1、畢業設計（論文）題 目：基于mcs-51的多路溫度采集控制系統的設計摘 要本文設計是以mcs-51單片機系統為基礎的，通過熱電阻變送器對熱電阻隨溫度的變化而得到的模擬信號進行采集，連接多路模擬開關實現多路模擬信號的采集，并通過a/d轉換器對模擬信號進行數模轉換，把轉換得到的數字信號按照順序分別送入單片機或把指定的那路信號送入單片機，通過單片機進行控制操作，通過對單片機的數據存儲器的擴展和程序存儲器的擴展來提高片內存儲器、數據存儲器的容量，以便于在單片機的應用中滿足單片機在定時器、中斷、串行口等方面的要求；本設計是通過led來實現單片機的現實系統的，通過單片機對多路模擬開關的控制進行多選一，把其

2、中一路的信號經過a/d轉換器的轉換，在通過單片機把采集到的信號送到led電路當中進行顯示，此設計中led顯示使用的串行接口來顯示的，它是通過人的視覺暫留特性，只觀賞感覺是連續點亮的；本文通過單片機報警系統來實現熱電阻傳感器隨測量的溫度范圍200700攝氏度，若超出這個溫度范圍則報警。以單片機為核心完成溫度巡測、數據處理.顯示及上下限報警功能。關鍵字：a/d轉換器；dbw熱電阻變送器；單片機abstractit is based on mcs-51 one-chip computer system for this text not to design, is it gather to go o

3、n through thermal resistance changer to analog signal that thermal resistance receive with change of temperature, join many way analog switch realize many way collection of analog signal , is it count through a/d converter to analog signal mould change to go on, send digital signal received to chang

4、e according to order into one-chip computer or designated those distance signal send into the one-chip computer separately, carry on control operation through one-chip computer , is it improve scenes of memory storing device to come through data expansion and expansion , procedure of memory of memor

5、y in one-chip computer. capacity of the data memory ,so that the demand in meeting the one-chip computer in the timer , cuts off , the serial mouth in the application of the one-chip computer etc.; is it is it realize realistic system of one-chip computer to come through led , is it select for one m

6、ore through one-chip computer control on analog switch of many ways to go on to design originally, undergo conversion , a/d of converter among them one no. of signals , send through one-chip computer signal got to gather led show among the circuit, design this led serial interface used to show is it

7、 show to come, it to cut characteristic of staying through vision of people, only view and admire and feel and light in succession ; this text realizes 200700 degrees centigrade of temperature ranges that the thermal resistance sensor measure at the same time through the warning system of the one-ch

8、ip computer, if beyond the scope of this temperature to report to the police. regard one-chip computer as the core and finish temperature and patrol examining , data processing . show and the warning function of upper and lower limits.key words： a/d converter；dbw thermal resistance changer;；an one-c

9、hip computer目 錄摘 要iabstractii目 錄iii第一章 緒 論11.1 課題背景及意義11.2 國內外研究的現狀11.3 課題內容和主要工作2第二章 多路溫度采集控制系統總體設計32.1 總體設計指標32.2 系統框圖及工作原理3第三章 系統硬件電路的設計53.1 信號輸入通道與信號采樣模塊53.1.1 信號采樣模塊的電路設計53.1.2 測量電路63.1.3 a/d芯片83.2 8051單片機113.3顯示系統、報警系統133.3.1 顯示系統的設計133.3.2 報警系統的設計173.4 控制系統設計173.4.1 pid算法控制173.4.2 繼電器控制電路183.

10、5 8051單片機的擴展及系統電路203.6 鍵盤控制的設計243.7系統的電源設計263.7.1 電源系統的組成263.7.2 電源設計原理263.7.3 電路27第四章 系統軟件的設計284.1主控模塊的程序設計284.2 led顯示程序設計314.3 報警系統的程序設計32結 論34參考文獻35附 錄36致 謝43第一章 緒 論1.1 課題背景及意義溫度是現代檢測的重要組成部分，人民的日常生活與環境的溫度息息相關，在工業和農業生產過程中常需對溫度進行檢測和監控。采用微型機對溫度進行檢測、顯示、信息存儲及實時控制對于提高生產效率和產品質量、節約能源等都有重要的作用。溫度是一個非常重要的物理

11、量，因為它直接影響燃燒、化學反應、發酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形、結晶以及空氣流動等物理和化學過程。溫度控制失誤就可能引起生產安全、產品質量、產品產量等一系列問題。因此對溫度的檢測的意義就越來越大。溫度采集控制系統在工業生產、科學研究和人們的生活領域中，得到了廣泛應用。在工業生產過程中，很多時候都需要對溫度進行嚴格的監控，以使得生產能夠順利的進行，產品的質量才能夠得到充分的保證。使用自動溫度控制系統可以對生產環境的溫度進行自動控制，保證生產的自動化、智能化能夠順利、安全進行，從而提高企業的生產效率。1.2 國內外研究的現狀21世紀，科學技術的發展日新月異，科技的進步帶動了測量技術的發展

