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1、单片机应用系统的设计与开发 9.1 课程设计电脑钟的设计与制作 9.2 应用系统设计实例单片温度控制系统 9.3 单片机应用系统开发的一般方法 9.4 单片机应用系统实用技术 9.5 抗干扰设计,返回主目录,第9章 单片机应用系统的设计与开发,9.1 课程设计电脑钟的设计与制作 9.1.1 设计要求 设计并制作出具有如下功能的电脑钟：(1)自动计时，由6位LED显示器显示时、分、秒。(2)具备校准功能，可以直接由09数字键设置当前时间。(3)具备定时起闹功能。(4)一天时差不超过1秒钟。,9.1.2 总体方案 1.计时方案 方案一：采用实时时钟芯片。针对计算机系统对实时时钟功能的普遍需求，各大
2、芯片生产厂家陆续推出了一系列的实时时钟集成电路，如DS1287、DS12887等。这些实时时钟芯片具备年、月、日、时、分、秒计时功能和多点定时功能，计时数据的更新每秒自动进行一次，不需程序干预。计算机间，程序简单。此外，实时时钟芯片多数带有锂电池做后备电源，具备永不停止的计时功能；具有可编程方波输出功能，可用做实时测控系统的采样信号等；有的实时时钟芯片内部还带有非易失性RAM，可用来存放需长期保存但有时也需变更的数据。,方案二：软件控制。利用MCS-51内部的定时/计数器进行中断定时，配合软件延时实现时、分、秒的计时。该方案节省硬件成本，且能够使读者在定时/计数器的使用、中断及程序设计方面得到
3、锻炼与提高，因此本系统将采用软件方法实现计时。2.键盘/显示方案 对于实时时钟而言，显示显然是另一个重要的环节。如前所述，通常有两种显示方式：动态显示和静态显示。方案一：串口扩展，LED静态显示。,如图9.1（a）所示，该方案占用口资源少，采用串口传输实现静态显示，显示亮度有保证，但硬件开销大，电路复杂，信息刷新速度慢，比较适用于并行口资源较少的场合。方案二：8155扩展，LED动态显示。如图9.1（b）所示，该方案硬件连接简单，但动态扫描的显示方式需占用CPU较多的时间，在单片机没有太多实时测控任务的情况下可以采用。,图9.1 显示方式框图(a)静态显示框图；(b)动态显示框图,9.1.3
4、硬件设计 1.电路原理图 电脑钟电路的核心是89C51单片机，其内部带有4KB的FLASH ROM，无须外扩程序存储器；电脑时钟没有大量的运算和暂存数据，现有的128B片内RAM已能满足要求，也不必外扩片外RAM。系统配备6位LED显示和43键盘，采用8155作为键盘/显示接口电路。利用8155的A口作为6位LED显示的位选口，其中，PA0PA5分别对应位LED0LED5，B口则作为段选口，C口的低3位为键盘输入口，对应02行，A口同时用作键盘,的列扫描口。由于采用共阴极数码管，因此A口输出低电平选中相应的位，而B口输出高电平点亮相应的段。P1.0接蜂鸣器，低电平驱动蜂鸣器鸣叫启闹。由图9.2
5、可见，8155的地址分配如下：控制寄存器：8000H，定义为PORT A口：8001H，定义为PORTA B口：8002H，定义为PORTB C口：8003H，定义为PORTC 如果使用本书配备的实验板实现该电脑钟，需将8155地址改变为,图9.2 电脑钟硬件原理图,控制寄存器：4400H A口：4401H B口：4402H C口：4403H 并通过引出的P1口外接一个蜂鸣器电路，或是用P1口上的发光二极管模拟闹钟功能。需要指出的是，实验板使用的是8031芯片，使用外扩程序存储器EPROM2764，因此其脚必须接地。,2.系统工作流程 本电脑钟具备以下功能：(1)时钟显示：6位LED从左到右依
6、次显示时、分、秒，采用24小时计时。(2)键盘功能：采用43键盘，包括：09 数字键，键号为00H09HC/R键 时间设定/启动计时键，键号为0AH ALM键 闹钟设置/启闹/停闹键，键号为0BH(1)时间显示：上电后，系统自动进入时钟显示，从00：00：00开始计时，此时可以设定当前时间。,(2)时间调整：按下C/R键，系统停止计时，进入时间设定状态，系统保持原有显示，等待键入当前时间。按下09数字键可以顺序设置时、分、秒，并在相应LED管上显示设置值，直至6位设置完毕。系统将自动由设定后的时间开始计时显示。(3)闹钟设置/启闹/停闹：按下ALM键，系统继续计时，显示00：00：00，进入闹
