1、1全套，联系 153893706基于单片机的智能温度控制系统设计摘 要：传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。本文将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统。单片机在热处理炉温度控制中的应用，对温度控制模块的组成及主要所选器件进行了详细的介绍。并根据具体的要求本文编写了适合本设计的软件程序。关键词：单片机；处理温度控制；电路Design of Intelligent Temperature Control System Based MCUAbstract：The
2、traditional heating furnace control system is based on some model,it is difficult to guarantee the demand of heating process.Temperature control in the heat treatment process,is a very important link.This paper will adopt fuzzy control fuzzy control algorithm to the control system of heating furnace
3、 in the intelligent fuzzy control system.Single chip microcomputer in heat treatment furnace temperature control applied to the temperature control module,the main components and the selected device are introduced in detail.And according the specific requirements for the design of the paper prepared
4、 by the software program. Keyword：SCM；Temperature control；Circuit21 前言工业生产中使用的热处理设备种类繁多，如窖炉、鼓风炉、烘炉、退火炉、锅炉等。如果按加温方法分类，可将热处理设备分为两大类 1：(1)电热炉 这类设备通过电热元件通电发热而升温，调节加入炉子的电功率则改变炉内的温度。电功率调节一般采用接触器通断控制、晶闸管移相触发或通断控制。这一类设备在工厂占有相当大的比例。(2)燃料炉 这类设备通过燃烧燃料发热而升温，调节加入炉子的燃料量则改变炉的温度。如锅炉、焦炉等。常用燃料有煤、煤气、重油等。燃料量的调节通常利用阀门、翻
5、板等实现。这类设备在工厂中也占有较大比例热处理设备虽然种类繁多，控制方法各有差异，但对他们采用微机控制时，控制原理和方法是基本相同的。电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能,借助辐射与对流的传热方式加热工件。通常可用以下公式定性描述(1) 02tKVXdtT式中 X电炉内温升（指炉内温度与室温温差)K放大系数t加热时间T时间系数V控制电压 0纯滞后时间但在实际热力过程中，由于被加热金属的导热率、装入量以及加热温度等因素的不同，直接影响着 K 、T 、 0等参数的变化，因此电炉本身具有很大的不确定 2。 温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。控
6、制精度直接影响着产品质量的好坏。根据不同的目的，将材料及其制件加热到适宜的温度。1.1 研究目的与意义电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么单片机技术的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。目前，单片机在工业控制系统诸多领域得到了极其广泛的应用。特别是其中的 C51 系列的单片机的出现，3具有更好的稳定性，更快和更准确的运算精度，推动了工业生产，影响着人们的工作和学习。80 年代以来，自动控制系统被控对象日益复杂，它不仅表现在控制系统具有多输入一多输出的强藕合性、参数时变性和严重的非
