毕业设计基于单片机的温度控制系统设计.doc

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1、基于单片机的温度控制系统设计基于单片机的温度控制系统设计摘 要随着国民经济的发展，人们需要对各中加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。本设计采用无 ROM 的 8031 作为主控制芯片。8031 的接口电路有 8155、2764。8155 用于键盘/LED 显示器接口，2764 可作为 8031 的外部 ROM 存储器。其中温度控制电路是通过可控硅调功器实现的。双向可控硅管和加热丝串联接在交流 220V，50HZ 交流试点回路，在给定周期内，80

2、31 只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。关键字：温度控制；接口电路；可控硅 DESIGN OF TEMPERATURE CONTROL SYSTEM BASED ON SCMABSTRACTAlong with national economy development,the people need to each heating furnace、the heat-treatment furnace、in the reactor and the boiler the temperature carry on the monitor and the contro

3、l.Not only uses the monolithic integrated circuit to come to them to control has the control to be convenient,simple and flexibility big and so on merits,moreover may enhance large scale is accused the temperature technical specification,thus can big enhance the product the quality and quantity.This

4、 design uses non-ROM 8031 to take the master control chip.8031 connection electric circuits have 8155、2764.8155 uses in the keyboard/LED monitor connection,2764 may take 8031 exterior ROM memories,one temperature-control circuit is adjusts the merit realization through the silicon-controlled rectifi

5、er.The bidirectional silicon-controlled rectifier tube and the heater series connection in exchange 220V,50HZ exchange city electricity return route,in assigns in the cycle,8031 so long as the change silicon-controlled rectifier tube puts through the time then to be possible to change the heater pow

6、er,achieves the attemperation the goal.Key words:Temperature control；Connection electric circuit；Silicon-controlled rectifier目 录目 录绪 论 1第一章 单片机温度控制系统方案简介.2第二章 单片机.32.1 单片机内部模块.32.1.1 MCS-51 单片机内部结构.32.1.2 MCS-51 输入/输出端口的结构与功能.32.1.3 MCS51 单片机的引脚及其功能.42.1.4 8031 系统扩展设计.52.2 单片机外总线结构.52.3 芯片的扩展设计.52.4

7、 单片机温控模块.7第三章 系统硬件设计.83.1 系统总体设计.83.2 8155 接口电路.83.3 A/D 转换电路.103.4 可控硅控制电路.10第四章 系统软件设计.134.1 主程序流程图.134.2 T0 中断服务程序.144.3 采样子程序.184.4 数字滤波程序.19总 结.21参考文献.22绪绪 论论温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的 PID 控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化

8、、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。本设计使用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。本系统所使用的单片机 8031 有 128K 的 RAM，使温度控制大为简便。第一章单片机温度控制系统方案简介第一章单片机温度控制系统方案简介单片机温度控制系统是以MS-5l单片机为控制核心，辅以采样反馈电路，驱动电路，晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。其系统结构框图可表示为:系统采用单闭环形式，其基本控制原理为:将温度设定值(即输

9、入控制量)和温度反馈值同时送入控制电路部分，然后经过调节器运算得到输出控制量，输出控制量控制驱动电路得到控制电压施加到被控对象上，电炉因此达到一定的温度。图1.1 控制电路的设计给定值8031 控制电路驱动电路晶闸管主电路被控对象输出温度采样电路第二章单片机第二章单片机 单片机是单片微型计算机 SCM(single chip micro-computer)的译名简称，在国内也常简称为“单片机”。它包括中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、中断系统、定时器/计数器、串行口和 I/O 等等。单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对象的控制。它

10、具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点，单片微型计算机(简称单片机)是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃和颇具生命力的机种，特别适合用于智能控制系统。2.1 单片机内部模块单片机内部模块在本设计中,从经济上以及性能上考虑，我选用 8031 作为 CPU。8031 是 MCS51 系列单片机的一种型号。MCS-51 单片机的类型有：8051、8031、8751 等。2.1.1 MCS-51 单片机内部结构8031 单片机内部结构见图 2.1。它其中包含 CPU、震荡器和时序电路、4KB的 ROM、256B 的 RAM、两个 16 定时/计数器 T0 和 T1、4

