温度自动控制系统.doc

本科生毕业设计（论文）摘 要孵化场的孵化温度直接影响着孵蛋率和幼雏的健康，目前孵化的温度控制还依靠人工，简单的水银温度计作为孵化温度测量的常规手段，很容易出现控温不及时，不准确。针对这个实际情况，本文设计了一套温度自动控制系统。系统设计内容包括输入通道设计、输出控制电路设计、单片机最小系统设计、软件设计和调试。输入通道采用热敏电阻传感器对孵化场温度进行三路检测，将检测结果通过多路模拟开关CD4051进行切换，把三个通路的模拟量分时接通并送入A/D转换器AD574；输出控制电路以光电耦合器MOC3041对双向可控硅（TLC336A）进行触发进而对加热器控制；单片机最小系统设计包括单片机型号选择、外部数据存储器静态RAM6264扩展、LED显示电路、键盘的接口电路、时钟电路和复位电路设计；软件有主程序、显示子程序、加热报警子程序、PID算法程序和数据采集程序等。本系统的硬件电路结构简单、系统的可靠性高，温度控制精度可达0.1。关键词：单片机；传感器；自动控制；PID算法 AbstractThe temperature of hatchery directly affects the rate of hatching and the chick health. At present the temperature being controlled depends upon man-power, taking the simple mercury thermometer as the conventional method. It is possible to appear not prompt and plate out of true to control. In view of this actual situation, this paper designs temperatures automatic control system.Content of system design include input channel design, output control circuit design, and the minimum system of single chip microcomputer circuit design, software design and debugging. The design of input channel adopts the thermistor sensor to detect the temperature of hatchery on three road, switching the result through the multichannel analog switch CD4051, and then sends the simulations of three thoroughfares into the A/D converting machine AD574. The output control circuit triggers (TLC336A) the bidirectional silicon-controlled rectifier by photoelectricity coupler MOC3041 to control the heating devices；A system design of single chip microcomputer includes a model choice, the data memory static state RAM6264 of the exterior data expands, LED display electric circuit and keyboard connection circuit, clock and reset circuit; The software design contain main program, the sub- program, of display, the sub- program of heating and warning, the program of PID algorithm, the program of data acquiring.The hardware electric circuit structure of this system is simple. The system is reliable. The temperature of accuracy can reach 0.1.Key words: Single chip microcomputer；Sensor；Automatic