氢粉碎处理工艺计算机控制系统

1、XX大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：学生姓名：学 号：专 业：自动化班 级：指导教师：钕铁硼氢破碎（HD）工艺是目前应用最广的方法。钕铁硼氢破碎（HD）工艺是上世纪末发展起来并一项新技术。关键词：The computer control system of NdTeB hydrogen smashing processing craftThe neodymium iron boron material is the new generation permanent-magnet material that has already industrial production magn

2、etism performance highest, the application to be broadest, to develop the quickest. The markets demand is also getting bigger and bigger to the high performance neodymium iron boron material. The magnetic materials preparation method types are many, but the neodymium iron boron hydrogen stave (HD) t

3、he craft applies the broadest method at present. The neodymium iron boron hydrogen stave (HD) the craft is new technology, which had developed and could replace traditional machinery thick stave method in the end of last century. The HD craft uses the NdTeB bulk alloy the intercrystalline cracking w

4、hich and the transgranulation break produces in the absorption hydrogens reaction process causes the alloy pulverization the characteristic, obtains certain grain-size powder body.This topics project objective is that in the hydrogen smashing process controlling each technological parameter through

5、the optimization, letting the neodymium iron boron ingot attract the hydrogen stage to attract the hydrogen fully, quickly, reducing the incubation period as far as possible and in the dehydrogenation stage dehydrogenation rapidly, thoroughly (in fact that impossible to escape completely). This arti

6、cle introduces with emphasis how to unify the computer technology and the single-chip microcomputer technology to control numerous independent variables and the correlated variable in hydrogen smashing process, how particularly to realize the pressure control in attracting the hydrogen process and t

7、he temperature control indehydrogenation process. letting the neodymium iron boron ingot or casts the piece to attract the hydrogen and the dehydrogenation are fuller, causing hydrogen smashing craft processing the neodymium iron boron product performance to be better.Key words： Neodymium iron boron

8、 hydrogen stave craft； single-chip microcomputer control；Automatic control；Temperature examination； Pressure examination 目录摘要IAbstractII第一章 引言11.1钕铁硼氢破碎系统的设计背景1 研究领域和意义1 系统设计目的21.2 钕铁硼氢破碎（HD）工艺2 氢粉碎（HD）工艺展望2 原理简介4 工艺过程6 反应曲线101.3 系统设计目标及技术要求11 设计目标11 技术要求121.4 技术综述12本章小节13第二章 系统设计142.1 控制原理与数学模型142.

9、2 总体方案设计152.3 系统组成162.4采样信号和控制量分析18本章小结19第三章 硬件设计203.1 中央处理单元设计20 CPU选型20 资源规划213.2 系统扩展21 程序存储器扩展21 数据存储器扩展22 I/O扩展23 3.3 键盘及显示电路设计24 3.4 信号采样电路设计26 信号采样电路设计26 传感器选型283.5 时钟电路303.6复位及看门狗电路313.6.1设计原理313.6.2看门狗芯片MAX708工作原理323.6.3硬件电路设计343.7 执行器控制电路35 加热和冷却系统的设计35 增压和减压系统的设计363.7.3 交流主电路373.8 辅助电路设计3

10、83.8.1 供电电源383.8.2 报警电路383.9 系统稳定性40本章小结40第四章 软件设计414.1 键盘监控程序414.2 A/D转换器程序设计46本章小结47结束语48参考文献49致谢50总之，磁性材料能覆盖大量的电子、电气产品，是材料行业的基础、骨干工业部门之一。随着我国电子、电气工业的快速崛起，我国已经成为全球最大的磁性材料生产、消费国。在不久的将来，全球一半以上的磁性材料都将用于供应中国市场。很多高技术磁性材料、元件也将主要由中国企业生产、采购。磁性材料也将成为我国国民经济中的支柱产业之一。 研究领域和意义因此开发研制具有自主知识产权的、适合国情的、高效、安全、经济的对钕铁

11、硼进行氢粉碎处理加工系统，对于高性能钕铁硼磁体的产业化发展具有十分重要的意义。同时该项目充分利用我国包头地区丰富的稀土资源，吸收国外先进工艺技术装备的优点、弥补其不足，开发稀土永磁材料的新工艺新装备，对于我国西部地区资源优势转化为经济优势具有重要意义。 系统设计目的(8)通过调整铸锭的原始微结构和 HD 工艺条件，可有效控制所得粉末的粒度、形状及尺寸分布。用 HD 工艺制造的磁体，可使磁体的制造成本下降 15 %25 %。 原理简介钕铁硼氢破碎（HD）工艺是上世纪末才发展起来的一项新技术。它的基本原理是利用稀土元素在一定的温度和压力之下具有的吸氢特性。钕铁硼合金在吸氢过程中，首先是其中的富钕项

