智能PID控制在电阻加热炉温控系统中的应用

1、淮 海 工 学 院毕业设计(论文)说明书题 目： 智能PID控制在电阻加热炉温控 系统中的应用 作 者： 刘 春 学 号：0302101410系 (院)： 电 子 工 程 系 专业班级：电 子 信 息 工 程 024班 指导者： 李 惠 君 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 年 月 连 云 港毕业设计（论文）中文摘要智能PID控制在电阻加热炉温控系统中的应用摘 要：工业控制过程中，由于PID控制器结构简单，特性良好，广泛应用于不同领域，尤其是在过程控制中参数固定，非线性现象不是很严重的情况下，更受工程技术人员的欢迎。在参数变化大的时候，PID控制器也难以收到良

2、好的控制效果。这往往需要在参数估计的基础上，对PID控制器的参数进行调整。本文的研究对象是电阻炉。炉温控制的特点是：升温单向控制、滞后较大且具有参数时变性。PID控制参数的选取全凭经验以及边调边看效果来选取，误差和超调量较大。所以，为了适应参数确定的复杂性，我们将单片机控制的实时性与常规PID控制器各自的特点结合起来，构成一种新型的自适应控制器。这种控制器所具有的自动在线修正PID控制参数的能力，使电阻炉具有更好的适应性和动态品质。关键词：PID控制器 自适应控制器 单片机 电阻炉毕业设计（论文）外文摘要Smart PID control in electric resistance heat

3、ing furnace temperature control System applicationsAbstract: In industrial process control, as PID controller structure simple and good character, is widely used in different areas, particularly in the process control of parameters fixed, nonlinear phenomenon is not very serious cases, even by engin

4、eers welcome. Great changes in the parameters of time, PID controller hardly received good control results. This often requires on the basis of parameters estimated, adjusted PID controllers parameters .This research is resistance furnace. The features of resistance furnace temperature control : war

5、ming unidirectional control, there are lagging behind larger and degenerative parameters. PID control parameters selected on the basis of experience and operating results for all selected, error and ultra-large volumes. Therefore, in order to adapt to the complexity of defining the parameters .we co

6、mbined singlechip real-time control and Conventional PID controller respective characteristics , Constitute a new type of adaptive signal controllers. Such controls have capacity of automatic online amended PID control parameters, for resistance furnace with better quality and dynamic adaptability.K

7、eywords: PID controller；adaptive controller；Singlechip；resistance furnace 目 录1 引言12 电阻炉温度控制的改进22.1 二位式控制22.2 时间比例控制22.3 比例、积分、微分(PID)控制23 单片机概述34 MCS51单片机硬件结构44.1 单片机系统结构44.2 MCS-51单片机的内部存储器44.3 MSC-51单片机中央处理器54.4 MCS-51单片机系统的存储器结构特点54.5 MCS-51单片机并行输入/输出口电路54.6 MCS-51单片机时钟电路与时序64.7 MCS51单片机的分类65 电炉温

8、阻度控制原理76 设计所用单片机介绍76.1 8031单片机76.2 A/D转换0809116.3 EPROM 2732146.4 接口芯片8155157 硬件电路介绍167.1 热电偶变送电路177.2 8155显示电路177.3 8155外部RAM扩展电路187.4 温度控制部分187.5 看门狗电路197.5.1 X25045芯片简介197.5.2 X25045看门狗电路设计及编程207.6 系统硬件电路图218 软件设计228.1 温度控制算法228.2 温度控制程序框图278.2.1 主程序框图278.2.2 中断服务程序框图298.2.3 主要子服务程序框图32结 论44致 谢46

9、参 考 文 献47淮海工学院二六届毕业设计（论文） 第49页 共49页1 引言目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器传感器变送器执行机构输入输出接口。控制器的输出经过输出接口执行机构加到被控系统上控制系统的被控量经过传感器变送器通过输入接口送到控制器。不同的控制系统其传感器变送器执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其

10、控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。PID控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。在控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程控制领域仍有近90的回路在应用PID控制策略。PID控制中一个关键的问题便是PID参数的整定

