畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)紙機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、目 錄第一章 緒論- 1 -11 課題研究的目的和意義- 4 -12 紙機(jī)的工藝過(guò)程- 4 -13 造紙過(guò)程國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀- 5 -131 國(guó)外造紙概況- 6 -132 國(guó)內(nèi)造紙發(fā)展概況- 6 -14 本課題的研究?jī)?nèi)容- 7 -第二章 系統(tǒng)總體方案論證- 8 -21 控制系統(tǒng)方案的確定- 8 -211 控制系統(tǒng)類(lèi)型的確定- 8 -212 微控制器方案的確定- 9 -22 輸入輸出通道方案的確定- 10 -221 模擬量輸入通道方案的確定- 10 -222 模擬量輸出通道的確定- 12 -23 系統(tǒng)外部設(shè)備的確定- 13 -231 鍵盤(pán)的選擇- 13 -232顯示器的選擇- 14 -233 報(bào)警

2、系統(tǒng)- 14 -24 系統(tǒng)總體框圖- 14 -第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)- 16 -31 8031單片機(jī)的最小系統(tǒng)- 16 -311 8031單片機(jī)的引腳結(jié)構(gòu)- 16 -312 地址鎖存器74ls373- 18 -313 程序存儲(chǔ)器27128- 19 -314 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)- 21 -315 復(fù)位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)- 22 -32 輸入輸出通道的設(shè)計(jì)- 23 -321 輸入通道的設(shè)計(jì)- 24 -322輸出通道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)- 27 -33 外圍設(shè)備電路的設(shè)計(jì)- 29 -331鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)- 29 -332顯示電路的設(shè)計(jì)- 30 -34 報(bào)警系統(tǒng)及電源設(shè)計(jì)- 31 -第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)- 33 -41

3、程序設(shè)計(jì)方法和程序語(yǔ)言的選擇- 33 -42 主程序的設(shè)計(jì)- 34 -421 中斷服務(wù)子程序的設(shè)計(jì)- 34 -422 采樣子程序的設(shè)計(jì)- 36 -423 數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)- 37 -424 報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)- 38 -425 按鍵子程序設(shè)計(jì)- 39 -43 系統(tǒng)pid的設(shè)計(jì)- 39 -結(jié)束語(yǔ)- 42 -致 謝- 43 -參考文獻(xiàn)- 44 -附錄1 程序清單- 46 -附錄2 系統(tǒng)硬件圖- 56 - 第一章 緒論11 課題研究的目的和意義紙張是人們生活和工作所不可缺少的，在人們的生活中占著重要地位。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)，科學(xué)文化教育事業(yè)的發(fā)展，對(duì)紙張的需要無(wú)論是數(shù)量還是質(zhì)量都大大提高了。造紙機(jī)是生產(chǎn)紙張的

4、主要工具,造紙機(jī)生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行的好壞對(duì)紙張的產(chǎn)量，質(zhì)量以及原料的消耗關(guān)系很大。造紙工業(yè)是許多國(guó)民經(jīng)濟(jì)配套的、必要的重要原材料工業(yè)。隨著人們生活水平的提高，紙和紙板所需的品種和數(shù)量日益增長(zhǎng)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有越來(lái)越重要的地位。我國(guó)造紙工業(yè)的發(fā)展前景十分樂(lè)觀(guān)，但與國(guó)外造紙工業(yè)相比，還有一定差距。我國(guó)造紙工業(yè)技術(shù)落后，自動(dòng)化程度很低，絕大部分生產(chǎn)流程還是人工操作，限制了我國(guó)造紙工業(yè)的發(fā)展。另一方面，人們對(duì)紙的質(zhì)量和產(chǎn)量要求越來(lái)越高，但是日益嚴(yán)重的世界性能源緊張和工業(yè)污染問(wèn)題，迫使能量消耗多、污染影響大的紙漿造紙業(yè)采用各種措施來(lái)減少污染，降低能耗。整個(gè)制漿造紙生產(chǎn)過(guò)程變得越來(lái)越復(fù)雜，人工操作難以保證達(dá)到產(chǎn)

5、品質(zhì)量，對(duì)造紙過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制迫在眉睫。所以研究紙機(jī)生產(chǎn)過(guò)程的控制是有意義的。在紙張生產(chǎn)中，表示紙張的質(zhì)量有一系列指標(biāo)，如定量，水份，灰份，平滑度，光潔度等，其中最重要的是定量和水份。定量就是單位面積紙的重量，它反映了紙張的厚度和均勻度。水份就是紙中的含水率，起值過(guò)高，將導(dǎo)致紙頁(yè)容易撕裂，過(guò)低有會(huì)導(dǎo)致紙張發(fā)脆，撕裂度差。在質(zhì)量檢驗(yàn)時(shí)，要求這兩項(xiàng)指標(biāo)都落在一定的公差范圍之內(nèi)。定量控制的效益來(lái)自定量偏差的減小。假如生產(chǎn) 100 克/米 的紙張，允許定量偏差為5 克/米 ，若實(shí)現(xiàn)下偏差卡邊控制后，使定量穩(wěn)定在 96 克/米 ，生產(chǎn)同樣長(zhǎng)度的紙，可節(jié)約紙漿 4。相反，實(shí)現(xiàn)上偏差卡邊控制后，使定量穩(wěn)定在

6、 104 克/米 ，生產(chǎn)同樣長(zhǎng)度的紙，就多用紙漿 4。水分控制與定量控制類(lèi)似。從生產(chǎn)者來(lái)說(shuō)，總是希望產(chǎn)品的定量靠近公差的下限，這樣可以節(jié)省原料；同時(shí)希望水分靠近公差的上限，這樣既可以減少烘干所需能源，又可以增加成品紙的重量，在不增加原料能耗的情況下增加產(chǎn)量。但是在生產(chǎn)過(guò)程中，由于種種干擾因素的影響，定量和水份的波動(dòng)總是存在的，它們都是圍繞各自平均值上下波動(dòng)的隨機(jī)變量。因此，為了保證產(chǎn)品合格率，必須使定量的平均值高于公差下限。12 紙機(jī)的工藝過(guò)程紙機(jī)按結(jié)構(gòu)（主要是網(wǎng)部結(jié)構(gòu)）不同，有長(zhǎng)網(wǎng)紙機(jī)，圓網(wǎng)紙機(jī)，夾網(wǎng)紙機(jī)和復(fù)合紙機(jī)幾種類(lèi)型。它們的基本組成相同，都是由網(wǎng)部、壓榨部、干燥部和卷紙機(jī)等組成。長(zhǎng)網(wǎng)造

