大学毕业设计基于单片机的温度控制系统毕业设计

1、摘 要在国民经济各部门，如电力化工、机械、冶金、农业、医学以及人们的日常生活中，温度检测是十分重要的。在许多模拟量控制和监视应用中，温度测控通常是基于-50150温度范围内的应用，如环境监测、蔬菜大棚、粮库、热电偶冷端温度补偿、设备运行的可靠性等应用。实时采集温度信息，及时发现潜在故障，并采取相应的处理措施，对确保设备良好运行具有重要意义。本文介绍了一个基于单片机的温度控制系统,该系统可以方便地实现温度采集、温度显示等功能。本系统的温度控制部分采用单片机完成。单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、使用电子元件较少、内部配线少、制造调试方便等显著优点，将其用于温度检测和控制系统中可大大

2、地提高控制质量和自动化水平，具有良好的经济效益和推广价值。利用单片机对温度进行测控的技术，日益得到广泛应用。单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有很多优点，把单片机应用于温度控制中，采用单片机做主控单元，无触点控制，可完成对温度的采集和控制的要求。所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、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。本文主要介绍单片机在热处理炉温度控制中的应用,对温度控制模块的组成及主要所选器件进行了详细的介绍,并根据具体的要求本文编写了适合本设计的软件程序。关键字：单片机；采集；控制；温度

3、AbstractIn the national economy, such as power industry, machinery, metallurgy, agriculture, medicine and people's daily lives, the temperature detection is very important. In many analog control and monitoring applications, temperature measurement and control is usually based on -50 150 tempera

4、ture range applications, such as environmental monitoring, greenhouses, grain storage, thermocouple cold junction compensation, equipment reliability applications. Real-time temperature information collected, timely detection of potential failures, and take corresponding measures, to ensure the equi

5、pment is important to run well.   This paper describes a microcontroller-based temperature control system, the system can easily achieve temperature collection, temperature display. The temperature control part of the system using single chip to complete. SCM Youzhao small, low power consumptio

6、n, strong function, performance and prices high, Shi Yong Yuan Jian less electronic, less internal wiring, manufacturing convenient debugging and significant advantages, will be its use in temperature measurement and Kongzhijitong can control Da Da Di Tigao quality and automation level, with good ec

7、onomic and promotional value. Temperature measurement and control on use of microcomputer technology, increasingly widely used.     Single-chip micro-computer, with the development of VLSI technology born, because of its small volume, strong function, cost performance, the single

8、 chip for temperature control, to do with the main control unit MCU, non-contact control to complete the acquisition and control of the temperature requirements. So widely used in electronic equipment, household appliances, energy-saving devices, robots, industrial control and many other fields, so

9、that product miniaturization, intelligent, not only improves the product's features and quality, but also reduce the cost and simplifies design. This paper introduces the MCU in the heat treatment furnace temperature control system, temperature control module on the major selected composition an

10、d a detailed description of the device, and in accordance with specific requirements for the design of writing a software program. Keywords: Microcontroller;Collection;Control;Temperature目 录第1章 绪 论11.1 温度控制系统的应用背景与发展情况11.1.1 温度控制系统的应用背景11.1.2 温度控制系统的发展情况11.2 温度控制系统的研究意义2第2章 系统的控制方案论证32.1系统结构框图32.2各部

11、分电路的主要功能4第3章 温度控制系统的硬件电路设计53.1 单片机最小控制系统设计53.1.1 AT89C51概述53.1.2 复位电路73.1.3 时钟电路83.1.4 单片机最小系统93.2 温度检测及变换电路设计103.2.1 温度传感器的选择103.2.2 温度传感器的工作原理及主要技术参数103.2.3 温度采集的电路图及工作原理113.2.4 A/D转换电路的设计123.2.5 A/D转换电路与单片机的接口电路143.3 单片机的外部程序存储器的扩展153.3.1程序存储器的主要技术参数153.3.2单片机存储器的扩展电路图163.4 键盘、显示接口电路设计173.4.1可编程接

