DZ254廢水處理微機控制系統(tǒng)

DZ254廢水處理微機控制系統(tǒng),dz254,廢水處理,微機,控制系統(tǒng) 長 春 工 業(yè) 大 學畢業(yè)設計、畢業(yè)論文題 目 廢水處理微機控制系統(tǒng) 學 院 電氣與電子工程學院 專業(yè)班級 自動化 0112 班 指導教師 蒲春華 姓 名 趙發(fā)才 年 月 日指導教師簽字：年 月 日評閱人簽字：年 月 日摘 要廢水中和值控制系統(tǒng)是通過控制電石渣的流量，使電石渣與給定流量的酸性廢水中和后的值穩(wěn)定在 7 附近。該系統(tǒng)的硬件設計核心為單片微型計算機，其控制過程是：從測電石渣的流量計和測量 PH 值的 PH 計出來的電流信號經過 I/V 變換后，將電壓信號送入 A/D 把模擬量變?yōu)閿底至亢笏腿?8031，經程序處理后再將信號送入D/A，再由 V/I 變換把電流信號送給調節(jié)閥，從而調節(jié)電石渣的流量，以保證 PH 值穩(wěn)定于 7。本系統(tǒng)采用串級控制，內環(huán)控制電石渣的流量，時間為 1 秒；外環(huán)控制 PH 值，時間為 4 秒。對電石渣流量進行采樣，一般可采三次，當采集過后達到一定時間時，再對PH 值進行顯示，如果顯示的 PH 值在 7 附近波動較大時，則相應地調整電石渣的流量，使值穩(wěn)定于 7，以便于達到最佳效果。關鍵詞：單片機 調節(jié)流量 穩(wěn)定 PH 值Title The Controlling System of The Waste WaterAbstractThis controlling system of the waste water neutralizes ph value makes the ph value which is produced by the way that carbide dregs neutralize the acid waste water of given rate of flow stabilized around 7 by controlling the rate of flow of the carbide dregs .The system is core of hardware is MCS-51microcomputor，Its controlling process is the signal which come from the measure of ph and rate of flow change by I/V, and send the signal to 8031,because the signal is small , and magnify it by 4558.At last, we send the signal which will be changed by V/I to the valve, thus it can control the rate of flow and convenient for stabilizing the ph value. The system uses serial controlling system, the small annuals controls the rate of flow of the carbide dregs，the big annuals controls the ph value, the time are one minute and four minutes. It can sample the carbide dregs rate of flow ,later it will show the ph value .If the showing of ph value fluctuates strong around 7,we can gear correspondingly the carbide dregs rate of flow ,which make ph value stabilized around 7,thus it can be better .Keywords ：Single-Chip，control the rate of flow ,stabilize the ph value目 錄第一章 緒論………………………………………………………………………1第二章 控制方案的確定及方案論證………………………………………32．1 串級調節(jié)系統(tǒng)………………………………………………………………32．2 系統(tǒng)串級控制方案的確定………………………………………………… 4第三章 控制算法的確定………………………………………………………63．1 數字 PID 控制技術…………………………………………………………63．2 PID 參數的整定……………………………………………………………8第四章 控制系統(tǒng)的硬件選擇…………………………………………………114．1 單片機的發(fā)展趨勢…………………………………………………………114．2 單片機的選擇………………………………………………………………124．3 單片機芯片的引腳描述……………………………………………………134. 4 單片機外圍電路的設計………………………………………………………154．4.1 復位電路的設計…………………………………………………154．4.2 時鐘電路的設計………………………………………………………164. 5 存儲器的擴展…………………………………………………………………164.5.1 程序存儲器的擴展……………………………………………………164.5.2 數據存儲器的擴展……………………………………………………194．6 A/D 轉換器的選擇…………………………………………………………194．7 D/A 轉換器的選擇…………………………………………………………224．8 電壓/電流的轉換……………………………………………………………254．9 電流/電壓的轉換………………………………………………………………264．10 傳感器的選擇………………………………………………………………274．10.1 PH 計的選擇…………………………………………………………274．10.2 流量計的選擇…………………………………………………………314．11 調節(jié)閥的選擇…………………………………………………………………324．