1、本 科 毕 业 设 计比色光纤测温仪设计（控制部分）基于单片机的炉温控制系统设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘 要随着电子技术的飞速发展，单片机在国民经济生产各行业发挥了重要的作用。它因为集成度高、体积小、运行可靠、应用灵活、价格低、面向控制等特点得到了广大工程技术人员和客户的好评。在温度控制方面，单片机能够代替常规的模拟调节器。本文主要设计了单片机炉温控制系统硬件电路和软件程序。硬件主要包括 8051 单片机，拨码键盘输入，超温报警器，数码显示管，温度传感器等。对上述硬件做了详细的介绍并画出了基本电路图以及软件的编程。人机接口电路
2、部分能实现温度设定、温度显示、超温报警等功能。采用分段方法控制二台电阻炉温度。本设计对温度的调节时间不做说明。关键词：单片机；炉温控制；接口电路 IIAbstractWith the rapid development of electronic technology,Single-chip production of various sectors in the national economy played an important role. It is because of the high integration, small volume, reliable operation,
3、flexible, low price and application for control of the engineering characteristics of technical staff and customers. In temperature control,SCM can replace conventional analog regulator.This paper designs the temperature control system of microcontroller hardware circuit and software program. Hardwa
4、re includes 8051 SCM ,DIP keyboard input, over temperature alarm, digital display tube, the temperature sensors. On the introduction of the hardware in detail and draw the basic circuit and software programming. Man-machine interface circuit part to achieve the temperature setting, temperature displ
5、ay, over-temperature alarm. Segmentation method using three resistance furnace temperature control. The design of the temperature regulation time do that.Key words: Single Chip Machine; Temperature control; Interface circuitIII目 录引 言 1第一章 单片机控制与应用概述 21.1 MCS-51 单片机概述 21.1.1 单片机硬件结构 21.1.2 单片机引脚分布 31
6、.2 单片机复位电路 51.3 单片机控制系统 5第二章 单片机炉温控制系统方案 72.1 设计要求 72.2 设计方案 72.2.2 硬件系统总体结构图 82.3 系统的软件设计 82.3.1 程序流程图 9第三章 人机接口电路设计 103.1 数字拨码盘 103.2 LED 显示与单片机的接口设计 113.3 报警接口设计 12第四章 过程通道设计 144.1 模拟量输入通道 144.1.1 模拟量输入通道的组成特点 144.1.2 模拟量输入通道设计 154.2 开关量输出通道 154.2.1 开关量输出通道的构成及特点 154.2.2 开关量输出通道的设计 16第五章 器件的选择 17
7、5.1 放大器的选择 175.2 传感器的选择 175.3 模拟开关的选择 17第六章 PID 控制系统软件程序设计 19IV6.1 PID 控制电路和流程图 196.2 位置式 PID 算法 196.3 总 结 20小 结 22参考文献 23致谢 24附录一 主电路图 25附录二 主程序和中断服务子程序 261引 言近几年来，我国的工业信息化程度不断加深，温度已成为工业对象控制中一种重要的参数，它是一种常见的过程变量，因为它直接影响发酵、烘烤、煅烧、浓度、蒸馏、挤压成形，空气流动以及结晶等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起产品质量和产量，生产安全等一系列问题。特别是在食品，冶金、机械、化