7、线性特征，更突出的是从系统对象所能获得的知识信息量相对地减少，以及与此相反地对控制性能的要求却日益高度化。然而，正如 Zadeh 教授于 1973 年所指出的:“当一个系统复杂性增大时，人们能使它精确化的能力将降低，当达到一定的闭值时，复杂性和精确性将相互排斥”(即“不相容原理”)。也就是说，在多变量、非线性、时变的大系统中，要想精确地描述复杂对象与系统的任何物理现象和运动状态，实际上是不可能的。关键的是如何使准确和简明之间取得平衡，而使问题的描述具有意义。1.2 研究内容研究内容主要分为：研究单片机智能温度控制的工作原理。单片机智能温度控制系统整体方案设计，对系统各个组成部分进行详细设计。选
8、择适当的单片机等应用元件。分析所选元件的特性，以满足温度系统的要求。2 系统硬件电路设计 电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，其本身是一个较为复杂的被控对象，虽然可用以下模型定性描述它1TsKeGs(2) 式中 K 放大系数T 时间系数纯滞后时间但在实际热力过程中，由于实际工况的复杂性(加工工件的材质、初温、升温、幅度规格、装炉量以及电气环境等因素)，使得上述数学模型偏离实际情况相当严重，本文将在具有在线自调整功能模糊自整定 PID 控制器基础上设计一个炉温控制系统，以期较理想地解决被加热物件透烧过程的测量与控制。2.1 系统的总体结构控制系统组成框图如图 2 所示。4图 2 电炉温度控制系
9、统Fig 2 Electric furnace temperature control system2.2 温度检测电路温度检测是温度控制系统的一个重要的环节，直接关系到系统性能。在微机温度控制系统中，温度的检测不仅要完成温度到模拟电压量的转换，还要将电压转换为数值量送计算机。其一般结构如图 10 所示。图 3 温度数字检测的一般结构Fig 3 General structure of digital temperature detection2.2.1 温度传感器温度传感器将测温点的温度变换为模拟电压，其值一般为 mV 级，需要放大为满足模/数转换要求的电压值。微机通过控制把电路电压送到模/
10、数转换器进行模/数转换，得到表示温度的电压数字量，再用软件进行标度变换与误差补偿，得到测温点的实际温度值。温度传感器种类繁多，但在微机温度控制系统中使用得传感器，必须是能够将非电量变换成电量得传感器，此次设计中选用的是热电偶传感器，热电偶传感器是工业温度测量中应用最广泛得一种传感器，具有精确度高、测量范围广、构造简单、使用方便等优 7。热电偶是由两种不同材料得导体 A 和 B 连接在一起构成得感温元件，如图 4 所示。A 和 B 得两个接点 1 和 2 之间穿在温度差时，回路中便产生电动势，形成一5定大小得电流，这种现象称为热电效应，也叫温差效应。热电偶就是利用这个原理测量 温度的 5。图 4
11、 热电偶测温原理图Fig 4 Schematic diagram of the thermocouple temperature measurement2.2.2 测量放大器的组成测量放大器的基本电路如图 5 所示。图 5 测量放大器的原理图Fig 5 Schematic diagram of measuring amplifier测量放大器由三个运算放大器组成，其中 A1、A 2两个同相放大器组成前级，为对称结构，输入信号加在 A1、A 2的同相输入端从而具有高抑止共模干扰的能力和高输入阻抗。差动放大器 A3为后级,它不仅切断共模干扰的传输,还将双端输入方式变换成单端输出方式,适应对地负载的
12、需要。测量放大器的放大倍数用下面公式计算(3) GI RUG1230式中， 为用于调节放大倍数的外接电阻，通常 采用多圈电位器，并靠近组R件，若距离较远，应将联线胶合在一起，改变 可使放大倍数在 11000 范围内调节。G2.2.3 热电偶冷端温度补偿方法用热电偶测量温度时，热电偶的工作端（热端）被放置在待测温场中，而自由端（冷端）通常被放在 0的环境中。若冷端温度不是 0，则会产生测量误差，此时要6进行冷端补偿。冷端补偿方法较多，在本次的设计中我们采用的冷端温度补偿为电桥式冷端补 8。对与冷端温度补偿器，在工业上采用如图 6 所示补偿电桥的冷端补偿电路。图 6 热电偶冷端温度补偿电桥Fig
