MCS-51_单片机温度控制系统论文.doc

MCS-51 单片机温度控制系统学院：信息工程与自动化学院专业：通信工程班级： 姓名： 学号：日期：2014年6月10日成绩：课程设计概述1、 设计题目：基于MCS-51单片机的温度控制系统2、设计意义：在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态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，从而能够大大提高产品的质量和数量。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。3、设计任务本设计以上述问题为出发点，设计实现了一个温度实时测量、显示、控制系统。完成一个低成本、低价格、功能齐全、及温度测量、温度显示、温度控制于一体的单片机温度控制系统。包括硬件电路和主要的控制算法。研究的关键问题是：炉温的精确测量；双向可控硅控制的温度控制电路设计；温度控制算法的选择(本设计采用PID控制算法)；以及温度标度转换、数字滤波炉温采样等软件设计。4、设计内容（1）对炉温的温度检测和升温、恒温控制。（2）显示检测温度值。（3）当超越上限或下限时自动报警。（4）设定和修改要保持的温度值。基于MCS-51单片机的温度控制系统摘 要单片机在检测和控制系统中得到了广泛的应用，温度是一个系统经常需要测量、控制和保持的量，而温度是一个模拟量，不能直接与单片机交换信息，采用适当的技术将模拟的温度量转化为数字量在原理上虽然不困难但成本较高，还会遇到其它方面的问题。因此对单片机温度控制系统的研究有重要目的和意义。 本文主要介绍了以MCS-51系列单片机8031、AD574、8155、可控硅、LM311等芯片组成的温度检测电路，模/数转换电路，键盘/LED显示电路,报警电路，信号放大电路；在描述了外围硬件电路的同时，还做了大量的软件工作，包括数据处理软件，PID控制算法。本设计有效的提高了控制系统的实时性和控制精度大大改善了炉温控制的自动化程度，具有较高的实用价值。关键词：单片机，PID算法 ，温度采样，温度控制引言单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题，本论文以此问题为出发点，设计实现了温度实时测量、显示、控制系统。本设计方案具有较高的测量精度，更加适合对温度精度要求较高的化工生产、电力工程等行业，并希望通过本设计得到举一反三和触类旁通的效果。一、系统总体构成1、系统的主要功能：（1）对炉温的温度检测和升温、恒温控制。（2）显示检测温度值。（3）当超越上限或下限时自动报警。（4）设定和修改要保持的温度值。2、系统的工作流程（1）先接通电源，然后将开关打到开的位置，六段数码管显示器就自动显示出当前温度，并且显示出设置温度的缺省值000000。此时继电器不工作。（2）按下F1按键，温度控制系统进入温度控制点的设制。这个时候，显示设置温度的数码管闪烁。 此时可以通过键盘输入预设置的温度。当按下“确定”按键的时候，单片机就会根据所写入的程序，对系统进行控制。当设置的温度高于当前的温度时，单片机通过可控硅控制极上触发脉冲控制加热电路连通。温度慢慢升高；当设置的温度低于当前的温度时，单片机通过可控硅控制极上触发脉冲控制加热电路断开，温度慢慢下降；就这样通过温度芯片的反馈信息，实现水的温度保持在设置温度上，从而达到自动控制温度的功能。3、系统的主要技术指标测温范围 ：0-1000温度分辨率：0.5VLED显示位数：64、系统的总体结构系统的硬件电路有温度检测、信号放大、A/D转换、键盘接口、LED显示、单稳态触发电路、可控硅控制电路等部分组成，系统结构图见图2.1。炉温采样点温度传感器滤波信号放大AD转换单片机系统（8031）双向可控硅光耦驱动过零脉冲提取计时电炉220VLED显示键盘图 2.1 系统框图二、 温度控制系统的硬件设计1、温度测量放大电路采用OOP07运放组成低漂移高精度前置放大器，对几十微伏变化信号测量比较精确，其放大倍数与 /成正比，可根据需要设计。其中OP07的1、4、5端与构成调零电路。再接一级有运放741构成的续接放大器就可将毫伏级信号放大到需要的幅度，放大倍数可自己设定，741的1、4、5端与构成调零电路。741的输出送给后面的模数转换电路。