试验电炉的SCM控制系统.doc

中文题目： 试验电炉的单片机控制系统 英文题目： TEST FURNACE SCM CONTROL SYSTEM 基于单片机的试验电炉控制系统设计摘 要本课题设计主要从硬件和软件两方面设计了MCS-51单片机温度控制系统，按照技术要求实现了对温度的控制。论证了控制系统整体方案，设计了系统单元电路和硬件电路，给出了控制系统软件流程图和程序。该系统主要以8031单片机为核心,由温度检测电路,模/数转换电路, 过零检测电路, 报警与指示电路, 光电隔离与功率放大电路等构成。阐述了单片机温度控制系统的软硬件设计中的一些主要技术关键环节。经过调式，系统控制程序运行正常。总之，该课题达到了预期目的，完成了单片机的试验电炉控制系统的设计。关键词：单片机 温度检测 温度控制 PID算法ABSTRACT The design of single-chips temperature control system is introduced from hardware and software, and simply explains how to actualize the temperature control. The hardware principle and software case fig are described. Some important techniques in a design scheme of the hardware and the software of the temperature control by single-chip microcomputer are introduced. The system mostly takes 8031 single-chip microcomputer as core, it is structured by temperature testing circuit, A/D switch circuit, zero passage testing circuit, warning and indication circuit, optical-electrical isolation and power amplifier circuit and so on. KEYWORDS：SingleChip Microcomputer Temperature collecting Temperature controlling PID algorithm 目 录1引言61.1课题研究的目的意义61.2 温度控制系统的国内外现状71.3 本课题的主要任务和工作82系统总体方案设计92.1系统的主要技术要求92.2总体方案设计及论证92.4温度传感器的选择122.6 数字显示方式的选择142.7 键盘输入方案的确定152.8 接口电路的选择162.9 8031外围扩展设计172.10 芯片的扩展设计183 电炉温度控制系统硬件电路设计203.1 温度采集电路203.2 A/D转换电路213.3 显示电路233.4 驱动控制电路243.5 键盘电路253.6 可控硅控制电路263.7 光电隔离电路2838 过零检测电路293.9超温警报单元电路303.10 控制系统硬件电路304 控制系统的软件设计314.1 控制系统程序流程图314.1.1 主程序设计31412 内存分配324.1.3 A/D转换子程序设计334.1.4显示子程序设计344.2 温控程序流程图354.2.1 键盘扫描和温度显示程序设计364.2.2 温度采样384.2.3温度标度转换算法414.3 PID控制算法434.3.1 PID算法基本原理43432 PID算法的微机实现45433 PID算法的程序设计464.4 PWM 电压输出电路程序设计495 软件调试4951 软件调试方法4952 误差分析496 结论517 经济分析报告527.1 本课题设计所需电路元件527.2 资金预算537.3 试验电炉的市场前景54参考文献55致谢56附录A： 源程序清单57附录B： 电路原理图691 引言1.1 课题研究的目的意义在很多电子产品中也将其用到温度检测和温度控制。目前温度测量系统种类繁多，功能参差不齐。