升达到设定值后进行长时间保温的目的。 关键词 单片机 电阻炉 温度控制 nts毕业设计说明书（论文）外文摘要 Title The Design of Temperature Controller for Resistance Furnace Based on AT89C52 Abstract Resistance furnace is one of heating furnaces, which are widely used in heat treatment industry. The temperature range of the resistance furnace is 0 1200 , the adjustment about 1000 , accuracy to 5。 It is general to heat the process the inside will appear the temperature and show the inconsistent circumstance ， which cause workplace to be heated up roughly ,and at the same time ,the product quality problem will appear. Because the artificial intervention automation level is not high , so automatic control system is brought to surmount the shortcoming . In the design, single chip microcomputer AT89C52 as a core control portion can help realize the inner temperature real time control, adopt PID algorithm. The applying programming of system is realized by structured modular. so as to realize temperature control achieve the temperature of two temperature areas rise synchronously and when the temperature reach setting value , it come into the long process of heat preservation. Keywords single-chip microcomputers resistance furnace temperature control nts 目 录 1 引言 1 1.1 设计背景 1 1.2 设计任务 1 1.3 硬件设计基本思路 1 2 硬件设计部分 3 2.1 硬件设计核心部分 3 2.2 模拟输入 3 2.3 A/D 转换 4 2.4 人机接口 4 2.5 执行部分 5 3 器件及接口电路的选择 6 3.1 放大器的选择 6 3.2 A/D 转换器与单片机接口 7 3.3 单片机 AT89C52 10 3.4 显示电路及接口 15 3.5 按键及其接口 18 3.6 过零触发电路 21 3.7 硬件抗干扰 22 4 软件实现 23 4.1 软件设计的总体思想 23 4.2 程序流程图 21 4.3 PID 控制方法和改进 26 结论 28 致谢 29 参考文献 30 附录 A 程序清单 31 附录 B 硬件电路图 37 nts1 引言 1.1 设计背景 随着科学技术的发展，如：传感器技术，计算机控制技术，现代控制理论以及各种电子器件等的发展，采用单片机对温度进行自动控制成为温度控制的发展方向，它能够适应生产控制的自动化要求，并且精度高，可靠性好，故障率低，便于实时控制，所以它越来越多的应用于各种温度控制系统中。并且由于常规模拟仪表、可控硅的 制造技术日臻完善，由它们组建成的 PID自动控温系统基本上已能稳定可靠地运行，控制精度一般说可达（ 5 10）。 在材料烧结、热处理等工艺过程中，温度控制是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。实验室人员根据材料的烧成制度来调节电阻炉的输出电压以实现对电阻炉的温度控制。一般的有两种方法：第一种就是手动调压法，第二种控制方法在主回路中采取双向可控硅装置。并结合一些简单的仪表，使得保温阶段能够自动，但这两种方法的升温过程都是依赖于试验者的调节，并不能精确的按照给定的升降温速度来调节。本文提出的 以参数自整定 PID控制为基础的温控系统简单、可靠，大大提高了控制质量及自动化水平，具有良好的经济效益。 1.2 设计任务 本课题是针对热处理行业的单温区电阻炉的控制系统设计的。