引 言21世紀(jì)自動(dòng)控制技術(shù)在工程和科學(xué)發(fā)展中起著極為重要的作用，熱力發(fā)電廠的生產(chǎn)過(guò)程中也毫無(wú)例外的采用了自動(dòng)控制技術(shù)。在熱力發(fā)電廠的生產(chǎn)過(guò)程中采用的熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)，是伴隨著社會(huì)對(duì)電能需求的日益增加、單機(jī)容量的日益擴(kuò)大和自動(dòng)控制技術(shù)在熱力發(fā)電廠中應(yīng)用的深度與廣度與日俱增而逐步發(fā)展起來(lái)的。維持鍋爐水位在一定的范圍內(nèi)變化，是汽機(jī)和鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要條件。若水位過(guò)高，會(huì)影響汽包的汽水分離裝置的正常工作，導(dǎo)致鍋爐出口蒸汽帶水和含鹽量過(guò)大，使過(guò)熱器受熱面結(jié)垢甚至破壞，影響機(jī)組的正常運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。若汽包水位過(guò)低，會(huì)使鍋爐水循環(huán)工況破壞，造成水冷壁供水不足而燒壞。隨著鍋爐參數(shù)的提高和容量的擴(kuò)大，對(duì)給水控制提出了更高的要求。隨著鍋爐容量的增大，鍋爐負(fù)荷變化對(duì)水位的影響加劇了。另外，鍋爐工作壓力的提高，使給水調(diào)節(jié)閥和給水管道系統(tǒng)相應(yīng)復(fù)雜，調(diào)節(jié)閥的流量特性更不易滿足控制系統(tǒng)的要求。因此，隨著汽包鍋爐朝著大容量、高參數(shù)的發(fā)展，給水系統(tǒng)采用自動(dòng)控制是必不可少的，它可以保證水位控制的準(zhǔn)確性，保證鍋爐運(yùn)行的安全可靠，而且大大減輕運(yùn)行工作人員的工作強(qiáng)度，減少人為因素的影響。從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性兩個(gè)方面考慮，我們采用8051單片機(jī)對(duì)汽包鍋爐水位進(jìn)行控制。第一章 單沖量汽包水位控制系統(tǒng)單沖量水位控制系統(tǒng)是以汽包水位測(cè)量信號(hào)為唯一的控制信號(hào)，即水位測(cè)量信號(hào)經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測(cè)量值與給定值的偏差去控制給水調(diào)節(jié)閥，改變給水量以保持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。單沖量水位控制系統(tǒng)，是汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單、最基本的一種形式?？刂葡到y(tǒng)由汽包、變送器、調(diào)節(jié)器（微處理機(jī)）、給水調(diào)節(jié)閥及相關(guān)電路組成。1.1 單沖量汽包水位控制系統(tǒng)的介紹單沖量汽包水位控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)鍋爐汽包容量比較大，汽包水位受到擾動(dòng)后的反應(yīng)速度比較慢，“虛假水位”現(xiàn)象不很?chē)?yán)重的鍋爐，采用單沖量水位控制就能滿足生產(chǎn)要求。單沖量汽包水位控制也存在著一些缺點(diǎn)，主要有：（1）單沖量控制方案只根據(jù)水位信號(hào)控制給水量，在鍋爐負(fù)荷變化大，即階躍擾動(dòng)很大時(shí)，由于鍋爐的“虛假水位”現(xiàn)象，例如負(fù)荷蒸汽增加時(shí)，水位一開(kāi)始先上升，調(diào)節(jié)器只根據(jù)水位作為控制信號(hào)，就去關(guān)小閥門(mén)減少給水量，這個(gè)動(dòng)作對(duì)鍋爐流量平衡是錯(cuò)誤的，從而在過(guò)程一開(kāi)始就擴(kuò)大蒸汽流量和給水流量的波動(dòng)幅度，擴(kuò)大了進(jìn)出流量的不平衡。（2）從給水?dāng)_動(dòng)下水位變化的動(dòng)態(tài)特性可以看出，由于給水壓力變化等原因造成給水量變化時(shí)，調(diào)節(jié)器要等到水位變化后才開(kāi)始動(dòng)作，而在調(diào)節(jié)器動(dòng)作后又要經(jīng)過(guò)一段滯后時(shí)間才能對(duì)汽包水位發(fā)生影響，因此必將導(dǎo)致汽包水位波動(dòng)幅度大，過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，適用于水容量大，飛升速度小，負(fù)荷變化也不大，控制質(zhì)量要求不高的小容量系統(tǒng)。1.2 被控對(duì)象的確定本設(shè)計(jì)的控制對(duì)象是汽包水位H，為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控水位，采用平衡容器把水位信號(hào)轉(zhuǎn)換成差壓信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)差壓信號(hào)管路傳送至差壓計(jì)，通過(guò)差壓計(jì)顯示水位，即所謂的差壓式水位計(jì)。1.2.1 差壓式水位計(jì)差壓式水位計(jì)是通過(guò)把液位高度變化轉(zhuǎn)化成差壓變化來(lái)測(cè)量水位，因?yàn)槠錅y(cè)量?jī)x表就是差壓計(jì)。差壓式水位計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量汽包水位的關(guān)鍵是水位于差壓之間準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)化是通過(guò)平衡容器實(shí)現(xiàn)的，常用的雙室平衡容器結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。圖1-1 雙室平衡容器正壓頭是從寬容器中引出，負(fù)壓頭是從置于寬容器中的汽包水側(cè)連通管中取得。寬容器中的水面高度是一定的。當(dāng)水面要增高時(shí)，水便通過(guò)汽側(cè)連通管溢流入汽包；要降低時(shí)，由蒸汽冷凝水來(lái)補(bǔ)充。因此當(dāng)寬容器中水的密度一定時(shí)，正壓頭為定值。負(fù)壓管與汽包是連通的，因此，負(fù)壓管中輸出壓頭的變化反映了汽包水位變化。按照流體靜力學(xué)原理，當(dāng)汽包水位在正常水位H0（即零水位）時(shí)，平衡容器的差壓輸出p0為 （1-1）式中：為飽和蒸汽密度；其他符號(hào)的意義如圖1-2中所示。當(dāng)汽包水位偏離正常水位變化H時(shí)，平衡容器的差壓輸出p為 （1-2）L、H0為確定值，若、和為已知的確定值時(shí)正常水位相對(duì)的差壓輸出p0就是常數(shù)，也就是說(shuō)差壓式水位計(jì)的零水位差壓是穩(wěn)定的。平衡容器的輸出差壓p則是汽包水位變化H的單值函數(shù)。水位增高。輸出差壓減小。應(yīng)當(dāng)指出，上述半衡容器在實(shí)際使用中，它存在的下列問(wèn)題會(huì)造成差壓水位計(jì)指示不準(zhǔn)：（1）由于平衡容器向外散熱，正、負(fù)壓容器中的水溫由上至下逐步降低，且溫度分布不易確定。因此用式（1-1）、式（1-2）分度差壓計(jì)時(shí)，因密度和的數(shù)值很難準(zhǔn)確確定，分度好的差壓式水位計(jì)裝到現(xiàn)場(chǎng)后，其指示值與云母水位計(jì)的指示值不一致。即使在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)照云母水位計(jì)的指示調(diào)整好刻度值。隨著使用情況的變化，還會(huì)由于和數(shù)值改變而指示不準(zhǔn)。為解決這個(gè)問(wèn)題，可通過(guò)改進(jìn)平衡容器結(jié)構(gòu)。設(shè)法使和為已知確定值例如，用蒸汽套保溫，可使和都等于汽包壓力下飽和水的密度，這叫，差壓p和水位H有以下關(guān)系式： （1-3）（2）一般，差壓式水位計(jì)是在汽包額定工作壓力下分度的。因此差壓式水位計(jì)只有在汽包額定工作壓力下運(yùn)行時(shí)其指示才正確。當(dāng)汽包壓力變化時(shí)，飽和水密度和飽和蒸汽密度隨之變化，使差壓式水位計(jì)的指示發(fā)生很大誤差。隨壓力變化的關(guān)系在不同的壓力分范圍是不同的，如圖1-2所示。