有简单的应用于家庭的如空调，电饭煲、太阳能热水器，电冰箱，等家用电器的温度进行检测和控制。采用8031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。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，为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在日常生活中成为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。因此，单片机对温度的控制问题是一个日常生活中经常会遇到的问题。本设计采用无ROM的8031作为主控制芯片。8031的接口电路有8255、2764。8255用于键盘/LED显示器接口，2764可作为8031的外部ROM存储器。其中温度控制电路是通过可控硅调功器实现的。双向可控硅管和加热丝串联接在交流220V，50HZ交流试点回路，在给定周期内，8031只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。设计实现了温度实时测量、显示、控制系统。以AD590为采集器，8031为处理器，电炉相应电路为执行器来完成设计任务提出的温度控制要求。设计过程流畅，所设计的电路单元较为合理。该设计在硬件方案设计，单元电路设计，元器件选择等方面较有特色。机械工业70%的零件需要进行热处理，汽车、拖拉机工业70%80%的零部件需要进行热处理加工，工具、刃具和轴承产品则100%需要进行热处理，即使一些民用轻工金属制品的使用寿命，绝大部分也依靠热处理得到提高。而紧固件行业、轴承行业、链条行业、工具行业、汽车、拖拉机、摩托车零部件行业都是靠热处理质量来竞争市场。随着工业的发展在十年内预测每年有4050万t新增热加工量，加之国内很大部分电炉设备的陈旧、落后，将趋向淘汰增新，所以，电炉的需求量还是很大的。今后的试验电炉技术将带有鲜明的时代特征，具有四大特点：智能化、高质量、低成本、环保型。1.2 温度控制系统的国内外现状通过网上查询、翻阅图书了解到目前国内外市场以单片机为核心的温度控制系统很多，而且方案灵活，且应用面比较广，可用于工业上的加热炉、热处理炉、反应炉，在生活当中的应用也比较广泛，如热水器，室温控制，农业中的大棚温度控制。以上出现的温度控制系统产品，根据其系统组成、使用技术、功能特点、技术指标。选出其中具有代表性的几种如下：1 虚拟仪器温室大棚温度测控系统在农业应用方面虚拟仪器温室大棚温度测控系统是一种比较智能，经济的方案，适于大力推广，改系统能够对大棚内的温度进行采集，然后再进行比较，通过比较对大棚内的温度是否超过温度限制进行分析，如果超过温度限制，温度报警系统将进行报警，来通知管理人员大棚内的温度超过限制，大棚内的温控系统出现故障，从而有利于农作物的生长，提高产量。本系统最大的优点是在一台电脑上可以监测到多个大棚内的温度情况，从而进行控制。该系统LabVIEW虚拟仪器编程，通过对前面板的设置来显示温室大棚内的温度，并进行报警，进而对大棚内温度进行控制。该系统有单片机，温度传感器，串口通信，和计算机组成。计算机主要是进行编程，对温度进行显示、报警和控制等；温度传感器是对大棚内温度进行测量，显示；单片机是对温度传感器进行编程，去读温度传感器的温度值，并把半温度值通过串口通信送入计算机；串口通信作用是把单片机送来的数据送到计算机里，起到传输作用7。2 电烤箱温度控制系统该方案采用美国TI公司生产的FLASH型超低功耗16位单片机MSP430F123为核心器件，通过热电偶检测系统温度，用集成温度传感器AD590作为温度测量器件利用该芯片内置的比较器完成高精度AD信号采样，根据温度的变化情况，通过单片机编写闭环算法，从而成功地实现了对温度的测量和自动控制功能。其测温范围较低,大概在0-250之间，具有精度高，相应速度快等特点。3 小型热水锅炉温度控制系统该设计解决了北方冬季分散取暖采用人工定时烧水供热，耗煤量大，浪费人力，温度变化大的问题。设计方案硬件方面采用MCS-51系列8031单片机为核心，扩展程序存储器2732，AD590温度检测元件测量环境温度和供水温度，ADC0809进行模数转换，同向驱动器7407、光电耦合器及9103的功放完成对电机的控制。