7、紙機(jī)與其他三種的不同之處，主要是網(wǎng)部由網(wǎng)籠和網(wǎng)槽組成。長(zhǎng)網(wǎng)造紙機(jī)是造紙工業(yè)中使用最廣泛的一種造紙機(jī)。如圖1-1所示：典型長(zhǎng)網(wǎng)造紙機(jī)可以看作由多臺(tái)設(shè)備組成的聯(lián)動(dòng)機(jī)，通常分為濕部和干部?jī)刹糠?。濕部包括漿料流送設(shè)備、網(wǎng)部和壓榨部；干部包括干燥部、壓光機(jī)和卷紙機(jī)（切紙機(jī)）。圖11紙張生產(chǎn)過(guò)程系統(tǒng)示意圖經(jīng)過(guò)打漿處理的濃紙漿（濃度約為3%），用回水池中的水稀釋到0.3%左右，通過(guò)除砂與過(guò)濾處理后送入稀漿池中。在這里把滑石粉等填料假如稀漿池中，再把稀漿池中的稀漿用泵打入流漿箱內(nèi)。流漿箱里的液位和壓力都要求保持恒定，以保證稀紙漿以恒定的速度由流漿箱均勻地噴到銅網(wǎng)上。銅網(wǎng)上紙漿中的紙纖維量就決定了成品紙張中所含

8、的紙纖維量。它的多少直接影響紙張的厚度，即紙張的定量。紙纖維量由濃紙漿的流量來(lái)控制。紙漿在網(wǎng)上被脫水，然后在烘干缸段被擠壓，烘干和壓光。紙漿脫水和紙頁(yè)烘干由電機(jī)拖動(dòng)勻速前進(jìn)，最后成為成品紙卷在卷筒上。烘缸內(nèi)充有蒸汽，蒸汽流量控制著烘干的程度，即紙張水份的含量。紙張的定量和水份分別由卷筒前面的射線(xiàn)測(cè)厚儀和紅外線(xiàn)濕度計(jì)來(lái)測(cè)定，又分別通過(guò)調(diào)節(jié)漿料閥門(mén)和蒸汽閥門(mén)來(lái)得到控制。13 造紙過(guò)程國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀造紙起源于我國(guó)，是我國(guó)古代的四大發(fā)明之一。我國(guó)東漢時(shí)期的蔡倫制成了人類(lèi)歷史上的第一張紙，開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)社會(huì)文明進(jìn)步的新紀(jì)元,對(duì)世界文明的發(fā)展與進(jìn)步，做出了無(wú)與倫比的貢獻(xiàn)。約 200 年前，機(jī)制紙技術(shù)首先在歐洲

9、出現(xiàn)，后逐漸傳播到世界各地。至今只有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家不能造紙，絕大多數(shù)國(guó)家都擁有自己的造紙工業(yè)。隨著文化和信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，造紙業(yè)在全世界產(chǎn)業(yè)中的地位已經(jīng)變得越來(lái)越重要，被列為國(guó)民經(jīng)濟(jì)十大支柱制造產(chǎn)業(yè)之一。紙與紙板的消費(fèi)水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一。1995 年，全球造紙工業(yè)的總銷(xiāo)售額為 2600 億美元，總資產(chǎn)為 4000 億美元。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（fao）的統(tǒng)計(jì)，全球紙和紙板產(chǎn)量已由 1950 年的 4300 多萬(wàn)噸發(fā)展到 1998 年的 3.01 億噸。建國(guó)以來(lái)，特別是改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)造紙工業(yè)得到了快速發(fā)展。紙和紙板的產(chǎn)量從 1950 年的 38 萬(wàn)噸猛增到 200

10、1 年的 3200 萬(wàn)噸，已躍居世界第三位。按產(chǎn)量排序，我國(guó)目前可以稱(chēng)為紙業(yè)大國(guó)，但我國(guó)決不是紙業(yè)強(qiáng)國(guó)11-13。131 國(guó)外造紙概況隨著控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，制漿造紙工業(yè)的自動(dòng)化也得到了較快發(fā)展。國(guó)外對(duì)制漿過(guò)程計(jì)算機(jī)控制的研究始于上世紀(jì)六十年代末，在此期間，研究者建立了各種能適用于計(jì)算機(jī)控制的數(shù)學(xué)模型。七十年代初出現(xiàn)了以電子計(jì)算機(jī)為中心的對(duì)整個(gè)制漿過(guò)程進(jìn)行控制的自動(dòng)化系統(tǒng)。1974 年瑞典 modocell ab 和 asealme automationab 公司,研制出具有蒸鍋內(nèi)堿液濃度在線(xiàn)分析的間歇蒸煮計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1。目前國(guó)外先進(jìn)的間歇計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般都是由過(guò)程級(jí)、優(yōu)化級(jí)和管理

11、級(jí)三級(jí)組成，能對(duì)整個(gè)制漿過(guò)程的能源、原料、藥液和產(chǎn)量進(jìn)行優(yōu)化、管理和控制。國(guó)外對(duì)回收過(guò)程的動(dòng)態(tài)建模和控制方面的研究始于五六十年代，但至今建立的各種模型大多是過(guò)阻尼類(lèi)的線(xiàn)性模型，很難解釋多效蒸發(fā)系統(tǒng)的欠阻尼振蕩現(xiàn)象，而控制策略大多是 pid 反饋加前饋的傳統(tǒng)控制方法，現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用還不成熟。國(guó)外對(duì)抄紙過(guò)程計(jì)算機(jī)控制的研究始于五十年代末。美國(guó)于 1960 年最早實(shí)現(xiàn)了造紙過(guò)程計(jì)算機(jī)控制2-3。美國(guó)的 measurex 公司和 accuray 公司，以及德國(guó)的 lippika 公司，是當(dāng)今世界造紙機(jī)定量、水分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)最先進(jìn)的三家公司，這三家公司已有商品化的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它們的定量?jī)x、水分

12、儀、灰份儀、濃度儀、流量計(jì)、控制閥、掃描架和工業(yè)控制機(jī)都代表了當(dāng)今世界的最高水平。它們的成套技術(shù)和實(shí)施技術(shù)也是最高水平的，模型和控制算法比較簡(jiǎn)單。132國(guó)內(nèi)造紙發(fā)展概況我國(guó)造紙行業(yè)現(xiàn)有造紙廠(chǎng) 4330 個(gè)，造紙機(jī)近 10000 臺(tái)，其中長(zhǎng)網(wǎng)機(jī) 700 臺(tái)，大型圓網(wǎng)紙機(jī) 800 臺(tái)，大型圓長(zhǎng)網(wǎng)結(jié)合紙機(jī) 1200 臺(tái)11。1998 年全國(guó)造紙企業(yè)年產(chǎn)量在10 萬(wàn)噸以上的只有 32 家,急需用規(guī)?；同F(xiàn)代化技術(shù)取代舊模式。未來(lái)發(fā)展計(jì)劃的重點(diǎn)在新聞紙、印刷、書(shū)寫(xiě)紙和包裝紙，更多的低定量、高性能的產(chǎn)品將得到發(fā)展，低質(zhì)量的非木纖維產(chǎn)品將被淘汰。縱觀(guān)國(guó)內(nèi)外自控技術(shù)的發(fā)展情況，我國(guó)自動(dòng)控制技術(shù)的研究和應(yīng)用水平