其目的是实现对单温区电阻炉的加热过程自动控制，应用 PID控制算法，提高控制精度，减少人为因素，提高生产效率。 本设计采用热电偶为传感器，系统输入为 0V 50mV的电压信号，执行机构为固态继电器，输出信号为 4mA 20mA，采样时间为 20s，温度范围： 0 1200，显示位数 4位，不带小数点，控制精度 5。 电阻炉在国民经济的各部门有 着广泛的应用，小功率的电阻式的高温炉是矿物及金属分析、食品、药物和商品检验等各种实验室必不可少的设备。为了提高产品的质量和产量，都需要对炉温进行检测和控制。 1.3 硬件电路设计 在本系统中采用 8位的 AT89C52作为控制核心，当传感器热电偶将温度信号采集nts进来后经放大器 AD522，成为 V级电压信号进入 A/D转换器 MAX187。转换结束后， 89C52读取转换结果，将结果滤波查表后送入显示区。由 4位 LED显示测出温度，在调节温度时，由 4个按键输入所需要控制的温度并显示，然后由单片机经 PID 运算结果来控制可控硅的 通断，以调节温度。人机对话功能的强大是现代控制的一个追求方面。 采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便简单和灵活性大的特点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能大大提高产品的质量和数量。 2 硬件设计部分 nts系统原理框图如图 2.1所示 2.1 控制系统原理图 热电偶传来的带有温度信号的毫伏级电压经滤波放大，送至 A/D 转换器，这样通过采样和 A/D转换，就将所检测的炉温对应的电压信号转换成数字量送入计算机，并与给定的电压信号进行比较，计算其偏差，计算机再对偏差按一 定的规律进行运算，运算结果通过控制可控硅在控制周期内的过零触发脉冲个数，也就是控制电阻炉的平均功率的大小来达到控制温度的目的。该控制系统的硬件系统由同步过零检测电路、温度信号检测及可控硅触法电路等组成。 2.1 硬件设计核心部分 在一个控制系统中，硬件选择的优良与否直接影响着控制的精度，对硬件的深入了解也是编制程序的必要前提。 在整个测控系统中是以 8位的单片机 89C52 为核心的， 89C52是 INTER公司生产的带有 8KROM 的单片机， 8K 的 ROM 可以完全容纳的下一个控温的程序和表格。选择它就不需要在外扩 RAM和 ROM，也就不需要外加锁存器，这可以充分的减小制版的面积，减小制版的面积从另一方面来说也就是减少干扰，提高精度。 2.2 模拟输入 这里传感器选用的是热电偶，热电偶是温度测量中使用最广的传感器之一，其测量温区宽一般在 -180 +2800的温度范围内均可使用，测量的准确度和灵敏度都较高，尤其是在高温范围内，有较高的精度。选用的热电偶为镍铬 镍硅，它是 K型偶，其特点是使用温度范围宽，高温下性能稳定，热电势与温度关系近似线性，价格便宜，它是最常用的一种热电偶，短期使用温度为 1300，长期使用温度为 1000。 AT89C52 A/D转换 温度检测 热电偶 过零检测 光电耦合 可控硅触发 加热炉丝 nts经传感器转化后的测量从非电物理量转换成电信号，但往往信号幅度小，难以直接进行模数转换，因此需要对这些模拟信号进行放大处理。最初采用的放大器是传统的晶体管放大器，随着半导体微电子技术的迅速发展，集成放大器以其精度高、体积小、重量轻、互换性好等优越的性能已逐渐取代了传统的晶体管放大器。从运算放大器的角度来看，集成运算放大器是一种具有高放大倍数代深度负反馈的直接耦合放大器，其输入网络和反馈网络由线性或非线性元件组成，可对输入信号进行多种数学运算和处理。在这里我们选用的运算放大器是 AD522，它的放大倍数为 :G=1+50k8RG，这里将电压信号放大 100 倍，得出 RG 为 500。采样保持器的作用是在采样期间，其输出能跟随输入的变化而变化；而在保持状态 ,能使其输出值保持不变。但在本系统中，温度变化缓慢，采样速度较快，所以无需加采样保持器。 2.3 A/D 转换 在本系统中选用的是 MAX187。它是美国模拟器件公司生产的 12 位逐次逼近型快速的 AD 转换器。转换速度最大为 35Ls，转换精度 0.05%，是目前我国市场上应用最广泛、价格适中的 AD转换器。 MAX187片内配有三态输出缓冲电路，因而可直接与各种类型的 8 位或 16 位 微处理器连接，而无需附加逻辑接口电路，且能与 CMOS 及TTL 电平兼容。由于 MAX187 片内包含高精度的参考电压源和时钟电路，这使它在不需要任何外部电路和时钟信号的情况下完成一切 AD转换功能，应用非常方便。 2.4 人机接口 键盘输入是人工干预计算机的主要手段，键盘实质上是一组按键开关集合。通常按键开关为机械弹性开关，均利用了机械触点的合断作用。由于机械触点的弹性作用 ,一个按键开关在闭合时不会马上接通，在断开时也不会马上断开，因而在闭合及断开瞬间均伴有一连串的抖动，抖动时间一般为 5ms 10ms。