软件方面建立了供暖系统的控制系统数学模型。本系统硬件电路简单,软件程序易于实现。它可用于一台或多台小型取暖热水锅炉的温度控制,可使居室温度基本恒定,节煤,节电,省人力。1.3 本课题的主要任务和工作 本课题主要是完成一种低成本、低价格、功能齐全、及温度测量、温度显示、温度控制于一体的试验电炉单片机温度控制系统的设计。包括硬件电路和主要的软件设计。研究的关键问题是：炉温的精确测量；温度采集器AD590温度控制电路设计；单片机与A/D转换电路、显示电路以及软件设计。根据任务要求，本论文主要包括内容：1. 介绍了本课题的背景和意义，调查并综述了当前温度控系统市场的国内外现状，2. 提出了符合设计要求的高精度电炉温度控制系统方案，并阐述了其工作原理。3. 系统硬件电路设计，系统硬件主要包括温度采集系统电路；包含8031单片机，模数转换器ADC0809等芯片的接口电路；通过AD590实现的温度控制采集电路;键盘接口和LED显示电路。4. 系统控制软件设计，主要包括主程序流程图，A/D转换子程序，显示子程序，主程序清单。2 系统总体方案设计2.1系统的主要技术要求（1）温度设定范围为0 150，最小区分温度为1，标定温差小于等于1。（2）用二位十进制数码显示当前温度。（3）能根据设定的温度实现加热。 （4）设计出控制系统电路单元。结合本设计的要求和技术指标，通过对系统大致程序量的估计和系统工作速度的估计，考虑价格因素。选定8031单片机作为系统的主要控制芯片，8位模数转换器AD0809，采用AD509进行温度采集，温度设定范围为0 150，通过温度采集系统，对温度进行采集并作A/D转换，再传输给单片机。以电炉为执行器件，通过单片机程序完成对电炉内温度的控制。2.2总体方案设计及论证根据题目的要求，我们提出了以下的两种方案：方案1：此方案是采用传统的二位模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，采用上下限比较电路将反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定加热或者不加热。由于采用模拟控制方式，系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法使控制精度做得教高，而且不能用数码显示和键盘设定。方案2：采用单片机8031为核心。采用了温度传感器AD590采集温度变化信号，A/D采样芯片ADC0809将其转换成数字信号并通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。比较上述两种方案，方案2明显的改善了方案1的不足及缺点，并具有控制简单、控制温度精度高的特点，因此本设计电路采用方案2。在温控系统中，需要将温度的变化转换为对应的电信号的变化，选用8031单片机为中央处理器，通过温度传感器对电炉内进行温度采集，将采集到的温度信号传输给单片机，再由单片机控制显示器，并比较采集温度与设定温度是否一致，然后驱动电炉的加热循环对电炉内进行处理，从而模拟实现电炉温度控制单元的工作情况。 根据系统设计要求，系统的总体方案结构见图2.1所示。从图中可以看出，系统的硬件电路由有温度传感器、A/D转换、LED显示等部分组成。该系统以8031单片机为核心，由温度测量变换、测量放大、大功率运放、A/D与D/A转换器、输入光电隔离、驱动电路、键盘显示、存储器共同组成。在系统中，温度和时间的设置、温度值及误差显示、控制参数得设置、运行、暂停及复位等功能由键盘及显示电路完成。图2.1 单片机温度控制系统方案原理示意图传感器把测量的烘箱温度信号转换成弱电压信号，经过信号放大电路，送入低通滤波电路，以消除噪音和干扰，滤波后的信号输入到A/D转换器（ADC0809）转换成数字信号输入主机。实现方案的技术路线为：用按钮输入标准温度值，用LED实时显示炉内环境温度，用驱动电路控制完成加热。用汇编语言完成软件编程。2.3 控制电路的选择方案1：采用8031芯片，经济实惠且性能良好，而且它的I/O口也足够本次设计的要求。 方案2：本方案的CPU模块采用2051芯片，其内部有2KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器。