圖1-2 汽包壓力和密度差的關(guān)系飽和水的密度；飽和蒸汽密度；在室溫、汽包壓力p下水的密度從圖中可見(jiàn)在313MPa壓力范圍內(nèi)，壓力p和密度差的關(guān)系非常接近于線性的，隨著壓力的降低，密度差增大。由于雙室平衡容器的結(jié)構(gòu)尺寸L總是大于H所以從式（1-3）可知，當(dāng)汽包壓力低于F額定值時(shí)，增大使輸出p增大，因而使差壓式水位計(jì)指示偏低。由此產(chǎn)生的水位指示誤差還與水位H、平衡容器結(jié)構(gòu)尺寸L有關(guān)。（L-H）越大，指示誤差也越大也就是說(shuō)，低水位比高水位誤差大。這種誤差在中壓鍋爐可達(dá)4050mm，在高壓鍋爐可達(dá)100mm以上，因此差壓式水位計(jì)在機(jī)組啟、?；蚧瑝哼\(yùn)行時(shí)是不能使用的。1.2.2 平衡容器的改進(jìn)圖1-3 平衡容器結(jié)構(gòu)示意圖改進(jìn)后的平衡容器結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。在 汽包水位變化時(shí)，為了使正在壓管中的水位始終恒定，加大了正壓容器的截面積（一般要求正壓容器直徑大于100mm），并在其上安裝凝結(jié)水漏盤(pán)，使得更多的凝結(jié)水不斷的流入正壓容器，正壓容器中的水不斷溢出。用蒸汽加熱的方法使正壓容器中的水溫等于飽和溫度。蒸汽凝結(jié)水由漏水管流入下降管。漏水管與下降管連接高度應(yīng)保證平衡容器內(nèi)無(wú)水而下降管又不抽空，即漏水管內(nèi)要保持一定高度的水位。負(fù)壓管直接從汽包水側(cè)引出。為了保證壓力引出管的垂直部分水的密度等于環(huán)境溫度下水的密度，壓力引出管的水平距離S要大于800mm。正常水位H0時(shí)，平衡容器的輸出差壓p0為因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，平衡容器的結(jié)構(gòu)尺寸均為已知量，所以其輸出差壓與水位的關(guān)系為 （1-4）式中汽包工作壓力下的飽和水與飽和蒸汽密度之差； 室溫下的過(guò)冷水與飽和水密度之差； L，l平衡容器結(jié)構(gòu)尺寸，如圖1-3所示。第二章 單片機(jī)汽包水位控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)單片機(jī)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)主要是針對(duì)汽包水位控制的一種實(shí)際工程應(yīng)用設(shè)計(jì)。在熱力發(fā)電廠中以及用到熱力設(shè)備的工廠中，汽包水位的控制對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行極為重要，水位過(guò)高、過(guò)低都將引起蒸汽品質(zhì)變壞或水循環(huán)惡化，甚至造成嚴(yán)重事故。尤其在機(jī)爐啟停過(guò)程中，爐內(nèi)參數(shù)變化很大，水位變化亦很大，水位的及時(shí)控制就更加重要了。因此，汽包水位控制是保證熱力設(shè)備安全運(yùn)行的必要條件。所以本設(shè)計(jì)可以使我們對(duì)汽包水位控制系統(tǒng)有一個(gè)比較基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)又是對(duì)所學(xué)知識(shí)的一個(gè)鞏固和創(chuàng)新。圖2-1為單片機(jī)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。圖2-1 單片機(jī)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖本設(shè)計(jì)中對(duì)汽包水位進(jìn)行壓力、和差壓的測(cè)量，通過(guò)電路轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)軟件運(yùn)算，求出水位的高低并得出與正常水位的差值，再將其控制信號(hào)利用電路轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，通過(guò)執(zhí)行器對(duì)汽包水位進(jìn)行控制。壓力/差壓變送器采用的是電容式壓力/差壓變送器WT-1151GP，由于其輸出的是420mA標(biāo)準(zhǔn)電流，而A/D轉(zhuǎn)換器接受的是05V標(biāo)準(zhǔn)電壓，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)I/V電流電壓轉(zhuǎn)換電路，這樣就可以接入A/D轉(zhuǎn)換器了。單片機(jī)采用MCS-51系列中的8051單片機(jī)，8051單片機(jī)及其小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)中重要的組成部分。兩個(gè)模擬信號(hào)接到8051之前需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，所以選用的是8個(gè)模擬量輸入通道的A/D0809，輸出是8位數(shù)字輸出接到8051單片機(jī)上。本設(shè)計(jì)有一個(gè)模擬信號(hào)輸出接口，用來(lái)控制執(zhí)行器從而調(diào)節(jié)汽包水位的高低，這中間需要一個(gè)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的環(huán)節(jié)，選用的是8位的D/A0832，在經(jīng)過(guò)相應(yīng)的電路轉(zhuǎn)換可以得到420mA的標(biāo)準(zhǔn)電流，完成了整個(gè)電路的設(shè)計(jì)。第三章 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 MCS-51系列8051單片機(jī)單片機(jī)，也稱單片微控制器（MCU），是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成在一塊芯片上的微機(jī)。片內(nèi)含有微處理器（CPU）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM、并行I/O口、串行I/O口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制、系統(tǒng)時(shí)鐘及系統(tǒng)總線等。3.1.1 8051單片機(jī)的組成MCS-51系列8051單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。MCS-51單片機(jī)組成結(jié)構(gòu)中包含運(yùn)算器、控制器、片內(nèi)存儲(chǔ)器、并行I/O口、串行I/O口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、振蕩器等功能部件。圖中SP是堆棧指針寄存器，PC是程序計(jì)數(shù)器，PSW是程序狀態(tài)字寄存器，DPTR是數(shù)據(jù)指針寄存器。圖3-1 8051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖8051單片機(jī)是由中央處理器CPU（運(yùn)算器和控制器）、存儲(chǔ)器（RAM和ROM）、I/O口（P0、P1、P2、P3）以及特殊功能寄存器SFR等構(gòu)成。中央處理器（CPU）是由運(yùn)算器和控制器構(gòu)成，是單片機(jī)的最核心部分。它的主要功能是讀入并分析每條指令，根據(jù)指令的功能，控制單片機(jī)的各功能部件執(zhí)行指定的操作。運(yùn)算器以算術(shù)邏輯單元（ALU）為核心，包括累加器（ACC）、寄存器（B）、暫存器1、暫存器2、程序狀態(tài)字寄存器（PSW）等許多部件構(gòu)成。它的功能是完成算術(shù)和邏輯運(yùn)算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳送等操作?？刂破魇菃纹瑱C(jī)的神經(jīng)中樞，是由指令寄存器IR、指令譯碼器ID、程序計(jì)數(shù)器PC、堆棧指針SP、數(shù)據(jù)指針DPTR、定時(shí)及控制邏輯電路等組成。它先以主振頻率為基準(zhǔn)發(fā)出CPU的時(shí)序，對(duì)指令進(jìn)行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號(hào)，完成一系列定時(shí)控制的微操作，用來(lái)協(xié)調(diào)單片機(jī)內(nèi)部各功能部件之間的數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)運(yùn)算等操作。