【文章內(nèi)容簡介】 含有一個微處理器核(CPU)，同時，它還含有多個外圍特殊功能模塊和一定規(guī)模的存儲器 (RAM 和ROM)，并且這種片上系統(tǒng)一般具有用戶自定義接口模塊，使得其功 能非常強大，適用領(lǐng)域也非常廣。它不僅能滿足復(fù)雜的系統(tǒng)性能的需要，而且還使整個系統(tǒng)的電路緊湊，硬件結(jié)構(gòu)簡化。 從實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)功能和簡化硬件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)， SOC 是實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的最佳選擇，但目前市場上 SOC 的價格還比較昂貴，并且 SOC 的封裝形式幾乎都采用貼片式封裝，不利于實驗電路板的搭建。從降低成本，器件供貨渠道充足的角度看，應(yīng)用單片機實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)是比較經(jīng)濟實用的。 系統(tǒng)軟件方案分析 目前， MCS51 單片機的開發(fā)主要用到兩種語言 :匯編語言和 C 語 言。與匯編語言相比， C 語言具 有以下的特點 : (1)具有結(jié)構(gòu)化控制語句 結(jié)構(gòu)化控制語言的顯著特點是代碼和數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護及調(diào)試 ； (2)適用范圍大和可移植性好 同其他高級語言一樣， C 語言不依賴于特定的 CPU，其源程序具有良好的可移植性。目前，主流的 CPU 和常見的 MCU 都有 C 編譯器。加之集成開發(fā)基于單片機的 恒溫 控制系統(tǒng)的開 發(fā) 6 環(huán)境 KEIL 編譯生成的代碼效率很高 (僅比匯編語言生成的代碼效率低 10%—15%) 所以，本系統(tǒng)的軟件選擇使用 C 語言開發(fā)。 由于整個系統(tǒng)軟件比較復(fù)雜，為了便于編寫、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)程序的編制適合采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，故要求整個控制系統(tǒng)軟件由許多獨立的小模塊組成，它們之間通過軟件接口連接，遵循模塊內(nèi)數(shù)據(jù)關(guān)系緊湊，模塊間數(shù)據(jù)關(guān)系松散的原則，將各功能模塊組織成模塊化的軟件結(jié)構(gòu)。 溫度控制算法方面，結(jié)合本溫控系統(tǒng)的要求采用了經(jīng)典的 PID 控制算法，這主要是由于 PID 控制相對來說算法簡 單、魯棒性好和可靠性高。此外，在設(shè)計時，依靠經(jīng)驗和試驗的方法在系統(tǒng)調(diào)試時確定 PID 參數(shù) PK , IK , DK ，然后用代碼實現(xiàn)了算法。 基于單片機的 恒溫 控制系統(tǒng)的開 發(fā) 7 第二章 單片機 單片機是單片微型計算機 SCM(single chip microputer)的譯名簡稱，在國內(nèi)簡稱為“單片機”。它包括中央處理器 CPU、隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、中斷系統(tǒng)、定時器 /計數(shù)器、串行口和 I/O 等等。 單片機主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，用來實現(xiàn)對信號的檢測、數(shù)據(jù)的采集以及對應(yīng)用對象的控制。它具有體積小、重量輕、價格 低、可靠性高、耗電少和靈活機動等許多優(yōu)點，單片微型計算機 (簡稱單片機 )是微型計算機的一個重要分支，也是一種非常活躍和頗具生命力的機種，特別適合用于智能控制系統(tǒng) 。 單片機內(nèi)部模塊 在本設(shè)計中 ,從經(jīng)濟上以及性能上考慮，選用 8051作為 CPU。 8051 是 MCS－ 51 系列單片機的一種型號。 MCS51 單片機的類型有： 805 803 8751 等。 MCS51 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8051 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如 圖 21所示。它 包含 CPU、震蕩器和時序電路、 4KB的 ROM、 256B 的 RAM、兩個 16定時 /計 數(shù)器 T0 和 T 4 個 8 位 I/O 端口（ P0、P P P3）、串行口等組成， 其中震蕩時序與時鐘組成定時控制部件。 圖 21 8051單片機功能方框圖 基于單片機的 恒溫 控制系統(tǒng)的開 發(fā) 8 MCS51 輸入 /輸出端口的結(jié)構(gòu)與功能 MCS51 單片機有 4 個 I/O 端口， 共 32 根 I/O 線， 4 個端口都是準(zhǔn)雙向口。每個口都包含一個鎖存器，即專用寄存器 P0P3，一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。為方便起見，我們把 4個端口和其中的鎖存器都統(tǒng)稱 P0P3。 