但由于系统用到较多的I/O口，因此此芯片资源不够用。 比较这2种方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用方案1。 2.4温度传感器的选择要求对温度和与温度有关的参量进行检测，应考虑用热电阻传感器。按照热电阻的性质可分为半导体热电阻和金属热电阻两大类，前者通常称为热敏电阻，后者称为热电阻。方案1：采用热敏电阻，这种电阻是利用对温度敏感的半导体材料制成，其阻值随温度变化有明显的改变。负温度系数热敏电阻器通常是由锰，钴的氧化物烧制成半导体陶瓷制成。其特点是在工作温度范围内电阻阻值随温度的上升而降低。可满足40 90测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，不适用于检测小于1的信号；而且线性度很差，不能直接用于A/D转换，应该用硬件或软件对其进行线性化补偿。方案2：采用温度传感器铂电阻Pt1000.铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，他能用作工业测温元件，且此元件线性较好。在0 100时最大非线性偏差小于0.5铂热电阻与温度的关系是，Rt=R0(1+At+Bt*t)；其中Rt是温度为t摄氏度时的电阻；R0是温度为0时电阻；t为任意温度值，A、B为温度系数。但其成本太贵，不适合做普通设计。方案3：采用集成温度传感器，如常用的AD590和LM35。AD590是电流型温度传感器。这种器件是以电流作为输出量指示温度，其典型的电流温度敏感度是1A/K.它是二端器件，使用非常方便，作为一种高阻电流源，他不需要严格考虑传输线上的电压信号损失噪声干扰问题，因此特别适合作为远距测量或控制用。另外，AD590也特别适用于多点温度测量系统，而不必考虑选择开关或CMOS多路转换开关所引起的附加电阻造成的误差。由于采用了一种独特的电路结构，并利用最新的薄膜电阻激光微调技术校准，使得AD590具有很高的精度。并且应用电路简单，便于设计。方案选择：选择方案3。理由：电路简单稳定可靠，无需调试，与A/D连接方便。 2.5 A/D转换器的选择模/数转化器是一种将连续的模拟量转化成离散的数字量的一种电路或器件模拟信号转换为数字信号一般需要经过采样保持和量化编码两个过程。针对不同的采样对象，有不同的A/D转换器（ADC）可供选择，其中有通用的也有专用的。有些ADC还包含有其他功能，在选择ADC器件时需要考虑多种因素，除了关键参数、分辨率和转换速度以外，还应考虑其他因素，如静态与动态精度、数据接口类型、控制接口与定时、采样保持性能、基本要求、校准能力、通道数量、功耗、使用环境要求、封装形式以及与软件有关的问题。ADC按功能划分，可分为直接转换和非直接转换两大类，其中非直接转换又有逐次分级转换、积分式转换等类型。A/D转换器在实际应用时，除了要设计适当的采样/保持电路、基准电路和多路模拟开关等电路外，还应根据实际选择的具体芯片进行模拟信号极性转换等的设计。方案1：采用分级式转换器，这种转换器采用两步或多步进行分辨率的闪烁式转换，进而快速地完成“模拟-数字”信号饿转换，同时可以实现较高的分辨率。例如在利用两步分级完成n位转换的过程中，首先完成m位的粗转换，然后使用精度至少为m位的数/模转换器（ADC）将此结果转换达到1/2的精度并且与输入信号比较。对此信号用一个k位转换器（k+m=n）转换，最后将两个输出结果合并。方案2：采用积分型A/D装换器，如ICL7135等。双积分型A/D转换器转换精度高，但是转换速度不太快，若用于温度测量，不能及时地反应当前温度值，而且多数双击分型A/D转换器其输出端多不是而二进制码，而是直接驱动数码管的。所以若直接将其输出端接I/O接口会给软件设计带来极大的不方便。方案3：采用逐次逼近式转换器，对于这种转换方式，通常是用一个比较输入信号与作为基准的n位DAC输出进行比较，并进行n次1位转换。这种方法类似于天平上用二进制砝码称量物质。采用逐次逼近寄存器，输入信号仅与最高位（MSB）比较，确定DAC的最高位（DAC满量程的一半）。确定后结果（0或1）被锁存，同时加到DAC上，以决定DAC的输出（0或1/2）。