13、還很欠缺，造紙過(guò)程控制更是如此。在國(guó)外被廣泛重視和應(yīng)用的單片機(jī)控制技術(shù)，模糊控制技術(shù)，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化技術(shù)在我國(guó)還處于剛起步階段。我國(guó)造紙企業(yè)中，1978 年之前還沒(méi)有一套造紙機(jī)定量、水分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)12。當(dāng)時(shí)全國(guó)造紙工業(yè)中只有一些常規(guī)儀表控制系統(tǒng)，用于鍋爐、蒸煮、打漿等工段的單回路控制，而且多在一些新建的大型紙廠(chǎng)，許多老廠(chǎng)和小廠(chǎng)的生產(chǎn)還是人工操作。1978 年，我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)了幾套定量水分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，用于大型紙機(jī)的控制，取得了經(jīng)驗(yàn)。后又陸續(xù)引進(jìn)了多套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，全國(guó)各大紙廠(chǎng)基本都有了計(jì)算機(jī)控制設(shè)備。引進(jìn)的控制系統(tǒng)多用于生產(chǎn)牛皮紙、新聞紙的大型高速紙機(jī)上，產(chǎn)量高，效益顯著。我國(guó)造紙企業(yè)

14、多為年產(chǎn) 0.5 萬(wàn)噸以下小廠(chǎng)，采用的造紙?jiān)隙酁椴轁{，對(duì)于這樣的小廠(chǎng)，引進(jìn)設(shè)備的投資往往超過(guò)其固定資產(chǎn)投資，而經(jīng)濟(jì)效益卻并不顯著。使用進(jìn)口設(shè)備的弊端是國(guó)外公司的技術(shù)保密，引進(jìn)后只能使用，而對(duì)其內(nèi)部硬、軟件原理都不能了解。設(shè)備維修和零配件更換仍需花費(fèi)大量外匯。對(duì)于大規(guī)模提高我國(guó)造紙工業(yè)自動(dòng)化水平極為不利。1983 年浙江大學(xué)造紙自動(dòng)化研究推廣中心進(jìn)行了紙機(jī)定量、水分控制系統(tǒng)的研制工作13。雖然當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)已有廠(chǎng)家引進(jìn)了幾套國(guó)外成套的紙機(jī)定量、水分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，但國(guó)外廠(chǎng)商的技術(shù)保密使得國(guó)內(nèi)的研究工作幾乎是白手起家。該中心也從事紙機(jī)數(shù)學(xué)模型開(kāi)發(fā)、控制方案設(shè)計(jì)、控制算法推導(dǎo)、工藝流程改造、儀表研制和計(jì)

15、算機(jī)硬件安裝調(diào)試、計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)等大量研究開(kāi)發(fā)工作。1984 年 7 月，國(guó)內(nèi)第一套紙機(jī)定量、水分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在浙江嘉興民豐造紙廠(chǎng)的 1 號(hào)紙機(jī)上運(yùn)行成功，取得了重大得經(jīng)濟(jì)效益，打破了外國(guó)壟斷造紙機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的局面。這套系統(tǒng)自 1984 年 7月開(kāi)始運(yùn)行，至今仍保持良好的性能，證明了國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性。目前該公司開(kāi)發(fā)成功了syqcs3000增強(qiáng)型定量水分控制系統(tǒng)、sygcs3000熱泵供汽控制系統(tǒng)、syncs3000紙漿濃度控制系統(tǒng)、syhcs3000 上網(wǎng)流送過(guò)程控制系統(tǒng)、sydcs3000 制漿造紙過(guò)程集散控制系統(tǒng)、sywis3000 在線(xiàn)紙病檢測(cè)系統(tǒng)、synet3000 制漿造紙企業(yè)

16、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)等面向制漿造紙行業(yè)自動(dòng)化系列產(chǎn)品。14 本課題的研究?jī)?nèi)容紙張質(zhì)量主要取決于兩個(gè)指標(biāo)：定量和水份。定量反映了紙張的厚度。水份與紙纖維和填料一起決定了紙張的定量。因此，控制的首要任務(wù)是使定量和水份保持在設(shè)定值上。本系統(tǒng)主要研究紙張定量的自動(dòng)控制，控制要求為：紙張定量設(shè)定值為100克/平方米；控制誤差為5克/平方米。第二章 系統(tǒng)總體方案論證單位面積紙張中所含紙纖維及填料的重量稱(chēng)為絕干定量，它可以從紙的定量和水份中算出（單位是g/m2）：絕干定量=定量-水份（g/m2）因此，在只研究對(duì)定量的控制時(shí)，為了消除水份對(duì)定量的耦合影響，可以采用絕干定量作為系統(tǒng)的輸出。從絕干定量的定義可知，它與紙的

17、含水量無(wú)關(guān)，也不受烘缸中蒸汽壓力的影響，因此實(shí)現(xiàn)了解耦，它只是由濃漿流量來(lái)決定。這樣絕干定量的控制就變成了一個(gè)單輸入單輸出的系統(tǒng)。一般的紙張絕干定量占定量的95%左右，含水約為5%，因此如果把絕干定量控制的很穩(wěn)定，波動(dòng)很小，那么定量的波動(dòng)也就可以大大減小了，因此可以直接利用單變量的控制方法來(lái)對(duì)絕干定量加以控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)定量的控制要求。21 控制系統(tǒng)方案的確定自動(dòng)控制系統(tǒng)包括開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制14。閉環(huán)控制能對(duì)輸入量和輸出量進(jìn)行比較，并且將他們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間的預(yù)定關(guān)系。因此閉環(huán)控制具有抑制內(nèi)、外擾動(dòng)，精度高等優(yōu)點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)高精度控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：

18、控制器檢測(cè)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu) 被控對(duì)象-圖2-1 控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)211 控制系統(tǒng)類(lèi)型的確定隨著計(jì)算機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，控制系統(tǒng)中的控制器也越來(lái)越多的采用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可分為操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制（ddc）系統(tǒng)、監(jiān)督控制系統(tǒng)（scc）和分布控制系統(tǒng)。在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的輸出不直接作用于生產(chǎn)對(duì)象，屬于開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)常用在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試階段，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)、處理及實(shí)驗(yàn)新的數(shù)學(xué)模型，調(diào)試新的控制程序等。直接數(shù)字控制系統(tǒng)的（ddc）是閉環(huán)系統(tǒng)，是微機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最普遍的一種應(yīng)用。該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是靈活性大。在常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)中，控制器一經(jīng)選

