单片机温度控制系统设计.doc

哈尔滨理工大学学士学位论文哈 尔 滨 理 工 大 学毕 业 设 计题 目：_院 系：_姓 名：_指导教师：_系 主 任：_年 月 日33单片机温度控制系统设计摘 要本论文设计了一套温度控制实验装置，同时针对系统中的各种问题进行了控制方法研究。首先给出了温度控制实验装置的结构，推导了控制对象的数学模型，并分析了控制系统的组成部分。其中第一部分为硬件设计，要由控制电路（包括8031处理器、存贮器、键盘/显示接口）、测温及报警电路、调功电路等组成。系统采用温度补偿和过零触发等技术，从硬件上保证了测温精度，为提高控制精度打下了基础。第二部分建立了被控对象的数学模型，控制率采用比较成熟的变速积分分离PID算法，并通过仿真选择了控制率的参数。利用8031单片机构成了控制器。实现了实时控制。系统控制程序则采用了模块化设计结构，主要包括主程序、中断服务子程序、控制算法子程序等。整个系统模型在计算机上进行了仿真分析，取得了良好的控制效果。第三部分叙述了模糊控制理论，在温控系统中构造了二维模糊控制器，利用查表法进行设计，并通过计算机仿真优化整定了控制器的参数，使系统具有良好的控制效果和动态稳定性。关键词：热电偶测温；8031单片机；变速积分分离PID算法；模糊控制Design of Temperature Control System with Single-chip ComputerAbstractIn this paper,an experimental system of temperature control was designed. At the same time,the control methods based on dead time of the system were studied.Firstly, the structure of experimental was presented and the mathematics model was deduced. At the same time, all of the components were analyzed. The hardware has been described in the first part of this paper. It consists of the control-circuit(included 8031 CPU,2764/2864A memory,key-board and display unit interface 8279 etc),temperature measurement and alarm circuit(included sound-light alarm,temperature measurement and A/D conversion circuit) and power control circuit etc.The technique of temperature compensation and zero-point trigging has been used in the system,and the ptecision of temperature measurement guaranteeded from hardware builds a foundadion to upgrade the precision of control.Themathematical model of the control object has been founded in the second part of this paper.The mature algorithm of variable speed integral separation PID has been adopted in control rule,and the parameter of control rule is selected by the simulation analysis in computer.The real-rime control is used to organize control unit by the 8031 Singlechip.The system control program has adopted the module program configuration.It consists of the main program,interrupt service subroutine and control algorithm subroutine etc.the simulation analysis is done for the entire system model in computer,a satisfactory