12、吸氢膨胀，使合金沿晶界断裂，紧接着是主项吸氢，引起穿晶断裂；由于是富钕项首先吸氢，所以氢化粉大部分是单晶颗粒。HD工艺的原理是稀土过渡族金属元素合金可吸收大量的氢 , 产生体积膨胀而发生爆裂。NdTeB 的吸氢过程包括两个阶段: 第一阶段是在室温或接近室温条件下 , 富 Nd 边界相首先吸氢 ,H2 首先吸附在材料的活性表面上 , 然后 H2 分解成H原子。 同时 , H2 也通过材料中的裂纹扩散进入晶体内部 , 与 Nd 发生反应: Nd + H2 NdHn ( n= 35) , 生成的NdHn 再析出 H 原子。 在裂纹尖端附近便有较多的 H 原子存在。氢在裂尖富集后可在Nd 晶体内自发形

13、成许多氢原子数目不等的氢原子团簇 Hn 和氢分子团簇(H2) n , 促使局部的Nd晶格膨胀和畸变。 富Nd 相吸氢后的体积膨胀将产生剪切应力 , 当膨胀量达到一定程度时 , 则会导致Nd2Te14B 主相与富Nd 相之间的晶界断裂。 其次是主相 Nd2Te14B 的吸氢。 Nd2Te14B 与氢在特定的温度与氢压下有下列可逆反应Nd2Te14B +x2H2 Nd2Te14BHx H ,H约为 - 57. 2 kJ mol- 1。 上述可逆反应向右进行的称为氢化反应或吸氢反应 , 生成焓H为负 , 说明是放热反应。 向左反应的称为脱氢反应 ,H 为正 , 是吸热反应。 Nd2Te14B 这一稀

14、土过渡金属间化合物吸氢时 , 氢原子进入化合物的间隙位置 , 引起晶格膨胀和畸变 , 导致自由能升高。由于Nd2Te14B化合物是脆性材料 , 伸长率几乎为零 , 断裂强度很低 , 氢化时形成氢化物的局部区域产生体积膨胀和内应力。当内应力超过 Nd2Te14B 化合物的断裂强度时 , 就会产生爆裂 , 引起穿晶断裂。 NdTeB 铸锭的氢爆能够在室温下进行 , 富Nd边界相的存在起着重要作用。因为室温下Nd2Te14B 单相根本不吸氢 , 即使在较高的压力下也不吸氢 , 只有加热到 433 K左右和中等氢压下才能激发 Nd2Te14B 相吸氢。吸氢时 , 晶间富Nd相起着氢的扩散通道的作用 ,

15、 富 Nd 相吸氢放出的热量将激活氢扩散进入Nd2Te14B 基体相, 导致主相吸氢, 并放热。 吸氢后生成的氢化物Nd2Te14BHx 和NdHy 中的 x , y 值与放热量的大小取决于所在温度与氢气压力, 并产生不同的膨胀量如Nd2Te14BH2. 7的体积膨胀率为4. 8 %左右, 而Nd9Fe5的体积膨胀率为 10. 1 %左右。 由于二者不同的膨胀率所产生的应力将导致已吸氢的部分从未吸氢的部分剥落出来。 富Nd 相首先吸氢并从材料表面剥落下来后, 将导致主相和随后颗粒中心部位的富Nd相吸氢。 由于爆裂使材料的表面积增加, 氢的扩散速度将快速增加。如果颗粒的表面积增加 n倍, 氢的扩

16、散速度将增加 n2倍。 此外, 氢爆是一个强烈的放热过程, 温度的升高将导致氢的扩散系数增加,从而加速扩散和爆裂,最后导致NdTeB 铸块或颗粒完全粉化。 若经过多次的吸氢/脱氢循环处理可使其粉末颗粒尺寸进一步降低到10m以下。在此情况下,近年来氢粉碎工艺应运而生。它利用合金或金属在一定的条件下,吸氢或脱氢以可逆的原理来工作,与机械破碎有着本质的区别,这个过程包括一系列复杂的物理、化学变化。过程是:NdTeB 铸锭吸氢后,形成氢化物,产生晶格膨胀,巨大的内应力会使铸锭产生微裂纹,材料会变得疏松乃至成为粗粉末;随后再经过加热脱氢处理,大部分主相氢化物会变回主相,并释放出氢气。此后经过气流磨破碎,