13、6 Thermocouple cold end temperature compensation bridge图中所示的补偿电桥桥臂电阻 R1、R 2、R 3和 RCu通常与热电偶的冷端置于相同的环境中。取 ，用锰铜线绕成；R Cu是用铜导线绕制成的补偿电阻。R S是1321R供桥电源 E 的限流电阻，R S由热电偶的类型决定。若电桥在 20时处于平衡状态。当冷端温度升高时，R Cu补偿电阻将随之增大，则电桥 a、b 两点间的电压 Vab也增大，此时热电偶温差电势却随冷端温度升高而降如果 Vab的增加量等于热电偶温差电势的减小量，则热电偶输出电势 VAB 的大小将保持不变，从而达到冷端补偿的目
14、 9。2.3 多路开关的选择在本次的设计中，我们的温度传感器有 5 个，因此，我们采用了一种 16 的多路开关，以实现对 5 个温度传感器的巡回检测。CC4067 是单片. CMOS.16 通道.模拟多路转换器。该电路包括 16 选 1 的译码器和译码器的输出分别控制的 16 个 CMOS 双向开关，通道的输出状态由电路外部输入的地址 A.B.C.D 所决定。CC4067 可用模拟信号或数字信号去控制模拟开关的接通或断开，具有低的导通电阻和高的断开电阻，所控制的模拟信号最大峰值为 15V，而数字信号的幅度 3V-5V .CC4067 芯片具有禁止端 inh。当禁止时，inh=1，这时所有的双向
15、开关均不接通，在公共端呈现高阻抗。(1)主要性能CMOS 工艺制造；直接驱动 DTL/TTL/CMOS 电平；单路、16 选 1 模拟多路转换器；具有双向转换功能；单电源供电；标准 24 引脚 DIP 封装；功耗：1.5mW；开关接通电阻：180 欧（typ）;开关接通时间：1.5us(max);开关断开时间：1us(max).7(2)CC4067 引脚图示与图 7。 243109865VdinhCDOUT/INABsOUT图 7 CC4067 引脚图Fig 7 The CC4067 pin diagram(3)CC4067 功能框图如图 8 所示。图 8 CC4067 功能框图Fig 8 T
16、he CC4067 function block diagram2.4 A/D 转换器的选择及连接5G14433 是我国制造的 31/2 位模/数变换器，是目前市场上广泛流行的最典型的双积分模/数变换器。该芯片具有抗干扰性能好、转换精度高、自动校零、自动极性输出、自动量程控制信号输出、外接元件少、价格便宜等特点。因此广泛应用在低速微控制器应用系统，智能仪表和数字三用表等领域。5G14433 与国外型号 MC14433 兼 10。5G14433 的外部连接电路，尽管 5G14433 外部连接元件很少，但为使其工作于最佳状态，也必须注意外部电路的连接和外接元件的选择，其实际连接电路如图 9 所示。
17、为了提高电源抗干扰的能力，正，负电源分别通过去耦电容 0.047uF、0.02uF 与Vss（VAG）相连。图中 DU 端和 EOC 端短接，以选择连续转换方式，使每一次转换的结果都输出。8图 9 外部连接电路Fig 9 The external connection circuit当 C1=0.1uF，VDD=5V，fCLK=66KHz 时，若 Vxmax=+2V，则 R1=480K；若Vxmax=+200mV，则 R1=28K。外接失调补偿电容固定为 0.1uF。外接时钟电阻Rc=470K 时，fLCK66KHz;当 Rc=200K 时，fLCK=140KHz。实际电路中一般取Rc=300
18、K。2.5 单片机系统的扩展2.5.1 系统扩展概述MCS51 系列单片机的功能较强，从一定意义上说，一块单片机就相当于一台单片机的功能。这就使得在智能仪器、仪表、小型检测及控制系统、家用电器中可直接应用单片机而不必再扩展外围芯片，使用极为方便。但对于一些较大的应用系统来说，单片机片内所具有的功能将显得不足，这时就必须在片外连接一些外围芯片。这些外围芯片，既可能是存储器芯片，也可能是输入/输出接口芯片。系统的扩展一般有以下几方面的内容：(1)外部程序存储器的扩展；(2)外部数据存储器的扩展；(3)输入/输出接口的扩展；管理功能器件的扩展（如定时/计数器、键盘/显示器、中断优先编码等） 。2.5