为了确保 CPU对一次按键动作只确认一次，必须进行消抖，消抖可分为硬件去抖和软件去抖，在此我们选择软件去抖。在本系统中由于按键较少，所以没有选用编码键盘和矩阵式键盘，而是采用独立式按键接口设计。 显示也是系统重要组成部分之一，本系统显示用来显示测量温度和调节温度。 LED数码管采用硬件译码驱动，选用的器件为 74LS373，它可将 4位的 BCD 码译成 7段十六进制码。通常某时刻只有一个 LED的位选信号有效， 4位 LED的段选信号端同时由nts74LS373得到相同的端选信号，均得到来自 74LS373的字形码，但此刻只有第一位选通，所以也 只有第一位 LED显示字形，由于是动态连续显示眼睛分辨不出转换的时间。 2.5 执行部分 moc3061 是双向可控硅输出型的光电耦合器，其作用是隔离单片机系统和触发大功率双向可控硅 KS， moc3061是一种内部带过零触发的器件。单片机输出低电平时，moc3061的输入端有约 16mA的电流输入，在其输出端 4、 6脚之间稍稍过零时， moc4061内部的过零检测电路触发其内部双向可控硅导通，再由 moc3061内部的双向可控硅提供更大的电流去触发大功率可控硅 KS。从而使加热炉丝导通，使其加热。 3 器件及接口电路的选择 3.1 放大器的选择 运算放大器只是在信号源为单纯有效信号，而没有干扰的情况下方可用于小信号nts放大。然而，传感器的工作环境往往是比较复杂和恶劣的，在传感器的两个输出端经常产生较大的干扰信号，完全相同的干扰信号，称为共模干扰。虽然运算放大器对共模信号有较大的抑制能力，但实际上共模信号不都是直接加到运算放大器的差动输入端 +IN和 -IN，其中一路干扰信号直接加到 -IN，而另一路干扰信号则要经输入电阻加到 +IN输入端。因此对来自信号源的共模干扰信号不能起到有效的抑制作用。为了克服运算放大器 的缺点，采用了对一般的电压信号原有较高的噪音抑制能力的放大器即测量放大器。它具有较高输入阻抗、低输出阻抗，减弱共模干扰，低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点。 测量放大器由一组放大器组成。测量放大器的差动输入端（ +IN 和 -IN），分别是两个运算放大器的同相输入端，因此输入阻抗很高，由于采用对称结构且信号直接加到输入端，因此有很高的抑制共模干扰能力。测量放大器的运算放大器和连接薄膜电阻均在单一基片上生成，同时还采取了其他一些先进工艺措施，使得整个放大器的温度漂移系数很低，放大倍数很稳定，可达到 1000。 测 量放大器的技术指标及其应用： a) 非线性度：非线性度是放大器增益的函数，增益越大，偏差也越大，在检测系统中，测量放大器的输出往往是 A/D 转换器的输入。因此放大器的非线性度应满足 A/D 转换精度的要求。当测量放大器与 12位 A/D转换器连接使用时应选用非线性度小于 0.024%的测量放大器。 b) 温漂：温漂也是增益的函数，增益越大温漂越小。系统往往根据所要求的 A/D精度，因此对测量放大器的温漂要求应根据 A/D转换精度来选择。 c) 建立时间：从阶跃信号输入驱动瞬间起至放大器输出电压达到稳定时所需要的时间。 d) 恢复时间：放大器除去输 入驱动信号瞬间起到放大器由输入状态恢复到原始状态所经历的时间。显然，放大器的建立时间和恢复时间将直接影响数据采集系统的采样速度。 e) 电源引起的失调电压：指电源电压每变化 1%，导致放大器的漂移电压值。测量放大器的电源失调一般是设计系统稳压电源的主要依据之一。 在此设计中采用测量放大器 AD522。 AD522 是单片集成精密测量放大器，可以用于恶劣的条件下进行高精度数据采集的系统。它具有高的线性度，在 G=100时非线性nts度仅为 0.005%，且共模抑制比高、低温漂、低噪声，在许多 12位 A/D 转换电路中应用。 放大倍数 : GN REEG 20 01201 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 9- J u n - 2 0 06 S he e t o f F i l e : F : 毕业设计 飙 杨飙设计 y a n g bi a o .d db D r a w n B y:V+8V-5+1-3712911A D 5 22热电偶M A X 1 87图 3.1 测量放大器电路 温度由热电偶进行检测后，产生 0V 50mV 的电压信号，热电偶输出的直流电压信号幅值较小，不适合直接进入 A/D转换器，需要先进行放大。进行信号放大一百倍后变成 0V 5V的直流电压模拟信号。将模拟信号送入 MAX187进行 A/D 转换。 3.2 A/D 转换器与单片机接口 3.2.1 A/D 转换器（ Analog to Digital Converter） A/D 转换器是一种用来将连续的模拟信号转换成适合于数字处理的二进制数的器件，其 原理框图如图 3.2所示。 