12、，現代控制設備的性能和結構發生了翻天覆地的變化。我們已經進入了高速發展的信息時代，測量技術也成為當今科技的一個主流，廣泛地深入到研究和應用工程的各個領域。溫度是一個和人們生活環境有著密切關系的物理量，也是一種在生產、科研、生活中需要測量和控制的重要物理量，是國際單位制七個基本量之一。溫度的變化會給我們的生活、工作、生產等帶來重大影響，因此對溫度的測量至關重要。其測量控制一般使用各式各樣形態的溫度傳感器。隨著現代計算機和自動化技術的發展，作為各種信息的感知、采集、轉換、傳輸相處理的功能器件，溫度傳感器的作用日顯突出，已成為自動檢測、自動控制系統和計量測試中不可缺少的重要技術工具，其應用已遍及工農

13、業生產和日常生活的各個領域。國內外一直在對溫度采集控制系統進行研究，目前各種溫度采集控制系統的技術已經很成熟，在實際應用中也非常普遍。基于應用目的的不同，有各種類型的溫控系統，如：有基于微機的溫控系統、有基于dsp芯片的溫控系統、有基于單片機的溫度控制系統。相應的也研發了出了各種類型的溫度采集控制芯片，同時也有了很多實際的產品投入生產應用。雖然這些系統不盡相同，但它們的基本原理和完成的功能都大致一樣，主要由溫度傳感器負責采集溫度，經過信號放大、濾波等處理后進行a/d轉換，把溫度數據轉換為數字信號；數字信號最后送入控制系統進行相應的處理和顯示，系統根據處理結果發出相應的控制信號。近些年來，單片機

14、技術的迅速興起并蓬勃發展，單片機具有快速、精確、抗干擾能力強等特點，所以在實際應用中，更多的是采用基于單片機的溫度控制系統。1.3 課題內容和主要工作本課題是基于單片機的多路溫度采集控制系統設計，其利用單片機作為系統的主要控制器，通過溫度傳感器檢測鍋爐溫度信號，再經a/d轉換后，將數字信號，送入到單片機中進行數據處理，經過一定的控制算法后，通過單片機的輸出i/o口，來控制繼電器的閉合，達到弱電控制強電的目的，從而實現對了對鍋爐溫度的調節。 本人的主要工作是運用單片機作為主控制單元及數據處理單元，控制溫度傳感器檢測環境溫度信號及a/d轉換，數據處理，發出控制信號對加熱爐和風扇進行自動化控制，達到

15、自動調節控制環境溫度的目的，同時實現超高溫報警和超低溫報警功能，顯示報警溫度值和當前溫度值。第二章 多路溫度采集控制系統總體設計2.1 總體設計指標本設計要求利用單片機對8路熱電阻溫度信號進行采集和顯示。熟悉單片機在溫度巡回檢測儀表中的應用。掌握單片機系統的設計方法。本設計要求采用逐漸逼近式a/d轉換器來進行對信號的采集轉換，并通過led來實現溫度采集的顯示，設計是通過8個熱電阻來進行溫度采集的，要求溫度范圍在200700攝氏度。要求能夠實現巡回顯示和指定顯示，通過完成本次設計來加深對單片機系統的掌握和了解。一基本功能檢測溫度顯示溫度過限報警控制溫度二主要技術參數 溫度檢測范圍 ： 20070

16、0測量精度 ： 0.5顯示方式 ： 四位led顯示報警方式 ： 三極管驅動的蜂鳴音報警2.2 系統框圖及工作原理系統框圖如下 系統框圖工作原理：溫度采集元件采集到溫度數據,由a/d轉換器將采集的模擬信號轉換為數字信號，再將數字信號送入到51單片機中進行數據處理，經過一定的控制算法后，通過單片機的輸出i/o口，來控制繼電器的閉合，達到弱電控制強電的目的，從而實現了對溫度的調節。同時將溫度在led顯示系統中顯示出來。如里溫度超過上限或下限溫度，報警系統會發出警報。第三章 系統硬件電路的設計3.1 信號輸入通道與信號采樣模塊3.1.1 信號采樣模塊的電路設計熱電式傳感器是溫度變化轉換為電量變化的裝置