7、钟设置状态，等待键入启闹时间。按下09数字键可以顺序进行相应的时间设置，并在相应LED管上显示设置值，直至6位设置完毕。这将启动定时启闹功能，并恢复时间显示。定时时间到，蜂鸣器鸣叫，直至重新按下ALM键停闹，并取消闹钟设置。,9.1.4 软件设计 1.系统资源分配 为方便阅读程序，先对系统的资源分配加以说明。(1)定时器：定时器0用作时钟定时，按方式1工作，每隔100 ms溢出中断一次。(2)片内RAM及标志位的分配与定义见表9.1。,表9.1 电子钟控制软件片内RAM及标志位分配表,2.软件流程 根据上述工作流程，软件设计可分为以下几个功能模块：(1)主程序：初始化与键盘监控。(2)计时：为
8、定时器0中断服务子程序，完成刷新计时缓冲区的功能。(3)时间设置与闹钟设置：由键盘输入设置当前时间与定时启闹时间。(4)显示：完成6位动态显示。,(5)键盘扫描：判断是否有键按下，并求取键号。(6)定时比较：判断启闹时间到否？如时间到，则启动蜂鸣器鸣叫。(7)其它辅助功能子程序，如键盘设置、拆字、合字、时间合法性检测等。下面分模块进行软件设计：(1)主程序模块MAIN：流程图如图9.3所示。(2)计时程序模块CLOCK：流程图如图9.4所示。,图9.3 主程序流程图,图9.4 计时程序流程图,如前所述，系统定时采用定时器与软件循环相结合的方法。定时器0每隔100 ms溢出中断一次，则循环中断1
9、0次延时时间为1 s，上述过程重复60次为1分，分计时60次为1小时，小时计时24次则时间重新回到00：00：00。设系统使用6 MHz的晶振，定时器0工作在方式1，则100 ms定时对应的定时器初值可由下式计算得到：定时时间=（216-定时器0初值）（12/fosc）因此，定时器0初值=3CB0H，即TH0=3CH，TL0=0B0H,当系统使用其它频率的晶振时，可以由上式计算相应的定时器0初值，也可以改变定时时间。例如当系统晶振为12 MHz时，同样的初值对应的定时时间为50 ms，则循环中断次数为20次时，延时时间为1 s。第一，定时器溢出产生中断请求，CPU并不一定立即响应中断，而可能需
10、要延迟一个中断响应时间之后才能响应中断，中断响应时间大约为38个机器周期。显然，这将在定时时间中加入额外的延时时间，导致计时误差。,为了保证计时精度，必须采取措施进行补偿。我们采用增大重装的定时器0初值的方法来减少定时器0定时时间。具体应调整为多大，一般需要通过调试来确定。经测试，定时器0重装初值设为3CB7H3CBFH可以满足精度要求。第二，时间是按十进制递增，而MCS-51单片机只有二进制加法指令，因此用加法指令计时必须进行二十进制转换。(3)时间设置程序和闹钟定时程序模块MODIFY：流程图如图9.5所示。,图9.5 时间设置/闹钟定时流程图,将键盘输入的6位时间值合并为3位压缩BCD码
11、（时、分、秒）送入计时缓冲区和闹钟值寄存区，作为当前计时起始时间或闹钟定时时间。该模块的入口为计时缓冲区或闹钟值寄存区的首地址，置入R1中。程序调用一个键盘设置子程序KEYIN（如图9.6所示）来将键入的6位时间值送入键盘设置缓冲区，然后用合字子程序COMB将键盘设置缓冲区中的6位BCD码合并为3位压缩BCD码，送入计时缓冲区或闹钟值寄存区。该程序同时作为时间值合法性检测程序，若键盘输入的小时值大于23，分和秒值大于59，则不合法，将取消本次设置，清零重新开始计时。,图9.6 键盘设置子程序流程图,图9.7 键盘扫描流程图,(4)键盘扫描程序模块KEYSCAN：流程图如图9.7所示。,判断是否
12、有键按下，无键按下则循环等待；有键按下则求取键号并将键号送A累加器返回。程序中的去抖延时和循环等待延时都用DISPLAY子程序来代替，从而保证随时刷新显示。键盘扫描程序在第7章中有详细的叙述，在此不再赘述。(5)显示程序模块DISPLAY：流程图如图9.8所示。将显示缓冲区中的6位BCD码用动态扫描方式显示。为此，必须首先将3 字节计时缓冲区中的时、分、秒压缩BCD码拆分为6字节（百位、十位分别占有1字节）BCD码，这一功能由拆字子程序SEPA来实现。,图9.8 显示流程图,需要注意的是，当按下时间或闹钟设置键后，在6位设置完成之前，应显示键入的数据，而不显示当前时间。为此，我们设置了一个计时
