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1、1绪 论1.1 课题研究的开发背景单片机是一种集成电路芯片。它采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器(CPU)、存储器（含程序存储器ROM和数据存储器RAM）、输入、输出接口电路(I/O接口)集成在同一块芯片上，构成一个即小巧又很完善的计算机硬件系统，在单片机程序的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。所以说，一片单片机芯片就具有了组成计算机的全部功能。由此来看，单片机有着一般微处理器（CPU）芯片所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。然而单片机又不同于单板机（一种将微处理器芯片、存储器芯片、输入输出接口芯片安装在同一块
2、印制电路板上的微型计算机），单片机芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果对它进行应用开发，它便是一个小型的微型计算机控制系统，但它与单板机或个人电脑(PC机)有着本质的区别。单片机的应用属于芯片级应用，需要用户（单片机学习者与使用者）了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能。不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特
3、征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件(包含可支持开发应用程序的软件资源)及硬件资源。要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域
4、越来越广泛。诚然，单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：在智能仪器仪表上的应用：单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或
5、数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。在工业控制中的应用：用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。在家用电器中的应用：可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。在计算机网络和通信领域中的应用：现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电
6、话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。单片机在医用设备领域中的应用：单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。1. 2 课题设计的意义在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。因此
7、，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。目前，国内各冶金工厂所使用的加热炉，大都以电、重油、煤气或天然气为燃料，也有些直接消耗电能。所有这些加热炉（或退火炉），每天都要消耗大量的能源。因此，如何节省能源一直是冶金领域研究的重要课题。但是传统用电加热设备多采用常规仪表加接触器的断续控制方法，不仅设备复杂，而且不能很好实现实时控制，难以达到较高的控制精度要求。一些资料表明，加热炉采用计算机控制后，一般能节约能量5%10%。目前，某些国家已经开发出管理自动化系统和生产系统相结合的总体系统。从而对我国来说开发出精确的炉温控制系统已刻不容缓，但传统用电加热设备多采用常规仪表加接触器的断
8、续控制方法，不仅设备繁杂，而且不能很好实现实时控制，难以达到较高的控温精度要求。采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。1.3 课题完成的功能本课题设计一个以89C51单片机为核心的温度检测控制系统，采集炉温经PID控制运算获得控制量去控制双向可控硅SCR的通断，以便接通或切断加热电源，调整电功率，控制炉温，稳定在设定值。设计的技术要求与参数：l 温度采集，显示输出；l 控制温度范围0-99；l 温度控制采用单回路PID数字调节器；l PID参数值、报警上、下限均由键盘输出；l