17、，它利用敏感元件的電磁參數隨溫度變化而變化的特性來達到測量目的。本設計是用熱電阻傳感器來進行測量的，熱電阻的特點是精度高，適用于測低溫。雖然大多數金屬的電阻值隨溫度變化而變化，然而并不是所有的金屬都能作為測量溫度的熱電阻。作為測量溫度熱電阻的金屬材料應具有如下特性：電阻溫度系數大，電阻率要大，熱容量小；在整個測量范圍內應具有穩定的物理和化學性質；電阻與溫度的關系最好近似于線性，或為平滑的曲線；并要求容易加工，復制性好，價格便宜。目前應用最廣發的熱電阻材料試鉑和銅并且已做成標準測溫熱電阻，本設計選用的是鉑電阻。鉑電阻的特點是精度高，穩定性好，性能可靠。鉑在氧化性氣氛中，甚至在高溫下的物理、化學性

18、質非常穩定。因此鉑被公認為是目前制造熱電阻的最好材料。鉑電阻作為標準電阻溫度計使用，也常被用在工業測量中。此外，還被廣乏地應用于溫度的基準、標準的傳遞。鉑電阻的阻值溫度之間的關系，在0850攝氏度范圍內可用下式表示，rt=ro(1+at+bt2) (3-1)在-2000范圍內用下式表示，rt=ro1+at+bt2+c(t-100)3 (3-2) 式中 rt-溫度為t攝氏度時的鉑電阻的阻值；ro-溫度為0時的鉑電阻值；a、b、c-常數，a=3.940*10-3/攝氏度 b=-5.802*10-7/攝氏度 c=-4.274*10-12/攝氏度對滿足上訴關系的熱電阻，其溫度系數約為3.9*10-3/

19、攝氏度。由式（3-1）、式（3-2）可見，電阻值與t及ro有關，當ro值不同時，即使在同樣的溫度下其rt的值也不同。因此作為測量用熱電阻必須規定ro值。根據國家從1988年開始采用的iec標準，工業用鉑電阻ro有100和50歐姆兩種，并將電阻值rt與溫度t的對應關系列成表格，成為鉑電阻分度表，分度號分別為pt100和pt50。鉑電阻材料的純度通常用百度電阻比w(100)來表示，即w(100)=r100/ro （3-3）式中 r100-水費點時的鉑電阻的電阻值； ro-水冰點時的鉑電阻的電阻值。目前技術水平已達到w(100)=1.3930，與之相應的鉑純度為99.9995%，工業用鉑電阻純度w(

20、100)=1.3871.390.3.1.2 測量電路測量電路是通過dbw系列的熱電阻變送器來實現的。dbw型熱電阻溫度變送器它的作用是把測溫元件（熱電阻）所測得的溫度信號轉換成420ma（或15v）直流電流信號，供給記錄儀、溫度指示儀或調節器以組成檢測系統或調節系統，對生產過程實現檢測或自動控制。dbwm型熱電阻溫度變送器與各種不同型號的熱電阻配套使用，將被測溫度線性地轉換成統一的標準信號15vdc（或420madc），輸出供給指示，記錄儀，摸擬電動調節器，可編程數字調節器，分數控制系統及工業過程控制機使用。本儀表采可用三、四線制連接方式，由于在電路設計上采用了高性能的功能模塊結構方式，使整機

21、結構緊湊，體積小，重量輕，安裝調校簡單，維護工作量小。本設計采用三線制連接方式。接線端子：圖3-1 熱電阻變送器接線端子圖由于熱電阻變送器提供的是15v電壓，而adc0809所需要的是05v電壓，所以還需要加個減法電路即差值運算放大器來實現15v到05v的電壓轉換。圖3-2是一個集成放大器組成的基本差值運算電路，它的同向輸入端和反向輸入端都接有輸入信號，理想情況下，ii=0,u-=u+,于是可以列出i1=i2（ui1-u-）/r1=(uuo)/r2u+=ui2*r4/(r3+r4)解得uo=ui2*r4/(r3+r4)*（r1+r2）/r1-ui1*r2/r1 (3-4)當外電路電阻滿足平衡對

22、稱條件時r1=r3,r2=r4時，式（3-4）可寫成uo=-r2/r1*(ui1-ui2) (3-5)圖3-2差值運算放大器式3-5表明輸出電壓與兩個輸入電壓的差值uid=ui1-ui2成正比，電路實現了差值運算。差值運算放大器也成為差動運算放大器。uid稱為差模信號，at=uo/uid=-r2/r1稱為電路的差模放大倍數。當輸入電壓ui1=ui2時，輸出電壓uo=0，把uic=（ui1+ui2）/2稱為共模信號，可見電路對功模信號無放大作用，共模放大倍數為零。熱電阻變送器與差值運算放大器的連接時，6號引腳接地，5號引腳接ui2,ui1接+1v電壓。3.1.3 a/d芯片a/d轉換器從原理上通

