蛋白质水解温度控制系统.doc

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1、装订线序号（学号）： 021240327长 春 大 学毕 业 设 计（论 文）蛋白质水解温度控制系统2016年5月5日姓 名吴睿博学 院电子信息工程学院专 业电气工程及其自动化班 级12403指导教师李海富（教授）装订线长 春 大 学 蛋白质水解温度控制系统基于89C51单片机的蛋白质水解温度控制系统摘要在现代工业控制领域中，随着技术的不断发展，各类工业控制器层出不穷，对环境的适应能力的得到的极大的加强，智能化程度也越来越高。在各类工业控制器中，以单片机为核心的工业控制器因为体积小，成本低，功能强大等优点而占据了一席之地。PID控制器是一中基于PID算法的控制器，这种控制器 论的是PID控制器

2、的在温度控制方面的应用。本文主要从硬件设计、软件设计以及相关接口电路设计等方面来阐述对蛋白质制温度水解项目中所应用的基于89C51单片机的温度控制系统的设计方案，并且在设计过程中，从多个方面充分考虑到了环境等因素的可能会对系统产生的影响，从而制定了相应的措施来保证系统的稳定性。在软件设计方面，本设计根据被控对象的特性，设计了合适的PID的算法，以保证控制功能的实现。关键词 PID控制算法；89C51单片机；温度控制Protein hydrolysis temperature control system based on 89C51 single chip microcomputer【Abst

3、ract】：industrial controllers emerge endlessly, the ability of adapting to the environment has been greatly strengthened. At the same time， the degree of intelligence is also getting higher and higher. Among all kinds of industrial controller, the microcontroller is the core of the industrial control

4、ler because of small size, low cost, strong functions and other advantages of occupying a place. PID controller is a controller based on PID algorithm, the controller in many industrial fields have a wide range of applications. For example, food, chemical industry and so on. This paper mainly discus

5、ses PID controller in the temperature control applications.This article mainly disscusses many aspects such us hardware design, software design and the related interface circuit design elaborates influence on protein hydrolysis temperature project by the application of the 89C51 SCM temperature cont

6、rol system design scheme based on design process. From multiple aspects, giving full consideration to the environment factors may cause the system, so as to formulate the corresponding measures to guarantee the system stability. In terms of software design, this design is according to the characteri

7、stics of the controlled object, the design of a suitable PID algorithm, in order to ensure the realization of the control function.Keywords：PID control algorithm；mcu-51；temperature control目录第一章绪论11.1概述11.2温度控制系统的发展11.2.1温度测量系统的发展情况11.2.2温度控制系统发展情况21.3单片机发展概况31.3.1概况31.3.2单片机应用情况3第二章 系统总计设计方案42.1 对温控

8、系统的性能要求42.2 硬件方面42.3 软件设计方案5第三章 硬件设计方案63.1 89C51芯片介绍63.2管脚分配方案63.3 I/O接口扩展电路83.3.1 为什么需要I/O接口拓展83.3.2 8155芯片介绍83.3.3 引脚功能及管脚分配93.4 外部显示和控制设备电路113.5 外部存储器扩展部分113.5.1 外部拓展RAM原理说明123.5.2 端口分配方案123.6 信号处理部分133.6.1 温度传感器选择方案133.6.2 信号放大电路143.6.3滤波电路设计方案163.7 A/D转换器部分173.7.1 A/D接口电路173.7.2 ADC0804芯片管脚说明18

9、3.7.3 管脚连接方案193.8 加热系统203.9 过零检测系统213.10 硬件抗干扰部分22第四章 温度控制系统的软件设计234.1 外部拓展芯片的端口地址和控制命令字234.2 系统主程序设计图244.2.1主程序流程图244.2.2 主程序框图254.3 8155I/O口拓展芯片子程序设计264.4 LED显示设备子程序和键盘控制程序设计264.4.1 显示部分程序设计264.4.2 键盘子程序设计方案274.5数模转换子程序294.6 PID控制方案304.6.1 PID控制理论304.6.2 控制算法314.6.3 PID控制算法的参数整定34IV装订线长 春 大 学 蛋白质水