13、显示允许标志位F0，在时间/闹钟设置期间F0=1，不调用SEPA，即调用SEPA刷新显示缓冲区的前提条件是F0=0。(6)定时比较程序模块ALARM：流程图如图9.9所示。将当前时间（计时缓冲区的值）与预设的启闹时间（闹钟设置寄存区的值）比较，二者完全相同时，启动蜂鸣器鸣叫，并置位闹钟标志位。返回后，待重新按下ALM键停闹，并清零闹钟标志。,图9.9 定时比较流程图,(7)拆字程序SEPA与合字程序COMB：如前所述，拆字程序的功能是将3字节计时缓冲区中的时、分、秒压缩BCD码拆分为6字节（百位、十位、个位分别占有2字节）BCD码并刷新显示缓冲区；合字程序的功能是将键盘设置缓冲区中的6位BCD
14、码合并为3位压缩BCD码，送入计时缓冲区或闹钟值寄存区，同时检测时间值的合法性。下面给出各模块的源程序。；*主程序MAIN*,ORG0000HAJMPMAINORG 000BHAJMPCLOCKORG 0030HPORT EQU 8000HPORTA EQU 8001HPORTB EQU 8002H,PORTCEQU 8003HDISP0 EQU 30HDISP1 EQU 31HDISP2 EQU 32HDISP3 EQU 33HDISP4 EQU 34HDISP5 EQU 35HHOUR EQU 3CH,MIN EQU 3DH SEC EQU 3EH MSEC EQU 3FH AHOUR E
15、QU 40H AMINEQU 41H ASEC EQU 42H F1 BIT PSW.1MAIN：MOV SP，#50H；设置堆栈区 MOVX DPTR，#PORT MOVA，#03H,MOVX DPTR，A；8155初始化CLR F1；清零闹钟标志位CLRF0；允许计时显示 MOV AHOUR,#0FFH MOV AMIN,#0FFH MOV ASEC,#0FFH MOV R7,#10H MOV R0,#DISP0 CLR A,LOOP:MOV R0,A INCR0 DJNZ R7,LOOP；设置初值 MOV TMOD，#01H MOV TL0，#0B0H MOV TH0，#3CH；定时器0
16、初始化，定时 时间100 ms SETB TR0；启动定时器 SETB EA SETB ET0；开中断,BEGIN：ACALLALARM；调用定时比较 ACALLKEYSCAN；调用键盘扫描 CJNEA，#0AH，NEXT1；是CLR/RST键否？CLR TR0；是则暂时停止计时 MOV R1，#HOUR；地址指针指向计时缓冲区首地址 AJMPMOD,NEXT1：CJNE A，#0BH，BEGIN；是ALARM键否？JBF1，NEXT2；闹钟正在闹响否？MOVR1，#AHOUR；地址指针指向闹钟值寄存区首地址 MOD：SETBF0；置位时间设置/闹钟定时标志，禁止显示计时时间 ACALLMOD
17、IFY；调用时间设置/闹钟定时程序 SETBTR0；重新开始计时 CLRF0；清零时间设置/闹钟定时标志，恢复显示计时时间,AJMPBEGINNEXT2：SETBP1.0；闹钟正在闹响，停闹 CLRF1；清零闹钟标志 AJMPBEGIN；*时间设 置/闹钟定时模块MODIFY*MODIFY：ACALLKEYIN；调用键盘设置子程序 ACALL COMB；调用合字子程序RET键盘设置子程序KEYIN：KEYIN：PUSHPSWPUSHACC,SETBRS1；保护现场 MOVR0，#DISP0；R0指向显示缓冲区首地址 MOVR7，#06H；设置键盘输入次数L1：CLRRS1 ACALLKEYSC
18、AN；调用键盘扫描程序取按下键 的键号 SETB RS1 CJNEA，#0AH，L2；键入数合法性检测（是否大 于9）,L2：JNCL1；大于9，重新键入MOVR0，A；键号送显示缓冲区INCR0DJNZR7，L1；6位时间输入完否？未 完继续，否则返回POPACCPOPPSWCLRRS1；恢复现场RET,；*键盘扫描子程序KEYSCAN*KEYSCAN:ACALLTEST；调判按键是否按下子程序TEST JNZ REMOV；有键按下调消抖延时 ACALLDISPLAY ACALLALARM AJMP KEYSCAN；无键按下继续判是否按键 REMOV:ACALL DISPLAY；调用显示子程
19、序延时消抖 ACALLTEST；再判是否有键按下,JNZLIST；有键按下转逐列扫描 ACALLDISPLAY ACALL ALARM AJMPKEYSCAN；无键按下继续判是否按键 LIST:MOVR2，#0FEH；首列扫描字送R2MOVR3，#00H；首列键号送R3LINE0:MOVDPTR，#PORTA；DPTR指针指向8155的A口,MOV A，R2；首列扫描字送R2 MOVXDPTR，A；首列扫描字送8155的A口 MOV DPTR，#PORTC；DPTR指针指向8155的C口 MOVXA，DPTR；读入C口的行状态 JB ACC.0，LINE1；第0行键无键按下转第1行 MOVA，