19、.2 常用扩展器件简介9(1)总线驱动器 74LS244总线驱动器 74LS244 经常用作三态数据缓冲器，74LS244 为单向三态数据缓冲器，而 74LS244 为双向三态数据缓冲器。单向的内部有 8 个三态驱动器，分成两组，分别由控制端 1G 和 2G 控制；双向的有 16 个三态驱动器，每个方向 8 个。在控制端 G 有效时（G 为低电平） ，由 DIR 端控制驱动方向；DIR 为“1”时方向从左到右（输出允许） ，DIR 为“0”时方向从右到左（输入允许） 。74LS244 的引脚如图 10 所示。图 10 74LS244 的引脚Fig 10 74LS244 pin(2)地址锁存器
20、74LS37374LS373 是一种带输出三态门的 8D 锁存器，其结构示意图如图 11 所示。图 11 74LS373 的结构图Fig 11 The 74LS373 structure diagram其中：1D8D 为 8 个输入端。1Q8Q 为 8 个输出端。G 为数据打入端:当 G 为 1 时,锁存器输出端状态(1Q8Q)同输入状态(1D8D)；当 G 由 1 变 0 时,数据打入锁存器中。OE 为输出允许端;当 OE0 时,三态门打开;当 OE1 时,三态门关闭,输出呈高阻。在 MCS51 单片机系统中,经常采用 74LS373 作为地址锁存器使用,其连接方法如图 3-11 所示。其中
21、输入端接至单片机的口，输出端提供的是地址的低位，端接至单片机的地址锁存器信号。输出允许端 OE 接地表示输出三态门一直打开。10图 12 74LS373 的结构图Fig 12 The 74LS373 structure diagram2.6 存储器的扩展2.6.1 只读存储器简介半导体存储器分为随机存取存储器（Random Access Memory）和只读存储器（Read Only Memory）两大类，前者主要用于存放数据，后者主要用于存放程序。只读存储器的特点是信息一旦写入之后就不能随意跟更改，特别是不能在程序运行过程中写入新的内容，而只能读出其中的内容，故称之为只读存储器；只读存储器的
22、另一个特点是断电以后信息不会消失，能够长久保存。只读存储器是由 MOS 管阵列构成的，以 MOS 管的接通或断开来存储二进制信息。按照程序要求确定 ROM 存储阵列中各 MOS 管状态的过程叫做 ROM 编程。EPROM2764 简介2764 的引脚自从 EPROM276 芯片被逐渐淘汰后，目前比较广泛采用的是 2764 芯片为双列直插式 28 引脚的标准芯片，容量为 8K8 位，其管角如图 13 所示。图 13 2764 的引脚11Fig 13 2764 pin其中：A12A0：13 位地址线。D7D0：8 位数据线。CE：片选信号，低电平有效。OE：输出允许信号，当 OE=0 时，输出缓冲
23、器打开，被寻址单元的内容才能被卖出。Vpp：编程电源，当芯片编程时，该端加上编程电压（+25V 或+12V） ；正常使用时，该端加+5V 电源。 （NC 为不用的管脚） 。2764 的工作时序2764 在使用时，只能将其所储存的内容读出，其过程与 RAM 的读出十分类似。即首先送出要读出的单元地址，然后使 CE 和 OE 均有效（低电平） ，则在芯片的 D0D7数据线上就可以输出要读出的内容。其过程的时序关系如图 14 所示图 14 2764 的工作时序Fig 14 2764 the work sequenceEPROM 的一个重要特点就是在于它可以反复擦除，即在其存储的内容擦除后可通过编程（
24、重新）写入新的内容。这就是用户调试和修改程序带来很大的方便。EPROM 的编程过程如下：(1)擦除：如果 EPROM 芯片是第一次使用的新芯片，则它是干净的。干净的标志通常是一个存储单元的内容都是 FFH。若芯片是使用过的，则它需要利用紫外线照射其窗口，以便将其内容擦除干净。一般照射击 1520min 即可擦除干净。(2)编程：EPROM 的编程有两种方式：标准编程和灵巧编程。标谁编程的过程为：将 Vcc 接+5V 电源，Vpp 接+21V 电源（注意：不同厂家的芯片其编程电压 Vpp 是不一样的） ，然后输入需编程的单元地址，在数据线上加上要写入的数据，使 CE 保持低电平，OE 为高电平。
25、当上述信号稳定后，在 PGM 端加上 505ms 的负脉冲。这样就将 1 个字节的数居写到了相应的地址单元中。重复上述过程，即可将要写入编程过程。标准编程中，每写入 1 个字节需要 50ms 左右的时间，对于 2764 来说共需 78 分钟时间。而且芯片容量愈大，所需的时间就愈多。另一方面，编程脉冲愈宽，芯片功12耗愈大，芯片愈容易损坏。这此，人们提出了另一个编程方式灵巧编程。 112764 与单片机的连接图如图 15 示。图 15 2764 与单片机的连接图Fig 15 2764 and the SCM connection diagram2.6.2 数据存储器概述数据存储器即随机存取存储器