10、解温度控制系统第1章 绪论1.1概述在现代工业生产过程中，控制好温度这一个物理量维持生产正常运行的一个重要任务，因为从物理学和化学的角度讲，在很多物理和化学的过程中，温度都起着很重要的影响，正因为如此，在工业生产过程中，温度的控制就更显得尤为重要，钢铁厂的钢铁冶炼工艺为了炼制出高品质的钢铁产品，就需要很严格的控制温度，再或者这汽车厂的涂装车间，为了保证汽车涂装质量，温度是一个必须控制一个环境因素，所以，温度的控制，在工业生产中，是极为重要的。然而蛋白质水解的一个重要应用领域就是在食品加工行业，因为蛋白质的水解程度和水解速率在不同的温度下是不一样的，所以在这一过程中，一个性能优秀的温度控制系统就

11、显得尤为重要。1.2温度控制系统的发展若想完成温度控制任务，就需要两个关键部分，也就是需要一个用来测量的装置，一个用来控制的装置，在本设计中，即为温度测量装置和温度控制装置。当今社会，科学发展迅速，温度测量技术的发展也愈加成熟，但是在实际工作环境中，想要精确测量温度这一物理量并准换成模拟量并不是很容易，因为温度是个实时变化的非线性量，所以在测量过程中，不仅需要快速、准确的对温度进行实时采样，而且还要确保正确传输这些数据，所以，在这一过程中，还有很多问题尚待解决。1.2.1温度测量系统的发展情况首先介绍一下在现代工业中比较常用的两种测量手段：接触式温度测量和非接触式温度测量。接触式测量技术发展的

12、时间比较长，优点有很多，例如：几个低廉，性能可靠，机构简单，而且测量精度比较高，正常情况下是可以测得精确度比较高的温度数据，但是这一技术的缺点也很多，比如说，由于检测元件存在一定的热惯性，因此一定程度上延长了系统的响应时间，这一缺点主要是影响了对热容量较小的物体的温度进行精确测量，在一个缺点就是，接触式测温器件都不耐腐蚀，所以，接触式测量方法不适用于测量具有腐蚀性物质的温度，而且在超高情况中会造成元件损坏，所以接触式测量方式也不适用于超高温度的测量。非接触式温度测量方法是属于近些年才发展起来的温度测量技术，因为一切具有温度的物体或者是温度高于绝对零度的物体，都会产生热辐射，所以通过对物质的辐射

13、能量进行测量，就可以得出物质相应的温度，这种方法的优点有很多，在很多方面可以弥补基础是测量方法的缺陷，例如，可以测量超高温度，可以测量运动物体的温度，可以测量腐蚀性物质的温度，因为不存在热惯性所以测量的响应时间更短，但是该项技术的缺点也很多，首先是误差比接触式测量要大一些，而且测量的结果一般都是物体表面的温度，而且在结构方面，非接触式测量器件结构要比接触式复杂很多，相应成本也就高很多，所以，具体的选择方法要根据实际工作性质和工作环境而定。在本设计中，因为成本受限且温度精度要求较高，而且蛋白质水解过程中不存在腐蚀性物质，所以选择接触式测量方法。1.2.2温度控制系统发展情况当今社会，科技飞速发展

14、，高新技术中，自动控制技术得到发展尤为显著，由于本设计是温度控制系统，所以着重介绍现行几种比较常用的温度空控制技术。1. 动态温度控制技术和恒指温度控制技术动态温度控制技术主要是针对被控对象的温度需要在一定范围内不断变化的情况，也就是需要先按照被控对象所需的温度变化要求预先设定好温度变化曲线，之后控制器就按照曲线对温度进行控制，保证被控对象的温度按照温度曲线实时变化；恒值温度控制技术则是针对被控对象的温度要求保持在某一固定数值上，同时温度的波动程度不能超过设定值。在本设计中，因为是要研究蛋白质在某一温度下的水解情况，故选用恒值温度控制方法。2. 定值开关控制法和PID控制法这个分类是跟控制器的