具体接法如图3.1图3.1 放大电路2、主要的接口电路（1）模数转换电路该转换电路的具体接法如图3.2，因为片内有时钟，故无须外加，该电路采用单极性输入方式，可对0V10V模拟信号转换，其中图3.1中管脚8，10，12把AD574置成单极性10V输入，无论启动、转换，还是结果输出，都要保证CE端为高电平，故用8031的和端通过与非门74LS00与AD574的CE端相连。转换结果分高八位、低四位与P0口相连，分两次读入，所以接地。在读取转换结果时保持相应的电平，将来自单片机的控制信号经74LS373锁存后再从Q0接入，选通信号经译码器译码后选通，AD574有两个选口地址，由A0口区分，把译码器Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1=111000B端接到。 图3.2 模数转换电路（2）键盘接口和数码显示在单片机应用系统中，同时需要使用键盘与显示器接口时，为了节省I/O口线常常把键盘和显示电路接在一起，构成实用键盘和显示电路，图3.3是典型实用的、采用8155并行扩展口构成的键盘、显示器电路。键盘设定如下：键盘共有12个按键，用于方便设定温度。数字按键10个，输入数字09和小数点；确认键一个，设置的确认，修改设置温度时进行确认；清除键一个，设置的清除，修改设置温度时进行删除；F1键一个，显示及设置转换到预设温度点，按此按键后，显示预设置温度的数码管闪烁；此外，还有两个功能键。 图3.3 键盘接口/LED显示（3）报警电路本设计的报警电路直接由8031的P1.0，P1.1，P1.2控制外接指示灯。编程实现灯的开关，若测量的温度不越限，则P1.1口的绿灯亮，若测量的温度越下限P1.0口的红灯亮，若测量的温度越上限则P1.2口的灯亮。以上电路的具体连接如图3.4。 图3.4程序存储器和并行接口的扩展及报警电路（4） 温度控制电路光电耦合器，是近几年发展起来的一种半导体光电器件，把电子信号转换成为光学信号，然后又回复电子信号的半导体器件。由于它具有体积小、寿命长、抗干扰能力强、工作温度宽及无触点输入与输出及在电气上完全隔离等特点，被广泛地应用在电子技术领域及工业自动控制领域中，它可以代替继电器、变压器、斩波器等，而用于隔离电路、开关电路、数模转换、逻辑电路、过流保护、长线传输、高压控制及电平匹配等。具体接法如图3.6 图 3.6 温度控制电路三、温度控制系统的软件设计1、主程序设计及中断服务程序设计（1）温度控制主程序流程简图温度控制程序的设计应考虑如下问题：炉温采样，数字滤波程序； 键盘扫描，键码识别和温度显示程序；温度标度转换程序程序框图如图4.1所示。开 始8031系统初始化输入被控参数8155初始化键盘显示器监控程序运 行 吗？N开中断Y清标志位D5H停止输出返回T1中断程序 图4.1 主程序流程简图图4.2 T1中断程序流程图在主程序设计中，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个过零同步触发脉冲。为了保证系统正常工作，T1中断服务程序的执行时间必须满足T0的这一时间要求，因为T1的中断是嵌套在T0中断之后的。（2）中断服务程序设计因为本设计中T1的中断是嵌套在T0中断之后的，而T0中断是温度控制系统的主程序，用于启动A/D转换、读入采集数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、PID计算输出可控硅的同步触发脉冲等。P1.3引脚上输出的该同步触发脉冲宽度由T1计数器的溢出中断控制，8031 利用等待T1溢出中断的时间完成把本次采样值转换成显示值放入显示缓冲区和调用温度显示程序。T1中断服务程序流程图如图4.2 ，T2中断程序流程图如图4.3。恢复现场返回保护现场采样炉温数字滤波上限？ 上限处理清本次越限标志恢复现场返回上限？ 清上次越限标志下限？ 下限？ 上次越限？ T1中断完？ YNY置本次越限标志计算PIDYY取最大PID值输出下限报警求 补求 补从P1.3输出T1初始化温度标度转换越限计数器+1越限N次？ 温度显示上限报警清越限标志图4.3 T0中断服务程序流程图2、温度控制程序子程序（1） 键盘扫描和温度显示程序设计为了简化电路，降低成本，将所有的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而选通断采用分时选通，LED显示器工作于共阴极动态显示，逐位轮流点亮各个LED，每一位保持1ms，在10ms20ms内再一次点亮重复不止，这样利用人的视觉暂留，好像6位LED同时点亮了，显示子程序流程图如图4.4。DIS指向显示缓冲区末址7EH先点亮最右边的LED送位控制信号查表取字形码送出一位显示延时1ms指向下一格缓冲单元R0-1最左边一位显示吗？