温度控制系统的设计

数理与信息工程 单片机原理及应用 期末课程设计 温度控制设计 31 数理与信息工程学院数理与信息工程学院 单片机原理及应用单片机原理及应用 期末课程设计期末课程设计 题题 目 目 温度控制系统的设计 专专 业 业 电子信息工程 班班 级 级 电信 041 班 姓姓 名 名 杨永铎 学学 号 号 指导老师 指导老师 余 水 宝 成成 绩 绩 9 下载 格式差 2007 1 数理与信息工程 单片机原理及应用 期末课程设计 温度控制设计 32 目录目录 第第 1 1 节节 引言引言 3 第第 2 2 节节 硬件电路设计硬件电路设计 4 2 1 温度检测和变送器 4 2 2 接口电路 4 2 3 温度控制电路 9 第第 3 3 节节 软件的设计软件的设计 11 3 1 软件总体流程图 11 3 2 部分程序 12 3 2 1 LED 数码管的显示程序 12 3 2 2 8031 的主程序 12 3 2 3 复位设置 13 3 2 4 8155 的主程序 13 第第 4 4 节节 温度控制的算法温度控制的算法 14 4 1 温度控制算法 14 4 2 温度控制程序框图 14 4 2 1 主程序框图 14 4 2 2 中断服务程序框图 14 4 2 3 主要子服务程序框图 14 4 2 4 其它控制算法 16 第第 5 5 节节 系统调试与测试结果分析系统调试与测试结果分析 17 5 1 系统调试 17 5 1 1 软件调试 1 7 5 1 2 硬件调试 17 5 1 3 软硬件联调 17 数理与信息工程 单片机原理及应用 期末课程设计 温度控制设计 33 第第 6 6 节节 结束语结束语 19 参考文献参考文献 20 温度控制系统的设计温度控制系统的设计 数理与信息工程学院 04 电子信息工程 杨永铎 指导教师 余水宝 第第 1 节节 引引 言言 自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用 温度控 制是控制系统中最为常见的控制类型之一 随着单片机技术的飞速发展 通过 单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向 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 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 本文以它为例进行介绍 希望能收到举一反三和触类旁 通的效果 所以来说温度控制在我们的日常生活当中是非常有用的 我们利用 温度控制来更好的为我们的生活工作所服务 提高我们的生活质量 当然本次 温度控制的设计也有不足之处 相信在不久的以后 随着单片机行业的迅速发 展 将会有更好的温度控制仪的出现 摘要 摘要 自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用 温度 控制是控制系统中最为常见的控制类型之一 随着单片机技术的飞速发展 通 过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向 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 人们都需要对工业及日常生活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 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 本 文以它为例进行介绍 希望能收到举一反三和触类旁通的效果 数理与信息工程 单片机原理及应用 期末课程设计 温度控制设计 34 关键字 关键字 MCS 51 单片机 温度 软硬件 硬件原理图 程序框图 第第 2 2 节节 硬件电路设计硬件电路设计 以热电偶为检测元件的单片机温度控制系统电路原理图如图 1 所示 2 12 1 温度检测和变送器温度检测和变送器 温度检测元件和变送器的类型选择与被控温度的范围和精度等级有关 镍 铬 镍铝热电偶适用于 0 1000 的温度检测范围 相应输出电压为 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 0mV 41 32mV 变换成 4mA 20mA 的电流 电流 电压变送器用于把毫伏变送 器输出的 4mA 20mA 电流变换成 0 5V 的电压 