范立南院长温控课程优秀设计成品.doc

课程设计说明书 NO.11.引言1.1设计电加热炉的意义和目的设计意义：传统的炉温控制是采用温度仪表监视和人工调节相结合的方式。这已经不能够再满足生产的需要。控制精度差，速度慢，效率低，实时性差。对工业生产造成明显影响，甚至操作人员的安全。而利用单片机对温度进行采样、控制等方面的优点，可以很好的满足工艺的要求。设计目的：(1) 设计基于51单片机的电热炉温度控制系统,以满足控温需要。(2) 深入理解AT89C51单片机与并行接口8255A的工作原理，掌握A/D在数据采集方面，D/A转换器在模拟输出控制方面的作用，和LED数码管，键盘的使用。(3) 通过Proteus 7 Professional软件完成硬件连接电路设计，实践了电气设计的硬件连接。(4) 系统学习和查阅各类模拟电路以及电子元器件的功能、管脚图、工作特性、使用方法，学习和研究相关的汇编语言程序编程、外部硬件接口以及内部定时中断等功能。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.22.基于51单片机温控电热炉方案设计2.1设计思路基于51单片机温控电热炉，首先利用温度传感器DS18B20向ADC0816的INO口进行数据传输，ADC0816将处理好的数字信号进入51单片机处理。信号经DAC0832转换使系统控制温控电路（例如风扇，加热器）达到控制温度的目的。其间CPU可接受来至按键的输入信号然后进行逻辑处理，和6位LED数码管动态显示实时温度。若温度不满足。系统将声光报警（上、下限）。系统主要包括单片机控制系统、温度采集并转换系统、温度显示模块、温度上下限报警模块、模拟量输出模块、温控电路几部分组成。系统的总体框架如图1所示。图1 系统总体框架 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.33.硬件电路设计3.1 51单片机的选用所谓的单片机系统，就是应用单片机作为核心，外围增加一些辅助的电路，能够完成一定的功能的系统。本文采用的单片机为AT89C51。8位Flash ROM单片机，突出的优点是片内的ROM是Flash ROM，易于方便地擦写，价格低廉，并且指令丰富，编译工具多，仿真环境好。另外它具有着集成度高、系统简单、体积小、可靠性强、处理功能强、速度快等特点。并且其内部还含有8位CPU的程序存储器、256bytes的数据存储器、21个专用寄存器以及32条I/O口线等等。因此选用AT89C51。51单片机的引脚图如图2所示。图2 AT89C51的引脚部分引脚功能如表1所示。表1 部分引脚功能表端口引脚功能说明P3.0/RXD串行数据输入端P3.1/TXD串行数据输出端P3.2/INT0外部中断0申请信号P3.3/INT1外部中断1申请信号P3.4/T0定时/计数器T0计数输入端P3.5/T1定时/计数器T1计数输入端P3.6/WR外部数据RAM写控制信号P3.7/RD外部数据RAM读控制信号 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.43.2温度传感器温度由DALLAS公司所生产的一线式数字温度传感器DS18B20采集。DS18B20的测温范围位满足设计要求，测试的分辨率能够达到0.0625。DS18B20的最大特点是单总线数据的传输方式，得到的温度数据从ADC0816的NI0通道输入。引脚图如图3所示。DS18B20的内部是一个9字节的高速存储器，存储器用来存储所设定的温度值。其中它的前两个字节是将要测得的温度数据，第一字节所存储的是温度的低八位，第二字节会是温度的高八位，第三和第四字节将是温度的上限与温度的下限的易失性拷贝，第五字节会是结构存储器的易失性拷贝，此三字节的内容在每一次的上电复位时均会被刷新，第六、七、八三个字节是用于内部的计算，而第九字节为冗余校验字节，用于保证通信的准确性。当温度转换命令发出转换命令后，经过转换的温度值将会以二字节补码的形式存放在此存储器的第一和第二字节中。单片机能够通过单线接口读到数据，读数据时低位在前，高位在后，其中的高五位是符号位，中间的七位是整数位，最低四位将会是小数位。DS18B20的最大特点是单总线数据的传输方式，因而对于读写的数据位有着严格的时序要求。例如包括初始化时序、读时序、写时序。每一条命令和数据的传输都是从单片机写时序开始的，如要求DS18B20回送数据，那么在进行写命令后，单片机需要启动读时序才能够完成数据的接收。命令和数据的传输都是低位在先。图3 DS18B20温度传感器DS18B20的引脚功能为：DQ：数字信号的输入/输出端；GND：为电源接地标志；VCC：为外接供电电源的输入端本设计使用ADC0817转换器的INO口与DS18B20的单总线端口DQ相连。如图4所示 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.53.3模数转换器和数模转换器选用模数转换器A/D：因为ADC0816具有三态输出的数据锁存器，不需要使用D型触发器，可以直接与单片机相连，使用更方便。之所以选用ADC0816而不适用ADC0809系列，ADC0816具有16通道，若需要数量更多的温度传感器比较温度数据时。16通道更好满足需求。例如，可以让数模转换器进行16路的数据循环采集，对温度模拟输入量依次采样256个点，对于电加热炉的温度采集控制更准确。图4 ADC0816选用与温度传感器连接图数模转换器D/A：因为是8位传输数据，所以选的的DAC0832数字输入端可以与CPU的数据线对应相连即可。DAC0832与单片机相连采用单极性双缓冲方式接口电路。如图5所示。外部控制信号的连接。片选信号与P2.5相连P2.7控制，同时控制和，输出锁存允许信号接高电平。