工业加热炉温度控制系统设计.pdf

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1、0 0 引引言言在科学技术日新月异的今天，工艺精度、产品质量的提高对于工业加热炉温度控制系统的要求日益增强。对工业加热炉的工作进行监视及报警，温度值是加热炉随着加热的需要随时变化进行控制的重要参数。但目前国内绝大多数工业还是采用加湿机等设备通过人工来控制加热炉的温度，很难达到最佳控制效果的，同时也无法进行温度数据的自动记录与时事管理。因此，工业加热炉的温度自动控制系统取代人工完成成为了一种刻不容缓的需要，工业加热炉的温度自动控制系统也是在这种需求的驱动下被开发和实现的，并且达到了温度控制、声音报警的要求。由于工业加热炉的温度控制系统和报警自动监控器系统均采用电能作能源， 因而可以通过对输入功率

2、的控制，达到对温度、声音报警的控制。利用简单的单片机芯片组实现系统的控制功能，能够实现并满足系统的需要，又在经济上节约了支出，避免了系统小功能浪费的现象。经过深入调查和认真分析本系统是一个二级计算机测控系统。 现场计算机承担各个加热炉的温度实时检测与控制以及报警监视和报警的任务。控制中心位于中央控制室，负责对现场计算机的工作进行管理，完成实时数据收集、显示系统、打印报表以及对现场计算机的工作状态和温度给定值的设置等工作。位于车间的工作人员值班室的值班机上，平时作为电子表运行。当报警发生时，值班机能以声、显示数据等报警形势指示出报警的加热炉。且当控制总台关机时，值班机能自动上升为主机代替上位机接

3、管通讯系统向控制器发出报警查询控制字。由于单片机的使用，现场计算机的任务也由单片机控制系统的人机接口部分来完成，再通过模数转换通道部分实现对系统的精确控制，最后采用 8051 单片机为主处理芯片实现对系统进行控制处理1 2。1 工业加热炉温度控制系统1.1 温度控制系统简介1.1.1 选题的背景温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式、燃料、控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、

4、油、电等；控制方案有直接数字控制（DDC） 、推断控制、预测控制、模糊控制、专家控制、鲁棒控制、推理控制等。温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，并且控制简单方便、测量范围广、精度较高。工业加热炉的特点有：1）炉热惯性大2）温度变化迟缓3）滞后情况严重4）时变性所以当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降温，因而很难用数学方法建立精确的模型和确定参数，应用传统的控制理论和方法难以达到理想的控制效果，

5、所以这就迫切要求我们的工业加热炉的温度控制技术得到提高。1.1.2 选题的意义随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。同样我们在这次设计中也利用了计算机软件的作用。在第二章将详细介绍硬件的选择2和特性，在第三章里将介绍控制器的设计的原理，在第四章里介绍工业加热炉的软件设计过程，并用汇编语言将其编制。1.2 温度控制系统

6、的功能介绍1.2.1 系统模块在工业生产中 , 对温度控制系统的要求主要是保证炉温按规定的温度工艺曲线变化、超调小或者无超调、稳定性好、 不振荡, 但对系统的快速性要求不高。所以在本次设计中将有以下主要模块：1）温度检测模块2）温度信号变换模块3）温度显示模块4）温度控制模块5）报警装置在通常情况下，CPU（进行运算、控制） 、RAM（数据存储） 、ROM（程序存储） 、输入/输出设备（例如：串行口、并行输出口等） ，可以组成一台能够工作的计算机。有些单片机中除了上述部份外，还集成了其它部份如 A/D、D/A 等。例如在本设计系统中，采用了许多附加控制驱动电路芯片来达到上述模块功能3。1.2.

7、2 温度控制系统原理分析在工业生产中, 对温度控制系统的要求主要是保证炉温按规定的温度工艺曲线变化、超调小或者无超调、 稳定性好、不振荡， 至于系统的快速性要求则不高。以下浅析温度控制系统设计过程及其实现方法。热电偶将炉温变换为模拟电压信号, 经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器, 信号放大为 05 V 后送模/ 数转换器转换为数字量送往单片机。同时, 热电偶的冷端温度也由温度传感器变为电压信号, 经放大和转换后送给单片机。标度变换程度根据温度检测值求得实际炉温。数字调节器程序根据恒温给定值的偏差, 按预定的 PID 控制算法得到输出控制量。 数字触发器程序根据控制电阻炉子的导通时间, 从而调节炉