8、工等各类工业中，广泛使用各种热处理炉、加热炉、反应炉等。由于炉子的原理和功能的差异，所采用的加热方法及燃料各不相同，有天然气、油电、煤气等。对于不同工艺要求和生产条件的温度控制，控制方案也有所不同。控制方案有推断控制，直接数字控制（DDC） ，模糊控制（Fuzzy） ，预测控制，模糊控制（Fuzzy） ，专家控制(Expert Control) ，鲁棒控制（Robust Control ）等。随着工业技术的突飞猛进，传统的控制方式以不能满足高速度，高精度的控制要求，原有的温度控制方式，如温度控制表温度接触器，存在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
9、的目的，受交流接触器的寿命和仪表本身误差的限制，通断频率很低。如今，随着以微机为核心的温度控制技术不断发展，用微机取代常规控制的方式已成必然，因为它确保了生产过程的正常进行，提高了产品的质量与数量，节约了能源，减轻了工人的劳动强度，并且能够使加热对象的温度按照某种指定规律变化。而且微型计算机在智能温度测量和控制电器中的控制作用是一种智能行为，所以，它具有功耗低的特点和普通仪表温度测量相比，智能温度测量与控制电器是一种节能电器。无论是对广大用户还是对于整个社会来说都具有重大的意义 1。本设计通过对基于 MCS-51 单片机的炉温控制系统的设计来降低劳动强度，提高劳动生产率。同时通过本设计来全面检
10、验大学期间所学的专业知识，提高发现问题，分析问题，解决问题的能力。2第一章 单片机控制与应用概述1.1 MCS-51 单片机概述1.1.1 单片机硬件结构本设计采用 MCS-51 单片机的 8031 作为 CPU, MCS-51 系列单片机有十多个品种，性能各不相同。8051 片内除具有运算器和控制器（CPU）外，还包括 RAM, ROM, 串行口，48位的并行口和 216 位定时器/计数器。它是一个功能很强的单片微型计算机，但是因为8051 片内为掩膜 ROM，它的内部程序不可以被改写，在用于开发和试验的时候不方便。所以如果要在实验调试中使用 8051，需在片外扩展可改写的 EPROM。目前
11、，市场上使用 MCS-51 单片机进行产品开发时，由于 8031 在市场上的价格很低，虽然其片内没有 EPROM，但只需在片外扩展一片 EPROM 就可构成 8751，所以使用非常广泛。图 1.1 8051 单片机内部结构图31.1.2 单片机引脚分布图 1.2 8051 单片机引脚这 40 个引脚大致可以分为：电源（VCC、VSS、VDD、VPD） ，时钟（XTAL1、XTAL2） ，I/O（P0P3） ，地址总线（P0、P2） ，数据总线（BUS）和控制总线（ALE、RST、 、PROG、 ）6 大部分。PSENA 电源线VSS：引脚号 20，电源地线。VCC：引脚号 40,芯片的主电源，
12、接+5V。（2）控制总线ALE/ ：引脚号 30，地址锁存有效信号，在它的下降沿用于外部程序存储器的PROG低 8 位地址锁存，使 BUS（P0）分时用作地址总线低 8 位和数据总线。此信号每机器周期出现 2 次，只在访问外部数据存储器期间才不输出 ALE。所以在任何不使用外部数据存储器的系统中，ALE 以 1/6 振荡频率的固定速率输出，因而它能用作外部时钟或定时器。在8751 片内 EPROM 编程时，此段输入编程脉冲信号（ ） 。PROG：引脚号 29，外部程序存储器选择信号，并在外部程序存储器读取PSEN指令时产生，指令内容读到数据总线上。此信号在每个机器周期产生 2 次有效，在执行内
13、部程序存储器取指时无效。RST/VPD：引脚号 9，复位输入信号。在振荡器工作时，该引脚上 2 个机器周期的高电4平可实现复位操作。在掉电情况下（VCC 降到操作允许限度以下） ，VPD 将为芯片内的 RAM提供备用电源。/VDD：引脚号 31，访问外部程序存储器控制信号输入端。当为低电平时，单片机EA都到外部程序存储器取指。当为高电平且 PC 值小于 0FFFH 时，CPU 执行内部程序存储器程序。在 8751 片内 EPROM 编程时，此端为 21V 编程电源（VDD）输入端。（3）I/O 线P0（BUS）：引脚号 3239，单片机的双向数据总线和低 8 位地址总线。在分时操作时，先用作地
14、址总线，在 ALE 信号的下降沿，地址被锁存，然后作为数据总线；也可以作为双向并行 I/O 口。在程序校验期间，它用于数据输出。P1：引脚号 18，准双向 I/O 口。在编程校验期间，用于输入低 8 位地址。P2：引脚号 2128，准双向 I/O 口。在访问外部存储器时，用作高 8 位地址总线；在作编程校验时，用于输入高 8 位地址和控制信息。P3：引脚号 1017，准双向 I/O 口。P3 的每一根线还有特殊的第二功能，如表 1.1 示。表 1.1 P3 口第二功能介绍引脚 功能标记 第二功能P3.0 RXD 串行输入口P3.1 TXD 串行输出口P3.2 INT0 外部中断 0 输入P3.
