基于单片机的炉温控制系统软硬件设计毕业设计.doc

建筑大学毕业设计 论文 1 基于单片机的炉温控制系统软硬件设计基于单片机的炉温控制系统软硬件设计毕业设计毕业设计 第一章第一章 前言前言 1 第二章第二章 单片机在炉温控制中的应用单片机在炉温控制中的应用 2 2 1 单片机与炉温控制系统 2 2 1 1 单片机在温度控制系统的应用 2 2 2 单片机的概述 3 2 2 1 单片机的概念 3 2 2 2 单片机的发展 5 2 3 1 炉温控制的发展现状与方向 7 2 3 2 炉温控制技术发展趋势 7 第三章第三章 炉温控制系统软硬件总体方案炉温控制系统软硬件总体方案 9 3 1 单片机控制系统设计步骤 9 3 1 1 系统总体设计 9 3 1 2 硬件设计 10 3 1 3 软件设计 11 3 1 4 软件与硬件的调试 11 3 2 单片机炉温控制系统总体设计 11 3 2 1 确定控制任务 11 3 3 软件程序总体流程图 13 第四章第四章 微处理器的选用及原理微处理器的选用及原理 14 4 1 单片机的介绍 14 4 1 1 单片机控制系统的概念 14 4 1 2 MCS 51 单片机 14 4 1 3 MCS 51 单片机引脚 18 4 2 复位及其复位电路 20 4 2 1 复位操作 20 4 2 2 复位电路 21 4 3 单片机炉温控制系统主机系统的设计 22 建筑大学毕业设计 论文 2 第五章第五章 人机接口电路设计人机接口电路设计 23 5 1 LED 显示电路设计 23 5 1 1 LED 数码显示管 23 5 1 2 LED 数码显示方式 25 5 1 3 显示管与单片机的接口设计 26 5 2 温度设定电路设计 28 5 2 1 拨码盘 28 5 3 打印机及接口设计 30 5 4 故障报警接口设计 31 5 4 1 蜂鸣器 31 第六章第六章 模拟量输入通道模拟量输入通道 AIAI 及接口设计及接口设计 34 6 1 模拟量输入通道简介 34 6 1 1 模拟量输入通道的构成特点 34 6 1 2 模拟量输入通道的组成 35 6 2 模拟量输入通道的设计 35 6 2 1 模拟量输入通道设计中应考虑的问题 35 6 2 2 模拟量输入通道硬件设计 36 6 3 器件的选择 37 6 3 1 传感器的选择 37 6 3 2 放大器的选择 37 6 3 3 多路模拟开关的选择 39 第七章第七章 开关量输出通道及接口设计开关量输出通道及接口设计 45 7 1 开关量输出通道简介 45 7 1 1 开关量输出通道的传递特点 45 7 1 2 开关量输出通道的结构 45 7 2 开关量输出通道的设计 46 7 2 1 开关量输出通道设计中应考虑的问题 46 7 2 2 开关量输出通道硬件设计 47 建筑大学毕业设计 论文 3 7 3 器件的选择 48 7 3 1 光电隔离器的选择 48 7 3 2 双向可控硅 49 第八章第八章 单片机炉温单片机炉温 PIDPID 控制系统软件程序设计控制系统软件程序设计 51 8 1 软件控制决策与总体方案设计 51 8 2 主程序和中断服务子程序设计 52 8 2 1 主程序设计 52 8 2 2 定时器 T0 中断服务子程序 52 8 3 子程序设计 53 8 3 1 温度检测子程序 SAMP 设计 53 8 3 2 数字滤波子程序 FILTER 设计 55 8 3 3 标度变换子程序设计 56 8 3 4 温度控制子程序设计 57 8 3 5 PID 子程序设计 58 第九章第九章 技术经济分析技术经济分析 65 第十章第十章 结论结论 66 参考文参考文献献 67 致辞致辞 68 附录一 中文译文 附录二 外文资料原文 附录三 系统功能框图 附录四 系统硬件电路图 建筑大学毕业设计 论文 1 基于单片机的炉温控制系统软硬件设基于单片机的炉温控制系统软硬件设 计计 第一章第一章 前言前言 温度是工业对象中一个主要的被控参数 它是一种常见的过程变量 因为它直接 影响燃烧 化学反应 发酵 烘烤 煅烧 蒸馏 浓度 挤压成形 结晶以及空气流 动等物理和化学过程 温度控制不好就可能引起生产安全 产品质量和产量 等一系列 问题 温度控制是许多设备的重要的构成部分 它的功能是将温度控制在所需要的温 度范围内 以利于进行工件的加工与处理 不论是在生活中还是在工业生产过程中 温度的变化对生活 生产的某些细节环节都会造成不同程度的影响 所以适时地对温 度进行控制具有重要的意义 而对于现代工业中不同生产情况和工艺要求 所采用的加热方式 燃料 控制方 案等也不尽相同 如冶金 机械 食品 化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热 炉 热处理炉 反应炉等 燃料有煤气 天然气 油 电等 控制方案有直接数字控 制 DDC 推断控制 预测控制 模糊控制 Fuzzy 专家控制 Expert Control 鲁棒控 制 Robust Control 推理控制等 一直以来 人们采用了各种方法来进行温度控制 都没有取得很好的控制效果 起先由于电阻炉的发热体为电阻丝 传统方法大多采用仪表测量温度 并通过控制交 流接触器的通断时间比例来控制加热功率 由于模拟仪表本身的测量精度差 加上交 流接触器的寿命短 通断比例低 故温度控制精度低 且无法实现按程序设定的升温 曲线升温和故障自诊断功能 因此要对传统的温度控制方法进行改造 