毕业设计--MCS-51单片机温度控制系统的设计

目录 摘要 ： . 3 . 3 第一章 绪论 . 4 1 1 课题的背景与意义 . 4 1 2 课题的应用与展望 . 4 1 3 课题举例简介 . 5 第二章 总体方案 . 6 2 1 系统结构 . 6 2 2 具体设计考虑 . 6 第三章 元器件简介 . 7 3 1 . 7 3 1 1 概述 . 7 3 1 2 主要特性 . 8 3 1 3 引脚功能 . 8 3 2 . 10 3 2 1 概述 . 10 3 2 2 主要特性 . 11 3 2 3 . 11 3 3 . 13 3 3 1 主要特性 . 13 3 3 2 作原理 . 13 第四章 硬件设计 . 14 4 1 扩展外围接口 . 14 4 2 温度控制电路 . 15 4 3 温度检测电路设计 . 15 4 3 1 设计目标 . 15 4 3 2 设计的出发点 . 16 4 3 3 设计原理 . 16 4 3 4 转换电路 . 16 4 3 5 信号处理电路 . 17 4 3 6 主电路 . 18 4 4 光电隔离电路 . 19 4 5 过零 检测电路 . 19 4 6 . 20 4 6 1 制作用 . 20 4 6 2 法的微机实现 . 20 4 6 3 法的程序设计 . 21 第五章 软件设计 . 22 5 1 设计步骤 . 23 5 1 1 画出系统的程序框图 . 23 5 1 2 内存分配 . 24 第六章 系统调试 . 26 6 1 硬件调试方法 . 26 6 1 1 常见的硬件故障 . 26 6 1 2 联机调试 . 27 6 1 3 脱机调试 . 28 6 2 软件调试方法 . 28 6 3 误差分析 . 29 第七章 结论 . 29 参考文献 . 30 致谢 . 31 附录 A . 32 外文原文 . 32 中文翻译 . 39 附录 B . 45 附录 C . 55 摘要 ： 本文主要从硬件和软件两方面介绍了 简单说明如何 实现对温度的控制， 并 对硬件原理图和程序框图作了简洁的描述。还 介绍了在单片机温度控制系统的软硬件设计中的一些主要技术关键环节 ,该系统主要以 8031单片机为核心 ,由温度检测电路 ,模 /数转换电路 , 过零检测电路 , 报警与指示电路 , 光电隔离与功率放大电路等构成。 但 用 整个单片机温度控制系统设计中不可缺少的一部分，该系统 对温度进行了实时采集与检测。本设计介绍的单片机温度自动控制系统的主要内容包括：系统方案、元器件选择、系统理论分析、硬件设计、软件设计、系统调试及主要技术性能参数。 关键词 ： 单片机；温度传感器；温度检测；温度控制 ； of s is to in a of of by 031 as it is by A/D so of is It is a of be is to in on is in of an of 第一章 绪论 1 1 课题的背景与意义 在近四十年的时间里，电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、中小规模集成电路到大规模集成电路这样四个阶段，尤其是随着半导体集成技术的飞跃发展，七十年代初诞生了一代新型的电子计算机 微型计算机，使得计算机应用日益广泛；而单片微型计算机的问世，则更进一步推动了这一发展趋势，使计算机应用渗透到各行各业，达到了前所未有的普及程度。一个由微电子技术为先导，计算机技术为标志，包括新材料、宇航、生物工程、海洋工程等多种学科在内的新技术革命正在兴起。 在国内，由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好、和价格低廉等独特优点，因此，在智能仪器仪表、工业自动控制、计算机智能终端、家用电器、儿童玩具等许多方面，都已得到了很好的应用，因而受到人们高度重视，取得了一系列科研成果，成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有广阔的发展前景。 1 2 课题的应用与展望 随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。伴随着科学技术的发展，电子技术有了更高的飞跃，我们现在完全可以运用单 片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且我们可以很容易地做到多点的温度检测，如果对此原理图稍加改进，我们还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。 