8、温的变化使之与给定恒温值一致。显示与恒温判断程序完成炉温与恒温时间显示、恒温开始与恒温完成判别、恒温完成时给出声光指示信号。断偶判断程序根据温度检测值判断温度传感是否开路；若开路, 则给出断偶报警信号4。本次设计的工业炉温控制系统是采用单片机 8051 为核心的自动控制系统，其控制原理如下图：显示电路传感器数据采集加热炉控制电路单片机越限报警键盘控制图 1-1 温度控制系统控制原理图Fig 1 - 1 temperature control system control scheme1.3 温度控制系统设计要求在工业生产过程中，稳定性是保证控制系统正常工作的的先决条件。一个稳定性好的控制系统，

9、其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小并趋于零。为了很好的完成控制任务，控制系统仅仅满足稳定性要求是不够的，还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求。因此，对控制系统过渡过程的时间（即快速性）一般都有具体要求。在理想情况下，当过渡过程结束后，被控量达到的稳定值（即平衡状态）应与期望值一致。但实际上，由于系统结构，外作用形式以及摩擦、间隙等非线性因素的影响，被控量的稳态值与期望值之间会有误差存在， 称为稳态误差。 稳态误差是衡量控制系统精度的重要标志，在技术指标中一般都有具体要求。所以稳定性、快速性和准确性，即稳、准、快是工业加热炉温度控制系统必须满足的要求5。结合工业加热炉的具体工艺

10、要求即加热炉炉内温度从室温开始自由升温， 当温度一旦到达正常工作的温度最低限值时，就进入系统调节；当温度到达正常工作的温度时就进入保温段。要始终保证在系统控制之下，保证所需炉内温度的精度。加工结束，要进行降温控制。保温阶段的时间由工艺要求来决定。在保温时间里，当温度高于正常工作的温度的最高限值或低于正常工作的温度最低限值时要及时报警，在升温和降温阶段也要进行控制，使炉内的温度按照预定的曲线斜率升降、保证系统有充足的时间过渡、确保设备和工作人员的安全6。综上所述，此次设计的系统所要完成的功能如下：1）本系统所检测的温度范围为 3001000 摄氏度，当温度超过上限和低于下限时，发出报警，其连续鸣

11、音 30MS，并通过 P1.4 送出低电平，经光电耦合后通过晶闸管驱动自4动喷洒水的设备并监测湿度值。 为了保证数据的可靠性， 定时启动 ADC0809 进行 A/D 转换，以检测温度值。为了温度控制的实现，即根据温度给定值和采样值的大小决定驱动加热炉的加热过程的控制，即实现对温度控制。2）系统利用MCS-51 系列单片机的片内定时器 T0，对温度进行10S 定时，以满足对温度采样周期的要求。在每次检测温度之后，进行一次温度显示更新，即将新的温度值经过标度变换后由键盘、显示器接口芯片 8279 输出给 LED 显示器。2 工业加热炉温度控制系统硬件设计本系统采用上下位控制，下位机采用工业控制计

12、算机，即现场控制计算机，它主要用于过程测量、控制、数据采集等工作，同时它具有可靠性高、实时性好、环境适应性强等诸多优点；上位采用可编程控制器，它是一种以微处理器为核心，带有指令储存器和输入、输出接口，将自动化技术和计算机技术融为一体的新型工业控制装置，即总台控制中心。温度控制系统是利用下位机设置温度上下限、实时温度的采集再传输到上位机。以达到对温度的比较、控制。本设计采用 MCS51 单片机为主要硬件，并设计了相应的复位电路，振荡器和时钟电路。为实现设计目的此设计还设计了包括温度采集、温度显示、系统控制、串口通信等外围电路。而且对所设计电路给出了相应的软件设计，包括定时器初始化、串行口初始化和

13、数据传输等程序。以简单说明了温度控制系统的工作原理。2.1 硬件功能根据本次设计的工业加热炉温度控制系统的工艺要求， 将系统的硬件分为一下几个部分：1）温度检测电路，包括热电偶传感器、放大器等部分。热电偶传感器具有价廉、精度高、构造简单、测量范围宽(通常从- 50 + 1600 ) 及反应快速的优点。热电偶传感器输出的电压信号较为微弱(只有几毫伏到几十毫伏) , 因此在进行 A/ D 转换之前必须进行信号调理, 由高放大倍数的电路将它放大到 A/ D 转换器通常所要求的伏特级电平。2）温度采集电路，对温度检测电路传送过来的温度进行时事采集，并传送给中央处理器。3）温度控制驱动电路，主要用于改变