为了提高测量精度 变送器可以进行零点迁移 例如 若温度测量范围为 500 1000 则热电偶输出为 20 6mV 41 32mV 毫伏变送器零点迁移后输出 4mA 20mA 范围电流 这样 采用 8 位 A D 转换器就可使量化温度达到 1 96 以 内 2 22 2 接口电路接口电路 接口电路采用 MCS 51 系列单片机 8031 8031 芯片是 MCS 51 系列单片机 是美国 Intel 公司开发的 8 位单片机 又可以分为多个子系列 MCS 51 系列单 片机共有 40 条引脚 包括 32 条 I O 接口引脚 4 条控制引脚 2 条电源引脚 2 条时钟引脚 引脚说明 P0 0 P0 7 P0 口 8 位口线 第一功能作为通用 I O 接口 第二功能作为存储器扩展时的地址 数据复用口 P1 0 P1 7 P1 口 8 位口线 通用 I O 接口无第二功能 P2 0 P2 7 P2 口 8 位口线 第一功能作 为通用 I O 接口 第二功能作为存储器扩展时传送高 8 位地址 P3 0 P3 7 P3 口 8 位口线 第一功能作为通用 I O 接口 第二功能作为为单 片机的控制信号 ALE PROG 地址锁存允许 编程脉冲输入信号线 输出信号 PSEN 片外程序存储器开发信号引脚 输出信号 EA Vpp 片外程序存 储器使用信号引脚 编程电源输入引脚 RST VPD 复位 备用电源引脚外围扩 展并行接口 8155 程序存储器 EPROM2764 模数转换器 ADC0809 等芯片 数理与信息工程 单片机原理及应用 期末课程设计 温度控制设计 35 由图 1 可见 在 P2 0 0 和 P2 1 0 时 8155 选中它内部的 RAM 工作 在 P2 0 1 和 P2 1 0 时 8155 选中它内部的三个 I O 端口工作 相应的地址分配 为 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 8 位口 0105H 定时器高 8 位口 8155A 芯片是 Intel 公司生产的可编程输入输出接口芯片 它具有 3 个 8 位的 并行 I O 口 具有三种工作方式 可通过程序改变其功能 因而使用灵活 通用性强 可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路 8155 有三种基本工作方 式 三种工作方式由工作方式控制字决定 方式控制字由 CPU 通过输入 输出指 令来提供 三个端口中 PC 口被分为两个部分 上半部分随 PA 口称为 A 组 下半部 分随 PB 口称为 B 组 其中 PA 口可工作与方式 0 1 和 2 而 PB 口只能工作在 方式 0 和 1 8155 共有 40 个引脚 采用双列直插式封装 各引脚功能如下 D0 D7 三态双向数据线 与单片机数据总线连接 用来传送数据信息 CS 片选信 号线 低电平有效 表示芯片被选中 RD 读出信号线 低电平有效 控制数 据的读出 WR 写入信号线 低电平有效 控制数据的写入 Vcc 5V 电源 A0 PA7 A 口输入 输出线 PB0 PB7 B 口输入 输出线 PC0 PC7 C 口输 入 输出线 RESET 复位信号线 A1 A0 地址线 用来选择 8155 内部端口 GND 地线 8155 用作键盘 LED 显示器接口电路 图 2 中键盘有 30 个按键 分成六行 L0 L5 五列 R0 R4 只要某键被按下 相应的行线和列线才会 接通 图中 30 个按键分三类 一是数字键 0 9 共 10 个 二是功能键 18 个 三是剩余两个键 可定义或设置成复位键等 为了减少硬件开销 提高系统可 靠性和降低成本 采用动态扫描显示 A 口和所有 LED 的八段引线相连 各 LED 的控制端 G 和 8155C 口相连 故 A 口为字形口 C 口为字位口 8031 可以通过 C 口控制 LED 是否点亮 通过 A 口显示字 数理与信息工程 单片机原理及应用 期末课程设计 温度控制设计 36 数理与信息工程 单片机原理及应用 期末课程设计 温度控制设计 37 图 1 单片机温度控制系统电路原理图 数理与信息工程 单片机原理及应用 期末课程设计 温度控制设计 38 图 2 8155 用作键盘 LED 显示器接口电路 数理与信息工程 单片机原理及应用 期末课程设计 温度控制设计 39 2764 是 8K EPROM 型器件 8031 的 PSEN 和 2764 的 OE 