20、#00H；第0行有键按下，行首键号送A AJMPTRYK；求键号,NEXT:INC R3；扫描下一列 MOV A，R2；列扫描字送A JNBACC.3，EXIT；4列扫描完，重新进行 下一轮扫描 RL A；4列未扫描完，扫描字左移扫描下一列 MOV R2，A；扫描字送A AJMP LINE0；转向扫描下一列,EXIT:AJMP KEYSCAN；等待下一次按键TRYK:ADD A，R3；按公式计算键码，求得键号 PUSH ACC；键号入栈保护LETK:ACALL TEST；等待按键释放 JNZLETK；按键未释放，继续等待 POPACC；按键释放，键号出栈RET；键盘扫描结束，返回,TEST:M
21、OVDPTR，#PORTA；DPTR指针指向8155的A口MOV A，#00HMOVX DPTR，A；全扫描字00H送8155的A口MOVDPTR，#PORTC；DPTR指针指向8155的C口MOVX A，DPTR；读入C口行状态CPLA；A取反，以高电平表示有 键按下ANLA，#07H；屏蔽高5位RET,；*显示子程序DISPLAY*DISPLAY:JB F0，DISP；允许时间显示标志F0=1转DISPACALL SEPA；否则调用SEPA刷新显示缓冲区 DISP:push psw；动态扫描显示子程序 Pushacc setb rs0 MOV dptr，#PORTA,MOV A，#0FFH
22、 MOVX DPTR，A；关显示 mov r0，#disp0 mov r7，#00h mov r6，#06h mov r5，#0fehdis1:mov dptr，#tab mov a，r0 movc a，a+dptr mov dptr，#portb,movxdptr，a mov dptr，#porta mov a，r5 movx dptr，ahere:djnz r7，here inc r0 mov a，r5 rl a,mov r5，a djnz r6，dis1 clr rs0 pop acc pop psw ret tab:db 3fh，06h，5bh，4fh，66h，6dh，7dh，07h
23、db 7fh，6fh，77h，7ch，39h，5eh，79h，71h；共阴极字型码表,；*合字子程序COMB*COMB：MOV R0，#DISP1；R0指向显示缓冲区小时 低位 ACALL COMB1；合字 CJNE A，#24H，CHK；小时大于24否？CHK：JNCEXIT1；大于24则取消本次设 置，退出 MOVR1，A；否则小时送计时缓冲区/闹钟值寄存区小时单元 INCR1,MOVR0，#DISP3；R0指向显示缓冲区分低位 ACALLCOMB1 CJNEA，#60H，CHK1CHK1：JNC EXIT1 MOV R1，A INCR1 MOV R0，#DISP5；R0指向显示缓冲区秒低
24、位 ACALL COMB1 CJNEA，#60H，CHK2,CHK2：JNCEXIT1 MOVR1，ARET EXIT1：AJMPMAIN；输入不合法退出，重新清 零计时COMB1：MOV A，R0 ANL A，#0FH；取出低位 MOV43H，A；暂存于43H单元 DECR0；指向高位,MOVA，R0 ANLA，#0FH SWAPA；高位送高4位 ORLA，43H；高低位合并RET；*拆字子程序SEPA*SEPA：PUSH PSW PUSH ACC SETBRS0,MOVR0，#DISP5；指向显示缓冲区秒低位 MOVA，SEC ACALLSEPA1 MOVA，MIN ACALLSEPA1
25、MOVA，HOUR ACALLSEPA1 POPACC POPPSW,RETSEPA1：MOV 44H，A；暂存44H ANLA，#0FH；取出低位 MOV R0，A；送显示缓冲区低位 DEC R0；指向显示缓冲区高位 MOV A，44H ANL A，#0F0H；取出高位 SWAPA；高位送往低4位形成高位数据,MOVR0，A；高位数据送显示缓冲区高位RET；*定时比较模块ALARM*ALARM：MOVA，ASECCJNEA，SEC，BACK；秒单元相同则继续比较，否则返回 MOVA，AMINCJNEA，MIN，BACK；分单元相同则继续比较，否则返回MOVA，AHOUR,CJNE A，HOU