9、具有声光报警装置；2系统硬件设计2.1 系统硬件总体逻辑框图本系统是通过MCS-51内部的PID算法来控制双向 SCR可控硅，从而调节电阻炉的温度，PID算法通过在MCS-51中编程来实现，整个系统的框图如下：电 阻 炉测温电路执行电路键盘输入和显示驱动电路温度控制PIDMCS51A/D图2.1系统结构框图如图所示：当整个系统启动后，通过键盘输入需要稳定的温度，同时控制程序也启动：测温电路将电阻炉的当前温度通过A/D反馈到单片机中，即控制程序中，控制程序将当前的温度和设定值比较，经PID运算后输出控制信号，到执行电路，以达到控制电阻炉温度的目的。其中测量电路通过镍铬热电偶来传递温度，通过测量电
10、路将其转换成电压信号，在通过A/D将信号输送到MCS51单片机内部，以备控制程序的使用。而执行电路采用可控硅调节方式。双向可控硅在50HZ 交流电源和加热丝电路中，只要在给定周期里改变可控硅的接通时间，就能达到改变加热功率的目的，从而实现温度调节。2.2 系统主要硬件简介2.2.1 89C51单片机内部结构89C51提供以下标准：4k字节 Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工
11、作，但允许RAM，但允许RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位这种结构特点决定了单片机具有体积小、成本低、可靠性高、应用灵活、开发效率高、易于被产品化等优点，使其具有很强的面向控制的能力，在工业自动化控制、家用电器、智能化仪表、机器人、军事装置等领域获得了广泛的应用。图2.2 MCS51芯片引脚(1) 主要性能参数：l 与MCS-51产品指令系统完全兼容l 4k字节可重擦写Flash闪速存储器l 1000次擦写周期l 全静态操作：0Hz-24MHzl 三级加密程序存储器l 128*8字节内部RAMl
12、 32个可编程I/O口线l 2个16位定时/计数器l 6个中断源l 可编程串行UART通道l 低功耗空闲和掉电模式(2) 引用功能说明：Vcc:电源电压GND:地P0口：P0口是一组位漏极开路型双向I/O口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用，每位能吸收电流的方式驱动个TTL逻辑门电路，对端口写“”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外界上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动
13、（吸收或输出电流）个TTL逻辑门电路。对端口写“”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash编程和程序校验期间，P1接收低位地址。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）个TTL逻辑门电路。对端口写“”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR指令）时，P2口送出高位
14、地址数据。在访问位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）个TTL逻辑门电路。对P3口写入“”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：图2.3 P3口功能表P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序
15、校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高
16、，单片机执行外部程序时，应该置ALE无效。PSEN:程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。EA/VPP:外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件
17、是使用12V编程电压Vpp。XTAL1:振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XLAT2: 振荡器反相放大器的输出端。2.2.2 温度检测元件及变送器、ADC的选择SBWR、SBWZ系列热电偶、热电阻温度变送器是DDZ系列仪表中的现场安装式温度变送器单元，与工业热电偶、热电阻配套使用，它采用二线制传输方式（两根导线作为电源输入和信号输出的公用传输线）。将工业热电偶、热电阻信号转换成与输入信号或与温度信号成线性的4-20mA、0-10mA的输出信号. 该温度变送器可直接安装在热电偶、热电阻的接线盒内与之形成一体化结构。它作为新一代测温仪表可广泛应用与冶金、石油、化工、电力、轻工、纺织、食品
18、、国防以及科研等工业部门。温度检测元件和变送器的类型选择与被控温度的范围和精度等级有关。铜热电阻适用于-50-+150的温度检测范围，相应输出电流为420mA直流信号。（1） A/D0809与AT89C51接口电路的设计ADC0809是美国国家半导体公司（NationalSemiconductCorporation）产品。是逐次逼近型芯片，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路05V的输入模拟电压信号分时进行转换，片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR，控制与时序电路等。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线
