8031單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電阻爐溫度的控制 -接口電路設(shè)計(jì)

1、- -摘要本文用8031單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電阻爐溫度的控制，重點(diǎn)介紹接口電路的設(shè)計(jì)。電阻爐是一類使用非常廣泛的工業(yè)設(shè)備，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)控制，對(duì)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約能源都有著積極意義。本控制系統(tǒng)是對(duì)水加熱的控制過(guò)程，工作時(shí)水的溫度由數(shù)字溫度計(jì)和精密放大器放大至05v電壓信號(hào)，由ADC0809轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所能接受的數(shù)字信號(hào)，此信號(hào)與溫度的給定值比較得到溫度偏差，通過(guò)PID控制算法運(yùn)算得到控制量，此控制量通過(guò)對(duì)可控硅觸發(fā)角的控制，來(lái)調(diào)節(jié)加在電阻爐上的電壓的通斷時(shí)間以達(dá)到控溫的目的。系統(tǒng)的給定值等參數(shù)可由鍵盤輸入，并可以隨時(shí)修改，給定溫度和PID的參數(shù)可顯示在LED上。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；電阻

2、爐；控制;接口電路目錄TOC o 1-5 h z第一章概述3 HYPERLINK l bookmark6 1.1題目來(lái)源及意義3 HYPERLINK l bookmark8 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工作原理3 HYPERLINK l bookmark16 第二章電阻爐溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)6 HYPERLINK l bookmark18 硬件電路設(shè)計(jì)原則6 HYPERLINK l bookmark20 單片機(jī)的選擇6 HYPERLINK l bookmark22 8031芯片介紹7 HYPERLINK l bookmark24 2.2.28031的引腳介紹7 HYPERLINK l bookm

3、ark26 單片機(jī)程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展9 HYPERLINK l bookmark28 2.3.1地址譯碼器的選擇9 HYPERLINK l bookmark30 2.3.2程序存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)9 HYPERLINK l bookmark32 溫度檢測(cè)接口電路設(shè)計(jì)10 HYPERLINK l bookmark34 數(shù)字溫度計(jì)的選擇10 HYPERLINK l bookmark44 AD轉(zhuǎn)換器的接口電路設(shè)計(jì)12 HYPERLINK l bookmark52 鍵盤、顯示器接口電路15 HYPERLINK l bookmark54 顯示器接口電路15 HYPERLINK l bookmark56 鍵盤接口電

4、路17 HYPERLINK l bookmark58 報(bào)警接口電路18 HYPERLINK l bookmark60 電阻爐溫度控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)19 HYPERLINK l bookmark62 第三章溫度控制算法21 HYPERLINK l bookmark64 溫度控制算法21 HYPERLINK l bookmark66 采樣周期T的確定24 HYPERLINK l bookmark68 第四章軟件設(shè)計(jì)25 HYPERLINK l bookmark70 接口軟件設(shè)計(jì)25PID程序設(shè)計(jì)26 HYPERLINK l bookmark82 第五章結(jié)論33第一章題目來(lái)源及意義熱處理設(shè)備是實(shí)現(xiàn)熱

5、處理工藝的基礎(chǔ)和保證，直接關(guān)系到熱處理技術(shù)水平的高低和工件質(zhì)量的好壞。對(duì)熱處理技術(shù)的基本要求是：先進(jìn)、可靠、經(jīng)濟(jì)、安全，能滿足熱處理工藝的要求，并保證工藝的穩(wěn)定和再現(xiàn)性，節(jié)省能源，保護(hù)環(huán)境，改善勞動(dòng)環(huán)境，降低生產(chǎn)成本，提高機(jī)械化和自動(dòng)化水平。在工業(yè)領(lǐng)域，如冶金、機(jī)械、建材及化工等部門，都有大量使用各種爐窯，如用于熱處理的加熱爐，用于熔化的坩堝爐等。爐窯運(yùn)行時(shí)，溫度是需要測(cè)控的最基本參數(shù)。不同的爐窯，加熱方法與所用燃料有所差異，但被控對(duì)象都可歸于有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。溫度以往多采用歸儀表加接觸器的斷續(xù)控制，存在不少固有的缺點(diǎn)。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量與數(shù)量，節(jié)約能源，改善勞動(dòng)環(huán)境，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)