26、R，BACK；小时单元相同定时时间到 CLRP1.0；启动闹钟鸣叫 SETBF1；置位闹钟标志BACK：RET；*定时器0中断服务子程序CLOCK*CLOCK：MOV TL0，#0B7H MOVTH0，#3CH；重装初值，时间校正,PUSHPSWPUSHACC；保护现场INCMSECMOVA，MSECCJNEA，#0AH，DONEMOVMSEC，#00HMOVA，SECINCA,DAA；二十进制转换 MOVSEC，A CJNEA，#60H，DONE MOVSEC，#00H MOVA，MIN INCA DAA MOVMIN，A,CJNEA，#60H，DONEMOVMIN，#00HMOVA，HOU
27、RINCADAAMOVHOUR，ACJNEA，#24H，DONEMOVHOUR，#00H,DONE：POPACCPOPPSW；恢复现场RETI,9.1.5 系统调试与脱机运行 完成了硬件的设计、制作和软件编程之后，要使系统能够按设计意图正常运行，必须进行系统调试。系统调试包括硬件调试和软件调试两个部分。不过，作为一个计算机系统，其运行是软硬件相结合的，因此，软硬件的调试也是不可能绝对分开的，硬件的调试常常需要利用调试软件，软件的调试也可能需要通过对硬件的测试和控制来进行。,1.硬件调试 硬件调试的主要任务是排除硬件故障，其中包括设计错误和工艺性故障。(1)脱机检查。用万用表逐步按照电路原理图检
28、查印制电路板中所有器件的各引脚，尤其是电源的连接是否正确；检查数据总线、地址总线和控制总线是否有短路等故障，顺序是否正确；检查各开关按键是否能正常开关，是否连接正确；各限流电阻是否短路等。为了保护芯片，应先对各IC座（尤其是电源端）电位进行检查，确定其无误后再插入芯片检查。,(2)联机调试。暂时拔掉89C51芯片，将仿真器的40芯仿真插头插入89C51的芯片插座进行调试，检验键盘/显示接口电路是否满足设计要求。可以通过一些简单的测试软件来查看接口工作是否正常。例如，我们可以设计一个软件，使8155的A、B口输出55H或AAH，同时读C口，运行后用万用表检查相应端口电平是否一高一低，在仿真器中检
29、查读入的C口低3位是否为1，如果正常则说明8155工作正常。还可设计一个使所有LED全显示“8.”的静态显示程序来检验LED的好坏。如果运行测试结果与预期不符，很容易根据故障现象判断故障原因并采取针对性措施排除故障。,2.软件调试 软件调试的任务是利用开发工具进行在线仿真调试，发现和纠正程序错误，同时也能发现硬件故障。程序的调试应一个模块一个模块地进行，首先单独调试各功能子程序，检验程序是否能够实现预期的功能，接口电路的控制是否正常等；最后逐步将各子程序连接起来总调。联调需要注意的是，各程序模块间能否正确传递参数，特别要注意各子程序的现场保护与恢复。调试的基本步骤如下：,(1)用仿真器修改显示
30、缓冲区内容，屏蔽拆字程序，调试动态扫描显示功能。例如将DISP0DISP5单元置为“012345”，应能在LED上从左到右显示“012345”。若显示不正确，可在DISP子程序相应位置设置断点调试检查。然后用仿真器修改计时缓冲区内容，调用拆字程序，调试显示模块DISPLAY。例如，将HOUR、MIN、SEC单元置为“123456”，检查是否能正确显示“12：34：56”。若显示不正确，应在SEPA子程序相应位置设置断点，调试检查。(2)运行主程序调试计时模块，不按下任何键，检查是否能从由00：00：00开始正确计时。,若不能正确计时则应在定时器中断服务子程序中设置断点，检查HOUR、MIN、S
31、EC、MSEC单元是否随断点运行而变化。然后屏蔽缓冲区初始化部分，用仿真器修改计时缓冲区内容为23：58：48，运行主程序（不按下任何键），检验能否正确进位。(3)调试键盘扫描模块KEYSCAN，先用延时10ms子程序代替显示子程序延时消抖，在求取键号后设置断点，中断后观察A累加器中的键号是否正确；然后恢复用显示子程序延时消抖，检验与DISPLAY模块能否正确连接。,(4)调试时间设置/闹钟定时模块MODIFY。首先屏蔽COMB子程序，单独调试键盘设置模块KEYIN，观察显示缓冲区DISP0DISP5单元的内容是否随键入的键号改变，以及键号能否在LED上显示。然后屏蔽KEYIN子程序，单独调试