11、。但是在实际的应用中，许多被控过程机理复杂，具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点。在噪声、负载扰动等因素的影响下，过程参数甚至模型结构均会随时间和工作环境的变化而变化。这就要求在PID控制中，不仅PID参数的整定不依赖于对象数学模型，并且PID参数能够在线调整，以满足实时控制的要求。智能控制是一门新兴的理论和技术，它是传统控制发展的高级阶段，主要用来解决那些传统方法难以解决的控制对象参数在大范围变化的问题，其思想是解决PID参数在线调整问题的有效途径。近年来，智能控制无论是理论上还是应用技术上均得到了长足的发展，随之不断涌现将智能控制方法和常规PID控制方法融合在一起的新方法，形成了许多

12、形式的智能PID控制器。它吸收了智能控制与常规PID控制两者的优点。首先，它具备自学习、自适应、自组织的能力，能够自动辨识被控过程参数、自动整定控制参数、能够适应被控过程参数的变化；其次，它又具有常规PID控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高、为现场工程设计人员所熟悉等特点。正是这两大优势，使得智能PID控制成为众多过程控制的一种较理想的控制装置。在材料烧结、热处理等工艺过程中，温度控制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。实验室人员根据材料的烧成制度来调节电阻炉的输出电压来以实现对电阻炉的温度控制。一般有两种方法：第一种就是手动调节电压法，第二种控制方法在主回路中采用双向可控

13、硅装置，并结合一些简单的仪表，使的保温阶段能够自动，但这两重方法的升温过程都是依赖于实验者的调节，并不能精确的按照给定的升降温度来调节。本文提出的以参数自整定PID控制为基础的温度控制系统简单、可靠，大大提高了温度控制质量及自动化水平。2 电阻炉温度控制的改进电阻炉控温方式基本形式一般有3种：二位式控制，时间比例控制和比例、积分、微分(PID)控制。2.1 二位式控制这是由手动控温进步到自动控温的原始方式。该控制用传感器(热电偶、热电阻)，带开关输出或逻辑输出的仪表，以及固态继电器或交流接触器。当温度低于设定点时，开关自动接通对电炉加热，温度上各到没定点时，开关断开停止加热。这种方式的缺点是很

14、明显的：(1)温度设定点仪表继电器及交流接触器频繁地动作，开关噪声大，寿命短。现在仪表用逻辑电压输出驱动固态继电器有所改善。(2)为了减少开关频繁动作，在设定点将开和关的温度点拉开，形成了一个夕匕区，降低r控温精确度。(3)电煽有热惰性，其温度在设定点上下波动，如加热功率过大，则波动范围更大。2.2 时间比例控制为了避免二位式控制温度大幅度波动，于是出现了比例式(P)控制，这是指控制变量(加热功率)与被控温度的偏差成比例的一种控制方式，这种方式在加热过程中，输入的功率大体上等于电炉所需要的功率，以保持温度的稳定。这种控制仪表的输出仍为继电器通断方式，为实现比例控制作用，继电器触点通电时间和周期

15、的比值与温度偏离设定点的偏差成比例。由于继电器触点在比例带内不停的通断，开关寿命有限，故通断周期一般较长。约为2O8O s。由于现在仪表发展很快，单独的时间比例仪表已渐淘汰。出现丁PID控制方式。2.3 比例、积分、微分(PID)控制在比例控制(P)系统中，往往会产生温度余差，这时要用“手动再调”机构进行调整，以减少余差。在比例带可调的仪表中，可减狭小比例带 ，使余差减少。积分(I)作用是仪表的输出为设定值与被测值之偏差对时间的积分。也就是仪表输出功率的变化率正比于温度偏差信号。积分作用能自动实现再调以消除余差，用“积分时间”(再调时间)表示再调作用的强弱。积分时间越小，积分作用越强。比例积分