这样第一级数据锁存器的地址为BFFFH，第二级ADC寄存器的地址为7FFFH。可以看出数字量的输入锁存和D/A转换器输出是分两步完成的，该电路采用的单极性、双缓冲输出方式。参考电压均为+5V。鼠疫该电路的电压取值范围-2.5V0V。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.84.3数码管程序设计8255A的接口地址分别为：PA口地址为7FFFH。PB口地址为7FFDH、PC口地址为7FFEH、控制口地址为7FFFH。现在80C51的RAM存储器中设置6个显示缓冲单元77H7CH,分别存放6位显示器的显示数据，则动态显示程序如下： ORG 3000H MOV DPTR，#7FFFH ；8255初始化 MOV A，#80H ；PA、PB口均为方式0输出 MOVX DPTR，ADIR: MOV R0，#77H ；置缓冲器指针初值 MOV R3，#08H ；置扫描模式初值，位选码指向最左边一位 MOV A，R3LD0： MOV DPTR，#7FFCH ；模式送到8255的PA口 MOVX DPTR，A MOV A，80 ；取显示数据 MOV DPTR，DSEG ；获取要显示数据的代码 MOVC A，A+DPTR MOV DPTR，#7FFDH ；把显示数据代码送到PB口 MOVX DPTR,A ACALL DL1 ；延时1ms JB ACC.0，LD1 ；判断是否显示到第4位 INC R0 ；指向下一个缓冲区 MOV A，R3 RR A ；将A的内容右移一位，显示下一位 MOV R3，A AJMP LD0LD1: RETDSEG: DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H；段数据表DSEG1: DB 6DH，7DH，07H，7FH，6FHDSEG2: DB 18H，00HDL1： MOV R7，#02H ；延时子程序DL： MOV R6，#0FFHDL6： DJNZ R6，DL6 DJNZ R7，DLRET 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.95.声光报警和上下限报警为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设上、下限检查及报警系统。以便提醒操作人员注意或采取相应的措施，其方法就是把计算机采集的数据经计算机进行数据处理、数字滤波、标度变化之后，与该参数上、下限给定值进行比较，如果高于（或低于）上限（或下限），则进行报警，否则就作为采样的正常值，以便进行显示和控制。假设被测参数的采样值为U0，设定在该参数的上、下限值分别为Umax/Umin。要求若被测的参数UxUmax时，则上限报警；若被测参数UxUmin时，则下限报警。当参数正常时，绿灯亮。若超过上限或低于下限值，将发出声光报警。由于参数位都接有反相器，所以当某位为“1”，时，该位发出二极管亮。此设计采用声光报警信号，灯光采用发光二极管（LED）如图7所示。报警系统与51单片机的实际连接图如图8所示。 图8发光二极管（LED） 图9 声光报警器列 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.105.1程序设计报警程序采用软件报警，它的基本做法是把被测参数如温度、压力、流量、速度、成分等参数，经传感器、A/D转换器送入计算机后再与规定的上、下限值进行比较，根据比较的结果进行报警或处理，整个过程都由软件实现。 本程序的设计思想是设置一个报警模型标志单元ALARM，然后把参数的采样值分别与上、下限值进行比较。若某一位需要报警，则将相应位置“1”，否则，清“0”。待参数判断完后，看报警模型标志单元ALARM的内容是否为00H。如果为00H，说明参数正常，使绿灯发光；如果不为00H，则说明参数越限，输出报警模型。设采样值存放在SAMP单元中，报警上限值存放在30H单元中，下限值存放在31H单元中，报警标志单元为ALARM。程序如下：ORG 8000HALARM: MOV DPTR，#SAMPMOVX A,DPTRMOV ALARM ,#00HALARM0: CJNE A,30H,AAALARM0: CJNE A,31H,BBDONE : MOV , #00HCJNE A,ALARM,CCSETB 06HDONE1： MOV A,ALARMMOV P1,ARETCC: SETB 07HAJMP DONE1SAMP EQU 8100HALARM EQU 20HAA: JNC AOUT1AJMP ALARM1BB: JC AOUT2AJMP DONEAOUT1： SETB 00HAJMP DONEAOUT2： SETB 01HAJMP DONE 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.116.按键系统的设计6.1按键系统的原理行列式键盘的设计包括独立式按键接口技术和矩阵式键盘接口技术。其中，矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合。它由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上，行、列线分别连接到键盘开关的两端。平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由于此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低。列线电平如果为高，则行线电平亦为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否被按下的关键所在。