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1、摘 要随着社会的发展，自动控制越来越成为人们关注的焦点,自动调节电阻炉温度系统也备受关注-。其中微机及其应用已经成为高、新科学技术的重要内容和标志之一，它在国民经济的各个领域正在发挥着引人注目的作用。微机控制的电阻炉温度控制系统实际上就是一个智能控制系统，是一种能耗相对来说比较低的温度控制系统。本人采用AT89C51单片微机对电阻炉的加热过程进行控制。使用热电偶作为温度传感器把热信号转变成电信号，电信号再经过放大，经过模数转换再输入到CPU。控制器采用PID控制算法，温度控制的原理是通过调整晶闸管的导通时间来调节加热主回路的有效电压,从而达到温度控制的目的。系统由AT89C51单片微机、温度传
2、感器、A/D转换器、键盘及显示电路、晶闸管触发电路等组成的控制器和被控对象电阻炉构成一个闭环控制系统1。系统控制程序采用模块化设计结构，主要包括主程序、中断服务子程序、控制算法子程序等。系统采用过零触发等技术，省去了传统的D/A转换元件，简化了电路，并且提高了系统的可靠性。同时，系统可以实时控制电阻炉的实际温度。关键词 ：AT89C51； 热电偶； 晶闸管； PIDABSTRACTWith the development of the society，the autocontrol becomes more and more important.The autocontrol of the r
3、esistance furnace is highly anticipated.Microcomputer and its application has become one of the most important contents and signs in the field of High-scientific technology and new scientific technology, which plays an attractive role in every field in our national economy.As a matter of fact, Resis
4、tance Temperature Control System which is operated by microcomputer is an Intellectual Control System.In other words，it is a Temperature Control System which consumes less than others.The AT89C51 single microcomputer is adopted to control the heating process of resistance，use as a temperature transd
5、ucer to turn the heating single into electing single，enlarge the electrical single，transformed through simulate numbers，then input CPU.Controllers use PID control calculation.The principle of temperature control is to adjust and heat the effective voltage of the main circuit through regulate the div
6、ersified time of transistor，therefore，it carries out the purpose of controlling the temperature.System as controlled resistance makes up an cycle control system.Control procedure of system adopts the structure of designing module，including main procedure，subsiding of suspending serves and subsidiary
7、 of control calculation etc.System adopt A.C、passes through zero etc technologies，omit traditional D/A transform components，simplify the circuit，and improve the dependability of system.Meanwhile，system also can control the real temperature of resistance at the right moment.Keywords： AT89C51； thermoc