32、合字模块COMB，分别将R1设置为时间设置缓冲区和闹钟值寄存区的首地址，修改显示缓冲区内容，程序运行后查看时间设置缓冲区HOUR、MIN、SEC单元和闹钟值寄存区AHOUR、AMIN、ASEC单元内容是否正确。最后联调MODIFY模块。(5)运行主程序联调，检查能否用键盘修改当前时间以及设置闹钟，能否正确计时、启闹、停闹。,3.脱机运行 软硬件调试成功之后，可以将程序固化到89C51的FLASH ROM中，插入89C51芯片，接上电源脱机运行。既然软硬件都已调试成功，脱机运行似乎肯定成功，然而事实往往并非如此，仍有可能出现以下故障：(1)系统不工作。其原因主要有晶振不起振（晶振损坏、晶振电路不
33、正常导致晶振信号太弱等），或脚没有接高电平（接地或悬空）等。(2)系统工作时好时坏。这主要是由干扰引起的。由于本系统没有传感输入通道和控制输出通道，干扰源相对较少且简单，因此，在电源、总线处对地接滤波电容一般可以解决问题。,9.2 应用系统设计实例单片机温度控制系统,9.2.1 技术指标 烘干箱的具体指标如下：(1)烘干箱由2 kW电炉加热，最高温度为500。(2)烘干箱温度可预置，烘干过程恒温控制，温度控制误差2。(3)预置时显示设定温度，烘干时显示实时温度，显示精确到1。(4)温度超出预置温度5时发声报警。(5)对升降温过程的线性没有要求。,9.2.2 控制方案 产品的工艺不同，控制温度的
34、精度也不同，因而所采用的控制算法也不同。就温度控制系统的动态特性来讲，基本上都是具有纯滞后的一阶环节，当系统精度及温控的线性性能要求较高时，多采用PID算法或达林顿算法来实现温度控制。本系统是一个典型的闭环控制系统。从技术指标可以看出，系统对控制精度的要求不高，对升降温过程的线性也没有要求，因此，系统采用最简单的通断控制方式，即当烘干箱温度达到设定值时断开加热电炉，当温度降到低于某值时接通电炉开始加热，从而保持恒温控制。,9.2.3 硬件设计 系统的硬件电路包括主机、温度检测、温度控制、人机对话（键盘/显示/报警）4个主要部分。图9.10为系统的结构框图，图9.11为系统的硬件电路原理图。下面
35、对各部分电路分述如下。1)主机 由于系统控制方案简单，数据量也不大，因此选用8031作为控制系统的核心，外扩EPROM2764作为程序存储器。也可视具体情况换用8051、8052、8751、8752、80C51、89C51、89C52等。其中，8051、8052、8751、8752的各个引脚输入/输出电平只与TTL电平兼容；89C51、89C52、80C51各引脚输入/输出电平既与TTL电平兼容，也与CMOS电平兼容。,图9.10 电烤箱控制系统结构框,图9.11 电烤箱控制系统硬件电路原理图,8031的晶振频率为6 MHz。2)温度检测 这部分包括温度传感器、变送器和A/D转换三部分。温度传
36、感器和变送器的类型选择与被控温度的范围及精度等级有关。型号为WZB003，分度号为BA2的铂热电阻适用于0500的温度测量范围，可以满足本系统的要求。变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压，当温度在0500时变送器输出04.9 V左右的电压。,A/D转换器件的选择主要取决于温度的控制精度。本系统要求温度控制误差2，采用8位A/D转换器，其最大量化误差为=，完全能够满足精度要求。这里我们采用ADC0809作为A/D转换器。电路设计好后，调整变送器的输出，使 0500的温度变化对应于04.9 V的输出，则A/D转换对应的数字量为00HFAH，即0250，则转换结果乘以2正好是温度值。用这种方法一
37、方面可以减少标度转换的工作量，另一方面还可以避免标度转换带来的计算误差。,3)温度控制 电炉控制采用可控硅来实现，双向可控硅和电炉电阻丝串接在交流220 V市电回路中。单片机的P1.7口通过光电隔离器和驱动电路送到可控硅的控制端，由P1.7口的高低电平来控制可控硅的导通与断开，从而控制电阻丝的通电加热时间。4)人机对话 这部分包括键盘、显示和报警三部分电路。本系统设有3位LED数码显示器，停止加热时显示设定温度，启动加热时显示当前烤箱温度。采用串行口扩展的静态显示电路作为显示接口电路。,为使系统简单紧凑，键盘只设置4个功能键，分别是启动、“百位+”、“十位+”和“个位+”键，由P1口低4位作为