12、口电路的扩展173.4.28155的键盘、显示的电路图183.5 驱动电路的设计193.6 电源电路的设计21第4章 系统软件设计224.1 系统程序流程图设计224.1.1 主程序流程图224.1.2中断流程图234.1.3 信号采样流程图254.1.4 数字滤波流程图254.1.5 键盘扫描流程图274.1.6 动态显示扫描流程图284.2 PID算法设计284.2.1 PID算法简介284.2.2 数字PID控制器294.2.3 PID算法流程图30第5章 结论32参考文献33致 谢34附录35附录36附录46第1章 绪 论1.1 温度控制系统的应用背景与发展情况1.1.1 温度控制系统

13、的应用背景工业生产带动了人类社会的进步，同时也促进了各种新的传感器的发展，也推动了工业的发展。在工业生产中温度的准确测量是一个比较困难的事情，从最初的酒精、水银温度计到现在的数字化、集成化的温度计可见传感器的发展是飞快的。它快速的发展必将带来新一轮的工业化的革命和社会发展的飞跃，在工、农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制占据着极其重要地位。首先让我们了解一下温度检测系统在各个方面的应用领域：消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备之过热故障预知检测，空调系统的温度检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与健诊的温度测试，化工、机械等设备温度过热检测，对各类加热炉、热

14、处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制，采用单片机来对他们进行控制，不仅具有控制方便、简单和灵活性大等特点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制是一个工业生产中经常会遇到的问题。1.1.2 温度控制系统的发展情况温度控制，在工业自动化控制中占有非常重要的地位。如在钢铁冶炼过程中要对出炉的钢铁进行热处理，才能达到性能指标，塑料的定型过程中也要保持一定的温度。随着科学技术的迅猛发展，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与自适应能力的要求越来越高，被控对象或过程的非线性、时变性、多参数点的强烈耦合、较大的随机扰动、各种不

15、确定性以及现场测试手段不完善等，使难以按数学方法建立被控对象的精确模型的情况。单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用。将单片机控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。 现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小型机、甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就是很高的运行速度，很大的内存，大量的数据存储器。但随之而来的是巨额的成本。在很多的小型系统中，处理机的成本占系统成本的比例高达20%，而对于这

16、些小型的系统来说，配置一个如此高速的处理机没有任何必要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的快速性，所以用成本低廉的单片机控制小型的，而又不是很复杂，不需要大量复杂运算的系统中是非常适合的。1.2 温度控制系统的研究意义温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数。在工业生产过程中为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度，压力，流量，速度等进行有效的控制。其中温度的控制在生产过程中占有相当大的比例。准确测量和有效控制温度是优质，高产，低耗和安全生产的重要条件。在工业的研制和生产中，为了保证生产过程的稳定运行并提高控制精度，采用微电子技术是重要的途径。它的作用主要

17、是改善劳动条件，节约能源，防止生产和设备事故，以获得好的技术指标和经济效益。单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建筑、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，并且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决，温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制、模糊控制、神经网路及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制

18、变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产的效率。第2章 系统的控制方案论证2.1系统结构框图本系统是由AT89C51型单片机最小系统、温度采样电路、键盘显示电路、温度控制电路等组成。温度采样电路包括温度传感器、放大电路、A/D转换电路，其中温度传感器采用一致性好、精度高的温度传感器AD590作为测温元件，该元件具有良好的线性输出，其输出电流与温度成正比，温度传感器将温度的变化转变为电流信号，通过电阻后转变电压信号,然后经过放大电路将电压信号放大，处理后得到的模拟电压信号传输给A/D转换部分转换为数字信号。 A/D采样电路选用的是AD574，该温度控制系统的核心部分选用的是A