6、展，上述對(duì)設(shè)備對(duì)溫度控制要求越來(lái)越高，除要求有較高的控制精度外，還要求能對(duì)溫度的上升速度及下降速度進(jìn)行控制，顯然應(yīng)用常規(guī)儀表方法難以滿足這些要求。然而，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是單片機(jī)計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，對(duì)上述被控制對(duì)象采用功能強(qiáng)、體積小、價(jià)格低的智能化溫度控制裝置進(jìn)行控制成為現(xiàn)實(shí)。本文將介紹用單片機(jī)對(duì)熱水電阻爐進(jìn)行溫度控制的過(guò)程。電阻爐溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工作原理系統(tǒng)原理圖如圖1.1所示。整個(gè)系統(tǒng)由四部分組成，即：8031單片機(jī)系統(tǒng)；溫度檢測(cè)通道；輸出控制通道及報(bào)警顯示系統(tǒng)。工作時(shí)，溫度由集成溫度傳感器AD590轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，經(jīng)運(yùn)放放大至0-5v的電壓信號(hào)，由ADC0809轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所能接受的數(shù)

7、字信號(hào)，此信號(hào)與溫度的給定值比較得到溫度的偏差，通過(guò)PID控制器運(yùn)算，此控制量經(jīng)可控硅控制加在電阻爐上的電壓的通斷時(shí)間，以達(dá)到控溫目的。系統(tǒng)的給定值、PID參數(shù)由鍵盤輸入，并可以隨時(shí)修改，給溫度和采樣溫度同時(shí)顯示在LED上。圖1.1電阻爐溫度控制系統(tǒng)原理框圖、輸入通道a、溫度檢測(cè)及放大在溫度控制系統(tǒng)中，溫度檢測(cè)及放大任務(wù)通常用溫度變送器來(lái)完成。為了降低成本，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用了OP07型溫度變送器的輸入回路部份，這輸入回路是一平衡電橋，它與AD590熱電偶配合使用，實(shí)現(xiàn)溫度零點(diǎn)遷移。不平衡電橋的輸出信號(hào)經(jīng)精密放大器放大到A/D轉(zhuǎn)換所需標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，根據(jù)熱電偶分度號(hào)和量程的不同，可選擇和調(diào)整放大器

8、的反饋電阻以改變放大倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了溫度標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。B、A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換功能由AD0809完成，它是一種逐次逼近式8路模擬輸入、8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。在這里我們將DD接到8031的PP轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)OEC經(jīng)一個(gè)與非門接8031的070.00.7INTO，置外部中斷為邊沿觸發(fā)方式，這樣，每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)素時(shí)都將結(jié)果送入數(shù)據(jù)存貯區(qū)。由于爐溫度化緩慢，輸入通道中沒(méi)有設(shè)置采樣保持器。二、輸出通道執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用可控硅控制器，單片機(jī)只須輸出能改變可控硅控制周期內(nèi)的通斷時(shí)間就行了，因此省去了D/A轉(zhuǎn)換器，僅用了一條I/O線，通過(guò)軟件支持，在這條I/O線上輸出一個(gè)高電平寬度在控制周期內(nèi)隨調(diào)節(jié)值變化

9、的方波信號(hào)，從而達(dá)到控溫的目的。三、單片機(jī)基本系統(tǒng)及I/O擴(kuò)展16K存貯器EPROM(27128)通過(guò)一片地址鎖存器74LS373與數(shù)據(jù)總線與8031組成基本系統(tǒng)。四、鍵盤與顯示器這部分由三個(gè)共陽(yáng)極數(shù)碼管和三個(gè)驅(qū)動(dòng)器組成，其中顯示器用于準(zhǔn)備符、爐內(nèi)溫度、控溫時(shí)間、顯示以及支持鍵盤進(jìn)行控制參數(shù)設(shè)定顯示。鍵盤完成控制器參數(shù)設(shè)定與控制器的啟動(dòng)、停止操作。五、控制算法為了提高系統(tǒng)的快速性，同時(shí)也避免運(yùn)行算溢出，本控制采用了最大、最小值控制。即在偏差|e0)時(shí)才進(jìn)入PID調(diào)節(jié)。eAeAe-A算術(shù)表達(dá)式為umaxUi=UPIDu.Imm為了提高調(diào)節(jié)品質(zhì)，選用改進(jìn)PID算法之一，Aw=kAe+k(Ae-A)

10、+k-e+a-ua-uiPiDii1IID,i1d,i2u=u+Auii1i本控制系統(tǒng)輸入通道用測(cè)溫電路和精密放大器，省去可采樣保持器；輸出通道取消了D/A轉(zhuǎn)換器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用了可控硅控制器。從而使整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，控制精度高具有很高的性價(jià)比。第二章電阻爐溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)原則一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含有兩部分內(nèi)容；一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如RAM，ROM，I/O口，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，中斷系統(tǒng)等容量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在另外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒O(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤，顯示器，A/D,