相连 P2 5 和 CE 相连 所以 2764 的地址空间为 0000H 1FFFH ADC0809 的 0 通道 IN0 其他输入 端可作备用 和变送器的输出端相连 所以从通道 0 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 在 P2 2 0 和 WR 0 时 8031 可使 ALE 和 START 变为高电平而启动 ADC0809 工作 在 P2 2 0 和 RD 0 时 8031 可以从 ADC0809 接收 A D 转换后的 数字量 也就是说 ADC0809 可以视为 8031 的一个外部 RAM 单元 地址为 03F8H 地址重复范围很大 因此 8031 执行如下程序可以启动 ADC0809 工 作 MOV DPTR 03F8H MOVX DPTR A 若 8031 执行下列程序 MOV DPTR 03F8H MOVX A DPTR 2 32 3 温度控制电路温度控制电路 8031 对温度的控制是通过双向可控硅实现的 如图一所示 双向可控硅管 和加热丝串接在交流 220V 50Hz 市电回路 在给定周期 T 内 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 P1 3 引脚上产生 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 温控系统主要由温度传感器 温度调节仪 执 行装置 被控对象四个部分组成 其系统结构图如图 3 所示 数理与信息工程 单片机原理及应用 期末课程设计 温度控制设计 3 10 图 3 温度控制系统 数理与信息工程 单片机原理及应用 期末课程设计 温度控制设计 3 11 第 3 节 软件的设计 硬件平台结构一旦确定 大的功能框架即形成 软件在硬件平台上构筑 完成各部分硬件的控制和协调 系统功能是由软硬件共同实现的 由于软件的 可伸缩性 最终实现的系统功能可强可弱 差别可能很大 因此 软件是本系 统的灵魂 软件采用模块化设计方法 不仅易于编程和调试 也可减小软件故 障率和提高软件的可靠性 同时 对软件进行全面测试也是检验错误排除故障 的重要手段 由于编程多涉及到数值运算 比较复杂 还有 LCD 的菜单界面设 计都是需要多重选择判断 用我们平时常用的汇编语言编程是很难实现的 这 里我们选用了移值性好 结构清晰 我使用汇编语言来实现编程 3 1 软件总体流程图软件总体流程图 软件总体设计主要完成各部分的软件控制和协调 本系统主程序模块主要 完成的工作是对系统的初始化 包括扫描键盘和液晶的初始化 启动无线接收 模块 发送显示数据 同时对键盘进行扫描 等待外部中断 程序的流程图如 4 所示 图 4 流程图 数理与信息工程 单片机原理及应用 期末课程设计 温度控制设计 3 12 3 23 2 部分程序如下部分程序如下 3 2 13 2 1 LEDLED 数码管的显示程序数码管的显示程序 六个数码管的点亮的程序如下 DISPLAY MOV R1 70H 70 放 R1 中 MOV R5 0FEH PLAY MOV A R5 MOV P3 A MOV A R1 R1 中的数据放 A 中 MOV DPTR TAB MOVCA A DPTR MOV P1 A 点亮 P1 LCALL DL1MS 跳转 INC R1 MOV A R5 JNB ACC 5 ENDOUT RL A MOV R5 A AJMP PLAY 跳转 ENDOUT SETB P3 5 MOV P1 0FFH RET TAB DB 0C0H 0F9H 0A4H 0B0H 99H 92H 82H 0F8H 80H 90H 0FFH 3 2 23 2 2 80318031 的主程序的主程序 START MOV R0 70H 70 放 R0 中 MOV R7 0BH CLEARDISP MOV R0 00H INC R0 DJNZ R7 CLEARDISP MOV 20H 00H MOV 7AH 0AH MOV TMOD 11H MOV TL0 0B0H 置数 MOV TH0 3CH MOV TL1 0B0H MOV TH1 3CH SETB EA 开通 数理与信息工程 单片机原理及应用 期末课程设计 温度控制设计 3 13 SETB ET0 SETB TR0 MOV R4 14H START1 LCALL DISPLAY JNB P3 7 SETMM1 SJMP START1 SETMM1 