19、。图2.4 ADC0809管脚图由上图可知， ADC0809 由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个 A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图2.5 引脚结构IN0 IN7 ： 8 条模拟量输入通道 ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是 0 5V ，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
20、地址输入和控制线： 4 条 ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当 ALE 线为高电平时，地址锁存与译码器将 A ， B ， C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。 A ， B 和 C 为地址输入线，用于选通 IN0 IN7 上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。 表2-1 模拟通道选择C B A 选择的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 数字量输出及控制线： 11 条 ST 为转换启动信号。当 ST 上跳沿时，所
21、有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行 A/D 转换；在转换期间， ST 应保持低电平。 EOC 为转换结束信号。当 EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行 A/D 转换。 OE 为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。 OE 1 ，输出转换得到的数据； OE 0 ，输出数据线呈高阻状态。 D7 D0 为数字量输出线。 CLK 为时钟输入信号线。因 ADC0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为 500KHZ ， VREF （）， VREF （）为参考电压输入。 （2） ADC0809应用说明 l ADC0809 内部带有输
22、出锁存器，可以与 AT89C51 单片机直接相连。 l 初始化时，使 ST 和 OE 信号全为低电平l 送要转换的哪一通道的地址到 A ， B ， C 端口上。l 在 ST 端给出一个至少有 100ns 宽的正脉冲信号。 l 是否转换完毕，我们根据 EOC 信号来判断。 l 当 EOC 变为高电平时，这时给 OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。ADC0809的分辨率为8位，单一5V供电，功耗为15mW，不必进行零点和满刻度调整，外部时钟频率范围为10KHz1280KHz,ADC0809和AT89C51的硬件接口有三种方式：查询方式，中断方式，等待延时方式。此测量仪采用中断方式。虽然AD
23、C0809走过了自己的辉煌时期，已经不是目前功能最好的模数转换器件，但是他的廉价和品质在许多领域被广泛使用。AD转换器ADC0809与单片机的连接如图所示。ADC0809的8个模拟量输入都用了，分别连接温度传感器的测量和放大电路的输出。ADC0809的时钟由AT89C51的ALE图ADC0809与AT89C51的接口线路信号提供，根据ACD0809对工作时钟的要求和控制器对漏电和短路信号的反应速度的要求，ADC0809时钟频率通过4024分频器分频，这样，若AD转换的时间为0.1ms，则控制器循环采样完8个仿真输入信号需要0.8ms时间。这样的采样速度足够满足漏电和短路的保护要求。2.2.3
24、温度显示电路（1） 地址分配设计译码器74LS138常用的译码器有2-4译码器（74LS139）2个输入变量控制4个输出端，3-8译码器（74LS148）3个输入变量控制8个输出端，4-16译码器（74LS154）4个输入变量控制16个输出端。74LS138译码器得引脚图，逻辑图及功能表如下图2.6 74LS138引脚图表2-2 3线-8线译码器74LS138的功能表无论从逻辑图还是功能表我们都可以看到74LS138的八个输出引脚，任何时刻要么全为高电平1芯片处于不工作状态，要么只有一个为低电平0，其余7个输出引脚全为高电平1。如果出现两个输出引脚同时为0的情况，说明该芯片已经损坏。当附加控制