control；PID algorithm目 录第1章 绪 论11.1 计算机控制系统简介11.2 课题来源21.3 主要设计内容31.4 设计思路3第2章 系统硬件设计42.1 89C-51单片机简介42.2 数据存储器扩展42.3 传感器62.3.1 传感器的选择62.3.2 热敏电阻的特点62.3.3 温度检测电路设计72.4 A/D转换电路92.4.1 多路开关的选择92.4.2 AD574结构及原理112.4.3 AD574与单片机接口电路设计132.5 显示接口电路设计142.5.1 显示技术的发展及其特点142.5.2 LED显示接口设计142.6 输出控制电路设计162.6.1 输出控制电路元件简介172.6.2 输出控制电路的设计202.7 简易式键盘接口电路设计222.7.1 8255可编程并行I/O接口设计222.7.2 键盘电路及其说明232.8 复位电路252.9 时钟电路262.10 报警电路26第3章 系统软件设计283.1 主程序设计283.2 软件抗干扰设计293.3 增量式PID算法程序设计303.4 控制部分程序323.5 键盘模块323.6 显示子程序333.7 数据采集模块35第4章 结 论36参考文献37致 谢38附 录39附 录47附 录48IV第1章 绪 论1.1 计算机控制系统简介计算机控制系统由主体(包括硬件、软件与网络结构)和被控对象两大部分组成，工业生产过程中的自动控制系统因被控对象、控制算法及采用的控制器结构不同而有所区别。从常理来看，控制系统为了获得控制信号，要将被控量y与给定值r比较，得到带偏差信号e=r-y。然后，利用e直接进行控制使系统的偏差减小，直到消除偏差，使被控量接近或等于给定值。由于这种控制的控制量是控制系统的输出，被控量的变化值又反馈到控制系统的输入端，与作为系统输入量的给定值相减，所以称为闭环负反馈系统。该系统通过测量传感器对被控对象的被控量（如温度、压力、流量、成分、位移等物理量）进行测量，再由变送器将测量元件的输出信号变换成一定形式的电信号，反馈给控制器。控制器将与反馈信号对应的工程量与系统的给定值比较，控制器根据误差产生控制信号来驱动执行机构进行工作，使被控参数的值与系统给定的值相一致。该类负反馈控制是自动控制的基本形式，大多数控制系统具备这种结构。开环控制系统与闭环控制系统的区别在于它不需要被控对象的反馈信号。它的控制是直接根据给定信号去控制被控对象的工作，这种系统本质上不具备自动消除被控参数给定值的误差，控制系统中产生的误差全部反映在被控参数上，它与闭环控制系统相比，控制结构简单，但性能较差，常用在控制精度要求不高的控制装置中。自动控制系统的基本功能是信号的传递、处理和比较。这些功能是由传感器的测量变送装置、控制器和执行机构来完成的。控制器是控制系统中最重要的部分，它的质量决定了控制系统的性能和应用范围。计算机控制系统在结构上也分为开环控制系统和闭环控制系统两种。控制系统引入计算机，就可以充分利用计算机强大的计算、逻辑判断和记忆等信息处理能力。运用微处理器或微控制器的丰富指令，就能编出满足某种控制规律的程序，执行该程序就可以实现对被控参数的控制。在计算机控制系统中，计算机处理的都是数字量。因此，在这种控制系统中，需要有将模拟信号转换为数字信号的模/数转换器，以及将数字控制信号转换为模拟控制信号的数/模转换器。计算机控制系统执行控制程序的过程如下：l 实时数据采集：对于被控参数在一定的采样间隔进行测量，并将采样结果输入计算机。l 实时对采集到的被控参数进行处理后，按一定的预先规定的控制规律进行控制规律的计算，或称决策，决定当前的控制量。l 实时控制：根据实时计算结果，将控制信号送往执行机构。l 信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也介入到控制系统中。上述测量、控制、运算、管理的过程不断重复，使整个系统能够按照一定的动态品质指标进行工作，并且对被控参数或控制设备出现的异常状态及时监督并迅速做出处理。 计算机控制系统由两大部分组成：一部分为计算机输入通道，另一部分为工业生产对象。计算机控制系统硬件只要包括：微处理器或微控制器、存储器数字I/O口、A/D与D/A转换器、人机接口设备、时钟和电源等。它们通过微处理器或微控制器的地址总线和数据总线构成一个系统。1.2 课题来源在近年来，计算机及微电子技术在实际应用中已经十分广泛。在此基础上发展起来的智能仪器无论是测量的准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、应用功能等方面或在解决测试技术问题的深度及广度方面都有了巨大的发展，以一种崭新的面貌展现在人们的面前。