16、控制，有时达到系统稳定时间较长，调节过程中动态偏差也较大，为此要引人预先调节的超前功能即微分控制。微分控制(D)是使控温仪表的输出，也就是加热功率与温度偏差变化的速度成比例。微分控制主要用以克服炉温变化的滞后，根据偏差变化的倾向，加以补充调节。发生偏差时，先产生过量的校正动作使调节时间缩短，而且能够稳定。微分控制对阻止炉温波动有很大的稳定效果，当炉温刚刚发生变化时，微分作用就发生一个较强的校正动作，因此又称之为“预调”或“超高调节”。表示微分控制作用的参数是“微分时间”t t。，越大微分控制作用越强，反之则小。积分控制和微分控制一般不单独使用，常和比例控制(P)复合成PID控制，也就是比例积分

17、微分控制。其控制作用见图l。当温度突然降低时，比例作用(P )按照与温度偏差成比例关系使加热功率增加。积分作用以一种与温度偏差成比例的速度来校正输出功率，使加热功率继续增加。微分作用以与温度变化速度成比例关系来校正输出功率的变化。开始使加热功率过量增加，再减少功率。总的效果达到为阻止温度偏差设定值发生了过量校正动作，这是比例微分作用(PD)，而f蒿足热平衡所需的最终加热功率则由积分作用使偏差逐渐消除，最后使被控温度保持在设定值。 图（1）表示对电炉通电加热，炉温达到稳定值的过渡过程。由于电炉存在热惰性，温度T的变化将比电压U的阶跃变化滞后一段时间，通常上升曲线呈s形。s形曲线与电炉的热容量有关

18、，热容量愈大，惰性也愈大，滞后时间愈长。s形曲线还与电炉的加热功率是否恰当有关，加热功率过大，则升温曲线陡峭，控制稳定性差。当加热功率过小，则升温曲线平缓。s形曲线还与热电偶等传感器放置的位置和热阻有关。放置距离大、热阻大，则滞后时间长，控制稳定性差。在s形曲线最大变化率的点上作切线，其上端与温度稳定值水平线相交，下端与时间轴t相交，得出t 和t。即滞后时间，t 为电炉时问常数。如果曲线S线愈明显，说明滞后时间t。愈大，电炉时问常数t 愈小(即升温速率大)，则温度过程的可控性愈困难根据滞后时间t。和电炉时间常数t 的比值，可以简便地根据表l选择适当的温控方式。 一般滞后时长，负载变化大而快，而

19、选用比例，积分、微分(PID)控制比较恰当。当很小时，也应采用PID控制，以提高系统的稳定性，并改善系统的动态性能。现在具有PID电流输出的仪表及晶闸管测功器已经普及，大多数情况下均选用控温效果良好的PID系统。3 单片机概述单片机是单片微型计算机的简称，单片机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃和颇具生命力的机种。特别适用于工业控制领域，故又称为微控制器（Microcontroler）. 单片机由单块集成电路芯片构成，内部含有计算机的基本功能部件：中央处理器CPU、存贮器和I/O接口电路等。单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统4 MCS51单片机硬件结

20、构4.1 单片机系统结构单片机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。单片机是把包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入输出口电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上通过MCS-51单片机内部的逻辑结构图掌握单片机内部的逻辑结构及各个部件的功能与特点。即：中央处理器（CPU）、内部数据存储器、内部程序存储器、定时器/计数器、并行I/O口、串行口、中断控制系统、时钟电路、位处理器、总线。4.2 MCS-51单片机的内部存储器MCS-51单片机芯片内部有数据存储器和程序存储器两类存储器，即所谓的内部RAM和内部ROM。同学重点要掌握内部数据

21、存储器的结构、用途、地址分配和使用特点。一是内部数据存储器的低128单元，它包括了寄存器区、位寻址区、用户RAM区，要掌握这些单元的地址分配、作用等。二是内部数据存储器高128单元，这是为专用寄存器提供的，地址范围为80HFFH。所谓专用寄存器是区别于通用寄存器而言的，即这些寄存器的功能或用途已作了专门的规定，用于存放单片机相应部件的控制命令、状态或数据等。在这些专用寄存器中，重点要掌握以下寄存器的使用： 程序计数器、累加器A、B寄存器、程序状态字（PSW）、数据指针（DPTR）。MCS-51的堆栈操作：堆栈是计算机的重要概念，要掌握以下几方面：1. 堆栈的功用2. 堆栈的设置3. 堆栈指示器