19、定，其控制方法也就確定了，要改變控制方法就必須改變硬件，這就往往難度較大。而在ddc系統(tǒng)中，由于微機(jī)代替了常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器，因此要改變控制方法，只要改變程序就可以實(shí)現(xiàn)了，無(wú)須對(duì)硬件線(xiàn)路作任何改動(dòng)。另外，計(jì)算機(jī)計(jì)算能力強(qiáng)，可以有效地實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制，用來(lái)改善控制質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益21。根據(jù)紙張定量控制系統(tǒng)的控制要求，本系統(tǒng)采用ddc系統(tǒng)。212 微控制器方案的確定微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，促進(jìn)了工業(yè)控制的進(jìn)步。目前，已有各種各樣的微型控制系統(tǒng)在工業(yè)中得到應(yīng)用。根據(jù)被控對(duì)象的規(guī)模主要在工業(yè)控制中使用的計(jì)算機(jī)可以有：std工控機(jī)、plc和單片機(jī)系統(tǒng)等。std總線(xiàn)工業(yè)控制機(jī)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種廣泛應(yīng)

20、用于工業(yè)過(guò)程控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它具有：（1）小板結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)；（2）標(biāo)準(zhǔn)化及兼容性；（3）面向i/o口設(shè)計(jì)；（4）高可靠性等特點(diǎn)。這種控制機(jī)采用std（standard）總線(xiàn)，該總線(xiàn)曾在20世紀(jì)80年代末20世紀(jì)90年代初風(fēng)靡了整個(gè)工業(yè)控制領(lǐng)域，但近年來(lái)隨著工業(yè)pc的發(fā)展，開(kāi)始逐漸退出歷史的舞臺(tái)?？删幊炭刂七壿嬈鳎╬rogrammable logical controller），簡(jiǎn)稱(chēng)plc，是早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)與微型計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合。它吸收了微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新成果，發(fā)展十分迅速。如今的plc幾乎無(wú)一例外地采用微處理器作為主控制器，又采用大規(guī)模集成電路作為存儲(chǔ)器及i/o接口

21、，因而使其可靠性、功能、價(jià)格、體積都達(dá)到了比較成熟和完美的境地，并以其卓越的技術(shù)指標(biāo)和優(yōu)異的抗干擾能力得到了廣泛的應(yīng)用，受到工業(yè)界的矚目。它具有：（1）可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)；（2）功能完善、擴(kuò)展方便、組合靈活、實(shí)用性強(qiáng)；（3）編程簡(jiǎn)單、使用方便、控制過(guò)程可變、具有很好的柔性；（4）體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)。由于plc是專(zhuān)為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)緊密、堅(jiān)固，體積小巧，易于裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備，但價(jià)格相對(duì)比較貴。單片微型計(jì)算機(jī)（single chip microcomputer），簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)。它是工業(yè)控制和智能化系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種模式。這種模式的最大特點(diǎn)是設(shè)計(jì)

22、者可根據(jù)自己的實(shí)際需求開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，因而更加方便，更加靈活，并且成本低。單片機(jī)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)相比具有很多優(yōu)點(diǎn)15：（1）單片機(jī)控制系統(tǒng)的算法靈活，控制功能強(qiáng)：不改變硬件即可改變控制算法及控制方式，從而提高系統(tǒng)的性能。容易實(shí)現(xiàn)較高級(jí)的控制。（2）單片機(jī)控制系統(tǒng)精度高，量程大：模擬調(diào)節(jié)器的精度通常為0.5%左右，而數(shù)字計(jì)算機(jī)的精度可通過(guò)擴(kuò)展字節(jié)不斷提高。對(duì)于15位有效字長(zhǎng)的單片機(jī)，其精度可達(dá)0.01%以上。單片機(jī)不存在模擬調(diào)節(jié)器零點(diǎn)漂移問(wèn)題，比較容易解決非線(xiàn)性特性以及各種噪聲干擾，通過(guò)重復(fù)測(cè)量可以有效的提高測(cè)量精度。（3）單片機(jī)控制系統(tǒng)的控制效率高：一個(gè)主機(jī)可以多路復(fù)用，

23、分時(shí)對(duì)通道進(jìn)行采集和實(shí)時(shí)控制。（4）單片機(jī)控制系統(tǒng)的可重復(fù)性強(qiáng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)由數(shù)字集成電路組成，受溫度、振動(dòng)等環(huán)境條件的變化影響不大，因此通常不須要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，同類(lèi)產(chǎn)品互換性強(qiáng)。（5）單片機(jī)控制系統(tǒng)可集中操作顯示：利用各種外部設(shè)備，可方便進(jìn)行打印、顯示、記錄、讀出數(shù)據(jù)及表格，容易實(shí)現(xiàn)各種邏輯判斷，越線(xiàn)警報(bào)等功能，可以隨時(shí)進(jìn)行參數(shù)在線(xiàn)修改，便于集中操作顯示16。（6）容易實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化：通過(guò)與上位計(jì)算機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)信息處理、生產(chǎn)管理、整體優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和控制管理一體化，提高自動(dòng)化程度。根據(jù)上訴單片機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)，以及本系統(tǒng)的控制要求，采用單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)紙張定量的自動(dòng)控制。mcs是intel公司生

24、產(chǎn)的單片機(jī)系列，它包括intel公司的mcs-48、mcs-51、mcs-96系列單片機(jī)。由于mcs-51系列單片機(jī)具有性能穩(wěn)定，價(jià)格低的特點(diǎn)，所以在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，主要采用mcs-51系列單片機(jī)。它主要包括三個(gè)基本型8031、8051、8751。本系統(tǒng)采用mcs-51系列單片機(jī)中的8031為中央處理單元。22 輸入輸出通道方案的確定被控過(guò)程的各種信息由傳感器檢測(cè)后，通過(guò)過(guò)程控制通道送到微型計(jì)算機(jī)中，經(jīng)過(guò)計(jì)算處理后發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，這些控制信號(hào)又通過(guò)過(guò)程通道輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而控制生產(chǎn)過(guò)程按要求的目標(biāo)有條不紊的運(yùn)行。因此，輸入輸出通道的設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。221

25、模擬量輸入通道方案的確定輸入通道主要包括傳感器和a/d轉(zhuǎn)換器。一、傳感器的確定傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指?jìng)鞲衅髦兄苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分，轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髂軐⒚舾性妮敵鲛D(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分。傳感器輸出信號(hào)有很多形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等，輸出信號(hào)的形式由傳感器的原理確定17。本系統(tǒng)中紙張定量是主要的檢測(cè)量，主要是檢測(cè)紙張的厚度。在厚度檢測(cè)中通常使用核輻射傳感器。本系統(tǒng)采用射線(xiàn)測(cè)厚儀測(cè)量紙張定量。從源發(fā)射出來(lái)的粒子穿過(guò)氣隙中的紙吸收掉一部分，未被吸收的穿過(guò)紙張?jiān)陔婋x室中產(chǎn)生一個(gè)小電流