随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在测试技术方面的广泛运用，智能仪器有了更大的发展。测试仪器的智能化已是现代仪器仪表发展的主流方向。孵化是家禽生产的重要一环，孵化率的高低直接关系到商业孵化场的经济效益，并且对雏鸡的成活率和雏鸡今后生产性能等都有重要的影响。尤其对于规模较大的孵化场来说，种蛋孵化率是获取经济效益的决定性因素之一。在养鸡业日益发展的今天，家禽企业的竞争也日趋激烈，现在的竞争除了技术的竞争之外，最重要的就是成本的竞争，想方设法提高孵化率，降低孵化成本，是增强大型孵化场竞争力的重要手段。家禽的孵化原理其实很简单，主要是提供鸡蛋到雏鸡转变所需要的条件，因此，抓好孵化过程中各个环节的管理工作，尽可能地为孵化提供最佳的条件，孵化率就能够得到保障。本设计要完成的是孵化场温度控制系统设计。1.3 主要设计内容种蛋孵化需要适宜的环境条件，其中最关键的是温度。鸡胚对温度非常敏感，温度必须控制在一个非常窄的范围内，胚胎发育的最佳温度是37.8，若温度过高，胚胎代谢过于旺盛，产生的水分和热量过多，种蛋失去的水分过多，可导致死胚增多，孵化率和健苗率降低；温度过低，胚胎发育迟缓，延长孵化时间使胚胎不能正常发育，也使孵化率和健苗率降低。孵化温度与蛋的品种、大小、保存时间以及种鸡日龄等因素有关，一般认为适宜的孵化温度是36.5-38.5。设计主要内容有多路实时检测现场温度参数电路设计，输出控制电路设计，单片机最小系统电路设计，软件设计。预期达到的目标是对小鸡孵化场温度参数进行多点检测，将检测的结果进行处理后输入单片机，将各点温度进行显示，根据运行时间，采用PID算法，输出控制信号对现场温度进行实时控制。1.4 设计思路本设计采用89C-51单片机系统来实现孵化场温度的自动控制。单片机软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统可用数码管显示现场温度，孵化场温度的上下限能用键盘设定，并可实现报警、控制等多种功能。本方案选用89C-51芯片（内部含有4KB的EEPOM），不需要向外扩展程序存储器，可使系统整体结构更为简单，控制系统结构如图1.1所示。键盘设定系统复位数据采集89C-51单片机数据显示报警系统驱动器可控硅负载图1.1 控制系统结构第2章 系统硬件设计2.1 89C-51单片机简介鉴于控制的复杂性和兼顾显示、报警、闭环控制等较高要求，本设计决定用单片机作为中心控制器。现流行的单片机有很多种，其中MCS-51系列以较高的性价比博得很多用户的青睐。所以，本系统采用美国Intel公司生产的89C-51型单片机，由于其具有集成度高、处理功能强、可靠性高、系统结构简单、价格低廉等优点并具有4K字节的程序存储器，使得它应用起来更加方便。其功能特性如下所述：l 8位CPU； l 内含4KBytes的程序存储器；l 内含256KBytes的数据存储器；l 程序存储器可外部扩展至64Kbytes；l 数据存储器可外部扩展至64Kbytes；l 一组全双工的串行口；l 两组16位计时/计数器；l 五个具有可编程为2层中断优先权的中断源；l 具有逻辑运算能力；l 32条双向且可被独立寻址的I/O；l 具有时钟振荡电路，一般工作频率为12MHz或11.0592MHz。2.2 数据存储器扩展89C-51型单片机片内有128B的RAM，在实际应用中仅靠这256B的数据存储器是远远不够的。这种情况下可利用MCS-51单片机所具有的扩展功能扩展外部数据存储器。MCS-51系列单片机最大可扩展64KB。常用的数据存储器有静态数据存储器和动态数据存储器。由于在实际应用中，需要扩展的容量不大，所以一般情况采用静态RAM。6264静态RAM扩展6264是8K8位静态随机存储器，采用CMOS工艺制造，单一+5V电源供电，额定功率200mW，典型存取时间200ns，为28线双列直插式封装，其引脚如图2.1所示,工作方式选择如表2.1所示,6264与89C51硬件连接图2.2所示。A0A12地址线I/00I/07双向数据线片选线1片选线2写允许线读允许线图2.1 6264引脚图表2.1 工作方式选择方 式D0D7H未选中（掉电）高阻L未选中（掉电）高阻HLHH输出禁止高阻HLHL读DOUTLLHH写DINLLHL写DIN图2.2 6264与89C-51硬件连接2.3 传感器传感器是检测系统中与被测对象直接发生联系的部分，是信息输入的窗口，它为检测系统提供必要的原始信息。检测系统获取信息的质量也往往是由传感器的性能一次性确定。为了能使其输出在精度要求范围之内反映被测量，传感器必须具备一定的基本特性，因为只有这样，传感器的输出才能作为其输出的量度。传感器的基本特性是指传感器的输出与输入之间的关系特性，一般分为静态特性和动态特性两类。