22、4. 堆栈使用方式内部程序存储器80C51芯片内有4K ROM存储单元，其地址为0000H0FFFH，这就是我们所说的内部程序存储器（或简称“内部ROM”）。无论是片内或是片外存储器（对于无片内ROM的单片机），在程序存储器中有一组特殊的保留单元0000H002AH，使用时应特别注意。 系统的启动单元：0000H0002H五个中断源的中断地址区：0003H002AH0003H000AH 外部中断0中断地址区000BH0012H 定时器/计数器0中断地址区0013H001AH 外部中断1中断地址区001BH0022H 定时器/计数器1中断地址区0023H002AH 串行中断地址区中断响应后，系统

23、能按中断种类，自动转到各中断区的首地址去执行程序。因此在中断地址区中本应存放中断服务程序。但通常情况下，8个单元难以存下一个完整的中断服务程序，因此一般也是从中断地址区首地址开始存放一条无条件转移指令，以便中断响应后，通过中断地址区，再转到中断服务程序的实际入口地址去。4.3 MSC-51单片机中央处理器 中央处理器是单片机内部的核心部件，它决定了单片机的主要功能特性。中央处理器主要由运算部件和控制部件组成。下面我们把中央处理器功能模块和有关的控制信号线联系起来加以讨论，并涉及相关的硬件设备（如振荡电路和时钟电路）。 （1）、运算部件：它包括算术、逻辑部件ALU、布尔处理器、累加器ACC、寄存

24、器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状态字寄存器PSW以及十进制调整电路等。运算部件的功能是实现数据的算术逻辑运算、位变址处理和数据传送操作。 MCS-51单片机的ALU功能十分强，它不仅可对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、循环、求补、清零等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算。为了乘除运算的需要，设置了B寄存器。在执行乘法运算指令时，用来存放其中一个乘数和乘积的高8位数；在执行除法运算指令时，B中存入除数及余数。MCS-51单片机的ALU还具有一般微机ALU，如Z80、MCS-48所不具备的功能，即布尔处理功能。单片机指令系统中的布尔指令集、存储器中的位地址空间与CPU中的

25、位操作构成了片内的布尔功能系统，它可对位（bit）变量进行布尔处理，如置位、清零、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等操作。在实现位操作时，借用了程序状态标志器（PSW）中的进位标志Cy作为位操作的“累加器”。 运算部件中的累加器ACC是一个8位的累加器（ACC也可简写为A）。从功能上看，它与一般微机的累加器相比没有什么特别之处，但需要说明的是ACC的进位标志Cy就是布尔处理器进行位操作的一个累加器。 MCS-51单片机的程序状态PSW，是一个8位寄存器，它包含了程序的状态信息。 （2）、控制部件 控制部件是单片机的神经中枢，它包括时钟电路、复位电路、指令寄存器、译码以及信息传送控制部件。它以

26、主振频率为基准发出CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的微操作，用来控制单片机各部分的运行。其中有一些控制信号线能简化应用系统外围控制逻辑，如控制地址锁存的地址锁存信号ALE，控制片外程序存储器运行的片内外存储器选择信号EA，以及片外取指信号PSEN。4.4 MCS-51单片机系统的存储器结构特点单片机的存储器结构有两个重要的特点：一是把数据存储器和程序存储器截然分开，二是存储器有内外之分。总的来说，由芯片内存储器和芯片外扩展存储器构成了单片机应用系统的整个存储器系统。4.5 MCS-51单片机并行输入/输出口电路单片机芯片内还有一项重要内容就是并行I/O口电

27、路。MCS-51共有四个8位的并行双向I/O口，分别记作P0、P1、P2、P3，实际上它们已被归入专用寄存器之列。这四个口除了按字节寻址之外，还可以按位寻址，四个口合在一起共有32位。在单片机中，口是一个集数据输入缓冲、数据输出驱动及锁存等多项功能于一体的I/O电路。MCS-51的四个口在电路结构上是基本相同的，但它们又各具特点，因此在功能和使用上各口之间有一定的差异。在学习中必须要掌握各个口的用途。4.6 MCS-51单片机时钟电路与时序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