15、工作方式来区分的。定值开关控制法，是通过将测量得到的温度值和设定的温度值相比较，来确定是否对该系统进行加热或者是降温处理，该项功能可以通过硬件或者软件实现，而且结构相对简单，易于实现，在不使用计算机的情况下，依靠模拟电路就可以实现，这种方式目前在一些设施比较老旧的工厂内依旧被使用。但是这种方式存在很大缺陷，就是精确度很低，造成这种确实主要是因为这种系统是在温度高于设定值的时候才停止加热，低于设定值是才开始加热，没有考虑到温度是具有一定滞后性的物理量，难以实现实时控制，所以不适用于有高精度温度控制要求的被控对象。PID线性控制法，源自经典控制理论中的PID算法，该算法经过长期的发展，已经广泛应用

16、于现代的工业自动控制中，PID控制法的主要优势在于在其数学模型中，考虑了三个特殊的因素：误差、误差累计和误差变化，通过对这三个因素的控制，可以对被控对象进行更为精确的调控，仅凭这一点，就比定制开关控制法要优越很多，该算法的优点有很多，算法简单、鲁棒性好、可靠性高，通过调整PID控制的三个参数，即比例参数，积分参数，微分参数，即可实现较为精确是的控制效果，这三个参数也可以在根据实际情况的变化而进行现场更改，但是正因为它的这种特性，对系统的精度的也有一定的影响，因为在现场调整的过程中，人为调整后的参数可能产生的影响也不是完全确定的，所以会影响系统的精确度。1.3单片机发展概况1.3.1概况单片机，

17、全称单片微型计算机，属于微型计算机其中一个分支，问世四十多年以来，因为其低廉的价格和优秀的性能而得到了及其广泛的应用和极大的发展，而且相对比较易于掌握，技术人员通过一段时间内的自学，就可以开始逐渐独立开发，很容易创造较高的经济效益。1.3.2单片机应用情况现如今，单片机早已应用工业生产和人们日常生活的方方面面，粗略分为以下几个方面：工业生产：因为单片机在同等性能之下体积较小、功耗更低的特性，现已广泛应用到现代工业生产的自动过程控制中，与其他自动控制装置相配合，形成多种智能控制系统，例如信号采集系统，通信系统，测量系统，自动生产线控制系统等等，可以完成复杂的生产任务。家庭使用：现如今单片机早已融

18、入了我们的如常生活中，现在比较常用的生活电器中基本都有各种型号的单片机，像小到电饭锅，微波炉，豆浆机，大到电梯，都是一样。在这些电器中应用单片机，很大程度改变了我们的生活，让我们的生活变得更加便利，还为日后的智能家居一体化打下了坚实的基础。医疗方面：现在单片机在医疗领域也得到了广泛应用，像呼吸机，各种状态检测仪，应用到了单片机。第二章 系统总计设计方案2.1 对温控系统的性能要求本设计是基于单片机控制的蛋白质水解温度控制系统，先通过pc或者显示屏设定所需温度值，通过温度传感器测得炉温，在通过PID算法对电热炉进行恒温控制，温度控制范围在+20+100，控温精度+1。图2.1 控制系统原理框图2

19、.2 硬件方面根据温控系统的性能要求，下面将介绍和选择相应主要器件及相关参数。1）CPU的选择：CPU即为整个系统的核心处理器，是用来完整各种复杂运算任务的重要器件，在本系统中，则是用来完成处理对收集来的温度信号进行运算，处理，并反馈出去，由于本设计的复杂程度不是很高，所以选用89C51就可以完成系统功能。2）存储器的选用：本设计选用6264型EPROM，这种存储器价格低廉，而且集成度很高。3）系统输入通道：被传感器采集的模拟信号被滤波和放大之后，经由A/D转换器，传入CPU内进行处理。4）系统输出通道的选择：主要部件为可控硅，通过可控硅调节输出功率，进而控制电热炉的温度。5）I/O接口：这一