12 顯示器的選擇…………………………………………………………………32第五章 軟件設計…………………………………………………………………365.1 主程序的設計…………………………………………………………………365.2 中斷程序的設計……………………………………………………………375.3 PID 算法程序的設計………………………………………………………405.4 標度變換子程序的設計…………………………………………………………40第六章 抗干擾的設計………………………………………………………………………42 6.1 主要干擾渠道…………………………………………………………………426.2 供電系統(tǒng)干擾…………………………………………………………………426.3 過程通道干擾…………………………………………………………………436.4 空間干擾………………………………………………………………………436.5 印刷電路板的抗干擾設計……………………………………………………436.6 軟件的抗干擾設計……………………………………………………………44致謝 ……………………………………………………………………………………45參考文獻………………………………………………………………………………46附錄 A 程序清單…………………………………………………………………………47附錄 B 程序流程圖…………………………………………………………………………56附錄 C 硬件電路圖…………………………………………………………………………571Introduction to DC MachinesDC machines are characterized by their versatility．By means of various combinations of shunt，series，and separately excited field windings they can be designed to display a wide variety of volt-ampere or speed-torque characteristics for both dynamic and steady- state operation．Because of the ease with which they can be controlled，systems of DC machines are often used in applications requiring a wide range of motor speeds or precise contro1 of motor output．The essential features of a DC machine are shown schematically．The stator has Salient poles and is excited by one or more field coils. The air-gap flux distribution created by the field winding is symmetrical about the centerline of the field poles． This axis is called the field axis or direct axis．As we know，the．AC voltage generated in each rotating armature coil is converted to DC in the external armature terminals by means ofnl，the m．m．f．F 2 rotates in the direction opposite to the rotor rotation and，when interacting with m．m．f．F l，develops the electromagnetic torque directed against emMrotor rotation．Consequently，torque is a retarding torque。and the eminduction machine operates as a generator．To construct the vector diagram of an induction generator，let US lay off the main fluxvector in the positive direction on the abscissa m?axis．The current vector I。and the e．m．f．vector El=E’2will then occupy their usual positions on the diagram，but the current vector 2'Iwill now be in the second and not in the third quadrant as would be the case for the motor operating condition．The primary current = —1m．The voltage across the stator terminals is Vl= 一 El+ ．The angle2'I 1ZI>90°，i．e． ，the electric power of the machine inegative．This means 1?that at the conditions considered above the mechanical power delivered to the induction machine from the primary mover is converted into electric power and is supplied to the circuit．The magnetic flux is produced in the induction generator by the m?14magnetising current For this purpose synchronous generators are used mIto feed the external circuit together with the induction generator．Since current Im amounts to from 25％to 45％of and is fed to the generator at nIcircuit voltage，the excitation power(in kVA)amounts to the same 25％to 45％of the rating of the generator．In other words，if 2 to 4 induction generators of equal output are installed in a power station，their excitation will take the full output of one synchronous generator of the same capacity as each of the induction generators．