14、炉内的温度，使其达到控制的目的。从而符合工艺的要求。4）温度初始化电路，对系统进行初始化操作。主要包括控制键盘。5）温度显示电路，对温度值进行显示。6）报警电路，当炉内的温度低于最低限度温度或高于最高限度温度时进行报警。从而更好的控制炉内温度。2.2 系统硬件方框图根据工业加热炉工作工艺的要求本次设计采用常用的 MCS-51 系列单片机中的 8051 作为 CPU，数据存储器为 6264，其容量为 8K 8 位。所采用的 AD 转换器选用 ADC0809，温度、6湿度显示采用 LED 显示。为了不间断监视程序循环动作时间，若发现时间超过设定时间，则系统陷入了“死循环” ，所以采用了“看门狗”技

15、术3。加热炉的温度控制系统硬件结构，如图 2-1 所示：温度显示电路报警电路8051单片机转换电路温度传感器控制键盘加热降温驱动电路图 2-1 加热炉的温度控制系统硬件结构Fig 2-1 heating furnace temperature control system hardware architecture2.3 加热炉温度控制系统硬件电路设计随着电子计算机技术特别是微机技术的迅猛发展和现代控制系统理论的进步， 以单片机为主芯片的广泛应用。工业加热炉温度控制系统的控制精度有了很大的提高，在软件的配合下，能自动准确的对加热炉内的温度进行监测与控制。这里简要的对各个芯片及其功能进行分析。2

16、.3.1 加热炉的温度控制系统的 CPU 及扩展电路设计CPU 性能分析MCS-51 系列单片机是 Intel 高档 8 位机，是在 MCS-48 系列基础上发展而成的，也是我国目前应用最广泛的一种单片机。它包括 8031、8051 和 8751 这几种芯片。它们之间的区别仅在于片内存储器，8031 片内无程序存器，8051 片 4KB 的 ROM，8751 片内有 4KB 的EPROM；其它结构性能相同7 8。8051 内置 1 个 8 位微处理器 CPU、128 字节内部数据存储器 RAM、32 个双向输入/输出(I/O)口、2 个 16 位定时/计数器和 5 个两级中断源、2 个优先级的

17、中断嵌套结构，一个全双工串行通信端口，特殊功能寄存器以及一个钟振荡器和时钟电路。此外，8051 还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结 CPU，而 RAM 定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存 RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。VCC 8051 的引脚图如下：R1510U1C122uFP10P11P12P13P14P15P16P17RSTP30P31P32P33P34P35WRRDXTAL11234567891011121314151617181920P10P11P12P13P14P15P16P17RST/VPDRXD/P30T

18、XD/P31INT0/P32INT1/P33T0/P34T1/P35WR/P36RD/P37XTAL2XTAL1VSSVCCP00P01P02P03P04P05P06P07EA/VPPALE/PROGPSENP27P26P25P24P23P22P21P204039383736353433323130292827262524232221VCCP00P01P02P03P04P05P06P07ALEPSENP27P26P25P24P23P22P21P20R24KRESETC2C3图 2-2 8051 的引脚图Fig 2-2 8051 pins charts1）输入输出引脚 P0、P1、P2、P3（共

19、 32 根）P0 口（3932 脚）有三个功能：a）外部扩展存储器时，当做数据总线（如图 1 中的 D0D7 为数据总线接口）b）外部扩展存储器时，当作地址总线（如图 1 中的 A0A7 为地址总线接口）c）不扩展时，可做一般的 I/O 使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。P1 口（18 脚）是 8 位准双静态 I/O 端口。P2 口（2128 脚）有两个功能：a）扩展外部存储器时，当作扩展电路高 8 位地址总线使用 ，送出高 8 位地址；b）是 8 位准双向 I/O 端口，其内部有上拉电阻；P3 口（1017 脚）有两个功能：除了作为 I/O 使用外（其内部有上拉电阻