23、常分為四類：計數器式a/d轉換器、雙積分式a/d轉換器、逐漸逼近式a/d轉換器和并行a/d轉換器。計數式a/d轉換器結構簡單，但轉換速度很慢，所以很少采用。雙積分a/d轉換器抗干擾能力強，轉換精度也很高，但速度不夠理想。逐漸逼近式a/d轉換器的結構不太復雜，轉換速度也很高。并行a/d轉換器的轉換速度最快，但結構復雜而且造價高。因此，選用逐漸逼近式a/d轉換器。八路模擬開關逐次逼近寄存器s.a.rd7d6d5d4d3d2d1d0比較器樹狀開關控制與時序256電阻階梯三態門輸出地址鎖存與譯碼in0in1in2in3in4in5in6in7212019188151417262728123451125

24、242322vxvs1312vccgndvrfe(+)169vrfe(-)oe7eoc610addaaddbaddcalestartclkadc0809是典型的轉換芯片，adc0809是帶有8位a/d轉換器、8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的cmos組件。它是逐次逼近式a/d轉換器，可以和微機直接接口。芯片是adc0808，可以互相替換。adc0809的內部邏輯結構如圖3-3所示。圖3-3 adc0809的內部邏輯結構由圖3-3可以看出，adc0809有一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個a/d轉換器和一個三態輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共

25、用一個a/d轉換器進行轉換。三態輸出鎖存器用于鎖存a/d轉換完的數字量，當oe端為高電平時，才可以從三態輸出鎖存器取走轉換完的數據。 adc0809采用雙列直插式封裝，共有28條引腳。其引腳結構圖如圖3-4所示。圖 3-1 adc0809內部邏輯圖3-4adc0809引腳圖（1）in0in7：8條模擬量通道 adc 0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05v，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。（2）地址輸入和控制線：4條ale 為地址鎖存允許輸入線,高電平有效。當ale現為高電平時，地止鎖存與譯碼器將a

26、dda、addb和addc三條地址輸入線，用于選通in0in7上的一路模擬量輸入。通道選擇如表3-1所示。addcaddbadda選擇的通道000in0001in1010in2011in3100in4101in5110in6111in7表3-1被選通道和地址的關系（3）數字量輸出及控制線：11條start 為轉換啟動信號。當start上跳沿時，所有內部寄存器清零；下跳沿時，開始進行a/d轉換；在轉換期間，start應保持低電平。eoc位轉換結束信號。當eoc為高電平時，表明轉換結束；否則，表明正在進行a/d轉換。oe為輸出允許信號，用于控制三態輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。oe=1,輸

27、出轉換得到的數據；oe=0，輸出數據線呈高阻狀態。d7d0為數字輸出線。（4）電源線及其他：5條clock為時鐘輸入信號線。因adc0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須有外界提供，通常使用頻率為500khz的時鐘信號。vcc為+5v電源線。gnd為地線。vref(+)和vref(-)為參考電壓輸入，參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準。其典型去值：vref(+)=+5v,vref(-)=0v.3.2 8051單片機1電源：vcc - 芯片電源，接+5v；vss - 接地端；2時鐘：xtal1、xtal2 - 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。3 控制線：控制線共有4根

28、，ale/prog：地址鎖存允許/片內eprom編程脈沖ale功能：用來鎖存p0口送出的低8位地址prog功能：片內有eprom的芯片，在eprom編程期間，此引腳輸入編程脈沖。psen：外rom讀選通信號。rst/vpd：復位/備用電源。rst（reset）功能：復位信號輸入端。vpd功能：在vcc掉電情況下，接備用電源。ea/vpp：內外rom選擇/片內eprom編程電源。ea功能：內外rom選擇端。vpp功能：片內有eprom的芯片，在eprom編程期間，施加編程電源vpp。圖3-5 8051單片機引腳圖4 i/o線80c51共有4個8位并行i/o端口：p0、p1、p2、p3口，共32個

29、引腳。p3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。p3口引腳功能p3.0rxd（串行輸入端口）p3.1txd（串行輸出端口）p3.2int0（外中斷0）p3.3int1（外中斷1）p3.4t0（定時器0外部輸入）p3.5t1（定時器1外部輸入）表3-2 p3口的功能3.3顯示系統、報警系統3.3.1 顯示系統的設計 顯示系統是單片機控制系統的重要組成部分，主要用于顯示各種參數的值，以便使現場工作人員能夠及時掌握生產過程。工業控制系統中常用的顯示器件有crt、led、lcd等。crt不僅可以進行字符顯示，而且可以進行畫面顯示，和計算機配合使用，可十分方便地實現生產過程的管