38、键盘接口。利用+1按键可以分别对预置温度的百位、十位和个位进行加1设置，并在LED上显示当前设置值。连续按动相应位的加1键即可实现0500的温度设置。报警功能由蜂鸣器实现。当由于意外因素导致烤箱温度高于设置温度时，P1.6口送出的低电平经反向器驱动蜂鸣器鸣叫报警。5)其它可扩展电路 对于要求更高的系统，在现有电路的基础上，读者还可以视需要自行扩展以下接口电路：,(1)实时时钟电路：连接实时时钟芯片DS12887可以获得长的采样周期，显示年、月、日、时、分、秒，而其片内带有的114 B非易失性RAM，可用来存入需长期保存但有时也需变更的数据。如采样周期、PID控制算法的系数KP、KI、KD等。(
39、2)“看门狗”电路：连接集成监控芯片MAX705可实现对主电源VCC的监控，提高系统的可靠性。由于本书附带的实验板已将P1口用排针引出，因此，读者可以方便地用实验板来实现上述系统。可在P1.6口外接蜂鸣器电路，在P1.7口外接电炉驱动控制电路，P1.0P1.3口外接4个功能按键（启动、+100、+10、+1）。,9.2.4 软件设计 1.工作流程 烤箱在上电复位后先处于停止加热状态，这时可以用“+1”键设定预置温度，显示器显示预定温度；温度设定好后就可以按启动键启动系统工作了。温度检测系统不断定时检测当前温度，并送往显示器显示，达到预定值后停止加热并显示当前温度；当温度下降到下限（比预定值低2
40、）时再启动加热。这样不断重复上述过程，使温度保持在预定温度范围之内。启动后不能再修改预置温度，必须按复位/停止键回到停止加热状态再重新设定预置温度。,2.功能模块 根据上面对工作流程的分析，系统软件可以分为以下几个功能模块：(1)键盘管理：监测键盘输入，接收温度预置，启动系统工作。(2)显示：显示设置温度及当前温度。(3)温度检测及温度值变换：完成A/D转换及数字滤波。(4)温度控制：根据检测到的温度控制电炉工作。(5)报警：当预置温度或当前炉温越限时报警。,3.资源分配 为了便于阅读程序，首先给出单片机资源分配情况。数据存储器的分配与定义见表9.2。表9.2 温度控制软件数据存储器分配表,程
41、序存储器：EPROM2764的地址范围为0000H1FFFH I/O口：P1.0P1.3键盘输入；P1.6、P1.7报警控制和电炉控制。A/D转换器0809：通道0通道7的地址为7FF8H7FFFH，使用通道0。4.功能软件设计 1)键盘管理模块 上电或复位后系统处于键盘管理状态，其功能是监测键盘输入，接收温度预置和启动键。程序设有预置温度合法检测报警，当预置温度超过500时会报警并将温度设定在500。键盘管理子程序流程图如图9.12所示。,图9.12 键盘管理子程序流程图,键盘管理子程序KIN：KIN：ACAL CHK；预置温度合法性检测 MOV BT1，ST1 MOVBT0，ST0；预置温
42、度送显示缓冲区 LCALLDISP；显示预置温度KIN0：ACALLKEY；读键值 JZKIN0；无键闭合和重新检测 ACALL DISP,ACALLDISP；二次调用显示子程序延时去抖 ACALLKEY；再检测有无键按下 JZKIN0；无键按下重新检测 JBACC.1，S10 MOVA，#100；百位键按下 AJMP SUMS10：JB ACC.2，S1 MOVA，#10；十位键按下 AJMPSUM,S1：JBACC.3，S0MOVA，#01；个位键按下 SUM：ADDA，ST0；预置温度按键+1MOVST0，AMOVA，#00H ADDCA，ST1MOVST1，AKIN1：ACALL KE
43、Y；判断闭合键释放 JNZKIN1；未释放继续判断 AJMPKIN；闭合键释放继续扫描键盘,S0：JNB ACC.0，KIN；无键按下重新扫描键盘 RET；启动键按下返回 KEY：MOVA，P1；读键值子程序 CPLA ANLA，#0FH RET 预置温度合法性检测子程序CHK(用双字节减法比较预置温度是否大于500(01F4H)：,CHK：MOVA，#0F4H；预置温度上限低8位送ACLRCSUBBA，ST0；低8位减，借位送CYMOVA，#01H；预置温度上限高8位送ASUBBA，ST1；高8位带借位减JC OUTA；预置温度越界，转报警MOVA，#00H；预置温度合法标志RET,OUTA
44、：MOVST1，#01H；将500写入预置温度数据区MOVST0，#0F4HCLRP1.6；发报警信号0.6 sACALLD0.6s SETBP1.6；停止报警RET,2)显示模块 显示子程序的功能是将显示缓冲区57H和58H的二进制数据先转换成三个BCD码，分别存入百位、十位和个位显示缓冲区（54H、55H和56H单元），然后通过串口送出显示。显示子程序DISP：DISP：ACALL HTB；将显示数据转换为BCD码 MOV SCON，#00H；置串行口为方式0 MOV R2，#03H；显示位数送R2 MOV R0，#T100；显示缓冲区首地址送R0,LD：MOV DPTR，#TAB；指向字