如今 随着以 微机为核心的温度控制技术不断发展 用微机取代常规控制已成必然 因为它确保了 生产过程的正常进行 提高了产品的数量与质量 减轻了工人的劳动强度以及节约了 能源 并且能够使加热对象的温度按照某种指定规律变化 而且微型计算机在智能温 度测量和控制电器中的控制作用是一种智能行为 所以 它在能量消耗上是比较少的 和普通仪表温度测量相比 智能温度测量与控制电器是一种节能电器 这不但对用 户来说具有很大的意义 而且对整个社会来说都是有重大意义的 1 建筑大学毕业设计 论文 2 本设计通过对单片机炉温控制系统的设计来提高劳动生产率 降低劳动强度 同 时通过本设计来全面检验大学期间所学的专业知识 提高分析问题 解决问题及理论 联系实际的能力 第二章第二章 单片机在炉温控制中的应用单片机在炉温控制中的应用 2 12 1 单片机与炉温控制系统单片机与炉温控制系统 2 1 12 1 1 单片机在温度控制系统的应用单片机在温度控制系统的应用 单片机具有集成度高 运算快速快 体积小 运行可靠 价值低廉 因此在过程 控制 数据采集 机电一体化 智能化仪表 家用电器以及网络技术等方面得到广泛 应用 本文主要介绍单片机在炉温控制中的应用 在工业生产中 有很多行业有大量的加热设备 如用于热处理的加热炉 用于熔 化金属的坩埚炉 以及各种不同用途的加热炉 反应炉 这样温度就成为了工业对象 中一种重要的被测控对象 但是由于炉子的种类 用途不同 因此 采用的加热方法 及燃料也就不同 如煤气 天然气 油 电等 但究其控制系统本身的动态特性而言 基本上都是一阶纯滞后环节 实践证明 用于工业生产中的炉温控制的微机控制系统具有高精度 功能强 经 济性好的特点 无论在提高产品质量还是产品数量 节约能源 还是改善劳动条件等 方面都显示出无比的优越性 2 1 22 1 2 单片机在本设计中的应用单片机在本设计中的应用 在工业生产过程中 温度是最基本的工艺参数之一 因此对温度实现自动控制是 生产自动化的重要任务之 本系统以 MCS 51 单片机为核心构成一个智能炉温控制系统 具有对电炉温度的 定时检测 实时控制和调节 参数显示和打印 存储必要的信息等功能 通过操作键 盘 可在线修该给定值和控制参数 并进行手动 自动的切换 本系统主要由单片机应用系统主机板 温度检测与信号放大模块 数字控制与同 步触发模块 晶闸管主电路及电气控制等部分组成 单片机应用系统主机板采用模块 式结构 功口线和各信号设计成总线形式 应用系统的各部分 如 模块 链显 模块 存储器模块 微型打印机接口 报警指示等 都通过总线插座方便地与单片机 接口 同时还配有多个接口 插口 方便用户维护 维修和进一步开发应用 系统运 建筑大学毕业设计 论文 3 行时 其给定值从键盘输入 由微机构成的数字控制器采用模糊控制算法 进行调节 运算 控制效果较好 Dcdt 控制器 可控硅输 出部分 电加热炉 温度变松器温度检测部件 设定值 C u I 图 2 1 单片机炉温控制系统结构图 2 22 2 单片机的概述单片机的概述 2 2 12 2 1 单片机的概念单片机的概念 微型计算机的出现 给人类生活带来了根本性的变化 它使现代科学研究产生了 质的飞跃 而单片机技术的出现则是给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命 它在工业控制 数控采集 智能化仪表 办公自动化等诸多领域得到了极为广泛的应 用 可以毫不夸张地说 单片机技术的开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展 的标志之一 单片微型计算机 Single Chip Micro Computer 简称单片机 它是把组成微型计算机 的各功能部件 中央处理单元 CPU 一定容量的随机存储器 RAM 和只读存储器 ROM I O 接口电路 定时器 计数器以及串行口等制作在一块芯片中的计算机 由于 单片机的硬件结构与指令系统的功能都是按工业控制要求而设计的 常用在工业检测 控制装置中 因而也称为微控制器 Micro Controller 它具有结构简单 控制功能 强 可靠性高 体积小 价格低等特点 从家用电器 智能化仪器 工业控制直到火 箭导航尖端技术领域都发挥着十分重要的作用 由于单片机在应用时通常是处于被控系统的核心地位并融入其中 即以嵌入的方式进 行使用 为了强调其 嵌入 的特点 也常常将单片机称为嵌入式微控制器 EMCU 通用单片机和专用单片机 根据控制应用的需要 可以将单片机分成为通用型和专用型两种类型 建筑大学毕业设计 论文 4 通用型单片机是一种基本芯片 它的内部资源比较丰富 性能全面且适用性强 能覆 盖多种应用需求 用户可以根据需要设计成各种不同应用功能的控制系统 即通用单 片机有一个再设计的过程 专用单片机芯片是针对一种产品或一种控制应用而专门设计的 设计时已经对系统结 构的最简化 软硬件资源利用的最优化 可靠性和成本的最佳化等方面都作了通盘的 考虑和论证 所以专用单片机具有十分明显的综合优势 例如电度表和 IC 卡读写器上 的单片机等 单片机与单片机系统 前面已经提到 单片微型计算机简称单片机 它是指把组成微型计算机的各功能 部件集成在一个芯片上构成一个完整的微型机 从而实现微型计算机的基本功能 单 片机的内部结构示意图如图 1 1 所示 图 2 2 单片机的内部结构示意图 单片机实质上是一个芯片 