control effect is obtained.In the thirdpart of this paper,the fuzzy control theory has been discussed.The 2-dimension fuzzy control unit has been constructed in this temperature control system.The method of lookup data in the list has been used in this design,and the parameter of the control unit has been made certain through computer simulation optimization,the system has a satisfactory control effect and dynamic stability.Keywords：Thermocouple Themperature measure; 8031 singlechip; Variable-integral separation PID algorithm; Fuzzy control目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 单片机发展过程及近况11.2.1 单片机发展过程11.2.2 单片机产品近况11.3 本课题系统简介21.4 本章小结2第2章 干燥箱温度控制系统的基本设计思路22.1 概述22.2 主要设计思路22.2.1 系统总体结构说明22.2.2 系统总体结构框图22.2.3 其它2第3章 测试单元与模数转换33.1 电偶传感器33.1.1 热电偶的优点33.1.2 热电偶的种类33.1.3 热电偶的使用特点33.2 热电阻温度传感器32.2.1 热电阻温度传感器32.2.2 热敏电阻温度传感器33.3 集成温度传感器33.3.1 SL134M33.3.2 SLT-143.3.3 SL61643.3.4 AD59043.4 ICL7135简介43.4.1 ICL7135的结构和引脚4第4章 系统的硬件设计44.1 8031及其外接电路44.1.1 单片机的时钟芯片44.1.2 单片机的复位电路54.2 8031管脚及其功能54.2.1 I/O端口54.2.2 8031管脚图64.3 8031系统及其扩展64.3.1 外部EPROM74.3.2 外部数据存储器的扩展74.3.3 外接8279芯片74.3.4 外接ADC080974.3.5 系统扩展时需注意的问题74.4 8031键盘与显示接口简介74.4.1 内部寄存器74.4.2 8279的引脚及其功能84.4.3 8279与键盘、显示器的接口电路94.5 A/D转换接口及原理94.5.1 A/D转换器的种类94.6 温度的检测及检测信号转换电路114.6.1 检测元件114.6.2 电阻桥路114.6.3 小信号放大电路的设计114.7 输出控制电路114.7.1 双向晶闸管114.7.2 MOC简介124.7.3 数字调功简述12第5章 系统的软件设计125.1 程序框图及说明125.1.1 框图125.1.2 主程序各点说明125.1.3 时钟中断125.1.4 键盘中断125.2 主要模块框图13结 论14致 谢15参考文献16附录117第1章 绪论1.1 课题背景干燥箱是用于工厂、企事业单位及商业部门中用来干燥、烘烤、加热干化的装置。为满足人们对其越来越高的要求，对干燥箱温度的控制指标也越来越高，要求其开温快、超调少、控制方便、灵活等。为此我们采用了单片机作为微处理器来对其进行控制。近几年来，由于超大规模集成电路的问世，微型计算机的发展也异常迅速。其中单片机是微型计算机的一个主要发展方向之一。1.2 单片机发展过程及近况1.2.1 单片机发展过程单片微型计算机简称单片机，又称为微控制器，使微型计算机的一个重要分支。单片机是20世纪70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一硅片的器件。单片机的发展十分迅速，纵观整个单片机技术发展过程，可以分为一下三个主要阶段：一、单芯片微机形成阶段1976年，Intel公司推出了MCS48系列单片机。该系列单片机早期产品在芯片内集成有：8位CPU、1K字节程序存储器（ROM）、64字节数据存储器(RAM)、27根I/O线和一个8位定时/计数器。此阶段的主要特点是：在单个芯片内完成了CPU、存储器、I/O接口、定时/计数器、中断系统、时钟等不见的集成，但存储器容量较小（不大于4K），无窜行接口，指令系统功能不强。二、性能完善提高阶段1980年，Intel公司推出MCS-51系列单片机。