28、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。要理解时钟电路的产生与作用，能根据外部所加入的晶体的振荡频率计算时序的定时单位。（1）. MCS-51的外部晶体的振荡频率范围：1.2MHz12MHz，（2）. MCS-51时序的定时单位共有4个，依次是：拍节、状态、机器周期和指令周期。4.7 MCS51单片机的分类目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列，其中8051体系的占有多半。生产8051单片机的半导体厂家有20多个，共350多种衍生产品。 通常按单片机数据总线的位数将单片机分为4位、8位、16位、32位机。（1） 4位单片

29、机 四位单片机适合用于各种规模较小的家电类消费产品。一般的单片机厂家均有自己的四位单片机产品，有OKI公司的MSM64164C、MSM64481，NEC公司的75006系列、EPSON公司的SMC62系列等。 典型应用领域有：PC机用的输入装置(鼠标、游戏杆)、电池充电器(Ni-Cd电池、锂电池)、运动器材、带液晶显示的音、视频产品控制器、一般家用电器的控制及遥控器、玩具控制、记时器、时钟、表、计算器、多功能电话、LCD游戏机。（2） 8位单片机 八位单片机是目前品种最为丰富、应用最为广泛的单片机，有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点。目前主要分为MCS-51系列及

30、其兼容机型和非MCS-51系列单片机。 MCS-51兼容产品因开发工具及软硬件资源齐全而占主导地位， ATMEL、PHILIPS、WINBOND是MCS-51单片机生产的老牌厂家，CYGNAL及ST也推出新的产品，其中ST的新推出的PSD系列片内有大容量FLASH（128/256KB）、8/32KB的SRAM、 集成A/D、看门狗、上电复位电路、两路UART、支持在系统编程ISP及在应用中编程IAP等诸多先进特性，迅速被广大51单片机用户接受。 非51系列单片机在中国应用较广的有MOTOROLA68HC05/08系列、 MICROCHIP的PIC单片机以及ATMEL的AVR单片机。 八位单片机

31、在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得到广泛应用。（3） 16位单片机 十六位单片机操作速度及数据吞吐能力在性能上比8位机有较大提高。目前以INTEL的MCS-96/196系列、TI的MSP430系列及MOTOROLA的68HC11系列为主。 十六位单片机主要应用于工业控制、智能仪器仪表 、便携式设备等场合。其中TI的MSP430系列以其超低功耗的特性广泛应用于低功耗场合。 （4） 32位单片机 32位单片机是单片机的发展趋势，随着技术发展及开发成本和产品价格的下降将会与8位机并驾齐驱。生产32位单片机的厂家与8位机的厂家一样多。MOTOROLA、TOSHIBA、HI

32、TACH、NEC、EPSON、MITSUBISHI、SAMSUNG群雄割据， 其中以32位ARM单片机及MOTOROLA的MC683、68K系列应用相对广泛。基于ARM核的单片机占据了2001年的32位单片机市场75%的份额。 5 电阻炉温度控制原理 系统的硬件设计系统原理框图如图5.1所示。 图5.1热电偶传来的带有温度信号的毫伏级电压滤波、放大，送到A/D转换器。这样通过采样和A/D转换，就将所检测的炉温对应的电压信号转换成数字量传送到计算机里面，并与给定的电压信号进行比较，计算偏差，计算机再对偏差按一定的规则进行运算。运算结果通过控制可控硅在控制周期内的过零触发脉冲个数，也就是控制电阻炉

33、的平均功率的大小来达到控制温度的目的。该控制系统的硬件系统由同步过零检测电路、温度信号检测及可控硅触发电路、掉电检测与保护电路组成。6 设计所用单片机及芯片介绍6.1 8031单片机8031单片机引脚图如下 图6.1.18031单片机是Intel公司生产的MCS-51系列单片机中的一种，除无片内ROM外，其余特性与MCS-51单片机基本一样。 HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40引脚的直插封装（DIP方式），制造工艺为CHMOS的80C51/80C31芯片除采用DIP封装方式外，还采用方型封装工艺，引脚排列如图。其中方型封装的CHMOS芯片有44只引脚，但其中4只引脚（标有NC的引脚