8、ouple； thyristor； PID 目 录第一章 绪论1课题研究的背景及意义1 1.2 国内外研究现状2 1.3 本文的主要内容3 第二章 电阻炉温度控制系统总体设计方案4 系统原理4 5 系统方案的论证.6第三章 系统硬件设计83.1 温度检测电路83.1.1 热电偶冷端温度补偿93.1.2 测量放大电路93.1.3 保护电路103.2 单片机的选型10 3.3 EEPROM存储器的扩展设计11 3.4 A/D转换电路设计13隔离放大器的设计 14 3.4.2 DAC7521数模转换接口15 3.5 键盘及显示电路设计163.5.1 键盘接口电路设计163.5.2 显示电路设计 17
9、 3.6 可控硅调功控温 18 3.6.1 过零触发调功器的组成18 3.6.2 可控硅调功主要电路介绍 193.7 与上位机通信模块20 3.7.1 通信接口MAX48521 3.7.2 下位机通信接口电路 22 3.8 掉电检测与保护电路23 3.9 晶闸管过零检测与触发电路.23 3.10 看门狗电路的设计24第四章 控制算法研究274.1 传统的PID算法27 4.2 积分分离PID算法28 4.3 系统仿真分析 29 第五章 系统软件设计315.1 系统主程序设计 315.2 系统的控制程序335.3 积分分离PID控制345.4 采样子程序 35结论37 致谢38参考文献 39 附
10、录40第一章 绪论热处理是提高金属材料及其制品质量的重要手段。近年来随着工业的发展，对金属材料的性能提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质、高效、节能、无公害方向发展。电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，这样加热时均温过程的测量与控制就成为关键性的技术，促使人们更加积极地研究控制热加工工艺过程的方法。电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，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。因此本文将积分分离PID控制算法引入传统的加热炉控制系统，构成智能控制系统。课题研究的背景及意义电阻炉是热处理生产中应用最
11、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并借助辐射与对流的传热方式加热工件。热处理是提高金属材料及其制品性能的工艺。根据不同的目的，将材料及其制件加热到适宜的温度，保温，随后用不同的方法冷却，改变其内部组织，以获得所要求的力学性能，通过热处理可以提高制件的使用效能或寿命。目前，我国电阻炉控制设备的现状是一小部分比较先进的设备和大部分比较落后的设备并存。整体上，我国的电阻炉控制系统与国外发达国家相比还比较落后。占主导地位的是仪表控制，这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确。控制精度依赖于试验者的调节，控制精度不高，一旦生产环境发生变化就需要重新
12、设置。操作不方便，控制数据无法保存。因而，对生产工艺的研究很困难，因此造成产品质量低、废品率高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低，这些都影响了企业的效益。近年来 ，虽然引进了国外的一些控制器，如日本岛电的R四3型40段(步)可编程PID调节器，全部操作窗口按功能分为6个窗口群，共95个子窗口，其设置仍然繁杂。随着先进制造技术的迅速发展，热处理设备的控制精度越来越重要，而温度对热处理工件质量具有重要影响，因此炉温控制显得尤为重要。由于一般的炉温控制系统是参数时变、非线性、大滞后系统，在许多应用实例中已证明，与传统的PID控制相比，采用Fuzzy控制有较快的响应和更小的超调，非线性因素的影响小，具
13、有很好的鲁棒性。但控制精度不够高，在大滞后系统中还可能出现不稳定现象。因此，我们设计了一种带积分分离的PID控制器，既考虑了抗扰性又考虑到跟踪性，获得了良好的控制效果。1.2国内外研究现状自1980年以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度测控系统发展迅速，尤其是控制方面，在智能化、自适应、参数自整定等方面取得显著成果。在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国家技术领先，都生产出了一批商品化、性能优异的温度控制仪表，并在各行业广泛应用。其特点是适应于大惯性、大滞后等复杂温度测控系统，具有参数自整定功能和自学习功能，即温控