20、部件主要用作连接led液晶显示器和其他人机交互工作，例如键盘等等，在本设计中，选用8155这种可以进行编程的并行I/O接口芯片。6）键盘：在本设计中作为主要的人机接口，用来进行相应参数的设置。7）显示模块：选用一块led液晶显示。8)检测和复位模块：该模块用来在处理系统出现死机或者其他未知错误的时候进行复位操作，并在正常工作的时候对CPU的状态进行监控。9）干扰电路：通过在系统的弱电部分的电源接口对地跨接一个100f的电容和一个0.1f的电容，还有在各类芯片的也是一样，来实现抗干扰功能。2.3 软件设计方案1. 温度算法根据第一章的分析，本设计决定选用PID算法对系统进行控制，2. 滤波算法因

21、为在信号采集的过程中，很容易受到各类噪声的干扰，所以为了保证采集的温度信号的准确性，本设计选用数字滤波方式中的中值滤波算法，即在所采集的N个数据中选取一个中间值作为采样结果，本设计中N值选为3，这样比较合适3. 主控算法本设计中，决定由中断服务程序来作为控制显示器和键盘等装置的主体控制程序。第三章 硬件设计方案3.1 89C51芯片介绍89C51最开始是1981年由英特尔公司制造，是一种八位的单芯片微信控制器，是MCS-51芯片中的一种，现在市面上也有很多以89C51为核心，功能更多，更强大的兼容单片机单片机。基本特性1） 内部的程序存储器为4k字节。2） 内部数字存储器为128字节。3） 具

22、有一个全双工串行接口。4） 有四个并行的I/O接口，可以编程。5） 具有一个全双工串行接口。6） 具有五个中断源，有两个中断结构属于优先级中断。7） 具有时钟电路和时钟振荡器。3.2管脚分配方案如下图所示，该系列具四十个引脚，采用双列直插方式封装，其中部分引脚具有两项功能是因为引脚的数量有限。下面将介绍各引脚的名称和作用图3.1 89C51芯片引脚图1）18号管脚这8个管脚的名称是P1.0P1.7，统称为P1接口，是八位的准双向I/O口，具有驱动四个LSTTL负载的能力，本设计中，只需要用到P1.0口用作信号输出端口。2）1017号管脚这八个管脚的名称是P3.0P3.7，统称为P3接口，是具有

23、复用功能的端口，第一个用处就是作为普通的I/O端口使用，具体使用方式跟18号管脚类似，也同样可以驱动四个LSTTL负载。另外一个用处如下表所示：表3-1 P3.0P3.7引脚第二功能表3）18、19号管脚这两个管脚的名称XTAL1和XTAL2，是作为时钟电路的引脚。分别接到外部外部晶体的两端。其中X1脚必须接地。4）20号和40号管脚20号管家名称是GND，是用来接电源地的，40号管脚名称是Vcc，是用来接+5V电源的。5）2128号管脚这八个管脚的名称是P2.0P2.7，统称为P2接口，是芯片上的八位准双向I/O口，通常都是用于扩展芯片上，作为高8位的地址线和控制线。6）9,号，29号，30

24、号，31号管这四个管脚的名称分别为RST、PSEN、ALE/PROG、EA/VPP。RST是复位端口，在单片机通电的情况下，在此端口通入24个振荡周期以上的高电平，就可以让单片机进行复位操作。PSEN是CPU用来访问片外存储器的端口，在一个机械周期中只通过两次有效信号。EA/VP，在此端口接电源时，可以内部程序存储器。7）3239号引脚这八个引脚的名称是P0.0P0.7，统称为P0接口，有两种作用，第一是作为普通的八位双向I/O端口，第二个用处是可以作为外部存储器的数据线或者是地址线。3.3 I/O接口扩展电路3.3.1 为什么需要I/O接口拓展在MCS-51系列单片机中，通常情况下是由三组I

25、/O接口的，分别是P0、P1、P2、P3，总计32根端口，但是经常由于单片机系统需要外接设备，像是键盘，显示设备，外接存储等等，而且还需要用到部分I/O，第二功能，这就会造成I/O口的数量不足，因此就需要对I/O端口进行拓展。在本设计中，就是选用TTL电路和可编程的并行I/O接口拓展芯片8155来拓展I/O端口的数量，这种芯片由Intel公司生产，可以跟MCS-51系列单片机完美匹配。3.3.2 8155芯片介绍8155芯片2个八位的I/O端口，1个两位的I/O端口，都属于可编程端口，片内还具有256字节的RAM存储器，一个14位的计数器，这种芯片在各类单片机系统中应用十分广泛。下图为8155