34、1、12、23、34）是不使用的。HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40引脚的直插封装（DIP方式），制造工艺为CHMOS的80C51/80C31芯片除采用DIP封装方式外，还采用方型封装工艺，引脚排列如图。其中方型封装的CHMOS芯片有44只引脚，但其中4只引脚（标有NC的引脚1、12、23、34）是不使用的。在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能。 （1）、主电源引脚VCC和VSS VCC（40脚）接+5V电压； VSS（20脚）接地。 （2

35、）、外接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。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。当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。 XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。 （3）、控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP RST/VPD（9脚）当振荡器运行

36、时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10F的电容，以保证可靠地复位。 VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（50.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。 ALE/PROG（30脚）：当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而

37、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。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。 对于EPROM单片机（如2732），在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。 PSEN（29脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。 EA/VPP（引脚）：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对851/87

38、51/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。 对于EPROM型的单片机（如2732），在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21V的编程电源（VPP）。（4）、输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根） P0口（39脚至32脚）：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。 P1口（1脚至8脚）：是准

39、双向8位I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。 P2口（21脚至28脚）：是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。 P3口（10脚至17脚）：是准双向8位I

40、/O口，在MCS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。 作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。 作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。 值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。 表 P3各口线的第二功能定义 口线 引脚 第二功能 P3.0 10 RXD（串行输入口） P3.1 11 TXD（串行输出口） P3.2 12 INT0（外部中断0） P3.3 13 INT1（外部中断1） P3.4 14 T0（定时器0外部输入） P3.5 15 T1（定时器1外部

41、输入） P3.6 16 WR（外部数据存储器写脉冲） P3.7 17 RD（外部数据存储器读脉冲） MCS-51单片机的片外总线结构 综合上面的描述可知，I/O口线都不能当作用户I/O口线。除8051/8751外真正可完全为用户使用的I/O口线只有P1口，以及部分作为第一功能使用时的P3口。如图，是MCS-51单片机按引脚功能分类的片外总线结构图。 由图我们可以看到，单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入，用户I/O口外，其余管脚是为实现系统扩展而设置的。这些引脚构成MCS-51单片机片外三总线结构，即： 地址总线（AB）：地址总线宽为16位，因此，其外部存储器直接寻址为64K字节，16位地址总

42、线由P0口经地址锁存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提供8位地址（A8至A15）。 数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，由P0提供。 控制总线（CB）：由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。 下面列出各个子系列的配制情况。 芯片种类 片内存储器 中断源 定时/计数器 串行口 电源消耗（mA） 制造工艺 ROM/EPROM RAM 8051（8751，8031） 4K 128 5 2 同、异步方式，8位或10位可程序控制 125 HMOS 8052（8752，8032） 8K 256 6 3 同、异步方式，8位或10位可程序控制 100 HMOS

43、 80C51（87C51，80C31） 4K 128 5 2 同、异步方式，8位或10位可程序控制 24 CHMOS 80C52（87C52，80C32） 8K 256 7 3 同、异步方式，8位或10位可程序控制 24 CHMOS 8044（8744，8344） 4K 192 5 2 S.L.U 200 HMOS 6.2 A/D转换0809 ADC0809是一种逐次逼近式8路模拟输入，8位数字量输出的A/D转换器。具有地址锁存控制的8路模拟开关，应用单一+5V电源，其模拟量输入电压的范围为00+5V，对应的数字量输出为00HFFH，转换时间100ms,无须调零或调整满量程。ADC 0809的

