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1、工业加热炉温度控制专业系统设计0引 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
2、而可以通过对输入功率的控制，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
3、为主机代替上位机接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 工业加热炉温度控制系统 温度控制系统简介 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、油、电等
4、；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，所
5、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。 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。 温度控制系统的功能介绍 系统模块
6、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。在工业生产中, 对温度控制系统的要求主要是保
7、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、
8、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。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：图1-1 温度控制系统控制原理图Fig 1 - 1 temperature control system control scheme 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，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
9、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。结合工业加热炉的具体工艺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
10、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。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，其连续鸣音30MS，经光电耦合后通过晶闸管驱动自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
11、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
12、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、串行口初始化和数据传输等程序。以简单说明了温度控制系统的工作原理。 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、
13、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
14、制炉内温度。 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8K8位。所采用的AD转换器选用ADC0809，温度、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”技术。加热炉的温度控制系统硬件结构，如图2-1所示：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 architecture 加热炉温度控制系统硬件电路设计随着电子
15、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。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。8051内置1个8位微处理器CPU、128字节内部数
16、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。 8051的引脚图如下：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32根）P0口（3932脚）有三个功能： a）外部扩展存储器时，当做数据
17、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），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) 电源引脚和a）（40脚）：电源端，接+5V。
18、b）(20脚)：接+5V电源地。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 12 （外部中断0）P3.3 13 （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 16 （外部数据存贮器写脉冲）P3.7 17 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。
19、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。12MHZ，为了减少寄生电容，保证振荡器
20、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（9脚）：复位信号输入端。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/（30脚）：地址锁存允
21、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）（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，在每个机器周期两次有效，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，则两次有效的信号将不出现。在读外部ROM时低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。 d）/（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
22、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T
23、MP1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
24、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
25、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2-3（b）是外部振荡方式电路接法。图2-3（a）单片机时钟内部振荡电路Fig 2-3 (a) SCM internal clock oscillator circuitMCS-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256B的数据存储
26、器及4KB的程序存储器。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2-2。表2-2 程序存储器特殊功能地址列表 formality storage function add
27、ress list地址事件名称0000H系统复位0003H外部中断0000BH定时器0溢出中断0013H外部中断1001BH定时器1溢出中断0023H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20H2
28、FH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
29、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（和）产生。同样，对程序存储器和数据存储器的操作也是靠不同的控制信号、或来区别的。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
30、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
31、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。图中，是锁存器三态门输出使能端。=0时，锁存器输出；=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。图2-5 74LS373引脚图 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611662646
32、256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74LS373。图2-6为6264引脚图，如下所示：图2-6 6264引脚图 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。图2-7 8K片外数据存储器扩展电路 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
33、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。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，
34、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。PB7PB0：B端口数据信号引脚。PC7PC0：C端口数据信号引脚。：芯片选择。低电平动作。当=0时，8255被选择；=1时，8255无法与CPU做数据传输。：读取使能，低点平动作。=0，且=0时，CPU从8255读取数。：写入使能，低点平动作。=0，且=0时，CPU将数据写入8255。表2-3 8255A输入输出接口的选择方式3 8255A inputs outputs connection choice wayA1 A0被选中的端口
35、名0 0PA口0 1PB口1 0PC口1 1控制端口A0、A1：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。图28 8255芯片图 Fig 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。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
36、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
37、发出控制命令。 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”。一般情况下R1、R3两端的
38、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”。图2-8(a)所示的桥式电路，其输出电压可用与之差表示： =-= (2-1)为使测量前输出=0，即使电桥平衡，应满足=条件。在满足式(2-1)的条件下，当电桥各臂电阻变化远小于本身值（ ），桥的负载电阻无限大时2，输出电压可近似用下式表示： (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=， ，则： (2-3)在测量过程中，电阻、都不变化，即，因此 (2-4)(a) 桥式测量电路 (b) 传感器测量电路(a) Measure c
39、ircuit like a bridge (b) Measure circuit of hot sensitive resistance sensor图2-8 测量电路 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。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
40、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
41、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AD590，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、。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
42、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是高性能介质隔离场效应输入运算单片机运算放大器。，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
43、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。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，ADC0
44、809芯片将来自温度检测电路的模拟信号转化成数字信号，将数字信号再送往CPU中，进行数据处理；DAC0832芯片是将来自CPU的数字信号命令转换成模拟信号来控制设备。信号变送电路的传输速度和精度是设计此部分的重要指标，对系统的功能设计有着重大的影响。在数字电子技术的很多应用场合往往需要把模拟量转换为数字量，称为模 / 数转换器（A / D转换器，简称ADC）；或把数字量转换成模拟量，称为数 / 模转换器（D / A转换器，简称DAC）。完成以上转换的电路有多种，特别是单片大规模集成A / D、D / A转换器问世，为实现上述的转换提供了极大的方便。使用者可借助于手册提供的器件性能指标及典型应用
45、电路，即可正确使用这些器件。在单片机检测系统中，许多被测量的信号往往是模拟量，它们经过预处理(放大、VI转换等)之后，在进入计算机之前必须经过AD转换变成数字量。AD转换接口是模拟通道中的主要环节。AD转换接口的主要内容是合理选择AD转换器件，以实现与单片机的正确连接以及转换程序。此次设计将采用大规模集成电路ADC0809实现A / D转换后,与单片机进行连接；再用DAC0832实现D/A转换，驱动喷洒水设备达到温度控制的目的。1） A/D转换电路ADC0809与8051单片机的硬件接口有3种形式，分别是查询方式、中断方式和延时等待方式，本设计选用中断接口方式。查询方式：A/D转换芯片由表明转
46、换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确知转换是否完成，并接着进行数据传送。中断方式：把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。定时传送方式：ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序。延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器、CMOS工艺。由寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。其内部