11、D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計(jì)合適的接口電路。系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列原則：（1）盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)的常規(guī)算法。為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化打下良好基礎(chǔ)。（2）系統(tǒng)的擴(kuò)展與外圍設(shè)備配置的水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)余地，以便進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)（3）硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)產(chǎn)生相互影響。考慮的原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)時(shí)間要比直接用硬件實(shí)現(xiàn)來(lái)得長(zhǎng)，而且占用CPU時(shí)間。因此，選者軟件方案時(shí)，要考慮到這些時(shí)間因素。（4）整個(gè)系統(tǒng)中相關(guān)的器件要盡可能做到性能相匹配，例如，選用晶振

12、頻率高時(shí)，存儲(chǔ)器的存取時(shí)間有限，應(yīng)該選擇允許存取速度較高的芯片；選擇CMOS芯片單片機(jī)構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)中的所有芯片都應(yīng)該選擇低功耗的產(chǎn)品。（5）可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可缺少的一部分，它包括芯片，器件選擇，去耦濾波，印刷電路板布線，通道隔離等。（6）單片機(jī)外接較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)能力不足，系統(tǒng)工作不可靠，解決的辦法是增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，增設(shè)驅(qū)動(dòng)器或者減少芯片功耗，降低總線負(fù)載。單片機(jī)的選擇在眾多單片機(jī)成員中，MCS-51系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能，成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價(jià)格比。迅速占領(lǐng)了工業(yè)測(cè)控和自動(dòng)化工程應(yīng)用的主要市場(chǎng)，成為國(guó)內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。近年來(lái)，MCS

13、-51系列單片機(jī)以8位機(jī)，如8031/8032,8051/8052,8751/8752尤為變得熱門由于MCS-51單片機(jī)的程序計(jì)數(shù)器為16位，因此，可尋址的地址空間為64K空間。805和8751單片機(jī)內(nèi)部有4K字節(jié)ROM/EPROM程序存儲(chǔ)器，當(dāng)管腳EA=1時(shí)，低4K地址（0000H-0FFFH）指向片內(nèi)，而當(dāng)EA=0時(shí)，低4K地址指向片外。8052內(nèi)部有8KROM程序存儲(chǔ)器，外部同樣可擴(kuò)展到64K。對(duì)于片內(nèi)無(wú)ROM/EPROM的單片機(jī)8031/8032構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，必須使EA=0,程序存儲(chǔ)器只能外部擴(kuò)展。另外，MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部有128個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（8052/8032內(nèi)部有2

14、56個(gè)字節(jié)的RAM）。針對(duì)本系統(tǒng)，則只需要采用8031即可，由于EPROM的擦寫比較麻煩，給開(kāi)發(fā)制造了一定的困難，因此，我采用INTEL公司生產(chǎn)的新型單片機(jī)（8位）,指令與8031完全兼容，但片內(nèi)的4KERROM采用的是4K的FlashROM存儲(chǔ)器，這種存儲(chǔ)器可電擦寫，速度快，且擦寫次數(shù)1000余次，從而縮短了開(kāi)發(fā)周期，方便開(kāi)發(fā)者，因此，我的最終選擇是INTEL公司的8031單片機(jī)，以其高性能價(jià)格比得到用戶的信賴。8031芯片介紹8031是由8個(gè)部件組成，即CPU,時(shí)鐘電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并行口（P0P3）串行口，定時(shí)計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)，它們均由單一總線連接并被集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，即組成了單片

15、微型計(jì)算機(jī)，8031就是MCS-51系列單片機(jī)中的一種。1、CPU中央處理器中央處理器是8031的核心，它的功能是產(chǎn)生控制信號(hào)，把數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器輸出口或輸入口送到CPU或CPU數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器或送到輸出端口。還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯和算術(shù)的運(yùn)算。2、時(shí)鐘電路8031內(nèi)部有一個(gè)頻率最大為12MHZ的時(shí)鐘電路，它為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘序列但需要外接石英晶體做震蕩器和微調(diào)電容。3、內(nèi)存內(nèi)部存儲(chǔ)器可分做程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，但在8031中無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。4、定時(shí)/計(jì)數(shù)器8031有兩個(gè)16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成定時(shí)的方式和計(jì)數(shù)的方式，但只能用其中的一個(gè)功能，以定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制

16、。5、并行I/O口MCS-51有四個(gè)8位的并行I/O口，P0，P1,P2,P3，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸出。6、串行口它有一個(gè)全雙工的串行口，它可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)間或單片機(jī)同其它外設(shè)之間的通信，該并行口功能較強(qiáng)，可以作為全雙工異步通訊的收發(fā)器也可以作為同步移位器用。7、中斷控制系統(tǒng)8031有五個(gè)中斷源，即外部中斷兩個(gè)，定時(shí)計(jì)數(shù)中斷兩個(gè)，串行中斷一個(gè)，全部的中斷分為高和低的兩個(gè)輸出級(jí)。8031的引腳介紹Pl1miPI2miPI4“4PISPUSPI7沏HTIFlflwoF1IP12TlTOP14FISXIXIRESETRXDTXDCT5-ALSFwwPSEK圖2.1引腳圖8031的制作工藝為HMOS,采用

