基于51单片机温度测量系统设计

1、基于8031单片机的温度控制系统设计 一 设计说明在工业生产中，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。其中，温度控制越来越重要。在工业生产的很多领域中，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。采用单片机对温度进行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。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控制问题。单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可实现对数字信息的处理和控制。因此，单片机广泛

2、用于现代工业控制中。本设计采用无ROM的8031作为主控制芯片。8031的接口电路有串入并出移位寄存器74LS164，数码管，2716和ADC0809。2716可作为8031的外部ROM存储器，ADC0809作为AD转换器。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。二 硬件原理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，

3、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，因此达到一定的温度。具体电路设计如图1所示。给定值采样电路输出温度被控对象8031控制电路驱动电路晶闸管主电路图1 电路设计1. 铂电阻测温电路铂电阻组成的测温电路如图2所示。图2 铂电阻测温电路铂电阻的电阻值与温度的关系为其中，铂电阻在零摄氏度时为100欧姆，。这里采用三线制差分方式测量温度。在零摄氏度时，调节电阻R3的阻值，使输出电压为0V;在100摄氏度时，调节R10的阻值，使输出电压为5V。2.热电偶测温电路热电偶测温电路

4、如图3所示。图2 热电偶测温电路热电偶测温电路可以采用补偿导线法，即在放大电路与热电偶之间接入专用的补偿导线，即可实现冷端处理。对于测量电动势的放大，可以直接加一个测量放大器AD521，放大倍数由两个外接电阻决定，表达式为：对于0100摄氏度的温度，对应的热电动势为03.812V，可以采用100倍的放大倍数。即选择RG为100K，RS为1K。3.V/I变换与I/V变换在工业现场中，由于测量场所与控制室距离较远。这时采用传统的电压信号进行传输，在传输线上会造成严重的压降，导致信号失效。因此，为了防止信号失真，必须在传输前进行一次V/I变换，将被测信号转换为420MA电流信号，经导线传输。在接受信

5、号端，再进行一次I/V变换，将传输来的电流信号转换为05V电压信号，供信号处理系统使用。典型的V/I变换电路和I/V变换电路如图3和图4所示。图3 V/I变换电路图4 I/V变换电路4.AD转换电路ADC0809与单片机的接口电路如图5所示。由于ADC0809片内无时钟，故利用8031提供的地址锁存允许信号ALE获得。ALE引脚的频率是单片机时钟频率的1/6，单片机时钟频率为6MHZ，则ALE引脚的频率是1MHZ。在经二分频后为500KHZ，所以ADC0809更加能可靠工作。图5 ADC0809连接方式由于ADC0809具有输出三态锁存器，故其八位数据输出线可直接与单片机数据总线相连，单片机的

6、低8位地址信号在ALE作用下锁存在74LS373输出的低3位信号夹道ADC0809的通道选择端A、B、C上，作为通道编码。单片机的P2.7作为片选信号，与WR进行或非操作，得到一个正脉冲，送到ADC0809的ALE和START 引脚上。在读取转换结果时，用单片机的读信号RD和P2.7引脚经或非门后产生的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。显然，上述操作时，P2.7应为低电平。ADC0809的EOC端经反相器连接到单片机的P3.3引脚，作为查询或中断信号。A/D转换器件的选择主要取决于温度的控制精度。本系统要求温度控制误差2，采用8位A/D转换器，其最大量化误差为1/2（1/255*10

7、0）=0.2，完全能够满足精度的要求。这里我们采用ADC0809作为A/D转换器。电路设计好后，调整变送器的输出，是0100的温度变化对应于05V的输出。5.主机设计由于系统控制方案简单，数据量也不大，因此选用8031作为控制系统的核心，外扩EPROM2716作为程序存储器。具体连接方式如图6和图7所示。图6 8031连接图7 2716与8031连接8031的晶振频率为6 MHz。由于8031无片内ROM，故EA应接地，使用片外ROM。8031的P0口为低8位地址及数据总线的分时复用引脚，需要地址锁存器，将低8位的地址锁存后在接到2764A的A0A7上。该电路采用74LS373作为地址锁存器，

8、8031的地址锁存控制信号线ALE接锁存器控制端G，当ALE发生从高电平向低电平的跳变时，74LS373将低8位地址锁存后，P0与D0D7口相连方可作为数据线使用。地址锁存控制信号ALE为高电平时，P2口输出高4位地址PCH，P0口输出低8位地址PCL；ALE下降为低电平后，P2口信息保持不变，而P0口将通过D0D7来读取片外ROM中的指令。因此，低8位地址必须在ALE降为低电平之前由外部地址锁存器74LS373锁存起来。在PSEN输出负跳变选通片外ROM后，P0口转为输入状态，读入片外ROM的指令字节。6.执行机构设计电路控制采用可控硅来实现，双向可控硅和电炉电阻丝串接在交流220V市点回路