11、 个 8 位 I/O 端口（P0、P1、P2、P3）、串行口等组成。其中震荡时序与时钟组成定时控制部件。图 2.1 8031 单片机功能方框图 2.1.2 MCS-51 输入/输出端口的结构与功能MCS-51 单片机有 4 个 I/O 端口，公 32 根 I/O 线，4 个端口都是准双向口。每个口都包含一个锁存器，即专用寄存器 P0P3，一个输出驱动器和输入缓冲器。为方便起见，我们把 4 个端口和其中的锁存器都统称 P0P3。在访问片外扩展存储器时，低 8 位地址和数据由 P0 口分时传送，高 8位地址由 P2 口传送。在无片外扩展存储器的系统中，这 4 个口的每一位均可作为双向的 I/O 口

12、使用。P0 口：可作为一般的 I/O 口用，但应用系统采用外部总线结构时，它分时作低 8 位地址和 8 位双向数据总线用。P1 口：每一位均可独立作为 I/O 口。P2 口：可作为一般 I/O 口用，但应用系统采用外部系统采用总线结构时，它分时作为高 8 位地址线。P3 口：双功能口。作为第一功能使用时同 P1 口，每一位均可独立作为 I/O口。另外，每一位均具有第二功能，每一位的两个功能不能同时使用。2.1.3 MCS51 单片机的引脚及其功能MCS-51 单片机采用 40 引脚的双列直插封装形式。1）主电源引脚 VCC 和 VSSVSS（40 脚）：主电源+5V，正常操作的对 EPROM

13、编程及验证时均接+5V 电源。VSS（20 脚）：接地。2）XTAL1（19 脚）和 XTAL2（18 脚）：接外部晶振的两个引脚。3）RST/VPD、ALE、/PROG、PSEN控制信号引脚。RST/VPD（9 脚）：单片机复位/备用电源引脚。刚接上电源时，其内部寄存器处于随机状态，在引脚上输入持续两个机器周期的高电平将使单片机复位。VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，一旦芯片在使用中 VCC 电压突然下降或短电，能保护片内 RAN 中信息不丢失，使复电后能继续正常运行。ALE、/PROG（30 脚）：当访问片外存储器时，ALE 的输出用于锁存低字节地址信号。即使不访问片外存储器，ALE

14、端仍以不变的频率周期性地出现脉冲信号。其频率为振荡器频率 1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时的目的。应注意的是：当访问片外数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲；ALE 端可以驱动 8 个 LSET 负载。对含有 EPROM 的单片机，片内 EPROM 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。PROG（29 脚）：输出访问片外程序存储器的读选通信号。CPU 在从片外程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次有效。每当访问片外存储器时，这两次有效的 PROG信号将不会出现。该端同样可驱动 8 个 LSTTL 负载。EA/VPP（31 脚）：当 EA 输入端输入高电平时，

15、CPU 可访问片内程序存储器 4KB 的地址范围。若 PC 值超出 4KB 地址时，将自动转向片外程序存储器。当 EA 输入低电平时，不论片内是否有程序存储器，则 CPU 只能访问片外程序存储器。2.1.4 8031 系统扩展设计单片机系统扩展的方法有并行扩展法和串行扩展法两种。并行扩展法是利用单片机的三种线（AB、DB、CB）进行的系统扩展；串行扩展法是利用 SPI 三线总线或 I2C 双总线的串行系统扩展。但是，一般串行接口器件速度慢，在需要高速应用的场合，还是并行扩展法占主导地位。在本设计中，由于存储数据比较少，单片机内部的数据存储器能满足需要，故不需再扩展片外存储器。2.2 单片机外总

16、线结构微型计算机大多数 CPU 外部都有单独的地址总线、数据总线和控制总线，而MCS51 单片机由于受到芯片管脚的限制，数据线和地址线（低 8 位）是复用的，而且是 I/O 口兼用。为了将它们分离开来，以便同单片机之外的芯片正确地相连，常常在单片机外部加地址锁存器来构成与一般 CPU 相类似的三总线，如图 2.2 所示。图 2.2 三总线图2.3 芯片的扩展设计71）程序存储器扩展设计(A)程序存储器简介常见的 EPROM 有：2716（容量 2K8 位）、2732（容量 4K8 位）、2764（容量 8K8 位）、27128（容量 16K8 位）、27256（容量 32K8 位）、27512