17、这样制作的粉末可以很好的满足粉末要求的1 、2 、3 、4 条,并且在氢气气氛中破碎的粉末吸附有还原性的气体,还可以有效的阻止粉末的氧化满足要求5 的条件。 工艺过程1）压力检查（1）真空检查（抽真空到5Pa,15分钟后压力如果小于100Pa，证明炉子不漏气） （2）正压检查（充氩气到130KPa,十分钟后，压力如果大于120KPa，证明炉子不漏气，大气压力101KPa）2）吸氢过程开启氢气管道的控制阀，往粉碎器输入已设定压力（200 KPa（相对压力）或300 KPa（绝对压力）、纯度为99.9%的氢气，NdTeB合金经过一个短时间孕育期之后，吸氢过程开始，即NdTeB合金铸锭块料自动爆裂碎

18、化，其过程伴随放热，温度升高，温度在100150，当温度高于200，应报警，人工检查炉况。当粉碎器内氢气压力稳定3）氩气置换先自然排氢到大气中，到70 KPa，再用氩气置换氢气，氩气密度大，沉在炉底，用4倍的体积置换，控制流量。大约需要40分钟的时间。NYNYNNYY耐压真空检测充入氩气（130Kpa）报警人工检测炉况计时（10分钟左右）压力大于120Kpa？启动真空泵（抽至5Pa）炉子不漏气计时（15分钟左右）压力小于100pa？炉子不漏气充入氢气（200Kpa）测温大于200摄氏度？报警人工检测炉况监视炉内压力200Kpa?报警人工检测炉况计时（2-4小时）通氩气置换（3倍以上体积）计时（

19、40分钟左右）抽真空加热脱氢（600摄氏度左右）计时（20小时左右）通氩气冷却（400Kpa左右）通氮气冷却计时（10小时左右）冷却出料图1.2 工艺流程图4）脱氢过程置换结束后，开启真空系统控制阀，启动真空泵，开启真空阀，抽排粉碎器内残余氢气，开启加热器使粉碎器（炉体）加热升温，有炉内加温（国外用石摸电阻）和炉外（国内）加温两种，加热电流550800A，电压十几伏。粉碎器内物料在氛围温度下（加热到600左右）脱氢，当粉碎器内真空度达到设定值（抽真空到5Pa），关闭真空系统。这个过程比较长，大约需要20个小时左右。5）冷却过程（1）通氩气冷却开启输入氩气控制阀，氩气经进气口充入粉碎器内，当粉碎

20、器内气压升至400KPa后，关闭氩气进气阀，启动增压泵，粉碎器内物料在氩气保护下循环冷却。同时开启鼓风机，进行粉碎器外风冷。（2）通氮气冷却当粉碎器内温度降至60时，再通入氮气冷却。（3）真空冷却6）出料 冷却过程大约需要10个小时以上，冷却后出料。7）安全问题 （1）设备应安装在通风的地方。配置氢报警装置 。 （2）氢气通过专用管道进入车间，室内不得放置氢气瓶。工作现场严禁明火 。（3）不允许无值守操作 。（4）设备工作时，自动进行密封性和气密性的检查，保证任何时候任何地方出现超标的泄漏都能随时发现及时解决。 （5）必须在排除空气后才能充入氢气，避免产生危险的混合气。 （6）突发停电本机自动

21、关闭电源。 （7）氢气放空管排放高度应高于屋顶，排放时用氮气稀释。8）紧急预案 （1）在氢报警装置发出报警之后如果发生在吸氢阶段，立即终止工作循环寻找氢气的泄漏源，在泄漏处理之后才能开始新一轮的工作循环。 （2）在发生突然停电之后 立即关闭氢气手动阀门和控制柜空气开关，待来电之后，按不同情况分别处理： a、停电发生在吸氢阶段，虽停电不影响吸氢，但氢气阀自动关闭了，此时关闭手动阀，待来电后从新开始工作循环。 b、停电发生在冷却或冷却阶段之后，停电不影响冷却。 c、停电发生在活化阶段，来电后从头活化。 反应曲线反应曲线如图1.3所示。图 1.3 反应曲线钕铁硼的氢粉碎（块到粉末）是一个可逆的化学反

22、应过程，见式1-1和式1-2所示：（1-2）（1-1）钕铁硼合金在吸氢过程中是一个放热反应，氢粉碎处理500kg合金吸氢反应时环境温度不超过160，吸氢过程中研究人员发现，吸氢压力越大吸氢速度也越快。吸氢过程大约需要24个小时合金简言之，本课题的设计目标就是在氢粉碎过程中，通过优化控制各种工艺参数，让钕铁硼铸块在吸氢阶段吸氢充分、快捷，尽量缩短孕育期；在脱氢阶段脱氢迅速、彻底（实际上不可能完全脱净）。采用本系统后，可以使钕铁硼氢粉碎处理中，吸氢和脱氢充分且快速，达到缩短生产周期、之目的。 技术要求 本设计实现的技术要求如下：1、实现手动控制和自动控制转换功能；2、压力检测与显示；3、温度检测与