nts 由图 3.2 中可以看出， A/D 转换器的输入有两种：模拟输入信号inV和参考电压refV；其输出是一组二进制数。可以认为， A/D 转换器是一个将模拟信号值编制成对应的二进制码的编码器。 常用的 A/D转换器有：双积分式、逐位比较式及并行直接比较式等几种。 通过 A/D转换器上模拟量转换成数字量后，以便让单片机接收，实现数据采集。A/D 转换器将模 拟量转换成数字量的函数关系可表示为 :D V x/V r，这里 D 是数字量信号， V x是输入的模拟电压， V r是基准电压。恒等号表示 D 接近比值 Vx/Vr， D 与比值之差为量化误差。好的 A/D转换器的精度主要取决于量化误差，等于 LSB21。 A/D转换器的结果不仅在时间上离散的，而且在数值上也是离散的，可见 A/D转换器 的精度取决于数值量化的位数和采样速度，而采样速度又主要由 A/D转换器的速度决定。量化的位数越多，分辨率越高，即 LSB 所能区分的模拟量的最小变化量越小。因此选择 A/D转换器时，首先应注意选择合适的位数和转化速度，保证其量化位数决定的分辨率高于微机化仪器仪表的整机精度要求。 选择 A/D转换器速度指标时，应联系所采集的变量信号的性质来决定，信号中所含最高频率越高，采样频率越高，要求所选 A/D转换器的时间应越短。 A/D转换器由模拟电路和数字电路组成，除了量化误差外，它还存在由于元器件不精密，受外界因素影响而变化 等所带来的转换误差，包括线性误差温度漂移误差。 模拟输入 inVA/D 数字输出 转换器 0DnD参考电压 refV图 3.2 A/D转换器原理框图 nts3.2.2 A/D 转换器 MAX187 MAX187 是一个具有 SPI 总线的 12 位模 /数转换器，其内部集成了大带宽跟踪、保持电路和串行接口。 MAX187的特点： 1) 12位分辨率； 2) 8通道单端或 4通道差分输入，输入极性可用软件设置； 3) 单 -5V或 5V 工作电压，工作电流 1.5mA，关断电流 2 A； 4) 内部跟踪 /保持电路， 75ksps采样速率； 5) 内部 4.096V 基准电压，与 SPI、 QSPI 兼容； 6) 1/2LSB整体非线性度。 各引脚的功能如下： VDD：电源电压， +5V。 VCC：模拟输入，输入范围为 0VVref。 SHDN：有三级输入。若 SHDN 拉到低电平，表示芯片处于低功耗状态，此时的电源电流为 10 A ；若 SHDN 拉到高电平，允许使用内部的参考电源；若 SHDN处于悬浮状态，则禁止内部参考电源，允许使用外部的参考电源。 Vref ：参考电压端。当允许内部参考源时，输出 4.096V的电压；当禁止内部参考源时，可输入 2.5VVDD 范围的精密电压，作参考电压。若采用内部参考电源，退耦电容为 4.7 F；若加上的是外部内部参考源，还需增加 0.1 F 的退耦电 容。 GND：模拟地及数字地。 DOUT：串行数据输出。在 SCLK的下降沿，数据改变状态。 SCLK：串行时钟输入，时钟输入速率为 5MHZ。 CS：片选端，输入，低电平有效。在 CS 的下降沿，初始化转换。当为高时， DOUT线为高阻态。 MAX187 使用采样 /保持器（ T/H）和逐位逼近寄存器（ SAR）电路将一个模拟输入信号转换成一个 12 位的数字输出。采样 /保持器（ T/H）无需外部的保持电容。 MAX187 的输入信号在 0VVref 范围内，转换时间包括 T/H 的采样时间在内的 10 s。 转换器有两种工作方式：正常方 式和暂停方式。将 SHDN 拉成低电平，器件处于暂停状态，电源电流减至 10 A；当 SHDN 拉成高电平或不接，器件将进入正常工作nts方式。 CS的下降沿将初始化转换。转换结果是在 DOUT端以单极性串行格式输出。转换结束（ EOC）为高电平，跟着是串行数据流（ MSB在先）。 CS为有效时 ,在时钟 SCLK的每一个上升沿把一个最高位为“ 1”的控制字节的各位送入移位寄存器，控制器收到控制字节后，选择控制字中给定的模拟通道并在 SCLK的下降沿启动转换。其控制字节的格式如表 1 所示。在启动转换后 MAX187 可使用外部串行时钟或 内部时钟来完成逐次逼近转换。在两种时钟方式时，数据的移入 /输出都由外部时钟来完成。在外部时钟方式时，外部时钟不仅移入和输出数据，而且也驱动每一步模数转换。在控制字节的最后一位之后， SSTRB有一个时钟周期的脉冲高电平，在其后的 12 个 SCLK 的每一个下降沿逐次逼近的各位并出现在 DOUT 端。变换必须在较短时间内完成，否则采样 /保持电容器上电压的降低可能导致变换结果精度的降低，如果时钟周期超过 10 s，或者由于串行时钟的中断使得变换时间超过 120 s，则要使用内部时钟方式。在内部时钟方式时， MAX187 在内部产生 它们自己的转换时钟，并允许微处理器以 10MHZ以下的任何时钟频率读回转换结果。 