14、器对控制对象、控制参数及特性进行自动整定，并根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强等特点。目前，国外温度控制仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。微处理技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，在控制领域出现的一系列新的技术课题之一的被控对象动静态参数、控制系统结构、参数发生较大范围变化的情况下，控制系统仍能满足给定的品质指标，这是自适应控制的最基本特征， 自适应PID 控制可以在线不断整定参数，克服干扰，跟踪系统的时变特性，使控制对象达到一定的目标2。同时，随着现代控制理论（诸如智能控制、自适应模糊控制和神经
15、网络技术等）研究和应用的发展与深入，为控制复杂无规则系统开辟了新途径，逐步弱化或取消了对受控对象数学模型结构不变的限制。电阻炉温度控制技术发展日新月异，从模拟PID、数字PID到最优控制、自适应控制，在发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在现有的电加热炉温度控制方案中，PID和模糊控制应用最多，也最具代表性。目前我国在测控仪表研究与生产应用中，总结了很多经验，但从国内生产的温度控制器及测温仪表来说，总体发展水平仍然不高。成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，只能适应一般温度系统测控，难以控制复杂的大滞后时变温度系统。目前，我国在温度测控仪表业与国外的差距主要表现在如下
16、几个方面:（1） 行业内企业规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，导致研发能力不强，制约技术发展。（2） 商品化产品以PID控制器为主，智能化仪表少，这方面同国外差距较大。目前，国内企业复杂的及精度要求高的温度控制系统大多采用进口温度控制仪表。（3） 仪表控制用关键技术、相关算法及控制软件方面的研究较国外滞后。例如:在仪表控制参数的自整定方面，国外己有较多的成熟产品，但由于我国开发上的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件，控制参数大多靠人工经验及现场调试来确定。这些差距我们必须努力克服。随着我国经济的发展及加入WTO带来的契机，政府及企业对于高新技术的发展都非常重视，对相关企业资源进行了重
17、组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技术合作等方式，组建了一批合资、合作及独资企业，使我国温度等测试仪表行业得到迅速的发展。1.3 本文的主要内容由于本文是本科学生的毕业设计，在一定程度上展示了在大学学习的成果，也展现了当代大学生独立完成设计工作一定的能力。它不仅仅是学习的需要，对于即将走上工作岗位的大学生来说，要想在将来的工作中如鱼得水，就要在现在作好各种准备，因此说，这次毕业设计任务也是以后走上工作岗位前的一个预演。所以本文应要详细地介绍设计步骤，以及各个模块的电路和详细说明，并要有系统设计的电路总图。下面将就本文各个章节计划完成的功能和主要工作做一下简单介绍。本文的主要工
18、作如下：第一章：主要介绍了电阻炉温度控制系统研究意义及国内外研究现状。第二章：电阻炉温度控制系统的整体设计方案介绍。主要是介绍一下电阻炉温度控制系统的主要硬件构成部分且给出了电阻炉温度控制系统方案的确定，并且画出其方框图。第三章：本章是设计的重要部分，即硬件设计。在这一章中主要介绍系统的各个功能模块和它们的电路图，它是在第二章的基础上更加细致地介绍炉温控制的各个组成部分，简要分析电路图的工作过程及功能。开发了一个能进行较复杂的数据处理，能完成复杂的控制功能的智能控制器，以AT89C51单片机为主体，对它的存储功能、I/O口、A/D转换等进行扩展，并加些电源、保护、可控硅触发电路等构成触发电路。