19、T89C51，键盘显示电路是对温度进行设定以及对实时温度显示，键盘设定上下限温度。当温度超过上下限温度及程序运行出现错误时自动报警。存储电路中，当电源断电，储存器存储的设定温度也不丢失，在电源来电后，单片机自动将设定温度从储存器中读出，一方面避免了断电后的更新设置工作；另一方面也保护了控制器控制的安全性，可靠性。在驱动电路中采用的是继电器输出的方式通过，光电耦合器起到了隔离的作用。控制系统的总体框图如图2.1所示。单片机最小系统温度传感器放大电路键盘显示电路报警电路程序扩展电路驱动电路A/D转换器图2.1控制系统的总体框图2.2各部分电路的主要功能1、温度采样电路温度采样电路包括温度传感器、放

20、大电路、A/D转换电路。温度传感器选用AD590元件，通过温度传感器串联的电阻上的电流值与被测的热力学温度成正比的原理，并通过电阻将电流信号转换为电压信号，电压信号通过由电压跟随器以及差动放大器构成的放大电路后将电压值的限制在05V范围内。AD转换器采用的是AD574的12位输出，双极性转换的形式，采用12位输出是为了提高采样的精度，通过采样电路将数字信号传送给单片机。单片机对模拟信号进行分析处理。2、单片机最小系统单片机是系统控制的核心，它对采样信号进行分析处理，单片机通过PID控制的方式对采集到的信号与给定值进行比较，进行PID计算，然后根据计算结果输出脉冲信号，通过光电隔离控制接触器的吸

21、合状态，进而控制了压缩机和电阻炉的导通与关断，实现对温度的控制。整个系统构成了一个闭环控制系统，从而使温度控制在预定的范围之内。单片机通过的中断控制是温度控制的主程序，用于启动A/D转换器，读数据采样，数字滤波，越权温度报警和处理，PID计算和输出同步触发脉冲等。当系统出现死机现象时可以通过最小系统的复位键将单片机重新启动，时钟电路产生单片机工作所需的时钟信号。3、键盘显示电路在单片机应用系统中，同时需要使用键盘与显示器接口时，为了节省I/O口线，常常把键盘和显示电路做在一起，构成实用的键盘、显示器组合接口电路，LED显示器采用共阴极、动态显示、软件译码。段选码由8155PB口提供，位选码由P

22、A口提供，键盘采用的是逐列扫描查询工作方式。键盘是对要达到的温度值以及温度的上下限进行设定。4、驱动电路驱动电路是为了控制该控制系统的压缩机及电阻炉的导通与关断的，驱动电路的控制信号有单片机来提供，单片机通过PID算法比较温度大小来控制两个驱动电路，驱动电路实现弱电控制强电，并且在控制过程中会出现干扰，所以要在电路中加入光电耦合器。5、报警电路当被测环境的温度超过或低于预先设定的温度时，报警电路就报警。第3章 温度控制系统的硬件电路设计3.1 单片机最小控制系统设计3.1.1 AT89C51概述AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称

23、单片机。AT89C51可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。引脚排列如图3.1所示。图3.1 AT89C51引脚图AT89C51主要特点：1) 与MCS-51 兼容 2) 4K字节可编程闪烁存储器 3) 寿命：1000写/擦循环4) 数据保留时间：10年5) 全静态工作：0Hz-24MHz6) 三级程序存储器锁定7) 128&

24、#215;8位内部RAM8) 32可编程I/O线9) 两个16位定时器/计数器10) 5个中断源 11) 可编程串行通道12) 低功耗的闲置和掉电模式13) 片内振荡器和时钟电路VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表3.1所示。表3.1 P3口第二功能表端 口功 能说 明P3.0RXD串行口数据接收引脚P3.1TXD串行口数据发送引脚P3.2/

25、INT0外部中断0输入引脚P3.3/INT1外部中断1输入引脚P3.4T0计数器0外部输入引脚P3.5T1计数器1外部输入引脚P3.6/WR外部数据存储器写选通P3.7/RD外部数据存储器读选通RESET：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。PSEN：外部程序存储器的选通信号。EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及