SSTRB 在转换开始时变为低电平，在变换完成时变为高电平。 SSTRB保持最长为 10 s 的低电平，为了得到最佳的噪声性能，在此期间 SCLK 应保持低电平。在 SSTRB 变为高电平之后的下一个时钟下降沿转换结果的最高有效位将出现在 DOUT端。 MAX187与 AT89C52 的接口如图 3.3所示 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 9- J u n - 2 0 06 S he e t o f F i l e : F : 毕业设计 飙 杨飙论文 y a n g bi a o .d db D r a w n B y:X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 3. 111P 3. 010GND20E A / V P31P 0732V C C40P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P S E N29A L E / P30P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 27288 9C 5 2D O C TCSS C L KS H D NVDDGNDV r e fA I Nm a x 1 8 7V C CA0A1A2A3A4A5A6V C CV C CA D 5 22图 3.3 MAX187与 AT89C52的接口 ntsMAX187串行接口只需三根数字线： SCLK、 CS 和 DOUT，与单片机 AT89C52的接口非常简单 。 MAX187 的输出口 DOUT 接 AT89C52 的输入口 P3.0， MAX187 的输入口 SCLK接 AT89C52的输出口 P3.1， MAX187的片选端接 AT89C52的 ALE。 3.3 单片机 AT89C52 AT89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的反复擦写的只读存储器 ROM 和 256 字节的随机存取数据存储器 RAM。器件ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准 MCS-51指令系统及 8052产品引脚兼容，片内置通用 8位中央处理器 CPU 和 Flash存储单元，功能强大。 主要性能参数：与 MCS-51产品指令和引脚完全兼容； 8k字节可重擦写 Flash闪速存储器； 1000 次擦写周期；全静态操作： 0Hz 24Hz；三级加密程序存储器； 256 8 字节内部 RAM； 32 个可编程 I/O 口线； 3 个 16 位定时 /计数器； 8 个中断源；可编程串行 UART通道；低功耗空闲和掉电模式。 AT89C52 提供以下标准功能： 8k 字节 Flash 闪速存储器。 256 字节内部 RAM， 32个 I/O口线， 3个 16 位定时 /计数器，一个 6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路 。同时， AT89C52 可降至 0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时 /记数器，串行通信口及中断系统继续工作；掉电方式保存 RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。 引脚功能说明： VCC：电源电压 GND：地 P0口：是一组 8位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址 /数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8个 TTL逻辑门电路，对端口 P0写“ 1”时，可作为高阻抗输入端用。 P1口： P1是一个带内部上拉电阻的 8位双向 I/O口， P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4个 TTL逻辑门电路。对端口写“ 1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 P2口： P2是一个带内部上拉电阻的 8位双向 I/O口， P2的输出缓冲级可驱动（吸nts收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路。对端口 P2 写“ 1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 P3口： P3口是一 个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O口。 