在实际应用中通常很难将单片机直接和受控对象进行电气 连接 必须外加各种扩展接口电路以及外部设备 单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其它电路或芯片构成的具有一定应用功能 的计算机系统 在单片机系统中 单片机处于核心地位 是构成单片机系统的硬件和 软件基础 单片机应用系统与单片机开发系统 单片机应用系统是以单片机为核心 配以输入 输出 显示 测量和控制等外围 电路和软件 能实现一种或多种功能的实用系统 单片机应用系统是为控制应用而设 计的 该系统与控制对象结合在一起使用 是单片机开发应用的成果 一个单片机的 应用系统 除了有单片机芯片以外 还有许多其它外围电路 单片机应用系统是由硬 件和软件组成的 硬件是单片机应用系统的基础 软件则是在硬件的基础上对其资源 建筑大学毕业设计 论文 5 进行合理调配和使用 从而完成应用系统所要求的任务 硬件和软件二者相互依赖 缺一不可 单片机应用系统的组成示意图如图 1 2 所示 单 片 机 D A 功率放大被控对象 对象状态检测信号放大 A D LED显示键盘 图 2 3 单片机应用系统的硬件结构 单片机开发系统是单片机应用系统开发调试的工具 主要有 逻辑分析仪 只能用于简单的单片机系统 微型计算机 用于复杂的单片机系统 在线仿真器 进行单片机应用系统的软硬件开发和 EPROM 写入 单片机的程序设计语言和软件 机器语言是用二进制代码表示的单片机指令 用机器语言构成的程序称之为目标 程序 汇编语言是用符号表示的指令 汇编语言是对机器语言的改进 是单片机最常用的程 序设计语言 注意 这两种语言均与单片机硬件关系密切 这就要求程序设计人员必须精通单片机 的硬件系统和指令系统 高级语言 编译型语言有 PL M51 C 51 C MBASIC 51 等 解释型的有 MBASIC 和 MBASIC 52 等 2 3 建筑大学毕业设计 论文 6 2 2 22 2 2 单片机的发展单片机的发展 单片机的历史及发展概况 根据单片机发展过程中各个阶段的特点 其发展历史大概可划分为以下四个阶段 第一阶段 1974 1976 单片机的初级阶段 因工艺限制 单片机采用双片 的形式 而且功能简单 第二阶段 1976 一 1978 低性能单片机阶段 以 Intel 公司制造的 MCS 48 系 列单片机为代表 第三阶段 1978 一 1982 高性能单片机阶段 这个阶段推出的单片机普遍带 有串行 I O 口 多级中断处理系统 16 位定时器 计数器 片内 ROM RAM 容量加 大 且寻址范围可达 64K 字节 有的还内置有 A D 转换器 这类单片机的代表是 Intel 公司的 MCS 51 系列 Motorola 公司的 6810 和 Zilog 公司的 Z8 等 第四阶段 1982 一现在 8 位单片机的巩固发展以及 16 位单片机 32 位单片 机推出阶段 此阶段的主要特征是一方面发展 16 位单片机 32 位单片机及专用型单片 机 另一方面不断完善高档 8 位单片机 改善其结构 以满足不同用户的需要 16 位 单片机的典型产品如 Intel 公司生产的 MCS 96 系列单片机 而 32 位单片机除了具有更 高的集成度外 其振荡频率已达 20MHz 或更高 这使 32 位单片机的数据处理速度比 16 位单片机快许多 性能同 8 位 16 位单片机相比 具有更大的优越性 计算机厂家已投放市场的产品就有 70 多个系列 500 多个品种 单片机的产品已占整 个微机 包括一般的微处理器 产品的 80 以上 其中 8 位单片机的产量又占整个单 片机的产量的 60 以上 因此可以看出 8 位单片机在最近若干年里 在工业检测 控制应用上将继续占有一定的市场份额 单片机的特点及应用领域 由于单片机是把微型计算机主要部件都集成在一块芯片上 即一块芯片就是一个微型 计算机 因此 单片机具有以下特点 小巧灵活 成本低 易于产品化 能组装成各种智能式测控设备及智能仪器仪 表 可靠性好 应用范围广 单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的 抗干 扰性强 能适应各种恶劣的环境 这是其他机种无法比拟的 建筑大学毕业设计 论文 7 易扩展 控制功能强 很容易构成各种规模的应用系统 单片机的逻辑控制 功能很强 指令系统有各种控制功能指令 可以对逻辑功能比较复杂的系统进行控制 系统内无监控或系统管理程序 单片机系统内部一般无监控或系统管理程序 只有用户设计 调试好的应用程序 单片机的应用领域很广泛 主要包括以下几个方面 工业方面 各种测控系统 数据采集系统 工业机器人 智能化仪器 机 电 一体化产品 智能仪器仪表方面 通讯方面 调制解调器 程控交换技术等 消费产品方面 电动玩具 录像机 激光唱机等 导弹与控制方面 导弹控制 鱼雷制导控制 智能武器装备 飞机导航系统等 计算机外部设备及电器方面 打印机 硬盘驱动器 彩色与黑白复印机 磁带 机等 多机分布式系统 可用单片机构成分布式测控系统 它使单片机应用进入了一 个全新的阶段 单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益 更重要的意义在 于 单片机的应用从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法 以前采用电 