LJMP SETMM 3 2 33 2 3 复位设置复位设置 CLR0 CLR A MOV R0 A DEC R0 MOV R0 A RET 3 2 43 2 4 81558155 的主程序的主程序 ORG 0030H AJMP MAIN MAIN CALL DELAY6MS MOV A 02H 表示 PC PA 口输入 PB 口输出 MOV DPTR 0A300H 8155 的状态端口地址 MOVX DPTR A CALL DELAY6MS MOV DPTR 0303H MOVX A DPTR CJNE 0FFH BAOJING AJMP MAIN BAOJING CLR P1 6 RET DELAY6MS 延时 6MS 的子程序 DEL MOV R7 24 DEL1 MOV R6 125 DEL2 DJNZ R6 DEL2 125 2 250US DJNZ R7 DEL1 0 25 24 6MS RET END 数理与信息工程 单片机原理及应用 期末课程设计 温度控制设计 3 14 第 4 节 温度控制的算法 4 14 1 温度控制算法温度控制算法 通常 电阻炉温度控制都采用偏差控制法 偏差控制的原理是先求出实测 温度对所需温度的偏差值 然后对偏差值处理获得控制信号去调节电阻炉的加 热功率 以实现对温度的控制 在工业上 偏差控制又称 PID 控制 这是工业 控制过程中应用最广泛的一种控制形式 一般都能收到令人满意的效果 4 24 2 温度控制程序框图温度控制程序框图 温度控制程序的设计应考虑如下 1 键盘扫描 键码识别和温度显示 2 温度采样 数字滤波 3 数据处理 4 越限报警和处理 5 PID 计算 温度标度转换 4 2 14 2 1 主程序框图主程序框图 主程序包括 8031 本身的初始化 并行接口 8155 初始化等等 大体说来 本程序包括设置有关标志 暂存单元和显示缓冲区清零 T0 初始化 CPU 开中 断 温度显示和键盘扫描等程序 4 2 24 2 2 中断服务程序框图中断服务程序框图 T0 中断服务程序是温度控制系统的主体程序 用于启动数 模转换器 读 入采样数据 数字滤波 越限温度报警和越限处理 PID 计算和输出可控硅的 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 溢出中断的空闲时间 形成 P1 3 输出脉冲顶宽 完成 把本次采样值转换成显示值而放入显示单元缓冲区和调用温度显示程序 8031 从 T1 中断服务程序返回后即可恢复现场和返回主程序 4 2 34 2 3 主要子服务程序框图主要子服务程序框图 主要服务子程序包括温度检测采样及数字滤波子程序 带符号双字节乘法 子程序和标度转换子程序目的是把实际采样取得的二进制值转换成 BCD 码形式 的温度值 然后存放到显示缓冲区中 供显示子程序调用 数理与信息工程 单片机原理及应用 期末课程设计 温度控制设计 3 15 图 5 中断服务程序框图 数理与信息工程 单片机原理及应用 期末课程设计 温度控制设计 3 16 对于一般线性仪表来说 标度转换公式为 Tx A0 Am A0 其中 A0 为一次测量仪表的下限 Am 为一次测量仪表的上限 Vx 为实际 测量值 工程量 Vm 为仪表上限对应的数字量 V0 为仪表下限对应的数字 量 4 2 44 2 4 其它控制算法其它控制算法 不同的控制对象 所采用的算法有所不同 例如对于热惯性大 时间滞后 明显 耦合强 难于建立精确数学模型的大型立式淬火炉 可以采用人工智能 模糊控制算法 通过对淬火炉电热元件通断比的调节 实现对温度的自动控制 也可以采用仿人智能控制 SHIC 算法和 PID 控制算法的联合控制方案 实际 应用时应灵活运用 第 5 节 系统调试与测试结果分析 5 1 系统调试系统调试 数理与信息工程 单片机原理及应用 期末课程设计 温度控制设计 3 17 根据系统设计方案 本系统的调试共分为三大部分 硬件调试 软件调试 和软硬件联调 5 1 15 1 1 软件调试软件调试 该系统的软件调试主要针对单片机系统部分 我们利用 Keilc51 环境对编 号的程序进行程序调试 编译正确的程序之后再利用编程器将调试好的程序固 化到 AT89C2051 单片机中 5 1 25 1 2 硬件调试硬件调试 电路安装完成后 首先进行检查 即确认电路无虚焊 无短路 无断路 集成元件安装是否正确 之后进行电路功能模块的分级调试 根据电路功能逐 级进行由于在系统设计中采用模块化设计 