当被测量不随时间变化或变化很慢时，可用一系列静态参数来描述和表征传感器的静态特性。当被测量随时间变化很快，可用一系列动态参数来描述和表征传感器的动态特性。2.3.1 传感器的选择热电阻传感器主要用于测量温度及与温度有关的参数,在工业生产中被广泛用于测量-200+500范围内的温度.按照热电阻的热度不同,热电阻可以分为金属热电阻和半导体热电阻两类,前者称为热电阻,后者称为热敏电阻。以热电阻或热敏电阻为主要器件制成的传感器称为热电阻传感器或热敏电阻传感器。根据本设计中所需要测量的温度范围、敏感度、精确度以及考虑其经济性，热敏电阻传感器为最合适的测温元件。由金属氧化物的粉末按照一定比例混合烧结而成的热敏电阻是近年来出现的一种新型半导体测温元件。热敏电阻的工作原理很简单,即在温度的作用下,热敏电阻的有关参数将发生变化,从而变换成电量输出。以具有负温度系数的热敏电阻为例,这类热敏电阻随着温度的上升而阻值下降,并在下降过程中把温度量的变化转换成电量的变化。热敏电阻的分类及结构热敏电阻按其对温度不同反应可分负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度系数热敏电阻（CTR）三类。这三类热敏电阻电阻率与温度 t之间的相互关系为非线性。热敏电阻可根据使用要求封装成各种形状的探头,如珠状、片状、杆状、针状及锥状等。2.3.2 热敏电阻的特点热敏电阻是温敏元件，其感温过程遵从热传递原理,用热平衡方程描述,热敏电阻是参数式敏感元件,需将敏感元件的输出信号变换为电量参数,故接口电路必须外加电源。热敏电阻具有灵敏度高、体积小、响应速度快、结构简单等优点,最大的不足是非线性高。2.3.3 温度检测电路设计热敏电阻接口变换是最佳的线性化设计，最关键问题是拟合直线的选择方法问题。选择拟合直线方法不同，设计的方法也不同，测量的精度不同。本设计采用的是热敏电阻电桥接口变换，热敏电阻电桥与运放级联电路如图2.3所示。电桥输出构成运放差输入，可获得对地为零输出电压。电桥是运放的输入信号源，考虑信号源内阻影响，可做等效变换，电路如图2.4所示。图2.3 电桥与运放级联图2.4 等效电路 （2-1） （2-2） （2-3） （2-4）输入温度050，输出电压0V到10V。为避免热敏电阻加热效应取。热敏电阻参数如表2.2。表2.2 热敏电阻参数及输出电压温度（）07.05810.0000105.97431.856204.98263.928254.54025.000304.13816.071403.45688.133502.927410.000。图2.5 传感器电路图取，输出电压值如列表，输出电压特性:输出为S形曲线；具有S形非线性误差，最大误差为+150mv。根据值画出传感器电路如图2.5所示，图中用于零点调整，用于温度调整。2.4 A/D转换电路A/D转换接口是系统数据采集前向通道的一个重要环节。数据采集是在模拟信号源中采集信号,并将之转换为数字信号送入计算机的过程。因此,完成数据采集应具备下述基本部件:模拟多路转换开关和信号调节电路,采样/保持放大器,模拟/数字(A/D)转换器,通道控制电路。前向通道中,被测物理量经传感器转换成电信号,而每一种传感器都有与之配套的接口电路, 接口电路再将这一信号转换成电压信号。多路转换开关用来完成多路模拟信号的切换,信号调节则是将微弱的模拟信号转换成能满足A/D转换器需要的电平信号。为了减少动态数据采集的孔径误差,需要加入采样/保持电路。因此,数据采集电路的设计不仅仅限于是单纯A/D转换芯片的接口设计,还必须综合考虑传感器到CPU的全过程。2.4.1 多路开关的选择在计算机测量及控制系统中,往往需要对多路或多种参数进行采集和控制。由于计算机的工作速度很快，而被测参数的变化比较慢，所以，一台计算机可供几十个回路使用。但是，计算机在某一时刻只能接受一个通道的信号，因此必须通过多路模拟开关进行切换，使各路参数分时进入计算机。此外，在模拟量输出通道中，为了实现多回路控制，需要通过多路开关将控制量分配到各条支路上。多路开关的主要用途是把多个模拟量参数分时地接通并送入A/D转换器，即完成多到一的转换；或者把经计算机处理，且由D/A转换器转换成模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路，即完成一到多的转换。前者称为多路开关，后者叫做多路分配器，或叫做反多路开关。本设计采用三路检测，需要多路开关把三个通路的模拟量分时地接通并送入A/D转换器，完成“多到一”的逐次切换；另外，它在模拟量输出通道可以将计算机从D/A转换器输出的模拟量输出到不同的外部设备，实现“一到多”的逐次切换,图2.6表示两种工作方式。 （a）选择输入方式多路开关 （b）选择输出方式多路分配器图2.6 两种工作方式CD4051是单端双相8通道多路开关，图2.7为其引脚图，表2.3为它逻辑真值表。