26、的内部构成图。图3.2 8155芯片内部机构图该芯片内部构成大概分为以下几个部分1） RAM：该部分中文名字为随机存储器，容量大小为2568。2） I/O端口：PA07 八位可编程I/O端口。PB07 八位可编程I/O端口。PC07 八位可编程I/O端口。8位只允许写入的命令寄存器。8位只允许读取的状态寄存器。3） 计数器/计数器：具有14位的二进制减法两个计数器/计时器。3.3.3 引脚功能及管脚分配8155引脚图如下图所示图3.3 8155引脚示意图下面介绍各引脚的主要功能1） PA07，八位双向I/O端口，数据的输入或者是输出受命令存储器控制。2） PB07，八位双向I/O端口，同样受命

27、令存储器控制。3） PC05，六位双向I/O端口，同时对PA和PB具有某种控制作用，同样受命令存储器控制。4） AD07，是数据或地址总线，这些端口上输入或者是输出数据是受控制信号WR或者是RD来决定的。这些端口通常可以与MCS-51单片机上的P0口相连接，同时用作存储器的低八位地址和I/O端口的通道地址，这一功能受来自IO/M的信号来决定。5） ALE 允许地址锁存信号该接口所接受的信号来自89C51芯片，在接收到低电平信号的时候，才在片内锁存器中锁存片选信号CE，IO/M信号和低八位地址。6) WR写信号端口 在器件被允许使用是，也就是CE=0时，在此端口输入低电平，可以对芯片进行写操作。

28、7) RD 读信号端口在器件被允许使用的时候，也就是CE=0的时候，在此端口输入低电平，就可以对芯片进行读操作。8) CE 片选信号 只有当此端口输入值为0，也就是输入低电平的时候，8155才允许被使用。9) IO/M I/O或RAM的选择信号端口IO/M输入高电平的时候，选择I/O端口，输入低电平的时候，选择RAM。3.3.4 各引脚的使用情况在本设计中，AD07接在89C51芯片上的P0端口上，CE端口接在74LS138的上，IO/M外接+5V电压，PA47用来连接四位键盘，PB03端口用来连接LED显示，接7404驱动。PC03用作显示器件和键盘的输入端。3.3.5 I/O编址方案815

29、5芯片中的I/O端口和随机储存器RAM均不占用89C51片内RAM地址，有CE端口和IO/M端口来决定高八位地址。详见下表表3-2 8155端口地址表3.4 外部显示和控制设备电路人若想要于计算机进行交互，主要途径就是通过外接设备，本设计中，选用最常见的两种交互设备：键盘和显示器。键盘选用44的外接非编程型键盘，显示器选用四位七段的LED显示器，这种类型的显示器因为其十分廉价而得到了广泛的应用，有了这两个设备，就可以对单片机进行温度设置和温度查看了。外接设备电路路如下图详细：1） PC03端口用作外接设备输入端，也就是键盘和显示器的输入口。2）PB07作为LED显示器的输出端口。3）键盘：虽然

30、为不可编程键盘，但是功能也很多，既包含数字键，可以用来设置温度，又含有控制键，可以完成其他相应的控制功能，操作性十分灵活。图3.4 8155外接设备电路图3.5 外部存储器扩展部分在89C51 内部，是具有内部存储器，这些存储器是用来存放各类运算结果和运算数据的，通常情况下，这些存储器的大小是够用的，但是在本设计中，系统需采集很多温度数据用于计算，这就会导致片内的存储器不够用的问题，所以就需要单芯片外部对RAM存储器进行拓展。在本设计中，计划选用8K8位的RAM存储器芯片6264来对存储器进行拓展，该型号RAM使用+5v供电，采用CMOS工艺制造，额定功率200nW，共有28个封装引脚。3.5