30、理和監視。但由于crt體積大，價格昂貴，所以只適用于大型微機控制系統。在中小型的控制過程中，為了使工作人員能夠在現場直接看到生產情況和報警信號，經常選用led和lcd作為顯示器件。led和lcd都具有體積小，功耗低，響應速度快，易于匹配，可靠性高和壽命高等優點。lcd是一種功耗極低的顯示元件，在儀表和低功耗應用系統中的使用較多，而led成本低廉，培植靈活，多用于單片機控制系統中，所以選用led顯示。led是一種電流發光器件它既可以工作在恒定電流狀態，又可以工作在脈沖電流狀態。在平均電流相同的情況下，脈沖工作狀態可產生比直流工作狀態較強的亮度，一般每秒鐘可導通100500次，每次為幾個毫秒：le

31、d有單個發光二極管、七段(或八段)led顯示器和led點陣顯示器等類型。發光顏色有紅、綠、黃等。led顯示器每段正常發光需直流電流1020ma，發光二極管發光時其正向導通壓降為1.7v左右。七段led顯示器是由7個led按定的圖形排列組成，如圖3-6(a)所示，七段led顯示器的各個二極管分別稱為a、b、c、d、e、f、g段，有些七段顯示器增加一個dp段表示小數點，也稱為八段led顯示器。七段led顯示器有兩種結構：共陰極七段led顯示器和共陽極七段led顯示器，如圖3-6(b)、(c)所示。所有二極管的陰極接在一起的稱為共陰極七段led顯示器；所有二極管的陽極接在一起的稱為共陽極七段lld顯

32、示器。共陽極七段led顯示器工作時，二極管的公共陽極接向電平“1”各段的陰極接與共陽七段碼相對應的電平。共陰極七段led顯示器工作時，其公共極接到低電平，各段的陽級接與共陰七段碼相對應的電平。在實際應用中，除公共極外，其他各極應串接一個電阻后再接到相應電平。電阻的作用是限制流過led中的電流以保證在發光時二極管不因電流過大而被燒壞。 （a）典型的七段led器件 （b）共陽極led顯示器 （c）共陰極led顯示器圖3-6七段led顯示器的結構原理將數碼管的引腳和單片機的數據輸出口相連，控制輸出的數據可以使數碼管顯示不同的數字和字符，通常稱控制發光二極管的8位字節數據為段選碼。7段led段選碼如表

33、3-3所示。可以看出，共陽極和共陰極的段選碼互為補數。顯示字符共陰極段選碼共陽極段選碼顯示字符共陰極段選碼共陽極段選碼03fhc0ha77h88h106hf9hb7ch83h25bha4hc39hc6h34fhb0hd5eha1h466h99he79h86h56dh92hf71h8eh67dh82hh76h09h707hf8hp73h8ch87fh80hu3ehc1h96fh90h滅00hffh表3-3 7段led段選碼led的顯示份靜態顯示方式和動態顯示方式在靜態顯示方式下，n塊顯示器件都處于選通狀態；每一塊顯示器件的段選線和一個8位的并行口相連，只要控制顯示位的段選碼，就可顯示出相應的字幅

34、。由于顯示器件由不同的i/o控制，所以靜態顯示方式中的每一位都可以獨立顯示，在同一時刻每一位顯示的字符可以各不相同。led動態顯示就是將所有顯示位的段選線并聯在一起，有一個8位i/o口控制，而位選線則有其他的i/o口控制，通過程序控制，不斷循環輸出相應的段選碼和位選碼，由于人的視覺暫留效應，就可以獲得視覺穩定的顯示狀態。本設計選用的是串行口動態掃描顯示，其電路圖如3-7所示。圖3-7 串行動態led掃描電路圖3-7是電原理圖，采用mcs-8051單片機，同時用廉價易得的74ls164和74ls138作為擴展芯片。74ls164是一個8位串入并出的移位寄存器，其此處的功能是將8051串行通信口輸

35、出的串行數據譯碼并在其并口線上輸出，從而驅動led數碼管。74ls138是一個3-8譯碼器，它將單片機輸出的地址信號譯碼后動態驅動相應的led。但74ls138電流驅動能力較小，為此，使用了未級驅動三極管2sa1015作為地址驅動。3.3.2 報警系統的設計 報警系統的電路圖如圖3-8所示。圖3-8報警系統的電路圖報警是微機控制系統的一項重要功能，主要用于保證生產過程的正常運行和操作者的生命安全。在生產過程中控制系統隨時檢測被控對象的一些重要參數，當超出允許范圍是，控制系統便會發出聲光報警信號，引起操作者的注意以便采取相應的措施。智能型的報警系統不僅能夠發出聲光報警信號，甚至可以實現簡單故障的