Recall that the power of excitation of a large synchronous generator is less that 1％．This difference in excitation power being unfavourable for the induction generator is its essential drawback as compared with the synchronous generator．In addition，the current lags the voltage by practically mI90°．Consequently，parallel operation of induction and synchronous generators results in a considerable loss in power factor(cos )of the ?latter even when the external load is purely active．The connection of an induction generator to the circuit does not present any difficulties．The rotor is run in the same direction in which the flux is rotating at a speed as close as possible to synchronism．When the generator is connected to the circuit the same phenomena arise as when transformers or induction motors are connected．A change in active power supplied by the generator to the circuit，as in synchronous generators，is achieved by varying the mechanical power applied to the generator shaft．The efficiency of an induction generator is not lower than that of a synchronous generator。In practice induction generators are used only in low—power stations，most frequently in automatic hydropower stations and wind—driven installations．If the induction generator is to work alone into an external circuit，the magnetising current may be obtained id the process of self—excitation of the induction generator．For this purpose it is necessary to connect to the stator terminals a battery of chosen condensers and run the rotor at required speed．The indispensable condition for self—excitation of the induction generator．For this purpose it is necessary to connect to the stator terminals a battery of chosen condensers and run 15the rotor at required speed．The indispensable condition for self—excitation of the induction generator is the presence of a residual magnetic flux in the rotor steel．With the external circuit disconnected from the stator，the residual magnetic flux creates a certain resid?e．m．f． in the stator winding，the effect of which is to cause residEcurrent to flow into the condenser battery，thus strengthening fluxcI．The process then proceeds in the same way as in the case of self—resid?excitation of D．C．shunt generators．The most costly part of induction self—excited generator installations is the condenser battery，that is why such generators have not obtained wide use．C)Electromagnetic brake conditions．If we continue to load a motor more and more，its speed will decrease and then，when the load torque exceeds the maximum torque，the motor will stall．After this，we may run the rotor opposite the field with the help of some auxiliary motor．We have previously agreed to call these operating conditions electromagnetic brake conditions．Since the speed in these conditions should be assumed to be negative，then ln1，磁勢 F2以與18轉子相反方向的 轉速旋轉，當其與定子磁勢 F1相互作用時，便產生與轉子旋轉方向相反的電磁轉矩 Mem。因此，該轉矩 Mem為阻轉矩，感應電機作發(fā)電機運行。為了繪出感應發(fā)電機的向量圖，我們將主磁通向量 置于橫軸的正方向上，m?那么電流 向量 Im和電勢向量 1= 在向量圖上將仍處于原位置，但電流向量 現E'2 '2I在是處于第二象限而不是處于作電動機運行的第三象限。