31、.1 外部拓展RAM原理说明通常情况下，若想对片外存储器进行写操作或者是度操作的时候，需要有单片机芯片上的WR接口和RD接口向外置RAM提供读写信号，不需要使用PSEN。但是通过I/O端口拓展的外部存储器或者是其他外接设备的时候，则需要占用芯片内部数据存储器的存储空间，对于本设计89C51芯片内部存储本身就不够用的情况显然不适用，所以在这种情况，6264芯片这种只需要连接89C51上的WR和RD两个端口就可以实现RAM拓展的特性使得这种芯片拥有更好的适用性，而且该型号芯片属于SRAM，所以在设计过程中不需要考虑定时刷新的问题，更加省时省力。若要对该芯片进行写操作的时候，首先是要让89C51上的

32、ALE端口降到低电平，然后WR端口指令才有效，这个时候CPU才可以通过P07八个端口想外置RAM传输数据，在进行读操作的时候，同样也需要先让ALE为低电平，之后RD端口信号有效，才能通过P07八个端口对片外RAM进行读操作。具体扩展原理如下图。图3.5 片外存储子拓展原理3.5.2 端口分配方案本设计中6264管脚跟配方案如下：1） CS1、CS2端口：用来接收片选信号，这个信号来及74LS138芯片。2） A012端口：用来连接89C51的P2.02.4端口和74LS373的输出端口。3） D07端口：接8155的AD07。在本设计中，只需要在片外扩展一块RAM就够了，地址范围可设为0000

33、1FFFH,具体线路图如下图所示。图3.6 外置RAM拓展电路3.6 信号处理部分3.6.1 温度传感器选择方案在本设计中，因为项目要求的温度测量范围是+20+100,并且精度要求没有很高，为+1，所以选用DA型线性PN节温度传感器就可以满足设计要求。这个类型的传感器属于利用PN节的伏安特性和温度关系而制成的固体传感器，主要应用材质是晶体管半导体材料。DA型线性PN节温度传感器是一种新型的半导体测量元件，他最大的特点就是具有优良的线性度和优良的互换性，因为虽然测量范围不是很大，但是如果测量范围在-30到+200内的，他的应用还是非常广的，跟热电偶，热敏电阻，Pt100等测温元件在现代工业中都属

34、于常用器件，而且其他器件该有的优点它通通具备，其他元件的缺陷他却没有，比如说非线性这缺陷，正常来讲，一个测温元件，如果他的输出是非线性的，就会给工程人员带来极大的不便，为了弥补这一缺陷，需要去设计线性补偿网络以及其他各种复杂的计算和设计，后期还需要不断地调试，极大的增加了技术人员的任务量，对生产效率也有很大的影响。正是因为PN节温度传感器的这些特性，使得他在各行各业都有了广泛的应用，小到冰箱空调，室温控制，大到汽车工业矿山机械等等领域。PN接温度传感器的封装方式有很多，以便满足不同的项目需求。1） 工作原理首先需要了解晶体管正向电流和PN节上压降的关系（3.1）之所以PN节温度传感器要比其他测

35、温器件要灵敏一些，是因为，在这个器件中，温度和PN节正向压降比1/2mV，所以，测量结果就会更准确一点。但是这种测温元件也有一定的缺陷，就是测量高温的时候，会受到载流子本征激发的限制，所以在测量范围上会有所限制，只能工作到200以下，但这一情况不会在低温的时候出现，所以该类器件可以测量到绝对零度。当然，该类器件的性能还是取决于制作工艺，其中的关键系数“温度系数”并不是常数。2） 测温电路具体电路图如下午所示，首先是需要一个电桥电路，然后为了提高所收集信号的质量，需用放大器把来自电桥的电压信号放大，同时也起到了阻抗变换的作用。图3.7 测温电路图3.6.2 信号放大电路温度信号被传感器采集之后并