路实现的大部分控制功能 正在用单片机通过软件方法来实现 这种以软件取代硬件 并能提高系统性能的控制技术称为微控制技术 随着单片机应用的推广 微控制技术 将不断发展完善 5 2 3 12 3 1 炉温控制的发展现状与方向炉温控制的发展现状与方向 国外从 20 世纪 70 年代 我国从 80 年代开始对加热炉生产过程进行计算机控制技 术的研究 随着检测设备 仪表 计算机水平的提高 90 年代我国轧钢企业配置计算 机控制的连续加热炉逐渐增多 并进行了不同程度的控制 由于各自的控制内容和使 用情况不同 所得到的效果也不尽相同 目前国内在控制理论和关键技术方面的开发 与国外先进国家相比差距不是很大 但在真正的应用上与欧美 日本 前苏联等冶金 技术较先进国家相比差距较大 从 20 世纪 90 年代末国内许多老企业 都对加热炉进 建筑大学毕业设计 论文 8 行了计算机燃烧控制方面的改造 计算机几乎全是选用进口的 检测设备 仪表部分 采用国产的 新上项目大部分整套设备进口 2 3 22 3 2 炉温控制技术发展趋势炉温控制技术发展趋势 炉温控制的另一条最为理想的途径是人工智能化直接监测火焰性能控制燃烧的方 法 类似人工烧钢通过观察火焰颜色判断燃烧情况 但由于加热炉炉膛很大 长 30 40m 以上 宽 5m 以上 是一个时变 分布参数非线性 大惯性延迟的控制系统 炉气 钢锭 墙壁之间的传热过程复杂且是非线性的 还有影响燃烧控制的许多不确 定因素 目前没有实用仪器来实现 近年来 随着人工智能理论的发展和实用化 以 及计算机技术的进步和检测设备 仪表性能的提高 专家系统 模糊控制等技术正在 加热炉燃烧控制上得到越来越广泛的应用 蒙特卡洛随机思想以及量子物理浮点思想 在自动控制方面也引起研究者们的高度重视 随着现代科学技术的发展 随机系统滤 波与控制理论也将被应用于炉温计算机控制中 建筑大学毕业设计 论文 9 第三章第三章 炉温控制系统软硬件总体方案炉温控制系统软硬件总体方案 3 13 1 单片机控制系统设计步骤单片机控制系统设计步骤 单片机控制系统设计的一般步骤如下 3 1 13 1 1 系统总体设计系统总体设计 确定单片机控制系统的总体方案 是系统设计中十分重要的一步 合理的总体设 计来自对于系统要求的全面分析和对于实现方法的正确选择 一般说来 系统的总体 设计步骤如下 全面分析任务对系统的要求 明确需要检测的信号 变换快慢 检测精度要求 相应的确定检测方法和检测 元件 执行机构是什么 需要输出几个怎样的控制信号 模拟量还是数字量 功率 有多大 有何特殊要求 相应的确定输入输出通道的结构 对控制的精度有何要求 应采用何种控制算法 对输出 通信等方面有何要求 相应的实现方法是什么 系统操作方式 比如如何启动和停止 如何设置参数等 系统是否有进一步扩展的需要 输入 输出通道和存储器容量是否要适当留下 余量 系统的工作环境如何 是否需要加强抗干扰设施 需要注意的是 控制系统通常都是为某种生产设备或生产过程服务的 在分析对 于系统控制的要求时 必须了解有关设备的运行性能和工艺过程 确定系统的构成类型 建筑大学毕业设计 论文 10 单片机应用系统的构成类型包括采用从元件级设计系统 利用应用板构成系统和 通过购置模块式工业控制单片机组成系统三种 确定采用何种构成是系统总体设计中 的重大决策 在进行应用系统开发的实际工作中 不一定要对系统作全面地了解分析之后才确 定系统的构成类型 而只需根据系统某些主要的要求即可确定应采用何种构成 这些 主要的要求如 是否需要屏幕显示 有怎样的打印要求 微机工作环境如何等 据此 结合单片机控制系统三种构成类型的特点 便可确定采用哪一种类型更为合理 划分硬件和软件任务 画出系统结构框图 3 1 23 1 2 硬件设计硬件设计 硬件设计的任务是根据总体设计给出的结构框图 逐一设计出每一个单元电路 最后组合起来 成为完整的硬件系统 微处理器的选择 从元件级设计控制系统 微处理器一般都选择单片机 对于工业控制系统来说 一般对于微处理器的运算精度 数据处理功能 寻址能 力和操作速度 没有很高的要求 它的要求偏重于中断系统 I O 口的数量和功能 内 部寄存器和存储器的类型 容量以及是否集成 A D 转换器件等 因此 除了某些高精 度快速系统需要采用 16 位单片机以外 对于一般控制系统来说 选择 8 位单片机均能 满足要求 存储器的配置 存储器的配置任务是确定片外存储器的类型和容量 选定存储器型号 设计扩展 电路 在硬件设计阶段 由于还没有完成软件设计 无法准确地估计所需存储器的容 量 这时可根据对控制系统的分析 凭借经验大致地估算所需存储器的容量 估算时 应留有一定的余量 输入通道设计 输入通道的设计内容是确定通道结构和元件配置 合理选择 A D 转换器和其他部 件 作为实际控制系统的完整输入通道 还包括信号的检测和转换环节 在设计输入 通道时需要统一考虑 例如 对于温度检测和控制系统 如果采用热电偶作为检测元 件 其信号需要经过放大 还有冷端补偿和查分度表的问题 这些既与输入通道的硬 件设计有关 同时还涉及到软件设计问题 建筑大学毕业设计 论文 11 输出通道设计 输出通道的设计内容也是要确定其通道结构和元件配置 并合理选择 D A 转换器 和其他部件 输出通道的特点是带有功率驱动 要根据执行机构的需要 合理的选择 驱动电路 这一部分有时也会涉及到电气设备的主电路 另外 与输入通道设计相同 