原邊電流 I1=Im－ 。定子'兩端電壓為 Vl=－E l+I1Z1。相位角 >90°，即電機的電功率為負。這就是說在上述1?討論的運行狀態(tài)下，由原動機提供給感應電機的機械功率已轉換成電功率且送入了電網。在感應發(fā)電機中，磁通 。是由激磁電流 Im產生的。為此目的，需由同步發(fā)m?電機與感應發(fā)電機一道向電網供電。由于激磁電流 Im的數量為額定電流的In25％～45％，且是在網上電壓下供電，因此激磁功率的大小也為發(fā)電機額定功率的 25~45％，換句話說，若由相同容量的 2～4 臺感應發(fā)電機建立一電站，那么激磁容量便占據了與感應電機單機相同的一臺同步發(fā)電機的滿載輸出。而大型同步發(fā)電機的激磁功率不到額定功率的 1％。感應電機的這種所需激磁功率較大方面的差值是與同步發(fā)電機相比的主要缺點。除此之外，激磁電流 Im。滯后電壓接近 90°，因此，盡管當外電路負載為完全的純電阻時，仍然會在與感應發(fā)電機并聯(lián)運行的同步發(fā)電機中產生由于滯后的功率因數而引起的可觀的損耗。感應發(fā)電機并人電網不存在任何困難。其轉子與磁通同方向旋轉，且盡可能接近同步。當感應發(fā)電機接入電網，其物理現象與當變壓器或感應電動機接到電網上時是一樣的。與同步發(fā)電機一樣，由發(fā)電機向電網提供的有功功率的變化是通過調節(jié)施加于發(fā)電機轉軸上的機械功率來實現的。感應發(fā)電機的功率并不比同步發(fā)電機的效率低。在實際運用中，感應發(fā)電機只是用于小功率電站，其中尤其是無人值守的水電站和風力發(fā)電裝置更為常用。如果感應發(fā)電機要接負載單獨運行，勵磁電流可在感應發(fā)電機的自勵過程中得到。為此目的，必須在定子端聯(lián)接一組經選定的電容器，并且將轉子拖至所需的轉速。感應發(fā)電機自勵的必要條件是在轉子鐵芯中必須有剩磁。當負載電路還未與定子端相聯(lián)時，剩磁磁通 φ resid在定子繞組中產生的剩磁電勢 Eresid便產生一流向電容器組的電流 Ic，這樣便加強了磁通 φ resid。隨后的過程便與直流并勵發(fā)電機的自勵過程的情形是一樣的。自勵感應發(fā)電機組中最費錢的部分是電容器組，這便是該類發(fā)電機不能得到廣泛運用的原因所在。c)電磁制動狀態(tài)。如果繼續(xù)向電動機施加越來越多的負載，其轉速將下降，而后當負載轉矩超過其最大轉矩時，電動機將停轉。從這時后便可借助某一輔助電動機令主電動機的轉子朝磁場相反的方向運轉。前面我們已經約定，稱該運行狀態(tài)19為電磁制動狀態(tài)。由于該狀態(tài)下的轉速 n應該假定為負，因此 s的范圍便為 l2fmax，但由于被控對象的物理過程及參數的變化比較復雜，致使模擬信號的最高頻率 fmax 很難確定，所以，采樣周期的選擇需根據系統(tǒng)的實際情況綜合考慮多種因素來決定。1、從系統(tǒng)控制品質的需求來看，希望采樣周期取小些這樣在連續(xù)系統(tǒng) PID 整定參數時可得到較好的控制效果。2、從執(zhí)行元件的要求來看，對于執(zhí)行速度較慢的執(zhí)行器，要求采樣周期不能過小。3、從對控制系統(tǒng)的響應快速性和抗干擾性來看，采樣周期要短些。4、當系統(tǒng)的純滯后時間 τ 與被控制對象的時間常數 Tc 相比有 τ≥0。5T 時， 長春工業(yè)大學畢業(yè)論文9通常認為是大滯后系統(tǒng)，這時，選采樣周期 T 等于或接近 τ。5、從計算的精度考慮，采樣周期 τ 不能過小，過小將使前后兩次采樣值反映不出差別，使調節(jié)作用減弱。6、從微型機的工作量考慮，采樣周期 T 應大些。特別是控制回路較多，計算量較大時，要使每個回路有足夠的計算時間?？梢?，采樣周期的選擇涉及到很多因素，有些是相互制約和矛盾的。實際中需要考慮上述原則，根據具體情況和主要要求作出適當的折中。（二） PID 參數的整定1、臨界比例度法這是一種通過臨界穩(wěn)定實驗來整定 PID 參數的常用的工程方法之一。所謂比例度就是比例增益的倒數 δ=1/Kp.這一方法的步驟：（1）選擇一個足夠短的采樣周期 Tmin（2）選用純比例控制，給定值 γ 作階躍擾動，將比例度由小到大，直到系統(tǒng)產生等幅震蕩。此時的比例度稱為臨界比例度，對應的震蕩周期稱為臨界震蕩周期。2、擴充響應曲線法這一方法適用于多容量自平衡系統(tǒng)，其步驟如下：（1）斷開控制器，在系統(tǒng)的開環(huán)狀態(tài)下，求出階躍響應曲線。（2）在曲線的最大斜率處作切線，求得滯后時間 τ，對象時間常數 Tc 和放大倍數 K。3、試湊法試湊法是從一組初始數據出發(fā)，通過閉環(huán)運行觀察系統(tǒng)的運行效果，根據各參數對系統(tǒng)本質的定性影響，反復試湊修改參數，直到結果滿意為止。PID 各參數對系統(tǒng)品質的定性影響。（1）增益 KP 與系統(tǒng)快速性成正比，與系統(tǒng)的靜差成反比。但 KP 過大將使系統(tǒng)超調過大振蕩加劇，穩(wěn)定性變壞。（2）積分時間 Ti 有利于減小超調和振蕩。有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，但消除靜差的過程將加長。（3）微分時間 Td 與系統(tǒng)快速性成正比，并能使超調減小，穩(wěn)定性增加，但抗干擾性將變差。根據上述結論，可按如下步驟對參數實行先比例，后積分，再微分的整定步驟。（1）采用比例控制，Kp 由小變大。如果響應時間、超調、靜差已達到要求，則只需用比例控制即可，并由此確定比例增益系數。（2）如果靜差達不到要求，則加入積分控制。Kp 減小，例如每次減小到原來 長春工業(yè)大學畢業(yè)論文10的 90%，積分時間 Ti 由大變小，反復試湊多組 Kp，Ti 只從中確定合適的參數。（3）如果動態(tài)特性不滿足，則加入微分控制，Tα 由 0 增大，逐步試湊多組參數，從中找出最優(yōu)者。為了減小參數試湊的盲目性，表 3.2 給出對幾種常見過程變量 PID 控制參數的經驗范圍可作為參數試湊的初值。由表 3.2 可見，其除溫度控制外，其他三種過程參數的控制一般都不用微分控制。表 3.2 PID 控制參數被調量特點 Kp Ti(分) Td(分)流量 對象時間常數小，并有噪聲，故 Kp 較小，Ti 較短，不用微分1～2.5 0.1～1溫度 對象為多容系統(tǒng)，有較大滯后，常用微分1.6～5 3～10 0.5～3壓力 對象為容量系統(tǒng)，滯后一般不大，不用微分1.4～3.5 0.4～3在 PID 控制中，比例、積分、微分三部分參數具有一定的互補性，往往某一參數的減小可由其他參數的增加來補償，所以不同的參數往往可以達到相同的控制效果。對實際應用來說，只要控制效果已達到要求，就可以確定對應的 PID 參數。 