该单片机在芯片内集成有：8位CPU、4K字节程序存储器（ROM）、128字节数据存储器（RAM）、4个八位并行口、1个全双工窜行接口和2个16位定时/计数器。，并集成有控制功能较强的布尔处理器完成位处理功能。此阶段的主要特点是：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步入出，现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种。三、微控制器化阶段1982年，Intel公司推出MCS-96系列单片机。该单片机在芯片内集成有：16位CPU、8K字节程序存储器（ROM）、232字节数据存储器(RAM)、5个8位并行接口、1个全双工窜行接口2个16位定时/计数器。寻址范围最大为64K。片内还有8路10位ADC、1路PWM（D/A）输出及高速I/O部件等。近年来，许多半导体产商以MCS51系列单片机的8051为内核，将许多测控系统中的接口技术、可靠性技术及先进的存储器技术和工艺技术集成到单片机中，生产出多种功能强大、使用灵活的新一代80C51系列单片机。此阶段的主要特点是：片内面向测控系统的外围电路增强，使单片机可以方便灵活地应用于复杂地自动测控系统及设备。因此，“微控制器”的称谓更能反映单片机的本质。1.2.2 单片机产品近况随着微电子设计技术及计算机技术的不断发展，单片机产品和技术日新月异。单片机产品可以 归纳谓为以下两方面。一、80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成通用微型计算机计算速度的提高主要体现在CPU位数的提高（16位、32位乃至64位）、而单片机更注重的是产品的可靠性、经济性和嵌入性。所以，单片机CPU位数的提高需求并不十分迫切。而多年来的应用实践已经证明，80C51单片机产品的综合功能，从而形成了80C51的主流产品地位。近年来推出的与80C51兼容的主要产品有：ATMEL公司融入FLASH存储器技术推出的AT89系列单片机；Philips公司推出的80C51、80C552系列高性能单片机；华邦公司推出的W78C51、W77C51系列高速低价单片机；ADI公司推出的ADuC8*系列高精度ADC单片机；LG公司推出的GMS90/97系列低压高速单片机；Maxim公司推出的DS89C42高速（50MIPS）单片机；Cygnal公司推出的C8051F系列高速SOC单片机。由此可见，80C51已经成为事实上的单片机主流系列。本文采用的就是80C51系列单片机。二、非80C51结构单片机新品不断推出，给用户提供了更位广泛的选择空间在80C51及其兼容产品流行的同时，一些单片机芯片生产商也推出了一些非80C51结构的产品，影响比较大的有：Intel公司推出的MCS-96系列16位单片机；Microchip公司推出的PIC系列RISC结构单片机；TI公司推出的MSP430F系列16位低电压、低功耗单片机；ATMEL公司推出的AVR系列RISC结构单片机等。1.3 本课题系统简介本系统中，我们采用MCS51系列单片机的8031。系统上电复位后，一经输入预置量即可开始工作，直到改变预置量后继续工作或强行输入停止信号恢复到上电复位状态。在正常工作期间，能使干燥箱内温度迅速地靠近预置量并保持之。在各种扰动下能自动回复到预置量。其显示部分能显示出当前的箱内温度值，亦可从键盘输入命令显示当前预置值。1.4 本章小结本章主要论述了课题背景、单片机的发展过程及产品近况和本系统的简要介绍。第2章 干燥箱温度控制系统的基本设计思路2.1 概述在许多部门中，干燥箱是一种很长用的干燥、烘烤、加热装置。对干燥箱温度的控制指标也越来越高，要求开温快，超调少。显然，以往采用的常规仪表加热触发器的短须控制方式已难以达到现在的控制指标。然而随着文电子的发展，特别是单片机微型机的出现，对上述被控对象采用功能强、体积小，价格低的智能温度控制装置进行控制已成为现实。本系统采用MCS51系列单片机8031作为微控制器、显示器、键盘与微控制器之间的接口芯片采用可编程接口芯片8279。控制系统的温度检测元件采用热电偶。其测试信号经模拟电路（运算放大器）放大为05V的电压信号通过0809转换成数字量输入微处理器。输出采用双向晶闸管应用过零触发方式，即采用数字调功方式已达到温度控制的目的。此种过零触发方式使晶闸管输出正弦波，避免了移相出发输出非正弦而造成的电网功率因素降低产生的公害。此系统稍加修改即可用于机械行业中广泛应用的用电进行加热的设备。在软件上稍加改进即可实现一台控制器对各个设备进行群控。2.2 主要设计思路2.2.1 系统总体结构说明1.干燥箱：是本系统的控制对象，是利用电热丝加热的。箱内温度范围为0oC300oC2.热电偶：检测元件，安装在干燥箱内，将温度值转化为电量值。3.运放电路：它将热电偶输出的检测信号转化成A/D转换所需要的信号。主要是起到信号放大的功能。4.A/D转换：模/数转换。