26、内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.2 复位电路复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此复位电路非常重要。单片机的复位都是靠外部复位电路来实现，在时钟电路工作后，只要在单片机的RESET引脚上出现24个时钟振荡脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。为了保证系统可靠的复位，在设计复位电路时，一般使RESET引脚保持10ms以上的高电平，单片机便可以可靠复位。当RESET从高电平变为低电平以后，单片机从0000H地址开始执行程序。在复位有效期间，ALE和引脚输出高电平。复位电路如图3.2所示。图3.2 复位电路图3.2（a）

27、是常用的上电复位电路，这种上电复位利用电容器充电来实现。当加电时，电容C充电，电路有电流流过，构成回路，在电阻R上产生压降，RESET引脚为高电平；当电容C充满电后，电路相当于断开，RESET的电位与地相同，复位结束。可见复位的时间与充电的时间相关，充电时间越长复位时间越长，增大电容或增大电阻都可以增加复位时间。图3.2（b）是按键式复位电路。它的上电复位功能与3.2（a）相同，但它还可以通过按键实现复位，按下按键后，通过R1和R2形成回路，使RESET端产生高电平，按键的时间决定复位时间。图3.2（c）是按键脉冲式复位电路。它利用RC微分电路在RESET端产生正脉冲来实现复位。在上述简单的复

28、位电路中很难过，干扰易串入复位端，在大多数情况下不会造成单片机的错误复位，但会引起内部某些寄存器错误复位。这时，可在RESET复位引脚上接一个去耦电容。3.1.3 时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。时钟信号可以由两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。时钟电路如图3.3所示。图3.3 时钟电路（一）内部时钟方式AT89C51内部有一个高增益反向放大器。用于构成振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入和输出端。在XTAL1 和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器。外接晶振时，C1、C2值常选择为30pF左

29、右；外接陶瓷谐振器时，C1、C2值常选择为47pF左右。C1、C2对频率有微调作用，谐振频率范围是1.212MHz。（二）外部时钟方式外部时钟方式是采用外部振荡器，外部振荡脉冲信号由XTAL2端接入后直接送至内部时钟发生器。输入端XTAL1应接地，由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故建议外接一个上拉电阻。一般要求，外接的脉冲信号应当是高、低电平的持续时间大于20ns，且频率低于12MHz的方波。这种方式适合于多块芯片同时工作，便于同步。3.1.4 单片机最小系统单片机最小系统由控制器AT89C51、复位电路、时钟电路组成。电路原理图如下图3.4所示.该单片机最小系统的时钟电路由高增益反相

30、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震荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激震荡器。电路中电容C1和C2典型值通常选择为10uF左右，晶振的振荡频率的范围通常是在1.2MHz12MHz之间，晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。AT89C51单片机的XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

31、对于复位引脚RET,当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。单片机最小系统原理图如图3.4所示。图3.4 单片机最小系统原理图3.2 温度检测及变换电路设计3.2.1 温度传感器的选择目前市场上温度传感器较多，有以下几种：方案一：选用铂电阻温度传感器，此类温度传感器线性度、稳定性等方面性能都很好，但其成本较高。方案二：采用热敏电阻，选用此类元器件有价格便宜的优点，但由于热敏电阻的非线性特性会影响系统的精度。方案三：选用美国Analog Devices 公司生产的二端集成电流传感器AD590。其测量范围在-50-+150，满刻度范围误差为±0.3，当电源电压在510

32、V之间，稳定度为1时，误差只有±0.01。此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求。比较以上三种方案，方案三具有明显的优点，因此选用方案三。3.2.2 温度传感器的工作原理及主要技术参数AD590的工作原理：在被测温度一定时,AD590 实质上相当于恒流源,把它与直流电源相连,并在输出端串接一个标准10K的电阻,结果此电阻上流过的电流与被测热力学温度成正比,电阻两端将会有1mV/ K的电压信号。AD590的输出电流I=（273+T）A（T为摄氏温度）。AD590主要技术参数如下：工作电压:4 30V 工作温度: - 55+ 150 保存温度