長春工業(yè)大學畢業(yè)論文11第 四 章 控制系統(tǒng)的硬件選擇4.1 單片機的發(fā)展趨勢現在可以說單片機是百花齊放，百家爭鳴的時期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，從 8 位、16 位到 32 位，數不勝數，應有盡有，有與主流 C51系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補，為單片機的應用提供廣闊的天地?？v觀單片機的發(fā)展過程，可以預示單片機的發(fā)展趨勢，大致有：⑴低功耗 CMOS 化MCS-51 系列的 8031 推出時的功耗達 630mW，而現在的單片機普遍都在 100mW 左右，隨著對單片機功耗要求越來越低，現在的各個單片機制造商基本都采用了CMOS(互補金屬氧化物半導體工藝)。象 80C51 就采用了 HMOS(即高密度金屬氧化物半導體工藝)和 CHMOS(互補高密度金屬氧化物半導體工藝)。CMOS 雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而 CHMOS 則具備了高速和低功耗的特點，這些特征，更適合于在要求低功耗象電池供電的應用場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片機發(fā)展的主要途徑。⑵微型單片化現在常規(guī)的單片機普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機存取數據存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強型的單片機集成了如 A/D 轉換器、PWM (脈寬調制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機將 LCD(液晶)驅動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機包含的單元電路就更多，功能就越強大。甚至單片機廠商還可以根據用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機芯片。此外，現在的產品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機除了功能強和功耗低外，還要求其體積要小?，F在的許多單片機都具有多種封裝形式，其中SMD(表面封裝)越來越受歡迎，使得由單片機構成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。⑶主流與多品種共存現在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以 80C51 為核心的單片機占主流，兼容其結構和指令系統(tǒng)的有 PHILIPS 公司的產品，ATMEL 公司的產品和中國臺灣的 Winbond 系列單片機。所以 C8051 為核心的單片機占據了半壁江山。而Microchip 公司的 PIC 精簡指令集(RISC)也有著強勁的發(fā)展勢頭，中國臺灣的HOLTEK 公司近年的單片機產量與日俱增，與其低價質優(yōu)的優(yōu)勢，占據一定的市場分額。此外還有 MOTOROLA 公司的產品，日本幾大公司的專用單片機。在一定的時期內， 長春工業(yè)大學畢業(yè)論文12這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個單片機一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補，相輔相成、共同發(fā)展的道路。4.2 單片機的選擇美國 Intel 公司繼 1976 年推出 MCS-48 系列單片機后，1980 年又推出了 MCS-51系列高檔 8 位單片機。由于 MCS-51 單片機是在 MCS-48 的基礎上推出的增強型產品，它的出現直接與 HMOS 工藝有關，并提高了芯片的集成度，因而后者比前者在性能上大為提高，增加了多種片內硬件功能，并擴展了功能單元的種類和數量。MCS-51 單片機硬件結構有如下一些主要特點：⑴內部程序存儲器和內部數據存儲器容量⑵輸入/輸出口MCS-51 單片機內的 I/O 口的數量和種類較多且齊全，尤其是它有一個全雙工的串行口。⑶外部程序存儲器和外部數據存儲器尋址空間MCS-51 可對 64KB 的外部數據存儲器尋址且不受該系列中各種芯片型號的影響，而對程序存儲器是內外總空間為 64KB.⑷中斷與堆棧MCS-51 有 5 個中斷源，分為 2 個優(yōu)先級，每個中斷源的優(yōu)先級是可編程的，它的堆棧位置也是可編程的，堆棧深度可達 128 字節(jié)。而 MCS-48 只有不分優(yōu)先級的 2個中斷源，且堆棧設置在片內 RAM 的 16 個字節(jié)的固定單元內。⑸定時/計數器與寄存器區(qū)MCS-51 子系列有 2 個 16 位的定時/計數器，通過編程可以實現四種工作模式。MCS-52 子系列有 3 個 16 位的定時/計數器。而 MCS-48 只有一個 8 位定時/計數器。MCS-51 在內部 RAM 中開設了四個通用工作寄存器區(qū)，共 32 個通用寄存器，以適應多種中斷或子程序嵌套的要求。而 MCS-48 的內部 RAM 中只有兩個通用工作寄存器區(qū)，每個寄存器區(qū)包含 8 個 8 位寄存器。⑹指令系統(tǒng)MCS-51 有一個比 MCS-48 功能強得多的指令系統(tǒng)，主要表現在 MCS-51 的指令系統(tǒng)中增添了減法、乘法、除法、比較、堆棧操作和多種位操作指令。當振蕩器頻率接最高 12MHZ 時，大部分指令執(zhí)行時間為 1μs，少部分為 2μs，乘除指令的執(zhí)行時間也只有 4μs。⑺布爾處理器特別值得一提的是 MCS-51 的布爾處理器。它實際上是一個完整的一個微計算機，這個一位微機有自己的 CPU ,位寄存器、I/O 口和指令集。把八位微機和一位微機結 長春工業(yè)大學畢業(yè)論文13合在一起是微機技術上的一個突破。一位機在開關決策、邏輯電路仿真和實時測控方面非常有效，而八位機在運算處理、智能儀表常用的數據采集方面有明顯的長處。在 MCS-51 系列單片機中八位機和一位機（布爾處理器）的硬件資源是復合在一起的，二者相輔相成，這是 MCS-51 在設計上的精美之處，也是一般微機所不具備的。MCS-48 的內部沒有布爾處理器。綜上就是 MCS-51 單片機的主要特點，顯然在性能方面遠遠強于 MCS-48 系列。MCS-51 的這些優(yōu)良特性和較高的性能價格比就是它為什么能迅速在我國代替TP801,Z80,MCS-48 的根本原因，也是為什么 MCS-51 應用熱經久不衰的理由。因此在本課題中選擇 8031 為核心設計控制系統(tǒng)硬件線路圖。4.3 單片機芯片的引腳描述⑴主電源引腳 VCC和 VSSVCC-(40 腳)接+5V 電壓；VSS-(20 腳)接地。⑵外接晶體引腳 XTAL1 和 XTAL2XTAL1（19 腳）接外部晶體的一個引腳。