它将运放所输出的表示相应温度值的模拟信号转变成微处理器能接受的数字信号。5.微处理是整个系统得核心，它的功能有以下几点：（1）定时地发出采样信号，并存储各个采样值。（2）采样结束后，马上将采样信号进行数字滤波。从一组采样值中取得一个滤波值并进行线性化处理（3）滤波后，将滤波值转换成十进制数的摄氏温度值并显示比值。（4）根据测得的值和预置量进行PID算法，且输出控制量。（5）负责接收键盘键入的信息，并在内部进行处理。6.显示部分：由三个LED组成，用于显示当前温度值和预置值。7.键盘：用于输出命令和输入数据。8.双向晶闸管：控制干燥箱电热丝的通断，使控制系统的执行元件，其控制信号由微处理器发出2.2.2 系统总体结构框图2.2.3 其它1.由于此系统的软件并不复杂，所以滤波、PID等均由软件完成。2.该系统得控制方式采用数字调功方式，也就是通过控制干燥箱的平均功率的大小以达到控制温度的目的，采用此方法控制的好处是使晶闸管工作于过零触发方式，输出为正弦波，可避免移相触发输出非正弦而造成的对电网的公害。3.采样周期为5秒钟，每次采样9个值，滤波采用中值滤波方式。主要根据以下几点来选择。（1）因为A/D转换0809的精度为8位。控制信号的精度过高已无意义，因为5秒钟内，工频交流电共有500个过零点，已超过8位采样值的精度。（2）采样周期若是过长，对系统得灵敏度和跟随性有影响，而且影响在稳定运行时的性能。（3）每次采样时在连续采样9次，不分开在5秒钟内采样，主要因为在PID算法中只需要上个周期结束时的温度值而不需要上个周期的平均值。另外，采样中值滤波也是考虑到扰动影响可能导致个别数据的准确度，而且温度值变化电极为缓慢，在连续的9次采样时间内可以认为是毫无变化的，因而采用中值滤波，只取9个值中的中间值。若是采样平均值滤波则会把干扰造成影响计算在内，而只不过是稍微减弱而已。至于每次采样9次，是无所谓的，也可以量7次，也可以是11次。但考虑到计算机大部分时间是空闲的，而且为确保滤波后得到的有效值无误差，还是尽量多几次为好，但因为单片机的内部RAM有限，所以在实际上太多了也是行不通的。综合考虑还是一取9次为好。第3章 测试单元与模数转换3.1 电偶传感器热电偶是一种大量使用的传感器，它是利用热电势效应来工作的。3.1.1 热电偶的优点当组成热电偶的热电极的材料均匀时，其热电势的大小与热电极本身的长度和直径无关，只与热电极的成分和二端温度有关。热电偶的优点如下：（1）具有较高的精确度，因为它直接同被测对象接触；（2）测量范围广，从-50度至+1600度均可进行连续测量；（3）构造简单，使用方便，且不受大小和温度的限制。3.1.2 热电偶的种类按组成材料分：（1）廉价金属电偶：铁-康铜，铜-康铜，镍铬-考铜；（2）珍贵金属电偶：铂铑-铂，铂铑-铂铑，以及铂铑系；（3）难熔金属电偶：钨-铼，钨钼；（4）非金属热电偶：二碳化钨，石墨-炭化物。按用途和结构分：（1）普通工业电偶：直形，角形，锥形；（2）专用工业电偶：消耗式热电偶，多点式热电偶。3.1.3 热电偶的使用特点理论上任何二种导体均可配成热电偶。但因实际测温时对测量精度及使用等有一定要求，故对热电偶的电极材料也有要求。除满足上述对温度传感器的一般要求外，还应注意如下要求：在高温下材料要有稳定的物理化学性能，不容易被氧化和腐蚀变质。热电极间不容易互相渗透污染，材料的电阻系数要小，熔点要高，电导率要高，热容量要小。完全满足上述条件要求的材料很难找，故一般根据被测温度的高低，选择适当的热电偶材料。3.2 热电阻温度传感器热电阻温度传感器，是利用导体或半导体的电阻率随温度的变化而变化的原理制成的，这种现象称为热电阻效应。2.2.1 热电阻温度传感器热电阻大都由纯金属材料制成，应用最多的有铂、铜等。铂电阻的阻值与温度之间的关系接近于线性。目前，国内统一设计的一般工业用标准铂电阻，阻值用100欧姆和10欧姆两种。铂是贵电阻，所以在一些测量精度要求不高，测量范围比较小的情况下，采用铜热电阻测温度。2.2.2 热敏电阻温度传感器热敏电阻是最近几年发展起来的一种半导体新型元件，它的电阻特性与上边讲的普通热电阻不同，具有负的电阻温度系数。当温度升高时，其电阻值减小。热敏电阻温度传感器的特点是：（1）电阻温度系数绝对值大，灵敏度高，线路简单；（2）体积小、重量轻、热惯性小，适合温度和热容量小的地方；（3）本身电阻值大，不需要象热电阻那样考虑接线方式；（4）制作简单、寿命长，而且价廉；（5）非线性度大、稳定性和重现性差；3.3 集成温度传感器3.3.1 SL134M 这是一种电流型三端器件，是利用晶体管的电流密度差来工作的。该器件是利用运放作比较器，将传感器的输出电压与传感器在0度时的输出电压作比较，使比较器的输出电压正比于摄氏温度。可变电阻的选择可使输出斜率为100mV每度。当阻值较小时线性较好。3.3.2 SLT-1 这种传感器探头属电流型PTAT二端器件，它能将环境温度变化转换为与之相应的电流变化信号输出，绝对零度时输出为零。