17、40管腳雙列直插DIP封裝，引腳說(shuō)明如圖（2.1）所示：（1）VCC（40引腳）正常運(yùn)行時(shí)提供電源，VSS（20引腳）接地。（2）XTAL1（19引腳）在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反向放大器的輸入端，該放大器構(gòu)成了片內(nèi)的震蕩器，可以提供單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)，此引腳也可以接外部的晶振的一個(gè)引腳，如采用外部振蕩器時(shí)，對(duì)于8031此引腳應(yīng)該接地。XTAL2（18引腳）為輸出端引腳，此引腳還能為應(yīng)用系統(tǒng)中的其它芯片提供時(shí)鐘。（3）RST/VPD（9引腳）在振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳加上兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將單片機(jī)復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平保持不高于0、5V低電平以保證8031正常工作。在掉電時(shí)，此引腳接備用電源VDD，以

18、保持RAM數(shù)據(jù)不丟失，當(dāng)BVCC低于規(guī)定的值時(shí)，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)時(shí)，VPD就向內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器日工備用電源。（4）ALE/PROG（30引腳）當(dāng)8031訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器，ALE9地址鎖存允許0輸入的脈沖的下沿用語(yǔ)鎖存16位地址的低8位，在不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器的時(shí)候，ALE仍有兩個(gè)周期的正脈沖輸出，其頻率為振蕩器的頻率的1/6，在訪問(wèn)外存儲(chǔ)器的時(shí)候，在兩個(gè)周期中，ALE只出現(xiàn)一次，ALE斷可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載，對(duì)于有片內(nèi)EPROM的而言，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖PROG。（5）PSEN（29引腳）此腳輸出為單片機(jī)內(nèi)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信

19、號(hào)，在讀取外部指令期間，PSEN有兩次在每個(gè)周期有效，在此期間，每當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，兩個(gè)有效的PSEN將不再出現(xiàn)，同樣這個(gè)引腳可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。（6）EA/VPP（31引腳）當(dāng)EA非保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)器，當(dāng)PC值超過(guò)0FFFH時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外存儲(chǔ)器。當(dāng)EA非保持低電平時(shí)，則只訪問(wèn)（18引腳）在內(nèi)部，接至上述振蕩器的反向輸入端，當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，對(duì)MCS51系列該引腳接收外部震蕩信號(hào)，即把該信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘的輸入端。外部程序存儲(chǔ)器，對(duì)8031而言，此腳必須接地。（7）P0，P1，P2，P3，8031有四個(gè)并行口，在這四個(gè)并行口中，可以在任何一個(gè)輸出數(shù)據(jù)，又可以從它

20、們那得到數(shù)據(jù)，故它們都是雙向的，每一個(gè)I/O口內(nèi)部都有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器，各成為SFR中的一個(gè)，因此CPU數(shù)據(jù)從并行I/O口輸出時(shí)可以得到鎖存，數(shù)據(jù)輸入時(shí)可以得到緩沖，但他們?cè)诠δ芎陀猛旧系牟町惡艽?，P0和P2口內(nèi)部均有個(gè)受控制器控制的二選一選擇電路，故它們除可以用做通用I/O口以外還具有特殊的功能，P0口通常用做通用I/O口為CPU傳送數(shù)據(jù)，P2口除了可以用做通用口以外，還具有第一功能，除P0口以外其余三個(gè)都是準(zhǔn)雙向口。（8）8031有一個(gè)全雙工串行口，這個(gè)串行口既可以在程序下把CPU的8位并行數(shù)據(jù)變成串行數(shù)據(jù)一位一位的從發(fā)送數(shù)據(jù)線發(fā)送出去，也可以把串行數(shù)據(jù)接受來(lái)

21、變成并行數(shù)據(jù)給CPU，而且這種串行發(fā)送和接收可以單獨(dú)進(jìn)行也可以同時(shí)進(jìn)行。8031的串行發(fā)送和接收利用了P3口的第二功能，利用P3、1做串行數(shù)據(jù)接收線，串行接口的電路結(jié)構(gòu)還包括了串行口控制寄存器SC0N，電源及波特率選擇寄存器PCON和串行緩沖寄存器SBUF，他們都屬于SFR，PCON和SCON用于設(shè)置串行口工作方式和確定數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，SBUF用于存放欲發(fā)送的數(shù)據(jù)起到緩沖的作用。單片機(jī)程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展由于本系統(tǒng)的功能需求片內(nèi)的程序存儲(chǔ)器的資源還不能滿足需要，還需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器。又由于8031單片機(jī)的引腳有限，數(shù)據(jù)線和地址線需重復(fù)使用，由P0口兼用。為了將它們分離出來(lái)，以便同單片機(jī)外擴(kuò)的擴(kuò)展芯片2