23、显示；4、检测真空度；5、实现吸氢过程的压力控制；6、实现脱氢过程的温度控制；工艺要求的微米数不一样，与金属钕含量、镝含量有关。脱氢温度与材料有关。对于氢粉碎工艺计算机控制系统而言的控制器可以采用以下方式实现：1、由电气控制电路和模拟运算电路构成，其缺点是：电路复杂、故障点多、一旦出现故障很难排查，精度不高、操作复杂。2、采用PLC组成控制系统，其特点是：精度高、响应快、操作简单。其缺点是成本高，另外PLC的体系结构是封闭的，各PLC厂家的硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统也各异，当用户选择了一种PLC产品后，必须选择与其相应的控制规程，并且学习特定的编程语言。3、以微处理器（单片机）为代表

24、的芯片处理系统，采用单片机对氢粉碎炉进行控制，外围接口电路简单，控制系统可靠，具有较强的抗干扰能力。单片机就是将计算机的几个基本的组成部分集成到一块芯片中了，使得一块集成电路芯片就是一部微型计算机，具备了一般计算机的功能。为了加强单片机的控制功能，内部还集成了定时/计数器。单片机的主要优点：1）体积小、成本低、运用灵活、能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器。2）面向控制、能有针对性地解决各类控制任务、能获得最佳性能价格比。3）抗干扰能力强、适应温度范围广、在各种恶劣的环境下都能可靠的工作。4）功耗小、在供电不方便的时候也能正常运行。为此，我设计了采用MCS-51系列单片机中80C52芯片单片

25、机，经过扩展存储器、接口和面板操作开关等，组成功能比较完善、抗干扰性能较强的系统。本章介绍了氢爆碎工艺的设计背景，该课题的来源、目的、意义及研究范围等；同时重点介绍了氢破碎工艺的原理及其性能，最后介绍了完成本系统可采用的技术手段以及自己选择单片机进行控制的原因。第二章 系统设计在控制系统中最常用的控制算法是传统的PID策略，其原理图如图2.1所示。积分控制比例控制微分控制对象-输入输出图2.1 PID控制框图PID控制是指：比例（P）控制、积分（I）控制和微分（D）控制。其控制的数学模型见式（2-1），即：(2-1)式中： KP-比例增益；TI -积分时间常数；TD-微分时间常数；t -时间；

26、u0-控制量u(t) 初始值；e -偏差。式（2-1）表明，系统控制量u(t) 是偏差e(t) 的比例、积分、微分控制的组合。PID控制蕴藏了自动控制系统动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息。其中比例（P）控制代表当前的信息，起纠正偏差的作用，使过程的动态响应迅速，是对于偏差e 的即时反应。微分（D）控制是按偏差变化的趋势进行控制，有超前控制的作用，代表将来的信息，在动态调节过程开始时强迫系统进行动态调节，在动态调节过程结束时减小超调，克服震荡，提高系统的稳定性。积分（I）控制代表过去积累的信息，能消除系统的静态偏差，改善系统的静态特性。PID三种作用配合得当，可以使系统的动态调节过程快速

27、、准确、平稳。在PID控制中，KP 、TI 、TD 等参数值直接影响着系统的动态性能。在确定PID的参数时，可采用理论方法，也可以采用实验方法。采用理论方法确定PID参数往往需要有被控对象的精确数学模型。确定PID参数是先比例、后积分、在微分，其步骤为：1）、首先加入比例部分，将KP 由小变大，并观察相应的系统响应，直至性能指标满足要求为止。2）、若静态误差不能满足要求，需要加入积分环节。首先取较大的TI 值，略降低 KP；然后，逐步减小TI，反复调整TI 和KP，直至系统得到所需要的动态性能，且静态误差得到消除为止。若经反复调整，系统动态过程仍不满意，可加入微分环节。TD从零开始，随后逐步增

28、大。同时反复改变KP和TI，反复调整三个参数，最后得到一组合适的参数。吸氢压力控制模型和脱氢温度控制模型拟在常规PID控制的基础上，增加压力、温度预报和增益自适应功能，即依据所检测到的压力、温度参数以及原料属性及工艺阶段等参数，预报下一时刻的合适压力或温度。根据预报确定下一时刻的PID控制参数值，以达到工艺参数实时动态控制、提高吸氢、脱氢速率。考虑到实际中存在许多不能被检测到的复杂因素以及氢粉碎不同阶段的不同炉况特点，吸氢、脱氢控制模型拟采用神经元网络技术，以求取得控制的最佳效果。数字控制系统的总体方案设计包括以下几点：（1）估计存储器容量、进行内存分配：存储器容量主要根据控制程序量和数据量以