探头从室温状态置入冰水混合体中，60秒内达到零度时对应的电流值。工作电流对外电压每伏变化率小于2%。3.3.3 SL616 这是一种电压输出型四端器件，由基准电源、温度传感器、运放三部分组成，整个电路可在7V以上的电源电压范围内工作。它是利用工作在不同的电流密度的晶体管结压之差作为基本的温度敏感元件，经变换后，输出100mV/ C的温度电压信号，并经高增益运放，提供的信号的放大和阻抗变换。3.3.4 AD590 这是一种电流型二端器件，特点：（1）AD590是已作过校正的二端温度传感器，使用直流电源范围比较宽，也不需要线性补偿和零点等外围器件；（2）由于已对芯片上的薄电模电阻进行了激光修正，最终对产品又进行了各方面的试验，故器件互换性好，具有良好绝对精度；（3）线性度好，常温下基本上误差很小；（4）由于输出阻抗非常高，能很好地消除电源的变动和交流纹波对器件引起的影响；（5）电路正向电源高达+44V，反向耐压达20V，因此即使电源反接，也不容易损坏。3.4 ICL7135简介3.4.1 ICL7135的结构和引脚ICL7135为4位半双积分A/D转换器，具有精度高（精度相当于14位二进制数）价格低的优点，而且和MCS-51连接方便。各引脚功能如下：V+： 正电源输入端，电压通常取+5V。V-： 负电源输入端，电压通常取-5V。VREF： 基准电源输入端，基准电压为1V。D1-D5： BCD码数据的位驱动信号输出端。ALOG： 模拟地。 DGND： 数字地。INTOUT：积分器输出端。 REF-REF+： 外接基准电容。 INL0： 信号输入端（低端）。 INH0： 信号输入端（高端）。 CLK： 时钟输入端。工作于双极性情况下，时钟最高频率为125kHz，这时转换速度为3次每秒左右，如果输入信号为单极性的，则时钟频率可增加到1MHz，这时的转换速度为25次每秒左右。BUSY： 积分器在积分过程中（对信号的积分和反向积分）BUSY输出高电平，积分器反向积分过零后输出低 电平。POL： 极性输出端。当输入信号为正时，POL的极性输出为高电平；输入信号为负时，POL的极性输出为低电平。OVER： 过量程标志输出端。当输入信号超过转换器记数范围时，该端输出高电平。UNDER： 欠量程标志输出端。当输入信号读数小于量程的9%或更小时，该端输出高电平。STROBE：数据输出选通脉冲，宽度为时钟脉冲宽度的1/2，一次A/D转换结束后，该端输出5个负脉冲，分别选通高位到低位的BCD码数据输出，可由该信号把数据打入到并行接口中。RUN/HOLD：启动A/D转换控制端。该端接高电平时，7135为自动连续转换，每隔40002个时钟完成一次A/D转换，该端为低电平时，转换结束后保持转换结果，输入一个正脉冲后，启动7135开始另一次转换。第4章 系统的硬件设计4.1 8031及其外接电路单片机内部具有计算机所不可缺少的部分结构，如RAM，ROM（8031内部没有）,I/O口等。但是由于应用系统中有一部分功能器件不能集成到芯片，如晶振、复位电路等。另外片内RAM、ROM/EPROM极为有限，还需在偏外扩展。4.1.1 单片机的时钟芯片在测量系统中，特别是长时间无人职守的测控系统中，经常把需要记录某些具有特殊意义的数据及其出现的时间。记录及分析这些特殊意义的数据，对测控系统的性能分析及正常运行具有重要的意义。传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此只能记录数据而无法准确记录其 出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且默写测控系统可能不允许。而在系统中采用DS1302则能很好地解决这个问题。4.1.1.1 DS1302的结构及工作原理DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作电压宽达2.55.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31X8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302室DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。DS1302管脚图引脚号引脚名称功能1、Voc2主电源2、3X1，X2振荡源，外接32768Hz晶振4、GND地线5、RST复位/片选线6、I/O串行数据输入/输出端（双向）7、SCLK串行数据输入端8、Voc1后备电源DS1302引脚功能表4.1.1.2 DS1302的控制字节说明控制字节的最高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到DS1302中；位6如果为0，则表示存取日立时钟数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1只是操作单元的地址；最低有效位（位0）如为0表示要进行写操作，为1表示进行操作，控制字节总是从最低位开始输出。