26、（Random Access Memory） ，简称 RAM，用于存放可随时修改的数据信息。它与 ROM 不同，对 RAM 可以进行读、写两种操作。RAM 为易失性存储器，断电后所存信息立即消失。按半导体工艺，RAM 分为 MOS 型和双极型两种。MOS 型集成度高、功耗低、价格便宜，但速度较慢。双极型的特点恰好相反。在单片机系统中多数采用 MOS 型数据存储器，使得输入输出信号能与 TTL 相兼容，扩展后的信号连接也很方便。按工作方式，RAM 分为静态（SRAM）和动态（DRAM）两种。静态 RAM 只要电源加上，所存信息就能可靠保存。而动态 RAM 使用的是动态存储单元，需要不断进行刷新以
27、便周期性地再生，才能保存信息。动态 RAM 的集成密度大，如集成同样的位容量，那么动态 RAM 所占芯片面积只是静态 RAM 的四分之一。此外动态 RAM 的功耗低，价格便宜。由于动态存储器要增加刷新电路，因此只适用于较大的系统，而在单片机系统中则很少使用。2.6.3 静态 RAM6264 简介6264 是 8K8 位的静态数据存储器芯片，采用 CMOS 工艺制造，为 28 引脚双列直插式封装，其引脚图如图 16 所示。13A0-12I/O7CEW地 址 线双 向 数 据 线片 选 线片 选 线写 允 许 线读 允 许 线 2835694NGDVCWEA1O0I/7图 16 RAM6264 引
28、脚图Fig 16 The RAM6264 pin diagram需要说明的是，6264 有两个片选信号 CE1 和 CE2，只有当 CE10，CE21 时，芯片才被选中。在实际应用中，往往只用其中 1 个，而将另一个接成常有效；也可以将系统片选信号以及取反后的信号分别接至 CE1 和 CE2 端。2.6.4 数据存储器扩展举例数据存储器的扩展与程序存储器的扩展相类似，不同之处主要在与控制信号的接法不一样，不用 PSEN 信号，而用 RD 和 WR 信号，且直接与数据存储器的 OE 端和 WE 端相连即可。图 17 为外扩 1 片 6264 的连接图。采用线选法，将片选信号 CE1 与 P2.7
29、 相连，片选信号 CE2 与 P2.6 相连。其地址译码关系为：A15 A14 A13 A12 A11 A100 1 所占用的地址为:第一组 4000H5FFFH (A130) 第二组 6000H7FFFH (A131)14图 17 扩展一片 RAM6264 的连接图Fig 17 The extension of a RAM6264 connected graph2.7 单片机 I/O 口的扩展（8155 扩展芯片）2.7.1 8155 的结构和引脚Intel 8155 是一种多功能的可编程的可编程接口芯片，它具有 3 个可编程 I/O（A口和 B 口是 8 位，C 口是 6 位） 、1 个可
30、编程定时器/计数器和 256B 的 RAM，能方便地进行 I/O 扩展和 RAM 扩展，其组成框图及引脚如图 18 所示。图 18 8155 引脚和结构图Fig 18 8155 pin and structure diagram8155 为 40 脚双列直插式封装，其引脚的功能及特点说明如下：RESET：复位端，高电平有效。当 RESET 端加入 5us 左右宽的正脉冲时，8155 初始化复位。把 A 口、B 口、C 口均初始化为输入方式。AD0AD7：三态地址数据总线。采用时方法区分地址及数据信息。通常与 MCS-51单片机的 P0 口相连。其地址码可以是 8155 中 RAM 单元地址或
31、I/O 地址。地址信息由ALE 的下降沿锁存到 8155 的地址锁存器中，与 RD 和 WR 信号配合输入或输出数据。CE：片选信号端，低电平有效。它与地址信息一起由 ALE 信号的下降沿锁到 8155的锁存器中。 IO/M：RAM 和 I/O 接口选择端。IO/M=0 时，选中 8155 的片内 RAM，AD0AD7 为15RAM 地址（00HFFH） ；IO/M=1 时，选中 8155 片内 3 个 I/O 接口以及命令/状态寄存器和定时器/计数器。AD0AD7 为 I/O 接口地址，见下表 1。表 1 8155 口地址分配Table 1 8155 address allocationAD