位控制信号左移一位结束YNLP0 图4.4 显示程序流程本设计采用行列式矩阵键盘，单片机对它的控制采用程序扫描即中断查询方式，A口为选通口，B口为显示口，C口为查询输入口。键盘扫描子程序功能如下：（1）判断键盘上有无键按下，方法为：PA口输出全扫描字00H，读PC口状态，若PC0PC1口全为1，则键盘无键按下，若不全为1则有键按下。（2）去键的机械抖动影响：在判断有键按下后，软件延时一断时间（5ms10ms）后再判断键盘状态，如果仍为有键按下状态，则认为确实有键被按下；否则，按照键抖动处理。（3）判别闭合键的键号：对键盘的列线进行扫描，扫描口为PA0PA7，依次输出扫描字为FEH，FDH，FBH，F8H，EFH，DFH，BFH，7FH，读出PC口的状态，若全为1则列线输出为0的 这一列上没有键闭合；否则，这一列有键闭合。闭合键的键号等于处于低电平的列号加上低电平的行的首键号，例如：PA口的输出为11111101，读出PC1PC0为01，则1行1列的键闭合。（4）CPU对键的一次闭合仅作一次处理，采用的方法是等待键释放后再将键号送入累加器A中。键盘扫描子程序流程图如图4.5调用子程序延迟12ms开始有键闭合否？有键闭合否？闭合键释放？判断闭合键键号栈键入键号A返回YYYNNN采样值起始地址送R0采样次数送R2选通IN0启动AD574延时A/D完成？所有采样结束返回YNN 图4.5 键盘扫描子程序流程图 图4.6 采样子程序流程图 （2） 炉温采样、数字滤波程序设计炉温采样子程序SAMP流程图如图4.6。一般微机应用系统前向通道中，输入信号均含有个中噪音和干扰，它们来自被测信号源、传感器、外界干扰。为了进行准确的测量和控制，必须消除被测信号中的噪音和干扰，噪音有两大类：一类为周期性的，另一类为不规则随机的 。对于这类信号要采用硬件滤波电路能有效地消除影响。图4.7为数字滤波程序流程图。（2CH）送A（2CH）（2DH）？（2CH）（2DH）？（2EH）（2CH）？（2DH）（2EH）？（2DH）（2EH）？（2CH）（2EH）？（2CH）和（2DH）互换2（CH）送2AH返 回YNYYN（2DH）送2AH2DHNN（2DH）送2AH2DH（2EH）送2AH2DH（2EH）送2AH2DHYNNYY 图4.7 数字滤波程序流程四、结语MCS-51单片机，体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，本文的温度控制系统，只是单片机广泛应用于各行各业中的一例。本设计仅以炉温度为例进行恒温控制，稍加改动后，可以广泛应用于铸造、热处理等电热恒温及保温控制场合。设计实现了温度实时测量、显示、控制系统。本设计温度控制电路具有较高的抗干扰性，实时性；在使用键盘与显示器接口时，为了节省I/O口线常常把键盘和显示电路接在一起，构成实用键盘和显示电路；控制算法采用传统的PID控制算法。方案具有较高的测量精度，温度控制实时性更高，更加适合对温度精度要求较高的化工生产、电力工程等行业，并希望通过本设计收到举一反三和触类旁通的效果。附录1：系统源程序ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0100H AJMP CT0 ORG 00BH AJMP CT1 ORG 001BMAIN:DISM0 DATA 78H DISM1 DATA 79H DISM2 DATA 7AH DISM3 DATA 7BH DISM4 DATA 7CH DISM5 DATA 7DH MOV SP, #50H ； 50H送SP CLR 5EH ； 清本次越限标志 CLR 5FH ； 清上次越限标志 CLR A ； 清累加器A MOV 2FH， A ；清暂存单元 MOV 30H， A ； MOV 3BH， A ； MOV 3CH， A ； MOV 3DH ， A ； MOV 3EH， A ； MOV 44H， A ； MOV DISM0， A ；清显示缓冲单元 MOV DISM1， A ； MOV DISM2， A ； MOV DISM3， A ； MOV DISM4， A ； MOV DISM5， A ； MOV DPTR，#7F00H MOV A， #07H ， MOVX DPTR, A ； 8155初始化MOV TMOD， #056H ； MOV TL0, #06H ； T0赋初值 MOV TH0， #06H ； CLR PT0 ； 令T0为底中断优先级 