26、，該電流是源和探測(cè)器間物質(zhì)質(zhì)量的函數(shù)，放大器測(cè)得該電流并變成電壓送到高精度電壓頻率轉(zhuǎn)換器，所產(chǎn)生的脈沖串在一個(gè)精確的時(shí)間間隔之內(nèi)，由一個(gè)計(jì)數(shù)器，并由計(jì)算機(jī)讀取，原理圖如2-2所示32。 圖 2-2 定量測(cè)量原理圖二、模擬量通道數(shù)及通道形式的確定本系統(tǒng)中需要對(duì)三點(diǎn)的紙張厚度進(jìn)行檢測(cè)，因此有三路模擬信號(hào)輸入。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中對(duì)于多路模擬量輸入的實(shí)現(xiàn)方法有兩種。（1）每個(gè)通道設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的a/d轉(zhuǎn)換器。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，精度高，工作可靠，即使某一通道出現(xiàn)故障也不會(huì)影響其它通道的工作，相應(yīng)的軟件也比較簡(jiǎn)單。但是，如果模擬量輸入通道較多，就會(huì)使系統(tǒng)造價(jià)增加很多，尤其是采用高精度的a/d轉(zhuǎn)換器

27、。（2）多通道復(fù)用一個(gè)a/d轉(zhuǎn)換器，并輔以多路模擬開(kāi)關(guān)和采樣保持器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種電路工作時(shí)，是由計(jì)算機(jī)通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)，分時(shí)地把一個(gè)a/d轉(zhuǎn)換器的輸出送至各個(gè)采樣保持器，對(duì)模擬電壓進(jìn)行保持。其優(yōu)點(diǎn)是成本較低，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度低、可靠性差18。為了降低成本，本系統(tǒng)采用第二種方案，即三路通道公用一個(gè)a/d轉(zhuǎn)換器。三、a/d轉(zhuǎn)換器的確定模擬量輸入通道的主要任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。能夠完成這一任務(wù)的器件叫做a/d轉(zhuǎn)換器。a/d轉(zhuǎn)換器的種類(lèi)很多，就位數(shù)來(lái)分，有8位、10位、12位、16位等。位數(shù)越高，其分辨率也越高，但價(jià)格也越貴。a/d轉(zhuǎn)換器就其結(jié)構(gòu)而言，有單一的a/d轉(zhuǎn)換器（如adc0831、a

28、d673等），有內(nèi)含多路開(kāi)關(guān)的a/d轉(zhuǎn)換器（如adc0809，adc0816均帶多路開(kāi)關(guān)）。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，又生產(chǎn)出多功能a/d轉(zhuǎn)換芯片，ad363就是它的一種典型芯片。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有16路多路開(kāi)關(guān)、數(shù)據(jù)放大器、采樣-保持器及12位a/d轉(zhuǎn)換器，其本身就已構(gòu)成了一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。近年來(lái)，隨著微型計(jì)算機(jī)的大量使用，出現(xiàn)了許多物美價(jià)廉的串行a/d轉(zhuǎn)換器，如max195等。根據(jù)輸入信號(hào)的最大值和最小值之差，按照下式可以計(jì)算出a/d轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)。本系統(tǒng)采用8位a/d 轉(zhuǎn)換器。 綜上所述，本系統(tǒng)采用adc0809作為a/d轉(zhuǎn)換器。222 模擬量輸出通道的確定模擬輸出通道主要包括d/a轉(zhuǎn)換器

29、和執(zhí)行器。一、執(zhí)行器的確定執(zhí)行器是構(gòu)成自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)不可缺少的重要部分。執(zhí)行器在系統(tǒng)中的作用是根據(jù)調(diào)節(jié)器的命令，直接控制能量或物料等被調(diào)介質(zhì)的輸送量，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)的目的。從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，執(zhí)行器一般都由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是執(zhí)行器的推動(dòng)部分，它按照調(diào)節(jié)器所給信號(hào)的大小，產(chǎn)生推力或位移；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，最常見(jiàn)的是調(diào)節(jié)閥，它受執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作，改變閥心與閥座間的流通面積，調(diào)節(jié)工藝介質(zhì)的流量19。根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的構(gòu)成使用的能源種類(lèi)，執(zhí)行器可分為氣動(dòng)、電動(dòng)、和液動(dòng)三種。其中，氣動(dòng)執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠、價(jià)格便宜、維護(hù)方便、防火防爆等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)控制中獲得

30、最普遍的應(yīng)用。電動(dòng)執(zhí)行器的優(yōu)點(diǎn)是能源取用方便，信號(hào)傳輸速度快和傳輸距離遠(yuǎn)；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、推力小、價(jià)格貴，適用于防爆要求不高及缺乏氣源的場(chǎng)所。液動(dòng)執(zhí)行器的特點(diǎn)是推力最大，但目前使用不多。本系統(tǒng)選用電動(dòng)執(zhí)行器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)31。二、 d/a轉(zhuǎn)換器的確定d/a轉(zhuǎn)換器的種類(lèi)很多，按輸入數(shù)字量位數(shù)來(lái)分，d/a轉(zhuǎn)換器有8位、10位、12位和16位等。按輸出形式來(lái)分，有電流輸出形式和電壓輸出型，其中電壓輸出型又有單極性輸出和雙極性輸出兩種形式。在選擇d/a轉(zhuǎn)換器時(shí)，通常從下面幾個(gè)方面考慮。（1）輸出形式d/a轉(zhuǎn)換器有兩種輸出形式，一種是電壓輸出形式，即給d/a轉(zhuǎn)換器輸入的是數(shù)字量，而輸出為電壓。另一種是電流

31、輸出形式，即輸出電流。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于電流輸出的d/a轉(zhuǎn)換器，如果要模擬電壓輸出，可在其輸出端加一個(gè)由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電路，將電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出。（2）d/a轉(zhuǎn)換器內(nèi)部是否有鎖存器由于d/a轉(zhuǎn)換是需要一定時(shí)間的，在這段時(shí)間內(nèi)d/a轉(zhuǎn)換器輸入端的數(shù)字量應(yīng)保持穩(wěn)定，為此應(yīng)當(dāng)在d/a轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸入端的前面設(shè)置鎖存器。對(duì)于內(nèi)部無(wú)鎖存器的d/a轉(zhuǎn)換器，需要在轉(zhuǎn)換器芯片的前面增加鎖存器。對(duì)于內(nèi)部帶有鎖存器的d/a轉(zhuǎn)換器，可與單片機(jī)直接相接。（3）字長(zhǎng)的選擇d/a轉(zhuǎn)換器輸出一般都通過(guò)功率放大器推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。設(shè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸入值為umax ,最小輸入值為umin，靈敏度為，可得d/a轉(zhuǎn)換器字長(zhǎng)14：