输出通道设计时也要注意采取适当措施对信号进行隔离以抗干扰 外围电路设计 外围电路的设计主要包括人机交互参数设定 系统启动 停止等操作 显示部分的 设计 打印 报警 通信 硬件合成 3 1 33 1 3 软件设计软件设计 主程序和各模块程序的设计 根据确定的算法流程图 分别编写主程序和各模块程序 编程时尽量利用已有的 子程序 以减少工作量 对于程序的编写 需要说明以下几点 编程语言一般都采用汇编语言 汇编语言具有执行速度快 占用内存少的特点 适合用于实时控制系统 在程序设计过程中 完成预定的功能是最基本 最重要的任务 但同时还必须 贯彻可靠性设计的原则 例如采取必要的抗干扰措施 数字滤波 软件陷阱等 控制算法是微机控制系统程序设计中的重要内容 要根据被控制对象的特性 合理选择控制算法 以达到所要求的控制精度 对于存储器空间的使用应统一安排 对于各个程序模块 要首先画出程序算法流程图 说明其功能 以便于编写子 程序时明确各程序模块的入口 出口参数和对 CPU 内部寄存器的占用情况 对于程序中的指令应有必要的注释 以便于阅读与使用 主程序和各模块程序的设计完成后 连接成为一个完整的程序 最后对于整个 程序作详细的说明 内容包括占用内部资源情况 存储器分配情况 标志的定义以及 程序启动方法等 建筑大学毕业设计 论文 12 3 1 43 1 4 软件与硬件的调试软件与硬件的调试 在整个系统硬件设计和软件设计基本完成后 就进入系统调试阶段 系统调试通 常分为三步 即硬件调试 软件调试和综合调试 此处不再赘述 3 23 2 单片机炉温控制系统总体设计单片机炉温控制系统总体设计 3 2 13 2 1 确定控制任务确定控制任务 被控对象 两台电阻炉的温度 控制要求及任务 要求用 PID 算法控制 2 台电炉温度 使其保持恒温工作 2 台电炉温度由外电 路人工设定 要求实时显示电炉温度 显示位数为 4 位 即 C 例如 1000 C 当不能保证所要求的温度时 即发生超温 极值 和电阻丝损坏等情况时发出 报警信号 要求可实现将电阻炉温度实时打印功能 对升温和降温过程的时间不做要求 系统有进一步扩展的需要 输入 输出通道和存储器容量要适当留下余量 CPU 单片机 8031 I O 接口 电路 8255 温度设定 温度显示 故障报警 打印 A D 逻辑控制 S H 多 路 转 换 开 关 炉温1信 号 炉温2信 号 锅 炉 温 度 输出锁 存器 输出驱动器 人人机机接接口口主主机机过过程程通通道道被被控控对对象象 光电隔 离电路 信信号号放放 大大电电路路 传感 器 图 3 1 硬件系统总体结构图 建筑大学毕业设计 论文 13 3 33 3 软件程序总体流程图软件程序总体流程图 主程序 并行口初始化 串行口初始化 定时器初始化 中断系统初始化 等待定时中断 定时中断程序 30s 定时到 拨盘设定值检测 温度检测 标度变换 温度显示 温度超出范围否 中断返回 报警及事故处理 温度打印 Y N N Y 温度控制 8255A初始化 图 3 2 软件设计总体流程图 建筑大学毕业设计 论文 14 第四章第四章 微处理器的选用及原理微处理器的选用及原理 4 14 1 单片机的介绍单片机的介绍 4 1 14 1 1 单片机控制系统的概念单片机控制系统的概念 单片机控制系统由单片机系统和工业对象组成 如图 4 1 所示 单片机系统由硬 件和软件两部分组成 硬件是指单片机本身及外围设备实体 软件是指管理单片机的 程序以及过程控制的应用程序 工业对象包括被控对象 测量变送 执行机构和电器 开关等装置 工 业 对 象 输入通道 及接口 输出通道 及接口 单 片 机 外存 人机联系 设备及接口 图 4 1 单片机控制系统图 4 1 24 1 2 MCS 51MCS 51 单片机单片机 图 4 2 51 系列单片机 本设计采用 MCS 51 单片机的 8031 作为 CPU MCS 51 系列单片机有十多个品种 其性能如表所示 建筑大学毕业设计 论文 15 表 4 1 MCS 51 系列单片机性能表 ROM 形式 I O 片内 ROM 片内 EPROM 外接 EPROM 片内 ROM B 片内 RAM B 寻址 范围 B 计数器 个 并行 口 个 串 行 口 个 中断源 个 8051875180314K1282 64K2 16b4 8b15 80C5187C5180C314K1282 64K2 16b4 8b15 8052875280328K2562 64K3 16b4 8b16 80C55287C55280C5328K2562 64K3 16b6 8b215 由表 4 1 可知 8051 片内除具有 CPU 包括控制器与运算器 外 还包括 ROM RAM 4 8 位的并行口 串行口和 2 16 位定时器 计数器 它是一个功能很强的单 片微型计算机 但由于 8051 片内为掩膜 ROM 内部程序不能改写 不便于实验和开发 如在实验调试中使用 8051 需在片外扩展可改写的 EPROM 8751 具有片内 EPROM 是真正的单片机 但由于价格较贵 所以用得较少 8031 片内没有 EPROM 但它在市场上的价格很低 只需在片外扩展一片 EPROM 就 可构成 8751 所以使用非常广泛 目前使用 MCS 51 开发产品时 绝大多数用 8031 MCS 51 单片机内部结构 建筑大学毕业设计 论文 16 图 4 3 8051 单片机内部结构图 一个完整的计算机应该由运算器 控制器 