SETB TR0 ； 启动T0工作 SETB ET0 ； 允许T0中断 SETB EA ； 开CPU中断 LOOP: ACALL DISPLY ； 调用显示程序 ACALL SCAN ； 调用扫描程序 AJMP LOOP ； 等待中断CT0: PUSH ACC ； PUSH DPL； 保护现场 PUSH DPH； SETB D5H ； 置标志ACALL SAMP； 调用采样子程序 ACALL FILTER； 调用数字滤波程序(5EH)送5FHCJNE A, 42H,TPL； 若Ui(K)Umax则TPLWL: MOV C,5EH； MOV 5FH,C； CLR 5EH； 清5EH单元 ACALL UPL； 转上限处理程序（略） POP DPH； POP DPL； POP ACC； RETI； 中断返回TPL： JNC TPL1； 若Ui(K)Umax则TPL1 CLR 5FH； 清上次越限标志 CJNE A，43H，MTPL； 若Ui(K)UminHAT： SETB P1.1； 若温度不越限，则绿灯亮 ACALL PID； 调用计算PID子程序 MOV A,2FH； PID值送A 有交换机 CPL A； INC A；NM： SETB P1.3； 另P1.3输出高电平脉冲 MOV TL1，A； MOV TH1，#0FFH； SETB PT1； T1高优先级中断 SETB TR1； 启动T1 SETB ET1； 允许T1中断 ACALL TRAST； 调用标度转换程序LOOP： ACALL DISPLY； 显示温度 JB D5H，LOOP； 等待T1中断 POP DPH； POP DPL； POP ACC； RETI； 中断返回MTPL： JNC HAT； Ui(K)Umin 则HAT SETB P1.0； 否则，越下限声光报警 MOV A，45H； 取PID最大值输出 CPL A； INC A； AJMP NM； 转NM执行TPL1： SETB 5EH； 若Ui(K)Umax，则5EH单元置位 JNB 5FH，WL； 若上次未越限，则转WL INC 44H； 越限计数器加1 MOV A，44H； CLR C； SUBB A，#N； 越限N次吗？ JNZ WL； 越限小于N次则WL SETB P1.2； 否则越上限报警 CLR 5EH； CLR 5FH； 清越限标志 POP DPH； POP DPL； 恢复现场 POP ACC； RETI ； 中断返回T1中断服务程序：CT ： CLR D5H； 清标志 CLR P ； 令P 变为低电平 ETI； 中断返回 采样子程序：SAMP： MOV R，#2CH； 采样值始址送R MOV R，#03H； 采样次数初值送R MOV DPTR，#03F8H；SAM1： MOVX DPTR，A； 启动ADC0809H工作 MOV R，#20H；DLY： DJNZ R，DLY； 延时HERE： JB P，HERE； 等待A/D完成 MOVX A，DPTR； 采样值送A MOV R,A； 存放采样值 INC R； DJNZ R,SAM1； 若采样未完，则SAM1 RET； 若已采样完，则返回数字滤波子程序：FILTER： MOV A，2CH； （2CH）送A CJNE A，2DH，CMP1； 若（2CH）（2DH），则CMP1 AJMP CMP2； 否则，转CMP2CMP1： JNC CMP2； 若（2CH）（2DH），则CMP2 XCH A，2DH； XCH A，2CH；CMP2： MOV A，2DH； （2DH）送A CJNE A，2EH，CMP3； 若（2CH）（2DH），则CMP3 MOV 2AH，A； 否则（2DH）送2AH RET； 返回CMP3： JC CMP4； 若（2CH）（2DH），则CMP4 MOV 2AH，A； 否则（2DH）送2AH RET； 返回CMP4： MOV A，2EH； （2EH）送A CJNE A，2CH，CMP5； 若（2EH）（2CH），则CMP5 MOV 2AH，A； 否则（2EH）送2AH RET； 返回CMP5： JC CMP6； 若（2EH）（2CH），则CMP6 XCH A，2CH； 否则（2EH）（2CH）CMP6： MOV 2AH，A； RET；PID 计算程序：UR送R5R4PID： MOV R5, 31H；MOV R4, 32H ； U（K）送R3R2MOV R3, 2AH ； MOV R2, #00H； ACALL CPL1； 取U（K）的补码 ASALL DSUM； 计算E（K）E（K）送39H和3AH