在訪問片外擴展存儲器時，低 8 位地址和數(shù)據(jù)由 P0 口分時傳送， 高 8 位地址由 P2 口傳送。在無片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，這 4 個口的每一位均可作為雙向的 I/O 口使用。 P0 口：可作為一般的 I/O 口用，但應(yīng)用系統(tǒng)采用外部總線結(jié)構(gòu)時，它分時作低 8位地址和 8位雙向數(shù)據(jù)總線用。 P1 口：每一位均可獨立作為 I/O 口。 P2 口：可作為一般 I/O 口用，但應(yīng)用系統(tǒng)采用外部系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)時，它分時作為高 8位地址線。 P3 口：雙功能口。作為第一功能使用時同 P1 口，每一位均可獨立作為 I/O口。另外，每一位均具有第二功能，每一位的兩個功能不能同時使用。 MCS— 51 單片機的引腳及其功能 MCS51 單片機采用 40引腳的雙列直插封裝形式。 1） 主電源引腳 VCC 和 VSS VSS（ 40 腳）：主電源 +5V，正常操作的對 EPROM 編程及驗證時均接 +5V電源。 VSS（ 20腳）：接地。 2） XTAL1（ 19 腳）和 XTAL2（ 18腳）：接外部晶振的兩個引腳。 3） RST/VPD、 ALE、 PROG、 PSEN 控制信號引腳。 RST/VPD（ 9 腳）：單片機復(fù)位 /備用電源引腳。剛接上電源時，其內(nèi)部寄存器處于隨機狀態(tài)，在引腳上輸入持續(xù)兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。VCC 掉電期間，此引腳可接上備用電源，一 旦芯片在使用中 VCC 電壓突然下降或短電，能保護片內(nèi) RAN 中信息不丟失，使復(fù)電后能繼續(xù)正常運行。 ALE（ 30 腳）：當(dāng)訪問片外存儲器時， ALE 的輸出用于鎖存低字節(jié)地址信號。即使不訪問片外存儲器， ALE 端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)脈沖信號。其頻率為振蕩器頻率 1/6。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時的目的。應(yīng)注意的是：當(dāng)訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖； ALE 端基于單片機的 恒溫 控制系統(tǒng)的開 發(fā) 9 可以驅(qū)動 8個 LSET 負(fù)載。 對含有 EPROM 的單片機，片內(nèi) EPROM 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖（ PROG）。 PROG（ 29 腳）： 輸出訪問片外程序存儲器的讀選通信號。 CPU 在從片外程序存儲器取指令（或常數(shù)）期間，每個機器周期兩次有效。每當(dāng)訪問片外存儲器時，這兩次有效的 PROG 信號將不會出現(xiàn)。該端同樣可驅(qū)動 8 個 LSTTL負(fù)載。 EA/VPP（ 31腳）：當(dāng) EA 輸入端輸入高電平時， CPU可訪問片內(nèi)程序存儲器 4KB 的地址范圍。若 PC 值超出 4KB 地址時，將自動轉(zhuǎn)向片外程序存儲器。當(dāng) EA 輸入低電平時，不論片內(nèi)是否有程序存儲器，則 CPU 只能訪問片外程序存儲器。 8051 系統(tǒng)擴展設(shè)計 通常情況下，采用 MCS51 系列單片機的最小系統(tǒng)只能用于一些很 簡單的應(yīng)用場合，在此情況下直接使用單片機內(nèi)部存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、定時功能、中斷功能、 I/O 端口等，組成的應(yīng)用系統(tǒng)的成本較低 [5]。 單片機系統(tǒng)擴展的方法有并行擴展法和串行擴展法兩種。并行擴展法是利用單片機的三種線（ AB、 DB、 CB）進(jìn)行的系統(tǒng)擴展；串行擴展法是利用 SPI三線總線或 I2C 雙總線的串行系統(tǒng)擴展。但是，一般串行接口器件速度慢，在需要高速應(yīng)用的場合，還是并行擴展法占主導(dǎo)地位。 單片機外總線結(jié)構(gòu) 微型計算機大多數(shù) CPU外部都有單獨的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，而 MCS51 單片機由于受到芯片 管腳的限制，數(shù)據(jù)線和地址線（低 8位）是復(fù)用的，而且是 I/O 口兼用。為了將它們分離開來，以便同單片機之外的芯片正確地相連，常常在單片機外部加地址鎖存器來構(gòu)成與一般 CPU 相類似的三總線，如圖 22所示 [6]。 基于單片機的 恒溫 控制系統(tǒng)的開 發(fā) 10 圖 22 三總線 芯片的擴展設(shè)計 1）程序存儲器擴展設(shè)計 [7] (A) 程序存儲器簡介 常見的 EPROM 有： 2716（容量 2K 8 位）、 2732（容量 4K 8位）、 2764（容量 8K 8位）、 27128（容量 16K 8位）、 27256（容量 32K 8 位）、 27512（容量 64K 8 位）。 EPROM 外引腳功能如下： A0－ A15:地址輸入線； O0O7:三態(tài)數(shù)據(jù)總線，讀或編程校驗時為數(shù)據(jù)輸出線，編程時為數(shù)據(jù)輸入線。