20、），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置. P3 口的第二功能见下表 2-1.2)电源引脚VCC和VSSa）VCC（40 脚）：电源端，接+5V。3b）VSS(20 脚)：接+5V 电源地。48表 2-1 P3 口的第二功能Tab 2-1 P3 mouth of the second function位线引脚第二功能P3.0 10 RXD(串行输入口)P3.1 11 TXD（串行输出口） P3.2 12INT0（外部中断 0）P3.3 13INT1（外部中断 1）P3.4 14 T0（定时器 0 的计数输入）P3.5 15 TI（定时器 1 的计数输入）P3.6 16WR（外部数据存贮器写脉冲

21、）P3.7 17RD外部数据存贮器读脉冲）3)外接晶振引脚 XTAL1 和 XTAL2a）XTAL1（19 脚）：片内反向放大器输入端，接外部晶振的一个引脚。当单片机采用外部时钟信号时，此引脚应接地。b）XTAL2（18 脚）：片内外反相放大器输出端，接外部晶振的另一个引脚。但单片机采用外部时钟信号时，外部信号引脚接入。在本系统使用的是内部时钟， MCS-51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入端。在 XTAL1 和 XTAL2 两端跨接一个片外石英晶体或陶瓷谐振器就构成了稳定的自激振荡器。这种方式称为内部时钟方式。外接石英

22、晶体时， 电容 C1 和 C2 的值常选择为 30PF 左右陶瓷谐振器时， C1 和 C2 的值为 47PF，接入电容 C1 和 C2 有利于振荡器起振， 对频率有微调作用， 振荡步态经由石英晶体的谐 振频率确定。一般振荡频率荡围是1.212MHZ，为了减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠地工作，石英晶体或陶瓷谐振器和电容可能安装得与单片机芯片靠近。时钟电路是一个二分频触发电路，它将振荡器的信号频率进行二分频，向芯片内提供一个二节拍信号，在每个时钟周期的前半周期内，节拍 1 使信号 P1 有效，在每个时钟周期的后半周期内，节拍 2 使信号 P2 有效。4)控制或其他电源复用引脚a）RST/VPD（

23、9 脚）：复位信号输入端。VCC掉电后，此引脚可接备用电源，以保持内_部 RAM 的数据不丢失。当输入的信号连续 2 个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器 PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H 单元读取第一条指令码。b）ALE/PROG（30 脚）：地址锁存允许端。当单片机访问外部存储器时，该引脚输出信号用于锁存 P0 端口送出的低 8 位地址。其输出信号频率为时钟振荡频率的 1/6（即 6分频）。c）PSEN（29 脚）：外部程序存储器的读选通信号输出端，或称为片外取指信号输出端。在从外部程序存储器取指令期间，PSEN在每个机器周

24、期两次有效，其频率为振荡频率的 1/6；但若此期间有访问外部数据存储器，则两次有效的PSEN信号将不出现。在读外部 ROM 时PSEN低电平有效，以实现外部 ROM 单元的读操作。d）EA/VPP（31 脚）：当其保持低电平时，单片机只访问外部程序存储器，而不管片内是否有程序存储器。8051 内部的 CPU 是一个字长为 8 位的中央处理单元， 也就是说它对数据的处理是按字节为单位进行的。和微型计算机 CPU 类似，8051 内部的 CPU 也是由运算器（ALU）、控制器（定时控制部件等）和专用寄存器组 3 个部分电路组成的。运算器8051 的算术逻辑部件 ALU 是一个性能极强的运算器，它既

25、可以进行加、减、乘、除四则运算，也可以进行与、或、非、异或等逻辑运算，有数据传送、移位、判断和程序转移等功能，同时还有独特的位处理功能，如置位、清 0、取反、转移、检测等。8051ALU 为用户提供了丰富的指令系统和极快的指令执行速度，如振荡器频率为 12MHz 的情况下，大部分指令的执行时间为 1us，乘法指令可达 4us.8051 的 ALU 由一个加法器、两个 8 位暂存器（TMP1 和 TMP2）和一个性能卓著的布尔处理器组成。虽然 TMP1 和 TMP2 对用户并不开放，但也可用来为加法器和布尔处理器暂存两个 8 位二进制操作数。归纳其特点有如下：在 B 寄存器的配合下，能完成乘法与

