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1、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，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
2、节温度的目的。关键字：温度控制；接口电路；可控硅目 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 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
3、 数字滤波程序19总 结21参考文献22 绪 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、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。随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。随着新技术的不断开发与应用，近年来
4、单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触
5、器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。本系统所使用的加热器件是电炉丝，功率为三千瓦，要求温度在4001000。静态控制精度为2.43。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
6、方案简介单片机温度控制系统是数控系统的一个简单应用。在冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各类工业中，广泛使用着加热炉、热处理炉、反应炉等，因此，温度是工业对象中一个主要的被控参数。由于炉子的种类不同，因而所使用的燃料和加热方法也不同，例如煤气、天然气、油、电等;由于工艺不同，所需要的温度高低不同，因而所采用的测温元件和测温方法也不同;产品工艺不同，控制温度的精度也不同，因而对数据采集的精度和所采用的控制算法也不同。单片微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法提供的载体，许多高性能的新型机种应运而生。本系统所使用的加热炉为电加热炉，炉丝功率为2kw，系统要求炉膛恒温，误差为士VC,超调量可
7、能小，温度上升较快且有良好的稳定性. 6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。给定值采样电路输出温度被控对象8031控制电路驱动电路晶闸管主电路图1.1 控制电路的设计第二章 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
8、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
9、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
10、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（
11、40脚）：主电源+5V，正常操作的对EPROM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
12、不访问片外存储器，ALE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，CPU可访问片内程
13、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系统扩展设计通常情况下，采用MCS-51系列单片机的最小系统只能用于一些很简单的应用场合，在此情况下直接使用单片机内部存储器、数据存储器、定时功能、中断功能、I/O端口等，组成的应用系统的成本较低。9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
14、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）、27
15、64（容量8K8位）、27128（容量16K8位）、27256（容量32K8位）、27512（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
16、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，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
17、储区低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/电压变送器用于把毫伏变送器输出的0-10MA电流变换成0-5
18、V范围的电压。5为了提高精度，变送器可以进行零点迁移。例如：若温度测量范围为4001000，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，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RA
19、M81558155用作键盘/LED显示器接口电路，当IO/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。此时P0输出的低8位地址只有3位有效，用于片内选址，其他位无用。使用A,B,C三个口时，首先向命令寄存器写入一个控制字以确定三个口的工作方式。如果写入的控制字规定他们工作于方式或方式下，则这三个口都是独立的基本I/O口。可以直接利用MOVX A,DPTR或MOVX DPTR,A指令完成这三个口的读/写（输入/输出）操作。工作在方式或方式时，C口用作控制口或部分用于控制。MCS51单片机可以和8155
20、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。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和变送器输出端相连，故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
21、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。转换结束，数据送三态缓冲锁存器，同时发出EOC信号。在允许输入信号OE的控制下，再将转换结果输入到外部数据总线。3.4 可控硅控制电路8031对温度的控制是通过可控硅调控器实现的。如图3.4所示，图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
22、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。偏差控制的原理是先求出史册炉温对所需炉温的偏差值，然后对偏差值处理而获得控制信号去调节电阻炉的假热功率，以实现对电阻炉的炉温控制。 在工业上，偏差控制又称为PID控制，这是工业控制中常用的控制形式，一般能收到令人满意的效果。控制论告诉我们，PID控制的理想方程是： （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; （3.2）
23、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： （3.3）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 78HDISM1 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
24、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, #06HMOV 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
25、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 A
26、JMP CT0 CT0： PUSH ACC ；PUSH DPL ；保护现场PUSH DPH ；SETB D5H ； 置标志ACALL SAMPACALL FILTERCJNE A，42H，TPLWL： MOV 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
27、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,LOOP ；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 DP
28、HPOP DPLPOP ACCRETI4.3 采样子程序采样值始址送R0采样次数送R2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NY选同IN0启动ADC延时A/D完成？所有采样结束？返 回N 采样子程序：SAMP: MOV R0,#2CH ；采样值始址送R0MOV R2,#03HMOV DPTR,#03F8HSAM1: 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
29、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,CAMP1AJMP 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 RETYNNYYYYNYYN(2C
30、H)送A (2CH)(2DH)?(2CH)(2DH)?(2CH)(2DH)(2DH)(2EH)?(2DH)(2EH)?(2CH)(2EH)?(2EH)(2CH)?(2CH) 送2AH返回(2EH)送2AH(2EH)送2AH(2DH) 送2AH(2DH) 送2AH N图4.4 数字滤波程序流程图总 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-41.32
31、mV.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，2000，314赖寿宏.微型计算机控制技术M. 北京：机械工业出版社.2003，2142.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.李洪编著.Protel 99电路设计Z. 北京：人民交通出版社，2000，6192.方大千等.实用电子控制电路M.北京：国防工业出版社，2002,234304.陆子明.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.