8051單片機(jī)采用哈佛結(jié)構(gòu)片內(nèi)存儲(chǔ)器，即ROM和RAM分別在兩個(gè)獨(dú)立的空間（分開(kāi)編址）。8051單片機(jī)內(nèi)部有21個(gè)特殊功能寄存器，它們與內(nèi)部RAM統(tǒng)一編址，離散地分布在80HFFH的地址單元中。MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有4個(gè)8位的并行I/O口P0、P1、P2、P3。其中P1口、P2口、P3口為準(zhǔn)雙向口，P0口為雙向的三態(tài)數(shù)據(jù)線口。各端口均由端口鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)器、輸入緩沖器構(gòu)成。各端口除可進(jìn)行字節(jié)的輸入/輸出外，每個(gè)位口線還可單獨(dú)用作輸入/輸出，因此，使用起來(lái)非常方便。輸入/輸出引腳P0口，P1口，P2口，P3口的介紹。P0口（P0.0P0.7共8條引腳，即3932腳）：是雙向8位三態(tài)I/O口。在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，可分時(shí)用作低8位地址線和8位數(shù)據(jù)線；在EPROM編程時(shí)，它輸入指令字節(jié)，而在驗(yàn)證程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。P0口能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL輸入。P1口（P1.0P1.7共8條引腳，即18腳）：P1口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口。在EPROM編程和程序驗(yàn)證時(shí)，它接收低8位地址，能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL輸入。P2口（P2.0P2.7共8條引腳，即2128腳）：P2口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，它送出高8位地址。在對(duì)EPROM編程和程序驗(yàn)證時(shí)，它接收高8位地址，能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL輸入。P3口（P3.0P3.7共8條引腳，即10 17腳）：P3口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。在MCS-51單片機(jī)中，這8個(gè)引腳都有各自的第二功能，在實(shí)際工作中，大多數(shù)情況下都使用P3口的第二功能， P3口的第二功能如下所示：P3.0：RXD串行數(shù)據(jù)接收端P3.1：TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送端P3.2：外部中斷0申請(qǐng)輸入端P3.3：外部中斷1申請(qǐng)輸入端P3.4：T0 定時(shí)器0計(jì)數(shù)輸入端P3.5：T1定時(shí)器1計(jì)數(shù)輸入端P3.6：低電平有效，外部RAM寫(xiě)選通P3.7：低電平有效，外部RAM讀選通8051單片機(jī)提供全雙工串行I/O口，可對(duì)外與外設(shè)進(jìn)行串行通信，也可用于擴(kuò)展I/O口。8051單片機(jī)有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1，用于精確定時(shí)或?qū)ν獠渴录M(jìn)行計(jì)數(shù)。8051單片機(jī)提供5個(gè)中斷源，具有兩個(gè)優(yōu)先級(jí)，可形成中斷嵌套。3.1.2 8051單片機(jī)的引腳分布8051單片機(jī)的引腳分布如圖3-2所示，總線結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。圖3-2 8051單片機(jī)引腳分布3.1.3 8051單片機(jī)的引腳功能8051的40個(gè)引腳的功能：1、電源及復(fù)位引腳（1）VCC（40腳）：電源端，接5V。（2）VSS（20腳）：接地端。（3）RST/VPD（9腳）：RST即為RESET，VPD為備用電源。該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端。當(dāng)單片機(jī)振蕩器工作時(shí)，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，使單片機(jī)回復(fù)到初始狀態(tài)。當(dāng)VCC電源降低到低電平時(shí)，RST/VPD線上的備用電源自動(dòng)投入，以保證片內(nèi)RAM中的信息不丟失。（4）/VPP（31腳）：為片內(nèi)外程序存儲(chǔ)器選用端。該引腳為低電平時(shí)，只選用片外程序存儲(chǔ)器；該引腳為高電平時(shí)，先選用片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，然后選用片外程序存儲(chǔ)器。VPP片內(nèi)EPROM編程電壓輸入端，當(dāng)用作編程時(shí)，輸入21V編程電壓。2、晶體振蕩器接入或外部振蕩信號(hào)輸入引腳（1）XTALl（19腳）：晶體振蕩器接入的一個(gè)引腳。采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接地。（2）XTAL2（18腳）：晶體振蕩器接入的另一個(gè)引腳。采用外部振蕩器時(shí)，此引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。3、地址鎖存及外部程序存儲(chǔ)器編程脈沖信號(hào)輸出引腳ALE/（30腳）：地址鎖存允許信號(hào)輸出/編程脈沖輸入引腳。ALE為地址鎖存允許信號(hào)輸出引腳，當(dāng)8051單片機(jī)上電正常工作時(shí)，自動(dòng)在該引腳上輸出頻率為fosc/6的脈沖序列。當(dāng)CPU訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，此信號(hào)作為鎖存低8位地址的控制信號(hào)。PROG為編程脈沖輸入引腳，在對(duì)片內(nèi)ROM編程寫(xiě)入時(shí)，作為編程脈沖輸入端。圖3-3 MCS-51系列8051單片機(jī)引腳及總線結(jié)構(gòu)4、外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)輸出引腳（29腳）：外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。當(dāng)從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令或數(shù)據(jù)期間，每個(gè)機(jī)器周期該信號(hào)兩次有效，以通過(guò)數(shù)據(jù)總線P0口讀取指令或數(shù)據(jù)。5、I/O引腳（1）P0.0P0.7：8位數(shù)據(jù)/低8位地址復(fù)用總線端口。（2）P1.0P1.7：靜態(tài)通用I/O口。（3）P2.0P2.7：高位地址總線端口。（4）P3.0P3.7：雙功能端口。3.1.4 8051單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就CPU的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，通用微機(jī)的CPU內(nèi)部有一定數(shù)量的通用或?qū)Ｓ眉拇嫫鳎鳰CS-51系列8051單片機(jī)則在數(shù)據(jù)RAM區(qū)開(kāi)辟了一個(gè)工作寄存器區(qū)。該區(qū)共有4組，每組8個(gè)寄存器，共計(jì)可提供32個(gè)工作寄存器，相當(dāng)于通用微機(jī)CPU中的通用寄存器。除此之外，MCS-51系列8051單片機(jī)還有頗具特色的21個(gè)特殊功能寄存器SFR。要理解MCS-51系列8051單片機(jī)的工作，就必須對(duì)特殊功能寄存器SFR的工作有清楚的了解。SFR使僅具有40條引腳的單片機(jī)系統(tǒng)的功能有很大的擴(kuò)展。由于這些SFR的作用，每個(gè)通道在程序控制下，都可有第二功能，從而使得有限的引腳能衍生出更多的功能。