P3口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4个 TTL逻辑门电路。对 P3口写入“ 1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的 P3口将用上拉电阻输出电流。 RST：复位输入。当振荡器工作时， RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时， ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8位字节。一般情况下， ALE仍以时钟振荡频率的 1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。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。 PSEN：程序存储允许 PSEN 输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PSEN信号。 EA/VPP：外部访问允许。欲使 CPU仅访问外部程序存储器（地址为 0000H FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位 LBI被编程，复位时内部会锁存 EA状态。 XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟 发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 3.3.1 时钟电路 89系列单片机和 51系列单片机一样，在内部有一个振荡器，可以用做 CPU的时钟源。但是， 89 系列单片机允许用作外部振荡器，外部振荡器产生的信号加到振荡信号的输入端，就可以作为单片机 CPU的时钟源。 89 系列单片机的内部振荡器电路由一个单级反向器组成。 XTAL1 为反向器的输入， XTAL2为反向器的输出可以利用它内部的振荡器产生时钟，只要在 XTAL1和 XTAL2引脚上外接一个晶体及电容组成的并联谐振电路，便构成一个完整 的振荡信号发生器。如图 3.4所示，此方式称为内部方式。 另一种使用方法如图 3.5所示，由外部时钟源提供一个时钟信号到 XTAL1端输入，nts而 XTAL2端浮空。在组成一个单片机系统时，多采用图 3.4所示的方式，这种方式的结构紧凑，成本低廉，可靠性高。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 9- J u n - 2 0 06 S he e t o f F i l e : F : 毕业设计 飙 杨飙设计 y a n g bi a o .d db D r a w n B y:1 2M H z11224 7p F4 7p FX T A L 2X T A L 1GNDNC外部振荡信号输入X T A L 2X T A L 1GND图 3.4 内部振荡电路 图 3.5 外部振荡电路 振荡器的等效电路如图 3.4的上部所示。在图中给出了外接元件，即外接晶体及电容 C1， C2，并组成并联谐振电路在电路中，对电容 C1和 C2的值要求不 是很严格，如使用高质的晶振，则不管频率为多少， C1， C2 通常都选择 30pF。有时，在某些应用场合为了降低成本，晶体振荡器用陶瓷振荡器代替，则电容 C1， C2 的值取 47pf。 我选用内部振荡电路，电容 C1， C2的值取 47pf。 3.3.2 复位电路 89C52单片机与其他微处理器一样，在启动时都需要复位。使 CPU 及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始工作。 89C52单片机的复位信号是从 RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常的工作状态时，且振荡器稳定后，如 RST引脚上有一个 高电平并维持 2个机器周期（ 24个振荡周期），则 CPU就可以响应并将系统复位。因外部的复位信号与内部时钟异步的，所以在每个机器周期的S5P2 都对 RST 引脚上的状态采样。当在 RST 端采样到“ 1”信号且该信号维持 19 个振荡周期以后，将 ALE 和 PSEN 接成高电平，使器件复位，在 RST 端电压变低后，经1个 2个机器周期后退出。 PSEN引脚拉成低电平，则会引起芯片进入不定状态。 1） 手动复位 手动复位需要人为在复位输入端 RST上加高电平。一般采用的办法是在 RST端和nts正电源 VCC之间接一个按钮，当人为按下按钮时，则 VCC的 +5V电平就会直接加到 RST端。由于人的动作很快也会使按钮保持接通打数十毫秒。所以，保证能满足复位的时间要求。 2） 上电复位 AT89C52 的上电复位电路，只要在 RST复位输入引脚上接一电容至 VCC端，下接一个电阻到地即可。