逐次逼近式A/D转换器，如ADC0809、AD574等，其特点是转换速度快，精度也比较高，输出为二进制码，直接接I/O口，软件设计方便。ADC0809芯片内包含8位模/数转换器、8通道多路转换器与微机控制兼容的控制逻辑。8通道多路转换器能直接连通8个单端输入信号中的任何一个。由于ADC0809设计时考虑到若干种模/数转换技术的优点，所以该芯片非常适合于过程控制、微控制器输入通道的结合口电路、智能仪器和机床控制等应用场合，并且价格低廉，降低设计成本。方案选择：选择方案3。理由：用ADC0809采样速度快，配合温度传感器应用方便，价格低廉，降低设计成本。2.6 数字显示方式的选择通常用的LED显示器有7段或8段“米”字段之分。这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的工作原理也一样。方案1：采用静态显示方式。在这种方式下，各位LED显示器的共阳极（或共阴极）连接在一起并接地（或电源正），每位的段选线分别与一8位的锁存器输出相连，各个LED的显示字符一旦确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止，正因为如此静态显示器的亮度都较高。若用I/O口接口，这需要占用N*8位I/O口（LED显示器的个数N）。这样的话，如果显示器的个数较多，那使用的I/O接口就更多，因此在显示位数较多的情况下，一般都不用静态显示。方案2：采用动态显示方式。当多位LED显示时通常将所有位的段选线相应的并联在一起，由一个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用。而各位的共阳极或共阴极分别有相应的I/O口线控制，实现各位的分时选通。其中段选线占用一个8位I/O口，而位选线占用N个I/O口（N为LED显示器的个数）。由于各位的段选线并联，段码的输出对各位来说都是相同的，因此，同一时刻，如果各位选线都处于选通状态的话，那LED显示器将显示相同的字符。若要各位LED能显示出与本为相同的字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字符的段码。这种显示方式占用的I/O口个数为8+N（N为LED显示器的个数），相对静态显示少了很多，但需要占用大量的CPU资源，当CPU处理别的事情时，显示可能出现闪烁或者不显示的情况。方案3：采用移位寄存器扩展I/O口，只需要占用3个I/O口即数据（DATA）、时钟（CLOCK）、输出使能（OUTPUT ENABLE）,从理论上讲就可以无限制地扩展I/O口，而且显示数据为静态显示，几乎不占用CPU资源。采用扩展口后，又能采用静态显示，这样，既解决了静态显示占用I/O口多的问题，也解决了动态显示不稳定、容易闪烁、占用CPU资源过多的问题。方案选择：选择方案3。理由：非常节约I/O口，又有静态显示的特点，亮度高，节约CPU的使用率。2.7 键盘输入方案的确定常用的键盘接口分为独立式按键接口和矩阵式键盘接口。方案1：采用4*4矩阵键盘输入，这种接口方式适用于按键数量较由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。矩阵键盘的工作原理是按键设置在行、列交叉点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到+5V上。平时无按键按下时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态由与此电平相连的列线电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平为高。这是识别矩阵键盘是否被按下的关键所在。由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在行和列的电平，因此，各按键彼此将相互发生影响，所以不必将行、列线信号配合起来并作适当处理，才能决定闭合键位置。对于矩阵式键盘，矩阵的键盘由行号和列号唯一决定，所以分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。但这种编码对于不同行的键，离散性大，并且编码的复杂度与键盘的个数成正比，因此不适合在出入量较小的设计中。