36、自動處理。3.4 控制系統設計3.4.1 pid算法控制pid在溫度控制中已使用數十年，是一種成熟的技術，它具有結構簡單、易于理解和實現，且一些高級控制都是以pid為基礎改進的。pid具有原理簡單，易于實現，適用面廣，控制參數相互獨立，參數的選定比較簡單等優點；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象“一階滯后純滯后”與“二階滯后純滯后”的控制對象，pid控制器是一種最優控制。其調節規律是連續系統動態品質校正的一種有效方法，它的參數整定方式簡便，結構改變靈活（pi、pd、）。pid調節器又稱為比例積分微分調節器，它具有比例、積分、微分三種調節作用溫度pid調節器有三個可設定參數，即比例放大

37、系數、積分時間常數、微分時間常數。對一個控制系統而言，合理地設置這三個參數可取得較好的控制效果。 在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調，減少調節時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調節，對系統抗干擾不利。此外，微分反應的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節規律相結合，組成pd或pid控制器。 采用pid控制其優點是理論和技術都很成熟，在單片機上用軟件較易實現，可以達到較小的靜態誤差，但必須仔細調整控制參數，才能獲得較好的效果。因題目對靜態誤差要求較高，故采用pid控制。參數整定采用試湊法，在系統調試階段完成。考慮到電爐對水進行加

38、熱有較大的滯后性，若采用單一的pid控制，難以兼顧調節時間和超調量，設定溫度突變時，有可能產生振蕩或調節時間過長。因此將控溫過程分成兩段，誤差較大時用模糊控制，接近設定溫度時改用pid控制。3.4.2 繼電器控制電路圖3-9為通過三極管來控制繼電器的開關的。繼電器采用的是帶光電隔離的過零型雙向可控硅ac-ssr固態繼電器，為使其實現過零控制，就是要實現工頻電壓的過零檢測，并給出脈沖信號，由單片機控制雙向可控硅過零脈沖數目。當在其輸入端加入（撤離）控制信號時，輸出端接通（斷開）。此電路用于在閉環控制系統中對被控對象實施控制，此處被控對象為電爐絲，采用對加在電爐絲兩端的電壓進行通斷的方法進行控制，

39、以實現對水加熱功率的調整，從而達到對水溫控制的目的。對電爐絲通斷的控制采用ssr固態繼電器。它的使用非常簡單，只要在控制臺端加上一ttl電平，即可實現對繼電器的開關。電路的工作原理是：高電平導通，線圈有電，電池結構觸點吸合；低電平斷開，線圈無電，電池結構觸點分離，線路斷開。從而控制電爐與電源的通斷，來達到加熱或冷卻爐絲的目的，最終實現溫度穩定在設定值上。圖3-9 繼電器電路本系統使用的固態繼電器是整個控制系統的執行部件，在整個自動控制系統中起著舉足輕重的作用。隨著科學技術的發展和工業化程度的提高,對廣泛使用的繼電器提出更高的要求,歸納如下： 高敏感度,高速響應 輸入可以是傳感器信號,輸出為高壓

40、信號 從低頻到高頻的寬頻帶 高可靠性,長壽命 體積小,可進行表面安裝 多功能、靜音化固態繼電器(ssr)是一種由固態電子器件組成的新型無觸點開關器件.它利用分立元件、集成器件及微電子技術實現控制回路（輸出）之間的電隔離和信號耦合。達到無觸點、無火花接通和斷開電路的目的，具有工作可靠、驅動功率小、開關速度快、使用壽命長、無噪音和抗干擾的特點。其應用領域十分廣泛，諸如微機的i/o接口、防爆場合和自動控制領域等。3.5 8051單片機的擴展及系統電路由于單片機的輸入/輸出引腳有限，一般的，我們采用地址存儲器進行單片機系統總線的擴展。常用的單片機地址鎖存器芯片有74ls373、8282、74ls273

41、等。圖3-10所示為74ls373的引腳以及它們用作地址鎖存器的連接方法。74ls373是帶三態輸出的8位鎖存器。當三態門為有效低電平，使能端g為有效高電平時，輸出跟隨輸入變化；當g由高變低時，輸出端8位信息被鎖存，直到g端再次有效為止。圖3-10 74ls373的引腳 用eprom作為單片機片外rom是目前最常用的rom擴展方法。常用的eprom芯片有很多，圖3-11為intel2764。在2764中主要有7種功能引腳，如圖3-11所示： vcc：電源電壓,+5v.a0a12：地址線。 d0d7：數據線。 oe：片輸出允許，連接單片機的讀信號線。 ce：片選信號引腳，由地址線譯碼器或單線選通