17、（容量64K8 位）。EPROM 外引脚功能如下：A0A15:地址输入线；O0O7:三态数据总线，读或编程校验时为数据输出线，编程时为数据输入线。维持或编程禁止时 O0O7 呈高阻抗；CE：片选信号输入线，“0”（即 TTL 低电平）有效；PGM：编程脉冲输入线;其值因芯片型号和制造厂商不同而异；VPP：编程电源输入线，其值因芯片型号和制造厂商不同而异；OE：读选通信号输入线，“0”有效；VCC：主电源输入线，一般为5V；(B)扩展方法扩展程序存储器时，一般扩展容量大于 256 字节，因此，除了由 P0 口提供低 8 位地址线外，还需由 P2 口提供若干地址线，最大的扩展范围位 64K 字节，

18、即需 16 位地址线。具体方法是 CPU 应向 EPROM 提供三种信号线。即A：数据总线：P0 口接 EPROM 地 O0O7(D7D0);B：地址总线：P0 口经锁存器向 EPROM 提供地址低 8 位，P2 口提供高 8 位地址以及片选线。扩展的程序存储器究竟需要多少位地址线，应根据程序存储器容量和选用的 EPROM 芯片容量而定。C：控制总线：PSEN片外程序存储器取指令控制信号，接 EPROM 的“OE”。ALE接锁存器的 G。EA接地。2）数据存储器设计由于算法的需要，在存储器中需要存储 24 个从 A/D 片出来的数据，即需要 24单元的存储单元。在 8031 的内部数据存储区低

19、 128 字节 RAM 中 30H7FH 共 80 个存储单元使用户 RAM 区，完全可以容纳下 24 个数据以及其运算过程中的临时数据，故不需要在另外扩展片外数据存储器。我选用的 EPROM 芯片为 2764。连接如图 2.3图 2.3 2764 与 8031 连接图2.4 单片机温控模块温度检测元件和变送器的选择和被控温度及精度等级有关。本设计采用镍铬/镍铝热电偶，此电偶用于 01000的温度测量范围，相应的输出电压为0mV-41.32mV.变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于把热电偶输出的 0-41.32mV 变换成 0-10mA 范围内的电流；电流/电压变送器用于把

20、毫伏变送器输出的 0-10MA 电流变换成 0-5V 范围的电压。54001000，则热电偶输出为 16.4mV-41.32mV,毫伏变送器零点迁移后输出0-10mV 范围电流。这样，采用 8 位 A/D 转换器就可以使量化误差达到正负 2.34度以内。第三章系统硬件设计第三章系统硬件设计3.1 系统总体设计系统控制主电路是由8031及其外围芯片，及一些辅助的部分构成的。图 3.1 系统设计原理图3.2 8155 接口电路3.2 8155 接口电路8155 芯片内具有 256 个字节的 RAM，两个 8 位、一个 16 位的可编程 I/O 口和一个 14 位计数器。它与 51 型单片机接口简单

21、，是单片机应用系统中广泛使用的芯片。图 3.2 带有 I/O 接口和计时器的静态 RAM81558155 用作键盘/LED 显示器接口电路，当 IO/M为高电平时，8155 选通片内的 I/O 端口。A,B,C 三个口可以作为扩展的 I/O 口使用，MCS51 单片机的 PO 口与 8155 的 AD0AD7 相连。MCS51 单片机可以和 8155 直接连接，不需要任何外加电路，给系统增加了256 个字节的 RAM、22 位 I/O 线及一个计数器。当 P2.00 且 P2.1=0 时，选中8155 的 RAM 工作；在 P2.0=1 和 P20=0 时，8155 选中片内三个 I/O 端口