25、门的输出为高电平（S1）时，可由逻辑图写出由上式可以看出，Y0-Y7同时又是A2，A1，A0这三个变量的全部最小项的译码输出，所以也把这种译码器叫做最小项译码器。74LS138有三个附加的控制端S1、S2和。当S1=1、S2+S3=0时，Gs输出为高电平（S1），译码器处于工作状态。否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平，如表所示。这三个控制端也叫做“片选”输入端，利用片选的作用可以将多篇连接起来以扩展译码器的功能。带控制输入端的译码器又是一个完整的数据分配器。在电路中如果把作为“数据”输入端（同时S2=S3=0），而将A2A1A0作为“地址”输入端，那么从送来的数据只能通过A2A1A
26、0所指定的一根输出线送出去。这就不难理解为什么把A2A1A0叫做地址输入了。例如当A2A1A0101时，门的输入端除了接至Gs输出端的一个以外全是高电平，因此数据以反码的形式从Y5输出，而不会被送到其他任何一个输出端上。（2） 可编程序的键盘8279Intel8279芯片是一种通用的可编程序的键盘、显示接口器件，单个芯片就能完成键盘输入和LED8279状态口地址为0FF82H;8279S数据口地址为0FF80;K10的10个短路套置于8279方式端 图2.7 内部结构图8279包括键盘输入和显示输出两个部分。键盘部分提供的扫描方式，可以和64个按键或传感器的阵列相连。能自动消除开关抖动以及N个
27、键同时按下的保护。显示部分按扫描的方式工作。可以显示8或16位LED显示块。（3） 8279电路工作原理根据结构框图，分别介绍各部分电路工作原理。l I/O控制及数据缓冲器数据缓冲器是双向缓冲器，连接内、外总线，用于传送CPU和8279之间的命令或数据；I/O控制线是CPU对8279进行控制的引线。CS是8279的片选信号，CS=0时，8279才被允许读出或写入信息。WR、RD为来自CPU的控制信号。A0用于区别信息特性：A0=1时，表示数据缓冲器输入为指令、输出为状态字；A=0时，输入、输出皆为数据。l 控制与定时寄存器及定时控制控制与定时寄存器用来寄存键盘及显示的工作方式，以及由CPU编程
28、的其它操作方式。这些寄存器一旦接受并锁存送来的命令，就通过译码产生相应的信号，从而完成相应的控制功能。定时控制包含基本记数键。首级计数器是一个可编程的N级计数器。N可以231之间由软件编程，以便从外界时钟CLK分频得到内部所需要的100KHZ时钟。然后再经过分频为键盘扫描提供适当的逐行扫描频率和显示扫描时间。l 扫描计数器扫描计数器有两种工作方式。按编码方式工作时，计数器作二进制记数。4位记数状态从扫描线SL0SL3输出，经外部译码器译码后，为键盘和显示器提供扫描线；按译码方式工作时，扫描计数器的最低二位被译码后，从SL0SL3输出。因此，SL0SL3提供了4中取1的扫描译码。l 回复缓冲器、
29、键盘去抖及控制来自RL0RL3的8根回复线的回复信号，由回复缓冲器缓冲并锁存。在键盘工作方式中，回复线作为行列式键盘的行列输入线。在逐行列输入时，在逐行列扫描时，回复线用来搜索每一行列中闭合的键。当某一键闭合时，去抖电路被置位，延时等待10ms后，再检验该键是否继续闭和，并将该键的地址和附加的移位、控制状态一起形成键盘数据被送入8279内部FIFO（先进先出）存储器。键盘数据格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0控制移位扫描回复控制和移位（D6、D7）的状态由两个独立的附加开关决定，而扫描（D5、D4、D3）和回复（D2、D1、D0）则是被按键置位的数据。D5、D4、D3来自
30、动扫描计数器，是按下键的行列编码，而（D7D7D7）则来自行/列计数器，它们是根据回复信号而确定的行/列编码。在传感器开关状态矩阵方式中，回复线的内容直接被送往和相应的传感器RAM（即FIFO存储器）。在选通输入方式中，回复线的内容在CNTL/STB线的脉冲上升沿被送入FIFO存储器。l FIFO/传感器及其状态寄存器FIFO/传感器RAM是一个双重功能的88RAM。在键盘或选通方式工作时，它是FIFO存储器，其输入或读出遵循先入先出的原则。FIFO状态寄存器用于存放FIFO的工作状态。例如，RAM是满还是空；其中存有多少数据；是否操作出错等。当FIFO存储器不空，状态逻辑将产生IRQ=1信号
31、向CPU申请中断。在传感器矩阵方式工作时，这个存储器以是传感器不是存储器。它存放着传感器矩阵中的每一个传感器状态。在此方式中，若检索出传感器的变化，IRQ信号变为高电平，向CPU申请中断。l 显示RAM和显示地址寄存器显示RAM用来存储显示数据。容量为168位。在显示过程中，存储的显示数据轮流从显示寄存器输出。显示寄存器分别为A、B两组，OUTA03和OUTB03可以单独送数，也可以组成一个8位的字。显示寄存器的输出与显示扫描配合，不断从显示RAM中读出显示数据，同时轮流驱动被选中的显示器件，以达到多路复用的目的，使显示器件呈现稳定的显示状态。显示地址寄存器用来寄存由CPU进行读/写显示RAM