29、及堆栈的大小来估计，并且要考虑到是否需要外存以及内存的扩充。不同功能的程序最好分配在不同的内存区域，并要考虑到便于系统的扩展和工作速度的提高。在I/O端口地址按存储器统一编址的系统中，一般要选择某一个内存区域作为I/O端口地址区。这个区域的选择必须注意不能打断整个系统内在的连续性，并应让所有I/O端口地址号尽可能靠在一起，以利于译码和扩展。（2）过程通道和中断处理方式的确定：确定过程输入输出通道是总体设计中的重要内容，通道应根据控制对象所要求的输入输出参数的个数，来确定系统输入输出通道。在估算和选择通道时，应着重考虑：数据采集和传输所需的输入输出通道数；是否所有的输入输出通道都使用同样的数据传

30、输率；它们是串行操作还是并行操作；是随机选择还是按某种预订的顺序工作；模拟量输入输出通道中字长选择多少位等。中断方式和优先级别应根据被控对象的要求和微处理器为其服务的频繁程度来确定。一般用硬件处理中断响应速度比较快，但要配备中断控制部件。用程序处理中断响应的速度要慢一些，但比较灵活，一旦情况发生变化，改变比较容易，适应性较强。（3）硬件和软件的具体设计：硬件和软件有一定的互换性。多用硬件完成一些功能，可以改善系统性能，加快工作速度，但由此也会增加系统的硬件成本。若用软件代替硬件的功能，虽然可以减少元件的数量，但系统工作速度相应降低。基本硬件由CPU、存储器、输入输出(I/O)接口电路、电源、键

31、盘等组成。I/OD/A转换A/D转换传感器CPU中央处理单元加热信号显示及键盘存 储 器电 源单片机是在一片芯片上集成了CPU、ROM/RAM/EPROM/E2PROM、定时器/计时器以及各种I/O接口等构成的一个完整的数字处理系统。单片机具有如下特点：1.体积小，重量轻，功耗低，功能强，性价比高。2.抗干扰能力强。3.结构灵活，易于组成各种微机应用系统。4.应用广泛。一、扩展芯片（1）程序存储器(ROM)：扩展程序存储器常用的芯片是EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）型（紫外线可擦除型），如2716（2K8）、2732（4K8）、2764

32、（8K8）、27128（16K8）、27256（32K8）、27512（64K8）等。另外，还有+5 V电可擦除EEPROM，如2816（2K8）、2864（8K8）等等。（2）数据存储器：常用的外部数据存储器有静态RAM（Static Random Access MemorySRAM）和动态RAM（Dynamic Random Access MemoryDRAM）两种。前者读/写速度高，一般都是8位宽度，易于扩展，且大多数与相同容量的EPROM引脚兼容，有利于印刷板电路设计，使用方便；缺点是集成度低，成本高，功耗大。后者集成度高，成本低，功耗相对较低；缺点是需要增加一个刷新电路，附加另外的成

33、本。一般情况下，SRAM用于仅需要小于64 KB数据存储器的小系统，DRAM经常用于需要大于64 KB的大系统。（3）I/O扩展集成芯片：I/O扩展集成芯片可分为两种类型：专用I/O扩展芯片，这类芯片专用于扩展I/O口，如8255；I/O扩展复合芯片，这类芯片除能扩展I/O口外，还能通过它再扩展其他外围功能电路，如8155。二、键盘/显示接口键盘是操作者与数控技术交换信息的主要设备之一，操作者使用键盘进行程序的输入和编辑，按键一般通过三态缓冲器或8255，8155等并行I/O接口芯片与CPU或单片机相连，有并行和矩阵两种连接方式。显示器是操作者与数控技术交换信息的另一主要设备。它是程序输入编辑

34、的窗口和系统状态监视的窗口。显示器的种类很多，常用CRT显示器和LED显示器。由于发光二极管LED功耗小、亮度强、控制简单可靠，且价格低，因此LED显示器在经济型数控系统中得到广泛应用。对键盘/显示器接口的设计应满足两个要求：1功能技术要求；2可靠性高。但系统不同，要求就不同，接口设计也就不同。对一个键盘/显示器接口设计应从整个系统出发，综合考虑软、硬件的特点，合理分配软、硬件的比重。在应用系统设计中，一般都是把键盘和显示器放在一起考虑。三、开关量接口电路在系统中有许多被控制或检测的点都属于开关量，如各种操作检测开关的通断，继电器的吸合与释放，电磁阀的打开与关闭等都属于开关量信号。对于开关量输