26、除法操作；可进行多种内容交换操作；比较判断操作；有教强的位操作功能。定时控制器10_定时控制部件起着控制器作用，由定时控制逻辑、指令寄存器 IR、指令译码器 ID 和振荡器 OSC 等电路组成。专用寄存器组专用寄存器组主要用来指示当前要执行指令的内存地址、存放操作数和指示指令执行后的状态等。它是任何一台计算机的 CPU 不可缺少的组成部件，其寄存器的数目因机器的型号不同而异。专用寄存器组主要包括计数器 PC、累加器 A、程序状态寄存器 PSW、堆栈指示器 SP、数据指针 DPTR 和通用寄存器 B 等。振荡器MCS-51 单片机片内设有一个高增益的反向放大器，通过 XTAL1 和 XTAL2

27、外接作为反馈元件的晶体振荡器后便成为自激振荡器。XTAL1 和 XTAL2 分别为振荡电路输入端和输出端，时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。采用内部方式时，在 XTAL1 和 XTAL2 引脚上接石英晶体和微调电容可以构成振荡器，如图 2-3（a）所示。图中 C1、C2 起稳定振荡器、快速起振的作用，其容值一般在 5pF30 pF。如外接陶瓷谐振器，C1、C2 的典型值为 47 pF。内部振荡器方式所得的时钟信号比较稳定，适用电路中使用较多。震荡频率的选择范围为 1MHz12MHz。外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内。 这种方式适用于使单片机的时钟与外部信号保持同步。图 2-

28、3（b）是外部振荡方式电路接法。XTAL1C1CYSC2XTAL2图 2-3（a）单片机时钟内部振荡电路Fig 2-3 (a) SCM internal clock oscillator circuitMCS-51MCS-51 单片机的存储器有有片内和片外之分。片内存储器集成在芯片内部；片外存储器又称外部存储器，是专门的存储器芯片，需要通过打印制电路板上的三总线和 MCS-51连接。片外和片内存储器中，又有 ROM 和 RAM 之分。因此 MCS-51 单片机的存储器在物理结构上有 4 个存储空间：片内数据存储器、片外数据存储器、片内程序存储器、片外程序存储器。对 8051 来说，片内有 25

29、6B 的数据存储器及 4KB 的程序存储器。+5V外部时钟源XTAL2TTLMCS-51XTAL1Vss图 2-3（b）单片机时钟外部振荡电路Fig 2-3 (b) MCU clock external shocks circuit1) 程序存储器程序存储器用于存放编写好的程序或常数。EA 引脚接高电平，即可从内部程序存储器中（4KB）读取指令，超过 4KB 后，CPU 自动转向外部 ROM 执行程序；EA 引脚接低电平，则所有的读取指令操作均在外部 ROM 中。读取程序存储器中的常数表格用 MOVC 指令。程序存储器的寻址空间为 64KB，其中有7 个单元具有特殊功能（中断入口地址），见下表

30、 2-2。表 2-2 程序存储器特殊功能地址列表Tab.2-2 formality storage function address list地址0000H0003H000BH0013H001BH0023H事件名称系统复位外部中断 0定时器 0 溢出中断外部中断 1定时器 1 溢出中断串行口中断00H，因此系统必须从 0000H 单元开始取指令执行程序。一般在该单元中存入一条跳转指令，而用户设计的程序从跳转后的地址开始存放。2)数据存储器12数据存储器分为外部数据存储器和内部数据存储器。 访问内部数据存储器用 MOV 指令，访问外部数据存储器用 MOVX 指令。8051 的内部数据存储器分成

31、2 块：00H7FH 和 80HFFH。后 128B 用作特殊功能寄存器（SFR）空间，21 个特殊功能寄存器离散分布在 80HFFH 的地址空间内。3） 位存储器20H2FH 的 16 个单元为位寻址区， 每个单元 8 位， 共 128 位， 其位寻址范围为 00H7FH。位寻址区的每一位都可当做软件触发器，由程序直接进行位处理。程序中通常把各种程序状态标志、位控变量设在位寻址区。同样，位寻址区的 RAM 单元也可作为一般的数据存储器按字节单元使用。4） 特殊功能寄存器 FSR内部 RAM 的高 128 个字节（80HFFH）为特殊功能寄存器 FSR 区，其中 51 子系列有21 个，除这