方案2：采用独立式按键接口。这种方式是各种键盘相互独立。每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了。独立式按键电路配置灵活，软件简单。但每个按键需占用一根输入口线，在按键数量较多时需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。独立式按键电路按键直接与单片机的I/O口线相接，通过读I/O口，判定各I/O口线的电平状态，即可识别出按下的按键。方案选择：选择方案2。理由：减少单片机的I/O口的使用，设计简单。配置灵活，软件简单。虽然每个按键需占用一根输入口线，但该设计所用按键较少。2.8 接口电路的选择 在本设计中我选用8255为接口电路，8255芯片内具有256个字节的RAM，两个8位、一个16位的可编程I/O口和一个14位计数器。它与51型单片机接口简单，是单片机应用系统中广泛使用的芯片。图2.2 带有I/O接口和计时器的静态RAM82558255用作键盘/LED显示器接口电路，当IO/为高电平时，8255选通片内的I/O端口。A,B,C三个口可以作为扩展的I/O口使用，MCS51单片机的PO口与8255的AD0AD7相连。此时P0输出的低8位地址只有3位有效，用于片内选址，其他位无用。使用A,B,C三个口时，首先向命令寄存器写入一个控制字以确定三个口的工作方式。如果写入的控制字规定他们工作于方式或方式下，则这三个口都是独立的基本I/O口。可以直接利用MOVX A,DPTR或MOVX DPTR,A指令完成这三个口的读/写（输入/输出）操作。工作在方式或方式时，C口用作控制口或部分用于控制。MCS51单片机可以和8255直接连接，不需要任何外加电路，给系统增加了256个字节的RAM、22位I/O线及一个计数器。当P2.00且P2.1=0时，选中8255的RAM工作；在P2.0=1和P20=0时，8255选中片内三个I/O端口。相应地址分配为：20000H-00FFH 8255内部RAM 0100H 命令/状态口 0101H A口 0102H B 口 0103H C 口 0104H 定时器低八位口 0105H 定时器高八位口2.9 8031外围扩展设计根据总体方案，采用8031外扩2764作程序存储器；外扩8255用于4位LED显示温度、声光报警和扩展光电隔型DAC产生010mA可调电流控制电动阀；外扩8路8位ADC0809作温度测量和通过3个电位器产生3个可调控制参数；2位BCD码给定拨盘则和8031的P1口相连。完整的硬件电路组成如附录C所示。图中，通过8255的PA口和PC0PC3口扩展4位LED；通过PB口和PC5扩展光电隔型D/A，DAC0832设置为单缓冲方式，VREF=-5V，于是经运算放大器A1后产生05V可调直流电压，再经运算放大器A2在复合三极管T的集电极和+12V电源之间产生010mA可调电流，以便控制电动阀的动作（图中，RW1于调整满量程值，D1用于保护三极管T）；通过总线直接扩展ADC0809，由于仅使用4路，故选择通道的C端直接接地，由于温度传感器是输出电流信号且与绝对温度成正比，故采用电平移动电路及放大电路使运算放大器A3输出电压值与摄氏温度成正比（图中RW2，RW3分别用语温度测量电路的零点调节和满量程调节）；声音报警电路中，蜂鸣器采用长鸣形式，由门电路构成1s振荡器产生的响音；2位BCD码给定拨盘则和8031的P1口直接接口，各位又通过2k电阻接地。由于各扩展芯片用线选发产生片选信号，故他们的接口地址分别为：2764：0000H1FFFH8255：7000H7003HADC0809：B000HB003H2.10 芯片的扩展设计1）程序存储器扩展设计(A) 程序存储器简介常见的EPROM有：2716（容量2K8位）、2732（容量4K8位）、2764（容量8K8位）、27128（容量16K8位）、27256（容量32K8位）、27512（容量64K8位）。EPROM外引脚功能如下：A0A15:地址输入线；O0O7:三态数据总线，读或编程校验时为数据输出线，编程时为数据输入线。