36、转换成了电信号，但是这种电信号并不能直接使用，因为这些电信号都比较微弱，需要经过放大之后才可以被使用，所以接下介绍一下本设计中的放大电路部分。1） 本设计选择INA102型信号放大器，内部结构如下图所示，在图中，放大器的输入信号来自传感器的输出端，图中电容的作用为相位补偿，由A1和A2构成第一节放大电路，第二级放大电路具有一倍的电压放大能力。图3.8 INA102放大器2） 放大器的电源和输入级失调调整电路。该放大器的放大倍数表达式为由上式可知，该器件的能力跟输入信号的强度有一定关系，由于信号的内阻变化可引起一定程度的放大误差，所以需要输入级失调调整电路，电路图如下图所示图3.9 INA102

37、 外接电源和输入级失调调整电路图如上图显示，若想改变第一级电路的增益，可用过改变其他管脚外部接线的方式来实现，有四种情况，分别是1、10、100、1000，具体接线方法见下表表3-3 INA102放大器接线方法与相应的增益3） 计算方法首先设电路被放大之后的灵敏度为10mV/，在被测温度变化范围是0100的时候，输入电压在01V内变化，放大器的输入电压为18V，这种情况下可以将放大器的2、6、7号引脚连接起来，将放大倍数设定为十倍，此时放大器输出的电压范围就变成了010V，之后为了改变INA102的电压放大倍数，可以再接一个滑动变阻器，使得输出电压满足ADC0804对输入电压的要求，根据以上描

38、述，可以得出下列输出电压表达式：3.6.3滤波电路设计方案由于微处理器具有时钟频率高，总线周期快等特性，所以在具有微处理器以及高精度A/D变换电路的电路系统中，电路的抗干扰性能和电磁兼容性是在设计系统的过程中必须考虑到的部分之一。在本设计中，因为ADC0804属于微处理器，所以在该器件对信号采样的过程中，如果信号有波动或者是其他的干扰噪声，就会影响结果的精确性，给系统造成一定的波动。这个原理跟水处理的原理很类似，直接从江河里面取到的水是不能直接引用的，需要对水进行过滤，消毒之类的处理之后才能变成引用水。同样，在电路中，对收集到信号进行相应的处理也是一样。本设计中，为了降低和滤除采集信号中的干扰

39、噪声，只让特定频率内的采集信号进入A/D传感器，计划通过采用串联一阶低通滤波器和无线增益二阶低通滤波器的方式来实现滤波功能。具体电路图如下。本设计采用的运放电路是可以近似的看做为理想的运放电路，也就是电路的增益近似无限大，ADC0804是从该电路的Uo(S2)端获取信号，信号由ADC0804的Vin(+)端口进入，Vref/2端口的电压应为输入模拟电压的一半。图3.10 滤波电路图3.7 A/D转换器部分3.7.1 A/D接口电路采集到的信号经过放大，滤波等操作之后，并不能直接传入控制系统进行处理，因为微型计算机控制系统只能处理数字信号，而此时经过处理西还是模拟信号，所以，就需要一个装置来吧模

40、拟信号转换成数字信号，这个装置就叫做A/D转化器，由于在本设计中，采集到的信号种类比较单一，仅为温度信号，而且需要传递信号参数也并不复杂，所以，只需要设置一个模数通道就够用了，所以，决定选用ADC0804作为本设计中的A/D转换芯片。ADC0803端口图如下图所示，该芯片采用CMOS工艺制造，正常工作电压为+5V，分辨率为8位，转换时间100us，属于中速芯片，芯片内部具有三态输出图3.11 ADC0804 接口电路图数据锁存器，方便与微处理器进行接口。3.7.2 ADC0804芯片管脚说明1）CS端口此端口为片选信号输入端口，在此端口输入低电平时，芯片方能开始工作，此端口需接地址译码逻辑电路

41、。2） INTR端口此端口中断申请为输出信号端口，从该端口输出的低电平信号为中断申请信号。3） RD端口此端口为读信号输入端口，若想读取片内锁存器中的数据，需要先在CS端口输入低电平，然后在这WR端口叫上低电平，就可以读出片内数据了，并且在这个过程中，还可以将INTR端口复位。4） WR端口此端口为写信号输入端口，若要开启A/D转换功能，首先要在CS端口加低电平，然后在此端口上输入低电平即可开始转换，此过程是INTR端口变为高电平，若想再次端口重新低电平信号，则可以停止当前进行的转换并开启新的转换。5） Vin(+)和Vin(-)端口这两个端口是模拟信号的输入端口，具有接收单极性、双极性、差模