32、21 个特殊功能寄存器地址之外的其他单元是空闲没用的，不能被访问，在使用时应加以注意。5） 外部 RAM外部数据存储器又称外部 RAM，当片内 RAM 不能满足数量上的要求时，可通过总线端口和其他的 I/O 口扩展外部数据 RAM，其最大容量可达 64KB，其结构如图 2-4 所示。外部数据存储器和内部数据存储器的功能基本相同，但前者不能用于堆栈操作。必须注意，由于数据存储器与程序存储器地址重叠，且数据存储器的片内外的低字节地址重叠。所以，对片内、片外数据存储器的操作使用了不同的指令。对片内 RAM 读写数据时，无读写信号产生；对片外 RAM 读写数据时，无读写信号（RD和WR）产生。同样，对

33、程序存储器和数据存储器的操作也是靠不同的控制信号PSEN、RD或WR来区别的。另外，在片外数据存储器中，数据区和扩展的 I/O 口是统一编址的，使用的指令也是完全相同。因此，用户在应用系统设计时，必须合理地进行外部 RAM 和 I/O 端口的地址分配，并保证其统一性。_ 8051 单片机的系统扩展单片机最小应用系统常常不能满足要求。因此，系统扩展是单片机应用系统中不可缺少的。图 2-4 存储器的空间结构图Fig 2-4 Memory spatial structure drawing系统扩展是指单片机内部各功能部件不能满足系统要求时，在片外连接相应的外围芯片以满足应用系统要求。80C51 系列

34、单片机的系统扩展主要由程序存储器的扩展、数据存储器的扩展、I/O 口的扩展、终端系统扩展及其他特殊功能接口的扩展等。1)锁存器 74LS373由于 MCS-51 的 P0 口是分时复用的地址/数据线，因此必须利用地址锁存器将地址信号从地址/数据线中分离出来，得到低 8 位地址 A0A7。这种锁存器也可作为数据锁存器，锁存 CPU 输出的数据。常用的地址锁存器，有带三态缓冲输出的 8D 锁存器 74LS373，它的引脚如图 2-5 所示9。图中，OE是锁存器三态门输出使能端。OE=0时，锁存器输出；OE=1时，输出呈高阻态。G 是选通脉冲输入端，选通脉冲有效时，数据输入 D0D7 被锁存。D0D

35、1D2D3D4D5D6D7OEGQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q774LS373图 2-5 74LS373 引脚图Fig.2-5 The pins chart of 74LS3732)程序存储器扩展由于 EPROM、EEPROM 集成技术的提高，可以使 80C51 系列单片机的片内程序存储器容14量越来越大，而且带片内程序存储器的单片机的价格也大大降低。因此 ,存储器的扩展已不是必需的了。3)数据存储器扩展常用的数据存储器 SRAM 芯片有 611662646256 等。在8051的扩展系统中， 片外数据存储器一般有随机存取存储器组成， 最大可扩展64KB。一般用静态 RAM，采用 8 锁存器

36、74LS373。图 2-6 为 6264 引脚图2，如下所示：图 2-6 6264 引脚图Fig.2-6 The pins chart of 6264图 2-7 所示是用一片 6264 扩展 8K8 位片外数据存储器的电路。扩展如图 2-7 其中芯片的地址范围是 0000H1FFFH。+5VP2.7P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0EAP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0ALED7D6D5D4D3D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0CE1VccA12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3I/O2I/

37、O1I/O0CE2805174LS3736264RDWROEWEGND图 2-7 8K 片外数据存储器扩展电路Fig.2-78K the enlarge circuitry of piece outside data storage4） 8051 与 8255A 芯片连接方式如下：8255A 是并行接口芯片，它可为 CPU 与外设之间提供并行输入输出的通道，可以通过软件来设置该芯片的工作方式2 3。8255A 的基本特性1） 8255A 是一个具有 3 个（A 口、B 口和 C 口）8 位并行的 I/O 端口的接口芯片。并且 PC 口还具有按位置位/复位功能。2） 8255A 能适应 CPU

38、与 I/O 接口之间的多种数据传送方式的要求。如无条件传送，应答方式传送和中断方式传送。3） 8255A 的 PC 口使用比较特殊，除可作数据口外，当工作方式 1 和工作方式 2 时，它的大部分引脚被分配作为专用联络信号；PC 口还可以进行按位控制；在 CPU 读取 8255A状态时，PC 口又作为方式 1、2 的状态口用等。4） 8255 内部主要由控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器组成。使用 8255A 时，主要是对这 3 类寄存器进行编程。8255A 的外部接线8255A 有 40 个引脚的双列直插芯片，单 5V 电源，其外部引脚如图 2-8 所示。PA7PA0：A 端口数据信号引脚。P

