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冶金工业炉温度控制系统的硬件电路设计案例

系统的控制核心是AT89C51单片机，结合对温度的测量技术，采用热电偶做为工业炉温度信号的采集装置，热电偶可将温度信号转换为连续信号（模拟信号），传送到信号调理电路，经过信号调理电路处理，将其转换为标准连续信号输出，传送至A/D转换器将其转换成离散信号（数字信号），最后将离散信号传送给单片机保存数据并对其进行分析处理，判断系统温度是否超温且控制固态继电器，固态继电器进一步控制执行机构通电与否，使得工业炉温度稳定在设定值上，并由一个四位LED数码管交替显示工业炉设定温度以及实时温度，由键盘输入给定温度值，当测量温度超过给定值时发出声光报警信号。

AT89C51单片机可以说是将CPU和存储器相结合，也就使得AT89C51单片机具有可擦除的存储空间，是一种高性能的微机处理器，因其使用较为灵活，价格相对便宜，故而在嵌入式微机控制系统中较为常见。单片机引脚图如图3.1所示。

图3.1单片机引脚图

单片机引脚功能如表3-1所示。

表3-1单片机引脚功能

引脚

功能

P0.0～P0.7

P0口是一组8位输入输出线，当外部连接存储器或者扩展端口芯片时，可作为数据传输总线或者是地址总线；当P0口不连接外部扩展时，做为一般输入输出口使用，因为其内部没有上拉电阻，所以引脚处于高阻抗状态，在使用时需要连接外部上拉电阻。当P0口作为输入时，上拉电阻将引脚电位拉高，当输入信号为低电平时，相当于提供一个电流源。

P1.0～P1.7

P1口是一组8位输入输出线，无特殊功能。

P2.0～P2.7

P2口是一组8位输入输出线，也可以扩展外部存储，但作为地址总线；当做输入输出口使用时，不需要外部连接上拉电阻。

P3.0～P3.7

P3口是一组8位输入输出线，除了可以作为一般输入输出口使用外，其P3口引脚还具备特殊的引脚功能，但其功能由特殊寄存器来设置。

PSEN

访问外部程序的读取选通信号端，在读取外部存储时，该引脚低电平信号有效，以实现外部ROM的读取操作。当读取内部ROM时，该引脚不发生动作；当ROM外部读取时，每个周期发生两次动作。

ALE/PROG

控制地址锁存信号端。

PORG

作为编程脉冲输入端，存放运行时需要的程序。

EA/VPP

控制外部程序存储访问允许端。

要对Flash进行编程时，需要连接编程电压。

XTAL1/XTAL2

当单片机系统使用内部时钟信号时，引脚连接晶振和电容；当单片机系统使用外部时钟信号时，此时XTAL1引脚连接外部脉冲时钟信号、XTAL2引脚处于悬空状态。

VCC

电源+5V输入

VSS

GND接地

RST

输入复位信号端，输入高电平有效。

最小工作系统，是指使用最少的电子器件，使得单片机能够进行有效工作的最简单电路，其必须要有为其提供电能的电源电路、提供时钟信号的时钟电路（晶振）、以及防止单片机死机的复位电路。

复位电路：主要作用是防止单片机系统出现直接死机，以及程序执行的过程中有错误出现时，通过复位电路对系统进行有效的复位操作，使得单片机重新执行程序，由此可见单片机的复位电路是用来控制其启动状态。单片机的复位方式主要有两种：上电自动复位以及外部手动按键复位。

为了简化设计，系统使用外部手动按键复位方式，即高电平信号复位。当复位按键处于释放状态时，单片机RST端接收到的信号为低电平，当复位按键处于按下状态时，单片机的RST端接收到的信号变为高电平，实现系统电路复位。复位电路如图3.2所示。

图3.2复位电路

时钟电路：其本质是晶振，电容和单片机引脚XTAL1/XTAL2所构成的自激振荡电路，用来给单片机提供方波信号，使其进行工作。时钟电路决定了单片机的运行速率，以及单片机对数据处理的能力。时钟电路如图3.3所示。

图3.3时钟电路

电源电路：单片机使用5V的直流电压，需将220V市电经过交流变压器降压，输出8V的交流电压，通过桥式整流电路输出直流电压，再通过滤波电路对其进行滤波，最后通过稳压电路对其进行稳压，使得输出稳定的直流电压。电源电路如图3.4所示。

图3.4电源电路

单片机最小工作系统如图3.5所示。

图3.5单片机最小工作系统

由于单片机不能满足外部设备所需引脚，故需8155芯片作为单片机的外部扩展接口，单片机与8155连接图如图3.6所示。

图3.6单片机与8155连接图

8155芯片引脚功能如表3-2所示。

表3-28155芯片引脚功能

引脚

功能

RES

复位端，输入高电平信号时有效。芯片复位后其上所有I/O口都为输入方式。

AD0～AD7

地址数据总线。作为单片机外部扩展端口芯片时，与单片机的P0口相连，单片机和8155芯片间的所有数据、指令、端口地址全部都由这个总线接口传送。

RD

读取选通信号端，控制8155读取操作，低电平有效。

WR

写选通信