在單片機內部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器成了片內振蕩器。當采用外部振蕩器時，對 HMOS 單片機，此引腳應接地；對 CHMOS 單片機，此引腳作為驅動端。XTAL2(18 腳)接外部晶體的另一端。在單片機內部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，對 HMOS 單片機，該引腳接外部振蕩器的信號，即把外部振蕩器的信號直接接到內部時鐘發(fā)生器的輸入端；對 CHMOS，此引腳應懸浮。⑶控制或與其他電源復用引腳 RST/VPD、ALE/PROG,、PSEN 和 EA/VPP①RST/VPD(9 腳)：當振蕩器運行時，在此引腳上出現兩個機器周期的高電平將使單片機復位。推薦在此引腳與 VSS引腳之間連接一個約 8.2kΩ 的下拉電阻，與 VCC引腳之間連接一個約 10μF 的電容，以保證可靠的復位。VCC掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保持內部 RAM 的數據不丟失。當 VCC主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而 VPD 在其規(guī)定的電范圍內，VPD 就向內部 RAM 提供備用電源。②ALE/PROG(30 腳)：當訪問外部存儲器時，ALE 的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE 端仍以不變的頻率周期性地出現正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。然而要注意的是，每當訪問外部數據存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。ALE 端可以驅動 8 個 LS 型的 TTL 輸入電路。對于 EPROM 型的單片機,在 EPROM 編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖. 長春工業(yè)大學畢業(yè)論文14③PSEN(29 腳):此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號.在從外部程序存儲器取指令期間,每個機器周期兩次有效.但在此期間,每當訪問外部數據存儲器時,這兩次有效的信號將不出現.PSEN 同樣可以驅動 8 個 LS 型的 TTL 輸入.④EA/VPP(引腳):當 EA 端保持高電平時,訪問內部程序存儲器,但在 PC 值超過0FFFH 或 1FFFH 時,將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器內的程序.當 EA 保持低電平時,則只訪問外部程序存儲器,不管是否有內部程序存儲器.對于常用的 8031 來說,無內部程序存儲器,所以 EA 腳必須常接地,這樣才能只選擇外部程序存儲器.⑷輸入/輸出（I/O）引腳 P0、P1、P2、P3① P0 口(39 腳-32 腳):是雙向 8 位三態(tài) I/O 口,在外接存儲器時,與地址總線的低 8 位及數據總線復用,能以吸收電流的方式驅動 8 個 LS TTL 負載.②P1 口(1 腳-8 腳):是 8 位準雙向 I/O 口.由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài),輸入也不能鎖存,故不是真正的雙向 I/O 口.P1 口能驅動 4 個 LS TTL 負載.對8052、8032,P1.0 引腳的第二功能為 T2 定時/計數器的外部輸入,P1.1 引腳的第二功能為捕捉、重裝觸發(fā),即 T2 的外部控制端.對 EPROM 編程和程序驗證時,它接收低 8位地址。③P2 口(21 腳-28 腳):是 8 位準雙向 I/O 口.在訪問外部存儲器時,它可以作為擴展電路高 8 位地址總線送出高 8 位地址.在對 EPROM 編程和程序驗證期間,它接收高 8 位地址.可以驅動 4 個 LS TTL 負載.④P3 口(10 腳-17 腳):是 8 位準雙向 I/O 口,在 MCS-51 中,這 8 個引腳還用于專門功能,是復用雙功能口.P3 能驅動 4 個 LS TTL 負載.作為第一功能使用時,就作為普通 I/O 口用,功能和操作方法與 P1 口相同.作為第二功能使用時,各引腳的定義如圖所示.值得強調的是,P3 口的每一條引腳的定義均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能. 長春工業(yè)大學畢業(yè)論文15圖 4.1 8031 引腳結構圖4.4 單片機外圍電路的設計4.4.1 復位電路的設計51 系列單片機通過 RST 片腳輸入復位信號。當 RST 保持個機器周期高電平就是先復位操作。CPU 測試到復位信號后在第二個機器周期執(zhí)行一系列片內復位操作，并且在 RST 變低前的每一個周期重復執(zhí)行。復位結束時，四個并行口（P0～P3）為全高，即可直接作第二功能使用，或作第一功能輸入信號。堆棧指針（SP）設為 07H，即通用寄存器 0 區(qū)未設成堆棧，這樣，寄存器 0 區(qū) R0～R7 與棧區(qū)不重迭。串行口緩沖寄存器 SBUF 內容不定。其他所有控制位，標志位全部為零。按鍵復位操作不影響片內數據存儲器（用戶 RAM）00～7FH 各單元。如果斷電后再上電復位，則用戶 RAM 內容不確定。RET 片腳也是雙功能的。除復位外，另一功能是在斷電時，通過 RST/Vpd 片腳引入備用電源。利用這一特性，在檢測到電源即將短開時，擁護系統(tǒng)應中斷，把有關數據送到片內 RAM 保護，并在單片機正常電源 Vcc 下降到操作允許極限之前把備用電源加到 RST/Vpd，單片機進入掉電運行方式，備用電源向片內 RAM 供電。這樣單片機雖然不能工作，但能保存信息。當電源恢復時，Vpd 應保持到片內振蕩電路開始正常工作再加 2 個機器周期以完成復位操作后才可撤消。對于一般 51 系列單片機只有上述掉電運行方式，而對于 CMOS 工藝制作的 51 系列單片機則具有更完善的掉電保護功能。圖 4.2 8031 與復位電路接口4.4.2 時鐘電路設計 長春工業(yè)大學畢業(yè)論文168031 片內設有一個有反向放大器構成的振蕩器，XTAL1 和 XTAL2 分別為振蕩電路的輸入端和輸出端。時鐘可以有內部方式產生和外部方式產生。在 XTAL1 和XTAL2 引腳上外接定時元件，內部振蕩電路就產生振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶體可以在 1.2MHz 到 12MHz 之間選擇，電容值在5~30PF 之間選擇，電容的大小可起頻率微調作用。XTAL1 接地，XTAL2 接外部振蕩器。