维持或编程禁止时O0O7呈高阻抗；CE：片选信号输入线，“0”（即TTL低电平）有效；PGM：编程脉冲输入线;其值因芯片型号和制造厂商不同而异；VPP：编程电源输入线，其值因芯片型号和制造厂商不同而异；OE：读选通信号输入线，“0”有效；VCC：主电源输入线，一般为5V； (B) 扩展方法扩展程序存储器时，一般扩展容量大于256字节，因此，除了由P0口提供低8位地址线外，还需由P2口提供若干地址线，最大的扩展范围位64K字节，即需16位地址线。具体方法是CPU应向EPROM提供三种信号线。即A：数据总线：P0口接EPROM地O0O7(D7D0);B：地址总线：P0口经锁存器向EPROM提供地址低8位，P2口提供高8位地址以及片选线。扩展的程序存储器究竟需要多少位地址线，应根据程序存储器容量和选用的EPROM芯片容量而定。C：控制总线：PSEN片外程序存储器取指令控制信号，接EPROM的“OE”。ALE接锁存器的G。EA接地。2） 数据存储器设计由于算法的需要，在存储器中需要存储24个从A/D片出来的数据，即需要24单元的存储单元。在8031的内部数据存储区低128字节RAM中30H7FH共80个存储单元使用户RAM区，完全可以容纳下24个数据以及其运算过程中的临时数据，故不需要在另外扩展片外数据存储器。我选用的EPROM芯片为2764。连接如图2.3图2.3 2764与8031连接图3 电炉温度控制系统硬件电路设计3.1 温度采集电路温度采集系统主要由AD590、OP-07。ICL8069组成，如图3.1所示 图 3.1 温度采集系统电路选用温度传感器AD590，AD590具有较高精度和重复性（重复性优于0.1，其良好的非线形可以保证优于0.1的测量精度，利用其重复性较好的特点，通过非线形补偿，可以达到0.1测量精度）。超低温漂移高精度运算放大器OP-07将“温度-电压”信号放大。便于A/D进行转换，以提高温度采集电路的可靠性。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0时输出为0，温度25时输出为2.982V。电流输出型的灵敏度为1A/K。这样便于A/D转换器采集数据。3.2 A/D转换电路选用8031作为中央处理器，A/D转换器选用ADC0809，其连接电路如图3.2所示。 图3.2 A/D转换电路图用单片机控制ADC时，多数采用查询和中断控制两种方式。查询法是在单片机把启动命令送到ADC之后，执行别的程序，同时对ADC的状态进行查询，以检查ADC变换是否已经完成，如查询到变换已结束，则读入转换完毕的数据。中断控制是在启动信号送到ADC之后，单片机执行别的程序。当ADC转换结束并向单片机发出中断请求信号时，单片机响应此中断请求，进入中断服务程序，读入转换数据，并进行必要的数据处理，然后返回到原程序。这种方法单片机无需进行转换时间管理，CPU效率高，所以特别适合于变换时间较长的ADC。本设计采用查询方式进行数据收集。由于ADC0809片内无时钟，故运用8051提供的地址锁存使能信号ALE经D触发器二分频后获得时钟。因为ALE信号的频率是单片机时钟频率的1/6，如果时钟频率为6MHz,则ALE信号的频率为1MHz，经二分频后为500kHz，与AD0809时钟频率的典型值吻合。由于AD0809具有三态输出锁存器，故其数据输出引角可直接与单片机的总线相连。地址码引脚ADDAC分别与地址总线的低3位A0、A1、A2相连，以选通IN0IN7中的一个通道。采用单片机的P2.6（地址总线最高位A15）作为A/D的片选信号。并将A/D的ALE和START脚连在一起，以实现在锁存通道地址的同时启动ADC0809转换。启动信号由单片机的写信号和P2.7经或非门而产生。在读取转换结果时，用单片机的读信号和P2.6经或非门加工得到的正脉冲作为OE信号去打开三态输出锁存器。编写的软件按下列顺序动作：令P2.6=A15=0,并用A0、A1、A2的组合指定模拟通道的地址；执行一条输出指令，启动A/D转换；然后根据所选用的是查询、中断、等待延时三种方式之一的条件去执行一条输入指令，读取A/D转换结果。ADC0809是一个8路8位逐次逼近的A/D转换器。AD0809的转换时间为100s。在CPU启动A/D命令后，便执行一个固定的延时程序，延时时间应略大于A/D的转换时间；延时程序一结束，便执行数据读入指令，读取转换结果。