基于单片机的温度控制系统设计(2011毕业设...

河南机电高等专科学校毕业论文 基于单片机的温度控制系统设计基于单片机的温度控制系统设计 河南机电高等专科学校毕业论文 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 以达到调节温度的目的 关键字 温度控制 接口电路 可控硅 河南机电高等专科学校毕业论文 DESIGN OF TEMPERATURE CONTROL SYSTEM BASED ON SCM ABSTRACT Along with national economy development the people need to each heating furnace the heat treatment furnace in the reactor and the boiler the temperature carry on the monitor and the control Not only uses the monolithic integrated circuit to come to them to control has the control to be convenient simple and flexibility big and so on merits moreover may enhance large scale is accused the temperature technical specification thus can big enhance the product the quality and quantity This design uses non ROM 8031 to take the master control chip 8031 connection electric circuits have 8155 2764 8155 uses in the keyboard LED monitor connection 2764 may take 8031 exterior ROM memories one temperature control circuit is adjusts the merit realization through the silicon controlled rectifier The bidirectional silicon controlled rectifier tube and the heater series connection in exchange 220V 50HZ exchange city electricity return route in assigns in the cycle 8031 so long as the change silicon controlled rectifier tube puts through the time then to be possible to change the heater power achieves the attemperation the goal Key words Temperature control Connection electric circuit Silicon controlled rectifier 河南机电高等专科学校毕业论文 目目 录录 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 3 2 1 单片机内部模块 3 2 1 1 MCS 51 单片机内部结构 3 2 1 2 MCS 51 输入 输出端口的结构与功能 3 2 1 3 MCS 51 单片机的引脚及其功能 4 2 1 4 8031 系统扩展设计 5 2 2 单片机外总线结构 5 2 3 芯片的扩展设计 5 2 4 单片机温控模块 7 第三章 系统硬件设计 8 3 1 系统总体设计 8 3 2 8155 接口电路 8 3 3 A D 转换电路 10 3 4 可控硅控制电路 10 第四章 系统软件设计 13 4 1 主程序流程图 13 4 2 T0 中断服务程序 14 4 3 采样子程序 18 4 4 数字滤波程序 19 河南机电高等专科学校毕业论文 总 结 21 参考文献 22 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 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 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 第一章第一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 第二章第二章单片机单片机 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 1 单片机单片机内部模块内部模块 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 1 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 P0 P3 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 3 MCS 51 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 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 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 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 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 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 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 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 7 1 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 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 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 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 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 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 5 400 1000 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 第三章第三章系统硬件设计系统硬件设计 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 23 2 81558155 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M 内的 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 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 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 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 3 43 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 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 控制论告诉我们 PID 控制的理想方程是 1 1 pD de UKEedtT Tdt 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 11 1 1 111 1 n D npnnn i n pnDnn i TT UKeeee TT K eKeKee 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 11012 101 2 n pnnnnnn pnnnn U KeeK eK eee KeK eKee 第四章第四章系统软件设计系统软件设计 4 1 主程序 图 4 1 主程序流程图 主程序 ORG 0100H 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 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 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 AJMP CT0 CT0 PUSH ACC PUSH DPL 保护现场 PUSH DPH SETB D5H 置标志 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 清上次越限标志 CJNE A 43H MTPL HAT SETB P1 1 若温度不越限 则绿灯亮 ACALL PID MOV A 2FH CPL A INC A 对 PID 值求补 作为 TL1 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 越限计数器加 1 MOV A 44H CLR C SUBB A N 越限 N 次吗 JNZ WL SETB P1 2 CLR 5EH CLR 5FH POP DPH POP DPL POP ACC RETI 4 3 采样子程序 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 采样子程序 SAMP MOV R0 2CH 采样值始址送 R0 MOV R2 03H MOV DPTR 03F8H 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 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 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 CJNE A 2DH CAMP1 AJMP CMP2 CMP1 JNC CMP2 XCH A 2DH XCH A 2CH CM