备份单片机的温度控制系统设计方案毕业设.docx
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备份单片机的温度控制系统设计方案毕业设
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
DESIGNOFTEMPERATURECONTROLSYSTEMBASEDONSCM
ABSTRACT
Alongwithnationaleconomydevelopment,thepeopleneedtoeachheatingfurnace、theheat-treatmentfurnace、inthereactorandtheboilerthetemperaturecarryonthemonitorandthecontrol.Notonlyusesthemonolithicintegratedcircuittocometothemtocontrolhasthecontroltobeconvenient,simpleandflexibilitybigandsoonmerits,moreovermayenhancelargescaleisaccusedthetemperaturetechnicalspecification,thuscanbigenhancetheproductthequalityandquantity.
Thisdesignusesnon-ROM8031totakethemastercontrolchip.8031connectionelectriccircuitshave8155、2764.8155usesinthekeyboard/LEDmonitorconnection,2764maytake8031exteriorROMmemories,onetemperature-controlcircuitisadjuststhemeritrealizationthroughthesilicon-controlledrectifier.Thebidirectionalsilicon-controlledrectifiertubeandtheheaterseriesconnectioninexchange220V,50HZexchangecityelectricityreturnroute,inassignsinthecycle,8031solongasthechangesilicon-controlledrectifiertubeputsthroughthetimethentobepossibletochangetheheaterpower,achievestheattemperationthegoal.
Keywords:
Temperaturecontrol;Connectionelectriccircuit;Silicon-controlledrectifier
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
2.1.1MCS-51单片机内部结构3
2.1.2MCS-51输入/输出端口的结构与功能3
2.1.3MCS—51单片机的引脚及其功能4
2.1.48031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
3.28155接口电路8
3.3A/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
4.2T0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22
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。
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
第二章单片机
单片机是单片微型计算机SCM(singlechipmicro-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。
2.1.1MCS-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 其中震荡时序与时钟组成定时控制部件。 图2.18031单片机功能方框图 2.1.2MCS-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。 2.1.3MCS—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——<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。 2.1.48031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 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2.32764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。 3.28155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-00FFH8155内部RAM 0100H命令/状态口 0101HA口 0102HB口 0103HC口 0104H定时器低八位口 0105H定时器高八位口 3.3A/D转换电路 图3.3A/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。 3.4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: <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) 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) 第四章系统软件设计 4.1主程序 图4.1主程序流程图 主程序: ORG0100H DISM0DATA78H DISM1DATA79H DISM2DATA7AH DISM3DATA7BH DISM4DATA7CH DISM5DATA7DH MOVSP,#50H。 50H送SP CLR5EH。 清本次越限标志 CLR5FH;清上次越限标志 CLRA;清累加器A MOV2FH,A MOV30H,A MOV3BH,A MOV3CH,A清暂存单元 MOV3DH,A MOV3EH,A MOV44H,A MOVDISM0,A MOVDISM1,A MOVDISM2,A MOVDISM3,A清显示缓冲区 MOVDISM4,A MOVDISM5,A MOVTMOD,#56H MOVTL0,#06H MOVTH0,#06H CLRPT0 SETBTR0 SETBET0 SETBEA LOOPACALLDISPLY;调用显示程序 ACALLSCAN;调用扫描程序 AJMPLOOP;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。 4.2T0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4.2T0中断服务程序流程图 T0中断服务程序: ORG000BH AJMPCT0 CT0: PUSHACC; PUSHDPL;保护现场 PUSHDPH; SETBD5H;置标志 ACALLSAMP ACALLFILTER CJNEA,42H,TPL WL: MOVC,5EH MOV5FH,C CLR5EH ACALLUPL POPDPH POPDPL POPACC RETI;中断返回 TPL: JNCTPL1 CLR5FH;清上次越限标志 CJNEA,43H,MTPL HAT: SETBP1.1;若温度不越限,则绿灯亮 ACALLPID MOVA,2FH CPLA; INCA;对PID值求补,作为TL1值 NM: SETBP1.3 MOVTL1,A MOVTH1,#0FFH SETBPT1 SETBTR1;启动T1 SETBET1;允许T1中断 ACALLTRAST LOOP: ACALLDISPLY;显示温度 JBD5H,LOOP;等待T1中断 POPDPH POPDPL POPACC RETI MTPL: JNCHAT SETBP1.0;否则,下限声光报警 MOVA,45H CPLA INCA AJMPNM TPL1: SETB5EH JNB5FH,WL INC44H;越限计数器加1 MOVA,44H CLRC SUBBA,#N;越限N次吗? JNZWL SETBP1.2 CLR5EH CLR5FH POPDPH POPDPL POPACC 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: MOVR0,#2CH;采样值始址送R0 MOVR2,#03H MOVDPTR,#03F8H SAM1: MOVX@DPTR,A;启动ADC0809工作 MOVR3,#20H DLY: DJNZR3,DLY;延时 HERE: JBP3.3,HERE MOVXA,@DPTR MOV@R0,A;存放采样值 INCR0 DJNCR2,SAM1 RET 4.4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: MOVA,2CH CJNEA,2DH,CAMP1 AJMPCMP2 CMP1: JNCCMP2 XCHA,2DH XCHA,2CH CMP2MOVA,2DH CJNEA,2EH,CMP3 MOV2AH,A RET CMP3: JCCMP4 MOV2QH,A RET CMP4: MOVA,2EH CJNEA,2CH,CMP5 MOV2AH,A RET CMP5: JCCMP6 XCHA,2CH CMP6: MOV2AH,A RET 图4.4数字滤波程序流程图 总结 本设计使用无ROM的8031作为主控芯片进行控制,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。 其中的温控系统采用镍铬/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.温度是工业对象中的一个重要的被控参数,在本系统中,若采用模糊控制或者神经网络及遗传算法控制,这些控制技术会大大提高控制精度,不但使控制简捷,降低了产品的成本,提高了生产效率。 我在以后的设计实验中会加以致用,取得更好的成绩。 参考文献 [1]何立民.单片机高级教程应用[M].北京: 北京航空航天大学出版社,2000,3~14 [2]赖寿宏.微型计算机控制技术[M].北京: 机械工业出版社.2003,21~42. [3]康华光主编.电子技术基础[M].北京: 高等教育出版社,1998,121~142. 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