4.1.1.3 复位通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供了终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中置RST为低电平，则会终止此次数据传送，并且I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Voc2.5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。4.1.1.4 数据输入输出在控制指令输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时数据被写入DS1302，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0到高位7。4.1.1.5 DS1302的寄存器DS1302共有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式。此外，DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。DS1302与RAM相关的寄存器分为两类，一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为COHFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH（写）、FFH（读）。4.1.2 单片机的复位电路当给单片机的RESET引脚加一正弦脉冲时，便可完成单片机的复位。一般地说有上电复位电路和按钮复位，或者是两者的组合。如图所示：4.2 8031管脚及其功能4.2.1 I/O端口I/O端口又称为I/O接口，也叫做I/O通道或I/O通路。I/O端口是MCS51单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路，是一个过渡的集成电路，用于信息传送过程中的速度匹配和增强它的负载能力。I/O端口有串行和并行之分，串行I/O端口一辞只能传送1位二进制信息，并行I/O端口一次可以传送一组二进制信息。1.并行I/O端口8051有四个并行I/O端口，分别命名为P0，P1，P2，P3，在这四个并行I/O端口中，每个端口都有双向I/O功能。即CPU既可以从四个并行I/O端口中的任何一个输出数据，又可以从它们那里输出数据。每个I/O端口内部都有一个8位数据输出锁存器和一个8位数据输入缓冲器，四个数据输出锁存器和端口号P0、P1、P2和P3同名，皆为特殊功能寄存器SFR中的一个（图）。因此 ，CPU数据从并行I/O端口输出时可以得到锁存，数据输入时可以得到缓冲。符号物理地址名称*ACCE0H累加器*BF0HB寄存器*PSWD0H程序状态字SP81H堆栈指针DPL82H数据寄存器指针（低8位）DPH83H数据寄存器指针（高8位）*P080H通道0*P190H通道1*P2A0H通道2*P3B0H通道3*IPB8H中断优先级控制器*IEA8H中断允许控制器TMOD89H定时器方式选择*TCON88H定时器控制器*+T2CONC8H定时器2控制器TH08CH定时器0高8位TL08AH定时器0低8位TH18DH定时器1高8位TL18BH定时器1低8位+TH2CDH定时器2高8位+TL2CCH定时器2低8位+RCAP2HCBH定时器2捕捉寄存器高8位+RCAP2LCAH定时器2捕捉寄存器低8位*SCON98H串行控制器SBUF99H串行数据缓冲器PCON87H电源控制器四个并行I/O端口再结构上并不相同，因此他们在功能上差异较大。P0口和P2口内部具有一个受控制器控制的二选一选择电路，故他们除可以用作通用I/O口外，还具有特殊的功能。例如，P0口可以输出片外存储器的低8位地址码和读写数据，P2口可以输出片外存储器的高8位地址码，等等。P1口常作为通用I/O口使用，为CPU传送用户数据；P3口除可以作为通用I/O使用外，还具有第二功能。在四个并行I/O端口中，只有P0口是真正的双向I/O口，故他有较大的负载能力，最多可以推动8个LSTTL门，其余3个I/O口是准双向I/O口，只能推动4个LSTTL门。四个并行I/O端口作为通用I/O使用时，共有写端口，读端口和读引脚三种操作方式。写端口实际上就是输出数据，是把累加器A或其他寄存器中的数据传送到端口锁存器中，然后由端口自动从端口引脚线上输出。读端口不是真正的从外部输入数据，而是把端口锁存器中输出数据读到CPU的累加器A。读引脚才是真正的输入外部数据的操作，是从端口引脚线上读入外部的输入数据。