温度是工业 控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械 等工业中，具有举足重轻的作用， 因此 ,温度控制系统是典型的控制系统。 对于不同场所、不同工艺、所需温度高低 范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，对温度的测控方法多 种多样。 随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。 目前 , 单片微机已普遍地作用于生产过程的自动控制领域中。单片机以其体积小、价格低廉、可用其构成计算机控制系统中的智能控制单元和可靠性高等特点 , 受到 广大工程技术人员的重视 。 温度是生产过程中最常见的物理量 , 许多生产过程是以温度作为其被控参数的。因此 ,温度控制系统是典型的控制系统。 1 3 课题举例简介 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 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 。 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 。 下面介绍一种功能简化后的温度控制系统的设计过程。 假设某烘干道采用过热蒸汽为热 源，蒸汽管道经热交换器加热空气并通过风机向烘箱送热风实现对胶布（带）的循环加热，烘箱的温度变化范围为 0 120。根据工艺要求，系统需实现如下功能和指标： 温度给定值在 85左右且现场可调； 温度控制误差 2； 实时显示温度值，保留 1位小数； 温度超过给定值 10时声光报警； 控制参数可在线修改。 第二章 总体方案 根据功能和指标要求，本系统可以从元件级开始设计，选用 过扩展必要的外围接口电路，实现对烘箱温度的测量和控制。 2 1 系统结构 该系统以 89温度测量变换、测量放大、大功率运放、A/、输入光电隔离、驱动电路、键盘显示、存储器共同组成。在系统中，温度和时间的设置、温度值及误差显示、控制参数得设置、运行、暂停及复位等功能由键盘及显示电路完成。 图 2单片机温度控制系统方案原理示意图 传感器把测量的烘箱温度信号转换成弱电压信号，经过信号放大电路，送入低通滤波电路，以消除噪音和干扰，滤波后的信号输入到 A/换成数字信号输入主机（单片机 8031）。 2 2 具体设计考虑 1、由于温度 测量范围为 0 120，控制精度也不高，可选用 8路 8位 ，分辨率可达 为了方便操作，系统可不扩展专用键盘，温度给定输入可用 2位 度显示可用 4位 了实现通过调节蒸汽流量控温，可扩展 8位 。于是，单片机基本系统应为：8031+2764+8255+位 2、温度测量可以选用半导体集成温度传感器 的响应速度快，与单片机接口简单。其测温范围为 +150，工作电压 4 30V，输出电流与绝对温度成正比，即为 1A/K。 执行机构可选用 线性电动单座调节阀，用它来调节通入烘箱的蒸汽流量。调节阀用 D/010 3、可采用带死区的比例积分（ 制算法实现对温度的控制。烘箱温度与给定值的偏差小时，调节阀不动作，以减少阀的机械磨损；偏差较大时，经片机通过 D/了使控制参数现场可调，可用 3个电位器产生 3路可调电压经过 A/，实现对个参数（比例系数 分系数 制周期 线整定。这种方法不仅可使参数调整方便，而且具有掉电保护功能。 4、为了提高系统的抗干扰能力， D/电动阀和单片机之间不共地。 第三章 元器件简介 3 1 3 1 1 概述 性能 位单片机， 40个引脚， 32个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 2个外中断口， 2个 16位可编程定时计数器 ， 2个全双工串行通信口 。 片内含 4k 可反复擦写的 读程序存储器和 128 随机存取数据存储器（ 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。器件采用 易失性存储技术生产，兼容标准 内置通用 8位中央处理器和 置功能强大的微型计算机的 3 1 2 主要特性 ： 寿命达 1000 写 /擦循环 数据保留时间： 10年 全静态工作： 024三级程序存储器锁定 1288 位内部 32可编程 I/O 线 2个 16位定时器 /计数器 6个中断源 可编程串行通道 低功耗闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 3 1 3 引脚功能 脚功能如下： 图 3引脚排列 40）： 5V 20）：接地 39 32）： 位漏极开路双向 I/ 个 引脚可吸收 8个 1 8）： 是从内部提供上拉电阻器的 8位双向 I/个 21 28）： 为内部上拉电阻器的 8位双向 I/缓冲器可接收和输出 4个 电流。 