33、: - 65+ 175 焊接温度(10 秒) :300 正向电压: + 44V 反向电压: 20V灵敏度: 1A/ K AD590产生的电流与绝对温度成正比，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1，其电流增加1A。AD590温度与电流的关系如下表3.2所示。表3.2AD590温度与电流关系摄氏温度AD590电流经10K电压0273 A2.73 V10283 A2.83V20293.A2.93 V30303 A3.03 V40313.A3.13 V50323 A3.23V60333.A3.33V100373 A3.73V摄氏温度测量电路的设计必须完成两部分任务：一是将AD590 输出的电流转换为

34、电压信号，也就是电流转换为电压电路。二是将热力学温度转换成为摄氏温度。3.2.3 温度采集的电路图及工作原理已知式子：则经过10K的电阻后，电压，为了将电压测量出来又务须使输出电流I不分流出来,我们使用电压跟随器其输出电压等于输入电压。由于一般电源供应较多器件之后,电源是带杂波的,因此使用齐纳二极管作为稳压元件,再利用可变电阻分压, 调节滑动变阻器，其输出电压需调整2.73V。接下来我们使用差动放大器其输出Vo为（50K/10K）×（-）=T/20，如果现在为摄氏28,输出电压为1.4V，输出电压接AD转换器,那么AD转换输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系。通过图3.5的AD59

35、0温度采集电路能把0100的温度信号变成了05V的电压信号。温度采集电路如图3.5所示。图3.5 温度采集电路图3.2.4 A/D转换电路的设计AD574是美国AD公司研制的12位逐次逼近式ADC，适合在高精度快速采样系统中使用。在AD590温度检测电路中，最后得到的是模拟电压值。而单片机所能处理的是数字信号，为了使单片机能处理AD590采集到的温度值，必须把模拟信号转换成数字量。实现该功能的电路称为A/D转换电路。AD574的结构特点：1. AD574内部集成有转换时钟，参考电压源和三态输出锁存器，故它使用方便，也可和微机直接接口，而且无需外接时钟电路。2. AD574的转换时间可达25，这

36、和ADC0809的100相比显然要小得多，但和同系列3的AD578相比还是逊色不浅的。3. AD574的输入模拟电压既可以使单极性的也可以是双极性：单极性输入时为0+10V或020V;双极性输入时为5V或10V之间。单极性及双极性如图3.6所示。4. AD574的数字量位数可以设定为8位，也可以设定为12位。AD574的引脚功能：1. 模拟量输入线（3条）：10Vin为10V量程的模拟电压输入线，单极性时为0+10V，双极性时为5V；20Vin为20V量程的模拟电压输入线，单极性时为0+20V，双极性时为10V。AC为模拟电压公共地线。2. 数字量输入线（13条）：DB11DB0为数字量输出线

37、，DB11为最高位；DC为数字量公共接地线，常和AC相连后接地。3. 控制线（6条）：和CE：为片选线，低电平有效；CE为片选使能线，高电平有效。和CE共同用于片选控制：当为0和CE为1时，选中本片工作；否则本片处于禁止状态。AD574控制信号状态表如表3.3所示。R/为读出/转换控制输入线:若使R/为0，则本片启动工作；若使R/为1，则本片处于允许读出数字量状态。A0和12/：这两条控制线能决定进行12位还是8位A/D转换，控制功能如表所列。应当强调指出：在启动AD574进行A/D转换时，应先使R/为低电平，然后再使和CE分别变为有效，这样可以避免启动A/D转换前出现不必要的读操作。STS为

38、转换状态输出线:STS为高电平，表示AD574正处于A/D转换状态；若STS变为低电平，则它已A/D转换完成，因此，在实用中STS线可供CPU查询，也可作为MCS-51的外中断请求输入线。4 测试/调零线（3条）：REF IN和REF OUT线:REF IN为内部解码网络所需参考电压输入线；REF OUT为内部参考电压输出线。通常，REF IN和REF OUT之间可以跨接一个100金属陶瓷电位计，用来调整各量程增益。BIP OFF为补偿调整线，用于在模拟输入为零时把ADC输出数字量调整为零。电源线（3条）：为+5V电源线；为+12V+15V电源线；为-12-15电源线。表3.3 AD574控制