42、。 vpp：編程寫入電壓。圖3-11 2764的各個功能引腳 程序存儲器的擴展如圖3-12所示。圖3-12 程序存儲器的擴展mcs-51系列單片機內部帶有128b或256b的ram，可用作工作寄存器堆棧數據緩沖器及軟件標志等。對于一般而又簡單的應用場合，片內ram用于暫存數據處理過程中的中間結果等，已經足夠了。但是，在諸如實時數據采集和處理成批數據的場合，僅片內提供的ram往往不夠使用，可利用單片機的擴展功能，外接ram電路，作為片外ram。一般采用靜態ram（staticram，sram）。sram具有存取速度快使用方便等特點。常用的sram型號有很多，本課題中使用的是intel6264,如

43、圖3-136264是8k*8的sram芯片，在6264中主要有6種功能引腳： we：寫允許引腳，低電平有效。 a0a12：地址線。 d0d7：數據線。 oe：片輸出允許，低電平有效。 cs1：片選信號引腳，低電平有效。cs2：片選信號引腳，高電平有效。圖3-13 6264的各個功能引腳數據存儲器的擴展電路如圖3-14所示圖3-14數據存儲器的擴展3.6 鍵盤控制的設計 鍵盤按結構的不同可分為獨立式按鍵和行列式鍵盤兩類，每類按譯碼方式的不同又分為編碼式和非編碼式兩種。單片機中一般使用的都是用軟件來識別和產生鍵代碼的非編碼鍵盤。 行列式鍵盤的編碼方式由靜態和動態兩種。靜態接口主要由一個行編碼器和一

44、個列編碼器構成；動態接口可采用計數器、譯碼器和數據選擇器構成。這兩種鍵盤由硬件完成鍵的編碼任務。 一般在小型儀器儀表和控制系統中，使用較多的是行列式和獨立式的非編碼鍵盤；如果系統要求實現多鍵同時按下的處理，則用非編碼獨立方式較為合適。 本設計采用獨立式按鍵方式，主要通過4個鍵，s1、s2、s3、s4來實現指定顯示某一電路。圖3-15獨立式按鍵當s1斷開時，為巡回檢測電路，當s1閉合時，指定顯示電路的通道數與s2、s3、s4的關系見下表3-4。 s4s3s2對應通道數000#0001#1010#2011#3100#4101#5110#6111#7 “1”表示鍵閉合，“0”表示鍵斷開表3-4鍵對應

45、的通道數3.7系統的電源設計3.7.1 電源系統的組成僅就單片機系統(最小系統)而言，只需要5v的直流電源，而對實際的單片機應用系統來說，由于需要擴展一定的測控轉換通道和與其相應的接口電路及外設，除5v的直流外，還需要其他的直流(如12v等)、交流(50hz和其他頻率)電源乃至特殊電源(如各種頻率的方波、鋸齒波等)。圖3-16 單片機應用系統電源組成框圖如圖3-16所示，單片機應用系統的電源一般是由市電通過變壓、整流、穩壓、濾波及a/d變換、波形變換后提供系統所需的直流、交流和特殊電源，也有從直流供電設備取得電能后通過d/d變換、穩壓、濾波后提供系統所需電源。因而單片機應用系統電源通常包括變壓

46、電路、整流電路(d/d變換電路)、穩壓電路、濾波電路，有些還有d/a換流電路、特殊波形發生電路。而本設計電源只有交流供電設備，無特殊電路和交流電路。3.7.2 電源設計原理電源電壓的設計主要是針對系統要求的不同工作電壓進行電源分配。一般有兩種方法，一種是多電源方案，一種是單電源方案。本設計采用的是單電源方案，主要供系統電壓+5v電源。為降低成本，采用“變壓器降壓-整流-濾波-穩壓”的線性電源。采用單電源方案的優點是系統簡單、工作可靠。盡管單片機系統目前難以實現系統內全部器件采用單一電源。3.7.3 電路穩壓電源是單片機測控系統的重要組成部分，它不僅為測控系統提供多路電源電壓，還直接影響到系統的

47、技術指標和抗干擾性能。近年來，傳統的線性穩壓電源正逐步被高效率的開關電源所取代。特別是單片開關電源的迅速推廣應用，為設計新型、高效、節能電源創造了良好的條件。線性集成穩壓器分固定式輸出、可調式輸出兩種類型，又以三端固定或可調式集成穩壓器的應用范圍為最廣。圖3-17 系統電源的電路圖此設計中選用的三端固定集成穩壓器為78l05，其電路圖如圖3-17所示。第四章 系統軟件的設計4.1主控模塊的程序設計在主模塊中的主要程序是巡回檢測程序，巡回檢測程序主要由以下幾個方面構成：1采樣周期t的確定：采樣周期可通過軟件程序實現。2采樣開關通道號的控制：控制采樣開關選擇要監測數據的通道。3a/d轉換：實現模擬