35、入/输出通道有下列主要的技术要求。（1）应使开关量信号为单片机便于识别的“0”和“1”或“低电平”和“高电平”，而对单片机输出开关量控制电磁阀或继电器，必须设置驱动放大环节，以便于驱动继电器动作。（2）开关量输入/输出通道应能良好地隔离外围设备、电源对单片机的干扰。可采用光电耦合电路对外围设备和设备电源等进行隔离，并实现不同电源的外围设备和单片机系统的接口。（3）开关量接口应注意避免出现悬空状态，及高阻态。为此，应在电路接入用于克服悬空状态的上拉（或下拉）电阻，以使系统稳定可靠。四、模拟量接口电路在系统中有许多模拟信号，如一些检测反馈信号。对于输入模拟信号，要通过数模（A/D）转换器将其转换成

36、数字信号后，单片机才能处理。可以采用AD574芯片。五、时钟和复位电路时钟电路根据选取的单片机及系统要求来确定。复位电路可以选择复位芯片来完成。有许多的复位芯片，如MAX809、MAX810、MAX813、MAX708等等。在该系统中需要采集的信号如表2.1表2.1 采集信号序号采样信号名称性质（开关、模拟）传感器占用硬件资源说明1温度信号模拟温度传感器P0口通过A/D转换2 压力信号模拟压力传感器P0口通过A/D转换控制量如表2.2表2.2 控制量序号控制量名称性质（开关、模拟）控制器占用硬件资源说明1真空泵开关驱动电路PC4-PC6无2加热器开关继电器，接触器 P12无3冷却带开关继电器，

37、接触器P11无3电磁阀开关继电器，接触器P13-P17无本章介绍了系统的控制原理和数学模型，还有系统总体设计方案，并且对系统总体设计方案的各个部分进行了简要概括和说明，最后是对采样信号和控制量的分析。数控控制系统有硬件系统和软件系统两大部分组成。控制系统在使用中的控制对象各不相同，但其硬件组成基本一致，在本设计中采用以单片机为核心的控制系统，使用MCS-51系列单片机中80C52芯片单片机，经过扩展存储器、接口和面板操作开关等，组成功能比较完善、抗干扰性能较强的系统。对于中央处理器来说，其主要功能和任务是数据计算和信息处理，同时能够进行实时监测系统的输入量、控制系统的输出量，实现自动控制。由于

38、单片机主要面向工业控制，工业环境比较恶劣，如：高温、强电磁干扰，甚至腐蚀气体，在太空中还要有强大的抗辐射能力。图3.1 MC-51系列单片机引脚图 图 3.2 CPU资源总线分配图 CPU选型 80C52是增强型MCS-51系列中较为常用的一种单片机，其具有特点如下：1、该单片机与标准型MCS-51芯片100%兼容，片内集成了3个16位定时/计数器，同时增加了向下计数和时钟输出功能，同时具有帧错误侦测和自动地址识别功能。2、为了方便外部RAM不同存储单元之间的数据传送，采用双数据指针DPTR（为此增设了辅助功能寄存器AUXR1）。3、 为了降低电磁辐射，允许关闭地址锁存信号ALE。为此增加了辅

39、助功能寄存器AUXR。4、 扩展了中断控制器功能，可以管理具有4个中断优先级的6个中断源，为此增加了高8位中断优先级控制器IPH。5、 普遍采用CHMOS工艺，工作电压低、范围宽（1.8V6.0V），可用电池供电，方便在野外作业使用。同时改进了电源管理功能，允许通过外部中断方式唤醒掉电模式。6、 时钟周期较高，其最高时钟频率可达33MHz。综合上述，在该系统的设计中系统所要求的各项性能指标采用该型号单片机完全可以胜任。 资源总线分配图CPU资源规划见图3.2所示，在该设计中P0作为数据和地址复用端口使用，P1口作为输入输出口使用，对系统的各个参数进行实时监测和控制。P2口作为地址专用端口，对扩

40、展芯片进行地址选通工作。P3口主要是多功能输入输出口。当中央处理系统内部存储单元内部数据存储器的存储量较小，不能满足实际需要时还要扩展数据存储器，另外，在单片机内部虽然设置了若干并行I/O接口电路，用来与外围设备连接，但是外围设备较多时，仅几个内部I/O接口是不够的，因此单片机还需要扩展I/O接口芯片。 程序存储器的扩展MCS-51系列单片机的程序存储空间和数据存储空间相互独立。程序存储器的寻址空间为64KB（0000H-0FFFFH），其中80C52内部有8KB的片内存储ROM，当片内存储器不够时需要扩展，常使用EPROM。由于MCS-51单片机的P0口是分时复用的地址/数据总线，因此，在进

41、行程序存储器扩展时，必须用地址锁存器锁存地址信号。通常地址锁存器可使用带三态缓冲输出的8位寄存器74LS373，也可以使用带清除端的8位锁存器74LS273。当用74LS373作为地址锁存器时，锁存端G可以直接与单片机的锁存控制信号ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。在该系统的设计中采用的程序扩展芯片位27128（8KB*8）EPROM存储芯片，其图3.3 MCS-51单片机程序存储器扩展电路要求供电源为+5V，维持电流位35-40mA，工作电流为75-100mA,读出时间为250ns，A0-A12位地址线；D0-D7位数据线；CE为片选线，低电平有效；OE是数据输出选通线，低电平有效；V