對外部振蕩信號無特殊要求，只要保證脈沖寬度，一般采用頻率底于 12MHz 的方波信號。時鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產生一個兩相時鐘信號 P1 和 P2 供時鐘使用。P1 在每一個狀態(tài)的前半部分有效。P2 在每一個狀態(tài)的后半部分有效。時鐘電路如圖（4.3）所示：圖 4.3 時鐘電路接口4.5 存儲器的擴展4.5.1 程序存儲器的擴展MCS-51 的程序存儲器空間、數據存儲器空間是相互獨立的。程序存儲器尋址空間為 64K 字節(jié)（0000H～FFFFH）,其中 8051、8751 片內包有 4K 字節(jié)的 ROM 或 長春工業(yè)大學畢業(yè)論文17EPROM,8031 片內不帶 ROM..當片內 ROM 不夠用或采用 8031 芯片時，需擴展程序存儲器。用作程序存儲器的器件是 EPROM 和 EEPROM.程序存儲器一般采用芯片 ，國內一般無條件使用掩模，也極少使用，經常使用的是芯片。由于 MCS-51 單片機的 P0 口是分時復用的地址/數據總線，因此在進行程序存儲器擴展時，必須利用地址鎖存器將地址信號從地址/數據總線中分離開來。通常，地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八 D 鎖存器 74LS373 或 8282，也可以使用帶清除端的八 D 鎖存器 74LS273，地址鎖存信號為 ALE 。74LS373 和 8282 都是透明的帶有三態(tài)門的八 D 鎖存器。當三態(tài)門的使能信號線 OE 非為低電平時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)，允許 1Q～8Q輸出到 OUT1～8，當 OE 非端為高電平時，輸出三態(tài)門斷開，輸出線 OUT1～8 處于浮空狀態(tài)。G 稱為數據打入線，當 74LS373 用作地址鎖存器時，首先應使三態(tài)門的使能信號 OE 非為低電平，這時，當 G 輸入端為高電平時，鎖存器輸出狀態(tài)和輸入端狀態(tài)相同；當 G 端從高電平返回到低電平時，輸入端的數據鎖入 1Q～8Q 的 8 位鎖存器中。當用 74LS373 和 8282 作為地址鎖存器時，它們的鎖存控制端 G 和 STB 可直接與單片機的鎖存控制信號端 ALE 相連，在 ALE 下降沿進行地址鎖存，而 74LS273 作為地址鎖存器時，單片機 ALE 端輸出的鎖存控制信號必須經反相器后才能連到74LS273 的 CLK 端，以滿足 CLK 在上升沿鎖存的要求。常用 EPROM 芯片介紹紫外線擦除電可編程只讀存儲器 EPROM 可作為 MCS-51 單片機的外部程序存儲器，其典型產品是 INTEL 公司的系列芯片 2716、2732、2764、27128、27256、27512 等。這些芯片上均有一個玻璃窗戶，在紫外光下照射 20 分鐘左右，存儲器中的各位信息均變?yōu)?1，此時，可以通過編程器將工作程序固化到這些芯片中。① 2716EPROM2716 是 2K×8 位的紫外線擦除電可編程只讀存儲器，單一+5V 供電，運行時最大功耗為 252mW，維持功耗位 132mW，讀出時間最大位 450ns，24 腳雙列直插式封裝，其管腳配置如圖所示。其中 A0～A10 是地址線；O0～O7 是數據線；CE 非是片選線，低電平有效；OE 非是數據輸出選通線；Vpp 是編程電源；Vcc 是工作電源。② 2732A EPROM2732A 是一種 4K×8 位的紫外線擦除電可編程知識讀存儲器，單一+5V 供電，最大靜態(tài)工作電流位 100mA，維持電流為 35mA，讀出時間最大為 250ns。2732A 為 24線雙列直插式封裝。③ 2764A EPROM2764A 是 8K 字節(jié)的紫外線擦除、電可編程只讀存儲器，單一+5V 供電，工作電 長春工業(yè)大學畢業(yè)論文18流為 75mA，維持電流為 35mA，讀出時間最大為 250ns，28 腳雙列直插式封裝。④ 27128A EPROM27128A 是 16K×8 位的紫外線擦除電可編程只讀存儲器，單一+5V 供電，工作電流為 100mA，維持電流 40mA，讀出時間最大為 250ns，28 線雙列直插式封裝，各引腳含義如下：A0～A13 為地址線；O0～O7 為數據輸出線；CE 非為片選線；OE 非為數據輸出選通線；PGM 非為編程脈沖輸入端；Vpp 為編程電源。⑤ 7256 EPROM27256 是 64K×8 位的紫外線擦除、電可編程只讀存儲器，單一+5V 供電，工作電流為 100mA，維持電流為 40mA，讀出時間為 250ns，28 線雙列直插式封裝，其各引腳如下：A0～A14 是地址線；O0～O7 是數據輸出線；CE 非是片選線；OE 非是數據輸出選通線；Vpp 是編程電源⑥ 27512 EPROM27512 是 64K×8 位的紫外線擦除、電可編程只讀存儲器，單一+5V 供電，工作電流最大 125mA，維持電流 40mA，讀出時間最大為 250ns。27512 為 28 線雙列直插式封裝，各引腳含義如下：A0～A15 為地址線；O0～O7 為數據輸出線；CE 非是片選線，OE 非/Vpp 是數據輸出選通/編程電源。圖 4.4 8031 與 27128 的接口圖 長春工業(yè)大學畢業(yè)論文194.5.2 數據存儲器的擴展8031 單片機內部具有 128 個字節(jié)數據存儲器，CPU 對內部 RAM 具有豐富的操作指令，這個 RAM 區(qū)是十分珍貴的資源，可作為工作寄存器，堆棧，軟件標志和數據緩沖區(qū)等。但在實際應用系統(tǒng)中，可利用外接 RAM 電路作為外部的數據存儲器。數據存儲器與程序存儲器地址重疊編號使用不同的控制信號和指令，但它于I/O 口以及外圍設備實行統(tǒng)一編址，任何擴展 I/O 口以及外圍設備均占用數據存儲器地址。數據存儲器只使用 WR，RD 控制線而不用 PSEN。在本次設計中適用靜態(tài)RAM，靜態(tài) RAM 不必考慮保持數據而設置的刷新電路，且它與主機的硬件連接簡便，方便。圖 4.5 8031 與 6264 的接口圖6264 是 8K×8 位的靜態(tài)隨機存儲器芯片，采用 CMOS 工藝制作，單一+5V 電源，額定功耗 165mw，典型存取時間為 200ns，24 線雙列直插式封裝，其管腳與邏輯符號如上圖所示。A0~A12 為片內 13 位地址線，D0~D7 為 8 位數據線 CE 為片選信號，OE 為讀允許信號線，WE 為寫信號線。數據存儲器擴展電路與程序存儲器擴展電路相似，所用的地址線，數據線完全相同，讀，寫控制線用 WR，RD 但要考慮的問題比程序存儲器涉及的問題要多，如I/O 口擴展的統(tǒng)一編址問題。4.6 A/D 轉換器的選擇在單片機的實時控制和智能化儀表等應用系統(tǒng)中，常需要將檢測到的連續(xù)變化的模擬量如溫度、壓力、流量、速度等轉換成離散的數字量，才能輸入到單片機微機中進行處理。