22、7128正確連接，需要在單片機(jī)外部增加地址鎖存器74SL373。地址譯碼器的選擇由于單片機(jī)本身不能成為系統(tǒng)，需外擴(kuò)一些芯片，對(duì)于眾多的擴(kuò)展元件，必須進(jìn)行地址分配譯碼(即以一列二進(jìn)制代碼作輸入)得到唯一的一位輸出。地址譯碼有兩種方式：線選法和片選法。本系統(tǒng)中選用片選法。利用譯碼電路將地址空間劃分成若干塊，用來(lái)分別選通各擴(kuò)展芯片，如此就可以充分地利用地址空間。本系統(tǒng)選用74LS373譯碼器，三一八線譯碼器，包含三個(gè)允許輸入端，因而能簡(jiǎn)化級(jí)聯(lián)和數(shù)據(jù)接收，延遲時(shí)間22秒。程序存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)8031片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器，所以必須進(jìn)行程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。紫外線擦除電可編程的只讀存儲(chǔ)器的擴(kuò)展可作為8031的外部程序

23、存儲(chǔ)器，電路片的玻璃窗口在紫外線光下照射20分鐘左右，存儲(chǔ)器的各位信息全變?yōu)?，通過(guò)相應(yīng)的編程器將工作程序固化到這些芯片中，使可作為8031的外部程序存儲(chǔ)器使用。本設(shè)計(jì)采用27128(16K*8)作為外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器芯片。8031的P口經(jīng)地址鎖存器74LS373與27128的AA相連，P口的低5位PP接2712800722。02。4的AA，PSEN與OE相連，27128的片選信號(hào)來(lái)自與8031的P，當(dāng)P=0時(shí)，27128的片選8122。72。7信號(hào)有效。27128共有13根地址線，分別與地址總線A?；噙B，因此，27128所占地址空間為0000H1FFFH。8031與27128接口電路圖如圖(2

24、.2)所filliFtdHI和FidMlB031HTcnr訊EK圖2.28031與27128的接口電路圖A0A12地址線、CE片選線、0E輸出允許端、PGM編程控制信號(hào)程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路芯片一74LS373簡(jiǎn)介：程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，除必須有EPROM芯片外，還必須有鎖存器芯片。程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，地址鎖存信號(hào)為ALE，故本系統(tǒng)的地址鎖存器可使用帶清除端的八D鎖存器74LS373。74LS373是透明的帶有三態(tài)門的八D鎖存器。其引腳芯片如圖（2.3）所示當(dāng)三態(tài)門的使能信號(hào)線CE為低電平時(shí)，三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài)，允許Q端輸出；當(dāng)CE為高電平時(shí)，輸出三態(tài)門斷開(kāi)，輸出端對(duì)外電路呈高阻狀態(tài)。因此74LS373

25、用作地址鎖存器時(shí)，首先應(yīng)使三態(tài)門的使能信號(hào)端CE為低電平，這時(shí)，當(dāng)G輸入端為高電平時(shí)，鎖存器輸出（1Q8Q）狀態(tài)和輸入端（1D8D）狀態(tài)相同，當(dāng)G端從高電平逐回低電平時(shí)，輸入端（1D8D）的數(shù)據(jù)鎖入1Q8Q中。地址所存器74LS373與8031接口電路如圖（2.3）所示。溫度檢測(cè)接口電路設(shè)計(jì)數(shù)字溫度計(jì)的選擇一、傳感器的性能指標(biāo)對(duì)傳感器的精度高低，性能好壞直接影響到整個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的品質(zhì)和運(yùn)行狀態(tài)。一般說(shuō)來(lái)，對(duì)傳感器的要求是全面的，嚴(yán)格的，它們是選用傳感器的數(shù)據(jù)。1、技術(shù)指標(biāo)要求（1）靜態(tài)特性要求：線性度及測(cè)量范圍、靈敏度、分辨率、精確度和重復(fù)性等；（2）動(dòng)態(tài)特性要求：快速性和穩(wěn)定性等；（3）信

26、息傳遞要求：形式和距離等；（4）過(guò)載能力要求：機(jī)械、電氣和熱的過(guò)載。2、使用環(huán)境要求溫度、濕度、大氣壓力、振動(dòng)、磁場(chǎng)、附近有無(wú)大功率用電設(shè)施、加速度、傾斜、防火、防爆、防化學(xué)腐蝕以及不含有害于周圍材料壽命及操作人員的身體健康等。二、本系統(tǒng)選用的是集成芯片下面介紹AD590芯片AD590是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下1、流過(guò)器件的電流（yA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開(kāi)爾文）度數(shù)，即:Ir=1yA/KT式中：匚一流過(guò)器件（AD590）的電流，單位為yA；T熱力學(xué)溫度，單位為K。2、AD590的測(cè)溫范圍為-55C+150C。3、AD590的電源電壓范圍為4V3

