1、 I 基于单片机的温度控制系统设计 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
2、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 Design of Temperature Control System Based on SCM Libing (College of Zhangjiajie, Jishou University, Jishou,Hunan 416000) Abstract Along with national economy development, the people need to each heating furnace、 the heat-treatment furnace、 in the
3、 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 technica
4、l 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-co
5、ntrol 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-cont
6、rolled rectifier tube puts through the time then to be possible to change the heater power, achieves the attemperation the goal. II Key words:Temperature control； Connection electric circuit； Silicon-controlled rectifier III 目 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
7、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 总 结 .21 参考文献
8、 .22 基于单片机的温度控制系统设计 绪论 1 绪 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。随着我国经济的发展及加入 WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组， 相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。 随着新技术的不断
9、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。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的 控制方法也不相同。 传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目
10、的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如： PID 控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率 。 本系统所使用的加热器件是电炉丝，功率为三千瓦，要求温度在 400 1000。静态控制精度为2.43。 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 RA
11、M，使温度控制大为简便。 基于单片机的温度控制系统设计 单片机温度控制系统方案简介 2 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
12、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 . 6 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
13、驱动 电路 晶闸管 主电路 被控 对象 输出 温度 采样电路 基于单片机的温度控制系统 设计 单片机 3 第二章 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
14、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
15、 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 P0P3，一个输出驱动器和输入缓冲基于单片机的温度控制系统 设计 单片机 4 器。为方便起见，我们把 4 个端口和其中的锁存器都统称 P0P3。 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
16、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（ 2
17、0 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
18、 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
19、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 只能访问片外程基于单片机的温度控制系统 设计 单片机 5 序存储器。 2.1.4 8031 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、
20、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
21、 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 基于单片机的温度控制系统 设计 单片机 6 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： A0A15:地址输入线； O0O7:三态数据总线，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 O0O7 呈高阻抗； CE ：片选信号输入线，“ 0”（即 TTL
22、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(D7D0); B：地址总线： P0口经锁存器向 EPROM 提供地址
23、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 30H7FH 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。
24、我选用的 EPROM 芯片为 2764。连接如图 2.3 基于单片机的温度控制系统 设计 单片机 7 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 为了提高精度，变送器可以进行零点迁移。例如：若温度测量范围为 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。