32、7-AD0A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0选中的寄存器X x x x x 0 0 0X x x x x 0 0 1X x x x x 0 1 0X x x x x 0 1 1X x x x x 1 0 0X x x x x 1 0 1 命令/状态寄存器A 口（PA0-PA7）B 口（PB0-PB7）C 口（PC0-PC7）定时器/计数器低 B 位寄存器定时器/计数器高 B 位寄存器及工作方式 2位RD：读选通信号端。低电平有效。当 CE=0、RD=0 时，将 8155 片内 RAM 单元或 I/O接口的内容传送到 AD0AD7 总线上。WR：写选通信号端，低电平有效。当 CE=0
33、、WR=0 时，将 CPU 输出送到 AD0AD7总线上的信息写到片内 RAM 单元或 I/O 借口中。ALE：地址锁存允许信号端。ALE 信号的下降沿将 AD0AD7 总线上的地址信息和CE 及 IO/M 的状态信息都锁存到 8155 内部锁存器中。PA7PA0：A 口通用输入/输出线。它由命令寄存器中的控制字来决定输入/输出。PA7PB0：B 口通用输入/输出线。它由命令寄存器中的控制字来决定输入/输出。PC5PC0：可用编程的方法来决定 C 口作为通用输入/输出线或作 A 口、B 口数据传送的控制应答联络线。TIME IN：定时器/计数器脉冲输入端。TIME OUT：定时器/计数器矩形脉
34、冲或方波输出端（取决于工作方式） 。Vcc：+5 电源端。Vss：接地端。2.7.2 8155 的控制字的及其工作方式命令/状态字的格式及功能8155 的 I/O 接口的工作方式选择是通过 对 8155 内部寄存器送命令来实现的，命16令寄存器由 8 位锁存器组成，只能写入、不能读出。命令字每位的定义如下所示：AINTR：A 口中断请求信号ABF：B 口缓冲器信号ASTB：A 口选通信号BINTR：B 口中断请求信号BBF：B 口缓冲满信号BSTB：B 口选通信号8155 的状态寄存器口地址和命令寄存器相同。与控制字相反，状态字寄存器只能读出、不能写入，其格式及定义如图 19，20 所示：图
35、19 8155 状态字格式Fig 19 8155 status word format17图 20 8155 状态字定义Fig 20 8155 status word definition2.7.3 8155 与 8031 的连接如图 21 所示为 8155 与 8031 的连接图 21 8155 与 8031 的连接Fig 21 8155 and 8031 connection182.8 看门狗、报警、复位和时钟电路的设计2.8.1 看门狗电路的设计为提高系统的可靠性,由硬件的 “看门狗” 。由 NE555 定时器构成的看门狗电路如图 22 所示 R3、C 6为定时元件，由单稳态电路产生的正
36、脉冲宽度为 ，usCRtW123.63C5用于滤除高频干扰。下面分析看门狗电路的工作原理：(1)当系统工作正常时，看门狗电路不起作用。(2)当系统运行不正常时，8031 不能给定时器送去触发脉冲，NE555 中的单稳态触发器就输出脉宽大于 4us 的负脉冲，经 F6 反相后加至 80C31 的复位端，使系统能可靠地复位，迅速恢复正常运行状态。图 22 看门狗电路Fig 22 The watchdog circuit2.8.2 报警电路的设计当温度过大地超了给定的温度时，系统就会发出报警信号。在这方面的设计中我们采用了如图 23 所示的报警电路。其工作原理是：温度过高时，单片机就从 P1.5 口
37、发出一个低电平信号，经反向后使发光二极管发光，同时使蜂鸣器发音，从而达到报警的日的。19图 23 报警电路Fig 23 Alarm circuit2.8.3 复位电路的设计在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。所以，系统的复位电路必须准确、可靠地工作。另外，单片机的复位状态与应用系统的复位状态又是密切相关的，因此，必须熟悉单片机的复位状态。(1)复位单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的 RST引脚上出现 24 个时钟振荡脉冲（2 个机器周期）以上的高电平，单片机