27、0V。電源電壓可在4V6V范圍變化，電流幾變化1yA,相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。三、AD590的應(yīng)用電路1、基本應(yīng)用電路AD590的封裝形式和AD590用于測(cè)量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路如圖（2.4）所示。因?yàn)榱鬟^(guò)AD590的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻R1和電位器R?的電阻之和為1kQ時(shí)，輸出電壓Vo隨溫度的變化為1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差,因此應(yīng)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的方法為：把AD590放于冰水混合物中，調(diào)整電位器R2,使V。=273、2mV?；蛟谑覝叵拢?5C）條竿2封裝形式衛(wèi)基本應(yīng)用電路b

28、件下調(diào)整電位器，使Vo=273.2+25=298.2（mv）但這樣調(diào)整只可保證在0C或25C附近有較高精度。2、攝氏溫度測(cè)量電路圖2.5攝氏溫度測(cè)量電路如圖(2.5)攝氏溫度測(cè)量電路所示，電位器R用于調(diào)整零點(diǎn)，R用于調(diào)整運(yùn)放AD301的增24益。調(diào)整方法如下：在0C時(shí)調(diào)整A?,使輸出V=0,然后在1C時(shí)調(diào)整R4使Vo=100mV。如此反復(fù)調(diào)整多次，直至Oc時(shí)，VO=0mV,100C時(shí)VO=100mV為止。最后在室溫下進(jìn)行校驗(yàn)。例如，若室溫為25C，那么V應(yīng)為25mV。冰水混合物是0C環(huán)境，沸水為100C環(huán)境。要使圖(2.5)中的輸出為200mV/C，可通過(guò)增大反饋電阻(圖中反饋電阻由R與電位器

29、R34串聯(lián)而成)來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，測(cè)量華氏溫度(符號(hào)為F)時(shí)，因華氏溫度等于熱力學(xué)溫度減去255.4再乘以9/5，故若要求輸出為1mV/F，則調(diào)整反饋電阻約為180k，使得溫度為0C時(shí)，V。=17.8mV；溫度為100C時(shí)，V=197.8mV。AD581是高精度集成穩(wěn)壓器，輸入電壓最大為40V:輸出10V。AD轉(zhuǎn)換器的接口電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)選擇A/D芯片時(shí)，考慮到芯片的性能結(jié)構(gòu)及應(yīng)用的特性，在性能上滿足A/D轉(zhuǎn)換的技術(shù)要求；在結(jié)構(gòu)上和應(yīng)用上接口電路方便外圍電路簡(jiǎn)單價(jià)格低廉。A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將模擬量電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。1、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)分辨率：是指A/D轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。例：若一

30、個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換器，去轉(zhuǎn)換一個(gè)滿量程為5V的電壓，則它能分辨的最小電壓為5OOOmV/2io5mV。轉(zhuǎn)換時(shí)間指從輸入啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)開(kāi)始到轉(zhuǎn)換結(jié)束，得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出量為止的時(shí)間。其他參數(shù)與D/A轉(zhuǎn)換器類似。2、A/D轉(zhuǎn)換器與CPU的接口方法A/D轉(zhuǎn)換器與CPU連接應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：ADC轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)三態(tài)緩沖器件與CPU數(shù)據(jù)總線相連接(在芯片內(nèi)部沒(méi)有三態(tài)輸出緩沖器時(shí))；為了輸入正確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，必須解決好A/D轉(zhuǎn)換器和CPU取數(shù)之間的時(shí)間配合問(wèn)題。ADC芯片的控制信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)(START):是由CPU提供給ADC芯片的，在正脈沖的下降沿轉(zhuǎn)換開(kāi)始；轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)(EOC)：一旦啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，EO

31、C立即變低，直至轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC輸出高電平,通知CPU轉(zhuǎn)換已結(jié)束；允許輸出信號(hào)(OE)：ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束后，轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在輸出鎖存器中，并沒(méi)有送入數(shù)據(jù)總線上。CPU取數(shù)時(shí)，發(fā)出OE信號(hào)選通芯片內(nèi)部三態(tài)輸出緩沖器將數(shù)據(jù)輸出。（3）A/D轉(zhuǎn)換器與CPU之間傳送數(shù)據(jù)的方法延時(shí)等待法（2.6）所示：0ESTART模擬量輸入ADCEOCDOIOR圖2.6等待法ADC接口電路如圖圖2.7查詢法接口電路是利用CPU執(zhí)行一條輸出指令，啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，然后CPU執(zhí)行延時(shí)程序，延時(shí)時(shí)間大于所選用的ADC芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間，延時(shí)結(jié)束，CPU執(zhí)行輸入指令，打開(kāi)三態(tài)門獲取ADC轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)。查詢法查詢法是由CPU來(lái)檢查EOC信