对于 CMOS 型单片机，由于在 RST 端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减到 1 F。 上电复位的过程是在加电时，复位电路通过电容加给 RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着 VCC对电容的充电过程而逐渐回落，即 RST端的高电平持续时间取决于电容 的充电时间。为了保证系统能够可靠的复位， RST端的高电平信号必须持续足够长的时间。 上电时， VCC的上升时间约为 10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如果晶振频率为 10MHZ，起振时间约为 1ms，如晶振频率为 1MHZ，起振时间为 10ms。 在上电复位电路中，当 VCC 掉电时，必然会使 RST 端电压迅速下降到 0V 以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态。复位后，系统将端口置为“ 1”状态。 如果系统在上电时得不到有效的复位，则在 程序计数器 PC 中将得不到一个合适的初值。因此。 CPU 可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 5- J u n - 2 0 06 S he e t o f F i l e : F : 毕业设计 飙 设计 y a n g bi a o .d db D r a w n B y:R18 .2 KR21 0u FV C CR E S E T图 3.6 复位电路 综合上电复位和手动复位，把二者结合起来。一上电即复位，进行单片机初始化nts操作。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时，为了摆脱困境，按键复位可以重新启动单片机。 3.4 显示电路及接口 测得温度值在单片机中经过处理后，还要进行信息显示。显示器件大多采用 LED或 LCD。对 LED和 LCD 器件来说，它们的接口方法是不同的。因为 LED 一般所需的电流较大，而显示器件很多是 7段数字显示器。所以，显示时要求给出和显示数字对应的显示码。对于 LCD 器件来说，现在已经配置了专门的驱动电器，在进行信息显示时，往往把信息写入驱动电路的存储器中。由于存储器和 LCD显示屏是一种映射关系，故只要写入其存储器的信息适当，则可以在 LCD 中显示出对应的正确信息。 3.4.1 LCD 与 LED 的比较 a) 发光方式 LCD 本身不能发光，依靠环境光显示字符，因此在黑暗中不能显示； LED 本身能直接发光，在黑暗条件下也可显示字 符。 b) 驱动方式 LCD不能用直流驱动，必须用交流驱动电压，以防止液晶材料分解失效； LED必须用直流电压驱动，交流驱动会使显示闪烁不清。 c) 功耗 LCD的功耗比 LED要小的多，因此 LCD广泛用于要求功耗小的野外用便携式仪器仪表。 d) 动态响应 LCD是容性负载，动态响应慢，达到 ms级； LED是电阻性负载，动态响应很快，达 s 级。 e) 使用寿命 由于 LCD的液晶材料的化学、物理稳定性不高，使用寿命远不及 LED。 通过上述分析比较，选用 LED作为显示电路。 LED数码管的主要特点如下：能在低电 压，小电流（工作电流一般选用 10mA 左右 /段）条件下驱动发光，能与 CMOS，TTL电路兼容；发光响应时间极短（ 0.1 s），高频特性好，单色性好，亮度高；体积小，重量轻，抗冲击性能好；寿命长，使用寿命在 10 万小时以上，甚至可达 100nts万小时，成本低。 3.4.2 LED 数码显示器与 CPU 的接口 当 LED显示器与 CPU接口时，需要用锁存器将总线上瞬间的显示信息锁存，以驱动显示器。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 9- J u n - 2 0 06 S he e t o f F i l e : F : 毕业设计 飙 杨飙设计 B A C K U P 1 2.D D B D r a w n B y:AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD62 00D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE117 4L S 3 73A0A1A2A3A4A5A6CE8RD9WR10I O / M7A L E11P C 037P C 138P C 239V C C40P C 31P B 029P B 130P B 231P B 332P B 433P B 534P B 635P B 736P A 021P A 122P A 223P A 324P A 425P A 526P A 627P A 728AD012AD113AD214AD315AD416AD517AD618AD7198 15 5X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 3. 