22、。相应地址分配为：20000H-00FFH 8155 内部 RAM 0100H 命令/状态口 0101H A 口 0102H B 口 0103H C 口 0104H 定时器低八位口 0105H 定时器高八位口3.3 A/D 转换电路 图 3.3 A/D 转换电路图ADC0809 的 IN0 上输入的 0V-+5V 范围的模拟电压经 A/D 转换后可由 8031 通过程序从 P0 口输入到它的内部 RAM 单元。首先输入地址选择信号，在 ALE 信号作用下，地址信号被锁存，产生译码信号，选中一路模拟量输入。然后输入启动转换控制信号 START 启动转换。3.4可控硅控制电路3.4可控硅控制电路8

23、031 对温度的控制是通过可控硅调控器实现的。如图 3.4 所示，3.4 可控硅功输出与通断时间关系双向可控硅管和加热丝串联接在交流 220V，50Hz 交流试点回路。在给定的周期 T 内，8031 只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。图 3.4 示出了可控硅管在给定周期 T 内具有不同接通时间的情况。显然，可控硅在给定周期 T 的 100%时间内接通的功率最大。可控硅接通时间可以通过可控硅控制板上控制脉冲控制。该触发脉冲由 8031用软件在 P1.3 引脚上产生，受过零同步脉冲后经光偶管和驱动器输送到可控硅的控制极上。通常，电阻炉炉温控制采用偏差控制法。控制论

24、告诉我们，PID 控制的理想方程是：11()pDdeUKEedtTTdt （3.1）式中 e 测量值与给定值之间的偏差;TD 微分时间:T-积分时间;11111111()()nDnpnnninpnDnniTTUKeeeeTTK eKeKee （3.2）KP 调节器的放大系数.将上式离散化得到数字PID位置式算法式中在位置式算法的基础之上得到数字 PID增量式算法：11012101()(2)()npnnnnnnpnnnnUKeeK eK eeeKeK eKee （3.3）第四章系统软件设计第四章系统软件设计4.1 主程序 图 4.1 主程序流程图主程序：ORG 0100HDISM0 DATA 7

25、8HDISM1 DATA 79HDISM2 DATA 7AHDISM3 DATA 7BHDISM4 DATA 7CHDISM5 DATA 7DHMOV SP,#50H;50H 送 SPCLR 5EH ;清本次越限标志CLR 5FH ；清上次越限标志CLR A ；清累加器 AMOV 2FH,AMOV 30H,AMOV 3BH,AMOV 3CH,A清暂存单元MOV 3DH,AMOV 3EH,AMOV 44H,AMOV DISM0,AMOV DISM1,AMOV DISM2,AMOV DISM3,A清显示缓冲区MOV DISM4,AMOV DISM5,AMOV TMOD,#56HMOV TL0,#0

26、6HMOV TH0,#06HCLR PT0SETB TR0SETB ET0SETB EALOOP ACALL DISPLY ；调用显示程序ACALL SCAN ；调用扫描程序AJMP LOOP ；等待中断应当注意：由于 T0 被设定为计数器方式 2，初值为 06H，故它的溢出中断时间为 250 个过零同步脉冲。为了系统正常工作，T1 中断服务程序的执行时间必须满足 T0 的制一时间要求，因为 T1 的中断是嵌套在 T0 中断之中的。4.2 T0 中断服务程序T0 中断服务程序是温度控制系统的主程序，用于启动 A/D 转换器，读如数据采样，数字滤波，越权温度报警和处理，PID 计算和输出可控硅的

27、同步触发脉冲等。P1.3 引脚上输出的该同步脉冲宽度由 T1 计数器的溢出中断控制，8031 利用等待 T1 溢出中断空隙时间完成把本次采样数值转换成显示值而放入显示缓冲区和调用温度显示程序，8031 从 T1 中断服务程序返回后便可以恢复现场和返回主程序，以等待下次 T0 中断。T0 中断服务程序框图如图 4.2 所示图 4.2 T0 中断服务程序流程图T0 中断服务程序：ORG 000BH AJMP CT0 CT0：PUSH ACC ；PUSH DPL ；保护现场PUSH DPH ；SETB D5H ；置标志ACALL SAMPACALL FILTERCJNE A，42H，TPLWL：MO