存储器 ROM 及 RAM 和 I O 接口组成 一般微处理器 如 Z80 只包括运算器和控制器两部分 和一般为处理器相比 8051 增加了四个 8 位 I O 口 一个串行口 4KB ROM 128B RAM 很多工作寄存器及特殊功 能寄存器 SFR 各部分的功能简述如下 中央处理单元 CPU CPU 是单片机的核心 是计算机的控制和指挥中心 由运算器和控制器等部件组成 a 运算器 包括一个可进行 8 位算术运算和逻辑运算的单元 ALU 8 位的暂存器 1 暂存器 2 8 位的累加器 ACC 寄存器 B 和程序状态寄存器 PSW 等 ALU 可对 4 位 半字节 8 位 一字节 和 16 位 双字节 数据进行操作 能 做加减 乘 除 加 1 减 1 BCD 数十进制调整及比较等算术运算和与 或 异或 求补及循环移位等逻辑操作 ACC 累加器 ACC 经常作为一个运算数经暂存器 2 进入 ALU 的输入端 与另一个来 自暂存器 1 的运算数进行运算 运算结果又送回 ACC 除此之外 ACC 在 8051 内部经 常作为数据传送的中转站 在指令中用助记符 A 来表示 PSW 程序状态字寄存器 8 位 用于指示指令执行后的状态信息 相当于一般微 建筑大学毕业设计 论文 17 处理器的标志寄存器 PSW 中各位状态供程序查询和判别用 B 8 位寄存器 在乘 除运算时 B 寄存器用来存放一个操作数 也用来存放运 算后的一部分结果 若不做乘 除运算时 则可作为通用寄存器使用 另外 8051 片内还有一个布尔处理器 它以 PSW 中的进位标志位 CY 为其累加器 在布尔处理器及其指令中以 C 代替 CY 专门用于处理位操作 b 控制器 包括程序计算器 PC 指令寄存器 IR 指令译码器 ID 振荡器及定时 电路等 程序计数器 PC 有两个 8 位的计数器 PCH 及 PCL 组成 共 16 位 PC 实际上是程 序的字节地址计数器 PC 中的内容是将要执行的下一条指令的地址 改变 PC 的内容就 可改变程序执行的方向 PC 可对 64KB 的 ROM 程序存储器 直接寻址 也可对 8051 片 外 RAM 数据存储器 寻址 指令寄存器 IR 及指令译码器 ID 由 PC 中的内容指定 ROM 地址 取出来的指令经 指令寄存器 IR 送至指令译码器 ID 由 ID 对指令译码并送 PLA 产生一定序列的控制信 号 以执行指令所规定的操作 振荡器及定时电路 8051 单片机片内有振荡电路 只需外接石英晶体和频率微调 电容 2 个 30pF 左右 其频率范围为 1 2MHz 12MHz 该脉冲信号就作为 8051 工作的 基本节拍 即时间的最小单位 存储器 8051 片内有 ROM 程序存储器 只能读 和 RAM 数据存储器 可读可写 两类 它们有各自独立的存储地址空间 与一般微机的存储器配置方式很不相同 a 程序存储器 ROM 8051 及 8751 的片内程序存储器容量为 4KB 地址从 0000H 开始 用于存放程序和表格常数 b 数据存储器 RAM 8051 8751 8031 片内数据存储器均为 128B 地址为 00H 7FH 用于存放运算的中间结果 数据暂存以及数据缓冲等 在这 128B 的 RAM 中 有 32 个字节单元可指定为工作寄存器 这同一般微处理器 不同 8051 的片内 RAM 和工作寄存器排在一个队列里统一编址 由图 4 4 可见 8051 单片机内部还有 SP DPTR PCON IE IP 等特殊功能寄 存器 它们也同 128 字节 RAM 在一个队列里编址 地址为 80H FFH 在这 128 字节 RAM 单元中有 21 个特殊功能寄存器 SFR 这些特殊功能寄存器还包括 P0 P3 口锁存 建筑大学毕业设计 论文 18 器 I O 接口 8051 有四个 8 位并行接口 即 P0 P3 它们都是双向端口 每个端口各有 8 条 I O 线 均可输入 输出 P0 P3 口四个锁存器同 RAM 统一编址 可以把 I O 口当作一般特 殊功能寄存器来寻址 4 1 34 1 3 MCS 51MCS 51 单片机引脚单片机引脚 51 系列单片机引脚分配如图 4 5 所示 图 4 4 mcs 51 单片机引脚图 这 40 脚大致可分为 电源 VCC VSS VDD VPD 时钟 XTAL1 XTAL2 I O P0 P3 地址总线 P0 P2 数据总线 BUS 和控制总线 ALE RST 6 大部分 它们的功能简述如下 PROGPSENEA 电源线 VSS 引脚号 20 电源地线 VCC 引脚号 40 芯片的主电源 接 5V 2控制总线 ALE 引脚号 30 地址锁存有效信号 在它的下降沿用于外部程序存储器PROG 的低 8 位地址锁存 使 BUS P0 分时用作地址总线低 8 位和数据总线 此信号每机器 周期出现 2 次 只在访问外部数据存储器期间才不输出 ALE 所以在任何不使用外部数 据存储器的系统中 ALE 以 1 6 振荡频率的固定速率输出 因而它能用作外部时钟或定 时器 在 8751 片内 EPROM 编程时 此段输入编程脉冲信号 PROG 建筑大学毕业设计 论文 19 引脚号 29 外部程序存储器选择信号 并在外部程序存储器读取指令时PSEN 产生 指令内容读到数据总线上 此信号在每个机器周期产生 2 次有效 在执行内部 程序存储器取指时无效 RST VPD 引脚号 9 复位输入信号 