38、便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使 RST 引脚保持10ms 以上的高电平。只要 RST 保持高电平，则 MCS-51 单片机就循环复位。单片机的复位状态要注意以下几点：复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把 PC 初始化为 0000H，使单片机从 0000H 单元开始执行。复位操作除了把 PC 初始化为 0000H 之外，还对一些特殊功能寄存器（专用寄存器）有影响，它们的复位状态见表 2。复位操作还对单片机的个别引脚信号有影响，例如把 ALE 和 PSEN 信号变为无效状态，即 ALE=0,PSEN=1。但复位不影响单片机内部的 RAM 状态。20表
39、 2 单片机的复位状态Table 2 MCU reset state专用寄存器 复位状态 专用寄存器 复位状态PC 0000H TMOD 00HACC 00H TCON 00HB 00H TL0 00HPSW 00H TH0 00HSP 07H TL1 00HDPTR 000H0 TH1 00HP0P3 FFH SCON 00HIP 000000B SBUF 不定IE 0000000B PCON 00000B(2)复位电路从以上的叙述中，我们已经清楚复位电路的设计原理：在单片机的 RST 引脚上出现 24 个时钟振荡脉冲（2 个机器周期）以上的高电平（为了保证应用系统可靠地复位，通常使 RST
40、 引脚保持 10ms 以上的高电平） 。根据这个原则，采用的电路是：按键电平复位，如图 24 所示，按键电平复位是通过使复位端经电阻与 Vcc 电源接通而实现的。图 24 复位电路Fig 24 Reset circuit2.8.4 时钟电路的设计时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。而时序所研究的则是指令执行中各信号之间的相互时间关系。(1)时钟电路在介绍单片机引脚时，我们已经叙述过有关振荡器的概念。振荡电路产生的振荡脉冲，并不是时钟脉冲。这二者既有联系又有区别。在由多片单
41、片机组成的系统中，21为了各单片机之间时钟信号的同步，还引人公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。(2)时钟信号的产生XTAL1（19 脚）是按外部晶体管的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。输出端为引脚 XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚接晶体震荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激震荡器。我们可以用示波器测出 XTAL2 上的波形。电路中的 C1 和 C2 一般取 30PF 左右而晶体震荡器的频率范围通常是 1.212 MHZ，晶体震荡器的频率越高，振荡频率就越高。振荡电路产生的振荡脉冲并不是时钟信号，而是经过二分频后才作为系统达
42、到时钟信号。如图 25 所示。在二分频的基础上再三分频产生 ALE 信号在二分频的基础上再六分频得到机器周期信号。本次设计中我们采用了 6MHZ 的晶体震荡器。图 25 时钟电路图Fig 25 Clock circuit diagram2.9 键盘与显示电路的设计2.9.1 LED 数码显示器的接口电路实际使用的 LED 数码显示器位数较多,为了简化线路、降低成本，大多采用以软件为主的接口方法。对于多位 LED 数码显示器，通常采用动态扫描显示方法，即逐个地循环地点亮各位显示 12。这样虽然在任一时刻只有 1 位显示器被点亮，但是由于人眼具有视觉残留效应，看起来与全部显示器持续点亮的效果基本一
43、样（在亮度上要有差别） 。为了实现 LED 显示器的动态扫描显示，除了要给显示器提供显示段码之外，还要对显示器进行位的控制，即通常所说的“位控” 。因此对于多位 LED 数码显示器的接口电路来说，需要有两个输出口，其中一个用于输出显示段码；另一个用于输出位控信号， “位控”实际上就是对 LED 显示器的公共端进行控制，位控信号的数目与显示器的位数相同。22图 25 6 位 LED 数码显示器接口的电路Fig 25 6 LED digital display interface circuit图 25 是使用 8155 作为 6 位 LED 数码显示器接口的电路，其中 8155 的 A 口为输出