39、B7PB0：B 端口数据信号引脚。PC7PC0：C 端口数据信号引脚。_CS：芯片选择。低电平动作。当CS=0 时，8255 被选择；CS=1 时，8255 无法_与 CPU 做数据传输。_RD：读取使能，低点平动作。RD=0，且CS=0 时，CPU 从 8255 读取数。_WR：写入使能，低点平动作。WR=0，且CS=0 时，CPU 将数据写入 8255。表 2-3 8255A 输入输出接口的选择方式Tab.23 8255A inputs outputs connection choice wayA1 A00 00 11 0被选中的端口名PA 口PB 口PC 口161 1控制端口A0、A1：

40、地址选择线，用来选择 8255 的 PA 口、PB 口、PC 口和控制寄存器。RESET：复位信号，高电平有效。RESET 有效时，清除 8255A 中所有控制字寄存器内容，并将各端口置成输入方式。1234567891011121314151617181920PA3PA2PA1PA0RDCSGNDA1A0PC7PC6PC5PC4PC0PC1PC2PC3PB0PB1PB2PA4PA5PA6PA7WRRESETD0D1D2D3D4D5D6D7VccPB7PB6PB5PB4PB340393837363534333231302928272625242322218255A图 28 8255 芯片图 Fi

41、g 2-8 8255 chips charts8255A 内部结构8255A 的内部结构如图 2-9 所示。它由以下四个部分组成。A组控制D0D7RDWRA1A0CSRESET数据总线缓冲器A组A口A组C口高4位B组C口低4位PA0PA7PC4PC7PC0PC3读/写控制逻辑B组B口PB0PB7B组控制图 2-9 8255A 内部结构图Fig 2-9 8255A internal structure of the1） 并行输入输出端口 A、B、C8255A 包括 3 个 8 位输入输出，每个端口都有 1 个数据输入寄存器和 1 个数据输出寄存器，输入时端口有三态缓冲器的功能，输出时端口有数据缩

42、存器的功能。2） A 组和 B 组控制部件端口 A 与端口 C 的高 4 位（PC7PC4）构成 A 组，由 A 组控制部件实现控制功能，端口 B 与端口 C 的低 4 位（PC3PC0）构成 B 组，由 B 组控制部件实现控制功能。它们各有1 个控制单元，可接收来自读/写控制部件的命令和 CPU 通过数据总线（D7D0）送来的控制字，并根据它们来定义各个端口的操作方式。3） 数据总线缓冲存储器这是一个三态双向 8 位数据缓冲存储器，用于传送单片机和 8255A 间的控制字、状态字和端口数据。4） 读/写控制部件这部分电路可以接受单片机送来的读写命令和选口地址， 并根据它们向片内各功能部件发出

43、控制命令。2.3.2 数据采集与控制电路设计本设计是要是通过计算机系统对工业加热炉现场进行温度控制，就要从现场获得信息，这个信息是温度值。但温度是模拟量，计算机无法直接识别，因此就必须把温度这个模拟量变成数字量之后再输入到计算机中进行处理。该通道设计的好与坏，直接影响到整个系统的性能指标及其工作的稳定性。模拟输入通道包括两大部分，其一是变送器，其二是模/数转换器。实际上，模入通道的设计就是变送器的设计和模/数转换器及温度传感器的选择问题。1）传感器的选用及其原理图 2-8(a)是一种特殊结构的电路直流单臂电桥，R1、R2、R3和 R4叫电桥的臂，检流计 G 接于 AB 之间称为“桥”。一般情况

44、下 R1、R3两端的电压不相等，即 A、B 两点间的电势不等，G 中有电流通过。改变 R1、R3的大小，可以使 UACUCB，这时 G 中无电流通过。当G 中无电流时叫做“电桥平衡”10。图 2-8(a)所示的桥式电路，其输出电压VO可用VBC与VAC之差表示：VO=VBC-VAC=R1R3 R2R4V (2-1)(R1 R2)(R3 R4)为使测量前输出VO=0，即使电桥平衡，应满足R1R3=R2R4条件。在满足式(2-1)的条18件下，当电桥各臂电阻变化远小于本身值（RiRi），桥的负载电阻无限大时2，输出电压可近似用下式表示：VOR1R2R1R2R3R4()V2RRRR(R1 R2)22