19、第四章：本章是控制算法研究部分。是为了达到满意的控制效果，研究具有良好控制状况的控制算法。第五章：本章是软件设计部分。在本章要画出设计所用到的程序的流程图，写出部分程序的源代码。另外还有仿真部分环节也将在下文中介绍。第二章 炉温度控制系统总体设计方案系统原理本系统是由AT89C51单片机，温度检测放大电路，A/D转换器、键盘及显示电路、晶闸管触发电路等组成的控制器和被控对象电阻炉构成一个闭环控制系统。见图2-1。反应炉温的电热偶电势，经冷端补偿后送至运算放大器放大，其电压范围是05V。将此电压送入AT89C51内的采样保持器和A/D转换电路后得到与炉温相应的数字量。此数字量经数字滤波，线性化处
20、理、标度变换后，通过LED显示炉温。当采样周期到达时，与设定温度进行比较，再作PID运算。根据运算结果，通过I/O口去改变控制脉冲宽度，从而改变双向晶闸管在一个固定的控制周期Tc内的导通时间。即改变电炉的平均输入功率，以此来达到控温目的。单片机系统AT89C51键盘过零检测LED显示掉电保 护A/D温度检测和补偿放大电阻炉自动/手动切换通信接口输入功率电源光电隔离可控硅调功控温存储器 图2-1 电阻炉温度控制系统结构框图本课题的下位机为自行开发的通用智能控制器。此智能控制器可作为一个独立的单片机控制系统，又可以与微机配合构成控制系统，具有较高的灵活性和可靠性。单片机是控制器的主体，它与一些扩展
21、电路（程序存储器、数据存储器、地址锁存器、地址译码器等）构成处理器模块。电阻炉温度控制系统主要有温度信号的检测与传送部分；AT89C51为核心的单片机系统及接口电路；掉电检测与保护电路。在这个系统中，反映炉温的热电偶电势经冷端补偿放大成110 V 的标准信号，再经A/D转换电路之后进入单片机，单片机根据输入的各种命令进行智能算法得到控制量输出脉冲触发信号，通过过零触发电路驱动双向可控硅，单片机通过I/O口改变控制脉冲宽度，也即改变了可控硅在一个固定控制周期Tc内的导通时间，这样电阻炉的温度就随着电阻炉的平均输入功率改变而变化，也即达到了控温目的。另外，此智能控制器还包括与上位机的通讯接口，故障
22、检测电路，数据显示电路等。2.2 方案比较基于可编程序控制器(简称PLC)的炉温多级模糊控制PLC 模糊控制 优化 随着现代化生产对温度控制品质要求的日益提高，一些控制精度差且难以管理的老式电阻炉必须用新技术进行改造，其中控制算法研究处于至关重要的地位。本文主要介绍基于 PLC的新的控制策略原理与实现，系统控制算法采用变化例因子与量化因子的多级模糊控制，并根据经验引入偏移量函数。该方法在PLC多段电阻炉系统中反复运行证明炉温上升快，控制温度高，达到了很好的控制效果。多级模糊控制的优化 由于一般模糊控制器是以e和e作为输入量，即只具而比例微分作用，缺少积分控制，模糊控制器动态性能好；但稳态误差较
23、大，消除时间长，采用多级模糊控制仍然存在稳态误差。因此根据前馈控制原理引入了函数Ug。Ug是给定温度值r的函数，Ug与r的关系随系统变化而变化，Ug的取值对系统的稳态精度也而很大影响。为简单起见，取Ug=r/k（k为对象的放大倍数，实际应用可估计为稳态温度值与输出通断率的比值）3。同时为保证Ug的跟随性，采用在线修改方法，依据下式进行： Ug(k)=Ug*+KgU(k) (1) 式中，Kg为经验值，取为0.8，U（k）为多级模糊控制器中采样时刻KT的输出量，Ug*为偏移量函数。实际运用中需对Ug进行限幅，可取Ugmax=r/(K-0.3),Ugmin=r/(K+0.3)。本系统的精确输出量表达
24、式如下： U= Round(U*+Ug)=Round(KuU+Ug*+KgU) (2)式中，Round( )为PLC指令中的取整操作。 实践证明，优化后的多级模糊控制大大改善了系统的稳态性能与稳态精度PLC及高集成化元件结构简单，抗干扰性好，控制算法满足快速性与高精度控制的要求，调整方便，具有普遍应用意义和推广前景。超塑成形/扩散连接炉温的模糊控制方法超塑成形/扩散连接(SPF/DB)是近年发展起来的航空制造技术。超塑成形/扩散连接加热炉的炉温控制在SPF/DB工艺技术中占有重要的地位。由于SPF/DB制造的产品形状复杂，性能要求高，工艺过程时间长，加热炉内的SPF/DB成形模具的温度测量滞后
25、性较大并具有非线性特点，建立精确的数学模型比较困难，因此，采用模糊控制比较适宜。它对缩短试验周期、提高产品质量、节约能源及原材料、减轻劳动强度将起到重要作用我们知道偏差和偏差变化率模糊集的定义和模糊控制规则及其修正均需要进行大量的试验才能获得更实用的数据固态继电器在炉温控制在工厂生产中用于工件烘干及热处理的设备很多。如箱式电炉、红外线加热炉、熔化炉、干燥箱、井式回火炉、淬火炉、高温盐炉、中温盐炉和油炉等，其工作温度在01200之间。此类设备有的外购，有的系公司自行设计生产，大多设备控制柜老化严重，使用时间近20年。此类设备均采用记录仪直接控制接触器通断进行加热，控制精度较低，一般在士5之间，而