32、號(hào)。當(dāng)CPU啟動(dòng)ADC芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換之后，再通過(guò)狀態(tài)端口讀取EOC信號(hào)，檢查ADC是否轉(zhuǎn)換結(jié)束。若轉(zhuǎn)換結(jié)束，則讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，否則繼續(xù)查詢。查詢法ADC接口電路如圖（2.7）所示：中斷法用中斷法可提高CPU的利用率，當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束，由EOC信號(hào)上升沿通過(guò)8259A中斷控制邏輯向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)中斷在服務(wù)程序中讀取結(jié)果。中斷法接口電路如圖（2.8）所示：一Yi1E0時(shí)，取消積分的作用，只進(jìn)行PD控制，可使超調(diào)量大幅度降低。當(dāng)Ie(k)IWEO時(shí)，才將積分作用投入，進(jìn)行PID控制，以保證系統(tǒng)的控制精度。為了實(shí)現(xiàn)積分分離，需將PID表達(dá)式中的積分項(xiàng)分離出來(lái)。例如，將(3-3)式分為：AU

33、pD(k)=Kpe(k)-e(k-1)+Kde(k)-2e(k-1)+e(k-2)(3-5)AUi(k)=Ki*e(k)從而將積分分離PID算法寫為：U(k)=U(k-1)+AUPD(k)+KfAU2(k)(3-6)式中kf為邏輯系數(shù)。(3-7)三、本系統(tǒng)控制算法的選擇PID調(diào)節(jié)在電阻爐控制系統(tǒng)技術(shù)中應(yīng)用的非常多，且是廣泛被對(duì)推廣的求采用各種PID的變種，如PI、PD控制，不完全微分控制，積分分離式PID控制，帶死區(qū)的PID控制，變換積分PID控制，比例PID控制等等。在PID控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)參數(shù)整定方便，而且在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中效果比較好。不需要求出數(shù)學(xué)模型，到目前為止，仍有許多工業(yè)對(duì)象得

34、不到或很難得到精確的數(shù)學(xué)模型。因此，應(yīng)用直接數(shù)字控制方法比較困難或根本不可能，所以不得不應(yīng)用PID算法。控制效果好，雖然計(jì)算機(jī)控制是斷續(xù)的，但對(duì)于時(shí)間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其可近似為連續(xù)變化的。因此，用數(shù)字PID完全可以代替模擬調(diào)節(jié)器，而且可以得到比較滿意的效果。所以用數(shù)字模型PID是目前應(yīng)用比較廣泛的方法之一。如前所述，對(duì)本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用PID控制算法。PID在本系統(tǒng)中的應(yīng)用:首先，計(jì)算出給定值溫度與實(shí)際溫度之間的差，反饋給PID控制器，PID控制器根據(jù)其大小，來(lái)控制晶閘管的導(dǎo)通角a的大小，這樣使得觸發(fā)時(shí)間t改變，從而改變電阻爐的通電時(shí)間。其次，由于本系統(tǒng)是單向控溫系統(tǒng)，所以在晶閘管沒(méi)有導(dǎo)通

35、時(shí)其導(dǎo)通角度是兀。最后，根據(jù)公式：PID控制Au=兀-a來(lái)間接控制電阻爐的電壓加熱情況，使得電阻爐的溫度得以控制。采樣周期T的確定由香農(nóng)采樣定理可知，當(dāng)采樣頻率的上限為f22fmax時(shí)，系統(tǒng)可真實(shí)地恢復(fù)到原來(lái)地連續(xù)s信號(hào)。從理論上講，采樣頻率越高，失真越小。但是從控制器本身而言，大依靠偏差信號(hào)E(k)進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算的。當(dāng)采樣周期過(guò)小時(shí)，偏差信號(hào)E(k)也會(huì)過(guò)小，此時(shí)計(jì)算機(jī)會(huì)失去調(diào)節(jié)作用，采樣周期T過(guò)長(zhǎng)又會(huì)引起誤差，因此采樣周期必須綜合考慮。影響采樣周期T的因素有：1、加至被控對(duì)象的擾動(dòng)頻率。2、對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。3、數(shù)字控制器D(z)所使用的算式及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型。4、控制的回路數(shù)。5、對(duì)象要求的控