39、信号状态表CER/12/A0完成操作1000启动12位A/D转换1001启动8位A/D转换101112位数字量输出10100高8位数字量输出10101低8位数字量输出0无操作1（a）单极性输入（b）双极性输入图3.6 AD574的单极性及双极性输入3.2.5 A/D转换电路与单片机的接口电路如果AD574启动为12位转换方式，则对转换结果只能按双字节分时读入，所以12/接地；AD574的高8位数据线接单片机的数据线，低4位数据线接单片机的低4位数据线；AD574的CE信号要求无论是单片机对其启动控制，还是对转换结果的读入都应为高电平有效，所以和通过“与非”逻辑接CE信号；AD574的STS信号

40、接单片机的一根I/O线，单片机对转换结果的读入采用查询方式。单片机AT89C51与AD574的接口电路如图3.7所示。图3.7 A/D转换电路与单片机的接口电路3.3 单片机的外部程序存储器的扩展程序存储器的主要技术参数2764是8K8位紫外线擦除电可编程只读存储器，具有13根地址线，8根数据线，单一+5V电源供电，最大工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250ns，2764为28引脚双列直插式封装，其工作方式及工作方式选择如表3.4及3.5所示。表3.4 2764的工作方式A0A12地址线O0O7数据线数据输出选通线片选线编程脉冲输入VPP编程电源表3.52764的工作方式

41、选择方式/引脚VPPVCC输出读LLH5V5VDOUT持续H任意任意5V5V高阻编程LHL12.5V6VDIN编程检验LLH12.5V6VDOUT编程禁止H任意任意12.5V6V高阻单片机存储器的扩展电路图在基本扩展电路中，用到地址锁存器。这是因为P0口是数据总线和低8位地址总线分时复用口，P0口输出的低8位地址必须用地址锁存器进行锁存。本题目中选用74LS373作为地址锁存器。74LS373的工作原理：当三态门的使能信号线为低电平时，三态门处于导通状态，允许Q端输出；当端为高电平时，输出三态门断开，输出端对外电路呈高阻状态。因此74LS373用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号端为低电

42、平，这时，当G输入端为高电平时，锁存器输出端（1Q8Q）状态和输入端（1D8D）状态相同；当G端从高电平返回低电平（下降沿）时，输入端的数据锁存入1Q8Q中。74LS373的锁存控制端G和STB可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁。单片机存储器的扩展电路如图3.8所示。图3.8单片机存储器的扩展电路3.4 键盘、显示接口电路设计可编程接口电路的扩展本题目中选用8155为可编程接口芯片，8155带2568静态RAM，一个并行可编程的14位定时/计数器，一个可编程的6位I/O口。8155的结构与引脚：8155的结构如图3.9所示:ADAD7：三态的地址/数据总线。与单

43、片机的低8位地址/数据总线（P0口）相连。单片机与8155之间的地址、数据、命令与状态信息都是通过这个总线口传送的。ALE：地址锁存信号。8155内部设有地址锁存器，在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息及 ，IO/ 的状态都锁存到8155内部锁存器。因此，P0口输出的低8位地址信号不需外接锁存器。IO/为RAM/IO口选择线。IO/=0时，对8155的RAM存储器进行读/写，AD0AD7上的地址为8155中RAM单元地址；当IO/1时，对8155的I/O口进行操作，AD0AD7上的地址为I/O口地址。为片选信号：低电平有效。为读操作信号：控制对8155的读操作，低电平有效。为写操

44、作信号：控制对8155的写操作，低电平有效。PA0PA7：位通用I/O口，其输入、输出的流向可由程序控制。PB0PB7：8位通用I/O口，功能同A口。PC0PC5：有两个作用，既可作为通用的I/O口，也可作为PA口和PB口的控制信号线，这些可通过程序控制。TIMER IN：定时/计数器脉冲输入端。TIMER OUT：定时/计数器输出端。8155的RAM和I/O口编址：8155在单片机应用系统中是按外部数据存储器统一编址的，地址为16位，其高8位地址由片选线提供，低8位地址为片内地址。当IO/=0时，对RAM进行读/写，RAM低8位地址为00HFFH;当IO/=1时，对I/O口进行读/写，I/O