26、且噪音大、耗能高。随着公司制造能力及技术的发展，现在对工件表面处理要求越来越高，控温要求也越来越高。在“十一五”期间公司投入部分资金进行系统改造。在改造过程中借鉴国外技术，新系统采用三表分离，测温点采样多，分布均匀，控温精度高，一般在-4-2以内。特别是采用固态继电器以后，既降低了噪音又降低了空载损耗。固态继电器有优势，但也存在导通压降较大，有断态漏电流等缺点固态继电器在炉温控制相互之间可互换，通用性强，维护方便。而且控温精度高，噪音低，节省能源 系统方案的论证无论是工业生产中，还是日常生活中，对温度的检测和控制都是必不可少的，对于温度的检测通常是采用热敏电阻在通A/D（模/数）转换得到数字信
27、号，但由于信号的采集对整个系统的影响很大，如果采样精度不高，会使这个系统准确性下降。而对于电阻炉温度控制的方法也有很多：如单片机控制、PLC控制、PID控制等等。综合各方面的意见，本设计采用基于积分分离PID算法控制的单片机来实现电阻炉温度的控制。方案一：利用基于积分分离PID的单片机实现电阻炉温度控制系统利用单片机系统实现电阻炉温度恒定的控制，其总体结构图如图2-1所示。系统主要有AT89C51单片机，温度检测放大电路，A/D转换器、键盘及显示电路、晶闸管触发电路等组成的控制器和被控对象电阻炉构成一个闭环控制系统。温度采集电路以数字量形式将现场温度传至单片机。单片机结合现场温度与用户设定的目
28、标温度，按照已经编程固化的控制算法计算出实时控制量，而此控制算法在传统的PID基础上有了改进，改进的PID算法-积分分离PID。其主要用途是当被控制量与系统设定值偏差较大时,能取消积分作用,避免由于积分作用使系统稳定性下降,超调量增加;当被控量接近设定值时,引入积分控制,以消除系统静差,提高系统控制精度4。以此控制量控制固态继电器开通和关断，决定加热电路的工作状态，使温度逐步稳定于用户设定的目标值。在温度到达设定的目标温度后，由于自然冷却而使其温度下降时，单片机通过采样回的温度与设置的目标温度比较，作出相应的控制，开启加热器。当用户需要比实时温度低的温度时，此电路可以利用风扇降温。系统运行过程
29、中的各种状态参量均可由数码管实时显示。方案二：利用PLC实现电阻炉温度控制系统利用PLC实现对电阻炉温度的控制是采用PLC控制实现电热丝加热全通、间断导通和全断加热的自动控制方式，来达到温度的稳定。智能型电偶温度表将置于被测对象中，热电偶的传感器信号与恒定温度的给定电压进行比较，构成闭环系统，生成温差电压Vt，PLC自适应恒温控制电路，根据Vt的大小计算出全通、间接导通和全断的自适应温度控制电路，并将占空比可调的控制电平经输出隔离电路去控制可控硅门极的通断，实现自适应的炉温控制。若温度升的过快，PLC也将输出关断电平信号转换为可控硅电路相匹配的输入信号。对于方案一，采用单片机实现电阻炉温度控制
30、，该方案成本低，可靠性高，抗干扰性强，但对于系统的动态性能与稳态性能要求较高的场合是不合适的；而我们在基于PID控制原理给出了积分分离PID控制器的具体实现方法。其基本设计思想是将积分分离和PID控制结合起来，发挥两者的优点。所以确定这个方案可行。而对于方案二，采用PLC实现恒温控制，由于PLC成本高，且PLC是外围系统配置复杂，不利于我们的设计。第三章 硬件设计3.1 温度检测电路温度检测电路如图3-1所示。图3-1 温度检测电路本系统温度传感器选用镍铬-镍硅热电偶， 其测温范围适中，线性度较好，价格便宜，有较强的抗氧化性和抗腐蚀性，输出热电势较大，便于测量放大器选配。热电偶是由两种不同金属
31、焊接在一起组成的，当热端与冷端存在温差时，两金属的自由端间产生电动势，其大小决定于组成热电偶的材料和冷热两端的温差。所以要用热电偶首先要使冷端温度固定不变，也即进行冷端温度补偿5。同时，热电偶是由贵重金属制作的，而一般热端和冷端有相当的距离，为了降低成本，实际使用时热电偶自身很短，而选用与热电偶性能相近，价格低廉的导线来延伸中间距离。 热电偶冷端温度补偿热电偶冷端温度补偿采用集成温度传感器AD590，AD590是美国Anlog Devices公司生产的单片集成的二端式温度敏感电流源，具有温度响应速度快、体积小、寿命长、精度高、线性度好、能进行远距离测量等优点；并且有宽的激励电压，在+ 4 +3
32、0 V之间任何值电压下都产生标准的(1 A)输出，可以用它产生的温度敏感电流形成补偿电压，而且接法简单。图3-1虚线框内利用AD590 作为热电偶冷端温度补偿的电路原理。AD590 作为热电偶冷端温度补偿测温元件，安置在冷端附近，使之与冷端处于同一温度下，其输出电流随冷端温度而改变。以K型热电偶为例，以 I表示与(173 +0)温度相对应的电流流过AD590的电流，流过AD590的电流 （3-1）式中 0-热电偶冷端温度负载电阻R上输出电压 （3-2）选择R1使V0在A/D允许输入范围内，本系统选R1=10K。利用公式（3-1）可方便地求出任意时刻的冷端温度0， 经过处理之后就可得到该温度的补