MOV 39H, R7； MOV 3AH, R6； MOV R5, 35H； MOV RH, 36H； MOV R0, #4AH； 积始址4AH送R0 ACALL MULT1 ； 计算P1=K1E（K）E（K）送R5R4 MOV R5, 39H； MOV R4, 3AH ； MOV R2, 3CH ； ACALL COPL1 ； 对E（K-1）求补 ACALL DSUM ； 求E（K）-E（K-1）Kp送R5R4 MKOV R5， 33H； MOV R4, 34H ； MOV R0, #46H ； 积始址46H送R0 ACALL MULT1 ； 求得PpPp的高16位送R5R4 MOV R5, 49H ； MOV R4, 48H ；KP1送R2R3 MOV R3, 4DH ； MOV R2, 4CH ； ACALL DSUM； 求得Pp+P1存入4AH和4BH单元 MOV 4AH, R7 ； MOV 4BH, R6 ；E（K）送R5R4MOV R5 , 39H；MOV R4 , 3AH ；E（K-2）送R2R3MOV R3 , 3DH ；MOV R2 , 3EH；ACALL CPL1 ； 对E（K-1）求补ACALL DSUM ； 计算E（K）+E（K-2）-E（K-1） 存入R5R4MOV R5, R7 ； MOV R4, R6；MOV R3, 3BH ；MOV R2, 3CH ； E（K-1）送R3R2ACALL CPL1 ； 对E（K-1）求补ACALL DSUM ； 求E（K）-2E（K-1）+E（K-2） KD送R5R4MOV R5, 37H ；MOV R4, 38H ；MOV R0, #46H ； 积始址46H送R0送入R5R4ACALL MULT1 ； 求得PDMOV R5, 49H ；MOV R4, 48H ；P1+PD送入R52R3MOV R3, 4AH；MOV R2, 4BH；ACALL DSUM； 求得P1+PD+Pp送入R2R3MOV R3, R7 ； MOV R2, R6 ；P（K-1）送入R2R3MOV R5, 2FH ；MOV R4, 30H；存入2FH和30H单元ACALL DSUM ； 求出P（K）MOV 2FH , R7 ；E（K-1）送入E（K-2）MOV 30H, R6 ；MOV 3DH, 3BH ；MOV 3EH, 3CH ；E（K）送E（K-1）单元MOV 3BH, 39H ；MOV 3CH, 39H；RET双字节加法程序DSUM R5R4+R3R2R7R6DSUM : MOV A, R4； ADD A, R2； MOV R6 , A； MOV A, R5； MOV A, R3； MOV R7, A； RET双字节求补程序CPL1 ；对R3R2求补CPL1 l: MOV A, R2； CPL A； ADD A, #01H； MOV R2, A; MOV A, R3； CPL A； ADDC A, #00H； MOV R3, A； RET双字节带符号乘法子程序MULT1,MULT1: MOV A, R7； RLC A； MOV SIGNI, C ； 被乘数符号送SIGNI JNC POSI ； 若被乘数为正，则POSI MOV A, R6； 对R6求补 CPL A； ADD A, #01H； MOV R6, A；MOV A, R7； 对R7求补CPL A； ADDC A, #00H； MOV R7, A；POSI : MOV A, R5； RLC A； MOV SIGN2, C； 乘数符号送SIGNI2 JNC POS2； MOV A, R4； 对R4求补CPL A, #01H； MOV R4, A；MOV A, R5； 对R5求补CPL A； ADDC A, #00H； MOV R5, A；POS2: ACALL MULT； 调用无符号乘法程序两乘数皆为负？MOV C, SIGN1； ANL C, SIGN2；JC TPL； 若是，则TPLMOV C, SIGN1； 否则，判断两乘数为正？ORL C, SIGN2；JNC TPL； 若是，则TPLDEC R0； MOV A, R0； CPL A； ADD A, #01H； MOV R0, A； INC R0； MOV A, R0； CPL A； ADDC A, #00H； MOV R0, A；TPL: RET END 显示程序：DIS： MOV R0，#7EH； 显示缓冲区末地址R0MOV R2，#01H；MOV A，R2；LP0： MOV DPTR，#7F01H； 8155A口地址DPT