111P 3. 010GND20E A / V P31P 0732V C C40P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P S E N29A L E / P30P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 27288 9C 5 2A0A1A2A3A4A5A6V C C121A7 40 4122A7 40 4123A7 40 4124A7 40 4R31 0KR21 0KR11 0KR41 0KK2K1K0K3V C CabfcgdeD P Y L E D gn 1234567abcdefgD S 1abfcgdeD P Y L E D gn 1234567abcdefgD S 2abfcgdeD P Y L E D gn 1234567abcdefgD S 3abfcgdeD P Y L E D gn 1234567abcdefgD S 4A0A1A2A3A4A5A6V C C图 3.7 LED数码显示器与 CPU连接图 单片机 CPU 选用 89C52 芯片 ,74LS373 为地址锁存器。用 8155 芯片扩 展了 89C52单片机的 I/O 口， 8155 芯片管理键盘和显示电路。并行口输出进行 4 位 LED 显示，8155内部 RAM用于控制参数的存储， PA口用于发光二极管状态显示， PC口用于键盘输入。 3.4.3 数码显示器的段译码 为了在七段显示器上显示数字或字符，需要将数字或符号转换为对应的数码显示器的 LED段码，这一过程称作段译码。段译码有硬件译码和软件译码两种。 a）硬件译码 硬件译码器分 BCD 型和十六进制型，前者只能译出数字 0 9 十个段码，后者可译出数字 0 9和字符 A F16个段码，但在由通用译码芯片构成 的电路中，要显示除此之外的信息就无能为力了，这是硬件译码的最大缺点。 b）软件译码 一般在微机化仪器仪表中应用七段显示器时，除了显示数据外还希望能显示一些图 3.8 显示器与 CPU 接口 nts特别的提示符号，这样的段译码就只能采用软件译码了，软件译码的接口电路需锁存器和驱动电路即可。 3.4.4 显示器的驱动形式 点亮显示器有动态和静态两种方法。 a）静态驱动 所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止，例如 T 段显示器 a.b.c.d.e.f 导通， g 截止，显示是 0。这种显示方式每一位都需要有一个 八位输出口控制。三位显示器的接口逻辑，如果采用静态显示时，较小的电流能得到较高的亮度且字符不闪烁，所以可由 8255A的输出口直接驱动。在单片机串行口方式 0应用中，也是采用静态显示方法。当显示器位数较少时，采用静态显示的方法是合适的。当位数较多时，用静态显示所需的 I/O太多，一般采用动态显示方法。 b）动态显示驱动 当显示器位数较多时，宜采用动态显示驱动形式。动态显示的原理是利用人生理上的视觉残留现象，使各显示器轮流通电点亮，当每个显示器点亮的通电频率在 50HZ以上时，人眼就不会感到显示器的闪动了。 段寄存器尽管与多位显示器的对应段相连，但每次只有一位的段点亮，负荷较小；位寄存器则不同，在对应的位显示器点亮时，位最多会驱动八个 LED，负荷较大，所以寄存器应该扩展驱动电路。 显示器动态驱动是程序控制的， CPU将某一显示器的显示信息送入段寄存器中，同时送入位寄存器相应的位扫描数据，使对应该显示器的位输出有效，其它位则无效，此时，只有该显示器点亮并显示相应的信息，一段时间后，程序将更换段寄存器的内容和位扫描码，使下一个显示器点亮并显示相应的信息。如此周而复始地循环，只要扫描频率在 50HZ 以上， 即可获得良好的显示效果。动态显示的软件编程应注意以下问题： 1）由于动态扫描显示需要始终周期性地进行，所以建议动态显示接口的软件结构宜采用定时中断方式，否则将占用大量的 CPU资源。 2）若定时周期过长，则显示会有闪烁感，过短则显示器每次点亮的时间太短，亮度也会降低。 nts3）在软件中一般要建立显示缓冲区，以存储各显示器对应的显示内容，还要善于应用指针。 动态显示的亮度不如静态显示的，所以硬件上可适当减小限流电阻的阻值以增加显示的亮度。随着驱动显示器的增加，各显示器的点亮时间会相应减少，显示亮度必将降低，这时可采 用多组平行的动态显示方式，并且使每一组显示器的数目控制在能够保证亮度的范围内。为了改善显示效果，还应在仪表板上对应于显示器的位置，使用有色透明材料，以增加显示
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