而且，利用SFR可完成對(duì)定時(shí)器、串行口、中斷邏輯的控制，這就使得單片機(jī)可以把定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口、中斷邏輯等集成在一個(gè)芯片上。MCS-51系列8051單片機(jī)在存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)上與通用微機(jī)也有不同之處，通用微機(jī)中程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是一個(gè)地址空間，而單片機(jī)把程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分成兩個(gè)獨(dú)立的地址空間，采用不同的尋址方式，使用兩個(gè)不同的地址指針，PC指向程序存儲(chǔ)器，DPTR指向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。采用這種結(jié)構(gòu)主要是考慮到工業(yè)控制的特點(diǎn)。一般工業(yè)控制系統(tǒng)中，需要較大的程序存儲(chǔ)器空間和較小的隨機(jī)存儲(chǔ)器空間，不同于通用微機(jī)需要較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。MCS-51系列8051單片機(jī)在輸入輸出接口方面的特點(diǎn)是，通道口引線在程序的控制下都可有第二功能，可由用戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)者靈活選擇。比如數(shù)據(jù)線和地址線低8位可分時(shí)合用通道0，而地址線高8位與其它信號(hào)線也可合用通道2。由于存儲(chǔ)器和接口都在片內(nèi)，就給應(yīng)用提供了方便，往往只在其引腳處增加驅(qū)動(dòng)器即可簡(jiǎn)化接口設(shè)計(jì)工作，提高單片機(jī)與外設(shè)數(shù)據(jù)交換的處理速度。同時(shí)，功能變換和選擇由相應(yīng)的指令來(lái)控制實(shí)現(xiàn)，而不是靠硬件上的跳線短接等方法實(shí)現(xiàn)。MCS-51系列8051單片機(jī)I/O引腳一線多功能的特點(diǎn)方便了用戶，但在組成應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，也應(yīng)根據(jù)其特點(diǎn)分時(shí)使用。MCS-51系列8051單片機(jī)的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是內(nèi)部有一個(gè)全雙工串行口，即可同時(shí)發(fā)送和接收；有兩個(gè)物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器。發(fā)送緩沖器只能寫(xiě)入不能讀出，接收緩沖器只能讀出不能寫(xiě)入。在程序的控制下，串行口能工作于四種方式，用戶可根據(jù)需要，設(shè)定為移位寄存器方式以擴(kuò)展I/O口和外接同步輸入輸出設(shè)備，或用作異步通信口，以實(shí)現(xiàn)雙機(jī)或多機(jī)通信，極為方便地組成分布式控制系統(tǒng)。3.1.5 8051單片機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)（1）8位CPU；（2）128B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；（3）32根I/O線；（4）64KB的片外程序存儲(chǔ)器尋址能力，64KB的片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址能力；（5）1個(gè)全雙工的異步串行口；（6）2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；（7）5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)；（8）4KB的程序存儲(chǔ)器；（9）21個(gè)特殊功能寄存器；（10）1個(gè)片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器和時(shí)鐘電路。3.1.6 單片機(jī)時(shí)鐘電路單片機(jī)時(shí)鐘電路通常有兩種形式： 圖3-4 內(nèi)部振蕩方式圖 圖3-5 外部振蕩方式圖1、內(nèi)部振蕩方式：MCS-51單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。把放大器與作為反饋元件的晶體振蕩器或陶瓷諧振器連接，就構(gòu)成了內(nèi)部自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。圖3-4為內(nèi)部振蕩方式圖。2、外部振蕩方式：外部振蕩方式就是把外部已有的時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)內(nèi)。圖3-5為外部振蕩方式圖。本設(shè)計(jì)所采用的是內(nèi)部振蕩方式，晶振選擇為12MHz，電容C1、C2大小通常為30PF，其接線如圖3-6所示。圖3-6 晶振接線3.2 變送器的選擇變送器的作用是分別將各種工藝變量（如溫度、壓力、流量、液位）和電、氣信號(hào)（如電壓、電流、頻率、氣壓信號(hào)等）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。3.2.1 壓力變送器的選擇本設(shè)計(jì)中采用的壓力變送器為WT-1151GP型電容式壓力變送器，它是一種新型產(chǎn)品，在工業(yè)生產(chǎn)和工藝流程中用來(lái)測(cè)量液體氣體的壓力、液位、調(diào)節(jié)密度等參數(shù)。它與其他的儀表和控制裝置配合組成自動(dòng)檢測(cè)、記錄、控制等工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。WT-1151GP型電容式壓力變送器主要特點(diǎn)：（1）智能電子部件僅有一塊板組成、體積小、重量輕。（2）精度高。（3）可靠性好。（4）量程為0-0.6KPa0-42000KPa，量程調(diào)節(jié)的可調(diào)節(jié)范圍大，而且?guī)в姓?fù)遷移機(jī)構(gòu)。（5）過(guò)載性能好。（6）具有可調(diào)阻尼裝置，可用于脈動(dòng)流體的測(cè)量。（7）變送器可分為普通型、隔爆型和本質(zhì)安全型。（8）符合HART協(xié)議，可用HART通訊器268、275與本智能表進(jìn)行雙向通訊而不中斷輸出信號(hào)。（9）在采用HART協(xié)議的分散控制系統(tǒng)中同主機(jī)進(jìn)行雙向通訊。（10）具有自我診斷和遠(yuǎn)方診斷的功能。（11）帶有EPROM非易失性存儲(chǔ)器不怕斷電丟失數(shù)據(jù)。功能參數(shù)：（1）使用對(duì)象：液體、氣體。（2）輸出信號(hào)：420mA。（3）供電電源：1245VDC，帶LCD為1545VDC。（4）負(fù)載與供電電源有關(guān)，在電源電壓R與電源電壓V關(guān)系為如圖3-8所示。圖3-8 負(fù)載阻抗與電源電壓關(guān)系圖（5）指示器：現(xiàn)場(chǎng)輸出指示有電流表，線性指示0100%和平方根指示，輸出可按百分?jǐn)?shù)顯示和420mADC顯示兩種。（6）正負(fù)遷移：最大正遷移量為500%，最大負(fù)遷移量不大于大氣壓。（7）溫度范圍：放大電路的工作溫度為-2575，帶現(xiàn)場(chǎng)顯示器、防暴型變送器工作溫度為-25+75，傳感器的工作溫度為-40+104。（8）儲(chǔ)藏溫度：-40+100。（9）容積變化量：小于0.16立方厘米。（10）過(guò)載壓力：不超過(guò)最大測(cè)量范圍的1.5倍。（11）阻尼時(shí)間：在0.21.67秒內(nèi)連續(xù)可調(diào)。（12）啟動(dòng)時(shí)間：2秒，不須要預(yù)熱。（13）故障報(bào)警：自診斷程序檢測(cè)故障，模擬輸出高于22mA或低于3.8mA報(bào)警，報(bào)警高低標(biāo)志可通過(guò)電子部件上的開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇。（14）變送器狀態(tài)保護(hù)：撥動(dòng)電子部件上開(kāi)關(guān)可以防止變送器組態(tài)的改變。壓力變送器的工作原理如圖3-9所示。