CD4051共有16支引脚，它们是:l 三个通路选择输入端A、B、C；l 片选控制端INH；l 8个通道IN/OUT端；l 1个公共IN/OUT端；l 三个电源端、。 图2.7 CD4051引脚图表2.3 CD4051真值表输入状态接通通道INHCBACD40510000010011201023011341004510156110671117 CD4051在工作时，从引脚A、B、C输入通道号，经三-八译码器单元译码后，选通8个通道开关TG中的一个。当INH=1时，片选禁止，通道断开，禁止模拟量输入；当INH=0时，片选允许，允许模拟量输出。逻辑电平转换单元可以将CMOS电平转换为TTL电平，因此，CD4051通道选择电平范围大，315V之间均可以正常工作。当某个TG被选通时,它处于双向直通状态,既可以从公共端输出,也可以从公共端输入,即双向选通。2.4.2 AD574结构及原理AD574是美国模拟器件公司（Analog Devices）生产的12位逐次逼近型快速A/D转换器，其转换速度为35s，转换误差+0.05，是目前我国广泛应用、价格适中的A/D转换器，其内部有三态输出缓冲电路，可直接与各种微处理器连接，且无须加逻辑接口电路，便能与CMOS及TTL电平兼容。内部配置高精度参考电压源和时钟电路，使它不需任何外部电路和时钟信号，就能完成A/D转换，应用非常方便。AD574由两部分组成，一部分是模拟芯片，另一部分数字芯片，其中模拟部分由高性能的12位D/A转换器AD565和参考电压组成。数字部分由控制逻辑电路，逐次逼近型寄存器的三态缓冲器组成。控制逻辑部分，用来发出启动/停止始终信号及复位信号，并控制转换过程，此部分信号包括5个外部信号以及内部转换结束信号。整个转换过程结束后，输出一个标志状态STS（低电平表明转换结束）。另外，当START信号出现高电平时，标志状态STS开始变为高电平，直到转换过程结束才变为地电平。在AD574A芯片上有两组控制引脚，即通过控制引脚（CE，和R/），以及内部寄存器控制输入引脚（和A）。通用控制引脚的功能与大多数A/D转换器相似，主要决定装置定时、寻址、启动脉冲和读使能等功能。内部寄存器控制输入引脚是大多数A/D转换器所没有的，它们用来选择输出数据的形式和转换脉冲长度。AD574的引脚如图2.8所示。图2.8 AD574的引脚图主要引脚功能：l 转换器的启动和数据读出是由CE，和R/引脚来控制的。当CE=1时，=0，且R/=0时，转换过程开始；而CE=1，=0，而R/=1时，数据可以被读出。l 为数据格式选择端。当=1时，双字节输出，即12位数据线同时生效输出，可用于12位或16位微型计算机系统。=0时，为单字节输出，可与8位CPU接口连接，AD574A采用左对齐的数据格式，与A配合，使数据分两次输出。A=0时，高8位数有效。A=1时，则输出低4位数据加4位附加0。请注意，引脚不能有TTL电平控制，必须直接接至+5V（引脚1）或数字地（引脚15）。此引脚只作为数字量输出格式的选择，对转换操作不起作用。l A为字节选择端。A引脚有两个作用，一是选择字节长度；二是与8位微处理器兼容时，用来选择读出字节。在转换之前，设A=1，AD574A按8位A/D转换，转换时间为10。设A=0，12位A/D转换，转换时间为25，这与的状态无关。再读周期中，A=0时，高8位数据有效；A=1时，则低4位数据有效。注意，如果=1，A的状态不起作用。综上所述，可写出AD574A控制信号组合表，如表2.4所示。表2.4 AD574A控制信号组合表/操 作0禁止1禁止1000启动12位转换v001启动8位转换101接1脚（+5V）输出数据格式为并行12位101接地0输出数据格式为并行高8位101接地1低4位加上尾随4个零2.4.3 AD574与单片机接口电路设计AD574与单片机接口电路如图2.9所示。图2.9 AD574与单片机接口电路图l 数据线DB0到DB11，高8位接于P00到P07，低4位接于P04到P07。l 数据格式控制端接地，可与8位单片机兼容，12位数据分两次传送。l WR ,RD与非门后，接于，无论读或写，=1时AD574均工作。l /通过74LS373接于P01,只要 P01=0则启动转换器；P01=1则读取转换结果。l 0通过74LS373接于P00，即接于P00的状态可控制转换位数和读取字节的方式。2.5 显示接口电路设计单片机应用系统中，常用的显示器件有LED（发光二极管显示器）和LCD(液晶显示器)。这两种器件都具有成本低廉、配置灵活、与单片机接口方便的特点。随着电子技术的飞速发展。近年来，也开始出现有配置简易形式的CRT显示器，以方便图形显示。