48、量到數字量的轉換。系統軟件介紹：本程序由系統初始化程序和中斷程序組成。初始化程序完成中斷向量和定時器初值的設定；中段程序完成數據采樣工作，實現對8個通道的巡回檢測。初始化程序功能：設置定時器0、外部中斷0、和外部中斷1的中斷程序入口；設置定時器0的工作方式為1；定時時間為100ms；設置計數單元（30h）初值。初始化程序流程圖如圖4-1所示。開始定時器初始化中斷初始化開中斷設置中斷向量等待中斷啟動定時器圖4-1 初始化程序流程圖定時器0中斷功能：實現8秒定時，通過檢測技術單元（30h）的數據判斷定時事件是否到8秒，8秒時間到，觸發外部中斷0，執行數據采樣程序。定時器中斷程序流程框圖4-2所示。

49、開始計數單元+1觸發into重新加載數據關中斷開中斷返回8秒定時到否？是否圖4-2 定時器中斷程序流程框圖數據采樣程序功能：巡回檢測adc0809通道，控制存放數據的地址和采樣次數。巡回檢測的方式是先對8個通道各采樣一次，然后再采集第二次共采集五次。采樣程序采用中斷方式。在設置通道初值、通道數、采樣次數和存放數據的開始地址后，啟動a/d轉換，隨后檢測標志位狀態。標志位被清零，標志著本通道的a/d轉換已經結束，在修改通道號和數據存放地址后，對下一通道繼續檢測。當8個通道的檢測工作完成后，判斷5次采樣是否全部完成，若沒完成，則對8個通道繼續采樣，直至完成5次采樣工作。數據采樣程序流程框圖如4-3所

50、示。a/d轉換完成中斷功能：將標志位清零，讀取轉換后的溫度數據并存放在ram中。 a/d轉換完成中斷程序流程圖如圖4-4所示。開始置標志位置標志位修改通道號與存放地址設置通道初始值，采樣次數，數據存放地址標志位改變否？啟動a/d轉換等待中斷5次采樣完成否？8個通道均采樣否？返回啟動a/d轉換是是是否否否圖4-3 數據采樣程序流程框圖開始讀入數據存儲數據標志位清零返回圖4-4 a/d轉換完成中斷程序流程圖程序說明：1程序實現5次采樣，每次檢測8個通道。2數據的存放格式。3程序的采樣周期是通過軟件實現的。如果系統處理的任務較多，且對實時性要求較高，則采樣周期可通過系統擴展8253等定時芯片實現。4

51、.2 led顯示程序設計led顯示程序的設計： 動態顯示程序流程圖如圖4-5所示。開始顯示完4位數據否？設置位選字返回輸出位選字讀顯示數據設置顯示數據首地址延時10ms輸出段選碼查段選碼否是圖4-5 動態顯示程序流程圖4.3 報警系統的程序設計報警處理程序一般都需要根據系統的要求編寫，如有的報警系統要求能夠發出聲光報警信號、記錄報警時間參數或進行自動處理等。雖然不同的系統的報警處理程序是不一樣的，但報警程序的設計基本思想是相同的。報警程序主要有以下幾個步驟組成：1采樣被測參數。2比較采樣值和給定的上下限。3根據比較結果執行相應的處理程序。報警處理程序，只有采樣值連續3次異常時，系統才進行報經處

52、理。報警程序的設計思想是預設允許的連續異常的次數n，將采樣值和預先設定的報警值進行比較，如果發現采樣值超過報警值，則判斷上一次采樣值 是否正常。如果正常，則重置允許的連續不正常的次數n，并設置本次采樣不正常標志，然后繼續采樣。如果上一次采樣值不正常，則判斷是否連續n次采樣異常，不是則設置本次采樣不正常標識以及計算允許的連續異常次數，然后繼續采樣；否則發出執行報警處理程序。設上限報警值存放在amax單元，下限報警值存放在amin單元，采樣值存放在samp單元，允許的連續異常次數存放在num單元。flag為上次采樣異常標志位，flag=0,上次采樣正常；flag=1,上次采樣異常。報警程序流程框圖4-6所示：采樣值超上限否取報警上限重置連續采樣異常次數設置采樣異常標志報警處理允許連續異常采樣次數-1取報警下限結束允許連續采樣異常次數=0？上次采樣正常否采樣值超下限否開始是否是否是否否是設置采樣正常標志圖4-6 報警程序流程框圖結 論本系統設計簡單，性能穩定，能夠通過單片機靈活編程進行各種功能的設定和修改。特別適用于大中型企業生產過程中多點溫度的巡回測量和監控。隨著電路集成化的發展，本設