下面將分別介紹各部分原理：1、“”室傳感器WT-1151GP型電容式壓力變送器有一個(gè)可變電容的傳感組件，稱為“”室傳感器是一個(gè)完全封閉的組件，過(guò)程壓力通過(guò)隔離膜片和灌充液硅油傳到傳感器膜片引起位移。“”室傳感器圖如圖3-10所示。圖3-9 壓力變送器的工作原理圖 圖3-10 “”室傳感器圖傳感膜片和兩電容極板之間的電容差由電子部件轉(zhuǎn)換成420mADC的二線制輸出的電信號(hào)。這一轉(zhuǎn)換是基于下述的概念。（1）P= （3-1）式中：P是被測(cè)壓力；是常數(shù)；是高壓側(cè)電容極板與傳感膜片間的電容；是低壓側(cè)電容極板與傳感膜片間的電容。（2）f= （3-2）式中：為恒定的基準(zhǔn)電流；為振蕩電壓的峰值電壓；f為流過(guò)、的電流值。（3） （3-3）式中：為流過(guò)、的電流差。（4） （3-4）式中：為輸出信號(hào)電流；為常數(shù)。因此得：/=常數(shù)P即有傳感器膜片的位移與壓力成正比。傳感膜片的位置由其兩側(cè)的電容極板來(lái)測(cè)定，且其輸出式通過(guò)解調(diào)器整流的。2、解調(diào)器它由-極管橋路組成，其作用是對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行整流。通過(guò)變壓器繞組線圈1-12和3-10的直流電流相加作用于振蕩控制放大器IC1，以控制此電流為一個(gè)常數(shù)。通過(guò)變壓器繞組線圈2-11的直流電流與壓力成正比，即：f=。二級(jí)管橋路和量程溫度補(bǔ)償熱敏電阻放在傳感器組件內(nèi)，熱敏電阻的補(bǔ)償作用是安裝在電氣盒中的電阻R4和R5來(lái)控制。3、振蕩控制放大器振蕩控制放大器是一個(gè)差動(dòng)放大器，它是輸出一個(gè)可變的電壓供給振蕩器。放大器的輸出電壓必須可調(diào)，以保證傳感器中的電容極板得到適當(dāng)?shù)募?lì)電壓。應(yīng)用于反饋控制電路中，控制振蕩器的驅(qū)動(dòng)電壓可以達(dá)到f=。其電路如圖3-7所示。4、振蕩器振蕩器由元件、和組成。其振蕩頻率取決于傳感器的測(cè)量電容和振蕩變壓器的繞組電感量。傳感器的測(cè)量電容隨壓力發(fā)生變化，因此其振蕩頻率也隨著發(fā)生微小的變化（大約32KHz左右）。5、電流控制放大器電流控制放大器由、和有關(guān)元件組成，其基準(zhǔn)電壓取自和的連接點(diǎn)。電路如圖3-8所示。圖3-7 振蕩控制放大器圖3-8 電流控制放大器6、電流控制放大器和電流檢測(cè)電路電流控制放大電路驅(qū)動(dòng)電流控制電路輸出達(dá)到某一電平，引起電流檢測(cè)器通過(guò)電阻反饋信號(hào)與零位靜態(tài)電流和可變差動(dòng)電流值和相平衡。電路控制電路由、和有關(guān)電子元件組成。電流檢測(cè)由電阻、和組成。7、電流限制電路電流限制電路由電阻和組成，其作用是使變壓器過(guò)壓輸入時(shí)，輸入電流不超過(guò)30mA。8、反向極性保護(hù)不帶指示表頭時(shí)，二極管起著反向保護(hù)的作用，而當(dāng)帶指示表頭時(shí)，反向保護(hù)作用則由二極管來(lái)完成。9、穩(wěn)壓電源電路穩(wěn)壓電源電路由電路提供一個(gè)工作電源和一個(gè)基準(zhǔn)電壓，由、和組成。10、零位正負(fù)遷移零位調(diào)整電路由電位器和組成。它可以產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)立可調(diào)電流與傳感器的差動(dòng)電流相加。電阻、可用開(kāi)關(guān)SW接通，以增加一固定的零位電流，偏移調(diào)整范圍，以得到較大的正負(fù)遷移量。11、阻尼調(diào)整阻尼電路將一個(gè)與輸出電流變化成正比的信號(hào)，反饋到電流控制放大器的輸入端。這個(gè)反饋?zhàn)饔糜呻娙萜骱碗娢黄鱽?lái)提供的。電位器調(diào)整的位置，決定了反饋量的大小，從而也決定了阻尼量的大小。當(dāng)電位器在引腳“1”和“2”之間的電阻值增加時(shí)，阻尼作用和輸出對(duì)輸入相應(yīng)的時(shí)間也隨之增大。12、線性調(diào)整電路線性調(diào)整電路由可變電阻網(wǎng)絡(luò)（、），電容和二極管、組成。是量程調(diào)整電位器。它決定反饋到電流控制放大器的輸入端的傳感差動(dòng)電流的大小。最終得到：/=常數(shù)P只要保證膜片中心位移與壓力具有線性關(guān)系，轉(zhuǎn)換電路即可以保證輸出電流和壓力成線性關(guān)系。 3.2.2 差壓變送器的選擇WT-1151DP型電容式差壓變送器可以用來(lái)測(cè)量流量、液位和應(yīng)用其他要求精確測(cè)量差壓、壓力的場(chǎng)合。上一節(jié)中已介紹了壓力變送器的工作原理以及各部分的功能介紹，WT-1151DP電容式差壓變送器中的各部分是相同，只是在安裝上有所不同，所以不在重復(fù)介紹各部分功能，最終得到也是420mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出公式為：/=常數(shù)P （3-5）即所測(cè)差壓與電容成線性關(guān)系。工作原理圖見(jiàn)圖3-9所示。圖3-9 工作原理圖3.3 I/V變換器由于電容式壓力/差壓變送器WT-1151GP，其輸出信號(hào)為420mADC，所以需要設(shè)計(jì)電流電壓轉(zhuǎn)換電路將420mADC轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)05VDC，然后再將電壓信號(hào)輸入到采樣保持器，讓ADC0809接受標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的05V電壓信號(hào)，其電流電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3-10所示。由圖3-10可得： （3-6）取R1=0.25K，則： 當(dāng)Ii=4mA時(shí)，Uo=0V，再取R2= Rb，上式可寫(xiě)為： （3-7）當(dāng)Ii=20mA時(shí)，Uo=5V，再取R2=Rb上式可寫(xiě)為： （3-8）由（3-7）-（3-8）得：Rf /Rb =1/8即Rb =R2=8 Rf，得：Vb=10V圖3-10 I/V變換圖為使輸入端兩端阻抗匹配應(yīng)滿足：R2/Rb / Rf=0.25K則 8 Rf=2.5K故有：Rf=312.5R2=2.5K通過(guò)上面電路的轉(zhuǎn)換，就可以把420mADC轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)05VDC ，送到ADC0809中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。3.4 采樣保持器如果直接將模擬量送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，則應(yīng)考慮到任何一種A/D轉(zhuǎn)換器都需要用一定的時(shí)間來(lái)完成量化及編碼的操作。在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，如果模擬量產(chǎn)生變化，將直接影響到轉(zhuǎn)換精度。特別是在同步系統(tǒng)中。幾個(gè)并聯(lián)的參量需取自同一瞬時(shí)，而各參數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換又共享一個(gè)芯片，所得到得幾個(gè)量就不是同一時(shí)刻的值，無(wú)法進(jìn)行計(jì)算和比較。所以要求輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量在整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持不變，但轉(zhuǎn)換之后，又要求A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)能夠跟隨模擬量變化。能夠完成上述任務(wù)的器件為采樣保持器（Sample/Hold）簡(jiǎn)寫(xiě)為S/H。S/H有兩種工作方式，一種是采樣方式，另一種是保持方式。在采樣方式中，采樣保持器的輸出跟隨模擬量輸入電壓變化。在保持狀態(tài)中，采樣保持器的輸出將保持在命令發(fā)出時(shí)刻的模擬量輸入值，直到下一個(gè)保持命令來(lái)到時(shí)為止。本設(shè)計(jì)所選用的保持器為L(zhǎng)F398，目前是應(yīng)用比較廣泛的一種。