然后再將處理結果的數字量經 D/A 變換器轉換成模擬量輸出，實現 長春工業(yè)大學畢業(yè)論文20對被控對象的控制。實現模擬量變換成數字量的設備稱為模數轉換器。A/D 轉換器按照輸出代碼的有效位數分為 4 位、6 位、8 位、10 位、12 位、16位等；按照轉換速度可以分為超高速、高速、中速、低速等幾種不同轉換速度的芯片。A/D 轉換器的選擇要點：⑴如何確定 A/D 轉換器的位數A/D 轉化器的位數的確定與整個測量控制系統(tǒng)所要測量控制的范圍和精度有關，但又不能唯一確定系統(tǒng)的精度。因為系統(tǒng)精度涉及的環(huán)節(jié)較多，包括傳感器變換精度、信號預處理電路精度和 A/D 轉換器及輸出電路、伺服機構精度，甚至還包括軟件控制算法。然而估算時，A/D 轉換器的位數至少要比總精度要求的最低分辨率高一位。實際選取的 A/D 轉換器的位數應與其他環(huán)節(jié)所能達到的精度相適應。只要不低于它們就行，選得太高既沒有意義，而且價格還要高得多。對轉換器位數的另一點考慮是如果微處理器是 8 位的，采用 8 位以下的轉換器，其接口電路最簡單。因為絕大部分集成轉換器的數據輸出都具有電平，而且數據輸出寄存器具有可控三態(tài)輸出功能，可直接掛在數據總線上。當采用 8 位以上的轉換器時，就要加緩沖器接口，數據要分兩次讀出。假如微處理器是 16 位的，采用多少位的轉換器都一樣。綜上所述，因此該課題選擇 8 位以下的，如 ADC0809。⑵如何確定 A/D 轉換器的轉換速率A/D 轉換器從啟動轉換到轉換結束，輸出穩(wěn)定的數字量，需要一定的時間，這就是 A/D 轉換器的轉換時間；其倒數就是每秒鐘能完成的轉換次數，稱為轉換速率。用不同原理實現的 A/D 轉換器其轉換時間是大不相同的?？偟膩碚f，積分型、電荷平衡型和跟蹤比較型 A/D 轉換器轉換速度較慢，轉換時間從幾毫秒到幾十毫秒不等，只能構成低速 A/D 轉換器，一般適用于對溫度、壓力、流量等緩變參量的檢測和控制。逐次比較型的 A/D 轉換器的轉換時間可從幾微秒到 100 微秒左右，屬于中速A/D 轉換器，常用于工業(yè)多通道單片機控制系統(tǒng)和聲頻數字轉換系統(tǒng)等。⑶如何決定是否要加采樣保持器原則上直流和變化非常緩慢的信號可不用采樣保持器。其他情況都要加采樣保持器。根據分辨率、轉換時間、信號帶寬關系可得到如下數據作為是否要加采樣保持器的參考：如果 A/D 轉換器的轉換時間是 100ms、ADC 是 8 位時、沒有采樣保持器時，信號的允許頻率是 0.12HZ；如果 ADC 是 12 位，該頻率為 0.0077HZ。如果轉換時間是 100μs，ADC 是 8 位時，該頻率為 12HZ，12 位時是 0.77HZ。⑷工作電壓和基準電壓有些早期設計的集成 A/D 轉換器需要±15V 的工作電壓，最近開發(fā)的產品可在+12V～+15V 范圍內工作，這就需要多種電源。如果選擇使用單一＋5V 工作電壓的芯片，與單片機系統(tǒng)可共用一個電源就比較方便。 長春工業(yè)大學畢業(yè)論文21基準電源是提供給 A/D 轉換器在轉換時所需要的參考電壓，這是為保證轉換精度的基本條件。在要求較高精度時，基準電壓要單獨用高度穩(wěn)定電源供給。⑸正確選用 A/D 轉換器有關量程的引腳A/D 轉換器的模擬量輸入有時需要是雙極性的，有時是單極性的。輸入信號最小值有從零開始，也有從非零開始的。有的 A/D 轉換器提供了不同的量程的引腳，只有正確使用，才能保證轉換精度。有些 A/D 轉換器如 ADC0809 提供有兩個參考電壓引腳，一個為 REF(+)，另一個為 REF(-)。通常情況下，可將 REF(-)接地。當輸入的模擬量不是從零開始，最大值也不是滿量程時，就可利用這兩個參考電壓引腳連成。例如輸入模擬量來自壓力傳感器，壓力為零時模擬量電壓為 1.25V；壓力為額定值時模擬電壓值為 3.75V。使用對稱參考電壓接法，則可使壓力為零時的 A/D 轉換器的輸出字為 00H，壓力為額定值時輸出字為 FFH。此種接法可提高測量精度。綜上，該課題選擇 ADC0809ADC0809 片內帶有鎖存功能的 8 路模擬多路開關，可對 8 路 0～5V 的輸入模擬電壓信號分時進行轉換，片內具有多路開關的地址譯碼和鎖存電路、比較器、256R電阻 T 型網絡、樹狀電子開關、逐次逼近寄存器 SAR、控制與時序電路等。輸出具有 TTL 三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到單片機數據總線上。分辨率為 8 位。最大不可調誤差 ADC0809 小于±1LSB.單一+5V 供電，模擬輸入范圍為 0～5V.具有鎖存控制的 8 路模擬開關?？涉i存三態(tài)輸出，輸出與 TTL 兼容。功耗為 15 兆瓦.不必進行零點和滿度調整。轉換速度取決于芯片的時鐘頻率。芯片引腳功能如下：IN0～IN7:8 路輸入通道的模擬量輸入端口。2-1-2-8:8 位數字量輸出端口。START,ALE:START 為啟動控制輸入端口，ALE 為地址鎖存控制信號端口。這兩個信號端可連接在一起，當通過軟件輸入一個正脈沖，便立即啟動模/數轉換。EOC,OE:EOC 為轉換結束信號脈沖輸出端口，OE 為輸出允許控制端口。這兩個信號也可連接在一起表示模/數轉換結束。OE 端的電平由低變高，打開三態(tài)輸出鎖存器，將轉換結果的數字量輸出到數據總線上。REF(+),REF(-),VCC,GND:REF(+)和 REF(-)為參考電壓輸入端，V CC為主電源輸入端，GND 為接地端。一般 REF(+)與 VCC連接在一起，REF(-)與 GND 連接在一起。 長春工業(yè)大學畢業(yè)論文22CLK:時鐘輸入端ADDA,B,C:8 路模擬開關的三位地址選通輸入端，以選擇對應的輸入通道。其對應的輸入通道。圖 4.6 A/D 轉換器的接法4.7 D/A 轉換器的選擇在單片機應用系統(tǒng)設計中，常要用到模擬輸出，數模轉換器(D/A)就是一種把數字信號轉換成為模擬信號的器件。實際上，D/A 轉換器輸出的電量并不真正能連續(xù)可調，而是以所用 D/A 轉換器的絕對分辨率為單位增減，所以這實際上是準模擬量輸出。為了滿足計算機的總線控制要求，適應計算機應用系統(tǒng)結構，在 D/A 轉換芯片內增加了一些計算機接口相關電路及引腳，其結構特征是：具有數字輸入鎖存功能電路，能和 CPU 數據總線直接相連；帶有數據寄存器及 D/A 轉換控制端，CPU 可直接控制數字量的輸入和轉換；與 CPU 相同的單一+5V 電源供電。這類芯片適用于單片機應用系統(tǒng)的 D/A 接口，故稱這類芯片為與微處理器完全兼容的 D/A 轉換芯片。這類芯片主要有：⑴DAC0830 系列。DAC0830 系列為美國 National Semiconductor 公司生產的具有兩個數據存儲器的 8 位 D/A 轉換芯片，該系列產品包括DAC0830、DAC0831、DAC0832，管腳完全兼容為 20 腳的雙列直插式封裝。