MCS51單片機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計說明

1、. . . . 摘 要：本文從硬件和軟件兩方面介紹了MCS-51單片機溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計思路，對硬件原理圖和程序框圖作了簡捷的描述。關(guān)鍵詞：MCS-51單片機；溫度；軟硬件；硬件原理圖；程序框圖；設(shè)計0引言 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。采用MCS-51單片機來對溫度進行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量

2、。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的問題。本文以它為例進行介紹，希望能收到舉一反三和觸類旁通的效果。1硬件電路設(shè)計 以熱電偶為檢測元件的單片機溫度控制系統(tǒng)電路原理圖如圖1所示。 1.1 溫度檢測和變送器 溫度檢測元件和變送器的類型選擇與被控溫度的圍和精度等級有關(guān)。鎳鉻/鎳鋁熱電偶適用于0-1000的溫度檢測圍，相應(yīng)輸出電壓為0mV-41.32mV。 變送器由毫伏變送器和電流/電壓變送器組成：毫伏變送器用于把熱電偶輸出的0mV-41.32mV變換成4mA-20mA的電流；電流/電壓變送器用于把毫伏變送器輸出的4mA-20mA電流變換成0-5V的電壓。 為了提高測量精度，變送

3、器可以進行零點遷移。例如：若溫度測量圍為500-1000，則熱電偶輸出為20.6mV-41.32mV，毫伏變送器零點遷移后輸出4mA-20mA圍電流。這樣，采用8位A/D轉(zhuǎn)換器就可使量化溫度達到1.96以。 1.2接口電路 接口電路采用MCS-51系列單片機8031，外圍擴展并行接口8155，程序存儲器EPROM2764，模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809等芯片。 由圖1可見，在P2.0=0和P2.1=0時，8155選中它部的RAM工作；在P2.0=1和P2.1=0時，8155選中它部的三個I/O端口工作。相應(yīng)的地址分配為：0000H - 00FFH 8155部RAM0100H 命令/狀態(tài)口0101H

4、A 口0102H B 口0103H C 口0104H 定時器低8位口0105H 定時器高8位口 8155用作鍵盤/LED顯示器接口電路。圖2中鍵盤有30個按鍵，分成六行（L0-L5）五列（R0-R4），只要某鍵被按下，相應(yīng)的行線和列線才會接通。圖中30個按鍵分三類：一是數(shù)字鍵0-9，共10個；二是功能鍵18個；三是剩余兩個鍵，可定義或設(shè)置成復(fù)位鍵等。為了減少硬件開銷，提高系統(tǒng)可靠性和降低成本，采用動態(tài)掃描顯示。A口和所有LED的八段引線相連，各LED的控制端G和8155C口相連，故A口為字形口，C口為字位口，8031可以通過C口控制LED是否點亮，通過A口顯示字符。圖1 單片機溫度控制系統(tǒng)電路

5、原理圖圖2 8155用作鍵盤/LED顯示器接口電路 2764是8K EPROM型器件。8031的PSEN和2764的OE相連，P2.5和CE相連，所以2764的地址空間為：0000H-1FFFH，ADC0809的0通道（IN0 其他輸入端可作備用）和變送器的輸出端相連，所以從通道0（IN0）上輸入的0V-+5V圍的模擬電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后可由8031通過程序從P0口輸入到它的部RAM單元，在P2.2=0和WR=0時，8031可使ALE和START變?yōu)楦唠娖蕉鴨覣DC0809工作；在P2.2=0和RD=0時，8031可以從ADC0809接收A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。也就是說ADC0809可以視為80

6、31的一個外部RAM單元，地址為03F8H（地址重復(fù)圍很大），因此，8031執(zhí)行如下程序可以啟動ADC0809工作。MOVDPTR，#03F8HMOVXDPTR,A若8031執(zhí)行下列程序：MOVDPTR，#03F8HMOVXA，DPTR則可以從ADC0809輸入A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。1.3溫度控制電路 8031對溫度的控制是通過雙向可控硅實現(xiàn)的。如圖一所示，雙向可控硅管和加熱絲串接在交流220V、50Hz市電回路。在給定周期T，8031只要改變可控硅管的接通時間即可改變加熱絲的功率，以達到調(diào)節(jié)溫度的目的。 可控硅接通時間可以通過可控硅控制極上觸發(fā)脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由8031用軟件在P1.3引

7、腳上產(chǎn)生，在過零同步脈沖同步后經(jīng)光電耦合管和驅(qū)動器輸出送到可控硅的控制極上。3. 溫度控制的算法和程序框圖圖3 主程序框圖 3.1溫度控制算法 通常，電阻爐爐溫控制都采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出實測爐溫對所需爐溫的偏差值，然后對偏差值處理獲得控制信號去調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率，以實現(xiàn)對爐溫的控制。在工業(yè)上，偏差控制又稱PID控制，這是工業(yè)控制過程中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式，一般都能收到令人滿意的效果。 3.2溫度控制程序框圖 溫度控制程序的設(shè)計應(yīng)考慮如下：1）鍵盤掃描、鍵碼識別和溫度顯示；2）爐溫采樣、數(shù)字濾波；3）數(shù)據(jù)處理；4）越限報警和處理；5）PID計算、溫度標度轉(zhuǎn)換3.2.1主程

8、序框圖 主程序包括8031本身的初始化、并行接口8155初始化等等。大體說來，本程序包括設(shè)置有關(guān)標志、暫存單元和顯示緩沖區(qū)清零、T0初始化、CPU開中斷、溫度顯示和鍵盤掃描等程序。3.2.2中斷服務(wù)程序框圖 T0中斷服務(wù)程序是溫度控制系統(tǒng)的主體程序，用于啟動數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、讀入采樣數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波、越限溫度報警和越限處理、PID計算和輸出可控硅的觸發(fā)脈沖等。P1.3引腳上輸出的該同步觸發(fā)脈沖寬度由T1計數(shù)器的溢出中斷控制，8031利用等待T1溢出中斷的空閑時間（形成P1.3輸出脈沖頂寬）完成把本次采樣值轉(zhuǎn)換成顯示值而放入顯示單元緩沖區(qū)和調(diào)用溫度顯示程序。8031從T1中斷服務(wù)程序返回后即可恢復(fù)現(xiàn)場

9、和返回主程序。3.2.3主要子服務(wù)程序框圖 主要服務(wù)子程序包括溫度檢測采樣與數(shù)字濾波子程序、帶符號雙字節(jié)乘法子程序和標度轉(zhuǎn)換子程序目的是把實際采樣取得的二進制值轉(zhuǎn)換成BCD碼形式的溫度值，然后存放到顯示緩沖區(qū)中，供顯示子程序調(diào)用。圖4中斷服務(wù)程序框圖 對于一般線性儀表來說，標度轉(zhuǎn)換公式為：Tx=A0 + (Am-A0) 其中，A0為一次測量儀表的下限； Am為一次測量儀表的上限；Vx 為實際測量值（工程量）；Vm為儀表上限對應(yīng)的數(shù)字量； V0為儀表下限對應(yīng)的數(shù)字量。4 其它控制算法 不同的控制對象，所采用的算法有所不同。例如對于熱慣性大、時間滯后明顯、耦合強、難于建立精確數(shù)學模型的大型立式淬火爐，可以采用人工智能模糊控制算法，通過對淬火爐電熱元件通斷比的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對爐溫的自動控制，也可以采用仿人智能控制（SHIC）算法和PID控制算法的聯(lián)合控制方案，實際應(yīng)用時應(yīng)靈活運用。5結(jié)束語 MCS-51單片機，體積小，重量輕