2.5.1 显示技术的发展及其特点进入二十一世纪以来，显示技术作为人机联系和信息展示的窗口，已应用于娱乐、工业、军事、交通、教育、航空航天、卫星遥感和医疗等各个方面，显示产业已经成为电子信息工业的一大支柱产业。在我国，显示技术及相关产业的商品在信息产业的总产值的45%左右。电子显示器可分为主动发光型和非主动发光型两大类。前者是利用信息来调制各像素的发光亮度和颜色，进行直接显示；后者本身不发光，是利用信息调制外光源而使其达到显示的目的。显示器器件的分类有各种方式，按显示内容、形状分为数码、字符、轨迹、图表、图形的图像显示器；按所用显示材料可分为固体、液体、气体、等离子提和液晶体显示器。2.5.2 LED显示接口设计LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。这种显示块有共阴极和共阳极两种。共阴极LED显示块的发光二极管共地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接，当某个发光二极管的阴极为低电平时，发光二极管点亮。在单片机应用系统中通常使用的是七段LED显示块中有8的发光二极管，也叫8段显示器。其中7个发光二极管构成7笔字型“8”；一个发光二极管构成小数点的“.”。7段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8位，因此提供给LED显示器的字型数据正好一个字节。本设计选用的显示块是共阴极的LED（共阴极LED显示块的发光二极管阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮）。将单片机I/O口的8位线与显示块的发光二极管的引出端（adp）相连，共阴极低电平有效，选通有效后8位并行输出口输出不同的数据就点亮相应的发光二极管，获得不同的数字或字符。共阴极和共阳极LED数码宣示器的字模如表2.5所示。 表2.5 LED显示器字模表显示字符共阳极共阴极显示字符共阳极共阴极0C0H3FHb83H7CH1F9H06HcC6H39H2A4H5BHdA1H5EH3B0H4FHE86H79H499H66HF8EH71H592H6DHP8CH73H682H7DHUC1H3EH7F8H07HY91H31H880H7FHH89H6EH990H6FHLC7H76Ha88H77H“灭”FFH00H单片机控制控制LED显示器工作时,要提供段选码和位选码，减轻软件负担，选码通常用硬件译码芯片获得。这些芯片常用的有：1CD-7段译码驱动器。其功能是输入BCD码，输出7段显示器的字行码。如MC14558等。2D-7段译码驱动器。其功能是输入BCD码，输出7段显示器的字型码，且内带段输出驱动器。如：MC14547、74LS47等。上述两类接口芯片无输入锁存能力。3BCD-7段锁存/译码/驱动器。其功能是输入BCD码，经锁存、译码后输出7段显示器的字型码，并带段输出驱动器，如MC14513、MC14495。本设计采用的是第三类，用的芯片是74LS374。显示电路如图2.10所示。图2.10 显示电路原理图2.6 输出控制电路设计对该部分电路的设计，主要应解决两个问题：弱电（89C-51系统）和强电（AC220V）的隔离；对强电的控制。对此，我们采用了如图中所示的电路，其中MOC3041是具有双向可控硅的光电隔离器，T1是功率双向可控硅，RL是负载，在MOC3041内部不仅有发光二极管，而且还有过零检测电路和一个小功率的双向可控硅。当89C-51的P14口为0时,MOC3041的发光二极管发光,由于过零电路的同步作用，内部的双向可控硅在过零后马上导通，从而使功率双向可控硅T1导通，在负载RL中有电流流过;当P14=1时，MOC3041中的发光二极管不发光，内部双向可控硅不导通，所以功率双向可控硅T1截止，负载RL中没有电流流过。由于被控制对象是电炉或电风扇，而它们都是感性元件，故在电路中接上了一个0.05F的电容，来校正零相位。2.6.1 输出控制电路元件简介(1) MOC3041简介在本设计系统中，需要控制高电压（220V），高电流的负载，这样大功率负载显然是不能用单片机的I/O线来直接驱动的，这就必须经过单片机的功率接口来驱动。此外，为了隔离和抗干扰，还需要加接光电耦合器。下面介绍以下功率器件，光电耦合器以及他们与MCS-51的接口电路。 MOC3041芯片是一种集成的带有光耦的双向可控硅驱动电路。它内部集成了发光二极管、双向可控硅和过零触发电路等器件。它内部结构和外部引脚如图2.11所示。过零触 发465123 图2.11 MOC3041的内部结构和外部引脚它由输入和输出两部分组成。输入部分是一个砷化镓发光二极管，在515mA正向电流的作用下发出足够的红外光去触发输出部分。发光二极管和光敏三极管封装在同一个管壳内，发光二极管的作用是将电信号转变为光信号，光敏三极管接收光信号再将它转变为电信号。