32、 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的電動(dòng)執(zhí)行器的控制信號(hào)是010ma控制電流,其啟動(dòng)電流(即控制死區(qū))通常是150a.代入公式有: 根據(jù)本系統(tǒng)的要求，選擇dac0832作為電路的d/a轉(zhuǎn)換器。23 系統(tǒng)外部設(shè)備的確定所謂人機(jī)交互接口，是指人與計(jì)算機(jī)之間建立聯(lián)系、交換信息的輸入/輸出設(shè)備的接口。這些輸入/輸出設(shè)備主要有鍵盤(pán)、顯示器和打印機(jī)等。它們是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中必不可少部分。231 鍵盤(pán)的選擇鍵盤(pán)是若干按鍵的集合，是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令及數(shù)據(jù)的接口設(shè)備。常用鍵盤(pán)為獨(dú)立式鍵盤(pán)和行列式鍵盤(pán)19-22。獨(dú)立式鍵盤(pán)就是各鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵各接一根輸入線(xiàn)，通過(guò)檢測(cè)輸入線(xiàn)的電平狀態(tài)可以很容易的判斷哪個(gè)按鍵被按下。在按鍵

33、數(shù)目較多時(shí)，獨(dú)立式鍵盤(pán)電路需要較多的輸入口線(xiàn)且電路結(jié)構(gòu)繁雜，故此種鍵盤(pán)適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。行列式（也稱(chēng)矩陣式）鍵盤(pán)適用于按鍵數(shù)目較多的場(chǎng)合，它由行線(xiàn)和列線(xiàn)組成，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上，行列線(xiàn)分別連在按鍵開(kāi)關(guān)的兩端。列線(xiàn)通過(guò)上拉電阻接制正電源，以使無(wú)鍵按下時(shí)列線(xiàn)處于高電平狀態(tài)。行列式鍵盤(pán)有33的行、列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成1個(gè)具有9個(gè)按鍵的鍵盤(pán)。還有44的行、列可以構(gòu)成16個(gè)按鍵的鍵盤(pán)等等。本系統(tǒng)中用到的鍵盤(pán)數(shù)目較少，只有幾個(gè)功能鍵，因此采用獨(dú)立式按鍵即可。232 顯示器的選擇為了使操作人員及時(shí)掌握生產(chǎn)情況，在一般的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或智能化儀器中，都配有顯示器。常用的顯示器件有： 顯示

34、和記錄儀表， crt顯示終端， led或lcd顯示器，大屏幕顯示器。在這些顯示方法中，顯示和記錄儀表能連續(xù)進(jìn)行顯示和記錄。但它的價(jià)錢(qián)較貴，且為模擬信號(hào)表示，讀數(shù)不方便，有一定的誤差，所以它只能用于企業(yè)的技術(shù)改造，在新設(shè)計(jì)的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不宜采用。led數(shù)碼管由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，功耗低，響應(yīng)速度快，易于匹配，壽命長(zhǎng)，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，目前已被微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及智能化儀表廣泛采用。而lcd則以其功耗極低的特點(diǎn)，占據(jù)了從電子表到計(jì)算器，從袖珍儀表到便攜式微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等應(yīng)用場(chǎng)合，為人矚目。crt終端是目前微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中最常用的顯示設(shè)備。他直觀(guān)、靈活、不但可以顯示數(shù)字，而且可以顯示畫(huà)面及

35、報(bào)表，如生產(chǎn)流程圖、報(bào)警畫(huà)面、動(dòng)態(tài)趨勢(shì)圖、條形圖，以及狀態(tài)和回路查詢(xún)畫(huà)圖等232425。根據(jù)本系統(tǒng)的要求，選取led顯示器。233 報(bào)警系統(tǒng)在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)發(fā)生故障或處于某種緊急狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)能發(fā)出提醒人們警覺(jué)的報(bào)警信號(hào)或提示信號(hào)，常見(jiàn)的報(bào)警信號(hào)可分為閃光報(bào)警、鳴音報(bào)警和音樂(lè)報(bào)警。蜂鳴音報(bào)警接口電路的設(shè)計(jì)只需購(gòu)買(mǎi)市售的壓電式蜂鳴器，然后通過(guò)mcs-51的一根口線(xiàn)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)便可發(fā)生，電路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。因此我們選用蜂鳴器報(bào)警。24 系統(tǒng)總體框圖根據(jù)總體方案的確定，紙張定量自動(dòng)系統(tǒng)的方框圖如圖2-3所示。 顯 示 器鍵 盤(pán)8031最小系統(tǒng)d/a轉(zhuǎn)換器電動(dòng)執(zhí)行器a/d轉(zhuǎn)換器電源i/v轉(zhuǎn)換報(bào)警

36、系統(tǒng)傳感器 圖 2-3 系統(tǒng)總方框圖 - 55 -第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)是控制單元與機(jī)械系統(tǒng)、各種檢測(cè)元件相連接的接口電路。主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)，檢測(cè)電路，輸入通道，執(zhí)行單元，輸出通道以及鍵盤(pán)顯示電路的設(shè)計(jì)。31 8031單片機(jī)的最小系統(tǒng)控制系統(tǒng)采用功能較強(qiáng)的 mcs-51系列中的8031單片機(jī)。 mcs-51系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)由七個(gè)部件組成，由一個(gè)8位中央處理器cpu、128字節(jié)的ram、片內(nèi)振蕩器、4個(gè)8位并行i/o端口（p0、p1、p2、p3）、1個(gè)全雙工串行i/o端口、2個(gè)16位定時(shí)/記數(shù)器（ t0、t1）以及特殊功能寄存器。311 8031單片機(jī)的引腳結(jié)構(gòu)8031單片機(jī)為40引

37、腳芯片如圖3-1所示，按其功能可分為三部分27： 圖3-1 8031的引腳結(jié)構(gòu)一、i/o口引腳1、p0口：8位雙向i/o端口，連接外部存儲(chǔ)器時(shí)作為低8位地址和8位數(shù)據(jù)線(xiàn)。但輸出的低位數(shù)據(jù)必須用鎖存器鎖存。2、p1口：8位準(zhǔn)雙向i/o端口，為用戶(hù)使用的i/o口線(xiàn)，在編程和校驗(yàn)時(shí)接低8位地址，任一位可以獨(dú)立地輸入/輸出。3、p2口：8位雙向i/o端口，具有輸出鎖存功能，故無(wú)需加鎖存器。連接外部存儲(chǔ)器時(shí)作為高8位地址線(xiàn)，在編程和校驗(yàn)時(shí)接收高地址和信號(hào)。4、p3口：8位準(zhǔn)雙向i/o端口，另外還兼有中斷，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，串行通道。二、電源及時(shí)鐘引腳1、電源引腳電源引腳接入單片機(jī)的電源。（1）vcc（40