9、中。单片机的P1.7口通过光电隔离器和驱动电路送到可控硅的控制端，由P1.7口的高低电平来控制可控硅的导通和断开， 控制电阻丝的通电加热时间。对使用SCR的电路，在SCR阳极加上正向电压后，还必须在门极与阴极之间加上触发电压，SCR才能从阻断转变为导通，习惯称为触发控制，提供这个触发电压的电路称为SCR的触发电路。它决定每个SCR的触发导通时刻，是SCR装置中不可缺少的一个重要组成部分。控制电路和主要电路的隔离通常是必要的，隔离可有光耦或脉冲变压器实现。7.显示电路显示电路由两片74LS164和两个数码管构成。如图8.图8 显示电路组成时钟由单片机的P1.0提供，第一个数码管的数据由单片机的T

10、XD提供，第二个数码管的数据由第一个164的Q7提供。164的时序图如图9所示。图9 74LS164的时序图三软件设计本软件系统有1个主程序，6个子程序组成。6个子程序为定时/计数器0中断服务程序、温度采集及模数转换子程序ADCON、温度计算子程序CALCU、驱动控制子程序DRVCON、十进制转换子程序METRICCON及数码管显示子程序DISP。3.1主程序主程序进行系统初始化操作，主要是进行定时/计数器的初始化。3.2定时/计数器0中断服务程序应用定时计数器0中断的目的是进行定时采样，用户可以根据实际环境温度变化率进行采样时间调整。每当定时时间到，调用温度采集及模数转换子程序ADCON，得

11、到一个温度样本，并将其转换为数字量，传送给8031单片机，然后在调用温度计算子程序CALCU，驱动控制子程序DRVCON，十进制转换子程序MERTRICCON，温度数码显示子程序DISP。3.3温度采集及模数转换子程序ADCON该子程序进行温度采样并将其转换为8位数字量传送给8031的P0口。采样得到的温度数据存放在片内RAM的20H单元中。3.4温度计算子程序CALCU根据热敏电阻的分度值和电路参数计算出出一张温度表，存放在DATATAB数据表中，由于篇幅关系，本程序只给出0-49的温度数据。一个温度有两个字节组成，前一字节为温度值，后一字节为该温度所对应的热敏电阻上的电压的数字量。根据采样

12、值，通过查表及比较的方法计算出当前的温度值，并将其存入片内RAM的21H单元。采用查表法计算温度值时为了克服热敏电阻的阻值温度特性曲线的非线性，提高测量精度。3.5驱动控制子程序DRVCON该子程序调节温度，当温度低于上限温度时， P1.1输出驱动控制信号，驱动外设工作降温；当温度上升超过设定温度时，P1.1停止输出，温度下降，周而复始。3.6十进制转换子程序METRICCON将存放于内部RAM21H单元的当前温度值得二进制数形式转换为十进制数（BCD码）形式，以便输出显示，转换结果存放在片内RAM的31H（十位）、30H单元（个位）。3.7数码显示子程序DISP该子程序利用8031串口的方式

13、0串行移位寄存器工作方式，将片内RAM的30H、31H单元的BCD码查表转换为七段码后由TXD端串行发出去，然后经74LS164串并转换，将七段值传送给数码管，以十进制形式显示出当前温度值。根据以上分析画出的部分程序设计流程图如图10至图14所示。开始在0000H处放置一条长跳转指令LJMP MAIN跳转到主程序在0000H处放置一条长跳转指令LJMP T0INT跳转到T0中断服务程序图10 主程序开始主程序计数寄存器R1赋初值10TMOD赋初值01HT0工作于定时方式1软启动堆栈指针SP赋初值60HSETB TR0启动T0工作P1口赋初值FFH，所有指示灯全灭TH0赋初值3CH，TL0赋初值

14、B0H，T0定时100msIE赋初值82H，T0允许中断动态停机图11 主程序T0中断服务程序采样通道编号总通道数通道数加一调用数码管显示子程序DISP调用十进制转换子程序METRICCON调用驱动控制子程序DRVCON调用温度计算子程序CALCU调用温度采用及模数转换子程序ADCON中断返回YN图12 中断服务程序温度采样及模数转换子程序将ADC0809启动A/D转换读取转换数据将转换数据存于片内RAM20H单元返回转换结束否图13温度采样及模数转换子程序流程图温度数据表索引值寄存器R2赋初值01H温度数据表首地址送DPTR查表取出某一温度的电压数据启动加热器返回返回当前温度电压值与设定温度电压值比较温度计算子程序大于或相等小于图14温度计算子程序流程图四参考文献1王建校 张虹 金印斌，电子系统设计与实践，高等教育出版社