主要完成的工作是對(duì)壓力、差壓兩個(gè)信號(hào)的同時(shí)采樣和保持，所以其控制信號(hào)應(yīng)該接到一根控制線，才能完成信號(hào)同時(shí)采樣和保持工作。LF398是由雙極型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管組成的采樣保持器。它具有采樣速度快，保持下降速度慢，以及精度高等特點(diǎn)。作為單一的放大器時(shí)，其電流增益精度為0.002%，采樣時(shí)間小于6s時(shí)精度可達(dá)0.01%；采用雙極型輸入狀態(tài)可獲得較低偏差電壓和寬頻帶。使用一個(gè)單獨(dú)的端子實(shí)現(xiàn)輸入偏差電壓的調(diào)整，允許帶寬1MHz，輸入電阻為1010歐姆。當(dāng)使用電容為1F時(shí)，其下降速度為5mV/min。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為CMOS電路抗干擾能力強(qiáng)，而且不受溫度影響?？偟脑O(shè)計(jì)保證是，即使在輸入信號(hào)等于電源電壓時(shí)，也可以將輸入饋送到輸出端。LF398的原理圖如下圖3-11所示。圖3-11中有一個(gè)由二極管D1、D2組成的保護(hù)電路。在沒(méi)有D1和D2的情況下，如果在S再次接通以前變化了，且變化較大時(shí)，于是的變化也很大。以至于使A1的輸出進(jìn)入飽和狀態(tài)，與ui不再保持線性關(guān)系，并使開(kāi)關(guān)電路承受較高的電壓，不利于安全。接入D1和D2以后，當(dāng)比所保持的電壓高出一個(gè)二極管的正向壓降時(shí)，D1將導(dǎo)通，被鉗位于ui+ UD1。這里的UD1表示二極管D1的正向?qū)▔航?。?dāng)比低于一個(gè)二極管的壓降時(shí)，D2導(dǎo)通，將鉗位于ui-UD2。UD2為D2的正向壓降。在S接通的情況下，因?yàn)?，所以D1和D2都不導(dǎo)通，保護(hù)電路不起作用。圖3-11 LF398原理圖圖3-12為L(zhǎng)F398典型接法圖。LF398典型接法及功能說(shuō)明如下：（1）VIN：模擬量電壓輸入。（2）VOUT： 模擬量電壓輸出。（3）邏輯（logic）及邏輯參考（logic reference）：邏輯及邏輯參考電平，用來(lái)控制采樣保持器的工作方式。當(dāng)8引腳為低電平時(shí)，通過(guò)控制邏輯電路A3使開(kāi)關(guān)S閉合，電路進(jìn)入保持狀態(tài)。它可以接成差動(dòng)形式，也可以將參考電平接地，然后，在引腳8端用一個(gè)邏輯電平控制。（4）偏置（OFFSET）：偏差調(diào)整引腳?？捎猛饨与娮枵{(diào)整采樣保持器的偏差。（5）CH：保持電容引腳。用來(lái)連接外部保持電容。（6）V+，V- ：采樣保持器電路電源引腳。電源變化范圍為5V到18V。通過(guò)以上分析可以讓2腳接1k電阻，用于調(diào)節(jié)漂移電壓，7腳和8腳是兩個(gè)控制端，控制開(kāi)關(guān)的關(guān)斷。7腳接參考電壓，8腳接控制信號(hào)。參考電壓應(yīng)根據(jù)控制信號(hào)的電平來(lái)選擇。如7腳接地， 8腳接控制信號(hào)大于1.4V時(shí)，LF398處于采樣狀態(tài)；如8腳為低電平， 則LF398處于保持狀態(tài)。6腳外接保持電容，它的選取對(duì)采樣保持電路的技術(shù)性能指標(biāo)至關(guān)重要，大電容可使系統(tǒng)得到較高精度，但采樣時(shí)間加長(zhǎng)。小電容可提高采樣頻率，但精度較低。同時(shí)，電容的選擇應(yīng)綜合考慮精度要求和采樣頻率等因素。所以選適當(dāng)?shù)碾娙荽笮?F可以滿足其需求。LF398的其它幾個(gè)參數(shù)為：漂移電壓2mV，供電電壓值在10V間選擇。圖3-12 LF398典型接法圖本設(shè)計(jì)所用到的采樣保持器為兩個(gè)，分別對(duì)、壓力、差壓進(jìn)行采樣和保持，當(dāng)ADC0809為高電平時(shí)，此時(shí)采樣保持器進(jìn)行信號(hào)的采樣，輸出隨著輸入的變化而變化，當(dāng)單片機(jī)通知ADC0809進(jìn)行輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)引腳EOC為低電平，此時(shí)通過(guò)單片機(jī)的P3.0口將LF398的8引腳置為低電平，兩個(gè)模擬輸入信號(hào)同時(shí)被保持住，ADC0809進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后EOC又為高電平，進(jìn)行下次信號(hào)的采樣，如此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的不斷采樣和保持，并且跟蹤快。3.5 A/D轉(zhuǎn)換器及其接口本設(shè)計(jì)采用的A/D轉(zhuǎn)換器為8位轉(zhuǎn)換器ADC0809。ADC0809是與微處理器兼容的8通路8位A/D轉(zhuǎn)換器。它主要由逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器和8路模擬開(kāi)關(guān)組成。ADC0809的特點(diǎn)是：可直接與微處理器相連，不需另加接口邏輯；具有鎖存控制的8路模擬開(kāi)關(guān)，可以輸入8個(gè)模擬信號(hào)；分辨率為8位，總的不可調(diào)誤差為（）LSB和LSB；輸入、輸出引腳電平與TTL電路兼容；當(dāng)模擬電壓范圍為0-5V時(shí)，可使用單一的V電源；基準(zhǔn)電壓可以有多種按法，且一般不需要調(diào)零和增益校準(zhǔn)。圖3-13為ADC0809與8051的接口電路。本設(shè)計(jì)使用的輸入端口有IN0、IN1，分別輸入的是壓力、差壓。圖3-13 ADC0809與8051的接口D0D7是轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制輸出端，它們受輸出允許信號(hào)OE的控制，OE信號(hào)由程序或外部設(shè)備提供。OE為“0”時(shí)，D0-D7呈高阻態(tài)；OE為“1”時(shí)，D0D7輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。A，B，C是三個(gè)采樣地址輸入端，它們的8種組合用來(lái)選擇8個(gè)模擬量輸入通路IN0-IN7中的一個(gè)通路并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這8位組合與所選通路的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表3-1所示。表3-1 ADDA、ADDB、ADDC真值表對(duì)應(yīng)通路地址CBAIN0000IN1001IN2010IN3011IN4100IN5101IN6110IN7111ALE是地址鎖存選通信號(hào)。該信號(hào)上升沿把地址狀態(tài)選通入地址鎖存器。該信號(hào)也可以用來(lái)作為開(kāi)始轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號(hào)，但此時(shí)要求信號(hào)有一定的寬度，典型值為100最大值為200，SC為啟動(dòng)轉(zhuǎn)換脈沖輸入端，其上跳變復(fù)位轉(zhuǎn)換器，下降沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，該信號(hào)寬度應(yīng)大于100，它也可由程序或外部設(shè)備產(chǎn)生。若希望自動(dòng)連續(xù)轉(zhuǎn)換（即上次轉(zhuǎn)換結(jié)束又重新啟動(dòng)轉(zhuǎn)換），則可將SC與EOC短接。EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)從SC信號(hào)上升沿開(kāi)始經(jīng)1-8個(gè)時(shí)鐘周期后由高電平變?yōu)榈碗娖剑@一過(guò)程表示正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換。每位轉(zhuǎn)換要8個(gè)時(shí)鐘周期，8位共需64個(gè)時(shí)鐘周期，若時(shí)鐘頰率為500KHz，則一次轉(zhuǎn)換要128。該信號(hào)也可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)。