44、口（段控口） ，用以输出 8 位显示段码（包括小数点） 。考虑到 LED 显示器的段电流为8mA 左右，不能用 8155 的 A 口直接驱动，因此要加 1 级电流驱动。电流驱动即可以用反相的，也可以用相同的。反相电流驱动器经常使用 7406；同相电流驱动器则采用7407 或 74LS244。 （注意：使用 OC 门 7406 或 7407 时要加上拉电阻）C 口作为输出口（位控口） ，以 PC0PC5 输出位控信号。由于位控信号控制的是LED 显示器的公共端，驱动电流较大，8 段全亮时需要 4060mA。因此必须在 C 口与LED 的位控线之间增加电流驱动器以提高驱动能力，常用的有 SN754
45、52（反相） 、7406（反相）或 7407（同相）等。2.9.2 键盘接口电路对于 8751 或 8051 型单片机来说，如果不再外扩程序存储器的话，则可以利用P0P2 口中的任意两个口构成多打 8*8 的键盘，其中 1 个作为输出口，1 个作为输入口，既可以采用扫描法，也可以采用线反转法。如果单片机本身的口线已被占用的话，则可以通过外扩 I/O 接口芯片来构成键盘借口电路，较常用的是 8155、8255A 等接口芯片，图 26 是采用 8155 接口芯片构成 2*6键盘的接口电路，其中 B 口为输入，作为行线；C 口为输出，作为列线。23图 27 采用 8155 接口芯片构成 2*6 键盘
46、的接口电路Fig 27 Using 8155 interface chip 2*6 keyboard interface circuit在本次的毕业设计中我们的显示与键盘的设计如图 28。其中显示器 5 个按键 10 个。图 28 显示与键盘的设计图Fig 28 Display and keyboard design显示器可显示通道、温度、升降温速率、恒温时间这几项功能。10 个按键盘分别为 SET：恒温设置键；SETUP：升温速率设置键；SETDN；降温速率设置键；SETTM：恒温时设置键盘；CHN：通道选择键；SUM：增一键；RL：右移键，ENTER：回车键盘；DTS：显示键。2.10 D
47、AC7521 数模转换接口 数模转换电路的主要任务是:将模糊自整定 PID 控制器输出的数字量转换成可控硅过零触发电路所需的模拟控制量。本系统采用的触发芯片 TL494 的触发电压需调至010V，移相范围 0170，故每度所需的移相电压 mVVUP82.5170控制 0.1所需移相电压增量为 5.882 mV。这里采用 12 位 DAC7521 作为数模转换器，其满度输出 10 V，输出电流经运放 OP07 变成电压，分辨率为LSB4.21024每个量化单位可控制的移相角设为 x，则 0.10/5.882= x/2.44，即04.82.541.0x可见控制器的控制平滑度和精度，都有较大的余量。
48、D/A 转换器的接口逻辑如图29 所示。图 29 数模转换接口电路Fig 29 D/d conversion interface circuitDAC7521 从 8031 的 8 位数据线上获取 12 位的数据必须分两次进行。为了防止 D/A转换书输出会有“毛刺”现象，这里采用了两级缓冲器结构。即 8031 先把低 8 位送入第一级缓冲器，然后再送高 4 位数据时，同时选通第二级的两片 74LS373 构成的第一级缓冲器，使 12 位数据同时出现在 DAC7521 的数据输出线上，进行 D/A 转换。D/A 输出的电流经 OP07 反相后变为 010V 的电压信号。2.11 隔离放大器的设计
49、电子电路抗干扰设计的有效方法是利用光电隔离。但是，由于光电隔离器件的电流传输系数是非线性的，直接用来传输模拟量时，非线性失真较大、精度差，我们利用光电耦合器件与运算放大器结合设计一个线性度较好的模拟量光隔离放大器电 13。如图 30 所示。图 30 光电隔离放大器Fig 30 Photoelectric isolation amplifier 25其中，G 1,G2是两个性能、规格相同(同一封装)的光电耦合器，G 1,G2的初级串连，并用同一偏置电流 I1激励，设 G1和 G2的电流传输系数分别为 a2和 a2，则， 2I123I则集成运放 A4 具有理想性能，则62RIUi而输出电压 U0为为 跟 随 器5730AI因此，电路的电压增