42、三种输入信号的能力。如果芯片工作在差动输入模式的时候，如果输入的电压大小在0Vmax范围内时，Vin(-)端口是需要接地的，如果变化范围是VminVmax时，则需要在Vin(-)端口接入一个大小为Vmin的恒压电源。该芯片是没有判断输入信号极性的能力的，所以在使用时，为了让芯片正常工作，则需要让输入信号满足VIN（+）VIN（-）这一条件。还有一种情况就是如果芯片工作在双极性输入信号的情况下，需要一个外接的附加电路来维持正常工作。6） CLKR和CLKINADC0804芯片是支持外接工作始时钟模块的，在片内也是具有时钟模块的，如果想使用外接时钟模块，就可以连接在CLKIN端口上，如果项目要求使

43、用片内时钟模块，则需要在CLKR端口和CLKIN端口相配合，在两个端口见架设一个RC电路。7） Vref/2该端口是参考电平输入端口，用来决定量化单位。在应用过程中，此端口输入的电压值应为输入的模拟电压值的一半。8） DB07这八个端口为该芯片的三态数据输出端口。3.7.3 管脚连接方案在本设计中，CS管脚连接到74LS138Y2端口，INTR管脚连接到89C51芯片的INT0管脚上，CLKR和CLKIN两管脚之间搭建一个RC电路并与芯片内部的施密特电路共同组成一个多谢振荡器，频率计算公式为Fclk1/1.1RC，电路如下图所示。在本设计中，由于CPU只能处理数字信号，而设计中被控对象是温度，

44、所以不仅仅需要对于采集到的信号进行接收，放大和滤波，还要通过A/D信号转换芯片，将模拟信号转换成CPU可以进行处理使用的数字信号，在这个过程中，这些器件共同组成了本设计的模入通道。图3.12 ADC0804外接的RC电路3.8 加热系统在现代工业自动控制领域中，单片机的功能一方面是要将收集到的信号就行处理和运算，更重要的一方面是在处理完信号之后要进行反馈，也就是对被控对象进行控制，完成相应的计划目标，但是就在这个过程中，如果被控对象是弱点器件还好，但是通常情况下，被控对象往往都是各类高压器件，这样就会出现一个问题，就是高压器件工作的时候会对单片机产生一定的干扰作用，对单片机的正常工作有很大的影

45、响。在这种情况下，单片机就需要通过一些器件去简介控制着高压器件。在本设计中，就是选用可控硅管来作为所需要的中间器件。如下图显示，可控硅在同一给定的周期中不同的接通时间下，输出功率的不同区别，显然，但接通时间站到整个周期的百分之百时，输出功率最大。图3.13 可控硅功率调节器和通断时间的关系在本设计中的温度调节部分，计划将温度调节电路连接在89C51单片机上的I/O端口P1.01.7上，通过程序控制该端口输出的脉冲来控制加热功率。从89C51中输出的过零同步脉冲在输送到可控硅之前还需要经过光耦管和驱动器，该部分电路图如下图所示。在这部分电路中，光电耦合器这一期间是由两部分组成，分别是光源和光传感器，这一器件的作用是防止从前向通道和后向通道进入系统的电气干扰信号，对单片机系统的工作环境起到了一定的保护作用，一定程度上增强了该系统的稳定性，其工作原理是当该器件的输入端输入高电平的时候，发光元件（也就是发光二级管）就会发光，光敏元件由于受到光的作用就会导通，若输入的是低电平，发光元件就不会发光，光敏元件也不会导通。图3.14 可控硅调节电路图在类似本设计中的这种晶体管-晶体管逻辑电路中，也就是常说的TTL电路中，一般情况下使用的时候+5V的直流电源，但是在日常使用过程中，往往只有220V的交流电源，所以为了维持TTL电路的正常