在振荡器工作时 该引脚上 2 个机器周期的 高电平可实现复位操作 在掉电情况下 VCC 降到操作允许限度以下 VPD 将为芯片 内的 RAM 提供备用电源 VDD 引脚号 31 访问外部程序存储器控制信号输入端 当为低电平时 单EA 片机都到外部程序存储器取指 当为高电平且 PC 值小于 0FFFH 时 CPU 执行内部程序 存储器程序 在 8751 片内 EPROM 编程时 此端为 21V 编程电源 VDD 输入端 3I O 线 P0 BUS 引脚号 32 39 单片机的双向数据总线和低 8 位地址总线 在分时操 作时 先用作地址总线 在 ALE 信号的下降沿 地址被锁存 然后作为数据总线 也 可以作为双向并行 I O 口 在程序校验期间 它用于数据输出 P1 引脚号 1 8 准双向 I O 口 在编程校验期间 用于输入低 8 位地址 P2 引脚号 21 28 准双向 I O 口 在访问外部存储器时 用作高 8 位地址总线 在作编程校验时 用于输入高 8 位地址和控制信息 P3 引脚号 10 17 准双向 I O 口 P3 的每一根线还有特殊的第二功能 如表 4 2 示 表 4 2 P3 口的第二功能 引脚第二功能标记第二功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 20INT 外部中断 0 输入 P3 3 1INT外部中断 1 输入 P3 4T0 定时 计数器 0 外部输入 P3 5T1 定时 计数器 1 外部输入 P3 6WR 外部数据存储器写选通 建筑大学毕业设计 论文 20 P3 7RD 外部数据存储器读选通 振荡器和时钟电路 XTAL1 引脚号 19 内部振荡器外接晶振的一个输入端 在使用外部振荡源时 此 端必须接地 XTAL2 引脚号 18 内部振荡器外接晶振的另一个输入端 在使用外部振荡源时 此端用于输入外部振荡信号 XTAL2 也是内部时钟发生器的输入端 当访问外部程序器时 ALE 地址锁存 的输出用于锁存地址的低位字节 而访问内 部程序存储器时 ALE 端将有一个 1 6 时钟频率的正脉冲信号 这个信号可以用于识别 单片机是否工作 也可以当作一个时钟向外输出 如果单片机是 EPROM 在编程其间 将用于输入编程脉冲 当访问外部程序存储器时 此脚输出负脉冲选通信号 PC 的 16 位地址数据将出现 在 P0 和 P2 口上 外部程序存储器则把指令数据放到 P0 口上 由 CPU 读入并执行 EA Vpp程序存储器的内外部选通线 8051 和 8751 单片机 内置有 4kB 的程序存储器 当 EA 为高电平并且程序地址小于 4kB 时 读取内部程序存储器指令数据 而超过 4kB 地址则读取外部指令数据 如 EA 为低电平 则不管地址大小 一律读取外部程序存储 器指令 图 4 5 时钟电路接线图 建筑大学毕业设计 论文 21 4 24 2 复位及其复位电路复位及其复位电路 4 2 14 2 1 复位操作复位操作 复位是单片机的初始化操作 其主要功能是将程序计数器 PC 初始化为 0000H 使 单片机从 0000H 单元开始执行程序 在运行中 外界干扰等因素可使单片机的程序陷入死循环状态或跑飞 为摆脱困 境 可将单片机复位 以重新启动 复位也使单片机退出低功耗工作方式而进入正常工作状态 复位不影响片内 RAM 的内容 但对 SFR 中的一些寄存器有影响 如表 2 7 所示 表 4 3 PC 及 SFR 的复位状态 4 2 24 2 2 复位电路复位电路 RST 引脚是复位信号的输入端 高电平有效 其有效时间应持续 24 个振荡周期 即两 个机器周期 以上 RESET Vpd复位信号复用脚 当 8051 通电 时钟电路开始工作 在 RESET 引脚上出现 24 个时钟周期以上的高电平 系统即初始复位 8051 的复位方 式可以是自动复位 也可以是手动复位 见下图 此外 RESET Vpd还是一复用脚 Vcc 掉电期间 此脚可接上备用电源 以保证单片机内部 RAM 的数据不丢失 寄存器复位状态寄存器复位状态 PC0000HTH100H ACC00HP0 P3FFH PSW00HIPXX00 0000B SP07HIE0XX0 0000B DPTR0000HTMOD00H TCON00HSCON00H TL000HSBUF不定 TH000HPCON0XXX 0000B 建筑大学毕业设计 论文 22 复位操作有上电自动复位和手动按键复位两种方式 图 2 4 为具有两种复位方式的电 路 只要电源的上升时间不超过 1ms 就可以完成自动上电复位 即接通电源时就完 成了复位操作 按动键 S 可实现手动复位 复位电路如图 4 6 所示 图 4 6 复位电路接线图 4 34 3 单片机炉温控制系统主机系统的设计单片机炉温控制系统主机系统的设计 图 4 15 为主机系统电路设计图 本设计对控制精度要求不高 控制功能一般 程 序并不复杂 因此选用 8031 作为 CPU 选用 2732 4KB 作为 EPROM 74LS273 作低 8 位地址锁存器 建筑大学毕业设计 论文 23 6M HZ 20pF 20pF 22uF 1K 200 5V 5V 5V 5V Vcc 40 XTAL1 19 XTAL2 8 RESET 9 EA 31 Vss 20 PSEN 29 ALE 30 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 