端口的上述三种操作实际上是通过指令或程序来实现的。2.串行I/O端口8051有一个全双工的可编程串行I/O端口。这个串行I/O端口既可以在程序控制下把CPU的8位并行数据变成串行数据逐位从发送数据线TXD发送出去，也可以把RXD线上串行接收到的数据变成8位并行数据送给CPU，而且这种串行发送和串行接收可以单独进行，也可以同时进行。8051串行发送和串行接收利用了P3口的第二功能，即它利用P3.1引脚作为串行数据的发送线TXD和P3.0引脚作为串行数据的接收线RXD，如表所示。串行I/O口的电路结构还包括串行口控制寄存器SCON、电源及波特率选择寄存器PCON和串行数据缓冲器SBUF等，他们都属于SFR（特殊功能寄存器）。其中，PCON和SCON用于设置串行口工作方式和确定数据的发送和接收波特率，SBUF实际上由两个8位寄存器组成，一个用于存放欲发送数据，另一个用于存放接收到的数据，起着数据的缓冲作用。P3口的位第二功能注释P3.0RXD串行数据接收口P3.1TXD串行数据发送口P3.2INT0外中断0输入P3.3INT1外中断1输入P3.4T0计数器0计数输入P3.5T1计数器1计数输入P3.6WR外部RAM写选通信号P3.7RD外部RAM读选通信号4.2.2 8031管脚图4.3 8031系统及其扩展8031本身并不能满足温度控制系统的要求，故需要扩展一些芯片，已构成满足该系统的应用系统。从系统原理图可看出，在本系统中，8031的外接芯片有8279、A/D0809、EPROM2732，RAM6116等。4.3.1 外部EPROM外部EPROM采用2732，使4K*8位的程序存储器，需要地址总线12位。其中低8位由P0口提供，高8位由P2.0P2.3来提供，由于P0口还作数据总线使用，所以地址低8位通过锁存器74LS373来锁存。74LS373的控制端G接8031的ALE，在ALE的下降沿将P0口数据锁存。P2口具有锁存功能，且只作为地址总线使用，故不需加锁存器。EPROM的片选端CE直接接地，因为在本系统中，只扩展一片EPROM，故不存在选择存储器芯片的问题，只要取指令，就必须到片中取。取指令操作由8031的PSEN来控制，PSEN接2732的OE端，PSEN有效时即可取指令。因为8031片内无ROM，故EA直接接地。程序存储器的地址为0000H0FFFH，不允许有超出此范围地址的指令，若有超出的，则会将高位扔掉，而得到的将是低12位地址处的指令。4.3.2 外部数据存储器的扩展外部RAM采用6116芯片，其地址总线和数据总线的接法和EPROM基本相同。外部RAM的读写控制由RD和WR来完成，将RD和6116的OE（读允许），将WR和6116的WE相连，由MOVX指令来完成此操作。片选端CE由P2.3来选择，这样6116的地址范围为F000HF7FFH。4.3.3 外接8279芯片由于该系统应具有显示电路和键盘电路，若由8031本身来完成这些功能是较困难的，所以得考虑外扩接口芯片，外扩芯片也有好几种选择，如外扩8155和8279等。但由于该芯片外扩后除了显示和键盘功能外，无需别的工作，所以选择显示、键盘接口芯片8279时理所当然的。这样大大地简化了程序，也增强了系统的性能，也有利于系统的继续扩展。8279的数据总线直接与8031的P0口相连，用来输入键盘扫描码和输出显示字形码。8279的始终CLK接8031的ALE。8279的片选端CE接P2.7口，完成软件片选。8279的A0接口8031的P2.7，用来判断输入是命令还是数据。8279与8031的RD和WR分别相连，用来判断是读数据还是写数据。8279的中断申请信号IRQ经一与非门，接到8031的INT1中断输入口。此时8279的命令口为7FFFH，数据口为7F7FH。4.3.4 外接ADC0809ADC0809是8路8位模数转换器，转换方式采用逐渐接近法，转换速度较快，在200ms以内能完成一次转换。0809的数据总线也是与P0口相连4.3.5 系统扩展时需注意的问题1.接口间的电平转换（1）TTL电路与CMOS电路的逻辑电平，对于TTL电路这些临界值为：Vohmin=2.4V Volmax=0.4VVihmin=2.0V Vilmax=0.8V对于CMOS电路，若电源电压为+5V，其临界值为：Vohmin=4.99V Volmax=0.01VVihmin=3.5V Vilmax=1.5V（2）TTL与CMOS的电平转换：当TTL后接CMOS时，且VihVoh时在CMOS电路的输入端加一个提升电阻到+5V上，使电平提高。当输入为TTL电平的串行或并行I/O器件与CMOS电路相连接时，如CMOS电路电源不大于+5V，则需在这种器件之间接一个电平转换器，电平转换器可以使集电极开路逻辑电路，高速比较器或其它晶体管电路，同时还需配提升电阻。2.