45、34(2-2)如果将传感器电阻接入一臂，见图 2-8（b），并且测量前令R1=R2，R3 R4，则：VOVR1R2R3R4()4R1R2R3R4(2-3)在 测 量 过 程 中 ， 电 阻R1、R3、R4都 不 变 化 ， 即R1 R3 R4 0， 因 此V0 V R24 R2(2-4)AR1R2V0AR1tR2V0DCDCR4R3BVR4R3BV(a) 桥式测量电路 (b) 传感器测量电路(a) Measure circuit like a bridge (b) Measure circuit of hot sensitiveresistance sensor图 2-8 测量电路Fig.2-

46、8 Measure circuit传感器是将感受的物理量、化学量等信息，按一定规律转换成便于测量和传输的信号装置。电信号易于传输和处理，所以大多数的传感器是将物理量等信息是转换成电信号输出的11。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。在自动测量过程或控制系统中，首先由传感器接受被测量，而后把它转换成电信号，供显示仪表指示或用来控制执行机构。如果传感器不能灵敏地接受被测量，或者不能把被测量精确地转换成电信号，其他仪表和装置的精确度再高也无意义。计算机应用于测量系统和控制系统时，也必须由传感器提供准确可靠的信息，如果传感器的水平与计算机的水平不相适应，计算机便不能充分发挥应

47、有的作用和效益。因此，传感器是测量、控制系统中的一种关键装置。传感器的种类很多，分类的方法也不同，常用的分类法有两种。一种是按照传感器的用途区分，如位移传感器、力传感器、荷重传感器、速度传感器、振动传感器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器和密度传感器等。另一种分类法是按传感器的工作原理区分如电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、电涡流式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、光电式传感器、磁弹性式传感器、振频式传感器和电化学式传感器等。本设计系统的模拟量输入信号为工业加热炉的温度信号， 而其工艺过程的温度在 800左右，因此，根据上面介绍的电桥平衡原理，本系统的设计选用集成温度传感器 AD5

48、90，其测温范围为+3001000。要求工作电源为直流+4V-+30V，它能把温度信号变为与绝对温度成比例的电信号，比例因子为1UFK。其稳定性高、线性度好、测温误差有正负1、0.5 和 0.3 几种等级。根据本设计 GO 工艺特点，放大器采用稳高精运算放大 OP07。AD590 本身产生的是电流信号，通过运算放大器 OP07 对电流作加法运算，在运放输出端得到合适的电压信号，作为 AD 转换器的输入，电阻 R1、R2、和电位器 RP1、RP2 的选择原则是使运放输出电压被测有一个合适的对应关系。本例还使用了光传感器和烟雾传感器，用来对火盗警的检测。放大器采用 OPA404，OPA404 是高

49、性能介质隔离场效应输入运算单片机运算放大器。带宽为 6.4MHZ，高转换速率为 35V，低失调电压最大为正负 750UV，低偏置电流最在为正负4PA。输出通道设计包括开关量和模拟量输出通道的设计。开关量要考虑功率和控制方式(继电器、可控硅、三极管等)。模拟量输出要考虑 D/A 转换器的选择(转换精度、转换速度、结构、功耗等),输出信号的形式(电流还是电压) 、隔离方式、扩展接口等20输出通道是单片机控制系统与执行机构（或控制设备）连接的纽带和桥梁。设计时要根据被控对象的通道数据及执行机构的类型进行选择。对于那些可直接接受数字量的执行机构，可由单片机直接输出数字量。对于那些需要接收模拟量的执行机

50、构，则需要用 D/A转化，即把数字量变成模拟量后，再带动执行机构。在微型计算机应用中，输入装置通过 I/O 接口电路把程序、数据或现场采集到的各种信息输入计算机，计算机的处理结果和控制信息要通过 I/O 接口电路传送到输出装置，以便显示、打印，最后实现各种控制。本例的输出通道为 3 条，是经过光电耦合后再通过晶闸管驱动喷洒水设备；最后达到控制温度的作用12。信号变送电路是系统温度检测电路和 CPU 之间的通信通道， 其功能完成数据的传送和转换的作用， 是温度控制系统不可缺少的组成部分， 通常的设计都选用 ADC0809 和 DAC0830转换芯片，ADC0809 芯片将来自温度检测电路的模拟信