45、口及定时器由AD0AD3进行寻址。8155的内部端口编址如表3.6所示。表3.6 8155的内部端口编址AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0端 口 0 0 0命令状态寄存器 0 0 1PA口 0 1 0PB口 0 1 1PC口 1 0 0定时器低8位 1 0 1定时器高8位3.4.2 8155的键盘、显示的电路图在单片机应用系统中，同时需要使用键盘与显示器接口时，为了节省I/O口线，常常把键盘和显示电路做在一起，构成实用的键盘、显示器组合接口电路.在本图中设置了12个按键.如果增加PC口线,还可以增加按键,最多可达68=48个按键。LED显示器采用共阴极、动态显示、软

46、件译码。段选码由8155PB口提供，位选码由PA口提供。键盘采用的是逐列扫描查询工作方式，键盘的扫描输出由PA口提供，与显示器的位选码输出公用，键盘的键输入由PC0PC3提供。用此方法键盘与显示器共用了PA口，比单独使用接口节省了一个I/O口。LED的驱动采用集电极开路输出8位驱动器8717。该电路的温度上下限设置包括四个按键它们分别为按键1为模式切换键：进行模式之间的切换，模式包括设置温度上限模式、设置温度下限模式，每次按下该键就在这两种模式之间进行切换。按键2为温度上下限增加键：增加温度上下限的值。按键3为温度上下限减少键：减少温度上下限的值。按键4为确定按键：设置的温度值确定。8155的

47、键盘、显示电路如图3.9所示。图3.9 8155的键盘、显示电路3.5 驱动电路的设计本次驱动电路实现弱电控制强电，单片机是弱电器件，一般情况下它的工作电压为5 V，压缩机的工作电压为交流380V，电阻炉的工作电压为交流220V，二者均属于强电，强电不能和弱电有任何电器接触，防止强电进入到单片机内，光电耦合器和继电器起到隔离作用，避免单片机被强电烧坏。当输入端输入低电平时，V1导通，继电器吸合；当输入端输入高电平时，V1截至，继电器不吸合。在继电器吸合到断开的瞬间，由于线圈中的电流不能突变，将在线圈产生下正上负的感应电压，使晶体管集电极承受很高电压，有可能损坏驱动器V1，为此在继电器线圈两端并

48、接一个续流二极管VD2，使线圈两端的感应电压被控制在0.7V左右。正常工作时，线圈上的电压上正下负，二极管VD2截止，对电路没有影响。当继电器驱动电压大于5V时，电压可能通过三极管V1串入低压回路，为此在7406和V1之间加二极管VD2.由于继电器由吸合到断开的瞬间会产生一定的干扰，当吸合电流比较大时，在单片机与继电器之间需要增加隔离电路，在图中是光耦输出管集电极限流电阻；是驱动管V1基极泄放电阻（防止电路过热造成驱动管误导通），一般取4.710K，太大会失去泄放作用，太小会降低继电器吸合的灵敏度。如果温度高于设置的温度时接触器线圈QA1被吸合，如果温度低于设置的温度时接触器线圈QA2被吸合，

49、在主电路中相应的压缩机或者电阻炉就会被启动，直到达到设置的温度为止。驱动电路的主电路和控制电路分别如图3.10和3.11所示。3.10 驱动电路主电路原理图3.11驱动电路控制电路原理图3.6 电源电路设计在电路中，通常需要电压稳定的直流电压源供电。在本次温度控制系统设计中，需要一个稳定的5V和一个12V直流电压源为单片机等芯片供电。如图3.15所示，它是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样