3 24 P2 2 23 P2 0 21 P2 1 22 8031 U1位位位 8031 A11 21 A10 19 A9 22 A8 23 A7 1 A6 2 A5 3 A4 4 A3 5 A2 6 A1 7 A0 8 O7 17 O6 16 O5 15 O4 14 O3 13 O2 11 O1 10 O0 9 OE Vpp 20 Vcc 24 CE 18 GN D 12 2732A 4K 8 U32732A 4K 8 Q7 19 Q6 16 Q5 15 Q4 12 Q3 9 Q2 6 Q1 5 Q0 2 D7 18 D6 17 D5 14 D4 13 D3 8 D2 7 D1 4 D0 3 20 11 1 10 Vcc G OE GN D 74LS 373 U274LS373 图 4 7 主机系统电路设计图 第五章第五章 人机接口电路设计人机接口电路设计 本设计中人机接口电路的设计主要包括 I O 接口扩展 拨码盘温度设定 实时温 度显示 故障报警 打印及各部分接口设计四部分 5 15 1 LEDLED 显示显示电路设计电路设计 设计系统的显示电路采用 8 位共阴 LED 静态显示方式 显示内容有温度值的十位 个位及小数点后一位 这样可以只用 P3 0 RXD 口来输出显示数据 从而节省了单片机端 口资源 在 P1 4 口和 P3 1 TXD 的控制下通过 74LS164 来实现 3 位静态显示 5 1 15 1 1 LEDLED 数码显示管数码显示管 LED 数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件 图 6 1 为 LED 数码 管的引脚图 其中七只发光二极管分别对应 a g 笔段构成 字形 另一只发光二 极管作为小数点 因此这种 LED 显示器称为七段数码管或八段数码管 VDP 建筑大学毕业设计 论文 24 A 1 f 2 g 3 e 4 d 5 A 6 c 8 DP 7 b 9 a 10 图 5 1 LED 数码管的引脚图 LED 显示器结构 基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按图 6 8 排列而成的 可实现 0 9 的显示 其具体结构有 反射罩式 条形七段式 及 单片集成式多位数字 式 等 a 反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳 将单个 LED 贴在 与反射罩的七个反射腔互相对位的印刷电路板上 每个反射腔底部的中心位置就是 LED 芯片 在装反射罩前 用压焊方法在芯片和印刷电路上相应金属条之间连好 30 m 的硅铝丝或金属引线 在反射罩内滴入环氧树脂 再把带有芯片的印刷电路 板与反射罩对位粘合 然后固化 反射罩式数码管的封装方式有空封和实封两种 实封方式采用散射剂和染料的环 氧树脂 较多地用于一位或双位器件 空封方式是在上方盖上滤波片和匀光膜 为提 高器件的可 性 必须在芯片和底板上涂以透明绝缘胶 这还可以提高光效率 这种方 式一般用于四位以上的数字显示 或符号显示 b 条形七段式数码管属于混合封装形式 它是把做好管芯的磷化镓或磷化镓圆片 划成内含一只或数只 LED 发光条 然后把同样的七条粘在日字形 可伐 框上 用压 焊工艺连好内引线 再用环氧树脂包封起来 c 单片集成式多位数字显示器是在发光材料基片上 大圆片 利用集成电路工 艺制作出大量七段数字显示图形 通过划片把合格芯片选出 对位贴在印刷电路板上 用压焊工艺引出引线 再在上面盖上 鱼眼透镜 外壳 它们适用于小型数字仪表中 d 符号管 米字管的制作方式与数码管类似 建筑大学毕业设计 论文 25 e 矩阵管 发光二极管点阵 也可采用类似于单片集成式多位数字显示器工艺方 法制作 LED 显示器分类 a 按字高分 笔画显示器字高最小有 1mm 单片集成式多位数码管字高一般在 2 3mm 其他类型笔画 显示器最高可达 12 7mm 0 5 英寸 甚至达数百 mm b 按颜色分有红 橙 黄 绿等数种 c 按结构分 有反射罩式 单条七段式及单片集成式 d 从各发光段电极连接方式分有共阳极和共阴极两种 所谓共阳方式是指笔画显示器各段发光管的阳极 即 P 区 是公共的 而阴极互相隔 离 所谓共阴方式是笔画显示器各段发光管的阴极 即 N 区 是公共的 而阳极是互相隔 离的 LED 显示器的参数 由于 LED 显示器是以 LED 为基础的 所以它的光 电特性及极限参数意义大部分与 发光二极管的相同 但由于 LED 显示器内含多个发光二极管 所以需有如下特殊参数 a 发光强度比 由于数码管各段在同样的驱动电压时 各段正向电流不相同 所以各段发光强度不同 所有段的发光强度值中最大值与最小值之比为发光强度比 比值可以在 1 5 2 3 间 最大不能超过 2 5 b 脉冲正向电流 若笔画显示器每段典型正向直流工作电流为 IF 则在脉冲下 正向电流可以远大 于 IF 脉冲占空比越小 脉冲正向电流可以越大 4 5 1 25 1 2 LEDLED 数码显示方式数码显示方式 七段数码显示器 如果数码宇航局为共阳极形式 那么它的驱动级应为集电极开路 OC 结构 如图 4 9 a 所示 如果数码管为共阴极形式 它的驱动级应为射极输出或源极输出 建筑大学毕业设计 论文 26 电路 如图 4 9 b 所示 图 5 2 例如国产 T