28、V C，5EHMOV 5FH，CCLR 5EHACALL UPLPOP DPHPOP DPLPOP ACCRETI ；中断返回TPL：JNC TPL1CLR 5FH ；清上次越限标志CJNE A，43H，MTPLHAT：SETB P1.1 ；若温度不越限，则绿灯亮ACALL PIDMOV A，2FHCPL A ；INC A ；对 PID 值求补，作为 TL1 值NM：SETB P1.3MOV TL1，AMOV TH1,#0FFHSETB PT1SETB TR1 ；启动 T1SETB ET1 ；允许 T1 中断ACALL TRASTLOOP:ACALL DISPLY ；显示温度JB D5H,LO

29、OP ；等待 T1 中断POP DPHPOP DPLPOP ACCRETIMTPL:JNC HATSETB P1.0 ；否则，下限声光报警MOV A,45HCPL AINC AAJMP NMTPL1:SETB 5EHJNB 5FH,WLINC 44H ；越限计数器加 1MOV A,44HCLR CSUBB A,#N ；越限 N 次吗？JNZ WLSETB P1.2CLR 5EHCLR 5FHPOP DPHPOP DPLPOP ACCRETI4.3 采样子程序采样子程序 SAMP：流程图如下图所示，图 4.3 采样子程序流程图 采样子程序：SAMP:MOV R0,#2CH ；采样值始址送 R0M

30、OV R2,#03HMOV DPTR,#03F8HNY选同 IN0启动 ADC延时A/D 完成？所有采样结束？返 回N采样值始址送 R0采样次数送 R2SAM1:MOVX DPTR,A ；启动 ADC0809 工作 MOV R3,#20HDLY:DJNZ R3,DLY ；延时HERE:JB P3.3,HEREMOVX A,DPTRMOV R0,A ；存放采样值INC R0DJNC R2,SAM1RET4.4 数字滤波程序数字滤波程序数字滤波程序 FILTER:用于滤去来自控制现场对采样值的干扰。本设计采用中值滤波，程序如下：FILTER:MOV A,2CH CJNE A,2DH,CAMP1AJ

31、MP CMP2CMP1:JNC CMP2 XCH A,2DH XCH A,2CHCMP2 MOV A,2DH CJNE A,2EH,CMP3 MOV 2AH,A RETCMP3:JC CMP4 MOV 2QH,A RETCMP4:MOV A,2EH CJNE A,2CH,CMP5 MOV 2AH,A RETCMP5:JC CMP6 XCH A,2CHCMP6:MOV 2AH,A RET图 4.4 数字滤波程序流程图YNNYYYYNYYN(2CH)送 A(2CH)(2DH)?(2CH)(2DH)?(2CH)(2DH)(2DH)(2EH)?(2DH)(2EH)?(2CH)(2EH)?(2EH)(2

32、CH)?(2CH)送 2AH返回(2EH)送 2AH(2EH)送 2AH(2DH)送 2AH(2DH)送 2AH N总 结总 结本设计使用无 ROM 的 8031 作为主控芯片进行控制，单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。其中的温控系统采用镍铬/镍铝热电偶，此电偶用于 01000的温度测量范围，相应的输出电压为 0mV-41.32mV.温度是工业对象中的一个重要的被控参数，在本系统中，若采用模糊控制或者神经网络及遗传算法控制，这些控制技术会大大提高控制精度，不但使控制简捷，降低了产品的成

33、本，提高了生产效率。我在以后的设计实验中会加以致用，取得更好的成绩。参考文献参考文献1 何立民.单片机高级教程应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2000，3142 赖寿宏.微型计算机控制技术M.北京：机械工业出版社.2003，2142.3 康华光主编.电子技术基础M.北京：高等教育出版社，1998，121142.4 秦实宏等.单片机原理与应用技术M.北京：中国水利水电出版社,2005，2748.5 李洪编著.Protel 99 电路设计Z.北京：人民交通出版社，2000，6192.6 方大千等.实用电子控制电路M.北京：国防工业出版社，2002,234304.7 曹巧媛.单片机原理及应用M.北京：电子工业出版社，1997,125186.8 李华等.单片机实用接口技术M.北京：北京航空航天大学出版社，2002，6072.9 周慈航.单片机程序设计基础M.北京：北京航空航天大学出版社，1999,156214.10 陆子明.单片机设计与应用基础教程M.北京:北京国防工业出版社,2005,126210.