CLK是時(shí)鐘信號(hào)輸入端，最高可達(dá)1280KHz。REF（+）和REF（-）為基準(zhǔn)電壓輸入端，它們決定了輸入模擬電壓的最大值和最小值。通常，REF（+）和電源Vcc一起接到基準(zhǔn)電壓5.12V（或5V）上，REF（-）接在地端GND上。此時(shí)最低住所表示的輸入電壓值為： （3-9）REF（+）和REF（）也比一定要分別接在Vcc和GND上，但要滿足以下條件： （3-10） （3-11）ADC0809芯片有28條引腳，各引腳功能說(shuō)明如表3-2所示。表3-2 ADC0809引腳功能表符號(hào)引腳號(hào)功能2628，15為8個(gè)通道模擬量輸入線ADDAADDBADDC2523多路開(kāi)關(guān)地址選擇線A為最底位，C為最高位。通常分別接在地址線的低三位。2-82-117，14，15，8，18218位數(shù)字量輸出結(jié)果。ALE22地址鎖存有效輸入線。該信號(hào)上升沿把3條選擇線的狀態(tài)鎖存入多路開(kāi)關(guān)地址寄存器中。START6啟動(dòng)轉(zhuǎn)換輸入線。該信號(hào)上升沿清除ADC的內(nèi)部寄存器而在下降沿啟動(dòng)內(nèi)部控制邏輯，開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換工作。EOC7轉(zhuǎn)換完成輸出線，當(dāng)EOC為1時(shí)表示轉(zhuǎn)換已完成。CLOCK10轉(zhuǎn)換定時(shí)時(shí)鐘輸入線。其頻率不能高于640KHZ。當(dāng)頻率為640時(shí)，轉(zhuǎn)換速度為100OE9允許輸入線。在OE為1時(shí)，三態(tài)輸入鎖存器脫離三態(tài)，把數(shù)據(jù)送往總線。12，16參考電壓輸入線Vcc11接+5VGND13接地當(dāng)ADC0809由程序控制進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，輸入通路選定后由輸出指令啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換（SC為正脈沖）。轉(zhuǎn)換結(jié)束產(chǎn)生EOC高電平信號(hào)作為中斷請(qǐng)求。當(dāng)微處理器執(zhí)行輸入指令后，OE變?yōu)楦唠娖剑x通三態(tài)輸出鎖存器，輸入轉(zhuǎn)換后的代碼。3.6 D/A轉(zhuǎn)換器及其接口本設(shè)計(jì)的D/A轉(zhuǎn)換器為DAC0832。我們知道模擬量輸出通道不論采用哪一種結(jié)構(gòu)形式，都要解決D/A轉(zhuǎn)換器與微處理器的接口問(wèn)題。D/A轉(zhuǎn)換器要求數(shù)字量并行輸入，并且其輸入應(yīng)在一定時(shí)間范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，以實(shí)現(xiàn)模擬量輸出。8位或少于8位的D/A轉(zhuǎn)換器，只需通過(guò)相應(yīng)位數(shù)的鎖存器與8位的微處理器總線連接。圖3-14為DAC0832與8051的接口電路。圖3-14 DAC0832與8051的接口圖3-15 DAC0832的功能框圖D/A轉(zhuǎn)換器主要有兩種類型：一類內(nèi)部有數(shù)據(jù)寄存器，帶有片選和寫(xiě)信號(hào)引腳，可以作為一個(gè)I/O擴(kuò)展口直接與微處理器接口；另一類無(wú)內(nèi)部鎖存器，必須外加鎖存器才能與微處理器接口。DAC0832 D/A轉(zhuǎn)換器功能框圖如圖3-15所示。DAC0832是一個(gè)具有兩級(jí)數(shù)據(jù)緩沖器的8位D/A芯片（20個(gè)引腳）。這種芯片適用于系統(tǒng)中多個(gè)模擬器同時(shí)輸出的系統(tǒng)，它可以與各種微處理器直接接口。其內(nèi)部還有R-2R梯形電阻解碼網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換。DAC0832的主要特性為：輸入電平與TTL相兼容，基準(zhǔn)電壓VREF的工作范圍為+10-10V，電流穩(wěn)定時(shí)間為1，功耗為20mW，電源電壓Vcc范圍為+5-15V。引腳信號(hào)功能說(shuō)明如下：1. DI7DI08位數(shù)字輸入，DI7為高位。2.片選信號(hào)，低有效。3. ILE輸入鎖存允許，高有效。與CS、WR1一起控制數(shù)據(jù)的輸入。4.寫(xiě)信號(hào)1，低有效。5.寫(xiě)信號(hào)2，低有效。在XFER信號(hào)控制下將輸入寄存器的數(shù)據(jù)送入DAC寄存器，并進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。6.傳送信號(hào)控制，低有效。7. VREF參考電壓。電壓范圍為-10+10V。8. IO1輸出電流1。9. IO2輸出電流2，IO1+ IO2=常數(shù)。10. VCC電源電壓，可在+5+15V范圍內(nèi)選擇，最佳工作狀態(tài)Vcc=+15V。11. AGND模擬地。12. DGND數(shù)字地。AGND和DGND在片外接一起。使用DA0832時(shí)，應(yīng)注意選通脈沖的寬度一般不小于500，寄存器保持?jǐn)?shù)據(jù)的時(shí)間不應(yīng)小于90，否則鎖存數(shù)據(jù)會(huì)出錯(cuò)。由于DAC0832具有兩級(jí)數(shù)據(jù)鎖存器，所以，它具有雙緩沖、單緩沖及直通數(shù)據(jù)輸入3種工作方式。雙緩沖工作方式時(shí)，8位輸入寄存器和8位DAC寄存器可分別由LE1和LE2控制，先由WR1和CS控制輸入數(shù)據(jù)鎖存到8位輸入寄存器。這種方式可用于需要同時(shí)輸出多個(gè)模擬信號(hào)的多個(gè)DAC0832的系統(tǒng)，當(dāng)多個(gè)數(shù)據(jù)已分別存入各自的輸入寄存器后，再同時(shí)使用所有DAC0832的WR和XFER（傳遞控制）有效，數(shù)據(jù)鎖存入8位DAC寄存器并同時(shí)輸出多個(gè)模擬信號(hào)。這時(shí)，需要有兩個(gè)地址譯碼，分別選通CS和XFER。單緩沖工作方式時(shí)，只用輸入寄存器鎖存數(shù)據(jù)，另一級(jí)8位DAC寄存器接成直通方式，即把WR2和XFER接地，或者兩級(jí)寄存器同時(shí)鎖存，如把WR2與WR1接在一起，而把XFER接地。直通方式時(shí)，應(yīng)把所有控制信號(hào)接成有效形式：CS，WR1，WR2和XFER接地，ILE接+5V。DAC0832有兩個(gè)輸出端LOUT1和LOUT2，為電流輸出形式，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為FFH時(shí)，IOUT1電流最大。LOUT1和LOUT2電流之和為一個(gè)常數(shù)。為使輸出電流線性地轉(zhuǎn)移成電壓，要在輸出端接上運(yùn)算放大器。3.7 V/I電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)在將輸出的模擬信號(hào)010V電壓轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的420毫安電流時(shí)，用到的是芯片XTR110，它是美國(guó) Burr-Bromn 公司推出的精密電壓/電流變換器，它是專為模擬信號(hào)傳輸所設(shè)計(jì)的?？捎糜趯?5V或010V的輸入電壓轉(zhuǎn)換成420mA，020mA，525mA或其他常用范圍的輸出電流。此外，其內(nèi)部精確的+10V參考電壓可也用于驅(qū)動(dòng)外部電路。該芯片由精密電阻網(wǎng)絡(luò)模塊、電壓/電流變換模塊、電流/電流變換模塊和精密+10V電壓基準(zhǔn)模塊組成。由于它利用電流進(jìn)行傳輸，所以能有效克服在長(zhǎng)線傳送過(guò)程中環(huán)境干擾對(duì)測(cè)試的影響，從而使其性能大大提高。XTR110應(yīng)用范圍極廣，可用于任何需要信號(hào)處理的場(chǎng)合，尤其是在信號(hào)小、環(huán)境差的測(cè)試環(huán)境（如工業(yè)過(guò)程控制、壓力、溫度、應(yīng)變測(cè)重、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和微控制器應(yīng)用系統(tǒng)中的輸入通道等）下更為適合。1、引腳功能XTR110的引腳排列如圖3-16所示。2、性能參數(shù)XTR110的主要性能特點(diǎn)如下：（1）采用標(biāo)準(zhǔn)420mA電流傳輸。