維持或編程禁止時 O0O7 呈高阻抗； CE：片選信號輸入線，“ 0”（即 TTL 低電平）有效； PGM：編程脈沖輸入線 。其值因芯片型號和制造廠商不同而異； VPP：編程電源輸入線，其值因芯片型號和制造廠商不同而異； OE：讀選通信號輸入線，“ 0”有效； VCC：主電源輸入線，一般為＋ 5V。 (B)擴展方法 擴展程序存儲器時，一般擴展容量大于 256 字節(jié) ，因此，除了由 P0 口提供低 8 位地址線外，還需由 P2 口提供若干地址線，最大的擴展范圍位 64K 字節(jié)，基于單片機的 恒溫 控制系統(tǒng)的開 發(fā) 11 即需 16位地址線。具體方法是 CPU應(yīng)向 EPROM 提供三種信號線。即 A：數(shù)據(jù)總線： P0 口接 EPROM 地 O0O7(D7D0)； B：地址總線： P0 口經(jīng)鎖存器向 EPROM 提供地址低 8 位， P2 口提供高 8 位地址以及片選線。擴展的程序存儲器究竟需要多少位地址線，應(yīng)根據(jù)程序存儲器容量和選用的 EPROM 芯片容量而定。 C：控制總線： PSEN— 片外程序存儲器取指令控制信號，接 EPROM 的“ OE”。 ALE— 接鎖存器的 G， EA 接 地。 2） 數(shù)據(jù)存儲器設(shè)計 由于算法的需要，在存儲器中需要存儲 24 個從 A/D 片出來的數(shù)據(jù)，即需要 24單元的存儲單元。在 8051的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)低 128字節(jié) RAM中 30H7FH共 80 個存儲單元使用戶 RAM 區(qū)，完全可以容納下 24 個數(shù)據(jù)以及其運算過程中的臨時數(shù)據(jù)，故不需要在另外擴展片外數(shù)據(jù)存儲器。 基于單片機的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 12 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由溫度檢測電路、鍵盤與顯示電路、 A/D轉(zhuǎn)換 電路、輸出控制電路等部分組成。 系統(tǒng)控制主電路是由 8051及其外圍芯片 及 一些輔助 部分構(gòu)成的。 系統(tǒng)設(shè)計原理圖如圖 31所示。 8 0 5 1溫 控 電 路8 1 5 5A D C 0 8 0 9設(shè) 備鍵 盤 與 顯 示傳 感 檢 測 電 路 圖 31 系統(tǒng)設(shè)計原理圖 溫度檢測和變送器 溫度檢測元件和變送器的類型選擇與被控溫度的范圍和精度等級有關(guān)。鎳鉻 /鎳鋁熱電偶適用于 0 Co 1000 Co 的溫度檢測范圍，相應(yīng)輸出電壓為0mV 。 變送器由毫伏變送器和電流 /電 壓變送器組成。 毫伏變送器用于把熱電偶輸出的 0mV 變換成 4mA 20mA 的電流；電流 /電壓變送器用于把毫伏變送器輸出的 4mA 20mA 電流變換成 05V 的電壓 [8]。 為了提高測量精度，變送器可以進(jìn)行零 點遷移。例如：若溫度測量范圍為500Co 1000Co ，則熱電偶輸出為 ，毫伏變送器零點遷移后輸出 4mA 20mA 范圍電流。 以熱電偶為檢測元件的單片機溫度控制系統(tǒng)電路原理圖如圖 32所示 。 基于單片機的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 13 圖 32 單片機 恒溫 控制系統(tǒng)電路原理圖 接口電路 接口電路采用 MCS51 系列單片機 8051，外圍擴展并行接口 8155， 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809 等芯片。 由圖 32可見，在 =0 和 =0 時， 8155 選中它內(nèi)部的 RAM 工作；在 =1 和 =0 時， 8155 選中它內(nèi)部的三個 I/O 端口工作。 8155 用作鍵盤 /LED 顯示器接口電路。圖 33 中 鍵盤有 30個按鍵，分成六行（ L0L5）五列（ R0R4），只要某 個 鍵被按下，相應(yīng)的行線和列線才會接通。圖中 30個按鍵分三類：一是數(shù)字鍵 09，共 10 個；二是功能鍵 18 個；三是剩余兩個鍵，可定義或設(shè)置成復(fù)位鍵等。為了減少硬件開銷，提高系統(tǒng)可靠性和降低成本，采用動態(tài)掃描顯示。 A 口和所有 LED 的八段引線相連，各 LED的控制端 G 和 8155C 口相連，故 A 口為字形口， C 口為字位口， 8051 可以通過 C 口 控制 LED 是否點亮，通過 A 口顯示字符 [9]。 基于單片機的 恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā) 14 圖 33 8155用作鍵盤 /LED 顯示器接口電路 8155 芯片內(nèi)具有 256 個字節(jié)的 RAM，兩個 8位、一個 16 位的可編程 I/O口和一個 14位計數(shù)器。它與 51型單片機接口簡單，是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用的芯片。 帶有 I/O 接口和計時器的靜態(tài) RAM8155 如圖 34所示。 圖 34 帶有 I/O 接口和計時器的靜態(tài) RAM8155 81