我们只用了其一路AD转换，参考电压2.56V，即一位数字量对应10mV即1。所以用起来很方便。ADC0809的IN0和变送器输出端相连，首先输入地址选择信号，在ALE信号作用下，地址信号被锁存，产生译码信号，选中一路模拟量输入。然后输入启动转换控制信号START启动转换。转换结束，数据送三态缓冲锁存器，同时发出EOC信号。在允许输入信号OE的控制下，再将转换结果输入到外部数据总线。3.3 显示电路采用74LS164通过8255与单片机相连，如图3.3所示。进行I/O口扩充，并通过74LS164与LED连接达到显示的目的。74LS164是8位串入并出移位寄存器，当单片机串行口工作在方式0的发送状态时，串行数据由P3.0(RXD)送出，移位时钟由P3.1(TXD)送出。在移位时钟的作用下，串行口发送缓冲器的数据一位一位的移入74LS164中。需要指出的是，由于74LS164无并行输出控制端，因而在串行输入过程中，其输出端的状态会不断的变化，故在某些固定场合。在74LS164的输出端应加接输出三态控制。其传输方式采用串行口方式0的数据传送，可采用中断方式，也可采用查询方式，无论哪种方式，都要借助于TI或RI标志。串行发送时，可以靠TI置位（发完一帧数据后）引起中断申请，在中断服务程序中发送下一帧数据，或者通过查询TI的状态，只要TI为0就继续查询，TI为1就结束查询，发送下一帧数据。在串行接收时，则由RI引起中断或对RI查询来确定何时接收下一帧数据。无论采用什么方式，在开始通讯之前，都要先对控制寄存器SCON进行初始化。在方式0中，将00H送SCON就可以了。 显示采用3位共阳LED静态显示方式，显示方式有温度值的百位、十位及个位，这样就可以只用PA（RXD）口来输出显示数据，从而节省单片机端口资源，在P3.1(TXD)的控制下通过74LS164来实现3位静态显示。就是每一个显示器都占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形代码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销较小。图3.3 显示电路3.4 驱动控制电路光耦合双向可控硅驱动器是一种单片机是输出和双向可控硅之间较理想的接口器件，它由输入和输出两部分组成，输入部分为砷化镓发光二极管，该二极管在5mA15mA正向电流作用下发出足够强度的红外光，触发输出部分。输出部分为硅光敏双向可控硅，在红外线作用下可双向导通。该器件为六引脚双列直插式封装。其电路图如图3.4所示 图3.43.5 键盘电路采用独立式按键设计，如图3.5所示。图 3.5 键盘电路每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。软件设计采用查询方式和外部中断相结合的方法来设计，低电平有效。按键直接与8031的I/O口线相连接。通过读I/O口的电平状态，即可识别出按下的按键。4个按键分别接到P1.6、P1.5、P1.4和RST。对于这种键各程序可以采用中断查询的方法，功能就是：检测是否有键闭合，如有键闭合，则去除键抖动，判断键号并转入相应的键处理。其功能很简单，4个键定义如下。P1.6:S1 功能转换键，按此键则开始键盘控制。P1.5:S2加，按此键则温度设定加1度。P1.4:S3减，按此键则温度设定减1度。P1.4:S4复位键，使系统复位3.6 可控硅控制电路8031对温度的控制是通过双向可控硅实现的。如单片机温度控制系统电路原理图所示，双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50Hz是电回路。在给定周期T内，8031只要改变可控硅管的接通时间即可改变加热丝的功率，以达到调节温度的目的。可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上触发脉冲控制。该触发脉冲由8031用软件在P3.1引脚上产生，在过零同步脉冲同步后经光电耦合管和驱动器输出送到可控硅的控制极上。其电路图及可控硅功输出与通断时间关系图如图3.6所示和图3.6.1所示。图3.6图3.6 可控硅功输出与通断时间关系双向可控硅管和加热丝串联接在交流220V，50Hz交流试点回路。在给定的周期T内，8031只要改