15、3 TNT1 外部中断 1 输入P3.4 T0 定时/计数器 0 外部输入P3.5 T1 定时/计数器 1 外部输入P3.6 WR 外部数据存储器写选通P3.7 RD 外部数据存储器读选通 振荡器和时钟电路XTAL：引脚号 19，内部振荡器外接晶振的一个输入端。在使用外部振荡源时，此端必须接地。XTAL2：引脚号 18，内部振荡器外接晶振的另一个输入端。在使用外部振荡源时，此端用于输入外部振荡信号。XTAL2 也是内部时钟发生器的输入端。 当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE 端将有一个 1/6 时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用
16、于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。如果单片机是 EPROM，在编程其间， 将用于输入编程脉冲。当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC 的 16 位地址数据将出现在 P0 和 P2 口上，外部程序存储器则把指令数据放到 P0 口上，由 CPU 读入并执行。EA/Vpp 程序存储器的内外部选通线，8051 和 8751 单片机，内置有 4kB 的程序存储器，当EA 为高电平并且程序地址小于 4kB 时，读取内部程序存储器指令数据，而超过 4kB 地址则读取外部指令数据。如 EA 为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。51.2 单片机复位电路复位是单片机
17、的初始化操作，它的主要功能是将程序计数器 PC 初始化为 0000H，使单片机从 0000H 单元开始执行程序。在实际运行中，由于外界干扰等因素可使单片机的程序陷入跑飞或死循环状态。为摆脱困境，须将单片机进行复位，以重新启动。复位也使单片机退出低功耗工作方式而进入正常工作状态。RST 引脚是复位信号的输入端，高电平有效。其有效时间应持续 24 个振荡周期（即两个机器周期）以上。RESET/V pd 复位信号复用脚，当 8051 通电，时钟电路开始工作，在RESET 引脚上出现 24 个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。 8051 的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位。 VCR?GND
18、图 1.3 复位电路1.3 单片机控制系统单片微型计算机(Single Chip Micro Computer)简称单片机，它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理单元 CPU、一定容量的随机存储器 RAM 和只读存储器 ROM、I/O 接口电路、定时器/计数器以及串行口等制作在一块芯片中的计算机。由于单片机的硬件结构与指令系统的功能都是按工业控制要求而设计的，常用在工业检测、控制装置中，因而也称为微控制器（MicroController） 。它具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等特点。从家用电器、智能化仪器、工业控制直到火箭导航尖端技术领域都发挥着十分重要的作用。由于单片机
19、在应用时通常是处于被控系统的核心地位并融入其中，即以嵌入的方式进行使用，为了强调其“嵌入”的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器（EMCU ） 。以前，人们是通过模拟仪表对炉温进行控制，采用人工手动操作，依据个人的工作经验和控制系统返回的数据来调节相应的设备，控制效果不太理想，生产也不稳定。从五十年代开始，随着计算机的出现，人们开始在工厂，实验室或其它测试环境中用计算机进行数据采集和处理。单片机凭借其集成度高，运算快速快，体积小、运行可靠，价值低廉的优势，在数据采集，机电一体化，过程控制、智能化仪表、网络技术以及家用电器等方面得到广泛应用，本文主要介绍单片机在炉温控制中的应用。 在工业化生产中，需要有大量的加热设备，如用于熔化金属的坩埚炉、用于热处理的加