输出部分包括一个硅光敏双向可控硅和过零触发器。在红外线的作用下,双向可控硅可以双向导通,与过零触发器一起输出同步脉冲,去控制执行机构-外部的双向可控硅。光电耦合器件的特点:1) 输出信号与输入信号在电器上完全隔离,抗干扰能力强，隔离电压可达千伏以上。2) 无触电，寿命长，可靠性高。3) 响应速度快，易与TTL电路配合使用。(2)过零触发电路若只用单片机输出的控制信号控制光耦合可控硅的通断，则可控硅导通瞬间电相位是随机的，这样会产生很多高频分量，在大功率电路中，有如下害处：1) 污染电源，产生电磁波干扰，有可能影响其它设备，也可能干扰控制电路，影响系统的正常工作。2) 使功率因数降低。因此加上过零触发电路，使交流电压瞬时值为零时可控硅才能导通。(3) 双向可控硅简介可控硅，也称晶闸管。可控硅现在有三种最基本结构：单向可控硅SCR（Silicon Controlled Rectificer）,双向可控硅Triac，和可关断晶闸管可控硅GTO（Gate Turn-Off Thyistor）。因为本设计采用的交流负载，所以选用第二种可控硅（双向可控硅）双向可控硅又称双向三极半导体开关元件（Bidrectional Triode Thyristor），它和单向可控硅的区别是：第一：它在触发之后是双向导通的；第二：在门极中所加的触发信号不管是正的还是负的都可以使双向可控硅导通。双向可控硅可以看作是两个单向可控硅反向并联在一起组成。双向可控硅的内部结构如下图2.12。电极2 MT2门极G电极1 MT1图2.12 双向可控硅的内部结构双向可控硅是从N型硅单晶片的两侧扩散P型材料，形成PNP结构；然后分别在两个P型材料上在形成N 型材料，从而形成五层三端特殊的NPNPN结构，就如上图所示。由于双向可控硅是双向导通的，故它的电极不能称阴极、阳极。为了区别双向可控硅的两个电极，一般把和门极G接近的电极称电极1，它也是参考电极；另一个电极称电极2。电极1用MT1表示，电极2用MP2表示。双向可控硅的伏安特性如图2.13所示。双向可控硅在触发后，主电路的电流可双向流过；而在控制触发方面，双向可控硅也具有双向性，故双向可控硅在触发时有四种触发方式：第一象限触发：MT2+，G+。这时对于参考电极MT1而言，电极MT2的电压为正；门极G的触发电流为正。第二象限触发：MT2+，G-。这时电极MT2的电压为正；门极G触发电流为负。第一象限阻断第三象限阻断VDRMVDRMIIIH图2.13 双向可控硅的伏安特性第三象限触发：MT2-，G-。这时电极MT2的电压为负；门极G出发电流为负。第四象限触发：MT2-，G+。这时电极MT2的电压为负；门极G触发电流为正。绝大多数双向可控硅的最高触发灵敏度在第一、第三象限。触发灵敏度较差的是第二象限，最差的是第四象限。所以，一般不采用第四象限的出发方式。双向可控硅是双向导通的，它从一个方向过零进入反向阻断状态只是一个十分短暂的时间，一般只是用于60Hz或频率小于60Hz的正弦电压电源中。在阻断状态下，可控硅的PN结相当于一个电容，如果突然受到正向电压，充电电流流过门极PN结时，起了触发电流的作用。当电压上升率dv/dt较大时，就会造成MOC3041的输出可控硅误导通。因此当为了使它能够正确工作，应抑制双向可控硅中的电压上长率dy/dt。因此，在MOC3041的输出回路中加入R2和C1组成的RC回路，降低电压上升率dy/dt。如图2.14所示。图2.14 双向可控硅电路2.6.2 输出控制电路的设计在设计当中，采纳了Motorola公司推出的单片集成可控硅驱动器件MOC3041作为为对输出的驱动和控制。由MOC3041组成的过零触发双向可控硅电路简单可靠，MOC3041和双向可控硅构成的输出通道电路如下图2.15所示。图2.15 MOC3041和双向可控硅构成的输出通道电路其中：R8：限流电阻，控制LED的触发电流。R9：门极电阻，提高控制极的抗干扰能力。R10：控制回路限流电阻，保护MOC3041中的双向可控硅。R11，C4：构成吸收回路，承受反向电压。该部分的工作过程是：当单片机的P14口输出为低电平是，MOC3041内部导通，G端通道出现同步触发脉冲，控制可控硅导通，打开加热器；当P14为高电平时，MOC3041内部截止，可控硅断开，关闭加热器。1、MOC3041输入端限流电阻的计算的大小由下式计算： =（-）/ （2-5）本设计中= 5V； = 1.5V； = 0.5V； = 0.015A。所以 =（-）/ =（5-1.5-0.5）/0.015 =200式中：为电源电压；为输入端发光二极管的压降,取1.5V；为驱动器的压降；为发光二极管的工作电流。的选值应留一定的余量。光电耦合器的集电极电流与发光二极管的电流之比称为光电耦合器的电流传输比CTR。