由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在行和列的电平，因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确定闭合键的位置。本设计采用16个行列式键盘，10个数字键加6个功能键。按键与8255A的PC口连接如图10所示。图10键盘与8255A PC口接线图（1）键盘显示8255A的PA、PB、PC口地址分别为：7FFCH、7FFDH、7FFEH，控制口地址为7FFFH。当PA口工作于方式0输出，PB口工作于方式0输出，PC口的低4位工作于方式0输出时，PC口的高4位工作于方式0输入时，方式命令控制字可设为88H。判断键盘上有无按键闭合其方法为扫描口PC0PC3输出全“0”，读写PC口的状态。若PC4PC7为全“1”，则说明键盘上无键闭合；若不全为“1”，则说明键盘上有键闭合。（2）消除按键机械抖动其方法为检测到键盘上有键闭合后，用软件延时一段时间再检查键盘的状态，如果仍有键闭合则认为键盘上有一个键处于稳定闭合期，否则认为是按键抖动。（3）判断闭合键的键号方法为对键盘的列线进行扫描。扫描口PC0PC3依次输出一列为低电平，相应地顺次读出PC口的状态，若PC4PC7为全“1”，则列线输出为“0”的这一列上没有键闭合。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.12否则这一列上有键闭合。闭合键的键号等于为低电平的列号加上低电平的行的首键号。（4）使CPU对键的一次闭合仅作一次处理。 方法等待按键释放之后，再进行按键功能的处理。程序如下： ORG 4000HPROG: MOV DPTR，#7FFFHMOV A,#88HMOVX DPTR,AKEY1： ACALL KS1JNZ LK1AJMP KEY1LK1： ACALL DL10msACALL KS1JNZ LK2AJMP KEY1LK2： MOV R4,#00HLK4： MOV DPTR,#7FFCHMOV A,#DPTRANL A，F7HMOVX DPTR,AMOVX A，DPTRMOV R3，AMOVX A,DPTRJB ACC.0，LONEMOV A,#00HAJMP LKPLONE: JB ACC.1，LTWOMOV A,#04HAJMP LKPLTWO: JB ACC.2，LTHRMOV A,#08HAJMP LKPLTHR: JB ACC.3，NEXTMOV A,#0CHAJMP LKPLKP: ADD A,R4PUSH ALK3： ACALL KS1JNZ LK3POP AMOV BUFF，A 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.13AJMP KNDNEXT: INC R3MOV A,R3JNB ACC.7，KNDCL AMOV R3，AAJMP LK4KND: AJMP KEY1KS1： MOV DPTR，7FFEHMOV A #DPTRANL A 0FHRETDL10ms： MOV R5，#14HDL: MOV R6，#OFFHDL0： DJNZ R6，DL0DJNZ R5，DLRET7.温控电路的控制通过DAC0832转换使系统控制温控电路（风扇、加热器）达到控制温度的目的如图11所示。图11温控电路元件8.数字控制器的数学模型温箱的数学模型和控制算法的选择根据实际测量，温箱是一个近似一阶惯性环节。以加热功率为输入，箱内温度为输出，其传递函数表达为式中，。由于采样周期远远小于系统时间常数，所以可以应用模拟系统数字PID控制算法进行实时控制。2.PID算法程序PID算法采用增量式计算，位置式输出。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.14式中 R温度给定值；第k次采样值； 第k次误差值； T采样周期；比例系数；积分时间；微分时间。9.设计测试结果与分析。利用51单片机对温度进行采样、控制可以很好的达到01000摄氏度控温电热炉的的要求。温控电热炉利用温度传感器DS18B20和ADC0817进行数据采集处理，将处理好的数字信号进入51单片机处理。信号经DAC0832转换使系统控制温控电路达到控制温度的目的。10.参考文献1范立南，李雪飞.计算机控制技术 M.机械工业出版社.2009.2 郭天祥.51单片机C语言教程M.北京：电子工业出版社，2009.3 郑金辉，张齐，李登红，帅仁俊.基于单片机的数字温度测控系统设计J.单片机开发与应用.2009,2(23):93-95.4 赵星寒，刘小波. 从零开始教你用单片机M. 北京：北京航空航天大学出版社，2008.5 徐凤霞,赵成安.AT89C51单片机温度控制系统J.齐齐哈尔大学学报.2004,20(1):64-66.6 张俊芳，张忠民，刘利民.智能单片机温度控制系统J.辽宁工程技术大学学报.2004,6(23):69-71.7 吴金戌，沈庆阳，郭庭吉.8051单片机实践与应用M.北京：清华大学出版社，2002.8 高峰，单片微型计算机与接口技术M.北京：科学出版社，2003. 沈 阳 大 学专 业自动化班 级13级自动化2班姓 名罗成设 计 起 止 日 期2016.07.042016.07.08设计题目：基于51单片机的温度测控系统设计设计任务及意义（主要技术参数）：被控对象：电加热炉。温度范围：0-1000。数据采集：A/D转换器8-12位。温度控制：D/A转换器8-12位。显示电路：6位LED数码管，动态显示实时温度。控制算法：数字PID算法。越限报警、声光报警、上下限报警，三个指示灯（两红一绿）。键盘设置：16个行列式键盘（十个数字键，6个功能键）。指导教师