（2）輸入/輸出范圍可選擇。（3）最大非線性誤差為0.005%。（4）帶有精確的+10V參考電壓輸出。（5）采用獨(dú)立電源工作模式，且電壓范圍很寬（13.5V40V）。（6）引腳可編程。3、電路連接圖3-17是010V輸入對(duì)應(yīng)于420mA輸出時(shí)XTR110的功能框圖和典型外部連接電路。對(duì)于其它輸入電壓與輸出電流范圍使用時(shí)可根據(jù)具體情況改變管腳3、4、5、9、10的連接方式。圖3-16 XTR110引腳圖XTR110的輸出電流可用下式表示：IO10（VREFIN/16VIN1/4VIN/2）/RSPAN （3-12）圖3-17中，RSPAN實(shí)際上就是內(nèi)部50電阻R9。為了獲得不同的輸出電流范圍，也可連接相應(yīng)的外部RSPAN，而外部晶體管QEXT則用于傳導(dǎo)輸出信號(hào)電流，推薦使用P溝道MOS晶體管。它的電壓標(biāo)稱值必須大于或等于最大電源電壓，如果電源電壓VCC超過(guò)了它的柵極擊穿電壓，QEXT的漏極將被擊穿而失去作用。如果內(nèi)部運(yùn)算放大器A1（圖3-17中偏左下的運(yùn)算放大器）的非倒置輸入低于地（0V），該運(yùn)算放大器就可能損壞。這種情況一般出現(xiàn)在XTR110的管腳3、4或5被一個(gè)異常情況下的反向擺動(dòng)運(yùn)算放大器所驅(qū)動(dòng)時(shí)。必要的話，可以在反向輸入和地之間連接一個(gè)鉗位二極管來(lái)對(duì)電壓進(jìn)行鉗位。參考電壓在管腳12處應(yīng)精確校準(zhǔn)，為保持精度，包括管腳3在內(nèi)的任何負(fù)載都應(yīng)與此點(diǎn)相連。如圖3-17所示，也可以使用分壓器R1來(lái)調(diào)整偏置電流。但首先應(yīng)將輸入電壓置零，然后調(diào)整R1使輸出電流為4mA。對(duì)于輸出電流范圍起始值為0mA的情況，可用以下特定步驟來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)：即將輸入電壓調(diào)整到一個(gè)很小的非零值，然后調(diào)整R1以獲得所需的輸出電流。這樣，當(dāng)輸入為零時(shí)，輸出也將為零。用以下特定步驟來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)：即將輸入電壓調(diào)整到一個(gè)很小的非零值，然后調(diào)整R1以獲得所需的輸出電流。這樣，當(dāng)輸入為零時(shí)，輸出也將為零。圖3-17 XTR110功能框圖及外部電路圖3-22 010V轉(zhuǎn)換為420mA偏置和調(diào)幅電路圖利用圖3-22中的分壓器R2可在輸出電流滿刻度時(shí)進(jìn)行幅度調(diào)節(jié)。這一調(diào)整與偏置電流調(diào)整是相互作用的。對(duì)于該電路，可將輸入電壓置于+10V滿刻度，然后調(diào)整R2到20mA滿刻度輸出。用于幅度調(diào)整的R2、R3與R4的值應(yīng)根據(jù)如下原則選取：選擇R4使幅度可以連續(xù)小幅遞減，然后選擇R2和R3使幅度上升，從而使幅度相對(duì)于中心值可調(diào)。通過(guò)以上設(shè)計(jì)完成了010V電壓轉(zhuǎn)換為 420mA電路的設(shè)計(jì)。3.8 并行接口8255的擴(kuò)展MCS-51系列8051單片機(jī)共有4個(gè)8位并行I/O口，這些I/O口一般是不能完全提供給用戶使用的，提供給用戶使用的I/O口只有P1口和P3口的部分口線，因此需要進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。8255就是其中的一種，本設(shè)計(jì)用其來(lái)擴(kuò)展鍵盤(pán)和顯示器。3.8.1 8255芯片介紹8255A是Intel86系列微處理機(jī)的配套并行接口芯片，它可為86系列CPU與外部設(shè)備之間提供并行輸入/輸出的通道。由于它是可編程的，可以通過(guò)軟件來(lái)設(shè)置芯片的工作方式。所以，用8255A連接外部設(shè)備時(shí)，通常不用再附加外部電路，給使用者帶來(lái)很大方便。8522A芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及其功能如下，由圖3-23可見(jiàn)，8255A由以下幾部分組成：圖3-23 8255A芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1、并行輸入/輸出斷口A，B，C 8255A芯片內(nèi)部包含3個(gè)8位端口，其中：端口A包含一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖存儲(chǔ)器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器；端口B包含一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入/輸出、鎖存/緩沖存儲(chǔ)器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖存儲(chǔ)器；端口C包含一個(gè)輸入鎖存/緩沖存儲(chǔ)器和一個(gè)輸入緩沖存儲(chǔ)器。必要時(shí)端口C可分為2個(gè)4位端口，分別與端口A和端口B配合工作，通常將端口A和端口B定義位輸入/輸出的數(shù)據(jù)端口，而端口C可作為狀態(tài)或控制信息的傳送端口。圖3-24 8255A芯片引腳圖2、A組和B組控制部件端口A與端口C的高4位（PC7PC4）構(gòu)成A組，由A組控制部件實(shí)現(xiàn)控制功能，端口B與端口C的低4位（PC3PC0），由B組部件實(shí)現(xiàn)控制功能。他們各有一個(gè)控制單元，可接收來(lái)自讀/寫(xiě)控制部件的命令和CPU通過(guò)數(shù)據(jù)總線（D7D0）送來(lái)的控制字，并根據(jù)他們來(lái)定義各個(gè)端口的操作方式。3、數(shù)據(jù)總線緩沖存儲(chǔ)器這是一個(gè)三態(tài)雙向8位數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器，它是8255A與CPU之間的數(shù)據(jù)接口。CPU執(zhí)行輸出命令時(shí)，可將控制字或數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線緩沖存儲(chǔ)器傳送給8255A。CPU執(zhí)行輸入命令時(shí)，8255A可將狀態(tài)信息或數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線緩沖存儲(chǔ)器向CPU輸入。因此它是CPU與8255A之間交換信息的必經(jīng)之路。4、讀/寫(xiě)控制部件這是8255A內(nèi)部完成讀/寫(xiě)控制功能的部件，它能接收CPU的控制命令，并根據(jù)它們向片內(nèi)各功能部件發(fā)出操作命令。可接收的控制命令如下：（1）片選信號(hào)。由CPU輸入，通常由端口的高位地址碼（A15A2）譯碼得到，有效，表示該8255A被選中。（2），讀、寫(xiě)控制信號(hào)。由CPU輸入，有效，表示CPU讀8255A，應(yīng)由8255A向CPU傳送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息。有效，表示CPU寫(xiě)8255A，應(yīng)由CPU將控制字或數(shù)據(jù)寫(xiě)入8255A。（3）RESET復(fù)位信號(hào)。由CPU輸入，RESET有效時(shí)，清除8255A中所有控制字寄存器內(nèi)容，并將各端口置成輸入方式。（4）A1和A0端口選擇信號(hào)。A1A0=00，選擇端口A；A1A0=01，選擇端口B；A1A0=10，選擇端口C；A1A0=11，選擇控制字寄存器。由端口地址A1A0和相應(yīng)的控制信號(hào)組合起來(lái)可定義各端口的操作方式如表4-3所示。3.8.2 8255A芯片的控制字及其工作方式8255A中各端口可有三種基本工作方式：方式0基本輸入/輸出方式；方式1選通輸入/輸出方式；方式2雙向傳送方式。端口A可處于3種工作方式（方式0，1，2），端口B只可處于兩種方式（方式0和方式1），端口C常常被分成高4位和低4位兩部分，可分別用來(lái)傳送數(shù)據(jù)或控制信息。用戶可用軟件來(lái)分別定義3個(gè)端口的工作方式，可使用的控制字由定義工作方式控制字和置位/復(fù)位控制字。1、控制字圖3-25 8255A工作方式控制字格式（1）定義工作方