单片机的温度控制系统设计(刘启英).doc

湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 1 单片机的温度控制系统设计单片机的温度控制系统设计 摘摘要要 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 以达到调节温度的目的 关键词 关键词 温度控制 接口电路 可控硅 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 2 目目录录 摘 要 1 目 录 2 绪 论 3 第一章单片机温度控制系统方案简介 4 第二章单片机 5 2 1 单片机内部模块 5 2 1 1MCS 51 单片机内部结构 5 2 1 2 微秒 51 输入 输出端口的结构与功能 6 2 1 3MCS 51 单片机的引脚及其功能 6 2 1 48031 系统扩展设计 7 2 2 单片机外总线结构 7 2 3 芯片的扩展设计 8 2 4 单片机温控模块 9 第三章系统硬件设计 10 3 1 系统总体设计 10 3 2 8155 接口电路 11 3 3 A D转换电路 11 3 4 可控硅控制电路 12 第四章系统软件设计 13 4 1 主程序 13 4 2 T0中断服务程序 14 17 4 3 采样子程序 18 4 4 数字滤波程序 19 20 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 3 总 结 21 致 谢 22 参考文献 23 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 随着新技术的不断开发与应用 近年来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 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 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 4 第一第一章章单片机温度控制系统方案简介单片机温度控制系统方案简介 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 超调量可能小 温度上升较快且有良好的稳定性 4 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 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 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 5 第二第二章章单片机单片机 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 2 1 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 MCS 51 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 12 1 1 MCSMCS 5151 单片机内部结构单片机内部结构 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 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 6 图2 18031单片机功能方框图 2 1 22 1 2 微秒微秒 51 51输入输入 输出端口的结构与功能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 P0 P3 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 32 1 3 MCSMCS 5151单片机的引脚及其功能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 VSS VSS 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 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 7 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 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 EA VPP 31 脚 当 EA 输入端输入高电平时 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 的场合 还是并行扩展法占主导地位 2 2 2 2单单片机外总线结构片机外总线结构 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 MCS 51 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 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 8 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单片机外总线结构方框图 2 2 3 3芯片的扩展设计芯片的扩展设计 1 1 程序存储器扩展设计 程序存储器扩展设计 7 A 程序存储器简介 常见的 EPROM 有 2716 容量 2K 8 位 2732 容量 4K 8 位 2764 容量 8K 8 位 27128 容量 16K 8 位 27256 容量 32K 8 位 27512 容量 64K 8 位 EPROM 外引脚功能如下 A0 A15 地址输入线 O0 O7 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 O0 O7 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 即需 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 9 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 O0 O7 D7 D0 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 2 数据存储器设计数据存储器设计 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 128 字节 RAM 中 30H 7FH 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 32764 与 8031 连接 2 2 4 4单片机温控模块单片机温控模块 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 0 1000 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 5V 范围的电压 1 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 10 第三第三章章系统硬件设计系统硬件设计 3 3 1 1系统总体设计系统总体设计 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 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 11 3 3 2 281558155 接口电路接口电路 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 RAM8155 8155 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M I O 端口 A B C 三个口可以作为扩展的 I O 口使用 MCS 51 单片机的 PO 口与 8155 的 AD0 AD7 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 MCS 51 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 0 0 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 2 0000H 00FFH 8155 内部 RAM 0100H 命令 状态口 0101H A 口 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 12 0102H B 口 0103H C 口 0104H 定时器低八位口 0105H 定时器高八位口 3 3 3 3A DA D 转换电路转换电路 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 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 3 4 4可控硅控制电路可控硅控制电路 8031 对温度的控制是通过可控硅调控器实现的 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 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 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 13 图 3 3A D 转换电路图 第四第四章章系统软件设计系统软件设计 4 4 1 1主程序主程序 主程序 ORG 0100H DISM0 DATA 78H DISM1 DATA 79H DISM2 DATA 7AH DISM3 DATA 7BH 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 14 DISM4 DATA 7CH DISM5 DATA 7DH MOV SP 50H 50H 给 SP CLR 5EH 清零标志 CLR 5FH 清零标志 CLR A 清累加器 A MOV 2FH A MOV 30H A MOV 3BH A MOV 3CH A清暂存单元 MOV 3DH A MOV 3EH A MOV 44H A MOV DISM0 A MOV DISM1 A MOV DISM2 A MOV DISM3 A清显示缓冲区 MOV DISM4 A MOV DISM5 A MOV TMOD 56H MOV TL0 06H MOV TH0 06H CLR PT0 SETB TR0 SETB ET0 SETB EA LOOP ACALL DISPLY 调用显示程序 ACALL SCAN 调用扫描程序 AJMP LOOP 等待中断 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 15 4 4 2 2T0T0 中断服务程序中断服务程序 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 10 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 置数标志 ACALL SAMP ACALL FILTER CJNE A 42H TPL WL MOV C 5EH MOV 5FH C CLR 5EH ACALL UPL POP DPH POP DPL POP ACC RETI 中断返回 TPL JNC TPL1 CLR 5FH 清零标志 CJNE A 43H MTPL HAT SETB P1 1 若温度不越限 则绿灯亮 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 16 ACALL PID MOV A 2FH CPL A INC A 对 PID 值求补 作为 TL1 的值 NM SETB P1 3 MOV TL1 A MOV TH1 0FFH SETB PT1 SETB TR1 启动 T1 SETB ET1 允许 T1 中断 ACALL TRAST LOOP ACALL DISPLY 显示温度 JB D5H LOOP 等待 T1 中断 POP DPH POP DPL POP ACC RETI MTPL JNC HAT SETB P1 0 否则 下限声光报警 MOV A 45H CPL A INC A AJMP NM TPL1 SETB 5EH JNB 5FH WL INC 44H 超过计数器加 1 MOV A 44H CLR C SUBB A N 超过 N 次吗 JNZ WL SETB P1 2 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 17 CLR 5EH CLR 5FH POP DPH POP DPL POP ACC RETI T0 中断程序框图如图 4 2 所示 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 18 N Y 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 R2 图 4 2T0 中断程序框图 4 4 3 3采样子程序采样子程序 采样子程序 SAMP 流程图如下图所示 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 19 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 R0 MOV R2 03H MOV DPTR 03F8H SAM1 MOVX DPTR A 启动 ADC0809 工作 MOV R3 20H DLY DJNZ R3 DLY 延时 HERE JB P3 3 HERE MOVX A DPTR MOV R0 A 存放采样值 INC R0 DJNC R2 SAM1 RET 4 4 4 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 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 20 Y N N Y Y Y Y N Y Y N 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 2CH 送 A CJNE A 2DH CAMP1 AJMP CMP2 CMP1 JNC CMP2 XCH A 2DH XCH A 2CH CMP2 MOV A 2DH CJNE A 2EH CMP3 MOV 2AH A RET CMP3 JC CMP4 MOV 2QH A RET CMP4 MOV A 2EH CJNE A 2CH CMP5 MOV 2AH A RET CMP5 JC CMP6 XCH A 2CH CMP6 MOV 2AH A RET 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 21 图 4 4数字滤波程序流程图 总总 结结 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 0 1000 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 算法控制 这种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 湖北国土资源职业学院 温度控制系统设计 22 本