总线驱动能力及扩展电路在应用系统中，所有系统扩展的外围芯片都通过总线驱动，外围芯片工作时有一个输入电流，不工作时也有漏电流存在，因此总线只能带动一定数量的电路。地址总线的驱动器为单回路驱动，并具有三态输出功能，驱动器有一个控制端G，以控制驱动器开通或高阻状态。数据总线的驱动器为双向驱动，三态输出，并有两个控制端，控制数据传送方向。4.4 8031键盘与显示接口简介上一节以简介地介绍了8279与8031的接法，在这一节简单地介绍一下8279本身的用法及其与LED、键盘的接口。4.4.1 内部寄存器4.4.1.1 I/O控制及数据缓冲器数据缓冲器是双向缓冲器，连内、外总线，用于传送命令和数据。I/O控制线中，CS为片选，接2.7口，WR，RD分别为读写控制端，与8031的对应引脚相连。A0连8031的P0.7，用于控制读入命令还是读写数据：A0=1时，表示数据缓冲器输入为命令A0=0时，表示输入，输出数据4.4.1.2 控制与定时器用来寄存键盘和显示的工作方式，以及由CPU编程的其它操作方式，这些寄存器一旦接收并锁存送来的命令。就通过内部电路产生的信号，从而完成相应的控制功能。级计数器是一个可编程的N级计数器，N可在231之间由软件设置，以便将外界始终分频得到芯片内部所需的100KHz的内部时钟。再经内部电路分频，得到适当的键扫描频率和显示扫描频率。.4.4.1.3 回复缓冲器、键盘去抖及控制来自RL0RL7的8根回复线的回复信号，由缓冲器缓冲并锁存。当某一键被闭合时，去抖电路被置位，延时10ms再检验该键是否继续闭合，并将该键的数据送入8279内部FIFO存储器。其中D7位控制位，D6为移位标志位。D5D4D3来自扫描计数器，D2D1D0来自回复计数器。4.4.1.4 FIFO RAM是8*8位RAM其输入或读出遵循先入先出的原则。FIFO状态寄存器用来存放FIFO 工作状态，当FIFO不空时，状态逻辑产生IRQ=1信号，向CPU申请中断。4.4.1.5 显示RAM和显示地址寄存器它用来存储数据，容量为16*8位，在显示过程中，存储器的现实数据轮流从显示寄存器输出。显示寄存器的输出分A、B两组，OUTA03和OUTB03,可以单独送数，也可以组成一个8位数据，显示RAM的输出和显示扫描配合，不断从显示器中读出显示数据，同时轮流驱动被选中的显示器件，使显示器件呈现稳定的显示状态。4.4.2 8279的引脚及其功能8279采用40引脚封装，引脚排列如图所示。其引脚功能分述如下：D0D7（数据总线）：双向，三态总线，和系统数据总线相连；用于CPU与8279间的数据/命令传送。CLK系统时钟：输入线，为8279提供内部时钟的输入端。RESET（复位）：输入线，当RESET=1时，8279复位，其复位状态为：16个字符显示；编码扫描键盘双键锁定；程序时钟编程为31。CS（片选）：输入线，当CS=0时8279选中，允许CPU对其读写。否则禁止。A0（数据选择）：输入线，当A0=1时CPU写入数据为命令字，读出数据为状态字；A0=0时CPU读、写的字节均为数据。RD，WR（读、写信号）：输入线。低电平有效，来自CPU的控制信号，控制8279的读、写操作。IRQ（中断请求信号）：高电平有效。在键盘工作方式中，当FIFO/传感器RAM存有数据时，IRQ为高电平，CPU每次从RAM中读出数据后，IRQ为低电平。若RAM中仍有数据，则IRQ再次恢复为高电平。在传感器工作方式中，每当检测到传感器状态变化时，IRQ就出现高电平。SL0SL3（扫描线）：用来扫描键盘和显示器。他们可以编程设定为编码（16中取1）或译码输出（4取1）。RL0RL7（回复线）：输入线。它们是键盘矩阵式或传感器矩阵的列（或行）信号输入线。SHIFT（移位信号）：输入线。高电平有效。该输入信号是8279键盘数据的次高位（D6），通常用来扩充键开关的功能，可以用作键盘上、下挡功能键。在传感器方式和选通方式中，SHIFT无效。CNTL/STB（控制/选通）：输入线。高电平有效。在键盘工作方式时，该输入信号是键盘数据的最高位（D7），通常用来扩充键开关的控制功能，作为控制功能键使用。在选通输入方式时，该信号的上升沿时，把来自RL07的数据存入FIFO RAM中。在传感器方式下，该信号无效。SHIFT和CNTL/STB内部有上拉电阻，当它们悬空时即为高电平。OUTA0OUTA3（A组显示信号）：输出线。OUTB0OUTB3（B组显示信号）：输出线。这两组都是显示数据输出线，与多位数字显示的扫描线SL0SL3同步。两者可独立使用，也可合并使用。在合并使用时，两组首尾相接，OUTA3是最高位，OUTB0是最地位，合并后用作8位数码显示输出线。BD（显示消隐）：输出线。低电平有效。该信号在数字切换显示或使用消隐命令时，将显示消隐。4.4.3 8279命令一览表命令特征位功能特征位D7D6D5D4D3 D2D1 D00 0 00 0 0 0 0键盘/显示器工作方式左端送入8*8 双键锁定 编码扫描 0 1 1 N键轮回 译码扫描0 0 1时