10 17）： 个带 有 内部上拉电阻器的双向 I/接 收和输出 4个 特殊功能口。 9）：复位输入。当振荡器复位时，要保持 个机器周期的高电平时间。 30）：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节，在 程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， 频率为振荡器频率的 1/6，它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的，要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过1个 29）：外部程序存储器的选 通信号。在由外部程序存储器取 值 期间，每个机器周期 2次 效，但在访问外部数据存储器时，这 2次有效的 31）：当 部程序存储器地址为（ 0000H 管是否有内部程序存储器。 引脚也用于施加 12V 编程电源（ 19）：反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 18）：来自反向振荡器的输出。 3 2 度传感器 3 2 1 概述 与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。实际上，中国也开发出了同类型的产品 种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。即使电源在 5间变化，其电流只是在 1 过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分档， 缀以 I、 J、 K、 L、 M 表示。 电路外形如图所示，它采用金属壳 3脚封装，其中 1脚为电源正端 V+， 2脚为电流输出端 3脚为管壳，一般不用。集成温度传感器的电路符号如图 3 图 33 2 2 主要特性 工作电压： 4 30V 工作温度： +150 保存温度： +175 正向电压： +44V 反向电压： 焊接温 度（ 10秒）： 300 灵敏度： 1A/K 3 2 3 作原理 在被测温度一定时， 它和 5在输出端串接一个 1恒值电阻，此电阻上流过的电流与被测温度成正比，此时电阻两端将会有 1的电压信号。其基本电路如图 3 图 3感温部分的核心电路 图 3是利用 中 用于使左右两支路的集电极电流 2相等； 用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但 而其结面积是 4的发射结电压 上，所以 此，电流 =（ KT/q） (R 对于 n=8,这样 ,电路的总电流将与热力学温度 将此电流引至负载电阻 成正比的输出电压。由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。图 3中的电阻 电阻已用激光修正了其电 阻值，因而在基准温度下可得到 1A/值。 图 33 3 3 3 1 主要特性 分辨率： n=8 时钟频率：小于 640转换时间：大于等于 100微秒 不可调误差： 1电源：单电源正 5V 模拟输入量： 8路 模拟输入范围： 0 5V 参考电压： ) )=5V 3 3 2 作原理 逼近式 A/有 8个模拟量输入通道。它能与微型计算机的大部分总线兼容，可在程序的控制下选择 8个模入通道之一进行 A/ 然后把得到的 8位二进制数据送到微机的数据总线，供 转换器是 由 D/次逼近寄存器（ 比较器等组成。其中， D/56 2处 n=8），它在启动脉冲的上升沿来到时被复位，在启动脉冲的下降沿 A/果在转换过程中接收到新的启动转换脉冲，则终止转换。转换结束信号“ 1”。 图 3第四章 硬件设计 4 1 扩展外围接口 根据总体方案，采用 8031外扩 2764作程序存储器；外扩 8255用于 4位 光报警和扩展光电隔型 10扩 8路 8位 个电位器产生 3个可调控制参数； 2位 031的 完整的硬件电路组成如图 4录 B）。