33、偿电势6。这种测量方法，不需对冷端温度作严格限制，且结构简单，补偿精度高，可在冷端温度变化不大的情况下予以准确补偿，克服了常规方法补偿误差大和不方便的缺点。3. 测量放大电路实际电路中，从热电偶输出的热电势信号最多不过几十毫伏(一般为056 mV)，信号需经运放放大100倍左右；且其中包含工频、静电和磁耦合等共模干扰，对这种电路放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，因此宜采用测量放大电路。测量放大器的输入阻抗高，易与各种信号源匹配，并且输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小，温漂也较小，因而其稳定性好。如图3-1所示由三运放组成测量放大器，热电偶差动输入端分
34、别接到A1和A2的同相端。输入阻抗很高，采用对称电路结构，而且被测信号直接加到输入端，从而保证了较强的抑制共模信号的能力。A3实际上是一差动跟随器，其增益近似为1， 主要完成反向功能。测量放大器的放大倍数为 （3-3） （3-4）在此电路中,只要运放A1和A2性能对称(主要指输入阻抗和电压增益),其漂移将大大减小,具有高输入阻抗和共模抑制比,对微小的差模电压很敏感,适宜于测量远距离传输过来的信号,因而十分易于与微小输出的传感器配合使用7。R W是用来调整放大倍数的外接电阻，在此用多圈电位器，参数应满足A V大于100。本文电路中A1、A2采用低漂移高精度运放OP-07芯片，其输入失调电压温漂和
35、输入失调电流温漂都很小，广泛应用于稳定积分、精密加法、比校检波和微弱信号的精密放大等。OP-07要求双电源供电。使用温度范围070，一般不需调零，如果需要调零可用RW进行调整。后级运放A3则可用较廉价的A741芯片，要求双电源供电，供电范围为（318）V，典型供电为15V，一般应大于或等于5V，其内部含有补偿电容，不需外接补偿电容。 保护电路为防止热电偶由于温度超出范围产生过大的电势对后继电路的破坏，在热电偶接入第一级运放前要接入一缓冲电路，如图3-1所示的输入端电容C1 C2 是对输入信号进行滤波，钳位二极管起保护作用，避免输入线路故障时瞬态尖峰干扰损坏运放和后级电路。两路输入电压送入采样保
36、持、A/D 转换电路转换后由单片机进行数据处理。热电偶的电势温度特性是非线性的，需要进行非线性校正，其线性化可通过硬件、软件来完成。在微机化智能仪器和控制系统中，常采用软件代替硬件进行非线性校正。3.2 单片机的选型随着电子技术、微电子技术的飞速发展，微型计算机发展很快，单片机作为计算机的一个独特的分支，以其体积小、功能强、性能价格比高等优点广泛应用于诸多领域，如工业控制系统、智能化仪表、数据采集系统等。在单片机的选型上，考虑单片机本身的性能以及本设计的需要，选用MCS-51系列单片机AT89C51。AT89C51是一个低功耗、高性能CMOS 8位单片机，可以按照常规方法进行编程，也可以在线编
37、程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C51主要功能特性（1）兼容MCS51指令系统；（2）且有布尔代数的运算能力；（3）32条双向且可被独立寻址的I/O口；（4）芯片内有128字节可供储存数据的RAM；（5）内部有两组16位定时器；（6）具有全双工传输信号UART；（7）5个中断源，且具有两级(高/低)优先权顺序的中断结构；（8）芯片内有4KB的程序存储器(ROM)；（9）芯片内有时钟(CLOCK)振荡器电路；（10）程序存储器可扩展至64KB(ROM)，数据存储器可扩展至64KB(RAM)。AT89C51单片机的
38、接口电路有MCM2814和AD574、DAC7521等芯片。MCM2814作为AT89C51的掉电数据保护功能，AD574作为温度检测电路的输入接口，DAC7521是模数转化接口。3.3 EEPROM存储器的扩展设计EEPROM可完成掉电数据保存功能，但常见的2816，2817，2864等芯片，一方面容量太大（价格，体积也大），另一方面可靠性也低，如不采取措施，在开机，关机时常会丢失数据。为此，本文选用一种廉价，体积很小的串行接口EEPROMMCM2814，它的容量为256*8，适合做本文的数量存储。MCM2814的基本特性：8脚芯片，采用HCMOS技术制造，功耗低，备用状态电流1m，工作电流