44、原理电路见图6.2.1所示。图6.2.1 ADC0809的原理电路图该集成电路可以通过内部的多路模拟开关，进行8路模数转换，8路模拟电压由IN0IN7输入，然后根据ADDA、ADDB、ADDC三条地址线提供的地址，选通其中一路进行A/D转换，当地址为000时，选通IN0输入进行转换。当地址为111时，选通IN7输入进行转换。ALE对三位地址信号进行锁存。其引脚图如图所示： 图6.2.2 由引脚图可见，ADC0809共有28引脚，采用双列直插式封装。其主要引脚功能如下：IN0IN7是8路模拟信号输入端；D0D7是8位数字量输出端，输出8位A/D转换值；A、B、C与ALE控制8路模拟通道的切换，A

45、、B、C分别与3根地址线或数据线相连，三者编码对应8个通道地址口。CBA=000111分别对应IN0IN7通道地址；OE为允许数字量输出信号，高电平有效。当OE=1时，打开三态门，将A/D转换后的8位数字量放在数据总线DB7DB0上，供CPU用指令取走。为启动信号输入端，CLK为时钟信号输入端，典型时钟频率为640KHZ，最高不超过1.2MHZ；START：启动A/D转换输入端，若单片机在此引脚加一个正脉冲时，脉冲的上升沿将所有内部寄存器清零；其下降沿启动A/D进行一次新的转换。通常ALE和START接在一起；EOC：A/D转换结束输出信号，高电平有效。在启动A/D转换START有效开始，EO

46、C=0，表示A/D转换正在进行中；当转换一结束，EOC=1。因此EOC可作为A/D转换状态输出信号，供CPU查询或用来向CPU申请中断；VR（+）和VR（-）为参考电压输入端。表6.2.1 ADC0809主要参数表图6.2.3 ADC0809的工作时序图由图6.2.3可见，在START信号的下降沿A/D被启动开始转换，但EOC信号在START的下降沿10s后才变为无效低电平。因此查询程序必须待EOC无效后再开始查询。此外，OE信号必须待转换结束后才能有效（正脉冲），当它为高电平是D0D7输出有效数据。ADC0809工作过程如下：首先用指令选择ADC0809的一个模拟输入通道，当执行MOVX D

47、PTR，A时，产生一个启动信号，使SC引脚送入WR脉冲，开始对选中通道转换。当转换结束后发出结束信号，置EOC脚为高电平，该信号可作为中断申请信号；当读允许信号到，OE端有高电平，则可以读出转换的数字量。利用MOVX A，DPTR把该通道转换结果读到A累加器中。ADC0809集成A/D转换器的应用ADC0809的典型应用接法如图6.2.4所示：图6.2.4 ADC0809的典型接法由于ADC0809片内无时钟，故利用MCS8031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，经过二分频

48、后为500KHZ，与ADC0809时钟频率的典型值吻合。由于ADC0809具有三态输出锁存器，故其数据输出引脚可直接与单片机的数据总线相连。地址码引脚ADCAC分别与地址总线的低三位A0、A1、A2相连，以选通IN0IN7中的一个通道。采用单片机的P2.7（地址总线最高位A15）作为A/D的选片信号。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P2.7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。在编写软件中按下列顺序动作：令P2.7=A15=0，

49、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。当使用查询方式时应将A/D的EOC信号连到单片机的某个I/O端口的一个引脚上。6.3 EPROM 2732 在8031单片机上扩展4KEPROM程序存储器本设计选用8031单片机，内部无ROM区，无论程序长短都必须扩展程序存储器（目前较少这样使用，但扩展方法比较典型、实用）。 硬件电路图8031单片机扩展一片2732程序存储器电路如图所示。图（6.3.1） 单片机扩展2732 EPROM电路74LS373是带三态缓冲输出

50、的8D锁存器，由于单片机的三总线结构中，数据线与地址线的低8位共用P0口，因此必须用地址锁存器将地址信号和数据信号区分开。74LS373的锁存控制端G直接与单片机的锁存控制信号ALE相连，在ALE的下降沿锁存低8位地址(2)EPROM 2732EPROM 2732的容量为4K8位。4K表示有41024（22210=212）个存储单元，8位表示每个单元存储数据的宽度是8位。前者确定了地址线的位数是12位（A0A11），后者确定了数据线的位数是8位（O0O7），目前除了串行存储器之外，一般情况下我们使用的都是8位数据存储器）。2732单一+5V供电，最大静态工作电流为100mA，维持电流为35mA