对各电路功能模块的逐级测试 最 后将各模块组合后在交道口模型上进行整体测试 使系统的所有功能得以实现 调试的基本过程如下 1 最重要的当然是检查线路应焊接无误 2 对电源电路进行调试 调试的方法是 断开负载 用万用表测量 78L05 的 3 脚应有 5V 电压 3 对拨号音频部分进行调试 4 对拨号音频进行调试 5 先不装 8031 单片机 用短路线把 U1 插座的 12 脚接地 调整 VD1 和 VD7 的安装位置和角度 测量 U1 插座的 2 脚电压 当 VD1 和 VD7 之间无遮 挡时 2 脚电压为 0 伏 有遮挡时为 5 伏 用相同方法反复调整其他几对红外收 发管的位置和角度 使 U1 插座的 3 6 7 8 9 各脚的电压符合要求 5 1 35 1 3 软硬件联调软硬件联调 系统做好后 进行系统的完整调试 检验实现的功能 将固化好程序的 8031 插入电路中的 U1 插座上 接上电源看是否能够正常工作 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 即使是非电子计算机专业人员 通过学习一些 专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量 来开发所希望的单片机应用系统 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个应用 相信不 久的将来单片机的应用更加广泛化 单片机因为使用灵活 结构简单 体积小 成本低而在工业和生活中得到广泛应用 也正是因此 它的硬件资源很有 限 寻址和计算机能力都远低于 PC 机 显示方面更受限制 人们不满足单片机系 统采用 LED 数码管的简单显示 根据单片机的特点 开发出了很多种显示方法 按程序执行过程 逐个调试各子程序 并观察结果 调节电位器 改变输入电 压值 A D 转换结果由 P1 口输出到 8 个 LED 可观察到 A D 转换运行正常 在 A 中设定随机值进行十六进制转十进制 子程序运行正常和数码管显示子程 序运行正常 主程序中调用各个子程序并改变模拟温度输入值及设定值 处理指示灯正常 数理与信息工程 单片机原理及应用 期末课程设计 温度控制设计 3 18 主程序运行正常 调试成功 写程序时养成注释的好习惯 写注释是为了便于理解软件编写的思路 不仅为自己看 也为别人看一个 完全没有注释的汇编程序将会让人读起来十分的费解 而你自己 当你在三个 月后再来看这个程序时 可能当时的构思与想法都忘了 届时你一定会统一程 序及上一些必要的注释绝对是必要的 作为熟练掌握 51 的一个基础 应当熟记 51 复位后各寄存器的状态 这将 对编程产生影响 因为有时在程序中需要在复位后立即对某些寄存器写入控制 字 有些则不需要 写程序时应当注意精简 用更简短的指令 实现相同的功 能 当程序很多 空间不够时 有时只差几个字节 这时作用就会显现出来了 但这要求编程人员对程序有全局的理解 查表指令的原理 以 DPTR 为底地址 以累加器 A 的值为偏移量 索引值 得到一个地址 然后取出其中的内容 完 成一次查表 写汇编程序能够训练一个人具有更周密的思路和处理能力 由于汇编语言 属于最底层的程序语言 若处理不当时 对控制系统的杀伤力最大 而且排错 时间最长 并不适合发展大型的应用程序 学完汇编应该立即学会用高级语言 编写程序 提高效率 当 51 程序出现非我们预期的结果时 不要先怀疑硬件 依照统计 当系统不工作时 有 80 以上的几率是程序有漏洞 10 是整合时的 程序有问题 最后的 10 才是硬件的问题 不过硬件问题中的一半 可以用软件来克服 所以系统有问题时 总体来讲 95 是软件的问题 关于指令执行时间的计算 如计算延时时间 例 DELAY MOV RO 00H DLY MOV R1 00H DJNZ R1 DJNZ RO DLY RET 假设晶振威 11 0592MHZ 每个 clock 要 0 09us 内循环执行 256 次 为加第一次设置 R1 共用了 256 24 12 6156 clock 外循环也是 256 次 外加第一次设置 R0 共用了 256 6156 12 clock 调 用一次延时程序所用时间 12 colck 0 142sRET 指令的执行为两个周期 在 设计的过程中我学会借用示波器进行查错 执行相应的程序测试相关引脚的输 出信号 第 6 节 结束语 学三年多的时间都是在学习电子信息专业的知识 并未真正地去