42、pp是编程电源；Vcc是工作电源；PGM是编程脉冲电源。因为27128用到13根地址线（A0-A12）。由于系统只扩展了一片程序存储器，故可将片选端OE直接接地。同时，80C52运行所需要的程序指令直接来源于27128，故要把EA端接地，否则80C52不会运行。 数据存储器的扩展80C52单片机内部有128B的RAM存储器。CPU对内部有丰富的操作指令。但在用于实际数据采集和处理时，仅靠片内的128B的数据存储器是远远不够的，在这种情况下，可以利用MCS-51的扩展功能扩展外部数据存储器。 如图3.4所示P26、P27端为10时6264选通，其余为高电平故其地址为EFFFH。如图3.4所示，因

43、为系统存储器的芯片不止一个同时还有A/D转换器、8255等芯片进行扩展，这时就采用图3.4高位地址译码法，即将CPU地址总线的低为作为存储器的片内译码信号，与存储器的地址总线直接相连。而CPU的高位地址线经过译码器译码后产生的信号作为不同的存储器芯片的片选信号或扩展I/O口信号。如果CPU所有的地址线均参与译码，系统中任一存储器芯片的任一存储单元将有惟一的地址编码，图3.4单片机扩展外部RAM的电路图那么这种高位地址译码法称为全译码法。其优点是每个扩展的单元的地址是唯一的。数据存储器只能使用WR、RD控制线而不用PSEN。正因为如此，数据存储器和程序存储器，均为0000H-0FFFFH，但数据

44、存储器与I/O口及外围设备是统一编址P0口为RAM的复用地址/数据线，P2口用于对RAM进行页面寻址（根据其容量不同，所占用的P2端口不同），在对外部RAM读写期间，CPU产生读写信号。 I/O扩展在MCS-51应用系统中，单片机本身提供给用户可使用的I/O口并不多，只有P1口和部分P3口。因此，大部分单片机应用系统设计中都不可避免的在单片机外部扩展I/O口。由于MCS-51的外部存储器RAM和I/O口是统一编址的，因此用户可以把外部64KB的数据存储器的空间的一部分接口作为外围I/O的地址空间。这样单片机就可以像访问外部存储器RAM一样访问外部接口芯片，对其进行读写操作。图3.5为常用的外围

45、I/O口扩展芯片8255的引脚图。8255引脚功能说明： RESET:复位输入线，当该输入端外于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。 图3.5 8255的引脚图 CS:片选信号线，当这个输入引脚为低电平时，表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯。 RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。 WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时，允许CPU将数据或控制字写8255。 D0D7:三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU 执行输入输出指令时，

46、通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。4键盘在单片机应用系统中是一个关键部件，它能向计算机输入数据、传输命令等功能，也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的组合。通常按键开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、分作用。由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合或断开时不会马上接通或断开，在闭合及断开的瞬间均伴有连续的抖动，抖动时间的长短有案件的机械特性所决定，一般为5-10ms18。键的闭合与否，反映在电压上是呈现高电平还是低电平，如果高电平表示断开，低电平则表示闭合，所以，通过高低电平的检测，便可以确定是否有按键按下。为了确保CPU对一次按键只确

47、认一次，就必须消除抖动的影响。消除按键抖动通常有软件、硬件两种方法。硬件防抖常采用双稳态消抖和滤波消抖电路，在按键较少时采用较多；如果按键较多则硬件防抖难以胜任，因此常采用软件防抖的办法，其原理是在第一次检测到有按键按下时，执行一段延时10ms的子程序后再确认是否有按键按下，如果有则就确认有按键按下，从而消除抖动，本系统采用软件防抖。矩阵式键盘的设计：矩阵式键盘适用于案件数量较多的场合，它有行线和列线组成，一个44的行列结构可以构成一个具有16个按键的键盘，其优点是比独立式键盘节省I/O口。按键在行、列线的交点上，行列线分别接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V的电源上。平时无按键按下

48、的时候其处于高电平，而当有按键按下时，则有列线电平所决定。如果列线电平为低电平，则行线为低电平；如果列线电平位高电平，则行线为高电平。这一点是识别有无按键按下的关键所在。由于矩阵键盘中的行线、列线为多键共用，每个按键均能影响该键所在的行电平和列电平。所以，必须将行电平和列电平配合起来处理，才能确定闭合点的位置。图 3.6 44矩阵键盘电路图对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，所以分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号，这将非常直观的。如12H表示第1行第2列的按键，而A3H则表示第10行第3列的按键等等。但是这种编码对于不同的键，离散性大