51、，读出时间最大为250ns。2732 的封装形式为DIP24，管脚如图6.3所示。 图6.3.2 EPROM 2732管脚及说明 其中 A0A11：地址线 O0O7：数据线 ： 片选线/VPP：输出允许/编程高压 除了12条地址线和8条数据线之外，为片选线，低电平有效，也就是说，只有当为低电平时，2732才被选中，否则，2732不工作。/VPP为双功能管脚，当2732用作程序存储器时，其功能是允许读数据出来；当对EPROM编程（也称为固化程序）时，该管脚用于高电压输入，不同生产厂家的芯片编程电压也有不同。当我们把它作为程序存储器使用时，不必关心其编程电压。6.4 接口芯片8155 Intel

52、8155是一种多功能的可编程接口芯片，内集成有256字节的静态RAM，2个可编程8位并行接口PA，PB，1个可编程的6位接口PC，1个14位的定时计数器。 图6.4.1 8155的引脚图和结构框图Intel 8155芯片各引脚的功能如下：复位信号RESET：高点平有效。当RESET端加上5us左右的正脉冲时，8155将初始化复位，把PA，PB和PC口均初始化为输入方式。地址数据线AD0-AD7”采用分时方式区分地址和数据信息。通常与单片机的P0口相连。起地址码可以是8155片内RAM或I/O口地址，地址信息由ALE的下降沿锁存到8155片内地址锁存器中，与RD，WR信号配合完成数据的出入/输出

53、。 地址锁存信号ALE：在ALE的下降沿将地址数据线AD0-AD7输出的地址信号以及CE，IO/M状态都锁存到8155的内部锁存器中。 片选信号CE：底电平有效。它与地址信息一起由ALE信号的下降沿锁存到8155的内部锁存器中。 片内RAM/IO选择信号IO/M：IO/M=0选中8155片内RAM。此时AD0-AD7输出8155片内RAM地址，IO/M=1选中8155的3个I/O端口，命令/状态寄存器，定时计数器。此时AD0-AD7输出I/O端口地址。 读选通信号RD：低电平有效。当CE=0，RD=0时，将8155片内RAM单元或I/O口的内容送到AD0-AD7总线上。 写选通信号WR：低电平

54、有效。当CE=0，WR=0时，将CPU输出到AD0-AD7总线上信息写入到8155片内RAM单元或I/O口中。 PA端口引脚PA0-PA7：由命令寄存器中的控制字来决定输入/输出。 PB端口引脚PB0-PB7：由命令寄存器中的控制字来决定输入/输出。 PC端口引脚PC0-PC5：可以通过编成设定PC口作为通用输入/输出端口或作为PA，PB端口数据传送的控制应答联络信号。 TIMERIN，TIMEROUT：分别为8155片内定时计数器的输入和输出信号线。 VCC，GND：分别为8155的+5V电源和接地端。MCS-51单片机和8155的接口MCS-51和8155的接口非常简单, 因为8155内部

55、有一个8位地址锁存器，故无需外接锁存器。在二者的连接中，8155的地址译码即片选端可以采用线选法、全译码等方法，这和8255类似，在整个单片机应用系统中要考虑与片外RAM及其他接口芯片的统一编址，确定8155的相关地址。下图为一个连接实例。 图6.4.27 硬件电路介绍接口电路采用MCS-51系列单片机8031，外围扩展并行接口8155，程序存储器EPROM2732，模数转换器ADC0809等芯片。7.1 热电偶变送电路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。镍铬/镍铝热电偶适用于0-1000的温度检测范围，相应输出电压为0mV-41.32mV。 变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于把热电偶输出的0mV-41.32mV变换成4mA-20mA的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的4mA-20mA电流变换成0-5V的电压。 为了提高测量精度，变送器可以进行零点迁移。例如：若温度测量范围为500-1000，则热电偶输出为20.6mV-41.32mV，毫伏变送器零点迁移后输出4mA-20mA范围电流。这样，采用8位A/D转换器就可使量化温度达到1.96以内。7.2 8155显示电