38、引腳）：接+5v電源。（2）vss（20引腳）：接地。2、時(shí)鐘引腳2個(gè)時(shí)鐘引腳xtal1、xtal2 外接晶體與片內(nèi)的反向放大器構(gòu)成了一個(gè)振蕩器，它為單片機(jī)提供了時(shí)鐘控制信號(hào)。2個(gè)時(shí)鐘引腳也可外接獨(dú)立的晶體振蕩器。（1）xtal1：接外部晶體的1個(gè)引腳。該引腳內(nèi)部是一個(gè)反向放大器的輸入端。這個(gè)反向放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。如果采用外接晶體振蕩器是，此引腳應(yīng)接地。（2）xtal2：接外部晶體的另一端，在該引腳內(nèi)部接至內(nèi)部反向放大器的輸出端。若采用外部時(shí)鐘振蕩器時(shí)，該引腳接受時(shí)鐘振蕩器的信號(hào)，即把此信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。三、控制引腳：1、 (片外取指控制)：此輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選

39、通信號(hào)，讀取指令期間，每個(gè)機(jī)械周期兩次有效，但在次期間，每當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。2、ale（地址鎖存控制）：當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，用于鎖存p0口輸出的低8位地址數(shù)據(jù)總線(xiàn)，通常ale在p0口輸出地址期間用下降沿控制鎖存信號(hào)來(lái)鎖存地址數(shù)據(jù)。即使不訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，ale仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號(hào)，此頻率為頻率的1/6。因此，它可用作對(duì)外輸出信號(hào)的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。3、（片外存儲(chǔ)器選擇）：對(duì)于8031來(lái)講當(dāng)為高電平時(shí)不能工作，只有為低電平時(shí)，才能訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，正常工作。因此在擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器，必須使接地。4、reset是復(fù)位鍵，當(dāng)震蕩器運(yùn)行時(shí)，此

40、引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期，高電平將使單片機(jī)復(fù)位，在vss掉電期間，此引腳可接設(shè)備電源，當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入掉電運(yùn)行方式時(shí)，由vpp向內(nèi)部ram提供備用電源，以保持內(nèi)部ram中的數(shù)據(jù)。312 地址鎖存器74ls373程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)需要一個(gè)地址鎖存信號(hào)。地址鎖存為ale鎖存器可使用三態(tài)緩沖輸出的鎖存器74ls373或8282，也可以使用帶清除端的鎖存器74ls273，根據(jù)需要，本系統(tǒng)使用74ls373。74ls373在mcs51的8031單片機(jī)中，為用戶(hù)提供16位地址總線(xiàn)。在16條地址線(xiàn)中高8位地址（a15a8）是利用i/o接口p2直接給出的，而低8位地址（a7a0）卻不是直接給出的。i/o接口p0為雙向數(shù)

41、據(jù)總線(xiàn)（d7d0）和低8位地址(a7a0)利用分時(shí)操作，來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)的28。一、74ls373結(jié)構(gòu)引腳先用作地址總線(xiàn)，在地址鎖存信號(hào)ale脈沖的后沿下跳時(shí)，地址被鎖存為a7a0。然后作為數(shù)據(jù)總線(xiàn)d7d0。一般地址鎖存信號(hào)ale的頻率通常為單片機(jī)主振頻率的1/6。使用74ls373（三態(tài)八d鎖存器）作為低8位地址（a7a0）鎖存器，控制信號(hào)為ale，輸入地址信號(hào)來(lái)自i/o口p0，其引腳圖如圖3-2所示。 oeq0d0d1q1q2d2d3q3gnd1234567891020191817161514131211vccq7d7d6q6q5d5d4q4le 圖3-2 74ls373結(jié)構(gòu)引腳二

42、、74ls373與8031的接口1、 輸出控制端（1）若=1時(shí)，鎖存器的輸出控制使得q7q0呈現(xiàn)高阻態(tài)（3態(tài)）。（2）若=0時(shí)，鎖存器開(kāi)放輸出（2態(tài)）q7q0a7a0(低8位地址)。2、d7d0與8031的p0接口相連。3、le脈沖使能控制端（1）若le=1 時(shí)，各觸發(fā)器可根據(jù)輸入（di）改變輸出（qi）。qin+1 =di(鎖存不會(huì)改變)。（2）le=0時(shí)，觸發(fā)器時(shí)鐘無(wú)效，則qin+1 =qin (鎖存不會(huì)改變)根據(jù)分析可知： 接地，長(zhǎng)期處于兩態(tài)。le與8031的地址鎖存信號(hào)ale連接，即在ale=10時(shí)，鎖存a7a0 。74ls373作為8031外部的一個(gè)擴(kuò)展輸入口，接口電路如圖3-3所示

43、。 圖3-3 8031和74ls373連接圖313 程序存儲(chǔ)器27128一、程序存儲(chǔ)器27128的引腳功能2927128的引腳功能如圖3-4所示。a0-15：地址線(xiàn)引腳。地址線(xiàn)引腳數(shù)目由芯片的存儲(chǔ)容量來(lái)定，用來(lái)進(jìn)行單元選擇。d7-d0：數(shù)據(jù)線(xiàn)引腳。 ：片選輸入端。：編程時(shí)，加編程脈沖的輸入端。vpp ：程電壓（+12或25v）輸入端。vcc ：+5v，芯片的工作電壓輸入端。gnd ：數(shù)字地。nc ：無(wú)用端。由于8031于系統(tǒng)中只擴(kuò)展一片程序存儲(chǔ)器27128，故程序存儲(chǔ)器27128的片選端 ce接地即可。使用片外存儲(chǔ)器，必須接地。 圖3-4 27128的引腳結(jié)構(gòu)二、8031和程序存儲(chǔ)器的接口27

44、128是28引腳的芯片，所擴(kuò)展的片外程序存儲(chǔ)器的容量達(dá)到16kb,共用14條地址線(xiàn)，用p2口的三位來(lái)傳送a9、a10、a11,oe端是輸出使能端，與單片機(jī)的端相連。當(dāng)有效時(shí)，把27128中的指令送上p0口線(xiàn)。由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展,程序存儲(chǔ)器使用的芯片數(shù)量越來(lái)越少，因此地址選擇多半采用線(xiàn)選法，而不用地址譯碼法。如圖3-5所示8031訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器所使用的控制信號(hào)有：ale低8位地址鎖存控制；psen外部程序存儲(chǔ)器“讀取”控制。8031單片機(jī)擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器的硬件電路中8031的psen均與eprom的輸出允許端相連。系統(tǒng)擴(kuò)展用控制線(xiàn)有wr，rd，psen，ale，ea。其中rd用于控制