50、的电压还随电网电压的波动一般有±10%左右的波动，因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路维持输出电压的稳定。本次设计的直流电源采用三端集成稳压芯片LM7805使输出电压为5V、LM7812使输出电压为12V，其中整流部分采用了由四个二极管（型号：1N4007）组成的桥式整流电路，滤波电容C1、C3、C5、C7一般选择几百几千微法。电容C3、C6（0.33F ）以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡；C4、C8（0.1F)用以滤除输出端的高频信号，改善电路的暂态响应。电源电路如图3.12所示。图3.12电源电路第4章 绪 论4.1 系统程序流程图设计4.1.1 主程序流程图主程序应包

51、括AT89C51本身的初始化以及各并行I/O口的初始化等。为简化起见，本程序只给出有关标志、暂存单元和显示缓冲区清零、初始化、开CPU中断、温度显示和键盘扫描等程序。主程序的流程图如图4.1所示。设定堆栈指针清标志和暂存单元清显示缓冲区初始化开CPU中断键盘扫描温度显示图4.1主程序流程图在上述程序中，To被设定为计数器方式2，初值为06H,故它的溢出中断时间为250个过零同步脉冲；T1设定为计数器方式1，初值由计算所得的PID值（补码）确定，用于控制可控硅管的导通时间。4.1.2 中断流程图中断服务程序是温度控制系统的主程序，用于启动A/D转换器，读如数据采样，数字滤波，越权温度报警和处理，

52、PID计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。P1.3引脚上输出的该同步脉冲宽度由T1计数器的溢出中断控制，AT89C51利用等待T1溢出中断空隙时间完成本次采样数值转换成显示值而放入显示缓冲区和调用温度显示程序，AT89C51从T1中断服务程序返回后便可以恢复现场和返回主程序，以等待下次中断。中断服务程序包括一系列子程序。例如:温度值的采样子程序、数字滤波子程序、越限处理程序、PID计算程序、标度转换子程序和温度显示子程序等。中断服务程序流程图如图4.2所示。保护现场采样温度数字滤波Ui（K）=Umax？Ui（K）>Umax？清上次越限标志（K）=Umin？计算PID（D5H）=1?求 补从

53、P1.3输出初始化T1温度标度转换返 回恢复现场温度显示本次越限标志送5FH清零5EH单元上限处理恢复现场返回置本次越位标志越限计数器加1上次越限越限N次？上限报警清越限标志Ui（K）>Umax？取最大PID值输出求 补下限报警YYYYNNYNN图4.2 T0中断服务程序流程图4.1.3 信号采样流程图因为MCS51单片机是8位机，如果AD574启动为12位转换方式，则对转换结果只能双字节分时读入，所以12/接地；AD574的高8位数据线接单片机的数据线，低4位数据线接单片机的低4位数据线；AD574的CE信号要求无论是单片机对其启动控制，还是对转换结果的读入都应为高电平有效，所以和通过

54、“与非”逻辑接CE信号；AD574的STS信号接单片机的一根I/O线，单片机对转换结果的读入采用查询方式。采样值始地址送R0采样次数送R2启动A/D转换器等待转换结束A/D完成？所有采样结束？返 回YYNN图4.3 信号采样流程图4.1.4 数字滤波流程图数字滤波程序用于滤去来自控制现场对采样值的干扰，本次设计采用中值滤波的方式，中值滤波的原理就是对2AH,2CH和2EH中三次采样值进行比较，取中间值存放在2AH单元内，以作为温度标度转换时使用。数字滤波流程图如图4.4所示。(2AH)送A(2AH)(2CH)？(2AH)>(2CH)?(2AH)与(2CH)互换(2CH) (2EH)？(2CH) >(2EH)？(2AH) (2EH)？(2EH) >(2AH)？(2CH)送2AH返 回NYNYYNNY(2CH)送31H(2EH)送31H(2CH)送31H(2EH)送31HN图4.4 数字滤波流程图4.1.5 键盘扫描流程图由于键盘与显示做成一个接口电路，因此在软件中要综合考虑键盘查询与动态显示，在软件设计中把键盘消抖的延时子程序用显示子程序代替。输出列扫描信号初始化地址参数列扫描信号移位读入行信号该列有键输入？扫描完？返 回按照行列计算键值键查表得键码等待按键释放返 回开 始是否是