不同结构的光电耦合器的电流传输比相差很大。电流传输比受发光二极管的工作电流大小影响，一般电流为1020mA，电流传输比最大，电流小于10mA或大于20mA时，传输比都下降。温度升高，传输比也会下降，因此在使用时要留一些余量。所以限流电阻选180，即=180。2、控制回路限流电阻的计算电阻的作用是限制流过MOC3041输出端的电流不要超过1A。的大小由下式计算：=/ （2-6）式中：为工作电压的峰值；为MOC3041输出端的最大允许电流。本设计的控制电压为220V，所以=/=（220）/1 =311本毕业设计中取300。由于串入电阻，使得触发电路由一个最小触发电压，低于这个电压时，可控硅才导通。3、控制回路限流电阻的选择是MOC3041的限流电阻，用于限制流经MOC3041输出端的电流最大值不超过1A。MOC3041过零检测的电压值为20V，所以限流电阻取稍大于20。本设计中选取=27。4、的选择RC回路中,电阻的作用是防止电容器产生震荡以及减少可控硅导通时的电流上升率di/dt。在一般情况下,电阻取51。电容的大小根据负载电流的大小来确定，一般的使用场合，电容取0.10.15F。本设计中选=0.1F。2.7 简易式键盘接口电路设计2.7.1 8255可编程并行I/O接口设计MCS-51系列单片机共有4个8位并行I/O口，这些I/O口一般是不能完全提供给用户使用的，在外部扩展存储器时，提给用户使用的I/O口只有P1和P3口的部分口线。因此在大部分的MCS-51单片机应用系统中都免不了要进行I/O口的扩展。8255有3个可编程并行I/O端口：A口、B口、C口。其引脚如图2.16所示。8255共有40个引脚，功能分类叙述如下。l 数据总线：D0D7、PA0PA7、PB0BP7、PC0PC7，此32条数据线均为双向三态，其中D0D7用于传送CPU与8255之间的命令与数据，PA0PA7、PB0BP7、PC0PC7分别与A、B、C3口对应，用于8255与外部之间传送数据。图2.16 8255引脚图l 控制线：、 ：读信号，输入信号线，低电平有效。当这个引脚为低电平时，8255输出数据或状态信息到CPU，CPU对8255A进行读操作。：写信号，输入信号线，低电平有效。当这个引脚为低电平时，8255接收CPU输出的数据或命令，即CPU对8255A进行写操作。：复位信号，输入信号线，高电平有效。此引脚为高电平时，所有8255内部寄存器都清零，所有通道都设置为输入方式，24条I/O口引脚为高阻态。l 寻址线：、AO、A1：片选信号，输入信号线，低电平有效。当这个引脚为低电平时，8255被CPU选中。AO、A1：这是两条输入信号线，通常一一对应，接到地址总线的最后两位AO和A1上。当有效时，这两位的4种组合00、01、10、11分别用来选择A、B、C口和控制寄存器，所以一片8255共有4个地址单元。单片机也8255的接口比较简单，如图2.17所示，8255的片选信号及口地址选择线AO、A1分别由单片机的P0.7和P0.0、P0.1经地址锁存器提供.故8255的A、B、C口及控制口地址分别为FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。8255的D0D7分别与P0.0到P0.7相连。 图2.17 89C-51与8255的接口电路2.7.2 键盘电路及其说明将输入方式的I/O口的每根线上各接一个按键，就可以组成一个八按键的简易式键盘。每根输入线上的按键上的工作状态不会影响其它线上的工作状态，所以可以称之为独立式键盘。独立式按键配置灵活，软件结构简单。但每个按键需占用一根输入口线，在按键数量较多时，输入口浪费大，电路结构显得很复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作数量较高的场合。本设计采用8255A可编程并行输入输出接口扩展独立式按键，采用五按键键盘，所以在五个I/O口上接五个按键组成一个五按键的简易式键盘。接口电路如下图2.18所示：图中行线通过电阻接+5V，当键盘上没有键闭合时，所有的行线和列线断开，行线呈高电平。当键盘上某一个键闭合时，该键所对应的行线与列线短路。例如：当S1号按键闭合时，所在的行线与列线短路，使PA0口为高电平，通过软件里对PA0口查寻，如果只有PA0口为高电平，那么就可以确定是S1键按下了，通过在软件里的设定，行使S1键的功能。如果同时有多个PA口为高电平，则报警显示，然后检查是否有多个键按下，直到只有一个PA口为高电平时，停止报警，那个高电平的PA口上连接的按键则为按下的键，在软件里执行他应该达到的功能。 图2.18 简易式键盘的接口电路键盘功能说明：1号键：上升。2号键：下降。3号键：下限温度值确定。4号键：上限值确定。5号键：查询上