图 4通过 8255的 位 过 ， 5V，于是经运算放大器 5经运算放大器 的集电极和 +12 10便控制电动阀的动作（图 4）；通过总线直接扩展 于仅使用 4路，故选择通道的 于温度传感器是输出电流信号且与绝对温度成正比，故采用电平移动电路及放大电路使运算 放大器 4声音报警电路中，蜂鸣器采用长鸣形式，由门电路构成 12位 031的 位又通过 2 由于各扩展芯片用线选发产生片选信号，故他们的接口地址分别为： 2764： 0000H 1255： 7000H 7003H 2 温度控制电路 8031对温度的控制是通过双向可控硅实现的 。 如单片机温度控制系统 电路原理图所示 ， 双向可控硅管和加热丝串接在交流 220V、 50回路 。 在给定周期 8031只要改变可控硅管的接通时间即可改变加热丝的功率 ， 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极上触发脉冲控制 。 该触发脉冲由 8031用软件在 在过零同步脉冲同步后经光电耦合管和驱动器输出送到可控硅的控制极上 。 4 3 温度检测电路设计 4 3 1 设计目标 用单片机对温度进行实时检测和控制，以解决工业及 日 常生活中对温度的及时自动控制问题；用十进制数码显示实际温度值，方便人工监视；用键盘 输入温度控制范围值，便于在不同应用场所设置不同温度范围值。当实际温度值不在该范围时，系统能自动调节温度， 以保持设定的温度基本不变，达到自动控制的目的。系统的温度最小区分度为 1。在环境温度变化时，温度控制的静态误差小于等于 4 3 2 设计的出发点 在达到对温度的检测和控制的基础上，达到一定的测控精度，并尽量使系统的可靠性高、稳定性好、性价比高、速度快、使用灵活、实现容易、便于扩充。 4 3 3 设计原理 本设计采用 89 89需外扩展存储器，可使系统整体结构简单。利用 89 89部电路得以简化。 89直接用串 /并转换模块驱动 其利用率高，负载重，后相电路只需加一块同相 驱动器即可正常工作。在串行传输数据时，频率可达到 1温度的显示完全达到测控精度要求。 4 3 4 转换电路 在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。由于 的温度每升高 1K，电流就增加 1A。当 0时，这个电阻上的压降为 100，为了使此电阻精确（ ，后通过调节电位器来获得精确的 10所示是一个电流 /电压和绝对 /摄氏温标的转换电路，其中运算放大器 增加信号的输入阻抗。而运放 然后将此电压放 图 4 电流 /电压和绝对 /摄氏温标的转换电路 大到 这样， 2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。将 的冰水混合溶液中， 样使 此 2 两输出端之间的电压： 即对应于 0。 4 3 5 信号处理电路 温度检测的小信号放大与绝对 /摄氏温度转换采用图电路，其中 摄氏温度转换及调零功能，运放要求采用一片集成普通四运放 工作电源取单电源 V。设计中电阻元件可参考下列取值： 2=10K、 4=20K、 6=20K、 K、 0K；高频滤波电容可取C= 图 4信号处理电路 4 3 6 主电路 主电路如图 4度检测信号输入 过模数转换结果输入 果从 个 图 4温度检测主电路 4 4 光电隔离电路 这部分电路是单片机与电阻丝加热器的接 口 。由于电阻丝的加热电压大于单片机的工作电压 ，为了避免烧坏单片机系统， 采用光电隔离电路如图 4。 图 4光电隔离及放大电路 4 5 过零检测电路 过零检测电路在每一个电源周期开始时产生一个脉冲 ， 作为触发器的同步信号 , 计数器 电路如图 4220个反相 并联的光电偶器的输入端。在交流电源的正负半周 , 分别导通 , 输出低电平 , 在交流电源正弦波过零的瞬间 ,两个光电耦合器均不导通 , 输出高电平。该脉冲信号经非门整形后作为单片机的中断请求信号和可控硅的过零同步信号。 图 4过零检测电路 4 6 制算法 前面 提到，大多数的温度控制系统可以看作一阶纯滞后环节，由于本系统纯滞后时间较小，故可采用 例、积分、微分）控制算法实施控制。 4 6 1 P）、积分（ I）和微分（ D） 3个控制作用的组合。连续系统 y(t)= e(t)+ dt ()(1 （ 4 式中 y(t)为控制器的输出； e(t)为控制器的输入； 显然， 制器的控制作用 越强；只要 e(t)不为 0，积分项会因积分而使控制器的输出变化；只要 e(t)有变化的趋势，控制器就会在微分作用下，在偏差出现且偏差不大时提前给输出一个较强的控制作用。 4 6 2 由于微机控制系统是一种时间离散控制系统，故必须把微分方程离散化为差分方程，最终写出递推公式才能直接应用。 显然： ( （ 4 ( 1()(1()( （ 4 于是， )(KPe(n)+ +e(n)-e( （ 4 式中 t=T，为采样周