32、的地址，它可以由命令设定，也可以设置成每次读写或写入之后自动递减。（4）管脚、引线与功能8279采用40引脚封装，其管脚、引线功能如图6-10-2所示。其引脚功能如下：D0-D7（数据总线）：双向、三态总线，和系统数据总线相连；用于CPU和8279间的数据/命令传递。CLK（系统时钟）：输入线，为8279提供内部时钟的输入端。RESET（复位）：输入线，当RESET=1时，8279复位，其复位状态为：16个字符显示；编码扫描键盘-双键锁定；程序时钟编码为31。CS（片选）：输入线，当CS=0时8279被选中，允许CPU对其读、写，否则被禁止。A0（数据选择）：输入线。当A0=1时CPU写入数据
33、为命令字，读出数据为状态字；A0=0时CPU读、写的字节均为数据。RD、WR（读、写信号）：输入线。低电平有效，来自CPU的控制信号，控制8279的读、写操作。IRQ（中断请求）：输出线。高电平有效。在键盘工作方式中，当FIFO/传感器RAM存有数据时，IRQ为高电平。CPU每次从RAM中读出数据时，IRQ变为低电平。若RAM中仍有数据，则IRQ再次恢复高电平。在传感器工作方式中，每当检测到传感器状态变化时，IRQ就出现高电平。SL0SL3（扫描线）：输出线。用来扫描键盘和显示器。它们可以编程设定为编码（4中取1）或译码输出（16取1）。 RL0RL7（回复线）：输入线。它们是键盘矩阵或传感矩
34、阵的列（或行）信号输入线。SHIFT（移位信号）：输入线、高电平有效。该输入信号是键盘数据的最高位（D7），通常用来扩充键开关的功能，作为控制功能键用。在选通输入方式时，该信号的上升沿可将来自RL0RL7的数据存入FIFO RAM中。在传感器输入下，该信号无效。OUTA0OUTA3（A组显示信号）：输出线。OUTB0OUTB3（B组显示信号）：输出线。这两组引线都是显示数据输出线，与多位数字显示的扫描线SL0SL3同步，两组可以独立使用，也可以合并使用。BD（显示消隐）：输出线。低电平有效。该信号在数字切换显示或使用消隐命令时，将显示消隐。2.2.4 温度执行电路单片机温度控制系统被测参数是电
35、阻炉的温度，由单片机经过控制运算（PID）得出的控制量去控制双向可控硅的导通和关断，以便切断或接通加热电源调整电工功率，从而控制电阻炉的温度稳定在设定值上。本系统采用过零触发方式，干扰小，器件运行可靠。（1） 过零检测电路过零检测电路在每一个电源周期开始时产生一个脉冲, 作为触发器的同步信号, 计数器T0 对其进行计数。其电路如图所示。220 V 交流电压经电阻限流后直接加到2 个反向并联的光电偶器的输入端。在交流电源的正负半周, 分别导通, 输出低电平, 在交流电源正弦波过零的瞬间,两个光电耦合器均不导通, 输出高电平。该脉冲信号经非门整形后作为单片机的中断请求信号和可控硅的过零同步信号。图
36、2.8 过零检测电路（2） 控制执行电路l MOC3041工作原理：MOC3041系列光隔离/光耦合过零触发双向可控硅驱动器是有砷化镓二极管通过红外发射耦合道单片硅探测器的光电器件，其硅探测器是一个具有过零触发的双向可控硅。当加到砷化镓二极管LED的电流IFT=0时，电源电压加在功率可控硅和可控硅驱动器的阳极和阴极之间，若在二极管LED中引入足够的电流IFT，则可控硅驱动器处于导通状态，向功率可控硅提供一个触发电流，使功率可控硅导通。功率可控硅一旦导通，其阳极和阴极之间的压降将降低，这将导致可控硅驱动器的输出电流降低，甚至降到低于它的维持电流，迫使可控硅驱动器进入关断状态。由于可控硅驱动器中过
37、零触发电路的作用，当电源电压降至零伏附近时，过零触发电路产生一电流信号，如上右图波形所示，这种情况每半个周期出现一次，所以可控硅驱动器的实际工作周期是很短的，只有几微秒。若IFT仍存在，则功率可控硅在每半个周期内被重新触发一次，所以功率可控硅导通。直到IFT=0时，由可控硅的特性可知，这时功率可控硅不是立即关断，而是当电源电压倒0V附近，功率可控硅电流才为零，才被关断。l 执行电路本控制执行电路就是根据MOC3041采用可控硅调节方式，由单片机输出控制脉冲信号到执行电路，改变双向可控硅的导通时间来控制输出的功率，以达到调节温度的目的。图2.9 执行电路晶闸管作为一种可靠的控制元件，广泛地被作为
38、各种控制系统地执行元件。晶闸管是一种大功率地半导体器材，具有弱点控制，强点数出地特点。数字系统输出地触发脉冲通常经光电耦合器隔离后，加到晶闸管上。用于触发双向晶闸管，不需要另外的触发电源，而是利用双向晶闸管的工作电源作为触发电源。MOC3041是双向晶闸管输出型的光电耦合器，输出端的额定电压为400V，最大输出电流为1A，最大隔离电压为7500V，输入端控制电流小于15mA。当74LS07输出低电平时，MOC3041的输入端有电流流入，输出端的双向晶闸管导通，触发外部的双向晶闸管KS导通。反之，MOC3041输入端的双向晶闸管关断，外部双向晶闸管KS在外部电压过零后也关断。3系统软件设计3.1