45、型码表首地址 MOV A，R0；取显示数据 MOVC A，A+DPTR；查表 MOVSBUF，A；字型码送串行口WAIT：JBC TI，NEXT；发送结束转下一个数据并清中断标志 SJMP WAIT；发送未完等待NEXT：INCR0；修改显示缓冲区指针 DJNZR2，LD；判3位显示完否，未完继续RET,TAB：；字型码表（略）BCD码转换子程序HTB：HTB：MOVA，BT0；取二进制显示数据低8位MOVB，#100；除100，确定百位数DIVABMOVT100，A；百位数送54H单元MOVA，#10；除10，确定十位,XCH A，B DIV A，B MOV T10，A；十位数送55H单元
46、MOVT，B；个位数送56H单元 MOVA，BT1；取二进制显示数据高8位 JNZ LH1；高位不为0转LH1继续高8位转换 RET；高位为0结束，返回LH1：MOVA，#06H；高位不为0，低位转换结果加256（因为温度数据不会；大于500，所以高8位最多为01H，即256）,ADDA，T DAA；个位加6（十进制加）MOVT，A；结果送回个位 MOVA，#05H ADDCA，T10 DAA；十位加5（十进制加）,MOVT10，A；结果送回十位 MOVA，#02H ADDCA，T100 DA A；百位加2（十进制加）MOVT100，A；结果送回百位RET,3)温度检测模块 A/D转换采用查询
47、方式。为提高数据采样的可靠性，对采样温度进行数字滤波。数字滤波的算法很多，这里采用4次采样取平均值的方法。如前所述，本系统A/D转换结果乘2正好是温度值，因此，4次采样的数字量之和除以2就是检测的当前温度。检测结果高位存入50H，低位存入51H。温度检测子程序流程图如图9.13所示。温度检测子程序TIN：,图9.13 温度检测子程序流程图,温度检测子程序TIN：TIN：MOV TEMP1，#00H；清检测温度缓冲区 MOV TEMP0，#00H MOV R2，#04H；取样次数送R2 MOV DPTR，#7FF8H；指向A/D转换器0通道 LTIN1：MOVX DPTR，A；启动转换HERE：
48、JNB IE1，HERE；等待转换结束 MOVX A，DPTR；读转换结果,ADDA，TEMP0；累加（双字节加法）MOVTEMP0，AMOVA，#00HADDCA，TEMP1MOVTEMP1，ADJNZR2，LTIN1；4次采样完否，未完继续CLR C；累加结果除2(双字节除法)MOVA，TEMP1,RRCAMOVTEMP1，AMOVA，TEMP0 RRCAMOVTEMP0，ARET,4)温度控制模块 将当前温度与预置温度比较，当前温度小于预置温度时，继电器闭合，接通电阻丝加热；当前温度大于预置温度时，继电器断开，停止加热；当二者相等时电炉保持原来状态；当前温度降低到比预置温度低2时，再重新
49、启动加热；当前温度超出报警上下限时将启动报警，并停止加热。由于电炉开始加热时，当前温度可能低于报警下限，为了防止误报，在未达到预置温度时，不允许报警，为此设置了报警允许标志F0。模块流程见图9.14。,图9.14 温度控制流程图,温度控制子程序CONT：CONT：MOVA，TEMP0；当前温度-预置温度（双字节减）CLRCSUBBA，ST0MOVB，A；低8位相减的差值暂存BMOVA，TEMP1SUBBA，ST1,JNCLOFF；无借位，表示当前温度预置温度，转LOFF JNBF0，LON；当前温度预置温度，判是否达到过预置温度 MOVA，B；若达到过预置温度，判二者差值是否大于2 CLRC
50、SUBBA，#02H JNC ACC.7，LOFF；差值不大于2，转LOFFLON：CLR P1.7；开电炉 SJMPEXIT；返回,LOFF：SETBF0；设置允许报警标志SETBP1.7；关电炉EXIT：RET 在此，读者也可自行加入PID算法程序来实现PID控制。5)温度越限报警模块 报警上限温度值为预置温度+5，即当前温度上升到高于预置温度+5时报警，并停止加热；报警下限温度值为预置温度-5，即在当前温度下降到低于预置温度-5，且报警允许时报警，这是为了防止开始从较低温度加温时误报警。报警的同时也关闭电炉。图9.15为报警子程序流程图。,图9.15 报警子程序流程图,报警子程序ALAR