36、制質(zhì)量。采樣周期的選擇方法有兩種，一種是計(jì)算法，一種是經(jīng)驗(yàn)法。計(jì)算法由于比較復(fù)雜，特別是被控系統(tǒng)各環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)難以確定，所以工程上用的比較少。工程上用的最多的還是經(jīng)驗(yàn)法。所謂經(jīng)驗(yàn)法實(shí)際是一種試湊法，即根據(jù)人們?cè)趯?shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)及被控對(duì)象的特性，假設(shè)一個(gè)周期T,算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)被對(duì)被控對(duì)象的實(shí)際控制效果，反復(fù)修改T,直到滿意為止。據(jù)采樣周期的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，溫度采樣周期為1015s，本系統(tǒng)采樣周期確定為10s。第四章軟件設(shè)計(jì)4.1接口軟件設(shè)計(jì)1采用查詢方法。MAIN:MOVR1,#DTAT；數(shù)據(jù)區(qū)地址指針指向首單元MOVDPTR#7FF8H；P2.7=0,且指向通道0MOVR7,#08H；通

37、道計(jì)數(shù)器LOOP:MOVXDPTR,A；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換LOOP1:NOPJBP3.3,LOOP；查詢轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOCMOVXA,DPTR；讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果MOVR1,A；存轉(zhuǎn)換結(jié)果INCDPTR；指向下一通道INCR1；修改數(shù)據(jù)區(qū)指針DJNZR7,;LOOP；8個(gè)通道全采樣完否？2采用中斷方式。INT1:SETBIT1；外中斷1初始化SETBEASETBEX1MOVDPTR,#7FF8H；啟動(dòng)0809對(duì)通道INO轉(zhuǎn)換MOVA,#00HMOVXDPTR,A中斷程序清單如下:PRINT1:MOVDPTR,#7FF8H；讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果,送緩沖單元30HMOVXA,DPTRMOV30H,A；啟動(dòng)08

38、09對(duì)通道IN0轉(zhuǎn)換MOVA,#00HMOVXDPTR,ARETI4.2PID程序設(shè)計(jì)PID：MOVR5，31H；取WMOVR4，32HMOVR3，#00H；取yiMOVR2，2AHACLAACPL1；取y的補(bǔ)碼iACALLDSUM；計(jì)算e=W-YiiMOVMOV39H，R73AH，R6；存eiMOVMOVR5，35HR4，#4AH；取Ir、TT?-Ti-t/、亠H-P1tLr.r4-MPI；R0放乘積高位字字節(jié)地址指針ACALLMULT1；計(jì)算Pi=I*eiMOVR5，39H；取eiMOVR4，3AHMOVR3，3BH；取ei-iMOVR2，3CHACALLCPL1；求e的補(bǔ)碼i-1ACAL

39、LDSUB；求Pp=Ae=e-eTOC o 1-5 h ziii-1MOVA，R7MOVR5，A；存AeiMOVA，R6MOVR4，AMOVR3，4BH；取piMOVR2，4AHACALLDSUM;求p+pipTOC o 1-5 h zMOV4BH，R7MOV4AH，R6；存和（p+p）ipMOVR5，39HMOVR4，3AH；取eiMOVR3，3DHMOVR2，3EH；取ei-2ACALLDSUM；計(jì)算e-eii-2MOVA，R7MOVR5，AMOVA，R6MOVR4，AMOVR3，3BHMOVR2，3CH；取ei-1ACALLCPL1ACALLDSUMTOC o 1-5 h z；求e補(bǔ)碼i

40、-1；計(jì)算e=e2eii-2i-1MOVR5，37HMOVR4，38HMOVR0，#46HACALLMULT1MOVR5，47HMOVR4，46HMOVR3，4BHMOVR2，4AHACALLDSUMMOVR5，33HMOVR4，34HMOVR0，#46HACALLDSUMMOV2FH，R7MOV30H，R6MOV3DHMOV3EH，3CHMOV3BH，39HMOV3CH，3AHRETDSUM：MOVA，R4ADDA，R2MOVR6，AMOVA，R5;取D求出p=D*(e=e-2e)dii-2i-1;存pd;取(pi+pd);取kp；計(jì)算k*(p+p+p)pidp；u-uii-1；eei-1i；eeii-1ADDCA，R3MOVR7，ACPL1：MOVA，R2CPLAADDCA,#00HMOVR3,ARETMULT:MOVA,R7RLCAMOVSIGN1,C；存被乘數(shù)符號(hào)位JNCPOS1；被乘數(shù)為正數(shù)MOVA,R6；求補(bǔ)CPLAADDA,#01HMOVR6,AMOVA,R7CPLAADDCA,#00HMOVR7,APOS1:MOVA,R5RLCAMOVSIGN2,C；存乘數(shù)