45、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)，當(dāng)執(zhí)行片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器操作指令movx時(shí)，這兩個(gè)控制信號(hào)自動(dòng)生成。psen用于片外程序存儲(chǔ)器的“讀”數(shù)控制。“讀”取eprom中數(shù)據(jù)時(shí)不用rd信號(hào)。ale用于鎖存p0口輸出的低8位地址數(shù)據(jù)的控制線(xiàn)。ea用于控制選擇片內(nèi)或片外程序存儲(chǔ)器。當(dāng)ea=0時(shí)，只訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，不論片內(nèi)有無(wú)程序存儲(chǔ)器，因此在擴(kuò)展并開(kāi)始使用外部程序存儲(chǔ)時(shí)，必須是ea接地。在外部存儲(chǔ)器取指期間，p0口和p1口的16根i/o線(xiàn)輸出地址碼，其中p0口作為時(shí)復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)，它送出程序計(jì)數(shù)器中的低八位地址，由ale信號(hào)選通進(jìn)入地址鎖存器，然后變成浮置狀態(tài)等待從程序存儲(chǔ)器讀出指令碼，而p2口輸出的程序計(jì)數(shù)器

46、中的高八位地址保持不變。程序存儲(chǔ)器有單獨(dú)的地址編號(hào)，雖然與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址重疊，但不會(huì)被占用；用單獨(dú)的控制信號(hào)和命令，程序存儲(chǔ)器的指令，數(shù)據(jù)讀取控制不同數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的rd控制和movx指令，而是由psen控制，讀取數(shù)據(jù)用movc查表指令。 圖3-5 8031單片機(jī)和程序存儲(chǔ)器的連接314 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)的振蕩電路和時(shí)鐘電路一起構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘方式，根據(jù)硬件電路的不同，連接方式分為內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。mcs-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該增益反向放大器的輸入端為芯片引腳xtal1，輸出端為引腳xtal2 。這兩個(gè)引腳跨接在石英晶體振蕩器（簡(jiǎn)稱(chēng)晶振）和微調(diào)電容

47、，就構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，圖3-6是mcs-51內(nèi)部時(shí)鐘方式的振蕩電路19。c1c2xtal1 xtal2 mcs-51至內(nèi)部時(shí)鐘電路圖3-6 內(nèi)部時(shí)鐘振蕩電路電路中的電容c1和c2典型值通常選擇為30 pf左右。對(duì)外接電容的大小雖然沒(méi)有嚴(yán)格的限制，但電容的大小會(huì)影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶振的振蕩范圍通常是在 1.2mhz-12mhz之間。晶振的頻率越高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也就越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。但反過(guò)來(lái)運(yùn)行速度快對(duì)存儲(chǔ)器的要求速度也就越高，對(duì)印制電路板（也稱(chēng)印刷電路板）的工藝要求也越高，即要求線(xiàn)間的寄生電容要??；晶振和電容應(yīng)盡可能安裝的與單片機(jī)芯片

48、靠近，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定、可靠的工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)盡可能選擇使用溫度穩(wěn)定性好的電容。315 復(fù)位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，只需給8031的復(fù)位引腳rst加上大于2個(gè)機(jī)器周期（即24個(gè)時(shí)鐘振蕩周期）的高電平就可使8031復(fù)位。復(fù)位時(shí)，pc初始化為0000h，使8031單片機(jī)從0000h單元開(kāi)始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為擺脫死鎖狀態(tài)，也需按復(fù)位鍵使rst引腳為高電平使8031重新啟動(dòng)14。除pc之外，復(fù)位操作還對(duì)其它一些寄存器有影響，這些寄存器復(fù)位時(shí)的狀態(tài)如表3-7所示。由表中可以看出，復(fù)位時(shí)sp

49、=07h，而4個(gè)i/o端口p0-p3的引腳均為高電平，這在某些控制應(yīng)用中，要考慮p0-p3引腳的高電平對(duì)接在這些引腳上外部電路的影響。表3-7 寄存器復(fù)位時(shí)的狀態(tài)寄存器 復(fù)位狀態(tài)寄存器復(fù)位狀態(tài)pcaccbpswspdptrp0-p3ipie0000h00h00h00h07h0000hffhxxx00000b0xx00000btmodtconth0tl0th1tl1sconsbufpcon00h00h00h00h00h00h00hxxxxxxxxb0xxx0000b由于單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)功能部件均受特殊功能寄存器控制，程序運(yùn)行直接受程序計(jì)數(shù)器pc的控制。表3-8中各寄存器復(fù)位時(shí)的狀態(tài)決定了單片機(jī)內(nèi)

50、有關(guān)功能部件的初始狀態(tài)。另外，在復(fù)位有效期間（即復(fù)位引腳為高電平期間），8031的ale引腳和psen非 引腳均為高電平，且內(nèi)部ram的狀態(tài)不受復(fù)位的影響。復(fù)位電路如圖3-8所示。在通電瞬間，由于rc的充電過(guò)程，在rst端出現(xiàn)一定寬度的正脈沖，只要該正脈沖保持10ms以上，就能使單片機(jī)可靠復(fù)位。當(dāng)采用6mhz時(shí)鐘時(shí)，cr取22uf、r1取220歐姆、r2取1k歐姆可靠的上電復(fù)位及手動(dòng)復(fù)位。 圖3-8 復(fù)位電路圖3-9為8031外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器的最小應(yīng)用系統(tǒng)。 圖3-9 8031最小系統(tǒng)32 輸入輸出通道的設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制裝置，其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是聯(lián)系微型計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程

51、的輸入輸出通道。321 輸入通道的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的輸入通道包括a/d轉(zhuǎn)換器、i/v轉(zhuǎn)換電路和檢測(cè)電路。一、a/d轉(zhuǎn)換器15本系統(tǒng)的a/d轉(zhuǎn)換器采用adc0809。1adc0809的引腳說(shuō)明adc0809的引腳排列如圖3-10所示，各個(gè)引腳的功能如下：d7d0：8位數(shù)字量輸出引腳；in0in7：8路模擬量輸入引腳；vcc：+5v工作電壓；gnd：地；ref（+）：參考電壓正端；ref（+）：參考電壓負(fù)端；start：a/d轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端；1 282 273 264 25 5 246 237 228 219 2010 1911 1812 1713 1614 15 in2in3in4in7in0addaaddcstart2-1msb2-32-42-52-6vccref(+)gnd in5in1addbin6eocaleok2-2clkref()2-8lsb 2-7圖3-10 adc0809的引腳圖 ale：地址鎖存允許信號(hào)輸入端； clk：時(shí)鐘信號(hào)輸入端； 0e：輸出允許控制端，用以打開(kāi)三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器；、 a