39、 温度控制主程序框图图3.1 主程序图3.1.1 温度控制算法通常，电阻炉炉温控制都采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值，然后对偏差值处理获得控制信号去调节电阻炉的加热功率，以实现对炉温的控制。在工业上，偏差控制又称PID控制，这是工业控制过程中应用最广泛的一种控制形式，一般都能收到令人满意的效果。3.1.2 温度控制程序框图温度控制程序的设计应考虑如下：1）键盘扫描、键码识别和温度显示；2）炉温采样、数字滤波；3）数据处理；4）越限报警和处理；5）PID计算、温度标度转换。（1） 主程序框图主程序包括89C51本身的初始化、可编程序的键盘8279初始化等等。大体说
40、来，本程序包括设置有关标志、暂存单元和显示缓冲区清零、T0初始化、CPU开中断、温度显示和键盘扫描等程序。（2） 中断服务程序框图T0中断服务程序是温度控制系统的主体程序，用于启动数/模转换器、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、PID计算和输出可控硅的触发脉冲等。引脚上输出的该同步触发脉冲宽度由T1计数器的溢出中断控制，89C51利用等待T1溢出中断的空闲时间完成把本次采样值转换成显示值而放入显示单元缓冲区和调用温度显示程序。89C51从T1中断服务程序返回后即可恢复现场和返回主程序。（3） 主要子服务程序框图主要服务子程序包括温度检测采样及数字滤波子程序、带符号双字节乘法子程序
41、和标度转换子程序目的是把实际采样取得的二进制值转换成BCD码形式的温度值，然后存放到显示缓冲区中，供显示子程序调用。图3.2 主要服务子程序3.2 主程序整个温控系统是在程序的控制下工作的，控制系统工作由实时测量（采样）、实时决策（PID控制运算）和实时控制（调功）三部分组成。因此，应用程序应包括数据采集、PID运算以及输出控制三部分主干程序，这些工作有的安排在主程序中，有的安排在中断服务程序中完成。由LED数码管显示温度值，采用动态扫描方式在主程序和定时采样等待时间都可插入显示子程序。3.2.1 定时数据采样及处理子程序CTC_1:PUSHPSWPUSHDPHPUSHDPLPUSHACCSE
42、TBRS0MOVTH1,#4CH ;初始化 MOVTL1,#00H MOV R0,#00H ;通道数 MOV A,R0 MOV DPTR,#A_DPORT ORL DPL,A MOVX DPTR,A ;启动 A_D MOV R7,#0FFH ;清读数标志 DJNZR7,$ MOVX A,DPTR ;读 A_D 数据 MOVR1,67H;送采样单元 MOVR1,A INC67H MOVA,67H CJNEA,#66H,BACK MOV67H,#60H;重置首地址 LCALLFILTER;滤波 MOV4CH,63H中值滤波子程序图3.3 中值滤波程序框图FILTER:MOVR2,#6HFILTER
43、1:MOVA,R2MOVR3,AFILTER2:MOVR0,#60HMOVA,R0MOVR5,AINCR0MOVA,R0SUBBA,R5JNCFILTER3MOVA,R5XCHA,R0DECR0MOVR0,AINCR0FILTER3:DJNZR3,FILTER2DJNZR2,FILTER1RET3.2.2 PID控制算法程序当前绝大多数生产过程的自动控制系统中采用的自动控制装置，不论它是气动、电动电子的、液动的、还是可编程的、微机型的、尽管它们的结构不同，但是它们具有的控制规律都是比例、积分和微分规律（即PID控制规律），故称之为PID控制器。在生产过程自动控制的发展过程中，PID控制器是历史
44、最久、生命力最强的基本控制装置。除在最简单情况下一些场合采用开关控制外，PID控制器基本上占据了统治地位。PID控制器具有以下优点：（1）原理简单，应用方便。（2）适应性强。已经广泛应用于电力、机械、化工、热工、冶金、建材和石油等各种生产部门、即便是目前最新发展的过程计算机控制系统，其基本的控制规律仍然是PID控制规律。（3）鲁棒性强。即其控制品质对受控对象特性的变化不敏感。这个优点是很重要的。因为大多数受控对象在受到外界扰动时，尤其是当外界负荷变化时，受控对象的动态特性往往会有较大的变化。为了满足要求的控制性能，就需要经常改变控制器的参数，这是很麻烦的。如果控制器的鲁棒性好，就无需频繁地改变
45、控制器的参数。当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为因此它的传递函数为：它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化
46、产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ki和Kd）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。 其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID参