39、小于1mA。存储器容量为256字节。可字节编程，最多可一次编程4字节。片内有编程电压发生器，不需外接编程电压。支持两种串行接口：双线串行接口，M-bus（与I2C兼容）四线串行口，SPI。具有保护1/4，1/2，或3/4的EEPROM不被任意改写的功能。读或写数据时存储器地址可自动加1。电源电压：读出时为36V；编程时为4.56V。时钟和数据输入上加有数字滤波，可提高抗干扰能力。编程时只对新旧不同的位进行改写，而不需要先擦除整个字节。上电后芯片进入数据保护状态。写入/擦除次数大于10000个周期，数据保存时间大于10年。（1）引脚说明： VDD：电源供给端。 Vss：地线端。 TEST：它连接
40、到片内编程电压发生器上，可浮空或外部对地接一个电容，也可外接编程电压。 MODE：方式选择，它决定芯片的串行接口方式和其他引脚的功能。（2）MODE=1；即是SPI方式。 SPISS：从机选择输入，低电平有效。它为高电平时，不从SPISS输入数据，SPISO处于高阻状态。 SPISO：串行数据输出端。 SPISI：串行数据输入端。 SPICK：串行时钟输入，最高时钟频率125KHz，时钟为0或1的时间分别应大于等于4s。MCM2814可擦除存储器具有保护功能，具体如下，它可以保护存储器内部单元的安全，在控制信号的控制之下，它可以有效保护内部数据的安全，不受外部影响，在不供电或误操作的情况下都可
41、以保护数据的安全，保护位不受影响8。（3）阵列写入保护：字节地址255（FF）包含具有特殊功能的EEPROM位。对它们进行编程后可禁止对某些区域EEPROM的编程操作。地址FF的数据 保护的地址区域 保护字节数 00 无保护 0 01 C0FB 60 11 40FB 188注：=不关心位。在对地址255（FF）的数据进行修改后，可出去保护。MODE=1：即是SPI串行连接方式的连接图如图3-2所示： 图3-2 单片机与MCM-2814的连接图3.4 A/D转换电路设计ADC电路有两大类：直接转换型(通过基准电压与采样-保持电路的输出信号进行比较，直接转换为数字量)、 间接转换型(将采样-保持电
42、路输出的信号首先转换成时间或频率，然后再将时间或频率转换成数字量)。 直接转换电路转换速度高，转换精度容易保证；间接转换电路转换速度低，转换精度可以做的较高，对干扰抑制能力强，在测试仪表中应用广泛。本系统主要用于控制，所以使用直接转换型中的逐次逼近型ADC，有较高控制精度，而且在单片集成ADC中采用逐次逼近型电路的较多。因为本系统对转换时间要求不高，但要求一定的转换精度，所以选用12 位逐次逼近型AD574 芯片。 AD574 是Analog Device 公司的产品，其位数为12 位，转换速度为25S， 转换精度为， 广泛应用在数据采集系统中。芯片内有三态输出缓冲电路，可直接与单片机的数据总
43、线相连，且能与CMOS 和TTL兼容。本系统检测的对象是一个电炉温度信号，由于炉门的定时开关，使炉内温度信号变化较大，其变化频率远大于1.55 Hz。 由采样定理知，为了不失真的再现被采样信号，采样频率fx 应满足fx2 fmax ，其中fmax为被采样信号的最高频率成分。显然在A/D前应加入保持器LM398以满足采样定理，具体电路图如图3-3所示。 图3-3 A/D转换接口电路我们知道，若A/D 转换器的输入信号在整个转换期间产生大于1 LSB的变化，则结果将产生显著偏差，必须加入采样保持S/H，故输入信号变化率 （3-5）式中 -ADC的满度值 n 位数-转换时间设输入信号，则由式（3-5
44、）得 （3-6）则 (设=) （3-7） 当n=12时，Hz3.隔离放大器的设计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路如图3-4所示。图3-4 光隔离放大器其中，G1、 G2 是两个性能、规格相同(同一封装)的光电耦合器，G1、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和，则 （3-8） 则集成运放A4具有理想性能，则 （3-9）而输出电压U O为 (A5为跟随器) （3-10）
45、因此，电路的电压增益可由下式确定 （3-11）将式（3-10）和（3-11）代入上式，则 （3-12）由于G1、G2 是同性能、同型号、同封装的光电耦合器(MOC8111)，因此G1、G2 的电流传输系数 和 可看作是相等的，所以光耦合放大器的电压增益为 （3-13）由此可知，如图所示的光耦放大器增益与G1、G2 的电流传输系数和无关。实际上是利用G1 、G2 电流传输系数的对称性补偿了它们之间的非线性9。运放A5(A741)接成跟随器形式，以提高电路的负载能力。运放A1连接反馈电容C，用来消除电路的自激振荡。由于光电耦合器初级、次级之间存在着延迟，使G1 和G2 组成的负反馈电路之间显得迟缓，容易引起电路C自激振荡，连接电容之后，保证了电路对瞬变信号的负反馈作用，提高了电路的稳定性。电容C的容量可根据电