49、，因此不利于散转指令。所以常采用依次排列键号的方式进行编码。以44键盘为例，可将编码为01H，02H，09H，0AH，0FH，10H共16个。无论以何种方式编码，均应以处理问题方便为原则，而最基本的是键所处的物理位置即行号和列号，它是各种编码之间相互转换的基础，编码相互转换可以通过查表的方式实现。 在单片机系统中，常采用的显示器有：发光二极管（LED）显示器，液晶显示器（LCD），荧光屏显示器。在该系统中采用7段码LED显示器，共阴极动态显示。在动态显示电路中虽然每次只点亮一个LED数码管，但是由于人的视觉暂留就使得人们看到的是一个连续的显示。LED不同位显示的时间间隔可以通过定时中断来完成，

50、在该系统的设计中硬件译码电路由74LS48来完成，其引脚图接线图如图3.7所示。图3.7 74LS48的引脚图表3.1 74LS48的功能表3.4.1 信号采样电路设计在该系统的设计中，需要采集的信号为氢粉碎炉内温度和压力，通过温度传感器和压力传感器进行检测，其检测信号通过A/D转换器17，送入单片机的P1口，然后由单片机进行处理。在本设计中采用的是12位A/D转换器AD574A，A/D574是美国模拟器件公司生产的12位逐次逼近型快速A/D转换器。其转换最快速度为35S转换误差为0.05%，是目前我国应用最广泛，价格适中的A/D转化器。加之其内部含三态输出缓冲电路，可以直接与各种微处理器相连

51、，且无需附加逻辑接口电路，便能与CMOS及TTL电平兼容。内部配置高精度的参考电压源和时钟电路，使它不需要任何外部电路和时钟信号，就能够完成A/D转换功能，应服用十分方便。在AD574A上有两组控制引脚，即通用控制引脚（CE、CS和R/C），以及内部寄存器控制输入引脚（12/8和A0）。通用功能引脚入下表3.2值得注意的是：1、转换器的启动和数据的读出由CE、CS和R/C引脚来控制。当CE=1，CS=0且R/C=0时，转换过程开始，当CE=1，CS=0且R/C=1时，数据可以被读出。由图3.8其转换电路所示其CS端由74LS139译码得到，其读信号由80C52的读信号端来进行控制读取。2、A0

52、为字节选择端。A0的引脚有两个作用，一是选择时间转换长度；二是与8位微处理器兼容时，用来选出读出字节。在转换之前，设A0=1，AD574A按8位转换周期，转换完成时间为25s，这与12/8的状态无关，在读的周期内，A0=0高四位数据有效；A0=0，低四位有效。注意，如果12/8=1，此时的状态不起作用。AD574A共有五根控制逻辑线，用来完成寻址、启动、和读出功能，现根据表3.2和图3.8设计方案进行说明：1、图3.8中两个滑动电阻的设置，其作用是为了进行零位的调整。2、由于和单片机的P0口进行数据传输，同时数据格式选择端12/8恒为低电平（接地），所以数据分两次读出,字节控制端A0由P0.0

53、口经锁存器控制。在转换过程中，当A0=0,按12位转换；读数时，P0.0=0读取高8位数据，当P0.0=1时，则读取低4位数据。同时作为片选端P2.6、2.7为10片被选中，所以其读高8位地址为：BFFEH，读低4位地址为：BFFFH。3、由于和单片机的P0口进行数据传输，同时数据格式选择端12/8恒为低电平（接地），所以数据分两次读出。4、启动A/D转换读取转换结果，由CE、CS和R/C引脚来控制。图中CS由译码器74LS139译码结果作为片选信号，CE始终接再高电平端，R/C控制器由单片机的WR进行控制，所以只有在译码器的CE输入为低电平和单片机发出读信号后才能读取数据，不发出读信号只有译

54、码端输出时A/D进行数据的转换。CECSR/C12/8A0操作0禁止1禁止1000启动12位转换1001启动8为转换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8位101接地1低四位加上尾随4个零位有效表3.2 AD574控制信号组合表图 3.8 AD574与80C51的接口电路5、在该采样系统中，读取数据方式定是采样的方式，虽然是实时较差了点但是足可以满足该系统的设计要求。1主要技术参数1）输出形式：420mADC 05VDC 2）供电电源：24VDC 3）准 确 度：0.5 0.25 4）介质温度：20855）环境温度：10606) 响应时间：30mS7) 负载能力：电流型600（不带显示） 300（带显示） 电压型 3K8) 过载压力：2倍9) 过程连接：M20X1.5外螺纹 2.选型表JYB-K产品系列代号O不防爆型B防爆型P防护型铸铝外壳A电流输出V电压输出 G-表压A-绝压1420mADC（可带显示